Углубленный курс органической химии. Структура и механизмы. (1125877), страница 75
Текст из файла (страница 75)
Сложные эфиры енолов принадлежат к другому важному семейству ацилярующнх агентов. Ацетат енольной формы ацетона ~изопропенилацетат1 является наиболее обычным реагентом этого типа. Этн соединения действуют в качестве зцилнрующих агентов в присутствии следов кислого катадизаторэ и являются реакциояиоспособными по отношению к слабым иуклеофнлам, таким как затрудненные гидроксильные группы, например ~33~: Осгм снв оснз ! снг сосен, ~! ОССН, ОН По-видимому, активным ацилнрующим агентом является С-протоинрованный сложный эфир енола. О + О Осснз СН -С и:~.
СН,ССН +О ССН Снз Эта частица должна обладать высокой реакционнойс~особностьювследствне присутствия положительно заряженного атома кислорода. Другой возможностью является разложение протоннрованвого сложаого эфира енола с образованием ацетона и иона ацнлия, который затем действует как ацилирующнй агеят. 3.7. ВНУТРИМОЛЕКУЛЯРЙЫЙ. КАТАЛПЗ Многие реакции, рассмотренные в предыдущих разделах этой главы, дали основу для создания представлений о внутримолекулярном катализе. Изучение внутримолекулярного катализа позволяет установить, почему данная функциональная группа действует гораздо эффективнее в качестве катализатора, когда она, являясь частью реагирующей молекулы, занимает такое положение, которое облегчает взаимо. зтв действие каталитнческой н реагирующей групп. Эти исследования оказываются важными для понимания биологических процессов, так как известно, что ферменты действуют как чрезвычайно аффективные катализаторы, причиной чего по крайней мере частично является взаимодействие сактивного центра» с различными основными, нуклеофиль- Рис.
азп Зависимость от ри скороств отоэяо леала салицлноооя кислоты иэ дисаллцлл лцетлле белээльдегнда ~зваЬ ~Ю lс т 42 ными нли кислыми группами, необхо- ч Рз димыми для благоприятного катализа ) 48 отдельиых реакций.' В последующих дг нескольких абзацах иллюстрируем некоторые факты, появившиеся в результате таких исследований, и сделанные из них выводы о механизмах. 0 ~ 2 3 Ф 2 У 7 2 У При рассмотрении механизмов ре. ри акций ацеталей и кеталей отмечалось„что общий кислотный катализ при гидролизе наблюдается только у ацеталей и кеталей, обладающих определенными структурными особенностями, Обычно же действует специфический кислотный катализ. Представляет низсрес вопрос о возможности общего кислотного катализа во виутримолскуляриых реакциях, поскольку полагают, что такой катализ проявляется в механизме действия фермента лизоцима, гидролизующего присутствующие в некоторых полнсахаридах ацетальные связи.
Одной из групп исследованных моделей являются ацеталн, полученные из о-гидроксибензойной кислоты (салициловой кислоты), СООН СООН ,С ~~ 1 С ~ф с СОО" О" Переходное состояние для быстрого гкдролиза моноаниона изображают как включа|ощее виутримолекулярный общий кислотный катализ с по' мощью карбокснлытй группы кислоты и кзрбоксилат-авиона, кцторый зи На графике зависимости скорости реакции от рН среды, представленном на рис. е.2, резкий максимум наблюдается чуть выше' рН6.
Для набщодаемаго максимума скорость реакции равна 2,7 1Рэ; оиа оьазывается большей, чем скорость гидролиза диметилацеталя бензальдегида при сравнимых условиях. Колоколообразный вид зависимости скорости от рН указывает на то, что наиболее реакционноспособной из всех участвующих частиц является моноаиион ацеталя. Это та части. ца, концентрация которой максимальна в области средних значений рН; для дианнона картина обратна.
может оказывать стабилнзующее действие на возникающий центр кар- бениевого нона: О й О со О- .РН О Ра Исследован также смешанный ацеталь оензальдегида, в котором одни из остатков садицнлог1ой кислоты заме|цен метокснгруппой ~37ь. Для зтого соединения также показано сильное возрастанйе скорости реакции, что приписывают влиянию внутрнмолекулярного общего кислотного каталнза: н + . „. ) .Н ф ,О -.
) О ! 1 ! СНф -О С в х но о т СНОН О Случай внутрнмолекулярного участия при гидролнзе сложного эфира подробно исследован для ацетилсалициловой кислоты (аспирина) и ее производных. Иа кинетических данных видно, что аниок гидролпзуется намного быстрее, чем нейтральная частица, что указывает на какое.то вовлечение в реакцщо карбоксилатиой группы.
Для етого случая можно рассмотреть три механизма: ь1) Нраиеойнюьньит хата«из ~")~ 3 ъ ~ ~ ~-а. О 7~ С н С' а СО Сиз О О Оо ,~. ОН + СньСООЬГ СОО" (2) Вйций ос«ее«ей ««тала« 1~ ссн, Н ь„' — ~2 ~ ь ю,соон С вЂ” Од СООН СОО (3! Сикций «иаиаткма «ата«из атаки ьидрекеид-иана неСС-ОН сн„ ! ОСОН ..ОН СО ~ СОО СОО н О 3!2 Из-за кинетической эквивалентности участвующих реагентов, находи. щихся в быстром равновесии, механизм (3) нельзя непосредственно отличить от механизмов (1) и (2): о О 1 оссн, оссн, +н„о —.в [ [1 + он СОО ~~ соон Механизм (1) искщочается экспериментом с изотопной меткой.
Если реализуется нуклсофильный катализ, то интермеднатом оказывается смешанный знгидрид салицнловой и уксусной кислот. Известно, что молекула такого ангидрида, гпдролнзуется водой с приблизительно 25%-дым взетением в салициловую кислоту воды, использующейся в качестве растворителя. Н он он + н,о [ [1 +сн,соон+~~ +сн,со,н .ОССН, =-.СОН СООН 0 О 0 та% При гидролизе аспирина под действием НзыО меченый кислород ие входит в продукт — салициловую кислоту, что исключает участие механизма нуклеофильнато катализа [38[.
Механизм общего кислотного катализа (3) можно исключить с помощью аргуметттоз, основанных иа неспособности присоединения других нуклеофилов, подтверждая зтнм, что общий кислотный катализ осуществляется соседней карбоксильной группой кислоты. Таким образом, полагают, что механизм (2) верно отражает каталнзируемый гидролнз аспирина. Как показано при исследовании серии моноэфироз фталевой- кислоты, степень участия внутрпмолекулярпого нуклеофильного катализа, представленного меха пизмом (1), суцтестзенно зависит от уходящей способности алкоксигруппы: о со соо +но- ~ [1 +нон сой ~~~ СОО о Нуклеофнльное содействие оказывается важным только для сложных эфиров тех спиртов, рК, которых = 13, т. е.
спирт должен быть достаточно кислым. В частности, иуклеофильный катализ наблюдается в случае сложных эфнроз фенола, трифторэтаяола, но не обнаружен для сложных эфиров метнлового и 2-хлорэтилового спиртов [39). Этот результат отражает судьбу тетраэдрических интермедиатов, образующихся прп нуклеофпльном содейстнип. В случае сложных эфироз достаточно кислых спиртов может ппоисходить элиминирование алкоксидной группы, приводящее к гидролизу с участием нуклеофильиаго катализа: [ о ~~'; г' С О 313 Для менее кислых спиртов нуклеофильное содействие оказывается неэффективным из-за нх пониженной способности функционировать в качестве уходящих групп: образующийся при внутримолекулярном присоединении тетраэдрнческяй ннтермедиат просто снова переходит в исходное соединение.
Влияние уходящей группы проявляется также в случае сложных эфиров замещениой салициловой кислоты (сложный эфир по НО-груипе).По механизму нуклеофильного катализа гидролизуются эфиры с хорошо уходящими группами, в частности, с феиольной группой, замещенной в орто- и пара-положении ннтрогруппамн [401: ОрМ Ойя 0 0 О~м О + СН.
СООН СООН 0,1 Внутримолекулярнын катализ в рракциях сложноэфириых групп был обнаружен также н с участием азотистых иуклеофилов. Хорошим примером является гндролиз арнловых эфиров 4-(имидазолил4)масляной кислоты: СизСНзсизСООН П Ос1 0 Выброс фенола происходит гораздо быстрее„чем в аналогичных сложных эфирах без имндазольной группы. В условиях данной реакции соседний основной атом азота имндазольного цикла является более эффективным иуклеофнлом по отношению к карбопильному центру, чем молекула воды или гидроксид-ион [41[.
1Гак и з случае катализа с помощью карбоксилат-иона, куклсофилькый катализ имеет значение только для сложных эфиров, полученных из довольно кислых спиртов, поэтому большинство исследований проведено с эфирами фенолов. При аминолнзе феиилсалнцнлата установлено внутрнмолекулярпое участие о-гидрокснгруппы, свидетельствующее о большей реакционной способности такого рода соединений по сравпен1по с аналогами без гндрокснльного заместителя, Кинетика реакции имеет суммарный третий порядок, второй по реагирующему амину, т.е. наблюдается аналогия с аминолнзом обычных сложных эфиров.
Очевидно, в переходном состоянии действуют и межмолекулярный общий основной катализ (с участием второй молекулы амина), н внутримолекулярный общий кислотный катализ с участием гидроксильной группы [42[: Н РЬО Н 0 [1 иы — с О +Р он 314 По такому механизму энергия активации реакции Может понижаться по крайней мере двумя путями. Частичный перенос протона к карбонильному кислороду увслпчивает электрофнльность карбонила. Аналогично, частичное депровоннровапне аминогруппы повыщает ее нуклеофильность. Эффективными катализаторами реакций по карбоннльным центрам являются определенные молекулы, с помощью которых могут осуществляться синхронные переносы протона. В качестве примера можно привести каталнгическое влияние яиридона-2 на процесс ампнолнза сложных эфиров.
Пнридон-2 не является нн сильным основанием (РК,н'0*7Б), пи сильной кислотой (рК» 11,62), тем не менее он оказы. веется эффективным катализатором реакции и-бутиламина с 4-нитрофенилацетатом 143). В этом случае когда роль катализатора выполняет пиридон-2, а не присутствующая в переходном состоянии вторая молекула бутиламина (действующая по механизму общего основного катализа) суммарная скорость процесса возрастала в 500 раз.
Для того чтобы точнее выразить роль пирндопа-2 в переносе протона, его называют таутомерным катализатором. Такие молекулы называют также бифункциональными катализаторами, поскольку два атома молекулы' принимают участие в процессе переноса протона; Н Нвп Π— Лг Н»С Одг н й НГ!' В С=-Π— Е НЫ вЂ” С вЂ” ОН вЂ” Э Ц1ЩССНв + АГОК Ъ "'б ='б Данные примеры служат для создания основных представлений о внутримолекулярном катализе и показывают, что некоторые обычные реакции карбонильиых соединений могут заметно ускоряться при благоприятном взаимном расположении кислотных, нуклеофнльных и основных центров. Общепринято, что природа выработала аналогичную стратегию оптимального расположения функцнональньгх групп для создания каталитической активности ферментов, Участвующие функцио цельные группы присутствуют в качестве заместителей во многих йз амннокислотиых остатков; найденных в белках.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
