Диссертация (1150329), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Определениевнутрисубстратной селективности проводили путем выделения из реакционныхсмесей, полученных в результате проведения реакции до небольших конверсий,основного продукта и установления его структуры методами спектроскопииЯМР.Былообнаружено,чтововсехисследованныхсубстратахкарбонилированию подвергается, прежде всего, атом хлора в положении 2, чтоговорит об ускорении реакции карбонилирования орто-заместителем посравнению с тем же заместителем, находящимся в мета- или пара-положении.Всеисследованныезаместители(соединения52,53,56−58,66,69;региоселективность карбонилирования субстратов 54, 55, 67, 68 была изучена внашей лаборатории ранее [134]), независимо от своего электронного влияния,характеризуются положительным орто-эффектом.Обнаруженный универсальный положительный орто-эффект имеетбольшоезначениедляиспользованияреакциикарбонилированияв49органическом синтезе при получении различных бензойных кислот сложногостроения.
Он позволяет проводить карбонилирование даже таких замещенныххлорбензолов, которые имеют несколько донорных заместителей в бензольномкольце (Схема 52):Схема 52Причинойнаблюдаемоговлияниязаместителянаскоростьирегиоселективность реакции может быть стадийный анион-радикальныймеханизм активации галогенаренов, включающий стадию образования анионрадикала и последующую стадию его фрагментации. Скорость реакциифрагментации анион-радикала сложным образом зависит от его энергииобразования, сравнительной количественной характеристикой которой можетслужить стандартный восстановительный потенциал галогенарена.
С однойстороны, менее отрицательное значение восстановительного потенциаласубстрата – галогенарена – соответствует большей концентрации анионрадикала и, как следствие этого, ведет к увеличению скорости егофрагментации. С другой стороны, анион-радикал с меньшей энергиейобразования при прочих равных условиях должен в соответствии с принципомБэла-Эванса-Полянимедленнеефрагментировать.Такаязависимостьконстанты скорости фрагментации анион-радикалов от их энергии образованиядействительно наблюдается для ряда галогенаренов [135, 136].Подобное обилие факторов, определяющих влияние заместителя нареакционную способность арилхлоридов в реакциях анион-радикальногозамещения, приводит к сложности интерпретации экспериментальных данных50(и, возможно, является причиной слабой изученности этого вопроса влитературе).Особенностивлияниязаместителянарегиоселективностькарбонилирования полихлораренов можно объяснить тем, что при протеканииреакции по стадийному механизму региоселективность анион-радикальногозамещенияварилдихлоридахопределяетсястадиейфрагментацииобразующегося анион-радикала (Схема 53):XXCl +eCl- Cl-XClClClX- Cl-ClСхема 53При этом в соответствии с принципом Белла-Эванса-Поляни реакциябудет предпочтительно протекать по наименее прочной связи C-Cl (Схема 54):Схема 5451Квантово-механические расчеты сравнительной прочности связи длянекоторых субстратов, проведенные в нашей лаборатории методом DFT,показали, что во всех изученных соединениях связь C-Cl в орто-положении кзаместителю Х действительно является менее прочной [137].Для экспериментальной проверки нашего предположения мы изучилирегиоселективность анион-радикальных реакций замещенных дихлорбензоловна примере восстановления 2,4-, 2,3- и 2,5-дихлорбифенилов (54, 80, 68)комплексом натрия с нафталином до небольших конверсий (схема 55).Схема 55Полученные данные представлены в таблице 4:Таблица 4.
Состав реакционной смеси реакции гидродехлорирования рядадихлорбифенилов (по данным ГЖХ; условия см. экспериментальную часть)СубстратПродукты одноэлектронного26,(конверсия, %)восстановления (мольные %)(мольные %)ОсновнойПобочный54 (6.0)81 (2.8)83 (<0.01)3.280 (4.8)82 (1.0)83 (<0.01)3.867 (4.2)82 (0.6)83 (<0.01)3.652Из представленных результатов видно (таблица 4), что в системе во всехслучаях наряду с монохлорбифенилами образуется значительное количествонезамещенного бифенила, даже при малой (< 5 %) конверсии исходногосубстрата.
В то же время, реакционная способность монохлорбифенилов вреакции восстановления комплексом натрия с нафталином значительно ниже,чем дихлорбифенилов.Разрешить данное противоречие можно, предположив, что в системепараллельноодноэлектронномувосстановлениюпротекаетпроцессмногоэлектронного восстановления (схема 56):Схема 56В таком случае кинетическая схема процесса может быть представленаследующим образом (схема 57):53Схема 57Относительнаястабильностьанион-радикаловхарактеризуетсяконстантами равновесия образования анион-радикалов из соответствующиххлорбифенилов и анион-радикала нафталина. Эти величины вычислялись иззначений восстановительных потенциалов Е, приведенных в литературе [138].Моделирование восстановления (программа COPASI, версия 4.2.)изученных дихлорбифенилов с учетом экспериментальных данных поотносительной реакционной способности моно- и дихлорбифенилов ирасчетных данных по равновесному образованию соответствующих анионрадикалов показало, что доля многоэлектронного восстановления, выражаемаякак (k9+k10/k3+k4), при проведении гидродехлорирования комплексом натрия снафталином в растворе в ТГФ достаточно велика (таблица 5):54Таблица 5.
Соотношение процессов одноэлектронного и многоэлектронноговосстановления при проведении гидродехлорирования комплексом натрия снафталиномСубстратk9+k10k3+k4k9+k10/k3+k4540.0200.0201.0800.0200.00533.8670.0200.00336.0Подобныемногоэлектронныепроцессыхорошоизвестныприэлектрохимическом восстановлении [139], когда образовавшийся в результатефрагментации радикал не успевает покинуть катодное пространство ивосстанавливается дальше до моноаниона и даже до дианиона в случае наличияв нем нескольких функциональных групп. Наличие такого эффекта виспользуемыхнамиусловияхможетсвидетельствоватьотом,чтовосстановитель в данном случае представляет собой не просто ионную пару, аагрегированный кластер, имеющий в своем составе не менее четырех катионовнатрия и анион-радикалов нафталина (схема 58):Схема 58Принимая во внимание поправку на долю многоэлектронного процесса,мы можем теперь из данных таблицы 4 с помощью предложеннойкинетическойсхемыоценитьрегиоселективностьодноэлектронноговосстановления дихлорбифенилов (таблица 6):55Таблица6.РегиоселективностьодноэлектронноговосстановлениядихлорбифениловСубстратk1/k254<0.003580<0.01067<0.017Полученные результаты свидетельствуют о том, что предпочтительнопроисходит фрагментация атома хлора, находящегося в орто-положении кфенильномузаместителю.Такимобразом,сравнениеданныхповосстановлению дихлорбифенилов с приведенными ранее результатамиизучениярегиоселективностикобальткатализируемогометоксикарбонилирования показывает, что наблюдаемый нами в реакциикарбонилирования положительный орто-эффект имеет причиной анионрадикальную природу стадии окислительного присоединения.4.3.
Влияние орто-замещения на относительную реакционную способностьгалогенаренов в реакциях аминированияИспользуя полученные данные о различном орто-эффекте метильной группы взависимости от природы стадии окислительного присоединения и места этойстадии в реакциях кросс-сочетания, мы изучили механизм C−N кросссочетания арилбромидов с аминами. Как уже отмечалось в литературномобзоре, один из важных вопросов заключается в том, протекает ли в каждомконкретном случае стадия окислительного присоединения как согласованныйтрехцентровой процесс (OxIns), или через одноэлектронный перенос скомплекса меди на галогенарен (SET). Для ответа на этот вопрос определениезнака орто-эффекта представляется удобным критерием.56Недавно в нашей лаборатории была обнаружена новая эффективнаякаталитическая система для катализируемого медью N-арилирования гидразина[140], алифатических аминов [141] и анилинов [142] с использованием воды вкачестве растворителя (Схема 59):Схема 59Несмотря на то, что полученные результаты [140, 142] представляютсобой практический интерес, механизм реакции до сих пор не был изучен.Поэтомумыприменилиобнаруженныйнамикритерий(орто-эффектметильной группы) для выяснения природы скорость-определяющей стадии вэтой реакции.Мы сравнили реакционную способность орто- и пара-бромтолуолов вреакции арилирования анилина.
Было обнаружено, что орто-бромтолуолзначительно менее реакционноспособен, чем пара-изомер (kотн = 0.14).Подобные результаты были получены и для арилирования морфолина (kотн =0.13). Учитывая, что электронное влияние метильной группы в орто- и параположениях почти одинаково, полученный результат свидетельствует озаметном ингибирующем пространственном влиянии и, следовательно, о том,что окислительное присоединение в данных случаях протекает не по анионрадикальному механизму, а через трехцентровое переходное состояние (Схема24).57Также мы применили для ответа на вопрос об орто-эффектеразработанный нами подход к изучению влияния заместителя путемопределениярегиоселективностиреакциисучастиемзамещенныхдигалогенбензолов. Этот метод имеет преимущество по сравнению сизмерением межсубстратной селективности, так как сводит к минимумувлияние внешних факторов.Взаимодействие замещенных дихлорбензолов 56 и 57 с морфолином,катализируемое вышеуказанной каталитической системой, проводилось донизкой конверсии (33 % и 10 %, соответственно).
Анализ реакционных смесейметодами ГЖХ-МС и ЯМР 1H показал, что реакция протекает в обоих случаях,хотя во втором случае наряду с аминированием наблюдается восстановлениезамещенного дихлорбензола 57 (Схема 60, выходы продуктов на основе данныхГЖХ).Схема 60Полученные замещенные N-арилморфолины 84−86 были выделены, ихструктуры были охарактеризованы комплексом физико-химических методов58анализа. Для обоих соединений 56 и 57 заместитель направляет аминированиепреимущественно в положении 4 (независимо от знака его электронноговлияния) (Схема 60). Таким образом, исследование региоселективностипоказало универсальное тормозящее влияние орто-заместителей (как донора,такиакцептора)иподтвердилопротеканиестадииокислительногоприсоединения через трехцентровое переходное состояние (Схема 24).Интересно то, что побочная реакция восстановления демонстрируетпочтиполноеотсутствиерегиоселективности(поданнымГЖХ-МС,региоизомеры образуются в почти одинаковом количестве).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
