Файл: Пальм, В. А. Введение в теоретическую органическую химию учеб. пособие.pdf

ционального катализа относятся к действию ферментов. Ферментатив­ ный катализ представляет собой важнейшую область проявления ката­ литических свойств органических соединений. Из этого понятно, по­ чему каталитическую активность других органических соединений, помимо ферментов, часто рассматривают с точки зрения моделирова­ ния тех или иных сторон ферментативного катализа.

Особо следует выделить такие случаи катализа, когда взаимодей­ ствие катализатора с субстратом согласно схеме реакции замещения приводит к образованию устойчивого промежуточного продукта, спо­ собного к дальнейшему превращению с одновременной регенерацией катализатора. Если как образование, так и разложение этого проме­ жуточного продукта происходят существенно быстрее непосредствен­ ного образования конечных продуктов из исходного субстрата, имеет место катализ. Характерным примером такого катализа является рас­ сматриваемый ниже нуклеофильный катализ.

С точки зрения природы элементарных актов даже в ферментатив­ ном катализе встречается не такмного нового по сравнению с реакци­ ями, рассмотренными в предыдущих главах. Поэтому не следует ис­ кать причины высокой эффективности полифункциональных катали­ заторов в каких-то особых элементарных стадиях. Одна из основных причин этой эффективности сводится к простому обстоятельству, рас­ смотренному в разделе 2 главы XXIII в связи с относительной лег­ костью образования полуацетальной формы моноз. Наличие двух или большего числа взаимодействующих реакционных центров в одной и той же молекуле приводит, с одной стороны, к снижению кинетического порядка реакции по сравнению с аналогичным взаимодействием между теми же реакционными центрами, но расположенными в разных моле­ кулах. С другой стороны, внутримолекулярному взаимодействию со­ путствует существенный выигрыш в энтропии активации, приводящий к скачкообразному повышению скорости. Этим и объясняется эффект полифункциональности: один полифункциональный катализатор, со­ держащий необходимые для катализа реакционные центры, всегда намного эффективнее соответствующего числа однофункциональных катализаторов, обладающих теми же самыми реакционными центрами, но в разных молекулах.

2. НУКЛЕОФИЛЬНЫЙ КАТАЛИЗ

Рассмотрим следующие реакции:

422

Приведем несколько конкретных примеров нуклеофильного ката­ лиза.

Катализ карбоксилатными анионами гидролиза ангидридов кислот:

1)R — С — О— С— R + R'COO:- —►R — С — О —С — R '+ RCOO:-

ОО

II II +н»о

2) R— С — О— С — R' —Д Д RCOOH + R'COOH

Первая стадия идет быстрее, чем нейтральный гидролиз водой, по­ скольку нуклеофильность анионов R'COO: ~ выше, чем у Н 20 . Вторая стадия быстрее нейтрального гидролиза исходного ангидрида, если R'COOH более сильная кислота, чем RCOOH, в соответствии с пра­ вилом, согласно которому электроотрицательность уходящей группы —Y тем больше, чем сильнее соответствующая кислота Y—Н. В про­ тивоположном случае имеет место не катализ, а ингибир'ование, поскольку реакция 1 идет быстрее, а реакция 2 —медленнее, чем ней­ тральный гидролиз исходного ангидрида. Так, например, гидролиз ук­ сусного ангидрида катализируется формиатными ионами, но замедля­ ется в присутствии пропаноатных или бутаноатных ионов.

Каталитическое действие третичных аминов на реакции произ-

о

водных кислот типа R — с —Y. Общая схема этого катализа следующая:

2) R— С — NR3+ Y ': a - - * R - C — Y '+ R 3N

В качестве катализаторов в этой реакции весьма эффективны аро­ матические гетероциклы, содержащие атом азота типа например

н

пиридин имидазол

ит. д. Так, пиридин катализирует гидролиз уксусного ангидрида. Детально изучен катализ гидролиза п-нитрофенилацетата имидазолом

иего производными.

Особый интерес представляют внутримолекулярные варианты нуклеофильного катализа.

423

Гидролиз аниона ацетилсалициловой кислоты (аспирина):

“ :(Г у ^ О Н

Участие имидазольного цикла, входящего в состав аминокислоты гистидина, в внутримолекулярном нуклеофильном катализе рассма­ тривается как модель одного из аспектов действия гидролитических ферментов.

Катализ нуклеофильного замещения у 5 />3-углерода. В соответ­ ствии с вышеприведенной общей схемой можно осуществить также ка­ тализ реакций типа Sn2. Особый интерес при этом представляет слу­ чай, когда такое каталитическое замещение имеет место у асимметриского атома углерода, поскольку стадии как рзаимодействия субстрата с катализатором, так и последующего образования конечного продукта сопряжены с обращением конфигурации у асимметрического углерода. В результате происходит двойное вальденовское обращение, приводя­

424

где Y ':A~— катализатор, Y":A~ — нуклеофил, осуществляющий ито­ говое замещение.

Вкачестве катализатора Y ':A~ могут выступать также молекулы нуклеофильного растворителя. Избыток катализатора способен в та­ ких случаях компенсировать его умеренную нуклеофильность, по­ скольку жесткая компонента нуклеофильности (основность) катали­ затора антибатна активности сопряженной с ним электроотрицатель­ ной уходящей группы —Y'. В связи с этим катализатору предъявля­ ются до некоторой степени противоречивые требования — высокая нуклеофильность Y ':A~ в первой стадии и большая кислотность кис­ лоты Н—Y', указывающая на достаточную легкость замещения элек­ троотрицательной уходящей группы —Y' во второй стадии.

Вкачестве примера двойного вальденовского обращения можно привести взаимодействие спиртов с хлористым тионилом в диоксановом растворе:

ОН

Первая стадия взаимодействия с катализатором Сама катализиру­ ется кислотой, которая генерируется за счет взаимодействия хлори­ стого тионила со следами влаги, содержащимися в диоксане (стадии

3 и 5):

425

Стадия 4 эквивалентна комбинации стадий 5 и 6 :

О

\ ___ /

L- D-

3. ПОНЯТИЕ О ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНОМ КАТАЛИЗЕ

Полифункциональный катализатор содержит несколько реакцион­ ных центров, способных к синхронному или ступенчатому взаимо­ действию с реакционными центрами субстрата. О причинах особой эффективности такого катализа уже было сказано.

В качестве характерного примера полифункционального катализа можно привести ускорение карбоксильными кислотами ацилирования аминов ангидридами или галогенангидридами кислот:

Этот катализ осуществляется в инертных апротонных раствори­ телях, например в бензене. Карбоксильная кислота выступает одно­ временно как общий кислотный и общий основный катализатор, а сама реакция характеризуется циклическим синхронным механизмом, происходящим без промежуточной локализации зарядов.

В таком случае наблюдается ингибирование реакции при доста­ точно больших концентрациях кислоты, так как равновесие протони­ рования амина сдвигается вправо. Это приводит к инактивации амина вследствие потери им нуклеофильных свойств.

426