2.2.4 Активация полярных молекул
Полярные молекулы НХ, где Х – ОН, OR, Hal, CN, NH2, NR2, NHR, SR и др. активируются по механизму, близкому к механизму активации апротонными кислотами. Образование донорно-акцепторной связи между донорным атомом полярной молекулы и комплексом переходного металла, имеющим вакантные орбитали, приводит к ослаблению связи Н – Х. Ослабление связи H-X при координации этих молекул подтверждается, как правило, данными ИК-спектров координированных молекул. При этом в образующемся комплексе происходит смещение σ-пары электронов донорных атомов O, N или S к иону металла, обладающему акцепторными свойствами. Молекула лиганда поляризуется, что приводит к ее ионизации и облегчает диссоциацию (в полярных растворителях):
Смещение электронов и ослабление связи Х-Н при координации подтверждается данными ИК-спектров координированных молекул. Например, координация RNH2 в комплексах с PtCl2 приводит к понижению νN-H (на 80-100 см-1). В результате повышается способность связи Н-Х к гетеролитической диссоциации с передачей протона на растворитель, на другой субстрат или его окислительному присоединению к переходному металлу (в зависимости от степени окисления металла и состояния его внутренней координационной сферы).
HX + MLn —→ H--X→MLn-1 + L
Даже такие слабые кислоты, как молекула аммиака или аминов, легко депротонируются в водных или неводных средах в координационной сфере переходных металлов:
TiCl4 + 6NH3 → TiCl(NH2)3 + 3 NH4Cl
Или
Pt(NH3)X5- + H2O → Pt(NH2)X52- + H3O+
В результате в комплексе металла появляется фрагмент молекулы HX (например, NH2), реакционная способность которого, конечно, ниже, чем свободного иона NH2-, но концентрация которого на много порядков выше, чем в отсутствие комплексообразователя. Константа диссоциации циановодорода HCN, например, составляет 10-10. Образование комплексов с металлами позволяет существенно повысить концентрацию группы M-CN. Так, при взаимодействии HCN с полиядерными комплексами меди(I) концентрация CuCN в
CumCln(n-m)- + HCN → ClnCum-1(CuCN) + HCl
растворе может достигать 15% масс. Координированный анион CN может далее участвовать в различных реакциях с образованием изонитрила CH3N=C, β-цианвинильного производного Cu(I) или изомера цианистого водорода NH=C, быстро присоединяющего нуклеофил Х- с образованием имина в координационной сфере металла:
Для катализа особенно важны две последние реакции.
2.3 Проблема выбора катализатора и возможные пути ее решения
Поиск новых катализаторов для известных реакций и катализаторов для проведения новых реакций до настоящего времени является серьезной проблемой. Исторически эту проблему решали эмпирическим путем методом проб и ошибок, перебирая и испытывая в качестве катализатора имевшиеся в распоряжении исследователя вещества. Все теории катализа, часть из которых кратко описана выше, пытались найти подходы к теоретическому решению этой проблемы. В полной мере это не удалось до настоящего времени, тем не менее, накопленные знания о механизме действия катализаторов различного типа позволяют подойти к решению этого вопроса в теоретическом плане. Можно выделить три различных подхода к решению этой проблемы, различающихся долей используемых эмпирических и теоретических методов.