Содержание к диссертации
Введение
I. Обзор литературы
1.1. Строение и физико-химические свойства а-аминокислот 6
1.2. Термодинамика диссоциации а-аминокислот в воде и водно-органических растворителях 13 1.3. Кинетика N-ацилирования аминосоединений 20
1.3.1. Кинетические закономерности ацилирования аминов хлорангидридами карбоновых кислот 21
1.3.2. Кинетические закономерности ацилирования аминов ангидридами карбоновых кислот 33
1.3.3. Кинетические закономерности ацилирования алифатических аминов и а-аминокислот сложными эфирами 39
1.4. О механизме ацилирования аминосоединений 47
II. Экспериментальная часть
2.1. Очистка реагентов и растворителей 55
2.2. Приготовление рабочих растворов 56
2.3. Спектрофотометрический метод определения констант скорости N-ацилирования а-аминокислот сложными эфирами в водно-органических средах 57
2.3.1. Методика кинетических измерений N-ацилирования а-аминокислот сложными фениловыми эфирами в водно-органических средах 61
2.3.2.Формулы для расчета константы скорости N-ацилирования а-аминокислот по данным спектрофотометрических измерений и погрешности в их определении 62
2.3.3. Расчет активационных параметров N-ацилирования а-аминокислот сложными фениловыми эфирами в водно-органических средах 65
III. Результаты эксперимента и их обсуждение 67
3.1. Кинетика N-ацилирования а-аминокислот 2,4-динитрофениловым эфиром бензойной кислоты в растворителе вода-2-пропанол 67
3.2. Влияние строения замещенных фениловых эфиров карбоновых кислот на кинетику N-ацилирования глицина в растворителе вода - 2-пропанол 79
3.3. Совместное влияние строения а-аминокислоты и сложного фенилового эфира бензойной кислоты на константу скорости N-ацилирования в растворителе вода - 2-пропанол 85
3.3. Квантово-химический подход к расчету констант скорости N-ацилирования а-аминокислот сложными эфирами 87
3.5. Влияние водно-органического растворителя на скорость N-ацилирования а-аминокислот сложными эфирами 89
3.6. Влияние рН водно-органического растворителя на кинетику N-ацилирования а-аминокислот сложными эфирами 102
Итоги работы 107
Список литературы
- Термодинамика диссоциации а-аминокислот в воде и водно-органических растворителях 13
- Кинетические закономерности ацилирования аминов ангидридами карбоновых кислот
- Методика кинетических измерений N-ацилирования а-аминокислот сложными фениловыми эфирами в водно-органических средах
- Влияние строения замещенных фениловых эфиров карбоновых кислот на кинетику N-ацилирования глицина в растворителе вода - 2-пропанол
Введение к работе
Актуальность исследования. Изучение кинетики и механизмов реакций, исследование химических взаимодействий является важной задачей фундаментальной химии. Важность исследования реакционной способности аминокислот определяется большой распространенностью их в природе и широким применением в различных отраслях деятельности человека.
а-Аминокислоты представляют собой полифункциональные органические соединения, содержащие в молекуле асимметрический атом углерода. Это позволяет рассматривать их в качестве уникального химического сырья для синтезов на их основе стереоизомеров разнообразных органических соединений. Особый интерес представляют сс-аминокислоты как структурные элементы белка и дипептиды, имеющие в составе молекулы пептидную связь, которая влияет на кислотно-основные функции концевых групп (-NH2), (-СООН) в полипептидах и на их реакционную способность. Кинетические исследования ос-аминокислот в водно-органических растворителях играют важную роль в развитии технологии переработки нефти, горения топлива, синтеза высокомолекулярных веществ, различных косметических и лекарственных препаратов, средств защиты растений, ПАВ.
Исследования кинетики реакции с участием а-аминокислот не многочисленны, поэтому является весьма актуальным изучение реакционной способности их в водно-органических средах.
Цель работы. Целью настоящей работы является изучение влияния строения реагентов и среды на кинетику N-ацилирования а-аминокислот сложными фениловыми эфирами в водно-органических растворителях. Исходя из поставленной цели были определены следующие задачи:
изучение кинетики N-ацилирования а-аминокислот сложными эфирами в водно-органических растворителях различного состава;
установление количественных закономерностей влияния строения реагентов и состава водно-органического растворителя на кинетические параметры реакции;
- определение активационных параметров N-ацилирования а-аминокислот
сложными фениловыми эфирами в водно-органических растворителях. Научная новизна. Впервые проведено систематическое исследование влияния строения реагентов и водно-органического растворителя на кинетику N-ацилирования а-аминокислот шестью сложными фениловыми эфирами замещенных бензойных кислот. Предложены уравнения расчета констант скорости реакции, учитывающие влияние строения реагентов и среды.
Практическая значимость. Результаты работы представляют интерес для развития теории реакционной способности, решения проблемы влияния среды на скорость реакции. Обнаруженные кинетические закономерности протекания N-ацилирования а-аминокислот могут быть использованы при разработке технологии синтеза различных веществ.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на VIII Международной конференции "Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах", Иваново, 2001; IX Международной конференции "Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах", Плес, 2004; Всероссийской научной конференции «Молодые женщины в науке», Иваново, 2004; VIII Международном научно-практическом семинаре ИГТА "SMARTEX-2005", Иваново, 2005; конференции молодых ученых и специалистов ИвГУ "Молодая наука 21 веку", Иваново, 2001; конференции «Научно-исследовательская деятельность в классическом университете: теория, методология, практика», Иваново, 2002; Школе-семинаре «Квантово-химические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул», Иваново, 2003; конференции "Молодая наука в Классическом университете", ИвГУ, 2004; конференции «Научно-исследовательская деятельность в классическом университете: теория, методология, практика», Иваново, 2004,2005; конференции "Молодая наука в Классическом университете", ИвГУ, 2005.
Термодинамика диссоциации а-аминокислот в воде и водно-органических растворителях 13
В работах [14-16] показано, что в реакциях ацилирования реакционно-способной формой а-аминокислоты является анионная, концентрация которой зависит от рН раствора. В этой связи рассмотрение термодинамических характеристик а-аминокислот представляет несомненный интерес, поскольку они позволяют рассчитать концентрацию активной формы а-аминокислоты. В литературе имеется большое число работ по изучению термодинамики диссоциации а-аминокислот в воде и водно-органических растворителях [17-22], которые объясняют особенности межчастичного взаимодействия в растворах. Наиболее важными свойствами а-аминокислот являются их кислотно-основные свойства, обусловленные наличием в строении молекул двух функциональных групп (-NH2, -СООН). Кислотно-основное взаимодействие а-аминокислот в воде и водно-органических растворителях осуществляется через цвиттерионную форму. Данную реакцию можно рассмотреть на примере глицина, являющегося типичным цвиттерионом по сравнению с другими а-аминокислотами.
Как известно [121], в воде и водно-органических средах в зависимости от рН среды а-аминокислоты существуют в неионизированной и различных ионизированных формах, как показано на примере глицина (схема 1.2.1): где (I) и (IV) - катионная и анионная формы а-аминокислоты, (II) и (III) цвиттерионная и нейтральная формы a-аминокислоты; Кь К2, К3, К4 константы равновесия, Kz — константа равновесия, которая рассчитывается как отношение концентраций биполярного иона (II) и незаряженной молекулы (III).
Значения всех констант могут быть оценены на основе определенных допущений. Константы первой и второй ступеней кислотной диссоциации [121]определяются отношениями: [H,N+CH2COH\ і - v J " \н,и+сн2соо-\+[нгіїсн,соон} J_+_L къ к, Представленные выше соотношения (1.2.1-1.2.2) связывают константы диссоциации {Кі и КЦ) С константами {KJt К2К3, К4). Между четырьмя константами существует соотношение: К,-К3=К2-К4 (1.2.3)
Для определения этих констант необходимо еще одно уравнение взаимосвязи. Если рассматривать выбранный нами пример с глицином, то систему уравнений (1.2.1-1.2.3) можно решить, приняв, что Кг имеет такое же значение, как константа диссоциации метилового эфира глицина [23]. Исходя из этого допущения для глицина в воде при 298К [24], имеем: К, = К, + К3 =4.47-10 (1.2.4.) К и = 1 р = 1.66 10 -10 (1 2.5.) + К3 К4 К2 = 2-Ш8 (1.2.6)
Решение системы уравнений (1.2.3.-1.2.6) дает следующие значения констант для глицина: К,=4.47-10"3, К2=2-1()-8, К3=1.66-10"10, К4=3.7240"5. Из схемы (1.2.1.) следует, что соотношение цвиттерионной и нейтральной форм глицина определяется как:
Уравнение (1.2.7) показывает, что в воде цвиттерионная форма глицина является преобладающей по отношению к незаряженной форме. Константа равновесия (Kz) не зависит от рН раствора, но уменьшается с уменьшением диэлектрической постоянной растворителя и с увеличением температуры. Уменьшение Kz в смешанных растворителях по сравнению с ее значением в воде, согласно работе [15], свидетельствует о преимущественной сольватации цвиттерионов водой, а нейтральных молекул - органическим растворителем. Таким образом, в воде и водно-органических растворителях с содержанием до 90% органического компонента для глицина можно считать, что К К] и Кц=К3. В дальнейшем изложении работы К3 будет обозначаться как Ка - термодинамическая константа. Поскольку способной к N-ацилированию является анионная форма а-аминокислоты, образующаяся при диссоциации по второй ступени, то в данном разделе будут обсуждаться результаты работ, в которых изучалась термодинамика II ступени кислотной диссоциации а-аминокислоты. Авторы [20] отмечают, что электронное влияние карбоксильной группы является одним из основных факторов, определяющих основность аминогруппы а-аминокислоты. Некоторые данные, полученные в работе, представлены в таблице 1.2.1. Высокое значение рКа L-пролина авторы объясняют наличием у него вторичной аминогруппы, более основной по сравнению с первичными аминогруппами других а-аминокислот. Значительно меньшее воздействие на константу диссоциации протонированной аминогруппы оказывают углеводородные радикалы при а-углеродном атоме а-аминокислоты. Авторами [20] были исследованы также изменения термодинамических параметров диссоциации а-аминокислот
Кинетические закономерности ацилирования аминов ангидридами карбоновых кислот
Для ароматических аминов угловой коэффициент данной зависимости lgk от рКа близок к 1, а для алифатических аминов 0,7. Данные рис. 1.3.2 показывают, что константа скорости ацилирования алифатических аминов -і -і _-i ч-4. к=10 -10 л-моль -с . Время полупревращения таких реакций хт=Ш -10 с при С=0,01 моль/л. Эти данные качественно согласуется с результатами исследований, полученных Энтелисом по изучению кинетики пиперазина с изофталоилхлоридом в гептане k« 105 л-моль 1-с"1. 1.3.2. Кинетические закономерности ацилирования аминов ангидридами карбоновых кислот.
Кинетические закономерности реакции ацилирования ароматических аминов ангидридами карбоновых кислот в неполярных растворителях обсуждаются в работах Литвиненко Л.М. и Олейника Н.М.[109-113,118] и других авторов [116,117]. Изучена реакционная способность ангидридов уксусной [57,58], бензойной [36], тиобензойной [108], малеиновой [59,60] фталевой [61-63], 1,8-нафталиндикарбоновой [64] кислот.
Полученные авторами работ [36,57,108] значения констант скорости (к) реакции анилина ангидридами карбоновых кислот в бензоле при 298 К приведены в таблице 1.3.4
Из таблицы 1.3.4 видно, что реакционная способность уксусного ангидрида в 5 раз выше реакционной способности бензойного ангидрида. Замена кислорода в бензойном ангидриде на серу приводит к увеличению скорости реакции ( в 20 раз), что объясняется авторами снижением энергии связи C-S по сравнению с энергией связи С-О. Рост константы скорости реакции при переходе от бензойного к уксусному ангидриду объясняется в работе [65] частичным снижением электрофильной активности карбонильного атома углерода в бензойном ангидриде, вызванного сопряжением тс-электронов бензольного кольца с карбонильной группой.
Большое внимание в работах Литвиненко Л.М. с сотрудниками [36,38,109-113] уделено исследованию каталитического влияния карбоновых кислот на кинетические характеристики реакции ангидридов карбоновых кислот с ароматическими аминами. В работе [34] высокая каталитическая активность карбоксильной группы в реакции ацилирования ариламинов ангидридами карбоновых кислот, объясняется образованием циклических переходных соединений реагентов с катализатором, способствующим переносу протона от ариламина к ангидриду карбоновой кислоты в переходном состоянии реакции, которое также является циклическим.
Каталитическая активность бифункционального катализатора характеризуется отношением констант скорости каталитической реакции к константе скорости некаталитической реакции (ka/k), которая зависит от структуры реагентов, катализатора, свойств среды и температуры. Согласно теории бифункциональных катализаторов, развитой Литвиненко Л.М. [14], каталитическая активность бифункциональных катализаторов зависит прежде всего от возможности образования циклического переходного состояния между реагентами и катализатором и связана со способностью реагентов и катализатора к образованию водородных связей. Тиобензойная кислота, в отличие от уксусной кислоты, является слабым катализатором реакции уксусного ангидрида с м-хлоранилином в бензоле, а дитиоуксусная кислота не обладает каталитической активностью [34] (таблица 1.3.5).
Основной причиной уменьшения эффективности катализа в указанном ряду катализаторов является понижение способности группы S-H к образованию водородных связей по сравнению с группой О-Н уксусной кислоты, что затрудняет объединение участников каталитического акта в циклическое переходное состояние.
Отличительной чертой бифункциональных катализаторов, таких как карбоновые кислоты, является то, что энергия активации каталитической реакции ариламинов с ангидридами карбоновых кислот характеризуется очень низкой величиной и в некоторых случаях авторы приводят отрицательные значения энергии активации [14].
Влияние заместителя в монозамещенных фталевых ангидридах на реакционную способность в реакции с анилином изучалось в работе [63]. В таблице 1.3.6 приведены значения констант скорости автокаталитического ацилирования анилина монозамещенными фталевыми ангидридами в органических растворителях. Введение электроноакцептонрных заместителей в ядро фталевого ангидрида увеличивает его реакционную способность, что объясняется уменьшением электронной плотности на карбонильных атомах углерода ангидридного цикла.
Увеличение реакционной способности 3-нитрофталевого ангидрида по сравнению с 4-нитрофталевым ангидридом автор объясняет непосредственным влиянием нитрогруппы на карбонильный атом углерода ангидридного цикла в случае первого ангидрида и с электростатическим отталкиванием между атомом кислорода нитрогруппы и карбонильным атомом кислорода ангидридной группы в 3-нитрофталевом ангидриде, что способствует разрыву связи С-0 в переходном состоянии.
Реакционная способность ангидридов карбоновых кислот в реакциях с аминами зависит от используемого растворителя.
В таблице 1.3.7 представлены значения констант скорости и активационные параметры автокаталитического и некаталитического потоков реакции уксусного ангидрида с анилином в органических растворителях, полученные в работе [113].
Методика кинетических измерений N-ацилирования а-аминокислот сложными фениловыми эфирами в водно-органических средах
Подставляя в уравнение (2.14) уравнение (2.17), получаем выражение для константы скорости реакции первого порядка кн, учитывающие N-ацили-рование а-аминокислоты сложными фениловыми эфирами и гидролиз эфира: kH = кС_ +кои- (2.3.12) К 1 Из уравнения (2.3.12) следует, что при условии когда кон.— —«к, Кз с± скоростью гидролиза эфира можно пренебречь, а константу скорости N-ацилирования а-аминокислоты записать в виде: k = -jT (2.3.13) Кинетические исследования N-ацилирования L-пролина 4-нитро-фениловым эфиром бензойной кислоты в растворителе вода(0,76мольн.д.) 59 2-пропанол при различных соотношениях концентраций цвиттерионной и С к анионной форм а-аминокислот: -- = 3;2;1.5;0.67 показали, что величина — не сохраняет постоянство (таблица 2.3.1).
Данные таблицы 2.3.1 указывают на то, что скоростью гидролиза эфира нельзя пренебречь по сравнению со скоростью N-ацилирования а-аминокислоты. Известно [93], что с уменьшением рН среды скорость гидролиза сложных эфиров уменьшается (до рН 7). В нашем случае, уменьшения скорости гидролиза сложного эфира по сравнению со скоростью N-ацилирования а-аминокислоты можно достичь, увеличивая концентрацию цвиттерионной формы а-аминокислоты (С±) по сравнению с концентрацией анионной формы (С).
Тщательно проведенные многочисленные кинетические исследования N-ацилирования различных а-аминокислот нитрофениловыми эфирами монозамещенных бензойных кислот в водно-органических средах, в которых компонентом органического растворителя были: 2-пропанол, N,N диметилформамид, ацетонитрил показали, что при соотношении -± 4 скоростью эфира можно пренебречь по сравнению со скоростью N 60 ацилирования а-аминокислоты. В качестве примера в таблице (2.3.2) приведены результаты кинетического исследования N-ацилирования глицина сложными эфирами в растворителе вода- 2-пропанол при различных соотношениях цвиттерионной и анионной форм а-аминокислоты.
Из данных таблицы 2.3.2 видно, что наблюдается постоянство констант скорости N-ацилирования при разных соотношениях цвиттерионной и анионной форм а-аминокислот, следовательно, в этих условиях гидролизом сложного эфира можно пренебречь. Поэтому для постановки кинетического эксперимента N-ацилирования а-аминокислот сложным эфиром применяли соотношения цвиттерионной и анионной форм а-аминокислот в водно-органическом растворителе разного состава (вода-2-пропанол): 4; 5; 10. 2.3.1 Методика кинетических измерений N-ацилирования а-аминокислот сложными фениловыми эфирами в водно-органических средах.
Кинетику N-ацилирования а-аминокислот сложными фениловыми эфирами бензойных кислот в водно-органических растворителях изучали спектрофотометрическим методом. Реакцию N-ацилирования а-аминокислот проводили при значительном избытке а-аминокислоты (в 10 - 10 раз) по сравнению с концентрацией сложного эфира. В ходе реакции раствор окрашивался в желтый цвет по мере выделения нитрофенолят-иона.
Перед каждым кинетическим опытом готовили рабочий раствор а-аминокислоты при тех же условиях (растворитель, температура), при которых изучалась реакция, помещали его в термостатируемую ячейку (на 15 минут), температура в которой поддерживалась с точностью ±0,1 К. После этого к раствору добавляли 1 каплю второго реагента - раствор ацилирующего агента растворенный в органическом растворителе (пипетка и бюкс с эфиром также термостатировались). Содержимое кюветы тщательно перемешивали. Момент вливания ацилирующего агента принимали за начало реакции. В ходе эксперимента получали данные по пропусканию светового потока (Т) в зависимости от времени протекания реакции. Измерения выполняли через определенные промежутки времени до степени превращения 70-80%. Уменьшение пропускания (Т), за счет увеличения концентрации нитрофенолят-иона, было использовано для расчета константы скорости реакции.
Кинетические измерения проводили с помощью фотоэлектроколориметра КФК-УХЛ-4.2, снабженного термостатируемым кюветодержателем и цифровым вольтметром Щ-300 при рабочей длине волны 400 нм. 2.3.2. Формулы для расчета константы скорости N-ацилирования а-аминокислот по данным спектрофотометрических измерений и погрешности в их определении. Константы скорости первого порядка (кц) рассчитывались методом Гуггенгейма [93], путем регрессионной обработки кинетических кривых по уравнению: -In Т In - /+1 = Ь0+кнТ; (2.3.15)
В уравнении (2.3.15) Т, - пропускание раствора в момент времени Ті; Т/+/ - пропускание раствора в момент времени Tj+1 = Tj +А, где А-постоянный интервал времени; bo - постоянный коэффициент, равный in lnf-(l-,-")
Для расчета константы скорости (кц) по уравнению (2.3.15) был использован МНК. Погрешность в определении скорости реакции рассчитывали, используя статистику Стьюдента с доверительной вероятностью 0,95 [93].
Влияние строения замещенных фениловых эфиров карбоновых кислот на кинетику N-ацилирования глицина в растворителе вода - 2-пропанол
Из таблицы 3.2.5 видно, что зависимость между ДЬҐ и AS имеется для всех изученных нитрозамещенных фениловых эфиров бензойной кислоты в реакции N-ацилирования глицина. Из данных таблицы 3.2.1 можно заключить, что передача электронного влияния от нитрозаместителеи к реакционному центру различна в кислотном фенильном радикале эфира и в феноксидном радикале. Введение атома кислорода между карбонильным углеродом и фенильным радикалом приводит к существенному усилению передачи электронного влияния от заместителя к реакционному центру. Подобное влияние "мостиковых атомов": О, N усиливающее влияние заместителей на реакционный центр обнаружено академиком Литвиненко Л.М. с сотрудниками и названо им "положительный мостиковый эффект" [118]. Объяснение "положительного мостикового эффекта" дано в монографии Пальма В.А. [119].
Влияние заместителей на кинетику реакции в ароматических системах обычно рассматривается с помощью уравнения Гаммета. При объяснении влияния заместителей в фениловых эфирах на кинетику N-ацилирования а-аминокислот необходимо учитывать положение заместителей в фенильных радикалах эфира (ур.3.2.1) lg(k/ko) = р,1а+ + р22 (3.2.1)
В уравнении (3.2.1) слагаемое pi2a+ учитывает влияние заместителей со стороны фенильного (кислотного) радикала; где pj - постоянная чувствительности к передаче электронных влияний, а+ - постоянная заместителя (для мета - заместителей о+= о; о+ - только для пара-заместителей, учитывает и сопряжение заместителя с реакционным центром. Использование а+ предпочтительно, что показано в работе [26]. Второе слагаемое (ргЕ) учитывает влияние заместителя со стороны феноксидного радикала; р2-постоянная чувствительности; а" - постоянная заместителя (для мета- заместителей & = а, для пара- заместителей о" - учитывает сопряжение заместителя с реакционным центром).
Для изученной нами реакции N-ацилирования глицина сложными эфирами в растворителе вода - 2-пропанол было получено следующее уравнение: Igjfc = (-3.67±0.30) + (1.43±0.40)ст+ +(1.96±0.20)crJ (3.2.2)
Значения постоянных заместителей а" и а+ взяты из [80]. Значение к« соответствующей реакции глицина с незамещенным эфиром очень мало по сравнению с замещенными эфирами и составляет 2. МО 4 л-моль -c 1. Введение NO2 заместителей в 2.4.6 положение феноксидного радикала увеличивает значение константы скорости в 105раз.
Уравнение 3.2.2 позволяет прогнозировать значение константы скорости N-ацилирования глицина в зависимости от природы и количества заместителей в замещенных фениловых эфирах бензойной кислоты в растворителе вода - 2-пропанол, 298К (таблица 3.2.5).
Из таблицы 3.2.5. следует, что введение заместителя в фенильные радикалы сложного эфира позволяет в широких пределах изменять их реакционную способность по отношению к глицину в растворителе вода - 2-прропанол. Это суждение следует признать справедливым не только к реакции N-ацилирования глицина, но и других а-аминокислот, поскольку основность, обуславливающая их реакционную способность меняется в довольно узких пределах, что обсуждалось в обзоре литературных источников (глава I, с.32).
Ранее нами было установлено наличие линейной зависимости логарифма константы скорости N-ацилирования а-аминокислот 2.4-динитрофениловым эфиром бензойной кислоты в растворителе вода - 2-пропанол от рКа этих же а-аминокислот в воде (с.74), также было показано, что имеется линейная зависимость lgk ацилирования глицина различными сложными фениловыми эфирами от постоянных заместителей с+ и о" в фенильных кольцах эфира (уравнение 3.2.2 с.83). Эти данные позволяют применить метод перекрестной корреляции (метод полилинейности) для расчета констант скорости N-ацилирования а-аминокислот сложными фениловыми эфирами (уравнение 3.3.1): \gk = \gk0 + p0ApKai +/?, а +р ст (3.3.1) Здесь Ро — постоянная чувствительности реакции к влиянию основности а-АК на константу скорости реакции; для согласования стандартных условий от рКа(Н20) /-той а-АК вычитали рКа(ШО) стандартной а-АК - глицина: ApKa,=(pKa(H20)/-pKa(H20)o)=pKa(H20)/ - 9.88; Остальные обозначения рь рг, о+, о" те же, что и в уравнении 3.2.2 (с.83). Для расчета постоянных р0, рі, рг уравнения (3.3.1) нами были использованы данные [45,46], полученные ранее (таблица 3.2.4), а также данные таблиц 3.1.1 и 3.2.1 и данные по рКа а-аминокислот (таблица 3.1.9. с.74).
