Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные представления о механизмах ацильного переноса с участием производных карбоновых кислот (литературный обзор) 18
1.1. Механизмы некаталитических реакций 18
1.1.1. Ацилирование галогенангидридами 24
1.1.2. Ацилирование ангидридами 36
1.1.3. Ацилирование сложными эфирами 37
Ї.1.3.1. Реакции в водной среде 37
1.1.3.2. Реакции в неводных (апротонных) средах 40
1.2. Кислотно-основный катализ 48
1.2.1. Кислотно-основный катализ в воде 50
1.2.2. Основный катализ в апротонных средах . 54
1.3. Бифункциональный катализ 66
1.3.1. Общие вопросы 66
1.3.2. Типы бифункциональных катализаторов . 68
1.3.2.1. Таутомерные катализаторы 68
1.3.2.2. Ковалентные бифункциональные катализаторы 70
1.3.2.3. Сольватационные бифункциональные кализаторы 74
1.4. Нуклеофильный катализ 76
1;4.1. Общие представления 76
1.4.2. Границы существования основного и нуклеофильного катализа в протоинертной среде. Проблема идентификации механизмов катализа 82
Глава 2. Влияние среды на скорость химических реакций (литературный обзор) 99
Глава 3. Общие вопросы кинетики некаталитических и катали тических реакций аминолиза производных карбоновых кислот 101
3.1. Реакции галогенангидридов карбоновых кислот и их тиоаналогов 101
3.I.I. Некаталитические процессы 101
З.Ї.2. Катализ карбоновими кислотами 110
3.1.3. Катализ пиридином реакции бензоилхлорида с N-алкиланилинами 115
3.2. Реакции ангидридов и тиоангидридов карбоновых кис лот с ариламинами в апротонных (протоинертных) растворителях П5
3.2.1. Некаталитические реакции ангидридов карбоновых кислот с ариламинами 115
3.2.2. Некаталитические реакции тиоангидридов карбоновых кислот 119
3.2.3. Некаталитическая реакция уксусного ангидрида с имидазолом и бензимидазолом 122
3.2.4. Катализируемые карбоновими кислотами реакции ангидридов и тиоангидридов карбоновых кислот 131
3.3. Реакции сложных эфиров и их тиоаналогов с аминами 142
3.3Л. Реакции с участием ароматических и алкиларо- матических аминов в отсутствие добавок ка- лизаторов 144
3.3.1.1. Реакции 2,4-динитрофенилацетата с анилином и его N-алкилпроизводными 144
3.3.1.2. Реакции замещенных фенилтиоацетатов с ариламинами 152
3.3.1.3. Реакции эфиров и тиоэфиров с алифа тическими аминами 152
3.3.2. Катализ карбоновими кислотами реакций эфи-
ров и тиоэфиров карбоновых кислот с аминами 157
3.3.2.1. Реакции с алифатическими аминами . 161
3.3.2.2. Реакции с ароматическими аминами . 165
3.3.3. Катализ пиразолом и имидазолом реакции пептидообразования в бензоле 165
Глава 4. Механизм некаталитических реакций переноса ацильных групп в протоинертных средах 181
4.1. Реакции галогенангидридов карбоновых кислот и их тиоаналогов 181
4.2. Реакции ангидридов карбоновых кислот и их тиоаналогов 185
4.2.1. Реакции ангидридов 185
4.2.2. Реакции тиоангидридов 201
4.3. Реакции сложных эфиров и тиоэфиров 206
4.4. Заключение 228
Глава 5. Таутомерный бифункциональный катализ 233
5.1. Бифункциональный катализ в реакциях ацильного переноса с участием галогенангидридов, ангидридов, эфиров карбоновых кислот и их тиоаналогов 233
5.1.1. Влияние структуры бифункциональных катали заторов на их активность . 233
5.1.1.1. Доказательство бифункциональной природы катализа 233
5.1.1.2. Зависимость активности бифункциональных катализаторов от их способности
к образованию водородных связей 237
5.1.1.3. Влияние заместителей в бифункциональ ных таутомерных катализаторах на их активность 240
5.1.2. Влияние природы реагентов на активность бифункциональных катализаторов 243
5.1.2.1. Влияние природы уходящей группы 243
5.І.2.2.Эффект элемента серы в ацилирующем агенте 250
5.1.2.3. Влияние природы нуклеофильного реагента 252
5.Ї.2.4. Влияние заместителей в реагентах 254
5.1.3. Влияние среды на активность бифункциональных катализаторов 260
5.1.4. Энергетические параметры при бифункциональном катализе 267
5.Ї.5. Кинетический изотопный эффект дейтерия 276
5.Ї.6. Общий механизм бифункционального катализа карбоновыми кислотами в реакциях ацильного переноса в протоинертной среде 278
5.2. Условия проявления бифункщональной каталитической активности. Требования к структуре реагентов
и бифункциональных катализаторов 279
Глава 6. Металлоорганический катализ соединениями олова и свинца в реакциях ацильного переноса 298
6.1. Общие вопросы кинетики реакции пептидообразова-ния и аминолиза эфиров в присутствии производных олова и свинца 299
6.2. Влияние концентраций и структуры катализаторов на скорость каталитических реакций 304
6.3. Влияние концентрации аминокомпонента на скорость каталитических реакций 315
6.4. Процессы комплексообразования в системе катализатор - амин - эфир 318
6.4.1. Изучение комплексообразования методом ПМР 320
6.4.1.1. Определение константы образования комплекса дибензоатдибутилолово -бензиламин состава 1:1 320
6.4.1.2. Изучение ассоциации соединений олова с эфирами 324
6.4.1.3. Изучение комплексообразования в системе бензиламин - дибензоатдибутил
олово - этилацетат 325
6.4.2. Изучение комплексообразования методом криоскопического титрования 327
6.5. Механизм катализа металлоорганическими соединениями 327
Глава 7. Катализ основаниями в реакции ацильного переноса
по данным аминолиза сложных эфиров в протоинертной среде 343
7.1. Факторы, определяющие каталитическую активность оснований при основном катализе 343
7ЛЛ. Роль водородных связей в механизме основ ного катализа 343
7Л.2. Роль переноса протона и других факторов, влияющих на эффективность катализа 351
7.2. Идентификация основного и нуклеофильного меха низмов катализа 357
7.3. Заключение 378
Глава 8. Экспериментальная часть 385
8.1. Подготовка веществ для исследований 385
8.2. Методики кинетических измерений 385
8.3. Методика измерения дейтериевого кинетического изотопного эффекта . 390
8.4. Методики выделения продуктов процесса дипептидо-образования (3.62) в сложных каталитических системах 393
8.5. Физические исследования 394
8.6. Математическая обработка результатов 395
Глава 9. Практическая значимость результатов научных исследований 397
Выводы 402
Литература
- Реакции в неводных (апротонных) средах
- Катализ пиридином реакции бензоилхлорида с N-алкиланилинами
- Доказательство бифункциональной природы катализа
- Влияние концентраций и структуры катализаторов на скорость каталитических реакций
Введение к работе
Настоящая работа посвящена изучению общих основ механизма действия органических катализаторов. Рассмотрены катализаторы следующих типов: бифункциональные (карбоновые кислоты и азолы), металлоорганические (соединения свинца и олова), основные или нуклеофильные (первичные, вторичные и третичные амины, гетероциклические азотистые основания, кислородные основания). Модельной реакцией служил ацильный перенос с участием таких субстратов как галогенангидриды, ангидриды и сложные эфиры карбо-новых кислот, а также тиоаналоги указанных соединений в различных растворителях. Параллельно исследованы механизмы соответствующих некаталитических реакций. В качестве нуклеофильных реагентов, на которые переносятся ацильные группы, использованы различные первичные и вторичные амины: ароматические, алифатические и алкилароматические, а также некоторые азолы.
Исследования проводились главным образом в таких растворителях, в которых подавляющую роль играет неспецифическая сольватация: гексан, циклогексан, четыреххлористый углерод и другие галогенпроизводные предельных углеводородов, хлорбензол, нитробензол. Кроме указанных неспецифических растворителей применялись и некоторые специфические: ацетонитрил, бензонит-рил, диоксан, в том числе и слабо специфический бензол.
В качестве основных путей достижения поставленных целей исследования применены: а) кинетические измерения, б) оценка полярности переходных состояний посредством количественного изучения влияния природы среды на скорость некаталитических и каталитических реакций, в) выявление зависимости эффективности катализа от свойств среды, г) измерение дейтериевых кинетических изотопных эффектов, д) изучение влияния на скорость процесса замены атома кислорода в ацилирующем агенте и катализаторе атомом серы (эффект элемента серы). Помимо химических методов анализа и исследования в работе применялись также и физические методы: УШ, ИК и ЯМР.
Актуальность рассматриваемых в работе проблем. Огромные успехи синтетической органической химии во многом обусловлены применением каталитических методов, особенно в промышленном синтезе. Однако используемые химиками-органиками катализаторы намного уступают по своей эффективности и избирательности действия ферментам, которые живая природа использует для регуляции химических процессов в организмах животных и растений. Обладая исключительными каталитическими свойствами, ферменты имеют также и существенные недостатки с точки зрения химической технологии -сложность структуры, чрезвычайно высокую нестабильность и вытекающие из этих свойств трудности применения их в широком масштабе в химическом производстве.
Задача науки о катализе как раз и заключается в том, чтобы создать каталитические системы, которые, будучи сравнительно простыми в эксплуатации благодаря их несложной структуре и доступности, приближались бы по своим каталитическим свойствам к природным катализаторам. Вот как сформулировал эту задачу лауреат Нобелевской премии Д.Бартон Д/: "Нам предстоит еще создать молекулы, которые могли бы имитировать действие энзимов. В целом, проблема состоит в том, научимся ли мы когда-нибудь синтезировать относительно маленькие молекулы, которые имели бы такую же активность, как ферменты".
По мнению Д.Бартона, одной из основных, фундаментальных проблем в органической химии является исследование механизма синтеза с участием ферментов. Несомненно, такое же значение имеет и изучение механизмов действия простых органических катали - II заторов. Без знания законов, которые управляют катализом в зависимости от сложности структуры катализатора в широком диапазоне, начиная от простейших типа уксусной кислоты или пиридина и кончая ферментами, невозможно решить указанную выше задачу.
Исходя из сказанного выше, предпринятые в настоящей работе систематические исследования влияния структуры реагентов и катализаторов (в особенности для наиболее интересного в теоретическом отношении бифункционального типа) с целью выявления наиболее эффективных каталитических систем являются необходимыми и актуальными. Проблемы бифункционального катализа сравнительно простыми молекулами в настоящее время все более тесно связываются с проблемами полифункционального катализа сложными веществами (полимерный катализ, мицеллярный катализ, ферментативный катализ). Естественно полагать, что все катализаторы подобного рода объединены определенными общими свойствами, выяснение которых на примере простых систем позволяет понимать закономерности, проявляющиеся в более сложных системах. Иными словами, низкомолекулярный бифункциональный катализатор можно в определенной мере рассматривать в качестве простейшей модели фермента, что неоднократно отмечалось в литературе (см., например,/2-5/). При этом, как уже указывалось, особый интерес представляет исследование влияния усложнения структуры полифункционального катализатора (например, изменение геометрии и увеличение числа групп, участвующих в катализе, возрастание количества структурных фрагментов в остове, к которому прикреплены эти группы) на те изменения механизма катализа, которые при этом возникают.
Открытие явления бифункционального катализа, познание его природы, расширение области применения, количественная обработка результатов представляется нам одним из самых важных событий второй половины XX века в теории гомогенного катализа. Автор надеется, что и его работа вносит определенный вклад в решение этой проблемы.
В данное время для объяснения некоторых аспектов ферментативного катализа используется гипотеза /67, согласно которой гидрофобные участки фермента создают вокруг каталитических групп в его активном центре неполярную неводную среду, обеспечивающую самые благоприятные условия для осуществления каталитического действия этих групп. По этой причине исследования влияния природы среды на эффективность катализа веществами бифункциональной и основной природы имеет важный теоретический аспект. Кроме того, они дают возможность подбирать оптимальную среду для проведения реакций в каталитических условиях, что имеет уже практическое значение.
С каждым годом возрастает интерес химиков к катализу ме-таллоорганическими соединениями в различных органических реакциях, так как именно здесь, по-видимому, кроются практически неограниченные возможности для поиска новых эффективных каталитических систем /77. С этой точки зрения является актуальным изучение механизма катализа металлоорганическими соединениями свинца и олова, проведенное в настоящей работе. Кроме того, исследований механизмов такого катализа в неводных растворителях пока еще очень мало, а роль среды здесь практически не изучена, так что и с этой стороны отмеченные исследования должны представлять для химиков значительный интерес.
Цель работы. Целью настоящей работы является установление механизмов бифункционального, основного (нуклеофильного) и ме-таллоорганического катализа в реакциях ацильного переноса и исследование влияния природы среды и структуры реагентов на указанные каталитические процессы. Эти исследования необходимы для дальнейшего целенаправленного поиска наиболее эффек - ІЗ -тивных каталитических систем и подбора оптимальных условий для проявления их каталитической активности. Поскольку для понимания химизма катализа необходимо знание механизма некаталитических реакций, в работе также исследованы и соответствующие некаталитические реакционные серии.
Научная новизна работы. Впервые детально и широко изучено влияние структуры реагентов и катализаторов на механизмы некаталитических и каталитических процессов ацильного переноса с участием ацилирующих агентов типа В - С , где Z - 0 или S , X - уходящая группа различной природы. Причем, осуществлено последовательное изучение воздействия всевозможных структурных изменений не только в ацилирующем агенте, но и в нуклеофильном реагенте НУ, а также в нуклеофильно-основном катализаторе В и бифункциональном катализаторе HL-Q = M, где L и М - атомы 0,S и К, Q -обычно атом углерода (но могут быть также S, Р и др.) или группа атомов углерода, входящих в цепочку связей в молекуле катализатора.
Всесторонне изучен механизм бифункционального катализа карбоновими кислотами на примере реакций аминолиза галогенангидри-дов, ангидридов и сложных эфиров карбоновых кислот, исследовано влияние природы среды, геометрии ацилируемых аминов, структуры ацилирующих агентов, замены атомов кислорода в карбоновой кислоте атомами серы на эффективность бифункционального катализа.
Изучено влияние структуры реагентов и катализаторов на скорость пептидообразования и аминолиза сложных эфиров, катализируемых олово- и свинецорганическими катализаторами. Методом ЯМР впервые на примере модельных систем показано, что ацилируемый амин, ацилирующий сложный эфир и металлоорганический катализатор образуют тройной ассоциат, который, судя по кинетическим данным, предшествует переходному состоянию каталитического процесса.
Отличительной стороной настоящего исследования является то обстоятельство, что главные результаты получены не на основе какой-то узкой серии реакций или специально подобранной модели, а на примере широко используемых в химической практике и промышленности процессов.
Практическая ценность работы. В настоящей работе с единых общих позиций поставлен и" всесторонне исследован вопрос о специфике протекания каталитических реакций основного и особенно бифункционального типов в неводных средах. Данная диссертация в той ее части, где показано, что каталитическая активность бифункциональных и основных катализаторов в неводных средах в реакциях переноса ацильных групп определяется в первую очередь способностью катализаторов и реагентов к образованию водородных связей, имеет, на наш взгляд,глубокое значение, ибо вытекающие из нее выводы приложимы к очень большому количеству органических реакций и, несомненно, будут использованы не только специалистами-теоретиками, но и химиками, работающими в прикладных областях, например, в органическом синтезе. Данная работа во многом проясняет различие каталитических реакций в воде и неводных средах. Важным результатом является также экспериментальное доказательство образования тройных ассоциатов, предшествующих переходным состояниям бимолекулярных реакций ацильного переноса, катализируемых металлоорганическими соединениями.
В диссертации систематически на уровне последних достижений проанализирован вопрос о роли циклических переходных состояний в каталитических реакциях. Проведена научная систематизация бифункциональных катализаторов.
Выполненные в диссертации исследования механизмов бифункционального, основного (нуклеофильного) и металлоорганического катализа являются,по нашему мнению, шагом вперед в учении о ме - 15 -ханизмах действия органических катализаторов. На основании полученных нами и другими исследователями данных сформулированы структурные требования к бифункциональным катализаторам, позволяющие вести целенаправленный поиск новых эффективных катализаторов, т.е. решать упомянутую Бартоном проблему создания сравнительно простых молекул, которые бы по своей активности приближались к ферментам. Представленные в диссертации сведения до некоторой степени восполняют недостающие знания в той промежуточной области, которая располагается между знаниями о механизмах действия сравнительно простых неорганических катализаторов (металлов, их оксидов, солей и т.п.) и таких сложных систем, как ферменты. Указанные сведения имеют значение не только с практической точки зрения в целях поиска новых катализаторов, но также и для понимания механизмов ферментативного катализа.
В данной работе широко исследовано влияние полярности и специфической природы растворителя на некаталитические и каталитические процессы. С одной стороны, эти исследования служат инструментом для оценки полярности, а следовательно, и структуры переходных состояний, а с другой - позволяют подбирать оптимальные условия для проявления высокой активности катализаторов.
Таким образом, настоящая диссертация является теоретическим обобщением обширного материала по механизмам двух важнейших типов катализа - бифункционального и основного (нуклеофильного), позволяющим определить направления дальнейшего поиска новых эффективных катализаторов. Кроме того, дальнейшие работы по определению роли водородных связей в процессах комплексообразования и в каталитических реакциях в неполярных неводных растворителях помогут решить проблему нуклеофильности и основности органических оснований в этих средах, суть которой заключается в поисках достаточно универсальных параметров, характеризующих нуклеофиль-ность и основность в таких условиях.
Результаты настоящей работы служили основой при написании трех монографий автора в сотрудничестве с Л.М.Литвиненко: /8/, "Механизмы действия органических катализаторов. Основный и нукле-офильный катализ" (Киев, Наукова думка, 20 п.л., сдана в печать, план издания 1984 г.) и "Органические катализаторы. Бифункциональный и металлоорганический катализ" (готовится к изданию , план издания 1986 г., 25 п.л.). Материалы монографии /8/, как и диссертации в целом, используются в спецкурсах, читаемых на кафедре органической химии Донецкого государственного университета. Наши исследования цитируются в зарубежной ( 60 раз ) и отечественной ( 80 раз ) литературе. В приложении приведен список работ, в которых даны ссылки на наши исследования.
Структура диссертации. Диссертация содержит девять глав. Первые две посвящены обзору литературы. При обсуждении литературных данных оригинальный материал нами критически переработан, причем в ряде случаев высказаны точки зрения, не совпадающие со взглядами авторов работ. В частности, нами предложена новая классификация растворителей /В/, проведена классификация бифункциональных катализаторов, высказаны новые взгляды на механизм нук-леофильного катализа в тех случаях, когда образование промежуточных ацилониевых солей экспериментально не доказано. Преимущественно на основе литературных данных разработан упомянутый выше кинетический метод идентификации нуклеофильного и основного механизмов катализа в таких условиях.
В третьей главе приведены кинетические уравнения и описаны закономерности, которые были обнаружены при исследовании и использованы для обработки экспериментальных результатов. В четвер - 17 -той главе обсуждены данные по некаталитическим реакциям амино лиза галогенангидридов, ангидридов и сложных эфиров карбонових кислот. Пятая, шестая и седьмая главы посвящены механизмам бифункционального, металлоорганического и основного катализа. Восьмая глава содержит описание методик кинетических измерений и физических исследований. В девятой главе дана оценка практической значимости результатов изложенных в диссертации исследований.
Для четкого разграничения наших собственных результатов и литературных данных в главах, описывающих нашу работу, ссылки на наши публикации приведены в названиях соответствующих подразделов, тогда как ссылки на используемые при обсуждении литературные источники даны в тексте.
На защиту выносится:
1. Кинетические закономерности действия бифункциональных, металлоорганических и основных катализаторов в реакциях ацильно-го переноса с участием галогенангидридов, ангидридов и сложных эфиров карбонових кислот в неводных средах и представления о механизмах их протекания.
2. Количественные зависимости, описывающие влияние структуры реагентов, катализаторов и свойств среды на скорость каталитических процессов и сформулированные на этой основе требования, необходимые для проявления оптимальной каталитической активности.
3. Тесты для идентификации основного и нуклеофильного типов катализа в неполярных растворителях в условиях стационарной кинетики.
Реакции в неводных (апротонных) средах
Понижение способности растворителей к специфической сольватации при переходе от протолитических сред к непротолитическим прото-активным, а тем более к протоинертным, приводит к существенному возрастанию роли ассоциации и самоассоциации непосредственно между участниками реакции (исходные реагенты, промежуточные продукты, конечные вещества). По той же причине спонтанный катализ, т.е. катализ реагентами, и автокатализ, т.е. катализ промежуточными и конечными продуктами, в случае проведения процесса в некаталитических условиях (без предварительного введения катализатора) здесь встречается значительно чаще, чем в воде и других протолитических растворителях.
Термин протоинертный растворитель, введенный в научный обиход нами /8, с.ВД/, означает, что растворитель не только не присоединяет (не отдает) протон, но и не образует с протонодо-нором (протоноакцептором) сколько-нибудь прочных водородных связей В противоположность ему протоактивный растворитель способен либо присоединять или отдавать протон, либо хотя бы образовывать водородные связи.
Все сказанное выше приводит к тому, что при переходе от водных растворов к протоинертным средам в реакциях ацилирова-ния сложными эфирами кинетическая картина усложняется /83-85/. При аминолизе здесь обычно реакция протекает по двум параллельным потокам, один из которых представляет собою обычное некаталитическое ацилирование, другой - спонтанный катализ второй молекулой амина /83-94/. Известны примеры того, когда некаталитический поток практически не наблюдается /83,84,86, 87/, ибо он полностью подавлен спонтанно-каталитическим потоком. В качестве катализатора могут выступать таїмке молекулы эфира и продуктов реакций /89,91,95/. Некаталитический и каталитические потоки неотделимы друг от друга и тесно переплетаются. Поэтому понять механизмы обоих процессов можно только в их сравнении. По указанной причине в данном подразделе рассматриваются одновременно некаталитический и спонтанно каталитические процессы.
К сожалению, имеется очень мало систематических исследований реакций аминолиза и алкоголиза сложных эфиров в протои-нертных средах. Большей частью такие исследования отрывочны, и по ним трудно составить общую картину. Наиболее подробно изучено влияние структуры уходящей группы и ацильной части в эфире при его аминолизе. Менжер с сотр. /93,94/ охарактеризовали влияние п-заместителей в уходящей группе и ацильной части фенилацетатов и фенилбензоатов на скорость их некаталитической ( kQ) и спонтанно катализируемой второй молекулой амина (к$ ) реакции с пирролидином в ацетонитриле и хлорбензоле. Рядом авторов исследовано /83,88/ влияние структуры радикала Я ацильной части RC0X на реакцию фениловых эфиров, являющихся производными алифатических карбонових кислот, с различными аминами в диоксане. Константы скорости реакций эфиров, содержащих заместители в фенильном ядре уходящей группы, описываются уравнением Гаммета влияние же структуры ацильной части подчиняется уравнению Тафта
Величины 6 и характеризуют электронное влияние заместителей соответственно в фенильном ядре и в ацильной группе. Первая из них оценивает суммарно эффекты сопряжения и индуктивный лишь в ароматическом ядре, а вторая - один индуктивный в алифатической системе; Е$ - константы, характеризующие стерическое влияние заместителей. Величины j) ,Р и - постоянные реакционных серий, характеризующие их чувствительность к влиянию соответствующих свойств заместителей. Величины кц , Кн и /( соответствуют константам скорости соединений с пере-меным заместителем R и стандартными -Ни СНд. Результаты перечисленных исследований сведены в табл. Ї.4 - 1.6.
Как видно из табл. 1.4, влияние заместителей в уходящей группе фениловых эфиров на их реакционную способность в некаталитической реакции аминолиза в ацетонитриле характеризуется исключительно высокой величиной Р0гх)( б). Это свидетельствует о том, что заряд (электронная плотность) на атоме кислорода уходящей группы весьма велик, а связь С-ОАг сильно разрыхлена. Последнее исключает /93,94/ механизм, лимитирующей стадией которого является атака амина на карбонильный углерод без существенного разрушения эфирной связи С-ОАг, т.е. стадия с kt при образовании ТПП типа Т на схеме (I.I).
Катализ пиридином реакции бензоилхлорида с N-алкиланилинами
Реакции ангидридов карбоновых кислот с ариламинами в протоинертных средах протекают количественно и необратимо в соответствии с уравнением (РС0)20 + АгйВД ЩЛЮАг + RC00H , (3.20) где R - Н или Alk. Последнее подтверждается практически количественным выделением образующихся по реакции амидов карбоновых кислот /256/. Эти реакции в апротонных средах являются автокаталитическими, так как образующаяся по реакции карбоновая кислота проявляет каталитические свойства. Добавки же амидов карбоновых кислот исследуемые реакции не ускоряют /256/. Общая скорость реакции в отсутствие добавок кислоты описывается уравнением:
Справедливость уравнений (3.20) и (3.21) обусловлена тем обстоятельством, что взаимодействие образующейся по реакции карбоновой кислоты с ариламином обычно ограничивается лишь образованием /272,273/ молекулярного ассоциата (а не ионной соли, образующейся обычно для сильных кислот) за счет Н-связей, который обладает примерно такой же реакционной способностью, что и свободный амин /274/.
Ранее /275,276/ величины #0 удавалось лишь грубо оценить из опытов с добавками кислот. Предложенный нами интегральный метод обработки экспериментальных данных для автокаталитических опытов (без добавок кислот) позволяет достаточно точно вычислять значения и ( и К . В основе наших рассуждений лежит тот факт, что, например, в разбавленных бензольных растворах уксусная кислота дает с анилином молекулярное соединений (Н-ассоциат) /273_/. Отсюда следует, что при сравнительно невысоких концентрациях выделяющаяся по ходу реакции карбоновая кислота в условиях автокаталитической реакции не будет иметь склонности к димеризации. Следовательно, при избытке амина по сравнению с кислотой (т.е. при (&- х) х, что справедливо до 50% выхода реакции) карбоновая кислота находится в основном в мономерной форме или в виде Н-ассо-циата с одной молекулой кислоты в нем, и, значит, ы 1, В этом случае зависимость (3.21) можно при условии, что а=&, представить в следующем виде:
Уравнение (3.23) громоздко, и с его помощью практически невозможно вычислить k0 и кт . Для этой цели вполне приемлемым оказался приближенный интегральный метод, предложенный ранее /261,277/. Суть его заключается в следующем. Проинтегрировав левую и правую части (3.22) и разделив их на t , получим:
Величина - -JxcLt, определяемая методами численного интег-рирования /277_/, линейно связана с левой частью (3.24), на основании чего можно вычислить к0 и кт Как видно из примеров на рис. 3.9, зависимости типа (3.24) действительно имеют место, что подтверждает правильность нашего предположения об отсутствии ди-мерной формы кислоты в условиях реакции. Если же при больших концентрациях реагентов вследствие частичной димеризации кислоты линейная зависимость не выполняется, то ее можно представить в виде ряда К = о + + 2 2 + V 3+--- t (З-25) где 2 = --/ xcit, a tpKfj). Обычно ряд обрывался на куби-ческом члене, так как значения членов с более высокой степенью находятся за пределами экспериментальных ошибок.
Как видно из примеров, приведенных в табл. 3.7, изменение концентрации реагентов практически мало влияет на величины k0 и км , что свидетельствует о правильности как схемы (3.20), так и вытекающих из нее уравнений (3.21) - (3.24).
1. Опыты до конца при избытке амина показывают, что реагирует только тиоангидрид в пределах 99 - I %.
2. После полного завершения реакции между тиобензойным ангидридом и избытком анилина (в молярных соотношениях 1:2) в бензоле непрореагировавший анилин осадили бензольным раствором хлористого водорода в виде солянокислой соли и отфильтровали; фильтрат тщательно промыли 2% едким натром, а затем водой, высушили безводным сульфатом натрия и осторожно упарили. В остатке находился совершенно чистый бензанилид с т.пл. 162.
3. Водный экстракт после опыта № 2 подкисляли, тиобензойную кислоту экстрагировали бензолом, бензол подсушивали сульфатом натрия, осторожно упаривали, в остатке находилась совершенно чистая тиобензойная кислота.
4. Тиобензойная кислота длительное время выдерживалась с анилином, последний осаждался раствором хлористого водорода в бензоле, осадок промывался бензолом, анилин солянокислый оттитро-вывался количественно. Последнее свидетельствует, что тиокарбоно-вая кислота в условиях эксперимента с ариламином не реагирует.
Доказательство бифункциональной природы катализа
Как уже отмечалось в обзоре литературы, из трех видов бифункционального катализа наиболее эффективным и интересным является таутомерный катализ. Ему, в основном, и посвящены наши исследования.
Настоящая глава состоит из двух частей. В первой из них обсуждаются результаты наших собственных исследований по механизму бифункционального катализа в реакциях ацильного переноса. Во второй развиваются общие представления о требованиях к структуре бифункциональных катализаторов и к условиям проявления их высокой каталитической активности с привлечением наиболее интересных для указанного раздела главы литературных источников.
Известно, что о- и м-нитрофенолы, а также 2,4-динитрофе-нол по своей каталитической активности в реакциях ацильного переноса в бензоле намного уступают карбоновым кислотам /317/. Этот факт был приведен в качестве довода в пользу бифункциональной каталитической активности карбоновых кислот в такого рода процессах. Однако по своей кислотности мононитрофенолы значи - 234 -тельно слабее карбоновых кислот, а 2,4-динитрофенол, сравнимый с ними по кислотности, образует внутримолекулярные водородные связи. В связи с этим сравнение активности названных катализаторов наталкивается на ряд трудностей. Так, при переходе от карбоновых кислот к мононитрофенолам снижение активности может происходить как за счет изменения природы катализатора от бифункциональной к монофункциональной, так и благодаря понижению кислотности катализатора. Причиной понижения активности при замене карбоновых кислот 2,4-динитрофенолом помимо изменения природы катализатора может быть и выключение фенольной группы из сферы катализа вследствие образования внутримолекулярной Н-связи.
Чтобы исключить отмеченную выше неопределенность, нами была сопоставлена каталитическая активность уксусной кислоты и такой монофункциональной кислоты как 3,4-динитрофенол, которая, будучи сравнимой по кислотности с первым катализатором, не способна давать внутримолекулярные водородные связи. Как видно из табл. 5.1, уксусная кислота в 2200 раз активнее 3,4-динитрофенола в реакции бензоилфторида с ариламином. Монофункциональный же катализатор основной природы, в данном случае пиридин, совсем не оказывает каталитического влияния. Из всего этого следует, что своей высокой эффективностью уксусная кислота обязана только своей бифункциональной природе.
Данные табл. 3.30 и рис. 5.Ї иллюстрируют бифункциональную пророду катализа пиразолом при пептидообразовании. Действительно, такой монофункциональный кислотный катализатор как фенол не ускоряет рассматриваемую реакцию, тогда как бифункциональный пиразол, примерно на 4 порядка менее кислый, чем фенол, проявляет достаточно выраженную каталитическую активность. Причем, эта активность не может быть объяснена основной природой пиразола, так как, во-первых, замена атома водорода у азота на метальную группу ведет к падению каталитической активности более чем на два порядка, и, во-вторых, точка для пиразола резко отклоняется от построенной для Н-метилпиразола, Н-метилимидазола и имидазола бренстедовской зависимости в сторону более высокой каталитической активности (см. рис. 5.1). Из рис. 5.1 также ясно видно, что имидазол, в отличии от пиразола, бифункциональной активностью не обладает, а действует как монофункциональное основание по общеосновному механизму катализа.
Отсутствие бифункциональной активности у имидазола и её наличие у пиризола показывает, какое важное значение имеет пространственное расположение функциональных групп в молекуле бифункционального катализатора. Если расстояние между функциями в молекуле катализатора отличается от расстояния между атакующей и уходящей группами в активированном комплексе, или они расположены так, что образование циклических переходных состояний, например, вида I.ХХШ? невозможно, то бифункциональный катализ отсутствует.
Мы привели лишь единичные факты, иллюстрирующие особенности бифункционального катализа. Весь последующий материал этой и шестой глав содержит многочисленные данные, развивающие представления о бифункциональном механизме катализа. Зависимость активности бифункциональных катализаторов от их способности к образованию водородных связей /"249,286/
Еще одним необходимым условием для проявления бифункциональной активности является четко выраженная способность ката - 238 -лизатора к образованию Н-связи. Это можно продемонстрировать на примере катализа уксусной кислотой и её тиоаналогами(эффект элемента серы на каталитическую активность) реакции ацилирова-ния ариламинов уксусным ангидридом и бензоилхлоридом в бензоле (табл. 5.2). В проведенных опытах структура реагентов была неизменной, а варьировалась только природа катализатора, причем таким образом, что он приобретал различную способность к образованию водородных связей. И действительно, каталитическая активность кислоты резко убывала по мере замещения атомов кислорода на серу, хотя её сила при этом существенно возрастала. Аналогичное понижение каталитической активности при переходе от уксусной кислоты к тиоуксусной наблюдается и для процесса мутаротации тетраметилглюкозы ДЗО/. Следовательно, наблюдаемая закономерность, очевидно, является всеобщей и должна выполняться для всех таутомерных катализаторов в реакциях любого типа.
Влияние концентраций и структуры катализаторов на скорость каталитических реакций
Как видно из табл. 3.27, каталитическая активность уксусной кислоты понижается при замене эфирного атома кислорода в п-нитрофенилацетате на серу (эффект атома серы в сложном эфире) , что находится в соответствии со сказанным в предыдущем разделе, так как Н-связи типа 0H S обычно слабее, чем 0Н »«0 (см./323-325/), Другими словами, наблюдаемый эффект снова подтверждает, что увеличение способности уходящей группы к образованию Н-связи в переходном состоянии типа 5.ЇУ приводит к возрастанию эффективности бифункционального катализатора.
Исключение составляет реакция 2,4-динитрофенилацетата и его тиоаналога с анилином, где активность уксусной кислоты при замене кислорода на серу несколько возрастает. Возможны несколько причин такой аномалии. Во-первых, прямое полярное сопряжение двух нитрогрупп с атомом эфирного кислорода может привести к более значительному понижению отрицательного заряда на нем по сравнению с серой, которая труднее вступает в сопряжение /51/. По этой причине не исключена также ситуация, когда способность этих атомов к образованию Н-связей в циклах 5.ІУ сравнивается (или даже больше в случае серы), вследствие чего по эффективности катализа реакции с участием кислородных эфиров и их тиоаналогов выравниваются или даже последняя превосходит первую в указанном отношении. Во-вторых, может изменяться строение переходных состояний некаталитических процессов вследствие образования структур 4.ХІУ и 4.ХУ, роль которых для кислорода и серы должна быть разной. Следовательно, изменение кт\К будет вызвано двумя указанными вше причинами, соотнести которые между собой не представляется возможным.
Важную информацию о механизме бифункционального катализа дает эффект замены атома кислорода атомом серы в карбонильной группе бензоилхлорида (эффект элемента серы) на каталитическую активность уксусной кислоты в реакции бензоил- и тиобензоил-хлорида в бензоле, данные для которых представлены в табл.3.5.
Из этих данных видно, что каталитические константы скорости практически одинаковы для реакции с участием бензоилхлорида и его тиоаналога, хотя в некаталитическом процессе тиоаналог менее реакционноспособен (в 20 раз), чем бензоилхлорид. Поэтому интенсивность катализа, характеризуемая отношением кт/к0 , более чем на порядок выше для тиобензоилхлорида по сравнению с бензоилхлоридом. Наблюдаемое увеличение интенсивности катализа при переходе от бензоилхлорида к тиобензоилхлориду, учитывая механизм некаталитического процесса (раздел 4.1), можно объяснить, лишь допустив образование переходного состояния 5.У, аналога Ї.ХХШа. Образование же структуры 5.УІ, аналога переход # F ..-y -H- -O-jc У СЗ --Н- -(Г 5.УЇ СІ- -Н- -О- 5.У ного состояния Ї.ХХЩ6, по-видимому, маловероятно, так как каталитическая активность кислоты здесь вследствие низкой способности группы SH в сравнении с группой ОН к образованию водородных связей должна существенно снизиться, чего на самом деле не наблюдается.
Таким образом, данные по бифункциональному катализу в случае тиобензоилхлорида соответствуют согласованному механизму реакции ацильного переноса с участием галогенангидридов (см. раздел 4.1) и противоречат образованию нейтрального ТЕШ типа 1.ЇУ.
В случае же уксусного ангидрида эффект элемента серы при замене ангидридного атома кислорода на серу фактически не вызывает изменение эффективности катализа уксусной кислотой (табл. 5.5). Здесь сохранение высокой эффективности кислоты, как и в предыдущем случае, можно объяснить тем обстоятельством, что атом серы в тиоангидриде не принимает участия в образовании переходных состояний, вследствие чего с учетом механизма некаталитической реакции (раздел 4.2) последним можно приписать следующие структуры
Специфика некаталитической реакции уксусного ангидрида с имидазолом и бензимидазолом описана в разделе 4.2.1. Геометрическая структура последних настолько сильно отличается от строения ароматического амина (при не очень большой разнице в основности) , что позволяет уточнить механизм не только некаталитической, но и катализируемой бифункциональным катализатором (уксусной кислотой) реакции ацилирования уксусным ангидридом.
Как видно из схемы (4.6), на пути превращения ангидрида и ариламина в продукты реакции лежат два промежуточных продукта: цвиттерионный ТПП типа 4.її и нейтральный ТПП 4.Ш. Скорость определяющей стадией некаталитического процесса является распад промежуточного продукта 4.Ш через циклическое переходное состояние 4.ІУ.
