Кинетические закономерности и и механизмы реакций амидообразования Кочетова Людмила Борисовна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Кинетические закономерности и механизм амидо образования в процессе гидрогенизационного ацилиро вания нитросоединений на палладиевых катализаторах 18

1.1. Влияние условий синтеза на скорость и селективность реакций one-pot гидрогенизационного ацилирования. Обзор литературы 18

1.2. Роль палладиевых катализаторов в процессах каталитической гидрогенизации нитросоединений. Обзор литературы 25

6.3.1. Структура палладиевых катализаторов 25

1.2.2. Активация водорода на активных центрах палладиевых катализаторов и роль разных форм водорода в гидрировании 27

1.2.3. Адсорбция нитросоединений и полупродуктов их восстановления на катализаторах 33

1.3. Экспериментальное и теоретическое исследование каталитического гидрирования нитросоединений 36

1.3.1. Кинетические закономерности жидкофазного гетерогенно-каталитического гидрирования нитросоединений 36

1.3.2. Квантово-химические дескрипторы реакционной способности в процессах жидкофазного гидрирования 40

1.3.3. Квантово-химическая интерпретация влияния заместителя на реакционную способность нитроаренов в гидрировании 42

1.3.4. Дескрипторы электронной структуры продуктов неполного восстановления нитробензола 49

1.3.5. Квантово-химическое моделирование эффектов среды в жидко-фазном гидрировании нитроаренов 53

1.4. Механизм каталитической гидрогенизации нитросоединений 59

1.4.1. Квантово-химическое моделирование взаимодействия нитробензола

и продуктов его неполного восстановления с кластерами палладия 59

1.4.2. Квантово-химическая интерпретация механизма гидрирования нитробензола 62

1.5. Квантово-химическое моделирование механизма ацилирования 2,6-ди-метиланилина N,N-диэтилглицином 75

1.6. Квантово-химическое моделирование влияния растворителя на реак-цию восстановительного ацилирования 2,6-диметилнитробензола 79

Глава 2. Структура реагентов в процессах ацилирования аминосоединений 85

2.1. Особенности структуры аминосоединений. Обзор литературы 86

2.1.1. Строение молекул аммиака и аминов 86

2.1.2. Структура молекул -аминокислот и дипептидов 91

2.2. Структура молекул ацилирующих агентов 98

2.2.1. Особенности строения карбонильного реакционного центра в мо лекулах сложных эфиров карбоновых кислот 98

2.2.2. Структура молекул монозамещенных аренсульфонилхлоридов.

Конформационная изомерия аренсульфонилхлоридов. Обзор литературы 102

Глава 3. Реакционная способность ароматических и жир-ноароматических аминов в процессах амидообразования 108

3.1. Кинетика и механизмы реакций образования амидов карбоновых и сульфоновых кислот. Обзор литературы 109

3.1.1. Реакционная способность ароматических аминов в амидообразовании 109

3.1.2 Реакционная способность вторичных жирноароматических аминов при взаимодействии с хлорангидридами кислот в органических растворите-лях 115

3.1.3. Механизмы реакций амидообразования 119

3.2. Реакционная способность жирноароматических аминов в аренсульфо-нилировании в бинарных водно-органических растворителях 126

3.3. Влияние кислотности среды на реакционную способность аминосоеди-нений в амидообразовании 135

3.4. Механизмы реакций амидообразования с участием ароматических и жирноароматических аминов. Квантово-химический подход 141

3.4.1. Структура молекул хлорангидридов аренкарбоновых кислот 141

3.4.2. Квантово-химическое моделирование механизмов бензоилирования и аренсульфонилирования аминов 143

Глава 4. Реакционная способность алкиламинов и аммиака в процессах амидообразования в водно-органических

4.1. Влияние состава растворителя на кинетику реакций амидообразования с участием алкиламинов, аммиака и эфиров бензойной кислоты 153

4.2. Влияние строения реагентов на кинетику реакций ацилирования алкиламинов 160

4.2.1. Кинетические закономерности взаимодействия алифатических аминов и аммиака с замещенными фенилбензоатами 160

4.2.2. Кинетика реакций алифатических аминов и аммиака с аренсуль-фонилхлоридами 164

4.3. Квантово-химический подход к описанию процессов амидообразования с участием алкиламинов и аммиака 169

4.3.1. Дескрипторы электронной структуры реагентов, участвующих в ацилировании 169

4.3.2. Квантово-химическая интерпретация эффектов среды в реакциях аммиака и алифатических аминов с фенилбензоатами 173

4.4. Квантово-химическое моделирование механизмов реакций амидообра зования с участием алкиламинов и аммиака 178

4.4.1. Моделирование механизма взаимодействия аминосоединений с производными карбоновых кислот 180

4.4.2. Моделирование механизма реакций аммиака и гетероциклических аминов с производными ароматических сульфоновых кислот 190

Глава 5. Кинетика и механизмы реакций a-аминокислот и дипептидов в процессах образования амидной (пептидной) связи 194

5.1. Реакционная способность a-аминокислот и дипептидов в процессах N-ацилирования карбонильными соединениями. Обзор литературы 196

5.2. Кинетические закономерности взаимодействия a-аминокислот с эфи-рами бензойной и уксусной кислот 206

5.2.1. Влияние строения реагентов на кинетику реакций сложных эфи-ров с a-аминокислотами 206

5.2.2. Реакционная способность дикарбоновых аминокислот и диаминокис-лот при взаимодействии с 4-нитрофенилацетатом и пикрилбензоатом 211

5.2.3. Влияние растворителя вода-1,4-диоксан на кинетические законо-мерности реакций a-аминокислот со сложными эфирами 217

5.2.4. Дескрипторы электронной структуры -аминокислот и сложных эфиров в амидообразовании 221

5.3. Реакционная способность дипептидов при взаимодействии со сложны ми эфирами в водно-органических средах 226

5.3.1. Кинетика реакций дипептидов со сложными эфирами в раствори-теле вода-1,4-диоксан 226

5.3.2. Влияние растворителя вода-2-пропанол на кинетику реакций ди-пептидов и a-аминокислот с пикрилбензоатом 231

5.3.3. Сравнительный анализ реакционной способности олигопептидов и -аминокислот при взаимодействии со сложными эфирами в средах раз-ной кислотности 237

5.4. Квантово-химическое моделирование механизмов взаимодействия глицина и глицилглицина с производными бензойной кислоты 243

Глава 6. Реакционная способность a-аминокислот, дипеп-тидов и аренсульфонилхлоридов в процессах амидообра-зования 248

6.1. Влияние растворителя на кинетику реакций a-аминокислот и дипеп-тидов с сульфонилхлоридами 250

6.2. Влияние строения реагентов на кинетику аренсульфонилирования ди-пептидов и a-аминокислот 253

6.3. Основность аминосоединений разных клаcсов, как главный фактор, определяющий их реакционную способность в амидообразовании 257

6.4. Квантово-химическое моделирование механизма аренсульфонилирова-ния a-аминокислот 261

Глава 7. Экспериментальная часть 266

7.1. Очистка реагентов и растворителей 266

7.1.1. Очистка реагентов 266

7.1.2. Очистка растворителей 267

7.2. Методики кинетических измерений 268

7.2.1. Волюмометрический метод изучения кинетики гидрирования нитроаренов 268

7.2.1.1. Синтез тетрахлорпалладоата калия 268

7.2.1.2 Получение палладийсодержащего катализатора 268

7.2.1.3. Активация катализатора 268

7.2.1.4. Методика изучения кинетики гидрирования нитроаренов 2

7.2.2. Кондуктометрический метод изучения кинетики аренсульфони-лирования жирноароматических аминов 269

7.2.3. Индикаторный спектрофотометрический метод изучения кинетики реакций амино со единений со сложными эфирами 270

7.2.4. Спектрофотометрический метод изучения кинетики аренсульфо-нилирования аминосоединений 271

7.3. Расчет констант скорости реакций.. 273

7.3.1. Расчет констант скорости гидрирования по данным волюмомет-рических измерений 273

7.3.2. Расчет констант скорости реакций по результатам измерения электропроводности 274

7.3.3. Расчет констант скорости реакций амидообразования по данным спектрофотометрии 2 7.3.3.1. Уравнения для расчета констант скорости реакций аминосоединений со сложными эфирами 275

7.3.3.2. Уравнения для расчета констант скорости аренсульфонили-рования аминосоединений 2 7.4. Расчет активационных параметров реакций 279

7.5. Методика проведения квантово-химических расчетов 280

Заключение 282

Список сокращений и условных обозначений 286

Список литературы

• Роль палладиевых катализаторов в процессах каталитической гидрогенизации нитросоединений. Обзор литературы
• Структура молекул ацилирующих агентов
• Механизмы реакций амидообразования с участием ароматических и жирноароматических аминов. Квантово-химический подход
• Моделирование механизма взаимодействия аминосоединений с производными карбоновых кислот

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Выявление взаимосвязи между кинетическими характеристиками реакций и молекулярными параметрами реагирующих веществ является актуальным направлением современной химии, поскольку позволяет прогнозировать реакционную способность соединений, оценивать ее количественно, способствует установлению механизмов реакций, расширяя возможности целенаправленного управления ходом химического взаимодействия.

Предметом данной работы является анализ реакционной способности нитро-аренов и аминов разных классов в процессах амидообразования двумя методами: гид-рогенизационным ацилированием на палладиевых катализаторах и путем ацилирова-ния аминосоединений в растворах. Изучение амидообразования является актуальным в связи с широким применением амидов карбоновых и сульфоновых кислот в качестве полупродуктов, красителей, ПАВ, флотагентов, мономеров в синтезе термостойких и химически стойких полимеров. Особый интерес вызывает биологическая активность амидов, благодаря которой они широко используются в медицине в качестве анестетиков, антибактериальных, ноотропных, противоопухолевых и др. средств. Реакции ацилирования аминов и аминокислот служат простыми моделями биологических процессов: пептидообразования, пост-трансляционной модификации белков и т.д.

Несмотря на обширную литературу, посвященную кинетике амидообразования, многие реакции жирноароматических и алифатических аминосоединений с производными карбоновых и сульфоновых кислот до начала наших исследований не были изучены. Не разработанными на сегодняшний день остаются теоретические основы процесса гидрогенизационного ацилирования нитроаренов. Практически отсутствуют исследования, посвященные комбинированному анализу результатов экспериментального и теоретического изучения реакций амидообразования с целью установления их механизмов, поиска дескрипторов реакционной способности и создания QSPR-(Quantitative Structure – Property Relationship)-моделей, предназначенных для прогнозирования констант скоростей реакций и анализа эффектов среды.

Работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ, проводимых ФГБОУ ВО «Ивановский государственный университет» по теме «Кинетика и механизм реакций в растворах», и на разных этапах была поддержана грантами: Министерства образования и науки РФ АВЦП «Развитие механизмов интеграции Ивановского государственного университета и Института проблем химической физики РАН», проект РНП.2.2.1.1.7181 (2006-2008 гг.), АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы», проект РНП.2.2.1.1.2820 (2009-2010 гг.), АВЦП «Развитие фундаментальных научных исследований в области создания функциональных наноматериалов в УНК «Химическая физика» Ивановского государственного университета и ИПХФ РАН», проект 2.2.1.1/11465 (2011 г.), проекта Министерства образования и науки «Синтез и исследование свойств практически значимых аминов и их функциональных производных с

использованием катализаторов на основе углеродных наноматериалов» в УНК «Химическая физика» (2012-2013 гг.).

Степень разработанности темы. Гидрогенизационное ацилирование нитроаре-нов является относительно новым и мало исследованным методом амидообразования. Большая часть литературы по данной теме посвящена разработке новых методов синтеза амидов из нитроаренов. В то же время реакционная способность участников реакции и механизмы протекания процессов оставались до настоящего времени практически не изученными. Исключением являются работы М.В. Клюева и М.Г. Абдуллаева где, наряду с разработкой методов получения ряда анестетиков гидрогенизационным ацилированием нитроаренов, изучалось влияние условий синтеза на кинетику реакций.

Известно, что процесс гидрогенизационного ацилирования нитроаренов, технологически реализуемый в одну стадию, включает две химические стадии: гидрирования ароматического нитросоединения и последующего ацилирования полученного аренамина. К настоящему моменту накоплен большой экспериментальный материал по реакциям жидкофазной гидрогенизации нитроаренов. Д.В. Сокольским и В.П. Шмониной с соавт. исследована кинетика каталитического гидрирования нитроаренов на металлах VIII группы, дополнена и уточнена схема механизма восстановления нитробензола (НБ) Габера-Лукашевича. Вместе с тем, механизм гидрирования нитроаренов на классическом катализаторе Pd/C, применяемом в гидрогенизационном аци-лировании, до настоящего времени не детализирован. Привлечение квантово-хими-ческих расчетов для анализа экспериментальных данных может пролить свет на закономерности протекания отдельных стадий процесса и выявить механизм химического взаимодействия на молекулярном уровне, однако методы молекулярного моделирования с этой целью ранее не применялись.

Кинетика и механизмы реакций амидообразования в неполярных органических растворителях были исследованы в работах Л. М. Литвиненко, В. А. Савеловой с соавт. Параллельно под руководством Л. В. Курицына изучалась кинетика реакций аминов разных классов с производными карбоновых и сульфоновых кислот в растворителях разной природы. В работах В.П. Дженкса был предложен эмпирический подход к установлению механизмов реакций алкиламинов со сложными эфирами в воде на основе анализа корреляционных уравнений. Однако данный подход может дать лишь косвенную оценку механизма; параллельно с экспериментальными, необходимо применять методы квантово-химического моделирования, которые позволяют напрямую рассчитать параметры активированного комплекса. Вместе с тем, в литературе отсутствуют данные систематических комплексных исследований кинетики и механизмов амидообразования с привлечением как экспериментальных, так и теоретических методов. К настоящему моменту остается не изученной кинетика взаимодействия ряда алифатических и жирноароматических аминов, а-аминокислот (а-АК) и ди-пептидов с карбонильными и сульфонильными ацилирующими агентами в водно-органических растворителях.

Цель работы: установление кинетических закономерностей и развитие теоретических представлений о механизмах процессов амидообразования на основе комплексных исследований реакций аминосоединений разных классов с производными карбоновых и ароматических сульфоновых кислот. Для достижения цели исследования в работе решались следующие задачи:

установление кинетических параметров реакций гидрирования нитроаренов на палладийсодержащих катализаторах, а также реакций ароматических, вторичных жирноароматических, алифатических аминов, а-АК и дипептидов с производными карбоновых и аренсульфоновых кислот;

поиск дескрипторов реакционной способности нитроаренов, аминосоединений и ацилирующих агентов путем анализа данных кинетического эксперимента и их сопоставления с результатами квантово-химического моделирования молекул реагентов и их сольватных комплексов;

разработка прогностических моделей для описания кинетических закономерностей амидообразования при варьировании структуры реагентов и параметров среды;

квантово-химическое моделирование механизмов стадий гидрирования и ацили-рования в процессе гидрогенизационного ацилирования нитроаренов, а также ацили-рования аминосоединений разных классов производными карбоновых и сульфоновых кислот путем расчета потенциальных кривых и поверхностей потенциальной энергии (ППЭ) указанных реакций в газовой фазе, а также с учетом универсальной и специфической сольватации молекул реагентов и переходных состояний (ПС) реакций.

Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование кинетики и механизмов реакций амидообразования одностадийным восстановительным ацилиро-ванием нитроаренов на палладиевых катализаторах, а также путем ацилирования аминов карбонильными и сульфонильными агентами в водно-органических средах с использованием кинетического и квантово-химического подходов.

Проведено квантово-химическое моделирование механизмов стадии каталитического гидрирования НБ и продуктов его неполного восстановления на катализаторе Pd/С, а также стадии ацилирования 2,6-диметиланилина (2,6-ДМАН) ДЛ^-диэтилгли-цином (N,N-ДЭznu) one-pot процесса получения лидокаина гидрогенизационным аци-лированием 2,6-диметилнитробензола (2,6-ДМНБ). Установлено, что ацилирование амина протекает на катализаторе и является наиболее медленной стадией процесса.

В рамках (Л^/^-подхода выявлены квантово-химические характеристики, которые могут использоваться в качестве дескрипторов электронной структуры нитроаренов и полупродуктов восстановления НБ в стадии гидрогенизации на катализаторе Pd/C.

Проведено квантово-химическое моделирование сольватации молекул нитроаренов и полупродуктов гидрирования НБ этанолом. Показано, что использование спирта в качестве растворителя должно облегчать адсорбцию субстратов на катализаторе и способствовать ускорению реакции.

Впервые проведено систематическое исследование кинетики и механизмов ами-дообразования с участием жирноароматических аминов, аммиака, алкиламинов, а-АК и дипептидов в водно-органических растворителях различной природы и состава.

Показана целесообразность использования растворителя вода-7,4-диоксан для получения амидных производных жирноароматических аминов. Установлено, что в качестве катализатора в указанном процессе могут использоваться добавки ДМСО.

Впервые исследована реакционная способность дипептидов и ряда а-АК, в том числе диаминокислот и дикарбоновых а-АК в процессах амидообразования. Установлено, что, наряду с природой и составом растворителя, сильное влияние на реакционную способность а-АК и дипептидов оказывает кислотность среды, что особенно важно для процессов, протекающих в биологических объектах. При изменении рН наблюдается инверсия отношения эффективных констант скорости ацилирования а-АК и дипептидов: в кислых средах более активны дипептиды, а в щелочной - а-АК.

Установлено, что в процессах пептидообразования скорость образования белков может превышать скорость образования олигопептидов. При этом все обнаруженные закономерности влияния рН на эффективные константы скорости ацилирования а-АК и дипептидов связаны лишь с протонированием и депротонированием их функциональных групп и не позволяют судить о механизмах протекания реакций.

Показано, что подход, базирующийся на методологии QSPR, позволяет корректно прогнозировать кинетические параметры амидообразования с участием аминосоеди-нений разных классов при использовании дескрипторов межмолекулярных взаимодействий (константы Гаммета, константы кислотности), а также дескрипторов электронной структуры молекул реагентов (энергии граничных орбиталей (ГО), вклады атомных орбиталей (АО) в ГО, заселенности АО, заряды атомов и функциональных групп). Получены корреляционные уравнения для предсказания констант скорости реакций амидообразования с участием аминов разных классов на основе указанных дескрипторов.

Впервые проведено систематическое исследование механизмов амидообразования с участием аминосоединений разных классов путем построения ППЭ реакций в газовой фазе, в континуальной модели растворителя, позволяющей учесть универсальную сольватацию, и в супермолекулярном приближении с учетом специфической сольватации реагентов; показано, что все рассмотренные процессы протекают по бимолекулярному согласованному механизму нуклеофильного замещения. Показано, что результаты моделирования согласуются с данными кинетического эксперимента.

Теоретическая и практическая значимость. Полученные в диссертационном исследовании новые данные фундаментального характера развивают существующие теоретические представления о реакционной способности участников амидообразования двумя альтернативными способами: методом one-pot каталитического гидрогени-зационного ацилирования нитроаренов и традиционным методом ацилирования аминосоединений.

Представленные в диссертации результаты моделирования механизмов отдельных стадий процесса гидроацилирования нитроаренов, а также реакций нуклеофильного замещения у карбонильного и сульфонильного реакционных центров развивают представления о механизмах гидрирования нитросоединений на катализаторе Pd/С, ацилирования аминов разных классов и теорию нуклеофильной реакционной способности.

Полученные в работе данные о константах скоростей гидрирования нитроаренов и ацилирования жирноароматических, алифатических аминов, а-АК и дипептидов пополняют банк кинетической информации о процессах амидообразования, могут быть полезны при анализе биологически значимых процессов.

Материалы проведенных исследований могут быть использованы для оптимизации технологии получения веществ, содержащих амидную связь (фармацевтических препаратов, косметических средств, полимеров, средств защиты растений и др.) с применением водно-органических сред, изменение состава которых позволяет регулировать растворимость реактантов и соотношение скоростей ацилирования и гидролиза ацилирующих агентов.

Установленная в работе связь между рН среды и эффективной скоростью амидообразования позволит в дальнейшем корректно проводить изучение кинетики и механизмов реакций данного типа, а также управлять процессами ацилирования биологически значимых соединений - аминокислот и дипептидов, варьируя уровень рН.

Полученные на основе результатов кинетического эксперимента и дескрипторов реакционной способности разных уровней корреляционные уравнения позволяют предсказывать константы скоростей изученных процессов без выполнения эксперимента. Применение полученных QSPR-моделей к реакциям амидообразования может в значительной степени упростить процесс создания комбинаторных библиотек пептидов и сульфонамидов, снизить финансовые и временные затраты на их получение, создавая предпосылки для выбора оптимальных условий и совершенствования технологии промышленного синтеза биологически активных соединений.

Некоторые результаты проведенных исследований были использованы при написании учебных пособий по биохимии и биотехнологии¹.

Методология и методы исследования. Использована методология «количественная связь структура-свойство» (QSPR), используемая в современной мировой и отечественной химической науке, предполагающая экспериментальные и теоретические исследования процессов амидообразования, направленный поиск дескрипторов реакционной способности реагентов в изучаемых процессах и использование данных кинетического и расчетного эксперимента для создания QSPR-моделей, позволяющих прогнозировать константы скоростей реакций рассматриваемого типа.

С учетом поставленных задач использовались следующие методы исследования:

¹ Кустова, Т. П. Биологическая химия и молекулярная биология: учеб. пособие. Рекомендовано УМО по классическому университетскому образованию / Т. П. Кустова, Л. Б. Кочетова. - 3-е изд. перераб. и доп. - Иваново: Иван. гос. ун-т, 2007. -108 с; Кустова, Т. П. Практикум по биологической химии / Т. П. Кустова, Л. Б. Кочетова. - Иваново: Иван. гос. ун-т, 2010, 2013. - 108 с; Кустова, Т. П. Введение в биотехнологию: учеб. пособие / Т. П. Кустова, Л. Б. Кочетова. - Иваново: Иван. гос. ун-т, 2007. - 140 с: ил.

1. Анализ литературных источников, посвященных проблемам исследования.

2. Волюмометрический метод исследования кинетики жидкофазного каталитического гидрирования ароматических нитросоединений.

3. Кондуктометрический метод изучения кинетики ацилирования TV-алкиланилинов.

4. Спектрофотометрический метод (в УФ и видимом дипазоне) исследования кинетики реакций ацильного переноса с участием аминосоединений разных классов.

5. Метод квантово-химического моделирования.

Положения выносимые на защиту.

6. Закономерности и механизм амидообразования в процессе гидрогенизационного ацилирования нитросоединений на палладиевых катализаторах

7. Кинетические закономерности реакций жирноароматических и алифатических аминов, а-АК и дипептидов с карбонильными и сульфонильными ацилирующими агентами в водно-органических средах.

8. Количественные зависимости, характеризующие влияние эффектов среды, структуры реагентов и квантово-химических характеристик их молекул на скорость амидообразования.

9. Результаты квантово-химического моделирования механизмов реакций амидообразования.

Объекты исследования. В качестве объектов исследования при анализе процесса гидрогенизационного ацилирования нитроаренов были выбраны: НБ и моноза-мещенные нитроарены (I), 2,6-ДМНБ (II), 2,6-ДМАН (III), N,N-ДЭгли (IV). Здесь R-

(ПІ)

(II)

сн₃

НзС^

СН₃

R (I)

(C₂H₅)₂N CH₂ COOH (IV)

заместитель в ароматическом кольце нитро-арена.

NH₂ (СН₂)₂ (VIII)

NH₂

Ri NH Ri

(X)

NH₃ (XIII)

(IX)

(VII)

(VI)

(V)

H₂N CH

H₂N—СНCOOH

(XI)

(XII)

При изучении реакций ацилирования нуклеофильными агентами являлись: анилин (V), его TV-алкилпроиз-водные (VI), алифатические амины (VII-X), а-АК (XI), дипептиды (XII), аммиак (XIII). Здесь Ri - алкил, Х=СН₂ или О. В качестве ацилирую-щих агентов рассматривались: бензоилхлорид (ХIV), фенилбен-зоат и его моно-, ди- и тринитро-замещенные в феноксидном фрагменте производные (ХV),

бензолсульфонилхлорид и его монозамещенные в бензольном ядре (ХVI), а также 4-нитрофенилацетат (ХVII). Здесь R_j - заместитель в ароматическом кольце бензолсульфонилхлорида.

Степень достоверности и апробация результатов. Репрезентативность выводов автора обеспечивается их опорой на большой блок экспериментальных и расчетных данных, полученных в данной работе и значительный объем релевантной исследовательской литературы отечественного и иностранного происхождения. Экспериментальные работы выполнены на сертифицированном оборудовании с проведением необходимых калибровок и установлением воспроизводимости результатов исследования в различных условиях. Установлено качественное и количественное совпадение полученных данных с данными, представленными в независимых литературных источниках. Квантово-химические расчеты проводились с использованием лицензионных программ. Соискателем соблюдены требования ВАК Российской Федерации по отношению к достоверности научных результатов, предъявляемые к диссертациям на соискание ученой степени доктора наук.

Результаты диссертационного исследования были доложены и обсуждены на I Региональной межвузовской конференции «Актуальные проблемы химии, химической технологии и химического образования «Химия-96»»: (Иваново, 1996), VI European symposium on organic reactivity ESOR-VI (Louvain-la-Neuve, 1997), I Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы химии, химической технологии и химического образования «Химия-97»» (Иваново, 1997), VII, IХ, X, XI Международных конференциях «Проблемы сольватации и комплексообразова-ния в растворах» (Иваново, 1998, 2011; Плес, 2004; Суздаль, 2007), научных конференциях ИвГУ «Научно-исследовательская деятельность в классическом университете» (Иваново, 2001, 2004, 2006, 2007, 2012, 2013, 2015), ХVII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии (Казань, 2003), I, II, V, VI Региональной конференции молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Иваново, 2006, 2007, 2010, 2011), IX научной школе-конференции по органической химии (Москва, 2006), III, IV, V, VI, VII школах-семинарах «Квантовохимические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул» (Иваново, 2007, 2009, 2011, 2013, 2015), V, VI, VII Всероссийских конференциях «Молекулярное моделирование» (Москва, 2007, 2009, 2011), IV Symposium on computational methods in toxicology and pharmacology integrating internet resources CMTPI-2007 (Москва, 2007), Международных научных конференциях «Регионы в условиях неустойчивого развития» (Кострома – Шарья, 2010, 2012), Региональной научно-практической конференции «Современные тенденции науки и образования» (Дербент, 2012), XIV Международной научно-технической конференции «Наукоёмкие химические технологии-2012» (Тула, 2012), XII Всероссийской конференции с меж-

дународным участием «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах. От эффектов в растворах к новым материалам» (Иваново, 2015).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 96 работах: 1 монографии, 63 статьях, из них 37 в журналах из Перечня рецензируемых научных изданий, а также в материалах тезисов докладов научных конференций.

Вклад автора. Автором диссертации обосновано направление исследования, определены его цели и задачи, осуществлен выбор путей и методов их решения. В соответствии с целью и перечнем задач автором самостоятельно разработана структура диссертационного исследования. В основу диссертации положены результаты кван-тово-химического моделирования, полученные лично автором; кинетические исследования выполнялись совместно с проф. Кустовой Т.П. и доц. Калининой Н.В., а также аспирантами и студентами биолого-химического факультета ИвГУ. Автором лично проведены анализ и обобщение полученных результатов, сформулированы выводы диссертационного исследования. Обсуждение разделов диссертации проведено совместно с научным консультантом докт. хим. наук, проф. Клюевым М. В.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 291 странице машинописного текста и содержит 136 таблиц, 103 рисунка. Список цитируемой литературы включает 527 наименований.

Роль палладиевых катализаторов в процессах каталитической гидрогенизации нитросоединений. Обзор литературы

Палладий представляет особый интерес для теоретической химии благодаря его положению в периодической таблице: это единственный элемент с электронной конфигурацией d10s0p0, которая может изменяться в зависимости от вида химического связывания и определяет специфическое поведение этого металла.

Роль палладия в каталитических реакциях во многом определяется различным строением активных центров на его поверхности. Установление структуры активных центров экспериментальными методами затруднено, в связи с чем для этого широко применяется квантово-химическое моделирование микрокристаллов или кластеров палладия [39–47]. Расчеты расширенным методом Хюккеля (РМХ) [39, 40] и методом функционала плотности [41-43] показали, что небольшие кластеры Pdn (n=2–15) могут иметь как плоскую [39], так и объемную структуру [39–43]. Длины связей Pd–Pd в кластерах варьируются в пределах 2,6–2,8 .

В Таблице 1.8 представлены оптимизированные РМХ структуры кластеров Pdn. Как видно из этих данных, устойчивость кластеров, характеризуемая энергией связывания, отнесенной к числу атомов Pd (Есв/атом), возрастает с увеличением числа атомов в кластере, а также при переходе от плоских структур к объемным. С увеличением размера кластера происходит уменьшение энергетической щели между высшей занятой и низшей свободной молекулярными орбиталями кластеров (ВЗМО и НСМО, соответственно).

Заряд в кластерах Pd распределен между всеми атомами. Кластеры с n = 4 электронейтральны. Максимальные по абсолютной величине заряды (-0,014, -0,008 и -0,011 а.е.з.) имеют центральные атомы в кластерах с планарным строением Pd5, Pd6 и Pd7 (I-5, I-6 и III-7 в Таблице 1.8). В наиболее стабильных кластерах с высокой симметрией электронная плотность распределена более однородно и заряд на атомах не превышает +0,005 а.е.з. Единственное исключение составляет центральный атом в икосаэдре с зарядом -0,01 а.е.з. «Поверхностные» атомы в этих кластерах имеют очень малые заряды не превышающие ±0,001 а.е.з. [39].

Образование катионов и анионов при взаимодействии Pd с носителем упрочняет малые кластеры. Отрицательно заряженные кластеры проявляют тенденцию к образованию объемной структуры, тогда как положительно заряженные являются преимущественно плоскими, поэтому трехмерные структуры, скорее всего, образуются в катализаторах с донорной подложкой, тогда как электроноакцепторные носители должны способствовать формированию планарной конфигурации [40]. Однако эти конфигурации имеют близкие энергии и могут легко превращаться одна в другую, о чем свидетельствуют низкие значения активационных барьеров указанных переходов, которые варьируются в диапазоне 0,3–2 эВ для кластеров, включающих от 6 до 15 атомов [41].

Моделирование кластеров, нанесенных на активированный уголь, показало [43], что особенно прочные связи Pd образует с ненасыщенными атомами углерода (Рисунок 1.1). С увеличением размера кластера прочность связей Pd–C возрастает. При низком содержании палладия его атомы на поверхности угля заряжены положительно благодаря сильному донорно-акцепторному взаимодействию с p-системой подложки. При увеличении концентрации Pd уменьшается дефицит 4d-электронной плотности и положительный заряд атомов палладия.

Первой стадией каталитического гидрирования является адсорбция водорода и субстратов на поверхности катализатора [48–53]. По вопросу о формах и способах активации водорода на активных центрах катализаторов гидрирования в литературе существуют различные точки зрения [54–66].

Относительная инертность водорода обусловлена высокой энергией диссоциации его молекулы (432,9 кДжмоль-1). Связь между атомами Н2 можно ослабить путем до-норно-акцепторной координации с металлом, в которой водород может выступать как донором, так и акцептором электронов с образованием заряженных частиц H2d+ и Н2d-, энергии диссоциации которых (соответственно 259,6 и 77,9 кДжмоль-1) значительно ниже энергии диссоциации молекулы Н2 [54, 55]. Экспериментально установлена возможность самопроизвольного гетеролитического распада молекулярного водорода на катализаторах на основе переходных металлов [67]. На поверхности металла существуют как минимум четыре формы водорода, обладающие различной реакционной способностью в процессах жидкофазного гидрирования: слабосвязанный молекулярный H2d+, а также сильносвязанный атомарный водород: ионизированный Нd+, Нd- и неионизирован-ный Н, между которыми устанавливается адсорбционное равновесие [56, 68–70]: іІ2(г) -« 1І2(р-р) 1І2(адс) "" (адс) ч 8- 5+ Н(адс) + Н(адс) Адсорбционные равновесия водорода в процессе жидкофазного гидрирования: Н2(г) и Н2(р.р)- водород в газовой фазе и в растворе, Н2адс, Н25+адс, Н5адс, Н5+адс - молекулярный и атомарный водород на катализаторе Величины адсорбции, зарядов, энергии связей и соотношение разных форм водорода зависят как от природы и дисперсности катализатора, так и от природы растворителя [67, 69–75].

Кроме указанных форм, в объеме металла присутствует растворенный водород, который проникает в кристаллическую решетку палладия через участки, адсорбирующие слабо связанные молекулярные формы (теплота адсорбции 7 кДжг-атом-1). Расчет тепловых эффектов всех стадий сорбции водорода по результатам микровесового эксперимента показал, что растворение водорода в палладии энергетически более выгодно (энергия активации 15 кДжг-атом-1), чем его миграция по поверхности к центрам с большей теплотой адсорбции (энергия активации 55 кДжг-атом-1) [76]. При растворении может иметь место многоцентровое связывание водорода с палладием [65, 71], в частности, в случае катализатора Pd/Al2O3 на одном атоме Pd адсорбируется до 5 атомов водорода [71]. Согласно данным, полученным методом термосорбции на палладиевой проволоке, сначала водород адсорбируется на центрах с высокой энергией связи Pd–Н (теплота адсорбции 60-120 кДжг-атом-1) без растворения. Затем заполняются участки поверхности с малой теплотой адсорбции (30-60 кДжг-атом-1) и только тогда начинается растворение водорода [76].

Поведение палладия в каталитических процессах связано с различным геометрическим строением активных центров его поверхности. Несмотря на большой прогресс в экспериментальных методах исследования катализа и поверхностных явлений, особенности структуры и роль активных центров различного строения в элементарных стадиях каталитической реакции не могут быть полностью выяснены только опытным путем. Возможности, предоставляемые современными квантово-химическими методами и вычислительными ресурсами существенно дополняют эксперимент [39–44, 47, 77–92].

Согласно данным Д.В. Сокольского с соавт. [56, 57], водород на поверхности металлов существует в “преддиссоциативной форме”, в которой связь Н-металл прочнее связи Н-Н. Результаты проведенных позднее квантово-химических расчетов согласуются с этим утверждением. Так, в работах [78-80] на основе расчетов DFT построена модель диссоциации H2 на поверхности палладия. Анализ переноса электронов и общей энергии для систем Pd2–H2 и Pd5–H2, имеющих разную геометрию, показал наличие на поверхности Pd преддиссоциативного состояния, соответствующего растянутой адсорбированной молекуле водорода [78]; кроме этого, в [79-80] установлено наличие атомарного диссо 29 циативно адсорбированного водорода и возможность физической адсорбции H2. Энергия адсорбции и сила Н-связывания возрастает с уменьшением размера кластера. Палладие-вые кластеры с атомарным водородом более стабильны, чем с молекулярным. Это подтверждается данными работ [40, 81], где рассчитаны энергии адсорбции различных состояний водорода на кластерах Pdn (n=1–4) (Таблица 1.9). Здесь адсорбционные состояния 8, 11 (Таблица 1.9) могут рассматриваться как физическая адсорбция молекулярного водорода, а структуры 1–7, 9, 10 (Таблица 1.9) – как его диссоциативная адсорбция.

Структура молекул ацилирующих агентов

Слагаемые уравнения (1.8) представляют собой электростатическую и ковалентную составляющие полной энергии. В случае небольшой разницы в уровнях энергии между занятыми орбиталями донора и незанятыми орбиталями акцептора, когда ковалентная составляющая стремится к бесконечности, а электростатическая пренебрежимо мала, реакция является орбитально-контролируемой. В обратном случае говорят о зарядовом контроле реакции.

Указанный подход применим и к реакциям жидкофазного гидрирования на гетерогенных катализаторах. В частности, в работе [104] показано, что при гидрировании замещенных нитроаренов на платине и палладии в спиртах наблюдаемые скорости увеличиваются при увеличении энергии НСМО, а в случае скелетного никеля указанная зависимость имеет максимум, соответствующий ЕНСМО НБ: рост энергий НСМО вызывает увеличение скорости реакции для субстратов с электронодонорными заместителями и ее уменьшение в случае электроноакцепторных заместителей. Орбитальный контроль наблюдается и при гидрировании изомеров нитрохлорбензола на пористом никеле. Вместе с тем, при гидрировании на нанесенных палладиевых катализаторах наблюдается зарядовый контроль реакции [174, 176, 181]. Это согласуется с данными работ [169, 186], в которых для ряда замещенных нитросоединений найдена зависимость между электронной плотностью на нитрогруппе и скоростью восстановления. О том же свидетельствуют зависимости, приведенные на Рисунках 1.9, 1.10.

С целью проверки адекватности использования квантово-химических характеристик для количественной оценки реакционной способности замещенных бензолов, нами были сопоставлены эффективные заряды на атомах С и Н в 3- и -положениях ароматического кольца 40 монозамещенных аренов [9] и значения сг-констант заместителей, имеющиеся в справочной литературе [174, 175]. Полученные при этом линейные зависимости с коэффициентами корреляции не ниже 0,95 указывают на возможность применения расчетных величин зарядов на атомах в качестве дескрипторов электронной структуры монозамещенных бензолов. О том же свидетельствуют полученные нами в работе [10] линейные корреляции сг-констант с зарядами на нитрогруппах 2-, 3- и 4- замещенных нитроаренов (уравнения 1.9-1.11): орто- а = (1,81 + 0,10) + (12,37 + 0,79)- q(N02) п=6 /=0,99 (1-9) мета- (7= (14,30 + 1,03) + (24,38 + l,78)q(N02) п=\Ъ /=0,97 (1-10) пара- (7= (9,88 + 0,91) + (16,65 + l,54)q(N02) п=\Ъ /=0,95 (111)

Для апробации подходов, применявшихся в дальнейшем к описанию реакционной способности нитросоединений и продуктов их неполного восстановления в гидрировании, в качестве модельной была использована хорошо изученная реакция гидрирования алкенов [3]. Основанием для этого послужила упомянутая выше (с. 35) аналогия в кинетических закономерностях жидкофазной гидрогенизации связи С = С в алкенах и связи N = N в азобензолах [56], являющихся полупродуктами восстановления нитробензолов. Было показано, что скорость гидрирования связана с зарядовыми характеристиками субстратов: уменьшение заряда на атомах углерода двойной связи циклоалкена отражается в уменьшении скорости реакции. Выполненные нами квантово-химические расчеты циклоалкенов и промежуточных комплексов субстрата с катализатором [3] позволили подтвердить и уточнить известный механизм гидрирования алкенов [105, 187] на комплексе Уилкинсона, а также выявить лимитирующую стадию реакции. Таким образом, была установлена применимость ()5!Рі?-подхода для выяснения механизма гидрирования.

Анализ данных литературы и результатов предварительных исследований показал, что квантово-химические дескрипторы могут использоваться для описания реакционной способности участников гидрирования и интерпретации механизмов каталитических реакций. С этой целью в качестве возможных квантово-химических дескрипторов реакционной способности нитробензола, его производных и полупродуктов восстановления нами рассматривались геометрические, зарядовые и орбитальные характеристики указанных соединений.

Скорости и механизмы реакций в значительной степени определяются строением реагентов. Исследования строения нитроаренов проводились в ряде работ с использованием экспериментальных методов, таких как колебательная спектроскопия, газовая электронография (ГЭ), рентгеноструктурный анализ (РСА), микроволновая спектроско 43 пия (МВС), рамановская и инфракрасная спектроскопия, а также квантово-химических расчетов [188-192].

Наиболее исследованной является структура молекулы НБ. Согласно данным ГЭ и расчета ab initio [188] молекула НБ плоская, что согласуется с существующими представлениями о сопряжении нитрогруппы с бензольным кольцом; молекулы большинства замещенных нитроаренов также планарны, и лишь при введении заместителя в -положение сопряжение нарушается и нитрогруппа поворачивается вокруг связи C-N [189]. Плоская конформация молекулы НБ энергетически более выгодна и обеспечивает более эффективное акцептирование электронной плотности из 2- и -положений бензольного кольца по сравнению с ортогональной конформацией. Барьер вращения нитрогруппы составляет 12-17 кДжмоль-1 согласно экспериментальным данным [188, 189] и 21-25 кДжмоль"1 - согласно расчетам [189, 193], что указывает на невозможность ее свободного вращения.

В Таблице 1.14 рассчитанные нами методом HF/6-31G(d,p) геометрические характеристики молекулы НБ в плоской конформации сопоставлены с имеющимися в литературе экспериментальными данными [189, 194, 195] и результатами аb initio расчетов методом HF/6-31G [189]. Результаты расчетов достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными, что свидетельствует о возможности применения выбранного метода расчета для дальнейших исследований.

Механизмы реакций амидообразования с участием ароматических и жирноароматических аминов. Квантово-химический подход

Число публикаций, посвященных изучению структуры сложных эфиров, содержащих ароматические фрагменты, ограничивается работами [263-265], где приведены лишь некоторые геометрические характеристики молекул фенилбензоата, метилдибутилфенилацета-та (МБФА), этил-Д5-динитробензоата и 4-гидрокси-4 -карбоксифенилбензоата. С целью получения недостающих данных нами было проведено квантово-химическое моделирование молекул сложных эфиров, являющихся объектами данного исследования: фенилбензоата, 2-, J-4-нитрофенил-, 2,4-, 2,5-, Д динитрофенил- и Д46-тринитрофенилбензоатов (ФБ, 2-, 3-, 4-НФБ, 2,4-, 2,5-, 2,6-ДНФБ и ПБ). Оптимизация геометрии молекул ряда нитрозамещенных фенилбензоатов и 4-нитрофенилацетата (4-НФА) проводилась нами методом DFT/B3LYP//6-311+G(d,p). Результаты расчетов представлены в Таблицах 2.9-2.11. Обозначения атомов в молекулах эфиров показаны на Рисунке 2.14. Рассчитанные геометрические характеристики молекул, приведенные в Таблицах 2.9, указывают на некоторые общие закономерности в структуре различных эфиров: валентные углы, образуемые карбонильным углеродом, отличаются от 120; углы ZRСО2 в молекулах эфиров (Рисунок 2.14) в среднем на 10 меньше величины, характерной для 5рг-гибридного угла, что связано с отталкиванием связей R-С и С-О2 /г-облаком связи С=Оь Введение в феноксидный фрагмент эфира нитрогрупп уменьшает длины связей С=Оi, R-С, О2-R и величины углов ZО1СО2, ZСО2R , ZRСО2R ; углы ZRСОi и ZRСО2 при этом, напротив, возрастают. Длина связи С-О2 увеличивается с ростом числа нитрогрупп в феноксидном радикале, что должно способствовать разрыхлению связи с уходящей группой (leaving group, lg) в ПС реакций амидообразования. Такое изменение геометрических характеристик молекул фенилбензоатов согласуется с данными кинетического эксперимента (см. ряд реакционной способности эфиров (4.14) и данные Таблиц 4.5, 4.6, гл.4).

У молекулы 4-НФА (Таблица 2.9, поз. 2) карбонильный центр близок по строению к реакционному центру фенилбензоатов, за исключением связи R-С, длина которой несколько больше, чем у эфиров бензойной кислоты, в связи с отсутствием сопряжения в ацильном фрагменте эфира, что, как показано в гл. 5, отражается в увеличении реакционной способности 4-НФА по сравнению с 4-НФБ в УУ-ацилировании «-аминокислот (см. Таблицы 5.9, 5.12). Oi / R С

Рассчитанные нами структурные характеристики карбонильного центра эфиров бен зойной и уксусной кислот не имеют существенных отличий от геометрических характери стик метилдибутилфенилацетата, определенных методом РСА [263] (Таблица 2.9, поз. 1). Согласно данным [265], в молекуле этил-3,5-динитробензоата в твердой фазе группа СОО и две нитрогруппы повернуты относительно плоскости бензольного кольца на 2, 2 и 11, со ответственно. В молекулах фенилбензоатов имеются три плоские составляющие - 2 арома тических кольца и карбоксильная группа. Эти фрагменты могут вращаться вокруг связей Сдг-С, С-О2 и О2-Сg. Вращение вокруг указанных связей характеризуют углы Т\, ф и TQ. (Ри сунок 2.15). Согласно данным конформационного анализа молекулы фенилбензоата методом ММ [264] (Таблица 2.10), наиболее устойчив транс конформер с бензольными кольцами, расположенными по разные стороны связи С-О2 (Z =177,6). Молекула ФБ не планарна: ароматические кольца в ней повернуты на -7,52 Рисунок 2.15. Торсионные углы и -39,08 относительно плоскости группы СОО. Барьер в молекуле фенилбензоата цис-транс-изомеризации равен 11,5 кДжмоль"1. Таблица 2.10. Энергия молекулы ФБ существенно зависит от Зависимость энергии Е молекулы ФБ ее конформационного состояния: разница в энергиях цис- (Ztp=0) и транс- изомеров составляет 10,24 кДжмоль"1. Барьеры вращения вокруг связей Сдг-С и О2-Сg равны 4,84 и 3,97 кДжмоль"1. Методом РСА [264] также установлена предпочтительность транс-формы молекулы ФБ, ее характеризуют углы ф, Т\ и TQ. равные 180, 9,5 и 67, соответственно.

Наиболее устойчивый конформер молекулы 4-гидрокси-4 -карбоксифенилбензоата имеет следующие характеристики: 0=180, Ті=0 и г2=45 [265]. Энергетические барьеры вращения вокруг связей Сдг-С, С-О2 и О2-Сg составляют соответственно 22,15, 50,16 и 8,86 кДжмоль"1, что указывает на невозможность конформационных от величин торсионных углов [264] ф, т

Моделирование механизма взаимодействия аминосоединений с производными карбоновых кислот

Согласно представленным в обзоре литературы данным по кинетике аренсульфо-нилирования алкиларенаминов в индивидуальных органических растворителях, скорость реакции N-МА с БСХ мала даже в таком растворителе как W,W-ДМФА (см. Таблицу 3.11), существенно ускоряющем реакцию БСХ с АН (см. Таблицу 3.7). Водно-спиртовые растворители также незначительно повышают константу скорости аренсульфони-лирования (см. Таблицу 3.12).

В связи с этим весьма актуальной является задача поиска сред, способных ощутимо повысить скорость взаимодействия смешанных аминов с сульфонилхлоридами. С целью выбора оптимального водно-органического растворителя для проведения арен-сульфонилирования жирноароматических аминов нами были исследованы кинетические закономерности реакций TV-метил- и TV-этиланилина с 3-нитро- и 4-метилбензолсульфо-нилхлоридами (3-НБСХ и 4-МБСХ) в водных растворах І -диоксана, ТГФ и ацетонит-рила. Полученные данные представлены в Таблицах 3.15-3.18 и на Рисунке 3.2. да - 7,4-диоксан при различном содержании воды в смеси приведены в Таблице 3.15. Здесь же представлены взятые из [274] кинетические данные реакции АН с 4-НБСХ в том же растворителе. В работе [274] установлена близкая реакционная способность 4-НБСХ и 3-НБСХ по отношению к АН, что позволяет сравнивать константы скорости этих реакций.

В растворителе одинакового состава значения к аренсульфонилирования 7V-МА и TV-ЭА существенно меньше величин к анилина, несмотря на несколько большую основность смешанных аминов (Таблица 3.15). В обзоре литературы показано (см. Таблицы 3.9, 3.10, 3.12), что в -пропаноле и водно-спиртовых средах скорость реакции Л/-алкил-анилинов с 3-НБСХ снижается при увеличении размера и разветвленности алкильного радикала [274], что указывает на существенную роль пространственных затруднений в кинетике реакции. Уменьшение скорости аренсульфонилирования TV-алкиланилинов по сравнению с АН также обусловлено стерическими препятствиями, которые создают ал-кильные заместители при образовании ПС.

Из данных Таб- Таблица 3.16. лиц 3.15, 3.16 можно заклю- Константы скорости реакций Л-МА с 3-НБСХ X1, м.д. кЮ лмоль с"1 X1, м.д. кЮ лмоль с"1 Вода – ТГФ 0,57 4,3 + 0,2 0,72 10,0 + 0,5 0,63 5,9 + 0,3 0,76 12,5 + 0,6 0,68 6,3+ 0,3 0,80 19,6 + 0,9 Вода – ацетонитрил 0,11 2,26 ± 0,01 0,49 3,45 ± 0,02 0,20 2,89 ± 0,01 0,60 4,70 ± 0,02 чить, что величины констант в водно-органических растворителях; 298 К скорости реакций несущественно отличаются в ряду растворителей одной природы; так для реакции Л/-МА + 3-НБСХ в водном І -диок-сане при Х!=0,8 значение к составляет 0,149 л-мольс -1, а в ТГФ с такой же долей воды к=0,196 лмоль с-

Константы скорости аренсульфонилирования увеличиваются с повышением содержания воды во всех рассматриваемых бинарных растворителях. Самые высокие значения к наблюдаются в водно-спиртовых средах (Таблицы 3.12, 3.15, Рисунок 3.2), вместе с тем, наиболее интенсивный рост к имеет место в реакции TV-ЭА с 3-НБСХ в системе вода-1,4-диоксан. Монотонный характер зависимости к от состава растворителя хорошо согласуется с данными термохимического исследования водно-спиртовых и водно-І -диоксанового растворителей [388]: в изученном диапазоне составов теплоты смешения компонентов указанных смесей также изменяются монотонно. с аминами от состава водно-органических этанола, 2-пропанола и 1,4-диоксана с водой от мо растворителей. 1- N-ЭА, вода-этанол [274]; 2- лярной доли органического компонента в системе N-МА, вода-этанол [274]; 3- N-ЭА, вода-1,4- (Х2) [388] диоксан; 4- N-МА, вода-1,4-диоксан Активационные параметры реакции N-ЭА с 3-НБСХ в водном 1,4-диоксане представлены в Таблице 3.17. Можно отметить тенденцию к некоторому снижению актива-ционного барьера с ростом доли воды в системе, что может быть связано с особенностями сольватации амина и ПС компонентами бинарного растворителя. 303 8,71 + 0,44 308 9,77 + 0,49 313 11,20 + 0,56 50 298 7,58 + 0,38 23 + 1 188 + 303 9,33 + 0,47 308 10,72 + 0,54 313 12,50 + 0,63 Сопоставление данных Таблиц 3.17 и 3.18 показывает, что в растворителе одинакового состава константы скорости реакции N-ЭА с 3-НБСХ существенно выше, чем с 4-МБСХ. Этот факт соответствует существующим представлениям о механизме реакций нуклеофильного замещения: электронодонорный заместитель (4-СН3) в аренсульфонил-хлориде снижает электрофильность атома серы, а электроноакцепторный заместитель (3-NO2) повышает ее, что облегчает нуклеофильную атаку аминогруппы N-ЭА на суль-фонильный центр. Высокие отрицательные величины S298 указывают на высокую упорядоченность ПС реакций аренсульфонилирования N-ЭА в водном 1,4-диоксане.

Обращает на себя внимание вид зависимостей констант скорости аренсульфони-лирования N-МА и N-ЭА от состава водно-спиртового и водно-эфирного растворителей (см. Рисунок 3.2). В средах низкой полярности (до 20 масс. % воды) константа скорости реакции 3-НБСХ с N-МА выше, чем с N-ЭА приблизительно в 1,5 раза, что, по-видимому, связано с преобладающим влиянием стерического фактора на скорость реакции. Можно предположить, что с ростом полярности среды значение стерических препятствий ослабевает и решающую роль начинает играть электронодонорный эффект ал-кильного заместителя в аминогруппе, поэтому отношение констант скорости изменяется в пользу N-ЭА в обеих бинарных системах. Вместе с тем, наряду с изменением полярности растворителя и электронными эффектами заместителей, на скорость реакции могут влиять изменения сольватации реагентов, происходящие при изменении состава среды.

Как показано выше, в растворах амины присутствуют в виде молекулярных комплексов амин - растворитель разного строения. В растворе между сольватокомплексами устанавливается динамическое равновесие, которое может смещаться при изменении состава бинарной системы. Можно полагать, что реакционная способность сольватных комплексов различна и зависит от их строения и устойчивости. Поскольку, как показано в ряде работ [221, 300, 301, 355, 356-364], сольватация ацилирующих агентов не оказывает заметного влияния на скорость амидообразования, константы скорости рассматриваемых реакций могут быть связаны со строением и свойствами сольватокомплексов смешанных аминов с компонентами водно-органических растворителей.

С целью анализа с позиций ()5РІ?-подхода роли специфической сольватации жир-ноароматических аминов в кинетике аренсульфонилирования, нами было проведено квантово-химическое моделирование сольватокомплексов 7V-МА и N-ЭА с водой, 7,4-диоксаном (Diox) и этанолом (ЕЮН) состава N-МА-2 Н2О; N-МАH2OEtOH, 7V-МАH20- Diox, N-ЭА-! Н2О; 7V-ЭАH20 ЕЮН, N-ЭА-H20- Diox. Некоторые результаты расчетов приведены в Таблице 3.19.