НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКО-ОРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ І ВУГЛЕХІМІЇ

ім. Л.М. ЛИТВИНЕНКА

Баранова Оксана Вікторівна

УДК 547.292'2:541.127/128

ТРансфазний каталіз лужного гідролізу

активованих ефірів амінокислот

02.00.03 – органічна хімія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

Донецьк – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому національному університеті

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: член-кореспондент НАН України, доктор хімічних наук, професор Попов Анатолій Федорович, Інститут фізико-органічної хімії і вуглехімії ім. Л.М. Литвиненка НАН України, завідувач відділу хімії молекулярних комплексів, директор;

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор Кас'ян Лілія Іванівна, Дніпропетровський національний університет, професор кафедри органічної хімії;

кандидат хімічних наук Серебряков Ігор Маркович, Донецький національний університет, доцент кафедри органічної хімії.

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка” (кафедра органічної хімії) Міністерства освіти і науки України, м. Львів.

Захист відбудеться 24.05.2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.216.01 в Інституті фізико-органічної хімії і вуглехімії ім. Л.М. Литвиненка НАН України (83114, м. Донецьк, вул. Р. Люксембург, 70).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізико-органічної хімії і вуглехімії ім. Л.М. Литвиненка НАН України (83114, м. Донецьк, вул. Р. Люксембург, 70).

Автореферат розісланий 20.04.2002 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 11.216.01

доктор хімічних наук Шендрік Т.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність дослідження. Трансфазний каталіз (ТФК) – область органічної і фізико-органічної хімії, що сформувалася порівняно недавно (20-30 років тому) як самостійна, привертає увагу багатьох дослідників. Незважаючи на широке використання гідроксид-йона як нуклеофіла чи специфічного основного каталізатора, кінетика і механізм ТФК - реакцій з його участю, зокрема гідролізу, вивчені недостатньо. Труднощі ідентифікації механізмів цих процесів пов'язані з низькою екстракцією гідроксид-йону в органічну фазу, що значно ускладнює аналітичний контроль за його концентрацією. Звідси - кінетична нерозрізненість механізмів і невизначеність в інтерпретації результатів експерименту, а як наслідок - недостатньо якісний прогноз для оптимізації ТФК-процесів за участю основ такого типу. Тому в плані розвитку теорії ТФК актуальними є кінетичні дослідження в двофазних системах, що містять реагуючі аніони з низькою селективністю екстракції. Найбільш придатний об'єкт для вирішення цієї задачі - лужний гідроліз ефірів карбонових кислот у двофазній системі рідина/рідина (р/р) в присутності четвертинних амонієвих солей (ЧАС).

ТФК-гідроліз нерідко є побічним процесом, тобто супроводжує основну хімічну реакцію за участю - йона як каталізатора чи генератора високореактивного органічного аніону. Така ситуація, наприклад, має місце при синтезі пептидів методом активованих ефірів у двофазній системі органічний розчинник/водний розчин солі амінокислоти в присутності тетраалкіламонієвих солей. Для того, щоб припинити небажаний напрямок побічної реакції гідролізу, необхідно знати її механізм і закономірності впливу різних факторів на швидкість. З цієї причини в цій роботі як субстрат використовували активований ефір N-захищеної амінокислоти.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі біологічної хімії Донецького національного університету і є частиною досліджень за темами "Топологія та швидкістьлімітуюча стадія реакцій міжфазного переносу в системі рідина/рідина" (шифр 96-1 ВВ/29, № держреєстрації 0196U013129), що виконувалась відповідно до рішення вченої ради ДонДУ від 30.01.1996, протокол № 1 і "Механізм реакції утворення пептидного зв'язку в умовах міжфазного переносу" (шифр 99-1 ВВ/29, № держреєстрації 0199U001499), що виконувалась за рішенням науково-експертної ради за напрямком "Хімія, хімічна технологія, хімічне машинобудування" від 25.09.1998, протокол № 2. Автор дисертаційної роботи був відповідальним виконавцем цих тем.

Мета і задачі дослідження. Основна мета дослідження - встановлення кінетичних закономірностей гідролізу 4-нітрофенілового ефіру N-бензилоксикарбонілгліцину (надалі RX) у системі р/р в умовах конкурентної екстракції трьох аніонів: нуклеофіла (), нуклеофуга () і протийона ТФ-каталізатора (). Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні задачі.

1. Вивчити вплив різних факторів (концентрації реагентів, каталізаторів, способів введення їх у реакційну суміш, швидкості перемішування) на кінетику лужного гідролізу ефіру RX у двофазній системі, а також у відокремлених водній і органічній фазах. Визначити місце перебігу хімічного процесу і швидкістьвизначальну стадію.

2. Встановити закономірності впливу продуктів реакції (4-нітрофенол і N-бензилоксикарбонілгліцин) на перерозподіл онійового катіону між фазами і взаємозв'язок їх з кінетикою гідролізу в двофазній системі.

3. З'ясувати характер впливу структури ТФ-каталізатора на швидкість реакції в двофазній системі.

Об'єкт дослідження - механізм трансфазних реакцій за участю гідроксид-йона.

Предмет дослідження – кінетика і механізм ТФК-реакції активованих ефірів N-захищених амінокислот з гідроксид-йоном у двофазних системах органічний розчинник/водний буферний розчин у присутності четвертинних амонієвих і фосфонієвих солей при температурі 298 К.

Методи дослідження. Для вивчення кінетики реакції в двофазній системі використовували метод відбору проб з наступним визначенням концентрації продукту за допомогою спектрофотометричної методики. Для ідентифікації вперше синтезованих ТФ-каталізаторів застосовували метод ПМР, ІЧ-спектроскопії, для аналітичних цілей – метод УФ-спектроскопії. Усі розра-хунки і моделювання кінетики реакції в двофазній системі здійснювали з використанням спеціальних прикладних програм.

Наукова новизна отриманих результатів. Отримано кінетичні докази екстракційного механізму ТФК-гідролизу активованого ефіру N-захищеної амінокислоти в системах 1-бутанол/водний буферний розчин і хлороформ/водний буферний розчин. Вперше встановлені в роботі принципові розбіжності в кінетичних анаморфозах ТФК-реакції гідролізу в залежності від природи протийона ТФ-каталізатора QZ (Z= Cl, Br, I) та пояснені в рамках даного механізму конкурентною екстракцією щонайменше трьох аніонів: нуклеофіла ( ), нуклеофуга (4-NO2C6H4O ) і аніона ( ). Встановлено неефективність гідрофільних і високу ефективність ліпофільних органічних амонієвих (у тому числі здатних до міцелоутворення) і фосфонієвих катіонів ( ) як ТФ-каталізаторів при несуттєвому впливі на швидкість природи галогенід-аніона .

Практичне значення отриманих результатів. Як найбільше ефективні ТФ-каталізатори реакцій за участю -йона, що перебігають за екстракційним механізмом, запропоновані галогеніди тетразаміщеного амонію з гетероароматичним (імідазолієвим) катіоном і довголанцюговим гідрофобним алкільним радикалом, а також галогеніди тетрафенілфосфонію.

Особистий внесок здобувача. Вся експериментальна частина роботи і обробка результатів дослідження виконана особисто автором. Постановка задачі, обговорення результатів дослідження проводилось спільно з науковим керівником чл.-кор. НАН України, д.х.н., проф. Поповим А.Ф. У обговоренні результатів і інтерпретації даних брали участь д.х.н. проф. Савьолова. В.А., д.х.н., проф. Шендрик О.М., к.х.н., доц. Косминін В.В. Співавторами публікацій були також к.х.н. Панченко Б.В., к.х.н. Вахітова Л.М.(участь в аналізі літературних даних), к.х.н. Раєнко Г.Ф. (синтез деяких ТФ-каталізаторів) та студенти-дипломники Мошковська Н.В., Сиваченко М.І. (участь у розробці методики дослідження екстракції солей).

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи були представлені на Всесоюзній конференції молодих вчених з екстракції (м. Донецьк, 29-31 травня 1990 г), другій Московській конференції з трансфазного каталізу (м. Москва, березень 1994 р.), симпозіумі "Сучасні проблеми каталізу" (м. Донецьк, 31 серпня-3 вересня 2000 р.), восьмій науковій конференції "Львівські хімічні читання-2001" (м. Львів 24-25 травня 2001 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 3 статті у фахових наукових журналах, депоновані рукописи трьох статей, надруковані тези 8 доповідей на наукових конференціях і симпозіумах.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація викладена на 149 стор. і складається з введення, 4 розділів, висновків і списку використаних літературних джерел. У першому розділі приведений огляд літератури щодо механізмів ТФК-реакцій, у тому числі за участю -йона. Другий розділ містить виклад експериментальної частини роботи. У третьому і четвертому розділах викладені й обговорені результати дослідження кінетики лужного гідролізу ефіру RX у двофазних ТФК-системах органічний розчинник/водний буферний розчин.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Реакція гідролізу 4-нітрофенілового ефіру N-бензилоксикарбонілгліцину в двофазній системі (дф), а також у водній (вф) та органічній (оф) фазах перебігає у відповідності з наступним стехіометричним рівнянням:

Кінетику реакції (1) як у відсутності, так і в присутності ТФ-каталізаторів, досліджували в наступних умовах: рН вихідного буферного розчину 8.3, 10 і 11, концентрація ефіру RX (2.5·10-4 ё 5·10-3 моль/л), що відповідає співвідношенню реагентів на початку реакції [RX]оф > []вф. Концентрації ефіру, продуктів реакції і каталізаторів тут і надалі наведені в розрахунку на весь об'єм двофазної системи. Швидкість перемішування двофазної системи складала 400 об/хв. За швидкістю реакції у відокремленій органічній фазі стежили за зменшенням концентрації ефіру (lmax 280 нм), а також за накопиченням рівноважної суміші 4-нітрофенолу (lmax 320 нм) і 4-нітрофенолят-аніону (lmax 410 нм). Швидкість реакції в двофазній системі вивчали шляхом відбору емульсії, гальмуванням реакції розведенням водним розчином HCl з наступним спектрофотометричним визначенням вмісту 4-нітрофенолу.

Гідроліз у системі 1-бутанол/боратний буферний розчин

Реакція у відсутності ТФ-каталізаторів. Якщо відразу після внесення ефіру RX у двофазну систему 1-бутанол/боратний буферний розчин фази розділити, то 4-нітрофенолят-аніон виявляється в органічній фазі і не фіксується у водній. Відсутність реакції в останньому випадку пов'язана з незначною екстракцією у воду ефіру RX з 1-бутанолу, а не з його низькою реактивністю у воді, що було показано в окремому експерименті гідролізу ефіру RX у вихідному боратному буферному розчині ( ~ 1300 л·моль- 1·с-1)

Наявність процесу гідролізу у відокремленій органічній фазі системи 1-бутанол/боратний буферний розчин ілюструє рис.1. Початкові відрізки кінетичних кривих відповідають реакції ефіру RX з гідроксид-йоном (можливо йонною парою NaOH), кінцеві - нейтральному гідролізу (сольволізу), оскільки [RX]оф > []вф. Розраховані з початкових відрізків константи швидкості другого порядку в органічній фазі для систем з вихідними значеннями рН 8.3 і 10 відповідно дорівнюють (6.0±0.3) і (15±1) л·моль-1·с-1 (причини розбіжностей у величинах показано нижче).

Швидкість реакції в двофазній системі описується рівнянням (2):

ln ( /(-х)) = t + b , (2)

де – початкова концентрація ефіру (моль/л),

х - поточна концентрація продукту (моль/л), (с-1) – константа швидкості реакції в двофазній системі,

t (с) – час, b – стала величина для даної кінетичної кривої.

Наявність величини b у рівнянні (2) формально означає, що на початку гідроліз відбувається дуже швидко, і методика експерименту не дозволяє зафіксувати зміну концентрації ефіру на початковому відрізку кінетичної кривої. Далі процес сповільнюється і перебігає за законом першого порядку.

Величини , розраховані за рівнянням (2), не залежать від швидкості перемішування системи та способу введення в неї ефіру RX (у вигляді розчину в 1-бутанолі (а) чи в діоксані (б) у кількості 1-2 % від загального обсягу чи у вигляді наважки (в)). Усі приведені нижче величини відносяться до стандартних умов: інтенсивність перемішування 400 об/хв, спосіб введення ефіру – (б).

Дані табл.1 для реакції в системі 1-бутанол/боратний буферний розчин свідчать про те, що зміна початкової концентрації ефіру в 10 разів приводить до зміни величини в 1.5 рази для системи з рН 8.3 і в 3 рази для системи з рН 10. При цьому при переході від першої системи до другої швидкість збільшується майже на порядок, тобто залежить від рН водної фази.

Таблиця 1

Константи швидкості псевдопершого ( ) і другого порядку ( , ) для реакції гідролізу ефіру RX у двофазній системі 1-бутанол/боратний буферний розчин (А) при різних концентраціях субстрату (а, моль/л) і хлороформ/боратний буферний розчин (Б) в присутності (СН3)3(С16Н33)NBr (Скат), 298 К.

Система Ч103, моль/л рН Скат.103, моль/л Ч105, c-1 , а) л·моль-1·с-1 ,б) л·моль-1·с-1

А 0.5 8.3 0 8.2±0.2 26.8±0.6

2.0 0 5.8±0.2 23.0±0.6

5.0 0 5.2±0.2 23.7±0.9

=24±2 6.0±0.3

0.5 10.0 0 122±7 8.1±0.4

5.0 0 46±3 8.2±0.5

=8.2±0.1 15±1

Б 5.0 8.3 10 0.25 ± 0.03 1.3±0.2

50 0.60±0.06 3.0±0.3

5.0 10.0 10 2.4 ±0.5 0.24±0.05

50 5.3±0.2 0.53±0.02

5.0 11.0 5 11 ±1 0.109±0.006

10 23 ±2 0.23±0.02

50 51 ±2 0.51±0.02

100 57 ±4 0.57±0.04

а) Розраховані за формулою =/[ОН]вф. Для розрахунку концентрації [OH-]вф у водному буферному розчині, насиченому 1-бутанолом, використовували умовну величину для йонного добутку води КW 14.2. ; б) Розраховані за формулою =/[RX].

Причина залежності від концентрації ефіру - зміна рН водної фази в ході виділення продуктів реакції (1): N-бензилоксикарбонілгліцину і 4-нітрофенолу. Встановлено, що в межах однієї кінетичної кривої зміну величини рН водної фази можна вважати незначною. Поправки на зміну рН водної фази варто вводити для різних кінетичних кривих. Відкореговані з урахуванням цього факту константи швидкості другого порядку не залежать від концентрації ефіру в двофазній системі з постійним значенням рН вихідного буферного розчину. Це свідчить про перший порядок реакції за субстратом.

Одержані результати дозволяють припустити екстракційний механізм каталізу із швидкістьвизначальною стадією хімічної взаємодії в об'ємі органічної фази ( ):

(3)

(4)

Для розглянутої системи Y=OH, {QY}={NaOH}, X=4-NO2C6H4O (ArО), {QX}={NaOAr}, оскільки у відсутності ТФ-каталізатора 4-нітрофенолят-аніон екстрагується в органічну фазу з катіоном Na.

Відповідно до цієї схеми швидкість реакції в двофазній системі описується рівнянням:

, (5)

де , (л·моль-1·с-1) - константа швидкості другого порядку реакції в двофазній системі.

Так концентрація ОН-йона в органічній фазі зв'язана з його концентрацією у водній фазі за рівнянням , де

- константа йон-обмінної селективності,

- коефіцієнт екстракції 4-нітрофенолят-аніона з водної в органічну фазу, то вираз для буде таким:

= ·· (6)

При зміні рН вихідного буферного розчину від 8.3 до 10 величина зменшується приблизно в 3 рази, а константа при цьому збільшується ~ у 2.5 рази (табл. 1, А). В той же час при значеннях рН >10 величина не залежить від рН буферного розчину. Наприклад, для реакції в системі хлороформ/боратний буферний розчин в присутності гексадецилтриметиламоній броміду величини однакові (табл. 1, Б). Причиною цього явища може бути наступне. У випадку екстракційного механізму швидкість реакції повинна залежати від розподілу в системі 4-нітрофенолят-йона, оскільки саме він, в основному, бере участь у конкурентній екстракції з реагуючим гідроксид-йоном. Нами встановлено, що ефективний ступінь переносу 4-нітрофенолят-йону між фазами є постійним в широкому діапазоні зміни концентрації продуктів реакції (від 1Ч10-4 до 5Ч10-3 моль/л). Разом з тим, величина суттєво залежить від рН вихідного буферного розчину: (5.4 ± 0.7) для системи з рН 8.3 і (0.75±0.08) для системи з рН 10.

Зміна величин і при переході від рН 8.3 до рН 10 пов'язана, швидше за все, з різною формою домінантного нуклеофілу при низькому і більш високому значеннях рН буферного розчину. У першому випадку в системі присутній частково нейонізований 4-нітрофенол, внаслідок чого може утворитись ліпофільний асоціат 4-NO2С6Н4ОН...ОН, який краще переноситься в органічну фазу, ніж сольватований гідроксид-аніон ROH…OH(чи НОН...ОН), але в той же час він менш реактивний (порівн., табл.1). Сумарний вплив зазначених факторів забезпечує при рН 8.3 більш високу величину , ніж за рН 10. В той же час при рН 10 і 11 в системі присутня тільки одна форма домінантного нуклеофілу, тому величина не залежить від рН вихідного буферного розчину.

Підстановка значень , з табл. 1 і для систем з вихідними значеннями рН 8.3 і 10 у рівняння (4) дає практично співпадаючі значення для системи 1-бутанол/боратний буферний розчин: 0.76 і 0.72. Це є важливим аргументом на користь екстракційного механізму некаталітичного гідролізу, що здійснюється в умовах конкурентної екстракції реагуючого гідроксид-йону і 4-нітрофенолят-аніону, що утворюється в ході реакції. Останнє, очевидно, і є однією з причин зміни швидкості, що спостерігається, на початковому відрізку кінетичної кривої (наявність сталої b в рівнянні (2)).

Реакція в присутності ТФ-каталізаторів (QZ). Швидкість гідролізу в двофазній системі в присутності ТФ-каталізаторів, як і у випадку некаталітичного процесу, є більш високою спочатку (рис.2, “а”) і зменшується в міру збільшення ступеня конверсії субстрату (рис.2, “б”). Це свідчить про однотипний механізм впливу 4-нітрофенолят-йону, що виділяється в процесі гідролізу, в некаталітичних і каталітичних умовах. Падіння швидкості на початковому відрізку кінетичної кривої для каталітичного процесу відбувається менш інтенсивно, ніж

у випадку некаталітичного. Можлива причина спостережуваного явища - залучення в процес конкурентної екстракції стороннього йона Вr, що вноситься з ТФ-каталізатором.

Досить високі швидкості реакції в системі 1-бутанол/боратний буферний розчин не дозволили більш глибоко і систематично вивчити кінетику даної реакції. Тому значна частина роботи виконана в системі хлороформ/боратний буферний розчин.

Гідроліз у системі хлороформ/боратний буферний розчин

Для ТФК-реакції (1) у присутності ряду ліпофільних солей (див. далі I-VII, табл.2) у системі хлороформ/боратний буферний розчин спостерігали три різних варіанти напівлогарифмічних анаморфоз кінетичних кривих у координатах рівняння (2). Це проілюстровано на рис.3 для каталізу галогенідами тетрафенілфосфонію Ph4РZ (Z= Cl, Br, I).

У випадку Ph4РCl (рис.3, А) при різних концентраціях каталізатора спостерігається більш висока швидкість на початку реакції - ефект "отруєння" каталізатора. Така ж картина має місце при каталізі іншими хлоридними амонієвими солями (V-VII, табл.2) і однієї з бромідних солей (III, табл 2). Кінетика гідролізу в присутності солі Ph4РBr (рис.3, Б), як і для бромідної солі (IV, табл. 2) строго підпорядковується рівнянню швидкості першого порядку (b=0 в рівнянні (2)). Швидкість процесу в присутності Ph4РI (рис.3, В) спочатку повільна, далі збільшується - "автокаталіз".

Різні кінетичні профілі реакції в координатах рівняння швидкості першого порядку пов'язані, на наш погляд, з конкурентною екстракцією гідроксид-йона, 4-нітрофенолят-йона, що виділяється в ході процесу, і протийона трансфазного каталізатора. Для підтвердження цієї схеми і пояснення кінетичних ефектів, що спостерігаються в експерименті, ("автоінгібування" у присутності Ph4РСl і "автоприскорення" у присутності Ph4РІ був вивчений розподіл 4-нітрофенолят-аніона і катіона тетрафенілфосфонію в двофазній системі хлороформ/боратний буферний розчин рН 10 за таких концентрацій 4-нітрофенолят-йона, які відповідають різним ступеням конверсії субстрату. Ці результати зіставлені з даними кінетики процесу в припущенні, що сумарна швидкість реакції повинна визначатися концентрацією катіона каталізатора у водній фазі. У першому наближенні квазістаціонарні концентрації [QY]оф і [Q+]вф при [Y]вф ~ const зв'язані лінійною залежністю через відповідну константу екстракції ЕQY:

[QY]оф = ЕQY[Y ]вф[Q+]вф ; (Y=OH).

Зі збільшенням абсолютної концентрації 4-нітрофенолят-йона в системі відносний вміст його в органічній фазі в присутності Ph4РCl зростає (рис.4 А, 1), а концентрація катіону тетрафенілфосфонію у водній фазі зменшується (рис. 4 А, 2). З накопиченням продукту реакції Ph4Р+ екстрагується з водної фази в органічну у вигляді йонної пари з 4-нітрофенолят-йоном, що приводить до зменшення швидкості реакції.

В присутності Ph4РI відносний вміст 4-нітрофенолят-йону в органічній фазі зменшується зі збільшенням його абсолютної концентрації в системі (рис.4 Б, 1), а концентрація катіону Ph4Р+ у водній фазі збільшується (рис.4 Б, 2). Це означає, що накопичення продукту реакції сприяє екстракції катіону тетрафенілфосфонію в органічну фазу у вигляді іонної пари з гідроксид-йоном і повинно супроводжуватися збільшенням швидкості реакції по ходу процесу, що й спостерігається в кінетичному експерименті.

Проведено моделювання кінетики досліджуваної реакції шляхом розв'язку прямої кінетичної задачі в припущенні, що процес у цілому перебігає за екстракційним механізмом. Було враховано, що ступінь екстракції вихідної солі в органічну фазу залежить від протийона і її рівноважна концентрація зменшується в ряду: йодид > бромід > хлорид тетрафенілфосфонію. При однаковій константі швидкості цільової реакції для каталізу солями тетрафенілфосфонію з хлоридом, бромідом і йодидом у якості протийону, отримані наступні результати. Концентрація QOH в органічній фазі зменшується для хлоридної, залишається постійною для бромідної і трохи зростає для йодидної солей в ході процесу. Це узгоджується з кінетичними ефектами, що спостерігаються в експерименті і може бути додатковим свідченням на користь екстракційного механізму реакції (1), який описується рівняннями (3), (4), (7), (8).

Отже, для реакції (1) у системі хлороформ/боратний буферний розчин у присутності онійових солей QZ (Z=Cl, Br) у значному інтервалі конверсії субстрату (20-80%) виконується рівняння (2) з коефіцієнтом b>0 чи b=0.

Встановлено, що порядок реакції за гідроксид-йоном у водній фазі дорівнює 1. На підставі цього розраховані ефективні константи швидкості другого порядку . Їх співставлення при рівних концентраціях ТФ-каталізаторів QZ вказує на близькість чисельних значень незалежно від того, чи є протийоном Cl, чи Br. Оцінка для реакції (1) у присутності Ph4РI за кінцевими відрізками кінетичних анаморфоз (див. рис.3, В) при всіх інших рівних умовах, також приводить до близького значення . Таким чином, із збільшенням ступеня конверсії субстрату активність онієвих солей QZ нівелюється, незважаючи на великі розходження в константах селективності для аніонів Cl, Br, I. Цей ефект погоджується з приведеною вище схемою екстракційного механізму й означає, що основна роль у процесах обміну катіона Q+ між фазами належить 4-нітрофенолят-йону, а не протийону, який вноситься з ТФ-каталізатором.

Вплив структури трансфазного каталізатора на швидкість реакції

З метою з'ясування загальних закономірностей впливу структури катіона ТФ-каталізатора на швидкість реакції (1) у системі хлороформ/боратний буферний розчин були вивчені представники трьох груп онійових солей QZ з Z=Cl, Br у якості протийона.

Першу групу складали ліпофільні чи добре розчинні в органічній фазі солі: хлорид і бромід тетрафенілфосфонію ((C6H5)4PCl, (C6H5)4PBr), гексадецилтриметиламоній бромід ((СН3)3(С16Н33)NBr), 1-метил-3-гексадецилбензімідазолій бромід (CH3(С16Н33)BzImBr), 1-метил-3-гексадецилімідазолій хлорид (CH3(С16Н33)ImCl), 1,1-диметил-1-додецилгідразиній хлорид (NH2(CH3)2N(C12H25)Cl), гексадецилпіридиній хлорид (С16Н33PyrCl). Другу - гідрофільні солі: тетраетиламоній хлорид ((С2Н5)4NCl), бензилтриетиламоній хлорид (C6H5CH2(CH3)3NCl), 1,2-ди(1,1-диметил-1-гідразиніо)етана дибромід ((СН3)2(NH2)N+CH2CH2N+(NH2)(СН3)2·2Br). Третя група включала біполярні солі: 1,1-диметил-1-гідразиніоетаноат (NH2(СН3)2N+CH2COО), 3-(1,1-диметил-1-гідразиніо)пропансульфонат (NH2(СН3)2N+(CH2)3SO3), 3-(2,2,2-триметил-1-гідразиніо)пропаноата дигідрат ((СН3)3N+NH(CH2)2COO·2Н2О).

Виявилося, що солі другої і третьої груп зовсім неактивні в розглянутій реакції, у той час як солі першої групи виявляють високу каталітичну активність. Цей результат також добре узгоджується з екстракційним механізмом каталізу.

Залежність величин (л·моль-1·с-1) від загальної концентрації каталізатора в двофазній системі приведена на рис.5. За початковими відрізками цих кривих можна оцінити каталітичну константу швидкості (, л2·моль-2·с-1) - брутто-характеристику ефективності трансфазного каталізатора. Оцінені значення цих величин наведені в табл.2.

Як видно, найбільшу каталітичну ефективність проявляють солі, що містять катіон імідазолію (IV і V, табл.2). Незначно уступають їм хлорид і бромід тетрафенілфосфонію (I, II табл. 2). Хлоридні і бромідні солі з однаковою чи близькою за структурою катіонною частиною, як і слід очікувати, мають практично однакову каталітичну активність (порівн. I і II, а також IV і V, табл.2).

Для каталізу сіллю С16Н33PyrCl спостерігається екстремальна залежність від концентрації каталізатора (рис.5 А, 3). Експериментально знайдене значення концентрації N-гексадецилпіридиній катіону у водній фазі для інтервалу (Скат = = 0.01ё0.02 моль/л), яке дорівнює (1.6 -1.8) .10 -3 моль/л, є близьким до значення критичної концентрації міцелоутворення цієї солі у воді (0.9·10-3 моль/л). Це дозволяє припустити, що ефект збільшення швидкості реакції під дією С16Н33PyrCl забезпечують два механізми: трансфазний каталіз у всьому інтервалі зміни концентрації солі й ефект прискорення, зв'язаний з утворенням міцел у водній фазі.

Таблиця 2

Значення каталітичної константи швидкості реакції лужного гідролізу ефіру RX у системі хлороформ/боратний буферний розчин рН 10, 298 К.

Номер каталізатора Каталізатор (, л2·моль-2·с-1)

I (C6H5)4PBr 650

II (C6H5)4PCl 890

III (СН3)3(С16Н33)NBr 10

IV CH3(С16Н33)BzImBr 1600

V CH3(С16Н33)ImCl 1400

VI С16Н33 PyrCl 110

VII NH2(CH3)2(C12H25)NCl 110

ВИСНОВКИ

1. Отримано кінетичні докази екстракційного механізму реакції лужного гідролізу 4-нітрофенілового ефіру N-бензилоксикарбонілгліцину в двофазних системах 1-бутанол/боратний буферний розчин та хлороформ/боратний буферний розчин у відсутності й присутності гідрофільних, ліпофільних і біполярних трансфазних каталізаторів при 298 К.

2. Встановлено, що онієві солі з ліпофільним катіоном виявляють високу каталітичну активність у трансфазнокаталітичній реакції лужного гідролізу активованих ефірів в системі хлороформ/боратний буферний розчин. Солі з гідрофільним катіоном та біполярні солі в цьому процесі неактивні.

3. Виявлено, що для солей тетрафенілфосфонію з аніонами, які значно відрізняються селективністю екстракції, ефективна активність нівелюється в ході процесу.

4. Зіставленням даних з екстракційних рівноваг катіону каталізатора і продукту реакції з результатами кінетичних досліджень доказана визначальна роль конкурентної екстракції нуклеофіла, нуклеофуга та протийона каталізатора в реакції.

5. Показано, що ефект прискорення ліпофільними четвертинними амонієвими солями, здатними до утворення міцел, обумовлений не тільки трансфазним, але і міцелярним каталізом.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Баранова О.В., Космынин В.В., Савелова В.А., Попов А.Ф., Вахитова Л.Н. Межфазный катализ щелочного гидролиза 4-нитрофенилового эфира N-бензилоксикарбонилглицина в двухфазной системе 1-бутанол-боратный буферный раствор // ЖОрХ.- 2000.- Т.36, Вып.9.- С.1341-1351.

2. Баранова О.В., Космынин В.В., Савелова В.А, Попов А.Ф., Панченко Б.В., Шендрик А.Н. Межфазный катализ щелочного гидролиза 4-нитрофенилового эфира N-бензилоксикарбонилглицина в двухфазной системе хлороформ-боратный буфер // ЖОрХ.- 2001.- Т.37, Вып.5.- С.705-711.

3. Баранова О.В., Мошковская Н.В., Сиваченко М.И., Савелова В.А., Шендрик А.Н. Влияние продукта на кинетику межфазно-каталитической реакции гидролиза 4-нитрофенилового эфира N-бензилоксикарбонилглицина// Вісник Донецького університету. Серія А природничі науки.-2001, №1.- С. 212-216.

4. Космынин В.В., Савелова В.А., Баранова О.В., Яковлева С.В. Топология гидролиза активированных эфиров в условиях межфазного переноса I.// Деп. ГНТБ Украины 29.12.92.- № 2070-Ук 92.

5. Космынин В.В., Савелова В.А., Баранова О.В., Яковлева С.В. Топология гидролиза активированных эфиров в условиях межфазного переноса II.// Деп. ГНТБ Украины 29.12.92.- № 2071-Ук 92.

6. Космынин В.В., Савелова В.А., Баранова О.В., Товстокорый С.В. Топология гидролиза активированных эфиров в условиях межфазного переноса III.// Деп. ГНТБ Украины 29.12.92.- № 2072-Ук 92.

7. Космынин В.В., Баранова О.В., Савелова В.А. Топология щелочного гидролиза активированных эфиров N-защищенных аминокислот в двухфазной системе бутанол – вода. // Всесоюзное совещание "Механизмы реакций нуклеофильного замещения и присоединения". Тезисы докладов.-Донецк., 1991.- С.114.

8. Космынин В.В., Баранова О.В., Яковлева С.В., Савелова В.А. Гидролиз сложных эфиров в двухфазных водно-органических системах. Экстракция гидроксид-анионов./ Всесоюзная конференция молодых ученых по экстракции. Тезисы докладов.- Донецк: Изд-во Донецкого госуниверситета, 1990.- С. 114-115.

9. Космынин В.В., Баранова О.В., Савелова В.А. Топология и лимитирующая скорость стадия в межфазном катализе процессов аминолиза и гидролиза п.-нитрофенилового эфира N-карбобензоксиглицина в системе н-бутанол – вода./ Межфазный катализ. Новые идеи и методы. Тезисы докладов 2-ой Московской конференции по межфазному катализу.- Москва: 1994.- С.44-46.

10. Космынин В.В., Баранова О.В., Вахитова Л.Н. Кинетика щелочного гидролиза п-нитрофенилового эфира N-карбобензоксиглицина в двухфазной системе хлороформ/вода в присутствии межфазных катализаторов./Тезисы докладов вузовской конференции профессорско-преподавательского состава по итогам научно-исследовательской и методической работы: химия, биология.-Донецк: ДонГУ, 1995.-С.47.

11. Баранова О.В., Савелова В.А., Шендрик А.Н. Влияние продукта межфазно-каталитической реакции на кинетику процесса и распределение катализатора в системе жидкость/жидкость./ Тези доповідей симпозіуму “Сучасні проблеми каталізу”.- Донецьк., 2000.- С. 74.

12. Баранова О.В., Космынин В.В., Савелова В.А., Шендрик А.Н. Кинетика межфазнокаталитической реакции гидролиза активированных эфиров N-защищенных аминокислот в системе хлороформ-вода/ Праці наукової конференції Донецького національного університету за підсумками науково-дослідної роботи за період 1999-2000 рр.- Донецьк, 2001.- С.10.

13. Баранова О., Савьолова В., Шендрик О. Механізм міжфазнокаталітичної реакції лужного гідролізу активованих ефірів N-захищених амінокислот./ Збірник наукових праць восьмої наукової конференції “Львівські хімічні читання-2001”.- Львів, 2001.- Ф 32.

14. Баранова О.В. Топология гидролиза активированных эфиров в условиях межфазного переноса/ Материалы XXVII Всесоюзной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс". Химия.-Новосибирск, 1989.- С.3-8.

Анотація

Баранова О.В. Трансфазний каталіз лужного гідролізу активованих ефірів амінокислот. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.03 – органічна хімія.

Інститут фізико-органічної хімії і вуглехімії ім. Л.М. Литвиненка НАН України, Донецьк, 2002.

Дисертація містить аналіз результатів вивчення кінетики лужного гідролізу активованих ефірів амінокислот, характеру впливу структури трансфазного каталізатора на швидкість реакції в двофазній системі органічний розчинник/водний буферний розчин та встановлення механізму реакції

Проведено зіставлення результатів вивчення екстракційних рівноваг з даними по кінетиці процесу в припущенні, що сумарна швидкість реакції визначається концентрацією катіона каталізатора у водній фазі.

Встановлено, що головною причиною зміни швидкості реакції в ході процесу є конкурентна реакція трьох аніонів: нуклеофіла, нуклеофуга та протийона каталізатора.

Одержано кінетичні докази екстракційного механізму реакції з швид- кістьвизначальною стадією хімічної взаємодії в об'ємі органічної фази.

Ключові слова: гідроліз, конкурентна екстракція, швидкістьвизначальна стадія, трансфазний каталіз, протийон каталізатора, селективність, четвертинні онійові солі.

Аннотация

Баранова О.В. Межфазный катализ щелочного гидролиза активированных эфиров аминокислот. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.03 – органическая химия.

Институт физико-органической химии и углехимии им. Л.М. Литвиненко НАН Украины, Донецк, 2002.

Диссертация содержит анализ результатов исследования кинетики межфазнокаталитической реакции щелочного гидролиза активированных эфиров аминокислот, природы влияния структуры межфазного катализатора на скорость реакции в двухфазной системе органический растворитель/водный буферный раствор, а также изучения характера влияния продуктов реакции на перераспределение ониевого катиона между ионными парами в органической и водной фазах, а, следовательно, на скорость реакции в двухфазной системе.

Непосредственное спектрофотометрическое наблюдение выделения продукта реакции в отделенной органической фазе, первый порядок реакции по субстрату и гидроксид-иону в соответствии с кинетическим уравнением, независимость скорости реакции от интенсивности перемешивания позволяют сделать вывод о том, что межфазнокаталитическая реакция щелочного гидролиза 4-нитрофенилового эфира N-бензилоксикарбонилглицина в двухфазных водно-органических системах с 1-бутанолом и хлороформом в качестве органической фазы протекает по экстракционному механизму с лимитирующей скорость стадией химического взаимодействия в объеме органической фазы. Скорость реакции щелочного гидролиза активированных эфиров аминокислот в изучаемых двухфазных системах непостоянна по ходу процесса, что объясняется следующими причинами: а) конкурентной экстракцией реагирующего нуклеофила (гидроксид-иона), образующегося в процессе реакции нуклеофуга (4-нитрофенолят-аниона) и постороннего иона, вносимого с межфазным катализатором; б) изменением формы доминантного нуклеофила по мере накопления в системе 4-нитрофенола; в) микротопологией химического процесса.

Проведено сопоставление результатов изучения экстракционных равновесий с данными по кинетике процесса в предположении, что суммарная скорость реакции должна определяться концентрацией катиона катализатора в водной фазе, поскольку в первом приближении квазистационарные концентрации нуклеофила и катиона межфазного катализатора в органической фазе при постоянной концентрации нуклеофильного реагента в водной фазе связаны линейной зависимостью через соответствующую константу экстракции. Полученные данные по экстракционным равновесиям согласуются с наблюдаемыми в эксперименте кинетическими эффектами: автоингибирование в присутствии хлорида тетрафенилфосфония и автоускорение в присутствии йодида тетрафенилфосфония.

Установлено, что наибольший каталитический эффект проявляют соли, содержащие в катионной части гетероциклическую систему. Этот факт является дополнительным признаком в пользу экстракционного механизма изучаемой реакции. Эффект увеличения скорости реакции под действием катализаторов, способных к образованию мицелл обеспечивается, по меньшей мере, двумя механизмами: межфазный катализ гидролиза со скорость лимитирующей стадией химического взаимодействия в органической фазе (экстракционный механизм) во всем интервале изменения концентрации соли и эффект ускорения, связанный с образованием мицелл в водной фазе в области критической концентрации мицеллообразования.

Ключевые слова: гидролиз, конкурентная экстракция, скоростьопределяющая стадия, межфазный катализ, противоион катализатора, селективность, четвертичные ониевые соли.

ANNOTATION

Baranova O.V. Phase transfer catalysis in alkaline hydrolysis of activated amino acid esters. Typescript / Thesis submitted for the degree of Candidate of Sciences (speciality 02.00.03 – organic chemistry). L.M.Litvinenko Institute of Physical Organic and Coal Chemistry, the Ukrainian National Academy of Sciences, Donetsk, 2002.

The thesis deals with kinetic study of alkaline hydrolysis of activated amino acid esters, structure effects of phase-transfer catalyst on reaction rates in organic solvent-aqueous buffer two-phase system, and establishing the reaction mechanism.

A comparison examination of the results obtained for extraction equilibria and reaction kinetics has been carried out under the assumption that the overall reaction rate is determined by concentration of the cationic form of catalyst in aqueous phase.

The competitive reaction of three anionic species – nucleophile, nucleofug, and counter-ion of the catalyst – was found to be primarily responsible for changes in reaction rates.

The kinetic evidence for reactions studied suggests an extraction mechanism with the rate - determining chemical interaction in the bulk of organic phase.

Key words: hydrolysis, competitive extraction, rate-limiting stage, phase-transfer catalysis, counter-ion, selectivity, quaternary ammonium salts.