Травень В.Ф. - Органическая химия. В 3 т. Т. 1

Выше мы уже познакомились с реакцией нитрования бензола. NO2

Все положения в бензоле эквивалентны, и вопрос о выборе места атаки его молекулы нитроний-катионом не имеет смысла. Однако если в качестве субстрата в реакции нитрования применить производное бензола C6H5X или, например, нафталин, места атаки становятся неэквивалентными (отмечены звездочками).

Возникает вопрос о месте атаки электрофильным агентом молекулы субстрата. Отвечая на этот вопрос, отметим, что системы ArH + E можно отнести к «мягким» (подробнее об этом см. в т. II, разд. 9.4). Такие системы подчиняются орбитальному контролю. В этом случае в рамках концепции граничных орбиталей предпочтительность атаки нафталина в положение 1 (4, 5, 8; при электрофильном нитровании образуется 95% 1-нитронафтали- на) определяется более высокими значениями коэффициентов на атомах углерода 1, 4, 5 и 8 в его ВЗМО.

Как будет показано в гл. 9 и 11 (т. II), региоселективность и замещенных бензолов, и нафталина в реакциях электрофильного ароматического замещения может быть объяснена и с позиций теории резонанса. Этот факт не снижает, однако, ценности концепции граничных орбиталей для анализа реакций сложных органических молекул. Причина состоит в том, что написание полных наборов резонасных структур для интермедиатов, образуемых сложными полициклическими молекулами, становится практически невыполнимой задачей. В то же время расчет молекулярно-орбитальных параметров по стандартным квантово-химическим программам для молекул любой сложности не представляет в настоящее время каких-либо затруднений.

Для примера ниже показана молекула бенз[a]антрацена. Она имеет 12 неэквивалентных положений, потенциально способных к электрофильному за-

мещению. При этом на практике реакции SEAr c высокой региоселективностью идут в положение 7. Теория резонанса не в состоянии объяснить этот факт. Объяснение ему получено в терминах концепции граничных орбиталей.

Ниже показаны значения собственных коэффициентов ВЗМО бензантрацена. Именно положение 7 имеет максимальное значение собственного коэффициента (а следовательно, электронной плотности). Именно это положение и подвергается электрофильной атаке, в частности, нитроний-ка- тионом.

NO2

7-нитробенз[а]антрацен

Для углубленного изучения!

КОЛИЧЕСТВЕННОЕ ОПИСАНИЕ ЭФФЕКТОВ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ И РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ: σρ-АНАЛИЗ

Химики давно стремились перейти от качественной оценки влияния электронных эффектов различных заместителей на ход органических реакций

к количественным методам описания реакционной способности.

Первых успехов в этом достиг Л. Гаммет, который в 1932 г. для реакций и равновесий мета- и пара-замещенных бензолов вывел уравнения общего вида [1]

lg(kX/kH) = σρ,

где kX и kH — константы скорости Х-замещенного бензола и производного бензола при Х = Н, и

lg(КX/КH) = σρ,

где КX и КH — константы равновесия Х-замещенного бензола и бензола при Х = Н; ρ — реакционная константа, характеризующая данную реакционную серию; σ — константа, характеризующая заместитель Х и не зависящая от реакционной серии.

Перспективность этих уравнений для количественного описания реакционной способности была сразу оценена. Однако на первом этапе было

неясно, каким образом могут быть получены константы σ для различных заместителей. Гаммет предложил изящное решение этого вопроса.

Для диссоциации мета- и пара-замещенных бензойных кислот X—C6H4COOH в воде при 25 °С величина ρ была принята равной 1, после чего по данным Кдисс оказалась возможной оценка значений σ для любого заместителя.

Например, значения Кдисс бензойной и п-Cl-бензойной кислот равны 6,25 • 10–5 и 10,6 • 10–5 соответственно. Тогда величина σп-Cl оценивается величиной 0,23:

10,0 • 10–5 σ(n–Cl) = lg6,25 • 10–5 = 0,23.

Для примера ниже приведены константы σ для ряда мета- и пара-заме- стителей.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ!

Электронодонорные заместители имеют отрицательные значения σ. Электроноакцепторные заместители имеют положительные значения σ.

Основная ценность уравнений Гаммета состоит в том, что константы σ заместителей сохраняют постоянные значения независимо от реакций, для которых их применяют.

Имея набор констант σ, очень просто найти величины ρ для многих других реакций по скоростям (или константам равновесия) только для двух Х-замещенных соединений, а затем иметь возможность рассчитывать значения констант скоростей для любых других Х-замещенных бензолов.

Однотипные реакции, которые проводятся в одних и тех же условиях с соединениями, отличающимися только заместителем Х, образуют реакционную серию.

В противоположность константам σ, реакционная константа ρ зависит от характера реакции. Она специфична для каждой реакции и строго «привязана» к данным реакционным условиям: температура, растворитель, ка- кие-либо добавки и т. д. Константа реакции ρ определяет чувствительность этой реакции к электронному эффекту заместителя.

Например, если |ρ| > 1, то данная реакция более чувствительна к электронному эффекту заместителя, чем диссоциация бензойных кислот, и наоборот. Если же значение ρ приближается к нулю, такая реакция мало зависит от электронного эффекта заместителя.

Рассмотрим пример. Известно, что ρ для реакции диссоциации замещенных бензойных кислот значительно выше в этаноле, чем в воде. Попробуем разобраться в причине этого.

Этанол, как растворитель, обладает меньшей ионизирующей способностью, чем вода. Поэтому процесс ионизации в этаноле требует более эффективного участия заместителя, что и находит отражение в более высоком абсолютном значении реакционной константы ρ.

Условия передачи электронного влияния заместителя Х на реакционный центр также влияют на абсолютное значение константы реакции. В частности, удаление заместителя от реакционного центра и нарушение сопряжения заместителя с реакционным центром снижают абсолютное значение константы ρ.

Ценную информацию о реакции несет и знак реакционной константы. Положительное значение ρ означает наведение отрицательного заряда на реакционном центре в скоростьлимитирующей стадии. Электроноакцепторные заместители в молекуле субстрата увеличивают скорости таких реакций. Напротив, отрицательное значение реакционной константы означает наведение положительного заряда на реакционном центре молекулы субстрата в скоростьлимитирующей стадии. Скорости таких реакций увеличиваются электронодонорными заместителями в субстрате.

Знак и величина константы ρ позволяют, таким образом, делать вывод о природе переходного состояния, а тем самым, и о механизме реакции.

Например, малые значения ρ часто указывают на радикальный механизм соответствующей реакции с малым распределением зарядов и, следовательно, низкой зависимостью хода реакции от электронных эффектов заместителей.

Другой пример касается электрофильного ароматического замещения. Эти реакции имеют отрицательные значения констант реакции ρ, что соответствует карбокатионной природе переходных состояний в таких реакциях [2].

Электронодонорные заместители, имеющие отрицательные значения σ, должны ускорять реакции SE Ar, а электроноакцепторные заместители, имеющие положительные значения σ, должны замедлять эти реакции.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ!

Все реакции электрофильного ароматического замещения имеют отрицательные значения ρ, однако заметно различаются абсолютными величинами этих констант. Этот факт также полностью соответствует катионоподобному характеру атакующего реагента. Чем выше степень локализации положительного заряда на электрофильном реагенте, тем этот реагент менее чувствителен к эффектам заместителей в молекуле субстрата, тем ниже абсолютная величина константы ρ.

В общей сложности были проанализированы данные для более, чем 400 реакций и равновесий [3]. Некоторые из таких реакций для примера показаны ниже:

Пример 1. Гидролиз метилбензоатов в присутствии основания следует уравнению Гаммета с величиной константы реакции, равной ρ = 2,7:

lg kX – lg kH = 2,7σ.

Положительный знак реакционной константы ρ указывает, что электроноакцепторные заместители (положительные значения σ) способствуют ре-

116 Для углубленного изучения

акции, снижая энергию переходного состояния, а электронодонорные — замедляют ее.

Такое влияние заместителей позволяет отнести реакцию гидролиза к AdN-типу.

Пример 2. Реакция Х-замещенных диметиланилинов с CH3I имеет константу реакции, равную ρ = –3,3,

lg kX – lg kH = –3,3σ.

Отрицательный знак реакционной константы ρ указывает, что в этой реакции электронодонорные заместители, имеющие отрицательные значения σ, увеличивают скорость.

CH3

Производное N,N-диметиланилина проявляет себя как нуклеофил в реакции SN2.

Установив корреляцию между логарифмами констант равновесий и логарифмами констант скоростей реакций замещенных бензолов, Гаммет обнаружил линейную связь между свободными энергиями этих процессов, называемый принципом линейности свободных энергий. Рассмотрим для примера, как следуют этому принципу константы равновесия. Поскольку

G = –RT lnK,

то для равновесия незамещенного соединения справедлива запись

GH = –RT lnKH.

В таком случае уравнение Гаммета можно представить в форме

ln K – lnKH = σρ. Откуда

– G/RT + GH/RT = σρ

или – G = σρRT – GH.

Таблица 1.18. Значения некоторых констант σ ряда заместителей (по данным [7]).

Поскольку для одной реакционной серии величины ρ, R, T и – GH постоянны, σ оказывается линейно связана с G.

Уравнение Гаммета — не единственное линейное соотношение свободных энергий. Для многих реакций, в том числе с участием соединений ароматического ряда, константы σ оказались малопригодны. Например, для реакций, в которых атака реагента направлена непосредственно на ароматическое кольцо, а заместитель Х может участвовать в прямом резонансном взаимодействии с реакционным центром, более пригодными оказались константы σ+ и σ–. Константы σ+ лучше подходят для реакций, в переходном состоянии которых на реакционном центре развивается положительный заряд, например, для реакций SE Ar. Константы σ– точнее описывают реакции, в переходном состоянии которых на реакционном центре развивается отрицательный заряд.

В ходе дальнейшего развития количественной теории органических реакций было установлено, что σп-константы обусловлены суммой эффектов заместителей, передающихся на реакционный центр по двум механизмам: по резонансному механизму, оцениваемому константой σR, и по эффекту поля, оцениваемому константой σI:

σп = σR + σI.

Значения некоторых констант ряда заместителей, находящихся в п- и м-по- ложениях бензольного кольца, приведены в табл. 1.18 [7].

Дополнения!

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И ЖИЗНЬ

Этот раздел открывает дополнительные разделы учебника. Как уже отмечалось в начале книги, знакомясь с материалом дополнительных разделов, читатель входит в круг проблем смежных естественных наук и технологий, в решении которых методы органической химии имеют важное значение и которые, в свою очередь, определяют направления развития современной органической химии. В качестве смежных естественных наук рассматриваются прежде всего биологические науки, а в качестве смежных технологий — технология материалов.

Особое внимание уделяется взаимодействию органической химии и биологии. В целом, отношения между этими науками можно сравнить с отношениями, сложившимися между органической химией и физикой. Подобно тому, как физика (включая квантовую механику) является основой для понимания фундаментальных свойств, реакций и спектрального поведения органических соединений, так и органическая химия на молекулярном уровне формирует понимание сложных биологических процессов, связанных с обменом энергии, метаболизмом, молекулярным узнаванием и воспроизведением биологических субстратов.

Й. Берцелиус оказался неправ, провозгласив, что источником органических соединений могут быть только живые организмы. Однако он гениально предчувствовал неразрывную связь двух естественных наук — органической химии и биологии. Взаимодействие этих наук плодотворно для обеих сторон. Органическая химия помогает раскрывать «секреты» жизни, а методы и технологии, которые «придуманы» природой, оказываются полезными в органической химии (как и во многих других приложениях человеческих знаний).

Возможно, наиболее характерный пример успешного проникновения в тайны живой материи методами химии и биологии дают результаты изучения работы ферментов. Ученые не только разгадали секреты этих уникальных биологических катализаторов, но и создали искусственные ферменты с

Именно эта реакция используется организмом для удаления из клеток углекислого газа, образовавшегося в них в результате жизнедеятельности. Некатализируемая гидратация СО2 протекает слишком медленно, чтобы обеспечивать его эффективный транспорт от тканей к легким. Активность же карбоангидразы поражает воображение: одна молекула фермента катализирует каждую минуту гидратацию ~3,6 107 молекул диоксида углерода.

Принципиальная схема работы карбоангидразы заключается в следующем. Карбоангидраза представляет собой белок, состоящий из фрагментов 260 аминокислот. Молекула воды теряет протон на активном участке фермента, который выступает как основание. При этом образуется сопряженное основание — гидроксид-ион, который присоединяется к молекуле диоксида углерода точно так же, как это происходит в реакциях гидро- ксид-иона с другими карбонильными соединениями. По существу, это присоединение представляет собой кислотно-основную реакцию Льюиса.

Кислотность воды, однако, не столь высока, чтобы протон от нее легко было бы оторвать. Поэтому карбоангидраза нуждается в помощи. Эту помощь ей оказывает кофактор — один из микроэлементов, присутствующих в организме, а именно ион Zn2 . Как кислота Льюиса он координируется по атому кислорода молекулы воды и существенно облегчает тем самым отрыв протона активным участком карбоангидразы. Влияние иона цинка как кофактора было определено на модельных реакциях. Этот ион увеличивает скорость реакции гидратации карбонильного соединения более чем в 6 млн раз по сравнению с некатализируемой реакцией.