Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 10
1.1. Реакции присоединения третичных фосфинов к непредельным электрофильным реагентам 12
1.2. Третичные фосфины как катализаторы в реакциях непредельных электрофильных соединений
1.2.1. Реакция Михаэля 19
1.2.2. Реакция Раухута-Куррье 30
1.2.3. Реакция Мориты-Бэйлиса-Хиллмана 38
1.2.4. Фосфин-катализируемые реакции циклоприсоединения 50
Глава 2. Кинетика и механизм присоединения третичных фосфинов к алкенам, активированным электроноакцепторными группами (Обсуждение результатов) 57
2.1. Сопоставительное кинетическое исследование реакций третичных фосфинов с непредельными карбоновыми кислотами и их функциональными производными. Кинетические изотопные эффекты 59
2.2. Количественный учет влияния растворителя на кинетику реакции третичных фосфинов с непредельными карбоновыми кислотами 69
2.3. Эффекты анхимерного содействия в реакциях третичных фосфинов с активированными алкенами 89
Глава 3. Экспериментальная часть 108
3.1. Подготовка растворителей и реагентов 108
3.2. Кинетические исследования 110
Заключение 121
Список условных обозначений и сокращений 123
Список использованных библиографических источников
- Третичные фосфины как катализаторы в реакциях непредельных электрофильных соединений
- Фосфин-катализируемые реакции циклоприсоединения
- Количественный учет влияния растворителя на кинетику реакции третичных фосфинов с непредельными карбоновыми кислотами
- Кинетические исследования
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Установление механизма реакции – одна из основных задач фундаментальной химии, решение которой дает химику возможность управлять реакцией и предвидеть ее результат. А это особенно необходимо в отношении тех реакций, продукты которых имеют важное практическое значение. Способность третичных фосфинов атаковать электрофильные углерод-углеродные кратные связи с образованием реакционноспособных фосфониевых цвиттер-ионных интермедиатов широко используется в современном органокатализе для конструирования новых углеродных связей за счет конденсации этих цвиттер-ионов с электрофильными партнерами – альдегидами и иминами (реакция Мориты-Бэйлиса-Хиллмана), активированными алкенами (реакция Раухута-Куррье) и др. Эти именные реакции легли, например, в основу промышленного синтеза противоэпилептического вещества и антидепрессанта прегабалина (в Россию поставляется под торговым названием «Лирика» компанией Pfizer, США), а также лекарственного средства сампатрилата, используемого для лечения сердечной недостаточности. Водорастворимые гидроксиалкилфосфины предложены в качестве высокоэффективных отбеливающих агентов для целлюлозы, и в основе этого процесса также лежит взаимодействие фосфинов с сопряженными карбонильными хромофорами лигнина.
Степень разработанности темы исследования. Несмотря на большую практическую значимость, в химии фосфин-катализируемых реакций существует ряд проблем фундаментального характера. Наиболее серьезными из них являются не всегда достаточно высокая скорость протекания реакций (некоторые реакции требуют нескольких дней и даже недель), а также сильная зависимость выхода желаемых продуктов от строения исходных субстратов. Обычно хороших результатов удается достичь лишь при использовании незамещенных электрофильных реагентов, и именно эти реакции легли в основу действующих промышленных схем. Преодоление указанных проблем является приоритетным направлением в развитии химии фосфин-катализируемых реакций, что невозможно без детального представления о влиянии структурных особенностей субстратов на скорость взаимодействия третичных фосфинов с активированными алкенами, природе возникающих интермедиатов, а также внешних и внутренних факторах, ответственных за их стабилизацию. Таким образом, исследование кинетики и механизма реакции третичных фосфинов с алкенами, активированными электроноакцепторными группами, представляется актуальной задачей.
Цель и задачи работы. Целью данной диссертационной работы являлось установление кинетических закономерностей и механизма реакции присоединения третичных фосфинов к алкенам, активированным различными электроноакцепторными группами: карбоксильной, сложноэфирной, нитрильной, амидной.
Для реализации поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
1) выявить сходства и различия в кинетике и механизме реакций третичных
фосфинов с алкенами, содержащими и не содержащими кислотных групп;
2) установить природу лимитирующей стадии реакции путем привлечения
кинетических изотопных эффектов;
3) на количественном уровне проанализировать эффект растворителя на скорость
присоединения фосфина;
4) выяснить причину аномальной реакционной способности некоторых субстратов (в частности, малеиновой кислоты) в реакции с третичными фосфинами и логически предсказать возможность возникновения подобного эффекта в реакциях с участием других субстратов.
Научная новизна работы.
Впервые проведено сопоставительное кинетическое изучение реакций
третичных фосфинов с непредельными карбоновыми кислотами и их функциональными
производными: эфирами, нитрилами, амидами – в уксуснокислой среде. Установлен
однотипный характер протекания взаимодействия независимо от природы
электроноакцепторной группы алкена. Показано, что электрофильные свойства
непредельного субстрата не являются определяющими для скорости взаимодействия.
Предложен механизм реакции, включающий первоначальное образование фосфониевого
цвиттер-иона с последующим переносом протона к карбанионному центру
генерированного интермедиата от растворителя на лимитирующей стадии реакции.
Обнаружен нормальный кинетический изотопный эффект для реакций
трифенилфосфина с непредельными карбоновыми кислотами и их функциональными
производными в d1-уксусной кислоте, подтверждающий правильность отнесения
лимитирующей стадии реакции к стадии переноса протона.
Впервые для серии из 16 растворителей проведен количественный анализ
влияния среды на скорость реакции третичных фосфинов с непредельными карбоновыми
кислотами. Показано, что влияние природы растворителя на скорость реакции наилучшим
образом описывается двухпараметровым уравнением, включающим основность
растворителя В по Пальму и полярность растворителя ET по Рейхардту. Наиболее
значимым является вклад параметра В, отрицательно сказывающемся на скорости
взаимодействия, полярность же растворителя имеет слабо выраженный положительный
эффект на скорость взаимодействия.
Обнаружен эффект анхимерного содействия для реакций нуклеофильного
присоединения, ранее не описанный в литературе. Эффект проявляется в виде аномально
высокой скорости взаимодействия малеиновой, цис-аконитовой кислот, а также
бифункционального третичного фосфина – 2-(дифенилфосфино)бензойной кислоты – и
обусловлен одновременной стабилизацией возникающего фосфониевого интермедиата
посредством внутримолекулярного электростатического РО взаимодействия и
внутримолекулярного водородного связывания за счет соседней цис-карбоксильной
группы непредельной дикарбоновой кислоты, либо орто-карбоксильной группы фосфина.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Установленные на базе кинетических измерений количественные взаимосвязи
между строением и реакционной способностью активированных алкенов в реакции с
третичными фосфинами, а также природой растворителя и скоростью реакций позволяют
оптимизировать методы синтеза образующихся фосфониевых соединений,
представляющих интерес в качестве органокатализаторов, поверхностно-активных и
биологически активных веществ.
Обнаруженный эффект анхимерного содействия может быть использован для
повышения эффективности протекания фосфин-катализируемых реакций электрофильных
алкенов, имеющих важное синтетическое значение.
Полученные результаты включены в преподаваемый в Казанском
(Приволжском) федеральном университете курс «Физические методы исследования
органических и элементоорганических соединений».
Методология и методы исследования. Кинетические исследования были проведены с использованием метода УФ-спектроскопии, имеющего высокие метрологические характеристики в количественных измерениях. Для количественного установления влияния растворителя на скорость реакции был привлечен аппарат корреляционного анализа.
Положения, выносимые на защиту.
лимитирующей стадией в реакции третичных фосфинов с алкенами,
активированными электроноакцепторными группами, в кислой среде является перенос
протона к карбанионному центру возникающего цвиттер-ионного интермедиата от
растворителя, что следует из:
1) кинетического уравнения реакции, включающего концентрацию третьего
(протонодонорного) реагента;
-
отсутствия корреляции между скоростью присоединения фосфина и электрофильностью субстрата;
-
доминирующего влияния основности среды на скорость взаимодействия;
4) наличия нормального кинетического изотопного эффекта для реакций в
дейтероуксусной кислоте.
скорость взаимодействия третичных фосфинов с активированными алкенами
вопреки электронному и стерическому влиянию заместителей при реакционных центрах
субстратов может быть повышена за счет эффекта анхимерного содействия, возникающего
в результате дополнительной стабилизации цвиттер-ионного интермедиата за счет
внутримолекулярного электростатического РО взаимодействия и внутримолекулярного
водородного связывания. Данный эффект носит общий характер и может быть достигнут
как за счет карбоксильной группы, входящей в состав непредельного субстрата
(малеиновая, цис-аконитовая кислоты), так и за счет карбоксильной группы, входящей в
состав бифункционального третичного фосфина (2-(дифенилфосфино)бензойная кислота).
Личный вклад автора заключается в непосредственном проведении кинетических исследований, математической обработке полученных экспериментальных данных, поиске и анализе литературных данных, обсуждении результатов и формулировке выводов исследования.
Степень достоверности результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается воспроизводимостью данных кинетических экспериментов, полученных с использованием современного высокоточного оборудования. Результаты отличаются высокой степенью внутренней согласованности и имеют высокое качество.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на Международной конференции «Катализ в органическом синтезе» (International Conference "Catalysis in Organic Synthesis", ICCOS-2012, Москва, 2012); XIV Европейском Симпозиуме по реакционной способности (XIV European Symposium on Organic Reactivity, ESOR 2013, Чехия, Прага, 2013); IX Всероссийской конференции молодых ученых с международным участием «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Саратов, 2013); VIII Всероссийской конференции «Высокореакционные интермедиаты химических и биохимических реакций» (Москва,
2013), II Российском конгрессе по катализу «РОСКАТАЛИЗ» (Самара, 2014); XXVI Симпозиуме «Современная химическая физика» (Туапсе, 2014); Всероссийской школе-конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Материалы и технологии XXI века» (Казань, 2014); IX Международной конференции по химической кинетике (IX International Conference on Chemical Kinetics, ICCK-2015, Бельгия, Гент, 2015); IV Всероссийской конференции c международным участием «Современные проблемы химической науки и фармации» (Чебоксары, 2015); I Всероссийской конференции по химии элементоорганических соединений и полимеров ИНЭОС OPEN 2015 (Москва, 2015); XXXIII Всероссийском симпозиуме молодых ученых по химической кинетике (Москва, 2015); I Международной школе-конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Биомедицина, материалы и технологии XXI века» (Казань, 2015); XXI Международной конференции по химии фосфора (XXI International Conference on Phosphorus Chemistry, ICPC-2016, Казань, 2016).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей, входящих в Перечень рецензируемых научных изданий, установленный Министерством образования и науки Российской Федерации, и тезисы 15 докладов в материалах международных и всероссийских конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 144 страницах, содержит 90 схем, 43 рисунка и 21 таблицу. Список литературы состоит из 162 библиографических ссылок. Диссертация включает в себя введение, 3 главы, заключение, список сокращений, список литературы.
Третичные фосфины как катализаторы в реакциях непредельных электрофильных соединений
Фосфин-катализируемая димеризация активированных алкенов впервые была открыта Раухутом и Куррье в 1963 году [52], в честь которых и была названа данная реакция, позволяющая получать соединения с новой С-С связью между -углеродным атомом одного активированного алкена и -углеродным атомом второго алкена (схема 1.34). 2 / \ R3P Г A A A = CN, CO2R Схема 1.34
Хотя в литературе отсутствуют отдельные исследования, посвященные выяснению механизма этой реакции, общепринятым является механизм, включающий первоначальное присоединение фосфина к молекуле активированного алкена с последующей атакой образовавшегося карбаниона на вторую молекулу активированного алкена. Протонный сдвиг и отщепление фосфина завершают каталитический цикл (схема 1.35).
В 2002 г. двумя исследовательскими группами под руководством Крисше и Руша было проведено детальное изучение внутримолекулярной реакции Раухута-Куррье [53, 54], которая была успешно использована для построения циклических систем. A
Авторы пришли к такому же выводу об электронном влиянии заместителей: реакция начиналась с присоединения фосфина к более электрофильному непредельному кетону с последующей атакой на менее электрофильную сложноэфирную систему.
Внутримолекулярные реакции Раухута-Куррье легли в основу синтеза многих природных биологически активных соединений сложного строения: (-)-спинозина А [55, 56], (+)-харзифилона [57], антимитотического агента FR182877 [58], (±)-риччиокарпина [59] и др.
Однако, несмотря на значительный прогресс в изучении данной реакции, внутримолекулярные реакции часто осложняются побочными процессами, связанными с анионной полимеризацией или олигомеризацией непредельных субстратов, кроме того, существуют и проблемы при контроле хемоселективности реакций [1, 2]. По этим причинам эффективные методики внутримолекулярных реакций Раухута-Куррье встречаются нечасто [60, 61], особенно для ,-ненасыщенных альдегидов и кетонов, которые, однако, привлекательны тем, что дают возможность дальнейшей функционализации образующихся соединений [62].
Одним из возможных решений проблемы хемоселективности реакции Раухута-Куррье является использование ее в качестве одной из стадий в домино-реакциях. Например, Хуанг и Чен с соавторами осуществили внутримолекулярную домино-реакцию Раухута-Куррье с участием сопряженных енон-еноатов и непредельных -кетоэфиров, катализируемую трибутилфосфином, приводящую к получению бициклических производных дигидрофурана (схема 1.38) [63]:
Авторами был предложен следующий механизм реакции (схема 1.40). Нуклеофильное присоединение фосфина по двойной связи, находящейся в сопряжении с кетонной группой дает цвиттер-ион 9, который вступает в межмолекулярное сопряженное присоединение с непредельным -кетоэфиром, давая цвиттер-ион 10, далее перенос протона приводит к образованию илида 11, стабилизированного примыкающей енонной группой. Присоединение этого илида по карбонильной группе кетоэфира дает интермедиат 12, который подвергается внутримолекулярной реакции нуклеофильного замещения с образованием интермедиата 13. Он не является стабильным и изомеризуется в конечный бициклический дигидрофуран в результате протонного переноса. Интермедиат 12 , полученный из енон-енона, по-видимому, подвергается протонному переносу, давая цвиттер-ион 13 . Последующее -элиминирование дает интермедиат 14 и регенерирует трибутилфосфин. Далее фосфин присоединяется к интермедиату 14, давая цвиттер-ион 15, который атакует карбонильную группу с образованием бициклического интермедиата 16. Этот интермедиат трансформируется в конечный фосфоран в результате дегидратации.
В продолжение начатых исследований авторами была изучена реакция сопряженных диенов с замещенными 1,1-дицианоалкенами, представляющая удобный и эффективный метод получения полифункциональных циклопентеновых структур (схема 1.41) [64]: NC CN .CN РВи3 (30 моль.%) \ PhCO2H(20 молъ./а . СНС13 20С О Схема 1.41 Авторами был предложен следующий механизм данной домино-реакции Раухута-Курье (схема 1.42).
Его отличительной особенностью является образование интермедиата 17, который подвергается внутримолекулярной реакции Михаэля, давая циклический цвиттер-ион 18. Два последовательных протонных переноса приводят к конечному продукту и регенерации фосфина. R1
Как и следовало ожидать, при наличии -заместителя в диене реакция не протекает, поскольку заместитель делает невозможным перенос протона, и, как следствие, саму домино-реакцию (схема 1.43): CN PBu3 (30 моль.%) м PhCO2H(20 моль.%) C02Et NC CN pol C02Et м/ \ш снс,з pol 20С Ar=4-FC6H4 Схема 1.43 Эти же авторы осуществили домино-реакцию, в которой были скомбинированы три последовательных реакции: Раухута-Куррье, Михаэля и альдольная конденсация, что в итоге приводит к образованию циклогексенов (схема 1.44) [65]: сно
Решающую роль в этой реакции является использование бифункционального третичного фосфина - 3 -(дифенилфосфино)бифенил-2-ола - в качестве катализатора, поскольку ни трифенил-, ни трибутилфосфин не катализировали данное превращение. Возможный механизм реакции представлен на схеме 1.45.
Первоначально акролеин 20 присоединяет катализатор 19 с образованием цвиттер-ионного интермедиата 21. Фенольная ОН-группа фосфина, являясь кислотой Бренстеда, способствует стабилизации этого интермедиата посредством внутримолекулярной водородной связи. Далее протекает реакция Раухута-Куррье с образованием интермедиата 22. Последующее его присоединение по Михаэлю к другой молекуле акролеина дает интермедиат 23. Затем имеет место альдольная конденсация через интермедиат 24, приводящая в итоге к циклогексену 25 в результате дегидратации. Регенерация катализатора завершает каталитический цикл.
Таким образом, реакция Раухута-Куррье, несмотря на существующие сложности в контроле хемоселективности процесса, привлекает большое внимание исследователей, что, не в последнюю очередь, связано с ее большим синтетическим потенциалом и возможностью получения разнообразных практически полезных соединений.
В общем случае реакция Мориты-Бэйлиса-Хиллмана представляет собой взаимодействие ,-непредельных электрофильных соединений с карбонильными соединениями в условиях нуклеофильного катализа, чаще всего третичными фосфинами или аминами. В эту реакцию вступают непредельные эфиры, акрилонитрил, непредельные кетоны, сульфоны, фосфонаты, акролеин и др. В качестве карбонильной компоненты реакции выступают самые разные электрофилы - алифатические, ароматические, ,-непредельные альдегиды (схема 1.46):
Фосфин-катализируемые реакции циклоприсоединения
Как следует из представленного литературного обзора, реакция присоединения третичных фосфинов к алкенам, активированным электроноакцепторными группами, имеет важное значение для современной синтетической химии. Так, способность третичных фосфинов атаковать электрофильные углерод-углеродные кратные связи с образованием реакционноспособных цвиттер-ионных интермедиатов широко используется в каталитических превращениях, например, в реакциях Мориты-Бэйлиса-Хиллмана и Раухута-Курье, используемых для конструирования новых связей углерод-углерод и углерод-гетероатом. Четвертичные фосфониевые соли – стабильные продукты присоединения третичных фосфинов к активированным алкенам – привлекают интерес в качестве органокатализаторов, поверхностно-активных и биологически активных веществ.
Но хотя синтетическая значимость рассматриваемой реакции Михаэля подтверждается многочисленными примерами, в литературе практически отсутствуют данные о ее кинетике и механизме, о природе возникающих интермедиатов, о внешних и внутренних факторах, ответственных за их стабилизацию. Вместе с тем, такая информация крайне важна для дальнейшего расширения синтетического потенциала фосфин-катализируемых реакций и преодоления свойственных им негативных особенностей, а именно: недостаточно высокой скорости конверсии и сильной зависимости выхода целевых продуктов от природы субстратов.
Как показали предыдущие исследования, удобной модельной системой для выяснения природы фигурирующих в фосфин-катализируемых реакциях интермедиатов является кватернизация третичных фосфинов непредельными карбоновыми кислотами [105-110], и протекание данных реакций легко отслеживать с помощью спектрофотометрии. Исследование кинетики реакции третичных фосфинов с непредельными карбоновыми кислотами показало, что процесс кватернизации всегда описывается кинетическим уравнением третьего порядка, вид которого зависит от природы растворителя, и требует участия третьих молекул – протонодоноров.
Это позволило предложить ступенчатый механизм реакции (схема 2.1), который включает в себя обратимую генерацию цвиттер-ионного интермедиата 46 с последующим переносом протона к карбанионному центру от растворителя (например, уксусной кислоты) или от второй молекулы непредельной кислоты на лимитирующей стадии реакции. Последующие квантово-химические расчеты позволили заключить, что такой механизм – есть результат высокой лабильности фосфониевого цвиттер-иона, в результате чего скорость распада k-1 становится значительно больше, чем скорость переноса протона k2 [107].
Однако вопрос, касающийся общности предложенного механизма в отношении других активированных алкенов – функциональных производных непредельных карбоновых кислот, – оставался открытым, не до конца понятными были причины аномальной реакционной способности некоторых непредельных субстратов (в частности, малеиновой кислоты) в реакции с третичными фосфинами, требовались более детальные сведения о влиянии растворителя на скорость реакции, а также дополнительные аргументы в пользу неожиданного вывода о том, что лимитирующей стадией в рассматриваемой реакции оказывается перенос протона к карбанионному центру в кислой среде. Решение указанных проблем, а также тесно связанных с ними вопросов о структуре возникающих интермедиатов и составило предмет настоящего диссертационного исследования.
Сопоставительное кинетическое исследование реакций третичных фосфинов с непредельными карбоновыми кислотами и их функциональными производными. Кинетические изотопные эффекты
В условиях псевдопервого порядка по фосфину нами была изучена кинетика реакции трифенилфосфина с пятью активированными алкенами – производными непредельных карбоновых кислот: метилакрилатом, метилметакрилатом, диметилитаконатом, акрилонитрилом, акриламидом – в среде уксусной кислоты и d1-уксусной кислоты (схема 2.2):
Во всех случаях реакции формально описывались кинетическим уравнением второй степени 2.1: порядок по каждому из реагентов первый. W = kнабл[Ph3P] [алкен], (2.1) где набл - наблюдаемая константа скорости второго порядка; [Ph3P] -концентрация трифенилфосфина в реакционной смеси; [алкен] - концентрация активированного алкена.
Представлялось интересным сопоставить результаты кинетического исследования реакций с участием непредельных кислот и их производных. Использование критерия Экснера [111], основанного на сопоставлении констант скорости при различных температурах, показало, что все реакции (как ранее изученные, так и исследованные в настоящей работе) принадлежат к одной реакционной серии, т.е. имеют однотипный механизм (рис. 2.1). log107/(20oC) 1 log10 (50oC) = (0.922±0.019)log10 (20oC) + (0.551±0.045) 1 Л? = 11,Л = 0.9996,5 = 8.292-10 -3,5 -2,58V -1,5 / ! -0,5 0,5 ъУ -10 -1 6ч 5 -2 7 11 -3 Рисунок 2.1. Изокинетическая зависимость log10kII (50 C) – log10kII (20 C) для реакции PPh3 с активированными алкенами в среде AcOH: (1) малеиновая кислота; (2) акриловая кислота; (3) метилакрилат; (4) акриламид; (5) акрилонитрил; (6) метакриловая кислота; (7) метилметакрилат; (8) итаконовая кислота; (9) диметилитаконат; (10) фумаровая кислота; (11) кротоновая кислота. Данные для кислот взяты из работы [105]
Поскольку предыдущие кинетические исследования реакции трифенилфосфина с акриловой кислотой в смесях уксусной кислоты с апротонным растворителем (ацетонитрилом) показали, что концентрация протонодонорного растворителя входит в кинетическое уравнение реакции [105, 107], наличие единой изокинетической зависимости, представленной на рис. 2.1, указывает на то, что формальное кинетическое уравнение 2.1 для реакций трифенилфосфина с функциональными производными непредельных кислот, по аналогии с реакциями самих кислот, следует трансформировать в уравнение (2.2) общего третьего порядка: Ж = п[РРп3][алкен] = ш[РРп3][алкен][АсОН] = 2[PPh3] [алкен] [АсОН] (2.2)
Здесь кш - константа скорости третьего порядка; [АсОН] - концентрация уксусной кислоты (протонодонорного растворителя); К = кх1кл - константа равновесия образования цвиттер-ионного интермедиата 46 в представленном механизме, причем к.\»к\, к2 - константа скорости лимитирующей стадии переноса протона от уксусной кислоты.
Количественный учет влияния растворителя на кинетику реакции третичных фосфинов с непредельными карбоновыми кислотами
Величины нуклеофильности (общей основности) получены по разности значений частоты валентных колебаний группы ОН фенола в тетрахлорметане и соответствующем растворителе:
Коэффициент полной четырехпараметровой корреляции по уравнению Коппеля-Пальма составляет 0.958. Исключение статистически незначимых параметров Р и Е приводит к уравнению с удовлетворительным коэффициентом корреляции 0.952. И хотя параметр Y также малозначим, его исключение приводит к однопараметровому уравнению с неудовлетворительным коэффициентом Д=0.935. Таким образом, успех уравнения Коппеля-Пальма во многом обусловлен сильной корреляцией константы скорости с параметром основности В. Дальнейшее улучшение качества корреляции может быть достигнуто за счет использования параметра Рейхардта ЕT вместо параметров Y, Р, Е в уравнении Коппеля-Пальма (Я=0.961). Такая трансформация уравнения оправдана, поскольку в литературе считается [142], что исключение вкладов неспецифического взаимодействия путем вычитания их из параметра ЕT делает найденный таким образом параметр Е менее надежным, чем ЕT.
С точки зрения предложенного механизма, полярность растворителя, выраженная через параметры Y или ЕT, способствует взаимодействию за счет лучшей стабилизации цвиттер-ионного интермедиата 46 и снижения скорости его распада k-1, о чем свидетельствуют положительные знаки перед этими параметрами в корреляционных уравнениях. Эта стабилизация может быть достигнута как за счет диполь-дипольных взаимодействий, так и за счет электроноакцепторных свойств растворителя. Очевидно, что обобщенный параметр растворителя ET будет лучше описывать взаимодействие растворителя с цвиттер-ионом, чем необобщенные параметры Кирквуда Y или Коппеля-Пальма Е. Вероятнее всего, малая статистическая значимость параметров Y и ET вновь является следствием высокой лабильности цвиттер-ионного интермедиата, что не позволяет растворителю вовлекаться в его эффективную стабилизацию. Этот вывод подтверждается практически одинаковыми значениями энтропии активации независимо от полярности растворителя, о чем упоминалось выше.
Таким образом, скорость реакции третичных фосфинов с непредельными карбоновыми кислотами является очень чувствительной к природе растворителя, данный эффект был проанализирован на основе принципа линейности свободных энергий в рамках одно- и многопараметровых уравнений: Камлета-Тафта, Гутмана-Майера, Каталана, Коппеля-Пальма и др. Оказалось, что основность растворителя, выраженная в любой из шкал, оказывает наиболее существенное влияние на скорость реакции, замедляя ее; этот вывод подтверждает скорость лимитирующий характер стадии переноса протона. Полярность растворителя оказывает лишь слабо выраженный положительный эффект на скорость взаимодействия, вероятнее всего, вследствие чрезвычайно высокой лабильности цвиттер-ионного интермедиата, что делает сольватационные эффекты малозначимыми для его стабилизации. Данный вывод согласуется с практически изоэнтропийным характером реакционной серии, включающей растворители с резко отличающейся полярностью.
Наилучшей моделью для описания влияния природы растворителя оказалось двухпараметровое уравнение, включающее основность растворителя В по Пальму и полярность ET по Рейхардту. Благодаря низкой основности и высокой полярности наиболее «быстрыми» растворителями для реакции оказываются циклические карбонаты (этилен- и пропиленкарбонат), нитрилы, а также сульфолан.
Предпосылкой для настоящей части исследования явилось обнаружение, что малеиновая кислота проявляет неожиданно высокую реакционную способность в реакции с третичными фосфинами, заметно превосходя по скорости взаимодействия транс-изомер – фумаровую кислоту – и даже незамещенную акриловую кислоту (см. таблицу 2.1) [105, 143].
Предложенный ступенчатый механизм хорошо объясняет наблюдаемую высокую чувствительность реакции к эффекту заместителей при С=С связи кислоты. К примеру, алкильные заместители в -положении (как в случае метакриловой и итаконовой кислот) дестабилизируют возникающий карбанионный заряд, снижая скорость реакции в 50 раз и 3 раза соответственно по сравнению с акриловой кислотой. -Заместители (как в случае кротоновой и фумаровой кислот) снижают скорость реакции в 215 раз и 3 раза соответственно за счет экранирования реакционного центра, препятствуя нуклеофильной атаке фосфина. Тиглиновая кислота, имеющая метильные группы в - и в -положениях, имеет настолько низкую реакционную способность, что экспериментальное определение константы скорости реакции с ее участием становится затруднительным. В то же время, высокая реакционная способность малеиновой кислоты не может быть объяснена, принимая во внимание лишь электронные и стерические эффекты -карбоксильной группы в ней. Это свидетельствует о том, что в данном случае имеет место иной эффект, снижающий энергетический барьер реакции.
Можно было бы предположить, что различие в реакционной способности малеиновой и фумаровой кислот может быть связано исключительно с дестабилизированностью исходного состояния первой кислоты, вызванной термодинамически менее выгодным г/иорасположением карбоксильных групп относительно С=С связи (схема 2.12).
Кинетические исследования
Использовавшиеся в кинетических экспериментах вещества – третичные фосфины, активированные алкены, растворители – являлись коммерческими реагентами с самой высокой доступной степенью чистоты. Дополнительную очистку растворителей и реагентов при необходимости производили по известным литературным методикам непосредственно перед проведением эксперимента. Идентификацию проводили путем сравнения физических констант с известными литературными данными.
Трифенилфосфин (Acros Organics, 99%), 2-(дифенилфосфино)бензойную кислоту (Acros Organics, 98%), 4-(дифенилфосфино)бензойную кислоту (Acros Organics, 97%) использовали без дополнительной очистки.
Акриловую кислоту, метилакрилат, метилметакрилат, диметилитаконат и акрилонитрил дважды перегоняли при пониженном давлении, для предотвращения возможной полимеризации добавляли небольшие количества гидрохинона. Для кинетических экспериментов использовалась только средняя фракция. Температуры кипения реагентов и показатели преломления в сопоставлении с литературными данными представлены в Таблице 3.1. Показатели преломления измерены на автоматическом рефрактометре Atago RX-7000 с встроенным элементом Пельтье для осуществления термостатирования (±0.01С).
Итаконовую кислоту, цис/транс-аконитовые кислоты дважды перекристаллизовывали из ацетонитрила, акриламид – из этилацетата, малеиновую кислоту – из этанола, фумаровую кислоту – из воды, диметилфумарат – из метанола [161]. Температуры плавления реагентов в сопоставлении с литературными данными представлены в Таблице 3.2.
Уксусную кислоту (категории «хч ледяная», 99.95%) и d1-уксусную кислоту (Acros Organics, 98 атомн. % D) использовали без дополнительной очистки. Этилен- и пропиленкарбонаты перегоняли при пониженном давлении.
Пропионитрил (500 мл) дважды встряхивали с концентрированной соляной кислотой (2 5 мл) в течение 5 минут, затем несколько раз промывали насыщенным раствором карбоната калия. Органическую фазу осушали над безводным сульфатом натрия несколько дней, после чего растворитель декантировали и перегоняли сначала над Р2О5, затем над гидридом кальция.
Тетрагидрофуран, 1,3-диоксолан и 1,2-диметоксиэтан перегоняли над бензофенонкетилом в атмосфере аргона. Метилацетат выдерживали над молекулярными ситами 4 и перегоняли. Этилформиат перегоняли над гидридом кальция. Показатели преломления и температуры кипения растворителей в сопоставлении с литературными данными представлены в Таблице 3.3.
Кинетические исследования проводили на спектрофотометре Perkin-Elmer Lambda 35 с кварцевой термостатируемой (±0.1оС) кюветой (длина оптического пути 1 см) в условиях псевдопервого порядка по третичному фосфину и большой избыточной концентрации активированного алкена. Концентрация фосфина составляла (0.51) 10-4 М, концентрация непредельного реагента и зависела от его природы и растворителя и составляла не менее 10-2 М. Кинетические измерения проводили в температурном диапазоне от 10С до 70С, который варьировался в зависимости от природы используемого растворителя. За протеканием реакции наблюдали по уменьшению оптической плотности полосы поглощения третичного фосфина в реакционной смеси: для трифенилфосфина при =300 нм (в уксусной и d 1-уксусной кислотах), при =290 нм (в остальных растворителях); для 2-(дифенилфосфино)бензойной кислоты и 4-(дифенилфосфино)бензойной кислоты - при =320 нм.
Растворы готовили в кювете смешением требуемых количеств растворов реагентов известной концентрации при заданной температуре, перемешивали и помещали в термостатируемую ячейку спектрофотометра и начинали фотометрирование. Кинетические измерения повторялись во всех случаях не менее трёх раз. Ошибка в определении констант скорости не превышает ±5%.
Константы скорости псевдопервого порядка находили методом наименьших квадратов из тангенса угла наклона анаморфозы кинетической кривой в координатах ln(Dx -Dx), где Dx - текущее значение оптической плотности, Dx -конечное значение оптической плотности, t - время. Истинные константы скорости в соответствии с кинетическим уравнением реакции в данном растворителе определяли из концентрационных зависимостей констант скорости псевдопервого порядка. Концентрации уксусной и d1 -уксусной кислот в собственных растворах считались постоянными и равными 17.3 и 17.2 М соответственно.