Протолитическая способность некоторых пространственных аминов

1  2

---

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение

1 ЭПР-спектроскопия свободных радикалов

1.1 Протолитические свойства нитроксильных радикалов

1.2 Протолитические свойства семихинонных радикалов

1.3 Метод спинового зонда

2 Квантово-химические и ЭПР-спектроскопические исследования протолитических свойств кодеина 40

2.1 Квантово-химические исследования межмолекулярного протонного переноса к кодеину

2.2 ЭПР-спектроскопия межмолекулярного протонного переноса к кодеину

Заключение

Список использованной литературы

Приложение

 

Введение

 

В связи с большим количеством проводимых исследований в области органической химии, биохимии и молекулярной биологии возросла потребность в экспериментальных данных и их теоретической интерпретации, касающихся реакций с участием протона. С каждым годом увеличивается число публикаций посвященных изучению механизма и оценки кинетических и термодинамических параметров реакций, в которых непременным участником является протон [1-5].

Физико – химиков привлекает также простота этих реакций, протекающих без взаимодействия электронных оболочек реагентов, что позволяет проводить моделирование данных реакций методами теоретической химии, и способствует более глубокому пониманию кинетики и механизма протолитических превращений.

Существенные результаты в данной области были достигнуты лишь за последние два десятилетия благодаря методам ЯМР и ЭПР – спектроскопии [5-10].

Вследствие уникальных свойств протона (отсутствие электронной оболочки, аномальная подвижность) жидкофазные протолитические реакции протекают с высокими скоростями, достигая иногда диффузионного предела; Это предопределяет некоторые методические сложности при изучении кинетических параметров данной реакции. В этом плане перспективным представляется использование метода ЭПР – спектроскопии. Достоинством данного метода является тот факт, что благодаря характеристическому частотному диапазону трехсантиметрового радиоспектрометра, становится возможным исследование протолитических процессов, осуществляющихся в наносекундном временном режиме.

Для изучения кинетики быстропротекающих по времени химических процессов в ЭПР–спектроскопии используют долгоживущие органические парамагнетики (своеобразные спиновые зонды) – удобные для анализа СТС спектров. Свое положение в общем арсенале средств научного эксперимента метод ЭПР завоевал за относительно непродолжительный период времени: явление, лежащее в основе метода, было открыто Е. К. Завойским в Казани более 60 лет назад, а привлечение этого открытия на службу физико-химическим исследованиям в нашей стране было начато В.В. Воеводским 60 лет назад.

Метод ЭПР с самого своего зарождения открывал широкие перспективы проникновения в детали внутреннего строения вещества. Информация об этих деталях в методе ЭПР получается из картины поведения в соответствующих условиях идеальнейших микрозондов – неспаренных электронов, существующих естественно или созданных искусственно в отдельных частях молекулы или на отдельных стадиях химической реакции. Эти перспективы стимулировали интенсивные теоретические исследования физической сущности метода и его возможностей. В настоящее время в распоряжении экспериментаторов имеется ряд отличных монографий, систематически и всесторонне трактующих процессы в веществе, ведущие к формированию сигналов ЭПР, а также пути количественной интерпретации параметров сигнала.

Проведение кинетических исследований быстропротекающих протолитических реакций в неводных органических растворах, в том числе первичных и вторичных аминов, стало возможным благодаря разработке и созданию новых типов кислотных спиновых зондов на базе стабильных семихинонных радикалов. Впервые семихинонный радикал 3,6-ди-трет.бутил-2-оксифеноксил (СР I) был синтезирован и исследован А.И. Прокофьевым, Н.Н. Бубновым, В.В. Ершовым и др. (ИНЭОС и ИХФ РАН, г. Москва) [6-7]. Систематические исследования протолитических реакций семихинонных радикалов были начаты А.С. Масалимовым под руководством Н.Н. Бубнова и А.И. Прокофьева. Эти работы нашли свое продолжение и развитие в лаборатории радиоспектроскопии КарГУ имени Е.А. Букетова [8-9].

Наряду с теоретическими исследованиями метод ЭПР широко использовался в практических работах. Творческими усилиями многочисленных исследовательских групп развивалась другая сторона ЭПР-спектроскопии – сторона, которую принято называть техникой (или искусством) ЭПР-спектроскопии. Сюда относятся технические приемы получения интересующей экспериментатора информации, а также реализация этих приемов в виде узлов, приспособлений и вспомогательных агрегатов, дополняющих или видоизменяющих основные системы спектрометра. В общей сумме усилий, которых требуют исследования методами ЭПР-спектроскопии, эти работы составляют весьма ощутимую часть. В большинстве случаев успех экспериментального исследования достигается только при правильной технической оснастке измерительной системы.

За последние 15 – 20 лет был получен обширный новый экспериментальный материал по этим процессам, но многие принципиальные вопросы касающиеся механизма остаются еще не решенными.

Целью настоящей работы являлось ЭПР-спектроскопическое исследование и квантово-химическая интерпретация протолитических свойств кодеина – алкалоида с атомом азота в узле и обладающего основными свойствами.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

ЭПР-спектроскопическое изучение протолитических свойств кодеина в неводных средах;

Подбор соответствующей модели внутримолекулярной таутомерии и разработка соответствующего программного обеспечения;

Выбор для используемой модели внутримолекулярной таутомерии в 4-трифенилметил-6-ди-трет.бутил-3-хлор-2-оксифеноксиле корректной теории;

Изучение квантово-химическими методами расчета электронных структур и свойств радикала, а также механизма внутримолекулярной таутомерии;

Сопоставление расчетных величин с результатами ЭПР-спектроскопического эксперимента, полученными ранее.

Объектом исследования, с помощью метода ЭПР-спектроскопии и спинового зонда кислотного типа – 4-трифенилметил-6-ди-трет.бутил-3-хлор-2-оксифеноксил.

Настоящая работа является продолжением исследований, проводимых в лаборатории Радиоспектроскопии Карагандинского государственного университета им. Е.А. Букетова.

 

1 ЭПР-спектроскопия свободных радикалов

 

Бимолекулярные реакции протонного обмена осуществляются между радикальными Н-кислотами (XH) и другими протонодонорами (ZH), такими как первичные и вторичные амины, карбоновые кислоты, в том числе и неорганические, вода, спирты, вещества с прототропной таутомерией. Однако если для осуществления протонного переноса между кислотой и основанием требуется предварительное образование промежуточного линейного КВС, то для протекания протонного обмена необходимо возникновение КВС циклического типа с двумя водородными связями между реагентами. Другими словами межмолекулярный протонный обмен в кислотно-основной системе представляет собой двойной перенос протона по «цепи водородных связей», но протекающий в ней синхронно в двух противоположных направлениях:

Здесь звездочкой обозначен протон с измененной ориентацией ядерного спина, которая проявляется в спектре ЭПР свободного радикала. ЭПР-спектроскопически достаточно легко идентифицируются радикальные частицы А и А₁, а также ионные пары С и С₁. Спектры ЭПР ЦКВС В и В₁ не поддаются однозначному соотнесению, так как они не отличаются по g-факторам от исходных семихинонных радикалов А и А₁. Нарушение симметрии циклического КВС, вызванное большой разницей в рК_a реагирующих кислот и оснований может привести к стабилизации одной из ионных пар С или С₁ и торможению обменной реакции. Схема (1) не учитывает водородотропию в семихинонных радикалах, однако каждый таутомер радикала, имеет самостоятельный канал реакции, идентичный данной схеме.

Одной из первых ЭПР-спектроскопических работ, как уже отмечалось выше, является исследование Г. Фишера межмолекулярного протонного обмена между оксиметильным радикалом и серной кислотой [65]:

В которой в зависимости от скорости бимолекулярной жидкофазной реакции ЭПР-спектроскопически регистрируется суммарный спектр частиц А и А₁ [6], зарегистрировать спектры ЭПР промежуточных интермедиатов, реакции 1.5 не удается. В работах по исследованию кинетики протонного обмена методом ЯМР-спектроскопии, также не удается определить структуры интермедиатов, участвующих в быстром протонном обмене в жидкой фазной среде из-за невысокой характеристической частоты метода [15-18]. Даже в настоящее время определение структуры возможных интермедиатов реакции а следовательно и механизма реакции методами ЯМР- и ЭПР-спектроскопии является недостижимой задачей, которая может быть решена только с повышением рабочей частоты спектрометров, при этом, возможности ЭПР-спектроскопии, применительно к исследованию кинетики быстрых реакций протонного обмена, в неводных растворах, на несколько порядков выше, чем у ЯМР-спектроскопии [21, 3-5].

Классическим примером межмолекулярного протонного обмена является реакция взаимодействия 3,6-ди-трет.бутил-2-оксифеноксила с первичными и вторичными аминами [3]. В работе [3] было установлено, что распад образующейся ионной пары 3,6-ди-трет.бутилортосемихинона с диэтиламмониевым катионом может приводить к обмену протонами между исходными веществами. Подобное взаимодействие наблюдается и с карбоновыми кислотами [16]. Тогда общую схему протонного обмена можно представить в виде:

В результате реакции (1.6) происходит изменение спина гидроксильного протона, что отражается в уменьшении соответствующей константы СТВ а_н^ОН при повышении температуры системы. На рисунке 1.9 представлены динамические спектры ЭПР системы радикал I – диэтиламин – толуол, наблюдаемые изменения в спектраз которых, характерны для реакции протонного обмена. [31].

 

1.1 Протолитические свойства нитроксильных радикалов

 

Особенностью метода ЭПР-спектроскопии является тот факт, что он применяется только для систем содержащих неспаренные электроны, т.е. свободные радикалы [100]. Поэтому круг систем которые могут быть исследованы с помощью метода ЭПР-спектроскопии ограничивается системами, в которых обязательно присутствуют неспаренные электроны, однако появление стабильных радикальных систем которые могут участвовать в элементарных химических реакциях «без затрагивания свободной валентности» существенно расширяет возможности применения метода в кинетических исследованиях [90-94]. В качестве спиновых зондов широкое распространение получили нитроксильные радикалы имидазолинового типа, имеющие в своей структуре помимо -фрагмента также азотсодержащие основные центры, основным достоинством которых является хорошая растворимость в воде [90-94]. Типичную реакцию межмолекулярного протонного переноса от неорганических кислот к нитроксилам в водных растворах можно представить в следующем виде:

При величинах скоростей, соответствующих «медленному» протонному обмену, наблюдается суперпозиция спектров ЭПР, содержащая линии сверхтонкой структуры как нейтральной формы (Х), так и протонированной (ХН⁺), которая несколько смещена в слабое поле из-за большей величины g-фактора [9]. При изменении основности замещенного нитроксила и рН раствора представляется возможным зарегистрировать динамические спектры ЭПР, которые позволили оценить кинетические параметры прямой и обратной реакций. Так для нитроксильного радикала с заместителем R: H₂^_ NH^_ NH₂ кинетические параметры реакции составили k_I = 8,5^.10⁹ л/моль∙с, Е_I = 24,2 кДж/моль; k _-I = 2,7^.10⁷ л/моль∙с, Е _-I =42,0 кДж/моль.

В работах В.В. Храмцова был проведен систематический анализ большого числа замещенных нитроксильных радикалов. Это позволило прийти к выводу о том, что реакции протонирования не являются диффузионно-контролируемыми ввиду высоких активационных барьеров реакции, не согласующихся с энергией, необходимой для преодоления вязкости среды. Также было отмечено, что удельные скорости протонирования на порядок и более, меньше диффузионных констант [9-10]. Достоинством нитроксильных радикалов является их высокая растворимость в водных и органических средах, однако их основность в органических растворителях заметно падает, к тому же они обладают низкой спектральной чувствительностью к небольшим изменениям параметров среды, что делает их практически непригодными для ЭПР-исследований в неводных средах.

Протолитические свойства замещенных нитроксильных радикалов: 2,2,3,5,5-пентаметил-3-имидазолин-N-оксила (НР 1), 2,2,6,6-тетраметил-3-метилен-5-морфолинилметил-4-оксопиперидин-N-оксила (НР 2), 2,2,6,6-тетраметил-3,5-диморфолинилметил-4-оксопиперидин-N-оксила (НР 3), были исследованы с помощью семихинонного радикала III [11, 12]. Радикал III благодаря своей высокой протолитической способности позволяет регистрировать динамические спектры ЭПР даже с такими слабыми протоноакцепторами, как нитроксильные радикалы 1 – 3 [13]. Наблюдаемые в системе III – НР 1 – толуол спектральные изменения соответствуют протеканию быстрой двухканальной реакции протонного переноса, механизм которой, с учетом невырожденной таутомерии в III, можно представить схемой [14].

На рисунке 1 представлены спектры ЭПР 4-трифенилметил-6-трет.бутил-3-хлор-2-оксифеноксила с 2,2,3,5,5-пентаметил-3-имидазолин-N-оксилом, при различных температурах в растворе толуола. О переносе протона между двумя радикалами можно судить, наблюдая за изменением спектра ЭПР радикала III который превращается из характерного дублета дублетов нейтрального радикала в дублет соответствующий анион-радикалу.

Кинетические параметры обратимой межмолекулярной реакции протонного переноса (5) оценивались из изменения гидроксильной константы СТС в спектре ЭПР радикала III по стандартной методике [21]. Экспериментальные величины констант скоростей протонирования замещенных НР 1 – 3 оказались на 2 – 3 порядка выше аналогичных величин для диамагнитных оснований (10¹⁰ – 10¹¹ л/моль·с). Активационные барьеры прямой реакции межмолекулярного протонного переноса, в пределах экспериментальной ошибки, совпали с энергией активации вязкости растворителя ~ 8,9 кДж/моль [22].

Рисунок 1 – Спектры ЭПР системы радикал III – НР 1, при температурах, К: а) 311, б) 240, в) 204. Растворитель – толуол

Ускорение реакции протонного переноса авторы связали с бирадикальной природой КВС типа В, В’ (схему 5), которые образуется при взаимодействии радикала III с нитроксильными радикалами, и при наличии сильного спинового обмена, может оказывать каталитическое действие на протонный перенос между свободными радикалами [66]. Также в работе [28] было обнаружено, что в спектрах ЭПР при понижении температуры ниже 153 К отсутствуют признаки диполь — дипольных взаимодействий неспаренных электронов в ион-радикальных парах (ИРП) типа С, С’, что может быть объяснено удаленностью последних друг от друга, на расстояние более 7-8 Å [28]. Кроме того, причиной каталитического течения реакции (5), а также небольшой величины активационного барьера процесса, может быть и неадиабатический механизм протонного переноса между радикалом III и НР [25, 50].

В нитроксильном радикале 2, в отличие от других нитроксилов, имеет место равновесная изомерия, обусловленная конверсией морфолинильного цикла с радикальным фрагментом. Так как при понижении температуры из двух триплетов с константами СТВ неспаренного электрона с ядром атома азота, равными соответственно 1,53 и 1,43 мТл, в спектре ЭПР НР2 преобладает последний, то можно заключить, что он соответствует термодинамически более стабильной конформации с экваториальным расположением радикального фрагмента по отношению к атому азота морфолина [24]. В кислой среде, спектр ЭПР НР2 имеет усредненный характер, что, вероятно, обусловлено протонным катализом конформационных переходов [23].

Большое число работ посвященных нитроксильным радикалам связано с синтезом новых типов радикалов для использования их в качестве рН-зондов для исследования биохимических сред и объектов и определения термодинамических характеристик [9 — 10]. Получение кинетических параметров из спектров нитроксилов так и остается на сегодняшний день трудноразрешимой задачей.

Поиски новых типов спиновых зондов на базе свободных стабильных радикалов других классов в лаборатории ЭПР спектроскопии КарГУ привели к 3,5,8,10-тетратрет.бутилфеноксазинилу (ФОР), в котором неспаренный электрон локализован на атоме азота [109 — 111]. Следует подчеркнуть, что в большинстве случаев кислая среда ускоряет каналы гибели свободных радикалов. Это касается и феноксазинилов, которые не защищены от процессов рекомбинации и диспрорпорционирования объемными трет.бутильными заместителями как ФОР.

Первые исследования, проведенные с ФОР показали, что спектр ЭПР его является очень чувствительным к поляризующим, сольватирующим и протолитическим свойствам среды. Было обнаружено, что протонирование ФОР приводит к динамическим эффектам в спектрах, которые зависят также и от силы кислоты. Более строгая интерпретация этих и других ЭПР-спектроскопических эффектов, наблюдаемых в различных растворах ФОР, стала доступной сегодня благодаря появлению более мощных вычислительных программных средств, позволяющих как квантово-химическую интерпретацию экспериментальных данных, так и теоретические расчеты сложных спектров ЭПР. Результаты подобного рода проведенных нами исследований спектров ЭПР различных растворов замещенного феноксазинила излагаются ниже.

Семихинонные радикалы различного строения орто- и параоксифеноксилы благодаря относительно простой СТС спектров ЭПР могут быть использованы в качестве спиновых зондов не только для оценки протолитической способности различных диамагнитных и парамагнитных веществ в неводных средах [16, 23-26]. Изучение возможности применения семихинонных радикалов в качестве спиновых зондов при ЭПР-исследованиях протолитических реакций показало, что наиболее удобной парамагнитной кислотой является стабильный семихинонный радикал 3,6-ди-трет.бутил-2-оксифеноксил, который легко синтезируется в растворе обладает простой СТС спектра ЭПР, которая очень чувствительна к добавкам в его раствор различных органических кислот и оснований, а из анализа альтернирования ширин линий СТС спектра ЭПР указанного семихинонного радикала были оценены, с достаточно высокой точностью, кинетические и термодинамические параметры протолитических процессов в среде толуола. Полученные результаты дали возможность продолжать исследования протолитических реакций в жидкой фазе с использованием в данных исследованиях 3,6-ди-трет.бутил-2-оксифеноксила в качестве спинового зонда.

 

1.2 Протолитические свойства семихинонных радикалов

 

В пространственно-затрудненных ортосемихинонных радикалах таких как 3,6-ди-трет.бутил-2-оксифеноксил, 4,6-ди-трет.бутил-3-хлор-2-оксифеноксил, 4-трифенилметил-6-трет.бутил-3-хлор-2-оксифеноксил имеет место наносекундная внутримолекулярная водородотропия и эта таутомерия определяет двойственную протолитическую способность указанных парамагнитных Н-кислот [25, 37]:

Причем если в радикале I таутомерия носит вырожденный характер, то в II и III оба канала протолиза радикалов будут уже отличаться. На примере реакций этих радикалов с алкалоидом тебаином в среде толуола установлено, что в ряду I – II – III растет термодинамическая кислотность оксифеноксилов, тогда как кинетическая кислотность радикалов возрастает обратном порядке. Показано, что A’-формы радикалов II и III являются более кислыми. Детально исследованы все каналы реакции (1.4) в зависимости от природы среды и протоноакцептора.

Каждый канал реакции (1.11) протекающей в жидкой фазе А  В  С  В и А’  В’  С’  В’ является самостоятельным при этом сольватирующий растворитель разрыхляет контактные ионные пары С и С’ образуя рыхлые пары D и D’. Для исследования реакционной способности семихинонных радикалов необходим детальный анализ всех таутомерных процессов схемы (1.11), протекающих в растворе: водородотропии А  А’, катионотропии С  С’. Водородотропня зависит от типа растворителя, и от прочности КВС типа В и В’, а катионотропия в контактных С  С’ и рыхлых D  D’ ионных парах, также определяется влиянием различными факторами: природой частиц – катиона и анион-радикала, свойствами среды и температурой радикальной системы (1.11). Несмотря на очевидную сложность, такого двойственного протолиза семихинонных радикалов, метод ЭПР-спектроскопии позволяет, тем не менее, проследить практически за всеми стадиями быстропротекающей протолитической реакции (1.11).

Водородотропию А  А’ в 2-оксифеноксилах, можно представить следующей схемой [20, 35, 138]:

где: R₁ = R₂ = R₃ = Н для незамещенного ортооксифеноксила (ОФ). R₁ = R₃ = С(СН₃)₃, R₂ = Н для 3,6-ди-трет.бутил-2-оксифеноксила, R₁ = R₂ = С(СН₃)₃, R₃= Сl для 4,6-ди-трет.бутил-3-хлор-2-оксифеноксила, R₁ = С(СН₃)₃, R₂ = C(Ph₃)₃, R₃ = Сl для 4-трифенилметил-6-трет.бутил-3-хлор-2-оксифеноксила. Таутомерия в радикалах ОФ и I является вырожденной, так как структуры А и А’ являются одинаковыми, а в радикалах II и III таутомерия невырожденная, так как таутомеры А и А’, обладают различной термодинамической стабильностью [35, 38]. Следует отметить, что в семихинонных радикалах, 4,6-ди-трет.бутил-2-оксифеноксиле и 4-трифенилметил-6-трет.бутил-2-оксифеноксиле. быстрая водородотропия вообще отсутствует и в системе (1.11) преобладают более стабильные структуры радикалов А’ [35, 38].

На рисунке 2 представлены спектры ЭПР радикала I полученные в среде диоксана, при различных температурах. При 333 К и выше, спектр ЭПР I представляет собой триплет дублетов, с константами СТВ неспаренного электрона с кольцевыми и гидроксильным протонами, равными a_H = 0,78 и a_H^OH = 0,162 мТл. Понижение температуры приводит к уширению центральной компоненты триплета, вплоть до их исчезновения и при 213 К, в среде тетрагидрофурана, регистрируются спектры ЭПР таутомерных форм радикала I А и I А’ (cм. рисунок 2).

На рисунке 3 представлены спектры ЭПР радикала III. полученные в среде толуола, при различных температурах. При 333 К и выше, спектр ЭПР III представляет собой дублет дублетов, с константами СТВ неспаренного электрона с кольцевым и гидроксильным протонами, равными a_H =0,33 и =0,15 мТл. Понижение температуры приводит к уширению низкополевых компонент дублета, что свидетельствует о торможении скорости таутомерии (1.13) в радикале III.

Рисунок 2 – Спектры ЭПР радикала I, при температурах, К: а) 213, б) 273, в) 333. Растворитель – диоксан

Кинетические, а также термодинамические параметры равновесия (7) оценивались из соотношений для вырожденной таутомерии для радикала I [28]:

где: Δа – разность констант СТВ неспаренного электрона с кольцевыми протонами в спектрах ЭПР форм А и В, γ_е – гиромагнитное отношение для электрона, Δ(1/Т₂) – величина уширения центральной линии.

Рисунок 3 – Спектры ЭПР радикала III, при температурах, К: а) 393, б) 353, в) 273. Растворитель – толуол

Для радикалов II и III величина уширения низкополевых компонент дублета дублетов связана с константами скорости прямой и обратной реакции таутомерии соотношением:

где: α и 1 — α – мольные доли А и В, Δа – расстояние между линиями СТС А и B – форм радикалов, подвергающихся обмену при таутомерии.

Константа равновесия реакции (1.12) связана с эффективной величиной константы СТС кольцевого протона в таутомерной форме А:

где:  – константа СТВ неспаренного электрона с кольцевым протоном в таутомерной форме А, – эффективная величина этой же константы, обусловленная модуляцией СТВ при быстрой водородотропии в радикалах

Полученные таким образом, экспериментальные значения параметров таутомерии в радикалах I – III представлены в таблице 1. Здесь же для сравнения, приведены также, характеристики водородотропии в незамещенном оксифеноксиле, полученные Лотом [38].

Таблица 1 Кинетические и термодинамические параметры водородотропии в некоторых 2-оксифеноксилах. Растворитель – толуол

 

Как видно из таблицы 1 введение объемных трет.бутильных групп приводит к ускорению таутомерии в замещенных радикалах, а увеличение термодинамической кислотности радикалов, в ряду I < II < III, приводит к уменьшению скорости таутомерных переходов [2, 5, 38]. Данные таблицы 1.1 также свидетельствуют о том, что термодинамическая устойчивость таутомерных форм А и А’ радикалов II и III различна [18].

Влияние природы растворителя на таутомерию в радикалах I – III представлено в таблицах 2 – 4 рассмотрено в работах [28].

Как видно из таблицы 2, растворители специфически влияют скорость водородотропии растворители, способные к образованию водородных связей (спирты и эфир), в которых скорость водородотропии практически не меняется, однако активационные барьер реакции остается достаточно высоким ~20 кДж/моль. Сильная специфическая сольватация приводит к заметному снижению скорости водородотропии практически на порядок (ТГФ, диоксан, диметилсульфоксид). Полярность среды также практически не влияет на кинетические параметры реакции (1.2), что свидетельствует в пользу гомолитического характера внутримолекулярной миграции водорода в радикале I [28].

В полярном нитробензоле, имеющем склонность к физической сольватации. происходит заметное выравнивание энергии таутомерных форм семихинонного радикала, без существенного уменьшения скорости водородотропии в III, по сравнению в среде индифферентного толуола. Следует отметить, что аналогичная таутомерия семихинонного радикала II. в среде нитробензола, становится практически квазивырожденной, о чем свидетельствуют экспериментальные данные, представленные в таблице 3 [35, 38].

Таблица 2 Кинетические параметры водородотропии в радикале I в различных средах

Таблица 3 Кинетические и термодинамические параметры водородотропии в радикале II в различных средах

Таблица 4 Кинетические и термодинамические параметры водородотропии в III в различных средах

Наблюдаемые эффекты для радикалов II и III. в среде нитробензола, связаны с тем, что вследствие поляризации средой происходит растяжение ОН-связи в радикалах, на величину гораздо большую, чем это необходимо для достижения переходного состояния в образующемся хелатном комплексе с водородной связью [39]. В трибутилфосфате, за счет сильной специфической сольватации, преимущественно стабилизируется III А’-форма радикала, так как ее кислотность выше чем для изомера III А [37].

ЭПР-спектроскопические исследования радикала III показали, что, несмотря на высокую кинетическую кислотность радикала даже в таком специфическом растворителе, как ДМСО, обладающим, сильными поляризационными свойствами и комплексообразующей способностью, в спектре радикала не наблюдается характерных для протолиза изменений. Влияние этих факторов на радикал III, приводит только к значительному замедлению и вырождению таутомерии в семихинонном радикале. В растворителях, обладающих только сольватирующей способностью данный эффект выражен слабее [38].

Таким образом, приведенные экспериментальные данные по водородотропии в радикалах I – III свидетельствуют о том, что необходимым условием внутримолекулярного переноса водорода, является благоприятная геометрия образующегося комплекса за счет водородной связи [39].

ЭПР-спектроскопические исследования радикалов 2,6-ди-трет.бутил-4-оксифеноксила (VI) и 4,6-ди-трет.бутил-3-оксифеноксила (VII) показали, что в них отсутствует быстрая водородотропия, как это имеет место в радикалах I – III [40].

Исследованию равновесия A(A’)  С(С’) реакции (7) с различными семихинонными радикалами посвящено большое число работ [22 — 27]. Особенности протонирования семихинонных радикалов связаны с их строением и соответственно с реакционной способностью радикалов, так таутомерия в 3,6-ди-трет.бутил-2-оксифеноксиле IА  IА’ является вырожденной, и следовательно каналы реакции (6) АВСD и А’В’С’D’, являются идентичными. Протонирование радикалов II и III имеет свои особенности и при оценке кинетических параметров следует учитывать невырожденный характер таутомерных переходов как в нейтральных формах радикалов А  А’, так и в ионных парах различного типа С(D)  С'(D’). Это приводит к тому, что каналы протолиза схемы (6) АВСD, А’В’С’D’ не являются равноценными для указанных радикалов.

Схема протолиза ортооксифеноксилов можно представить в более удобном для рассмотрения виде:

Спектрально протонный перенос является отражением двух процессов АС и А’С’ причем для 3,6-ди-трет.бутил-2-оксифеноксила оба канала реакции являются равноценными. Подробнее протолиз радикала I можно рассмотреть на примере его взаимодействия с триэтиламином в среде толуола [23]. В ходе реакции (1.16) происходит образование контактной ионной пары семихинонного анион-радикала с триэтиламмониевым катионом IС(С’).

Спектральные изменения наблюдаемые в системе радикал I – триэтиламин – толуол, представлены на рисунке 4, при понижении температуры спектр ЭПР радикала из триплета дублетов с константой СТС а_н = 0,392 мТл с двумя магнитно-эквивалентными протонами бензольного кольца I, и с константой СТС, с гидроксильным протоном равной  = 0,160 мТл, при 213 К превращается в триплет, с соотношением интенсивностей линий СТС 1:2:1 и константой СТВ. равной a_H = 0,335 мТл, что соответствует ионной паре IС(С’).

Константа равновесия процесса (11) связaна с эффективной величиной константы гидроксильного расщепления в спектре ЭПР I соотношением:

где – эффективная величина гидроксильного расщепления в спектре ЭПР I,  – величина гидроксильного расщепления в спектре ЭПР I при отсутствии протолитических процессов,  – концентрация ионной пары анион-радикала с катионом,  – концентрация радикала, [NR₃] – концентрация амина.

Рисунок 4 – Спектры ЭПР системы радикал I – триэтиламин, [ТБ] = 0,06 моль/л, при температурах, К: а) 266, б) 246, в) 228. Растворитель – толуол

Величина уширения линии СТС спектра ЭПР радикала I непосредственно связана с характеристическим временем протекания реакции (11) [23]:

где: k₁ и k_-1 – удельные скорости прямой и обратной реакции протонного переноса, α и (1 – α) – мольные доли радикала I A и ионной пары его аниона I С.

Мольные доли радикалов I A и I С определяются из константы равновесия реакции (13) соотношением:

При «медленных» взаимных переходах в спектрах ЭПР наблюдается суперпозиция линий СТС частиц IА и IС, которую также необходимо учитывать Расположение спектров ЭПР этих частиц в магнитном поле в зависимости от среды различно. Так в среде диэтилового эфира ионная пара с тебаинеевым катионом имеет контактную природу, в то время как разрыхление ее молекулами тетрагидрофурана способствует смещению линий СТС ионной пары в более сильное магнитное поле. На рисунке 5 представлены спектры ЭПР системы радикал I – тебаин в различных растворителях. Как видно из рисунка спектры ЭПР анион-радикала I по разному расположены в магнитном поле относительно нейтрального радикала, что связано с сольватацией анион-радикала.

Рисунок 5 – Спектры ЭПР системы 3,6-ди-трет.бутил-2-оксифеноксил – тебаин в условиях медленного обмена при 293 К, в растворителях: а) тетрагидрофуран, б) диэтиловый эфир

Используя вышеприведенную методику, методом ЭПР-спектроскопии можно определить как кинетические, так и термодинамические параметры реакции (11), что позволяет использовать радикал I для исследования кинетической основности органических веществ в различных неводных средах. Некоторые данные, по протолитическим свойствам органических оснований, представлены в таблице 5 [16, 17].

Анализ данных показал, что основность аминов оказывает существенное влияние как на термодинамические, так и на кинетические параметры протолиза 3,6-ди-трет.бутил-2-оксифеноксила. Низкая скорость протонирования пиридина в среде толуола приводит к появлению суперпозиции спектров ЭПР I и ионной пары уже при комнатной температуре [24].

Таблица 5 Кинетические и термодинамические параметры реакции протонного переноса от I к третичным аминам. Растворитель – толуол

Среда может оказывать существенное влияние на процесс протонного переноса, а наиболее подходящей системой для такого рода исследований является система 3,6-ди-трет.бутил-2-оксифеноксил – триэтиламин, в таблице 1.6 приведены, полученные с помощью вышеприведенной методики, кинетические параметры реакции протонного переноса реакции (11), в среде различных органических растворителей [24, 25].

Влияние растворителя на перенос протона от I к ТЭА определяется суммарным эффектом процессов комплексообразования молекул среды с исходными и конечными продуктами реакции, не исключая при этом и действие физической сольватации, в частности на ИП [25].

Тенденция к понижению энтальпии реакции (11), при переходе от слабополярного толуола к полярным средам, показывает что тепловой эффект образования Н-связи с ОН-группой и с атомом кислорода радикала I перекрывает энтальпии образования КВС и физической сольватации ИП семихинонного анион-радикаоа с триэтиламмониевым катионом. С этой точки зрения можно понять и уменьшение энтропийных потерь реакции, наблюдаемое при переходе от толуола к полярным растворителям. Увиличение полярности растворителя заметно влияет на константы скорости прямой и обратной реакции (1.16), так, в среде диглима регистрируется супеpпозиция спектров ЭПР нейтрального радикала I и его ионной пары, что соответствует спектральной картине «медленного» обмена. По видимому этот эффект связан с особенностью геометрии диглима, которая приводит к сильной специфической сольватации I и образующейся ИП, а также может способствовать разрыхлению последней [25].

Таблица 6 Кинетические и термодинамические параметры обратимого переноса от I к ТЭА в различных растворителях

Для сопоставления кинетической кислотности семихинонных радикалов I – III был использован алкалоид тебаина – третичный амин [44]. На рисунке 6 приведены динамические спектры ЭПР смеси I – тебаин – толуол. При понижении температуры величина константы гидроксильного расщепления в спектре ЭПР радикала I уменьшается вплоть до ее полного исчезновения при 228 К. Наблюдаемая спектральная картина характерна для обратимой реакции протонного переноса в исследуемой системе [23].

Рисунок 6 – Спектры ЭПР системы радикал I – тебаин, [ТБ] = 0,06 моль/л, при температурах, К: а) 266, б) 246, в) 228. Растворитель – толуол

Как видно из рисунка 6, взаимное расположение нейтрального радикала I и его анион радикала с тебаиниевым катионом, в магнитном поле свидетельствует о контактной природе продуктов реакции [49]. Аналогичным образом определяются кинетические параметры реакции протонного переноса и для радикалов II и III, основное различие в которых относится к их магнитно-резонансным параметрам и расположению радикальных частиц A(A’) и С(С’) в магнитном поле, по отношению друг к другу.

На рисунке 7 приведены динамические спектры ЭПР смеси III – тебаин в толуоле. Характерное уширение крайней правой компоненты дублета дублетов и превращение дублета дублетов нейтрального радикала в дублет анион-радикала при 306 К свидетельствует о протекании в системе обратимого протонного переноса.

Рисунок 7 – Спектры ЭПР системы радикал III – тебаин, [ТБ] = 0,06 моль/л, при температурах, К: а) 371, б) 346, в) 306. Растворитель – толуол

В таблице 7 приведены кинетические и термодинамические параметры реакции протонного переноса от радикалов I и III к тебаину.

Таблица 7 Кинетические и термодинамические параметры протонного переноса от семихинонных радикалов к тебаину. Растворитель – толуол

Анализ таблицы 7 показывает, что в ряду семихинонных радикалов I, II, III увеличивается протонодонорная способность, что приводит к росту суммарной константы равновесия на 3 порядка при переходе от радикала I к III. Увеличение прочности образующихся в ходе реакции ионных пар приводит к возрастанию их кинетической стабильности.

Также в работе [46] отмечают, что уменьшение кислотности протонодонора, в ряду радикалов III, II, I приводит к переходу механизма реакции из диффузионного в кинетический режим.

Протолиз в парасемихинонном радикале – 2,6-ди-трет.бутил-4-оксифеноксиле (V), в отличие от вышерассмотренных радикалов I – III, является одноканальной реакцией:

Спектр ЭПР парасемихинонного радикала V представляет собой, при 194 К в среде ТГФ, дублет триплетов с константами СТВ неспаренного электрона с гидроксильным протоном, равной = -0,190 мТл. и с кольцевыми протонами а_Н = 0,057 мТл [49]. При повышении температуры системы с радикалом происходит уменьшение гидроксильного расщепления величина которого зависит, от скорости вращения ОН-группы вокруг СО-связи радикала V [38]. На рисунке 8 представлены спектры ЭПР системы радикал V – ТЭА, из которого видно, что при обратимом переносе протона от V к ТЭА, в спектре ЭПР наблюдается характерное для «быстрой» реакции, уменьшение гидроксильного расщепления , величина которой связана с константой равновесия (20) соотношением (17). При этом, — есть константа СТВ неспаренного электрона с гидроксильным протоном V, в отсутствие в растворе амина. При 180 К, в спектре ЭПР системы V – ТЭА – ТГФ, наблюдается триплет с а_Н = 0,11 мТл, соответствующий ионной паре 2,6-ди-трет.бутилпарасемихинона с триэтиламмониевым катионом. Кинетические параметры реакции (16) были оценены по известной формуле (16) [49].

В ионных парах семихинонных анион-радикалов проявляется своя характерная специфика отражающяя процесс равновесия СС’ схемы (16).

Рисунок 8 Динамические спектры ЭПР системы 2,6-ди-трeт.бутил-4-оксифеноксил – триэтиламин при температурах, К: а) 368, б) 225, в) 180. Растворитель – ТГФ

На рисунке 9 представлены динамические спектры ЭПР 3,6-ди-трет.бутил-ортосемихинона с тебаиниевым катионом в толуольной среде, полученные при низких температурах.

Регистрирующееся при понижении температуры расщепление центральной компоненты триплета анион-радикала связано с замедлением внутримолекулярной миграцией катиона аммония в ИП [44].

При низких температурах наблюдалась суперпозиция спектров частиц IС и IС’ (рисунок 10 в), представляющая собой триплет с а_Н = 0,335 мТл и дублет дублетов, в котором константа СТВ неспаренного электрона c кольцевыми пара- и мета- протонами САР, равны соответственно: = 0,37 и  =0,30 мТл. Структурная неэквивалентность изомеров IС и IС’ была обусловлена заторможенным вращением объемного катиона тебаина вокруг СО- связи САР со скоростью менее 10⁶ с^-1, а наблюдаемая спектральная картина свидетельствовала о контактной природе ИП 3,6-ди-трет.бутилор-тосемихинона с тебаиниевым катионом [44].

Рисунок 9 Спектры ЭПР ионной пары анион-радикал I с тебаиниевым катионом, при температурах, К: а) 371, б) 346, в) 306. Растворитель – толуол

Квазивырожденный характер таутомерного равновесия дал возможность рассчитать скорость катионотропии по формуле (1.13), а найденные кинетические параметры таутомерии составили для триэтиламмониевого катиона ν(213К) = 5,2·10⁷ с^-1, Е_а = 17,2 кДж/моль; для тебаиниевого катиона ν(213К) =1,1·10⁷ с^-1, Е_а = 12,6 кДж/моль. На основании полученных данных был авторами был сделан вывод, о том, что чем меньше основность амина, тем легче отрыв катиона от анион-радикала, а также о том, что скорость таутомерии в ИП зависит как от природы, так и от геометрии катиона, благоприятствующей этому процессу [44].В ионных парах 4-трифенилметил-6-трет.бутилортосемихинона с триэтиламмониевым катионом также наблюдается спектральная картина харатерная для заторможенной катионотропии. На рисунке 10 представлены динамические спектры ЭПР радикала III в толуольном растворе триэтиамина, отражающие кинетику невырожденной катионотропии IIIС  IIIС’.

Как видно из спектра в интервале температур 218 – 270 К регистрировалась спектральная картина, при которой дублет с а_Н = 0,294 мТл соответствует структуре IIIС, а дублет с а_Н = 0,231 мТл – таутомерной форме IIIС’. Охлаждение системы приводило к смещению равновесия IIIС  IIIС’ вправо. Подобные таутомерные превращения с триэтиламмониевым катионом значительно замедлены (ν ≤ 10⁶с^-1) и в спектре ЭПР наблюдается только суперпозиция линий СТС изомеров данной ионной пары [25]. На основе анализа динамических спектров ЭПР были найдены термодинамические параметры данного равновесия: К_р(293К) = [IIIС]/ [IIIС’] = 2,3·10¹, ΔН = -25,0 кДж/моль, ΔS = -73,2 Дж/моль·К.

Рисунок 10 Спектры ЭПР системы радикал III – триэтиламин, [ТЭА] = 0,2 моль/л, при температурах, К: а) 270, б) 234, в) 218. Растворитель – толуол

Сверхтонкая структура спектра ЭПР таутомерной формы контактной ионной пары 4,6-дитрет.бутил-3-хлор-ортосемихинона с триэтиламмониевым катионом представляет собой дублет с константой СТВ неспаренного электрона с пара-кольцевым протоном, равной  = 0,31 мТл [21], для IIС’ данная величина составляет = 0,22 мТл.

Наблюдаемая в спектре ЭПР системы (16) константа СТВ , связана с мольными долями α и β таутомерных форм соотношением:

Посредством расчетных формул (1.14) и (1.15) были оценены кинетические и термодинамические параметры невырожденной катионотропии (1.21) в ИП СР II с триэтиламмониевым катионом, которые представлены в таблице 8.

Таблица 8 Кинетические параметры катионотропии в ионных парах семихинонных анион радикалов с тебаиниевым катионом при 213 К

Термодинамические параметры невырожденной таутомерии в ионной паре СР II с триэтиламмониевым катионом составили: К_р(293К)= 0,12, ΔН=-37,6 ± 5,0 кДж/моль, ΔS= -0,610 Дж/моль·К, с тебаиниевым – К_р(293К)= 0,011, ΔН= 31,9 ± 5,0 кДж/моль, ΔS= -0,609 Дж/моль·К.

Из данных таблицы 1.8 видно, что структура II С на 35 – 40 кДж/моль термодинамически стабильнее формы IIС’. Судя по всему, это обусловлено более кислой природой II А’-формы 4,6-ди-трет.бутил-3-хлор-2-оксифеноксила, по сравнению с изомером II А. Увеличение рК_а сопряженной основанию кислоты также способствовало смещению равновесия (1.21) в сторону прямой реакции.

При анализе таблицы 8 был сделан вывод, что константа скорости катионотропии IIС  IIС’ примерно на два порядка ниже, чем таковая для процесса IС IС’. Образование прочных ИП с тебаиниевым катионом 4,6-ди-трет.бутил-3-хлор-ортосемихинона, по сравнению с 3,6-ди-трет.бутил-ортосемихиноном, в силу заметно большей кислотности II по сравнению с I, стало причиной замедления катионотропии IIС  IIС’ [44].

При исследовании равновесия IIIС  IIIС’ было показано, что в ионных парах данного анион-радикала с тебаиниевым катионом в среде толуола присутствует только контактная форма IIIС, спектр ЭПР которой представляет собой дублет с а_Н = 0,294 мТл [26]. Из спектров данной ионной пары, представленной на рисунке 11 видно, что спектр ЭПР таутомерной формы IIIС, несколько смещен относительно формы IIIС’, вследствие чего резонансные значения магнитного поля, правых компонент обеих дублетов в спектре ЭПР, практически совпадают. Аналогичное явление наблюдается и в спектрах ЭПР изомеров ионных пар IIС и IIС’ [44]. Термодинамические параметры данного равновесия, оцененные из спектров ЭПР, составили: К_р(293К)= 0,23, ΔН = -25,0 кДж/моль, ΔS = -73,2 Дж/моль·К.

Рисунок 11 Спектры ЭПР системы радикал III – тебаин, при температурах, К: а) 288, б) 253, в) 210. Растворитель – толуол

Влияние диэлектрической проницаемости среды на величину константы скорости распада соли семихинона k_-1 подчиняется уравнению Кирквуда, в котором учитывается электростатическое взаимодействие сферического диполя с растворителем [137]. Замена гидроксильного атома водорода в радикале I на дейтерий дала возможность оценить первичный кинетический изотопный эффект реакции (1.23), который получился равным к.и.э. = k₁^H/k₁^D , что говорит о надбарьерном переходе протона в реакции [24].

Таким образом, семихинонные радикалы, обладающие разнообразной динамикой проявляющейся в спектрах ЭПР в широком диапазоне температур и скоростей, а СТС спектров этих радикалов оказывается весьма чувствительной к протонодонорным свойствам соединений и сольватационным характеристикам среды являются превосходным материалом для дальнейшего исследования с применением метода ЭПР-спектроскопии кинетической основности как диамагнитных протонодоноров, так и соединений, имеющих свободную валентность.

---

1  2