7. Методы изучения механизмов органических реакций 7.1. Продукты реакций как «свидетели» механизма OH Cl OH OH+ OTs NO2 NO2 NO2 Cl Cl- Cl + HBr Br Влияние добавок HBr/H2O2 Br Стереохимия продуктов Me NOH NHCOMe H+ Перегруппировка Бекмана H H Цис- Me Транс- NOH MeCN + H2O H+ MeCN + H2O H H NHCOMe стерический фактор H Br2 Br Br если интермедиат карбокатион, то должны получаться цис- и транс-дибромиды Br Br- Br + Br Br Br значит - бромониевый катион Br Изотопные метки O + H18OR' R O OH H218O R O R' O + HOR' R 18 OH Cl OH OH Cl NO2 NO2 C*H Изотопы: D, T, 18O, 15N, 13C, 14C C*H C*H OHOH NO2 -H2O- -Cl C* NO2 OH- C*H NO2 + C* NO2 OH CF3COOH CH2CD2OTos + CH2CD2OCOCF3 CD2CH2OCOCF3 1:1 V = k [PhCH2CD2OTos] SN1 ??? CF3COOH CH2CD2OCOCF3 CH2CD2OTos (1) (1) -TosOH D CH2CD2+ CD2CH2+ CF3COOH CF3COOH CH2CD2OCOCF3 D CD2CH2OCOCF3 OHPh CH=O COO- + PhCH2OH Ph H 2O Возможный механизм: O OHPh CH=O Ph H H2O OH - O O O + Ph H OH + Ph + H или водород от растворителя ? O Ph CH2OH OHPh CH=O D2O Ph COO- + PhCH2OD (но не PhCDHOH) 7.2. Изучение кинетики Alk-Hal + H2O v = k [AlkHal] SN1 H2O Alk-OH + HCl In AcOH v = k [AlkHal] [H2O] SN2 При исследовании влияния температуры на скорость реакции можно вычислить энтропию активации DS#. Если DS# < 0 – реакция бимолекулярна. + DS = -34 кал/моль*град v = kнабл [PhCOCH3] [-OEt] [PhCHO] Предполагаемый механизм O + -OEt Ph O + PhCH=O O + EtOH Ph O - + OEt Ph slow k2 Ph CH2 O O Ph fast k3 k-3 Ph OH Ph k-2 CH2 O + EtOH k-1 CH3 Ph O fast k1 Ph OH O + -OEt Ph Ph O fast k4 + -OH + EtOH Ph Ph Кинетические изотопные эффекты Частоты колебаний C-H и C-D связей и, следовательно, их прочность различаются. Относительные скорости разрыва kH/kD ~ 7 (первичный кинетический изотопный эффект, КИЭ). Если в одной и той же реакции двух соединений R-H и R-D наблюдается большой КИЭ > 2, значит разрыв этих связей происходит в лимитирующей стадии ! kH/kD = 6.8 (D)H OH HCrO4-/2H+ + Cr4+ + H(D)+ (D)H OCrO3+H2 OH OH OH ArN2 fast + H(D) фенол и пентадейтерофенол O + + -H (D ) slow (D)H N=NAr kH/kD = 7.0 N=NAr В противоположность этому примеру C6H6 и C6D6 нитруются с одинаковой скоростью (kH/kD = 1). Следовательно, в лимитирующей стадии не происходит разрыв C-H (C-D) связей (распад s-комплекса). Вторичные кинетические изотопные эффекты: влияние «удаленного» от реакционного центра X изотопа на скорость реакции R2CDR’-X. Обычно kH/kD = 0.7-1.5. H(D) H(D) Ph H(D) C Br - Ph C -Br H2O H(D) sp2 sp3 kH/kD = 1.3 O H(D) HCN Ph Ph H(D) OH CN sp3 sp2 kH/kD = 0.73 C CF3CH2OH H(D) H(D) Ph OH Использование уравнения Гаммета (см. лекцию № 3) 7.3. Идентификация промежуточных продуктов RCONH2 + NaOBr R CONH2 R-NH2 [RCONHBr] + [RN=C=O] + NaOBr R NH2 Промежуточные продукты относительно стабильны и выделены экспериментально Часто промежуточные продукты не устойчивы, но их можно зафиксировать спектральными методами или выделением стабильных производных. NHOH R CH=O + NH2OH R быстро C H OH R CH=NOH + H2O медленно Можно наблюдать в ИК-спектре быстрое исчезновение полосы С=О группы до образования оксима. 7.4. Идентификация интермедиатов Физические методы. ИКЯМР: наблюдение карбокатионов при низких температурах и в кислотных средах. Недостаток – малая чувствительность. ЭПР : наблюдение свободных радикалов, высокая чувствительность (~10-3 моль/л) Идентификация через фиксацию продуктов. CHCl3 H2O/OH- ?? HCOO- проводили с добавками олефинов и обнаружили в продуктах дихлорциклопропаны. Следовательно, интермедиатом является дихлоркабен :CCl2. 7.5. Моделирование реакций Предложенный механизм (Turner, D.E.; O’Malley, R.F.; Sardella, D.J.; Barinelli,K.S.;Kaul, P. J.Org.Chem. 1994, 59, 7335) Одноэлектронный перенос В работе Филимонов В.Д., Краснокутская Е.А., Полещук О.Х., Лесина Ю.А. Ж. Орг. Химии 2008, 44, 691 вычислена термодинамика этих реакций методом DFT B3LYP/6-311G* в неполярной среде и в растворе метанола и показано, что эти реакции термодинамически очень невыгодны: Антрацен: DGгаз.фаза= 86.28 ккал/моль, DG MeOH= 7.43 ккал/моль Фенантрен: DGгаз.фаза= 97.78 ккал/моль, DG MeOH= 18.49 ккал/моль Антрацен: DGгаз.фаза= -19.82 ккал/моль, DG MeOH= -19.69 ккал/моль Фенантрен: DGгаз.фаза= -20.53 ккал/моль, DG MeOH= -22.37 ккал/моль