Главная --> Справочник терминов


Протонных растворителей В каждом из дибромидов (73) и (74) по крайней мере один из атомов галогена находится в аллильном положении (подчеркнут) . Известно, что такие соединения в протонных растворителях могут диссоциировать на ионы. При этом оба дибромида образуют один и тот же карбокатион:

Примером такой реакции, сопровождающейся перегруппировкой углеродного скелета, служит реакция гетеролиза неопентилбромида. Несмотря на то что этот бромид — первичный алкилгалогенид, он практически не способен к реакциям нуклеофильного замещения по механизму 5N2 из-за пространственных затруднений, создаваемых разветвленным трег-бутиль-ным радикалом при подходе нуклеофильного реагента. Сольво-лиз неопентилбромида по механизму 5N1, т. е. в протонных растворителях, также исключается, потому что он — первичный алкилгалогенид. Однако его можно «заставить» реагировать по механизму 5N1 в присутствии водных растворов солей серебра, так как ион серебра вырывает из молекулы алкилгалогенида анион брома, образуя бромид серебра. При этом первоначально образовавшийся менее устойчивый карбокатион (23), у которого положительный заряд находится на первичном атоме углерода, перегруппировывается в более энергетически выгодный третичный карбокатион (24), который затем и реагирует по трем возможным направлениям:

3. Сверху вниз в группах периодической системы нуклео-фильность возрастает, хотя основность падает. Так, обычный порядок нуклеофильности галогенидов выглядит следующим образом: 1~>Вг~>С1~>р- (хотя, как будет показано ниже, этот порядок зависит от природы растворителя). Аналогично любой серосодержащий нуклеофил сильнее соответствующего кислородсодержащего аналога, и то же справедливо для соединений, содержащих фосфор и азот. Главная причина различий между основностью и нуклеофильностью заключается в следующем: меньшие по размеру отрицательно заряженные нукле-офилы лучше сольватированы обычными полярными протонными растворителями, т. е. поскольку отрицательный заряд С1~ по сравнению с 1~ более сконцентрирован, первый более плотно окружен оболочкой молекул растворителя, которая образует, барьер между нуклеофилом и субстратом. Это особенно важно для полярных протонных растворителей, молекулы которых могут образовывать водородные связи с нуклеофилами небольшого размера. В качестве доказательств можно привести следующие факты: многие реакции нуклеофильного замещения с участием небольших отрицательно заряженных нуклеофилов значительно быстрее происходят в полярных апротонных, чем в протонных растворителях [260], и в ДМФ — апротонном растворителе — порядок нуклеофильности галогенид-ионов имеет следующий вид: С1~>Вг~>1- [261]. В другом эксперименте, проведенном в ацетоне, в качестве нуклеофилов были использованы Bu4N+X- и LiX (где Х~ — галогенид-ион). Ассоциация галогенид-иона в первой соли значительно ниже, чем в LiX. Относительные скорости реакций с участием LiX составили для С1- 1, для Вг- 5,7 и для I- 6,2; это нормальный порядок, тогда

Эдварде и Пирсон [256] приводят следующий порядок общей нуклеофильности для реакции S^2 (в протонных растворителях): RS->ArS->I->CN->OH->N3->Br->ArO->Cl->nH-ридин>АсО~>Н2О. Количественное отношение было выведено Свейном и Скоттом [271]; оно аналогично линейным уравнениям для свободной энергии, рассмотренным в гл. 9 [272]:

ходном состоянии этот заряд более делокализован, чем в исходном соединении, и повышение полярности растворителя замедляет реакцию. Между протонными и апротонными растворителями даже примерно одинаковой полярности существуют различия. SN! -Реакции неионизированных субстратов быстрее идут в протонных растворителях, которые могут образовывать водородную связь с уходящей группой. Примерами протонных растворителей могут служить вода, спирты и карбоновые кислоты, а к полярным апротонным растворителям относятся диметил-формамид (ДМФ), диметилсульфоксид [323], ацетонитрил, ацетон, диоксид серы и гексаметилфосфортриамид (Me3N)2PO (ГМФТА), называемый также гексаметилтриамидофосфатом [324].

В реакциях SN2 влияние растворителя зависит от того, к какому из четырех зарядовых типов принадлежит реакция (см. начало гл. 10). Для типов I и IV первоначальный заряд дело-кализуется в переходном состоянии, поэтому полярные растворители затрудняют реакцию. Для типа III в переходном состоянии первоначальные заряды уменьшаются, поэтому полярные растворители еще более затрудняют эту реакцию. И только реакции типа II, реагенты в которых не заряжены, а заряд возникает в переходном состоянии, ускоряются в полярных растворителях. Эти эффекты сведены в табл. 10.11. Для реакции 5к2 снова необходимо рассматривать различия между протонными и апротонными растворителями [325]. В реакциях типа I и III переходное состояние лучше сольватируется полярными апротонными, чем протонными растворителями, тогда как (разд. 10.12) исходный заряженный нуклеофил апротонными растворителями сольватируется хуже (см., например, [326]) (второй фактор обычно играет значительно большую роль, чем первый [327]). Поэтому замена, скажем, метанола на диметилсульфоксид должна сильно ускорять реакцию. В качестве примера можно привести относительные скорости взаимодействия метилиодида с хлорид-ионом при 25 °С [260]: в МеОН—1, в HCONH2 (растворитель протонный, но менее кислый) — 12,5, в HCONHMe —45,3 и в HCONMe2 — 1,2 • 106. Изменение скорости при переходе от протонного к апротонному растворителю связано также с размером атакующего атома. Небольшие ионы лучше сольватированы в протонных растворителях, так как в этом случае возможно образование водородной связи; апро-тонные же растворители лучше сольватируют большие ионы (протонные растворители характеризуются развитой структурой, основой которой служат водородные связи; структура ап-ротонных растворителей более рыхлая и большой анион в ней легче размещается). Поэтому скорость атаки небольших анионов сильнее всего возрастает при переходе от протонного к

1. Согласно принципу жестких и мягких кислот и оснований, жесткие кислоты предпочтительно взаимодействуют с жесткими основаниями, а мягкие кислоты—с мягкими основаниями (т. 1, разд. 8.4). При реализации механизма SN! нуклеофил атакует карбокатион, который представляет собой жесткую кислоту. В механизме SN2 нуклеофил атакует атом углерода молекулы, которая является более мягкой кислотой. Более электроотрицательный атом амбидентного нуклеофила — это более жесткое основание, чем менее электроотрицательный атом. Поэтому можно утверждать, что при изменении характера реакции от SN! к SN2 вероятность атаки менее электроотрицательным атомом амбидентного нуклеофила возрастает [362]. Следовательно, переход от условий реакции SN! к условиям реакции 5к2 должен способствовать атаке атома углерода в цианид-ионе, атома азота в нитрит-ионе, атома углерода в енолят- и фенолят-ионах и т. д. Например, атака на первичные алкилгалогениды (в протонных растворителях) происходит атомом углерода аниона, полученного из CHsCOC^COOEt, тогда как а-хлороэфиры, которые взаимодействуют по механизму SN!, атакуются атомом кислорода. Однако это не означает, что во всех реакциях 5н2 атакует менее электроотрицательный атом, а во всех реакциях SN! — более электроотрицательный. Направление атаки зависит также и от природы нуклеофила, растворителя, уходящей группы и других условий. Это правило утверждает лишь, что усиление 5к2-характера переходного состояния делает более вероятной атаку менее электроотрицательным атомом.

3. Во многих случаях на направление атаки оказывает влияние природа растворителя. Чем более свободен нуклеофил, тем больше вероятность его атаки более электроотрицательным атомом, но чем в большей степени этот атом связан либо с молекулами растворителя, либо с положительными противоионами, тем выше вероятность атаки менее электроотрицательным атомом. В протонных растворителях степень сольватации с участием водородных связей более электроотрицательного атома выше, чем степень сольватации атома, обладающего меньшей электроотрицательностью. В полярных апротонных растворителях сольватация обоих атомов невелика, но такие растворители весьма эффективно сольватируют катион. Таким образом, в полярном апротонном растворителе более электроотрицательная часть нуклеофила свободнее от взаимодействия как с растворителем, так и с катионом, поэтому переход от протонных к полярным апротонным растворителям часто приводит к возрастанию роли атаки более электроотрицательным атомом. Примером может служить атака [3-нафтолята натрия на бензилбромид, в результате которой в диметилсульфоксиде образуется продукт О-ал-килирования с выходом 95%, а в 2,2,2-трифтороэтаноле — продукт С-алкилирования с выходом 85 % {364]. Изменение природы катиона от Li+ к Na+ и К+ (в неполярных растворителях) также способствует увеличению выхода продукта О-алкилиро-вания за счет продукта С-алкилирования [365], что аналогично использованию краун-эфиров, которые хорошо сольватируют катионы (т. 1, разд. 3.2) (в этом случае ион К+ делает нуклеофил более свободным, чем ион Li+) [366].

Натриевые еоли карбоновых кислот, включая соли таких стерически затрудненных кислот, как мезитойная, быстро взаимодействуют с первичными или вторичными бромидами или иодидами при комнатной температуре в диполярных апротон-ных растворителях, особенно хорошо в ГМФТА, давая эфиры карбоновых кислот с высокими выходами [561]. Эти реакции идут по механизму $N2. В другом методе используется межфазный катализ [562], и по этому методу хорошие выходы эфи-ров были получены из первичных, вторичных, бензильных, ал-лильных и фенацильных галогенидов [563]. Согласно аналогичному методу, также дающему хорошие выходы, соль карбоновой кислоты смешивают с галогенидом и каталитическим количеством четвертичной аммониевой соли без растворителя [563а]. Еще один метод этерификации карбоновых кислот заключается в обработке их первичными или вторичными галогени-дами в бензоле в присутствии ДБУ (т. 4, реакция 17-14) [564]. В большинстве случаев хорошие выходы сложных эфиров удается получить при применении лишь одного из этих методов. В отсутствие межфазного катализа и в протонных растворителях реакция может быть полезной только для довольно активных галогенидов, таких, как бензильные, алкильные и т. д. (механизм SN!), но не для третичных алкилгалогенидов, так как вместо этерификации происходит элиминирование [565]. Часто используют натриевые соли, но реакция осуществима и с солями калия, серебра, цезия [566] и замещенного аммония. Из галогенозамещенных кислот действием основания можно получить лактоны (см. реакцию 10-24). Чаще всего это удавалось для -у- и б-лактонов, но таким же образом были синтези-

В ходе расщепления протон растворителя сольватирует образующийся карбанион. Очевидно, что эта сольватация асимметрична, поскольку молекула растворителя уже находится с фронтальной стороны карбаниона еще до образования связи между карбанионом и протоном; когда же эта связь фактически образуется, естественно, сохраняется первоначальная конфигурация. В протонных растворителях, например в диэтиленгликоле, наблюдается в значительной степени обращение конфигурации; это связано с тем, что здесь уходящая группа сольватирует карбанион, поэтому растворитель может сольватировать карбанион со стороны, противоположной уходящей группе:

Поэтому при образовании связи С—Н происходит обращение конфигурации. В полярных апротонных растворителях, подобных диметилсульфоксиду, наблюдается рацемизация. Карбанион в этих случаях имеет относительно большое время жизни и сольватирован симметрично.

Реакции, протекающие но механизму SN2, замедляются при использовании протонных растворителей (например, воды, муравьиной кислоты, спиртов и др.). Эти вещества способны образовывать водородные связи с анионом-нуклеофилом, тем самым значительно снижая его реакционную способность.

Таблица 11. Характеристика некоторых протонных растворителей

Кислотность или основность может также меняться при переходе от протонных растворителей к апротонным, поскольку при этом меняется характер сольватации анионов (понятно, что в апротонном растворителе невозможно образование водородных связей) [121]. Этот эффект может быть очень резко выражен; так, в диметилформамиде пикриновая кислота сильнее, чем НВг [122], хотя в воде НВг намного сильнее. Подобное явление может быть связано с размерами ионов: большой ион (О2Ы)зСбН2О~ лучше сольватируется молекулами диметилфор-мамида, чем маленький ион Вг~, тогда как в протонном растворителе, например в воде, Вг~ лучше сольватируется маленьким неэкранированным протоном [123]. Кислотность или основность может меняться даже при переходе от одного апротонного растворителя к другому. Например, по отношению к 2,4-дини-трофенолу порядок силы оснований имеет вид: Bu3N>Bu2NH> >BuNH2 в хлорбензоле, Bu2NH>Bu3N>BuNH2 в бензоле и Bu2NH>BuNH2>Bu3N в дибутиловом эфире [124]. На кислотность или основность оказывает также влияние ионная сила растворителя, так как в зависимости от нее меняются коэффициенты активности.

3. Сверху вниз в группах периодической системы нуклео-фильность возрастает, хотя основность падает. Так, обычный порядок нуклеофильности галогенидов выглядит следующим образом: 1~>Вг~>С1~>р- (хотя, как будет показано ниже, этот порядок зависит от природы растворителя). Аналогично любой серосодержащий нуклеофил сильнее соответствующего кислородсодержащего аналога, и то же справедливо для соединений, содержащих фосфор и азот. Главная причина различий между основностью и нуклеофильностью заключается в следующем: меньшие по размеру отрицательно заряженные нукле-офилы лучше сольватированы обычными полярными протонными растворителями, т. е. поскольку отрицательный заряд С1~ по сравнению с 1~ более сконцентрирован, первый более плотно окружен оболочкой молекул растворителя, которая образует, барьер между нуклеофилом и субстратом. Это особенно важно для полярных протонных растворителей, молекулы которых могут образовывать водородные связи с нуклеофилами небольшого размера. В качестве доказательств можно привести следующие факты: многие реакции нуклеофильного замещения с участием небольших отрицательно заряженных нуклеофилов значительно быстрее происходят в полярных апротонных, чем в протонных растворителях [260], и в ДМФ — апротонном растворителе — порядок нуклеофильности галогенид-ионов имеет следующий вид: С1~>Вг~>1- [261]. В другом эксперименте, проведенном в ацетоне, в качестве нуклеофилов были использованы Bu4N+X- и LiX (где Х~ — галогенид-ион). Ассоциация галогенид-иона в первой соли значительно ниже, чем в LiX. Относительные скорости реакций с участием LiX составили для С1- 1, для Вг- 5,7 и для I- 6,2; это нормальный порядок, тогда

ходном состоянии этот заряд более делокализован, чем в исходном соединении, и повышение полярности растворителя замедляет реакцию. Между протонными и апротонными растворителями даже примерно одинаковой полярности существуют различия. SN! -Реакции неионизированных субстратов быстрее идут в протонных растворителях, которые могут образовывать водородную связь с уходящей группой. Примерами протонных растворителей могут служить вода, спирты и карбоновые кислоты, а к полярным апротонным растворителям относятся диметил-формамид (ДМФ), диметилсульфоксид [323], ацетонитрил, ацетон, диоксид серы и гексаметилфосфортриамид (Me3N)2PO (ГМФТА), называемый также гексаметилтриамидофосфатом [324].

двух стадий. Более того, в тех случаях, когда основания действительно являются катализаторами, их каталитическое действие проявляется только при низких концентрациях: график зависимости скорости от концентрации основания показывает, что скорость быстро растет при добавлении малых порций основания до достижения определенной концентрации, после чего дальнейшее добавление основания не оказывает заметного влияния на скорость. Такая зависимость, в основе которой лежит эффект разделения (см. т. 2, разд. 11.1), также служит доказательством в пользу механизма ЗыАг. В условиях низкой концентрации основания каждое добавление небольшой порции основания, повышая скорость стадии 2, увеличивает относительную долю интермедиата, которая превращается в продукт, а не претерпевает обратное превращение в реагенты. При высокой концентрации основания процесс фактически заканчивается: обратное превращение в реагенты очень незначительно и определяющей скорость становится стадия 1. Предметом исследования был только катализ основаниями стадии 2. В случае протонных растворителей было сделано два предположения. Первое состоит в том, что стадия 2 в действительности представляет собой две стадии: лимитирующее депротонирова-ние молекулы 3 и последующий быстрый отрыв X, при этом катализ основанием заключается в повышении скорости стадии депротонирования [10]:

Муравьиная кислота используется в красочной и резиновой промышленности, а также в пищевой промышленности как консервант. Она уничтожает зародыши микроорганизмов и, следовательно, обладает бактериальным действием. Диметиламид муравьиной кислоты, диметилформамид, ДМФ [НСОМ(СН3Ь], широко используется как растворитель, а также в качестве реагента для введения альдегидной группы в ароматические соединения. Диметилформамид и диметилсульфоксид (разд. 6.2.7.2) относятся к группе биполярных апротонных растворителей, т. е. растворителей, которые очень полярны и не отщепляют— в отличие от протонных растворителей — протоны.

Плотная "положительная" сольватиая оболочка (например, из молекул воды, ориентированных атомами водорода к иону) протонных растворителей понижает ВЗМО малых анионов. "Отрицательная" сольватиая оболочка (молекулы соды ориентированы атомами кислорода к иону) повышает энергию НСМО малых катионов. Следовательно, жесткость малых ионов можно рассматривать как "приобретенную". Кроме того, малые ионы приобретают жесткость в начале кислотно-основной реакции при прямом взаимодействии с партнером, электростатическое поле которого оказывает стабилизирующее влияние, подобно влиянию протонных растворителей.

Таблица 11. Характеристика некоторых протонных растворителей

полярных апротонных растворителей относятся ацетон, ацето-

ности протонных растворителей. К этой категории растворите-




Протекают значительно Плавления соответственно Противоположном направлении Противоположную конфигурацию Промышленных реакторов Плавления сополимера Протонными растворителями Протонного растворителя Прототропной таутомерии

-
Яндекс.Метрика