Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 11
1.1 Наиболее применяемые нуклеофильные реакции третичных аминов 11
1.1.1 Реакции присоединения аминов к активированным алкенам 11
1.1.2 Реакции нуклеофильного замещения с участием аминов и алкилгалогенидов 17
1.2 Исследования процессов ассоциации органических соединений в водных растворах 24
1.3 Влияние процессов ассоциации реагентов на протекание химических реакций 32
2. Полученные результаты и их обсуждение 39
2.1 Исследование концентрационных эффектов при проведении нуклеофильных реакций третичных аминов в водных растворах 39
2.1.1 Концентрационные эффекты в реакциях нуклеофильного замещения с участием третичных аминов 40
2.1.1.1 Взаимодействие тр етичных аминов с этиленхлоргидрином 40
2.1.1.2 Взаимодействие третичных аминов с хлоруксуснои кислотой... 52
2.1.2 Реакции нуклеофильного присоединения третичных аминов к акриловым мономерам 57
2.1.2.1 Присоединения аминов к кислотам акрилового ряда 57
2.1.2.2 Присоединение аминов к акриловым мономерам, не содержащим кислотных групп 71
2.1.2.3 Взаимодействие аминов с эпихлоргидрином 77
2.2 Исследование ассоциации реагентов в изучаемых системах 82
2.2.1 Исследование физических свойств водных растворов третичных аминов и их солей 82
2.2.1.1 Свойства водных растворов третичных аминов 83
2.2.1..2 Свойства водных растворов солей третичных аминов 92
2.2.2 Исследование физических свойств водных растворов акриламидных мономеров и их солей 98
2.3 Общая модель влияния ассоциации реагентов на нуклеофильные реакции третичных аминов в водных растворах 103
2.4 Компьютерное моделирование ассоциатов реагентов 111
3. Характеристики исходных веществ и методики экспериментальных исследований 122
3.1 Характеристика исходных веществ 122
3.2 Методики экспериментов
3.2.1 Методики исследования кинетики реакций 124
3.2.2 Методика выделения и анализа продуктов 126
3.3 Методы анализа 130
Выводы 134
Список использованной литературы 135
- Реакции присоединения аминов к активированным алкенам
- Взаимодействие тр етичных аминов с этиленхлоргидрином
- Исследование физических свойств водных растворов третичных аминов и их солей
- Методики исследования кинетики реакций
Введение к работе
Актуальность проблемы. Четвертичные аммониевые соли (ЧАС), карбокси- и сульфобетаины входят в состав многих косметических композиций и фармацевтических препаратов, применяются в качестве катализаторов, ингибиторов коррозии и т.д., а при наличии (мет)акрилового фрагмента они являются сырьем для получения разнообразных широко используемых ионогенных карбоцепных полимеров. Другим перспективным классом ионогенных полимеров являются ионены (полимерные ЧАС, содержащие аммониевые группы в основной цепи). Наиболее технически простыми и экологически чистыми вариантами получения ряда соединений перечисленных классов являются проводимые в водных растворах одностадийные синтезы, основанные на реакциях нуклеофильного замещения с участием третичных аминов и доступных водорастворимых хлорпроизводных и на реакциях нуклеофильного присоединения третичных аминов к различным акриловым или эпоксисодержащим соединениям. При этом могут быть синтезированы разнообразные многофункциональные аммониевые продукты.
Одной из малоизученных проблем при проведении подобных реакций в гомогенных средах является учет влияния предреакционных ассоциативных взаимодействий реагентов. В последние годы этому вопросу (применительно к различным системам) уделяется все большее внимание. Такие исследования проводятся, в частности, в рамках развития актуального и перспективного направления, связанного с формированием молекулярных нанореакторов и проведением в них реакций. Эти работы находятся в русле биомиметических подходов к развитию синтетической химии и направлены на моделирование процессов, проходящих в живой природе (с целью их более глубокого изучения), и на повышение эффективности разрабатываемых промышленных технологий (за счет «заимствования» химических «приемов», отобранных и отработанных до совершенства в ходе эволюции). В частности, важнейшие процессы в клетках проходят с участием аминосодержащих молекул, при этом одной из основных причин высокой селективности и скорости протекания реакций является нацеленное ориентирование реагирующих молекул за счет их ассоциации. Таким образом, исследование взаимосвязи ассоциации аминов и их химических превращений представляет как теоретический, так и практический интерес.
Цель и задачи работы. Целью данной работы является выявление роли ассоциации многофункциональных реагентов в протекании реакций нуклеофильного замещения и присоединения с участием третичных аминов в водных растворах.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
- выявление концентрационных эффектов в реакциях нуклеофильного замещения с участием третичных аминов и бифункциональных галогенпроизводных, а также в реакциях нуклеофильного присоединения третичных аминов к акриловым производным в водных растворах;
- выявление закономерностей влияния концентрации реагентов на физические свойства водных растворов в исследуемых системах;
- разработка модели влияния ассоциации реагентов на нуклеофильные реакции третичных аминов в водных растворах на основе рассмотрения всех полученных экспериментальных данных и результатов компьютерного моделирования;
- определение благоприятных условий для синтеза бетаинов, низкомолекулярных ЧАС и ионенов в исследуемых системах.
Объекты исследования. В работе было использовано 16 аминов, 4 (мет)акриловых мономера, 3 хлорпроизводных. В реагентах варьировались углеродные скелеты и природа функциональных групп (аминных, кислотных, спиртовых, нитрильных, амидных, сложноэфирных и др.), что позволяло изменять типы ассоциативных взаимодействий в исследуемых системах.
Методы исседования
Газо-жидкостная хроматография, титриметрические методы, вискозиметрия, рефрактометрия, тензометрия, ЯМР- и ИК-спектроскопия, элементный анализ. Компьютерное моделирование ассоциатов реагентов проводилось методом молекулярной механики в параметризации ММ+.
Научная новизна работы
Впервые выявлены зависимости начальных скоростей и достигаемых конверсий от исходной концентрации реагентов при протекании в водных растворах следующих реакций:
- синтез многофункциональных ЧАС кватернизацией третичных аминов этиленхлоргидрином и хлоруксусной кислотой;
- присоединение третичных аминов к кратным связям кислот акрилового ряда с образованием -бетаинов;
- присоединение третичных аминов к кратным связям акриламидных мономеров в присутствии хлористого водорода с образованием низкомолекулярных ЧАС и ионенов;
- получение ионена взаимодействием 1,3-бис(N,N-диметиламино)пропа-нола-2 с эпихлоргидрином.
Впервые определено влияние строения аминов на характер найденных концентрационных зависимостей (на интервалы исходных концентраций, «благоприятных» или «неблагоприятных» для протекания исследуемых реакций).
На основе проведенного анализа концентрационных зависимостей физических свойств исследуемых систем зафиксированы процессы ассоциации реагентов, определено влияние строения реагентов на их ассоциирующую активность. С использованием результатов компьютерного моделирования для ряда систем предложены наиболее вероятные структуры ассоциатов исходных реагентов.
Предложена модель, объясняющая влияние ассоциации реагентов на реакции нуклеофильного замещения и нуклеофильного присоединения с участием третичных аминов в водных растворах.
Практическая значимость. Найдены условия синтеза в мягких условиях с высокими выходами 8 многофункциональных ЧАС, бетаинов и ионена. Определены условия получения содержащих мономерные ЧАС и бетаины водных растворов, которые могут применяться для производства полимерных флокулянтов. Полученные в работе данные нашли подтверждение при оптимизации технологических параметров опытно-промышленного производства катионного ионенового реагента «Эпам» (ЗАО «ФИНЭКО» г. Дзержинск), применяемого для выделения бутадиен-стирольных каучуков из латексов (ООО «Тольятти-Каучук», г. Тольятти) и в качестве добавки при производстве бумаги (ОАО «Волга», г. Балахна). Предложенная модель по влиянию ассоциации аминосодержащих реагентов на их нуклеофильные реакции может быть использована при изучении поведения и биохимических превращений аминосодержащих молекул в живых системах.
Положения, выносимые на защиту:
- концентрационные эффекты в реакциях нуклеофильного замещения и нуклеофильного присоединения с участием третичных аминов в водных растворах как проявление влияния предреакционной ассоциации реагентов и ассоциации реагентов с образующимися продуктами;
- влияние строения и природы реагентов, температуры и полярности среды на характер концентрационных эффектов;
- обобщающая модель влияния ассоциациативных предреакционных взаимодействий на реакции нуклеофильного замещения и нуклеофильного присоединения третичных аминов;
- оптимальные условия синтеза многофункциональных ЧАС, бетаинов и ионена.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международной молодежной научной конференции «Научному прогрессу – творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2010 г.), VIII и Х Международных молодежных научно-технических конференциях «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2009 г. и 2011 г.), Всероссийской конференции «Актуальные проблемы органической химии» (Казань, 2010 г.), IV, V и VI открытых городских научно-практических конференциях «Молодежь города – город молодежи» (Дзержинск, 2009-2010 гг.).
Публикации по теме диссертации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей в журналах, рекомендуемых ВАК, и 7 тезисов докладов.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 154 страницах, состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы из 171 наименования, содержит 61 рисунок и 10 таблиц.
Реакции присоединения аминов к активированным алкенам
Кватернизация третичных аминов алкилгалогенидами (реакция Меншуткина) является основным способом получения ЧАС. VlAAj + C1R4 . - [R NR cf (1.12) Эта реакции считается одной из наиболее изученных и подробно рассмотренных в литературе К. Ингольдом, О.А. Реутовым, П. Сайксом [31-36]. Реакция проходит по механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения S j2, В которой образование связи реакционного атома углерода с нуклеофилом и разрыв его связи с уходящей группой происходят на одной стадии (хотя в большинстве случаев эти процессы не являются строго согласованными). XT C X Nu: Nu:---C- X + / Nu C. + x (1.13) Реакции бимолекулярного алифатического замещения имеют второй порядок — первый по субстрату и нуклеофилу. u = k[RX].[Nu] (1.14)
Переходное состояние 8н2-реакции близко к тригональной бипирамиде, и у реакционного центра находятся пять заместителей. Поэтому увеличение объема заместителей в субстрате и реагенте приводит к усилению стерического отталкивания и дестабилизации переходного состояния по сравнению с исходным и, следовательно, к уменьшению скорости замещения [33]. Влияние электронных эффектов заместителей в субстрате на скорость реакции должно зависеть от вида переходного состояния. Для реакций с «рыхлым» переходным состоянием (разрыв, старой связи обгоняет образование новой) частичный положительный заряд на реакционном центре увеличивается при переходе от исходной молекулы к активированному комплексу. Поэтому следует ожидать ускоряющего действиям электронодонорных заместителей на протекание реакции. Для реакции,со«сжатым» переходным состоянием (образование новой связи опережает разрыв- старой)- происходит уменьшение, указанного положительного заряда, и реакция должна ускоряться электроноакцепторными заместителями. Экспериментальные данные показывают, что большинство реакций бимолекулярного замещения ускоряются электроноакцепторными заместителями [34], следовательно, образование новой связи обычно обгоняет разрыв старой.
Изменение природы нуклеофила также существенно сказывается на скорости реакции. Так как при переходе от исходного состояния к активированному комплексу происходит частичное образование связи С — Nu, то в активированном комплексе на нуклеофиле появляется положительный заряд и введение электронодонорных заместителей должно увеличивать скорость реакции. В работе [37] при помощи программы мультилинейного регрессионного анализа оценено влияние заместителей в субстрате и взаимное влияние структуры субстрата и нуклеофила на скорость реакции Меншуткина (взаимодействие первичных, вторичных и третичных аминов с алкилйодидами в ацетонитриле, 25С). Данные по реакционной способности 6 алкилйодидов со всеми аминами (97 систем) были обработаны по-уравнению: \к = \%к0+р ? + ЯЕ„+ч/ и +аЕыи (1.15) где J] о- -сумма индукционных постоянных заместителей при атоме азота в амине; EN- стерическая константа.амина; и{-стерические постоянные Чартона для алкильных заместителей в субстрате;- р ,5,у/\а -чувствительность реакции соответствующему фактору.
Из-к полученного корреляционного уравнения следует, что реакция. наиболее чувствительна5 к стерическому экранированию реакционного центра в субстрате (- „o/lu = 0.91), доступность атома азота в нуклеофиле сказывается несколько меньше {-8IIO[lv =0.74): Это может быть объяснено тем, что- в переходном-состоянии длина связи C-N больше длины связи G-Rb Еще меньшее влияние оказывает индукционный эффект заместителей у атома азота (р Н)/;м=0.62).
В работе [38] с помощью мультилинейного - регрессионного анализа построена корреляция, отражающая влияние строения амина на скорость реакции Меншуткина. Дляфеакции,взаимодействия 21 различного первичного, вторичного и третичного аминов-с алкилйодидами в ацетонитриле показано, что для удовлетворительного описания- нуклеофильной реакционной способности аминов с фиксированным субстратом достаточно двух переменных, отражающих влияние индукционного и стерического эффектов. Например, для реакции с метилйодидом корреляционное уравнение имеет вид: lg = 0.87-2.36-2]cr + 0.77-„ (1.16), г = 0.967, J = 0.13 Такие факторы, как количество N-H связей в молекуле амина и его поляризуемость, оказались статистически незначимыми. Показано также, что в реакциях с метилиодидом индукционное влияние заместителей в амине является более значимым, чем эффект стерического экранирования атома азота, при переходе к этил- и н-пропилйодиду влияние доступности реакционного центра сказывается уже существеннее. Это связано с усилением стерического экранирования реакционного центра, уменьшающим общую скорость процесса. Влияние растворителей на скорость реакции изучалось многими исследователями [35, 36, 39-41]. Одновременно с движением реакционной системы по маршруту реакции происходит изменение сольватации участвующих в реакции соединений и промежуточных частиц. Первоначально рассматривалось только влияние неспецифической сольватации. Ингольдом и Хьюзом была построена модель, позволяющая учитывать влияние диэлектрической проницаемости растворителя на скорость реакции, причем рассматривалось преимущественно электростатическое взаимодействие растворителя с исходными соединениями и активированным комплексом [35].
Основным предположением теории Хьюза-Ингольда является то, что полярный растворитель лучше сольватирует состояние, в котором заряд более локализован. Для-описания скорости реакции с участием биполярных молекул использовалось уравнение Кирквуда. Это-уравнение применительно к теории переходного состояния для бимолекулярной реакции между двумя биполярными соединениями А и В- с дипольными моментами ЦА И (1В, образующими активированный комплекс с дипольным моментом ц , имеет вид: N є -1 («г "2 »2 (1.17) 4яє0 RT2sr+\ vr2 rl Кj где k — константа скорости реакции в среде с диэлектрической проницаемостью єг, ко — константа скорости той же реакции в конденсированной фазе с диэлектрической проницаемостью, равной единице, є0 — диэлектрическая проницаемость вакуума, NA— число Авогадро.
Для реакции Меншуткина дипольный момент активированного комплекса д больше, чем дипольный момент исходных реагентов. Из уравнения (1.17) следует, что при повышении диэлектрической проницаемости среды константа скорости реакции возрастет. Действительно, в работе [42] показано влияние природы растворителя на скорость реакции ЭХГ с 5-винил-2-метилпиридином. Из четырех растворителей с наибольшей скоростью реакция протекает в ацетонитриле и диметилацетате, с наименьшей — в изопропиловом спирте. Тезис о более высокой скорости реакции в полярных растворителях нашел подтверждение также в зависимостях, полученных для реакций в бинарных смесях ацетон - бензол и ацетон — 1,4-диоксан (рис. 1.1) [35]. Бинарные смеси растворителей обладают тем преимуществом, что изменение их состава отражается в основном на электростатических взаимодействиях между растворителем и растворенным веществом, в то время4 как неэлектростатические и специфические взаимодействия мало изменяются и поэтому могут не учитываться. Представленные на рис. 1.1 данные показывают, что уравнение Кирквуда применимо к таким системам бинарных растворителей, днако, наклон прямых для разных бинарных смесей заметно отличается, хотя в соответствии с уравнением.. (1.17) такие прямые должны иметь один и тот же угол наклона. Расширение набора растворителей за счет использования протонных- соединений (например, спиртов) сопровождается дальнейшим ухудшением корреляции. Можно отметить (рис. 1.2), чтох данные для группы протонных растворителей и группы растворителей-НДВС (не являющихся донором водородной связи) заметно отличаются, причем внутри каждой группы существует весьма приближенная корреляция между константой скорости реакции и функцией диэлектрической проницаемости. Сообщается также, что в ряде других работ вообще не удалось найти какую-либо определенную зависимость скорости реакции от диэлектрических свойств среды [35].
Взаимодействие тр етичных аминов с этиленхлоргидрином
Для изучения влияния ассоциативных взаимодействий реагентов на протекание нуклеофильных реакций третичных аминов были получены данные по зависимости начальных скоростей и равновесных (или достигаемых за контрольное время) конверсии от исходных концентраций реагентов при неизменном их соотношении. Из общих соображений и литературных данных (см. раздел 1.2) следует, что повышение исходных концентраций должно приводить к усилению таких взаимодействий, что может проявиться в, нетривиальных концентрационных эффектах. К таким эффектам- могут относиться, например; существенные отклонения скоростей от ожидаемых по кинетическому уравнению. Кроме того, для выявления роли ассоциации в ходе различных реакций третичных аминов использовалось несколько групп реагентов, при этом внутри каждой однотипной группы в молекулах варьировались углеводородные фрагменты и природа дополнительных функциональных- групп. Именно эти факторы являются; как известно, ответственными за способность органических соединений к ассоциированию. При этом учитывалось, что на активность аминогрупп в нуклеофильных реакциях влияют стерические и индуктивные эффекты заместителей при атоме азота. Для их характеристики использовались расчетные значения суммарных стерических Yfts и индуктивных а констант заместителей в аминогруппе, найденные по методу Галкина-Черкасова [125, 126] (см. табл. 2.1). Таблица 2.1. Используемые третичные амины и значения расчётных суммарных индуктивных (Xа ) и стерических (Yfis) констант заместителей при аминном азоте
При проведении реакции Меншуткина в гомогенных водных растворах исходные вещества содержали, наряду с реакционными центрами, дополнительные гидрофильные функциональные группы. Кроме варьирования ассоциативных взаимодействий, это было необходимо для повышения растворимости реагентов в воде и позволяло исследовать реакцию в широком интервале их исходных концентраций.
Взаимодействие третичных аминов с этиленхлоргидрином К доступным водорастворимым галогенпроизводным относится, в частности, этиленхлоргидрин (ЭХГ), продуктами взаимодействия которого с третичными аминами являются производные широко используемого холинхлорида [47, 52]: R!R2R3N + С1СН2СН2ОН - [R NCHsCHsOirjCl (2.1) Igv0+9 2 1.5 n=tga=l 0.5 0.5 1 1.5 2 lgc0 + 5 Рис. 2.1.1 Определение порядков по ДМАА (1) и ЭХГ (2) для реакции Меншуткина. [ДМАА]:[ЭХГ]= 1:10 (1), 7:1 (2); Т=50С.
Выше было показано (см. раздел 1.1.2), что реакции нуклеофильного замещения обычно подчиняются уравнению второго порядка (частные порядки по реагентам равны 1). Это было проверено для реагирования аминов с ЭХГ в разбавленных водных растворах. Были проведены эксперименты в условиях псевдопервого порядка - при значительном избытке одного или другого реагента, определены константы скорости и построены соответствующие анаморфозы (рис. 2.1.1). Эти данные показали, что для реакции Меншуткина с использованием ЭХГ в разбавленных водных растворах частные порядки по обоим реагентам равны 1.
Кроме того, для разбавленных растворов (начальные концентрации по 0.5 ммольт"1) была проверена возможность количественного описания реакционной способности аминов различного строения в реакции (2.1) с помощью двухпараметрового корреляционного уравнения (модифицированного уравнения Тафта), связывающего начальную скорость с индуктивными и стерическими постоянными заместителей при реакционном центре реагента. На основе серии экспериментов, проведенных с использованием аминов с дополнительными гидроксильными, простыми эфирными, незамещенными и замещенными амидными группами было выявлено отсутствие удовлетворительной корреляции (г = 0.62,5 = 0:15). Однако была показана хорошая корреляция (г — 0.98, s = 0.017) для уравнения, учитывающего, наряду с - индуктивными и стерическими факторами, число подвижных атомов водорода в амине (и): lgv0=-0.82368-2.74054-2a- +0.672135- i?s-0.81923-« (2.2) Поскольку число подвижных атомов, водорода,, содержащихся в:амидных и гидроксильных группах, связано со способностью амина к участию в образовании водородных связей, эти данные: говорят, о важной роли межмолекулярных взаимодействий уже в разбавленных, растворах. При исследовании особенностей: протекания- реакции (2.1) в более концентрированных растворах (со=1 ммольт"1) корреляция по уравнению1 (2.2) становилась неудовлетворительной — 0:84,5 = 0Ю8);.
Кроме того, при повышении исходных концентраций были получены нетривиальные результаты. На основе кинетических данных были определены, зависимости начальных, скоростей от исходных, концентраций? реагентов. Найдено; что для всех исследованных аминов кроме ДАБЦ! (чья растворимость в: воде ограничивала, возможность получения достаточно высоких исходных концентраций), зависимости,: начальных скоростей реакции (2.1) от исходных концентраций реагентов1 являются- однотипными — они проходят через максимум. Для удобства рассмотрения: полученных результатов амины были разделены на три: группы — в первую вошли, амины, у которых заместитель X ((СНз г СНгЄНгХ) представлял собой функциональную группу (кроме аминоспиртов); а также ДАБЦО и ММ; во? вторую— аминоспирты, а в третью - мономерные №(3-диметиламиноалкил)(мет)акриламиды, отличающиеся друг от друга лишь наличием или отсутствием метальных заместителей в третьем или шестом положении:от реакционного центра.
Исследование физических свойств водных растворов третичных аминов и их солей
Как было показано в разделе 1.1.1 в водных растворах в мягких условиях с высокой скоростью может протекать нуклеофильное присоединение третичных аминов к активированной С=С-связи АА (в присутствии протонных кислот, взятых в недостатке к амину) с образованием ЧАС: R!R2R3N + CH2=CHCONH2 +НС1 = [R VNCP C CONiyCl (2.13) Эта реакция может быть легко осуществимым способом получения промышленно важных ЧАС (в том числе мономерных). В связи с этим (а также для расширения информационной базы по концентрационным эффектам в реакциях нуклеофильного присоединения третичных аминов к акриловым мономерам) представляло интерес получить и проанализировать функции Vo(c0) и Х(с0) для реакции (2.13). Были получены кинетические кривые для реакции (2.13) при варьировании начальных концентраций реагентов (их соотношение оставалось постоянным). На основе полученных данных были определены значения начальных скоростей реакций и равновесных конверсии, а также построены зависимости этих показателей от суммарной концентрации реагентов (амина и АА).
Из рис. 2.1.31 видно, что «скоростные» зависимости проходят через максимумы для всех исследуемых аминов. В реакции-(2.13) использовались. 5 реагентов, содержащих не участвующие в реакции нитрильную, амидную, спиртовую, простую эфирную или сложноэфирную функциональные группы. В этих реакционных системах значения начальных скоростей сильно отличаются уже в. разбавленных растворах. Этого- не наблюдалось в- большинстве описанных реакционных систем. В качестве примера можно привести значения скоростей реакции (2.13) при суммарной исходной концентрации реагентов 1.25 ммольт"1: около 0.05-10"4 ммольт -с"1 (для ММ и ДН), 0.8-10"4 ммольт с"1 (ДМ), 5.5-10"4, ммольт с"1 (ДМАА), а при использовании ДЭ- начальная скорость реакции является настолько высокой; что- ее не удалось определить (сразу после смешивания реагентов определяемая концентрация винильных групп была намного ниже расчетной).
Зафиксировано также, что при увеличении концентраций исходных реагентов соотношение активностей аминов меняется. Например, максимально достигаемые значения начальных скоростей для ММ (одного из двух наиболее пассивных аминов в разбавленных растворах) были в 2 раза больше, чем для ДМ. Заметно различаются и концентрации реагентов; соответствующие наибольшим начальным скоростям для разных аминов. Так, в случае ДМАА такая концентрация составляет 4 ммольт"1, для ДМ - 5 ммольт"1, для ММ— 5.9 ммольт"1, для ДН- 6.7 ммольт"1. - 30 С - 20
Влияние суммарной исходной концентрации амина и АА на равновесные конверсии (X) в реакции (1) для систем ДН-АА-НС1 (1), ММ-АА-НС1 (2), ДМАА-АА-НС1 (3), ДМ-АА-НС1 (4), ДЭ-АА-НС1 (5). Соотношение амин : АА : НС1 =1.5:1.0:1.0; температура 25С.
Зависимости достигаемых конверсии от суммарной исходной концентрации реагентов показаны на рис. 2.1.32. В целом эти зависимости являются однотипными - конверсии заметно возрастают при переходе от разбавленных растворов к умеренно концентрированным, а затем остаются неизменными или продолжают медленно возрастать. Следует отметить, что по наибольшей достигнутой конверсии ДМ заметно уступает другим аминам (50% против 75-95%).
Из представленных данных следует, что, как и в ранее изученных реакциях, при проведении реакции (2.13) варьирование природы заместителя, отделенного от аминного реакционного центра двумя или тремя атомами. углерода, приводит к значительным изменениям- концентрационных зависимостей для начальных скоростей. Можно также отметить, что по виду "скоростных" зависимостей нуклеофильное присоединение аналогично замещению в системах амин-ЭХГ (и кардинально отличается- от систем амин-ХУК и некоторых систем амин-АК). «Конверсионные»- зависимости для реакции (2.13) имеют специфичный характер — конверсия относительно мало изменяется в областях высоких исходных концентраций реагентов, аналогичный тип зависимости наблюдался в, системах ДН-АК и ДАБЦО-кислоты акрилового ряда (в то время как при взаимодействии третичных аминов с ХУК в концентрированных растворах достигаемые1 за контрольное время конверсии резко возрастают, а с ЭХГ - сильно снижаются). Различается и влияние строения аминов на их активность в нуклеофильных реакциях с разными реагентами: Так, наиболее высокие значения, максимально. достигнутых начальных скоростей в реакции (2.13) получены, при использовании ДЭ, наиболее низкие - для ДН. При этом в реакциях с АК эти реагенты были одними из. наиболее активных, однако характер- их конценрационных зависимостей сильно» отличался: В то время-как в реакциях с ХУК по данному показателю оба эти реагента были намного активнее других аминов, а в реакциях с ЭХГ, наоборот, являлись самыми пассивными.
В- водных растворах акриламидных мономеров, имеющих стерически малозатрудненную третичную- аминогруппу, протекает аналогичная реакции (2.13) ступенчатая олигомеризация с образованием макромономерных ЧАС (за счет последовательных реакций нуклеофильного присоединения третичных аминогрупп к С=С-связям акриламидных фрагментов других молекул): nCH2=CHCONHRN(CH3)2 + nHCl - (2 14 = [CH2=CHCONHR[N(CH3)2CH2CH2CONHR]n.1NH(CH3)2]nci где R = C(CH3)2CH2CH2 (ДДАА); (CH2)3 (ДАА).
Синтез таких ионенов был впервые описан в работе [130], в которой исследованы закономерности реакции при концентрации аминоамида 1.0-2.5 ммольт"1, выделены и идентифицированы образующиеся продукты. В данной работе была проведена серия экспериментов по исследованию концентрационных эффектов для реакции (2.14). Сравнение таких эффектов для реакций (2.13) и (2.14) представляет особый интерес, поскольку эти процессы проходят по одному механизму с участием однотипных функциональных групп, но в первом случае реагирующие группы расположены в молекулах разного строения, а во втором - одинакового.
При проведении реакции (2.14) были использованы два аминоамида (ДАА и ДДАА), отличия в углеродных скелетах которых, как уже указывалось выше, не должны сильно влиять на стерическую доступность и электронную плотность их аминных реакционных центров.
Методики исследования кинетики реакций
В разд. 2.3 была описана модель влияния ассоциации реагентов на нуклеофильные реакции третичных аминов, предложенная на основе данных по характеру концентрационных эффектов в этих реакциях. В настоящее время основным методом независимого тестирования возможных структур ассоциативных образований являются методы компьютерного моделирования. Наиболее адекватными для определения структуры жидкостей являются методы молекулярной динамики и метод Монте-Карло. Однако точность этих методов прежде всего определяется качеством задаваемых межмолекулярных потенциалов взаимодействия. Современный, уровень развития этого направления позволяет описывать ассоциативные структуры в, системах с относительно небольшим набором таких взаимодействий. В частности, для воды и некоторых органических соединений (например, спиртов, формамидов) предложены различные системы уравнений межмолекулярного взаимодействия, в результате чего достигнута высокая сходимость экспериментальных и расчетных термодинамических и физических параметров, рассчитаны энергетические характеристики различных жидкостных структур (ассоциатов, кластеров) [79, 146, 147]. В частности, показано, что для формамида и диметилформамида характерна преимущественно цепочечная ассоциация молекул при небольшой доле замкнутых циклов, среди которых превалируют димеры [81, 148, 149]. Цепочки Н-связанных молекул являются наиболее энергетически выгодными и в случае спиртов [146, 150-152].
Достигнуты также успехи в моделировании ряда двухкомпонентных систем типа вода - спирт, вода - формамид, алкан — алканол, алканол — четыреххлористый углерод [69, 152-155]. Например, показано, что в разбавленных водных растворах этанола или пропанола гидрофобное взаимодействие является лидирующим в процессах формирования локальной структуры жидкости [155, 156]. Это , приводит к увеличению структурированности раствора по мере увеличения концентрации спирта. Для водных растворов метанола расчеты показывают [157], что при мольной доле спирта 0.2-0.4 его молекулы еще в значительной степени участвуют в топологических элементах, характерных для сетки Н-связей чистой воды. С ростом мольной доли метанола вклад циклических и сеточных ассоциатов уменьшается (все больше преобладают линейные спиртовые ассоциаты), а в чистом метаноле замкнутые циклы связей встречаются редко и сеточная структура не образуется
Однако задача моделирования методами молекулярной динамики и Монте-Карло более сложных двух- или трехкомпонентных систем, содержащих большое количество молекул многофункциональных органических соединений, пока остается нерешенной. В связи с этим представляло интерес использовать для тестирования различных ассоциативных структур в исследуемых системах метод молекулярной механики (ММ+), который учитывает потенциальные поля, формируемые всеми атомами рассчитываемой системы. Этот метод применяется, в частности, для определения наиболее энергетически выгодных изначально заданных многомолекулярных ассоциативных структур и определения их геометрических характеристик (в том числе, расстояний между реакционными центрами). Подобные расчеты позволили объяснить, например, кинетические аномалии при полимеризации алкил(мет)акриловых мономеров, связанные с формированием «благоприятных» и «неблагоприятных» для реакции многомолекулярных ассоциатов [112, 158, 159]. Следует также отметить, что для повышения адекватности расчетов многомолекулярных ассоциатов необходимо использовать системы, состоящие из возможно большего числа молекул.
Для оценки вероятности формирования общих или раздельных ассоциатов исходных реагентов в исследуемых нами системах (в отсутствие воды) и степени их «благоприятности» или «неблагоприятности» для протекания нуклеофильных реакций были исследованы системы, состоящие из 64 молекул каждого из реагентов. В качестве объектов исследования были выбраны системы типа амин-АК, амин-ЭХГ, амин-ХУК, в которых в качестве аминов использовались аминоспирты (ДЭ, ДШ, ДП2) и аминонитрил (ДН). Выбор систем был обусловлен следующими факторами. Во-первых, поведение перечисленных аминов в реакциях (2.1, 2.3; 2.5) при использовании наиболее концентрированных растворов или в отсутствии растворителя сильно различается. В то же время все эти амины являются однотипными линейными соединениями типа (GH3)2NCH2eHR(GH2)nX(R=H или GH3, п= 0 или 1, Х= ОН или GN).. Т.е. они являются относительно простыми молекулами, для которых можно проследить влияние- минимальных изменений углеродного скелета: или замены, гидроксильной группы на нитрильную. Это позволяет несколько нивелировать влияние на,сравнительный анализ разных систем таких факторов, как выбор заложенных; в основу расчетов потенциалов межмолекулярных взаимодействий, (этот выбор должен сильнее: сказываться, при использовании аминов сильно отличающейся: структуры) и: отличия в степени ионизации аминов (выбранные аминьгимеют достаточно близкую силу как,основания). Шрш моделировании систем; амин-кислота и, амин-ЭХГ большую роль играет выбор задаваемой степени ионизации ионогенных реагентов. Известно; что для систем третичный амин-спирт при эквимольном соотношении компонентов- удельная электропроводность; стремится;; к; нулю [160]; следовательно степень ионизации аминов в;-таких смесях ничтожно- мала.- В системах типа амин-кислота ионизация компонентов увеличивается с возрастанием, диэлектрической: проницаемости: среды, (в случае растворов); энергии сольватации образующихся ; ионов; константы основности (или. кислотности) реагентов [161]. Например, при взаимодействии пиридина со слабыми кислотами в апротонных растворителях образуется очень мало продуктов ионного характера, ас сильными кислотами - равновесие сдвинуто в сторону таких продуктов (системы с кислотами средней: силы занимают промежуточное положение). Найдено также [160], что для системы триэтиламин - пропионовая кислота при соотношении компонентов 1:1 удельная электропроводность резко падает (более чем в 3 раза по сравнению с соотношением 1:5), т.е. в системе остаются способные проводить ток ионы, но их доля относительно мала.
С учетом этих данных, при расчете систем амин-ЭХГ ионизация аминов не учитывалась. Для рассматриваемых систем типа амин-кислота (АК или ХУК) выполнялись два варианта расчета — без учета ионизации и при ионизации 50% аминных и кислотных групп - и сравнение ассоциативных структур проводилось, для обоих вариантов. При оценке полученных результатов все же учитывалось, что при использовании ХУК степень ионизации реагентов должна быть выше, чем при использовании АК (рКа соответственно 2.86 и 4.26).
При- проведении- компьютерного моделирования для каждой системы рассчитывалось по 25-50 различных исходных конфигураций. Все эти1 структуры можно разделить на 4 типа: I — индивидуальные гомоассоциаты, II -реагенты расположены в виде отдельных чередующихся слоев, III - различные варианты чередования компонентов (с объединением однотипных молекул в пары, четверки, ряды и др.), IV - каждая молекула одного компонента окружена молекулами другого? компонента. Для всех типов ассоциатов варьировалось также взаимное расположение молекул («голова к голове», «голова к хвосту»). На рис. 1-4 приведены- примеры фрагментов изначально задаваемых структур для систем ДЭ-АК (типы II, III) и ДЭ-ЭХГ (типы I, IV).
В ходе расчетов» в результате поиска локальных минимумов энергии-для изначально заданных структур происходит изменение взаиморасположения молекул. Для полученных измененных структур фиксировались значения энергий системы и расстояния между соседними реакционными центрами. На рис. 2.4.5 и 2.4.6 в качестве примеров показаны срезы наиболее энергетически выгодных структур для систем ДЭ-АК (тип III) и ДП2-ЭХГ (тип I).
![Частично гидрированные 2-амино-1,2,4-триазоло[1,5-Z]пиримидины: синтез и реакции с электрофильнами реагентами](/i/i/4333/289082.png "Частично гидрированные 2-амино-1,2,4-триазоло[1,5-Z]пиримидины: синтез и реакции с электрофильнами реагентами Соколов Андрей Николаевич")
