ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Внутримолекулярный общекислотный катализ из "Катализ в химии и энзимологии" Некоторые нуклеофильные агенты, содержащие в определенном положении по отношению к нуклеофильному центру кислотную группу, обладают особой реакционной способностью. Это их свойство объясняют часто внутримолекулярным общекислотным катализом. В неводных растворителях именно такое содействие приводит в ряде случаев к значительному ускорению реакции (при отсутствии внутримолекулярного катализа эти реакции протекают лишь при наличии специального катализатора или при сольватации третьей молекулой). Однако в водном растворе молекулы воды, по-видимому, эффективно сольватируют молекулы субстрата за счет водородных связей еще до реакции, и поэтому известно мало систем, для которых можно показать, что кислотная группа нуклеофила действительно вытесняет молекулу воды и выполняет роль катализатора. Многие из предполагаемых механизмов подобного рода, якобы происходящих в водном растворе, не выдержали тщательной проверки. Еще большее число таких систем пока подробно не анализировали. В тех случаях, когда предполагают наличие внутримолекулярного катализа под действием протонодонорных групп (например, с участием гидроксильной группы), целесообразно изучить реакционную способность родственных соединений, в которых кислотный атом водорода замещен алкильной группой, а также соединений, у которых кислотная группа размещена в таком положении, откуда она может оказывать лишь полярное влияние как заместитель, но не может участвовать в реакции в качестве внутримолекулярного катализатора. [c.89] Ранее уже было отмечено, что повышенную реакционную способность катионов диаминов по отношению к дианиону и-нитрофенилфосфата можна было бы объяснить внутримолекулярным кислотным катализом, однако при изучении соединений, в которых внутримолекулярный катализ стерически невозможен, можно показать, что данное явление обусловлено электростатическим эффектом. Еще одним примером может служить быстрая реакция аниона гидроперекиси с и-нитрофенилацетатом в воде. В случав такого рода реакций часто предполагают внутримолекулярное содействие гидроксильной группы молекулы гидроперекиси. Однако на основании того факта, что ион метилгидроперекиси также является высокореакционным соединением (лишь не намного менее реакционным, чем сама гидроперекись), для наблюдаемой реакционной способности следует искать другое объяснение, по крайней мере для данной реакции [36, 79]. [c.89] ЧТО суммарная реакционная способность гидроксиламина примерно в 300 раз превышает реакционную способность других аминов сравнимой основности, а реакционная способность кислородного аниона диполярной формы должна быть на несколько порядков больше, чем в случае кислородных анионов сравнимой основности. Маловероятно, чтобы этот диполярный анион обладал повышенной поляризуемостью (сам гидроксиламин характеризуется нормальной поляризуемостью) он не содержит свободной электронной пары на атоме, расположенном рядом с реагирующим атомом кислорода. Поэтому наиболее вероятным механизмом этой быстрой реакции является механизм внутримолеку.лярного общего кислотно-основного катализа, как это показано, например, на схемах XXVII—XXIX. [c.91] Тот факт, что алкилирование гидроксиламина протекает предпочтительнее у атома азота по сравнению с атомом кислорода, служит еще одним свидетельством того, что высокая реакционная способность атома кислорода по отношению к ацилирующим агентам обусловлена общим кислотно-основ-ным катализом (такой катализ не играет никакой роли в реакции алкилирования). [c.91] Нет никаких причин сомневаться в том, что кислоты Льюиса могут оказывать такое же содействие реакциям нуклеофилов, как и кислоты по Брёнстеду. Вероятным объяснением высокой реакционной способности гинохлорита или К-окиси пиридина по отношению к и-нитрофенилацетату может служить возможное взаимодействие электронов карбонильного атома кислорода с незанятыми -орбиталями атома хлора в ионе гипохлорита (XXX) или л-орбиталями в молекуле N-oки и пиридина (XXXI). [c.91] Известно, что такого рода донорно-акцепторные взаимодействия существуют как в растворе, так и в твердом состоянии (например, в комплексах брома и иода с ацетоном и амидами) [94, 95]. [c.91] Ускорения реакции, обусловленные наличием каталитической группы в молекуле нуклеофила, в принципе не отличаются по своей природе от ускорений, обусловленных каталитическими группами в молекуле субстрата, которые обсуждались в гл. 1. [c.91] Соединения, содержащие электроотрицательный атом со свободной электронной парой, расположенный рядод с нуклеофильным атомом, обнаруживают часто необычайно высокую реакционную способность, которая была названа а-эффектом [36, 96, 97]. К таким соединениям, действительно обнаруживающим высокую реакционную способность, относятся гидроксиламин и гидразин, а также анионы гипохлорита, 1 идроксамовых кислот. [c.91] ОКСИМОВ, гидроперекисей, нитрита и сульфита. Некоторые примеры приведены на рис. 11. [c.92] В итоге произойдет увеличение эффективной электронной плотности на субстрате и, следовательно, увеличится нуклеофильность соединения X (97]. [c.93] Важнейшая роль катализатора в электрофильном ковалентном катализе — облегчение протекания реакции и содействие удалению электронов из реакционного центра. Между электрофильным и нуклеофильным катализом нет резкой границы, поскольку реакции электрофильного катализа часто предшествует стадия, в которой катализатор, чтобы присоединиться к субстрату, действует как нуклеофил [см. уравнения (27) и (28)]. Более того, электрофильный катализ какой-либо реакции соответствует обычно нуклеофильному катализу обратной реакции. Поэтому используемое совершенно произвольное разграничение этих механизмов основано на том, представляет ли собой стадия, которая является наиболее важной для катализа, нуклеофильную или электрофильпую атаку, способствующую протеканию реакции в том направлении, в котором ее обычно записывают. [c.94] Катализ реакции переноса фосфата от АТФ (аденозинтрифосфат) к воде или к другим акцепторам — это интересный пример электрофильного катализа металлами [106]. Ион металла в реакциях такого рода может вести себя по-разному 1) экранироватр (гасить) отрицательные заряды на фосфатной группе, которые в противном случае стремились бы препятствовать атаке электронной пары нуклеофила, особенно в случае анионного нуклеофила 2) увеличивать реакционную способность атакуемого атома, оттягивая на себя электроны 3) способствовать улучшению свойств уходящей группы 4) служить связующим звеном между нуклеофилом и субстратом 5) изменять рХ и реакционную способность нуклеофила 6) изменять, по-видимому, геометрию молекулы субстрата таким образом, чтобы облегчить протекание реакции. Катализ ионами металлов является важным для многих ферментативных процессов и включает, по-видимому, эти же факторы. Кроме того, ион металла может участвовать и в связывании субстрата на ферменте в правильном положении. Применение методов ЭПР и ЯМР к исследованию непосредственного окружения иона металла позволило различить эти возможные механизмы как в ферментативных, так и неферментативных реакциях [107, 108]. [c.95] В котором как амино-, так и карбонильная группы связаны с кобальтом. Соединение XLVI, в котором происходит активация карбонильной группы при ее взаимодействии с металлом, реагирует с этиловым эфиром глицина, давая менее чем за 1 мин при 20 °С соединение XLVII. На основании этих результатов можно полагать, что последовательность реакций схемы (54) объясняет механизм катализа не только этого, но и родственных процессов. [c.98] Наиболее подробно изучен механизм превращения а, а-диметплацето-уксусной кислоты, так как в этой реакции нет осложнений, связанных с енолизацией исходного реагента. Скорость декарбоксилирования этого соединения в присутствии брома равна скорости образования бромирован-ного кетона, причем скорость не зависит от концентрации брома. Это свидетельствует о том, что промежуточный енольный продукт можно улавливать при помощи быстрой реакции с бромом схема (55) [114]. [c.99] Амины оказывают каталитическое влияние на декарбоксилирование а,а-диметилацетоацетата эффективность их действия уменьшается в последовательности первичные вторичные третичные. Несмотря на то что выражение для скорости реакций, катализируемых анилином и о-хлорани-лином, содержит несколько членов (причем некоторые из них не получили до сих пор достаточного объяснения), зависимость обеих реакций от pH имеет максимум, наличие которого связано лишь с членом, в который входят концентрации свободного амина, карбоксилат-аниона и ионов водорода [уравнение (57)]. [c.99] Эту зависимость дюжно разумно объяснить на основании дшханизма, который состоит из следующих стадий образования основания Шиффа из амина и Р-карбонильной группы, протонирования относительно основного атома азота в основании Шиффа (в результате чего образуется эффективная ловушка электронов) и декарбоксилирования схема (58), и Аг4 [114]. [c.99] Однако механизм реакции, по-видимому, может меняться при изменении условий и для разных субстратов. Превращение дибромида коричной кислоты в воде протекает в значительной степени постадийно по механизму с участием иона карбония, поскольку эта среда благоприятствует ионному механизму схема (59) [116]. [c.100] Декарбоксилирование щавелевоуксусной кислоты в этаноле в присутствии амина протекает с той же скоростью, что и образование основания Шиффа из этилового эфира этой кислоты [115] кроме того, скорость катализируемого цианометиламином декарбоксилирования ацетоацетата в водном растворе совпадает со скоростью реакции этилового эфира ацетоуксусной кислоты с цианометиламином с образованием основания Шиффа и енамина [117]. Если, как это кажется вероятным, стадией, лимитирующей скорость этих реакций, считать дегидратирование промежуточного карбиноламина [уравнение (58), к. , то равенство скоростей декарбоксилирования исходной кислоты и образования продукта присоединения в случае эфиров указывает на то, что скорость определяющей стадией этих реакций декарбоксилирования является образование основания Шиффа. Третичные амины также должны были бы реагировать по механизму согласованного декарбоксилирования карбиноламина — продукта присоединения поэтому отсутствие каталитической активности третичных аминов (при условии, что можно исключить стерические факторы) служит еще одним доводом, опровергающим наличие сопряженного механизма в рассматриваемых случаях. [c.100] На декарбоксилирование диметилоксалоацетата оказывают каталитическое действие ионы металлов, например АР и Си , которые могут образовать комплекс с анионом карбоксильной группы и кетонной группой, и действуют как ловушка электронов нри декарбоксилировании эти металлы могут также стабилизировать образовавшийся енолятный ион схема (62) [119]. [c.101] Вернуться к основной статье