Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 13
1.1. Закономерности синтеза функциональнозамещенных ариловых эфиров. 13
1.1.1. Активация связи углерод - галоген в арилгалогенидах введением в ароматическое кольцо электроноакцепторных групп 14
1.1.1.1. Замещение по аддитивному механизму 14
1.1.1.2. Замещение с участием анион-радикалов 15
1.1.1.3. Влияние различных факторов на протекание реакции 18
1.1.1.4. Генерация феноксид-анионов 19
1.1.1.5. Роль карбоната калия в синтезе ариловых эфиров 20
1.1.2. Активация связи углерод-галоген в арилгалогенидах 30
1.1.2.1. Активация связи углерод-галоген соединениями меди 31
1.1.2.2. Активация связи углерод-галоген комплексами никеля и палладия 34
1.1.2.3. я-Координационная активация галогенаренов 35
1.1.3. Условия синтеза полиядерных ариловых эфиров 40
1.1.3.1. Синтез полиядерных нитроароматических эфиров 40
1.1.3.2. Синтез полифениленоксидов 41
1.1.4. Область применения полиядерных ариловых эфиров 42
1.1.4.1. Нитрозамещенные ариловые эфиры 42
1.1.4.2. Полиядерные фениловые эфиры 43
1.2. Синтез производных бензофенона реакцией
бензоилирования 43
1.2.1. Общие закономерности реакции бензоилирования 44
1.2.2. Катализаторы реакции бензоилирования 45
1.2.3. Изомерные превращения в реакции бензоилирования 48
1.2.4. Условия проведения реакции бензоилирования 49
4 1.2.5. Область применения полиядерных ароматических кетонов 51
1.3. Синтез ароматических диаминов 53
1.3.1. Условия жидкофазного каталитического гидрирования ароматических нитросоединений 55
1.3.2. Выделение и очистка ароматических диаминов 56
2. Химическая часть 58
2.1. Исследование закономерностей синтеза полиядерных ариловых эфиров 59
2.1.1. Кинетические закономерности реакции замещения атома хлора в 4-НХБ феноксидами калия 60
2.1.1.1. Определение порядка реакции 60
2.1.1.2. Влияние температуры на скорость реакции 63
2.1.1.3. Влияние природы реагента на скорость реакции 63
2.1.1.4. Анализ кинетических данных реакции замещения атома хлора в 4-НХБ на феноксигруппу на основе квантово-химического моделирования 65
2.1.2. Кинетические закономерности реакции 4-НХБ с резорцинатом калия 71
2.1.2.1. Определение отношения констант скорости реакции 4-нитрохлорбензола с резорцинатом калия 72
2.1.2.2. Определение значений констант скорости реакции 4-НХБ с резорцинатом калия 74
2.1.2.3. Анализ кинетических данных реакции 4-НХБ с резорцинатом калия с помощью квантово-химических расчетов и данных ЭПР-спектроскопии 75
2.1.3. Кинетические закономерности взаимодействия 4-НХБ с
замещенными фенолами в присутствии карбоната калия 80
2.1.3.1. Определение порядка реакции 81
2.1.3.2. Влияние температуры на скорость реакции 84
2.1.3.3. Влияние заместителей в ядре фенола на скорость реакции 85
2.1.3.4. Обсуждение кинетических данных реакции 4-НХБ с фенолами в присутствии карбоната калия 87
2.1.4. Практическая реализация результатов исследований 95
2.1.5. Кинетические закономерности реакции бромбензола с замещенными фенолами в присутствии карбоната калия и комплексного катализатора 99
2.1.5.1. Определение порядка реакции 100
2.1.5.2. Влияние заместителей в феноле на скорость реакции 101
2.1.5.3. Анализ кинетических данных реакции ББ с фенолами с помощью квантово-химического моделирования 103
2.1.5.4. Реакционная способность реагентов в реакции ББ с замещенными фенолами 104
2.1.5.5. Факторы каталитической активации субстратов медьорганическими комплексами в нуклеофильном 106 ароматическом замещении галогенов 2.1.5.5.1. Оценка структуры изучаемых объектов неэмпирическим и полуэмпирическим методами 106
2.1.5.5.2. Структура медьсодержащих катализаторов нуклеофильного замещения и их комплексов с субстратом 112
2.1.5.6. Факторы, влияющие на активность медьорганических катализаторов 113
2.1.6. Практическая реализация результатов исследований 119
2.2. Региоселективное получение п-замещенных производных бензофенона 128
2.2.1. Определение условий синтеза БФ и его производных высокотемпературным бензоилированием 129
2.2.2. Изучение изомерных превращений в процессе высоктемпературного бензоилирования 132
Интерпретация закономерностей процессов изомеризации в условиях ВБ на основании квантово- химических расчетов 135
Синтез полиядерных ароматических соединений, содержащих карбонильные мостиковые звенья, реакцией высокотемпературного бензоилирования 138
Практическая реализация результатов исследований 140
Восстановление динитропроизводных ряда БФ и ДФО 143
Определение условий гидрирования 143
Синтез полиядерных ароматических диаминов содержащих карбонильные и оксидные мостиковые звенья 146
Практическая реализация результатов исследований 149
Экспериментальная часть 154
Исходные реактивы 154
Синтез исходных соединений 157
Методики проведения исследований 160
Синтез полиядерных ароматических соединений с оксидными и карбонильными мостиковыми звеньями 167
Методики аналитического контроля 175
Идентификация полиядерных соединений с оксидными и карбонильными мостиковыми звеньями 178
Выводы 183
Литература
- Активация связи углерод - галоген в арилгалогенидах введением в ароматическое кольцо электроноакцепторных групп
- Катализаторы реакции бензоилирования
- Влияние температуры на скорость реакции
- Структура медьсодержащих катализаторов нуклеофильного замещения и их комплексов с субстратом
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Научно-технический прогресс в области высоких технологий, к которым относятся такие направления, как авиакосмическая отрасль, электроника и другие, предполагает создание материалов, сохраняющих высокие рабочие характеристики в условиях резких перепадов температур (от криогенных до 350 С) и давления (до 10" мм рт.ст.), в сильных радиационных и электрических полях [1, 2]. К практически ценным продуктам, составляющим сырьевую базу подобных материалов, относятся полиядерные мостиковые ароматические соединения. Варьирование числа ароматических ядер, положения и природы мостикового звена (оксидный и карбонильный), позволяют получать материалы, сочетающие высокие прочностные и термостабильные характеристики, с одной стороны, гибкость и способность плавиться без разложения, с другой стороны [3]. Синтетическую основу названного класса соединений составляют реакции ароматического нуклеофильного и электрофильного замещения [4, 5].
Поэтому актуальной задачей является формирование полиядерных мостиковых фрагментов в разнообразных структурах путем замещения атома галогена в ароматических соединениях на феноксигруппу, а также решение вопросов региоселективности в реакции Фриделя-Крафтса, создающих основу эффективных методов синтеза полиядерных ариленов, содержащих оксидные и карбонильные мостиковые звенья, и на базе этих методов разработки современных энергосберегающих и экологически безопасных технологий получения данных соединений.
Настоящая работа является частью научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре общей и биоорганической химии Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова и выполнена в соответствии с программами: «Университеты России» (тема: «Разработка теоретических основ синтеза полифункциональных ароматических
8 соединений многоцелевого назначения», № гос. регистрации 01940000799, 1993-1997 г.г.), «Реактив» (тема: «Синтез полиядерных ароматических соединений для тонкого органического синтеза», 1999 г.), научно-техническая программа: «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», раздел 203.03. «Научные основы методов получения малотоннажных химических продуктов и реактивов», (тема: «Теоретические основы и общие методы получения азот-и галогенсодержащих полифункциональных ароматических соединений многоцелевого назначения»), раздел 202.07. «Перспективные полимерные материалы со специальными свойствами», (тема: «Высокопрочные термостойкие полимерные материалы с "интеллектуальными" свойствами и их сырьевая база», 2001-2002 г.г.), научно-техническая программа: «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма: 203. «Химические технологии», раздел 03.04.005, (тема: «Теоретические основы получения функционализованных полиядерных ароматических соединений многоцелевого назначения», 2003-2004 г.г.).
Целью работы является:
- определение и оценка факторов, влияющих на реакционную
способность реагентов, активность катализаторов и селективность реакций,
лежащих в основе синтеза полиядерных ароматических соединений с
оксидными и карбонильными мостиковыми звеньями;
разработка эффективных методов для целенаправленного синтеза полиядерных ариловых эфиров и ароматических кетонов;
разработка малоотходных, ресурсосберегающих и экологически безопасных технологических решений синтеза полиядерных ароматических соединений с разнообразным сочетанием оксидных и карбонильных мостиковых звеньев.
9 Научная новизна.
Впервые проведено всестороннее исследование процессов, протекающих в синтезе замещенных полиядерных ариловых эфиров, взаимодействием структурно активированного субстрата - 4-нитрохлорбензола (4-НХБ) с феноксидами, бисфеноксидами и фенолами в присутствии карбоната калия, а также реакции каталитически активированного субстрата - бромбензола (ББ) с замещенными фенолами в присутствии карбоната калия и медьорганического катализатора. В результате проведенных кинетических исследований получена информация о лимитирующих стадиях реакций. С помощью квантово-химических расчетов количественно оценены структурные, энергетические, зарядовые и орбитальные характеристики исходных и промежуточных соединений, каталитических комплексов. Эти факторы с привлечением корреляционного анализа позволили установить критерии, влияющие на реакционную способность реагентов, что дало возможность определить границы применимости методов. Предложен механизм изучаемых процессов и схемы взаимодействия.
Разработаны новые высокоселективные методы синтеза симметричных производных бензофенона на основе изучения высокотемпературного бензоилирования (ВБ). Определены факторы, влияющие на скорость реакции. Впервые экспериментально показано, что высокая селективность реакции в условиях проведения процесса при повышенной температуре обусловлена изомеризацией как исходного хлорангидрида, так и конечного бензофенона. Квантово-химическое моделирование поверхности потенциальной энергии дало возможность количественно оценить энергетические параметры изомеризации и выяснить миграция какого заместителя приводит к симметричным производным бензофенона.
Осуществлен синтез полиядерных диаминов с различным сочетанием карбонильных и оксидных мостиковых звеньев жидкофазным каталитическим гидрированием соответствующих динитросоединений,
10 полученных реакцией 4-НХБ с бисфенолами в присутствии карбоната калия и высокотемпературным бензоилированием 4-нитробензоилхлоридом ароматических соединений. Определены параметры проведения процесса, а также разработан эффективный метод очистки данных диаминов до мономерной степени чистоты.
Практическая ценность работы.
На основании проведенных исследований взаимодействия 4-НХБ с феноксидами калия и фенолами в присутствии карбоната калия разработаны основы технологии синтеза 4,4-динитродифенилового эфира резорцина (ДНДФЭР). Данная технология прошла опытно-промышленную проверку на Ново-Черкасском заводе синтетических продуктов с выпуском опытной партии ДНДФЭР в количестве 280 кг.
Разработаны основы технологии синтеза м-феноксифенола (м-ФФ) реакцией бромбензола с резорцином в присутствии карбоната калия и комплексного катализатора хлорида меди (I) и 8-оксихинолина. Проведение НИОКР синтеза м-ФФ профинансировано Фондом содействия малых форм предприятий в научно-технической сфере (гос. контракт № 2356р/4592 от 14.04.2004г.). На предприятии «ЯрСинтез» выпущена опытная партия в количестве 1,0 кг
Исследования реакции ВБ легли в основу разработки технологии получения полиядерных ароматических кетонов, прошедшую проверку на предприятии «Технолог». Результаты исследования синтеза и очистки полиядерных ароматических диаминов послужили основой разработки технологии синтеза 4,4^ диаминодифенилового эфира резорцина (ДАДФЭР). По данному методу разработан технологический регламент получения ДАДФЭР, который прошел опытно-промышленную проверку на Ново-Черкасском заводе синтетических продуктов с выпуском опытной партии ДАДФЭР в количестве 145 кг.
Апробация работы.
Результаты исследований доложены: Всесоюзное совещание «Перспективы расширения ассортимента химических реактивов для обеспечения потребностей ведущих отраслей народного хозяйства и научных исследований» (Ярославль, 1987), II Всесоюзная конференция «Современное состояние и перспективы развития синтеза мономеров для термостойких полимерных материалов» (Тула, 1987), I Северо-Кавказкое региональное совещание по химическим реактивам (Махачкала, 1988), Всесоюзная конференция молодых ученых «Современные проблемы органического синтеза» (Иркутск, 1988), Всесоюзная конференция «Ароматическое нуклеофильное замещение» (Новосибирск, 1989), Семинар-совещание-3 «Потребители-производители органических реактивов» (Ереван, 1989), 4-я Межвузовская конференция "Карбонильные соединения в синтезе гетероциклов» (Саратов, 1989), III Всесоюзное совещание по химическим реактивам «Состояние и перспективы развития ассортимента химических реактивов для важнейших отраслей н/х и научных исследований» (Ашхабад, 1989), XXXV Научно-техническая конференция (Ярославль, 1989), II Всесоюзная конференция «Химия и применение неводных растворов» (Харьков, 1989), III Региональное совещание по химическим реактивам Средней Азии и Казахстана (Ташкент, 1990), Международная научная конференция «Органический синтез и комбинаторная химия» (Москва, Звенигород, 1999), XII Международная конференция по производству и применению химических реактивов и реагентов «Реактив-99» (Москва, 1999), XIII Международная научно-техническая конференция «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (Тула, 2000), Международная конференция по экологии (Новгород, 2000). XVII Международная научно-техническая конференция «Реактив-2004» (Уфа, 2004).
12 Публикации.
По теме диссертации опубликовано 19 статей, в том числе 16 статей в журналах из Перечня ВАК, получено 3 авторских свидетельства на изобретения и патент РФ, опубликовано 14 тезисов докладов на Всесоюзных и международных конференциях.
Вклад автора.
Личный вклад автора состоит в определении целей и задач исследования, его теоретическом обосновании; планировании и проведении исследований, экспериментов, синтезов исходных, промежуточных и целевых продуктов; описании, обсуждении, интерпретации полученных результатов и их обобщении.
Положения, выносимые на защиту.
1. Закономерности замещения галогена в активированных и
неактивированных ароматических соединениях на феноксигруппу.
2. Региоселективность в реакции высокотемпературного
бензоилирования.
3. Методы получения полифункциональных многоядерных
соединений, содержащих оксидные и карбонильные мостиковые звенья.
Активация связи углерод - галоген в арилгалогенидах введением в ароматическое кольцо электроноакцепторных групп
Нельзя не отметить, что в настоящее время предложен целый набор теоретических моделей протекания реакции нуклеофильного замещения активированного акцепторной группой (нитро и полинитросоединения) с участием анион-радикалов [26-30], возникающих в результате одноэлектронного переноса. Так, квантово-химическое изучение реакции SNAr в нитрогалогенбензолах галогенид-анионами (неэмпирический подход в базисе B3LYP/6-31+G(d) [31] показало, что для некоторых нитрогалогенбензолов (4-НХБ) процесс реализуется в одну стадию без образования о-комплекса. Росси [21] предложил механизм замещения, получивший название мономолекулярное радикальное нуклеофильное замещение (substitution radical nucleophilic unimolecular - SRN1). Его стадии могут быть представлены (схема 1.2.): АгХ + е" - (АгХ)" (схема 1.2.) (АгХ) " -» Аґ + X" Ar +Nu" - (ArNu)" (ArNu)" +АгХ -» ArNu + (АгХ)"
Анион-радикал формируется при присоединении электрона к субстрату с подходящей нуклеофугной группой. Переход электрона может происходить от катода, при растворении щелочного металла в жидком аммиаке, от другого анион-радикала или аниона, в результате химических реакций. Имеется ряд работ, в которых анион-радикал, возникающий при взаимодействии гидроксид-иона с динитроароматическими производными в ДМСО, рассматривается как интермедиат основного пути процесса замещения. Так, в исследованиях [32, 33] предложен следующий механизм превращения о- и п-динитробензолов, приводящий к соответствующим нитрофенолам (схема 1.З.): (схема 1.3.) Взаимодействие 2,4-динитронафталинов с гидроксид-ионом в системе ДМСО - вода, по мнению авторов статьи [34] приводит к быстрому образованию л-комплекса и последующему переносу электрона с реагента на субстрат. Направление дальнейшей перегруппировки зависит от заместителя. Хлор- и бромпроизводные дают комплекс Мейзенгеймера по положениям 3-и 1- и далее быстро образуется соответствующий нафтилоксид. Фтор- и диалкиламинопроизводные дают комплекс Мейзенгеймера только по положению 1. Последний медленно превращается в 1-гидрокси-2,4-динитронафталин. Исследовано поведение 3,5- и 2,4-динитробензонитрила в аналогичной реакции [35]. Авторы указывают на образование комплексов анион-радикал - гидроксид-радикал при взаимодействии динитросоединений с гидроксид-анионом и последующее формирование комплексов Мейзенгеймера различной структуры. Так, для 2,4-динитробензонитрила отмечено появление а-комплекса в положении 5. Далее была получена смесь 2,4-динитробензамида и 2,4-динитрофеноксид-иона. В работе [36] рассмотрен вопрос об образовании и роли анион-радикалов в реакции ароматического нуклеофильного замещения для достаточно широкого ряда субстратов и реагентов: О-, S- и N-нуклеофилов. Следует отметить, что последние весьма специфичны - третичные амины, не позволяют получать продукты реакции в заметных количествах. Авторы выдвигают гипотезу, что SET-процесс, ведущий к образованию радикальных пар в сольватной клетке, может быть в той или иной степени включен как сопутствующий первый шаг в механизме SNAr реакции в различных полинитробензолах. При этом, достаточно стабильные радикальные частицы (стабилизированные, например, значительной делокализацией в присутствии нитрогрупп), могут покинуть клетки растворителя и быть обнаружены методом ЭПР. Формирование комплекса Мейзенгеймера происходит через комбинацию двух типов радикалов в клетке растворителя. Для алкоксидов превалирует чисто ионный путь протекания реакции (вследствие того, что одноэлектронное окисление этих нуклеофилов затруднено из-за высокой электроотрицательности кислорода). С другой стороны, способность тиоанионов к участию в качестве одноэлектронных доноров и их эффективность как нуклеофилов в ароматических SRNI реакциях, предполагает, что конкурентный SET-механизм является превалирующим. Для N-нуклеофилов (третичные амины) отмечено образование радикальных частиц, однако выход продуктов замещения (например, хлора в 2,4-динитрохлорбензоле) весьма мал. Авторы связывают это со сложностью образования комплекса Мейзенгеймера и его медленным деалкилированием. В то же время, медленная рекомбинация радикальных пар в клетке растворителя позволяет покинуть последнюю, что дает возможность зафиксировать образование радикальных частиц методом ЭПР. Отметим, что участие анион-радикалов в S r реакциях до сих пор остается активно обсуждаемым вопросом. Даже их обнаружение в реакционной массе методом ЭПР не означает, что они являются интермедиатами основного пути реакции. Для интерпретации экспериментальных данных исследователи все чаще обращаются к рассмотрению квантово-химических параметров структуры реагирующих веществ и теории взаимодействия граничных молекулярных орбиталей [37].
Легкость замещения атомов и групп в ароматическом кольце прежде всего определяется природой электроноакцепторной группы (ЭАГ), нуклеофугностью уходящей группы и типом нуклеофила.
Катализаторы реакции бензоилирования
На условия проведения реакции, выход и изомерный состав продуктов существенно влияет тип катализатора. Поэтому необходимо рассмотреть каталитические системы, применяемые в реакции бензоилирования.
Первые попытки провести реакцию ацилирования (бензоилирования) ароматических соединений бензоилхлоридами были осуществлены в присутствии цинковой пыли и железа [214]. Однако, хорошие выходы были получены только при ацилировании нафталина и в последствии этот метод был использован в синтезе 1,5-дибензоилнафталина [219]. В работах Фриделя и Крафтса [214] как катализатор использовался хлористый алюминий, который до сих пор широко используется на практике. По своей активности галогениды металлов, применяемые в качестве катализаторов в эквимолярных количествах, располагаются в ряд [214]: А1С13 FeCl3 SnCl4 BF3 ZnCb. В работах Цукерваника с сотрудниками [220, 221] была показана возможность проведения реакции в присутствии металлов: меди, железа, молибдена, вольфрама, а также малых количеств (0,05 - 0,1 моль на моль бензоилхлорида) FeCl3, СиСЬ, Си2СІ2- При исследовании активности безводных галоидов металлов в реакции бензоилирования анизола [222] было установлено, что наиболее активными катализаторами являются более слабые кислоты. В порядке возрастания активности катализаторы, применяемые в малых количествах, располагаются в ряд: ZnCb SnCU FeCl3 МоС15 NbCl5 AICI3 ТаС15 BiCl3 WC16 SbCl5 ZrCl4 TiCl4 T1CI3 VCI3, который отличается от ряда активности катализаторов, применяемых в эквимолекулярных количествах. В работах [223, 224] показано, что в реакции бензоилирования хорошим катализатором может служить безводный хлористый цинк, взятый в каталитических количествах. Этим методом получены различные несимметричные моно- и дизамещенные бензофеноны с выходом до 80 %. Имеются сведения [225] по использованию в качестве катализаторов ТІСЦ и SbCl5, которые обеспечивают достаточно высокие выходы бензофенонов. В патенте [226] рекомендуется использовать катализаторы ReCl3 и ReCls в количестве . 0,001 моль на моль ароматического соединения. По данным патента [227] катализаторами могут также служить окислы железа, соль Мора, нитраты, фосфаты, сульфаты, ацетаты алюминия и железа в количествах 0,001 - 0,1 моль на моль бензоилхлорида. Этим методом синтезирован метилбензофенон, 2,4- , 2,5- , 2,6- и 4,4 -диметилбензофеноны. В качестве катализаторов бензоилирования применяют бензоаты металлов [228], каталитические количества НСЮ4 [229], алюминий, обработанный хлористым водородом под слоем бензола [230], порошок железа в количестве 0,025 - 0,05 г-атома на моль бензоилхлорида, полученный восстановлением формиата железа [231]. Запатентован процесс каталитического ацилирования замещенных бензолов различными алкилгалогенидами [232] в присутствии трикарбонила хрома, молибдена или вольфрама. Собственно, катализатором в этой реакции являются комплексные соединения формулы R5C6H М(СО)з (R=H, Сі-Сб - алкил, СгСб - алкоксигруппа, арил, алкил или оксизамещенные Q-Cn - арилоксигруппа). Реакцию проводят в растворе алифатических или ароматических углеводородов при температуре не ниже 135 С. Ацилирование в описанных условиях приводит к преимущественному образованию п-изомеров, однако выходы целевых продуктов не превышают 70 % за 18 - 36 ч проведения реакции. Применение ацетилацетоната трехвалентного железа в качестве катализатора ацилирования и алкилирования в количестве 0,001 - 5,0 масс.% от ацилхлорида [233] не позволило существенно увеличить выходы бензофенонов против достигнутых при использовании более доступных и дешевых железа и хлорного железа [223, 224]. Сделаны попытки повысить активность таких катализаторов, как FeCl3, Q?04, Fe2(S04)3, ZnCb, промотированием нитрометаном с образованием реакционноспособного комплекса [234]. Использование таких комплексов привело к снижению выхода целевых бензофенонов. Однако, для бензоилирования 1,1-дифенилэтана различными бензоилхлоридами в присутствии эквимолярных количеств АІСІз применение комплекса последнего с нитрометаном позволило поднять выход ароматических кетонов с 31 до 83 % [238].
Другим методом, повышающим активность малых количеств хлорного железа в реакции бензоилирования, является увеличение температуры процесса. Этот прием оказался эффективным при использовании малоактивных хлорбензола и терефталоилхлорида [236, 237], конденсация которых изучена при температуре 170 - 220 С. Высокая температура, по-видимому, способствует увеличению константы нестойкости комплекса FeCb - бензофенон, тем самым высвобождая катализатор для дальнейшей реакции [237]. Бензоилирование нафталина, дифенила и антрацена довольно легко протекает при высокой температуре (свыше 200 С) без введения катализатора [238]. Высокотемпературное бензоилирование алкилбензолов бензоилхлоридом без применения катализатора впервые упоминается в работах [239, 240]. Так, 2,4-диметилбензофенон получают взаимодействием бензоилхлорида с мета-ксилолом в автоклаве при 200 С в течение 1 ч с выходом 73 % [240]. Этот метод оказался наиболее эффективным при получении симметричных производных бензофенона. Например, реакция 4-нитро, 4-хлор, 4-метилбензоилхлоридов с хлорбензолом и толуолом [241] при 240 - 280 С дает 4,4/-дизамещенные бензофеноны с выходом до 93 %.
Влияние температуры на скорость реакции
Исследовано влияние заместителей в реагенте на скорость реакции (2.2.а.). Установлено, что реакция имеет второй порядок для всех пар реагентов. Изменение обратных концентраций во времени имеет линейный характер (рис. 2.3.). Константы скорости, найденные из анаморфоз кинетических кривых в координатах: обратная концентрация - время, сведены в табл. 2.3.
Экспериментальные данные коррелируют с с-константами Гаммета по уравнению: lgk=(-4,31±0,10)-(l,89±0,08)a.
Параметры корреляции: г 0,997; s 016; (s% 1,1); N 6. Это свидетельствует об адекватности механизма для всей реакционной серии. Как следует из значений констант скорости, для замещенных ФК выполняется соотношение
Бренстеда - нуклеофильность феноксидов усиливается с ростом их основности. Ряд реакционной способности феноксидов с заместителем R. R: -NH 2 -СН3 -Н -CI, -Br -N02
Для интерпретации реакционной способности реагентов нами использован подход с привлечением результатов квантово-химического моделирования. Были рассчитаны зарядовые и орбитальные характеристики субстрата и реагентов.
Для расчета геометрических параметров при полной оптимизации последних и электронной структуры изолированных частиц был использован полуэмпирический метод AMl(Austiu Model 1 Hamiltonian).
Известно [42], что в среде апротонных диполярных растворителей феноксиды представляют сольватноразделенные ионные пары, при этом анион сольватирован слабо. Отсюда следует, что для квантово-химического моделирования выбраны соответствующие анионы.
В работах [288, 289] была показана применимость комбинированных индексов реакционной способности для интерпретации закономерностей реакции SNAT. При взаимодействии исследуемых ароматических соединений реагент играет роль донорного компонента и, следовательно, реакционный центр может характеризоваться структурой ВЗМО - высшей занятой молекулярной орбитали ароматического реагента.
Перечисленные характеристики соответствующих анионов, а также их некоторые геометрические параметры представлены в таблице 2.7.
Поскольку реакционным центром представленных анионов является атом кислорода, то указанные данные характеризуют преимущественно последний.
Если выстроить структуры в зависимости от положения заместителя в порядке уменьшения значения заряда, то можно наблюдать следующие последовательности: для п-замещенных - 02N-C6H4-0" Br- СбН4-0" С1-С6Н4-0" СН3-С6Н4-0 H2N-C6H4-0" Н-С6Н4-0"; для м-замещенных -02N-C6H4-0 Вг-С6Н4-0" С1-С6Н4-0" H2N-C6H4-0" Н-С6Н4-0 СН3-С6Н4-О". Донорная способность нитрогруппы явно выражена вне зависимости от положения заместителя (п-, м-) к реакционному центру, акцепторная способность аминогруппы лучше проявляется в п-положении.
Среди заметно меняющихся для различных заместителей параметров представленных структур следует отметить Евзмо- Ее максимальное значение: -2,587 эВ получено для п-аминофеноксид-аниона, минимальное: -4,145 эВ - для п-нитрофеноксид-аниона. Значительного различия для п- и м-замещенных структур не отмечено (рис. 2.5.). Если выстроить структуры в зависимости от положения заместителя в порядке уменьшения значения Евзмо, то можно наблюдать следующие последовательности: для п-замещенных - H2N-C6H4-0" Н-С6Н4-0" СН3-С6Н4-0 С1-С6Н4-0" Вг-С6Н4-0" 02N-C6H4-0 ; для м-замещенных - Н-С6Н4-0" СН3-С6Н4-0" H2N-C6H4-0 С1-СбН4-0 Вг-С6Н4-0" 02N-C6H4-0\ Следует отметить явно выраженные противоположно направленные зависимости для п- и м-замещенных амино- и нитрофеноксидов: Е»змо п-аминофеноксида ЕВзмо м-аминофеноксида, а ЕВзмо п-нитрофеноксида Евзмо м-нитрофеноксида. Это связано с особенностями структуры соответствующих граничных орбиталей.
Заметно меняются значения С i z кислорода реакционного центра -величина, характеризующая вклад орбиталей последнего в ВЗМО. Его максимальное значение: 0,216 отмечено для м-нитрофеноксид-аниона, минимальное: 0,160 - для п-нитрофеноксид-аниона. Значительное различие значения С pz наблюдается для п- и м-замещенных структур (рис. 2.6.).
Структура медьсодержащих катализаторов нуклеофильного замещения и их комплексов с субстратом
Оценка орбитальных характеристик комплексов субстрата с различными медьорганическими катализаторами позволила определить основные факторы, влияющие на активность катализаторов.
В рассматриваемом случае для теоретического предсказания локализации реакционного центра и оценки его характеристик можно использовать данные по структуре НВМО ароматического субстрата (ББ), комплекса ББ + хлорид меди (I), комплекса ББ + 8-ОХ + хлорид меди (I), представленных на рис. 2.31 - 2.33.
Принимая во внимание определяющую роль атомов азота в органическом лиганде на активность медьорганических катализаторов, нами смоделированы структуры НВМО комплексов ББ + хлорид меди (I) кроме 8-ОХ еще и с такими органическими лигандами, как 1,8-нафтиридин и а,а-бипиридил, в которых атомы азота так же сопряжены с ароматической системой (рис. 2.34, 2.35). Значимые параметры медьорганических комплексов с ББ представлены в таблице 2.19. Полученные данные свидетельствуют о том, что заряд на реакционном центре (атом углерода ББ) понижается почти в два раза при взаимодействии медьорганического катализатора с ББ по сравнению с комплексом последнего с хлоридом меди
. Структура НВМО бромбензола. Существенно изменяющимися факторами при этом также являются энергии НВМО комплексов и вклады реакционного центра субстрата в НВМО, т.е. значительно изменяется электронная плотность системы. реакции фенола с м-дибромбензолом (м-ДББ). Изучение влияния природы катализатора на скорость замещения было проведено в среде ДМФА в присутствии карбоната калия (табл. 2.20.).
Лучшие результаты были достигнуты при использовании комплекса а,а-бипиридил + хлорид меди (I). Конверсия м-ДББ за 2ч составила 82,73 %, выход продукта монозамещения - 65,75 %, дизамещенного - 7,38 %. Процесс, катализируемый комплексом 8-ОХ + хлорид меди (I), протекал значительно медленнее: конверсия м-ДББ за 2ч составила 17,44 %, выход монозамещенного - 12,4 %, а продукт дизамещения вообще не образуется. При использовании только хлорида меди (І) в качестве катализатора выход монозамещенного за тоже время проведения реакции составил 11,08 %, продукт дизамещения не образуется. При этом наблюдается определенная симбатность времени протекания реакции, с одной стороны, и параметров каталитического комплекса с субстратом (значение НВМО системы и вклада в нее атома углерода - реакционного центра субстрата), с другой стороны.
Анализ результатов квантово-химического моделирования позволяет предположить, что основной фактор, влияющий на активность медьорганических катализаторов, заключается в их способности образовывать комплекс с субстратом, в котором понижена энергия НВМО и увеличен вклад в нее реакционного центра субстрата.
При фиксированном значении ВЗМО реагента, в данном случае феноксид-аниона (ЕВзмо = -2,69114 эВ), этот фактор сказывается на уменьшении размера «энергетической щели» между НВМО комплекса субстрата с катализатором и ВЗМО реагента (рис. 2.36), а, следовательно, на усилении реакционной способности субстрата.
Полученные данные могут служить ориентиром в выборе эффективного катализатора для соответствующей реакции, что и показано на примере взаимодействия фенолов с ББ и м-ДББ.
Впервые проведенная количественная оценка такой многофакторной активации ББ медьорганическим катализатором, определение характера лимитирующей стадии позволили целенаправленно интенсифицировать процесс и проводить синтез ариловых эфиров в сравнительно (условия эфирной конденсации Ульмана) мягких условиях: температура порядка 140 С и время проведения 1-2 ч.
Практическая реализация результатов исследований. Исследования синтеза ариловых эфиров замещением галогена в каталитически активированном субстрате на феноксигруппу с использованием медьорганических катализаторов, в результате которых определены факторы, влияющие как на активацию субстрата, так и на активность каталитических комплексов, позволили целенаправленно управлять процессами и разработать основы технологии получения данных ариловых эфиров, отвечающей таким требованиям как высокая селективность по целевым продуктам, малая энергоемкость и экологическая безопасность.
Исследования реакции ББ с фенолами в присутствии К2СОз и каталитического комплекса хлорида меди (I) + 8-ОХ послужили основой в разработке технологии синтеза мета-феноксифенола (м-ФФ), являющимся ключевым компонентом в процессе получения диазотипных фотоматериалов, а также полупродуктом в производстве 1,3-бис(3/-феноксифенокси)бензола или м-пентафенилового эфира - вакуумного масла глубокого разрежения (до 10" ммрт.ст.).
Проведение НИОКР синтеза м-ФФ профинансировано Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Гос. Контракт № 2356р/4592 от 14.04.2004г.).
Критериями исследований являлись: сокращение стадийности процесса и продолжительности реакции, увеличение выхода м-феноксифенола, упрощение процесса выделения и очистки целевого продукта. Полученные результаты позволили разработать основы малоотходной и экологически чистой технологии синтеза целевого соединения.
