Формальная кинетика и механизм перегруппировки четвертичных солей пиридиния в ароматические амины под действием оснований Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ХИМИЯ

Вестн. Ом. ун-та. 2009. № 2. С. 164-171.

УДК 547.821.3:542.124

А.А. Морозов, Г.П. Сагитуллина, Р.С. Сагитуллин

Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского

ФОРМАЛЬНАЯ КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ ПЕРЕГРУППИРОВКИ ЧЕТВЕРТИЧНЫХ СОЛЕЙ ПИРИДИНИЯ В АРОМАТИЧЕСКИЕ АМИНЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ОСНОВАНИЙ*

Применение методов формальных кинетики в исследовании механизма перегруппировки четвертичных солей пиридиния во вторичные ароматические амины под действием гидроксида натрия. Установлены первый кинетический порядок реакции, температурный коэффициент, активационные параметры (ДН^ and AS^), независимость kobs, концентрация гидроксида натрия.

Ключевые слова: кинетика, механизм, раскрытие пиридинового цикла, порядок реакции по реагенту, лимитирующая стадия, анаморфозы кинетических кривых, пири-дий перхлорат.

1. Введение

Реакции образования карбо- и гетероциклических ароматических соединений, а также их превращения друг в друга составляют в органической химии обширную сферу исследований [1]. Следует выделить особый тип превращения шестичленных гетероаренов с сохранением размера ядра, в котором новая ароматическая (карбоциклическая или гетероциклическая) система образуется в результате элиминирования одного или нескольких эндоциклических гетероатомов либо гетероатом становится экзоциклическим. Особую трудность представляет прямое и обратное конвертирование пиридина в бензол из-за их стабильности вследствие высокой полной энергии делокализации.

Теоретически такая цель может быть достигнута присоединением карбаниона к углеродному атому фрагмента =С=Ы- пиридинового цикла с дальнейшим расщеплением кольцевой системы и последующей рециклизацией без участия атома азота. Однако вследствие низкой электрофиль-ности реакционного центра и недостаточно высокой основности С-нуклеофилов этот процесс не реализуется. Для реагентов с большей основностью (например, амид-ион) такое присоединение имеет место, хотя и без перехода в карбоциклическую ареновую структуру, поскольку реагент вступает в цикл [2].

Повысить активность а-углеродного реакционного центра в пиридине можно с помощью Ы-алкилирования (кватернизации), которое обеспечивает уже при действии гидроксидных ионов раскрытие коль-

*Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 07-03-00783).

© А.А. Морозов, Г.П. Сагитуллина, Р.С. Сагитуллин, 2009

цевой системы с образованием ненасыщенного карбонильного соединения, причем без сохранения атома азота в открытой цепи. Такие процессы были известны давно [3; 4], но изомеризовать пиридин в Ы-фенил-алкиламин удалось только в 1970-х гг. Для этого кроме двойной активации исходного субстрата путем кватер-низации и замещения одного атома водорода электроноакцепторной группой N02, обеспечивающих смещение равновесия реакции присоединения ОН-иона к субстрату в сторону образования аддукта открытого строения, потребовалось еще введение протогенного заместителя в а-положение пиридина. Последнее условие вместе с дву-

"Н ^ ,н ^

Р,—1МН

ОН

мя первыми необходимо, чтобы инициированный распад, пройдя через эволюцию интермедиатов, завершился процессом циклизации в замещен-ный анилин после двух быстрых односторонних стадий [5]. Этот тип перегруппировки циклических структур, названный изомеризационной рецик-лизацией, был впервые подробно исследован А.Н. Костом и сотрудниками [6]. Предложенная авторами обобщенная схема превращения исходного гетероциклического соединения в арил- и гетарила-мины включает ряд последовательных равновесных стадий образования интермедиатов.

но

о I н

М, В, Р — атомы углерода или азота.

Стадия образования связи С—С является заключительным этапом процесса рециклизации, обусловливающим его необратимость. Детали электроциклического или ионного раскрытия псевдооснования и энергетический барьер поворота вокруг двойной связи Р=В обсуждаются в работах [7; 8].

2. Постановка задачи

Последовательность стадий изомериза-ционной рециклизации была предложена в соответствии с известными теоретическими положениями о механизмах перегруппировок с учетом структурных особенностей субстрата. Отмечается [9], что этот механизм недостаточно подтвержден экспериментальными данными, в частности, ввиду ограниченной применимости спектроскопических методов для идентификации интермедиатов и изучения маршрута реакции. Применение методов формаль-

н з С

ной кинетики к процессу превращения пи-ридиниевых солей в присутствии гидроксидов щелочных металлов может привести к экспериментальному подтверждению его ассоциативного характера. До настоящего времени кинетические исследования расщепления гетероароматического цикла проводились [3; 10] без учета последующей рециклизации.

В качестве модельного объекта нами был выбран 3,5-диацетил-Н,2,6-триметил-пиридиний перхлорат (далее - РР). Это вещество обладает высокой реакционной способностью ввиду наличия двух ацетильных групп. Субстрат РР количественно (96,7 %) превращается в соответствующий амин, причем превращение, проходящее по приведенной ниже схеме, не осложнено побочными реакциями.

Н ,0

Известно, что кинетику любых процессов лучше изучать, непосредственно определяя конечный продукт реакции. Конечный продукт превращения РР - ди-замещенное производное анилина - имеет низкую растворимость в воде (4-10-4 моль/л), его легко определять гравиметрическим методом. Таким образом, РР удовлетворяет всем основным требовани-

ям, которые надо учитывать при выборе объекта кинетических исследований.

3. Экспериментальная часть

Исходный 3,5-диацетил-Ы,2,6-триме-тилпиридиний перхлорат (РР) синтезировали в соответствии с приведенной ниже схемой по методике, предложенной в работе [11]:

СгО,

АсОН

мн,

Превращение субстрата РР во вторичный амин проводили при 30, 40 и 50о С (± 0,1 оС ), причем температуру поддерживали с точностью до 0,1 оС. Начальное соотношение молярных концентраций субстрата С^ШвНОуО и реагента ЫаОН варьировали от 1:1,5 до 1:5, причем исходная концентрация субстрата во всех случаях была равна 0,0476 моль/л. Гомогенность реакционной смеси достигалась за счет использования в качестве растворителя бинарной смеси этанола и пиридина в объемном отношении 3:1. Массу конечного продукта реакции определяли, отбирая в ходе реакции пробы объемом 2,0 мл и разбавляя их 5 %-ой уксусной кислотой до 10 мл, что приводило к выпадению продукта в осадок и обеспечивало возможность его последующего взвешивания.

Полученные данные позволяли рассчитывать функцию у = -1п(1 - [С]/[С]0), где [С] и [С]0 - текущая и начальная концентрация реагента. Кинетические кривые (полулогарифмические анаморфозы) строили в координатах у = £(1). В таких координатах кинетические кривые прямолинейны (рис. 1-3) и аппроксимируются уравнением у = ах + Ь, причем величина Ь статистически незначима. Коэффициенты линейной корреляции (К) во всех случаях превышали 0,97, т. е. корреляция статистически достоверна. Возникает лишь вопрос о допустимости приравнивания концентрации реагента ОН-

С1С>4

и экспериментально измеренной концентрации продукта. Однако, как показано в работе [12], стадии 4 и 5 протекают значительно быстрее, чем стадия 3. Удаление гидроксильного иона на нелимитирующей стадии процесса делает нашу трактовку кинетических зависимостей корректной. По кинетическим данным рассчитывали константы скорости реакции. Сходимость результатов для констант первого порядка характеризуется отклонениями от среднего порядка 5-8 %.

4. Полученные результаты и их обсуждение

При изучении кинетики процесса прежде всего необходимо установить функциональную зависимость, существующую между скоростью реакции и концентрацией компонентов в реакционной системе. Для этого использовали интегральный подход [13], т. е. в ряде точек одной и той же кинетической кривой рассчитывали константу скорости. Во всех случаях константа при адекватности уравнения кинетической кривой экспериментальным данным должна сохранять постоянное значение (в пределах ошибки измерений), иными словами, не испытывать «дрейфа».

Мы предположили, что исследуемая реакция описывается кинетическим уравнением первого порядка по реагенту: а [С]/^ = - к [С].

Тогда после интегрирования в интервале от [С] до [С]0 константа скорости может быть рассчитана по уравнению: кэфф = 1/1 1п [С]0 / ([С]0 - [С]) = у / 1.

В этом случае в эксперименте должна наблюдаться линейная зависимость

функции у от времени, что и было подтверждено в ходе наших исследований при всех температурах (рис. 1). Угловой коэффициент соответствующих кинетических кривых численно равен константе скорости реакции (кЭфф ).

ВРЕМЯ, сек

Рис. 1. Полулогарифмические анаморфозы кинетических кривых при разных температурах:

соотношение реагентов - 1:2

Таким образом, реакция изомериза-ционной рециклизации субстрата РР описывается кинетическим уравнением первого порядка по реагенту. Корректность этого вывода подтверждается расчетом коэффициента линейной корреляции (К) с использованием параметров у - 1. Его величина близка к единице (0,941-0,999) только в случае использования кинетических данных, полученных на основе уравнения первого порядка. В случае же расчетов по второму или третьему порядку линейная корреляция статистически недостоверна: значения К лежат в интервалах (0,432-0,677) и (0,261-0,625) соответственно. В каждом интервале значение К варьирует в зависимости от температуры.

Для понимания механизма рециклизации определение порядка реакции имеет принципиальную важность, поэтому мы использовали еще один метод его рас-

чета: сопоставляли отношения характеристических времен, найденных в эксперименте (например, Т1/2 : Т1/3), и теоретических значений этих отношений, взятых для реакций первого порядка, или отношения концентраций компонентов для других типов кинетических зависимостей

[14]. В этом случае нижний индекс соответствует глубине превращения реагента. Как видно из таблицы 1, соответствие наблюдается только в отношении данных, полученных для реакции первого порядка. Отношения, теоретически характерные для реакций второго или третьего порядка, не соответствуют экспериментальным данным.

Достоверно установленный характер изменения концентрации реагента во времени позволил провести температурное исследование реакции в интервале 20-50 °С (табл. 2).

Т а б л и ц а 1

Теоретические и экспериментально найденные соотношения характеристических

времен реакции

Характеристическое отношение 1-й порядок 2-й порядок 3-й порядок

теория эксперимент теория эксперимент теория эксперимент

т 1/2 /т 1/3 1,70 1,83 2,00 1,28 2,40 1,21

т 1/2 /т 1/4 2,40 2,44 3,00 1,54 3,86 1,34

Т а б л и ц а 2

Ф 1

Результаты расчета коэффициента Вант-Гоффа (у), энергии (ДН ) и энтропии (ДЭФ) активации при двух соотношениях субстрат-реагент

Температура, °С Константа скорости, кэфф *10, с АИГ, кДж/м°ль ASr, Дж /моль'К Y

Субстрат-реагент 1:2

20 1,76 120±22 57±12 6,5

25 4,48 4,4

30 9,44

Субстрат-реагент 1:4

30 3.05 67±9 89±11 2,2

40 6,88

50 16,4 2,5

Резкое различие экспериментально найденных коэффициентов Вант-Гоффа в краевых точках концентрационного соотношения реагент-субстрат нельзя приписать изменению в 6RДдlnQ/дT за счет внешнего вклада, поскольку он обычно пренебрежимо мал [15]. Целесообразно предположить, что наблюдаемый эффект обусловлен сменой лимитирующей стадии в сложном процессе изомеризационной рециклизации. Это объяснило бы существенное изменение температурного коэффициента, энергии и энтропии активации при переходе к другому соотношению реагентов. Очевидно, механизм перегруппировки должен включать, по крайней мере, две существенно важные стадии, различающиеся внутренним вкладом в температурный коэффициент

6RД(ЭlnQ/(ЭT.

Расширить и обосновать этот вывод удалось, исследуя влияние соотношения субстрат-реагент на константу скорости при постоянной температуре. Серии лине-

аризованных кинетических кривых, полученные при температуре 30 °С при разном соотношении реагентов (рис. 2-3), показывают, что соотношение реагентов влияет на константу скорости реакции преимущественно при небольшом избытке щелочи. При большом ее избытке константа скорости перестает зависеть от начальной концентрации щелочи (рис. 4). Численные значения рассчитанных констант скорости и соответствующие им стандартные отклонения (б) приведены в таблице 3. Коэффициенты вариации соответствующих констант невелики 5-9 % т. е. наблюдаемая в эксперименте (рис. 4) зависимость константы от соотношения реагентов не может быть объяснена случайными погрешностями измерений. «Кривые с насыщением» типичны для процессов, в которых эффективная константа скорости является мультипликативной величиной, включающей ряд сомножителей, в том числе и констант равновесий [16].

ВРЕМЯ, сек

Рис. 2. Полулогарифмические анаморфозы кинетических кривых при низких соотношениях [РР] / [№ОН]

о

и

1-і

О

200

450

700

950

1200

Время, сек

Рис. 3. Полулогарифмические анаморфозы кинетических кривых при высоких

соотношениях [ РР] / [№ОН]

Изменение константы скорости реакции при варьировании начального

соотношения реагентов

Т а б л и ц а 3

Соотношение реагентов кэфф'10, с э-1Ср Лкэфф'104, с-1

1,50 0,78 0.05 0.0841

2,00 3,07 0,21 0,336

3,00 8.93 0,59 0,937

3,50 9,45 0,74 1,18

4,00 9,46 0,83 1,33

5.00 9,56 0,52 1,29

Сдвиг равновесия, достигаемый изменением концентрации одного из реагентов, может привести в конечном итоге к полному включению другого компонента в продукт взаимодействия, причем его образование нелинейно зависит от избытка первого. Мы предполагаем, что именно этот эффект объясняет экспериментальную зависимость кэфф от начальной концентрации щелочи (рис. 4).

Очевидно, кроме двух простых односторонних последовательных стадий, о наличии которых свидетельствуют разные значения температурных коэффициентов (табл. 2), механизм процесса должен

включать, по крайней мере, одну стадию равновесия между субстратом и реагентом [16].

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

^а0Н1/|С12НмМ07С11

Рис. 4. Влияние концентрации щелочи на константу скорости изучаемого процесса

Кинетическая схема изомеризацион-ной рециклизации, получив экспериментальные подтверждения, тем не менее, не может ограничиться только этим, а вследствие существования дополнительных данных нуждается в расширении. Последнее обусловлено превращением первого интермедиата под действием общеосновных катализаторов, например, аминов, которые в этой роли могут заменить гидроксидный ион [17]. И хотя количественная связь кэфф с параметром уравнения Бренстеда не установлена, следует сразу за первой стадией ввести дополнительный равновесный процесс образования второго интермедиата, последующее расщепление которого будет лимитирующей стадией. Поэтому общая кинетическая схема сформирована в трехстадийном варианте:

превращение второго интермедиата в конечный продукт.

A + OH ^=^AOH . k2 + B

k-i

k-2+ BH

AO —ki-

P.

Чтобы получить уравнение для скорости на основе принципа стационарности, третья стадия рассматривается как лимитирующая:

d [AO-] / dt « 0 С учетом выражения для константы равновесия первой стадии

Ki = ki / k-i = [AOH] / [A] [OH-] Общая скорость процесса определяется превращением второго интермедиата:

k2k3 [AOH] [Б!

k3 + k - 2 [БН] Считая вследствие малого возмущения равновесия на первой стадии [AOH] « «const и обращая числитель и знаменатель в последнем уравнении, находим линейную зависимость для обратного значения эффективной константы скорости:

1 1 [Off]

и = k3[AO ] =

кэфф к2 [В] к2к3 [В]

Именно эту зависимость для случая В = ОН- демонстрирует линейный график (рис. 5), построенный для широкого диапазона начальных концентраций щелочи на основе данных таблицы 3. Это является экспериментальным доказательством обоснованности вышеизложенной кинетической схемы, а следовательно, и такого механизма изомеризационной рециклизации, который включает две предравновесные стадии взаимодействия субстрата с реагентом и в качестве лимитирующей стадии -

1 [AOH] где- “і =“^

кэфф и

1/[NaOH]0, l/моль Рис. 5. Зависимость константы скорости изоме-ризационной рециклизации РР от концентрации NaOH (в координатах 1/1<эфф. - 1/[NaOH]0 )

Выполненное в рамках формальной кинетики исследование не дает ответа на естественные вопросы, связанные со строением активированных комплексов и характером распределения зарядов в них. Но использованные нами методы оказались вполне пригодны для установления общего заряда и стехиометрического состава переходного состояния. Применение методов формальной кинетики является необходимым этапом в изучении превращения солей пиридиния под действием оснований, так как получаемые с их помощью количественные параметры нужны для оценки реакционной способности субстрата, влияния растворителя, солевых эффектов и расчета активационных параметров. Такое перечисление -это программа будущих исследований. Залогом её успешного воплощения должна стать не химическая интуиция, а корректный анализ числовых величин, рассчитанных с помощью уравнений формальной кинетики для адекватных экспериментальных условий.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Van der Plas H.C. Ring Transformations of Heterocycles. L.; N. Y., 1973. V. 1,2.

[2] Ibidem. С. 68-76.

[3] Kosover E.M., Patton J.W. The Products and Kinetics of Hydrolysis of Cyanopyridinium Ions // Tetrahedron. 1966. V. 22. P. 2081.

[4] Цит. по: Неницеску К.Д. Органическая химия. М., 1963. Т. 2. 717 с.

[5] Кост А.Н., Сагитуллин Р.С., Громов С.П. Рециклизация электронодефицитных азотистых гетероароматических соединений // Химия ге-

тероциклических соединений. 1978. № 8. С. 1141.

[6] Кост А.Н., Сагитуллин Р.С. Новые перегруппировки азотистых гетероароматических соединений // Журн. орг. хим. 1980. Т. XVI. Вып.

3. С. 667.

[7] Атавин Е.Г., Тихоненко В. О., Сагитуллин Р. С. Изучение механизма изомеризационной рециклизации методом молекулярной механики // Вестн. Ом. ун-та. 1998. № 1. С. 41-43.

[8] Их же. О механизме изомеризационной рециклизации диацетильных производных пириди-ниевых солей // Химия гетероциклических соединений. 2001. С. 923.

[9] Реутов О.А., Курц А.Л., Бутин К.П. Органическая химия. М., 2004. Часть 2. С. 613-615.

[10] Eisenthal R., Katritzky AR.The Ring-opening of N-Methoxypyridinium Perchlorate by Hydroxide // Tetrahedron. 1965. V. 21. P.2 205.

[11] Шкиль Г.П., Сагитуллин Р.С., Муцениеци Д., Лусис В. О рециклизации солей 3,5-диацетил-и 3,5-дицианопиридиния под действием осно-

ваний // Химия гетероциклических соединений. 1990. С. 848.

[12] Damji S. W.H., Fyfi C.A. Flow Nuclear Magnetic Resonance Investigation of the Intermediates Formed by the Attack of Alkoxide Ions on Substituted Pyridinium Ions // Journal of Organic Chemistry. 1979. V. 44. № 11. Р. 1757-1761.

[13] Лейдлер К. Кинетика органических реакций. М., 1966. 19 с.

[14] Панченков Г.М., Лебедев В.П. Химическая кинетика и катализ. М., 1974. С 28-29.

[15] Гаммет Л. Основы физической органической химии. М., 1972. 518 с.

[16] Дженкс В. Катализ в химии и энзимологии. М., 1972. С. 427-428.

[17] Kunugi S., Okubo T., Ise N. А Study on the Mechanism of the reaction of N-(2,4-Dinitrofenyl)-3-carbomoylpyridinium Chloride with Amines and Amino Acides with Reference to Effect of Polyelectrolyte Addition // J. Am. Chem. Soc.1976. V. 98. P. 2282.