Реакционноспособные интермедиаты

Многие реакции идут через образование коротко- живущих, очень реакционноспособных ин- термедиатов, поиск и идентификация которых явля- ется важным этапом исследования механизма реак- ции. Хотя интермедиаты ? это в принципе молекулы, подобные любым другим молекулам, но все же вряд ли мы когда-нибудь сможем измерить, например, показатель преломления дегидробензола, так как это всего лишь преходящая молекула. Некоторое представление о свойствах интер- медиатов можно получить, изучая реакционную способность и селективность реакций с предпола- гаемым их участием. Так, если интермедиат без разбора атакует любую соседнюю молекулу, зна- чит он очень реакционноспособен, т.е. нестабилен в данных условиях. В противоположном случае делается вывод, что интермедиат имеет «доста- точно долгое» (но все же короткое) время жизни. Еще одно свойство интермедиата, которое можно установить, ? это мультиплетность. Ме- тильный радикал ? дублет, а метилен CH2 может быть или синглетом, или триплетом в зависимости от того, спарены два неподеленных электрона или нет. Во многих случаях, используя принцип сохра- нения спина, можно точно сказать, какая частица генерируется в первичном акте реакции. Например, в реакции

ионы A2X+ и Y? могут быть или оба синглетными, или оба триплетными, но, поскольку анион Y? не имеет дефицита электронов, он должен быть синглетным и, следовательно, A2X+ тоже синглет. Синглетные и триплетные частицы часто имеют очень близкие энергии, поэтому экспериментатор должен решить, какова все же электронная конфи- гурация, в которой интермедиат вступает в реак- цию. Электронодефицитные интермедиаты, напри- мер карбены, почти всегда реагируют как окисли- тели или как кислоты. Триплет может участвовать только в одноэлектронных элементарных процес- сах, а синглет ? в двухэлектронных. Например, широко известна согласованная реакция присое- динения синглетов по кратным связям, приводя- щая к трехчленным циклам. Триплеты тоже дают такие продукты, но только через образование еще одного интермедиата _? бирадикала, в котором перед замыканием цикла должна произойти ин- версия спина. В результате наблюдается различие в стереохимии: синглет реагирует стереоспеци- фично, а триплет дает смесь изомеров, так как в бирадикале происходит внутреннее вращение во- круг ?-связей. Этот эффект называется правилом Скелла [24]. Конечно, огромный интерес вызывает структура интермедиатов (длины связей, валентные углы). Ее устанавливают обычно спектроскопическими методами, генерируя интермедиаты флеш- фотолизом или матричной изоляцией. Другое направление в изучении свойств интер- медиатов связано с химической (структурной) ста- билизацией данного интермедиата. В пределах данного класса существуют интермедиаты более стабильные и менее стабильные. Нужно выяснить причины стабилизации и дестабилизации, а затем придумать экстремальные примеры очень ста- 18 бильного и очень нестабильного интермедиатов, синтезировать очень стабильную частицу и изу- чить ее свойства. Иногда применяют метод связывания неста- бильного интермедиата с металлами. Так, орто- хинодиметан (8) ? очень нестабильная частица и при генерировании немедленно превращается в бензоциклобутан, однако, если генерирование осуществить в присутствии карбонильных соеди- нений железа, можно выделить комплекс 9, ста-бильный до 500 °C :

Такая ненормально сильная стабилизация же- лезом означает, что свойства 8 в комплексе 9 пол- ностью изменились, так же, как свойства карбена в циклопропане, если последний рассматривать как «комплекс карбена с этиленом» [23]. Отметим, что каким бы реакционноспособным не был интермедиат, он не может реагировать по путям, игнорирующим, например, правила Вуд- ворда?Хоффмана. Интермедиат может быть нестабильным по ряду причин, из которых принципиально главные две. Первая причина ? необычное валентное со- стояние. Если у атома углерода валентная обо- лочка не восьмиэлектронная, то подобные части- цы неустойчивы. К таким интермедиатам относят- ся, например радикал ?CH3 (7е?), карбен CH2 (6е?), карбокатион CH3 + (6е?). Карбанион CH3 ? имеет восьмиэлектронную оболочку, но тем не менее очень нестабилен. Нестабильность связана с кон- центрацией заряда на координационно ненасы- щенном атоме углерода (в отличие от OH?, F? и других анионов с отрицательным зарядом на элек- троотрицательном атоме, орбиталь, несущая от- рицательный заряд аниона CH3 ?, имеет очень вы- сокую энергию, и поэтому метильный анион ? сильнейший восстановитель и сильнейшее осно- вание). Другая принципиальная причина ? это нетер- пимое напряжение в структуре молекулы. Хорошо известными примерами таких структур являются дегидробензол и циклоалкины с малыми циклами, тетраэдран, анти-бредтовские молекулы (согласно правилу Бредта [26] в бициклических молекулах атомы углерода в голове моста не могут иметь двойные связи). Ниже представлены наиболее типичные интер- медиаты: радикалы, карбены, карбокатионы и кар- банионы. С в о б о д н ы е р а д и к а л ы были предска- заны еще в XVIII веке, однако первые эксперимен- тальные доказательства их действительного су- ществования были получены М. Гомбергом [27] в 1900 г. на примере синтеза относительно стабиль- ного трифенилметильного радикала. Оказалось, что в растворе этот радикал находится в равнове- сии со своим димером, которому Гомберг и вслед за ним другие исследователи ошибочно приписали структуру гексафенилэтана. Почти 70 лет спустя с помощью спектроскопии ЯМР было выяснено, что димер имеет хиноидную структуру 10 [28] и не является гексафенилэтаном. Степень диссоциации димера зависит от заместителей; особенно ста- бильны перхлорированные радикалы Баллестера 11 [29].

К группе стабильных радикалов относятся так- же нитроксилы 12 [30] и ряд других структур. Об- разование очень нестабильных метильных ради- калов впервые доказал Паннет в 1929 г. [31]. Ис- следование метила с помощью спектроскопии матричной изоляции [32] показало, что он имеет плоскую геометрию. К а р б е н ы на 50 лет «моложе» радикалов. Убедительные доказательства образования CCl2 были получены Дж. Хайном в 1950 г. на основании кинетических данных для реакции щелочного гид- ролиза хлороформа:

Если реакцию проводить в присутствии циклогек- сена, дихлоркарбен можно уловить в виде бицик- лического аддукта 13 [34]. Метилен впервые наблюдал Герцберг в 1959 г. [35] при флеш-фотолизе диазометана, из которого CH2 образуется в возбужденном синглетном со- 19 стоянии с валентным углом 103° и длинами связей 1,12 A. Триплетный метилен имеет почти линей- ную структуру [36]. К а р б о к а т и о н ы с т р е х к о о р д и - н и р о в а н н ы м у г л е р о д о м (ионы карбе- ния) как интермедиаты органических реакций были предложены Г. Меервейном в 1922 г. для объяс- нения перегруппировки камфенгидрохлорида в изоборнилхлорид [37]. Отметим, что в то время большинство химиков избегало называть обеднен- ный электронами углерод карбокатионом. Затем концепция образования органических катионных частиц была использована Ингольдом и Хьюзом для построения теории SN1-реакций. В 1950?70-х годах выдающийся вклад в химию карбокатионов внес Г. Ола, использовавший суперкислотные (очень низкоосновные) растворители типа SO2, SO2ClF, SO2F2 и др., благодаря чему стало воз- можным спектроскопическое исследование огром- ного числа карбокатионных структур. С помощью ЯМР 1H и 13C была получена не только информа- ция о структуре, но также исследованы перегруп- пировки в карбокатионах. Для таких же исследова- ний оказались пригодными методы ИК- и КР- спектроскопии. Рентгенофотоэлектронная спектро- скопия (ЭСХА), которая измеряет энергию связы- вания 1s-электронов, дала информацию о делока- лизации заряда в карбокатионах [38?40]. В 1960-х годах особенно горячо дискутирова- лась проблема так называемых «неклассических» карбокатионов [41]. (Подробное изложение про- блемы см., например, в [42].) Возникновение идеи о неклассических карбокатионах относится к 1939 г., когда авторы работы [43] предположили образование, как они говорили, промежуточного «мостикового» иона 14 при перегруппировке кам- фенгидрохлорида (15) в изоборнилхлорид (16), для которой Меервейн на 17 лет раньше впервые сформулировал карбокатионный механизм.

В 1952 г. С. Уинстейн [44] предложил для 2-нор- борнильного иона формулу 17:

В рамках теории резонанса ей соответствует набор трех структур 18, 19 и 20.

Фактически признавался новый тип связи, который ранее не был принят в органической химии: рас- пределение одной пары электронов между тре- мя ядрами, т.е. двухэлектронная трехцентровая связь, три орбитали которой (одна дважды заня- тая и две незанятые) топологически эквивалент- ны орбиталям в устойчивом треугольном катионе H3 +, ?-орбиталям в катионе циклопропенилия или орбиталям в диборане B2H6. Г. Браун, следуя принципу «наличие убеди- тельных улик принуждает сделать прямо противо- положное заключение», выступил с возражением против неклассического строения 2-нор- борнильного катиона и других подобных карбока- тионов (см. [45] и цитируемую там литературу). Он связал скелетные перегруппировки и потерю хи- ральности с очень быстрой, постоянно идущей даже при температурах ниже ?100 °С, перегруппи- ровкой Вагнера?Меервейна («эффект автомо- бильных щеток-стеклоочистителей»), в процессе которой атом углерода в положении 6 поочередно связан то с C1, то с C2:

В свете представлений Г. Брауна неклассиче- ский ион 17 является переходным состоянием перегруппировки, а не интермедиатом сольволиза 2-замещенных норборнанов. 2-Норборнильный катион долгое время был избранным «мистером карбокатионом». Пожалуй, это самый глубоко исследованный интермедиат в органической химии, причем исследованный са- мыми сложными методами. И тем не менее, его строение остается загадкой: выбор между неклас- сической структурой и быстрым равновесием сде- лать не удалось. Исследование карбокатионов привело к форму- лированию таких важных концепций, как участие соседних групп, анхимерное ускорение, тесные и сольватно-разделенные ионные пары. В общем, реакционноспособные интермедиаты довольно часто существуют в виде «пар»: радикальных, обусловливающих «клеточный эффект» и эффек- ты химической поляризации ядер (ХПЯ), ионных, ион-радикальных, пар нейтральных молекул (на- пример, комплексы с переносом заряда) и т.д. Эти пары тоже можно рассматривать как реакционно- способные интермедиаты, поскольку они бывают 20 настолько реакционноспособными, что исчезают в химических реакциях еще задолго до того, как произойдет их распад на кинетически независимые компоненты. Карбанионы не были открыты так «вне- запно», как свободные радикалы Гомбергом или карбены Хайном и Дёрингом. Карбанионы явля- ются сопряженными основаниями CH-кислот, сила которых в зависимости от структуры изме- няется в очень широких пределах; известны CH- кислоты по силе не уступающие минеральным кислотам или даже превосходящие их. Так, в диметилсульфоксиде такие CH-кислоты как NO2CH2SO2Ph, NO2CH2COPh или 9- цианофлуорен имеют величину pKa (отрица- тельный логарифм константы кислотной диссо- циации в ДМСО) 7,1; 7,7 и 8,4, соответственно, тогда как для HI pKa = 9,2, а для HCl 13,0, т.е. последние более слабые кислоты [46]. Содер- жащие карбанионы щелочные соли CH-кислот известны с давних времен, например натрийма- лоновый или натрийацетоуксусный эфиры, ком- плексы ацетилацетона с металлами. Алканы, алкены и арены тоже надо рассматривать как кислоты, только чрезвычайно слабые [47]. На- чало количественной оценки CH-кислотности и, следовательно, относитель- ной стабильности карба- нионов было положено в 1930-х годах работами Ко- нанта и Уэланда [48] и Мак-Ивена [49]; первую количественную шкалу ки- слотности углеводородов создал Д. Крам [50]. Наиболее заметной ве- хой в развитии химии карб- анионов явилось исследо- вание их реакционной спо- собности в газовой фазе [51, 52]. В 1960?70-х годах благодаря созданию новых масс-спектрометрических методов, в том числе мето- да ионного циклотронного резонанса и масс-спектрометрии высокого давле- ния, появилась возможность исследовать процесс переноса протона между двумя молекулами в га- зовой фазе, т.е. в условиях, когда исключается сольватация. В результате этих исследований неожиданно выяснилось, что многие ряды отно- сительной кислотности и основности веществ в растворе, которые раньше легко объясняли соб- ственными электронными и пространственными эффектами заместителей в молекулах, в газовой фазе полностью расстраиваются и даже обраща- ются, т.е. на самом деле связаны с сольватацией [53, 54], причем эффекты сольватации часто могут перекрывать индуктивные, мезомерные и про- странственные эффекты заместителей.

Несольватированный протон (и вообще несоль- ватированные ионы) в газовой фазе настолько нестабилен, что он способен присоединяться к молекулам, имеющим не только неподеленные электронные пары (NH3, H2O, HF и др.), но и вклю- чающим электроны лишь ?-типа (СН4). В послед- нем случае образуется неклассический карбокати- он, содержащий пентакоординированный углерод. Его можно рассматривать или как комплекс прото- на с метаном, или как комплекс метильного катио- на с молекулой водорода:

Особенно велико сродство протона к анионам, где рекорд принадлежит метильному аниону (?H°= ?1740 кДж/моль). Иодид-ион, слабейшее основание в воде (рКа(HI) ? ?10), в газовой фазе оказывается значительно более сильным основа- нием, чем аммиак. В целом, сродство к протону в газовой фазе зависит от типа молекул следующим образом: В газовой фазе нет абсолютно сильных кислот;

В газовой фазе нет абсолютно сильных кислот; все кислоты слабые, поскольку протон и другие ионы в несольватированном состоянии существо- вать не могут. Общий интервал изменения рКа в газовой фазе (?рКа = 54 при переходе от NH3 к HNO3) не сильно отличается от интервала измене- ния рКа в воде (?рКа ? 50 при переходе от толуола к HI).

На рис. 1 показана зависимость между кислот- ностью в газовой фазе и в воде [55]. Видно, что в целом никакой корреляции между кислотностью в газовой фазе и в воде нет. Тем не менее можно найти определенную симбатность в пределах от- дельных классов бренстедовских кислот. Так, для галогеноводородных кислот (прямая а) порядок изменения кислотности как в воде, так и в газовой фазе один и тот же: HI > HBr > HCl > HF. Различие состоит в том, что интервал изменения рКа в воде приблизительно в четыре раза уже, чем в газовой фазе. Это связано с тем, что в воде протон и гало- генид-ионы очень хорошо сольватированы и вследствие этого сила кислот нивелируется.

Для СН-кислот dpKа(газ)/dpKа(H2O) ? 0,8 ? на- клон прямой в, что близко к единице. Вероятно, так и должно быть, поскольку вода плохо сольватиру- ет как сами СН-кислоты, так и отрицательно заря- женные карбанионы, поскольку связи С?Н и ани- онные центры С? мало склонны к образованию водородных связей. Кроме того, карбанионы, соот- ветствующие СН-кислотам, рКа которых можно определить в водном растворе, как правило, ха- рактеризуются делокализованным по ?-системе зарядом (мягкие основания), что уменьшает их склонность сольватироваться водой (жесткая ки- слота). Следовательно влияние сольватации в случае СН-кислот не так велико. Но самые интересные выводы можно сделать из прямой б для ОН-кислот. Эта прямая имеет излом. Нижняя часть прямой имеет положитель- ный наклон, т.е. кислотность в газовой фазе и в воде уменьшается в одном и том же ряду: