Исследование механизма нуклеофильного присоединения к замещенным 2,3-дигидро-2,3-пирролдинам тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

ПЕРМСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ А. М. ГОРЬКОГО

На правах рукописи

ПЕРЕВОЗЧИКОВ Леонид Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА НУКЛЕОФИЛЬНОГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ К ЗАМЕЩЕННЫМ 2,3-ДИГИДРО-2,3-ПИРРОЛДИОНАМ

(02.00.03 — органическая химия)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Пермь — 1992

Работа выполнена на кафедре органической химии Пермского фармацевтического института

Научные руководители: доктор химических наук,

профессор Авдрейчиков Ю.С., кандидат химических наук Козлов А.П.

Официальные оппоненты: доктор химических наук,

старший научный сотрудник Якимович С.И. доктор химических наук, црофессор Танасейчук Б.С.

Ведущая организация - Уральский государственный университет, г. Екатеринбург.

Защита состоится "25_". февраля 1992 года в 15 часов на заседании специализированного совета К 063.59.04 в Пермском ордена Трудового Красного Знамени государственном университете и«м А-М. Горького по адресу: 614600, г.Пермь, ГСП, ул.Букирева,

'15, ПГ*.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПТУ

Автореферат разослан "22" января 1992 г.

Ученый секретарь специализированного

совета, кандидат химических наук, ^ п

старший научный сотрудник С Е.В. Кузнецова

Общая характеристика работы

Актуальность теш. Химия замещенных 2,3-дягздро-2,3-пир-ролдионов давно привлекает внимание исследователей. Наличие в соединениях этого типа нескольких реакционных центров делает розгалшой атаку нуклеофильных реагентов по карбонильным атомам углерода в положениях 2,3 и по винильнсму углероду в положение 5 цикла. Направление атагси обусловлено характером реагента и заместителей в цикле. Результатом нуклеофильных реакций являются различные циклические и ациклические продукты, г/яогие из которых проявляет различные виды биологической активности.

В настоящее время имеются ограниченные сведения, касягтае-ся количественных характеристик реакционней способности замокеп-шгх 2,З-дигпдро-2,3-пнрролдиснсв.

В качестве объекта исследования выбраны реакции 4-аропл-2,3-дпгидро-2,3-пирроддионов с рядом гидроксилсодерягащих нук-лэсХнлов (вода, спирты), которые быстро и практически необрати-; ю присоединяются в палежзипв 5-цикла, то есть гуклеофильное пэпсоздипеже осуществляется по виггильноту центру, активированной/ арегльпей группой.

Реакции пуклеофильпого винилъного замещения и прпсссдчке--- это весьма молодая и интенсивно расЕизакгэяся область органической химии. Поэтетг/ нуклеофпльныо реакции 2,З-днгпдро-2,2— Шфролзионсз интересны и с точки зрения расс-зроЕПЯ зимний в о-гоЗ области.

Исходя из указанных предпосылок, исследование особенностей нуклеофильных реакций 4-аронл-2,3-дипцтро-2,З-пирролднсноэ Mo.-r.no считать актуальным как с теоретической, тая и с практической точек зрения.

Пе,ть работы. 1. Исследование кинетическим методом мэхаизз-:/л реакции 4-ароил-2,3-дигпдро~2,3-пирролдпснов с водей и борп-ей спиртов. 2. Изучение влияния среды, электронных и .пространственных факторов на особенности протекания реакции. 3. Исследование особенностей катализа в Еысеуказашшх роакцикх.

Научгая новизна. Впервые изучена кинетика реакции 4-арснл-2,3-дигидро-2,3-пирролдионов с водой и серией алифатических и ароматических спиртов. Исследовано влияние заместителей в субстрате и нуклеофильном реагенте на механизм реакции. Изучено влияние электронных и пространственных факторов на■особенности протекания реакции. Исследовано и обсуддено влияние специфической и ¡«специфической сольватации на механизм реакции. Изучеш

особенности катализа карбоновыми кислотами. Предложены схем некаталитического и каталитического присоединения воды и спиртов в положение 5 цикла 4-ароил-2,З-дигидро-2,З-пирролдионов.

Научная и практическая значимость. Впервые предложен механизм реакции замещенных 4-ароил-2,З-дигидро-2,З-пирролдионов с водой и спиртами. Результаты кинетических исследований могут быть использованы для интерпретации механизмов реакции ароил-пировиноградных кислот и их производных с нуклеофильныш реагентами. Благодаря изучению механизма катализа расширена область применения бифункциональных катализаторов.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 статей в центральной печати.

Апробация. Результаты работы доложены на 1У Всесоюзной конференции "Азотсодержащие гетероциклы" Новосибирск, 1987 г, на 1 и П Уральских конференциях "Енамины в органическом синтезе" Пермь, 1986, 1991 г., на итоговых научных конференциях профессорско-преподавательского состава Пермского фармацевтического института 1986, 1987, 1991 гг.

Объем и структура работы. Диссертационная работа общим обьемом 128 страниц машинописного текста состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов собственных исследований, экспериментальной части и выводов, содержит 8 рисунков, 23 таблицы. Список литературы включает 174 наименования работ отечественных и зарубежных авторов.

Содержание работы.

1.Исследование реакции 1-арил-4-ароил-5-метоксикарбонил-2,З-дигидро-2,З-пирролдионов с нуклеофильныш реагентами.

' С целью изучения механизма исследована кинетика взаимодействия 1,4,5-замещенных 2,З-дигидро-2,3-пирроддионов (1а-И) с водой и спиртами (Па-л) в среде апротонных растворителей. Реакция осуществляется по 5-ому атому углерода пиррольного цикла и приводит к продукту присоединения по схеме (1):

плсда^о + ^ п-^С^оСН0 *>

н^оос-у*0 ЛпгТ

слк н*соос сдк

I а-и О а-л

I Е = Н: 0СН3(1а), СН3(1б), II (1в), СИ1г), Вг(1д), И02(1е)

= Н: й = а-0СН3(1л£), л-СН3(1з), л- М02(1и) П. Н (Па), СН3(Пб), С2Н5(Пв), (СН3)2СН(Пг), (СН3)3С (Цд), С6Н5СН2(Пе), (х-СН30С6Н4СН2№), [Л-СН30С6Н4СН2(Пз), П-ВгС^СН^Пи), м-да2С6Н4СН2(Пк), п-К02С6Н4СН2(1Ы)

Выражение для наблюдаемой константы скорости в условиях катализа имеет вид: - + . где -некаталитическая

константа скорости, совпадающая в отсутствие катализатора с

[л/(моль-с)] , -кислотно-каталитическая константа скорости [ л^/(мсшЛ с)] , т - концентрация катализатора (моль/л).

1. Электронное влияние заместителей в субстрате, реагенте и катализаторе на скорость реакции.

Результаты исследования некаталитической и катализируемой уксусной кислотой реакций пирролдионов (1а-в,д,е), содержащих переменные заместители в 4-ароиле, с серией замещенных бензило-вых спиртов (Пе-л) обработаны по уравнению Гаммета (2,3)

где ^ и - параметры чувствительности частных реакционных серии к влиянию заместителей и й-,, соответственно для бензиловых спиртов (Пе-л) с фиксированными заместителями ^ и пирролдионов (1а-в,д,е) с постоянными заместителями .

На рис. 1 представлена типичная зависимость {(^ & - (5^. некаталитической реакции для различных бензиловых спиртов.

Рис.1. Корреляция с (-константами заместителей Я ¡, для реакции пирролдионов (1а-в,д,е) с бензиловыми спирта-га (Пе-л) в толуоле при 25 °С. Нумерация точек соответствует номерам соединений в схема 1, а нумерация линий - номерам нуклеофилов в табл. 1.

01 04 0.6 0.8

Результаты интерпретированы с позиций течения реакций через циклическое переходное состояние с предварительной ассоциацией реагентов (схема 4).

0 СбНцСНаР-Н-0

Л-^СбНчС-,;-рО „„„„,,„„ 1С«. п-ЙЗДС-г-рО

] Го + МЖСДОН = | Г 4)

сьи5 с6и5

Очевидно, что прочность водородной связи,'оцениваемой величиной К0„ , будет возрастать при введении электронодонорных

¿1С •

заместителей й;, в основание шш электроноакцепторных заместителей ^ в протонодонор.

Наблюдаемые значе1шя ¿¿и могут быть выражены уравнением -1С (5)

Константы описывают одноактный согласовшшый процесс

и включают в себя информацию о предварительной ассоциации реагентов. Наблюдаемые параметры ^ состоят из двух слагаемых

и ^[¡^ где характеризует скорость превращения

ассоцпата в конечные продукты реакции через циклическое переходное состояние А. При этом ^ ■ ас должно быть отрицательно по знаку, ) - положительно. При сопоставимых вкла-

дах Као и в наблюдаемые константы скорости íljo во-

зможны нелинейные зависимости в параметрах уравнения (2) (рис. 1). Обсуждаемая зависимость была разбита на два участка с отрицательными и положительными значениями Р- , соответственно ( (табл. 1). "

При увеличении электроноакцепторных свойств заместителей В^, в спиртах (Пе-л), где наибольший вклад в наблюдало

емые значения констант скорости

О*

■ СеНА-п

р.-0 7

П

о

н3соос

г

С6Н5

вносит Кас (электронодонорныэ Я; ), наблюдается возрастание их абсолютных величин. Обратная тенденция наблюдается А для положительных .

Результаты обработки данных по уравнению (3) представлены в табл. 2. Параметры^ Р,, 1 также должны состоять из двух слагаемых ас и ^ ' ^¡¿о )• Невысокие значения у? обусловлены тем, что электроноакцепторные заместители , с одной стороны, уменьшают нуклеофильную реакционную способность спиртов, с другой - увеличивают ее за счет возрастания значений Кас , что облегчает перенос протона в переходном состоянии А и равнозначно внутримолекулярному общему основному катализу.

Параметры корреляции £¿¿,„-6^ для некаталитической реакции 1-фенил-4-К-и -ароил-5-кетокся-карбонил-2,3-дигидро-2,3-пгрролдионсв (1а-в,д,е) с бен-эиловкми спиртами В^СцН^СНдОН (Пе-л)

нуклео-гг.ила Р1 -ь Й • Т п

1 П-СНдО 0.96 0.28±0.02 0.997 0.011 4

о м-сн30 1.15 0.25±0.09 0.941 0.050 4

3 н 1.07 0.27±0.07 0.983 0.038 4

4 п-В-г 1.58 0.18^0.07 0.938 0.037 Ч

5 г.НЮ2 1.69 0.16±0.03 0.985 0.016 4

6 г-К02 1.67 0.10^-0.07 0.907 0.042 'X

1 '

Примечание. Значения 0- вычислены по двум экспериментальным точкам (рлс.1).

Таблица 2

Параметры корреляции ¡у к^ц - для

псха?алг.?::ческой решзцш 1-*з!;лл-4-1!;,-ароил-5-г9токс:!-карбонпл-2,3-дигпдро-2,3-гирродционов (1а-в,д,е) с бен-зиловыми спиртами К^Н^С^ОН (Не-л)

к г 5 п

ОоК, 1.058 1.00*0.12 0.973 0.099 6

сн3 0.947 1.08*0.12 0.977 0.099 6

К 0.930 1.09*0.10 0.984 0.082 6

Вг 1.037 1.12*0.10 0.985 0.081 6

"°2 1.156 1.12*0.06 0.994 0.053 6

Линейные корреляции К^о-б^ являются следствием преобладающего вклада констант скорости в наблэдае-

мые константы скорости (уравнение 5).

Из табл. 3 для катализируемой уксусной кислотой реакции следует, что для всех заместителей Е^, корреляция {<£ ки^-6'1 линейна, значения параметров ^ положительны, невелики по абсолютной величине и в пределах реакционной серии меняются незначительно.

Таблица 3

Параметры корреляции б"(, для

катализируемой уксусной кислотой реакции 1-фенил-4- К— арокл-5-метоксикарбонил-2,З-дигидро-2,3-пирролдионов (1а-в,д,е) с бензиловыми спиртами Е:СйН4СНоОН (Пе-л)

нг ь Г Б п

п-сн3о 1.073 0.58*0.02 0.998 0.019 5

м-СНдО 0.995 0.53*0.02 0.998 0.017 5

н 1.027 0.55*0.06 0,985 0.047 5

г.-Вг 0.883 ' 0.57*0.04 0.993 0.032 5

и -К02 0.851 0.53*0.08 0.969 0.065 5

п-К02 0.844 0.45*0.05 0.978 0.046 5

Эти данный согласуются с реализацией бифункционального таутомерного катализа п течением реакции через циклическое переходное состояние Б. В каталитическом процессе при реализации структуры Б ,и перераспределении электронов по циклу наиболее существенное значение имеет образование связи 0-С, которому благоприятствуют

1">

*

ТО" •м*

ньсоос Б

¿Л

электроноакцепторные заместители Н^ в пирролдионах. Незначительные изменения ^ в пределах серии, по-видимому, СН^р

обусловлены компенсационным эффектом противоположного влияния заместителей на ассоциацию катализатора и субстратов (1а-в,д,е) и образование связей Н-0 и 0-С в циклическом переходном состоянии Б.

На возможность тройной ассоциации субстрат-катализатор-нуклеофил, предшествующей циклическое переходному состоянии Б, указывают данные для каталитической реакции в параметрах уравнения 3 (табл. 4).

Параметры корреляции ^¡ь" •л:ля катализиРУзм°й уксусной кислотой реакции 1-фенил-4-К;,-ароил-5-метоксикарбо-нил-2,3-дигидро-2,3-пирролционов (1а-в,д,е) с бензиловшли спиртами Иь СдНдСНоОН (Пе-л)

П-Иь -у; Г & п

СН30 0.889 0.23±0.06 0.883 0.050 6

сн3 0.897 0.21±0.06 0.875 0.047 6

н 0.988 0.29-0.05 0.949 0.041 6

Вг 1.155 0.21-0.05 0.918 0.039 6

но2 1.446 0.32±0.05 0.954 0.040 6

СН30 0.890 0.45±0.11 0.942 0.034 4а

сн3 0.898 0.45±0.09 0.964 0.026 4

н 0.990 0.51^0.09 0.968 0.028 4

Вг 1.156 0.44-0.06 0.979 0.019 4

но2 1.446 0.47±0.05 0.989 0.015 4

Примечание. аПри обработке исключены данные для Р.: =п-\'.02> м-Ж)2.

Корреляцию в случае обработки данных для

всех спиртов (Пе-л) можно считать неудовлетворительной, что обусловлено аномальным увеличением скорости реакции в случае сильных электроноакцепторных заместителей Иг, в бензпловых спиртах. При исключении результатов для = м-Л02(Пк) и л-КС^Ел) корреляция заметно улучшается. Увеличение скорости реакции в случае электроноакцепторных заместителей, по-видимому, обусловлено образованием стабильного тройного ассоциата (схеш 6).

II пппп' п г/ *

Е Н НзСООС СА

0-Н-0СНаС6Ннйь 1 '

Йа-С

О-Н-О п-^С^С-п-рО

-8-

о

Константы реакции (табл.4) невелики по абсолютному значению . Их величины заметно ниже, чем для некаталитической реэ-кцик (табл.2), что характерно для бифункционального катализа. В пользу бифункционального катализа также свидетельствует значительное уменьшение скорости реакции в диоксане, чем в толуоле, и полная неэффективность в реакциях данного типа как катализатора 3,4-ди-нитрофенола - монофункциональной кислоты по силе близкой к уксусной.

2. Пространственное влияние заместителей в реагентах на скорость реакции.

Введение одного и особенно двух орто-заместителей в арильньш заместитель при атоме азота пирродционоз приводит к резкому уменьшению скорости присоединения метанола. В связи с этим было исследовано влияние заместителей Ej, в нуклеофилах (Пб-е) на особенности присоединения спиртов к соединениям (1а,в,е).Кинетика реакции изучена в толуоле как в отсутствие катализаторов, так и с каталитическими добавками уксусной кислоты.

В ряду спиртов от метанола к трет-бутанолу, несмотря на возрастание положительного индуктивного эффекта заместителя Е| , скорость присоединения постепенно падает. Получить удовлетворительные корреляции для ЦЛ0и í(jAac константами Тафта (э* ,Е$ не удалось. Но для исследованных спиртов Ig. feo и fea удовлетворительно коррелируют с пространственными константами Es заместителей Rj,, учитывающими гиперконьюгационное влияние связей С-Н и С-С в заместителях. Параметры корреляции представлены в таблице 6.

Таблица 6

Параметры корреляции íjk ~Ej для некаталитической(1) и катализируемой уксусной кислотой(2) реакций пирроддионов(1а,в,е) со спиртами (Пб-е)

№ реакции n.-R¡. la-lu + зт, ИЛИ t^^aWla) д - 1 S

1 0СН3 2.62 0.91*0.08 0.988 0.13

Н 2.50 0.87*0.07 0.989 0.12

no2 2.71 0.76*0.09 0.978 0.15

2 0CH3 1.32 0.64*0.08 0.983 0.06

Н 1.43 0.67*0.09 0.982 0.Ü6

no2 1.75 0.69*0.10 0.977 0.07

Эти результаты свидетельствуют о том, что нуадеофильная реакционная способность спиртов для исследованной реакции определяется пространственными эффектами заместителем к^,.

Для исследованной реакции константы § весью велики по абсолютной величине (табл.6). Для некаталитической реакции значения §

близки к 1, т.е. приближаются к значению § для стандартной реакционной серии гидролиза сложных эфиров, использованной Тафтом для оцределешш стерических констант. Значение В некаталитической реакции минимально для наиболее реакционнослособного субстрата (le), где переходное состояние сдвинуто в сторону реагентов. По этой re причине значения ó для реакции, катализируемой уксусной кислотой, значительно меньше, чем для нокаталлтической реакции, но мало зависят от характера заместителя R¡, .

Таким образом, значительное экранирование окрунающимл заместителями реакционного центра в субстратах (1а-е) приводит к тому, что электронное влияние заместителей на нуклесфильную реакционную способность реагентов проявляется лишь при небольшом объема этих заместителей (вода, метанол).

Эффективность клтализа реакции уксусной кислотой является наибольшей для менее реакционноспособных реагентоз, независимо от факторов, определяющих нуклеоГ'.шьнун реакционную способность.

3. Влияние характера растворителя на механизм присоединения и особенности катализа карбоновыми кислота-.1;!.

На возможность реализации циклических переходных состояний помимо структуры реагентов существенное влияние оказывает" тше-'.э среда. Поэтому изучена кинетика реакции пирролднонсв (la-e) с мэ-танолом в сери;: апротоннш: нзспецпрически сольватирутощих растворителей различной полярности, включающих циклогексан, хлорбензол, нитробензол и их смеси, а тагего в дисксане и толуоле.

Jlflsi количественного учета полярных свойств среды и структурных изменений в субстрате на cicopoc.j реакции кинетические данные обработаны по уравнениям .Сирквуда (7), Гаммета (8) и перекрестной корреляции (9): --4L (Щ {?)

(8)

^ hí - tj + + &H (íity.s + )$ (9),

где индексы H и г. относятся соответственно к стандартному заместителю (атом водорода) и к стандартной среде (газовая фаза); -параметр, характеризующий чувствительность реакции в среде ■S к влиянию заместителей S¡_; -параметр, характеризующий чувствительность реакции к полярности среды.

Установлено, что уравнение 'Сирквуда удовлетворительно соблюдается только для неспецифически сольватирующих растворителей. Для значений íü в толуоле и диоксане (рис. 3) на-

блюдаются значительные отрицательные отклонения для линейных зависимостей, что свойственно для реакций, идущих через циклические переходные состояния.

la le Itala ala olí,

10

0.5

02

03

01

05

(fi^)s

-02 Ó 0.Х Ó.H 06 Ó.& di

Рис.3. Зависимость скорости реакции пирролдионов (1а,в,е) от функции Кирквуда, 25 °С. Номера точек соответствуют номерам соединений в схеме 1.

Рис.4. Зависимость скорости реакции пирролдионов (1а,в,е) с метанолом от значений б";, 25 °С. Номера точек соответствуют номерам соединений в схеме 1,- номера линий - порядковым номерам растворителей, где 1-толуол; 2- диок-сан; '3-хлорбензол-циклогексан,1:1; 4-хлорбензол; 5-нитробензол-хлор-бензол, 1:3; 6-нитробензол.

Растворители, склонные к специфической сольватации, затрудняют образование циклических переходных состояний, что приводит к уменьшению скорости реакции. Толуол для исследуемой реакции (рис.3) проявляет свойства слабого специфически сольватирующе-го растворителя.

Значительные по абсолютной величине отрицательные значения параметров (табл.7) соответствуют обычно наблюдаемым при

образовании пяти- и шестичленных переходных состояний.

Для неспецифически сольватирующих растворителей (табл.7, рис.3) уравнение Кирквуда соблюдается во всем диапазоне изменения £ среды, что указывает на однородность механизма реакции.

С другой стороны, как и дая реакций пирролдионов (1а-е) с водой и спиртами в толуоле, уравнение (8) не соблюдается для

Параметры зависимости констант скорости реакции 1-фендл-4- (4-Н|,-бензоил )-5-метоксикарбонил-2,3-дигидро-2,3-пирродционов с метанолом от функции Кирквуда (7), 25 °С.

прямой ■к Г 5

1 2 3 0СН3 н ;(о2 2.33 2.04 1.72 4.1±0.2 3.4±0.2 2.1±0.2 0.995 0.996 0.990 0.031 0.029 0.028

неспецифически сольватирующих растворителей малой полярности в диапазоне б 3.71-5.61 (рис.4). Удовлетворительная линейная корреляция наблюдается только для смеси нитробензола и мор-бензола,1:3 и нитробензола. Параметры корреляции соответственно равны: 0.38; ^ 0.28±0.003, 0.35±0.С6; г 0.993,

0.981; 5 0.026, 0.052. Увеличение значений при возрастании £ находится в соответствии с представлениями о влиянии среды на образование циклических переходных состояний. Значения невелики по абсолютной величине, что обусловлено малой полярностью переходных состояний и компенсационным эффектом противоположного влияния заместителей на процесс образования связи 0-С при нуклео'Тяльной атаке и водородной связи. В галопояярных средах (рис.4) зависимость значений от б"; и;.йет вид ломаной линии с минимумом, близким к незамещенному соединению.

Обработка данных по уравнению перекрестной корреляции (уравн. 9) привела к следующим результатам:

Ь ^ = 0-02 - 0.46 б- - 3.28 +

Г 0.968, 5 0.071 Величина Л , которая является мерой интенсивности влияния полярности среди на передачу эффектов замэстителей и вычисляется из коэффициента при перекрестном члене Л = . свидетельствует о значительном взаимодействии варьируемых факторов (структура-среда) для исследуемой реакции.

Используя параметры уравнения (9) была рассчитана изопара-метрическая точка: (§5-^)2 = 0.279, находящаяся Еблизи экспериментально изучаемой области. Явление изопараметричности по растворителю связано, по-видимому, с известным процессом упроче-

ния водородных связей при уменьшении полярности среды.

Закономерности, выявленные при использовании в качестве катализатора уксусной кислоты, характерны для случаев течения реакций через циклические переходные состояния, что подтверждает бифункциональную природу катализа. Уравнение (7) выполняется только для неспецифически сольватирующих растворителей (рис.5).

1 , Рис.5. Зависимость ско-

рости катализируемой уксусной кислотой реакции пирролдионов (1а,в,е) с метанолом от функции Кирквуда,25 °С. Номера линий соответствуют номерам соединений на схеме 1.

Параметры ^ (табл.8) имеют более высокие отрицательные значения, чем для неката-£-.|\ литической реакции.

д la

03 0.4 0.5

Таблица 8

Параметры зависимости каталитических констант скорости реакции 1—фенил—4— (4-К,,-бензоил)-5-метоксикарбонш1-2,3-дигидро-2,3-пирролдионов с метанолом от функции Кирквуда (7), 25 °С

Катализатор Ri i ^ir. -к г S

сн3соон 0СН3 3, .08 6. ,6±0. ,1 Ü.994 0. ,065

н 2 .69 5. .3*0. .1 0.999 0. .006

ко2 3, .28 5. • 0±0. .6 0.986 0. .076

Тенденция изменения величин б;, в зависимости от R¿ свойственна бифункциональному катализу. Значения невелики

по абсолютному значению (табл.9) и возрастают с увеличением £ среды, что согласуется с препятствием сольватации образованию циклических переходных состояний.

В отличие от некаталитической реакции пирролдионов (1а-е) с метанолом при катализе уксусной кислотой уравнение (8) соблюдается для всех исследованных растворителей. Большие, чем для некаталитической реакции значения (табл.9) не являются указанием на более высокую полярность переходного состояния, а

свидетельствуют о наиболее существенном значении при образовании циклической структуры Б в катализируемой уксусной кислотой реакции возникновения связи 0-0 между нуклеофилом и субстратами (la-e), которой благоприятствуют электроноакцепторные заместители R¡, .

Табл!ща 9

Параметры уравнения Гаммета (8) для катализа уксусной кислотой реакции 1-^енил-4-(4-5.^-бензоял)-5-метоксикарбонил-2,3-дигидро-2,3-пирролдионов с метанолом , 25 °С

Растворитель Ij&HS Г &

толуол 0.46 0.54*0.02 0.999 0.016

хлорбензол-циклогексан, 1:1 1.09 0.65*0.19 0.957 0.152

хлорбензол 0.72 0.86*0.07 0.996 0.056

нигробензол-хлорбензол.^З 0.42 0.97*0.07 0.998 0.051

нитробензол 0.07 0.86*0.03 0.999 0.021

Расчет параметров уравнения перекр естной корреляции (9)

подтвердцает основные выводы: 1<^13 = 3.35 - 0.176- -6.68 + 2.28^

Г 0.972, 3 0.157

Отсюда =2.03, а изокинетическое значение функции Кирквуда 0.074. Для некаталитической реакции соответствующие значения этих параметров составляют 1.02 и 0.279. Явление изопарамзтрич-ности также связано с увеличением вклада Кас реагента и субстрата в наблюдаемые константы скорости при уменьшении полярности среды.

4. Влияние температуры на скорость реакции.

Для получения дополнительных сведений, позволяющих детализировать механизм присоединения воды и спиртов к пирролдиокам (I), была исследована температурная зависимость некаталитических и катализируемых уксусной кислотой реакций и на основании полученных данных рассчитаны активационные параметры реакции. Интер-

вал температур 15-35 °С, растворитель - толуол. Актквационнке параметры цредставлены в таблице 10.

Таблица 10

Значения энергии и энтропии активации для некаталитических и катализируемых уксусной кислотой нуклеофильных реакций 1-фенил-4-ароил-5-метоксикарбонил~2,З-дигидро-2,3-пирролдионов, толуол

1Ь п/п »-Кс некаталитическая каталитическая

у ккал ^а моль «Р кал Р ккал а моль кал

моль-град моль-град

н у к л е о ф и л - в 0 д а

1 СН30 8.33 42.5 3.1 50.9

2 Н 11.4 49.9 4.3 46.3

3 мо2 5.2 50.1 1.2 54.8

н у к л е о Ф И л - м е 1 а н о л

4 СН30 4.3 47.3 2.7 49.4

5 н 5.6 43.4 0.2 57". 4

6 6.3 40.5 1.4 38.5

н у к л е о ф и Л - И 3 0 п р о п а н о л

7 СН30 6.2 45.8 1.6 56.1

> 8 н 6.6 44.7 3.1 50. У

^ 9 ко2 3.9 52.5 0.6 56.8

Из таблицы следует, что для некаталитических реакции зна-

чения энергии активации Еа заметно ниже, чем это обычно наблюдается для бимолекулярных реакций. В зависимости от характера заместителя в субстратах и нуклеофилах значения Е„ меняются

I а

незначительно. Несколько большие значения Е„ соответствуют наименее реакционноспособному субстрату- воде.

Энтропии активации д й * принимают большие отрицательные значения, чем это свойственно бимолекулярным реакциям. В зависимости от компактности переходных состояний для бимолекулярных реакций дй* могут принимать значение от -10 до -50 э.е.

Наиболее характерное значение порядка -30 э.е.. По мере возрастания степени переноса протона циклические переходные состояния становятся более замороженными, причем, с ростом упорядоченности, понижается полярность переходных состояний. Для некоторых реакций, например, с участием уксусного ангидрида или тиофенилацетата, идущих через шестичленные циклические переход-

1Ш8 состояния' д принимают значения даже порядка - 70 э.е.

В настоящем случае лЗ^ имеют значения в пределах -40.5 + -52.5 э.е., что также соответствует реакциям, идущим через циклические переходные состояния.

Для каталитических реакций (табл. 10) по сравнению с некаталитическими значения Еа заметно понижаются. В то же время значения или принимают несколько большие отрицательные значения, или практически не изменяются. Таким образом, каталитический эффект в настоящем случае обусловлен преимущественно эн-тальпийным выигрышем, что для реакций подобного типа встречается достаточно редко. Обычно наблюдают так называемый энтропийный выигрыш, т.е. каталитическая реакция характеризуется меньшими по абсолютной величине отрицательными значениями дЗ^, чем некаталитическая. Тем не менее, полученные значения дЗ^ и За весьг.а характерны для бифункционального катализа и полностью соответствуют полученным ранее данным.

ВЫВОДЫ

1. СпектрО'Ътометрическим методом при 25 °С в растворителях различной полярности и сольватирующей способности исследована кинетика каталитической и некаталитической реакции 1-арил-4-арсил-5-метоксикарбонил-2,З-дигидро-2,3-пирролдионов с водой

и различным! спиртами.

2. Установлено, что некатализируемое присоединение кислородсодержащих нуклеофильных реагентов по положению 5 гетероцикла осуществляется через циклическое переходное состояние, на что указывает анализ данных о зависимости скорости реакции от характера электронного влияния заместителей в субстрате и реагенте,

а также от природы растворителя, и соответствующая обработка результатов по /равнениям Кирквуда, Гаммета и перекрестной корреляции .

3. Показано, что нуклеофильная атака на винильный реакционны;! центр 1-арил-4-ароил-5-метоксикарбонил-2,З-дигидро-2,3-пирролдионов находится в высокой степени зависимости от объема заместителе;'! в реагентах и 1-арильном фрагменте субстрата.

4. Установлено, что карбоновые кислоты в изучаемых реакциях проявляют себя как таутомерные бифункциональные катализаторы, о чем свидетельствует обработка данных о зависимости скорости реакции от электронного влияния заместителей в субстратах, реагентах и катализаторах и от природы растворителей по уравнениям

Гаммета, Кирквуда и перекрестной корреляции.

5. Найдено, что с понижением значений рКа катализаторов механизм катализа меняется от бифункционального до общего кислотного, что приводит к обращению реакционной способности субстратов.

6. Показано, что образованию циклических переходных состояний для некаталитических и катализируемых карбоновыми кислотами реакций предшествует соответствующая ассоциация реагентов или образование тройного ассоциата субстрат-реагент-катализатор.

7. Термодинамические параметры, рассчитанные для интервала температур 15-35 °С, подтверждают течение каталитической й некаталитической реакций через циклическое переходное состояние и бифункциональную природу катализа карбоновыми кислотами.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Козлов А.П., Перевозчиков Л.А., Масливец А.Н., Смирнова Л.И., Андрзйчиков Ю.С..Исследование механизмов реакций 1,3-дикарбо-нильных соединений с нуклеофилышмп реагентами. 1У. Кинетика гидратации 4-ароил-5-ыетоксикарбонил-1-фенил-2,3-дигидропир-рол-2,3-дионов в толуоле // КОрХ. 1987. Т. 23. Вып. 10.

" С. 2227-2232.

2. Козлов А.Г1., Перевозчиков Л.А., Масливец А.Н., Смирнова Л.И., Андрейчиков Ю.С. Исследование механизмов реакций 1,3-дикарбо-нильных соединений с нуклеофильными реагентами. У. Кинетика присоединения спиртов к 4-ароил-5-метоксикарбонил-1-фенил-

2,З-дигидропиррол-2,3-дионам // ЖОрХ. 1988. Т. 24. Вып. 10. С. 2198-2204.

3. Козлов А.П., Перевозчиков I.A., Андрейчиков Ю.С. Исследование механизмов реакций 1,3-дккарбокильных соединений с нуклео-фильнымл реагентами. У1. Влияние сольватации на механизм присоединения метанола к 4-ароил-5-метоксикарбонил-1-фенлл-2,З-дигидропиррол-2,3-дионам // ÜOpX. 1989. Т. 25. Вып. 2.

С. 398-402.

4. Козлов А.П., Перевозчиков Л.А., Масливец А.Н., Андрейчиков Ю.С. Исследование механизмов реакций 1,3-дикарбонильных соединений с нуклеофильными реагентами. УП. Влияние характера растворителя на особенности катализа карбоновыми кислотами присоединения метанола к 4-ароил-5-метоксикарбонил-1-фенил-2,3-дигидропиррол-2,3-дионам // хЮрХ. 1989. Т. 25. Вып. 2. С.403-409.

5. Козлов A.1L, Перевозчиков Л.А., 1.!асливец A.ri., Андрейчи-ков Ю.С. Исследование механизмов реакций 1,З-дикарбонильных соединений с нуклеорильныьз! реагентами. УШ. Влияние заместителей в нуклеофиле и субстрате на кинетику реакции замещенных бензиловых спиртов с 4-ароил-5-метоксикарбонил-1-фенил-2,3- ' дигидропиррол-2,3-дионами // ¿ЮрХ. 1989. Т. 25 . Вып. 2.

С. 410-416.

6. Козлов А.П., Перевозчиков JI.А., Пасливец А.Н., Смирнова Л.И. Механизм присоединения нуклеопильных реагентов по енаминному фрагменту 4-аро1Ы-5-метоксикарбонил-1-фенил-2,З-дигидро-2,3-пирродционов // Тез.докл. 1 Уральской конференции "Енамины

в органическом синтезе". Пермь. 1986. С. 19.

7. Андрейчиков к!.С., Козлов А.П., Масливец А.Н., Красных О.Ц., Перевозчиков Л.А., Смирнова Л.И. Исследование механизмов термолиза и нуклеофильных реакций замещенных 2,3-дигидро-

2,3-пирролдионов // Тез.докл. 1У Всесоюзной конференции по химии азотсодер.тащих гетероциклических соединений "Азотсодержащие гетероциклы". Новосибирск. 1987. С. 221.

8. лозлов А.П., Перевозчиков Л.А., Масливец А.Н. Термодинамические параметры присоединения нуклеофилов по енаминному фрагменту к 4-ароил-5-метоксикарбонил-1~арил-2,3-дигидро-2,3-пирролдиопам // Тез.дом. П Уральской конференции "Енами-ны в органическом синтезе". Пермь. 1991. С. 48.

Исследование механизма нуклеофильного присоединения к замещенным 2, З-дигидро-2,3-гтирродционам

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

К печати 3.01.92г. Форм. бум. 60хЯ4 1/16 Печ.л.1,25 Тираж 100 экз. . Зак. 4

ПЕРЕВОЗЧИКОВ Леонид Александрович

Типография ПВВКИУ