Журнал физической химии, 2021, T. 95, № 4, стр. 549-557

Кинетические закономерности медленного переноса протонов от β-замещенных порфиразинов к органическим основаниям

О. А. Петров a*

a Ивановский государственный химико-технологический университет
Иваново, Россия

* E-mail: poa@isuct.ru

Поступила в редакцию 06.02.2020
После доработки 29.07.2020
Принята к публикации 06.10.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Рассмотрены закономерности межмолекулярного переноса протонов от β-замещенных порфиразинов к диметилсульфоксиду, циклическим и ациклическим азотсодержащим основаниям в инертных растворителях. Установлены необычно низкие скорости процесса. Показано влияние кислотных свойств порфиразинового макроцикла, протоноакцепторной способности основания, а также диэлектрической проницаемости среды на кинетические параметры кислотно-основного взаимодействия. Обсуждены вопросы строения и устойчивости комплексов с переносом протонов порфиразинов.

Ключевые слова: порфиразины, кислотно-основное взаимодействие, перенос протона, комплексы с переносом протонов, реакционная способность, кинетика, азотсодержащие основания, диметилсульфоксид

Изучение физико-химических свойств порфиразиновых макроциклов (Н2РА) является предметом все более пристального внимания исследователей, поскольку наличие четких представлений о межмолекулярных взаимодействиях, протекающих с участием Н2РА, создает хорошую базу для использования результатов эксперимента в практических целях. В настоящее время порфиразины, благодаря разнообразным возможностям модификации их структуры, нашли применение в качестве жидкокристаллических, каталитических и сенсорных материалов, фотосенсибилизаторов синглетного кислорода, гасителей флуоресценции, нелинейной оптике и др. [1]. Расширить спектр полезных свойств этого класса соединений возможно при всестороннем изучении кислотно-основных взаимодействий, в которых Н2РА проявляют ряд особенностей, не свойственных порфиринам [2].

Кислотные свойства β-замещенных порфиразинов

Под действием сильных оснований (гидроокись тетрабутиламмония) в среде диметилсульфоксида Н2РА подвергаются двухстадийной кислотной ионизации по внутрициклическим NH-связям, приводящей к образованию депротонированных дианионных форм [3]. При этом величины рKа1 и рKа2 достаточно сильно зависят от сольватационных эффектов. Сравнение кислотных свойств порфиразинов в газовой фазе наиболее достоверно отражает взаимосвязь между протонодонорной способностью макроцикла и его строением, поскольку исключает влияние свойств среды [4].

Порфиразин (рKа1 = 12.36), благодаря наличию четырех мезо-атомов азота, обладает выраженными кислотными свойствами по NH‑связям в отличие от порфина (рKа1 = 22.35). Введение в β-положения порфиразинового макроцикла электронодонорных заместителей приводит к увеличению рKа1, а электроноакцепторных – к ее уменьшению. Для тетрабромпорфиразина (H2PaBr4) и тетрахлорпорфиразина (H2PaCl4) величины pKа1 равны 8.45 и 9.09 соответственно. Менее сильное влияние на кислотность молекулы оказывает фенильное замещение в порфиразине. Для октафенилпорфиразина (Н2Ра(С6Н5)8) величина pKa1 = 10.36. Дальнейший рост протонодонорной способности следует ожидать при введении в фенильные кольца Н2Ра(С6Н5)8 электроноакцепторных заместителей. Однако термодинамические данные кислотной ионизации для окта(п-бромфенил)порфиразина (Н2Ра(С6Н4Br)8), окта(п-нитрофенил)порфиразина (Н2Ра(С6Н4NO2)8), окта(м‑трифторметилфенил)порфиразина (Н2Ра(С6Н4CF3)8), гекса(м-трифторметилфенил)бензопор-фиразина (Н2Ра(С6Н4CF3)6)(С4Н4)) и тетра(м-трифторметилфенил)дибензо-порфиразина (Н2Ра(С6Н4CF3)4)(С4Н4)2) отсутствуют.

Сведения о протонодонорной активности этих порфиразинов были получены при изучении их реакционной способности в процессах кислотно-основного взаимодействия с органическими основаниями, в качестве которых были взяты пиридин (Py), 2-метилпиридин (МеPy), морфолин (Mor), бензиламин (BzNH2), пиперидин (Pip), н-бутиламин (BuNH2), трет-бутиламин (ButNH2), диэтиламин (Et2NH), триэтиламин (Et3N), три-н-бутиламин (Bu3N) и диметилсульфоксид (DMSO).

Спектральная картина кислотно-основного взаимодействия с участием β-замещенных порфиразинов

Взаимодействие порфиразинов с азотсодержащими основаниями и DMSO в инертном растворителе наблюдается только в условиях значительного избытка основания [515]. При этом спектральные изменения, сопровождающие реакцию, не зависят от его природы. Так, электронный спектр поглощения (ЭСП) H2PaBr4 в среде нейтрального бензола имеет в видимой области расщепленную Q-полосу с λI и λII при 643 и 577 нм соответственно (D2h-симметрия π-хромофора молекулы). При введении в бензол добавок трет-бутиламина с течением времени регистрируется уменьшение интенсивности Qх- и Qу-составляющих Q-полосы и одновременный рост интенсивности полосы поглощения с λ = 607 нм, характерной для D4h-симметрии порфиразинового макроцикла (рис. 1, изменение 1).

Рис. 1.

Изменение ЭСП H2PaBr4 в присутствии трет-бутиламина в течение 10 мин при 313 К и ${{С}_{{{\text{B}}{{{\text{u}}}^{t}}{\text{N}}{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}}}}$ = 1.20 моль/л в бензоле [9].

В системе бензол–DMSO спектральная картина не претерпевает существенных изменений. В ЭСП H2Pa(C6H4CF3)8 в присутствии морфолина наблюдается уменьшение интенсивности Qх- и Qу-полос поглощения с λI = 659 и λII = 594 нм и одновременный рост полосы поглощения с λ = = 632 нм (рис. 2, изменение 1). Аналогичная картина сохраняется для H2PaCl4 [9], H2Pa(C6H4Br)8 [8, 14] и H2Pa(C6H4NO2)8 [8, 14]. Электронный спектр поглощения порфиразинов с различными заместителями в пиррольных кольцах как в бензоле, так и в системе бензол–DMSO также имеет в видимой области расщепленную Q-полосу  с   λI = 690,   λII = 636,   λIII = 585 нм   для H2Pa(C6H4CF3)64Н4) и λI = 731, λII = 565 нм для H2Pa(C6H4CF3)44Н4)2. В присутствии азотсодержащих оснований интенсивность расщепленной Q-полосы уменьшается на фоне роста полос поглощения с λI = 664, λII = 619 и λI = 711, λII = 590 нм для H2Pa(C6H4CF3)64Н4) и H2Pa(C6H4CF3)44Н4)2 соответственно (рис. 3, 4; изменение 1).

Рис. 2.

Изменение ЭСП Н2Ра(С6Н4CF3)8 в присутствии морфолина в течение 30 мин при 323 К и СMor = = 10.90 моль/л в системе бензол–5% DMSO [13].

Рис. 3.

Изменение ЭСП Н2Ра(С6Н4CF3)64Н4) в присутствии н-бутиламина в течение 90 мин при 338 К и ${{С}_{{{\text{BuN}}{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}}}}$ = 2.53 моль/л в бензоле [11].

Рис. 4.

Изменение ЭСП Н2Ра(С6Н4CF3)64Н4)2 в присутствии пиперидина в течение 210 мин при 328 К и СPip = 2.54 моль/л в системе бензол–5% DMSO [12].

Происхождение Q-полосы и ее составляющих связано с π → π*-электронными переходами между высшими заполненными и низшими вакантными молекулярными орбиталями [16], которые в ходе кислотно-основного взаимодействия изменяются по энергии. Это приводит к изменению симметрии порфиразинового макроцикла от D2h до D4h [17]. Наблюдаемые спектральные изменения (рис. 1–4), указывающие на повышение симметрии молекулы от D2h до D4h, как и при образовании металлокомплексов [18, 19], свидетельствуют о том, что исследованные порфиразины в присутствии органических оснований проявляют свойства двухосновных NH-кислот и образуют комплексы с переносом протонов – Н2РА·2В.

Строение и устойчивость комплексов с переносом протонов β-замещенных порфиразинов

В комплексах Н2РА·2В протоны NH-групп, связанные с молекулами оснований и двумя внутрициклическими атомами азота располагаются над и под плоскостью макроцикла [20, 21], что обеспечивает соблюдение D4h-симметрии π-хромофора молекулы (рис. 1–4). При этом в малополярном бензоле (хлорбензоле) перенос протонов от NH-кислоты к основанию, приводящий к образованию разделенных растворителем ионных пар с последующей их диссоциацией представляется маловероятным [22]. Кислотно-основное взаимодействие, скорее всего, ограничивается либо стадией образования Н-комплекса (Н-ассоциата I), либо ионного комплекса (ион-ионного ассоциата), представляющего собой Н-связанную ионную пару (II). По мере увеличения кислотных свойств макроцикла, а также протоноакцепторной способности основания и диэлектрической проницаемости среды следует ожидать смещение кислотно-основного равновесия (1) в сторону образования более полярной структуры:

(1)

Комплексы Н2РА·2В в бензоле и системе бензол–DMSO подвергаются достаточно быстрому распаду с течением времени. В ЭСП регистрируется уменьшение интенсивности Q‑полосы с λ = 607 нм для H2PaBr4, λ = 632 нм для H2Pa(C6H4CF3)8, λI = 664 и λII = 619 нм  для H2Pa(C6H4CF3)64Н4), а также с λI = 711 и λII = = 590 нм для H2Pa(C6H4CF3)44Н4)2 (рис. 1–4, изменение 2). В случае H2PaBr4 низкоинтенсивная полоса поглощения с λ = 490 нм, свидетельствующая о наличии продуктов полураспада макроцикла–дипиррометенов, не претерпевает существенных изменений. В ЭСП раствора она исчезает только ~120 ч. При этом процесс деструкции сопровождается первоначальным изменением синей окраски раствора до желтой с последующим обесцвечиванием.

Аналогичная картина наблюдается для H2PaCl4 [9]. Для октафенилзамещенных порфиразинов и порфиразинов с β-замещением и β, β-бензоаннелированием промежуточные продукты полураспада спектрально не регистрируются. Наблюдается изменение ярко-зеленой окраски раствора до бесцветной. Напротив, комплексы H2PaBr4 ⋅ 2DMSO [5], H2PaCl4 ⋅ 2DMSO [5] и H2Pa(C6H4NO2)8 ⋅ 2DMSO [6] в системе DMSO–хлорбензол обладают высокой кинетической устойчивостью. Их ЭСП не претерпевают изменений в течение ~38 ч при Т = 328 К. Они достаточно легко вступают в реакции образования металлокомплексов порфиразинов с ацетатами натрия, магния, цинка, меди, кобальта и никеля [5, 6].

Кинетические особенности межмолекулярного переноса протонов β-замещенных порфиразинов

В зависимости от особенностей геометрического строения взаимодействующих молекул перенос протонов от порфиразинов к основаниям в бензоле (хлорбензоле) и системе бензол–DMSO может осуществляться по различным альтернативным механизмам.

Кислотно-основное взаимодействие H2PaBr4 с DMSO, циклическими (Py, MePy, Mor, Pip) и третичными ациклическими аминами (Et3N, Bu3N) в бензоле (хлорбензоле) [7, 23] описывается уравнением

(2)
$ - d{{C}_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{PaB}}{{{\text{r}}}_{{\text{4}}}}}}}{\text{/}}d\tau = k{{C}_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{PaB}}{{{\text{r}}}_{{\text{4}}}}}}}{{C}_{{\text{B}}}},$
(3)
$k = {{k}_{{\text{н}}}}{\text{/}}{{C}_{{\text{В}}}},$
где kн – наблюдаемая константа скорости реакции, полученная методом электронной абсорбционной спектроскопии в интервале Т = 298–328 К, k – истинная константа скорости реакции кислотно-основного взаимодействия.

Кинетические данные указывают на бимолекулярный характер лимитирующей стадии процесса, а повышение симметрии π-хромофора молекулы от D2h до D4h (рис. 1, изменение 1) свидетельствуют о том, что перенос протонов от кислоты к основанию осуществляется в две стадии в соответствие со следующей схемой:

(4)
${{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{PaB}}{{{\text{r}}}_{4}} + {\text{В}}\;\xrightarrow{{{{k}_{{\text{1}}}}}}\;{{({\text{HPaB}}{{{\text{r}}}_{{\text{4}}}})}^{ - }}{\kern 1pt} \cdots {\kern 1pt} ({\text{Н}}{{{\text{В}}}^{ + }}),$
(5)
${{({\text{HPaB}}{{{\text{r}}}_{4}})}^{ - }}{\kern 1pt} \cdots {\kern 1pt} ({\text{Н}}{{{\text{В}}}^{{\text{ + }}}}) + {\text{В}}\;\xrightarrow{{{{k}_{2}}}}\;{{({\text{PaB}}{{{\text{r}}}_{4}})}^{{2 - }}}{\kern 1pt} \cdots {\kern 1pt} {{({\text{Н}}{{{\text{В}}}^{ + }})}_{2}}.$

Молекула основания вступает во взаимодействие с одним из двух внутрициклических протонов NH-групп H2PaBr4 и осуществляет его вывод из плоскости макроцикла. При этом электронный спектр поглощения образующегося промежуточного комплекса – (HPaBr4)⋅⋅⋅(НВ+) должен иметь вид ЭСП H2PaBr4 по числу полос, но расщепление Q-полосы должно уменьшаться за счет гипсохромного смещения ее длинноволновой компоненты Qх [17]. Однако подобные спектральные изменения в условиях значительного избытка основания в ходе реакции не наблюдаются (рис. 1, изменение 1). Этот факт дает основание полагать, что образование спектрально не регистрируемого комплекса – (HPaBr4)⋅⋅⋅(НВ+) происходит медленнее, чем (PaBr4)2–⋅⋅⋅(НВ+)2, т.е . k1 < k2. Поскольку скорость кислотно-основного взаимодействия определяли по уменьшению оптической плотности раствора наиболее интенсивной полосы поглощения QхI = 643 нм), то k1 = kн. Образующийся на стадии (5) комплекс с переносом протонов – (PaBr4)2–⋅⋅⋅(НВ+)2 представляет собой Н-связанную ионную пару (II). При этом не исключается, что она может находиться в равновесии (1) с Н-комплексом [22]. Аналогичный двухстадийный процесс реализуется при взаимодействии H2PaCl4 с DMSO, Py, MePy, Mor, Pip, Et3N и Bu3N в бензоле (хлорбензоле) [7, 9, 23, 24].

Напротив, взаимодействие H2PaBr4 и H2PaCl4 с первичными и вторичными ациклическими аминами (BzNH2, BuNH2, ButNH2, Et2NH) в бензоле [7, 9, 24] описывается суммарным кинетическим уравнением третьего порядка

(6)
$ - d{{C}_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{PaB}}{{{\text{r}}}_{{\text{4}}}}}}}{\text{/}}d\tau = k{{C}_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{PaB}}{{{\text{r}}}_{{\text{4}}}}}}}C_{{\text{B}}}^{2},$
(7)
$k = {{k}_{{\text{н}}}}{\text{/}}C_{{\text{В}}}^{{\text{2}}}.$
В этом случае лимитирующей стадией является не тримолекулярный процесс, а бимолекулярное взаимодействие между галогензамещенными порфиразинами и Н-связанными димерными молекулами оснований, которые образуются за счет NH-связей одной и неподеленной электронной пары атома азота другой молекулы [25]:
(8)
${\text{В}} + {\text{В}}\;\overset {{{K}_{p}}} \longleftrightarrow \;{\text{В}}{\kern 1pt} \cdots {\kern 1pt} {\text{В}},$
(9)
${{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{PaB}}{{{\text{r}}}_{{\text{4}}}} + {\text{В}}{\kern 1pt} \cdots {\kern 1pt} {\text{В}}\;\xrightarrow{{{{k}_{1}}}}\;{{({\text{PaB}}{{{\text{r}}}_{4}})}^{{2 - }}}{\kern 1pt} \cdots {\kern 1pt} {{({\text{Н}}{{{\text{В}}}^{ + }})}_{2}},$
где Kр – равновесная константа димеризации.

Из-за отсутствия значений Kр для первичных и вторичных ациклических аминов в бензоле нельзя полностью исключить возможность протекания процесса в две стадии с k1k2 в соответствии со схемой (4), (5) . Представляется вполне вероятным, что этот процесс является наиболее предпочтительным для аминов (ButNH2, Et2NH), имеющих в своем составе объемные алкильные заместители, которые противодействуют процессу межмолекулярной ассоциации [25].

Для H2Pa(C6H4CF3)8 [10, 13], H2Pa(C6H4NO2)8 [8, 14], H2Pa(C6H4Br)8 [8, 14], H2Pa(C6H4CF3)64Н4) [11, 15] и H2Pa(C6H4CF3)44Н4)2 [12] схема механизма переноса протонов, согласно (9), не реализуется вследствие пространственных помех, создаваемых объемными заместителями в β-положениях порфиразинового макроцикла с одной стороны и димерными молекулами оснований – с другой. Реакция кислотно-основного взаимодействия описывается суммарным кинетическим уравнением второго порядка (2), а перенос протонов от кислоты к основанию осуществляется двухстадийно, согласно (4), (5). Следует однако отметить, что детальный механизм переноса протонов NH-групп β-замещенных порфиразинов к основанию представляется чрезвычайно сложным и требует дальнейшего углубленного изучения.

Порфиразины в отличие от порфиринов [2] вступают в кинетически контролируемые взаимодействия с основаниями, которые характеризуются необычно низкими значениями констант скорости и достаточно высокими значениями Еа процесса (табл. 1–4), не свойственными для подавляющего большинства относительно простых жидкофазных кислотно-основных систем [22, 26]. Причина этого явления связана с действием геометрической и электронной (поляризационной) составляющей порфиразинового макроцикла. Последняя способствует увеличению полярности NH-связей Н2РА за счет электроноакцепторного влияния четырех мезо-атомов азота и заместителей, находящихся в β-положениях макроцикла. В результате этого создаются благоприятные условия для переноса протонов от кислоты к основанию. Напротив, геометрическая составляющая изменяется несимбатно электронной. Высокая конформационная жесткость ароматической π-системы 16-членного макроцикла (C8N8) и наличие объемных заместителей в β-положениях пиррольных колец порфиразина способствует экранированию атомами и π-электронами внутрициклических протонов NH-групп. Это противодействует благоприятному контакту реакционных центров молекул–партнеров и вносит основной вклад в кинетику взаимодействия порфиразинов с основаниями.

Таблица 1.

Кинетические параметры кислотно-основного взаимодействия галогензамещенных порфиразинов с первичными и вторичными ациклическими аминами в бензоле [7, 9, 23]

Порфиразин (Н2РА) Основание (В) $k_{{\text{н}}}^{{298}}$ × 104, c–1 k298 × 102,
л2/(моль2 c)
Еа,
кДж/моль
H2PaBr4 Бензиламин 2.05 0.78 29
  н-Бутиламин 16.10 6.60 11
  трет-Бутиламин 0.20 0.07 18
  Диэтиламин 8.80 4.00 15
H2PaCl4 Бензиламин 1.40 0.65 31
  н-Бутиламин 8.40 3.80 23
  трет-Бутиламин 0.16 0.09 28
  Диэтиламин 3.60 1.10 30
Таблица 2.

Кинетические параметры кислотно-основного взаимодействия галогензамещенных порфиразинов с циклическими и третичными ациклическими аминами в бензоле [711, 13, 23] и диметилсульфоксидом в хлорбензоле [5]

Порфиразин (Н2РА) Основание (В) $k_{{\text{н}}}^{{298}}$ × 104, c–1 k298 × 104,
л/(моль c)
Еа,
кДж/моль
H2PaBr4 Пиридин 2.00 0.23 69
  2-Метилпиридин 0.15 0.02 87
  Морфолин 9.00 72.00 26
  Пиперидин 21 2830 20
  Триэтиламин 3.22 0.24 46
  Три-н-Бутиламин 0.09 0.09 26
  Диметилсульфоксид 1.63 0.35 24
H2PaCl4 Пиридин 2.55 0.36 40
  2-Метилпиридин 0.35 0.04 49
  Морфолин 6.20 80.00 28
  Пиперидин 17 2280 23
  Триэтиламин 5.90 1.10 30
  Три-н-Бутиламин 0.24 0.23 24
  Диметилсульфоксид 1.33 0.53 26
Таблица 3.

Кинетические параметры кислотно-основного взаимодействия β-замещенных порфиразинов с азотсодержащими основаниями в бензоле [8, 10, 11]

Порфиразин (Н2РА) Основание (В) $k_{{\text{н}}}^{{298}}$ × 105, c–1 k298 × 106,
л/(моль c)
Еа,
кДж/моль
Н2Ра(С6Н4CF3)8 Морфолин 0.12 0.11 55
  Бензиламин 0.09 0.23 56
  Пиперидин 1.50 6.15 32
  н-Бутиламин 0.20 4.20 32
  трет-Бутиламин 0.05 0.43 50
Н2Ра(С6Н4NO2)8 Морфолин 0.04 0.04 94
  Бензиламин 0.18 0.045 85
  Пиперидин 0.24 1.20 78
  н-Бутиламин 0.18 1.80 86
  трет-Бутиламин 0.20 0.80 94
Н2Ра(С6Н4CF3)64Н4) Пиперидин 0.17 0.55 64
  н-Бутиламин 0.30 0.60 61
Н2Ра(С6Н4Br)8 н-Бутиламин 0.11 0.16 92
Таблица 4.

Кинетические параметры кислотно-основного взаимодействия β-замещенных порфиразинов с азотсодержащими основаниями в системе бензол–диметилсульфоксид [1215]

Порфиразин (Н2РА) Основание (В) DMSO,% $k_{{\text{н}}}^{{298}}$ × 105, c–1 k298 × 106,
л/(моль c)
Еа,
кДж/ моль
Н2Ра(С6Н4CF3)8 Морфолин 0.5 5.60 25.50 32
  Пиперидин 0.5 43 177 22
  н-Бутиламин 0.5 67 252 23
Н2Ра(С6Н4CF3)64Н4) Морфолин 0.5 0.70 2.70 45
  Пиперидин 0.5 4.00 16.00 28
  н-Бутиламин 0.5 8.00 30.00 21
Н2Ра(С6Н4CF3)64Н4)2 Морфолин 0.5   р-я не идет  
  Пиперидин 0.5 0.06 0.50 74
  н-Бутиламин 0.5 0.07 0.60 58
Н2Ра(С6Н4NO2)8 н-Бутиламин 0.5 1.18 110 41
    1.25 848 54000 21
Н2Ра(С6Н4Br)8 н-Бутиламин 2.5 0.18 0.63 82
    7.5 0.70 3.16 80
    20 6.36 87.20 60
    30 120 31600 28
    40 370 99000 29
  Морфолин 50 0.20 6.00 24
  Бензиламин 50 0.25 15.30 35
  Диэтиламин 50 5.10 185 19
  Триэтиламин 50 0.37 18.90 32

Достаточно сильное влияние на кинетические параметры переноса протонов оказывает пространственное строение основания и его протоноакцепторная способность. Так, с увеличением ${\text{р}}K_{{\text{a}}}^{{298}}$-оснований скорость переноса протонов H2PaBr4 возрастает, а Еа процесса значительно уменьшается. Среди циклических оснований максимальной реакционной способностью обладает пиперидин (${\text{р}}K_{{\text{a}}}^{{298}}$ = 11.23 [27]), который является сильным акцептором протона и имеет стерически доступный атом азота в составе молекулы [28]. Введение в пиперидиновый цикл гетероатома кислорода не влияет на пространственное строение амина, однако приводит к понижению ${\text{р}}K_{{\text{a}}}^{{298}}$ на ~2.5 единицы [29]. В результате этого при переходе от пиперидина к морфолину (${\text{р}}K_{{\text{a}}}^{{298}}$ = 8.50 [27]), величина k298 уменьшается в ~39 раз на фоне незначительного роста Еа-процесса (табл. 2). Уменьшение ${\text{р}}K_{{\text{a}}}^{{298}}$-оснований на ~6 единиц в ряду Pip → Mor → Py приводит к дальнейшему ингибированию переноса протона. Минимальная скорость наблюдаются при взаимодействии H2PaBr4 с 2-метилпиридином (${\text{р}}K_{{\text{a}}}^{{298}}$ = = 6.00 [27]) вследствие более сильного, чем в пиридине (${\text{р}}K_{{\text{a}}}^{{298}}$ = 5.23 [27]) пространственного экранирования неподеленной электронной пары азота метильной группой.

Аналогичная картина наблюдается при замене Et3N (${\text{р}}K_{{\text{a}}}^{{298}}$ = 10.75 [27]) на близкий по основности Bu3N (${\text{р}}K_{{\text{a}}}^{{298}}$ = 10.97 [27]) (табл. 2), а также BuNH2 (${\text{р}}K_{{\text{a}}}^{{298}}$ = 10.60 [27]) на Et2NH (${\text{р}}K_{{\text{a}}}^{{298}}$ = 10.84 [27]) (табл. 1). Необычно низкая реакционная способность три-н-бутиламина, как и 2-метилпиридина, связана с сильным экранированием алкильными группами атома азота, в результате чего контакт кислотного и основного центров взаимодействующих молекул оказывается затруднен. Наряду с увеличением числа и длины алкильных заместителей оптимальной пространственной ориентации кислотно-основных центров противодействует разветвление углеводородной цепи в амине. Так, скорости переноса протонов  NH-групп  от  H2PaBr4  к  BuNH2  и ButNH2 (${\text{р}}K_{{\text{a}}}^{{298}}$ = 10.68 [27]) различаются в ~94 раза (табл. 1). Диметилсульфоксид, несмотря на его менее выраженную протоноакцепторную способность по сравнению с азотсодержащими основаниями [29], по реакционной способности, судя по величинам k298 (табл. 2), близок к пиридину. Этот факт не является неожиданным, если принять во внимание, что атом кислорода в DMSO пространственно более доступен для протона [30], чем атом азота в Py, который экранирован шестицентровой π-связью. В результате этого взаимодействие H2PaBr4 с DMSO и Py характеризуются близкими значениями k298, но сопровождается увеличением Еа процесса на 14 кДж/моль (табл. 2).

Замена атомов брома на хлор в порфиразине не оказывает значительного влияния на кинетические параметры переноса протонов (табл. 1, 2). Как известно, влияние атомов галогена на кислотные NH-центры передается с полуизолированных Сβ = Сβ-связей по индуктивному (‒I) эффекту и за счет эффекта n, π-сопряжения с макроциклом (+M-эффект). –I-Эффект при переходе от брома к хлору увеличивается, что способствует росту полярности NH-связей. Действие +M-эффекта, возрастая в том же порядке, напротив способствует уменьшению подвижности протонов NH-групп. В результате электронные эффекты атомов галогена нивелируют кислотность H2PaBr4 и H2PaCl4 и не проявляются в процессе кислотно-основного взаимодействия.

При переходе от H2PaBr4 и H2PaCl4 к β-фенилзамещенным порфиразинам перенос протонов существенно затрудняется. Так, Н2Ра(С6Н4CF3)8 [10] и Н2Ра(С6Н4NO2)8 [8] оказываются неактивными в реакции с основаниями, обладающими слабовыраженной протоноакцепторной способностью (Py, MePy), а также с основаниями, имеющими сильно пространственно экранированный атом азота в амине (Et2NH, Et3N, Bu3N). Несмотря на структурную близость, Н2Ра(С6Н4CF3)8 в отличие от Н2Ра(С6Н4NO2)8 более легко вступает в кислотно-основное взаимодействие с Mor, BzNH2, Pip и BuNH2 в бензоле (табл. 3). Окта(п-бромфенил)порфиразин в реакции с основаниями менее активен, чем Н2Ра(С6Н4CF3)8 и Н2Ра(С6Н4NO2)8. Из всех изученных оснований он вступает во взаимодействие только с н-бутиламином (табл. 3). При этом скорость переноса протонов NH-групп от Н2Ра(С6Н4Br)8 и Н2Ра(С6Н4CF3)8 к BuNH2, судя по величинам k298, различается в ~26 раз, а в случае с Н2Ра(С6Н4NO2)8 в ~10 раз (табл. 3). По реакционной способности Н2Ра(С6Н4CF3)6)(С4Н4) занимает промежуточное положение между Н2Ра(С6Н4NO2)8 и Н2Ра(С6Н4Br)8. При переходе от Н2Ра(С6Н4NO2)8 к Н2Ра(С6Н4CF3)64Н4) и от Н2Ра(С6Н4CF3)64Н4) к Н2Ра(С6Н4Br)8 скорость кислотно-основного взаимодействия с BuNH2 в бензоле уменьшается в 3 и ~4 раза соответственно (табл. 3). Среди всех изученных порфиразинов минимальной реакционной способностью обладает Н2Ра(С6Н4CF3)4)(С4Н4)2. В отличие от Н2Ра(С6Н4Br)8 он не вступает в реакцию переноса протонов к н-бутиламину и более сильному основанию – пиперидину в бензоле [12]. Следовательно, наряду с уменьшением протоноакцепторной способности азотсодержащего основания и/или с увеличением пространственного экранирования атома азота в амине перенос протонов NH-групп от H2PA в бензоле существенно затрудняется с увеличением пространственного экранирования реакционного центра в макроцикле и/или с уменьшением кислотных свойств порфиразинов в ряду: H2PaCl4 ≈ H2PaBr4 → Н2Ра(С6Н4CF3)8 → → Н2Ра(С6Н4NO2)8 → Н2Ра(С6Н4CF3)64Н4) → → Н2Ра(С6Н4Br)8 → Н2Ра(С6Н4CF3)44Н4)2.

Кроме протонодонорной и протоноакцепторной способности взаимодействующих молекул перенос протонов от кислоты к основанию сильно зависит от полярности среды, которая определяется его диэлектрической проницаемостью (ε). Среда с более высоким значением ε способствует более быстрому образованию продукта кислотно-основного взаимодействия, увеличивая благодаря этому его концентрацию, а значит и скорость реакции [25]. При переходе от бензола к системе бензол – 5% DMSO скорость переноса протонов от Н2Ра(С6Н4CF3)8 к морфолину, пиперидину и н‑бутиламину, судя по величинам k298, значительно возрастает на фоне уменьшения Еа-процесса (табл. 3, 4). При концентрации DMSO в бензоле в количестве более 0.5% реакция между Н2Ра(С6Н4CF3)8 и Mor (BuNH2, Pip) проходит практически мгновенно.

Аналогичное изменение величин k298 и Еа от полярности среды наблюдается при взаимодействии Н2Ра(С6Н4NO2)8 и Н2Ра(С6Н4Br)8 с н-бутиламином (табл. 4). При концентрации DMSO в бензоле в количестве 2.5 и 50% для Н2Ра(С6Н4NO2)8 [14] и Н2Ра(С6Н4Br)8 [14] соответственно константа скорости реакции резко возрастает причем так, что ее значение уже невозможно измерить обычными кинетическими методами. Напротив, в системе бензол – 50% DMSO реакция Н2Ра(С6Н4Br)8 с Mor (${\text{р}}K_{{\text{a}}}^{{298}}$ = 8.50 [27]) и BzNH2 (${\text{р}}K_{{\text{a}}}^{{298}}$ = 9.34 [27]) характеризуется достаточно низкими значениями констант скорости вследствие их пониженной протоноакцепторной способности по сравнению с BuNH2 (${\text{р}}K_{{\text{a}}}^{{298}}$ = 10.60 [27]). Как и следовало ожидать, увеличение ${\text{р}}K_{{\text{a}}}^{{298}}$ оснований на ~2 единицы в ряду Mor → BzNH2 → → Et2NH приводит к росту величин k298 в ~30 раз (табл. 4). При этом замена Et2NH (${\text{р}}K_{{\text{a}}}^{{298}}$ = 10.84 [27]) на близкий по основности Et3N (${\text{р}}K_{{\text{a}}}^{{298}}$ = = 10.75 [27]) существенно затрудняет кислотно-основное взаимодействие (табл. 4) вследствие менее благоприятной стерической доступности неподеленной электронной пары атома азота в амине. В системе бензол–5% DMSO перенос протонов Н2Ра(С6Н4CF3)8 к основаниям, обладающим слабовыраженной протоноакцепторной способностью (Py, MePy) или имеющим в своем составе пространственно экранированный атом азота (Et2NH, Et3N) не происходит [27].

Бензоаннелирование в порфиразиновом макроцикле также затрудняет перенос протона вследствие уменьшения кислотных свойств молекулы. В ряду Н2Ра(С6Н4CF3)8 → Н2Ра(С6Н4CF3)64Н4) → → Н2Ра(С6Н4CF3)44Н4)2 скорость переноса протонов к Pip и BuNH2 в системе бензол–5% DMSO уменьшается в 354 и 420 раз соответственно, а Еа процесса возрастает (табл. 4).

Следовательно, если молекулы-партнеры обладают слабовыраженными протонодонорными и/или протоноакцепторными свойствами и имеют при этом пространственно-экранированный реакционный центр, то увеличение диэлектрической проницаемости среды не играет ключевой роли в процессе преноса протонов от β-замещенных порфиразинов к органическим основаниям.

Список литературы

  1. Novakova V., Donzello P.A., Ercolani C. et al. // Coord. Chem. Rev. 2018. V. 361. № 4. P. 1.

  2. Березин Д.Б. Макроциклический эффект и структурная химия порфиринов. М.: Красанд, 2010. 424 с.

  3. Успихи химии порфиринов / Под ред. О.А. Голубчикова. НИИ Химии СПбГУ, 2001. Т. 3. 359 с.

  4. Stuzhin P.A. // J. Porphyrins Phthalocyanines. 2003. V. 7. № 12. P. 813.

  5. Петров О.А., Хелевина О.Г., Чижова Н.В. // Координац. химия. 1997. Т. 23. № 2. С. 143.

  6. Петров О.А., Чижова Н.В., Карасева Н.А. // Там же. 1999. Т. 25. № 6. С. 415.

  7. Петров О.А., Чижова Н.В. // Там же. 1999. Т. 25. № 5. С. 393.

  8. Петров О.А. // Журн. физ. химии. 2002. Т. 76. № 9. С. 1577.

  9. Петров О.А. // Координац. химия. 2003. Т. 29. № 2. С. 144.

  10. Петров О.А., Кузмина Е.Л., Хелевина О.Г., Майзлиш В.Е. // Журн. физ. химии. 2011. Т. 85. № 9. С. 1696.

  11. Петров О.А., Кузмина Е.Л. // Там же. 2012. Т. 86. № 12. С. 1958.

  12. Петров О.А. // Там же. 2015. Т. 89. № 2. С. 214.

  13. Петров О.А., Осипова Г.В., Аганичева К.А. // Там же. 2020. Т. 94. № 1. С. 40.

  14. Петров О.А., Чижова Н.В., Осипова Г.В. // Журн. общ. химии. 2009. T. 79. Вып. 4. С. 676.

  15. Петров О.А. // Журн. физ. химии. 2017. Т. 91. № 11. С. 1845.

  16. Toyota K., Hasegawa J., Nakatsuji H. // Chem. Phys. Lett. 1996. V. 250. № 5–6. P. 437.

  17. Stuzhin P., Khelevina O., Berezin B. // Phthalocyanines: Properties and Applications. N.Y.: VCH Publ. Inc., 1996. V. 4. P. 23.

  18. Stuzhin P.A., Ivanova S.S., Koifman O.I. et al. // Inorg. Chem. Com. 2014. V. 49. № 9. P. 72.

  19. Vagin S.I., Hanack M. // Eur. J. Org. Chem. 2002. № 16. P. 2859.

  20. Kokareva E.A., Petrov O.A., Khelevina O.G. // Macroheterocycles. 2009. V. 2. № 2. P. 157.

  21. Петров О.А., Аганичева К.А., Гамов Г.А., Киселев А.Н. // Журн. физ. химии. 2020. Т. 94. № 9. С. 1379.

  22. Молекулярные взаимодействия / Под ред. Г. Ратайчака, У. Орвилл-Томаса. М.: Мир, 1984. 599 с.

  23. Петров О.А., Березин Б.Д. // Журн. физ. химии. 1999. Т. 73. № 5. С. 830.

  24. Петров О.А., Хелевина О.Г., Чижова Н.В., Березин Б.Д. // Координац. химия. 1994. Т. 20. № 11. С. 876.

  25. Райхардт К. Растворители и эффекты среды в органической химии. М.: Мир, 1991. 764 с.

  26. Базилевский М.В., Венер М.В. // Успехи химии. 2003. Т. 72. № 1. С. 3.

  27. CHC Handbook of Chemistry and Physics / Ed. by William M. Haynes. 2013. 2668 p.

  28. Anet F.A.L., Yavari I. // J. Amer. Chem. Soc. 1977. V. 99. P. 2794.

  29. Blackburne I.D., Katritzky A.R., Takeuchi. Y. // Accounts. Chem. Res. 1975. V. 8. № 9. P. 300.

  30. Получение и свойства органических соединений серы / Под ред. Л. И. Беленького. М.: Химия, 1999. 557 с.

Дополнительные материалы отсутствуют.