Кинетика и механизм нейтрального гидролиза и алкоголиза активированных ацильных производных тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.15 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ч И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА

Химический факультет

На правах рукописи УДК 541.132:541.127

НЕВЕРОВ Алексей Анатольевич

КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ НЕЙТРАЛЬНОГО ГИДРОЛИЗА И АЛКОГОЛИЗА АКТИВИРОВАННЫХ АЦЙЛЬНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ

02.СЮ.15 - Химическая кинетика и катализ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва - 1991

Работа выполнена на кафедре химической энзимологии Химического факультета Московского государственного университета им. М.Б.Ломоносова.

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор А.К.Яцимирский

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор ".А.Дздалн

доктор химических наук, профессор Р.П.Тигер

Ведущая организация: Институт биоорганической химии АН СССР.

Защита состоится 4АЮИ9 1991 г. в 15 час. 00 мин.

на заседании специализированного совета Д 053.05.76 в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: П9899, ГСП, Москва, МГУ, Ленинские горы, Химический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Химического факультета МГУ.

Автореферат разослан " 40)" /110& 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат химических наук

О.А.Кост

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение нейтрального гидролиза и алкоголиза >жных эфиров и амидов представляет интерес ввиду важного биохимического 1чения этих процессов. Исследование механизмов таких реакций позволяет анализировать возможные пути их ускорения реализуемые в ферментативных ¡темах. Поскольку микросреда активных центров ферментов отличается от да водных растворов, значительный интерес представляет изучение кине-и данных реакций в зависимости от свойств среды. В то же время, вопрос определении кинетического порядка реакции по растворителю имеет важное чение, и, в случае его решения, развитые подходы могут быть распостра-ы на более широкий круг химических реакций.

Научная новизна. В работе исследована кинетика и уточнены механиз-реакций нейтрального гидролиза и алкоголиза активированных сложных ров и амидов. Рассмотрен вопрос о возможности определения кинетическо-порядка реакции по растворителю на примере сольволитических реакций льных производных. Проведен анализ влияния состава среды на скорости х реакций путем сопоставления эффектов для реакций, идущих через пере-ные состояния с различным характеров распределения зарядов.

Обнаружено каталитическое влияние ионов двухвалентных металлов на кцию сольволиза М-ацетилимидазола. Показано, что переход от водной ды к спиртовой приводит к значительному росту каталитической активнос-Этот эффект является первым в литературе примером электрофильного ка-иза ионами металлов сольволиза амидов, в которых отсутствуют дополни-ьные центры координации.

Практическая значимость. Работа выполнена в рамках темы "Разработ-научных основ получения и применения металлокомплексных и Сиооргани-шх катализаторов для создания новых технологических процессов", номер эегистрации 01870041733.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на [юренции молодых ученых химического факультета МГУ (Москва, 1988г.), хународном симпозиуме "Химическая физика ферментативного катализа" шш, 1987)

Публикации. По материалам диссертации имеется 5 публикаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора ¡ратуры (2 главы), экспериментальной части, изложения результатов ис-кзваний и их обсуждения (5 глав).заключения, выводов и списка цитируе-литературн, включающего ссылок. Работа изложена на /69 страницах топленого текста и включает /г таблиц и =го рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I■ КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ НЕЙТРАЛЬНОГО ГИДРОЛИЗА и АЛКОГОЛИ И-АЦЕТШГИМИДАЗОЛА •

Алкоголиз неактивированных амидов, типа ацетамида, также как их ш тральный гидролиз является очень медленным процессом. Оценка скорости с нолиза сн3сомнс2н5 дает величину 6-10"'3 М~1с~1(РегчзМ а.к. JAcз яз. л (1971)). Этим был обусловлен наш выбор в качестве объекта исследова! активированного амида - И-ацотилимидазола (Ао1ш), относительно котор известно, что он довольно легко подвергается нейтральному гидрол!

(Jencks И.Р. ,СаГТ1и1о J. tJ.Blol.Chem. 234, 1272 (1959)).

Мы установили, что скорость алкоголиза Aoim в сн3он и c2hsoh, Tai как и гидролиза определяется суммой скоростей трех маршрутов: нейтрального UR0H), основного UR0_) и кислотнс iroHj)/( [roh?] + к&), который обусловлен взаимодействием roh Uh) протонированной формой Aoim (ка).

Численные значения констант свидетельствуют о том, что в чист спиртах можно пренебречь вкладами кислотного и основного маршрутов в не людаемую скорость процесса.

Величины iR0H падают в ряду r=h>ch3>c2hs>H30-c,,hs (табл.1).

При изучении метанолиза Aoim в бинарных системах было обнарузш что даже небольшое количество апротонного растворителя (ch3cn) в зна^

Таблица I. Значения кинетических констант, аживационнш: паралетроб наблюдаема: порядков по roh (п) нейтрального солъволш ы-ацетшилидазола б различных средах при 25°С.

* ROH

N СРЕДА

АН*

п

кДк/моль

Дж/моль-К

I н2о

Z 60%h2o/ch3cn

3 СН3ОН

4 C2HsOH

5 изо-с„нэон

3,0

0,14

2,0

0,1

0,01

35,0±2,0 -195,0±5,0 6,0±0,2

37,0±2,0 -213,0±5,0

78,0±3,0 -53,0±7,О 5,Э±0,2

49,0±3,0 -176,0±7,0 6,1±0,3

льной стопе™ поникает скорость роогсции, в то время как лоОог.мппю прочного растворителя (c3hsoh) оказывает лишь .слабое воздействие. npoirop-эналыюе изменению концентрации сн3он.

Обработка этих и аналогичных данных для смесей h,o/ch3cn и hsoh/ch3cn в логарифмических координатах lgftHaf^-lgtROHi (рис. 1,2) по-зала, что скорость реакции (I) пропорциональна концентрации roh =h,ch3,c2hs) в шестой степени при взаимодействии с нейтральной формой Зстрата (табл.1) и во второй при реакции с протонированной формой Aolm

1С.2).

Поскольку добавлеше инертного растворителя может влиять на скорость зкции в результате изменения как концентрации реагента (roh), так и фосвойств среды, интерпретация наблюдаемого шестого порядка не одно-зчна. Однако, существует ряд аргументов в пользу того, что в данном ^чае порядок реакции по нуклеофилу по крайней мере не чувствителен к жтростатическим эффектам: диэлектрическая проницаемость среды падает 1 добавлении ацетонитрила к воде, но растет при его добавлении к этано-и остается практически постоянной в смесях ацетонитрил/метанол, но на-одземый порядок во всех этих случаях одинаков (табл.1).

Кроме того, наблюдаемый порядок не зависит от температуры (рис.1), а эчеше энтальпии активации не зависит от состава среды (табл.1). Это ззывает на чисто "энтропийный" характер разбавления нуклеофильного растите ля ацетонитрилом.

4пч

во

,-0

Я 3

о,"

1.8

ШОП) -4.0

S1

?.о d

1.J

1.5 1.8 2.0 ¿рСЦО)

¡.Г. Определение кинетических порядков (п) по спирта* для нейтрального '.оголила н-ацетилилидаэом в слесях Roн/cн3CN.

I. сн3он, 50°С; 2. сн3он, 25°С; 3. с2н5он, 50°С :.2. Определение кинетических порядков по воде в систеле н,о/сн3см б.«я 'ролиза н-ацетилилиЭазола (1) и Я-ацетилилидазолий-катиот (2) при 'С.

©

з

Корректность метода подтверждается тем, что для случая гидрол протонированной формы Aolin число молекул воды, вычисленное из дашшх разбавлению воды ацетош1трилом (рис.2) и равнЬе 2, совпадает с дани полученными независимо методом протонинвенторного анализа (Hogg J.

et.al. J.Ore.Chem. 42. 2459 (1977)). Участие ДВУХ МОЛОКУЛ ВОДЦ В ПСроХ

ном состоянии гидролиза N-ацетилимидазолий-катиона согласуется с пред женной ранее Дженксом структуры переходного состояния типа:

об-|i

СН3- С-f/oNH1"

: ^---1 (I

н/ X

Можно полагать, что найденные эффективные значения кинетических. 1 рядков указывают на число молекул нуклеофильного растворителя, входящи: переходное состояние реакции. Необходимость участия шести молекул г?он г жет быть объяснена образованием циклического переходного состояния видг

оа"

СН-,- С.........N'O'N.......Н.......о'

н

/Ч * (II)

н N Xя

;оч <

R V ^ \

N/

I

R

Этот механизм подтверждается почти линейной зависимостью скорос реакции от концентрации метанола в системе сн3он/с2н5он. В этом случ молекулы этанола способны встраиваться в цепь переноса протона.

Близкий механизм с четырьмя молекулами воды был предложен Хоггом д нейтрального гидролиза N-ацетилтриазола (Hogg J.L. et.al. j.org.cnem.a 4675 (1980)).

Построение молекулярной модели переходного состояния показывает, ч шесть молекул кон являются минимальным'числом, при котором образуется »

л

пряженная структура. Косвенным указанием на циклическое строение породного состояния служит также понижение порядка при протонировании зцетилимидазола, препятствующем образованию цикла. Передача протона к эдящей имидазольной груше Aolm является, возможно, характерной особен-стью сольволиза данного субстрата, объясняющей его аномально высокую акционную способность по сравнению со сложными эфирами, содержащими эдящие группы близкой основности.

КАТАЛИЗ СОЛЬВОЛИЗА N-АЦЕТИЛИММДАЗОЛА ИОНАМИ ДВУХВАЛЕНТНЫХ МЕТАЛЛОВ.

Нами было покзано, что ускорение сольволиза Aolm наблюдается в при-гствии не только протонов, но и ионов двухвалентных металлов i2+,n¡2+). Также как и протон, они способны образововать комплексы с [т обладающие повышенной реакционной способностью. Этот эффект обуслсв-i как сниисениемрК уходящей группы, так и повышением электрофильности 5страта вследствие индукционного эффекта катиона. Образо-ше комплексов ионов Zn2+ и n¡2+ с Aolm в водном растворе приводило к журентному ингибированию кислотного гидролиза N-ацетилишдазола ic.3), что свидетельствует о связывании иона металла атомом азота ими-зольного кольца.

эаботка экспериментальных данных по-зала, что комплекс Aolm с ионом Zn2+ ют константу диссоциации 3,46-Ю"2М юдвергается гидролизу с константой )рости 1,25-10~3с~1(25°С). Для комп-сса с ионом n¡2+ эти величины зны соответственно 7,28-Ю~3М и >7-10~4с-1; для иона водорода -¡M0"4M и 4,67-Ю~гс~1. Из этих )чений видно, что хотя связывание :т о ионами металлов увеличивает 5ильность амидной связи, но этот зект ниже чем в случае кислотного Рис.3. Влияние ZnCi, (0,1М)(о ) и ?ализэ. Так как каталитический эф- níci2 (0,2М)(а) на рж-ваВисилостъ ст ионов металлов обусловлен их гидролиза Acin (—), Z5°C. шсовой кислотностью, которая

дественно зависит от сольватации, представляло интерес сопоставить по-генгае да1шые с аналогичными результатами для наводных сред.

Нами было показано, что Znci, и níci, оказывают гораздо более силь-| каталитическое влияние на сольволиз Aclm в среде метанола (рис.4 и Уменьшение полярности среды приводит к усилению взаимодействия между

4наSi,C£

хлорид-анионами и ионом металла. Поэтому в метанольном растворе хло; цинка преимущественно существует в виде гпС1 Экспериментальные даш соответствуют механизму (2).

ZnCIа + СН3С01m

CH3COIm" InCI 2 МеОН> Р

(2)

где Kd=(3,4±0,6)-I0"2M и &=0,1С)20,015 с-1. Обнаружено также, что хлор! и ацетат-ионы являются активаторами метвнолиза Aoim в присутствии ZnCi ускоряя реакцию в десятки раз. По-видимому, роль хлоридаых и ацетат? ионов заключается ¡ ...-тировании метанолиза комплекса CH3C0imZnC

благодаря общеосновному или нуклеофилыюму содействию.

Зависимость скорости метанолиза Aclm от концентрации nici2 (рис. имеет более сложный характер, чем в случае ZnCia. Начальный участок сос ветствует образованию комплекса состава сн3со1т n¡2+ (Kd 1), который пс вергается метанолизу с константой скорости к. С ростом концентрации n¡c

0.08

0.06 -

0.02

о.оо

.015

.010

.005 -

о.оо ojo 0З0 o.io [Ztt&Jfl

.000

P-D.

□Ь

«а \

а

0

ё

Na

10 ■

"Ü

То "[Mili

Рис.4. Каталитическое влияние ZnCia на скорость летанолиза я-ацетилили-дазола, 25°С

Рис.5. Каталитическое влияние níci на скорость летанолиза п-ацетилили дазола, 25°С

в растворе начинает преобладать форма N¡01которая в результате конк; рентного образования соединения снцсипт^а +(К<1 2) приводит к ингибир ванию реакции. В результате математической обработки эксперимента'льш

данных были получены значения ь=(2,3±0,3)10"гс_1; ., = (9,1±2,50)-10

Кй 2=(1,64±0,24)-10"4М.

Видно, что для обоих металлов каталитический эффект в среде метажы

—3 —1

оказался значительно выше, чем в случае иона водорода (ьн«ЗЮ с~ ). Щ этом комплексы Ао1ш с сольватированным шг+ в метаноле гораздо более ус тойчивы чем в воде, а гпС12 образует комплекс в метаноле такой же усто{

:вости кпк аква-ион гп2+ в воле.

Таким образом, переход к неводной среде приводит к усилению электро-льного катализа благодаря как образованию более устойчивых комплексов бстрат-катализатор, так и увеличению каталитической константы. Вероятно и эффекты могут проявляться в металлоферментах, где активный центр мот быть частично дегидратирован.

НЕЙТРАЛЬНЫЙ ГИДРОЛИЗ АКТИВИРОВАННЫХ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ В СМЕШАННЫХ РАСТВОРИТЕЛЯХ И КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ РАСТВОРАХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ.

Также как в случае амидов, нейтральный гидролиз сложных эфиров отли-ется высокой чувствительностью к реакционной среде. Добавление в растр как органических соединений, так и нейтральных солей всегда вызывало еньшение скорости реакции. Для анализа экспериментальных данных мы ис-льзовали классический метод коэффициентов активности Бренстедп, так как позволяет непосредственно рассмотреть вопрос о числе молекул воды люченных в переходное состояние реакции. Если в лимитирующей стадии ре-ции участвует п молекул воды, то с учетом коэффициентов активности во, субстрата и переходного состояния (ТИ»Т3 и 7# соответственно) наблго-эмая константа скорости описывается уравнением:

^набл^о-^уГ—■'"»<» (3)

т (т )"

Ьнабл=18 *о + ^ 3 + П-1в'НЯ01 (4)

Отмеченный эффект замедления реакции под действием добавок различной фоды, которые должны были бы оказывать совершенно различное влияние на }ффйциенты активности компонентов, но все, очевидно, понижают гн201, в !те уравнения (4) может объясняться главным образом только последним 5ектом.

Анализ экспериментальных данных значительно упрощается если зависишь ьна6л от 1&(Наш в исследуемом диапазоне концентраций будет ли-(ной. Согласно уравнению (4) это возможно в двух случаях: когда :т3(7^)п/Т*) остается постоянным и когда 3^(73(7„)П/7*) меняется про-щионвльно 1§[Н,01. В первом случае наклон зависимости дает истинное 1чение порядка реакции, а во втором мы получаем эффективную величину, (ествует ряд вполне очевидных критериев, позволяющих судить о достоверен найденного таким образом порядка реакции: I) пэксп не должен зави-ъ от природы второго компонента, 2) пэксп не должен зависить от темпе-

ратуры (т.е. энергия активации должна быть постоянной), 3) пэксп дол; быть целым числом.

Кинетика нейтрального гидролиза 2,4-динитрофенилацетата (ДНФА)

Нейтральный гидролиз ДНФА был исследован в присутствие добавок го органических растворителей (рис.6). Во всех случаях в координатах киабл~ -^б'НаО! зависимости имеют линейный характер. Как видно (табл. найденные величины пэксп с хорошей точностью имеют целочисленные зна^ ния, однако сильно зависящие от природы растворителя. Порядок I для вс но-спиртовых смесей представляется вполне объяснимым, так как молеку спиртов могут замещать дополнительные молекулы воды практически в люс мыслимой структуре переходного состояния. Ацетонитрил и диоксан дают сс ласующиеся значения пэксп в области высоких концентраций вода, в то вре как для ацетона была получена более низкая величина. Анализ активационк параметров показывает, что именно в смесях воды с диоксаном и ацетонитр лом сохраняется постоянное, в пределах ошибки опыта, значение ДН*. Сое купность представленных данных позволяет предположить, что истинное зн чение п=4.

1.00 -

0.50

1.00

1.00

1.20

140

1.60

0.50 - ^^ -

Тис.6. Зависилостъ логарифма на блюдаелой константы скорости нейтрального гидролиза 2,4-ди-нитрофенимхцепша от логарифма концентрации воды в слвс$и: с ле танолол (О ), зтанолол (о ), ацетонол (о ), ацетонитрилол (в и диоксанол (а ) при 25°С.

Кинетика гидролиза ДНФА была исследована также в концентрированн растворах солей (мда а,мас| ,№Вг,иа ). Для уточнения характера влиян солей на скорость реакции мы определили величины 7а в растворах мдС1 Поскольку в реакции гидролиза не затрагивается фенильная и метальная гр; ппы и вносимый ими вклад в 73 сохраняется в 7* мы определяли 7д по раз» сти 7 для фенилацетата и анизола. Хотя коэффициенты активности обоих о единений значительно (в 6-7 раз) возрастали в концетрированных раствор; мдс1а, свободная энергия переноса карбонильной группы АС°г=ВТ-Д1П7 была раЕна нулю в пределах ошибки опыта. Следовательно солевой эффект в

Таймыр 2. Значенья наОлюдаелых кинетических порядков п_ксп по воде(2Ь°С) и активационных паралетров нейтрального гидролиза 2,4-динитрофеншацетагю в различных средах.

СРЕДА п эксп дн* а) кДж/моль »ett а ) AS Дж/моль•К

Н20 53,0 -163

н2о-сн3он 0,9±0,1

н2о-сан5он 1,0±0,1

н2о-снэсосн3 3,0+0,2 80,0 -110

h2o-ch3cn 4,0±0,2 53,0 -187

н3о-диоксан 4,4±0,2 57,0 -180

а) Активационные параметры реакции в смешанных растворителях определялись при концентрации н2о 50% об. с ошибкой ±2кДж/моль и ±5 Дж/моль-К.

исходном состоянии не имеет решающего значения.

Анализ данных в рамках уравнения (4) при использовании значений концентрации воды вычисленных аналитически (С*) приводит к неправдоподобно высоким значениям пэксп=10-16. Это вероятно является следствием того, что концентрация "свободной" воды в этих растворах значительно ниже вычисленной, из-за связывания воды ионами. Этот эффект отражается, в частности, в понижении 7№ и использование активности води вместо концентрации в уравнении (4) дает более приемлемое значение пэксп=5,1±0,3 (усреднено).

Концентрацию связанной воды можно вычислить как произведение концентрации соли (Сд) на число гидратации ь. Тогда:

^ *нв6л-1« + 1« + С3) (5)

Статистический анализ показал, что наилучшее совпадение с экспериментом наблюдается при п=4. Обработка литературных данных по влиянию солей на кинетику нейтрального гидролиза 4-нитрофенилдихлорацетата и уксусного ангидрида в рамках уравнения (5) дала значения-*п=5 и 3 соответственно, что для уксусного ангидрида совпадает с порядком реакции найденным в смешанных растворителях. При этом значения чисел гидратации хорошо согласуются между собой и совпадают со значениями найденными методом ЯМР.

Совокупность представленных данных указывает на то,что в переходное состояние нейтрального гидролиза ДНФА включается четыре молекулы воды. Литературные данные протошшвенторного анализа кинетики гидролиза 4-нитрофенилдихлорацетата указывает на перенос не менее четырех протонов,

что также согласуется с этим выводом. По-видимому, дополнительные молекулы воды сольватируют возникающие в переходном состоянии гидроксониовый и алкоксильный ионы. Вполне вероятно., что в зависимости от природы субстрата кинетически может проявляться различное число молекул воды.

Одна из возможных структур переходного состояния нейтрального гидролиза - циклическая. Анализ молекулярных моделей показывает, что возможен ненапряженный цикл включающий 4 молекулы воды. Циклическое переходное состояния привлекательно в том плане, что оно могло бы объяснить удивительно низкую энергию активации нейтрального гидролиза. Отсутствие положительного солевого эффекта может быть объяснено значительной делокализа-циэй зарядов в переходном состоянии реакции, вследствие чего величина ДС°г переноса такой умеренно полярной структуры в солевые растворы будет довольно мала и приведет к значительно меньшим изменениям скорости, чем эффект понижения концентрации вода.

Кинетика гидролиза 2,4-динитрофенилхлорацетата (ДНФХА) и 4-нитрофенилхлорацетата (НФХА)

Использование более лабильных ацилактивированных субстратов позволило измерить скорость Гидролиза сложных эфиров в более широком диапазоне концентраций воды. Для гидролиза ДНФХА в области концентраций воды от 10%об. до 40%об. два использованных растворителя дают согласугациеся значения пзксп=1,8+0,1(диоксан) и 2,0±0,2(ацетонитрил). Энтальпии активации в этих условиях в обоих бинарных системах близки к чисто водной и составляют 37,3 кДж/моль для 10% нао/ацетонитрил и 41,5 кДж/моль для 10% н2о/диоксан (в нао - 37,3 кДж/моль). При повышении содержания воды пжп увеличивается, достигая значений 5,4±0,1 для сн3см и 2,8*0,1 для диокса-на. Данные по влиянию МдС12 хорошо описываются уравнением (5) при п=5 с числом гидратации близким к найденному ранее в случае гидролиза ДНФА.

Близкие закономерности были получены для НФХА. Порядок реакции равен 5,2±0,I при незначительном изменении ДН#, влияние мда , также описывается уравнением (5) с п=5 при числе гидратации близком к найденному для друшгих субстратов.

Таким образом, ацилактивированные эфиры, по-видимому, гидролизуются с участием пяти молекул воды, что может быть следствием более высокой степени разделения зарядов в переходном состоянии.

4. НЕЙТРАЛЬНЫЙ АЛКОГОЛИЗ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ.

В отличии от гидролиза, нейтральный алкоголиз сложных эфиров изучен в значительно меньшей степени, что может быть объяснено гораздо меньшими

скоростями реакции даже в случае активированных субстратов.

Для изучения механизма нейтрального алкоголиза сложных эфиров мы исследовали метанолиз 2,4-динитрофенилдихлорацетата (ДНФДХА) в бинарных смесях сн3он с сн3сы, с2н5осгн5, диоксаном и бензолом, анализируя данные с помощью уравнения (6).

\абл=1б + п-^снзот .(6)

В логарифмических координатах 1СН3от экспериментальные

Табл.3. Значения наблюдаемых порядков по летанолу (п) (25°С) и актива ционних параметров нейтрального летанолиза ДНФДХА в различных средах.

СРЕДА п. эксп ДН*,кДж/моль л а) ДБ ,Дж/моль-К

СН30Н 29,84±0,24 -183,0±1,0

сн3он-(с2н5)3о 2,04±0,02

сн3он-сн3си 2,10+0,03 29,85±0,23 -195,511,0

сн3он-диоксан 2,78±0,06 31,8±1,0 -192,6+1,0

сн3он-с6н6 I,32±0,01 28,6+1,1 -194,7+1,0

Активационные параметры для бинарных смесей при концентрации СН3ОН 50&об.

данные с хорошей точностью (гй0,998) дают прямолинейные зависимости.

Как видно (табл.6), несмотря на, разброс в значениях порядков реакции, средняя величина близка к 2. Анализ активационных параметров показывает, что в бинарной системе сн3он/сн3см энтальпия активации остается постоянной, а уменьшение скорости реакции вызвано понижением ДБ4 обусловленным уменьшением молярной концентрации метанола. Наблюдаемый порядок в этом случае вероятно отражает истинное число молекул метанола включенных в переходное состояние. В тех случаях, когда наблюдаемый порядок отличается от 2, на эффект понижения энтропии активации (близкий к эффекту в "идеальной" системе сн3он/сн3см) накладывается изменение АН* вследствие специфических свойств данной бинарной системы, что и приводит к искажению порядка реакции, который в этом случае является эффективной величиной.

Для получения более детальной информации о строении переходного состояния мы исследовали метанолиз ДНФДХА с помощью протошнвенторного метода, который заключается в изучении кинетического изотопного эффекта растворителя при варьировании мольной доли тяжелого изотопа.

Зависимость наблюдаемой константы скорости от мольной доли дейтерия описывается уравнением (7):

0.03

0.02

0.0t (>0

О ек

г Ф- ^ а

.. о

о.оз

0.02

ЧЮ.01

0.0 0.2 04 0.6 0.8 1.0

n#

Fuc.7. Зависилоть набмодаелай нокстшнш скорости нейтрального летанолиза от лольной доли (хь) ch3od при Z5°C (I). 4СРС (2), 50°С (3)

(7)

где п-число протонов возбуждаемых в переходном состоянии, а ф*-фактор фракционирования 1-ого протона - величина обратная парциальному изотопно му эффекту. Зависимость в координатах рис.7 является линейной только при п=1, а при пг2 наблюдается заметное искривление. Из рисунка 7 видно, что исследуемая реакция имеет значительный кинетический изотопный эффект (КИЭ)(3,5б; 3,35 и 3,22 при 25°С,40оС,Ь0°С) и в переходном состоянии участвуют не менее двух протонов. Статистическая обработка показала, что в переходном состоянии реакции возбуждаются 4 или 5 протонов.

cl сн-

(III)

Видимое противоречие с найденным выше порядком реакции п=2 объясняется тем, что алифатические спирты в чрезвычайно сильной степени ассоци-рованны и доля атомов водорода, связанных водородными связями достигает при 25°С 97-93% (Luok W.A.P. Angew.Chem.lnt. ¿9, .гв (1930)). ПО-видимому, реакция метанолиза ДНФДХА протекает по механизму общеосновного катализа(III), что соответствует второму порядку по метанолу. Возникнове-

•fVP

ние нескомгонсированного положительного заряда на второй молекуле метанола, приводит, вследствие высокой ассоциации спиртов к возмущению ряда соседних связанных водородными связями протонов, что и находит свое отражение в результатах протонинвенторного анализа.

5. ЭФФЕКТЫ СРЕДЫ В РЕАКЦИЯХ 2,4-ДШИТРОФЕИШЩАТА С РАЗЛИЧНЫМИ НУКЛЕОФИЛАМ

Известно, что взаимодействие сложных эфиров с различными нуклеофилэ-ми идет через переходные состояния близкие по структуре к описанным ранее для гидролитических процессов. Мы исследовали влияние характера среды на скорость взаимодействия различных нуклеофилов (пиридин, анилин, гидрок-силамин и азид-ион) с ДНФА принимая представленные ниже структуры переходных состояний (IV)-(VI).

В реакциях с пиридином, анилином и гидроксиламином в бинарной системе н2о/сн3см уменьшение концентрации воды при добавлении органического растворителя приводило к резкому уменьшению константы скорости (рис.8).

0 е- о о 5-

I? II I;

И—С—ОЯ' И—С—ОН1 И—С—01*'

(IV) (V) (VI)

Для дискриминации структур (IV) и (V) мы использовали способ понижения концентрации нао добавлением неорганических солей (мдс12). Как видно (рис.9) ингибирующий солевой эффект наблюдается только в случае гидрок-силамина, а для пиридина и анилина был найден положительный солевой эффект, который следовало бы ожидать для переходного состояния типа (IV). Это свидетельствует о том, что переходное состояние в случав пиридина и анилина имеет цвиттер-ионую структуру (IV), в которой отсутствует перенос протона. Кинетический изотопный эффект для реакции ДНФА с анилином ку/к11=1,1'7 также указывает на отсутствие общеосновного катализа и переноса протона.

В случае гидроксиламина влияние на скорость реакции апротонного растворителя и неорганической соли одинаково и значения порядка реакции по воде найденные обоими методами (рис.8 и 9) совпадают, также как для нейтрального гидролиза ДНФА.

Таким образом можно утверждать, что в переходном состоянии реакции гидроксиламина со сложными эфирами важную роль играет перенос протона от молекулы нуклеофила, причем в переходное состояние включено несколько молекул воды. Это доказывает механизм гидроксиламинолиза с участием

Нп

2.0 1.0 -0.0 -1.0 -2.0 -3.0 -

Г

о.зо

0.80

тЛМ

Рис.8. Зависилостъ логарифма константы скорости второго порядка реакции ДНФА с пиридинол (о),анили-нол (а) и гидроксилалинол (а) от логарифма концентрации води в систеле но0/сн.,см

25°С

-1 5

-1.7

-1.9

• - - » - о.

0"

х!

-о.*

-0.3 -0.2 -0.0 Лиг

Рис.9. Зависилостъ логарифм наблюдаелой консташт скорости, с пиридинол (э),анилинол (в>) и гидроксилалинол (а) от логарифма активности воды в концентрированных растворах мэС1 2 25°С

нейтральной молекулы нуклеофила, а не цвиттер-ионой формы, что допускалось рядом авторов.

Напротив, реакция азид-иона(VI) ускоряется при добавлении апротонно-го растворителя - ацетонитрила (рис.9). Аналогичная зависимость наблюдается и в системе сн3он/сн3см. Это свидетельствует о том, что данный эффект не связан с изменением диэлектрической проницаемости. При этом скорости реакции в н2о и сн3он практически равны. По-видимому, протонные со-

н.

-а

а

19

Рис.10 Зависилостъ логарифма консташт скорости второго порядка реакции азид-иона с

а

^ ДНФА от логарифма концентра-

ции н2о в систеле Н20/СН;^

1.7 -1.о -о.з о.4 и 1.871 -1 25°С

единения (вода и метанол) могут значительно понижать энергию исходного состояния, благодаря образованию водородных связей с азид-анионом, что приводит к малоактивному комплексу. Поскольку в переходном состоянии отрицательный заряд делокализован в большей степени, чем в исходном, это приводит к снижению свободной энергии активации.

ВЫВОДЫ

1. Исследовано влияние среды на скорость сольволиза И-ацетилимидазола. Найдено, что реакции нейтрального гидролиза и алкого-лиза имеют шестой порядок по нуклеофильному растворителю и предложен вероятный механизм реакции, включающий образование цепи переноса протона.

2. Обнаружено, что ионы двухвалентных металлов (М12+,7п2*) катализируют реакцию гидролиза и-ацетилимидазола благодаря координации по атому

субстрата. Вычислены константы образования комплексов и константы скорости гидролиза координированного субстрата. Показано, что при переходе к метанолу в качестве реакционной среды сильно возрастают как константы комплексообразования(«102раз), так и константы скорости сольволиза амид-ной связи (*103рэз). В этих условиях ионы 2п2+ и N12+ в десятки раз превосходят по каталитической активности ион водорода. Хлорид- и ацетат-ионы способны значительно промотировать метанолиз Ао1т, катализируемый гп2+ и

N1

3. Разработан подход к определению порядка реакции по воде путем сравнительного изучения влияния на скорость реакции органических растворителей и неорганических солей. Применение этого метода, а также метода "энтропийного контроля" для нейтрального гидролиза сложных эфиров показало, что эффекты среды в основном связаны с изменением концентрации воды и позволило определить порядок реакции в случае ДНФА (п=4) и ряда других эфиров.

4. Исследована кинетика метанолиза 2,4-динитрофенилдихлорацетата в бинарных смесях сн3он/апротонный растворитель. С учетом найденных величин активационных параметров определено значение порядка реакции по метанолу равное 2. С помощью протонинвенторного метода найден значительный кинетический изотопный эффект и показано, что в переходном состоянии происходит возбуждение не менее 4 протонов. Сделан вывод о протекании реакции по механизму общеосновного катализа.

5. Исследовано влияние среды на скорость реакции ДНФА с различными нуклеофилами. Показано, что для реакций азотных нуклеофилов, имеющих цви-ттер-ионное переходное состояние и не сопровождающихся переносом протона, наблюдается положительный солевой эффект и тормозящие влияние органичес-

кого растворителя, в соответствии с ожидаемым на основании электостати-ческой модели. В случае реакции кислородного нукпеофила, сопровождающейся переносом протона, к уменьшению скорости приводит добавление как солей, так и органических растворителей, что связано с доминирующим эффектом изменения концентрации воды. Для анионного нуклеофила обнаружен эффект ин-гибирупцей сольватации протонными растворителями, проявляющийся в ускорении реакции добавкой апротоного растворителя.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Дейко С.А., Неверов А.А., Яцимирский А.К. Кинетика нейтрального гидролиза и алкоголиза N-ацетилимидазола в смешанных растворителях. // Кинетика и катализ- 1989 - т.30 - с.793

2. Неверов А.А., Дейко С.А., Яцимирский А.К. Закономерности нейтрального гидролиза сложных эфиров //Жур.Общ.Хим. ,1991,

3. Deiko S.A., Neverov А.А., Yatsimirsky А.К. Catalytio effeot of association of reaotants in nucleophilio substitution reactions //Abstraote of International symposium "Chemioal physics of enzyme catalysis",Tallinn, 1987, 48.

4. Неверов А.А. Влияние среды на скорость реакций гидролиза и алкоголиза сложных эфиров и амидов. Конференция молодых ученых химического факультета МГУ. Тезисы докладов. Депонир.ВИНИТИ. 1988

5. Neverov A.A. Meohanism of neutral hydrolysis and alooho-1ув1в of activated oarbonyl compounds // 7th International conference of young scientists on organic and biological chemistry

„ The book of abstrakte. Sofia, Bulgaria, 1990, P.192-4.