Нуклеофильно-электрофильные взаимодействия в реакциях оксиранов с протонодонорами в присутствии третичных аминов и фосфинов Бахтин Станислав Геннадиевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Раскрытие оксиранового цикла протонсодержащими нуклеофильными реагентами (NuH) принадлежит к числу фундаментальных органических реакций, получивших широкое применение в процессах производства клеев, герметиков, пластификаторов, красителей, лекарственных препаратов, эпоксидных смол, растворителей, биологически активных соединений и т.д. Неудивительно, что, согласно данным библиографической и реферативной базы данных Scopus, количество статей на запрос «Epoxide Opening» за последние годы непрерывно растет.

Среди оксиранов особое внимание привлекает эпихлоргидрин (ЭХГ). Он является ценным «строительным блоком» при наращивании цепи, поскольку под действием нуклеофила образует ациклический продукт, все три атома углерода которого содержат функциональную группу (схема 1, соединения 1a, 1b, 2).

Nu'~

СІ — Nu

СҐ

О ЭХГ

CI cat
+ NuH

Схема 1

Более того, реакции оксиранов с протонсодержащими нуклеофильными реагентами NuH (далее – протонодонорами) моделируют алкилирование молекул ДНК водорастворимыми эпоксидиолами, образующимися в организме в ходе метаболизма полиядерных ароматических углеводородов.

Скорость реакций оксиалкилирования крайне низка. Успехи синтетической химии оксиранов во многом обусловлены применением специальных катализаторов. В частности, реакция, представленная на схеме 1, катализируется различными классами органических и неорганических соединений: третичными аминами жирного и жирноароматического рядов, гетероциклическими аминами, соединениями типа MPh₃ (M = P, Sb), солями щелочных и щелочноземельных металлов, четвертичными аммониевыми солями, комплексами переходных металлов, кислотами Бренстеда и Льюиса. Одними из наиболее эффективных катализаторов, обеспечивающих высокую региоселективность раскрытия эпоксидного цикла, являются третичные амины (R₃N) и пиридины, которые в ходе реакции генерируют из протонодонора реакционноспособные нуклеофильные частицы Nu^-. Несмотря на обширный объем экспериментальных данных, в настоящее время детальный механизм их действия остается до конца не выясненным, поскольку в реакционной системе «оксиран – протонодонор – катализатор R₃N» последний может выступать и в качестве основания (общеосновный катализ), и в качестве нуклеофила (нуклеофильный катализ). Противоречивые трактовки роли R₃N, а также большой интерес к ключевой для органической химии связи «структура – реакционная способность» являются причиной поиска новых экспериментальных данных, с помощью которых можно ответить на дискуссионный вопрос о поведении катализатора и механизме процесса в реакционной системе «оксиран – протонодонор – основание».

Цель работы заключалась в изучении кинетических закономерностей суммарной реакции раскрытия эпоксидного цикла под действием протонодоноров и ее элементарных стадий, а также установлении механизма каталитического действия в этой реакции органических оснований R₃X (X = N, P). В связи с этим определены следующие задачи:

1. исследование структуры продуктов и направления реакции нуклеофильного раскрытия оксиранов под действием карбоновых кислот (в роли протонодоноров) при катализе третичными аминами (схема 1);

2. изучение формально-кинетических закономерностей суммарной реакции оксиранов с протонодонорами в присутствии основных катализаторов;

3. определение влияния основных и нуклеофильных свойств третичных аминов и фосфинов на их каталитическую активность в реакции раскрытия оксиранового цикла под действием протонодоноров;

4. детализация нуклеофильно-электрофильных, кислотно-основных взаимодействий на отдельных стадиях суммарной реакции и установление ее механизма.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применяли различные кинетические методы исследования в зависимости от конкретного этапа работы: потенциометрическое кислотно-основное титрование протонодонорного реагента (Кинетическая методика I, формальная кинетика суммарной реакции), УФ-спектроскопическое определение нуклеофильных реагентов в реакционной системе (Кинетическая методика II, детализация элементарных стадий), потенциометрическое аргентометрическое титрование хлорид-иона в составе солей тетраалкиламмония (Кинетическая методика III, измерение нуклеофильности третичных аминов). Изучение структуры продуктов суммарной реакции и ее направления были проведены с помощью спектроскопии ЯМР ¹Н. Для моделирования поведения различных электрофилов и нуклеофилов в реакционной системе применяли компьютерное симулирование кинетики суммарной реакции (программа KINSIM) и квантово-химический расчет (пакет FIREFLY 7.1.G). Анализ изменений, происходящих в структурах переходных состояний исследуемых реакций при варьировании природы реагентов, проведен с привлечением методов корреляционного анализа.

Научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы. Впервые проведено систематическое исследование влияния основных и нуклеофильных свойств третичных аминов и фосфинов R₃X (X = N, P) на их каталитическую активность в реакции раскрытия оксиранового цикла под действием карбоновых кислот. Установлено, что оксиалкилирование уксусной кислоты ЭХГ в присутствии стерически затрудненных третичных аминов имеет высокую региоселективность. Изучение различных реакционных серий как с симбатным, так и с антибатным изменением основности и нуклеофильности R₃X позволило убедительно доказать, что каталитическая активность R₃X определяется нуклеофильностью, а не основностью. Впервые экспериментальное исследование нуклеофильно-электрофильных взаимодействий в системе «оксиран – протонодонор – R₃X» позволило установить, что в начале реакции R₃X расходуется в стадии кватернизации по S_N2 механизму с раскрытием цикла оксирана, активированного кислотным реагентом, образуя карбоксилат тетраалкиламмония или фосфония. Сформированная таким образом ионная пара служит истинным катализатором последующего раскрытия гетерокольца как активированного, так и неактивированного оксирана одновременно по двум параллельным компенсирующим друг друга потокам. Процесс кватернизации третичных аминов и трифенилфосфина в условиях реакции впервые количественно исследован методами ЯМР ¹Н и УФ-спектроскопии. Методами моделирования и корреляционного анализа впервые показано, что переходные состояния стадии кватернизации относятся к диссоциативным, степень рыхлости которых зависит от кислотности протонодонора и нуклеофильности R₃X.

Экспериментальное изучение поведения исходного (R₃X) и промежуточного (карбоксилат-анион) нуклеофилов как в элементарной стадии кватернизации R₃X, так и в

суммарной реакции, позволило детализировать механизм раскрытия оксиранового цикла протонодонорами в присутствии третичных аминов и фосфинов, включающий последовательно-параллельные стадии образования конечных продуктов реакции. Полученные результаты дают возможность теоретически обосновано оптимизировать условия и проводить с высокой скоростью и региоселективностью катализируемую органическими основаниями реакцию оксиалкилирования протонсодержащих нуклеофильных реагентов NuH. Эти реакции играют важную роль в направленном синтезе практически важных соединений, позволяя одновременно с удлинением углеродной цепи вводить функциональные группы. Результаты исследования механизма раскрытия оксиранового цикла в присутствии R₃X, реакционной способности серии катализаторов и протонодоноров, а также выявление закономерностей «структура – каталитическая активность» вносят вклад в концепции современной теоретической органической химии. На защиту выносятся:

- направление (региоселективность) раскрытия оксиранового цикла ЭХГ уксусной
кислотой в условиях катализа третичными аминами;

- нуклеофильно-электрофильные взаимодействия и механизм катализа нуклеофильного
раскрытия эпоксидного цикла в системе «оксиран – протонодонор – R₃X».

Апробация работы. Результаты работы были представлены на XXIV Украинской конференции по органической химии (Полтава, 2016 г.); на VI и VII Международных научных конференциях «Химическая термодинамика и кинетика» (Тверь, 2016 г.; Великий Новгород, 2017 г.); на конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Литвиненковские чтения – 2017» (Донецк, 2017 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 5 научных статьях и 4 тезисах докладов на конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, посвященного закономерностям раскрытия оксиранового цикла под действием протонсодержащих нуклеофильных реагентов, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов и списка литературных источников. Работа изложена на 139 страницах, иллюстрирована 44 рисунками, 35 таблицами, список литературы включает 117 наименований.

Автор выражает признательность научному руководителю проф. Гулевской Анне Васильевне за скрупулезную помощь в подготовке диссертации, проф. Швед Елене Николаевне за трудоемкую помощь в выполнении работы на каждом ее этапе, доц. Беспалько Юлии Николаевне за плодотворные рекомендации и консультирование при выполнении квантово-химических расчетов, ст. преп. Синельниковой Марине Анатольевне за полезное обсуждение.