02 - (2004) (1125801), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Это также приводит к понижению величины Лб'. Слабая сольватация анионов и эффективная сольватация переходного состояния предопределяют резкий рост скорости иондипольных Яд2-реакций в диполярных апротонных растворителях. В табл. 9.4 приведены данные по скоростям двух 5,2-реакций в различных растворителях: Таблица 94 Относительные скорости Д,„2-реакций (9.2) и (9.3) в протонных и диполярных апротонных растворителях при 25 'С Растворитель яля релкии» (9Д) лля разлили (9.3) Протонные растворнтелн Метанол, СнзОН Вода Х-Метилацетамид, СН)СОХНСНз Форменка, НСОХНз Х-Метилформамнд, СНзХНСНО Диполярные ацротонные р Тетраметиленсульфон (сульфолан) 5О, Ацетонитрил, СНзСХ Ацетон, СНзСОСНз ДМСО, СнзБОСНз ДМФА.
(СНз)зХСНО Х, Х-Диметнлацетамзьа, СНЗСОХ(СНз)з (ДМАА) Х-Метнллирролидон-2 Г„3, Гексаметилфосфортрнамнд (ГМФТА) О=Р(Х(СНз)з)» 1 7 3,5 !1 12,5 45,3 астворители 400 45000 1,6 1Оз а 1Оз 2,5 1Оь 7,4 104 5000 4ООО 1260 2500 7950 2 1Оз !!9 Как следует из данных, представленных в табл.
9.4, скорость ион-дипольных Хн2-реакций возрастает в 10' — 104 раз при замене протонных на диполярные апротонные растворители, среди которых наилучшие результаты достигаются в ГМФТА, )ь)-метилпирролидоне-2 или в более доступных ДМФА или ДМАА. Аналогичным образом в диполярных апротонных растворителях возрастает скорость реакций ароматического нуклеофильного замещения ЯлАг-типа под действием анионов (см. гл. 15).
Так, например, скорость замещения фтора в и-нитрофторбензоле под действием азид-иона возрастает в 10 и 10 раз при переходе от метанола к ДМФА и ГМФТА, соответственно. Активация анионов в диполярных апротонных растворителях зависит от размера и плотности заряда иона, т.е. фактически от жесткости аниона. Наибольшее ускорение для ион-дипольных о)„2-реакций в диполярной апротонной среде наблюдается для жестких анионов небольшого размера, таких, как Г; ГсО; НО; СьН50; ГсСОО; С! и т.д.
(табл. 9.5). Табл н ц а 9.5 Сравнение логариФмоа констант скоростей реакций метилйодида с различными анионами а метаноле н ДМФА при й 'С Меньший эффект достигается для мягких поляризуемых анионов, таких, как Г; СХВ; КВ и других, хотя и в этом случае скорость Хл2-реакции в диполярных апротонных растворителях выше, чем в протонных растворителях — спиртах, гликолях, карбоновых кислотах и т.д. Большое различие в степени сольватации жестких и мягких анионов в протонных и диполярных апротонных растворителях вызывает изменение нуклеофильности анионов в этих двух классах растворителей. Действительно, ряды нуклеофильности в протонной и апротонной среде сильно отличаются друг от друга (табл. 9.6).
В первую очередь это относится к нуклеофильности галогенид-ионов в 5„2-реакциях, для которых в метаноле, этаноле и других протонных растворителях нуклеофильность убывает в ряду! > Вг >С! > Р . Однако в ДМФА, ДМСО, ацетонитриле и ацетоне соблюдается совершенно иная последовательность С! > Вг > Г, которая совпадает с нуклеофильностью в газовой фазе (см.
раздел 9.2.3.а). Ряд нуклеофильности в протонной среде соответствует изменению поляризуемости анионов, тогда как в апротонной среде он соответствует изменению основности (т.е. сродства к протону) анионон. Нуклеофильность галогенид-ионов в реакции метилтозилата с галогенидами тетраалкиламмония, где сам расплавленный галогенид тетраалкиламмония служит и реагентом и растворителем, изменяется в том же ряду, что и в газовой фазе, и в диполярных апротонных растворителях: Р > С! > Вг >! .
Отсюда следует, что нуклеофильность анионов в диполярных апротонных растворителях гораздо лучше соответствует их истинной нуклеофильности, чем это наблюдается в полярной протонной среде. Реакционная способность несольватированных, 120 «обнаженных» анионов в газовой фазе, согласно эксперименталь- ным данным, по крайней мере на десять порядков выше, чем в диполярных апротонных растворителях (см. 9.2.3.б). Таблица 9.6 Относительная нуклеофильность авионов в олз-реакциях в различных протонных и липолярных апротонных растворителях Реакционная способность Растворитель Реакция СН,!+ М9Хв С„Н,З'>Зад; >!'> > зс)99 > сьР > СН,ОО > > сР> сн,сооо > Р9 СН,ОН; 25 С сн,от;+ Ухо с,н,з9> сн,о9> Р > >ЗСьР>ВР >СР СН,ОН; 25 С СН,ОТв+ 4'Х 9 о я Санаота + ) '(Сана)4Х 9 -С,Н,ОТа + )Ч(С,Н,),Х Оо > Вго > !9 (9 .
3 . 1) С! >Вг >1 (18:5:1) З,о,' > оно-сн,сР > Р9> С ! 9 > В го > 1 О ДМФА; О'С ацетон; 25'С дмсо; л'с )ч! > Сн,соон > с)99 > >Е9>сР >ВР >19 С,Н,СНрта + К9Х9 ацетонитрил, ЗО'С 9 9 СН,ОТа + (Сан! !)„гтХ С! >Вг >Р (2:1„2:Ц расплаатенная соль )ч(с нц) х; !а(гс 9 9 о)Р >ро>сн,с)в > > сн,з9 > срР > сР > вР сн,вг+:Р 9.2.3.г. МЕЖФАЗНЪ|Й КАТАЛИЗ В предыдущем разделе был описан наиболее распространенный способ увеличения нуклеофильности анионов и нейтральных нуклеофилов в результате проведения реакций в диполярных апротонных растворителях. Более простой и доступный способ активации нуклеофилов основан на межфазном катализе (МФК), где нуклеофильный реагент переносится из водного раствора в малополярную органическую среду (СНС13; СНтС12; СьН5СНВ СьНь и др.), не смешивающуюся с водой. Метод межфазного катализа был внедрен в практику органического синтеза благодаря исследованиям М.
Макоши, Ч. Старкса и А. Брендстрема. Основную 121 идею межфазного катализа проще всего проиллюстрировать на примере простейших реакций бимолекулярного нуклеофильного замещения в субст0ззате КХ при взаимодействии с нуклеофильным реагентом Хи Имеются две несмешивающиеся фазы — водная и органическая. В водной фазе находится соль М Хп .
Органическая фаза содержит субстрат КУ. который должен реагировать с нуклеод+ Ю филом Хи . Соль М Хи, где М =1л'„' Ха', К', Сз' и т.д., совершенно нерастворима в таких органических растворителях, как хлороформ, хлористый метилен, толуол„бензол и др., составляющих органическую фазу, поэтому в отсутствии межфазного катализатора никакого взаимодействия К7.и ХР не происходит. В эту смесь вводится катализатор межфазного переноса — хлорид или бромид тетраалкиламмония К~Х'С1, К Х'Вг или тетраалкилфосфония Кчр С1, в которых катион соли является липофильным, а анион — гидрофильным.
Липофильный катион обладает способностью находиться как в водной, так и в органической фазе. Первоначально в водной фазе осуществляется анионный обмен между солями тетраалкиламмония и исходным нуклеофильным реагентом М Хп: 0 8 а о во (1) Я Х (водн.) + М Хи (води.)~==:~ Я Хи (водн.) + М Х (води.), вз о о где () = К4Х или К4Р . Затем происходит перенос соли О Хп, содержащей требуемый нуклеофил Хп, из водной в органическую фазу.
Липофильные свойства катиона О (К4Х„йчР) способствуют процессу межфазного переноса соли: О' О вз о (2) 0 Хо (води.) ~ О Хв (орг.). В органической фазе и происходит непосредственно процесс би- молекулярного нуклеофильного замещения: (3) () Хи + КŠ— —: КХи+ () У. (орг.). о о б,г 0 О Ю О Весь цикл завершается регенерацией соли О Х и переносом ее в водную фазу: ао о о О' О о о (4) ~ ~ (ор~ фаза) + М Х ~~0 Х (води.) ™ ~ ° Классическая схема каталитического цикла с межфазным переносом реагентов может быть представлена, согласно Ч. Старксу, следующим образом: в о оа с а+ил а~~ +Ох(~.> дм +ме м ° +02(ю.>, где Π— катион тетраалкиламмония или фосфония, Хи~ = СХ; БСХ; ХОз; КСОО; Хз; КБ и т.д.
В этом цикле соль О 2 генерируемая в органической фазе, не обязательно должна быть идентична соли, первоначально вводимой в качестве катализатора. Обязательным условием являются наличие липофильного катиона О и возможность обмена анионов У и Х на нуклеофил ХР. Роль межфазного катализатора могут выполнять только такие соли аммония или фосфония, у которых катион может находиться как в водной, так и главным образом в органической фазе.
Этому условию удовлетворяют четвертичные ионы К~Х' или К,Р' с алкильными группами, содержащими от 4 до 10 — 16 атомов углерода, как симметричного, так и несимметричного строения. Среди них наибольшее распространение получили С~НзСНзХ ' (СзНз)зС1; (СзНп)4Х С1; (С4Нз)4Х Вг, (С4Нз)хХ С1 ' СмНззХ (СНз)зВг и ряд других солей аммония и фосфония. В малополярном органическом растворителе (СНзС!п СНС1з, СьНы С~НзСНз и др.) образуется контактная ионная пара К Х"Хи, обладающая очень высокой реакционной способностью.
Высокая нуклеофильность аниона Хи~ в малополярных органических растворителях обусловлена, во-первых, тем, что он практически не сольватирован в этой среде и, во-вторых, большим межионным расстоянием (порядка 4 — 5 А) между катионом КчХ' и анионом Хп в контактной ионной паре этих ионов, т.е. недостаточно сильной электростатической стабилизацией аниона в ионной паре. В качестве простейшего примера реакций 5л2-замещения в условиях межфазного катализа можно привести синтез нитрилов при взаимодействии алкилхлоридов и бромидов с ХаСХ в бинарной системе вода — декан, катализируемом бензилтриэтиламмонийхлоридом (ТЭБАХ вЂ” катализатор Макоши). Метод МФК чрезвычайно эффективен и для многих других 5„2-реакций, например: 123 о С4Н~СНзХ(СзН5)3С !с СН~(СНг)~С! + ХаСХ СНз(СНз)тСХ + ХаС1, вода — декан; 100 С (95 — 100%) гв о (СзНп)зХСНзС1 С Н, Вг + ХаХ НзΠ— С4НзСНз, 100'С С4НыХз + Ханг, (92%) Х(С4Нэ)4С! ЮК+ 2ХаС1, НзΠ— С4Нь, 70 С (85 97%) гйн)+ Х,8 гв О (4- зНп)зХСНзС1 С1(СНз)4С! + ХаОН Н,О-С,Н;; 80'С + 2ХаС!, (88%) аз 4з (С4Н»)4ХНБО4 СНз(СНз)4ОН + н-С4НдС1 + ХаОН Н О С Н .
50.С 2 6Н41 — »' СНз(СНз)т — Π— С4Нэ-л + ХаС!. (80%) (' ,Р 18-храуи-6 15-краун-5 12,2,2 [-криптанд !24 Межфазный катализ не ограничивается переносом реагентов из одной жидкой фазы в другую, также жидкую фазу. Еще одна возможность заключается в переносе реагента из так называемой «твердой фазы» в раствор. Под этим термином подразумевается переход нерастворимых во многих органических растворителях ионных соединений в органическую фазу с помощью катализаторов межфазного переноса совершенно особой природы. Такими катализаторами могут быть новые комплексообразующие агенты— макроциклические полиэфиры, называемые краун-полиэфирами (от англ. сгоил — корона), их бициклические и полициклические аналоги и т.д.
(гл. 11). Наиболее часто используют 18-краун-б, 15-краун-5 и [2,2„2[-криптанд (первая цифра в краун-эфирах означает размер цикла, вторая — число атомов кислорода: Обшей чертой всех краунов, криптандов и родственных им соединений является наличие полости внутри одного цикла или нескольких циклов. В результате хелатирования внутри этой полости образуются донорно-акцепторные комплексы с катионами щелочных, щелочноземельных и других металлов, различные по стабильности в зависимости от радиуса и плотности заряда катиона, размера полости циклов, природы атомов-доноров (О; Х; 5; Р), образующих цикл. Для МФК наибольший интерес представляют комплексы, образованные краун-полиэфирами или криптандами с катионами натрия, калия и лития. Для катиона К' наиболее стабильные комплексы получаются с 18-членными краунами и криптандами.
Катион натрия образует наиболее стабильный комплекс с 15-краун-5, а катион лития — с 12-краун-4. В таких комплексах «органическая оболочка» катиона щелочного металла обеспечивает образование по существу нового «ониевого катиона», который может экстрагироваться или растворяться вместе с анионом в форме ионных пар точно так же, как и сами ониевые соли в малополярных органических растворителях. Анионная часть Хи такой ионной пары чрезвычайно реакционноспособна, поскольку электростатическое взаимодействие с закомплексованным катионом резко ослаблено по сравнению с исходной солью без комплексообразующего агента. Ионные пары, у которых катион заключен в полость циклического полиэфира, более реакционноспособны, чем те же анионы в протонных растворителях, где они сильно сольвативированы за счет образования водородных связей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
