Кинетика гидролиза некоторых имидоилхлоридов адамантана
Введение
Производные адамантана до настоящего времени вызывают неизменный интерес исследователей, прежде всего, в связи с широким спектром их биологического действия [1, 2]. Синтез новых производных часто осуществляется в несколько стадий, сопровождающихся получением побочных продуктов, загрязняющих основное вещество [3]. Немаловажным является и установление оптимальных условий получения новых биологически активных веществ
Имидоилхлориды адамантана представляют собой реакционноспособные субстраты для синтеза иминоэфиров, амидинов, амидразонов, триазолов и других производных, представляющих интерес как потенциальные биологически активные вещества, а также в качестве моделей для решения ряда теоретических задач органической химии [4]. Однако использование имидоилхлоридов в реакциях синтеза осложнено протеканием конкурирующих процессов гидролиза в водных и водноорганических растворах.
В работе [5] описана методика получения некоторых имидоилхлоридов, при этом отмечено, что данные соединения устойчивы к действию воды на холоду. Авторами [6, 7] исследована реакция гидролиза имидоилгалогенидов, включающих ароматические фрагменты.
Целью нашей работы явилось исследование кинетики гидролиза имидоилхлоридов адамантана в водно-диоксановом растворе.
Результаты и их обсуждение
Нами исследована кинетика гидролиза имидоилхлоридов адамантана с общей формулой
где R = CH3, H, или NO2.
Известно, что реакция гидролиза имидоилхлоридов адамантана протекает в соответствии со следующей схемой:
(1)
Согласно литературным данным [7], при этом реализуется механизм отщепления - присоединения через катионоидный интермедиат, который может существовать в виде различных форм - контактной, пространственно разделенной, сольватно разделенной ионных пар, свободного нитрилий-катиона, а также их гомо- или гетероассоциатов. Следовательно, реакция гидролиза в значительной мере зависит от природы и состава растворителя (как правило, используется водноорганическая смесь) и, таким образом, наличия эффектов сольватации. Кроме того, на скорость реакции влияют присутствие в растворе солей, структура субстрата и температура. Авторами [7] показано также, что гидролиз имидоил-хлоридов, как правило, не зависит от величины рН в достаточно широкой области.
На рис. 1 и 2 представлены графики зависимости концентрации продуктов гидролиза соответствующих соединений от времени, а в табл. 1 - полученные нами значения констант скорости и времени полупревращения имидоилхлоридов. Из полученных данных следует, что гидролиз исследованных имидоилхлоридов протекает с достаточно высокой скоростью, наиболее заметной у вещества 1.
Табл. 1. Результаты исследования кинетики гидролиза имидоилхлоридов адамантана
|
Формула,название |
Концентрация, моль/л |
Частичный заряд атома C* |
Константа скорости, с-1 |
Период полураспада (ф1/2), с |
|
|
N-(п-метил-фенил)-1-адамантан-карбоксимидоилхлорид |
1.74•10-4 |
0.338 |
2.21±0.16 |
0.32±0.02 |
|
|
N-фенил-1-адамантан-карбоксимидоилхлорид |
1.83•10-4 |
0.342 |
1.34±0.31 |
0.55±0.12 |
|
|
N-(п-нитрофенил)-1-адамантан-карбоксимидоилхлорид |
1.57•10-4 |
0.359 |
0.30±0.05 |
2.41±0.43 |
Поскольку различие в строении имидоилхлоридов обусловлено лишь присутствием разных заместителей в ароматическом кольце, вероятно, именно природа этих заместителей и является причиной некоторых различий в скорости гидролиза исследованных соединений.
Из табл. 1 следует, что значения константы скорости реакции гидролиза уменьшаются при переходе от соединения с метильным радикалом в ароматическом кольце к производному, содержащему в этом положении нитрогруппу.
Рис. 1. График зависимости концентрации продукта гидролиза
N-(п-метил-фенил)-1-адамантанкарбоксимидоилхлорида от времени
Рис. 2. График зависимости концентрации продукта гидролиза N-фенил-1-адамантан-карбоксимидоилхлорида от времени
Влияние заместителя в этом положении, вероятно, сказывается следующим образом.
Из литературы известно, что гидролиз имидоилхлоридов близкого к исследованным веществам строения протекает по механизму отщепления - присоединения (SN1) с образованием нитрилий-катионного интермедиата II в соответствии со схемой.
Лимитирующей стадией при этом является отщепление галогенид-Иона от молекулы субстрата I. Продуктами гидролиза являются амиды IV, которые получаются в результате быстрой перегруппировки первоначально образующихся неустойчивых продуктов прямого замещения - соответствующих имидовых кислот III [7].
Электронодонорные заместители (R) стабилизируют образующийся на медленной стадии нитрилий-катион II, что приводит, вероятно, к увеличению количества интермедиатов в системе и росту общей скорости реакции. Электроноакцепторные заместители, напротив, дестабилизируют нитрилий-катион, способствуя снижению скорости реакции. Так, в частности, увеличивая электрофильность углеродного атома, нитро-группа в ароматическом кольце с одной стороны увеличивает реакционную способность имидоилхлорида, с другой - смещает равновесие (1) вправо. Подтверждением этого механизма является изменение частичного положительного заряда на атоме углерода при переходе от вещества 1 к веществу 3. Как следует из табл. 1, в этом же направлении уменьшается скорость реакции гидролиза.
Схема
При изучении кинетики различных реакций производных адамантана, как правило, учитывают и стерический фактор, обусловленный присутствием объемного адамантильного фрагмента [8]. Причем в литературе имеются данные, свидетельствующие о том, что при удалении адамантильного фрагмента от реакционного центра степень его пространственного экранирования возрастает [8]. Однако, вероятно, в данном случае стерическим фактором можно пренебречь, поскольку для всех исследованных соединений он должен сказыватьтся в равной степени ввиду близости структур этих веществ.
Таким образом, можно допустить, что в случае исследованных имидоилхлоридов ско-рость реакции их гидролиза скорее всего определяется электронным эффектом заместителя в ароматическом кольце молекулы и, соответственно, величиной частичного положительного заряда на атоме С*.
Полученные нами результаты хорошо согласуются с описанными в литературе [6, 7] кинетическими закономерностями для ароматических и алифатических имидоилгалогенидов.
В то же время остается не выясненным влияние других факторов на процесс гидролиза имидоилхлоридов адамантана. Так, безусловно, представляет интерес взаимосвязь гидролитической устойчивости изученных соединений с природой и составом среды (растворителя), а также с температурой реакции. Важной практической задачей является также поиск способов повышения стабильности имидоилхлоридов в растворах, разработка приемов, позволяющих управлять скоростью их гидролиза.
Экспериментальная часть
Исследование кинетики гидролиза имидоилхлоридов адамантана осуществляли потенциометрические при комнатной температуре с использованием потенциометра Hanna Instruments pH 211, откалиброванного по стандартным буферным растворам. Применяли комбинированный стеклянный электрод со встроенным электродом сравнения.
Для исследования использовали растворы имидоилхлоридов в растворе диоксан - вода (9:1) при постоянном перемешивании магнитной мешалкой. Измеряли рН раствора, меняющегося во времени из-за выделения в результате гидролиза хлороводородной кислоты, количество которой эквивалентно количеству прореагировавшего имидоилхлорида. рН раствора контролировали через равные промежутки времени (5с).
Погрешность измерения составляла ±0.03 единицы рН.
Расчет производили по кинетическим уравнением первого порядка [9]:
,
где k - константа скорости реакции, с-1, с - текущая концентрация реагента в момент времени t, моль/л, с0 - концентрация реагента в момент времени t0, моль/л.
С учетом стехиометрии реакции (1) можно записать уравнение для расчета константы скорости следующим образом:
Наряду с константой скорости для характеристики скорости реакции гидролиза был рассчитан период полупревращения (полураспада) по формуле [9]:
Статистическую обработку полученных результатов проводили обычным способом [10]. Значения частичных зарядов на карбонильных атомах углерода в молекулах исследованных соединений были рассчитаны в рамках ограниченного метода Хартри-Фока полуэмпирическим квантово-химическим методом ZINDO/1 с полной оптимизацией геометрии молекул по Polak-Ribiere в программе HyperChem 7 Professional [11].
Выводы
1. В ходе проделанной работы была изучена кинетика гидролиза имидоилхлоридов адамантана в системе диоксан-вода 9:1 методом прямой потенциометрии.
2. Была установлена взаимосвязь между природой заместителя в ароматическом фрагменте молекул исследованных соединений и скоростью реакции гидролиза. Показано, что с увеличением электронодонорных свойств заместителей скорость реакции гидролиза возрастает.
3. Проиллюстрировано соответствие выявленных в ходе исследования кинетических законoмерностей описанному в литературе механизму реакции гидролиза имидоилхлоридов. Показано, что гидролиз изученных соединений протекает по механизму отщепления-присоединения (SN1) через катионный интермедиат.
4. В заключение было предположено, что в случае исследованных имидоилхлоридов скорость реакции их гидролиза скорее всего определяется электронным эффектом заместителя в ароматическом кольце молекулы и, соответственно, величиной частичного положительного заряда на карбонильном атоме углерода.
Литература
гидролиз кинетика имидоилхлорид адамантана
Багрий Е.И. Адамантаны. М.: Наука. 1989. 264с.
Мирошниченко Е.А., Лебедев В.П., Матюшин Ю.Н. Доклады РАН. 2002. Т.382. №4. С.497-499.
Швехгеймер М.-Г.А. Успехи химии. 1996. Т.65. №7. С.603-647.
Hargittai I., Hedberg K. Chem. Commun. 1971. №22. P.1499-1500.
Шишкин Е.В., Попов Ю.В., Шишкин В.Е. Успехи химии адамантана. М.: Химия. 2007. С.24-32.
F. Hegarty, J.D. Cornin, F.L. Scott. J.C.S. Perkin II. 1975. P.429-435.
Савелова В.А., Попов А.Ф. Журн. органич. химии. 1999. T.35. №6. С.821-851.
Иванова Л. П., Полис Я. Ю., Грава И. Я. и др. Журн. органич. химии. 1981. №17. С.325-330.
Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. М.: Высшая школа. 1984. 463с.
Петрова Е.И., Егорова К.В. Основы метрологии и математической обработки результатов химического эксперимента. Самара: “Самарский университет”. 1998. 31с.
Блатов В.А., Шевченко А.П. Методы компьютерной химии и комплекс программ HYPERCHEM. Самара: Самарский университет. 1999. 54с.