Механизмы и селективность реакций свободнорадикального замещения в алифатическом ряду

Изучение свободнорадикальных процессов и, в первую очередь, реакций свободнорадикального замещения в алифатическом ряду всегда было одной из важных задач органической химии. Это связано, прежде всего, с тем, что к этим реакциям относятся процессы свободнорадикального галогенирования и окисления углеводородов, широко используемые в промышленном органическом синтезе для переработки углеводородного нефтяного сырья. Особо большое значение имеет установление факторов, влияющих на селективность этих реакций, поскольку в них молекула углеводорода выступает в роли полифункционального соединения, в котором каждая структурно неэквивалентная связь С-Н является самостоятельным реакционным центром. Создание научных основ управления селективностью свободнорадикальных реакций необходимо для оптимизации существующих процессов переработки углеводородов, повышения выхода целевых продуктов и создания безотходных производств. Естественно, что интерес к этим вопросам очень велик и при решении перечисленных задач, благодаря работам многих исследователей и, в первую очередь, Н. М. Эмануэля и его школы, достигнут значительный прогресс.

Другая причина внимания к свободнорадикальным реакциям связана с тем, что они являются удобной моделью для установления общих теоретических принципов, связывающих химическое строение органических соединений с их реакционной способностью. Относительная простота трактовки экспериментальных данных (в частности, отсутствие значительных сольватационных эффектов и возможность сопоставления результатов, полученных в газовой и жидкой фазе) привела к тому, что длительное время свободнорадикальные реакции использовались как основа для изучения кинетических закономерностей. Не случайно, что первые количественные теории реакционной способности, разработанные в классических трудах Н. Н. Семенова и его школы, были построены, в основном, на основании изучения кинетики свободнорадикальных процессов.

В тонком органическом синтезе, из-за сравнительно невысокой селективности, свободнорадикальные реакции использовались значительно реже, но в последние десятилетия, в связи с разработкой новых селективных методов синтеза, эти реакции все шире применяются для синтеза полигалогенпроизводных (Р.Х.Фрейдлина), кислородсодержащих соединений (Г.И.Никишин), а также других классов органических соединений, включая столь сложные, как галогениро-ванные стероиды. Большое место свободнорадикальные процессы занимают в химии элементоорганических и металлорганических соединений, а также в биоорганической химии. Все это приводит к тому, что круг соединений вовлекаемых в радикальные реакции, интенсивно расширяется. Если первоначально в свободнорадикальной химии в качестве объектов использовались, в основном, углеводороды, то в настоящее время внимание химиков, работающих в этой области, привлекают практически все классы органических соединений. В связи с этим является актуальной задача построения количественной теории взаимосвязи химического строения широкого круга органических соединений и их реакционной способности в свободноради-кальных процессах.

Изучение связи между химическим строением органических соединений, юс свойствами, реакционной способностью, а также механизмами и селективностью реакций является основным предметом физической органической химии — самостоятельного раздела органической химии., который бурно развивается в последние десятилетия. Теоретическим фундаментом подхода, используемого в физической органической химии, как правило, является теория переходного состояния. Рассматривая активированный комплекс, как квазимолекулу, и применяя к нему накопленный органической химией богатый материал по связи химического строения и свойств органических соединений, удается связать эти характеристики и разработать теоретические представления, имеющие значительную предсказательную силу. Для трактовки изменений в селективности органических реакций обычно используют представления о варьируемой структуре активированного комплекса, и различные экспериментально наблюдаемые характеристики селективности связывают с изменениями в строении переходного состояния.

Подобный подход оказался весьма плодотворным при изучении ионных реакций (Баннетт, Дженкс и др.}, где достигнут значительный прогресс в понимании факторов, влияющих на реакционную способность и селективность, хотя отдельные теоретические положения до настоящего времени являются дискуссионными. В то же время необходимо признать, что физической органической химии свободно-радикальных реакций уделяется значительно меньше внимания, и разработка проблем, связанных с возможностью применения теории варьируемого активированного комплекса для этих процессов, находится на начальной стадии и стала развиваться только в последнее десятилетие.

Трудности решения этой задачи, прежде всего, были связаны с недостаточностью имеющихся экспериментальных данных, причем в ряде случаев они носили принципиальный характер. При изучении ионных процессов удается однозначно и монотонно варьировать строение как органического субстрата, так и реагента. (Так, например, варьирование природы нуклеофила в реакциях отщепления и замещения может быть достигнуто использованием замещенных фенолят-анионов ХС^Н^О"). Подобное изменение структуры проводилось при изучении стабильных свободных радикалов. Для высокореакцион-яоспособных радикалов, участвующих в цепных процессах, такие возможности практически отсутствовали. Несмотря на то, что была изучена реакционная способность нескольких десятков свободных радикалов, сделать выводы о взаимосвязи их строения с реакционной способностью и селективностью не представлялось возможным, так как строение радикалов варьировалось не систематически, а данные были получены в несопоставимых условиях. Кроме того, при исследовании влияния строения субстрата на его реакционную способность в реакциях свободнорадикального замещения подавляющая часть результатов была получена при использовании в качестве субстратов предельных углеводородов и замещенных в ядре толуолов. Значительно меньше экспериментальных данных имелось для замещенных этилбензолов и кумолов, а более широкое и систематическое варьирование строения органического субстрата с одновременным получением нескрпьких характеристик селективности, как правило, не проводилось. Все это не позволяло оценить относительную важность структурных факторов, влияющих на реакционную способность в реакциях свободнорадикального замещения, а также установить их взаимосвязь.

Имелись также и трудности теоретического порядка. Поскольку методы измерения абсолютных констант скорости свободнорадикального отрыва атома мало точны и сложны экспериментально, в подавляющем большинстве случаев о реакционной способности радикалов судили по их селективности. При этом считалось, что к свободно-радикальным процессам можно применять принцип Белла-Эванса-Поля-ни, согласно которому между реакционной способностью и селективностью всегда должна соблюдаться антибатная зависимость. Границы применимости этого соотношения сформулированы не были, и ряд исследователей (Джонсон, Бордвелл) оспаривал правомочность использования подобных соотношений. Оставалось также неясным, в какой степени влияние полярных заместителей на скорость реакции отрыва атома водорода связано с существованием разделения зарядов в активированном комплексе (Расселл, Теддер) и в какой — с влиянием заместителей на энергию диссоциации связи С-Н (Завитсас). Особо дискуссионным этот вопрос был при трактовке влияния заместителей на реакционную способность алкилароматических углеводородов,.

В задачи данной работы входило установление относительной роли и взаимосвязи факторов, влияющих на реакционную способность и селективность в реакциях свободнорадикального замещения в алифатическом ряду, при широком и систематическом варьировании строения как органического субстрата, так и свободного радикалаисследование связи между строением реагирующих соединений и различными характеристиками селективности указанных реакций (корреляционные параметры, относительная реакционная способность различных подтипов связей С-Н, кинетические изотопные эффекты, сте-реоселективность реакций). Решение этих задач создало экспериментальную базу для постановки основной проблемы — применения теории варьируемого активированного комплекса для создания научных основ. интерпретации и предсказания факторов, влияющих на реакционную способность и селективность в реакциях свободнорадикального замещения. Решение этой проблемы дало возможность проанализировать соотношение между реакционной способностью и селективностью, сформулировать границы применимости представлений о антибатном характере соотношений между реакционной способностью и селективностью, установить случаи, в которых возможно существование симбатных зависимостей, и подтвердить существование подобных зависимостей экспериментально. Это также дало возможность показать, что влияние полярных заместителей сводится, в основном, к стабилизации активированного комплекса.

В первой части работы рассмотрены литературные данные о связи между строением органических соединений и их реакционной способностью в реакциях свободнорадикального замещения, а также некоторые общие вопросы изучения механизмов и селективности этих процессов.

Вторая часть посвящена изложению собственных экспериментальных результатов, а также их теоретическому обсуждению. В главе 2 обсуждаются результаты исследования механизмов изученных реакций. Большое внимание уделено механизмам хлорирования органических соединений арилхлориодонийхлоридами ХС^ЗС^. Использование этих свободнорадикальных агентов явилось особо принципиальным, так как дало возможности систематического варьирования свободного радикала, которые ранее отсутствовали. Изучение механизмов реакций было предварительным, но совершенно необходимым этапом нашего исследования, так как сама постановка вопроса о соотношении между строением, реакционной способностью и селективностью имеет смысл только в том случае, если при варьировании строения субстрата все члены ряда реагируют по одному и тому же механизму.

Глава 3 посвящена изложению результатов изучения кинетики хлорирования органических соединений арилхлориодонийхлоридами. Было показано, что арилхлориодонильные радикалы являются высоко электрофильньши. На основании изучения влияния заместителей в арилхлориодонийхлориде на величины кинетических изотопных эффектов в реакциях хлорирования было установлено, что арилхлоридо-нильные радикалы стабилизируются электронодонорными заместителями, и найдена взаимосвязь между экзотермичностью стадии отрыва атома водорода и селективностью к полярным эффектам. Сопоставление различных реакционных серий дало возможность заключить, что реакционная способность определяется, в основном, двумя эффектами — термодинамическим и полярным, а также показать, что одно и то же изменение структуры радикала может приводить как к увеличению, так и к уменьшению селективности, в зависимости от того, к какому фактору — термодинамическому или полярному — рассматривается селективность.

Полученные выводы нашли свое подтверждение в результатах по галогенированию соединений с фторалкильными заместителями, изложенных в 4 главе" Сопоставление кинетических данных по гало-генированию арилхлориодонийхлоридами, хлором и N-бромсукцини-мидом дали возможность подтвердить общность сформулированных в предыдущей главе закономерностей, объяснить случаи большей селективности свободнорадикального хлорирования по сравнению с бромированмем, а также сделать вывод о том, что влияние полярных заместителей на скорость свободнорадикального отрыва атома водорода сводится к стабилизации полярного активированного комплекса и, следовательно, заряд на реакционном центре в переходном состоянии не является промежуточным между зарядами в исходном и конечном состоянии. Это дало возможность впоследствии перейти к анализу соотношения «реакционная способность — селективность» .

В главе 5 рассматривается роль сольватационных и пространственных эффектов в изученных реакциях. Существование зависимости селективности свободнорадикального бромирования от диэлектрической проницаемости среды подтверждает представления о полярном характере активированного комплекса. Результаты изучения стерео-селективности в конформационно жестких системах, а также влияния стерических эффектов заместителей на скорость галогенирования показывают, что пространственные эффекты не вносят существенного вклада, и при рассмотрении соотношения «строение — реакционная способность — селективность» в большинстве случаев ими можно пренебречь.

Глава 6 посвящена использованию теории варьируемого активированного комплекса для трактовки соотношений между химическим строением, реакционной способностью и селективностью. Использование представлений, основанных на применении уравнения Маркуса, дало возможность с единых позиций протрактовать данные, полученные в предыдущих разделах. Анализ соотношения «реакционная способность — селективность», проведенный с использованием уравнения Маркуса, привел к выводу, что отклонений от антибат-ности между реакционной способностью и селективностью следует ожидать для тех реакций, в которых структурные характеристики системы меняются немонотонно при переходе от исходных соединений к активированному комплексу и далее — к конечным соединениям. В случае реакций свободнорадикального замещения симбатных соотношений между реакционной способностью и селективностью можно ожидать, если реакционная способность меняется за счет полярного эффекта, а селективность также измеряется по отношению к варьированию полярного эффекта. Данный вывод подтвержден как нашими экспериментальными данными, так и при анализе литературного материала. В этой же главе проводится теоретический анализ общности полученных закономерностей, а также возможность распространения сформулированных выводов о границах применимости принципа Белла — Эванса — Поляни на другие типы органических реакций".

— и.

Третья часть посвящена изложению использованных в работе экспериментальных методик, а также конкретных экспериментальных результатов. В приложении приводятся детали эксперимента, не имеющие общего значения, а также вывод ряда использованных в работе соотношений.

ЧАСТЬ I Глава I.

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ ФАКТОРОВ НА РЕАКЦИОННУЮ СПОСОБНОСТЬ СВЯЗЕЙ С-Н В РЕАКЦИЯХ СВОБОДНОРАДИКАЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ.

Обзор литературных данных).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Проведено широкое изучение реакционной способности органических соединений в реакциях свободнорадикального замещения при перекрестном варьировании строения органического субстрата и свободного радикала. На основании анализа зависимостей мевду строением субстратов и их реакционной способностью, направления изменений селективности для различных реакционных серий, анализа зависимостей между величинами кинетических изотопных эффектов водорода и другими параметрами селективности, природы сольватационных эффектов сделан выбор между двумя моделями природы влияния полярных заместителей на скорость свободнорадикального переноса атома водорода. Показано, что все полученные результаты согласуются с представлениями о разделении зарядов в активированном комплексе стадии переноса атома водорода. Охарактеризована относительная роль, а также взаимосвязь структурных факторов, влияющих на скорость реакций свободнорадикального замещения.

2. С использованием уравнения Маркуса и аналогичных представлений проанализировано соотношение «строение — реакционная способность — селективность «в реакциях свободнорадикального замещения. Продемонстрирована и экспериментально обоснована необходимость рассмотрения селективности как сложной величины, складывающейся из селективности по отношению к варьированию полярного и термодинамического факторов. Сформулированы условия существования симбатных зависимостей между реакционной способностью и селективностью в реакциях свободнорадикального замещения и экспериментально показано существование симбатных зависимостей при варьировании полярного фактора.

3. Разработана общая методология рассмотрения соотношений между реакционной способностью и селективностью. Проанализированы теоретические модели, связывающие реакционную способность и селективность, и сформулированы границы их применимости. Сделан вывод о возможных отклонениях от антибатных зависимостей между реакционной способностью и селективностью в тех случаях, когда структурные характеристики активированного комплекса не являются промежуточными между характеристиками исходного и конечного состояния.

4. Изучена кинетика взаимодействия арилхлориодонийхлоридов с алкилароматическими углеводородами и их производными.

1). Обнаружено влияние заместителей в АХИХ на величины КИЭ в реакции хлорирования и найдена корреляция ^ ^¿-г с.

— константами заместителей в АХИХ, что свидетельствует о существовании влияния заместителей на стабильность арилхлориодонилъных радикалов.

2). Показано, что арилхлориодонильные радикалы обладают весьма высокой электрофильностью и умеренной чувствительностью к варьированию энергии диссоциации разрываемой связи С-Н.

3). На примере изучения зависимостей между и реакционными параметрами^ при варьировании радикала исследована взаимосвязь полярного и термодинамического эффектов в реакциях свободнорадикального замещения.

5. Показано, что селективность хлорирования алифатических соединений с электронноакцепторными заместителями арилхлориодоний-хлоридами растет с увеличением электроотрицательности арил-хлориодонильного радикала.

6. На примере свободнорадикального хлорирования норборнана арилхлориодонийхлоридами впервые обнаружена возможность стерео-селективного протекания стадии свободнорадикального отрыва атома водорода.

7. Показано, что селективность свободнорадикального бромирова-ния замещенных толуолов уменьшается с ростом диэлектрической проницаемости среды. Найдены корреляции характеристик селективности реакций бромирования с характеристиками полярности растворителей.

8. Изучена стереоселективность свободнорадикального дегалоге-нирования 2-галогеннорборнанов и 4-трет.бутилциклогексилгало-генидов. Показано, что все результаты хорошо согласуются с представлениями о торсионных взаимодействиях в переходном состоянии как основном факторе, определяющем стереоселективность реакции.

9. Охарактеризована роль пространственных влияний в реакциях свободнорадикального галогенирования.

10. На основании изучения температурных зависимостей КИЭ сделан вывод о малой роли квантовомеханического туннелирования на стадии переноса атома водорода в реакциях галогенирования.

11. Изучен распад арилхлориодонийхлоридов в условиях свободно-радикальных процессов и установлены пути образования отдельных продуктов.

12. Изучен механизм хлорирования углеводородов и их производных арилхлориодонийхлоридами. Показано, что реакция протекает по двум конкурирующим механизмам, найдены условия течения реакции только через арилхлориодонильный радикал как агент продолжения цепи.

13. Изучени механизм хлорирования углеводородов сульфурилхло-ридом. Показано, что в ароматических растворителях единственным радикалом, отрывающим атом водорода, является хлор-радикал. Обнаружены побочно протекающие процессы образования сульфохлоридов. Охарактеризована селективность хлорсульфониль-ного радикала.

14. Показано единство механизма бромирования //-бромсукциними-дом для широкого круга субстратов и растворителей.

15. На основании изучения механизмов реакций свободнорадикаль-ного замещения и химии арилхлориодонийхлоридов разработаны прлезные в препаративном отношении методы синтеза хлоркетонов, арилиодидов, третичных и бензильных хлоридов, а также методы стереоселективного синтеза циклических углеводородов и их га-логенпроизводных. Продемонстрирована возможность повышения селективности реакций хлорирования полихлоралканов.