Амидообразование: Влияние строения реагентов, свойств среды и температуры

На правах рукописиСадовников Александр ИвановичАмидообразование: Влияние строения реагентов, свойств среды и температуры02.00.03-Органическая химия 02.00.04-Физическая химияА в т о р е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени доктора химических наукИваново-2007 Работа выполнена на кафедре физической химии Ивановского государственного университетаОфициальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Алов Евгений Михайлович доктор химических наук, профессор Макаров Сергей Васильевич доктор химических наук, профессор Орлов Владимир Юрьевич^ Ведущая организация: Институт химии растворов Российской академии наук, г. ИвановоЗащита состоится 17 сентября в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.063.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет», 153000, г. Иваново, пр. Ф.Энгельса, д. 7. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «ИГХТУ», г. Иваново, пр. Ф.Энгельса, д. 10. Автореферат разослан 2007 г.Ученый секретарь диссертационного совета _________________ Хелевина О.Г.^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность рассматриваемых в работе проблем. Амиды карбоновых кислот и особенно их N-производные, имеющие в своем составе амидную группировку, обладают ценными и уникальными свойствами, которые определяют их широкое применение в качестве биологически активных веществ, синтетических антибиотиков, растворителей, красителей и полупродуктов. Амидная группировка атомов –NH–CO– входит в состав высокомолекулярных соединений: полиамидов, полиуретанов, природных полипептидов (белков) и их синтетических аналогов, полиамидокислот, из которых получают высокотермостойкие полиимиды, полигетероарилены и ряд композитных полимеров. Самые разнообразные представители N-производных амидов можно получать реакцией ацилирования первичных аминов в растворе или в водно-органических микроэмульсиях – нанореакторах на основе самоорганизующихся растворов ПАВ и полимеров. В качестве объекта исследования выбрана реакция ароматических аминов с ангидридами карбоновых кислот как модельная реакция синтеза полиамидокислот – форполимеров полиимидов. Полиимиды в зависимости от строения полимерной цепи могут иметь такие ценные свойства как прочность, термостойкость, растворимость в органических растворителях; из них можно получать полупроницаемые мембраны и пленки, которые могут быть изоляторами, полупроводниками, а также обладать светочувствительными свойствами. Выбор второй – реакции α-аминокислот со сложными эфирами – связан с исключительной ролью α-аминокислот в биохимии, и получение сведений о их реакционной способности является актуальной задачей. Особый интерес представляет изучение влияния свойств среды на скорость химической реакции, поскольку априорное предсказание эффектов среды остается серьезной проблемой теории реакционной способности органических соединений, несмотря на то, что растворитель является эффективным средством управления химическим процессом. На заключительном этапе работа была поддержана грантом РНП.2.2.1.1.7181 Министерства образования и науки РФ. Цель работы: установление кинетических закономерностей реакции амидообразования на примере реакции ароматических аминов с ангидридами карбоновых кислот и N-ацилирования α-аминокислот сложными эфирами. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи: получить количественные уравнения взаимосвязи кинетических параметров реакций со свойствами среды, строением реагентов и температурой с целью их возможного практического использования; обосновать механизм влияния растворителя на кинетические параметры реакции.^ Научная новизна работы. В ходе решения поставленных задач, были разработаны новые методики анализа реакционной смеси и методы расчета кинетических параметров параллельных потоков реакции, позволившие впервые получить систематические данные по реакционной способности ангидридов карбоновых, сложных эфиров и α-аминокислот в реакции амидообразования в растворителях разной химической природы. Впервые проведено компьютерное моделирование кинетики автокаталитической реакции для решения обратной кинетической задачи и планирования эксперимента. Для описания влияния свойств среды на константы скорости реакции впервые были найдены уравнения, адекватно описывающие влияние физико-химических свойств растворителя на кинетические параметры реакции амидообразования с участием ангидридов дикарбоновых кислот и ариламинов, что определило возможность получения перекрестных корреляционных соотношений «среда - строение реагентов» с высокой предсказательной силой. При количественном описании влияния состава смешанного водно-органического растворителя на константы скорости амидообразования использовали уравнения, учитывающие возможность образования смешанных комплексов между молекулами α-аминокислот и компонентами бинарного растворителя, что впервые позволило прогнозировать константы скорости реакции α-аминокислот со сложными эфирами в воде. Доказан бифункциональный механизм катализа карбоновыми кислотами в реакции ариламинов с ангидридами дикарбоновых кислот. Решена проблема влияния растворителя на кинетические характеристики некаталитического и автокаталитического потоков в этой реакционной серии. Впервые количественно подтверждено одно из положений теории бифункционального катализа, согласно которому эффективность катализатора снижается при увеличении полярных и координирующих свойств растворителя. Предложена схема механизма влияния растворителя в изученных реакционных сериях, адекватно описывающая многочисленные экспериментальные кинетические данные. Предложена новая методика расчета трансмиссионного коэффициента в уравнении теории абсолютных скоростей, отличающаяся от традиционной (Шахпаронов М.И.) тем, что учитывает скорость диффузии компонентов для образования предварительного сольватокомплекса. По этой методике вычислены истинные значения энтропии активации реакции, трансмиссионный коэффициент и константы скорости образования активированного и переходного состояния реакции N-ацилирования α аминокислот 4-нитрофениловым эфиром бензойной кислоты.^ Научная и практическая значимость работы. Новые научные результаты, представленные в диссертации, вносят фундаментальный вклад в физическую и органическую химию по проблеме реакционной способности молекул в растворе. Количественно подтверждена исключительная роль специфической сольватации в образовании и разрушении переходных состояний реакции амидообразования. Полученные уравнения могут быть использованы для эффективного, научно обоснованного управления ходом синтеза амидов карбоновых кислот. Проанализированный в работе механизм бифункционального действия карбоновых кислот позволяет целенаправленно искать новые виды бифункциональных катализаторов, каталитическая активность которых на несколько порядков выше обычных гомогенных катализаторов. Один из путей управления каталитической активностью катализатора - с помощью изменения состава среды, показанный в настоящей работе, также может быть использован на практике. Уравнения взаимосвязи кинетических параметров с параметрами, отражающими свойства среды и строение реагентов, обладают большой предсказательной силой для изученных реакционных серий и могут быть использованы для проектирования и модернизации действующего технологического оборудования получения N-замещенных амидов карбоновых кислот.^ Апробация работы. Основные результаты и выводы диссертации докладывались на всесоюзных совещаниях и международных конференциях под общим названием "Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах" (Иваново, 1981, 1984, 1989, 1998; Плес, 2004), всесоюзном совещании "Механизмы реакций нуклеофильного замещения и присоединения" (Донецк, 1983, 1991), I и II международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы химии и химической технологии" (Иваново, 1997 и 1999), VI международном научно-практическом семинаре "Физика волокнистых материалов" (Иваново, 2003), VIII международном научно-практическом семинаре «SMARTEX-2005” (Иваново, 2005), научной конференции "Научно-исследовательская деятельность в классическом университете" (Иваново, 2004). Публикации. Материал диссертации опубликован в 33 статьях, 1 монографии и в 19 тезисах докладов научных конференций. ^ Вклад автора. Участие автора в исследовании заключалось в постановке целей и задач исследования, экспериментальном изучении кинетики, выполненном лично или студентами-дипломниками при непосредственном руководстве автора, математической обработке и интерпретации экспериментальных данных. Автор выражает искреннюю признательность профессору, д.х.н. Курицыну Льву Викторовичу за консультации и помощь при обсуждении результатов работы. Соискатель благодарен всем соавторам, студентам-дипломникам, аспирантам и сотрудникам кафедры за вклад в решении изучаемых проблем.^ Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 310 страниц, содержит 93 таблицы, 35 рисунков и список цитируемой литературы из 367 наименований. Основное содержание работы^ Глава 1. Амидообразование в растворе (обзор литературы). Закономерности синтеза N-замещенных амидов карбоновых кислот с участием ангидридов карбоновых кислот, сложных эфиров и их тиоаналогов, а также галоидангидридов карбоновых кислот изучены многими авторами. Аминолиз этих соединений (ацилирующих агентов) является одним из основных способов получения соединений с амидной связью, а их реакционная способность во многом зависит от природы и строения уходящей (Х) группы: (1) Легкоуходящими группами являются I, Cl, Br (Литвиненко Л.М.). Группа С6Н5О относится к трудноуходящим группам, а F- и CH3COO- группы проявляют среднюю способность к отщеплению от субстрата (Олейник Н.М.). Этот ряд реакционной способности ацилирующих агентов наблюдается как в реакции с алифатическими, так и в реакции с ароматическими аминами (Jencks W.P.). Положение ангидридов дикарбоновых кислот в этом ряду (Котон М.М., Праведников А.Н.) определить трудно из-за сильного влияния растворителя на скорость реакции. Наиболее изученной является реакция амидообразования с участием хлорангидридов карбоновых кислот с ароматическими аминами. На ее примере показана возможность получения количественных уравнений взаимосвязи констант скорости реакции со строением реагентов, свойствами среды и температуры (Курицын Л.В.). Дано также описание способа предсказания хода начальных стадий поликонденсационного процесса синтеза полиамидов с помощью этих уравнений (Курицын Л.В., Соколов Л.Б). Проанализированы особенности кинетики реакции ацилирования ариламинов ангидридами карбоновых и дикарбоновых кислот (автокатализ, обратимость реакции, образование изомеров). В высокоосновных растворителях обратимостью реакции можно пренебречь (Праведников А.Н.). Отмечено, что данные по влиянию растворителя на кинетику этой реакционной серии в литературе малочисленны и противоречивы. Приведены литературные данные о влиянии строения ароматических, алифатических аминов с эфирами карбоновых кислот (Menger F.M.). На примере реакции бензоилхлорида с α-аминокислотами (Калинина Н.В.) показана возможность разделения параллельных потоков реакции N-ацилирования участием нейтральной и анионной формой аминокислоты и гидролиза сложного эфира.^ Глава 2. Количественный учет эффектов среды (обзор литературы). Влияние растворителя на скорость реакции принято связывать со специфической и неспецифической сольватацией. Влияние неспецифической сольватации на константу скорости реакции в небольшом, специально выбранном круге растворителей, может быть предсказано с помощью уравнения Кирквуда. При использовании специфически сольватирующих растворителей применение уравнения Кирквуда неэффективно. Многочисленные литературные данные показывают, что реагенты (ацилируюшие агенты и амины) реакции амидообразования в растворителях разной химической природы образуют молекулярные комплексы с молекулами среды. Это и является причиной сильного влияния растворителя в реакции амидообразования. Априорный расчет констант скорости в жидкой фазе, в том числе и с помощью квантово-химических расчетов, остается неразрешимой задачей. Учет влияние растворителя на кинетические параметры реакции для практического использования при планировании синтеза амидов возможен на основе различных эмпирических уравнений. В их основе заложен принцип линейности свободных энергий (ЛСЭ), и одним из наиболее известных уравнений, основанных на этом принципе, является многопараметровое уравнение Коппеля-Пальма. Оно не лишено недостатков. Одним из путей их преодоления является уменьшение числа параметров и подбор таких параметров, адекватность описания влияния растворителя которыми при этом возрастала. Еще более сложной проблемой является описание влияния состава смешанного растворителя на константу скорости реакции, когда возможно параллельное протекание реакции с участием различных молекулярных комплексов между компонентами среды и молекулами реагентов. Дано математическое обоснование уравнения зависимости константы скорости реакции от состава бинарного растворителя для реакции бензоилхлорида с ариламинами (Бобко Л.А.).^ Глава 3. Влияние среды на кинетические параметры реакции ариламинов с ангидридами дикарбоновых кислот. Одним из компонентов среды при ацилировании ариламинов ангидридами дикарбоновых кислот является продукт реакции – карбоновая кислота, которая является эффективным катализатором реакции. Для подтверждения бифункционального характера катализа карбоксильной группой реакции анилина с фталевым ангидридом в табл.1. приведены константы скорости автокаталитического (kA) потока реакции и потока реакции (k1), связанного с добавками веществ, в состав которых входят карбоксильная, амидная, карбонильная и гидроксильная группы. Таблица 1 Значения константы скорости k1 и kA реакции фталевого ангидрида с анилином в метилэтилкетоне при Т=298 К Среда k1 ,л2/(моль2с) kA ,л2/(моль2с) Метилэтилкетон, п-нитрофенол бензанилид бензойная кислота м-нитробензойная кислота уксусная кислота о-Ксилол, бензойная кислота Нитрометан, бензойная кислотаДиоксан, бензойная кислота 0 0 4.28 4.20 4.00 12.0 61.51.69 5.31 5.45 5.56 5.32 5.35 289 12.92.27 Реакция анилина с фталевым ангидридом ускоряется в присутствии карбоновых кислот, причем их каталитическая активность близка к каталитической активности продукта реакции. Монофункциональные соединения, содержащие карбонильную и гидроксильную группы по-отдельности, не обладают сколько-нибудь заметной каталитической активностью. Константа скорости некаталитической реакции в этих условиях составляет 1∙10-4 л/(моль∙с). Схему механизма бифункционального действия карбоновых кислот в реакции анилина с фталевым ангидридом можно представить следующим образом. На первой стадии реакции происходит образование молекулярных комплексов между реагентами трех видов в зависимости от полярности среды: неполярных (I), с частичным (II) или полным (III) переносом заряда (Nagy O.B.) В зависимости от природы растворителя реакция может развиваться по двум направлениям: с образованием циклических переходных соединений полярного (IV) или неполярного (V) характера. Механизм бифункционального катализа в обоих случаях одинаков: образуются циклические переходные состояния с участием двух групп катализатора – карбонильной и гидроксильной, при этом карбоновая кислота таутомерно изменяется. При проведении реакции в диоксане константа скорости каталитической реакции уменьшается в 100 раз по сравнению с величиной kA в о-ксилоле, а в амидных растворителях катализ карбоновой кислотой отсутствует.(1) (2)Снижение величины константы скорости kAсопровождается увеличением энергии активации реакции. Низкие значения энергии активации каталитической реакции согласуются с бифункциональным механизмом катализа карбоксильной группой (табл.2). Большие отрицательные значения энтропии активации реакции указывают на упорядоченное строение переходного состояния реакции, что также не противоречит бифункциональному механизму катализа. Таблица 2 Значения констант скорости kА реакции анилина с фталевым ангидридом в органических растворителях, энергии (ЕА) и энтропии () активации реакции при Т=298 К Растворитель,(-рКа) kА,л2/(моль2с) ЕА,кДж/моль -,Дж/(мольК) Бензол (23)Толуол (-)о-Ксилол (-)Нитрометан (11.9)Метилэтилкетон (7.2)Ацетофенон (6.19)Диоксан (3.22)Тетрагидрофуран (2.08) 260 25828913.05.438.52.272.16 00001.9-21.921.5 206206206231231-171174 С увеличением основности среды значение константы скорости каталитической реакции уменьшается. Это указывает на то, что кислотно-основное взаимодействие между компонентами реагирующей системы играет ключевую роль при протекании каталитической реакции амидообразования в растворе. Можно предположить, что промежуточные соединения циклического характера могут распадаться под действием молекул растворителя DA (D- донор электронов, например атомы O, N; A - акцептор электронов, например атомы С, Н). При этом возможно существование равновесия между циклическим и нециклическим промежуточным соединением: Индекс сольв. относится к влиянию неспецифической сольватации. Исходя из этого механизма, можно предположить, что с увеличением донорно-акцепторных свойств растворителя равновесие будет смещаться вправо, концентрация циклических переходных соединений и константа скорости каталитической реакции будут уменьшаться. Для проверки этого предположения были рассчитаны параметры уравнения Коппеля – Пальма, учитывающего влияние специфической и неспецифической сольватации на константу скорости реакции. Для реакции анилина с фталевым ангидридом в ароматических углеводородах, эфирах, кетонах получено уравнение: (6) Все значения постоянных уравнения (6), характеризующих чувствительность реакции к влиянию полярности растворителя, эмпирических параметров электрофильности Е и нуклеофильности В растворителя, являются отрицательными, что подтверждает существование равновесий (3,4). Количество параметров корреляционного уравнения можно уменьшить, если воспользоваться основностью рКа растворителя в воде. Между логарифмами констант скорости реакции анилина с фталевым ангидридом, kA и k1 (катализатор бензойная кислота), получена линейная зависимость. При проведении реакции ариламинов с ангидридами карбоновых кислот в амидных растворителях, спиртах, диметилсульфоксиде катализа карбоновой кислотой не наблюдается. В табл. 3 приведены значения констант скорости k и активационные параметры реакции анилина с фталевым и янтарным ангидридом в растворителях разной химической природы. Аналогичные данные получены для ангидридов малеиновой, адипиновой, глутаровой, цитраконовой, бензойной, уксусной кислот, реакционная способность которых находится между реакционной способностью ангидрида фталевой и янтарной кислот. Константы скорости реакции в воде получены путем экстраполяции зависимости логарифма константы скорости реакции ангидрида карбоновой кислоты с анилином в водном диоксане. Данные табл.3 иллюстрируют сильное влияние растворителя на величину константы скорости k изучаемой реакции. Диапазон изменения константы скорости составляет более 6 порядков, что сравнимо с каталитической активностью обычных гомогенных катализаторов. Влияние растворителя на величину константы скорости одинаково: в спиртах она больше, чем в амидных растворителях, а в воде на несколько порядков больше, чем в спиртах. Величины энергии активации реакции достаточно низкие, а величина энтропии активации реакции характеризуется большими отрицательными значениями, что характерно в большей степени для каталитических, чем некаталитических реакций. Таблица 3 Значения констант скорости k реакции анилина с фталевым и янтарным ангидридами в органических растворителях, энергии (Е) и энтропии (S) активации реакции при Т=298 К Растворитель k102,л/(моль∙с) Е,кДж/моль -S,Дж/(мольК) Фталевый ангидрид N,N-ДиметилформамидN,N-ДиметилацетамидN,N-ДиэтилацетамидN-Метил-2-пирролидонДиметилсульфоксидТетрагидрофуранВода 2.061.4354.21.0610.40.01030000 30.531.032.6-35.5-- 183185148-153-- Янтарный ангидрид N,N-Диметилформамид N-Метил-2-пирролидонN,N-ДиметилацетамидДиметилсульфоксидN,N-ДиэтилацетамидЭтанолПропанол-1Бутанол-1Пентанол-1Гексанол-1Гептанол-1Вода 0.0630.0550.0490.2351.621.521.251.040.8330.6730.563480 42.751.256.160.250.760.460.458.559.261.257.9- 1711441281021178687959490102- В качестве параметра растворителя, учитывающего влияние растворителя на величину константы скорости реакции k нами использованы донорные (DN) и акцепторные (АN) числа растворителя по шкале Гутмана: (9)Для реакции ариламинов с ангидридами карбоновых кислот b1 b2 , что позволяет перейти к однопараметровому уравнению: (10)где lgk0 – логарифм константы скорости реакции в стандартном растворителе, в качестве которого выбран тетрагидрофуран (DN=20, AN=8). Y – параметр, отражающий донорные и акцепторные свойства растворителя Y = (DN+AN-28). Уравнение (10) хорошо описывает экспериментальные данные для всех изученных растворителей, включая эфиры, амидные растворители, спирты и воду. Для реакции анилина с фталевым ангидридом: (11)с малеиновым ангидридом: (12)с янтарным ангидридом: (13) Коэффициент b, характеризующий чувствительность реакции к влиянию донорно-акцепторных свойств растворителя на константу скорости реакции k примерно одинаков для разных ангидридов карбоновых кислот. Регрессионный анализ влияния специфической и неспецифической сольватации на константу скорости k реакции янтарного ангидрида с анилином с помощью уравнения Коппеля-Пальма дает следующее уравнение: (14)Анализ уравнения показывает, что последнее слагаемое в уравнении (14) в несколько раз больше других, что указывает на преимущественное влияние электрофильной составляющей специфической сольватации на константу скорости k изучаемой реакции. Обращает на себя внимание тот факт, что все коэффициенты в уравнении (14), отражающие чувствительность реакции к влиянию специфической и неспецифической сольватации – положительные (для каталитической реакции все коэффициенты в уравнении Коппеля-Пальма – отрицательные). Противоположное влияние сольватации на константы скорости каталитического и некаталитического потоков реакции наглядно видно из рис.1, на котором значения логарифмов констант скорости сопоставлены с величиной lg Kасс., Касс. – константа равновесия образования Н-комплексов растворителя с п-фторфенолом в ССl4 при 298 К. При проведении реакции в спиртах, специфическая сольватация реагентов осуществляется их гидроксильной группой. Молярную концентрацию последних можно рассчитать по формуле: (15)где  - плотность спирта; М – его молярная масса. Причем, между константой скорости реакции и концентрацией ОН-групп существует линейная зависимость. lgkAРис.1. Зависимость lgkA() и lgk () от lgKасс.растворителя: 1-бензол, 2-нитрометан, 3-ацетофенон, 4-метилэтилкетон; 5- тетрагидрофуран; 6-N-метил-2-пирролидон, 7-N,N-диметилформамид, 8- N,N-диметилацетамид, 9- диметилсульфоксид, 10 - N,N- диэтилацетамид; Т=298К Поскольку плотность спиртов в ряду этанол - гептанол незначительно меняется с ростом углеводородного радикала, а отсекаемый отрезок на оси ординат очень мал, то с учетом этих допущений константу скорости реакции анилина с ангидридами карбоновых кислот в спиртах можно рассчитать по очень простому уравнению: (16)Коэффициенты d для малеинового, цитраконового и янтарного ангидридов соответственно равны: 7.18, 2.29 и 0.707. Уравнение (16) может быть использовано для предсказания констант скорости в других, не изученных нами спиртах. Если предположить, что вода также является спиртом (R1=H), то предсказанное по уравнению (16) константа скорости реакции янтарного ангидрида с анилином в воде должна составлять 0.039 л/(мольс), что близко к экспериментальному значению, составляющему 0.048 л/(мольс). Влияние растворителя на константу скорости k изучаемой реакции можно объяснить тем, что активные растворители (амидные, спирты, вода), разрушают переходные состояния каталитической реакции (катализатор – карбоновая кислота) по схеме (3,4), а дальнейшее превращение (VIII,IX) протекает по бифункциональному механизму сольватационного типа, где катализатором выступают молекулы биполярного растворителя:(17)Исходя из этого механизма, можно ожидать увеличения константы скорости k изучаемой реакции с увеличением донорных и акцепторных свойств растворителя. Этот вывод полностью совпадает с экспериментальными данными, отраженными в корреляционных уравнениях.^ Глава 4. Влияние строения реагентов на кинетику реакции ариламинов с ангидридами карбоновых кислот. Электронодонорные заместители в монозамещенных ариламинах увеличивают константу скорости реакции, а электроноакцепторные заместители ее уменьшают по сравнению с константой скорости ацилирования анилина. Из табл.4 также видно, что указанная закономерность наблюдается для всех ангидридов карбоновых кислот, а также для всех растворителей. Таблица 4 Значения k103, л/(мольс) реакции фталевого ангидрида с ариламинами R2C6H4NH2 в органических растворителях при Т=298 К R2Растворитель п-ОСН3 п-СН3 H м-Сl м-NO2 Тетрагидрофуран N,N- Диметилформамид N,N- Диметилацетамид ДиметилсульфоксидN,N-Диэтилацетамид 0.63 133 234 1390- 0.30 31.1 59.2 355 2200 0.10 20.6 14.3 104 542 - 0.98 1.65 5.0225.1 - 0.025 - 0.161 0.726 Аналогичная зависимость наблюдается и для автокаталитического потока реакции (табл.5). Таблица 5 Значения kА, л2/(моль2с) реакции 4-нитрофталевого ангидрида с ариламинами R2C6H4NH2 в органических растворителях при Т=298 К R2Растворитель п-СН3 Н м-ОСН3 м-Br м-NO2 Диоксан МетилэтилкетонНитрометан 32.282.3316 14.036.669.2 4.2512.944.0 0.6682.284.60 0.0960.3290.753 Совместное влияние растворителя и заместителя в ароматическом амине на константы скорости некаталитической k и автокаталитической реакции ацилирования ариламинов фталевым (18) и 4-нитрофталевым (19) ангидридами можно описать следующими уравнениями:, (18) (19), которые позволяют предсказывать экспериментальные данные с точностью 0.2 логарифмические единицы, что составляет 2.3% от диапазона изменения величины логарифма константы скорости. Влияния строения ацилирующего агента на величину константы скорости kA автокаталитического ацилирования ариламинов монозамещенными фталевыми ангидридами проведено с использованием 4-нитро-, 4-хлор- и 3-нитрофталевого ангидрида. Значения констант kA скорости автокаталитического ацилирования анилина монозамещенными фталевыми ангидридами в органических растворителях приведены в табл. 6. Таблица 6 Значения констант скорости kA, л2/(моль2с) реакции анилина с монозамещенными фталевыми ангидридами в органических растворителях при Т=298 К РастворительАнгидрид Диоксан Метилэтилкетон Нитрометан Фталевый 4-Хлорфталевый 4-Нитрофталевый 3-Нитрофталевый 2.27 4.74 14.0 428 5.43 10.4 36.6 533 13.0 27.1 69.2 - Из табл. 6 видно, что электроноакцепторные заместители в монозамещенном фталевом ангидриде увеличивают значение kA автокаталитического потока реакции фталевого ангидрида с анилином во всех изученных растворителях, что противоположно влиянию таковых в ароматическом амине. Введение электроноакцепторных заместителей в бензольное кольцо фталевого ангидрида уменьшает электронную плотность на карбонильном атоме ангидридного цикла, что облегчает нуклеофильную атаку со стороны неподеленной пары электронов аминогруппы по сравнению с незамещенным фталевым ангидридом. Реакция анилина (и других ариламинов) с монозамещенными фталевыми ангидридами идет с образованием двух изомеров (а) и (б) с соответствующими константами скорости автокаталитических реакций kAa и kAб. Экспериментальное значение kA, этой реакции равно сумме констант скоростей образования изомеров. (20) Таблица 7 Значения констант скорости kAa и kAб , л2/(моль2с), относительное содержание изомеров wМ/П и параметр ' реакции анилина с монозамещенными фталевыми ангидридами 4-R1С6H3(CO)2O в органических растворителях при Т=298 К Ангидрид, R1 kAa kAб wМ/П wa% ' в метилэтилкетоне H Cl NO2 2.72 5.97 16.7 2.72 4.43 19.9 1 1.35 0.84 50 57.4 45.6 - 0.93 1.11 в нитрометане H Cl NO2 6.50 15.8 31.9 6.50 11.3 37.3 1 1.40 0.86 50 58.3 46.1 - 1.04 0.98 В табл. 7 приведены рассчитанные значения констант скорости образования изомеров kAa и kAб и их относительное содержание в конечном продукте wМ/П и массовая доля wa% изомера (а) в смеси, а также постоянная чувствительности реакции ' к изменению структуры монозамещенного фталевого ангидрида, которая оказалась в 2-3 раза меньше по абсолютной величине, чем чувствительность  реакции к влиянию строения ароматического амина. Противоположные знаки ' и  согласуются с механизмом нуклеофильного замещения у карбонильного атома углерода. Таблица 14 Значения констант скорости N ацилирования α-аминокислот замещенными фениловыми эфирами бензойной кислоты в воде при Т=298 К Аминокислоты k_, л/(мольс) Аминокислоты k_, л/(мольс) R2=2.4-(NO2)2 R2=4-NO2 L-Pro 18.1 L-Pro 0.385 Gly 6.45 DL-Ala 0.0522 DL-Leu 0.963 L-Val 0.0417 DL-Thr 0.607 Gly 0.173 L-Ser 0.582 DL-Leu 0.0529 R2=2.5-(NO2)2 DL-Ile 0.0587 Gly 5.09 Установлено также, что между значениями ΔΗ≠ и ΔS≠ реакции (25) в пределах одного водно-органического с изменением содержания воды наблюдается линейная зависимость, которая описывается уравнением: ΔΗ≠ = А + Тизо ΔS≠ (30) где А – постоянная величина, Тизо – изокинетическая температура; ΔΗ≠ – энтальпия активации; ΔS≠ - энтропия активации, вычисленная по уравнению Эйринга в предположении, что трансмиссионный коэффициент  = 1. Основываясь на теории абсолютных скоростей реакции Эйринга (ТАС), теории быстрых реакций и изокинетических явлений в растворе Шахпаронова М.И. и используя схему протекания реакции в растворе с диффузией реагентов друг к другу:kdk1k+ Асольв. + Всольв.  (AB)d  (АВ) (АВ)+  (продукты)сольв. (31)k-dk-1 можно получить следующее уравнение для экспериментальной величины константы скорости реакции: (32) гдегде  - вязкость растворителя, Р0 - поправочный член, учитывающий размер диффундирующей частицы (r) и молекул растворителя (rS), а также заряды реагирующих частиц; - энергия активации вязкого течения растворителя. Уравнение (32) позволяет рассчитать трансмиссионный коэффициент (табл.15) и константы скорости отдельных стадий (31) (табл.16). Таблица 15 Значения трансмиссионного коэффициента , кинетических параметров k- , ∆H≠, и ∆S≠ реакции N-ацилирования глицина 4-нитрофениловым эфиром бензойной кислоты в растворителе вода-2-пропанол и параметров растворителя (∆H≠и ) при Т=298 К; Тизо=350 К Н2О,масс.% k-∙102,л/(моль∙с) ∆H≠,кДж/моль -∆S≠, Дж/(моль∙K) ∆H≠, Дж/моль ∙103,Па∙с ∙1011 40 3.68 45.9 118 28073 3.005 2.77 50 5.26 44.0 122 29435 2.978 1.98 60 6.22 40.5 132 29940 2.872 1.59 70 7.71 39.7 142 30497 2.103 1.36 80 12.8 28.5 166 30052 1.868 1.05 Реакция ацилирования аминокислот сложными эфирами – «медленная» реакция с трансмиссионным коэффициентом  = 10-10 – 10-11 несоизмеримо меньшим 1, как это часто предполагается при расчетах с помощью уравнения ТАС. Истинная энтропия активации реакции положительна, что обусловлено уменьшением степени упорядоченности среды, окружающей активированный комплекс. Таблица 16 Значения истинной (∆S≠ист) энтропии активации и констант схемы (31) реакции N-ацилирования глицина 4-нитрофениловым эфиром бензойной кислоты в растворителе вода-2-пропанол при Т=298 К; Тизо=350 К Н2О,масс.% ∆S≠ист,Дж/(моль∙К) kd∙10-9,л/(моль∙с) k1≠∙10-12, с-1 k+∙106,с-1 40 131 4.67 3.43 17.2 50 126 7.14 4.10 12.3 60 116 8.00 5.11 9.86 70 113 9.84 5.80 8.43 80 81 12.7 11.1 6.50 Глава 6. Экспериментальное исследование кинетики амидообразования. Приводятся способы подготовки реагентов, растворителей, катализаторов и вспомогательных веществ, методики проведения анализа реакционной смеси в кинетических исследованиях. Анализ ангидридов карбоновых кислот осуществляли химическим методом, нитроанилинов -спектрофотометрическим методом. Продукт реакции – N-фенилфталамидную кислоту – анализировали индикаторным методом. Фенолят-ион (продукт реакции аминокислот со сложными эфирами) определяли спектрофотометрическим методом. Анализ фталевой кислоты (продукта реакции гидролиза фталевого ангидрида) в водно-диоксановом растворителе выполняли потенциометрически. ^ Глава 7. Методики расчета кинетических параметров реакций. Дано математическое описание кинетики автокаталитической обратимой реакции. Получено условие , при котором обратимостью реакции можно пренебречь. Обратимый характер реакции ариламинов с ангидридами дикарбоновых кислот проявляется в растворителях с низкой основностью (табл. 17). Таблица 17 Значения константы равновесия КС реакции анилина с фтале