Новые аспекты механизма электрофильного ароматического замещения: квантово-химическая модель реакции нитрования

Анализ реакционной способности субстратов

Термохимический аспект

Из-за сходства электронной структуры ПС1 и σ-комплекса мы ожидали проявление правила линейности свободных энергий на этой элементарной стадии реакции. Такая корреляция представлена на Рис. 6. (Отрицательные значения некоторых барьеров активации обсуждены выше, в разделе “Газовая фаза”). График показывает, что точки, соответствующие орто-атаке ложатся на линию, параллельную корреляционной прямой для пара и мета ориентаций. Очевидно, что это вызвано проявлением стерического взаимодействия (если быть точнее, стерические препятствия проявляются в σ-комплексе, увеличивая его энтальпию образования). Что до ипсо-присоединения – здесь корреляция не слишком хороша, опять из-за большого влияния стерического фактора. С другой стороны, такая же плохая корреляция и между барьерами активации и общей энтальпией реакции нитрования. Это можно объяснить отсутствием деформации бензольного кольца в конечных продуктах нитрования.

Figure 6. Соотношение между энергиями активации (ΔΔH^≠_f, ккал/моль) и энтальпиями образования σ-комплекса (ΔΔH_f, ккал/моль).

Так что в качестве индекса реакционной способности может послужить лишь энтальпия образования σ-комплекса, но не общая теплота реакции.

Интересный случай орто-эффекта был обнаружен в реакции с 2-бифенилкарбоновой кислотой (2BPCA). Геометрия этой молекулы такова, что в ПС карбоксильная группа развернута отрицательно заряженными атомами кислорода в сторону атакующего положительно заряженного электрофила. Это дает значительный выигрыш в энергии ПС (2 ккал/моль для орто-атаки и 1 ккал/моль для пара)^*. Такое дополнительное взаимодействие существует только в ПС, т. к. в σ-комплексе заряд нитрогруппы практически равен нулю; что и приводит к большому отклонению от корреляционной прямой (см. Рис. 6).

У нас есть возможность сравнить полученные в результате расчета барьеры активации с экспериментально наблюдаемой активностью субстратов. Attina и Cacace [13] измерили константы скорости реакции CH3O-NO2+ с алкил- и галоген- бензолами в газовой фазе. Рис. 7 показывает, что расчеты находятся в хорошем согласии с наблюдаемой реакционной способностью данных соединений. Расчеты термохимии методом SM2.1 дают аналогичные результаты: наблюдается линейная корреляция между энергией активации и энтальпией образования σ-комплекса. Соответствующие результаты собраны в Таблице VII.

Figure 7. Логарифмическая зависимость экспериментальной реакционной способности от расчетных энергий активации. Парциальные константы скорости газофазной реакции CH3O-NO2+ с метилбензолом, трет-бутилбензолом, хлор- и фтор- бензоламирассчитаны относительно константы скорости присоединения к бензолу по данным [13].

Таблица VII. Энергии активации (ΔΔH^≠_f), энтальпии образования σ-комплексов (ΔΔH^σ_f), общие энтальпии реакции (ΔΔH_f) относительно энтальпии образования изолированных реагентов, ккал/моль, для реакции X-C6H5 + NO2+ ⇒ [X-C6H5-NO2]+ ⇒ X-C6H5-NO2 + H+.

X	ΔΔH≠f	ΔΔHσf	ΔΔHf
* σ-комплекс не существует
H	42.74	22.84	−71.74
CH3
пара	40.67	20.48	−72.04
мета	43.28	24.06	−71.61
орто	41.93	24.33	−69.71
ипсо	46.03	35.56	–
Ph
пара	41.64	21.46	−70.89
мета	44.22	25.62	−70.68
орто	42.87	26.79	−66.47
ипсо	50.45	38.22	–
OAc
пара	41.83	21.59	−69.99
мета	46.49	28.71	−69.65
орто	44.23	26.34	−68.39
ипсо	53.86	46.23	–
Cl
пара	44.50	25.29	−69.72
мета	46.63	28.48	−69.29
орто	45.27	28.96	−64.64
ипсо	52.46	40.03	—
F
пара	42.76	23.00	−69.70
мета	47.36	29.40	−68.68
орто	43.71	24.98	−68.86
COOH
пара	49.81	*	−67.76
мета	46.55	28.64	−68.41
орто	50.33	34.38	−63.65
ипсо	56.18	47.19	—
NO2
пара	54.44	*	−65.31
мета	51.11	*	−66.10
орто	54.79	39.79	−62.15
Пиридин, мета	46.14	26.73	−69.68
Нафталин
α	39.86	19.58	−67.12
β	42.13	22.45	−70.56
Мезитилен	40.77	21.84	−67.55
ипсо	46.95	37.07	–
Гексаметилбензол	41.72	26.77	–

Процедура разделения энергии

Ea = ΔEA + ΔEB + EAB

Процедура разделения энергии на ее одно- и двухцентровые составляющие послужила нам скорее для качественных, чем количественных оценок. В большинстве случаев невозможно сделать определенных выводов на основе значений энергии стабилизации EAB, поскольку абсолютные цифры имеют обратную зависимость: чем больше активационный барьер (т.е. чем ниже реакционная способность), тем сильнее межмолекулярное взаимодействие. При анализе можно выделить деформационную часть ΔEA и ΔEB в добавок к энергии взаимодействия EAB. Анализ EAB позволил обнаружить еще один фактор реакционной способности субстратов: кулоновское взаимодействие электрофила и заместителя в кольце. Дело в том, что в ПС это взаимодействие значительно отличается по величине и знаку от начального, и полностью исчезает в σ-комплексе (из-за зарядовой нейтрализации нитрогруппы). Поэтому реальная активность может отличаться от предсказаний как на основе структуры реагентов, так и стабильности продуктов реакции. К примеру, Таблица VIII демонстрирует некоторые характеристики, полученные при анализе результатов процедуры разделения энергии. Следует обратить внимание на свидетельства обсуждаемого эффекта в реакциях фенилацетата и 2-бифенилкарбоновой кислоты (X = -O-COCH3 and -Ph-COOH).

Table VIII. Энергии активации (E_a) орто атаки NO2+, общая энергия взаимодействия Ph-X и NO2 группы (E_AB), ее резонансная составляющая (E^res), кулоновское взаимодействие NO2 группы с заместителем (E^q), и общий заряд заместителя в ПС (Q_X).

−X	Ea, kcal/mol	EAB, eV	Eres, eV	Eq, eV	QX, e
* Заряд NO2 группы в ПС ≈ 0.40 ÷ 0.45 e.
-CH3	0.1	−2.503	−2.386	0.268	0.157
-CF3	14.1	−3.202	−3.560	0.221	0.066
-C4H9, tret	−1.5	−2.326	−2.160	0.244	0.153
-NO2	18.2	−3.351	−3.748	−0.016	−0.026
-COOH	9.9	−3.228	−3.442	−0.032	0.017
-Cl	4.6	−2.679	−2.662	0.231	0.129
-O-COCH3	−6.3	−2.888	−2.547	−0.279	0.039
-Ph	−4.0	−2.748	−2.358	−0.004	0.247
-Ph-COOH, орто	−6.9	−3.533	−3.389	−0.267	0.098

Теория возмущенных молекулярных орбиталей (ВМО), индекс реакционной способности

Молекцлярные орбитали реагентов, полученные в газофазном приближении, не пригодны для рассмотрения в рамках ВМО, так как E_ВЗМО (высшая занятая МО) арена и E_НСМО (низшая свободная МО) нитрония или нитрацидия практически вырождены, их энергия −9 eV. Поэтому анализ проводили на основе МО, полученных в расчетах жидкофазного приближения, где электроотрицательности электрофилов существенно ниже: E_НСМО ≈ −2 eV). Энергия взаимодействия реагентов, рассчитанная методом ВМО, дает неудовлетворительную корреляцию с расчетными энергиями активации соответствующих реакций, показывая, что межмолекулярное взаимодействие – не единственный фактор реакционной способности. Вводя параметр, описывающий кулоновское взаимодействие (см. выражение в Таблице VIII), дает нам двухпараметровую линейную корреляционную схему. При этом коэффициент корреляции возрастает с 0.82 до 0.94, и тем не менее такая схема кажется неадекватной без учета фактора деформации. Энергию деформации можно оценить искривлением ароматического колца к некоторой конкретной геометрии. Но давайте рассмотрим другой, более естественный процесс: протонирование ароматического соединения. Все вышеупомянутые факторы (деформация реакционного центра, электростатическое взаимодействие, молекулярное взаимодействие) присутствуют в таком процессе и количественно соединяются в энтальпию протонирования. Как видно из Рис. 8, корреляция энергий активации нитрования с данным параметром даже лучше, чем с энтальпией образования σ-комплекса (Рис. 6). Объяснение заключается в том, что в σ-комплексе (продукте присоединения) NO2 группа уже практически не имеет заряда, в то время как в H+-комплексе присутствует значительное электростатическое взаимодействие между электрофилом (H+) и заместителем, так же, как и в переходном состоянии реакции нитрования. Кажется, это идеальный индекс реакционной способности субстратов для нитрования (и подобных электрофильных реакций), так как он дает единую общую корреляцию для орто, мета и пара замещения, и удовлетворительно покрывает случаи ипсо-замещения и особые случаи орто эффектов.

Рисунок 8. Зависимость энергий активации нитрования от энтальпии протонирования, AM1, газофазное приближение, ккал/моль (•, орто, мета и пара; ○, ипсо атака).

^* Повышенная активность 2BPCA – экспериментальный факт, особенно высокое орто/пара соотношение продуктов реакции (от 3 до 8 в зависимости от условий реакции) [12].