Содержание к диссертации
Введение
2. Реакционная способность ацйлимйдазолов в реакции с протонсодермщйми нуклеофилами в водных средах. обзор литературы 9
2.1. Реакции гидролиза 10
2,2. Реакции аминолиза 32
2.3. Реакции гидразинолиза 48
3. Экспериментальная часть 62
3.1. Синтез и очистка веществ 62
3.1.1. Ацилгалогениды 62
3.1.2. Имидазолы 62
3.1.3.- Бензоилимидазолы 63
3.1.4. Анилиды 63
3.1.5. Фенолы 63
3.1.6. Фениловые эфиры карбонових кислот 65
3.1.7.-Ацилимидазолий и І-ацил-3-алкилимидазолий гало ге ни ды 65
3.1.8. Растворители 66
3.2. Методика спектроскопических измерений 70
3.3. Определение констант комплексообразования 70
3.4. Методика кинетических измерений 71
4. Исследование стадии образования ацилшлидазожй галогенидов 75
4.1. Выбор модельной реакции 75
4.2. Кинетический метод определения констант равновесия образования ацилимидазолий галогенидов в апротонной среде 81
4.3. Влияшие структурных факторов на кинетику равновесного образования промежуточного продукта нуклео-фильного катализа 94
4.4. Изучение влияния состояния аниона на стадию образования промежуточного продукта 108
5. Реакционная способность промежуточных продуктов нуклеофильного механизм катализа в реакциях амидообразования 112
5.1. Формально-кинетический анализ скорость определяющей стадии 112
5.2. Влияние структурных факторов на реакционную способность промежуточных продуктов нуклеофильного катализа 125
5.3. Изучение влияния состояния аниона на реакционную способность промежуточных продуктов. Интерпретация механизма реакции 135
6. Реакционная способность промежуточных продуктов нуклеофильного катализа в реакциях эфирообразования 143
6.1. Изучение кинетики фенолиза 1-ацил-З-метилимидазо-лий хлоридов в хлористом метилене 143
6.2. Механизм реакции фенолиза ї-ацил-3-метилимидазолий хлоридов 161
Выводы 172
Литература 176
- Реакции аминолиза
- Бензоилимидазолы
- Определение констант комплексообразования
- Влияшие структурных факторов на кинетику равновесного образования промежуточного продукта нуклео-фильного катализа
Введение к работе
Настоящая работа является развитием проводившихся под руководством академика АН УССР Л.М.Литвиненко исследований каталитического влияния третичных аминов в реакциях ацильного переноса в ;протоинертных средах. Она посвящена постадийному изучению нуклеофильного механизма катализа П-эамещенными имидазолами в реакциях аминолиза и фенолиза ароматических ацилгалогенидов в хлористом метилене, протекающих через промежуточные ї-ацил-3-алкил-имидазолий галогениды. Основанием для постановки этой работы послужили выполненные ранее исследования / !-3_7 катализируемой Н-замещенными имидазолами реакции аминолиза ацетилгалогенидов, включающие выделение промежуточных продуктов, спектроскопическое изучение их строения и прямое кинетическое исследование их реакционной способности. Однако, эта реакция, в силу необратимого в условиях эксперимента характера первой стадии, позволяет изучить лишь частный случай нуклеофильного катализа и не дает возможности получить информацию о стадии равновесного образования промежуточного продукта. Между тем детальное изучение этой стадии позволило бы глубже понять особенности нуклеофильного механизма катализа и роль факторов, влияющих на термодинамическую стабильность промежуточных продуктов (структура реагентов, растворитель и т.д.), а тем самым режим протекания нуклеофильной реакции в целом. На основании сравнительного ИК и УФ-спектроскопического изучения систем ацетилгалогениды-Н-алкилимидазолы и бензоилгало-гениды-Н-алкилимидазолы было показано, что удобным объектом исследования является реакция бензоилирования ариламинов и фенолов, катализируемая Н-замещенными имидазолами. Использование такой системы позволило впервые не только кинетически исследовать стадию образования промежуточного продукта, но и получить детальную информацию о влиянии структурных факторов в исходных соединениях и промежуточных продуктах на кинетику образования промежуточных продуктов и их термодинамическую стабильность. Прямое кинетическое изучение реакционной способности ї-ацил-3-алкилимидазолий галогенидов дало возможность: I) показать, что многомаршрутный характер скорость: определяющей стадии каталитических реакций ароматических субстратов связан с проявлением факторов общеосновного содействия со стороны как аниона промежуточного продукта, так и третичного амина; 2) исследовать влияние структурных факторов в катионе промежуточного продукта (структуры ацильного фрагмента, уходящей группы, характера С-Ы связи) на кинетику каждого маршрута скорость определяющей стадии. На основании изучения влияния добавок специфически сольватирующих растворителей были получены прямые доказательства участия в реакциях обеих стадий аниона промежуточного продукта, выступающего либо в функции внутримолекулярного нуклеофила, либо фактора общеосновного содействия, стабилизирующего переходные состояния отдельных маршрутов скорость определяющей стадии аминолиза за счет образования водородной связи. Учитывая, что роль последней должна особенно отчетливо проявляться в реакциях более кислых нуклеофилов, в качестве последних были использованы замещенные фенолы и полученные данные сопоставлены с реакцией аминолиза. Это позволило оценить вклады общеосновного содействия аниона промежуточного продукта и третичного амина в реакциях азот- и кислородсодержащих нуклеофилов. Было показано, что необходимый для стабилизации переходного состояния реакции фенолиза значительный перенос протона обеспечивается только третичным амином, тогда как анион играет более важную роль в реакции аминолиза.
Новизна выполненного нами исследования заключается в том, что впервые для реакций ацильного переноса, протекающих по нуклеофильному механизму катализа в низкополярных средах разработана методика кинетического определения констант равновесия образования промежуточного і-ацил-3-алкилимидазолий галогенида и постадийного кинетического анализа каталитической реакции. Для ряда реакционных серий на уровне отдельных стадий проведено детальное кинетико-термодинамическое исследование, послужившее основой для интерпретации механизма каждой стадии.
Впервые выполнено сравнительное изучение реакционной способности і-ацил-3-алкилимидазолий галогенидов в реакциях с аминами и фенолами. Показано, что факторами, определяющими реакционную способность этих соединений,является особенности структуры катиона и природы и состояния входящего в промежуточный продукт аниона. Впервые обоснована роль переноса протона под влиянием третичного амина и аниона промежуточного продукта в нуклео-фильном механизме катализа в низкополярных средах.
Практическая ценность. Обнаруженные в процессе работы закономерности катализа Н-алкилимидазолами в реакциях аминолиза и фенолиза ароматических ацилгалогенидов в хлористом метилене могут служить теоретической основой используемого в синтезе полимерных материалов - полиамидов, полиарилатов - метода акцептор-но-каталитической поликонденсации.
Установленная в работе способность общих оснований и анио - 7 нов ациламмониевых солей активировать малореакционноспособные нуклеофилы, например, низкоосновные ароматические амины и фенолы, позволяет использовать результаты работы для препаративного получения ацильных производных этих соединений.
Результаты диссертационной работы включены в монографию Л.М.Литвиненко и Н.А.Олейника "Органические катализаторы и гомогенный катализ" (Киев, "Наукова думка", 1980г.).
Некоторые результаты диссертационной работы были использованы при чтении спецкурсов "Ферментология и ферментативный катализ" и "Молекулярная биохимия" на кафедре биохимии Донецкого госуниверситета.
На защиту выносятся следующие основные вопросы:
1) кинетический метод определения констант равновесия образования промежуточного продукта нуклеофильного механизма катализа Н-алкилимидазолами 1-ацил-З-алкилимидазолий галогенидов.в низкополярных средах;
2) исследование влияния структурных факторов на стадию образования промежуточного продукта нуклеофильного катализа;
3) исследование кинетики реакции ї-ацил-3-алкилимидазолий галогенидов с аминами и фенолами;
4) изучение влияния структурных факторов на реакционную способность промежуточных продуктов катализа в реакциях аминоли-за и фенолиза;
5) доказательство роли природы и состояния аниона ацил-Н-алкилимидазолий галогенидов как одного из факторов реакционной способности этих соединений в низкополярных средах.
Работа состоит из 6 разделов. Первый раздел - "Введение".
Во втором разделе рассмотрены литературные данные по реакционной способности ацетил- и бензоилимидазолов (заряженных и нейтральных) в водной среде по отношению к протонеодержавши нуклеофилам (вода, амины, гидразин). В третьем разделе представлены способы приготовления и очистки реагентов, катализаторов и растворителей, а также методики кинетических, спектроскопических измерений и обработки результатов. В четвертом разделе обоснован выбор модельной реакции, приведен кинетический метод и результаты изучения равновесной стадии образования ї-бензоил-3-алкилимидазолиЙ галогенидов. Пятый раздел включает данные сравнительного исследования кинетики и реакционной способности Н-ацетил- и П-бензо-илимидазолий галогенидов в реакции с ариламинами, влияния структурных факторов в катионе и состояния аниона этих соединений на кинетику и механизм отдельных маршрутов.
В шестом разделе представлены результаты формально-кинетического анализа фенолиза промежуточных продуктов, сопоставлены основные закономерности реакций аминолиза и фенолиза в хлористом метилене и проанализирована роль переноса протона в нуклеофиль-ном катализе.
Реакции аминолиза
Реакция ацетилимидазола с аминами подчиняется закону скорости, описываемому уравнением (2.15а) или кинетически эквивалентным ему (2.156) JT5J: где В - вторая молекула амина, выступающая как катализатор. Уравнение (2Л56), включающее свободное основание и протонированный ацетилимидазол, как было показано авторами, более реально отражает суть реакции. Константы скорости в обоих уравнениях взаимосвязаны посредством отношения констант кислотной диссоциации сопряженной нуклеофилу кислоты и иона ацетилимидазолия: Реакции ацетилимидазола с нуклеофильными реагентами включают независимый от рН поток вблизи нейтральных значений рН, что является следствием того факта, что нуклеофил при этих значениях рН существует в нереакционноспособной форме, а реакцион-носпособной формой ацетилимидазола является как раз ; протони-рованная. Таким образом, любое изменение рН вызывает эквивалентное и противоположное изменение концентраций реагентов, скорость же реакции остается постоянной. Следовательно, ацетилимидазол, подобно большинству амидов, предпочтительно реагирует по механизму катализа с протонированием уходящей группы. Нейтральный ими-дазол является много лучшей уходящей группой, чем соответствующий анион (рКа 7,0 и 14,2. соответственно), поэтому он может быть значительно легче вытеснен нуклеофилами умеренной основности. Отличие же ацетилимидазола от других амидов состоит в том, что сравнительно высокая основность его (рКа = 3,86) позволяет уходящему имидазолу легко протонироваться, создавая тем самым достаточно высокую концентрацию реакционноспособной формы в области нейтральных значений рН. Реакция ацетилимидазолиевых катионов Для реакции взаимодействия Асілі Н+ с аминами в качестве нуклеофилов выполняется бренстедовская зависимость скорости от основности нуклеофилов с наклоном В = 1,0 (рис.2.4).
Наиболее основные нуклеофилы проявляют небольшие отрицательные отклонения от корреляционной зависимости. Обращают на себя внимание следующие факты: во-первых, имидазол и Н-метилимидазол являются несколько более реакционноспособными, чем первичные и вторичные амины сравнимой основности, поскольку параллельно нуклеофильной атаке этими основаниями имеет место катализируемый ими гидролиз АсІіиН+; во-вторых, реакция ацетилимидазолиевого катиона с Н-метилимидазолом и ацетил-Н-метилимидазолиевого иона с имидазолом имеют одинаковые константы скоростей. Удовлетворительное выполнение бренстедовской зависимости для первичных, вторичных, а также третичных аминов, характеризующейся высоким значением j3= 1,0, свидетельствует о том, что удаление протона от атакующего нуклеофила не играет значительной роли при его реакции с аце-тилимидазолиевым ионом. Принимая во внимание, что полный перенос ацетильной группы к аминам имеет величину уз = 1,7 / 24_7, переходное состояние в случае нуклеофилъных реакций иона ацетилими-дазолия (jS = 1,0) вероятно находится на половине пути вдоль координаты реакции. И хотя данные по чувствительности к основности уходящей группы ацетилимидазолиевого катиона отсутствуют, используя соответствующие значения J3 для ацетилпиридиниевых катионов (-1,0), можно предположить, что реакции иона ацетилимидазолия протекают через переходное состояние УШ, отвечающее почти симметричному ацильному переносу.
Если в такой реакции имеет место образование тетраэдричес-кого промежуточного продукта присоединения (ТПІГ), то следует ожидать, что для нуклеофила более основного, чем уходящая группа, лимитирующей скорость стадией будет стадия образования промежуточного продукта и наоборот, для атаки амином менее основным, чем уходящая группа, скорость определяющей стадией явится распад метастабильного промежуточного продукта. Таким образом, смену скорость определяющих стадий следует ожидать в области равных основноетей атакующей и уходящих групп. Результаты исследований указывают на то, что переходные состояния этих реакций обладают сходной структурой в широком диапазоне основностей аминов и предполагают возможное объяснение либо на основе согласованного механизма без образования ТШШ, либо на основе стадийных реакций с почти идентичными переходными состояниями для образования и распада промежуточного продукта. Как показывают данные работы "6J, константы скорости для реакции нуклеофильных реагентов с AcMelm + и Ас1шН+ согласуются с точностью до постоянного множителя, за исключением реакции с гидроксид-ионом (табл. 2.2). Этот факт служит подтвержде-нием что AcMelm в большинстве случаев является хорошей моделью для реакционноспособной формы ацетилимидазола, Aclm Н+, и что член уравнения (2.15а) реально отражает реакцию основной формы нуклеофила с Ас1 пН+, соответствуя маршруту kj уравнения (2.156) и переходному состоянию 5 идентичному Ш. (при этом возможность
Бензоилимидазолы
Бензоилшшдазол, п-метоксибензоилимидазол, п-хлорбензоил-имидазол, м-фторбензоилимидазол, м-нитробензоилимидазол были синтезированы и очищены как описано в работе "21J. Некоторые физико-химические характеристики ацилимидазолов приведены в табл.3.1 и соответствуют работе / 21_7. Бензанилиды, являющиеся конечными продуктами реакции ами-нолиза, были выделены как в отсутствии, так и присутствии катализаторов в условиях, приближающимся к кинетическим, в C CIg. После завершения реакции между бензоилгалогенидами и амином реакционную смесь промывали 2%-ным раствором соляной кислоты, затем 5%-ным раствором соды и, наконец, водой. Органический слой отделяли, высушивали безводным сульфатом натрия и после фильтрования упаривали. физико-химические свойства выделенных бензанилидов соответствовали приведенным в литературе. Тпл 4-нитроанилида-4 -метоксибензойной кислоты 176-177 (в лит. f59j - 177), 4-нитроанилида бензойной кислоты 199-200 (в лит. "60J - 199), 4-нитроанилида-З -фторбензойной кислоты 185-186 (в лит, / 59_7-186), 4-нитроанилида-4 -хлорбензойной кислоты 168-169 (в лит. /-59_7-170). п-Фенилазофенол JT&LJ 4-нитрофенилазофенол / 62_7 были синтезированы и очищены, как описано в лишвратуре. fo -Нафтол марки Ч.Д.А. был очищен многократной перекристаллизацией из этанола Тцл полученных препаратов соответствовали приведенным в литературе. Фениловые эфиры бензойной и уксусной кислот, являющиеся продуктами взаимодействия ї-ацетил-3-алкилимидазолий галогени-дов с фенолами были выделены в условиях близким к кинетическим Тпл соответствующих фениловых эфиров не отличались от приведенных в литературе; Тпл fi -нафтилбензоата 105-107 (в лит. C&J - 106-107), 4-фенилазофенилбензоата 134-136 (в лит. Z 64_7 " 136), 4-нитрофенилазофенилбензоата 195 (в лит,/"64-7 -195), fi -нафтилацетата 68-69 (в лит. "63_7 - 68-69), 4-фе-нилазофенилацетата 89 (в лит. 64_7 - 89), 4-нитрофенилазофе-нилацетата 146-147 (в лит. С J 247). В силу того, что ацилимидазолиевые соли крайне чувствительны к влаге воздуха, их синтез осуществляли в сухом, продутом азотом (аргоном) боксе.
Навеску 1-бензоилимидазола в 0,1-0,2 г»(ЗЮ .-ICf моля) растворяли в минимальном количестве абсолютного эфира, а затем при постоянном перемешивании добавляли 1-2 мл диоксана, содержащего сухой хлористый водород. Выпавший осадок отделяли, промывали 150-200 мл абсолютного эфира и высушивали на фильтре Шотта в токе сухого аргона. В связи с невозможностью очистки целевых продуктов, все исходные вещества и растворители, используемые в синтезе, были предварительно тщательно очисщены. Некоторые физико-химические характеристики ї-бензоилимидазолий хлоридов приведены в табл. 3.2. ї-Бензоил-3-алкилимидазолий галогениды были синтезированы по методу, описанному в работе 3.ZJ и использованы, как и в цитированной работе, без дальнейшей очистки. Соединения с элект-роноакцепторными заместителями в ацильной части были синтезированы нами впервые. Характеристики ї-бензоил-3-алкилимидазолий галогенидов приведены в табл. 3.3. синтезирован и очищен как в работе C J Все растворители для синтеза и исследования ацилимидазо-лиевых солей подвергались тщательной осушке, сухие растворители храним в сухой камере. Хлористый метилен промывам несколько раз концентрированной серной кислотой, затем водным раствором карбоната натрия и водой. Сушили над хлористым кальцием и перегоним над Р2% Б день приготовления растворов. Контроль за качеством хлористого метилена осуществлям УФ-спектроскопически; путем записи УФ-спектра поглощения 4-Н,Н-диметиламинопиридина.
В случае появления в спектре полосы хлористоводородной соли этого основания хлористый метилен подвергали дополнительной очистке путем пропускания его через колонку с окисью алюминия. Хлороформ, четыреххлористый углерод, диоксан очищам по стандартным методикам / 66_7 ИК-спектры регистрировали на двулучевом спектрофотометре «Ur-20" в области Ї600-І800 см" . Использовали неразборные кюветы толщиной 0,1-1 мм с окнами из HaCI и КВч. Интегральные интенсивности СО полосы измеряли по методу, приведенному в работе / 67J УФ-спектры регистрировали на автоматическом спектрофотометре n Specord UV-Vis" в кварцевых кюветах толщиной I см. 3»3. Определение констант комплексообразования Константы равновесия комплексообразования фенолов с соответствующими протоноакцепторами В (третичные амины, тетразаме-щенные аммониевые соли) определяли спектрофотометрически на спектрофотометре МСФ-26П с термостатирующим устройством "68J. Измерения проводили при соответствующих длинах волн в области 340-440 нм. К растворам с одинаковой концентрацией фенола (10 -КГ7 моль/л) в хлористом метилене добавляли растворы соответствующих протоноакцепторов различной концентрации (ІО -ЇО"""2 моль/л). Константы ассоциации рассчитывали из концентрационной зависимости оптической плотности растворов по уравнению (З.Ї). гдеГв]- концентрация протоноакцептора,[С]к »[С]р он " текущие концентрации комплекса и фенола, Роо, 0о » &t - оптические плотности комплекса, фенола, а такке суммарная оптическая плотность комплекса и фенола соответственно. Постоянство величин Касс устанавливали ее вычислением при различных длинах волн. Во всех случаях проверяли выполнимость закона Бугера-Ламберта-Бера. Температурную зависимость Касс# изучали в интервале Ї5-35С.
Пример определения Касс приведен в табл. 3.4. 3.4. Методика кинетических измерений Все исследуемые реакции были изучены в условиях псевдопервого порядка по одному из реагентов. Контроль за ходом реакции 1-бензоил-З-алкилимидазолиевых солей с п-нитроанилином осуществляли спектрофотометрически по убыли последнего при соответствующей длине волны в области 360-390 нм, с фенолами - по убыли фенолов при соответствующей длине волны в области 320-395 нм в условиях значительного избытка ацилимидазолиевой соли. Реакции бензоилхлоридов с незамещенными производными ими-дазола проводили в условиях значительного избытка нуклеофила, скорость реакции регистрироваж по накоплению продуктов реакции при соответствующей длине волны в области 255-307 нм. При изучении реакции взаимодействия ацетилхлорида с П-метилимидазолом был использован метод "остановленной струи". Реакцию регистрировали на скоростном спектрофотометре иСП-76" при 263 нм по накоплению 1-ацетил—3-метилимидазолий хлорида. Ввиду высокой чувствительности реакций І-ацил-3-алкил-имидазолий галогенидов к влаге все операции по взятию навесок, приготовлению растворов, а также заполнению кювет спектрофотометра проводили в тщательно высушенном Р05 и продудонл азотом
Определение констант комплексообразования
Хлористый метилен промывам несколько раз концентрированной серной кислотой, затем водным раствором карбоната натрия и водой. Сушили над хлористым кальцием и перегоним над Р2% Б день приготовления растворов. Контроль за качеством хлористого метилена осуществлям УФ-спектроскопически; путем записи УФ-спектра поглощения 4-Н,Н-диметиламинопиридина. В случае появления в спектре полосы хлористоводородной соли этого основания хлористый метилен подвергали дополнительной очистке путем пропускания его через колонку с окисью алюминия. Хлороформ, четыреххлористый углерод, диоксан очищам по стандартным методикам / 66_7 ИК-спектры регистрировали на двулучевом спектрофотометре «Ur-20" в области Ї600-І800 см" . Использовали неразборные кюветы толщиной 0,1-1 мм с окнами из HaCI и КВч. Интегральные интенсивности СО полосы измеряли по методу, приведенному в работе / 67J УФ-спектры регистрировали на автоматическом спектрофотометре n Specord UV-Vis" в кварцевых кюветах толщиной I см. 3»3. Определение констант комплексообразования Константы равновесия комплексообразования фенолов с соответствующими протоноакцепторами В (третичные амины, тетразаме-щенные аммониевые соли) определяли спектрофотометрически на спектрофотометре МСФ-26П с термостатирующим устройством "68J.
Измерения проводили при соответствующих длинах волн в области 340-440 нм. К растворам с одинаковой концентрацией фенола (10 -КГ7 моль/л) в хлористом метилене добавляли растворы соответствующих протоноакцепторов различной концентрации (ІО -ЇО"""2 моль/л). Константы ассоциации рассчитывали из концентрационной зависимости оптической плотности растворов по уравнению (З.Ї). гдеГв]- концентрация протоноакцептора,[С]к »[С]р он " текущие концентрации комплекса и фенола, Роо, 0о » &t - оптические плотности комплекса, фенола, а такке суммарная оптическая плотность комплекса и фенола соответственно. Постоянство величин Касс устанавливали ее вычислением при различных длинах волн. Во всех случаях проверяли выполнимость закона Бугера-Ламберта-Бера. Температурную зависимость Касс# изучали в интервале Ї5-35С. Пример определения Касс приведен в табл. 3.4. Все исследуемые реакции были изучены в условиях псевдопервого порядка по одному из реагентов. Контроль за ходом реакции 1-бензоил-З-алкилимидазолиевых солей с п-нитроанилином осуществляли спектрофотометрически по убыли последнего при соответствующей длине волны в области 360-390 нм, с фенолами - по убыли фенолов при соответствующей длине волны в области 320-395 нм в условиях значительного избытка ацилимидазолиевой соли. Реакции бензоилхлоридов с незамещенными производными ими-дазола проводили в условиях значительного избытка нуклеофила, скорость реакции регистрироваж по накоплению продуктов реакции при соответствующей длине волны в области 255-307 нм. При изучении реакции взаимодействия ацетилхлорида с П-метилимидазолом был использован метод "остановленной струи".
Реакцию регистрировали на скоростном спектрофотометре иСП-76" при 263 нм по накоплению 1-ацетил—3-метилимидазолий хлорида. Ввиду высокой чувствительности реакций І-ацил-3-алкил-имидазолий галогенидов к влаге все операции по взятию навесок, приготовлению растворов, а также заполнению кювет спектрофотометра проводили в тщательно высушенном Р05 и продудонл азотом где Т jу2 " полупериод реакции, а &оо» D 0, &t - оптические плотности растворов по завершении реакции, в начальный момент времени и в момент времени t соответственно. Пример типичного расчета значений Кн приведен в табл. 3.5. Расчет линййных зависимостей осуществляли по методу наименьших квадратов 69j Изучение каталитической активности Я-метилимидазола в реакции аминолиза алифатических галоидангидридов в хлористом метилене позволило впервые в случае протоинертных сред зарегистрировать образование промежуточного продукта нуклеофильного катализа - 1-ацетил-З-метилимидазолий хлорида и провести его прямое спектроскопическое и кинетическое исследование / i, 7Q-72JT. Однако, в силу высокой реакционной способности алифатических ацилгалогенидов и связанного с этим необратимого образования промежуточного продукта: в цитированных работах не удалось изучить второй важный аспект проблемы: реакцию образования этого продукта, которая в общем случае должна быть обратимым процессом. Галоидангидриды ароматических карбоновых кислот, как известно, характеризуются существенно более низкой реакционной способностью 1ЪJ. Это дает основание ожидать, что в реакции с такими субстратами первая стадия станет обратимой, но с еще достаточно высокой константой равновесия
Такой характер первой стадии открывает приниципиальную возможность не только кинетически исследовать этот процесс, но и получить информацию о строении его переходного состояния. Основанием для такого предположения служат данные работы /"І, 70_7, где на примере п-метоксибензоилхлорида методом ИК-спектроскопии в хлороформе был установлен равновесный характер образования S-бензоид-З-алкилимидазолий хлоридов. При увеличении концентрации азолов (Н-метилимидазол, Н-фенилимидазол, Н-бензил имидазол) по сравнению с концентрацией л-метоксибензоилхлорида уменьшается интенсивность высокочастотной составляющей дублета карбонильной полосы галоидангидрида (1743, 3773 см х) и растет интенсивность полосы в области близкой валентным колебаниям низкочастотной составляющей QQ, ЧТО было объяснено постепенным накоплением в системе 1-(п-метоксибензоил)-3-алкилшшдазо-лий хлоридов. Аналогичный характер изменения спектральной картины был обнаружен нами в хлористом метилене при взаимодействии других производных бензоилхлорида с Н-метилимидазолом lbji а также п метоксибензоилхлорида с Н-бензил-, Н-метоксиметил-, Н-винил-имидазолом и определены условия количественного образования 2-ароил-З-алкиливдазолий хлоридов. На рис 4 Л приведены спектры растворов бензоилхлорида и его смесей с N-метилишдазолом в хлористом метилене, откуда видно, что последовательное увеличение концентрации Н-метилимидазола приводит к закономерному уменьшению концентрации бензоилхлорида вплоть до его полного превращения в ї-бензоил-3-метидимидазолий хлорид (уменьшение пиковой интенсивности высокочастотной составляющей со ацилгало-генида и одновременный рост интенсивности в области 1740 см"" )« Условия количественного образования промежуточных продуктов для всех исследуемых производных бензоилхлорида оказались практически одинаковыми, что отвечает приблизительно 5-кратному избытку азола по сравнению с концентрацией бензоилхлорида (исходная концентрация бензоилхлорида 0,02 молвил "1). В полном соответствии с результатами ИК-спектроскопических исследований находятся и данные УФ-спектроскопии. На рис. 4.2. зафиксировано изменение УФ-спектра п-метокси
Влияшие структурных факторов на кинетику равновесного образования промежуточного продукта нуклео-фильного катализа
Используя методы, описанные в предыдущем разделе / 74,81_7, ж Ситуация, однако, может осложняться агрегацией ацилимидазолие-вых солей, особенно при высоких концентрациях, а также возможностью их диссоциации на ионы. Для исключения последнего фактора было проведено определение значений Кр в присутствии добавок тетраэтиламмоний хлорида (2-10-кратныи избыток). Совпадение полученных значений Кр с результатами опытов без добавок (рис.4.7) свидетельствует об отсутствии сколько-нибудь заметной диссоциации 1-(п-метоксибензоил)-3-метилимидазолий хлорида на ионы. нами были определены кинетические ( kj, K_j) и термодинамические (Кц) характеристики первой, равновесной стадии образования интермедиата ХШ (схема 4.Ї) при широком варьировании структуры ацилирующего агента (путем введения различных заместителей в бензоилхлорид) и катализаторов - Н-замещенных имидазолов. Полученные данные приведены в таблицах 4.2 и 4.3. Остановимся на обсуждении структурных аспектов стадии kj реакции (4.Ї). При анализе влияния структурных факторов на кинетические характеристики стадии kj (схема 4.Ї) нам представляется целесообразным исходить из установленного ранее 32.J факта, что реакционная способность имидазолов и анилинов в реакции с бензоил-хлоридом в бензоле подчиняется единой бренстедовской зависимости с ft = 1,0. Аналогичная картина была обнаружена для исследуемых в хлористом метилене и бензоле реакционных серий с участием п-метоксибензоилхлорида ( fi = 0,92 по данным табл. 4.2 и рис. 4.8) и бензоилбромида ( ft = 0,94, табл. 4.4).С позиции обсуждаемых в настоящем разделе вопросов принципиальное значение имеет тот факт, что и третичные амины, в частности Н-замещенные имида-золы, также подчиняются указанным зависимостям, расширяя при этом интервал рКа и реакционной способности до б порядков.
Таким образом, единой бренстедовской зависимости подчиняются как катализаторы, так и ацилируемые амины каталитической реакции (4.1), что позволяет нам привлечь для обсуждения механизма стадии k ,j данные по реакционной способности анилинов, широко освещенных в ряде работ / 83-87_7. Близкие единице значения коэффициентов Бренстеда fi (больше или меньше і в зависимости от реакционной способности бензоилхлоридов) свидетельствуют о развитии в переходном состоянии на реакционном центре аминов значительного положительного заряда и высокой степени образования связи С-Н. При этом характер образующейся связи не зависит от природы амина и степени замещения атома азота В то же время степень разрыва С-Х связи в бензоилгалоге-нидах сильно зависит от основности аминов. Об этом свидетельствует значительное изменение чувствительности реакции к природе уходящей группы X в бензоилгалогенидах при переходе от низкоос-новных анилинов к более основным имидазолам. Как видно из табл. 4.4 ) отношение Ъ Br/ Ь С1 закономерно уменьшается в ряду: п-нитроанилин (рКа 1,02) - 33, м-хлоранилин (рКа 3,98) - 90, анилин (рКа 4,58) - 73, п-анизидин (рКа 5,29) - 47, бензимида-зол (рКа 5,53) - 20, Н-метилимидазол (рКа 7,3) - 10. Из вышесказанного следует, что соотношение степени образования и разрыва связей и положение переходного состояния на координате реакции находится в зависимости от основности аминопроизводных. В случае низкоосновных ароматических аминов переходное состояние является з _продуктоподобным / 86_7«
Очевидно, переходное состояние реакции образования промежуточных продуктов в реакции (4.1) в силу более высокой основности катализаторов должно быть не только более ранним, чем в реакциях некаталитического бензоили-рования ариламинов, но и более "асимметричный" и сжатым, вследствие малой степени разрыва связи С-Х. «) Сопоставление значений к , измеренных в бензоле и хлористом метилене, правомочно, поскольку, как будет показано ниже, в низкополярных средах в узком интервале изменений величина kj не чувствительна к последним. В соответствии с приведенными выводами находятся данные по изучению влияния структуры бензоилхлорида. С этой целью наїси были исследованы реакции взаимодействия замещенных бензоил-хлоридов с бензимидазолом, имидазолом (табл. 4.5, рис.4.9) и Н-метилимидазолом (табл. 4.3, рис. 4.9). К сожалению, в случае последнего прямое спектроскопическое изучение оказалось возможным лишь для производных с электронодонорными заместителями (пример на рис. 4.7). Величины к для бензоилхлорида, п-Р-, п-СІ-, м-Р - его производных были рассчитаны из уравнения (4.20), полученного на основании экспериментальных данных. Вычисленная таким образом величина Xj для бензоилхлорида полностью соответствовала таковой рассчитанной из бренстедовской зависимости, приведенной в работе 8ZJ, что может свидетельствовать о корректности уравнения (4.20). Характер влияния заместителей R в молекуле субстрата RjCgH CQX на строение переходного состояния сказывается на соотношении порядков двух реагирующих связей: образующейся С-Н и разрывающейся С-Х, причем суммарное значение fi = р 0$ л -- р разр#- В табл. 4.6 приведены величины параметров j \ для замещенных бензоилхлоридов в реакциях с амикопроизводными различной основности. Для всех реакционных серий fi 0 и наблюдается закономерное возрастание этих величин с увеличением основности аминов, что свидетельствует о преобладании фактора связеобразования. Таким образом, постепенное увеличение реакционной способности системы за счет повышения основности ацилируемого амина
Похожие диссертации на Нуклеофильный катализ N-алкилимидазолами реакций ацильного переноса в неполных средах
