Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экспериментальная часть 14
1. Исходные вещества 14
2. Стационарный фотолиз дигидрохинолинов 18
3. Импульсный фотолиз дигидрохинолинов 19
4. Определение квантовых выходов продуктов фотолиза 21
5. Регистрация спектров'флуоресценции и определение квантовых выходов флуоресценции 22
6. Термическое окисление дигидрохинолинов 22
Глава 2. Элементарные радикальные реакции дигидро хинолинов в окисляющихся средах 24
1. Термическое окисление дигидрохинолинов 24
2. Цепной радикальный механизм окисления 1,2-дигидрохинолинов 28
3. Механизм разветвления цепей в реакции окисления дигидрохинолинов 38
4. Моделирование цепной вырожденно-разветвленной реакции окисления ДГХ 45
5. Ингибирование окисления углеводородов дигидрохинолинами.49
Выводы 60
Глава 3. Фотоиндуцированные превращения дигидрохинолинов 61
1. Фотопревращения 1,2-дигидрохинолинов в углеводородных растворах 61
2. Продукты фотолиза дигидрохинолинов в воде и метаноле 70
3. Квантовые выходы образования продуктов фотолиза ДГХ и их зависимость от кислотности и основности среды 84
4. Кинетические закономерности фотолиза ДГХ в метаноле 89
5. Кинетические закономерности фотолиза дигидрохинолинов в воде 100
6. Механизм фотоиндуцированного присоединения воды и метанола к двойной связи дигидрохинолинов 103
Выводы 111
Глава 4. Влияние природы среды на первичные фотофизические и фотохимические процессы в дигидрохинолинах 113
1. Влияние растворителей на направление и механизм фотохимических реакций 113
2. Спектральные характеристики ДГХ в различных средах 117
3. Спектральные характеристики ДГХ и квантовые выходы реакции и флуоресценции в смесях растворителей 123
4. Динамика образования активных интермедиатов при фотолизе ДГХ в протонных растворителях 136
Выводы 140
Глава 5. Реакционная способность и реакции карбо катионов, генерируемых при фотолизе дигидрохинолинов 141
1. Карбениевые ионы — активные промежуточные продукты реакций сольволиза 141
2. Двойственная реакционная способность промежуточного катиона, образующегося при фотолизе дигидрохинолинов в метаноле 146
3. Реакционная способность анионов по отношению к карбениевым ионам, генерируемым при фотолизе 1,2-дигидрохинолинов 154
4. Относительная реакционная способность спиртов и воды по отношению к карбокатионам, генерируемым при фотолизе дигидрохинолинов. Почему селективность реакций присоединения не соответствует наблюдаемым константам скорости? 167
5. Особенности реакций карбокатиона в смесях растворителей, содержащих изопропанол 180
6. Строение карбокатионов и активационный барьер реакций с нуклеофилами 184
Выводы 186
Глава 6. Фотолиз дигидрохинолинов в мицеллярных растворах 188
1. Кинетика реакций в мицеллярных растворах 188
2. Локализация молекул ДГХ в мицеллах различной природы 193
3. Фотолиз ДГХ в мицеллярных растворах анионных ПАВ 197
4. Фотолиз ДГХ в мицеллярных растворах катионных ПАВ 203
Выводы 211
Общие выводы 212
Приложения 216
Литература
- Стационарный фотолиз дигидрохинолинов
- Цепной радикальный механизм окисления 1,2-дигидрохинолинов
- Продукты фотолиза дигидрохинолинов в воде и метаноле
- Спектральные характеристики ДГХ в различных средах
Введение к работе
П5о ^
Актуальность проблемы. Исследование детальных механизмов химических реакций является одной из важнейших задач физической химии. 1,2-Дигидрохинолины (ДГХ) с различными заместителями в положении 6 являются эффективными ингибиторами цепного окисления органических соединений, особенно ненасыщенных, и давно используются как антиоксиданты и антиозонанты для стабилизации каучуков и резин. Эти соединения являются практически нетоксичными, поэтому их используют для стабилизации полиненасыщенных веществ в кормах для животных, для обработки овощей и фруктов перед хранением. Многие N-замещенные дигидрохинолины являются биологически активными веществами и изучаются в качестве потенциальных лекарственных препаратов. Более глубокое понимание процессов их метаболизма должно быть основано на детальном изучении элементарных процессов, происходящих с участием этих соединений. Кроме того, дигидрохинолины с различными заместителями в ароматическом кольце и гетероцикле были использованы в качестве модельных соединений в фотохимических исследованиях для изучения элементарных радикальных реакций и фотохимических превращений азотсодержащих гетероциклов, в том числе реакций переноса протона в возбужденном и основном состояниях и реакций карбениевых ионов.
Влияние среды (растворителя) на реакционную способность промежуточных соединений является важным направлением современной химической кинетики и лежит в основе фундаментальных исследований механизмов многих химических процессов. Особенно ярко это проявляется в реакциях под действием света, для которых полярность среды и возможность образования водородных связей между субстратом и растворителем часто оказываются определяющими факторами, влияющими на скорость и направление фотофизических и фотохимических процессов. Известно, что вторичные ароматические амины, к которым могут быть отнесены дигидрохинолины без заместителей при атоме азота, при фотолизе в органических растворителях претерпевают гомолитический разрыв связи N—Н и образуют аминильные радикалы, аналогичные тем, что образуются в темновых радикальных реакциях с участием этих соединений. С другой стороны, было показано, что при фотолизе некоторых третичных дигидро-хинолинов при низких температурах в стеклах происходит обратимый разрыв связи N—С(2). Дигидрохинолины способны образовывать водородные связи с протонными растворителями, например водой и спиртами. Следовательно, можно ожидать, что при проведении реакций фотолиза в различных средах закономерности фотолиза могут изменяться. В связи с тем, что многие дигидрохинолины являются биологически активными
веществами, особый интерес представляют рвзультаты роакций в протон-
БИБЛИОТЕКА і
ных растворителях, особенно в воде и в мицеллярных растворах. Таким образом, исследование темновых и фотохимических процессов с участием дигидрохинолинов и влияния на них природы среды является актуальным как для дальнейшего развития физической органической фотохимии, так и для применения этих соединений в качестве антиоксидантов и биологически активных веществ.
Особенностью изучения элементарных фотохимических процессов являются малые времена жизни промежуточных продуктов, образующихся при фотовозбуждении молекул, которые могут составлять менее 10~3 с для радикалов, триплетных возбужденных состояний и других активных интермедиатов и величины порядка Ю-9 с и менее для возбужденных синглетных состояний молекул. В связи с этим основной прогресс в исследовании фотохимических превращений органических веществ связан с широким использованием импульсных методов, позволяющих регистрировать короткоживущие частицы, в частности, методов импульного и лазерного фотолиза. Использование в настоящей работе этих методов позволило получить ценную спектрально-кинетическую информацию о быстрых элементарных процессах с участием короткоживущих промежуточных частиц, образующихся из ДГХ при фотолизе.
Цель настоящей работы состояла в исследовании элементарных химических и фотохимических процессов, проходящих с участием дигидрохинолинов, роли реакций переноса протона в возбужденном синглетном состоянии, влиянии на эти процессы структуры дигидрохинолинов и природы среды, а также в изучении реакций карбениевых ионов, генерируемых при фотолизе дигидрохинолинов в протонных растворителях, с молекулярными и иоными нуклеофилами и выяснении общих закономерностей для этих реакций.
Для этого представлялось необходимым:
-
исследовать радикальные химические процессы, происходящие при термическом окислении ДГХ в широком интервале температур, идентифицировать продукты реакции, установить основные кинетические закономерности процесса и их влияние на ингибирование этими соединениями цепного окисления углеводородов разных классов;
-
исследовать влияние растворителя на основные закономерности фотолиза 1,2-дигидрохинолинов: состав продуктов и механизм фотолиза;
-
исследовать спектральные и кинетические характеристики промежуточных интермедиатов, генерируемых при фотолизе ДГХ в различных средах, получить массив спектрально-кинетических данных для характеристики фотоиндуцированных химических реакций, происходящих после фотовозбуждения различных ДГХ;
-
изучить элементарные фотохимические процессы, происходящие в ДГХ после фоґбвозбуждения в протонных и апротонных растворителях в
зависимости от их строения, а именно: реакции переноса заряда и протона в возбужденном состоянии;
5. исследовать кинетические параметры реакций карбениевых ионов, генерируемых из ДГХ, с молекулярными и ионными нуклеофильными агентами и установить роль различных факторов (резонансной стабилизации карбокатионов, структурных и сольватационных факторов) в этих реакциях.
Научная новизна. Впервые осуществлено комплексное исследование химических и фотохимических процессов, происходящих с участием дигидрохинолинов, которое включает в себя выделение и анализ стабильных продуктов, спектрально-кинетические характеристики активных промежуточных продуктов, а также измерение констант скорости и актива-ционных параметров элементарных стадий. При этом особое внимание было уделено фундаментальной проблеме влияния среды на эти процессы, в том числе полярности растворителя и его способности образовывать водородные связи с субстратом и интермедиатами, влиянию кислотности среды и ее структурной организации.
Впервые показано, что в отличие от углеводородных сред, в которых при фотолизе происходит гомолитический разрыв связи N—Н. с образованием соответствующих аминильных радикалов, при фотолизе дигидрохинолинов в воде и метаноле происходит присоединение растворителя к двойной связи ДГХ с образованием аддуктов по Марковникову. Показано, что образование активных интермедиатов происходит в результате реакции переноса протона от растворителя на субстрат в возбужденном синг-летном состоянии. ,
Впервые прямыми импульсными методами подробно изучены химические свойства активных промежуточных продуктов реакции — карбениевых ионов (карбокатионов), образующихся из ДГХ при фотолизе в воде и спиртах. Установлено, что поведение карбокатионов, активационные и кинетические параметры их реакций с анионами и молекулярными нуклео-филами определяются стабилизацией структуры в циклической о-хиноме-танимониевой резонансной форме с основным зарядом на атоме азота, стоическими препятствиями при образовании аддукта и сольватацией. Показано, что эти факторы наряду с двухстадийностью реакции присоединения молекулярных нуклеофилов к карбокатионам в случае ДГХ приводят к тому, что состав продуктов в смешанных растворителях определяется первой обратимой стадией, собственно присоединением, а скорость реакции — депротонированием образовавшегося оксониевого интермеди-ата с участием нуклеофильных компонентов смеси, т.е. селективность реакции не соответствует соотношению наблюдаемых констант скорости реакций с этими нуклеофилами.
Впервые получены и выделены в индивидуальном виде продукты реакции присоединения воды и спиртов к ДГХ, соответствующие 4-гидрокси- и 4-алкокси-2,2,4-триметил-1,2,3,4-тетрагидрохинолины, определены основные физико-химические характеристики этих соединений, получены их спектры ЯМР 'Н и 13С, УФ и ИК спектры. Показано, что производные этанола и пропанола могут быть получены только в смеси с гидрокси- и метоксиаддуктами. Производные изопропанола не образуются из-за стерических препятствий.
Установлено, что дигидрохинолины при температурах выше 100 С в атмосфере кислорода претерпевают цепные радикальные превращения, приводящие к образованию соответствующих хинолинов. Лимитирующей стадией реакции продолжения цепи при окислении ДГХ является распад промежуточного аминильного радикала с образованием конечного продукта — хинолина — и элиминированием метального радикала, который в присутствии кислорода участвует в дальнейшем продолжении цепи в виде метилперекисного радикала. Образование легколетучего гидропероксида метила в стадии продолжения цепей обусловливает необычные макро-кинетические закономерности вырожденного разветвления цепей в условиях барботирования кислорода: ускорение реакции при уменьшении скорости подачи кислорода. Изучение детального механизма этого процесса позволило объяснить закономерности ингибирующего действия ДГХ в широком интервале температур в различных окисляющихся субстратах. Полученный механизм окислительных превращений ДГХ позволяет предсказывать их ингибирующее действие в различных условиях.
Получен большой массив констант скорости элементарных процессов с участием ДГХ и интермедиатов, образующихся из'них в радикальных и фотохимических реакциях, который может служить в качестве справочного материала.
ч Научная и практическая ценность результатов работы.
Результаты данной работы вносят большой вклад в общую теорию практически важных цепных реакций окисления в жидкой фазе, прежде всего стадий продолжения, разветвления и обрыва цепей, а также воздействия на эти реакции ингибиторов цепных реакций. В данной работе показана практическая возможность предсказывать ингибирующую активность гидрированных хинолинов в цепных реакциях окисления субстратов различной природы в широком интервале температур и моделировать их действие. Обнаруженная в настоящей работе зависимость направления фотохимической реакции от природы среды демонстрирует особенности взаимодействия растворенного вещества с молекулами среды и вносит существенный вклад в исследование межмолекулярных взаимодействий и их влияния на направление фотохимических реакций, особенно реакций переноса протона. Чувствительность реакции фотолиза
ДГХ к природе растворителя и молекулярной организации среды позволила предложить эти соединения в качестве зондов для определения микроокружения азот-содержащих гетероциклов.
На защиту выносятся:
-
Механизм фотоиндуцированного присоединения воды и спиртов к дигидрохинолинам, основанный на спектрально-кинетических исследованиях промежуточных продуктов и идентификации конечных продуктов
-
Закономерности протекания элементарных стадий фотолиза ДГХ в зависимости от заместителей в ароматическом кольце и гетероцикле и природы среды.
-
Кинетические закономерности реакций карбениевых ионов, генерируемых при фотолизе ДГХ в воде и спиртах, с ионными и молекулярными нуклеофилами.
-
Механизм цепного окисления 1,2-дигидрохинолинов и его влияние на ингибирующие свойства антиоксидантов ряда дигидрохинолинов.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на I Франко-Советском симпозиуме по кинетике и механизму реакций окислительной деградации и стабилизации полимеров (Москва, 1977); I Всесоюзном симпозиуме по макроскопической кинетике и химической газодинамике (Алма-Ата, 1984); III Международной конференции по химической кинетике (США, 1993); 24 Международной конференции по свободным радикалам (Швеция, 1997); X, XI, XII, ХШ и XIV Симпозиумах по химической физике (Туапсе, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002); V Международном симпозиуме по использованию солнечной энергии и прикладной фотохимии (Каир, 1999); Международной конференции «Фотофизика и фотохимия 2000» (Португалия, 2000); XVIII Симпозиуме ИЮПАК по фотохимии (Германия, 2000); XVIII и XX Всероссийских симпозиумах молодых ученых по химической кинетике (Моск. обл., 2000 и 2002); XX Международной конференции по фотохимии (Москва, 2001), V Конференции по фемтохимии (Испания, 2001); VI Международной конференции БИОАНТИОКСИДАНТ (Москва, 2002); Международной конференции по активным интермедиатам и механизмам реакций (Швейцария, 2002); VI Международной конференции памяти В. В. Воеводского ФИЗИКА И ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ (Новосибирск, 2002), Международной конференции по активным интермедиатам и необычным молекулам (Исландия, 2003).
Основной материал диссертации опубликован в 28 статьях в центральных академических и международных журналах и материалах конференций.
Личный вклад автора. Автору принадлежит выбор направления работы, постановка конкретных задач и подходов к их решению, а также формулировка основных гипотез и выводов на основе проведенных исследований. Автор принимал непосредственное участие в экспериментальных исследованиях, теоретической обработке экспериментальных данных, обсуждении результатов, обобщении полученной информации и написании научных статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и общих выводов, приложений и списка цитируемой литературы. Во введении сформулированы актуальность проблемы изучения элементарных химических и фотохимических процессов с участием гидрированных хинолинов, цели исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость полученных результатов. В главе I описаны методики экспериментов. Глава II посвящена исследованию цепного окисления дигидрохинолинов. Она содержит краткий литературный обзор, результаты изучения механизма цепного окисления ДГХ, в основном наиболее эффективного антиоксиданта — этоксихина — и использование полученных кинетических данных для прогнозирования антиокислительной активности ДГХ в различных условиях. Глава III посвящена фотохимическим превращениям ДГХ в различных средах. Она содержит краткий литературный обзор, а также результаты, полученные в данной работе методами стационарного и импульсного фотолиза, анализа продуктов фотолиза методами УФ, ИК и ЯМР спектроскопии, флуори-метрии. Приведены спектральные характеристики активных интермедиа-тов, образующихся при фотолизе в различных растворителях, кинетические и активационные параметры элементарных реакций, протекающих при фотовозбуждении ДГХ в различных средах. В главе IV рассматриваются фотофизические и фотохимические процессы, происходящие после фотовозбуждения ДГХ в различных средах. Глава содержит краткий литературный обзор, посвященный влиянию природы среды и особенно образования водородных связей между ДГХ и растворителем на фотохимические реакции переноса протона и атома водорода. На основании анализа влияния среды на спектральные характеристики ДГХ и данных импульсного и лазерного фотолиза, обсуждены причины влияния растворителя на направление реакции в различных средах. В главе V рассматриваются реакции карбениевых ионов, генерируемых при фотолизе ДГХ в воде и метаноле, с ионными и молекулярными нуклеофилами. Как и предыдущие главы, она содержит краткий литературный обзор. В этой главе рассмотрены результаты исследований реакций карбениевых ионов с анионами азида и гидроксила и молекулярными нуклеофилами — водой и спиртами. Полученные кинетические и активационные параметры интерпретированы с точки зрения существования двух резонансных структур
исследуемых карбокатионов, стерических затруднений при образовании аддуктов и эффектов сольватации. В главе VI после краткого литературного обзора, посвященного реакциям в мицеллярных растворах, приведены экспериментальные данные по исследованию фотолиза ДГХ в анионных и катионных ПАВ. Установлена зависимость направления и кинетики реакции от природы ПАВ. В конце диссертации даны общие выводы.
Диссертация изложена на 254 страницах текста, включая 24 таблицы, 70 рисунков и библиографию из 237 наименований.
Стационарный фотолиз дигидрохинолинов
Стационарный фотолиз соединений 1—8 в концентрации 2—5 х Ю-4 моль л-1 (0.1—0.2 мг в 2 мл растворителя) проводили светом ртутной лампы ДРШ-1000, возбуждая длинноволновую полосу поглощения (А,тах 330—360 нм в зависимости от соединения и растворителя), выделяя нужный диапазон длин волн с помощью фильтров УФС-5 (300—400 нм) или ФС-1 (330—450 нм) при комнатной температуре в кварцевой кювете с длиной оптического пути 1 см. Протекание реакции контролировали на спектрофотометре Shimadzu UV-1601 PC.
Препаративный стационарный фотолиз ДГХ (10 мг вещества в 20 мл растворителя, [ДГХ] « 2.5 х Ю-3 моль л-1) проводили светом ртутной лампы ДРШ-1000, возбуждая длинноволновую полосу поглощения (Я.тах 330— 360 нм в зависимости от соединения и растворителя) при комнатной температуре в стеклянной (пирекс) колбе при перемешивании с помощью магнитной мешалки полным светом ртутной лампы (светофильтром в этом случае служило стекло с пропусканием в области X 290 нм) или в некоторых случаях, что отмечено в соответствующих главах, в кварцевой колбе со светофильтром ФС-1 с пропусканием в области 330—450 нм. Реакцию контролировали спектрофотометрически в кварцевых кюветах с длиной оптического пути 0.2 см, периодически отбирая пробы. После отгонки растворителя в вакууме при комнатной температуре и растворения остатка в DMSO-d6 фотолизаты анализировали как по ходу реакции, так и после ее окончания методом ЯМР Ш и 13С на спектрометре "Bruker WM-250". В случаях нестабильности получаемых продуктов их выделение было модифицирование, что особо оговорено в соответствующих главах. Анализ ЯМР 1Н и 13С проводили Л. Н. Курковская и И. И. Левина в группе ЯМР спектроскопии ИБХФ РАН.
Спектры поглощения и кинетику образования и гибели короткожи-вущих промежуточных частиц измеряли на установке импульсного фотолиза с временным разрешением 10 мкс, сконструированной в лаборатории процессов фотосенсибилизации ИБХФ РАН [23]. Образцы облучали в кварцевых кюветах с помощью Хе лампы с энергией вспышки от 50 до 150 Дж. Кювета с исследуемым раствором имела длину 20 или 10 см, диаметр 8 мм и была изготовлена из плавленного кварца. Конструкция кюветы предусматривает возможность обескислороживания и термостатирования растворов. Обескислороживание растворов производили на вакуумной установке до давления Ю-2 Па или путем длительной продувки очищенного азота.
Изменения в поглощении регистрировали с помощью системы, состоящей из Хе лампы (75 вт), монохроматора ЗМП-3 и фотоумножителя, связанного с цифровым запоминающим осциллографом С9-8. Оцифрованные данные транспортировали на ПК Pentium 200 для обработки. Для выделения необходимого спектрального интервала при возбуждении исследуемых растворов использовали светофильтры размером 80 х 80 мм из продажного набора. Для возбуждения длинноволновой полосы ДГХ (А,тах 330—360 нм) возбуждающий свет пропускали через фильтр УФС-5 (область пропускания 300 — 400 нм с максимальным пропусканием при 365 нм).
Измерение высоких констант скорости ( 4 х 105 л моль-1 с-1) и регистрацию частиц с временами жизни 100 мкс проводили на установке лазерного фотолиза с азотным лазером PRA LN-1000 в качестве источника возбуждения (337 нм, энергия 0.8 мДж), временным разрешением 8 не и включающей усредняющую систему состоящую из Biomation 6500 осциллографа, соединенного с ПС Pentium 200. Подробное описание установки можно найти в [24]. Измерения методом лазерного фотолиза были проведены ведущим научным сотрудником лаборатории фотосенсибилизации ИБХФ РАН д.х.н. Левиным П. П.
Обработку экспериментальных данных, полученных методом импульсного фотолиза, проводили на ПК Pentium 200 с использованием опции Solver программы MS Excel. Полученный при разных длиннах волн массив кинетических кривых для данного раствора (AAJ аппроксимировали един-ным уравнением для суммы реакций первого порядка ДО, = 1Д, ехр(-/сД (1—1) где / = 1—3 в зависимости от исследуемого процесса, в предположении, что kt — константа скорости гибели или образования интермедиата не зависит от длины волны регистрации, или уравнением для реакции второго порядка ADx = А,/(1 + АхкЩ, (1—2) где є — коэффициент экстинкции интермедиата, а / — длина кюветы, или суммой уравнений для реакций первого и второго порядков ADk = 2 Vexp(-M) + Ах/{ 1 + Axkt/єІ). (1—3) Как следует из уравнений (1—2) и (1—3) для реакций второго порядка экспериментально определяемым параметром является к/є. Абсолютную величину к удается определить только в тех случаях, когда s известен из независимых экспериментов. Из зависимостей А\ (к) определяли спектры поглощения промежуточных частиц. Для случаев, когда к{ характеризовала реакцию промежуточного интермедиата со стабильным веществом, определяли константу скорости второго порядка из линейной зависимости kt от концентрации этого вещества. Относительная ошибка в определении констант скорости методом импульсного фотолиза не превышала 10%. Активационные параметры определяли в интервале температур не менее 40 С. Ошибка измерений не превышала 10%.
Цепной радикальный механизм окисления 1,2-дигидрохинолинов
Кинетические особенности и механизм окисления ДГХ были исследованы подробно на примере этоксихина (3) [48, 49]. Согласно схеме 2—1 одной из стадий превращения ДГХ в атмосфере кислорода при температурах выше 100 С является распад свободного аминильного радикала RN" с образованием хинолина и метильного радикала, который в присутствии кислорода быстро превращается в метилперекисный радикал. Благодаря высокой реакционной способности метилъные и метилперекисные радикалы могут взаимодействовать с молекулой исходного ДГХ по слабой связи N—Н или ненасыщенной двойной связи, и в этом случае последовательность реакций по схеме 2—1 должна повториться и, таким образом, может возникнуть цепь превращений.
Характерными признаками цепного радикального процесса является его ускорение в присутствии радикальных инициаторов и торможение в присутствии ингибиторов свободно-радикальных реакций. Действительно, было показано, что реакция ускоряется при добавлении радикального инициатора дикумил пероксида, который распадается с образованием свободных кумилокси и метальных радикалов (рис. 2—2) и замедляется при добавлении ингибитора цепных радикальных реакций 2,2,6,6-тетраметилпипе-ридил-1-оксила, как в начале реакции так и по ее ходу (рис. 2—3). При этом в продуктах реакции методом ГХ был найден метиловый эфир 2,2,6,6-тетра-метилпиперидил-1 -оксила.
Было показано, что цепной процесс развивается только в присутствии кислорода, т.е., в реакции продолжения цепей участвуют радикалы RN и СН302Ф. Поскольку основным продуктом является хинолин, то это означает, что присоединение радикалов СНз02 и СН3 к двойной связи не имеет места. В инертной атмосфере цепного процесса не наблюдается, хотя образование 12 происходит со скоростью, близкой к скорости инициирования. Это означает, что метальные радикалы не активны в реакции продолжения цепей и гибнут в результате рекомбинации. Оценки показывают, что это может иметь место, если константа скорости взаимодействия метильного радикала с ДГХ 102 л мол-1с-1. Эта оценка близка к константе скорости алкильных радикалов с N—Н связями ароматических аминов [50]. Низкая активность алкильных радикалов по отношению к ДГХ была показана также в [33]. В этой работе не было обнаружено продуктов реакции 3 с 1-циано-1-метилэтильным радикалом в инертной атмосфере.
При исследовании кинетических закономерностей инициированного окисления 3 обращают на себя внимание следующие особенности, отличающие этот процесс от хорошо изученных реакций окисления углеводородов. Во-первых, цепной процесс происходит только при температурах выше 100 С даже в присутствии инициатора, что предполагает высокую энергию активации лимитирующей стадии продолжения цепи. Во-вторых, как следует из рис. 2—2, скорость расходования 3 остается постоянной вплоть до глубины превращения 80%. Оказалось также, что скорость расходования 3 не зависит от его концентрации при постоянной скорости инициирования (рис. 2—4).
Таким образом, особенностью кинетики инициированного окисления ДГХ является нулевой порядок реакции по окисляемому субстрату. Независимость скорости цепного расходования соединения от его концентрации (нулевой порядок) означает, что это соединение не участвует в лимитирующей стадии продолжения цепей. Из двух элементарных стадий 1 и 2 такой реакцией является распад радикала RN" (реакция 1). Рассмотрение кинетических схем цепных реакций для различного числа активных центров показывает, что лимитирующая стадия продолжения цепей и обрыв цепей связаны с одним и тем же свободным радикалом [51]. В применении к рассматриваемой реакции это означает, что, если лимитирующей стадией продолжения цепей является термический распад свободного радикала RN\ то обрыв цепей должен осуществляться на этом же радикале, т.е., в результате рекомбинации RN .
Из представленных на рис. 2—5 зависимостей Wn от Wj5 был вычислен параметр к\к4 0-5 для окисления этоксихина при разных температурах (табл. 2—1). Из аррениусовской зависимости этого параметра была получена его энергия активации ЕР = 87 ± 9 кДж/моль. Поскольку энергия активации рекомбинации свободных радикалов невелика и составляет 4.2—16 кДж/моль [52], кроме того в измеряемый параметр Е она входит в виде іцакт/2, то очевидно, что основной вклад в этот параметр вносит энергия активации лимитирующей стадии продолжения цепей, которая, таким образом, составляет Еіакт = 87—97 кДж/моль. Высокое значение энергии активации согласуется с тем, что лимитирующей стадией продолжения цепей является реакция 1. Если бы лимитирующей стадией была реакция 2, то температурный коэффициент для скорости реакции был бы невелик, поскольку энергия активации этой реакции не должна превышать 16—20 кДж/моль. Высокое значение ЕР 1 реакции продолжения цепей объясняет тот факт, что цепное окисление ДГХ происходит с большими выходами только при повышенных температурах даже в присутствии инициатора.
Продукты фотолиза дигидрохинолинов в воде и метаноле
При фотолизе водных и метанольных растворов соединений 1—7 образуется продукт, спектр поглощения которого существенно отличается от спектра поглощения димера 13. Реакция протекает с выходами, близкими к количественным, о чем свидетельствует наличие изобестических точек на спектрах поглощения при спектрофотометрическом анализе реакции (рис. 3—4, 5—3). Только в случае соединений 5 и 7 реакция осложнена образованием заметных количеств побочных продуктов. Однако, и в этом случае основным ( 80%) является продукт со спектром поглощения аналогичным продуктам, образующимся из других ДГХ. Нитрозамещенный ДГХ 8 оказался фотоустойчив и не вступает в исследуемую реакцию.
Продукты были выделены, как описано в экспериментальной части, и проанализированы. Их структура была определена на основании анализа УФ и ИК спектров, спектров ЯМР 1Н и 13С, масс-спектрометрии [115, 116]. Физико-химические свойства выделенных продуктов представлены в табл. 3—2. Анализ структуры полученных соединений (см. табл. 3—3 и 3—4) свидетельствует о том, что при фотолизе ДГХ происходит присоединение молекулы растворителя (воды или метанола) к двойной связи гетероцикла с образованием соответствующего тетрагидрохинолина .
Следует отметить, что в отличие от МеОН в безводных EtOH и РгпОН фотореакция протекает так же, как в других органических растворителях — с образованием димера. При добавлении к такому раствору воды происходит переход от образования продуктов рекомбинации аминильного радикала к реакции образования смеси алкокси- и гидроксипродуктов присоединения. Поэтому в отличие от метокси- и гидроксиаддуктов, этокси- и пропилокси-аддукты могут быть получены только в смеси с гидрокси- или метокси-аддуктом. В силу невысокой стабильности образующихся продуктов (см. ниже) разделения соединений из смеси не проводили, и спектр ЯМР Н для этокси- и пропилоксиаддуктов получали из суммарного спектра смеси. Аддукта с Рг ОН не образуется из-за стерических препятствий.
Спектры ЯМР 1Н продуктов (см. табл. 3—2), полученных в воде (14, 17, 21, 25, 29), метаноле (15, 18, 22, 26, 28, 30), водно—этанольных и водно—пропанольных растворах (14 + 16, 17 + 19, 17 + 20, 21 + 23, 25 + 27, 29 + 31), сильно отличаются от спектров исходных ДГХ 1—6 (ср. табл. 1—2 и 3—4). В продуктах в положении 3 появляются два геминальных протона На и Нь- В отличие от спектра исходных ДГХ сигналы протонов двух метильных групп в положении 2 в продуктах фотолиза становятся неэквивалентными, что характерно для такого рода насыщенных циклов. В DMSO-de в гидроксиаддуктах 14, 17, 21, 25, 29 наблюдается появление двух сигналов, отвечающих подвижным протонам, а в алкоксисоединениях — одного. При этом в последних зарегистрировано появление сигналов, относящихся к группам МеО, ЕЮ и РгпО соответственно.
Сравнение спектров ЯМР 1Н полученных аддуктов позволяет сделать некоторые выводы об их строении (табл. 3—4). Заметные изменения наблюдаются в сдвигах протонов На и Нь в положении 3 продуктов в зависимости от характера OR группы. В случае гидроксигруппы разность сдвигов этих протонов меньше, чем для объемной алкоксигруппы (А5 для гидроксиаддуктов равна 0.15—0.17 для продуктов из втор-ЦГК и 0.02 для продукта 21 из трет-ЦХХ 6 и для алкоксиаддуктов 0.43—0.56 м.д.). При этом центры тяжести пар дублетов для гидрокси- и алкоксисоединений близки. Величина геминальной КССВ /на,нь ПРИ прочих равных условиях также зависит от объема заместителя R и растет в ряду R = Н Me Et Рги. Установлено, что для аналогов, содержащих в положении 4 вместо OR группы атом водорода, 2,2,4-триметил-1,2,3,4-тетрагидрохинолинов с соответствующими заместителями в положениях 6 и 8 (см табл. 3—4, соединения 9—11), сигналы протонов На и Нь сдвинуты в сильное поле на 0.3 м.д., расстояние между дублетами промежуточное (Д6 0.40 м.д.), а КССВ в соответствии с уменьшением угла между На и Нь меньше (/гем 12.7 Гц). Такие изменения означают, что структура полученных соединений, особенно эфиров, напряжена. Это демонстрируется также сравнительным анализом данных для R1-замещенных соединений. Так, при замене N—Н группы на N—Me, вместо ожидаемого экранирования ароматических протонов в результате выхода из плоскости группы NMe, наблюдается, напротив, смещение сигналов в слабые поля (табл. 3—4, ср. 17с21и18с 22).
Введение более объемных этильного и w-пропильного заместителей в группу OR приводит к заторможенному их вращению, в результате чего наблюдается удвоение сигналов протонов —ОСН2— групп (табл 3—4, соединения 16, 19, 20, 23, 27, 31). Как отмечалось выше, попытка получения еще более стерически-затрудненного изопропильного эфира не увенчалась успехом.
Для гидрокси-производных наблюдали дальнее спин-спиновое взаимодействие протона гидрокси-группы с одним из протонов в положении 3 (для 29, например, 8 1.89 м.д., 4J 1.22 гц) (рис. 3—5 (в)). Такое взаимодействие является стереоспецифическим и характерно для протонов, находящихся в трансоидной конфигурации. Это позволяет произвести пространственное отнесение сигналов двух протонов в положении 3 по отношению к заместителю OR в положении 4. Анализ спектров ЯМР ]Н продуктов фотолиза соединений 2 и 4 в MeOD показал, что в результате реакции присоединения образуется смесь изомеров с одним атомом дейтерия в положении 3, но в разной ориентации (аксиальной и экваториальной) примерно в одинаковых количествах (рис. 3—5 (б)). Это говорит о том, что в данном случае нет пространственно более предпочтительного направления присоединения, как это наблюдалось для экзотического кетона Пуммерера в [117], и свидетельствует о том, что атом водорода в положение 3 переносится с растворителя. Это подтверждается также фактом образования аддуктов с водой и спиртами соединением 6, в котором атом водорода при азоте заменен на метальную группу.
Полностью и частично-развязанные (off-резонансные) спектры ЯМР 13С соединения 17 в DMSO-сІб подтверждают предложенную структуру: в сильных полях наблюдаются 4 сигнала метальных групп (20.58, 28.65, 30.72 и 32.35 м.д.), сигнал метиленового углерода при 50.90 м.д. и два сигнала, относящиеся к четвертичным атомам углерода в положениях 2 и 4 при 48.70 и 66.90 м.д. В области сигналов ароматических атомов углерода наблюдаются сигналы трех групп СН при 114.55, 127.15 и 128.06 м.д. и трех четвертичных атомов при 123.87, 127.37, и 141.51 м.д. В смеси Н- и D-метанола сигнал атома углерода в положении 4 представляет собой два сигнала при 69.27 и 69.15 м.д. с характерным для спиртов изотопным эффектом (0.12 м.д.). Самый слабопольный сигнал относится к атому
Спектральные характеристики ДГХ в различных средах
Два принципиальных вопроса возникает при рассмотрении полученных экспериментальных данных по фотолизу ДГХ в растворителях различной природы: во-первых, почему при переходе от углеводородных растворителей и спиртов с С 1 к воде и метанолу резко меняется направление и механизм реакции и, во-вторых, почему в случае втор-ДГХ в воде и трет-ДГХ в воде и метаноле первичными продуктами реакции, наблюдаемыми при импульсном фотолизе, являются соответствующие карбокатионы, а в МеОН из emop-RTX сначала образуется циклический о-хинометанимин. Причем, из представленных в гл. 3 данных по составу аддукта в MeOD очевидно, что в первом случае реакция включает в себя перенос протона с растворителя на двойную связь в положение С(3) ДГХ в возбужденном синглетном состоянии, а во-втором случае к этому добавляется обратный перенос протона со связи N—Н на растворитель. Ответы на поставленные вопросы могут быть получены после рассмотрения фотофизических и фотохимических процессов, происходящих при фотолизе ДГХ в различных условиях. Первым шагом в этом направлении является сопоставление спектральных характеристик исходных ДГХ в различных растворителях.
Как отмечалось выше (Гл. 3 1), квантовые выходы гемолитической фотодиссоциации связи N—Н в апротонных растворителях при возбуждении в длинноволновую полосу поглощения низки, а выходы флуоресценции высоки (таблица 4—1), что объясняется тем, что реакция происходит из первого возбужденного синглетного (см. рис. З—З), а не триплетного состояния, а этот процесс, как было показано раннее [109, 112 113], малоэффективен.
При переходе к воде и метанолу наблюдается уменьшение квантового выхода флуоресценции в 3—7 раз и увеличение квантового выхода реакции более, чем на порядок (табл. 4—1). При этом наблюдается обратная зависимость между квантовыми выходами реакции и флуоресценции: в метаноле квантовые выходы реакции выше, а квантовые выходы флуоресценции ниже чем в воде (табл. 4—1). Изменение направления реакции при переходе от апротонных растворителей и спиртов с С 2 сопровождается гипсохромным сдвигом длинноволновой полосы спектра поглощения ДГХ в воде (15— 17 нм для втор-ДХХ и трет-ДГХ соответственно) и метаноле (8 и 3 нм для втор-ДТХ и трет-ДГХ соответственно) по сравнению с гептаном и Рг ОН (рис 4—1). При этом в случае втор-ДГХ наблюдается небольшой батохромный сдвиг этой полосы в полярных растворителях и РгЮН по сравнению с гептаном (1—2 нм) (см. табл. 6—1), а для трет-ДГХ небольшой (1—2 нм) гипсохромный сдвиг в РгЮН. Эти данные свидетельствуют о том, что гипсохромный сдвиг длинноволновой полосы поглощения в воде и МеОН не связан с полярностью растворителя.
Полученные экспериментальные результаты были интерпретированы с точки зрения возможности образования водородных связей двух типов между ДГХ и растворителем и их влиянием на возбужденное синглетное состояния ДГХ. втор-ДГХ могут образовывать водородные связи, выступая или как доноры водорода аминной группы, или как доноры я электронов ароматического кольца и неподеленной пары электронов атома азота, вовлеченной в сопряжение с ароматическим кольцом. В случае индола такая водородная связь была названа в [162] нестандартной. Тем не менее, экспериментальное измерение энергии связи в комплексах индола с молекулой воды и теоретические расчеты показали, что она составляет 4.84 и 4.1 ккал/моль соответственно для комплекса, в котором индол выступает как донор протона, и для комплекса, в котором индол является донором электронной плотности. Таким образом, индол может выступать не только как донор протона при образовании Н-связи, но и дополнительно стабилизироваться в водных растворах за счет нестандартного взаимодействия с окружением.
Поскольку в случае трет-ДГХ возможно образование водородной связи только второго типа, представляется очевидным, что, во-первых, именно образование водородной связи между атомом водорода растворителя и л электронами ароматического кольца и неподеленной пары электронов атома азота, вовлеченной в сопряжение с ароматической системой, ответственно за гипсохромный сдвиг полосы поглощения и, во-вторых, для протекания первой, фотохимической, стадии реакции фотоиндуцированного присоединения растворителя к двойной связи ДГХ необходимым условием является образование водородной связи второго типа между ДГХ и растворителем, когда ДГХ является донором электронов, а растворитель донором протонов. По способности выступать донорами протонов исследуемые растворители можно расположить в следующий ряд: Н20 МеОН EtOH PrnOH РгЮН. Параметр а, предложенный Тафтом et al. для характеристики способности различных соединений выступать в качестве доноров протона, равен для этих растворителей 1.17, 0.93 0.83, 0.78 и 0.76 соот ветственно [163]. В этой связи становится понятным, почему исследуемая реакция происходит только в воде и МеОН. По-видимому, протонно-донорные свойства высших спиртов уже недостаточны для переноса протона на двойную связь. Кроме этого, возможно в силу стерических причин, образование комплексов требуемой ориентации становится затруднительным для ЕЮН, Рг"ОН и Рг ОН, как это было показано для а-нафтолов в [160, 161].
С другой стороны, сродство к протону в рассматриваемом ряду протонных растворителей увеличивается в противоположном направлении: Н20 МеОН ЕЮН РгпОН РгЮН. Параметр р, характеризующий сродство к протону, равен 0.18, 0.62, 0.77, и 0.95 для Н2О, МеОН, ЕЮН и Рг ОН соответственно [163]. Резкое увеличение р при переходе от воды к МеОН, по-видимому, способствует тому, что в случае втор-ДХХ в этом растворителе одновременно с переносом протона на двойную связь с молекулы растворителя происходит перенос протона на другую молекулу растворителя от связи N—Н, т.е., сочетание протонно-донорных и протон-но-акцепторных свойств МеОН является оптимальными для протекания реакции двойного переноса протона. При этом, видимо, возможно образование мостика из двух или более молекул МеОН, одна из которых связана водородной связью с я облаком молекулы ДГХ, а другая с атомом водорода аминной группы, как это наблюдали для индола [104].
