GL_09_Нуклеофильное замещение (1125817), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

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 S_N2-реакциях, для которых в метаноле, этаноле и других протонных растворителях нуклеофильность убы­вает в ряду I^- > Вr > Сl^- > F^-. Однако в ДМФА, ДМСО, ацетонитриле и ацетоне соблюдается совершенно иная последователь­ность Сl^- > Вr^- > I^-, 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) анионов.

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: F^- > Сl^- > Вr^- > I^-.

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, «обнаженных» анионов в газовой фазе, согласно эксперименталь­ным данным, по крайней мере на десять порядков выше, чем в диполярных апротонных растворителях (см. 9.2.3.6).

Таблица 9.6

Относительная нуклеофнлшость анионов в S_N2-реакциях в различных протонных и днполярных апротонных растворителях

9.2.3.г. МЕЖФАЗНЫЙ 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 (СНСl₃; CH₂Cl₂; С₆H₅СН₃; C₆H₆ 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 идею межфазного катализа проще всего проиллюстрировать на примере простейших реакций бимолекулярного нуклеофильного замещения в субстрате RZ при взаимодействии с нуклеофильным реагентом Nu^-.

Имеются две несмешивающиеся фазы — водная и органи­ческая. В водной фазе находится соль M⁺Nu^-. Органическая фаза содержит субстрат RZ, который должен реагировать с нуклеофилом Nu^-. Соль М⁺Nu^-, где M=Li, Na, K, Cs 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 RZ и Nu^- не происходит. В эту смесь вводится катализатор межфазного переноса — хло­рид или бромид тетраалкиламмония R₄N⁺Cl^-, R₄N⁺Br^- или тетраалкилфосфония R₄P⁺Cl^-, 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⁺Nu^-:

где Q⁺= R₄N⁺ или R₄Р⁺ .

Затем происходит перенос соли Q⁺Nu^-, содержащей требуемый нуклеофил Nu^_, из водной в органическую фазу. Липофильные свойства катиона Q⁺ (R₄N⁺; R₄P⁺) способствуют процессу межфаз­ного переноса соли:

В органической фазе и происходит непосредственно процесс би­молекулярного нуклеофильного замещения:

Весь цикл завершается регенерацией соли Q⁺X^- и переносом ее в водную фазу:

Классическая схема каталитического цикла с межфазным переносом реагентов может быть представлена, согласно Ч. Старксу, следующим образом:

где Q⁺ — катион тетраалкиламмония или фосфония, Nu^-= CN^-; SCN^-; NO₂^-; RCOO^-; N₃^-; RS^- и т.д. В этом цикле соль Q⁺Z^-, генерируемая в органической фазе, не обязательно должна быть идентична соли, первоначально вводимой в качестве катализа­тора. Обязательным условием являются наличие липофильного катиона Q⁺ и возможность обмена анионов Z^- и Х^- на нуклеофил Nu^-.

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 R₄N⁺ или R₄P⁺ с алкильными группами, содержащими от 4 до 10—16 ато­мов углерода, как симметричного, так и несимметричного стро­ения. Среди них наибольшее распространение получили C₆H₅CH₂N⁺(C₂H₅)₃Cl^-; (C₈H₁₇)₄N⁺Br^-; (C₄H₉)₄N⁺C1^-; C₁₆H₃₃N⁺(СН₃)₃Вг^- и ряд других солей аммония и фосфония.

В малополярном органическом растворителе (CH₂Cl₂, СНСl_з, С₆Н_б, С_бН₅СН_з и др.) образуется контактная ионная пара R₄N⁺Nu^-, обладающая очень высокой реакционной способнос­тью. Высокая нуклеофильность аниона Nu^- 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 R₄N⁺ и анионом Nu^- в контактной ионной паре этих ионов, т.е. недостаточно сильной электростатической стабилизацией анио­на в ионной паре.

В качестве простейшего примера реакций S_N2-замещения в условиях межфазного катализа можно привести синтез нитри­лов при взаимодействии алкилхлоридов и бромидов с NaCN в бинарной системе вода-декан, катализируемом бензилтриэтиламмоний-хлоридом (ТЭБАХ — катализатор Макоши).

Метод МФК чрезвычайно эффективен и для многих других S_N2-реакций, например:

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 терминов подразумевается переход нерастворимых во многих органических растворителях ионных соединений в органическую фазу с помощью катализаторов межфазного переноса совершенно особенной природы. Такими катализаторами могут быть новые комплексообразующие агенты - макроциклические полиэфиры, называемые краун-полиэфирами (от англ. crown - корона), их бициклические и полициклические аналоги и т.д. (гл. 11). Наиболее часто используют 18-краун-6, 15-краун-5 и [2,2,2]-криптанд (первая цифра в названии краун-эфира означает размер цикла, вторая - число атомов кислорода):

Общей чертой всех краунов, криптандов и родственным 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; N; S; 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 Nu^- 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. Более того, такие ионные пары нередко обладают более высокой реакционной способностью, чем те же анионы в диполярных апротонных растворителях. Для та­кого случая был даже введен специальный термин «реакции об­наженных анионов». Однако это образное название не является строгим, так как в реакции принимает участие не ион, а ионная пара, в которой анион всегда в какой-то степени сольватирован в среде любой полярности и основности.

Каталитический перенос нуклеофильных реагентов из твер­дой фазы в жидкую среду особенно важен в случае жестких нуклеофилов: F^-, Сl^-, RCOO^- и нуклеофилов промежуточной жест­кости, например, N₃^-. Применение краун-эфиров позволяет про­водить разнообразные синтезы с высоким выходом.

Ниже приведен ряд примеров:

.

Характеристики

Список файлов книги