Нуклеофильный катализ

Наиболее распространенными нуклеофильными катализаторами являются ионы галогенов I, Вrи F, оксианионы AlkO, АrО, НСО, СО, РОи НО, амины R₃N, R₂NH, RNH₂, C₅H₅N, а также некоторые другие анионы: No, CN, С1О, НОО.

По конечному результату нуклеофильные каталитические реакции можно подразделить на реакции присоединения и замещения.

В реакциях нуклеофильного присоединения YH по кратным связям

X=Z + YH ® Y–X–Z–H (5.2)

роль нуклеофильного катализатора часто выполняет анион Y- сопряженное основание реагента, который обладает значительно более сильными нуклеофильными свойствами, чем YH, и легко присоединяется по кратной связи:

Y+ X=Z Y–X–Z (5.3)

Образующийся промежуточный анион регенерирует затем катализатор по протолитической реакции с YH:

Y–X–Z+ YH ® Y–X–Z–H + Y (5.4)

По такой схеме происходит нуклеофильное присоединение по карбонильной группе реагента с кислотными свойствами, например синильной кислоты:

(5.5)

При этом нередко за счет водородной связи вначале образуются промежуточные комплексы между реагентами, что снижает электронную плотность на реакционном центре и ускоряет реакцию. Например, так протекают реакции с аналогами карбонильных соединений – нитрилами:

(5.6)

В других случаях реакция может идти сразу по обоим механизмам.

Нуклеофильный катализ эффективен в аналогичных реакциях присоединения YH к олефинам с электроноакцепторным заместителем при кратной связи (CH₂=CHZ, где Z – COOR, NO₂, CF₃, COR, F или CN) и к ацетиленам. В этих реакциях кратная связь активируется образованием π-комплекса YH с реагентом:

(5.7)

На следующей стадии происходит присоединение нуклеофильного катализатора Y^- с одновременной его регенерацией из молекулы YH:

(5.8)

Парой реагент (YH) – катализатор (Y^-) в этих реакциях могут быть ROH–RO, Н₂О–НО, H₂S–HS, ArOH–ArOи т. п. Например:

H₂O + CH₂=CHCN HOCH₂CH₂CN

CH₃OH + HCºCH CH₃OCH=CH₂ (5.9)

Нуклеофильный катализ сопряженными основаниями характерен также для реакций присоединения YH к гетероциклическим соединениям с малыми циклами, Как и в реакциях присоединения по кратным связям, исходный реагент активируется засчет образования водородной связи с YH:

(5.10)

Образовавшийся комплекс взаимодействует затем с катализатором Yи присоединяет протон от YH с одновременной регенерацией Y:

(5.11)

Катализ сопряженными основаниями наиболее эффективен для реакций присоединения спиртов, карбоновых кислот, фенолов, меркаптанов, сероводорода и синильной кислоты к α-оксидам:

(5.12)

Замещение RZ + Y → RY+Z при нуклеофильном катализе в простейшем случае представляет собой чередование двух реакций нуклеофильного замещения:

RZ + Nu ® RNu + Z RNu + Y ® RY + Nu (5.13)

В реакциях замещения, протекающих при насыщенном атоме углерода, свойствами активного нуклеофила и одновременно легко замещаемой группы обладают анионы йода и брома. Примером могут служить реакции гидролиза хлор- или бромпроизводных при катализе анионом иода:

RX + I® RI + X RI + 2H₂O ROH ® H₃O⁺ + I (5.14)

Широко распространен нуклеофильный катализ в реакциях замещения по карбоксильной группе производных карбоновых кислот. Для превращений ангидридов и хлорангидридов активными нуклеофильными катализаторами являются третичные амины. Механизм этих реакций заключается в промежуточном образовании катиона ацилпиридиния (или ациламмония RCON ⁺ R₃) – одного из самых эффективных ацилирующих агентов благодаря сильным электроноакцепторным свойствам четвертичного азота и отсутствию сопряжения с С=О -группой:

(5.15)

В реакциях алкоголиза сложных эфиров возможен нуклеофильный катализ другого типа, в котором в качестве катализатора используется сопряженное основание реагента. Так же как в реакциях присоединения, повышенная нуклеофильность сопряженного основания по сравнению с реагентом позволяет резко ускорить процесс (по сравнению с некаталитическим):

(5.16)

Кинетика реакций нуклеофильного катализа. Практически все рассмотренные реакции можно представить двумя общими схемами. Одна из них включает образование комплекса между реагентами (за счет водородной связи), его реакцию с нуклеофильным катализатором Yи образование продукта Р:

RZ + YH YH×××ZR Y+ P (5.17)

При другом механизме нуклеофильного катализа промежуточный комплекс RNu образуется при взаимодействии катализатора Nu с одним из реагентов RZ, а образование продукта и регенерация катализатора происходят в результате последующих превращений комплекса:

Схема упрощается, если первая стадия является реакцией присоединения (отсутствует Z), а вторая стадия мономолекулярна (отсутствует Y). Кроме того, пер-

вая стадия может быть необратимой. Схема характерна не только для нуклеофильного катализа. По этой причине приведенный ниже кинетический анализ и методология кинетического исследования имеют общий характер для всех гомогенно-каталитических реакций.

Если допустить, что концентрация катализатора мала по сравнению с концентрацией реагентов, и последние не образуют друг с другом каких-либо комплексов, то в общем случае (когда первая стадия – обратимая реакция замещения, а вторая стадия бимолекулярна) уравнение для определения скорости реакции имеет вид:

(5.19)

Последнее уравнение требует дополнительного уточнения, учитывающего присутствие катализатора в двух формах (Nu и RNu).

(5.20)

Окончательное выражение для скорости реакции:

(5.21)

Обычно бывает так, что скорость одной или двух элементарных стадий пренебрежимо мала по сравнению с остальными, и одним или двумя слагаемыми знаменателя в последнем уравнении можно пренебречь. Тогда оно приобретает более простые формы, каждая из которых имеет свои особенности. Всего возможны семь комбинаций слагаемых знаменателя в этом уравнении.

1) Если k ₂C_Y >> k _-1C_Z и k ₂C_Y >> k ₁C_RZ, то в знаменателе остается только один член k₂C_Y, который сокращается с числителем, и в результате для скорости получается уравнение:

(5.22)

В этих условиях практически весь катализатор находится в свободной форме, скорость лимитируется первой стадией и реакция имеет нулевые порядки по Z и Y.

2) Когда k ₁C_RZ >> k _-1C_Z и k ₁C_RZ >> k ₂C_Y, получаем:

(5.23)

В подобных условиях практически весь катализатор находится в форме каталитического комплекса, скорость лимитируется второй стадией, и на нее не влияют концентрации Z и RZ.

3) При k _-1C_Z >> k ₁C_RZ и k _-1C_Z >> k ₂C_Y:

(5.24)

Здесь на первой стадии устанавливается равновесие с низкой концентрацией промежуточного комплекса, которая составит:

(5.25)

Скорость лимитируется второй стадией, реакция имеет первые порядки по обоим реагентам и тормозится продуктом.

4) Когда слагаемое знаменателя k_-1C_Z значительно меньше двух остальных, получаем уравнение:

(5.26)

В этом случае первая стадия практически необратима, а стационарные концентрации двух форм катализатора [RNu] и [Nu] можно найти из условия равенства скоростей первой и второй стадий:

или (5.27)

5) В знаменателе уравнения (5.21) можно пренебречь членом k₁C_RZ, а остальные слагаемые соизмеримы (k_-1C_Z» k₂C_Y):

(5.28)

Уравнение (5.28) соответствует медленной реакции катализатора в исходной форме Nu с реагентом RZ и быстрому последующему взаимодействию промежуточного продукта RNu с Z и Y с образованием исходного или конечного продукта. При таком соотношении скоростей реакция тормозится продуктом Z, а катализатор находится преимущественно в исходной форме (С_к» [Nu]).

6) Наименьшее значение в знаменателе уравнения (5.21) принимает слагаемое k₂C_Y, а два других соизмеримы:

(5.29)

Такое уравнение справедливо при лимитировании скорости реакции взаимодействием промежуточного продукта RNu и Y на второй стадии. При этом условии на первой стадии устанавливается равновесие с близкими значениями концентраций [Nu] и [RNu]:

(5.30)

и реакция тормозится продуктом Z.

7) Скорости всех трех элементарных реакций в рассматриваемой схеме соизмеримы, а скорость суммарной реакции описывается уравнением (5.21) в наиболее общей форме. При этом равновесие на первой стадии не устанавливается, а соотношение стационарных концентраций [Nu] и [RNu] описывается уравнением (5.21).

Кинетические закономерности реакции (5.17), протекающей через предварительное образование комплекса YH---ZR за счет водородной связи, не столь разнообразны, поскольку равновесие образования таких комплексов устанавливается всегда быстро. Это позволяет выразить концентрацию комплекса через концентрацию свободных форм реагентов и константу равновесия:

[YH---ZR] = K[YH][RZ] (5.31)

и представить кинетическое уравнение реакции в таком виде:

[YH---ZR] (5.32)

Поскольку катализатор в этой схеме не образует никаких комплексов, общая его концентрация С_к равна концентрации Y^-, a для выражения концентраций свободных форм реагентов через их суммарные или аналитические концентрации необходимо учесть комплексообразование между ними:

C_RZ = [RZ] + [YH---ZR] = [RZ] + K[YH][RZ]

C_YH = [YH] + [YH---ZR] = [YH] + K[YH][RZ] (5.33)

Совместное решение уравнений скорости и баланса дает общее выражение для скорости реакции, протекающей по схеме (5.17):

(5.34)

Кинетику гомогенно-каталитических реакций обычно исследуют в периодических условиях, причем объем реакционной смеси остается все время практически постоянным. С целью упрощения кинетических уравнений первые серии опытов часто проводят при одинаковой концентрации катализатора в большом избытке одного из реагентов. Концентрации реагентов постоянны, что позволяет определить значения эффективных констант. Так, при [YH]₀>>[RZ]₀ можно полагать, что C_YH,0@[YH], и при выводе кинетического уравнения необходимо учитывать только баланс по RZ. Это значительно упрощает уравнение (5.34):

(5.35)

Уравнения (5.21) - (5.29) при условии избытка Y также преобразуются в одну из четырех более простых форм, которая легко интегрируется:

v = k’ v = k’C_RZ v = или

где k' — функция С_К, C_Y,0 и элементарных констант, а k'' — функция C_Y,0, C_RZ,0 и элементарных констант. Значения k' и k'' можно определить из графика, построенного по результатам эксперимента в координатах преобразованного в линейную форму кинетического уравнения. Зависимость k' и k'' от С _К, C _Y,0 или C _RZ,0 проверяют в дополнительных сериях опытов с варьированием этих величин. В результате устанавливают кинетическое уравнение и механизм, соответствие которых опыту проверяют с учетом всех экспериментальных данных, и одновременно уточняют значения констант.

Для определения констант кинетических уравнений со знаменателями в ряде случаев более удобным оказывается дифференциальный метод. В частности, уравнение v = k'C/(k"+C) можно преобразовать в линейную форму тремя способами:

Наиболее распространенным является последний способ линеа­ризации (координаты Лайнуивера - Берка, 1/ v — 1/ С).

Исследование кинетики каталитической реакции может быть осложнено протеканием параллельной некаталитической реакции, влиянием образующегося продукта на скорость реакции и изменением природы катализатора во времени.

Ускорение реакции продуктом (автокатализ) наблюдается, в частности, в некоторых реакциях нуклеофильного присоединения меркаптанов:

RZ YH YH∙∙∙ZR