я-замещенных К, Ы- 107 диметиланилинов и полиметилбензолов
Под действием света хиноны подвергаются многочисленным превращениям, в том числе реакции фотовосстановленйя, которая является составной частью таких важных процессов как фотосинтез зеленых растений, фотодеструкция кубовых красителей, а также лежит в основе большого числа систем, инициирующих радикальную фотополимеризацию. С другой стороны, фотовосстановление карбонилсодержащих соединений — это модельная реакция для многочисленных исследований процессов переноса электрона и водорода. Исследованию этой реакции посвящены сотни публикаций и патентов. Была установлена роль спектральных и электрохимических характеристик реагентов в кинетике процесса, показано образование триплетных радикальных пар, как первичных продуктов переноса водорода, изучено влияние растворителя на направление реакции (перенос электрона или водорода). В последние годы методами импульсного фотолиза и спектроскопии было доказано, что реакция фотопереноса водорода представляет собой последовательность процессов переноса электрона и протона. Были проведены детальные исследования каждой из этих стадий и получены интереснейшие данные о первых мгновениях реакции: спектрально зарегистрировано образование комплекса столкновения между молекулами реагентов, зафиксирована трансформация комплекса столкновения в ион-радикальную пару. Определена кинетика переноса протона в ион-радикальной паре и обнаружено, что зависимость константы скорости переноса протона от свободной энергии переноса протона имеет колоколообразный характер. Также была предложена модель постадийного переноса атома водорода, предсказывающая кинетическое поведение реакционной пары в заданном растворителе.
Актуальность проблемы. Реакция фотовосстановления карбонилсодержащих соединений и, в частности, оршо-хинонов лежит в основе процессов фотоинициирования радикальной полимеризации, сшивки полимерных цепей в фоторезистах, а также «отвечает» за окраску полимерного стекла, полученного из хинон-содержащих фотополимеризующихся композиций. Как правило, в таких случаях используются бинарные системы, состоящие из орто-хинонов и Н-донора.
Несмотря на большое количество экспериментальных данных по реакции фотовосстановления карбонилсодержащих соединений, эти результаты носят противоречивый характер и плохо систематизированы. В связи с этим, для понимания деталей механизма фотовосстановления орто-хинонов в присутствии доноров водорода и прогнозирования составов наиболее эффективных светочувствительных систем представляются актуальными кинетические исследования процесса фотовосстановления орто-х инонов, а также изучение продуктов этой реакции.
Предложенная недавно модель постадийного фотопереноса атома водорода, предсказывает кинетическое поведение той или иной пары реагентов в заданном растворителе. Для ее апробации важен поиск новых классов соединений, вступающих в реакцию фотовосстановления, и систематические исследования влияния природы реагентов и растворителя на кинетику и продукты реакции.
Мы в данной работе в качестве такого класса карбонилсодержащих соединений выбрали орто-хиноны, а именно 9,10-фенантренхинон и орто-бензохиноны, учитывая также, что до наших работ реакция фотовосстановления орто-бензохинонов почти не изучалась. Фотовосстановление орто-хинонов в присутствии доноров водорода протекает под действием видимого излучения. Это упрощает проведение необходимых для апробации модели постадийного фотопереноса атома водорода систематических исследований влияния строения и red/ox свойств реагентов на кинетику реакции фотовосстановления и позволяет получить более точную информацию о продуктах реакции, так как последние поглощают в УФ-диапазоне и не вступают во вторичные реакции под действием актиничного излучения.
Целью работы является изучение механизма фотопереноса водорода при фотовосстановлении o/vwo-xhhohob и процессов образования конечных продуктов фотовосстановления opmo-xvmonon.
Объектами исследования в настоящей работе являются производные орто-бензохинонов, 9,10-фенантренхинон, иара-замещенные Л^-диметиланилины и полиметилбензолы.
Методы исследования Спектроскопия электронного поглощения, ЯМР-спектроскопия, рентгеноструктурный анализ.
Научная новизна и практическая ценность работы заключается в следующем:
— На примерах новых серий карбонилсодержащих соединений и Н-доноров подтвержден экстремальный характер зависимостей эффективных констант скорости кн и квантовых выходов фотовосстановления орто-хинонов в присутствии доноров водорода от свободной энергии переноса электрона с максимумом при ЛСе ~ 0. Тем самым, учитывая способность данных систем инициировать радикальную полимеризацию различных мономеров метакрилового ряда, разработан общий подход для поиска наиболее эффективных фотоинициирующих систем, состоящих из ор/яо-хинонов и Н-доноров.
— Для. пар реагентов, лежащих на левой ветви зависимости кн от ЛОе, обнаружен кинетический изотопный эффект свидетельствующий о том, что максимум на кривой кц=^ЛСе) связан со сменой скорость-лимитирующей стадии реакции фотовосстановления, а именно, стадий переноса электрона и протона. Показано, что скорость реакции фотовосстановления орто-бензохинонов понижается с ростом полярности растворителя.
Впервые установлено, что основным первичным продуктом фотовосстановления орто-бензохинонов и 9,10-фенантренхинона в присутствии ЛуУ-диметиланилинов и полиметилбензолов является соответствующий фенолэфир. Показано, что стабильность фенолэфиров определяется строением и донорно-акцепторными свойствами реагентов. Обнаружено, что фенолэфиры из орто-бензохинонов распадаются по гетеролитическому механизму до пирокатехинов. Фенолэфиры, образующиеся из 9,10-фенантренхинона, перегруппировываются в кетолы в результате темновой или фотореакции.
На защиту выносятся следующие положения:
— результаты изучения влияния природы реакционных пар на скорость фотовосстановления орто-бензохинонов и 9,10-фенантренхинона в присутствии ДА^-диметиланилинов и полиметилбензолов;
— результаты исследований кинетического изотопного эффекта в реакции фотовосстановления о/уяо-бензохинонов в присутствии iV-диметиланилина;
— результаты изучения влияния природы растворителя на кинетику фотовосстановления ор/ио-бензохинонов в присутствии А^А^-диметиланилинов;
— результаты исследования первичных продуктов фотовосстановления орто-бензохинонов и 9,10-фенантренхинона и их превращений в ходе вторичных темновых и фото реакций.
Апробация работы. Результаты выполненных исследований были представлены на XV симпозиуме Современная химическая физика (Туапсе, 2003 г), Международной конференции по координационной и металлорганической химии (Нижний Новгород, 2002 г), Международной конференции «От молекул к материалам» (Нижний Новгород, 2005 г), VIII молодежной школы-конференции по органической химии (Казань, 2005 г.), VII, VIII, IX, X Нижегородской сессии молодых ученых (Нижний Новгород, 2002 — 2005 г).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи в научных журналах, 8 тезисов докладов. Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 00−15−97 336, 01−03−33 040, 05−03−32 706-а и 06−03−33 061-а) и грантов Президента РФ № НШ-1649.2003.3 и НШ -4947.2006.3.
Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 129 страницах, состоит из введения, трех глав и выводов, содержит 37 рисунков и 16 таблиц. Список цитируемой литературы включает 111 наименований.
117 Выводы.
Обнаружен экстремальный характер зависимостей констант скорости кн и квантовых выходов фц фотовосстановления орто-хинонов в присутствии Л^ТУ-диметиланилинов и полиметилбензолов от свободной энергии переноса электрона АСе с максимумом при Жге~ 0.
Установлено, что кинетический изотопный эффект при фотовосстановлении орто-бензохинонов в присутствии А^ТУ-диметиланилина наблюдается только для реакционных пар, находящихся на левой ветви зависимости кн от Жте. Это говорит о том, что для пар реагентов, находящихся на левой ветви зависимости скорость реакции лимитируется скоростью переноса протона.
Показано, что скорость реакции фотовосстановления орто-бензохтюиов понижается с ростом полярности растворителя. Для пар реагентов, находящихся на правой ветви функции кн от АОе, в области максимума наблюдается линейная зависимость 1пкн от диэлектрических характеристик среды.
Впервые установлено, что основным первичным продуктом фотовосстановления орто-бензохинонов и 9,10-фенантренхинона в присутствии ЛуУ-диметил анилинов и полиметилбензолов является соответствующий фенолэфир.
Показано, что все фенолэфиры являются неустойчивыми соединениями. Фенолэфиры из орто-бензохинонов и АУУ-диметиланилинов распадаются в темновой реакции по гетеролитическому механизму на пирокатехин и азотсодержащие соединения. Реакция ускоряется при увеличении объема заместителя в соседнем с образовавшейся при фотовосстановлении эфирной связью положении и усилением электроно-акцепторных свойств заместителя в хиноновом фрагменте и электроно-донорных свойств заместителя в аминной компоненте фенолэфира.
Впервые обнаружено, что фенолэфиры из 9,10-фенантренхинона и NJf-диметиланилинов в темновой реакции перегруппировываются в кетолы. Фенолэфиры из 9,10-фенантренхинона и полиметилбензолов перегруппировываются в кетолы только при облучении и в присутствии 9,10-фенантренхинона.
.
Таким образом, в ходе кинетических исследований реакции фотовосстановления орто-хинонов в присутствии Л^-диметиланилинов и полиметилбензолов нами обнаружено, что зависимости констант скорости и квантовых выходов фн фотовосстановления от свободной энергии переноса электрона ЛОе носят экстремальный характер с максимумами при ЛСе ~ 0. Изучение кинетического изотопного эффекта фотовосстановления орто-бензохинонов в присутствии Л^ТУ-диметиланилина показало, что для пар реагентов, находящихся на левой ветви зависимости кцОт ЛОе скорость реакции лимитируется скоростью переноса протона. Установлено, что в целом с ростом полярности растворителя скорость реакции фотовосстановления орто-бензохинонов понижается и для пар реагентов, находящихся на правой ветви функции кнот ЛОе в области максимума наблюдается линейная зависимость 1пкн от диэлектрических характеристик среды. Изучение продуктов фотовосстановления орто-бензохинонов и 9,10-фенантренхинона в присутствии МД-диметиланилинов и полиметилбензолов показало, что основным первичным продуктом реакции является соответствующий фенолэфир. При этом все фенолэфиры являются неустойчивыми соединениями. Стабильность фенолэфира определяется природой заместителей в его хиноновом и амином фрагментах и полярностью реакционной среды. Фенолэфиры из орто-бензохинонов и ДД-диметиланилинов распадаются на пирокатехин и азот-содержащие соединения. Фенолэфиры из 9,10-фенантренхинона перегруппировываются в кетолы.