ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Наличие канала реакции. Термодинамический и кинетический контроль из "Органический синтез" Вообще говоря, барьер между исходными веществами и продуктами реакции никогда не бывает бесконечно высоким. В самом деле, у нас всегда есть в запасе теоретически мыслимый крайний путь, определяющий верхний предел высоты барьера, а именно разобрать исходные молекулы на атомы (например, пиролизом), а потом собрать их по-новому так, чтобы образовались нужные продукты. При условии, что это превращение термодинамически разрешено, то и этот путь мог бы рассматриваться как вполне закоьшый, если бы не существовало ьгикаких других разрешенных направлений превращения системы. [c.69] Рассмотрим ту же систему X - V, прибавив еще один компонент — термодинамически более стабильный продукт Т (рис. 2.3). [c.69] Наиболее благоприятный случай для синтеза V представлен кривой а. Исходная система X может реагировать в двух направлениях с образованием целевого продукта V и побочного продукта Z. Барьер первой реакции существенно ниже, чем второй. Поэтому скорость реакции образования целевого продукта значительно превышает скорость побочной реакции, в результате чего весь исходный материал X расходуется на образование У, а побочная реакция просто не успевает пройти. Хотя по условиям задачи 2 является более стабильным продуктом, в рассматриваемом случае его образование не происходит из-за достаточно высокого барьера для превращения V - 2. Стабильность У есть стабильность кинетическая, и возможность его образования из X в данном случае определяется низкой скоростью превращения У в термодинамически более выгодный продукт 2. Иными словами, У по-прежнему сохраняет тенденцию свалиться в яму , но система заперта потенциальными барьерами, которые и обеспечивают возможность ее сохранения. Именно наличие сравнительно высоких потенциальных барьеров обусловливает возможность существования огромного числа органических соединений, подавляющее большинство которых термодинамически нестабильны, а также и возможность проведения синтеза против термодинамики , как в рассмотренном на рис. 2.1 примере получения продукта Р из исходного соединешгя А. [c.70] Кривые Ьис описывают неблагоприятные ситуации для синтеза У из X. В первом из этих случаев преобладает побочная реакция X 2, и продукт У просто не успевает образоваться. Во втором случае желаемая реакция осуществляется достаточно легко, но продукт У оказывается кинетически нестабильным, и из-за малости барьера между У и 2 превращение У 2 протекает очень легко, и в этом случае образование продукта 2 и будет основным результатом превращения системы X. [c.70] Рассмотрим, насколько разнообразными могут быть пути превращений одного органического соединения и какими способами удается управлять направленностью этих превращений на примере реакций толуола (6) (схема 2.3). [c.72] Реакция толуола с бромом в присутствии бромида железа(П1) протекает по совершенно другому механизму. Здесь реагентом не является ни молекулярный, ни атомарный бром. В этом случае молекулярный бром при действии бромида железа(П1) превращается в солеобразный комплекс, условно обозначаемый как Вг+[РеВг4] (схема 2.5). Эта реакция является обратимой, и стационарная концентрация бром-катиона в системе никогда не бывает высокой (как, впрочем, и в случае с атомарным бромом), но она вполне достаточна, чтобы эффективно вести основную реакцию. [c.73] Показанные схемы мехатзмов, несмотря на их крайнюю упрощенность, позволяют, тем не менее, четко сформулировать условия, которые должны соблюдаться, если мы намерены получать при бромировании толуола избирательно либо бензилбромид (7), либо и-бромтолуол (8). В первом случае реакцию надо проводить при облучении, и реагенты не должны содержать примесей, способных вызвать образование бром-катиона (например, нельзя использовать без очистки толуол, хранившийся в железных бочках и содержащий следы ржавчины). Что касается ионного бромирования, приводящего к -бромтолуолу (8), то его лучше проводить в темноте, иначе почти неизбежно побочное образование продукта радикального замещения, бензилбромида (7). [c.74] Реакция (5) известна как реакция Берча. Она проводится с помощью металлов I группы (обычно натрия) в жидком аммиаке в присутствии донора протонов (обьино спирта). Ее результатом также является присоединение водорода, но в этом случае не трех, а лишь одной молекулы с образованием циклогексадиена (11). Причина подобного хода реакции становится ясной, если рассмотреть механизм процесса. [c.75] Растворение щелочного металла, например натрия, в жидком аммиаке — это в сущности электролитическая диссоциация, непосредственным результатом которой является образование системы, содержащей ионную пару сольватированный катион металла — сольватированный электрон (схема 2.6). Первой стадией реакции Берча является атака сольватированного электрона на ароматическое ядро с образованием анион-радикала 14. Последний отрывает протон от спирта, давая при этом радикал 15. Этот радикал присоединяет второй электрон, давая карбанион 16, взаимодействие которого со второй молекулой донора протона дает диен 11. [c.75] Образование именно диена 11, а не других изомеров определяется тем, что из всех возможных альтернативных структур для первично образующегося анион-радикала наиболее стабильной является структура 14. [c.76] управление степенью восстановления толуола может быть обеспечено достаточно просто и надежно за счет выбора путей проведения этой реакции — каталитическим гидрированием или восстановлением по Берчу. [c.76] Еще одна из показагаых реакций толуола — окисление перманганатом с образованием бензойной кислоты (12) [(реакция (6), схема 2.3] — также является радикальным процессом, до некоторой степени аналогичным броми-роваьшю. Она состоит в последовательном замещении всех трех атомов водорода метильной группы с образованием карбоксильной группы. Интересно, что направленность этой реакции мало чувствительна к вариациям условий ее проведения. Это окисление может быть выполнено в воде или в среде органического растворителя, при комнатной температуре или нагревании — продуктом всегда будет бензойная кислота, хотя ее образование будет протекать с разной скоростью. [c.76] Показанные на схеме 2.3 реакции толуола иллюстрируют еще одну из особенностей большинства органических реакций, а именно тот факт, что в них принимают участие высокоактивные промежуточные продукты (интермедиаты), строение и свойства которых определяют как направленность реакции, так и саму возможность ее осуществления. В наших примерах это были бром-катион и атомарный бром, а-комплекс 13, анион-радикал 14 и карбанион 16. Однако интермедиаты ни в коем случае нельзя отождествлять с переходными состояниями, хотя нередко по строению и энергетике они могут быть близки последним. Различия между ними можно проиллюстрировать энергетическим профилем реакции, представленном на рис. 2.4. [c.76] Переходное состояние — это нечто совсем иное. Это именно мгновенное состояние реагируюшей системы в ее динамике, которое в принципе не может существовать в статике. Энергетический профиль показывает это на своем языке отсутствие потенциальных барьеров для В и О делает невозможным даже их кратковременное существование. Система, достигшая максимума В или В, должна немедленно скатиться до состояния с более низкой энергией (А, С или Е), где она может закрепиться благодаря наличию потен-циальньгх барьеров. [c.77] Из сказанного можно вывести два заключения. Во-первых, интермедиаты могут существовать в типичной реакционной системе лишь в очень низких концентрациях, поскольку они расходуются быстрее, чем накапливаются. Поэтому их вьщеление в индивидуальном состоянии или просто регистрация инструментальными методами могут оказаться достаточно сложной задачей. Во-вторых, если удается каким-либо образом получить интермедиат в виде стабильного соединения, то его реакции с субстратами могут проводиться в гораздо более мягких условиях и с большей селективностью. Это утверждение требует некоторых пояснений. [c.77] Поскольку интермедиаты, как мы уже отмечали, являются высокоактивными вешествами, то их образование требует значительной затраты энергии, т.е. применения высокоактивных реагентов, высокой температуры, сильных кислот или оснований. Если проводить стадию генерации этих интермедиатов в присутствии субстратов, то может оказаться, что в применяемых жестких условиях эти субстраты будут не только реагировать с образующимися интермедиатами, но и претерпевать совсем иные, побочные превращения, не связанные с основной реакцией. Этих осложнений можно избежать, если удается разработать метод генерации интермедиата как стабильного соединения с тем, чтобы далее вводить его в реакцию с требуемым субстратом. При таком постадийном проведении процесса обеспечивается возможность проведения каждой из его стадий (генерации интермедиата и его реакции с субстратом) в оптимальных для нее условиях. Преимущества подобного подхода очевидны, и поэтому неудивительна наблюдаемая тенденция как можно шире использовать его при проведении самых разных превращений. Хотя мы еще неоднократно будем возвращаться к обсуждению этого важного момента, уместно здесь рассмотреть один из поучительных примеров. [c.77] на ряде примеров мы видели, что существуют достаточно широкие возможности для того, чтобы управлять реакционной способностью органических соединений и направлять их превращения в желаемую сторону путем тщательного выбора необходимых для этого реагентов и условий, оптимальных для протекания требуемой реакции. Разнообразие органических реакций поистине поразительно, однако далеко не все они могут служить эффективными инструментами в направленном органическом синтезе. Действительно, основные пути взаимного превращения органических соединений уже были найдены к 30-м годам XX в., и уже не существовало принципиальных препятствий для реализации превращения чего угодно во что угодно или, иначе говоря, для синтеза соединений любой сложности. Иными словами, уже в те времена органическая химия могла решать, по крайней мере в принципе,синтетические задачи любой сложности. Однако потребовалось еще несколько десятилетий для того, чтобы теоретически возможное превратилось в практически реализуемое. Такая кардинальная трансформация самого образа органического синтеза стала возможной в первую очередь благодаря действительно революционным достижениям в области создания новых синтетических методов. Конечно, многие из этих методов были созданы благодаря открытию новых реакций, но не меньшее значение имела разработка проблем, связанных с синтетическим использованием уже хорошо известных реакций, так сказать, возведением этих реакций в ранг синтетических методов. Посмотрим, что же для этого требуется от органической реакции. [c.78] Вернуться к основной статье