5. Влияния растворителей на протекание органических реакций Свойства атомов, молекул, ионов в растворах сильно отличаются от свойств в твердом состоянии. - презентация

1 5. Влияния растворителей на протекание органических реакций Свойства атомов, молекул, ионов в растворах сильно отличаются от свойств в твердом состоянии или газовой фазе ! Растворитель может менять направление реакции, а скорости одной и той же реакции в в различных растворителях могут отличаться в миллионы раз. Основная причина - СОЛЬВАТАЦИЯ Сольватация снижает свободную энергию молекул и ионов ( G solv ) за счет выделения энергии при межмолекулярном взаимодействии 5.1. Межмолекулярные взаимодействия К. Райхардт Растворители и эффекты среды в органической химии. Изд. Мир, 1991

2 Simplified thermodynamic cycle for the dissolution of a compound (О) in a solvent (Х).

3 Модель сольватации Сольватация – выделение энергии G solv = G растворения - G крист.решетки Сольватное число: число мол-л ра-теля, приходящееся на один ион, которые остаются связанными с ионом настольно долго, что могут двигаться вместе с ионом

4 Механизмы межмолекулярных взаимодействий 1. Взаимодействия диполь-ион и диполь-дипольные (ориентационные) Сильная сольватация катионов:

5 2. Индуцированные взаимодействия (диполь-индуцированный диполь) 3. Дисперсионные взаимодействия Особенно сильны у молекул с сопряженными -связями. Растворители с высокой поляризуемостью сильно сольватируют «большие», поляризуемые анионы: - I 3 -, I -, SCN -, и слабее малые, трудно поляризуемые: F -, HO -.

6 4. Водородные связи Вариант диполь-дипольных взаимодействий ? Энергия 5-10 ккал/моль, т.е. больше, чем у других типов взаимодействий Проявляются у всех протонных растворителей. Из-за малого размера Н малые анионы F -, Cl -, HO - сольватируются протонными растворителями сильнее крупных. В этом причина падения энергии гидратации галогенидов F - > Cl - > Br - > I -. Анестезия: Галотан (CF 3 CHClBr), метоксифлуран (CH 3 OCF 2 CHCl 2 ) фрагмент белка

7 5. Взаимодействия с переносом заряда Возникают между донорами электронов, имеющими низкую энергию ионизации (высокая энергия ВЗМО) и акцепторами электронов, обладающими большим сродством к электрону (низкая энергия НВМО). Различают -, n- и -доноры. Среди растворителей -доноры: ароматические уг-ды и олефины, n-доноры: спирты, амины, амиды, эфиры, кетоны, ДМСО -доноры: алкилгалогениды Измерена донорная способность растворителей при взаимодействии с одним акцептором SbCl 5 : (Me 2 N) 3 PO > пиридин > MeSOMe > MeCONMe 3 > HCONMe 2 > (MeO) 3 PO > Et 2 O > H 2 O > MeCOMe > пропиленкарбонат, тетраметиленсульфон > MeCN > POCl 3 > MeNO 2 > SOCl 2 > SO 2 Cl 2 > ClCH 2 CH 2 Cl. Сейчас измеряют через «донорные числа» DN, или более точно через H D-BF3

8 Ра-тель DN ккал/моль Ра-тель - H D-BF3 к Дж/моль Дихлорэтан 0.0CH 2 Cl MeNO 2 2.7PhNO PhNO 2 8.1MeNO Ac 2 O10.5MeCN60.39 MeCN14.1 диоксан Диоксан 14.8MeCOOEt75.55 MeCOMe17.0Et 2 O78.77 MeCOOEt17.1ТГФ90.40 Et 2 O19.2ДМСО ДМФА26.6ДМФА ДМСО29.8ГМФТА Et3N31.7 пиридин пиридин 33.1Et 3 N ГМФТА метил пирролидин

9 Ра-тель AN Ра-тельAN гексан 0.0ДМФА16.0 Et3N1.4 дихлорэтан 16.7 Et 2 O3.9MeCN18.9 ТГФ8.0ДМСО19.3 бензол 8.2CH 2 Cl CCl 4 8.6MeNO MeCOOEt9.3CHCl Et 2 NH9.4 бутанол 36.8 ГМФТА10.6 этанол 37.9 диоксан 10.8 метанол 41.5 MeCOMe12.5AcOH52.9 пиридин 14.2 вода 54.8 PhNO HCOOH83.6 PhCN15.5CF 3 COOH105.3

10 6. Гидрофобное взаимодействие Тенденция неполярных групп ассоциировать в водных ра-рах и тем самым уменьшать контакт с молекулами воды. Выигрыш энергии за счет ассоциации молекул воды и увеличения энтропии. Энергия гидрофобного взаимодействия двух метиленовых групп RCH H 2 CR ~ 0.7 ккал/моль Гидрофобное взаимодействие играет важную роль в образовании мицелл и стабилизацию определенных конформаций пептидов в водных ра-рах.

11 7. Специфическая сольватация Образование хелатов Действие бинарных растворителей Краун-эфиры

12 Классификация растворителей 1. Аполярные апротонные Углеводороды, галогенпроизводные, третичные амины, CS 2, простые и сложные эфиры, пиридин < 15, < 2 D, E T ~ ккал/моль) 2. Протонные Вода, аммиак, карбоновые кислоты, спирты, RCONH2. (E T ~ ккал/моль, доноры Н-связей) 3. Диполярные апротонные ДМСО, ДМФ, ГМФТА, нитрилы, кетоны, нитропроизводные > 15, > 2.5 D, E T ~ ккал/моль)

13 Физические и эмпирические параметры растворителей E T – энергия перехода полосы переноса заряда 1-этил-4-метоксикарбонил- пиридиний иодида в растворителях. Является непосредственной эмпирической мерой сольватирующей способности растворителя по от ношению к ионной паре. Ра-тель При 25 о С E T, ккал/моль вода этиленгликоль метанол этанол AcOH пропанол MeNO MeCN ДМСО сульфолан Трет-бутанол ДМФА ацетон PhNO PhCN дихлорэтан

14 Зеленые растворители H 2 O, CO 2, этиллактат CH 3 COCOOEt, метанол, ионные жидкости 1-бутил-3-метилимидазолий гексафторфосфат [bmim]PF 6

15 5.2. Влияния растворителей на реакционную способность В реальных процессах сольватированы все участники реакции. Вопрос в том, кто из них сольватирован в большей степени ? Ответ может дать качественная теория влияния растворителей (теория Хьюза- Ингольда). Реакции, при которых в переходном состоянии возникают заряды или уже имеющиеся в реагентах заряды концентрируются в меньшем объеме, ускоряются с повышением полярности растворителя. Если ионные заряды реагентов нейтрализуются в переходном состоянии или распределяются в большем объеме, то такие реакции замедляются с увеличением полярности растворителя. Постулат: энергия сольватации выше для ионов, чем для нейтральных молекул; энергия сольватации возрастает с уменьшением размеров молекул и ионов.

16 Реакции нуклеофильного замещения

17 Влияние увеличения полярности растворителей на скорости S N реакций Механизм РеагентыПереходное состояние Изменение заряда в переходном состоянии Изменение скорости с возрастанием полярности а) S N 1 R-XR + ……X - Разделение зарядов увеличение б) S N 1 R-X+R-X+ R + ……X + Распределение заряда в большем объеме уменьшение в) S N 2 Y: + R-XY - …….R…..X - Разделение зарядов увеличение г) S N 2 Y: - + R-XY - …….R…..X - Распределение заряда в большем объеме уменьшение д) S N 2 Y: + R-X + Y + …….R…..X + Распределение заряда в большем объеме уменьшение е) S N 2 Y: - + R-X + Y - …….R…..X + Нейтрализация зарядов уменьшение

18

19

20

21 Следует заметить, что замена растворителя может изменить и механизм реакции. Так некоторые реакции t-BuCl, которые в воде и водном этаноле протекают по S N 1 механизму, в ацетоне протекают по механизму S N 2. С другой стороны, реакции MeHal в воде и EtOH идут по механизму S N 2, но в сильно ионизирующем растворителе HCOOH протекают по механизму S N 1.

22 Механизмы реакций элиминирования E1 и E2

23 Влияние увеличения полярности растворителей на скорости реакций - элиминирования Механизм РеагентыПереходное состояние Изменение заряда в переходном состоянии Изменение скорости с возрастанием полярности а) E1 H-C-C-XH-C-C + ……X - Разделение зарядов увеличение б) E1 H-C-C-X + H-C-C + ……X + Распределение заряда в большем объеме уменьшение в) E2 Y: + H-C-C-XY + …H…C-C…X - Разделение зарядов увеличение г) E2 Y: - + H-C-C-XY - …H…C-C…X - Распределение заряда в большем объеме уменьшение д) E2 Y: + H-C-C-X + Y + …H…C-C…X + Распределение заряда в большем объеме уменьшение е) E2 Y: - + H-C-C-X + Y - …H…C-C…X + Нейтрализация зарядов уменьшение

24 Влияние полярности растворителя на конкуренцию реакций S N и -элиминирования E

25 В случае реакций S N 2 и E2 в переходных состояниях происходит распределение зарядов в большем объеме. Следовательно, повышение полярности растворителей будет замедлять обе реакции. Однако, в переходном состоянии реакции E заряд распределен в значительно большей степени и увеличение полярности будет сильнее тормозить элиминирование. В случае реакций S N 1 и E1 первое переходное состояние одинаково, а последующие отличаются степенью делокализации заряда. Именно они будут влиять на соот ношение продуктов замещения и элиминирования. В этом случае переходное состояние элиминирования отличается большим распределением заряда и, следовательно повышение полярности растворителя будет в большей степени тормозить элиминирование E1, чем замещение S N 1. Практический вывод: если имеет место конкуренция реакций S N и E, то для получения большего выхода олефинов нужно проводить эти процессы в растворителях возможно более низкой полярности. Правила Хьюза-Ингольда применимы и для других реакций – электрофильное и нуклеофильное присоединений. Ограничения: не учитываются специфические сольватационные эффекты, например, водородные связи, в также изменения энтропии.

26 Специфические сольватационные эффекты Н-связи сольватируют уходящий анион в S N реакциях По этим причинам протонные растворители ускоряют S N 1 реакции значительно больше, чем полярные апротонные растворители. Однако, протонные растворители могут и замедлять реакции S N 2. Причина – сильная сольватация анионов Y: -. Протонные растворители влияют на НУКЛЕОФИЛЬНОСТЬ !!

27 Способность выступать в качестве акцептора водородной связи возрастает с увеличением плот ности заряда аниона (деление заряда на объем). Поэтому в протонных растворителях следующий ряд уменьшения сольватации и усиления нуклеофильности анионов: F - > Cl - > C 6 H 5 O - > Br - > HO - > CH 3 O - > N 3 - > SCN - > I - > C 6 H 5 S - Диполярные апротонные растворители сольватируют анионы главным образом ион-дипольными силами, которые слабее Н-связей. Поэтому сольватация в таких растворителях не очень сильная. По этой причине ряд нуклеофильности становится обратным: I - > Br - > Cl - > F -. нуклеофильность сольватация В целом нуклеофильность анионов в апротонных биполярных растворителях намного выше, чем в протонных 2,4-(NO 2 ) 2 C 6 H 3 I + Cl - 2,4-(NO 2 ) 2 C 6 H 3 Cl + I - k от н. в MeOH = 1k от н. в ГМФТА = 10 9 !!

28 Количественная оценка нуклеофильности N + = lg k – lgk 0 N + - параметр нуклеофильности; lg k – константа скорости реакции катиона (Ph 3 C +, ArN 2 +, тропилиевый катион и др.) с определенным нуклеофилом в данном растворителе; lgk 0 – константа скорости реакции того же катиона в стандартной системе анион-растворитель (например HO - в H 2 O). Параметр N + является собственной характеристикой системы нуклеофил-растворитель и отражает особенности сольватации данного нуклеофила в разных растворителях. Чем больше N +, тем менее сольватирован и более реакционноспособен данный нуклеофил в данном растворителе.

29 Параметры нуклеофильности различных систем Нуклеофил (растворитель)N+N+ Нуклеофил (растворитель)N+N+ 1H 2 O (H 2 O)0.7311H 2 N-NH 2 (DMS)8.17 2NH 3 (H 2 O)3.8912HOO - (H 2 O)8.52 3CN - (H 2 O)4.1213CN - (DMS)8.64 4HO - (H 2 O)4.7514N 3 - (MeOH)8.78 5HONH 2 (H 2 O)5.0515HOCH 2 CH 2 S - (H 2 O)8.87 6H 2 N-NH 2 (H 2 O)6.0116PhS - (H 2 O)9.10 7H 2 N-NH 2 (MeOH)6.8917CN - (ДМФА)9.44 8BH 4 - (H 2 O)6.9518PhS - (MeOH) MeO - (MeOH)7.5119HOCH 2 CH 2 S - (DMS) N 3 - (H 2 O)7.54

30 Примеры положительного использования апротонных биполярных растворителей RCOO - - очень слабые нуклеофилы в воде, однако в ДМСО и ГМФТА они легко алкилируют алкилбромиды, давая сложные эфиры Переход от MeONa/MeOH к t-BuONa/ДМСО ускоряет расщепление C-H связей в 10 9 раз. Фторид-ионы F - становятся мощными основаниями и способны дегидрогалогенировать галоидалканы.