ПЗ "Межфазный катализ, как способ получения макроциклов"
Большинство органических реакций протекают в жидкой фазе. Поэтому выбор растворителя при разработке условий направленного органического синтеза так же важен, как и выбор реагентов. В органических реакциях участвуют как органические, так и неорганические вещества. Как правило, органические соединения хорошо растворимы в органических растворителях, а неорганические - в воде. Попытки создать универсальный растворитель для реагентов обоих типов привели к открытию апротонных диполярных растворителей, таких, как диметилформамид (ДМФА), диметилсульфоксид (ДМСО), гексаметилфосфортриамид (гексаметапол), тетраметиленсульфон (сульфолан), существенно обогативших арсенал химика-синтетика. Однако и с их помощью не удается решить все проблемы растворимости и реакционной способности. Кроме того, эти растворители дороги, малодоступны, их нелегко осушать, очищать и регенерировать. Возможно нетривиальное решение проблемы: использование для проведения органической реакции гетерогенных систем органический растворитель - водная фаза.
В таких системах органический реагент находится преимущественно в органической фазе, а неорганический - в водной. Скорость химической реакции определяется процессом диффузии реагентов через границу раздела фаз. Для увеличения поверхности контакта между несмешивающимися фазами необходимо интенсивное перемешивание. Однако на многие органические реакции, протекающие в гетерогенной системе, процесс перемешивания не оказывает заметного влияния. Реагенты так и остаются в своих фазах, трудно реагируя друг с другом или вовсе не вступая в химическое взаимодействие.
Межфазный катализ (МФК), или в английской терминологии Phase Transfer Catalysis (PTC), относится некоторыми экспертами к открытиям в области экспериментальной органической химии. Этому открытию предшествовали отдельные исследования, авторы которых (М. Жарусс, 1951; А. Бабаян, Н. Гамбарян, 1953) наблюдали ускорение некоторых гетерогенных процессов под действием четвертичных солей аммония, таких, как галогениды тетрабутиламмония. Потребовалось более 10 лет, чтобы обобщить разрозненную информацию и объяснить это явление, возведя его в ранг принципиально нового метода экспериментальной органической химии. Символично, что пионерские работы, заложившие фундамент МФК, выполнены в середине 60-х годов сотрудниками промышленных лабораторий. Ч. Старкс ("Continental Oil", США), А. Брэнстрем ("AB Hassle", Швеция) и М. Макоша (Варшавский технологический университет) почти одновременно сформулировали основные принципы межфазного катализа и на многочисленных примерах показали его уникальные возможности. С публикаций этих авторов началось широкое использование МФК в органическом синтезе.Рассмотрим базовые принципы МФК в приложении к процессам С-алкилирования, которые широко используются в органическом синтезе как метод наращивания углерод-углеродной цепи. Алкилированию обычно подвергают органические соединения с подвижным атомом водорода (СН- или NH-кислоты), в роли которых выступают некоторые углеводороды, спирты, гетероциклы. Например, типичными CH-кислотами являются эфиры циануксусной или малоновой кислот. Анионы подобных кислот (Nu-) обладают нуклеофильной реакционной способностью. Источником карбанионов (Nu-) служат либо сами кислоты (NuH), либо их соли (Nu-М+, где М+ = Na+, K+), которые образуются в результате реакции СН-кислот и гидроокисей металлов. Ниже приведен пример образования карбаниона из динитрила малоновой кислоты:
CH2(CN)2 + NaOH Na+ -CH(CN)2 + H2O,
NuH Nu-Na+
Na+ -CH(CN)2 Na+ + -CH(CN)2
Nu-Na+ Nu-
В качестве алкилирующих агентов используют галогеналканы (R-X), где R = Me, Et, Bu и т.д.; X= Cl, Br, I. В процессе реакции происходит нуклеофильное замещение аниона галогена X- в субстрате R-X карбанионом Nu- с образованием продукта алкилирования R-Nu:
Nu- + R-X R-Nu + X-
Теперь задумаемся над выбором растворителя для проведения этой реакции. Самым доступным и дешевым растворителем, как известно, является вода. В полярной водной среде (диэлектрическая постоянная e = 80) ионная пара (Nu-Na+) диссоциирует нацело, в результате чего в водном растворе образуется анион Nu-. Анион сольватирован молекулами воды, которая образует достаточно прочные водородные связи с заряженным отрицательно атомом углерода (специфическая сольватация). При специфической сольватации блокируется нуклеофильный реакционный центр карбаниона, что до минимума снижает его реакционную способность. Следует принять во внимание и тот факт, что галогеналканы R-X плохо растворимы в воде, а их прямой контакт с H2O вообще нежелателен из-за возможности гидролиза.
В безводных апротонных биполярных растворителях (ДМФА, ДМСО) указанные выше нежелательные явления исключены. Однако в таких растворителях соли Nu-М+ не диссоциируют нацело, как в воде, а находятся в виде различных ионных форм, связанных между собой равновесиями:
Nu-M+ Nu- || M+ Nu- + M+
Контактная Сольватно-разделенная Свободные ионы
ионная пара ионная пара
В апротонных биполярных растворителях равновесие сдвинуто в сторону контактных ионных пар. К сожалению, это неблагоприятно отражается на скорости органической реакции. Нуклеофильная реакционная способность сольватно-разделенных (катион и анион разделены как минимум одной молекулой растворителя), а тем более контактных ионных пар с электрофильными агентами несоизмеримо меньше, чем свободных карбанионов. По этой причине константы скорости реакций замещения солями карбанионов в апротонных растворителях, как правило, очень малы.
В арсенале органической химии давно существуют методические приемы, позволяющие генерировать в неводном растворе реакционноспособные свободные анионы Nu-. Для этого используют щелочные металлы, их гидриды, амиды, алкоксиды и тщательно обезвоженные и очищенные органические растворители. Применение таких сложных и опасных систем в лаборатории, а тем более в промышленном органическом синтезе рассматривается как вынужденная мера.
Отредактировано Alua (2020-11-14 09:13:38)
