Амидообразование: влияние строения реагентов, свойств среды и температуры

13

43

На правах рукописи

02.00.03-Органическая химия

02.00.04-Физическая химия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора химических наук

Амидообразование: влияние строения реагентов, свойств среды и температуры

Садовников Александр Иванович

Иваново-2007



Работа выполнена на кафедре физической химии Ивановского государственного университета

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Алов Евгений Михайлович

доктор химических наук, профессор Макаров Сергей Васильевич

доктор химических наук, профессор Орлов Владимир Юрьевич

Ведущая организация: Институт химии растворов Российской академии наук, г. Иваново

Ученый секретарь диссертационного совета Хелевина О.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность рассматриваемых в работе проблем. Амиды карбоновых кислот и особенно их N-производные, имеющие в своем составе амидную группировку, обладают ценными и уникальными свойствами, которые определяют их широкое применение в качестве биологически активных веществ, синтетических антибиотиков, растворителей, красителей и полупродуктов. Амидная группировка атомов -NH-CO- входит в состав высокомолекулярных соединений: полиамидов, полиуретанов, природных полипептидов (белков) и их синтетических аналогов, полиамидокислот, из которых получают высокотермостойкие полиимиды, полигетероарилены и ряд композитных полимеров. Самые разнообразные представители N-производных амидов можно получать реакцией ацилирования первичных аминов в растворе или в водно-органических микроэмульсиях - нанореакторах на основе самоорганизующихся растворов ПАВ и полимеров.

В качестве объекта исследования выбрана реакция ароматических аминов с ангидридами карбоновых кислот как модельная реакция синтеза полиамидокислот - форполимеров полиимидов. Полиимиды в зависимости от строения полимерной цепи могут иметь такие ценные свойства как прочность, термостойкость, растворимость в органических растворителях; из них можно получать полупроницаемые мембраны и пленки, которые могут быть изоляторами, полупроводниками, а также обладать светочувствительными свойствами. Выбор второй - реакции б-аминокислот со сложными эфирами - связан с исключительной ролью б-аминокислот в биохимии, и получение сведений о их реакционной способности является актуальной задачей.

Особый интерес представляет изучение влияния свойств среды на скорость химической реакции, поскольку априорное предсказание эффектов среды остается серьезной проблемой теории реакционной способности органических соединений, несмотря на то, что растворитель является эффективным средством управления химическим процессом.

На заключительном этапе работа была поддержана грантом РНП.2.2.1.1.7181 Министерства образования и науки РФ.

Цель работы: установление кинетических закономерностей реакции амидообразования на примере реакции ароматических аминов с ангидридами карбоновых кислот и N-ацилирования б-аминокислот сложными эфирами.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

· получить количественные уравнения взаимосвязи кинетических параметров реакций со свойствами среды, строением реагентов и температурой с целью их возможного практического использования;

· обосновать механизм влияния растворителя на кинетические параметры реакции.

Научная новизна работы. В ходе решения поставленных задач, были разработаны новые методики анализа реакционной смеси и методы расчета кинетических параметров параллельных потоков реакции, позволившие впервые получить систематические данные по реакционной способности ангидридов карбоновых, сложных эфиров и б-аминокислот в реакции амидообразования в растворителях разной химической природы. Впервые проведено компьютерное моделирование кинетики автокаталитической реакции для решения обратной кинетической задачи и планирования эксперимента.

Для описания влияния свойств среды на константы скорости реакции впервые были найдены уравнения, адекватно описывающие влияние физико-химических свойств растворителя на кинетические параметры реакции амидообразования с участием ангидридов дикарбоновых кислот и ариламинов, что определило возможность получения перекрестных корреляционных соотношений «среда - строение реагентов» с высокой предсказательной силой.

При количественном описании влияния состава смешанного водно-органического растворителя на константы скорости амидообразования использовали уравнения, учитывающие возможность образования смешанных комплексов между молекулами б-аминокислот и компонентами бинарного растворителя, что впервые позволило прогнозировать константы скорости реакции б-аминокислот со сложными эфирами в воде.

Доказан бифункциональный механизм катализа карбоновыми кислотами в реакции ариламинов с ангидридами дикарбоновых кислот. Решена проблема влияния растворителя на кинетические характеристики некаталитического и автокаталитического потоков в этой реакционной серии. Впервые количественно подтверждено одно из положений теории бифункционального катализа, согласно которому эффективность катализатора снижается при увеличении полярных и координирующих свойств растворителя. Предложена схема механизма влияния растворителя в изученных реакционных сериях, адекватно описывающая многочисленные экспериментальные кинетические данные.

Предложена новая методика расчета трансмиссионного коэффициента в уравнении теории абсолютных скоростей, отличающаяся от традиционной (Шахпаронов М.И.) тем, что учитывает скорость диффузии компонентов для образования предварительного сольватокомплекса. По этой методике вычислены истинные значения энтропии активации реакции, трансмиссионный коэффициент и константы скорости образования активированного и переходного состояния реакции N-ацилирования б_аминокислот 4-нитрофениловым эфиром бензойной кислоты.

Научная и практическая значимость работы. Новые научные результаты, представленные в диссертации, вносят фундаментальный вклад в физическую и органическую химию по проблеме реакционной способности молекул в растворе. Количественно подтверждена исключительная роль специфической сольватации в образовании и разрушении переходных состояний реакции амидообразования. Полученные уравнения могут быть использованы для эффективного, научно обоснованного управления ходом синтеза амидов карбоновых кислот.

Проанализированный в работе механизм бифункционального действия карбоновых кислот позволяет целенаправленно искать новые виды бифункциональных катализаторов, каталитическая активность которых на несколько порядков выше обычных гомогенных катализаторов. Один из путей управления каталитической активностью катализатора - с помощью изменения состава среды, показанный в настоящей работе, также может быть использован на практике.

Уравнения взаимосвязи кинетических параметров с параметрами, отражающими свойства среды и строение реагентов, обладают большой предсказательной силой для изученных реакционных серий и могут быть использованы для проектирования и модернизации действующего технологического оборудования получения N-замещенных амидов карбоновых кислот.

Апробация работы. Основные результаты и выводы диссертации докладывались на всесоюзных совещаниях и международных конференциях под общим названием "Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах" (Иваново, 1981, 1984, 1989, 1998; Плес, 2004), всесоюзном совещании "Механизмы реакций нуклеофильного замещения и присоединения" (Донецк, 1983, 1991), I и II международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы химии и химической технологии" (Иваново, 1997 и 1999), VI международном научно-практическом семинаре "Физика волокнистых материалов" (Иваново, 2003), VIII международном научно-практическом семинаре «SMARTEX-2005” (Иваново, 2005), научной конференции "Научно-исследовательская деятельность в классическом университете" (Иваново, 2004).

Публикации. Материал диссертации опубликован в 33 статьях, 1 монографии и в 19 тезисах докладов научных конференций.

Вклад автора. Участие автора в исследовании заключалось в постановке целей и задач исследования, экспериментальном изучении кинетики, выполненном лично или студентами-дипломниками при непосредственном руководстве автора, математической обработке и интерпретации экспериментальных данных.

Автор выражает искреннюю признательность профессору, д.х.н. Курицыну Льву Викторовичу за консультации и помощь при обсуждении результатов работы. Соискатель благодарен всем соавторам, студентам-дипломникам, аспирантам и сотрудникам кафедры за вклад в решении изучаемых проблем.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 310 страниц, содержит 93 таблицы, 35 рисунков и список цитируемой литературы из 367 наименований.



Основное содержание работы

Глава 1. Амидообразование в растворе (обзор литературы)

Закономерности синтеза N-замещенных амидов карбоновых кислот с участием ангидридов карбоновых кислот, сложных эфиров и их тиоаналогов, а также галоидангидридов карбоновых кислот изучены многими авторами. Аминолиз этих соединений (ацилирующих агентов) является одним из основных способов получения соединений с амидной связью, а их реакционная способность во многом зависит от природы и строения уходящей (Х) группы:

(1)

Легкоуходящими группами являются I, Cl, Br (Литвиненко Л.М.). Группа С₆Н₅О относится к трудноуходящим группам, а F- и CH₃COO- группы проявляют среднюю способность к отщеплению от субстрата (Олейник Н.М.). Этот ряд реакционной способности ацилирующих агентов наблюдается как в реакции с алифатическими, так и в реакции с ароматическими аминами (Jencks W.P.). Положение ангидридов дикарбоновых кислот в этом ряду (Котон М.М., Праведников А.Н.) определить трудно из-за сильного влияния растворителя на скорость реакции.

Наиболее изученной является реакция амидообразования с участием хлорангидридов карбоновых кислот с ароматическими аминами. На ее примере показана возможность получения количественных уравнений взаимосвязи констант скорости реакции со строением реагентов, свойствами среды и температуры (Курицын Л.В.). Дано также описание способа предсказания хода начальных стадий поликонденсационного процесса синтеза полиамидов с помощью этих уравнений (Курицын Л.В., Соколов Л.Б).

Проанализированы особенности кинетики реакции ацилирования ариламинов ангидридами карбоновых и дикарбоновых кислот (автокатализ, обратимость реакции, образование изомеров). В высокоосновных растворителях обратимостью реакции можно пренебречь (Праведников А.Н.). Отмечено, что данные по влиянию растворителя на кинетику этой реакционной серии в литературе малочисленны и противоречивы.

Приведены литературные данные о влиянии строения ароматических, алифатических аминов с эфирами карбоновых кислот (Menger F.M.). На примере реакции бензоилхлорида с б-аминокислотами (Калинина Н.В.) показана возможность разделения параллельных потоков реакции N-ацилирования участием нейтральной и анионной формой аминокислоты и гидролиза сложного эфира.

Глава 2. Количественный учет эффектов среды (обзор литературы)

Влияние растворителя на скорость реакции принято связывать со специфической и неспецифической сольватацией. Влияние неспецифической сольватации на константу скорости реакции в небольшом, специально выбранном круге растворителей, может быть предсказано с помощью уравнения Кирквуда. При использовании специфически сольватирующих растворителей применение уравнения Кирквуда неэффективно. Многочисленные литературные данные показывают, что реагенты (ацилируюшие агенты и амины) реакции амидообразования в растворителях разной химической природы образуют молекулярные комплексы с молекулами среды. Это и является причиной сильного влияния растворителя в реакции амидообразования. Априорный расчет констант скорости в жидкой фазе, в том числе и с помощью квантово-химических расчетов, остается неразрешимой задачей. Учет влияние растворителя на кинетические параметры реакции для практического использования при планировании синтеза амидов возможен на основе различных эмпирических уравнений. В их основе заложен принцип линейности свободных энергий (ЛСЭ), и одним из наиболее известных уравнений, основанных на этом принципе, является многопараметровое уравнение Коппеля-Пальма. Оно не лишено недостатков. Одним из путей их преодоления является уменьшение числа параметров и подбор таких параметров, адекватность описания влияния растворителя которыми при этом возрастала.

Еще более сложной проблемой является описание влияния состава смешанного растворителя на константу скорости реакции, когда возможно параллельное протекание реакции с участием различных молекулярных комплексов между компонентами среды и молекулами реагентов. Дано математическое обоснование уравнения зависимости константы скорости реакции от состава бинарного растворителя для реакции бензоилхлорида с ариламинами (Бобко Л.А.).

Глава 3. Влияние среды на кинетические параметры реакции ариламинов с ангидридами дикарбоновых кислот

Одним из компонентов среды при ацилировании ариламинов ангидридами дикарбоновых кислот является продукт реакции - карбоновая кислота, которая является эффективным катализатором реакции.

Для подтверждения бифункционального характера катализа карбоксильной группой реакции анилина с фталевым ангидридом в табл.1. приведены константы скорости автокаталитического (k_A) потока реакции и потока реакции (k₁), связанного с добавками веществ, в состав которых входят карбоксильная, амидная, карбонильная и гидроксильная группы.



Таблица 1

Значения константы скорости k₁ и k_A реакции фталевого ангидрида с анилином в метилэтилкетоне при Т=298 К

Среда	k1 , л2/(моль2с)	kA , л2/(моль2с)
Метилэтилкетон, п-нитрофенол бензанилид бензойная кислота м-нитробензойная кислота уксусная кислота о-Ксилол, бензойная кислота Нитрометан, бензойная кислота Диоксан, бензойная кислота	0 0 4.28 4.20 4.00 12.0 61.5 1.69	5.31 5.45 5.56 5.32 5.35 289 12.9 2.27

Реакция анилина с фталевым ангидридом ускоряется в присутствии карбоновых кислот, причем их каталитическая активность близка к каталитической активности продукта реакции. Монофункциональные соединения, содержащие карбонильную и гидроксильную группы по-отдельности, не обладают сколько-нибудь заметной каталитической активностью. Константа скорости некаталитической реакции в этих условиях составляет 1•10^-4 л/(моль•с).

Схему механизма бифункционального действия карбоновых кислот в реакции анилина с фталевым ангидридом можно представить следующим образом. На первой стадии реакции происходит образование молекулярных комплексов между реагентами трех видов в зависимости от полярности среды: неполярных (I), с частичным (II) или полным (III) переносом заряда (Nagy O.B.)

В зависимости от природы растворителя реакция может развиваться по двум направлениям: с образованием циклических переходных соединений полярного (IV) или неполярного (V) характера. Механизм бифункционального катализа в обоих случаях одинаков: образуются циклические переходные состояния с участием двух групп катализатора - карбонильной и гидроксильной, при этом карбоновая кислота таутомерно изменяется. При проведении реакции в диоксане константа скорости каталитической реакции уменьшается в 100 раз по сравнению с величиной k_A в о-ксилоле, а в амидных растворителях катализ карбоновой кислотой отсутствует.

(1)

(2)

Снижение величины константы скорости k_A сопровождается увеличением энергии активации реакции. Низкие значения энергии активации каталитической реакции согласуются с бифункциональным механизмом катализа карбоксильной группой (табл.2). Большие отрицательные значения энтропии активации реакции указывают на упорядоченное строение переходного состояния реакции, что также не противоречит бифункциональному механизму катализа.



Таблица 2

Значения констант скорости k_А реакции анилина с фталевым ангидридом в органических растворителях, энергии (Е_А) и энтропии () активации реакции при Т=298 К

Растворитель, (-рКа)	kА, л2/(моль2с)	ЕА, кДж/моль	-, Дж/(мольК)
Бензол (23) Толуол (-) о-Ксилол (-) Нитрометан (11.9) Метилэтилкетон (7.2) Ацетофенон (6.19) Диоксан (3.22) Тетрагидрофуран (2.08)	260 258 289 13.0 5.43 8.5 2.27 2.16	0 0 0 0 1.9 - 21.9 21.5	206 206 206 231 231 - 171 174

С увеличением основности среды значение константы скорости каталитической реакции уменьшается. Это указывает на то, что кислотно-основное взаимодействие между компонентами реагирующей системы играет ключевую роль при протекании каталитической реакции амидообразования в растворе. Можно предположить, что промежуточные соединения циклического характера могут распадаться под действием молекул растворителя DA (D- донор электронов, например атомы O, N; A - акцептор электронов, например атомы С, Н). При этом возможно существование равновесия между циклическим и нециклическим промежуточным соединением:

Индекс сольв. относится к влиянию неспецифической сольватации. Исходя из этого механизма, можно предположить, что с увеличением донорно-акцепторных свойств растворителя равновесие будет смещаться вправо, концентрация циклических переходных соединений и константа скорости каталитической реакции будут уменьшаться. Для проверки этого предположения были рассчитаны параметры уравнения Коппеля - Пальма, учитывающего влияние специфической и неспецифической сольватации на константу скорости реакции. Для реакции анилина с фталевым ангидридом в ароматических углеводородах, эфирах, кетонах получено уравнение:

(6)

Все значения постоянных уравнения (6), характеризующих чувствительность реакции к влиянию полярности растворителя, эмпирических параметров электрофильности Е и нуклеофильности В растворителя, являются отрицательными, что подтверждает существование равновесий (3,4).

Количество параметров корреляционного уравнения можно уменьшить, если воспользоваться основностью рКа растворителя в воде. Между логарифмами констант скорости реакции анилина с фталевым ангидридом, k_A и k₁ (катализатор бензойная кислота), получена линейная зависимость.

При проведении реакции ариламинов с ангидридами карбоновых кислот в амидных растворителях, спиртах, диметилсульфоксиде катализа карбоновой кислотой не наблюдается. В табл. 3 приведены значения констант скорости k и активационные параметры реакции анилина с фталевым и янтарным ангидридом в растворителях разной химической природы. Аналогичные данные получены для ангидридов малеиновой, адипиновой, глутаровой, цитраконовой, бензойной, уксусной кислот, реакционная способность которых находится между реакционной способностью ангидрида фталевой и янтарной кислот. Константы скорости реакции в воде получены путем экстраполяции зависимости логарифма константы скорости реакции ангидрида карбоновой кислоты с анилином в водном диоксане. Данные табл.3 иллюстрируют сильное влияние растворителя на величину константы скорости k изучаемой реакции. Диапазон изменения константы скорости составляет более 6 порядков, что сравнимо с каталитической активностью обычных гомогенных катализаторов. Влияние растворителя на величину константы скорости одинаково: в спиртах она больше, чем в амидных растворителях, а в воде на несколько порядков больше, чем в спиртах. Величины энергии активации реакции достаточно низкие, а величина энтропии активации реакции характеризуется большими отрицательными значениями, что характерно в большей степени для каталитических, чем некаталитических реакций.

Таблица 3

Значения констант скорости k реакции анилина с фталевым и янтарным ангидридами в органических растворителях, энергии (Е) и энтропии (S) активации реакции при Т=298 К

Растворитель	k102, л/(моль•с)	Е, кДж/моль	-S, Дж/(мольК)
Фталевый ангидрид
N,N-Диметилформамид N,N-Диметилацетамид N,N-Диэтилацетамид N-Метил-2-пирролидон Диметилсульфоксид Тетрагидрофуран Вода	2.06 1.43 54.2 1.06 10.4 0.010 30000	30.5 31.0 32.6 - 35.5 - -	183 185 148 - 153 - -
Янтарный ангидрид
N,N-Диметилформамид N-Метил-2-пирролидон N,N-Диметилацетамид Диметилсульфоксид N,N-Диэтилацетамид Этанол Пропанол-1 Бутанол-1 Пентанол-1 Гексанол-1 Гептанол-1 Вода	0.063 0.055 0.049 0.235 1.62 1.52 1.25 1.04 0.833 0.673 0.563 480	42.7 51.2 56.1 60.2 50.7 60.4 60.4 58.5 59.2 61.2 57.9 -	171 144 128 102 117 86 87 95 94 90 102 -

В качестве параметра растворителя, учитывающего влияние растворителя на величину константы скорости реакции k нами использованы донорные (DN) и акцепторные (АN) числа растворителя по шкале Гутмана:

(9)

Для реакции ариламинов с ангидридами карбоновых кислот b1 b2 , что позволяет перейти к однопараметровому уравнению:

(10)

где lgk₀ - логарифм константы скорости реакции в стандартном растворителе, в качестве которого выбран тетрагидрофуран (DN=20, AN=8). Y - параметр, отражающий донорные и акцепторные свойства растворителя Y = (DN+AN-28).

Уравнение (10) хорошо описывает экспериментальные данные для всех изученных растворителей, включая эфиры, амидные растворители, спирты и воду. Для реакции анилина

с фталевым ангидридом:



(11)

с малеиновым ангидридом:

(12)

с янтарным ангидридом:

(13)

Коэффициент b, характеризующий чувствительность реакции к влиянию донорно-акцепторных свойств растворителя на константу скорости реакции k примерно одинаков для разных ангидридов карбоновых кислот.

Регрессионный анализ влияния специфической и неспецифической сольватации на константу скорости k реакции янтарного ангидрида с анилином с помощью уравнения Коппеля-Пальма дает следующее уравнение:

(14)

Анализ уравнения показывает, что последнее слагаемое в уравнении (14) в несколько раз больше других, что указывает на преимущественное влияние электрофильной составляющей специфической сольватации на константу скорости k изучаемой реакции. Обращает на себя внимание тот факт, что все коэффициенты в уравнении (14), отражающие чувствительность реакции к влиянию специфической и неспецифической сольватации - положительные (для каталитической реакции все коэффициенты в уравнении Коппеля-Пальма - отрицательные). Противоположное влияние сольватации на константы скорости каталитического и некаталитического потоков реакции наглядно видно из рис.1, на котором значения логарифмов констант скорости сопоставлены с величиной lg K_асс., К_асс. - константа равновесия образования Н-комплексов растворителя с п-фторфенолом в ССl₄ при 298 К.

При проведении реакции в спиртах, специфическая сольватация реагентов осуществляется их гидроксильной группой. Молярную концентрацию последних можно рассчитать по формуле:

(15)

где - плотность спирта; М - его молярная масса. Причем, между константой скорости реакции и концентрацией ОН-групп существует линейная зависимость.

13

43

Рис.1. Зависимость lgk_A () и lgk () от lgK_асс.растворителя: 1-бензол, 2-нитрометан, 3-ацетофенон, 4-метилэтилкетон; 5- тетрагидрофуран; 6-N-метил-2-пирролидон, 7-N,N-диметилформамид, 8- N,N-диметилацетамид, 9- диметилсульфоксид, 10 - N,N- диэтилацетамид; Т=298К

Поскольку плотность спиртов в ряду этанол - гептанол незначительно меняется с ростом углеводородного радикала, а отсекаемый отрезок на оси ординат очень мал, то с учетом этих допущений константу скорости реакции анилина с ангидридами карбоновых кислот в спиртах можно рассчитать по очень простому уравнению:

(16)

Коэффициенты d для малеинового, цитраконового и янтарного ангидридов соответственно равны: 7.18, 2.29 и 0.707.

Уравнение (16) может быть использовано для предсказания констант скорости в других, не изученных нами спиртах. Если предположить, что вода также является спиртом (R₁=H), то предсказанное по уравнению (16) константа скорости реакции янтарного ангидрида с анилином в воде должна составлять 0.039 л/(мольс), что близко к экспериментальному значению, составляющему 0.048 л/(мольс).

Влияние растворителя на константу скорости k изучаемой реакции можно объяснить тем, что активные растворители (амидные, спирты, вода), разрушают переходные состояния каталитической реакции (катализатор - карбоновая кислота) по схеме (3,4), а дальнейшее превращение (VIII,IX) протекает по бифункциональному механизму сольватационного типа, где катализатором выступают молекулы биполярного растворителя:

(17)

Исходя из этого механизма, можно ожидать увеличения константы скорости k изучаемой реакции с увеличением донорных и акцепторных свойств растворителя. Этот вывод полностью совпадает с экспериментальными данными, отраженными в корреляционных уравнениях.

Глава 4. Влияние строения реагентов на кинетику реакции ариламинов с ангидридами карбоновых кислот

Электронодонорные заместители в монозамещенных ариламинах увеличивают константу скорости реакции, а электроноакцепторные заместители ее уменьшают по сравнению с константой скорости ацилирования анилина. Из табл.4 также видно, что указанная закономерность наблюдается для всех ангидридов карбоновых кислот, а также для всех растворителей.

Таблица 4

Значения k10³, л/(мольс) реакции фталевого ангидрида с ариламинами R₂C₆H₄NH₂ в органических растворителях при Т=298 К

R2 Растворитель	п-ОСН3	п-СН3	H	м-Сl	м-NO2
Тетрагидрофуран N,N- Диметилформамид N,N- Диметилацетамид Диметилсульфоксид N,N-Диэтилацетамид	0.63 133 234 1390 -	0.30 31.1 59.2 355 2200	0.10 20.6 14.3 104 542	- 0.98 1.65 5.02 25.1	- 0.025 - 0.161 0.726

Аналогичная зависимость наблюдается и для автокаталитического потока реакции (табл.5).



Таблица 5

Значения k_А, л²/(моль²с) реакции 4-нитрофталевого ангидрида с ариламинами R₂C₆H₄NH₂ в органических растворителях при Т=298 К

R2 Растворитель	п-СН3	Н	м-ОСН3	м-Br	м-NO2
Диоксан Метилэтилкетон Нитрометан	32.2 82.3 316	14.0 36.6 69.2	4.25 12.9 44.0	0.668 2.28 4.60	0.096 0.329 0.753

Совместное влияние растворителя и заместителя в ароматическом амине на константы скорости некаталитической k и автокаталитической реакции ацилирования ариламинов фталевым (18) и 4-нитрофталевым (19) ангидридами можно описать следующими уравнениями:

, (18)

(19)

,

которые позволяют предсказывать экспериментальные данные с точностью 0.2 логарифмические единицы, что составляет 2.3% от диапазона изменения величины логарифма константы скорости.

Влияния строения ацилирующего агента на величину константы скорости k_A автокаталитического ацилирования ариламинов монозамещенными фталевыми ангидридами проведено с использованием 4-нитро-, 4-хлор- и 3-нитрофталевого ангидрида. Значения констант k_A скорости автокаталитического ацилирования анилина монозамещенными фталевыми ангидридами в органических растворителях приведены в табл. 6.



Таблица 6

Значения констант скорости k_A, л²/(моль²с) реакции анилина с монозамещенными фталевыми ангидридами в органических растворителях при Т=298 К

Растворитель Ангидрид	Диоксан	Метилэтилкетон	Нитрометан
Фталевый 4-Хлорфталевый 4-Нитрофталевый 3-Нитрофталевый	2.27 4.74 14.0 428	5.43 10.4 36.6 533	13.0 27.1 69.2 -

Из табл. 6 видно, что электроноакцепторные заместители в монозамещенном фталевом ангидриде увеличивают значение k_A автокаталитического потока реакции фталевого ангидрида с анилином во всех изученных растворителях, что противоположно влиянию таковых в ароматическом амине.

Введение электроноакцепторных заместителей в бензольное кольцо фталевого ангидрида уменьшает электронную плотность на карбонильном атоме ангидридного цикла, что облегчает нуклеофильную атаку со стороны неподеленной пары электронов аминогруппы по сравнению с незамещенным фталевым ангидридом.

Реакция анилина (и других ариламинов) с монозамещенными фталевыми ангидридами идет с образованием двух изомеров (а) и (б) с соответствующими константами скорости автокаталитических реакций k_Aa и k_Aб.

Экспериментальное значение k_A, этой реакции равно сумме констант скоростей образования изомеров.



(20)

Таблица 7

Значения констант скорости k_Aa и k_Aб , л²/(моль²с), относительное содержание изомеров w_М/П и параметр ' реакции анилина с монозамещенными фталевыми ангидридами 4-R₁С₆H₃(CO)₂O в органических растворителях при Т=298 К

Ангидрид, R1	kAa	kAб	wМ/П	wa%	'
в метилэтилкетоне
H Cl NO2	2.72 5.97 16.7	2.72 4.43 19.9	1 1.35 0.84	50 57.4 45.6	- 0.93 1.11
в нитрометане
H Cl NO2	6.50 15.8 31.9	6.50 11.3 37.3	1 1.40 0.86	50 58.3 46.1	- 1.04 0.98

В табл. 7 приведены рассчитанные значения констант скорости образования изомеров k_Aa и k_Aб и их относительное содержание в конечном продукте w_М/П и массовая доля w_a% изомера (а) в смеси, а также постоянная чувствительности реакции ' к изменению структуры монозамещенного фталевого ангидрида, которая оказалась в 2-3 раза меньше по абсолютной величине, чем чувствительность реакции к влиянию строения ароматического амина. Противоположные знаки ' и согласуются с механизмом нуклеофильного замещения у карбонильного атома углерода.

Использование традиционного способа учета влияния строения реагентов на константу скорости реакции с помощью уравнений Гаммета, Тафта и т.д. для ангидридов карбоновых кислот невозможно. В связи с этим нами предприняты попытки использовать для этих целей метод квантово-химических индексов реакционной способности (ИРС).

Предварительные расчеты геометрических параметров молекул малеинового и янтарного ангидридов показали, что наиболее удовлетворительное согласие литературных данных с результатами расчета получено методом MNDO. В результате корреляционного анализа зависимости lgk реакции анилина с ангидридами карбоновых кислот в N,N-диметилформамиде от величин q(C) - положительного заряда на карбонильном атоме углерода, q(O) - отрицательного заряда на карбонильном атоме углерода и r(CO) - длине связи С-O ангидридного цикла получено следующее уравнение:

(21)

Влияние изменения углов связей в ангидридном цикле оказалось незначимым и исключено из уравнения. Коэффициент корреляции уравнения (38) достаточно высок не смотря на то, что расчеты выполнены для газовой фазы, а константы скорости реакции приведены для N,N-диметилформамида. Этот факт может быть объяснен тем, что все параметры, вычисленные для газовой фазы изменяются пропорционально, приблизительно в одно и то же количество раз, при переходе к N,N-диметилформамиду.

В качестве параметра, учитывающего влияние строения ангидрида можно использовать экспериментальную величину:

(22)

где k_j и k_o - соответственно константы скорости реакции ангидрида карбоновой кислоты и фталевого ангидрида с анилином в N,N-диметилформамиде при 298 К. Уравнение, учитывающее совместное влияние свойств растворителя (Y), ароматического амина () и ангидрида карбоновой кислоты на константу скорости некаталитического потока реакции имеет вид:

(23)

Уравнение (23) описывает все полученные нами экспериментальные данные (f=44) с точностью 0.2 логарифмические единицы.

Таким образом, по уравнениям (18,23) можно предсказать константы скорости автокаталитической и некаталитической реакции ацилирования ариламинов ангидридами карбоновых кислот в органических растворителях.

о-Сульфобензойный ангидрид является одновременно ангидридом карбоновой и сульфокислоты. Реакция о-сульфобензойного ангидрида с ариламинами протекает по схеме:

(24)

с разрывом связи С-O ангидридного цикла и образованием амидной связи также, как и в реакции ангидридов дикарбоновых кислот. Реакционная способность ангидрида о-сульфобензойного ангидрида в реакции с ариламинами оказалась намного больше, чем ангидридов дикарбоновых кислот (табл.8). Для реакций амидообразования, идущих с образованием N_C связи и сульфамидообразования, идущих с образованием S-N связи ацилирующие агенты можно расположить в ряд реакционной способности по уходящим группам: SO₃^->Cl^->COO^- . Если предположить, что реакция (24) может протекать по параллельному потоку с разрывом ангидридного цикла по связи S-O, то уходящей группой в этом случае будет группа СОО^-. Исходя из указанного ряда реакционной способности и полуколичественного анализа данных табл.8, можно предположить, что скорость такой реакции должна быть очень мала, на 3-9 порядков меньше, чем скорость реакции (24). Это подтверждает количественное протекание реакции (24) как реакции амидообразования.

Таблица 8

Значения констант скорости k10² , л/(мольс) реакции ариламинов RC₆H₄NH₂ с различными ацилирующими агентами в органических растворителях при Т=298 К

Ацилирующие агенты	R	Растворитель
		Ацето-нитрил	Метил-этилкетон	Нитро-бензол	Анизол
о-Сульфобензойный ангидрид Бензоилхлорид*) Фталевый ангидрид Бензолсульфохлорид*) Ангидрид бензолсульфокислоты**)	3-N02 4-N02 H 3-N02 H H H	734 9.34 942 9.2 - 0.753 -	212 2.33 440 - 0.04 0.054 -	- - 106 1.29 - 0.0186 29.5	28 - 40.7 0.286 - - -

Литературные данные: ^*) Кирицын Л.В. , ^**) Литвиненко Л.М.

Глава 5. Ацилирование -аминокислот сложными эфирами в водно-органических растворителях

В условиях проведения реакции (рН=8-9 в водно-органических растворителях) схему реакции б-аминокислот со сложными эфирами можно представить следующим образом:

(25)



Таблица 9

Кинетические характеристики реакции N-ацилирования -аминокислот 4-нитрофениловым эфиром 4-нитробензойной кислоты в растворителе вода (50мас.%) - 2-пропанол при Т=298 К

Аминокислота	k- , л/(мольс)	lg В	Е, кДж/моль	-S, Дж/(мольК)
L-пролин	5.05	7.03	36.1	119
Глицин	0.629	6.95	40.8	120
L--аланин	0.161	6.54	41.9	128
L-валин	0.0612	6.66	45.0	126
L-серин	0.0350	6.46	45.2	130
DL-треонин	0.0244	7.20	50.8	116

Ряд реакционной способности (табл.9) б-аминокислот повторяется при варьировании состава водно-органического растворителя и используемого сложного эфира. В качестве индекса реакционной способности б-аминокислот можно использовать основность аминокислот в воде, рКа(Н₂0), или в соответствующем водно-органическом растворителе рКа(S) (рис.2). Причем использование рКа(Н₂0) дает немного меньшие погрешности параметров линейной зависимости.

13

43

Рис.2. Зависимость логарифма констант скорости N-ацилирования -аминокислот 4-нитрофениловым эфиром 4-нитробензойной кислоты в растворителе вода (50 масс.%) - 2-пропанол от рКа -аминокислот в воде при



298 К;

В качестве меры влияния заместителей в молекуле сложного эфира (табл.10) была выбрана шкала у^- со стороны спиртовой составляющей и шкала ⁺ со стороны карбоксильной составляющей сложного эфира:

Таблица 10

Значения констант скорости k_0j реакции CЭ с глицином (R=H) в растворителе вода (50 масс.%) - 2-пропанол при Т=298К

Заместители в молекуле сложного эфира	koj, л/(мольс)	Заместители в молекуле сложного эфира	koj, л/(мольс)
R1= H; R2 = 2,4,6-(NO2)3	21.5	R1= H; R2 = 2,6-(NO2)2	0.234
R1= H; R2 = 2,4-(NO2)2	1.74	R1= H; R2 = 4-NO2	5.0910-2
R1= H; R2 = 2,5-(NO2)2	0.647	R1= H; R2 = 2-NO2	8.6510-3
R1= 4-NO2; R2 = 4-NO2	0.629	R1= H; R2 = 3-NO2	2.2910-3

(26)

R=0.90

Совместное влияние реагентов на кинетику реакции N-ацилирования аминокислот со сложными эфирами при 298 К в растворителе вода(50%мас.) - изопропанол имеет вид:

(27)

R=0.92

где pКa_i=pKa(H₂O)i-pKa(H₂O)₀ = pKa(H₂O)

i - 9.88 - разность основностей i-той аминокислоты и стандартной (глицин).

Введение нитрогрупп в оба бензольных кольца эфира ускоряет реакцию ацилирования (25). Значения постоянных чувствительности ₁ и ₂ положительны. Чувствительность реакции к влиянию заместителя со стороны спиртовой составляющей больше, чем со стороны карбоксильной составляющей сложного эфира. Аналогичное влияние атома кислорода, усиливающее влияние нитрогруппы и называемое положительным мостиковым эффектом (ПМЭ), наблюдается и в других реакционных сериях.

Поскольку в ходе реакции (25) вне зависимости от механизма протекания реакции происходит три процесса: разрыв связи N-H аминокислоты, разрыв связи C-O сложного эфира и образование связи N-С продукта реакции, нами были использованы энергии разрыва этих связей (табл.11) для сопоставления с константами скорости реакции. При этом было получено уравнение (28) с высоким коэффициентом (R=0.99) множественной регрессии:

(28)

Таблица 11

Значения энергий разрыва связей N-H, C-O и N-C (кДж/моль) исходных и конечных веществ реакции (25)

АК	EN-H	Эфиры
		R1= 4-NO2; R2 = 4-NO2	R1= H; R2 = 2-NO2	R1= H; R2 = 2,4-(NO2)2	R1= H; R2 = 2,5-(NO2)2
		ЕС-О
		195.6	200.4	213.0	205.4
		EN-C
Gly	365.5	287.5	271.5	271.5	271.5
Ala	371.3	291.5	273.2	273.2	273.2
Val	372.2	285.5	256.5	256.5	256.5
Ser	369.9	283.2	273.2	273.2	273.2
Thr	367.6	274.5	267.8	267.8	267.8

Константа скорости реакции с участием стандартных реагентов взята из уравнения (27), k_o,o=9.3310^-5 л/(мольс). Уравнения (27) и (28) могут быть использованы для предсказания константы скорости реакции аминокислот со сложными эфирами точностью порядка 0.2 логарифмических единиц, что вполне достаточно для практического использования.

По мере увеличения содержания воды в бинарном водно-органическом растворителе константы скорости реакции (25) растут (табл.12). При этом энергия активации реакции заметно уменьшается, а энтропия активации растет.

Таблица 12

Кинетические характеристики реакции N-ацилирования глицина 2,4-динитрофениловым эфиром бензойной кислоты в растворителях: вода - ацетонитрил при Т=298 К

ХН2О, м.д.	k_, л/(мольс)	Е, кДж/моль	-S, Дж/(мольК)
0.60 0.65 0.77 0.84 0.90	0.843 0.923 1.25 1.40 2.78	57.7 49.9 47.6 44.8 38.6	61 87 91 100 115

В водно-органическом растворителе сольватация б-аминокислоты носит конкурирующий характер с образованием молекулярных комплексов различного состава, например, в водно-спиртовом растворителе можно предположить существование следующих комплексов:



Образующиеся комплексы имеют разную реакционную способность, причем аквакомплексы более реакционноспособны по сравнению с другими, так как могут образовывать энергетически выгодные циклические переходные состояния:

С этим, по-видимому, и связано экспериментально наблюдаемое увеличение константы скорости реакции и уменьшение энтропии активации реакции при увеличении содержания воды в водно-органическом растворителе.

С учетом параллельного протекания реакции с участием молекулярных комплексов разного состава можно получить уравнение:

(29)

где k₁ и k₂ - константы скорости реакции в органическом растворителе и воде соответственно, k₃, k₄, - постоянные, учитывающие отклонение от аддитивности; Х₁ и Х₂ - мольные доли органического компонента и воды в реакционной смеси. Величина k₁ оказалась очень малой величиной по сравнению с другими слагаемыми и ею можно пренебречь. Величины k₂, k₃, k₄ для некоторых реакционных серий k₂, k₃, k₄ приведены в табл.13.

Аналогичные данные получены и для других сложных эфиров. Уравнения (29) могут быть использованы для расчета констант скорости с водно-органических растворителях с точностью 0.1 логарифмической единицы. Значения k₂ для трех водно-органических систем соответствуют константе скорости реакции (25) в воде и их средние значения приведены в табл.14.

Таблица 13

Значения k₂, k₃, k₄ уравнения (29) реакции -аминокислот с 4-нитрофениловым эфиром 4-нитробензойной кислоты в водно-органических средах при T=298 К

Аминокислота	k2	k3	-k4
Вода - Ацетонитрил
Pro Gly Ala Ser	8.06±0.81 0.763±0.031 0.265±0.005 0.06690.0040	27.7±7.5 1.51±0.29 0.441±0.050 0.0837+0.037	70.8±11.5 4.35±0.56 1.48±0.01 0.384±0.072
Вода - 2-пропанол
Pro Gly Ala Val Ser Thr	8.75±0.28 1.109±0.030 0.352±0.021 0.117±0.002 0.0553±0.0005 0.0357±0.0009	33.4±5.5 4.75±0.63 1.39±0.42 0.313±0.022 0.182±0.011 0.210±0.012	56.6±8.8 7.95±1.00 2.65±0.67 0.614±0.039 0.293±0.017 0.345±0.011

Таблица 14

Значения констант скорости N_ацилирования б-аминокислот замещенными фениловыми эфирами бензойной кислоты в воде при Т=298 К

Аминокислоты	k_, л/(мольс)	Аминокислоты	k_, л/(мольс)
R2=2.4-(NO2)2	R2=4-NO2
L-Pro	18.1	L-Pro	0.385
Gly	6.45	DL-Ala	0.0522
DL-Leu	0.963	L-Val	0.0417
DL-Thr	0.607	Gly	0.173
L-Ser	0.582	DL-Leu	0.0529
R2=2.5-(NO2)2	DL-Ile	0.0587
Gly	5.09

Установлено также, что между значениями ДЗ^? и ДS^? реакции (25) в пределах одного водно-органического с изменением содержания воды наблюдается линейная зависимость, которая описывается уравнением:

ДЗ^? = А + Т_изо ДS^?(30)

где А - постоянная величина, Т_изо - изокинетическая температура; ДЗ^? - энтальпия активации; ДS^? - энтропия активации, вычисленная по уравнению Эйринга в предположении, что трансмиссионный коэффициент = 1. Основываясь на теории абсолютных скоростей реакции Эйринга (ТАС), теории быстрых реакций и изокинетических явлений в растворе Шахпаронова М.И. и используя схему протекания реакции в растворе с диффузией реагентов друг к другу:

k_d k₁ k⁺

А_сольв. + В_сольв. (AB)_d (АВ) (АВ)⁺ (продукты)_сольв. (31)

k_-d k_-1

можно получить следующее уравнение для экспериментальной величины константы скорости реакции:

(32)

Где

где - вязкость растворителя, Р₀ - поправочный член, учитывающий размер диффундирующей частицы (r) и молекул растворителя (r_S), а также заряды реагирующих частиц; - энергия активации вязкого течения растворителя. Уравнение (32) позволяет рассчитать трансмиссионный коэффициент (табл.15) и константы скорости отдельных стадий (31) (табл.16).

Таблица 15

Значения трансмиссионного коэффициента , кинетических параметров k_- , ?H^?, и ?S^? реакции N-ацилирования глицина 4-нитрофениловым эфиром бензойной кислоты в растворителе вода-2-пропанол и параметров растворителя (?H^? и ) при Т=298 К; Т_изо=350 К

Н2О, масс.%	k-•102, л/(моль•с)	?H?, кДж/моль	-?S?, Дж/(моль•K)	?H? , Дж/моль	•103, Па•с	•1011
40	3.68	45.9	118	28073	3.005	2.77
50	5.26	44.0	122	29435	2.978	1.98
60	6.22	40.5	132	29940	2.872	1.59
70	7.71	39.7	142	30497	2.103	1.36
80	12.8	28.5	166	30052	1.868	1.05

Реакция ацилирования аминокислот сложными эфирами - «медленная» реакция с трансмиссионным коэффициентом = 10^-10 - 10^-11 несоизмеримо меньшим 1, как это часто предполагается при расчетах с помощью уравнения ТАС. Истинная энтропия активации реакции положительна, что обусловлено уменьшением степени упорядоченности среды, окружающей активированный комплекс.

Таблица 16

Значения истинной (?S^?_ист) энтропии активации и констант схемы (31) реакции N-ацилирования глицина 4-нитрофениловым эфиром бензойной кислоты в растворителе вода-2-пропанол при Т=298 К; Т_изо=350 К

Н2О, масс.%	?S?ист , Дж/(моль•К)	kd•10-9, л/(моль•с)	k1?•10-12, с-1	k+•106, с-1
40	131	4.67	3.43	17.2
50	126	7.14	4.10	12.3
60	116	8.00	5.11	9.86
70	113	9.84	5.80	8.43
80	81	12.7	11.1	6.50

Глава 6. Экспериментальное исследование кинетики амидообразования

Приводятся способы подготовки реагентов, растворителей, катализаторов и вспомогательных веществ, методики проведения анализа реакционной смеси в кинетических исследованиях. Анализ ангидридов карбоновых кислот осуществляли химическим методом, нитроанилинов -спектрофотометрическим методом. Продукт реакции - N-фенилфталамидную кислоту - анализировали индикаторным методом. Фенолят-ион (продукт реакции аминокислот со сложными эфирами) определяли спектрофотометрическим методом. Анализ фталевой кислоты (продукта реакции гидролиза фталевого ангидрида) в водно-диоксановом растворителе выполняли потенциометрически.

Глава 7. Методики расчета кинетических параметров реакций

Дано математическое описание кинетики автокаталитической обратимой реакции. Получено условие , при котором обратимостью реакции можно пренебречь. Обратимый характер реакции ариламинов с ангидридами дикарбоновых кислот проявляется в растворителях с низкой основностью (табл. 17).

Таблица 17

Значения константы равновесия К_С реакции анилина с фталевым ангидридом в органических растворителях при 313 К (Праведников А.Н.)

Растворитель, (-рКа)	КС·10-3, л/моль
Бензол (23) Ацетонитрил (10.13) Метилэтилкетон (7.2) Тетрагидрофуран (2.08) N,N-Диметилацетамид (0.19)	0.59*) 1.97 2.55 17.6 >100

*) Наши данные при 298 К.

Кинетическое уравнение необратимой автокаталитической реакции имеет вид:

(34)

Для вычисления констант скорости некаталитического (k) и автокаталитического (k_A) потока реакции была разработана методика компьютерной трехступенчатой оптимизации. Рассчитанные по уравнению (34) степень превращения () ангидрида _Р и экспериментальные _Э сравнивали с помощью функции отклонений:

(35)

Затем с помощью процедуры Хука и Дживса минимизировали S, изменяя значения констант в уравнении (34). После нахождения оптимальных значений констант, приступали к минимизации с помощью процедуры нелинейного регрессионного анализа. Форму минимума исследовали с помощью процедуры сканирования по константам скорости, которая также дает возможность определять оптимальные значения констант k и k_A.

Приведены методики расчета констант скорости реакции ариламинов с ангидридами дикарбоновых кислот при параллельном протекании реакции гидролиза ангидрида и при параллельном протекании потока реакции, катализируемого введенной в смесь карбоновой кислотой, а также методика учета протекания реакции с образованием двух изомеров.

Кинетику реакции анионной формы б-аминокислоты со сложными эфирами изучали при таких условиях, что скоростями параллельно протекающих реакций N-ацилирования нейтральной формы аминокислоты и гидролиза сложного эфира можно пренебречь. В зависимости от рН среды в растворе изменяются доли анионной - , нейтральной ₀, катионной ₊ и цвиттерионной форм аминокислоты. Можно показать, что при этом эффективная константа скорости будет зависеть от рН среды:

(33)

где K₃, Н₃ - константа равновесия и тепловой эффект образования анионной формы аминокислоты из цвиттерионной. Согласно (33) с увеличением рН среды эффективная константа скорости растет при рН=3-8, а в щелочной области, при рН>9 перестает зависеть от рН среды. Такая зависимость эффективной константы скорости не связана ни с изменением механизма реакции ни с каталитическим влиянием рН среды, а лишь с изменением концентрации реакционноспособной формы б-аминокислоты.

Погрешности констант скорости первого порядка составляли 1-2%, второго порядка - 3-5%. Погрешности вычисления энергии активации реакции составляли 2-4 кДж/моль, энтропии активации - 8-12 Дж/(моль•К).



ВЫВОДЫ

1. На основе экспериментальных кинетических данных установлены закономерности, характеризующие зависимость констант скорости и активационных параметров реакции ароматических аминов с ангидридами карбоновых кислот и N-ацилирования -аминокислот сложными эфирами от состава и физико-химических свойств индивидуальных и смешанных водно-органических растворителей.

2. Показано, что автокатализ реакции анилина с фталевым ангидридом связан с бифункциональным действием карбоновой кислоты (продукта реакции), причем константа скорости каталитической реакции уменьшается в полярных и координирующих растворителях, способных к образованию молекулярных комплексов с молекулами реагентов и катализатора. Выведены уравнения количественного учета влияния растворителя на константу скорости каталитической реакции.

3. Закономерности изменения реакционной способности ариламинов, замещенных фениловых эфиров карбоновых кислот и монозамещенных фталевых ангидридов подчиняются уравнению Гаммета. Постоянные чувствительности реакции к изменению строения реагентов имеют отрицательный знак для ариламинов и положительный для ацилирующих агентов, что согласуется с механизмом нуклеофильного замещения у карбонильного атома углерода.