Освоение методики исследования кинетики реакции N-ацилирования α-аминокислот сложным эфиром в водно-органическом растворителе

Рис. 1.2.1. Зависимость констант скорости N-ацилирования (k_-)

DL-α-аланина (1), L-серина (2), DL-триптофана (3), DL-лейцина (4) и

L-аспарагина (5) 2,4- динитрофениловым эфиром бензойной кислоты от мольной доли органического компонента (Х₁) в растворителе

вода-N,N-ДМАА, 298 K

Аналогичный вид  указанных зависимостей авторы отмечают и при ацилировании a-аминокислот сложными эфирами в водных растворах N,N-диметилформамида [74]. Авторы отмечают, что для смесей воды с амидными растворителями в случае других реакционных серий также наблюдаются сложные зависимости.

Варьирование  состава бинарного растворителя приводит к изменению полярности среды, что в свою очередь также  оказывает влияние на скорость процессов, протекающих в данной системе.

При обсуждении влияния водно-органического растворителя на кинетику N-ацилирования α-аминокислот замещенными фениловыми эфирами бензойной кислоты необходимо принимать во внимание результаты многочисленных исследований влияния растворителя на кинетику реакций ацильного переноса [10,13]. Является общепринятым мнение, что при диэлектрической проницаемости среды ε >15 основным видом сольватации реагента,  оказывающей влияние на кинетику реакции, является специфическая сольватация. В таблице (1.2.2) и на рисунке (1.2.2) представлена зависимость логарифмов констант скорости N-ацилирования глицина (Gly), L-α-аланина (L-α-Аla), DL-лейцина (DL-Leu) 2,4-динитрофениловым эфиром бензойной кислоты (2,4-ДНФЭБК) от функции Кирквуда бинарного растворителя вода-2-пропанол при 298К [38]:

Таблица 1.2.2

Значение  констант скорости Gly, L-α-Аla, DL-Leu 2,4-ДНФЭБК в растворителе вода-2-пропанол и функция Кирквуда для данного растворителя, 298К [38]

Мас % Н2О	40	50	60	70	80
ε-1/2ε+1	0,479	0,483	0,485	0,487	0,88
Gly	1.22	1.74	1.72	1.88	3.69
L-α-Аla	0.42	0.48	0.48	0.55	0.98
DL-Leu	0.228	0.401	.0538	0.632	0.796

Отсутствие  линейной зависимости lgk N-ацилирования α-аминокислот от функции Кирквуда (ε-1/2ε+1) (ε - предельная низкочастотная диэлектрическая проницаемость среды [53]) в работе [49] объясняется тем, что влияние неспецифической сольватации реагентов и переходного состояния на константу скорости реакции незначительно по сравнению со специфической сольватацией.

Рис. 1.2.2. Зависимость логарифмов констант скорости

N-ацилирования Gly, L-α-Аla, DL-Leu 2,4-ДНФЭБК

 от функции Кирквуда растворителя вода-2-пропанол, 298К

 

Аналогичные зависимости наблюдаются  для всех изученных a-аминокислот в работе [36]. Нелинейность зависимости lg k от (e-1)/(2e+1),

 свидетельствует о сильном  влиянии специфической сольватации  реагентов и переходного состояния   на константу скорости реакции.  Однако проанализировать влияние  других свойств растворителя, к  которым можно отнести поляризуемость, донорные и акцепторные свойства (параметры уравнения Коппеля-Пальма) не представляется возможным, так как количественные характеристики этих свойств известны лишь для однокомпонентных растворителей [46].

Наличие взаимодействия между компонентами бинарного растворителя и обоими реагентами приводит к сложной зависимости константы скорости реакции и от мольной доли воды в системе.

Влияние состава  бинарного водно-органического  растворителя на константу скорости ацилирования a-аминокислот может быть представлено уравнением (2), предложенным в работе [54], в котором учитывается специфическая сольватация реагентов компонентами среды (1.2.1):

                            (1.2.1)

Здесь k₁, k₂ – константа скорости реакции в чистом органическом растворителе и воде; k₁₂, k’₁₂ – константы, связанные со специфическим взаимодействием между компонентами растворителя и реагентами [54] и учитывающие отклонение от аддитивности;  Х₁, Х₂ – молярные доли органического компонента и воды соответственно.

Уравнения дают возможность оценить константу  скорости реакции  k₂ в воде (коэффициент при Х₂), экспериментальное определение которой представляет значительные трудности.

 

   

 

 

 

 

 

 

1.3.  О механизме  реакции ацилирования аминокислот

Механизм реакций ацильного переноса у карбонильного атома углерода может быть описан общей схемой (1.3.1), которая является результатом многочисленных исследований [9,45,57-60], проведенных в широком диапазоне растворителей и участников реакции.

 

(1.3.1)

где HА – любая кислота, которая может находиться в водной среде, в том числе и молекула воды, В – любое основание, в том числе молекула амина или воды.

На схеме (1.3.1) наряду с некаталитическими  путями указаны различные каталитические стадии, поскольку молекула воды, являясь растворителем, могут одновременно выступать в качестве основного, кислотного, а также бифункционального катализа (спонтанный катализ). В работе [61] из схемы (1.3.1) исключен путь согласованного замещения, который в водной среде маловероятен, так как образующиеся здесь ТТП (тетраэдрический промежуточный продукт) стабилизированы за счет специфической сольватации растворителя. Все же в ряде случаев нельзя полностью отклонить возможность протекания реакции по согласованному механизму. В реакциях с участием   первичных и вторичных аминов в, образующийся ТПП может существовать в четырех формах (Т^±,Т⁺,Т^-,Т°), которые различаются между собой количеством и относительным расположением протонированных и депротонированных центров. Доминирование той или иной формы ТПП зависит от  природы реагентов и свойств среды.

Представленные  на схеме (1.3.1) пути образования конечных продуктов отличаются последовательностью  изменения реагирующих связей. Указанный схематично механизм учитывает все возможные пути реакции. При согласованном механизме возможны три типа переходных состояний. Однако, потоки изображенные на схеме не могут осуществляться одновременно. Поскольку строение реагентов и среда оказывает влияние на преобладание того или иного механизма, то возможно огромное разнообразие механизмов [15,45,57].

 Рассматривая  реакции с участием ангидридов  в работе [45] авторы отмечают возможность выделения промежуточных продуктов, приводя доказательства существования неустойчивых ТПП.  В реакциях же нуклеофильного замещения у карбонильного атома углерода зарегистрировать  и выделить промежуточные продукты не удалось.

В работе [62] показан стадийный характер реакции ацилирования аминов хлорангидридами карбоновых кислот. Однако по мнению автора [63], в данном случае  образуется комплекс с переносом заряда, возникающий в результате донорно-акцепторного взаимодействия между реагентами, а не ТПП.

         Причиной  для данного заключения служит  тот факт, что первой стадии реакции соответствует не уменьшение оптической плотности, которое возможно при разрыве связи С=О в ходе образования ТПП, а ее рост. Второй стадией процесса соответствует снижение оптической плотности, чего не должно наблюдаться при переходе ТПП в продукты реакции.

В своих работах [49,64] Литвиненко с сотрудниками считают, что в реакциях нуклеофильного замещения с участием галогенангидридов преобладает согласованный механизм S_N2 с возможными его разновидностями. Согласованному механизму соответствуют данные по исследованию перекрестной корреляции влияния заместителей в ариламине или бензоилхлориде и свойств среды, сопровождающийся в ряде случаев образованием циклических переходных состояний (1.3.2):

(1.3.2)

На их наличие указывает, по мнению авторов, излом линейных зависимостей логарифмов констант скоростей реакций  ариламинов с бензоилхлоридом и  замещенных арилхлоридов 3-фторанилином от функции Кирквуда [49]. Константы скорости реакции в неспецифических сольватирующих растворителях должны описываться уравнением Кирквуда, но оно не выполняется во всем диапазоне диэлектрической проницаемости среды e, а претерпевает излом со снижением величины у при уменьшении полярности среды, что в свою очередь указывает на уменьшение полярности переходного состояния при возрастании реакционной способности.  Данный процесс возможен только при образовании переходного состояния (1.3.2), в котором внутримолекулярный перенос протона облегчает отрыв уходящей Hal группы и увеличивает скорость реакции, уменьшая при этом скорость переходного состояния. Если за основу брать стадийный механизм реакции ацилирования, то несоблюдение кирквудовских зависимостей можно объяснить протеканием реакции через неполярную форму тетраэдрического промежуточного продукта с образованием переходного состояния (1.3.3) при величине <0,35 растворителя, если же эта величина больше 0,35 то реакция идет через полярную форму ТПП с участием полярного переходного состояния (1.3.4):

   

(1.3.3)                                       (1.3.4)

 

Указанное переходное состояние  (1.3.3) менее полярно, чем (1.3.4), поэтому кирквудовская зависимость носит нелинейный характер. Аналогичное объяснение таких же зависимостей для реакций аминолиза ариловых эфиров N-производными аминокислот дают в своей работе авторы [14].

В работах [16,21] авторы отмечают, что скорость ацилирования ариламинов галогенангидридами карбоновых кислот зависит от прочности связи С-Х. Однако многие факты указывают на согласованный механизм реакции ацилирования аминов галогенангидридами, стадийный механизм с образованием ТПП вероятно также возможен.

К реакциям ацильного переноса относится  и реакция образования пептидной  связи, механизм которой также может  быть описан схемой (1.3.1). Изучению механизма  данной реакции в различных средах посвящен ряд работ [14-15,32,61,65]. На основании кинетических данных аминолиза ариловых эфиров N-защищенных аминокислот в апротонных растворителях авторами [14] сделан вывод о том, что аминолиз протекает через образование ТПП, который, в зависимости от полярности среды, может иметь как полярную (1.3.5), так и неполярную (1.3.6) структуру. Распад ТПП является стадией, определяющей скорость реакции. Наряду со стадийным механизмом, авторы [14,66] допускают возможность внутримолекулярного катализа аминогруппой ацилирующего агента, за счет которого при уменьшении полярности среды облегчается отщепление уходящей группы.

   

(1.3.5)     (1.3.6)

В последнее время в связи  с развитием вычислительной техники  для объяснения реакционной способности  органических соединений часто используются результаты квантово-химических расчетов структурных и электронных характеристик как изолированных молекул, комплексов с молекулами растворителя так и структуры переходного состояния. В работах [39,67-68] сделана попытка выяснить влияние компонентов бинарного водно-органического растворителя на скорость N-ацилирования a-аминокислот 4-нитрофениловым эфиром 4-нитробензойной кислоты. Автором предложена схема механизма N-ацилирования a-аминокислот 4-нитрофениловым эфиром 4-нитробензойной кислоты (4-НФЭ-4-НБК) в водно-органических средах. В работе  [69] отмечено, что в приводимых в литературе схемах механизма ацилирования аминов сложными эфирами не учитывается характер взаимодействия реагентов и переходного состояния с молекулами растворителя. В то время как среда может изменять скорость реакции  в ~10⁶ и более раз. Автор рассматривает образование шестичленных циклов между молекулами реагентов и молекулами растворителя в переходном состоянии, которые объясняют резкое изменение скорости при проведении реакции в спирте и в воде. Молекулы a-аминокислоты в анионной форме AlkNH₂ (Alk-CHRCOO^-) и молекулы сложного эфира ArCOOAr (Ar-C₆H₄NO₂) могут образовывать молекулярные комплексы с молекулами водно-органического растворителя различного состава. Молекулы α-аминокислоты в анионной форме AlkNH₂ и молекулы сложного эфира ArCOOAr¢ могут образовывать молекулярные комплексы с молекулами водно – органического растворителя разного состава, находящиеся в термодинамическом равновесии.

(1.3.7)

(1.3.8)

где R: (СН₃)₂СN, С₂Н₅-; индекс «solv» означает универсальную и специфическую сольватацию удаленных от реакционного центра частей молекулы.

Из уравнений (1.3.7) и (1.3.8) следует, что с увеличением концентрации воды в водно-органическом растворителе происходит смещение равновесий в сторону образования комплексов (б) и (г), которые являются более реакционноспособными по сравнению с комплексами (а) и (б), поэтому скорость изучаемой реакции должна возрастать с увеличением концентрации воды.

С малой концентрацией воды в  водно-спиртовом растворителе автор [39] предполагает следующую схему (1.3.9):

 

(1.3.9)

где (а) – сольватированная молекула a-аминокислоты, (с)-сольватированная молекула 4-НФЭ-4-НБК.

 

При большей концентрации воды может  реализовываться следующая схема (1.3.10):