Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 8
1.1 Механизм реакции нитрования 8
1.2 Субстратная и позиционная селективность 12
1.3. Нитрование алкилбензолов в системе CF3COOH-H20 17
1.4 Современные методы исследования реакции нитрования...26
1.5 Квантовохимический анализ реакции нитрования 41
1.6 Применение нитросоединений (по изомерам) 43
Глава 2. Экспериментальная часть 46
2.1 Реактивы 46
2.2 Метод анализа и эксперимент 50
2.3 Квантово-химический метод расчета 55
Глава 3. Нитрование алкилбензолов в органических растворителях... 58
3.1 Нитрование алкилбензолов в полярных растворителях 59
3.2 Нитрование алкилбензолов в неполярных растворителях...63
3.3 Нитрование в бинарных смесях (полярный - неполярный) органических растворителей 64
3.3.1 Нитрование в системе Ac20 - CCLj 64
3.3.2 Конкурентное нитрование толуола и бензола в системе SOCl2 - CCL, 79
3.3.3 Нитрование в системе (СНз)280 - MeN02 80
3.3.4 Нитрование изопропилбензола в системе Ас20-СС14 81
3.3.5 Нитрованиел^-ксилола в бинарных растворителях..84
3.4 Тест мезитилен - дурол 90
Глава 4. Квантово-химическии анализ реакции нитрования алкилбензолов 97
4.1 Квантово-химическое исследование алкилбензолов 97
4.2 Расчет селективности реакции нитрования в ТФУК 101
4.3 Расчет изомерного состава реакции нитрования в ТФУК.Л 05
4.4 Расчет относительной реакционной способности пары мезитилен - дурол 106
Выводы 112
Список литературы
- Субстратная и позиционная селективность
- Метод анализа и эксперимент
- Нитрование в бинарных смесях (полярный - неполярный) органических растворителей
- Расчет селективности реакции нитрования в ТФУК
Введение к работе
Актуальность исследования: Решение многих вопросов химии требует всесторонних знаний о реакционной способности соединений, которая является одной из основ органической химии. В настоящее время взор химиков обращен к исследованию влияния растворителей на реакционную способности органических соединений, селективность, выход и скорость химических реакций [1].
Интенсивное изучение процесса нитрования различных соединений с помощью современных методов исследования, является актуальным. Применение таких методов, как газо-жидкостная хроматография, которая дает точные данные о составе компонентов, в сочетании с квантовохимическими расчетами позволяет открыть новые возможности предсказания свойств переходных состояний, селективности реакции, а также вероятного механизма протекания реакции в заданной среде.
Среди многочисленных реакций, протекающих в промышленных и научно - исследовательских лабораториях, особый интерес представляют реакции нитрования и реакции с участием нитросоединений ароматического ряда. Нитросоединения широко используются как для синтеза взрывчатых веществ, различных красителей [2, 3], так и в качестве полупродуктов для дальнейшего промышленного производства различных соединений [4, 5,6], к которым можно отнести фармацевтические препараты [7], высокомолекулярные термостойкие соединения [8] и многие другие. Исследование реакционной способности органических соединений (в частности, алкилбензолов) в реакции нитрования в среде растворителей (в том числе бинарных) позволяет объяснить течение реакций, диагностировать их возможные механизмы, выбрать оптимальные условия селективного синтеза различных нитросоединений. Использование растворителей позволяет внедрить методы «зеленой химии» в органический синтез.
Цель диссертационной работы:
Изучение закономерностей реакции нитрования алкилбензолов в среде
бинарных растворителей с целью диагностики вероятного механизма реак
ции, обнаружения условий целенаправленного синтеза изомерных нитроал-
килбензолов, определения влияния условий реакции на селективность реак
ции нитрования алкилбензолов в бинарных средах.
Поставленная цель требовала проведения следующих исследований:
Исследование субстратной и позиционной селективности реакции нитрования алкилбензолов в бинарных растворителях (полярный - неполярный компоненты) и в среде отдельных компонентов. Обнаружение и изучение влияния различных факторов реакции на изменения селективностей данной реакции;
Определение характера сольватации переходных состояний реакции на основе исследования влияния заместителей, изменения селективности при изменении состава растворителя и температуры,
Нахождение оптимальных условий селективного синтеза различных изомерных нитросоедйнений;
Установление вероятного механизма протекания реакции нитрования в органических растворителях на основании анализа соотношения субстратной и прозиционной селективностей и теста мезитилен/дурол;
Нахождение оптимальной модели ближней сольватации о-комплексов для рационального квантово-химического расчета состава продуктов (анализа позиционной селективности реакции) и определение энергетических характеристик субстратов и переходных состояний (а-комплексов как их моделей),
Сопоставление и согласование данных эксперимента и квантовоимическо-го расчета для выяснения вероятного механиза реакции.
Научная новизна работы;
Впервые проведено систематическое изучение селективности реакции нитрования алкилбензолов в бинарных органических растворителях в поли-
термических условиях. Обнаружены экстремальные зависимости селектив-ностей от температуры и состава бинарного растворителя и проведен анализ характера сольватации. Определены оптимальные условия селективного синтеза изомерных нитроалкилбензолов. Разработана сольватационная модель для квантово-химического исследования реакции нитрования и проведен расчет структур в приближении локализации относительно исходных соединений. На основании полученных экспериментальных данных и квантово-химического изучения предложен вероятный механизм реакции нитрования.
Научно-практическая значимость работы:
Исследована субстратная и позиционная селективность реакции нитрования алкилбензолов в органических растворителях и их бинарных смесях (полярный - неполярный), что позволило расширить возможную область селективного синтеза для получения необходимых изомерных нитропродуктов, имеющих синтетическое значение. Полученные экспериментальные и кван-тово-расчетные данные позволяют обосновать механизм реакции нитрования в разных средах. С помощью квантовохимического расчета исходных соединений и интермедиатов проведена оценка субстратной селективности реакции и на основании согласия с экспериментом предложен вероятный механизм реакции. Разработана модель ближнего окружения с-комплексов молекулами растворителя, что позволило приблизить расчетные данные к экспериментальным.
Положения, выносимые на защиту
Результаты определения субстратной и позиционной селективности реакции нитрования алкилбензолов в бинарных органических растворителях. Антибатное соотношение между субстратной и позиционной селективностью, соответствующее реализации в исследуемой реакции механизма од-ноэлектронного переноса (SET).
Изменения селективность реакции нитрования алкилбензолов при изменении заместителя, состава растворителя и температуры соответствуют
сольватационному контролю реакции. Наличие экстремумов позиционной селективности в области температур 35-40С.
Результат квантовохимического расчета позиционной селективности, который в основном согласуется с экспериментом.
Тест мезитилен/дурол как в эксперименте, так и в квантовохимичесом анализе, соответствующий реализации механизма SET.
Условия синтеза нитроалкилбензолов (на примере нитротолуолов) с высоким содержанием л*е/ш-изомера.
Апробация работы: Результаты проведенных исследований были представлены в виде устных и стендовых докладов на Международных и Региональных конференциях, семинарах: Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные методы и прикладные исследования в системе образования» (Тамбов, 2004, 2005); Международная конференция «Проблемы сольватации и образования комплексов в растворе» (Плес, 2004); конференция «Молодая наука в классическом университете» (Иваново, Ив-ГУ, 2004, 2005,2006,2007); V Региональная студенческая научная конференция «Фундаментальные науки - специалисту нового века» (Иваново, ИГХТУ, 2004); VIII и IX Школы - конференции молодых ученых по органической химии (Казань, 2005; Москва, 2006); III Школа - семинар «Квантовохимиче-ские расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул» (Иваново, 2005,2007).
Работа представлена на «III Ивановском инновационном салоне «Инновации России - 2006» (г. Иваново) и награждена почетной грамотой фонда И.М. Бортника за перспективную научно-техническую идею.
Работа выполнена в рамках программы «Развитие научного потенциала высшей школы» проект РНП 2.2.1.1.71.81.
Субстратная и позиционная селективность
Использование растворителей [37,38] открывает большие возможности для реакции электрофильного замещения в алкилбензолах, в том числе для управления субстратной и позиционной селективностью, а так же изменения механизма реакции. Известно, что перемещение молекул растворителя вблизи реакционного центра способно индуцировать процессы одноэлектронного переноса [39].
Здесь R - алкильный заместитель, Е+ - электрофил, для реакции нитрования -нитроний - катион [15,16], образующийся и реагирующий в соответствии со схемой (8). Автопротолиз НЫОз способствует образованию протонированной частицы H2N03+, распадающейся далее на воду и ион нитрония NC 2+ [16].
Субстратная и позиционная селективность этих реакций определяется электронными и стерическими эффектами заместителей [14, 15], а также нуклеофильной стабилизацией переходного состояния реакции (1), структурно подобного с-комплексу (9) [14]. При этом - в соответствии с концепцией Шуберта [40] - алкильные заместители, расположенные в пара-положении относительно реакционного центра, проявляют свои стерические эффекты, затрудняя нуклеофильную делокализацию дробного положительного заряда с атома углерода кольца, несущего заместитель, на растворитель. За счет дестабилизации переходного состояния относительно исходного увеличивается энергетический барьер реакции и падает ее скорость. Solv
Электрофильное замещение в алкилбензолах приводит к преимущественному образованию орто- и пара-изомеров при кинетическом контроле реакции [45,46,14,15]. Расчет изомерного состава продуктов [47], основанный на теории возмущений в сочетании с принципом полилинейности, основан на мультипараметрическом корреляционном анализе и не учитывает влияние среды. Количественный аспект ароматических взаимодействий на уровне соотношения строение - активность рассматривается в работе [48]. Описание парциальных факторов скоростей электрофильных реакций в полициклических углеводородах [49] проведено с использованием многопараметрической модели с учетом влияния среды через диэлектрическую проницаемость и вида субстрата и перенос заряда - через ионизационный потенциал. С позиций теории возмущений (МЧГЩП/2 и МЧПДП/3 в приближении изолированных молекул) описана позиционная и субстратная селективность реакций нитрования, бромирования, хлорирования и меркурирования RPh (R = Me, Et, ОМе, CN, CF3, NH2, NO2) [27,28,29].
Для описания позиционной селективности используются методы теории возмущений [50] и концепция ЖМКО Пирсона [51]. В частности, при исследовании электрофильного замещения в диангидриде бензолтетракарбоно-вой кислоты обнаружено [9], что сульфирование, нитрование и хлорирование этого субстрата контролируется зарядом, а бромирование - орбитально. Известна модель реакций электрофильного замещения, построенная на структурной аналогии с реакцией Дильса-Альдера [52], модифицированный подход к эффектам сольватации на основе принципа ПШІ [53] и описание электрофильного замещения методом моментов [54]. Обнаружены корреляции константы скорости (К) на сумму параметров, названных силой нуклеофила (N) и электрофила (Е) [55] в виде lgK=s(N+E).
Известно, что роль стерических эффектов заместителей увеличивается по мере приближения переходного состояния реакции к а-комплексу. Естественно, что наиболее ярко это выражено при орто-замещении. Большие по модулю и отрицательные по знаку величины энтропии активации реакции нитрования (до -40 э.е. [56]) согласуются с этим положением. Поэтому при сравнении субстратной и позиционной селективности реакций электрофильного замещения в алкилбензолах, где электронные эффекты довольно близки между собой (судя по величинам их а-констант [57, 45]), представляется вероятной преобладающая роль их стерических эффектов, особенно при использовании в качестве реакционной среды органических растворителей.
Метод анализа и эксперимент
В реактор, состоящий из двух колен и снабженный обратным холодильником (емкостью 15 мл) помещают: 1) 5 мл растворителя - по 2.5 мл в каждое колено; 2) 0.1 мл углеводорода - в одно колено; 3) 0.1 мл азотной кислоты (или другого реагента) - в другое колено.
В ходе эксперимента использовали как чистые растворители, так и их бинарные смеси в различных соотношениях. В качестве нитрующего реагента применялась 93.6 96.7% азотная кислота и раствор ацетилнитрата.
Заранее приготавливают серию (5-7 штук) центрифужных пробирок (емкостью 10 мл), в которые помещают 1 мл СС14 для экстракции нитропро-дуктов и 5 мл 5%-го раствора щелочи - для экстракции растворителя и нейтрализации кислоты.
Смесь термостатируют при необходимой температуре (20-г75С) 10-15 мин. Затем содержимое реактора перемешивают, фиксируют время и выдерживают в термостате. Каждую пробу для анализа отбирают отдельной пипеткой (V=l мл) и впрыскивают в слой CCU в подготовленных пробирках. Контроль за рН среды осуществляют универсальным индикатором до нейтральной или слабо щелочной реакции (рН= $-9).
Интервалы времени отбора проб составлял 20-30 мин в зависимости от условий проведения реакции. Для теста мезитилен/дурол 15-20 мин в зависимости от концентрации уксусной кислоты.
Условия анализа
Анализ проведен на хроматографе ЛХМ - 80М6. Газ - носитель водород - 30 мл/мин. Детектор ионизационно - пламенный. Колонка 1000x3 мм. Неподвижная жидкая фаза - полиметилсилоксан ХЕ-60, 5% на хезасорбе (0=0.2 - 0.35 мм.) N-AW HMDS. Скорость движения диаграммной ленты 600мм/час.
Температура в испарителе и термостате детектора 150С, в термостате колонок для нитротолуолов - 140; нитроэтил-, нитроизопропил-, нитропро-пил-, нитробутилбензолов, нитродурола и нитромезитилена - 150; нитрокси-лолов - 170С. Пробы 0.1 - 2.0 мкл. Чувствительность ИМТ - (50 -f 200)-10-10 А.
Идентификация хроматографических пиков проведена по чистым компонентам, соответствующие анализируемым смесям, в частности, по 4-нитротолуолу, нитробензолу и 2-нитроэтилбензолу. Для идентификации пиков в реакционных смесях тест мезитилен/дурол были получены нитромези-тилен и нитродурол путем прямого нитрования чистых углеводородов (мези-тилен, дурол).
Определение изомерного состава нитропродуктов нитрования Содержание каждого изомера определяется методом внутренней нормализации по формуле (2.5), где S,- площадь пика / - изомера; /- о-, м-, п -нитроуглеводороды.
Количественный выход нитропродуктов определяют методом ГЖХ с внутренним стандартом, в качестве которого применяли нитробензол (в неконкурентном варианте). Расчет проводили по формуле (2.6) где т х - масса нитропродуктов; К - поправочный коэффициент; х - обозначение определяемого вещества; т ст - масса нитробензола; Sx - сумма площадей пиков нитроуглеводородов; Scm - площадь пика нитробензола.
Mr - молекулярная масса анализируемого соединения (нитробензола или нитропродуктов); п - число атомов углерода, не связанных с гетероатомами. 2) Калибровкой пламенного детектора - ДИПа. Берется набор из 9 центрифужных пробирок. Взвешивают точные навески п-нитротолуола, затем добавляют растворитель (ССІД и небольшое количество нитробензола. При этом должно соблюдаться увеличение относительного количества добавляемого нитробензола. В таблице (см. Приложение) приведены эсперименталь пт ные данные, по которым строится график зависимости /
Для определения константы скорости нитрования толуола необходимо определить начальную скорость реакции Wo нитрования MePh, которую получают по уравнению (2.23), где она равна углу наклона прямой зависимости f(Cx) -т. Текущую концентрацию нитроалкилбензолов можно получить, используя уравнение (2.24).
Нитрование в бинарных смесях (полярный - неполярный) органических растворителей
Изомерный состав образующихся нитроалкилбензолов определяет позиционную селективность реакции, а реакционная способность относительно бензола - субстратную селективность. /Для одновременного определения се-лективностей проведено конкурентное нитрование пар алкилбензол-бензол. При конкурентном нитровании толуола и бензола в среде бинарного растворителя ССІ4:Ас20 установлено, что при проведении реакции в среде эквимо-лярных количеств компонентов бинарной системы изомерное распределение нитротолуолов практически не зависит от температуры (табл.3.5) и достаточно близко к наблюдаемому при обычном нитровании в среде серной кислоты (о=56.9%, м=3.2%, п=39.9%) [182]. Содержание мета-изомера достаточно мало (2-4%) и только при температурах порядка 75С превышает 10%, что также соответствует классическим данным [183].
Изменение состава бинарной среды до содержания АсгО всего 0.05 мольных доли весьма заметно увеличивает выход мета-изомера, особенно заметный при температурах выше 35С (табл.3.6). Содержание его может достигать 30% при 35С и далее хотя и уменьшается при увеличении температуры, однако может сохраняться на уровне 20-25%. Это согласуется с литературными данными, когда содержание мета-изомера при нитровании аце-тилнитратом в среде CCU достигает 52% [60]. Вероятно, в достаточно неполярной и низкоосновной среде (СС14 и система ССЦ-Ас20 при малых концентрациях Ас20) интермедиаты, подобные или о-комплексам или катионно-радикальным парам, подвергаются изомеризации до распада на продукты, что приводит к накоплению термодинамически более устойчивого мета-интермедиата. Для нитрования толуола ацетилнитратом подобная изомеризация считается вероятной [77].
Соотношение между субстратной и позиционной селективностью в основном антибатны, как и в предыдущем случае (рис.3.5). Симбатность между ними наблюдается только при 50С (как и при составе бинарной среды 50:50), а также при 20С, что достаточно неожиданно.
Необычным являются только значения парциальных факторов мета-замещения, которые при низких температурах (до 40С) не превосходят единицу.
Факт аномально низкой активности л е/яя-положений в толуоле при электрофильном замещении в среде органических растворителей наблюдался и ранее, так что данное явление представляет собой некоторую закономерность, вызванную низкой активностью толуола относительно бензола. Вполне вероятно, что наблюдаемые явления есть следствие реализации в исследуемой реакции не классического механизма электрофильного замещения, а механизма одноэлектронного переноса (SET), На это указывает антибатная зависимость между позиционной селективностью, выражаемой величиной lg2n/o и субстратной селективностью (lg Kt/Kb), наблюдаемая практически всегда (рис.3.4., табл. 3.5). Формально такая картина свидетельствует о нарушении соотношения между активностью и селективностью.
При реализации классического механизма SE2AT между селективно-стями должна наблюдаться симбатная зависимость в соответствии с соотношением между активностью реагента и селективностью его. Обе эти селективности уменьшаются при увеличении активности реагента, поскольку и субстратная, и позиционная селективность определяются одной стадией - образования а-комплекса.
В случае реализации SET-механизма за субстратную селективность ответственна стадия образования структуры, близкой к комплексу с переносом заряда, в то время как за позиционную - относительная устойчивость ин-термедиатов (о-комплексов) или близких к ним структур, соответствующих переходным состояниям (ПС). Таким образом, в SET-механизме за эти селективности ответственны разные стадии процесса, что позволяет формально нарушить указанное соотношение между активностью и селективностью.
Расчет селективности реакции нитрования в ТФУК
Противоположный характер зависимостей в координатах рис. 4.3 соответствует инверсии реакционной способности (см. обзор литературы, рис. 1.3.1) и согласуется с предположением о вероятном орбитальном контроле реакции [187].
Тенденции изменения зависимости экспериментальной константы скорости от стерического эффекта алкильных заместителей противоположны по виду зависимости логарифма константы скорости от разности энергий ВЗМО субстрата (MePh, EtPh, n-PrPh, n-BuPh, i-PrPh) и НСМО реагента (Шз4) (рис.4.3), определенных квантово-химически (табл.4.5) для одинаковых составов среды. Энергии исходных соединений (RPh и NC 2+) и интермедиатов - о комплексов - определены (табл. 4.6) квантовохимическим расчетом (AMI) в предположении, что в 95% ТФУК они сольватированы двумя молекулами ТФУК, в 93%-ной - одной молекулой ТФУК и одной молекулой воды, и в 90%-ной - двумя молекулами воды. Рассчитанные полуэмпирическим методом (AMI) интермедиаты (табл.4.6) реакции нитрования с учетом влияния растворителя позволяют оценить изомерный состав нитроалкилбензолов (табл.4.7).
Учет наличия молекул среды, взаимодействующей с алкилбензолами, в реакции нитрования азотной кислотой в среде ТФУК-НгО, позволил согласовать расчетную и экспериментально наблюдаемую картину изомерного распределения, что свидетельствует о правильности выбранной модели сольватации о-комплексов.
Для достижения минимума использован градиентный метод до RMS 0.01 ккал/моль А. После достижения требуемого градиента проводился расчет колебательного спектра для проверки наличия отрицательной частоты (признак седловой точки). Расчетные данные (энергии мезитилена, дурола и их а - комплексов) приведены в табл. 4.10.
Учет сольватной оболочки в виде двух молекул растворителя, как показывают данные табл. 4.8, дает хорошее согласие с экспериментом. В реакции нитрования мезитилен менее активен, чем дурол, что соответствует реализации механизма одноэлектронного переноса. Только в случае сольватации а-комплекса двумя молекулами воды более вероятен классический механизм SE2AT.
Таким образом, выбранная модель сольватации согласуется с экспериментальными данными. Кроме того, этот результат согласуется с расчетом изомерного состава нитротолуолов при нитровании толуола, основанном на аналогичной модели.
Переход от полуэмпирического метода AMI к ab initio/3-21G /MP2 (табл. 4.11), как ни странно, не улучшает ситуацию, несмотря на использование метода теории возмущений Меллера-Плессета второго порядка. Вероятно, сам базис недостаточен для точного описания о-комплексов, поэтому метод МР2 дает недостаточно точное предсказание относительной реакционной способности пары мезитилен/дурол. Этот вопрос требует специального анализа и перехода к большому базису (6-311G ) и использованию метода DFT.
1. Впервые систематически исследована субстратная и позиционная селективность алкилбензолов в реакции нитрования различными нитрующими реагентами в органических растворителях (АсгО, СС14, SOCb) и их бинарных смесях (полярный - неполярный компоненты), что позволило расширить область селективного синтеза нитросоединений.
2. Впервые обнаружены экстремальные зависимости позиционной селективности от температуры и состава растворителя (Ас20:ССІ4, SOCbrCCLj), указывающие на сольватационный характер контроля ориентации электрофила и неравновесный характер сольватации переходного состояния в области малых мольных концентраций полярного компонента бинарного растворителя.
3. Предложена модель ближней сольватной оболочки а-комплекса с двумя молекулами растворителя для квантово-химического расчета позиционной селективности реакции нитрования алкилбензолов. Расчетные величины изомерного состава продуктов нитрования согласуются с экспериментально наблюдаемыми.
4. Экспериментальные данные по антибатному соотношению между субстратной и позиционной селективностью, а также относительная реакционная способность пары мезитилен-дурол позволяют предположить реализацию SET-механизма реакции нитрования в бинарных средах органических растворителей. Это предположение согласуется с данными квантово-химического расчета на уровнях AMI и DFT.
5. Определены оптимальные условия селективного синтеза для получения л етя-нитропродуктов, имеющие потенциально синтетическое значение. Например, при Т=35С в среде бинарного растворителя ССІ4:Ас2О=0.95:0.05 был обнаружен максимальный выход (57%) м-нитротолуола.
