Введение

Органические химики обычно полагаются на растворители для растворения реагентов, контроля температуры и облегчения изоляции продукта. Тем не менее, выбор растворителя выходит далеко за рамки простой растворимости - он часто диктует, происходит ли реакция быстро, избирательно или даже вообще. Полярность растворителя, широко определяемая его способностью сольватировать заряженные или диполярные виды, оказывает глубокое влияние на законы скорости реакции путем стабилизации или дестабилизации переходных состояний и промежуточных реакций. Понимание этой взаимосвязи имеет важное значение для разработки эффективных синтетических маршрутов, прогнозирования результатов реакции в различных условиях и разработки более зеленых альтернатив традиционным системам растворителей.

Закон скорости реакции — математическое выражение, связывающее скорость с концентрациями реагентов — может резко измениться, когда растворитель переключается с неполярного углеводорода на высокополярную протическую среду. Например, реакция, которая следует кинетике второго порядка в одном растворителе, может перейти к поведению первого порядка в другом, или постоянная скорости может варьироваться на несколько порядков величины. В этой статье исследуется физическое происхождение эффектов полярности растворителей, обсуждается, как они влияют на законы скорости обычных типов органических реакций (особенно S]N1, SN2, E1 и E2), и обеспечивает практическое руководство для выбора растворителей в синтетической органической химии.

Определение полярности растворителей

Полярность растворителей — это не одно четко определенное свойство, а собирательный термин, который охватывает несколько физико-химических характеристик.Наиболее фундаментальным дескриптором является диэлектрическая постоянная (ε), которая измеряет способность растворителя уменьшать электростатическую силу между заряженными частицами.Высокая диэлектрическая постоянная (например, вода, ε ≈ 80) указывает на сильную способность разделять и стабилизировать ионы; низкая диэлектрическая постоянная (например, гексан, ε ≈ 2) указывает на плохую стабилизацию.

Однако одной только диэлектрической постоянной недостаточно, поскольку специфические взаимодействия растворителя-растворителя, такие как донорство или принятие водородных связей, также играют критические роли. Более всеобъемлющие шкалы включают эмпирические параметры, измеренные из сольватохромных сдвигов молекул зонда. Наиболее широко используется шкала E]Reichardt E]T(30), полученная из энергии перехода пиридиниума N-фенолата бетаина красителя. Эта шкала ранжирует растворители из воды (E]T(30) = 63,1 ккал/моль)T(30) = 30,9 ккал/моль) и хорошо коррелирует со скоростями реакции для многих полярных процессов. Другие популярные шкалы включают параметры Камлет-Тафт, которые разделяют

Протик против апротических растворителей

Растворители часто делятся на две широкие категории: протез (те, которые могут сдавать водородную связь, например, воду, метанол, уксусную кислоту) и апрот (те, которые не могут сдавать, например, ацетон, ацетонитрил, DMSO). Оба типа могут быть полярными, но их механизмы сольватации различаются. Протические растворители стабилизируют анионы посредством водород-связывания и катионы через донорство в виде одиночной пары; протонные растворители обычно хорошо сольватируют катионы, но оставляют анионы относительно «голыми» (нерастворимыми), что имеет серьезные последствия для нуклеофильности. Это различие напрямую влияет на законы скорости в реакциях замещения и элиминации.

Теоретические основы: стабилизация переходного состояния

The effect of solvent polarity on reaction rates is most elegantly explained by transition state theory. According to this theory, the reaction rate constant k is related to the Gibbs free energy of activation ΔG‡:

k ⁇ exp(-ΔG ⁇ /RT.

Полярный растворитель понижает ΔG, когда переходное состояние является более полярным, чем основное состояние (т.е. когда заряд создается или отделяется вдоль координаты реакции). И наоборот, если основное состояние является более полярным, чем переходное состояние — например, когда реагенты ионны, а переходное состояние менее заряжено — полярный растворитель увеличит ΔG и замедлит реакцию.В крайних случаях, определяющий скорость шаг может даже измениться, изменив зависимость закона скорости от концентраций реагента.

Эта концепция количественно определяется правилом Хьюза-Ингольда, которое суммирует, как полярность растворителя влияет на скорости для различных типов зарядов. Например, реакция, которая производит более заряженное переходное состояние (например, нейтральный → ион) ускоряется за счет увеличения полярности растворителя; реакция, которая разрушает заряд (ион → нейтральный) замедляется; и реакция, где заряды разделены, но не созданы (например, ион-диполь), показывает более нюансированное поведение. Правило обеспечивает интуитивную отправную точку для прогнозирования эффектов растворителя на законы скорости.

Эффекты растворителей на конкретные типы реакций

SN1 Реакции

В реакциях SN1 (одномолекулярная нуклеофильная замена) стадией ограничения скорости является ионизация субстрата для образования карбокации и уходящей группы. Эта стадия включает в себя большое увеличение разделения заряда: нейтральный или слегка полярный субстрат становится ионной парой. Согласно правилу Хьюза-Ингольда, растворители высокой полярности сильно стабилизируют развивающуюся карбокацию и покидающую группу посредством сольватации, тем самым снижая барьер активации. Следовательно, скорости SN1 резко возрастают с полярностью растворителей, особенно в полярных протических растворителях, которые могут связываться водородом с уходящей группой (например, галогенидные ионы) и сольватировать карбокацию.

Закон скорости для реакции SN1, как правило, первого порядка в субстрате (степень =k[R-X]), независимо от концентрации нуклеофилов. Полярность растворителя не изменяет математическую форму закона скорости, но она глубоко влияет на величину k. В растворителе, таком как этанол-водные смеси, постоянная скорости для гидролиза tert-бутилхлорида увеличивается на несколько порядков по сравнению с неполярным растворителем, таким как тетрахлорид углерода. Однако, если растворитель слишком полярный и также сильно основной, может доминировать конкурирующее исключение — важное соображение для синтеза.

SN2 Реакции

В SN2 (бимолекулярная нуклеофильная замена) реакции переходное состояние включает одновременное связывание с нуклеофилом и разрыв связи с уходящей группой.У нуклеофила развивается частичный положительный заряд, уходящая группа — частичный отрицательный заряд, а центральный атом углерода становится частично пентакоординатным.Распределение заряда в переходном состоянии зависит от природы нуклеофила и уходящей группы, но часто включает в себя «свободное» расположение со значительным разделением заряда.

Влияние полярности растворителя на SN2 реакции более тонко, чем для SN1. Для нейтральных реагентов (например, NH3 + CH3Cl) переходное состояние более полярно, чем основное состояние, поэтому полярные растворители ускоряют реакцию. Однако для реакций между анионным нуклеофилом и нейтральным субстратом (например, OH− + CH3Br) основное состояние уже ионизировано и переходное состояние делокализует отрицательный заряд; в этом случае полярный протический растворитель стабилизирует нуклеофил основного состояния больше, чем переходное состояние, приводя к замедлению реакции — известному «эффекту растворителя на нуклеофильность».

Это объясняет, почему реакции SN2 часто являются самыми быстрыми в полярных апротических растворителях, таких как DMSO, DMF или ацетонитриле. Эти растворители сольватируют катионную скважину, но оставляют анионный нуклеофил относительно нерастворимым, резко увеличивая его нуклеофильность (до миллиона раз по сравнению с протическими растворителями). Закон скорости остается второсортным (скорость = k[R-X][Nu−]), но постоянная скорости k становится очень чувствительной к выбору растворителя.Наглядным примером является реакция Финкельштейна: йодид, вытесняющий бромид в ацетоне, в 1000 раз быстрее, чем в этаноле.

Реакции элиминации (E1 и E2)

Реакции элиминации механически параллельны реакциям SNE1 (одномолекулярное удаление) протекает через промежуточный карбокационный процесс, точно так же, как SN1, и аналогично ускоряется полярными протическими растворителями.Закон скорости является первым порядком (rate =]k[R-X]), и полярность растворителя в первую очередь влияет на k, а не на порядок.Однако, поскольку E1 и SN1 имеют одинаковую промежуточную карбокационную реакцию, соотношения продуктов часто чувствительны к нуклеофильности и полярности растворителя.

E2 (бимолекулярное удаление) предполагает одновременную абстракцию β-водорода основанием и уход уходящей группы. Переходное состояние обычно имеет значительное отрицательное развитие заряда на основании и частичный двойной характер. Полярные апротические растворители, которые не инкапсулируют основание, способствуют реакциям E2, сохраняя основание высокореактивным. И наоборот, полярные протические растворители водород-связывается с основанием, ослабляя его эффективную прочность основания и замедляя скорости E2. Закон скорости для E2 является вторым порядком (скорость = ]k[R-X][B−]), и полярность растворителя влияет как на скорость, так и на региоселективность (продукты Сайцева против Хофмана).

Полярные циклы и перициклические реакции

Хотя перициклические реакции часто считаются «независимыми от растворителей», поскольку они не включают ионных промежуточных соединений, многие циклоаддиции проявляют значительные эффекты полярности растворителей. Например, реакция Дильса-Альдера между циклопентадиеном и метилакрилатом протекает быстрее в полярных растворителях (например, воде), чем в неполярных. Это ускорение в первую очередь связано с гидрофобной упаковкой и принудительной сольватацией диена и диенофила, но также отражает стабилизацию состояния полярного перехода. Такие эффекты растворителя могут изменять закон скорости реакции только в том случае, если изменяется механизм — для согласованных реакций закон скорости остается вторым порядком, но константа скорости может сильно различаться.

Закон о ставках и влияние растворителя

В то время как полярность растворителя обычно не изменяет математический порядок закона скорости (это механизм, который определяет порядок), она может влиять на концентрации реактивных видов в растворе через доравновешивающее сольватирование . Например, в кислотно-катализированных реакциях концентрация H+ может зависеть от способности растворителя стабилизировать протонированный промежуточный продукт. Аналогично, ионопарные равновесия могут снизить эффективную концентрацию анионных нуклеофилов в средах с низкой полярностью, эффективно изменяя видимый порядок по отношению к нуклеофилу.

Полярность растворителей также влияет на степень агрегации . В неполярных растворителях литиевые энолаты часто существуют в виде димеров или более высоких агрегатов; фактическим нуклеофильным видом является свободный энолат, концентрация которого мала и зависит от растворителя. Это может привести к дробным порядкам или необычным концентрационным зависимостям, которые должны учитываться при получении закона скорости из экспериментальных данных. Поэтому, когда химик наблюдает изменение закона скорости при переключении растворителей, он часто сигнализирует о сдвиге в состоянии агрегации или стадии, определяющей скорость, а не об изменении механизма как такового.

Количественные подходы: уравнение Грюнвальда-Винштейна

Для количественной оценки чувствительности реакции к ионизирующей мощности растворителя химики используют уравнение Грюнвальда-Винштейна:

k /k0] =mY

Здесь k0 является постоянной скорости в эталонном растворителе (обычно 80% этанола/воды), Y является параметром мощности ионизации растворителя, полученным из сольволиза -бутилхлорида, и m является субстрат-зависимым параметром, который измеряет степень ионизации в переходном состоянии.N1 реакции, m, как правило, около 1,0; для SN2 реакции, m, m известно.Расширения этого уравнения включают нуклеофильные шкалы[[FLT:

Другой ценной корреляцией является метод сольватохромного сравнения Камлета-Тафта, который использует множественную линейную регрессию для отделения вкладов от диполярности/поляризуемости (π*), кислотности водородных связей (α) и базовости водородных связей (β). Для реакции, скорость которой измеряется в наборе растворителей, журнал постоянной скорости может быть установлен на:

log k = c + sπ* + aα + bβ.

Коэффициенты , a, b показывают, какие силы сольватации доминируют в стабилизации переходного состояния.Такие количественные модели являются мощными инструментами для понимания и прогнозирования эффектов полярности растворителей на законы скорости, и они помогают в рациональном отборе растворителей.

Практические последствия для синтеза

Контроль скорости реакции через полярность растворителя является рутинной стратегией в синтетической органической химии. Для реакций замещения выбор между протическим и апротическим растворителем может сделать разницу между SN1 и SN2 путями, влияя как на скорость, так и на стереохимический результат. Например, алкилирование энолата оптимизировано в апротическом растворителе, таком как THF, чтобы избежать протонации энолата, в то время как синтез эфиров через этерификацию Фишера выигрывает от полярного протического растворителя для стабилизации протонированного промежуточного вещества.

Полярность растворителей также влияет на селективность реакции . В реакциях элиминации полярные апротические растворители, как правило, благоприятствуют алкену Хофмана (менее замещенному), поскольку основание менее сольватировано и имеет тенденцию абстрагировать более доступный β-водород. И наоборот, полярные протические растворители часто дают продукт Сайцева (более замещенному) из-за лучшей стабилизации развивающейся двойной связи. Понимание этих отношений растворителя-скорости позволяет химику настраивать условия для максимального выхода желаемого изомера.

Руководство по выбору растворителей

При разработке реакции могут помочь следующие общие рекомендации:

  • Для реакций SN1: Используйте полярные протические растворители (вода, этанол, уксусная кислота) для стабилизации промежуточных карбокационных соединений. Скорость будет высокой, но конкурирующее выведение может произойти при повышенных температурах.
  • Для реакций SN2 с анионными нуклеофилами: Используйте полярные апротические растворители (DMSO, DMF, ацетонитрил) для максимизации нуклеофильной реактивности. Избегайте протических растворителей, если нуклеофил не очень слаб.
  • Для SN2 реакций с нейтральными нуклеофилами: Полярные растворители (как протонные, так и протонные) могут ускорять реакцию по мере стабилизации диполярного переходного состояния.
  • Для реакций E2: Полярные апротические растворители с сильным, громоздким основанием (например, KOtBu) дают быстрые скорости и часто продукты Хофмана.
  • Для перициклических реакций: Вода с высокой плотностью когезированной энергии часто ускоряет реакции посредством гидрофобных эффектов.Если проблема плохой растворимости в воде, рассмотрите водно-органические смеси или аккуратные полярные апротические растворители.

Экологические и экономические соображения

Выбор растворителей не только связан с скоростью реакции - он также влияет на стоимость, безопасность и воздействие на окружающую среду. Многие высокополярные апротические растворители (например, DMF, HMPA, DMA) токсичны, опасны или трудно перерабатываются. Толчок к зеленой химии поощряет использование более доброкачественных растворителей, таких как вода, этанол, этилацетат и циклопентилметиловый эфир (CPME).

Одна из стратегий заключается в использовании растворителей для достижения желаемой полярности при сохранении приемлемой токсичности. Например, смеси этанола и воды могут почти точно имитировать мощность ионизации более опасных растворителей. Вычислительные инструменты, включая модели COSMO-RS и сольватации континуума, такие как PCM (Polarizable Continuum Model), могут прогнозировать энергии сольватации и константы скорости в незнакомых растворителях, помогая в разработке более зеленых процессов, не жертвуя реактивностью. Систематически связывая полярность растворителей с законами скорости, химики могут не только оптимизировать урожайность, но и уменьшить отходы и потребление энергии.

Заключение

Полярность растворителя является одним из самых мощных рычагов, которые органический химик может регулировать, чтобы влиять на законы скорости реакции. Путем стабилизации или дестабилизации переходных состояний и промежуточных соединений, полярность растворителя может изменять эффективный порядок реакции, ускорять или замедлять его на порядки величины и сдвигать баланс между конкурирующими механизмами (S]N1 против SN2, E1 против E2). Количественные модели, такие как уравнение Грюнвальда-Винштейна и параметры Камлета-Тафта, обеспечивают строгую основу для прогнозирования этих эффектов и выбора оптимальной системы растворителей.

По мере того, как область движется к более устойчивой химии, понимание взаимосвязи между полярностью растворителей и кинетикой реакции становится еще более критическим. Вооруженные твердым пониманием этих принципов, органические химики могут проектировать синтетические пути, которые не только быстры и избирательны, но также экологически и экономически жизнеспособны. Ключ заключается в том, чтобы рассматривать растворитель не как инертную среду, а как активного участника, чья полярность - тщательно выбранная - определяет те самые законы, которые регулируют реакцию.

Читать далее: