Основной целью работы является количественное изучение закономерностей щелочного гидролиза пространственно затруденных аренсульфонатов в среде водного диоксана.
Поставленная цель потребовала проведения следующих исследований:

• нахождение качественных закономерностей реакционной способности субстата и структуры его ацильной части в условиях нуклеофильного замещения в водном диоксане различной полярности;
• уточнение места разрыва связи при нуклеофильном замещении в аренсульфонатах;
• количественное изучение реакционной способности аренсульфонатов в водном диоксане;
• корреляционный анализ взаимосвязи структуры субстрата и его реакционной способности;
• нахождение температурных зависимостей констант скорости гидролиза аренсульфонатов;
• расчет активационных параметров исследуемого процесса;
• теоретическое моделирование структуры молекул аренсульфонатов квантовохимическими методами в исходном и переходном состоянии;
• анализ термодинамических параметров переходного состояния реакции щелочного гидролиза 4-нитрофениларенсульфонатов;
• выявление механизма замещения в исследуемых субстратах и возможной структуры переходного состояния.

Работа является развитием теории взаимосвязи реакционной способности и структуры органических соединений, в частности, исследования орто-эффекта алкильных групп в химии органических соединений серы, который остается практически неисследованным явлением.

При выполнении работы была сделана попытка отойти от традиционного формального подхода к проблеме реакционности затрудненных соединений, который не всегда может определить степень и механизм проявления "эффекта близости". Все результаты являются новыми, приоритетными и соответствуют мировому уровню разработок в области исследования реакционной способности соединений и механизмов гомогенных химических реакций.

Практическая ценность

Большинство исследованных пространственно затрудненных серосодержащих соединений проявили значительную антимикробную активность против возбудителей капельных, гнойно-воспалительных заболеваний различной локализации, кишечных и грибковых заболеваний, что подтверждено патентами (1993-1998 гг) и актами испытаний соответствующих учреждений.
Перспективные области применения: химико-фармацевтическая промышленность, медицина.

Помимо этого, исследуемые соединения представляют собой продукты химической очистки фенолсодержащих промышленных вод методом сульфохлорирования. Образующиеся в результате переработки фенольных стоков фенилсульфонаты после дополнительной очистки могут использоваться в традиционных областях их применения - в качестве пластификаторов резин и пластмасс.
Имеются данные, что рассматриваемые субстраты целесообразно применять в качестве присадок к смазочным маслам для двигателей внутреннего сгорания.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

При исследовании реакций бимолекулярного нуклеофильного замещения в аренсульфохлоридах был обнаружен эффект, определенный как "положительный стерический", заключающийся в резком ускорении реакции гидролиза [2,3] и каталитического фенолиза [4,5] при наличии орто-метильных заместителей вблизи сульфонильного центра. Полученные данные заставляют думать, что причина подобного неклассического проявления стерического эффекта не ограничивается только действием уже известных факторов заместителей и зависит не только от растворителя, а обусловлена особенностями структуры переходного состояния S_N2-типа.

Экспериментальная часть

Замещенные 4-нитрофениловые эфиры ароматических сульфокислот получали в щелочной среде путем обработки 4-нитрофенола или 4-нитрофенолята натрия соответствующими ароматическими сульфохлоридами. Контроль качества синтезированных веществ осуществлялся УФ-, ИК-, ПМР-спектроскопией. Растворители для кинетических измерений готовили согласно методикам [6] и использовали свежеочищенными.

Спектры соединений в видимой и УФ-области регистрировали на спектрофотометре СФ-16 в термостатированных кварцевых кюветах толщиной 1 см в 70% водном диоксане. На рис. 1 на примере мезитиленсульфоната, соли сульфокислоты и нитрофенолята калия представлены результаты спектроскопических измерений исходного субстрата и продуктов его гидролиза.

Выбор условий кинетического эксперимента определялся возможностью проведения сравнительного анализа с процессами замещения в сульфогалогенидах [7]. Исследовался щелочной гидролиз 4-нитрофениларенсульфонатов общей формулы XAr-SO₂-O-Ph-NO₂-4, где Х=2,4,6-i-Pr₃, 2,6-Me₂-4-t-Bu, 2,4,6-Me₃, 2,6-Me₂-4-i-Pr, 4-OEt, 3,4-Me₂, 4-t-Bu, 2,5-Me₂, 4-Me, 4-Et, 4-Сl, 4-Br, 2,4,6-Me₃-3-NO₂, 4-NO₂ в среде 70% (объем.) водного диоксана в интервале температур 303-323 К. Реакция проводилась в условиях псевдопервого порядка по нуклеофилу. Соотношение концентраций сульфоната и щелочи в исходной смеси составляло приблизительно 1:30. Контроль за ходом реакции осуществляли спектрофотометрически при длине волны 405 нм по накоплению конечного продукта - 4-нитрофенолята калия.

Эффективные константы скорости k* (с^-1) реакции рассчитывали по уравнению первого порядка:

Таблица 1 - Константы скорости и активационные параметры реакции щелочного гидролиза
XAr-SO₂-O-Ph-NO₂-4 в 70% водном диоксане

№	X	k·102, л/(моль·с)			H, кДж/моль	-S, Дж/(моль·К)
		303 K	313 K	323 K
I	2,4,6-i-Pr3	0,633	2,17	6,27	83,0±2,4	-13,1±7,5
II	2,6-Me2-4-t-Bu	0,427	1,47	3,16	79,1±9,5	28,9±7,3
III	2,4,6-Me3	3,33	10,4	22,4	75,2±8,1	25,0±23,6
IV	2,6-Me2-4-i-Pr	0,850	2,78	6,26	78,8±7,3	24,2±23,4
V	4-OEt	0,895	2,32	4,94	66,9±0,6	63,3±1,2
VI	3,4-Me2	0,739	1,56	3,45	60,1±2,3	87,7±7,3
VII	4-t-Bu	0,600	2,10	4,73	81,1±8,4	19,3±26,9
VIII	2,5-Me2	0,591	1,36	4,09	75,1±7,6	37,0±24,5
IX	4-Me	1,59	3,21	7,33	59,7±4,2	82,6±13,3
X	4-Et	1,20	2,81	8,32	76,3±6,9	30,6±22,0
XI	4-Сl	6,54	15,0	27,2	55,4±4,3	84,7±13,8
XII	4-Br	11,7	29,5	50,0	55,9±8,2	75,4±26,5
XIII	2,4,6-Me3-3-NO2	24,7	41,5	83,0	46,4±5,0	103±16
XIV	4-NO2	303	461	648	40,3±6,2	102±20

Примечание. Погрешность в определении констант скорости составила не более 1,2%.

Обобщенную схему процесса можно представить следующим образом:

(1)

Классический S_N2-механизм - это реакция a. В нашем случае атака нуклеофила может осуществляться по направлениям b, c, d на различных ступенях разрыва связи S-/-O. Но все перечисленные вариации механизма затрагивают в лимитирующей стадии образование связи S…Nu, что должно проявляться в кинетических закономерностях реакции сольволиза.

Реакционная способность всех исследованных соединений повышается с возрастанием температуры и электроноакцепторных свойств заместителя. Однако в ряде случаев накопление электронодонорных алкильных групп в кислотной части молекулы приводит к повышению скорости реакции замещения (I-IV, табл. 1).
Так, для 4-нитрофенилмезитиленсульфоната (III) отношение k_III/k_IX равно 3,25, в то время как эта величина для VI и IX (табл.1) составляет 0,48. Представленная на рис. 2 изокинетическая зависимость в координатах lg k_T2 - lg k_T1 (Т2>Т1) [8] и накопленный фактический материал по нуклеофильному замещению у сульфонильной серы [7, 9] не дают оснований предполагать реализацию различных механизмов замещения в исследуемом наборе соединений.

Ввиду разнообразия эффектов, связанных с сольватацией, электронной структурой, пространственными требованиями исходных и переходных состояний, полученные термодинамические параметры не дают однозначного ответа на вопрос об особенностях механизма реакции. Тем не менее, их можно условно объединить в две группы (рис. 3).

Первую группу (А) составляют соединения, содержащие заместители небольшого объема в положениях 3 и 4 бензольного кольца ацильной части, независимо от характера электронного влияния ( V, VI, IX, XI-XIV, табл. 1). Для них характерны изменения энтальпии и энтропии активации в пределах 40-65 кДж/моль и -(60-100) Дж/(моль·К) соответственно (рис. 3). Ко второй группе (В) относятся субстраты, имеющие объемные 2- и 4-алкильные заместители в кислотной части (I-IV, VII, VIII, X, табл.1). Энтальпия активации ПС для них изменяется в интервале 75-82 кДж/моль, энтропия активации с учетом расчетных погрешностей находится вблизи нуля (рис. 3).

Таким образом, для субстратов А наблюдается выигрыш в энтальпии активации, но переходное состояние характеризуется определенными пространственными требованиями. Для соединений В повышение энтальпии ПС должно приводить к понижению скорости гидролиза. Но одновременно с этим, резкое возрастание энтропии переходного состояния свидетельствует об увеличении числа степеней свободы ПС по сравнению с исходным состоянием. Итак, увеличение реакционной способности системы в пределах исследуемого набора субстратов можно объяснить двумя различными факторами: малой величиной энтальпии активации H (3- и 4-замещенные) и близкой к исходному состоянию энтропией переходного (S~0, орто-алкильные производные). Данный факт является достаточно неожиданным, исходя из стерических возможностей нуклеофильной атаки атома серы для второй группы соединений (В). Но наличие подобного аномального эффекта было обнаружено для замещения в галогенидах аренсульфокислот [4,7].

Значение изокинетической температуры Тизо, определенное известным методом [8], оказалось равным 433 и 150 К для первой и второй группы соединений соответственно. Не обсуждая точность подобного определения численных значений Тизо, следует отметить следующее, являющееся на наш взгляд основным. Рабочий интервал температур (303-323 К) находится выше или ниже Тизо в зависимости от структурных особенностей субстратов А или В (рис. 3). Отсюда очевидно, что интерпретация разницы реакционной способности должна быть различной при Т><Тизо. Принято считать [10], что при Т=Тизо вклады энтальпийного H и энтропийного T·S факторов свободной энергии активации G уравновешиваются. Тогда, при повышении температуры от значения Тизо изменение H более чем возмещается еще большим изменением T·S, а при Т<Тизо сильные взаимодействия в ПС снижают H , но одновременно существует меньше степеней свободы внутреннего движения, и, следовательно, тем больше уменьшение S (эффект компенсации). Можно предположить, что при Т>Тизо (В, рис. 3) имеет место энтропийный контроль, а при Т<Тизо (А) - энтальпийный, что отражается в кинетических закономерностях процесса гидролиза (табл. 1).

Оценка взаимосвязи реакционная способность - структура была проведена с помощью уравнения Гаммета:

(2)

Субстраты А хорошо описываются этим соотношением (r=0,99, S=0,12, n=7), величина находится в пределах 2,22-2,44, что характерно для большинства реакций бимолекулярного нуклеофильного замещения [11]. При этом селективность системы падает при увеличении ее реакционности (повышении температуры).

Реакционную способность субстратов второй группы (В) невозможно рассмотреть в рамках уравнения (2) (рис.3), что может быть отнесено к конкуренции влияния различных электронных и стерических факторов на скорость реакции замещения. С учетом сказанного, сделана попытка описать исследуемый ряд соединений в рамках уравнения (3):

(3)

Данные расчета приведены в табл. 2. Статистические показатели (r, S, n) уравнения (3) являются достаточно надежными.

Таблица 2 - Корреляционные параметры уравнения (3)

T, K	-lg k0		-q	r	S	n
303	1,57±0,05	2,57±0,15	0,85±0,22	0,971	0,157	13
313	1,21±0,05	2,37±0,14	0,98±0,20	0,969	0,146	13
323	0,87±0,04	2,25±0,13	1,00±0,19	0,971	0,133	13

Коэффициент q в этом уравнении отрицателен и по значению приближается к единице. Это означает, что дополнительно учтенный фактор q=·· компенсирует замедление реакции для донорных заместителей, вызванное их электронными эффектами, что может быть следствием сильной перестройки стереоэлектронной структуры субстратов В в процессе нуклеофильной атаки. Вклад этого эффекта возрастает при увеличении числа степеней свободы внутреннего движения в ПС (при повышении температуры) от ~30 до 40% величины (табл. 2), что не противоречит сделанным ранее выводам, касающимся роли фактора S для орто-замещенных субстратов.

Обобщим сказанное. Для классического механизма (схема 1, а) характерны малые значения энтальпии активации H . Но такой процесс требует строгой ориентации реагентов друг относительно друга, что отражается в больших отрицательных значениях S. Возможно, этот механизм реализуется для мета- и пара-замещенных аренсульфонатов А (рис. 3), поведение которых описывается уравнением (2). ПС для них можно представить следующим образом, с учетом высокой роли образования связи S…Nu по данным уравнения (2). Для ступенчатых процессов b, c, d (схема 1) критической ориентации атомов не требуется, и энтропия активации положительна или приближается к нулю. В нашем случае для субстратов В (рис. 3) разрывающаяся S-/-O связь в ПС несколько длиннее, чем в молекуле реагента, что, вероятно, приводит к близкой к нулю величине S. Подобное удлинение связи S-нуклеофуг в переходном состоянии предположено ранее для сульфогалогенидов [12] и может быть отнесено к искажению структуры субстрата при наличии орто-заместителей. Маршрут реакции в этом случае будет приближаться к b. ПС характеризует так называемый "промежуточный" механизм бимолекулярного замещения, где атака нуклеофила осуществляется на сильно поляризованный субстрат.


Таким образом, следует отметить, что переходное состояние при нуклеофильном замещении в аренсульфонатах характеризуется несимметричной структурой, определяемой свойствами заместителя. Все проявления "положительного" орто-эффекта для затрудненных сульфонильных систем, вероятно, находятся в зоне энтропийного контроля.

ВЫВОДЫ

1. Проведен синтез ряда пространственно затрудненных 4-нитрофениларенсульфонатов.
2. Впервые изучена кинетика щелочного гидролиза стерически напряженных сульфонатов в 70% водном диоксане в зависимости от температуры и структурных особенностей субстрата.
3. Исследован и подтвержден эффект ускоряющего действия орто-алкильных групп на процесс нуклеофильного замещения у атома серы сульфогруппы.
4. На основании анализа кинетических закономерностей и литературных данных механизм реакции определен как бимолекулярный, переходное состояние S_N2-типа характеризуется несимметричной структурой, определяемой свойствами заместителя. Это вызывает сложный характер зависимости в координатах уравнения Гаммета.
5. Методом перекрестной корреляции сделана попытка оценить совместное влияние электронных и пространственных эффектов заместителя на реакционность субстрата. Сделано предположение о конформационной "нежесткости" стерически затрудненных сульфонильных систем и значительном изменении стереоэлектронного характера переходного состояния при варьировании структуры ацильной части субстрата.
6. Нерастворимость аренсульфонатов в воде и чрезвычайно низкая реакционность в условиях нейтрального гидролиза позволяет использовать метод обесфеноливания сточных вод аренсульфохлоридами.
7. Работа по выяснению общих закономерностей нуклеофильного замещения в аренсульфонатах далеко не завершена. В настоящее время исследования продолжаются.

1. S_N2 - бимолекулярное нуклеофильное замещение
2. Ar - ароматический радикал
3. i-Pr - изопропил
4. Me - метил
5. Et - этил
6. t-Bu - трет-бутил
7. OEt - этокси
8. КИП - контактная ионная пара
9. СИП - сольватно-разделенная ионная пара
10. Nu - нуклеофил
11. H- энтальпия активации
12. S- энтропия активации
13. - чувствительность реакционной серии к электронным эффектам заместителей
14. - постоянная заместителя
15. ПС - переходное состояние
16. r - коэффициент корреляции Пирсона
17. S₀ - среднеквадратическое отклонение
18. n -число экспериментальных точек
19. Тизо - изокинетическая температура
20. - постоянная Чартона
21. - чувствительность реакционной серии к стерическим эффектам заместителей
22. - мера интенсивности взаимного влияния электронных и пространственных
эффектов заместителей

1. Реутов О.А., Курц А.Л., Бутин К.П. Органическая химия. Часть 1. - М.: Изд-во МГУ, 1999. - 560 с.
2. Визгерт Р.В., Рублева Л.И., Максименко Н.Н. Реакционная способность пространственно-затрудненных производных ароматических сульфокислот. II. Влияние эффектов структуры субстрата и полярности среды на гидролиз бензолсульфохлоридов // Журн. орган. химии. - 1990. т.26, вып.12. - с.2605-2609.
3. Рублева Л.И., Крутько И.Н., Митченко Р.С. Реакционная способность пространственно-затрудненных производных ароматических сульфокислот. VII. Гидролиз аренсульфохлоридов в водном ацетонитриле // Журн. орган. химии. - 1998. т.34, вып.7. - с.1059-1062.
4. Максименко Н.Н., Рублева Л.И., Реакционная способность пространственно-затрудненных производных ароматических сульфокислот. III. Влияние структуры арилсульфохлорида на кинетику каталитического сульфонилирования фенола // Журн. орган. химии. - 1991. т.27, вып.4. - с.809-813.
5. Рублева Л.И., Максименко Н.Н. Реакционная способность пространственно-затрудненных производных ароматических сульфокислот. VIII. Общая математическая модель каталитического сульфонилирования фенола // Журн. орган. химии. - 2000. т.36, вып.9. - с.1338-1340.
6. Лабораторная техника органической химии / под ред. Б. Кейла - М.: Мир, 1966
7. Визгерт Р.В., Максименко Н.Н., Рублева Л.И. Особенности реакционной способности стерически затрудненных ароматических сульфохлоридов в реакциях нуклеофильного замещения // Укр. хим. журн.-1993. т.59, №11. - с.1219-1230.
8. Пальм В.А. Основы количественной теории органический реакций. - Л.: Химия, 1977. - 360 с.
9. Визгерт Р.В.Механизмы гидролиза ароматических сульфохлоридов, алкил- и арилсульфонатов // Успехи химии, 1963. т.32, вып.1, с.3-39.
10. Шмид Р., Сапунов В.Н. Неформальная кинетика. В поисках путей химических реакций. - М.: Мир, 1985. - 264 с.
11. Жданов Ю.А., Минкин В.И. Корреляционный анализ в органической химии. Ростов: изд-во Ростовского университета, 1966. - 472 с.
12. Рублева Л.И., Лящук С.Н., Максименко Н.Н., Визгерт Р.В. Структура, энергии стерического напряжения и реакционная способность замещенных бензолсульфохлоридов // Журн. орган. химии. - 1994. т.30, вып.2. - с.261-265.