2

55

На правах рукописи

05.17.04 - Технология органических веществ

02.00.03 - Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

Синтез полиядерных ароматических соединений, содержащих оксидные и карбонильные мостиковые звенья

МИЛЬТО Владимир Ильич

Иваново - 2007



Работа выполнена на кафедре общей и биоорганической химии Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова.

Научный консультант:доктор химических наук, профессор Владимир Юрьевич Орлов

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Перевалов Валерий Павлович (Российский химико-технологический университет им.Д.И.Менделеева)

доктор химических наук, доцент Абрамов Игорь Геннадьевич (Ярославский государственный технический университет)

доктор химических наук, профессор Клюев Михаил Васильевич (Ивановский государственный университет)

Ведущая организация: ОАО Научно-исследовательский институт «Ярсинтез»

Ученый секретарь диссертационного совета д.х.н., проф. О.Г. Хелевина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Научно-технический прогресс в области высоких технологий, к которым относятся такие направления, как авиакосмическая отрасль, электроника и др., предполагает создание материалов, сохраняющих высокие рабочие характеристики в условиях резких перепадов температур (от криогенных до 350^оС) и давления (до 10^-8 мм рт.ст.), в сильных радиационных и электрических полях. К практически ценным продуктам, составляющим сырьевую базу подобных материалов, относятся полиядерные мостиковые ароматические соединения. Варьирование числа ароматических ядер, положения и природы мостикового звена (оксидный и карбонильный) позволяют получать материалы, сочетающие высокие прочностные и термостабильные характеристики, с одной стороны, гибкость и способность плавиться без разложения, с другой стороны.

Поэтому актуальной задачей является формирование полиядерных мостиковых фрагментов в разнообразных структурах путем замещения атома галогена в ароматических соединениях на феноксигруппу, а также решение вопросов региоселективности в реакции Фриделя-Крафтса, создающих основу эффективных методов синтеза полиядерных ариленов, содержащих оксидные и карбонильные мостиковые звенья, и на базе этих методов разработки современных энергосберегающих и экологически безопасных технологий получения данных соединений.

Настоящая работа является частью научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре общей и биоорганической химии Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова и выполнена в соответствии с программами: «Университеты России» (тема: «Разработка теоретических основ синтеза полифункциональных ароматических соединений многоцелевого назначения», № гос. регистрации 01940000799, 1993-1997 г.г.), «Реактив» (тема: «Синтез полиядерных ароматических соединений для тонкого органического синтеза», 1999 г.), научно-техническая программа: «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», раздел 203.03. «Научные основы методов получения малотоннажных химических продуктов и реактивов», (тема: «Теоретические основы и общие методы получения азот- и галогенсодержащих полифункциональных ароматических соединений многоцелевого назначения»), раздел 202.07. «Перспективные полимерные материалы со специальными свойствами», (тема: «Высокопрочные термостойкие полимерные материалы с “интеллектуальными” свойствами и их сырьевая база», 2001-2002 г.г.), научно-техническая программа: «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма: 203. «Химические технологии», раздел 03.04.005, (тема: «Теоретические основы получения функционализованных полиядерных ароматических соединений многоцелевого назначения», 2003-2004 г.г.

Целью работы является:

- определение и оценка факторов, влияющих на реакционную способность реагентов, активность катализаторов и селективность реакций, лежащих в основе синтеза полиядерных ароматических соединений с оксидными и карбонильными мостиковыми звеньями;

- разработка эффективных методов для целенаправленного синтеза полиядерных ариловых эфиров и ароматических кетонов;

- разработка малоотходных, ресурсосберегающих и экологически безопасных технологических решений синтеза полиядерных ароматических соединений с разнообразным сочетанием оксидных и карбонильных мостиковых звеньев.

Научная новизна

Впервые проведено всестороннее исследование процессов, протекающих в синтезе замещенных полиядерных ариловых эфиров, взаимодействием структурно активированного субстрата - 4-нитрохлорбензола (4-НХБ) с феноксидами, бисфеноксидами и фенолами в присутствии карбоната калия, а также реакции каталитически активированного субстрата - бромбензола (ББ) с замещенными фенолами в присутствии карбоната калия и медьорганического катализатора. В результате проведенных кинетических исследований получена информация о лимитирующих стадиях реакций. С помощью квантово-химических расчетов количественно оценены структурные, энергетические, зарядовые и орбитальные характеристики исходных и промежуточных соединений, каталитических комплексов. Эти факторы с привлечением корреляционного анализа позволили установить критерии, влияющие на реакционную способность реагентов, что дало возможность определить границы применимости методов. Предложен механизм изучаемых процессов и схемы взаимодействия.

Разработаны новые высокоселективные методы синтеза симметричных производных бензофенона на основе изучения высокотемпературного бензоилирования (ВБ). Определены факторы, влияющие на скорость реакции. Впервые экспериментально показано, что высокая селективность реакции в условиях проведения процесса при повышенной температуре обусловлена изомеризацией как исходного хлорангидрида, так и конечного бензофенона. Квантово-химическое моделирование поверхности потенциальной энергии дало возможность количественно оценить энергетические параметры изомеризации и выяснить миграция какого заместителя приводит к симметричным производным бензофенона.

Осуществлен синтез полиядерных диаминов с различным сочетанием карбонильных и оксидных мостиковых звеньев жидкофазным каталитическим гидрированием соответствующих динитросоединений, полученных реакцией 4-НХБ с бисфенолами в присутствии карбоната калия и высокотемпературным бензоилированием 4-нитробензоилхлоридом ароматических соединений. Определены параметры проведения процесса, а также разработан эффективный метод очистки данных диаминов до мономерной степени чистоты.

Практическая ценность работы

На основании проведенных исследований взаимодействия 4-НХБ с феноксидами калия и фенолами в присутствии карбоната калия разработаны основы технологии синтеза 4,4^/-динитродифенилового эфира резорцина (ДНДФЭР). Данная технология прошла опытно-промышленную проверку на Ново-Черкасском заводе синтетических продуктов с выпуском опытной партии ДНДФЭР в количестве 280 кг.

Разработаны основы технологии синтеза м-феноксифенола (м-ФФ) реакцией бромбензола с резорцином в присутствии карбоната калия и комплексного катализатора хлорида меди (I) и 8-оксихинолина. Проведение НИОКР синтеза м-ФФ профинансировано Фондом содействия малых форм предприятий в научно-технической сфере (гос. контракт № 2356р/4592 от 14.04.2004г.). На предприятии «ЯрСинтез» выпущена опытная партия в количестве 1,0 кг

Исследования реакции ВБ легли в основу разработки технологии получения полиядерных ароматических кетонов, прошедшую проверку на предприятии «Технолог». Результаты исследования синтеза и очистки полиядерных ароматических диаминов послужили основой разработки технологии получения 4,4^/- диаминодифенилового эфира резорцина (ДАДФЭР). По данному методу разработан технологический регламент синтеза ДАДФЭР, который прошел опытно-промышленную проверку на Ново-Черкасском заводе синтетических продуктов с выпуском опытной партии ДАДФЭР в количестве 145 кг.

В рамках программы «Реактив» разработана и утверждена нормативно-техническая документация на ряд полиядерных соединений с оксидными и карбонильными мостиковыми звеньями.

Все синтезированные полиядерные ароматические диамины, использованные в качестве мономеров для термостойких полимерных материалов, испытаны в специализированных организациях (Институт Высокомолекулярных соединений РАН, г. Санкт-Петербург; Институт Пластмасс г. Москва; НПО «Химволокно» г. Мытищи).

Апробация работы

Результаты исследований докладывались и обсуждались на: Всесоюзном совещании «Перспективы расширения ассортимента химических реактивов для обеспечения потребностей ведущих отраслей народного хозяйства и научных исследований» (Ярославль, 1987), II Всесоюзной конференции «Современное состояние и перспективы развития синтеза мономеров для термостойких полимерных материалов» (Тула, 1987), Всесоюзной конференции молодых ученых «Современные проблемы органического синтеза» (Иркутск, 1988), Всесоюзной конференции «Ароматическое нуклеофильное замещение» (Новосибирск,1989), Семинаре-совещании-3 «Потребители-производители органических реактивов» (Ереван, 1989), 4-ой Межвузовской конференции “Карбонильные соединения в синтезе гетероциклов» (Саратов, 1989), III Всесоюзном совещании по химическим реактивам «Состояние и перспективы развития ассортимента химических реактивов для важнейших отраслей н/х и научных исследований» (Ашхабад,1989), ХХХV Научно-технической конференции (Ярославль, 1989), II Всесоюзной конференции «Химия и применение неводных растворов» (Харьков, 1989), Международной научной конференции «Органический синтез и комбинаторная химия» (Москва, Звенигород, 1999), ХII Международной конференции по производству и применению химических реактивов и реагентов «Реактив-99» (Москва, 1999), ХIII Международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (Тула, 2000), Международной конференции по экологии (Новгород, 2000). XVII Международной научно-технической конференции «Реактив-2004» (Уфа, 2004).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 18 статей, в т. ч. 15 статей в журналах из Перечня ВАК, получено 3 авторских свидетельства на изобретения и патент РФ, опубликовано 14 тезисов докладов на Всесоюзных и международных конференциях.

Положения, выносимые на защиту

1. Закономерности замещения галогена в активированных и неактивированных ароматических соединениях на феноксигруппу.

2. Региоселективность в реакции высокотемпературного бензоилирования.

3. Методы получения полифункциональных многоядерных соединений, содержащих оксидные и карбонильные мостиковые звенья.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, литературного обзора, химической части, экспериментальной части, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 209 страницах, включает 34 таблицы, 72 схемы и рисунков. Список литературы включает 330 источников. В приложении приводятся рефераты технологических регламентов получения наиболее востребованных продуктов, а также акты испытаний и заключений, подтверждающих практическую ценность синтезированных соединений.



ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В рамках настоящего исследования решена задача формирования полиядерных ароматических соединений с оксидными и карбонильными мостиковыми звеньями, используемых в качестве мономеров, в которых варьирование числа ароматических ядер, положения и природы мостикового звена позволяют получать полимерные материалы с заданным комплексом свойств (схема 1).

(1)

Для решения поставленной задачи сформулирован методологический подход, согласно которому, для того чтобы разработать эффективные способы синтеза целевых соединений, дающие в границах этих способов предсказуемые результаты, необходимо получить данные о механизмах изучаемых процессов, определить и количественно оценить факторы, влияющие на реакционную способность реагентов, активность катализаторов и селективность реакций по целевым продуктам, в результате чего установить критерии, позволяющие целенаправленно управлять процессами синтеза вышеназванных полиядерных мостиковых соединений.

1. Исследование закономерностей синтеза полиядерных ариловых эфиров

Формирование оксидного мостикового звена в полиядерных ароматических соединениях осуществляется взаимодействием бисфеноксидов, полученных из соответствующих бисфенолов или предварительно, или генерируемых in situ с помощью депротонирующих агентов и галогенароматических соединений, активированных либо структурно, либо каталитически.

В результате проведенных исследований в рамках методологического подхода выявлены закономерности процессов, ведущих к получению полиядерных ариловых эфиров, на основании которых разработаны эффективные методы синтеза этих соединений.

Инструментом исследования закономерностей в синтезе полиариленов с оксидными мостиковыми звеньями служили реакционные серии, содержащие в качестве реагентов замещенные феноксиды, генерируемые или предварительно (схема 2), или в ходе реакции (схемы 3 и 4). Реагенты в реакционных сериях содержат один и тот же набор заместителей, что позволило провести сравнительный анализ полученных данных от явно выраженного донора (NH₂-группа) до сильного акцептора (NO₂-группа), что, в свою очередь, дало возможность проследить изменения реакционной способности в широких пределах. В качестве субстратов использованы: структурно активированный - 4-нитрохлорбензол (4-НХБ) (схемы 2 и 3) и каталитически активированный - бромбензол (ББ) (схема 4).

(2)

(3)

(4)



где R = -NH₂, -CH₃, H, -Cl, -Br, -NO₂

1.1 Кинетические закономерности реакции замещения атома хлора в 4-НХБ феноксидами калия

Кинетические исследования реакции 4-НХБ с полученными a priory феноксидами калия (схема 2), используемой в качестве базовой серии сравнения, показали, что реакция имеет второй порядок для всех пар реагентов. Константы скорости, найденные из анаморфоз кинетических кривых в координатах: обратная концентрация - время, сведены в табл. 1.

Экспериментальные данные превосходно коррелируют с у-константами Гаммета по уравнению: lgk=(-4,310,10)-(1,890,08). (r 0,997; s 0,16; (s% 1,1); N 6). Это свидетельствует об адекватности механизма для всей реакционной серии. Как следует из значений констант скорости, для замещенных феноксидов калия выполняется соотношение Бренстеда - нуклеофильность феноксидов усиливается с ростом их основности. Ряд реакционной способности феноксидов с заместителем R:

3-NH₂ > 3-CH₃ > -H > 4-Cl, 4-Br > 3-NO₂.

Таблица 1.

Константы скорости реакции 4-НХБ с замещенными феноксидами калия (ДМАА, 60 ⁰С, концентрации реагентов 4,0 10^-2 моль/л)

Заместитель R	3-NH 2	3-CH3	H	4-Cl	4-Br	3-NO2
	-0,160	-0,067	0	0,287	0,232	0,710
k 102, л/(мольс)	8,90±0,16	6,80±0,14	5,0±0,10	1,50±0,10	1,45±0,12	0,25±0,08



1.2 Анализ кинетических данных реакции замещения атома хлора в 4-НХБ на феноксигруппу на основе квантово-химического моделирования

Для интерпретации реакционной способности реагентов нами использован подход с привлечением результатов квантово-химического моделирования. Были рассчитаны геометрические параметры при полной оптимизации последних, зарядовые и орбитальные характеристики субстрата и реагентов (метод АМ1).

Характеристики соответствующих анионов, а также их некоторые геометрические параметры представлены в табл. 2.

Таблица 2.

Квантово-химические характеристики замещенных ароматических финоксид - анионов (метод АМ1)

Структура аниона	ЕВЗМО	qO реакц. центра	lC-O, ?	Нобраз., кДж/моль
С6Н4-O-	-2,702	-0,533	1,269	-171,4
п-Cl-С6Н4-O-	-3,040	-0,514	1,266	-231,4
м-Cl-С6Н4-O-	-3,108	-0,514	1,266	-228,9
п-Br-С6Н4-O-	-3,170	-0,507	1,265	-190,7
м-Br-С6Н4-O-	-3,146	-0,513	1,266	-180,8
п-CH3-С6Н4-O-	-2,714	-0,527	1,268	-205,8
м-CH3-С6Н4-O-	-2,728	-0,534	1,269	-201,7
п-NO2-С6Н4-O-	-4,145	-0,454	1,257	-271,9
м-NO2-С6Н4-O-	-3,671	-0,495	1,264	-227,8
п-NH2-С6Н4-O-	-2,587	-0,529	1,269	-171,7
м-NH2-С6Н4-O-	-2,799	-0,530	1,269	-178,8

Анализируя полученные данные, можно отметить: геометрические параметры, характеризуемые длиной связи С-О, изменяются незначительно. Несущественно также изменяется значение заряда на атоме кислорода феноксид-анионов. Напротив, заметно меняются орбитальные характеристики - Евзмо, которая имеет максимальную величину для п-аминофеноксида и минимальную для п-нитрофеноксида. При этом значительного различия Евзмо для п- и м-замещенных структур не отмечено.

Учитывая превалирующее значение характеристик граничных орбиталей реагентов, логарифмы констант скоростей реакции 4-НХБ с замещенными феноксидами коррелировали с индексом реакционной способности (ИРС) по Клопману, учитывающего орбитальное взаимодействие: ИРС = 2(СаСb)² / Е_ВЗМО-Е_НВМО, где Са и Сb - электронная плотность граничных орбиталей на реакционных центрах а и b; в - резонансный интеграл; Е_ВЗМО - энергия верхней занятой молекулярной орбитали феноксида; Е_НВМО - энергия нижней вакантной молекулярной орбитали 4-НХБ.

Полученная корреляция (рис. 1) (r 0,978; s 0,13; (s% 1,8); N 6) убедительно показывает, что изменение реакционной способности монофеноксидов подчиняется орбитальному контролю.

Рис. 1. Корреляция логарифмов констант скоростей реакции 4-НХБ с замещенными феноксидами и ИРС.

1.3 Кинетические закономерности реакции 4-НХБ с резорцинатом калия

В синтезе полиядерных ароматических соединений, содержащих оксидные мостиковые группы, используются бисфеноксиды - нуклеофилы с двумя реакционными центрами. Эти реакции мало изучены, поэтому представляло интерес исследовать закономерности подобных реакций.

В качестве объекта кинетических исследований была выбрана реакция резорцината калия (РК) с 4-НХБ. Анализ реакционной смеси методами ТСХ и ГЖХ показал, что реализуется следующая схема превращений:

(5)

Выход 4,4ґ-динитродифенилового эфира резорцина (ДНДФЭР) - (Р₂) достигает 96-98 %. Промежуточный продукт (Р₁) выделен и идентифицирован методами ИК и ЯМР ¹Н - спектроскопии.

Схема (5) - схема последовательно-параллельных реакций, в которой 4-НХБ взаимодействует с двумя типами анионов: бисфеноксидом - резорцинатом (А) и монофеноксидом - мононитрофениловым эфиром резорцината (Р₁).

В результате проведенных исследований из балансовых опытов (мольное соотношение А : В = 1 : 1,25, ДМАА - 40 мл, Т = 110 ^оС) решением трансцендентного уравнения найдено, что k₂/k₁=2,2. Константа скорости реакции 4-НХБ с монофеноксидом (k₂) превосходит константу скорости реакции 4-НХБ с бисфеноксидом (k₁) более чем в два раза, хотя данные квантово-химических расчетов говорят о том, что реакционная способность резорцината должна быть значительно выше. Так, если константа скорости k₂ (R: -O-С₆Н₄-NO₂) прекрасно ложится на корреляцию констант скоростей реакции 4-НХБ с монофеноксидами и ИРС (рис. 1), то константа k₁ явно выпадает из корреляции. Расчетный ИРС резорцината (0,0568) предполагает увеличение скорости взаимодействия в 10⁵ раз, но экспериментально этого не наблюдается. Как свидетельствуют расчеты методом АМ1, Е_НВМО 4-НХБ расположена выше Е_ВЗМО для моноанионов (-2,5 ч -4,1эВ), но ниже Е_ВЗМО дианионов (табл. 3), что дает возможность переноса электрона с ВЗМО дианионов на НВМО субстрата с образованием радикальных частиц. Образующиеся анион-радикальные частицы имеют следующие энергетические параметры граничных орбиталей: для анион-радикала 4-НХБ Е_НВМО=0,78 эВ, для резорцинат-анион-радикала Е_ВЗМО= -0,90 эВ, т. е. уровень ВЗМО резорцината понижается в три раза. За счет такой стабилизации могут образовываться соответствующие анион-радикалы.

Таблица 3.

Квантово-химические характеристики замещенных ароматических дианионов и гидроксианионов (метод АМ1)

Структура аниона	ЕВЗМО, эВ	qO реакц. центра	lC-O, ?	Нобраз., кДж/моль
м--O-С6Н4-O-	1,810	-0,652	1,288	-32,6
м--O-С6Н4-OH	-2,936	-519	1,267	-370,6
п--O-С6Н4-O-	2,862	-0,689	1,298	4,6
п--O-С6Н4-OH	-2,639	-0,532	1,270	-357,3

С целью экспериментальной проверки образования в ходе реакции радикальных частиц реакция резорцината калия с 4-НХБ была проведена в ячейке ЭПР-спектрометра в среде ДМАА. В исходной системе резорцинат - ДМАА при температуре 20 ⁰С зарегистрированы сигналы радикальных частиц (рис.2). Количество парамагнитных центров составляет 10¹⁷- 10¹⁸спин. Найденное значение g-фактора (g_iSO = 2,0000±0,0003, ?Н=9,7±0,2Гс) позволяет с достаточной степенью достоверности отнести сигнал к анион-радикалу резорцината. При введении в систему 4-НХБ характер ЭПР-спектра изменился (g_iso=2,0135, Н=12,0 Гс) - сверхтонкая структура (СТС) слабо разрешена (а=14,3 Гс). Учитывая значение g-фактора и характер СТС, сигнал, зарегистрированный в системе: резорцинат - 4-НХБ - ДМАА, можно отнести к анион-радикалу типа R-NO₂, а в данном случае - к анион-радикалу 4-НХБ, который, как кинетически устойчивая частица описан в литературе (Danen C.W. et. al. 1969). Константа скорости его распада в ДМФА при 23 ^оС составляет 10^-2 с^-1. Следует отметить, что при проведении реакции 4-НХБ с феноксидом калия в ячейке ЭПР-спектрометра при 20 ^оС, зарегистрировать сигналы радикальных частиц не удалось.

Рис.2. ЭПР спектр системы резорцинат-ДМАА (1) и системы резорцинат-ДМАА - 4-НХБ (2)

Итак, опираясь на впервые проведенные сравнительные кинетические исследования, квантово-химические расчеты и данные ЭПР, можно сделать вывод, что механизм взаимодействия бисфеноксида с 4- НХБ отличается от классического S_NAr механизма взаимодействия монофеноксидов с 4-НХБ и может включать в качестве первой ступени одноэлектронный перенос от дианиона к субстрату с образованием долгоживущей пары анион-радикалов.

1.4 Кинетические закономерности взаимодействия 4-НХБ с замещенными фенолами в присутствии карбоната калия

На практике синтез полиядерных ариловых эфиров главным образом осуществляют, генерируя бисфеноксиды in situ по причине их лабильности из соответствующих бисфенолов с помощью депротонирующих агентов, среди которых наиболее распространенным является карбонат калия. В настоящее время активно обсуждаются вопросы о роли и механизме участия карбоната калия в процессе синтеза ариловых эфиров. В некоторых работах (Канинский П.С. 1992, Власов В.М. 2003) карбонат калия представлен не только как депротонирующий агент, участвующий в генерации феноксида, но и как реагент нуклеофильного замещения в виде комплекса молекулы К₂СО₃ с фенолом. Также обсуждается вопрос, где происходит реакция нуклеофильного замещения, на твердой поверхности поташа или в растворе, обсуждается также характер лимитирующей стадии процесса в присутствии карбоната калия. Ответы на эти вопросы, имеющие технологическую перспективу, представляют не только теоретический, но и практический интерес.

Кинетические исследования реакции 4-НХБ с замещенными фенолами в присутствии карбоната калия (схема 3) проведены на той же реакционной серии и в том же растворителе (ДМАА), что и в отсутствии К₂СО₃.

Следует отметить, что поскольку карбонат калия не растворим в ДМАА, нами определены параметры процесса, обеспечивающие проведение реакции в кинетической области, в которой конверсия реагентов не зависит от степени перемешивания, (n), мольного отношения К₂СО₃ к фенолу (МО) и диаметра зерна карбоната калия (d) (рис. 3). Было установлено, что для протекания реакции в кинетической области граничными значениями этих параметров являются: МО=5, d?0,25 мм, n?1000 об/мин.

Рис. 3. Конверсия 4-НХБ в реакции с фенолом в зависимости от скорости перемешивания, размера зерен K₂CO₃ и соотношения 4-НХБ: фенол (ДМАА, 140^оС, 4-НХБ: фенол=1:1, начальные концентрации - 4,010² моль/л, время процесса - 30 мин.)

В этих условиях установлено, что зависимость изменения текущих концентраций во времени при эквимолярном соотношении и при различных начальных концентрациях реагентов описывается кинетическим уравнением первого порядка. Линейная зависимость конверсии 4-НХБ (Х) от времени при 10-кратном избытке фенола свидетельствует о том, что частный порядок по 4-НХБ - нулевой. Итак, учитывая, что К₂СО₃ находится в избытке, общий порядок реакции - первый.

По реакционной способности в зависимости от природы заместителя (R) фенолы (табл.4) располагаются в следующий ряд R: 3-NO₂ > 4-Cl > Н > 4-Br >3-CH₃ >3-NH ₂,

симбатный кислотности последних. Действительно, скорость данной реакции удовлетворительно коррелирует с рКа фенолов (r 0,983; s 0,11; (s% 1,4); N 6).

Сравнение рядов реакционной способности фенолов в присутствии К₂СО₃ и феноксидов, имеющих одни и те же заместители по отношению к 4-НХБ, позволяет отметить, что они полностью инвертированы друг к другу, т. е. в реакции с феноксидами самым реакционноспособным является аминофеноксид, в реакции с фенолами - нитрофенол.

Таблица 4.

Константы скорости реакции 4-НХБ с замещ. фенолами в присутствии К₂СО₃ (ДМАА, 140 ⁰С, МО=5, d?0,25 мм, n?1000 об/мин, [4-НХБ]₀ =[Ф]₀=4.010^-2 моль/л.

Заместитель R	3-NO2	4-Cl	4-Br	H	3-CH3	3-NH2
k104, c-1	16,600,10	15,000,10	9,600,11	11,400,12	7,500,11	5,200,13
рКa(ДМСО)	12,1	12,7	13,2	13,7	13,6	14,1

1.5 Обсуждение кинетических данных реакции 4-НХБ с фенолами в присутствии карбоната калия

На основании полученных кинетических данных взаимодействия 4-НХБ с замещенными фенолами в присутствии избытка К₂СО₃ , а именно: порядок реакции по реагентам - первый по фенолу и нулевой по 4-НХБ; ряд реакционной способности замещенных фенолов симбатен кислотности последних, можно предположить, что стадией, определяющей скорость всего процесса, является не нуклеофильное замещение галогена на феноксигруппу, а депротонирование фенолов. Стадия депротонирования с последующей генерацией феноксида проходит с участием карбоната калия, но поскольку он находится в гетерофазе по отношению к реагентам, изучение его роли в процессе кинетическими методами представляет определенную трудность, т. к. при этом необходимо учитывать твердую поверхность карбоната калия, которая в ходе реакции претерпевает не только количественные, но и качественные изменения. Дать ответ на вопрос участия поташа в процессе депротонирования фенолов нам удалось с помощью моделирования взаимодействия фенола с твердой поверхностью карбоната калия с учетом данных кристаллографии и квантово-химических расчетов геометрии молекулы К₂СО₃. Ряд авторов (Плахтинский В.В. 1997. Халфина И.А. 2003.) считают, что взаимодействие фенола с карбонатом калия начинается с хемосорбции фенола на поверхности карбоната калия с образованием комплексов типа: [Ar-OKKHCO₃] (a) или [(2ArOH)K₂CO₃] (b), которые реагируют в качестве нуклеофила с субстратом или на поверхности карбоната калия - комплекс (а), или в растворе - комплекс (b).

Моделирование взаимодействия фенола с карбонатом калия в виде молекулярных структур не привело к описанию процесса, в результате которого образуется комплекс фенола с карбонатом калия. Так, изучение взаимодействия молекулы фенола с фрагментом (рис. 5а), состоящим из двух молекул К₂СО₃, оптимизированные параметры которого рассчитаны методом РМ3 (рис. 4), не позволило найти, как описывали ранее, на ППЭ минимум, соответствующий продуктам хемосорбции. Более того, присутствие молекулы фенола приводит к разрушению фрагмента (рис. 5б).



Рис. 4. Оптимизированные структура и заряды Милликена молекулы К₂СО₃ (метод РМ3)

Взаимодействие фенола с карбонатом калия удалось описать с учетом его кристаллической структуры. С учетом данных кристаллографии (Becht H.Y. 1976), из которых известно, что в поверхностном слое каждый катион калия координирован с шестью атомами кислорода, расстояние между атомами калия 5.7 ?, что в полтора раза больше размера бензольного кольца, нами смоделирована грань в приближении MNDO кристалла карбоната калия (рис. 6а).

а) б)

Рис. 5. Взаимодействие фенола с системой молекул К₂СО₃ (метод РМ3).

При моделировании предполагалось (рис. 6б), что молекула фенола приближается к поверхности поташа своей гидроксигруппой на положительный центр кристаллической решетки (К⁺). Энергия активации затрачивается для того, чтобы сблизить атомы кислорода и калия, в результате чего связь О-Н гидроксигруппы фенола ослабляется, протон координируется с ближайшим атомом кислорода карбонатной группы, а атакованный атом калия, значительно теряя в притяжении к поверхности кристалла, выходит из решетки. Образовавшийся таким образом (рис. 6в) феноксид калия покидает поверхность кристалла и выталкивается в раствор.

Рис. 6а. Модель грани кристалла карбоната калия (MNDO)

Рис. 6б. Начальная стадия взаимодействия фенола с поверхностью карбоната калия

Рис. 6в. Образование феноксида калия.

Подводя итог впервые проведенным исследованиям процесса синтеза ариловых эфиров в присутствии карбоната калия, включающим кинетические исследования и квантово-химическое моделирование, можно предложить следующий механизм взаимодействия фенолов с 4-НХБ в присутствии К₂СО₃ (схема 6):



(6)

Лимитирующей стадией, проходящей на поверхности карбоната калия, является реакция депротонирования фенолов (стадия а). Скорость реакции возрастает с увеличением кислотности фенолов. Образованные феноксиды калия далее реагируют с 4-НХБ в гомогенных условиях (стадия б). Эта реакция описывается кинетическими закономерностями S_NAr - типа и относятся к орбитально-контролируемым. Причем следует отметить, что если энергия ВЗМО реагента близка к энергии НВМО субстрата, как в случае резорцината калия п.1.3, образуются анион-радикалы реагентов и процесс протекает с их участием.

1.6 Практическая реализация результатов исследований

Исследования синтеза полиядерных динитроароматических эфиров в присутствии карбоната калия показали, что лимитирующей стадией процесса является не нуклеофильное замещение, проходящее в растворе, а депротонирование фенолов на твердой поверхности поташа. Поэтому проведение синтеза в условиях, ускоряющих гетерогенный процесс (рис. 4): перемешивание реакционной массы в турбулентном режиме, увеличение удельной поверхности карбоната калия, позволило интенсифицировать процесс (время проведения реакции сократилось в 2-3 раза) и увеличить выход целевых продуктов в 1,5-2 раза. При этом синтез полиядерных нитроариловых эфиров (схема 7.) не осложнялся образованием побочных продуктов. Выход целевых соединений составил 87 - 96 % при проведении реакции в течение 2-4 ч и температуре 120-140 ^оС в зависимости от выбранного растворителя (табл. 5).

Строение и чистота целевых продуктов подтверждены методом элементного анализа, определением температуры плавления, данными ИК и ЯМР спектроскопии.

(7)

Таблица 5.

Условия синтеза соединений, представленных на схеме 7

№	Реагенты	Соединения	Раствори тель	Т, 0С	Время, ч	Выход, %
I	4-НХБ, резорцин	1,3-бис(4/-нитрофенокси)бензол	N - МП	140-150	2-3	94-96
II	4-НХБ, 4,4/- дигидрокси бифенил	4,4/-бис(4//-нитрофенокси)бифенил	ДМСО	120-130	3-4	87-90
III	4-НХБ, 2,2/- дигидрокси бифенил	2,2/-бис(4//-нитрофенокси)бифенил	ДМСО	120-130	2-3	90-92
IV	4-НХБ, 4,4/- дигидрокси бензофенон	4,4/-бис(4//-нитро фенокси)бензофенон	ДМФА, ДМАА	130-140	2-3	89-89

1.7 Кинетические закономерности реакции бромбензола с замещенными фенолами в присутствии карбоната калия и комплексного катализатора

Синтез ариловых эфиров замещением атома галогена, активированного нитрогруппой, ограничивается получением узкого круга нитросоединений, переход от которых к соединениям с иными функциональными заместителями весьма сложен. Чтобы расширить функциональный диапазон ариловых эфиров, замещение галогена активируют применением катализаторов. Причем использование медьсодержащих катализаторов с органическими лигандами приводит к более высоким выходам ариловых эфиров, чем применение катализаторов на основе никеля и палладия. Однако, механизм процесса с участием медьорганических катализаторов не достаточно изучен. Выявление факторов каталитической активации субстрата, их количественная оценка, определение лимитирующей стадии, дадут возможность обоснованно подойти к описанию процесса и, в конечном счете, позволят разработать эффективные методы синтеза целевых ариловых эфиров.

С этой целью были проведены кинетические исследования (схема 4) на примере реакции бромбензола (ББ) с фенолами того же ряда, что и в реакции с 4-НХБ (схема 3) в присутствии карбоната калия и комплексного катализатора: хлорид меди (I) и 8-оксихинолин (8-ОХ). Поскольку карбонат калия находится в гетерофазе по отношению к реагентам, при выполнении кинетических исследований учитывались ранее определенные условия проведения процесса в кинетической области (п. 1.4.).

Установлено, что полулогарифмические анаморфозы кинетических кривых в координатах lnC - ф имеют линейный характер для всех замещенных фенолов, что указывает на первый порядок реакции. Псевдопервый порядок реакции ББ с замещенными фенолами в присутствии К₂СО₃ и каталитического комплекса Сu₂Cl₂+8-OX объясняется тем, что ББ участвует в реакционном акте в связанном с каталитическим комплексом виде и концентрация его постоянна.

Значения эффективных констант скоростей для различных пар реагентов представлены в табл. 6.



Таблица 6.

Значения эффективных констант скоростей реакции фенолов с ББ (ДМАА, 140 ^оС, ББ : K₂CO₃ = 1:2; [Cu₂Cl₂]+[8-ОХ] = 0,08 моль/л)

Заместитель R	4-NH 2	4-CH3	Н	4-Cl	4-NO2
k104, с-1	32,040,18	8,050,16	6,000,11	5,810,28	0,050,15
-	- 0,660	-0,170	0	0,227	1,270
ИРС1	0,0716	0,0724	0,078	0,0637	0,0387
ИРС2	0,0854	0,0861	0,085	0,0771	0,0505

По реакционной способности R-замещенные фенолы располагаются в следующий ряд R: 4-NН₂ > 4-CH₃ > Н > 4-Cl > 4-NО ₂.

Возрастание скорости реакции ББ с замещенными фенолами изменяется симбатно нуклеофильности соответствующих феноксидов (п. 1.1.). Это свидетельствует о том, что лимитирующей стадией процесса является не депротонирование фенолов, а нуклеофильное замещение атома брома в субстрате на феноксид-анион. Следует отметить, что предварительно полученный феноксид калия взаимодействовал с ББ в аналогичных условиях (за исключением карбоната калия) со скоростью, сравнимой со скоростью изучаемого взаимодействия, что подтверждает сделанное предположение.

Но в отличие от реакции, представленной схемой 2, реакционная способность феноксидов, в данном случае, зависит не только от орбитального взаимодействия реагентов, но и от зарядового фактора. Так, корреляция констант скоростей реакции ББ с замещенными фенолами и ИРС₁, учитывающий только орбитальное взаимодействие реакционных центов, как в случае реакции 4-НХБ с феноксидами, была не вполне удовлетворительной (r 0,83). Лучшая корреляция (r 0,93; s 0,17; (s% 1,8); N 5) с ИРС₂ (рис.7), учитывающий также и зарядовое взаимодействие, свидетельствует, что на скорость реакции ББ с фенолами оказывает влияние весьма поляризованный комплекс ББ с каталитической системой: ИРС₁ = Ср_џ²/ Евзмо ; ИРС₂ =¦q₀¦ / r + Ср_џ²/ Евзмо,

где Евзмо - энергия ВЗМО феноксида, Ср_џ - вклад атома кислорода в ВЗМО феноксида, q_о - заряд на атоме кислорода в соответствующем замещенном феноксиде, - диэлектрическая проницаемость растворителя, r - расстояние между атомами кислорода феноксида и углеродом реакционного центра в ББ.

Рис.7. Зависимость lnk от индекса реакционной способности для реакции бромбензола с замещенными фенолами в присутствии карбоната калия и каталитического комплекса хлорид меди (I)+8-оксихинолин

Следует отметить, что реакции замещенных фенолов с 4-НХБ и ББ (схемы 3 и 4) протекают в сходных температурных режимах (140 и 145 ^оС) и имеют первый порядок, т.е. константы скорости этих реакций имеют одинаковую размерность, значения их можно сравнить (табл. 7). Анализируя данные, представленные в табл.7, можно сделать следующий вывод: при взаимодействии с ББ донорные заместители в феноле (-NH₂, -СН₃) настолько усиливают реакционную способность образующихся феноксидов, что лимитировать скорость процесса может депротонирование фенолов. Скорость взаимодействия ББ с феноксидами, содержащими акцепторные заместители (-CI, -NO₂) ниже, чем скорость депротонирования соответствующих фенолов и в этом случае она определяется нуклеофильным замещением галогена на феноксид-анион.

Итак, если представить взаимодействие ББ с замещенными фенолами подобно изображенному на схеме 6 взаимодействию 4-НХБ с фенолами, где стадия (а) - депротонирование фенолов, стадия (б) - нуклеофильное замещение, то эти стадии в зависимости от природы заместителя в реагенте могут конкурировать между собой в качестве лимитирующей. Там, где лимитирует нуклеофильное замещение, контролирующим фактором служит энергия ВЗМО феноксида с учетом зарядового фактора на его реакционном центре, там, где скорость определяет депротонирование фенолов, контролирующим фактором является их pКа.

Таблица 7.

Значения констант скоростей реакций 4-НХБ и ББ с замещенными фенолами в присутствии карбоната калия

Заместитель R	- NH2	- CH3	-H	-CI	- NO2
k104,c-1(4-НХБ)	5, 200,13	7,500,11	11,400,12	15,000,10	16,600,10
k104,с-1(ББ)	32,040,18	8,050,16	6,000,11	5,810,28	0,050,15

Таким образом, на основании полученных данных зависимости скорости реакции либо от функции кислотности фенола, либо от энергии ВЗМО соответствующего феноксида можно прогнозировать характер реакционной способности реагентов с широким набором заместителей, что и продемонстрировано на примере реакции 4-НХБ с резорцинатом калия (п. 1.3.).

1.8 Факторы каталитической активации субстратов медьорганическими комплексами в нуклеофильном ароматическом замещении

Для оценки факторов активации субстрата каталитическим комплексом проведены исследования методом квантово-химического моделирования структуры комплекса, как для изолированных частиц, так и с учетом взаимодействия с субстратом - бромбензолом. Установлено, что активация ББ происходит за счет орбитального и зарядового взаимодействия с каталитической системой.

Для верификации данных квантово-химического моделирования представлялось необходимым сопоставить результаты, полученные для изучаемых молекулярных и гипермолекулярных систем полуэмпирическим (РМ3) и неэмпирическим (базис 6-31G(d,p)) методами расчета. Некоторые критичные геометрические и электронные (заряды на атомах) параметры расчетов представлены в табл. 8 и 9. Полученные данные достаточно близки, что позволяет с высокой степенью достоверности использовать последний метод для рассмотрения особенностей структуры и факторов каталитической активации субстрата.

Таблица 8.

Электронные и геометрические параметры бромбензола.

Нумерация атомов в структуре	Метод расчета	Длина связи C-Br ?	Заряды на атомах
			C1	Br
	РМ3	1,87	-0,109	0,005
	Ab initio	1,87	-0,067	0,005

Таблица 9.

Электронные и геометрические параметры 8-оксихинолина.

Нумерация атомов в структуре	Метод расчета	Длина связи C-O ?	Заряды на атомах
			C1	N	O
	РМ3	1,36	0,129	-0,188	-0,211
	Ab initio	1,38	0,106	-0,244	-0,238

Квантово-химическая модель (табл. 10) комплекса 8-ОХ с хлоридом меди (I) указывает на то, что комплексообразование происходит за счет возникновения циклической полярной системы, в которой путем сопряжения молекулы 8-ОХ с хлоридом меди (I) имеет место значительное перераспределение зарядов на атомах. Сравнивая данные, представленные в табл. 9 и табл. 10, можно отметить, что наиболее значительно изменяется заряд на атоме азота 8-ОХ: q_N = 0,188 (8-OX), q_N = 0,484 (8-OX+Cu₂CI₂) и на атоме меди: q_Cu = 1,000 (Cu₂CI₂), q_Cu = 0,272 (8-OX+Cu₂CI₂).

Таблица 10.

Электронные и геометрические параметры комплекса 8-оксихинолин+хлорид меди (I).

Нумерация атомов в структуре	Метод расчета	Длины связи ?	Заряды на атомах
			C1	N	O	Cu
	РМ3	C-O 1,41 O-Cu 1,94 N-Cu 1,90	-0,071	0,484	-0,031	0,272
	Ab initio	C-O 1,40 O-Cu 2,10 N-Cu 2,08	-0,091	0,298	-0,097	0,453

Расчет структуры: 8-ОХ+Сu₂Cl₂+ББ показал наличие двух структур комплекса. Структура с низкой энергией образования (Н_f = 60,7 кДж/моль) представлена на рис.9. Для нее характерно небольшое увеличение длины связи С-Br - до 1,88 ? (менее 1% от исходной величины) и незначительное увеличение полярности связи С-Br (q_с= -0,152; q_Br =0,087).

Рис. 9. Структура комплекса 1: хлорид меди (I) + 8-ОХ + ББ



Рис. 10. Структура комплекса 2: .хлорид меди (I) + 8-ОХ + ББ.

Структура с более высокой энергией (Н_f = 360,1 кДж/моль) представлена на рис.10. В данной структуре помимо взаимодействия атома брома с медью имеет место сопряжение р-электронных облаков бензольного кольца бромбензола с ароматической системой 8-оксихинолина. Это приводит к значительному искажению структуры исходных частиц и, в частности, к удлинению связи С-Br до 2,67 ? (более чем на 40% от исходной величины). Наблюдается также значительная поляризация связи С-Br (q_с= -0,081; q_Br = -0,494).

Оценка орбитальных характеристик комплексов субстрата с различными медьорганическими катализаторами позволила определить основные факторы, влияющие на активность катализаторов.

Принимая во внимание определяющую роль атомов азота в органическом лиганде на активность медьорганических катализаторов, нами смоделированы структуры НВМО комплексов ББ + хлорид меди (I) с такими органическими лигандами, как 8-оксихинолин, 1,8-нафтиридин и ,-бипиридил, в которых атомы азота сопряжены с ароматической системой.

Значимые параметры медьорганических комплексов с ББ представлены в табл. 11.



Таблица 11.

Различные параметры комплексов медьорганических катализаторов с ББ.

Катализатор	Заряд на реакц. центре	Енвмо комплекса	С2pz105 реакц. центра	RС-Вr, ?
-	-0,1086	-0,05	0,03	1,868
Cu2Cl2	-0,1630	-1,50	0,19	1,906
Cu2Cl2-8-оксихинолин	-0,2874	-1,75	2,81	1,881
Cu2Cl2-1,8-нафтиридин	-0,2949	-1,95	3,82	1,881
Cu2Cl2-б,бґ-бипиридил	-0,2861	-1,85	17,00	1,882

Полученные данные (табл.11.) свидетельствуют о том, что существенно изменяющимися факторами являются энергии НВМО комплексов и вклады реакционного центра субстрата в НВМО.

Экспериментальная оценка результатов квантово-химических расчетов эффективности медьорганических комплексов была проведена на примере реакции фенола с м-дибромбензолом (м-ДББ). Изучение влияния природы катализатора на скорость замещения было проведено в среде ДМФА в присутствии карбоната калия (табл. 12). Лучшие результаты были достигнуты при использовании комплекса ,-бипиридил+хлорид меди (I). Конверсия м-ДББ за 2ч составила 82,73 %, выход продукта монозамещения - 65,75 %, дизамещенного - 7,38 %. Процесс, катализируемый комплексом 8-ОХ+хлорид меди (I), протекал значительно медленнее: конверсия м-ДББ за 2ч составила 17,44 %, выход монозамещенного - 12,4 %, а продукт дизамещения вообще не образуется. При использовании только хлорида меди (I) в качестве катализатора выход монозамещенного за тоже время проведения реакции составил 11,08 %, продукт дизамещения не образуется. При этом наблюдается определенная симбатность скорости реакции, с одной стороны, и параметров каталитического комплекса с субстратом (значение НВМО комплекса и вклада в нее реакционного центра субстрата), с другой стороны.



Таблица 12.

Влияние природы медного катализатора на выход продукта (мольное соотношение фенол : м-дибромбензол : карбонат калия = 1:1,1:1,2 растворитель - ДМФА : толуол (10 %), Т=145^оС). Концентрация катализатора - 0,16 моль/л. Время реакции 2ч.

№	Катализатор	Конверсия м-дибром-бензола, %	Содержание м-бромдифенил-оксида, %	Количество 1,3-дифенокси- фенола, %
1	Cu2Cl2	13,01	11,08	-
2	Сu2Cl2-8-оксихинолин	17,44	12,4	-
3	Сu2Cl2-б,бґ-бипиридил	82,73	65,75	7,38

Анализ результатов квантово-химического моделирования позволяет предположить, что основной фактор, влияющий на активность медьорганических катализаторов, заключается в их способности образовывать комплекс с субстратом, в котором понижена энергия НВМО и увеличен вклад в нее реакционного центра субстрата.

При фиксированном значении ВЗМО реагента, в данном случае феноксид-аниона (Е_ВЗМО = 2,69114 эВ), этот фактор сказывается на уменьшении размера «энергетической щели» между НВМО комплекса субстрата с катализатором и ВЗМО реагента (рис. 11), а, следовательно, усиливает реакционную способность субстрата.

без катализатора Е_НВМО =-0,05028

Сu₂Cl₂E_НВМО =-1,50442

Сu₂Cl₂-8-оксихинолинЕ_НВМО=-1,74854

Сu₂Cl₂-б,бґ-бипиридилЕ_НВМО =-1,85046

феноксидЕ_ВЗМО =-2,69114

Рис. 11. Значения Е_НВМО субстатов (бромбензол-медьсодержащий катализатор) и Е_ВЗМО реагента (феноксид-аниона), эВ.

Полученные данные могут служить ориентиром в выборе эффективного катализатора для соответствующей реакции, что и показано на примере взаимодействия фенолов с ББ и м-ДББ.

Впервые проведенная количественная оценка такой многофакторной активации субстрата медьорганическим катализатором, определение характера лимитирующей стадии позволили целенаправленно интенсифицировать процесс и проводить синтез ариловых эфиров в сравнительно мягких условиях: температура порядка 140^оС и время проведения 1-2 ч, против условий, в которых обычно проводят эфирную конденсацию Ульмана, используемую для тех же целей: температура около 200^оС, в течение 10 ч и более.

1.9 Практическая реализация результатов исследований

Исследования синтеза ариловых эфиров замещением галогена в каталитически активированном субстрате на феноксигруппу с использованием медьорганических катализаторов, в результате которых определены факторы, влияющие как на активацию субстрата, так и на активность каталитических комплексов, позволили целенаправленно управлять процессами и разработать основы технологии получения данных ариловых эфиров, отвечающей таким требованиям как высокая селективность по целевым продуктам, малая энергоемкость и экологическая безопасность.

Исследования реакции ББ с фенолами в присутствии К₂СО₃ и каталитического комплекса хлорида меди (I) + 8-ОХ послужили основой в разработке технологии синтеза м-феноксифенола (м-ФФ), являющимся ключевым компонентом в процессе получения диазотипных фотоматериалов, а также полупродуктом в производстве 1,3-бис(3^/-феноксифенокси)бензола или м-пентафенилового эфира (м-ПФЭ) - вакуумного масла глубокого разрежения (до 10^-8 мм рт.ст.). Потребность в подобных продуктах значительно возросла в связи с использованием нанотехнологий.