Зависимость нуклеофильности аминов от их строения и от вида электрофильного субстрата тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.03, кандидат химических наук Шохен, Михаил Абрамович

• Шохен, Михаил Абрамович
• кандидат химических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат химических наук Шохен, Михаил Абрамович

Введение

Обзор литературы.

1. Физическое содержание понятия нуклеофильность

2. Протонирование

3. Сродство к ¿р и ¿р гибридизованному атому углерода

3.1. Стабильность цвиттерионного интермедиата - фактор, определяющий механизм реакции нуклеофилов с карбонильной группой

3.2. Экспериментальные оценки нуклеофильности аминов.

3.2.1. Нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода

3.2.2. Нуклеофильное присоединение к карбокатионам

3.2.3. Реакции с карбонильной группой

4. ¿-эффект.-.

4.1. Примеры экспериментального обнаружения

-эффекта.

4.2. Квантово-химическая трактовка «¿-эффекта

ГЛАВА I. Расчет профиля потенциальной поверхности реакции образования карбиноламинов

ГЛАВА 2. Метод анализа зависимости нуклеофильности от строения реагентов

ГЛАВА 3. Влияние субстратов на зависимость нуклеофильности аминов от вариации oL-атома в заместителе у азота.

ГЛАВА Влияние заместителей на нуклеофильность аминов по отношению к карбонильной группе.

4.1. Вариация количества «í-атомов 0 и F в заместителях у амина

4.2. Влияние метильных групп в JJ-положении на нуклеофильность аминов с á-гетероатомами N и 0.

ГЛАВА 5. Влияние вариации сб-атома заместителя, на сродство аминов к карбокатионам

ГЛАВА 6. Классификация донорно-акцепторных взаимодействий

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Зависимость нуклеофильности аминов от их строения и от вида электрофильного субстрата»

Нуклеофильные реакции аминов одни из наиболее распространенных в органическом синтезе, кроме того, они играют значительную роль в биохимических процессах. Н.е вызывает сомнения необходимость знания причин, лежащих в основе зависимости нуклеофильно-сти аминов от их строения.

К сожалению из экспериментов довольно трудно получить необходимые оценки нуклеофильности. Дело в том, что практически все исследования нуклеофильного взаимодействия аминов с различными субстратами (кроме протона) проведены в растворах. Однако,реакции эти многостадийные, тогда как нуклеофильность проявляется только в одной из элементарных стадий. Установление же соответствующих данной стадии константы скорости и равновесия на основании наблюдаемых характеристик всего процесса в целом - задача чрезвычайно сложная. К тому же, любая зависимость нуклеофильности от строения реагентов, полученная в жидкой фазе, неизбежно искажена влиянием таких факторов, как сольватация, ассоциация молекул и т.д.

Квантово-химические расчеты позволяют преодолеть присущие жидкофазному эксперименту трудности и промоделировать именно ту элементарную стадию, на которой и проявляется нуклеофильн- . ость. Кроме того, расчет изолированной системы нуклеофил - субстрат дает возможность исследовать не искаженную посторонними влияниями зависимость нуклеофильности от строения реагентов.

Цель настоящего исследования - теоретическое изучение с помощью квантово-химических расчетов зависимости нуклеофильности аминов от их строения и от природы электрофильных субстратов.

В качестве объекта исследования рассмотрены реакции нуклео-фильной атаки аминов с трехкоординированным атомом азота, центром нуклеофильности, на субстраты различного вида: протон, кар-бокатионы, карбонильную группу и галогеналкил. Изучены реакционные серии, в которых центр нуклеофильности в реагентах постоянен, а вариация структуры нуклеофила осуществлена за счет заместителей у центра нуклеофильности. Для того, чтобы возмущения нуклеофильности, вносимые заместителями изменялись в наиболее широких пределах, использованы заместители с различными об-атомами. Вариируемые аб-атомы (С, Я, О, Г) - элементы одного периода таблицы Менделеева, т.е. атомы, сильно отличающиеся по своим электроотрицательностям.

В работе выдвинута гипотеза о наличии внутри любой молекулярной системы ограниченной структурной области - области изменчивости (ОИ), физические взаимодействия внутри которой определяют изменение химических свойств реагентов в реакционной серии. Предложен критерий, позволяющий с помощью квантово- химических расчетов находить структурные элементы ОИ.

При анализе физических взаимодействий, локализованных в ОИ установлены причинные связи между строением реагентов и нукле-офильностью во всех рассмотренных реакционных сериях. В частности сформулировано условие необходимое для возникновения об-эф-фекта - явления повышенной реакционной способности по отношению к карбонильным соединениям, галогеналкилам и ряду других электрофильных субстратов нуклеофилов, содержащих «¿-гетероатомы в

- б заместителе у центра нуклеофилъности.

При обобщении результатов анализа зависимости нуклеофильности от строения реагентов и субстратов, найдено, что все рассмотренные реакции распадаются на два класса в зависимости от типа физических взаимодействий, локализованных в ОИ.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОЦЕНКИ НУКЛЕОФИЛЬНОСТИ АМИНОВ И ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ТРАКТОВКА СУПЕРНУКЛЕОФИЛЬНОСТИ ( об-ЭФФЕКТА)

I. ФИЗИЧЕСКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ПОНЯТИЯ НУКЛЕОФИЛЬНОСТЬ.

Поскольку основной вопрос, обсуждаемый в нашем исследовании, связан с выяснением зависимости нуклеофильности от строения нук-леофила и электрофильного субстрата, сразу же отметим, что в термины нуклеофильность, нуклеофил, электрофил мы вкладываем смысл, соответствующий определению Ингольда [I] для этих понятий.

Нуклеофильность - это сродство к атомному ядру вообще. В этом смысле сродство к водородным ядрам (протонное сродство) является частным проявлением нуклеофильности.

Нуклеофилы - это реагенты, которые участвуют в реакциях, отдавая свои электроны или разделяя их с другими атомными ядрами.

Электрофилы - это реагенты, действие которых связано с приобретением электронов или с частичным приобретением электронной пары, ранее принадлежавшей полностью другой молекуле.

Ингольд подчеркивает [I,с.374], что при оценке нуклеофиль-ной силы реагентов необходимо учитывать способ оценки: если нуклеофильность оценивается по положению равновесия, то следует говорить о термодинамической нуклеофильности, если же оценка сделана по скорости реакции, то речь идет о кинетической нуклеофильности.

Мы не случайно в самом начале уточнили понятие нуклеофильности, т.е. свойства, связанного с образованием химической связи между молекулами нуклеофила и электрофила. Получаемые обычно из

- 9 экспериментов в жидкой фазе оценки термодинамической и кинетической нуклеофильности являются по сути искаженными характеристиками взаимодействия между молекулами нуклеофила и субстрата, поскольку на эти оценки накладывается влияние множества посторонних факторов, таких как сольватация, ассоциация, катализ и т.д. [I, с.351, 2-4].

2. ПРОТОНИРОВАНИЕ

Для обсуждаемых в настоящей работе аминов в табл.1 приведены величины рКа, экспериментальные значения протонного сродства РА(В) в газовой фазе, а также величины РА(В), найденные в неэмпирических аЬ 1п11ло расчетах МО ССП и полуэмпиршзеским методом СНЪО/2 [5].

Таблица I.

Основность и протонное сродство аминов.

Амины рКа ккал/моль РА(В) эксперимент РА(В) аЬ 'сги^ио расчет ккал/моль РА(В) 1 полуэмпир. расчет сыхю/г. ккал/моль нн3 9.21 [6] 207 113] 221 258 [III [14] 300.8 ГЕ61 сн3ш2 10.62 [6] 218 [13] 230 260 [II] [14] 308.6 [16]

СН3)2НН 10.64 [7] 224.4 [13] 271 [14] 311. [13]

СН3)3Ы 9.76 [83 228.6 [13] 275 [14] 319.9 [17] тгтг 8.10 [9] 210 [15] 223 [III 304.6 [16] нонн2 5.97 [Ю] К 201 [и] 277.7 [16] рнн2 к К 191 [II] 268.1 [16]

- 10

Продолжение таблицы I. i 2 3 4 5 f2nh x x x 232.4 [16] f3n х 151 [12] x 201.7 [16]

Данные в литературе отсутствуют.

В настоящее время с достаточной точностью с помощью спектроскопии ионциклотронного резонанса и масс-спектрометрии высокого давления определяются величины протонного сродства РА(В) оснований в газовой фазе. Экспериментальные величины РА(В), измеренные в газовой фазе, являются непосредственной оценкой нуклео-фильности аминов по отношению к протону. В величинах рКа, измеренных в жидкой фазе, отражено влияние сольватации, ассоциации и прочих процессов, присущих жидкой фазе, и мешающих оценить нук-леофильность в чистом виде [18]. Действительно, согласно данным табл1, последовательное замещение атомов водорода в аммиаке на метильные группы приводит к монотонному увеличению протонного сродства, тогда как рКа триметиламина меньше, чем у моно- и ди-метиламина.

Величины РА(В), расчитанные методами <зЬ initio, дают несколько завышенные значения по сравнению с экспериментом. В расчетах CNDO/2 в среднем в полтора раза завышены значения РА(В). Однако, найденные в МО расчетах оценки РА(В) верно воспроизводят тенденцию в изменении экспериментальных величин РА(В) при вариации заместителей у атома азота. Так, в работе Г16] показано, что для большого количества различных аминов существует

- II линейная корреляция между экспериментальными и рассчитанными методом СЫТО/2 величинами РА(В) с коэффициентом корреляции К. = 0.999. Поэтому, из-за отсутствия для большинства интересующих нас аминов экспериментальных значений РА(В), проанализируем тенденции в изменении расчетных величин РА(В) (табл.1) при вариации заместителей у атома азота.

В результате приходим к заключению:

1) Увеличение порядкового номера сб-атома в изоэлектронных заместителях, когда эти атомы - элементы одного периода, приводит к монотонному понижению протонного сродства: сн3лн2 > нн2нн2 > нонн2 ^ ш2 (I)

2) Последовательное замещение атомов водорода в аммиаке вызывает монотонное увеличение протонного сродства для СН^ заместителей и монотонное уменьшение протонного сродства для заместителей Р.

Для выяснения влияния заместителей у центра протонирования на величины протонного сродства молекул были исследованы корреляции величин РА(В) с различными характеристиками электронной оболочки. Найдено [13], что величины РА(В) связаны линейной зависимостью с потенциалами ионизации 1Р(В)/'"измеренными в фотоэлектронных спектрах, для первичных, вторичных и третичных алкилзаме-щенных аминов. Прямые линии этих зависимостей имеют приблизительно одинаковый наклон, но отсекают различные отрезки на координатных осях. Зависимость РА(В) от 1Р(В) для метиламинов разной степени замещения также хорошо аппроксимируется прямой линией.

Для большого количества различных аминов, в том числе и с об-гетероатомами в заместителе линейные зависимости РА(В) от 1Р(В) распадаются четко на три группы (первичные, вторичные и третичные амины ). Отдельно отстоит точка для аммиака [15].

Иными словами, не существует единой линейной зависимости РА(В) -ГР(В) для всех видов аминов с трехкоординированным атомом азота, т.е. первичных, вторичных, третичных и аммиака. Очеви- ■ дно, что физические процессы, происходящие в электронной оболочке молекулы при ионизации ее внешнего электрона, не адекватны процессам, связанным с присоединением протона. Поэтому, 1Р(В) в общем случае не пригоден в качестве единственной характеристики протонного сродства молекул широкого класса.

Найденные в экспериментах и описанные выше корреляции РА(В) - 1Р(В) внутри узких классов оснований объясняются вероятно тем, что величины РА(В) и 1Р(В) связаны друг с другом термодинамическим циклом [19] :

В + - IP(H') в>+ + н*

ВН+ — НАОГ+Г где НА(В,+) - энергия гомолитической диссоциации протонированной формы онования В с обратным знаком или сродство к водороду, IP(H') = 13.6 эВ - потенциал ионизации атома водорода. Следовательно, РА(В) = - 1Р(В) + НА(В*+) + IP(H').

Обычно метильная группа классифицируется как электронодонор-ная (относительно протона) в шкале индукционных параметров [20]. Поэтому можно предположить, что более сильные основания - метиламины, по сравнению с аммиаком, благодаря переносу электронов с метильной группы на азот. Однако, это не так. В расчетах аЬ initio показано, что метильная группа в аминах является элект-роноакцепторной (относительно протона) [I4J . Из результатов этой работы следует, что протонное сродство в алкиламинах не коррелирует с зарядом на атоме азота, центре протонирования. То, что индукционный эффект алкильных групп не является определяющим фактором стабилизации протонированной формы оснований подтверждаешься также тем, что алкильные группы увеличивают газофазную кислотность аминов [21]. Эти результаты были получены при исследовании реакций переноса протона для серии алифатических аминов с помощью спектроскопии ион-циклотронного резонанса. Найдено, что кислотность аминов убывает в ряду: диэтиламин > неопентиламин ^ЬегЬ -бутиламин> диметиламин >

2) изопропиламин н-прпиламин этиламин> метиламина аммиак. Авторы этих исследований предположили [22], что главным фактором, благодаря которому алкильные группы стабилизируют заряженные формы (протонированное основание ВН+ или анион кислоты), является индуцированный зарядом диполь алкильных групп, или эффект поляризации. Такое объяснение справедливо для факта стабилизации ал-кильными группами как протонированной формы аминов, так и аниона кислотного остатка после разрыва И-Н связи в амине, поскольку стабилизация иона за счет поляризации не зависит от знака заряда иона. Энергия стабилизации IIСЮ может быть выражена в этом случае уравнением: 2

3)

2 £ г4 где Ы,- поляризуемость алкильной гркппы, <\- заряд на атоме азота в ионе, г - расстояние от алкильной группы до атома азота, <5 - эффективная диэлектрическая проницаемость среды.

В работе [13] с помощью уравнения (3) была проверена справедливость модели поляризационной стабилизации алкильными группами протежированной формы аминов. Эта модель качественно воспроизводит тенденцию изменения экспериментальных протонных сродств в результате последовательного замещения атомов водорода в аммиаке на метильные группы, а также изменения в протонном сродстве аминов при увеличении размеров алкильных групп.

В работе [23] проведены расчеты оЬ initio ЖАО МО ССП в базисе 4-316« энергий протонирования лЕ алифатических аминов. лЕ - это разность полных энергий протонированной и исходной молекулы амина, т.е. дЕ равна по величине и противоположна по знаку протонному сродству: лЕ = -РА(В).

Для выяснения причин влияния алкильных заместителей на протонное сродство аминов был проведен по методу Морокумы с сотр.[24] анализ компонентов энергии межмолекулярного взаимодействия (в данном случае энергии протонирования):

Е = Ees + Еех + Epl + Ест f EMÍX где компоненты имеют следующий смысл:

Ees - энергия электростатического взаимодействия протона с электронной оболочкой и ядрами молекулы основания. Взаимодействие протона с ядрами, являющееся частью Ees , ответственно за близкодействующее отталкивание при протонировании. Е£х - энергия обменного отталкивания, прямое следствие запрета Паули. В данном случае равна нулю, т.к. у протона нет электронов. EpL - поляризационный член, изменение энергии электронной оболочки амина в результате ее искажения под действием протона. Ест - энергия переноса электронов с занятых МО основания на протон.

Найдено, что вычисленные величины протонного сродства аминов

РА(В) = - дЕ) уменьшаются в следующем ряду: Ме3Н > Ме2НН ^ ЖНН2 ^ МеЯН2 > НН3 В различном влиянии алкильных заместителей на протонное сродство аминов этого ряда значимость компонентов ^ Е уменьшается в ряду: Р1 > СТ ^ Е 5 , несмотря на то, что Ери вносит наименьший вклад в протонное сролство каждого амина в отдельности.

В работах [15, 25, 26] установлена линейная зависимость между газофазными величинами РА(В) и ЕВ(1б ) - энергиями связи внутренних 15 АО на атоме, центре протонирования. Последние величи-чины определялись в экспериментах ЭСХА, в которых происходила фотоэмиссия электронов с 15 АО под действием рентгеновских лучей. Аналогично в изменении величин РА(В) и ЕВ(1з ) при вариации заместителей молекул оснований внутри гомологических рядов объясняется на примере алкилзамещенных спиртов тем, что в обоих случаях происходит локализация положительного ааряда либо на кислороде (ЕВ(0 15 )), либо около кислорода (РА(В)) [25] .

Энергия ЕВ(15 ), необходимая для отрыва электрона с АО, например атома азота N(15 ) в амине, может быть представлена как сумма двух компонентов [25] :

ЕВ(Н 15 ) = -£(Я 15 ) - Ея (Ы 15), где &(Н ) - орбитальная энергия 15 электрона на атоме азота в амине; Е^ (N15) - "энергия релаксации". Смысл термина "энергия релаксации" легко понять, если процесс ионизации электрона 15 разбить на два гипотетических этапа: в первом этапе образуется "положительная дыра" на АО азота, в то время как заселенность всех остальных АО в молекуле остается неизменной. На втором этапе происходит релаксация электронной оболочки молекулы: оставшиеся электроны стремятся экранировать положительную дыру". В результате, положительный заряд рассре-дотачивается по молекуле. Иными словами, на втором этапе происходит поляризация электронной оболочки молекулы, энергия этого процесса и есть величина Еп (Я ). к.

Аналогично протонное сродство может быть представлено в виде суммы двух компонентов:

РА(В) = Е(Н+) + (РА), где Е(Н+) - энергия присоединения протона к молекуле основания без изменения его электронной оболочки; Е^(РА) - энергия релаксации, аналогичная Е^ (К 15 ).

В работах [25,26] показано, что в обоих случаях: при ионизации I в электрона и при протонировании основания действие алкильных групп проявляется прежде всего на релаксации электронных оболочек молекул.

Для алкилзамещенных аминов и спиртов существует линейная корреляция между первым ионизационным потенциалом 1Р(В) и энергией релаксации Е^ (1й ) [2.5].

Авторы работы [27]пришли к выводу, что гораздо лучше коррелировать РА(В) не по отдельности с ЕВ(1£ ), или с 1Р(В), а аппроксимировать РА(В) линейной функцией от двух аргументов 1Р(В) и ЕВ(1з). В результате удалось связать в одном корреляционном уравнении амины различных гомологических рядов. Например, были получены корреляции одновременно для первичных алкиламинов и Н-алкиланилинов, для третичных алкиламинов и Н,К-диалкиланилинов.

В табл.1 приведены результаты расчета методом протонного сродства амина с различными об-атомами в заместителях: СН^, НН-р, ОН и Р [II]. Авторы этой статьи отмечают, что по сравнению с заместителем Н группы СН-^ и НН^ увеличивают протон-: ное сродство амина, а заместители ОН и Г наоборот понижают. Далее, причина различного влияния этих заместителей на протонное сродство связывается с индукционным эффектом: СН^ и КН^ заместители индукционно стабилизируют положительный заряд в протониро-ванном основании, а заместители ОН и Г наоборот дестабилизируют по сравнению с заместителем Н.

Как следует из результатов предыдущего обсуждения, такое предположение неверно, по крайней мере для метильной группы.

Из приведенного обзора видно, что из всех возможных заместити-телей у атома азота, центра протонирования аминов, наиболее изучены алкильные группы, влияние которых на протонное сродство связывается с поляризацией электронной оболочки протонированного основания. Что касается заместителей с а-гетероатомами, то вопрос о причинах влияния этого вида заместителей на протонное сродство оснований никем серьезно не изучался.

3. СРОДСТВО К 5Р3 И 5Р2 ГИБРИДИ30ВАНН0МУ АТОМУ УГЛЕРОДА.

В нашем исследовании в качестве субстрата с ¿р3гибридизованн-ым атомом углерода использован фтористый метил, а с зр2 гибриди-зованным атомом углерода * электронейтральная молекула формальдегида и карбокатионы. Теоретические оценки нуклеофильности по отношению к перечисленным субстратам в принципе могут быть сравнены с данными, полученными при изучении нуклеофильного присоединения и замещеня у атома углерода карбонильной группы, нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода и, наконец, результатов присоединения аминов к карбокатионам.

Имеющиеся в настоящее время экспериментальные данные получены из кинетических исследований, проведенных в растворах. Обсуждаемые типы реакций являются многостадийными процессами, которые могут протекать по различным конкурентным механизмам [281. Например, нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода описывается двумя экстремальными механизмами SNi и SN2 [I, с.351] , однако часто процесс представляет собой смешение [I, с.351, 29] двух этих крайних случаев.

Поскольку в настоящей работе проведено изучение некоторых деталей механизма взаимодействия аминов с карбонильной группой, есть смысл в разумных для данного обзора пределах обсудить эту проблему.

3.1. Стабильность цвиттериюнного интермедиата - фактор, определяющий механизм реакции нуклеофилов с карбонильной группой.

Основная заслуга в изучении механизмов реакций карбонильной группы с нуклеофилами принадлежит Дженксу с сотр. Дженкс пришел к выводу[28, 30, 31] , что тип механизмов, по которым осуществляются эти реакции, определяется стабильностью молекулярных + структур цвиттерионного типа Т1: /Я-С-0 .

В связи с этим он различает два конкурентных механизма реакции: "пошаговый" (stepwise) и "согласованный" (concerted ) [30]. Необходимым условием для пошагового механизма является существование Т- в виде промежуточного продукта реакции. Иными словами, Т-должен лежать в достаточно глубокой потенциальной яме на энергетической поверхности реакции, для того, чтобы образование Т-представляло собой кинетически различимую стадию [28]. В этом случае на первом шаге реакции образуется цвиттерион Т-. На втором - тем или иным способом осуществляется перенос протона и далее происходят последующие превращения, приводящие к продуктам реакции [30].

Если хотя бы один из потенциальных барьеров, стабилизирующих Т-, отсутствует, то реакция протекает по согласованному механизму, при котором перенос протона от атома азота амина к карбонильному кислороду в реакциях присоединения или отщепление уходящей группы от карбонильного углерода в реакциях замещения происходит одновременно с образованием связи Н-С [28, 30].

Далее нет смысла углубляться в подробности сложного механизма кислотно-основного катализа этих реакций в растворах [.2, с.349, 31] , т.к. вопрос этот лежит в стороне от основной цели нашего исследования.

Важно подчеркнуть, что во всей цепи сложных превращений исходных амина и карбонильного субстрата собственно нуклеофильность проявляется только при образовании связи N-0. Образование и разрыв других химических связей в процессе этой многостадийной реакции, не имеющие никакого отношения к нуклеофильности амина, чрезвычайно затрудняют или вообще не позволяют судить о нуклеофильности аминов по наблюдаемым суммарным константам скоростей реакций.

Именно поэтому вопрос о влиянии строения аминов на нуклеофильность сводится к исследованию стабильности цвиттерионов Т-.

До сих пор не было сообщений о том, что цвиттерион Т- выделен в качестве индивидуального вещества в какой-либо реакции аминов с карбонильными соединениями. Тем не менее, в настоящее время существует большое количество кинетических исследований, например [32 - 44] , авторы которых сделали вывод, что изученные ими реакции происходят с образованием цвиттерионных интермедиатов Т-, т.е. по пошаговому механизму.

В работах [45, 46} показано, что константа скорости реакции пошагового механизма весьма чувствительна к влиянию заместителей как в амине, так и в карбонильном субстрате, тогда как константа скорости согласованного механизма мало чувствительна к строению реагентов.

Поэтому для нас особенно важны характеристики реакционной способности аминов, полученные при исследовании пошаговых механизмов. Именно они дают экспериментальный материал для теоретических обобщений о влиянии строения реагентов на нуклеофильность.

Пошаговый механизм присоединения аминов к карбонильной группе может быть представлен схемой [46]:

RHH, V

С=0

ККНр-С-О* т±2'

2 1 т+

А'

ККН-б-ОН т о

Нестабильная цвиттерионная форма (Т-) карбиноламина (Ти) быстро превращается в исходные реагенты, если Т- не улавливается благодаря переносу протона от молекулы кислоты (НА) или посредством внутримолекулярного переноса протона, при котором Тх непсредств-енно превращается в Т°. Внутримолекулярный перенос протона может быть осуществлен по механизму " proton switch. 11, например, при помощи молекул растворителя [453. Если перенос протона скорость определяющая стадия, как это и оказывается для большинства пошаговых механизмов [42, 43, 45, 46J , то константа скорости образования карбиноламина , где К п. - константа равновесия образования цвиттериона Т- из исходных реагентов.

Иными словами, зависимость реакционной способности аминов от их строения определяется в пошаговом механизме тем, насколько стабилизируется Т- соответствующим заместителем в амине.

3.2. Экспериментальные оценки нуклеофильности аминов.

Полученные из экспериментов константы скорости и равновесия реакций для определенного ряда нуклеофилов зависят от конкретного вида субстрата. Поэтому многие исследователи пытались охарактеризовать нуклеофильность реагента неким внутренним параметром, который бы отражал зависимость нуклеофильности от строения реагента и при этом был бы инвариантен к субстрату. Найденные таким образом параметры нуклеофильности получены из уравнений, использующих принцип линейной зависимости между изменениями свободной энергии (принцип ЛСЭ) [47] . Однако никому не удалось получить единую для всех видов реакций шкалу нуклеофильности. По-видимому, это невозможно в принципе [483. В данном обзоре будут рассмотрены лишь те уравнения, которые относятся к исследуемым здесь видам реакций и, кроме того, представляют необходимый набор параметров для характеристики интересующих нас аминов.

3.2.1. Нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода.

В работе [49] измерены:,константы скорости реакций ряда нуклеофилов с иодистым метилом. Эксперимент прведен в растворе метанола при 25°С. Авторы предположили, что исследованные реакции протекают по механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения н2 • Константы нуклеофильности по отношению к иодистому метлу ^СН I определены из уравнения: асн31 = ( Ч А сн30Н )' где - константа скорости реакции второго порядка для нуклео-фила ^ , кдд - константа скорости второго порядка для соль-волиза в метаноле. Получены следующие результаты:

Нуклеофил

ЛН3 5.50 пиперидин 7.30

НН20Н б.60

Шгтг б. 61

Сгласно этим данным, нуклеофильность аминов по отношению к СН31 в реакции протекающей по механизму убывает в ряду: пиперидин > тгШг > КН20Н :> ПН3 (4)

В работе [50] были измерены константы скорости второго порядка для реакции аминов с иодистым метилом в воде при 30°С. В соответствии с величинами констант скоростей реакционная способность аминов уменьшается в ряду: пиперидин метилгидразин СН3ШН2 > нн2нн2 > кн2он > сн5онн2 (5)

Исходя из малой величины коэффициента Брёнстеда [51] ( р = 0.55) для реакции аминов с иодистым метилом, авторы считают, что в переходном состоянии реакции образуется лишь слабая связь между ну-клеофилом и субстратом. Поэтому они предположили, что реакция идет по механизму.

В работе [52] измерены константы скорости бимолекулярного ну-клеофильного замещения для ряда аминов. В качестве субстратов использованы метил, изопропил, аллил и бензил иодиды. Реакции проведены в безводном ацетонитриле. Реакционные способности аминов убывают в рядах: пиперидин > НН2НН2 (СН31) ( р = 0.50) пиперидин > ШгШг ( с-С3Ну1) ( р = 0.36) пиперидин > ЯН2НН2 (СН2=СНСН21) ( р = 0.60) ^ пиперидин > НН2ЛН2 > НН20Н (РКСН21) ( р = 0.54) где в скобках указаны субстраты и коэффициенты Брёнстеда. Проанализировав брёнстедовские зависимости [52]для исследованных реакций, авторы пришли к заключению, что для рассмотренных субстратов переходные состояния реакций изменяются между двумя крайними механизмами: ( р = 0.60) для аллил иодида и до ( $ = 0.36) для изопропил иодида.

Константы скорости второго порядка для реакции аминов с метил--нитрофенилсульфатом в метаноле при 25°С уменьшаются в ряду [53]:

ЯН2ЯН2 > Н0ЛН2 > н-ВаНН2 СН30НН2 (7)

Найденная для этой реакции величина коэффициента Брёнстеда р = 0.12 по мнению авторов свидетельствует о том, что в переходном состоянии этой реакции происходит лишь незначительное связывание между нуклеофилом и субстратом.

Авторы цитированных работ при решении вопроса о типе механизма реакций ориентировались на коэффициенты уравнения Брёнстеда. Коэффициент ^ = 0.55 авторам статьи [50] показался достаточно малым, что навело их на мысль об механизме исследуемой реакции. В работе [52]при выборе между и механизмами к первому типу отнесены реакционные серии с минимальным, а ко второму - с максимальным коэффициентом Брёнстеда. В статье [53] из величины коэффициента р = 0.12 сделан вывод о механизме для исследуемой реакции. К тому же, как видно из приведенных выше данных (ряды 5 и 7), реакционные способности аминов в аналогичных реакциях, протекающих по одному и тому же механизму не совпадают .

Из этого краткого обсуждения видно явное несовершенство интерпретации экспериментальных данных, что безусловно ставит под сомнение их пригодность даже для качественных оценок нуклеофильно-сти.

3.2.2. Нуклеофильное присоединение к карбокатионам.

Риче [54] обнаружил, что нуклеофильность по отношению к кати-онным частицам можно коррелировать в соответствии с уравнением:

Ч [ V VI = н+ • где /ка- константа скорости реакции заданного нуклеофила с кар-бокатионом в каком-либо растворителе, к^ д - константа скорости реакции того же катиона с водой, измеренная в водном растворе, М+ - параметр, характеризующий нуклеофил и зависящий от катиона.

Это уравнение было выведено на основании изучения кинетики реакций обширного ряда нуклеофилов с различными стабильными катионами: триарилметильными, арилдиазониевыми, тропилиевыми и другими. Величины констант N. "-для одного и того же нуклеофила различны в т разных растворителях. Поскольку величина остается постоянной для одного нуклеофила даже если константы скорости реакций по отношению к различным катионам отличаются на несколько порядков, Риче предположил, что параметры характеризуют энергию сольватации нуклеофила. Такой вывод был сделан на основе механизма реакции, предложенного Винштейном [55]:

В+ + X" [Я+][ X"] [Р+Х~] ЕХ свободный" сольватно- тесная карбониевый разделенная ионная ион ионная пара пара

Стадией, определяющей скорость в таком процессе будет превращение сольватно-разделенной пары в тесную ионную пару, причем менее сольватированные нуклеофилы более реакционно способны, чем более сольватированные.

Таким образом, чем бльше величина тем меньше энергия сольватации данного нуклеофила.

На основании приведенных в работе величин N. [56] ( раствот ритель Н20) можно расположить амины в следующий ряд по убыванию их реакционной способности по отношению к стабильным карбокатио-нам: пиперидин :> СН3НШШ2 NH2NH2 > СН3СН2СН2НН2 ^ с2н^нн2 ^ КН20Н > СН30КН2

-26В статье [57] приведены константы скорости реакции катиона малахитового зеленого с первичными аминами, величины которых убывают в ряду: тгтг > сн3шн2 ^ сн3сн2нн2 р- сн3олн2 (9)

Аналогичный ряд дают и констаны равновесия для этой же серии. Несовпадение рядов (8) и (9) очевидно.

Следует подчеркнуть, что в отличие от авторов работы [57] Риче [54] утверждает об отсутствии корреляции между константами скоростей реакций и константами равновесия для взаимодействия малахитового зеленого и других катионов с нуклеофилами.

Вероятно причина различий в том, что Риче при оценке нуклео-фильностей использовал наблюдаемые константы скорости и равновесия реакций, тогда как авторы статьи [57] показали, что взаимодействие первичных аминов с ктионами состоит из двух стадий: первая - присоединение к карбокатиону, вторая - депротонизация продукта присоединения. В работе [57]показано, что справедливо

Ф г*" линейное соотношение свободных энергий для ллС и /уд в первой стадии этих реакций. Кроме того, авторы этой работы, определив коэффициент Брёнстеда р = ОЛ для первой стадии реакции пришли к выводу, что переходное состояние реакции присоединения аминов к малахитовому зеленоу характеризуется значительным связыванием между реагентами. В то время как Риче [54] пришел прямо к противоположному выводу: переходное состояние для реакции катион-ну-клеофил характеризуется значительным расстоянием между реагентами, так что сольватная оболочка карбокатиона в переходном состоянии реакции мало отличается от оболочки исходного катиона.

-273.2.3. Реакции с карбонильной группой.

Сандер и Дженкс [58] обобщили данные по определению константы равновесия KQ реакции образования карбиноламинов:

0 ОН

II 0 |

RC-H + НХ R-C-H I X для серии нуклеофилов НХ, присоединявшихся к негидротированным формам п-хлорбензальдегида, пиридин -4-карбоксальдегида и формальдегида. Оказалось, что результаты можно скоррелировать на основе соотношения линейности свободных энергий:

К0 = ^ Т + А , где Г = (Кнх / К^^); К н к

НХ Н^ЯСН^ - величины KQ для присоединения к пиридин-4-кар-боксальдегиду данного (НХ) нуклеофила и метиламина соответственно. t - это параметр, не зависящий от вида карбонильного соединения. Он является мерой способности данного нуклеофила присоединяться к карбонильной группе. Следовательно, f - мера сродства нуклеофила к углероду в сравнении со сродством к водороду.

- мера чувствительности конкретного карбонильного соединения к сродству Т нуклеофилов к карбонильной группе. А - константа для данной реакционной серии.

В соответствии с вычисленными С58] величинами Т , сродство аминов к карбонильной группе уменьшается в ряду:

НОННэ > ШкЛН,, ^ СНЛН, ^ С^НсЯН,

2 22 32 с о с- цд) н-С5НгДН£ ^ пиперидин ;=> формамид ^ мочевина В этой же работе показано, что существует линейная корреляция между Ъ , обобщенной мерой 1ос$ К0, и а ¿ос^К^^^, величиной характеризующей отклонение констант скоростей для заданного нук-леофила от брёнстедовского графика для реакции "нормальных" нук-леофилов с п-нитрофенилацетатом (РПРА) [59]. В результате сделан вывод [58], что нуклеофильная реакционная способность возрастает с увеличением сродства нуклеофила к карбонильной группе.

В работе [59] измерены константы скорости второго порядка для реакции нуклеофилов с ацетатными эфирами: фенилацетатом (РА), п-нитрофенилацетатом (РНРА), 2,4--динитрофенилацетатом (МРА) и 1-ацетокси-4-метоксипиридиниум перхлоратом (АМРР). Показано, что в зависимости от конкретных нуклеофила и субстрата реакция может протекать по различным путям с различными скорость определяющими стадиями [59]. Кроме того, авторы этого исследования пришли к выводу, что большое влияние на скорость реакции оказывают факторы жидкой фазы: а) диффузия реагентов в сольватную "клетку"; б) энергетически невыгодная потеря сольватирующей воды у амина в эфире; в) разрыв ориентированной сольватной оболочки у карбонильного, -атома кислорода и у уходящего алкоксидного иона.

Даже из этого краткого обсуждения понятно насколько сложна исследуемая реакционная система, где нуклеофильность лишь один из множества факторов, коллективное действие которых отражено в наблюдаемой константе скорости реакции. Поэтому совершенно недопустимо проводить даже качественное сравнение нуклеофильности внутри какого-либо набора нуклеофилов, основываясь только на величинах наблюдаемых констант скоростей реакций. Для подтверждения этого вывода приведем четыре ряда, в каждом из которых амины из одного и того же набора расположены в порядке уменьшения их констант скоростей, определенных в работе [59]. Каждый ряд соответствует реакционной серии с одним из перечисленных выше ацетатных эфиров:

РА) . C2H5NH2 C5H7NH2 пиперидин > H0NH2 NH2NH2

РЯРА) пиперидин ^ C2H5NH2 > NH2NH2 ^ С3Н7НН2 Н0ЯН2

DNPA) пиперидин ^ HHgffiíg С2Н5НН2 ^ C3H?NH2 > H0NH2

АМРР) RH2NH2 > пиперидин H0NH2 ^ C3H?NH2 ^ C2H5NH2

И)

4. оС -ЭФФЕКТ

Нуклеофилы, содержащие электроотрицательный атом со свободной электронной парой, расположенной рядом с центром нуклеофильности, как например, Н02, CIO", PS2, fffl20H, RH2HH2 и т.д., часто оказываются необычно реакционно способными по сравнению с ионами и молекулами с основностью того же порядка. Впервые это явление было обнаружено Дженксом и Карриуоло [60], а Эдварде и Пирсон [61]назвали его 11 ^-эффектом", принимая во внимание наличие неподелен-ных электронов у атома, иминуемого " «¿-атомом" и соседнего с нуклеофильным центром. Для веществ такого типа Ц62]предложен термин - ос -нуклеофилы. Иногда их называют супернуклеофилами [63,64], а само явление повышенной реакционной способности - супернуклео-фильностью.

4.1. Примеры экспериментального обнаружения ¿-эффекта.

При анализе экспериментальных данных о проявлении "¿-эффекта судят по положительным отклонениям логарифмов наблюдаемых констант скоростей от линейной зависимости, описываемой уравнением Брёнстеда [51] :

ЧЬ = $ Рка + с (12) где ^ - константа скорости реакции данного нуклеофила с субстратом; К„ - константа кислотности сопряженной кислоты для данного а основания; р и С - параметры уравнения, постоянные внутри реакционной серии.

Однако, далеко не всегда об-нуклеофилы выпадают из брёнстедо-вской корреляции. Например, для гидразина и гидроксиламина проявляется ос-эффект в реакции с иодистым метилом в метаноле [4-9] , но в воде [50] с тем же субстратом для КН^ОН, М2ЯН2, СН^ОШ^, СН3ШШ2 не зафиксирована супернуклеофильность. Не найден оС-эф- • фект ив реакциях гидразина с метил-, изопропил-, аллил- и бен-зилиодидами в ацетонитриле [52]. Супернуклеофильность обнаружена для МН2НН2, Н0НН2 и СН30НН2 в реакциях с набором метилфенилсуль-фатов в метанольном растворе.

Обнаружен ¿-эффект для присоединения к карбокатионам, например в реакции гидразина и метоксиамина с малахитовым зеленым [57], с п-диметиламинофенилтропилиевым ионом в воде и метаноле [65].

Положительное отклонение от линейной брёнстедовской зависимости найдено для Н0Ш2, СН50ЛН2, 1Ш2МН2, СН5ЮЩН2 в реакциях аминов с фенилацетатом [66]. При этом оказалось, что ¿¿-эффект в гидразинах уменьшается при последовательном замещении атомов водорода на метильные группы и совершенно исчезает для (СН5)2МКН2. оС-эффект обнаружен для реакции гидразина с метилформиатом [67], с 4-нитрофенилтиолацетатом в ацетонитриле [68].

4.2. Квантово-химическая трактовка ©¿-эффекта.

-эффект до сих пор привлекает внимание химиков. Явлению этому было дано множество различных объяснений, которые связывали супернуклеофильность как с особенностями электронного строения <*-ну-клеофилов, так и с влиянием жидкой фазы: сольватацией, катализом и т.д. Все эти варианты объяснений в достаточной мере отражены и систематизированы в обзорах [69-71], и врядли есть смысл приводить здесь их содержание.

Только с помощью квантово-химических методов возможно получить наиболее строгую интерпретацию взаимосвязи строения молекул с их реакционной способностью. Рассмотрим две последние работы, посвященные квантово-химической трактовке ¿¿-эффекта и не вошедшие в упмянутые обзоры.

Первая работа [72], которую мы обсудим, по существу является обобщением всех предыдущих квантово-химических трактовок ос-эффекта. В ней доказана квантово-механическая эквивалентность двух вариантов объяснения супернуклеофильности, базирующихся на анализе электронного строения молекулы нуклеофила. Первый вариант трактовки,развитый в работах [73-77], связывает ¿¿-эффект с отталкиванием электронов неподеленных пар на' атоме, центре нуклеофильн-ости, и ¿¿-атоме заместителя. Второй вариант объяснения принадлежит йнгольду [I, с.375], согласно которому высшая занятая молекулярная орбиталь (ВЗМО) Ы,-нуклеофила, расположенная главным образом у нуклеофильного атома, является разрыхляющей, с узловой плоскостью, перпендикулярной связи между этим атомом и ¿¿-атомом.

Критерий отталкивания неподеленных пар может быть выражен в локализованных МО, а критерий Ингольда может быть представлен в канонических делокализованных МО.

Согласно обоим критериям супернуклеофильность ¿¿-нуклеофилов обязана дестабилизации их электронных оболочек.

В обсуждаемой работе [72]предложен универсальный критерий супернуклеофильности, объединяющий обе трактовки. Авторы работы 1723 полагают, что достаточно двух параметров для характеристики электронной оболочки потенциального супернуклеофила: число валентных электронов и число сС-атомов. При этом число «с-атомов определяет необходимое для проявления супернуклеофильности число валентных электронов. Авторы этого критерия супернуклеофильности используют для своих выводов правила Уолша [78] и Гиллеспи[79-81], которые устанавливают взаимосвязь между геометрией молекулы и ее электронной оболочкой.

Однако, обсуждаемая концепция оказывается непригодной для предсказания супернуклеофильности аминов с трехкоординированным пирамидальным атомом азота, таких, например, как Н^Ш^, Ш^ОН.

Действительно, у аминов с трехкоординированным атомом азота, имеющим пирамидальную структуру валентного окружения, перекрывание неподеленной пары электронов центра нуклеофильности с непо-деленными парами электронов ©¿-гетероатомов сводится к минимуму. Следовательно, отталкивающие (разрыхляющие) взаимодействия электронов этих атомов должны быть весьма малыми. Кстати, именно этим фактором и объясняют пирамидальность таких молекул правила Гиллеспи [80] и Уолша [78]. Исследование методом аЬ ип11.1о геометрии гидразина и гидроксиламина.показало, что основному состоянию этих молекул соответствует минимальное отталкивание неп-оделенных пар электронов соседних гетероатомов [82]. Следовательно, нет причин существенной дестабилизации электронных оболочек обсуждаемых молекул и родственных им по строению до сравнению с электронной оболочкой метиламина - молекулы, не проявляющей

-эффекта. В работе [83]методом аЬ ¡.п11:1о произведен расчет молекул СН^ННр, ЯН?ЯН?, Н0Ш?. Показано, что ВЗМО у аминов с сС-гетероатомом лежат ниже по энергии, чем у метиламина.

Итак, для обсуждаемых здесь аминов не выполнено главное условие упомянутой концепции супернуклеофильности - условие дестабилизации их электронных оболочек. Поэтому, ни один из этих аминов не должен проявлять супернуклеофильности. Вывод - противоречащий многочисленным экспериментам, обнаруживающим проявление ¿¿-эффекта для гидразина, гидроксиламина и метоксиамина [69-71]. Обойти этот экспериментальный факт авторы критерия супернуклеофильности [72] конечно не смогли и, более того, именно на него и сослались в подтверждение предсказаний супернуклеофильности для нуклеофилов с одним сС-гетероатомом. В чем же дело? Почему авторы критерия, исходя из той же, что и мы концепции супернуклеофильности, делают прямо противоположный вывод?

Ответ прост: в своих предсказаниях супернуклеофильности для нуклеофилов с одним ©б-гетероатомом они учли только один фактор - число электронов в электронной оболочке нуклеофила, т.е. сформулировали условие достаточное для супернуклеофильности, забыв при этом условие необходимое - геометрия молекулы нуклеофила должна быть такой, чтобы отталкивание неподеленных пар электронов центра нуклеофильности и сб-гетероатома было существенным. Та же ошибка неполноты условий допущена ими при формулировании критерия супернуклеофильности для нуклеофилов с двумя ^-гетероато-мами. Только в случае нуклеофилов с трехкоординированным центром нуклеофильности с тремя ¿¿-гетероатомами авторы критерия учли геометрические ограничения правил Гиллеспи [80]и Уолша [78] и, естественно, пришли к выводу об отсутствии супернуклеофильности для таких нуклеофилов. В подтверждение своего прогноза они привели экспериментальные данные о низкой реакционной способности

N01^ в реакции с бромистым этилом [723. Однако, из приведенного анализа видно, что правильное предсказание низкой нуклеофильно-сти N01^-- случайное совпадение.

Следующая работа [84], посвященная трактовке об-эффекта, базируется на недавно развитой Шаиком и Проссом концепции химических реакций, в которых происходит образование и разрыв ковалент-ных связей Г85-87]. Согласно этой концепции волновая функция реакционной системы, состоящей из молекулы донора электронов (ну-клеофила) Ъ и молекулы акцептора электронов А (электрофила), в каждой точке на профиле потенциальной поверхности реакции может быть представлена в виде линейной комбинации конфигураций реагентов:

V = Ъ А) + С2( Б+А~) + С3(БА*) , где ЭА - основное состояние реагентов;

3)+А~ - возбужденное состояние - бирадикальная пара, в которой перенесен электрон с нуклеофила на субстрат;

1)А - одновозбужденное состояние электрофила без электронного переноса от нуклеофила.

Доля участия каждой конфигурации в волновой функции, соответствующей переходному состоянию реакции, определяется их относительной стабильностью [30-32].

По мнению Хоца, автора концепции супернуклеофильности [84] , вопрос об «¿-эффекте сводится к вопросу о стабилизации биради-кальной конфигурации 1)+А~ : чем стабильнее А", тем стабильнее Э+А~ и больше вклад этой конфигурации в волновую функцию переходного состояния реакции. Из этого рассуждения Хоц делает вывод, что стабильность Т)+А~ увеличивается с увеличением сродства к электрону электрофила А, т.е. с понижением уровня его низшей свободной молекулярной орбитали (НСМО). В этой связи он различает два класса электрофильных субстратов. Субстраты с низко лежащей НСМО (НН) - это субстраты с высоким электронным сродством, при взаимодействии с которыми происходит значительный электронный перенос. Субстраты с высоко лежащей НСМО (ВН) - субстраты с малым сродством к электрону, и потому с малым переносом электронов от нуклеофила. К субстратам группы НН Хоц относит катионы, ароматические и ненасыщенные соединения. К группе ВН он причисляет галогеналкилы [88]. ¿¿-эффект проявляется только при взаимодействии нуклеофилов с субстратами групп НН, причем тем сильнее, чем ниже НСМО электрофила - это основное содержание концепции.

Преимущественная стабилизация бирадикальной конфигурации 2)+А", а значит и переходного состояния реакции в случае об-нуклеофилов объяснена с помощью теории возмущений: неподеленная пара электронов на оС-атоме N N неспаренныи электрон на центре нук-леофильности

Стабилизация 1)+А~" обеспечена тем, что на связывающий уровень попадают два электрона, а на несвязывающий - только один.

Недостаток концепции очевиден. Во-первых, к группе НН субстратов должен принадлежать протон, причем для него должен проявляться максимальный ¿¿-эффект. Но, как известно, наличие сб-гетероатома приводит к понижению протонного сродства нуклео-филов (см. разд.1 литобзора). Да и вообще, сам «¿-эффект обнаружен как противоположность в тенденции изменения нуклеофильности по отношению к протону и к ядрам других элементов (углерод, фосфор и т.д.). Во-вторых, «^-эффект обнаружен для субстратов группы ВН в реакциях, идущих по 5механизму, т.е. с малым переносом электронов в переходном состоянии реакции 149, 53].

Подведем итог проделанному обзору литературы.

Если придерживаться определения, данного Ингольдом, для нуклеофильности, имея ввиду под этим понятием сродство к атомному ядру, то следует признать, что несмотря на очень большое число различных экспериментальных работ, посвященных исследованию донорно-акцепторных взаимодействий, практически отсутствуют фактические оценки нуклеофильности.

Действительно, получаемые обычно из экспериментов в жидкой фазе величины констант скоростей и равновесия для реакций аминов с галогеналкилами, карбонильными соединениями и карбокатионами, как показано выше, мало пригодны в качестве меры нуклеофильности, т.к. в них кроме собственно нуклеофильности отражено влияние множества посторонних факторов: катализ, сольватация, многостадий-ность изучаемых реакций и т.д.

Значительно лучше обстоит дело с протонным сродством (частным случаем нуклеофильности), поскольку получены прямые оценки исследуемого свойства в газовой фазе, например, с помощью метода ион-циклотронного резонанса.

Как показано выше, в литературе отсутствует удовлетворитель** ное объяснение влияния электроотрицательных ¿¿-атомов с непо-деленными парами электронов на нуклеофильность аминов по отношению к протону, карбокатионам, карбонильным соединениям и галоген-алкилам.

Заключение диссертации по теме «Органическая химия», Шохен, Михаил Абрамович

ВЫВОДЫ

1. В результате проведенных квантово-химических расчетов показано, что стабильность цвиттерионов - продуктов нуклеофильного присоединения аминов к карбонильной группе - очень чувствительна к влиянию заместителей у центра нуклеофильности, атома азота, в .амине. Энергия стабилизации цвиттерионов может служить количественной мерой нуклеофильности аминов к карбонильным соединениям.

2. Впервые проведено систематическое изучение с помощью кванто-во-химических расчетов зависимости нуклеофильности аминов от порядкового номера вариируемого ¿¿-атома заместителя, когда эти :атомы (С,Н,0,Р) - элементы одного периода. Найдено, что фактором, определяющим зависимость нуклеофильности аминов от вариации °с-атома, является электронная акцепторность субстрата. Если субстрат сильный акцептор электронов - катион (протон, карбокатион), то нуклеофильность аминов монотонно уменьшается с увеличением порядкового номера ос-атома и, наоборот, монотонно возрастает, если субстрат - слабый акцептор электронов, электронейтральная молекула: с закрытой электронной оболочкой (карбонильное соединение, галогеналкил).

3. С помощью квантово-химических расчетов исследовано влияние последовательного увеличения числа гетероатомов 0 и Е е ¿¿-положении к центру нуклеофильности, атому азота, в аминах на их нуклеофильность по отношению к карбонильному соедине

- 106 нию. Сделан вывод, что проявление супернуклеофильности (^-эффект) возможно только при условии, когда продукт присоединения - цвиттерион достаточно стабилизирован за счет кулоновс-кого притяжения между положительно заряженным атомом азота, центром нуклеофильности амина, и отрицательно заряженным, уходящим атомом кислорода карбонильной группы субстрата.

4. Выдвинута гипотеза, подтвержденная всеми без исключения результатами данной работы, а именно: различия в энергии химического превращения для молекулярных систем из одной реакционной серии определяются физическими взаимодействиями, локализованными в ограниченной по размеру структурной области каждой из данных молекулярных систем. Соответствующая структурная область, названная областью изменчивости (ОМ), является структурной постоянной для реакционной серии, т.е. имеет один и тот же качественно и количественно одинаковый состав структурных компонентов для любой молекулярной системы из данной серии. Предложен критерий, позволяющий с помощью результатов квантово-химических расчетов находить структурные элементы ОИ.

5. При обобщении результатов анализа физических взаимодействий, локализованных в ОИ, установленно, что все реакционные серии, исследованные в настоящей работе можно разделить на два различных класса: процессы,'.в которых различия в нуклеофильности аминов,определяются факторами, тормозящими, препятствующими химическому преврщению; процессы, где соответствующие

- 107

V и и различия определяются факторами, являющимися движущеи силои химического превращения. Критерием для отнесения реакционной серии к одному из этих двух классов является электронная ак-цепторность субстрата: сильные акцепторы (катионы) порождают первый класс процессов, слабые акцепторы (электронейтральные молекулы с закрытой электронной оболочкой) образуют второй класс.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Шохен, Михаил Абрамович, 1984 год

1. ИнгольдК. Теоретические основы органической химии. М.: Мир, 1973, с.202.

2. Дженкс В. Катализ в химии и энзимологии. М.: Мир, 1972, с. 69.

3. Хадсон Р.Ф. Усп.химии, 1966, т.35, с.1448.

4. Reichardt С. Pure Appl. Chem., 1982, vol.54, p.1867.

5. Pople J.A., Beveridge D.H. Approximate Molecular Orbital Theory. New York: Me Graw Hill Book, 197О

6. Everett D.H., Pinsent B.R.W. Proc. Roy. Soc., 1952, vol.215, p.426.

7. Hall N.F., Sprinkle M.R. J.Amer.Chem.Soc., 1932, vol.54, p.3469.

8. Hanson J. Svensk Kem. Tidskrift, vol.67, p.256.

9. Schwarzenbach G. Helv.Chim.Acta, 1933, vol.16, p.522.

10. Bissot Т.О., Parry R.W., Campbell D.H. J.Amer.Chem.Soc., 1957, vol.79, p.799.

11. Johansson A., Kollman P.A., Liebman J.P. Rothenberg S. J.Amer.Chem.Soc., 1974, vol.96, p.3750.

12. Holtz D., Beuchamp J.L., Henderson W.G., Taft R.W. Inorg.Chem., 1971, vol.10, p.201.

13. Aue D.H., Webb H.M., Bowers M.T. J.Amer.Chem.Soc., 1976, vol.98, p.311.

14. Here W.J., Pople J.A. Tetrah. Lett., 1970, N 34, p.2959.

15. Коппель И.А., Мельдер У.Х., Пиквер P.И. Реакц. способн. орган, соедин., 1980, т.17, с.460.

16. Коппель И.А., Мельдер У.Х. Реакц. способн. орган, соедин., 1981, т.18, с.43.17