Вода глазами военного химика (стр. 5 )

C=C=CR2 O

Таким образом, переход мало устойчивой структуры трёхвалентного фосфора, содержащей пропаргиловые радикал, в устойчивый пятивалентный фосфор, сопровождается одновременно и прототропной изомеризацией пропаргилового радикала в алленовый. Это возможно из-за близости теплоты образования ацетиленовой и алленовой структур (44,3 и 45,9 ккал/моль)[76]. Реакция третичных алкинилхлоридов с триалкилфосфитами протекает аналогично через промежуточный комплекс, содержащий уже алленовый радикал [77]:

HCºC-CCI-R2+P(OR)3-RCI®(RO)2P+О-®(RO)2P(О)CH=С=СR2

CН=С=СR2

По близкой схеме при реакции хлорфосфитов с оксимами образуются иминоилфосфиты, которые выше 0°С изомеризуются в метиленамиды фосфорной кислоты [78]:

(RO)2PCI+ HON=CR2 -20°С®(RO)2P-ON=CR2®(RO)2P(=О)N=CR2

При взаимодействии РСI3 и параформа при 250° получают дихлорангидрид хлорметилфосфоновой кислоты. Реакция, очевидно, протекает также через изомеризацию хлорметоксифосфита:

РСI3 + (CH2O)n®CICH2O-PCI2250°®CICH2P(=O)CI2

Последний находит широкое применение при получении известного в мире пестицида для борьбы с сорняками глифосата - N-(фосфонометил)глицина (HO)2P(=O)CH2NHCH2COOH.Реакция фосфитов с четырёххлористым углеродом протекает, очевидно, по радикальному механизму, как и окислительное хлорфосфонирование :

(RO)2P(O)-H +CCI4 → (RO)2P(O)CI + HCCI3

PCI3 +CnH2n+2 O→CnH2n+1 P(O)CI2

Малая энергия активации в процессе окислительного фосфорилирования, образование смеси изомеров могут указывать на свободно радикальный характер этой ракции. Реакция триалкилфосфитов с дихлорацетиленом в эфирном растворе проходит по схеме Арбузовской перегрупироки, приводя с количественным выходом к интересным реакционноспособным хлорэтинилфосфонатам[77]: (RO)3P + CICºCCI® CICºC-P(O)(OR)2 +RCI

Дихлорацетилен можно отнести к мало изученным в химическом и фармакологическом плане веществам из-за его нестабильности (взрывается на воздухе), но он достаточно стабилен в растворах эфира. Получают его несколькими методами: из ацетилена и гипохлорита или дегидрохлорированием трихлорэтилена горячей КОН. Удобный метод его синтеза опубликован в1982г.[77].

Привидённые выше примеры говорят о нестабильности соединений трёхвалентного фосфора и склонности их легко переходить благодаря внутримолекулярным или радикальным механизмам реакций в производные четырёхкоординационного фосфора. Этому спобствует и сильное сродство атома Р+3 к таким элементам как атомы O, S, Se. Можно преположить, что достаточно легко будут протекать и такие реакции:

С6 Н5О-Р< t→ С6Н5Р(O)< O2NC6 H4O-P<t→O2NC6H4-P(O)<

C12H8O-P<t→C12H8-P(O)< А3r –O-P< → Ar3P(O)< и т. д.

ГИДРОЛИЗ ПРОИЗВОДНЫХ ЧЕТЫРЁХКООРДИНАЦИОННОГО ФОСФОРА

Механизму реакций нуклеофильного замещения четырёхкоординационного атома фосфора посвящено много работ [79 и др.]. Однако, до сих пор проблема влияния заместителей на реакционную способность остаётся во многом не решённой. Фосфорильная связь (Р=О ) имеет много общего с карбонильной, так как атом фосфора в ней имеет положительный заряд, также как и атом углерода в карбониле. Отличие состоит в том, что атом углерода имеет sp2-гибридизацию, три s-связи лежат в одной плоскости под углом 120° , а четвёртая p-связь расположена под прямым углом к этой плоскости. Эта p - связь поляризована, и степень её поляризации зависит от характера индуктивного и мезомерного эффекта заместителей у карбонильного атома углерода. Она короче одинарной s-связи, длина её составляет ~1,22А°. В отличии от атома углерода тетраэдрический атом фосфора находится в sp3 - гибридизации. Атом кислорода фосфорильной группы связан с атомом фосфора при помощи s-связи за счёт перекрывания sp3 гибридной орбиты фосфора с р-орбитой кислорода и p-связи за счёт перекрывания р - орбит атома фосфора и кислорода. Длина двойной Р=О связи ~1,47А°, т. е. она на 0,124 А° короче одинарной Р-О связи, что напрямую говорит о её p-связанности .

С другой стороны Р=О связь длиннее и более полярна, чем С=О, а так как атом фосфора находится в sp3 - гибридизации (тетраэдр) и имеет другие углы и длинны связей, то и природа электронного влияния заместителей на эти группы не одинакова. В случае карбонильной группы мы имеем сочетание индуктивного и мезомерного эффектов, тогда как для фосфорильной группы - в основном преобладает индуктивный эффект. Об этом свидетельствуют исследования в области ИК-спектроскопии ФОС[80] и наши исследования ФОС, содержащие непредельные связи.[81]. Показано, что изменение частоты группы Р=О и её интенсивности определяется лишь электроотрицательностью заместителя. Отсуствие изменений n-Р=О в спектрах замещённых алкинилфосфиновых кислот, очевидно, указывает на весьма слабое взаимодействие между фосфорильной группой и кратными связями. Показано, что кратные связи при атоме фосфора, возможно, взаимодействуют лишь с вакантными d-орбиталями атома фосфора. Электродонорные свойства Р=О группы проявляются при образовании водородных связей с группами ОН или NH, с фенолом или с фенилацетиленом. При этом наблюдается понижение n Р=О связи более сильное с фенолом, чем с фенилацетиленом [82]. Относительная основность Р=О в ряде соединений также была измерена с использованием спектроскопии ЯМР 1Н, 31Р и 19F. Фосфорильная группа непосредственно может участвовать в многочисленных химических реакциях в роли донора электронов, образуя комплексы с солями металлов, кислотами Льюиса, трифторидом бора и т. д.[83].

МЕХАНИЗМ ГИДРОЛИЗА И НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ

У ТЕТРАЭДРИЧЕСКОГО АТОМА ФОСФОРА

Впервые синтез диалкилфторфосфорных кислот осуществили Ланге и Крюге в 1932 г., показав их сильное воздействие на организм человека в виде удушья. В Англии под руководством Сондерса были проведены обширные исследования производных типа диизопропилфторфосфата. В 1937 г. Шрадер синтезировал табун, а несколько позже этиловый и изопропиловый эфиры метилфторфосфоновой кислоты ( зарин), которые относятся к ОВ. В СССР зарин был получен А. Арбузовым в 1943 г. и М. Кабачником в 1944г. Советская Армия обнаружила в восточной части Германии четыре специализированных завода по производству ОВ. В 1945 г. они были демонтированы и перевезены в г. Волгоград, Дзержинск, Чапаевск. Полномасштабный выпуск зарина проводился в течение 19гг. Выпуск зомана начался в 1967 году после освоения производства пинаколинового спирта. Промышленный выпуск V-газа (одного из наиболее токсичных ОВ) был налажен в 1972 году и продолжался до 1987 года.

Всего было наработано 32 тыс. т ФОВ. В 90 годы в армиях США и СССР появилось бинарное оружие, в основе которого лежит принцип получения токсичного образца в одну стадию ( в снаряде ) из нетоксичных прекурсоров. В настоящее время известно более 20 способов синтеза боевых ОВ типа ордовалей и V-газов. Относительная простота синтеза и доступность сырья позволили террористам использовать их на практике. Трагедия случилась в июне 1994 г. и в марте 1995 г. в г. Мацумото и токийском метро при распыления боевиками японской секты Аум Синрикё зарина, полученного в одну стадию по методу Шрадера с использованием хлорангидрида метилфосфоновой кислоты, спирта и фтористого натрия. Всего погибло 13 человек, около 600 получили отравления различной степени тяжести[84].

Ирак, начиная с 1981 г. по 1988 г., использовал химическое оружие против Ирана и курдов. Поражено было около 3500 человек. Ирак имел примерно 70000 заполненных боеприпасов. Всего запасы ОВ составляли 500 т, в том числе иприта 400 т и 100 т табуна, зарина и его аналога циклогексилового эфира метилфторфосфоновой кислоты. Специальная комиссия ООН предписала Ираку построить две установки для уничтожения ОВ. Операции по сжиганию иприта и табуна были начаты в 1992 году, а окончены в 1994 году. Зарин и его прекурсоры разрушались щелочным гидролизом, упаривались, цементировались и захоранивались возле Эль-Мутанна.[85].

В США оптимальным подходом к ликвидации ХО считается одноступечатый метод - сжигание при высокой температуре в особых печах. Такие работы проводились на острове Джонсон и на 8 арсеналах его хранения, которые достаточно часто прерывались из-за аварий. США располагают опытом и двухступенчатой ликвидации ФОВ, сводящейся к их детоксикации с последующим сжиганием отходов. В России для уничтожения химбоеприпасов с ФОВ предлагается двухступенчатая технология. Первая стадия - детоксикация ОВ с помощью химических реактивов, вторая - сжигание реакционных масс. Опыт сжигания фосфорорганических отходов в циклонных печах в Новочебоксарске показал, что выброс продуктов сгорания в виде пятиокиси фосфора весьма опасен для окружающей среды(погибла дубовая роща). Поэтому разработка других методов уничтожения реакционных масс, включая его гидролиз, актуальна и сегодня.

В многочисленных кинетических исследованиях гидролиза и сольволиза производных хлор - и фторагидридов фосфорной кислоты был доказан SN2 механизм нуклеофильного замещения у тетраэдрического атома фосфора.

О

HOH + (RO)2P(O)®[ HО.. P…. Х]® RO-P(O) + HХ

Х H (OR)2 HO OR

При установлении механизма реакций большое значение имели исследования по сравнению скоростей реакций в различных средах. Для определённых серий ФОС было использовано эмпирическое однопараметровое уравнение Грюнвальда-Уинстейна [86]:

Lg k= lgk0 + mY

Для бимолекулярных реакций, протекающих по механизму SN2, m £ 0,4. Если 0,4 < m< 1 , то реакция протекает по смешанному SN1- SN2-механизму. Исследователям удалось показать различие в сольватации фосфорильного атома кислорода и фосфорильного атома серы. Однако, при появлении в структуре ФОС фрагментов атомов типа О-Р=О, N-P=O, СН2=СН-Р=О и др. в приведённом выше уравнении сольволиза возникают отклонения.

Установлению механизма нуклеофильного замещения у атома фосфора способствовали многочисленные работы с ассиметрическим (хиральным) атомом фосфора.[87]. Ароном, Хадсоном, Михальским и другими было показано, что эти реакции сопрoвождаются вальденовским обращением, т. е. со строгим направлением атаки нуклеофильного агента с тыла по отношению к уходящему заместителю. Это является подтверждением SN2- механизма.

С2Н5ОР-ОН + PCI5®C2H5OP-CI ®OH C2H5O-P - OH

С2H5 S C2H5 S C2H5 S

(a)D20 –14,75 (a)D20 –73,80 (a)D20 –11,60

В этой цепи обе реакции протекают, вероятно, с обращением конфигурации, приводя к исходной кислоте. Интересен механизм первой реакции:

2ROP*-OH +( PCI4)+(PCI6)-®2ROP*…O-P+CI4 ® -2POCI3 2CI-P*OR

R S R S S R

Он заключается в атаке пятихлористым фосфором атома кислорода молекулы тиокислоты. Образовавшийся промежуточный продукт разлагается при нуклеофильной атаке хлорид-иона с образованием хлортионфосфата и хлорокиси фосфора. Переходное состояние этого замещения имеет структуру бипирамиды, в которой слабо связанные аксиальные группы лежат на одной прямой. Полученные хлориды алкилтионфосфоновых кислот оказались в отличие от галоидангидридов алкилфосфоновых кислот стойкими веществами и послужили исходными продуктами для синтеза разнообразных оптически активных ФОС.

Таким образом, многие реакции нуклеофильного замещения у атома фосфора протекают стереоспецифично и сопровождаются обращением конфигурации, а переходное состояние с гибридизацией sp3d имеет форму тригональной бипирамиды с атомом фосфора в центре. В целом ряде работ в опытах с меченой водой было показано, что гидролиз галоидфосфонатов протекает без раскрытия Р=О связи [88].

Щелочной гидролиз в отличие от водного и кислотного гидролиза протекает с атакой по положительно заряженному атому фосфора с разрывом Р-Х связи и скорость его на порядок выше водного и кислотного. В этом и заключается основное различие в механизме нуклеофильного замещения у атомов углерода и фосфора.

В ранних исследованиях основными объектами для изучения механизмов реакций ФОС служили оптически активные хлориды фосфора типа RRP*(O)CI. Получены они были реакцией фосгена или хлористого тионила с солями оптически активных тиокислот фосфора по схеме:

R(RO)P*(S)O - M+ + COCI2 ® R(RO)P*(O)CI

Применение этих хлорангидридов было ограничено из-за их оптической неустойчивости. Они быстро рацемизуются в присутствии следов галогенид-ионов по схеме вальденовского обращения:

R(RO)P-(О)CI CI® R(RO)P+(O)CI

Отсюда и низкая оптическая чистота выделенных продуктов. Таким же превращениям подвергаются и фторангидриды фосфоновых кислот. О-пинаколиновый эфир метилфторфосфоновой кислоты (зоман) имеет два хиральных центра – атом фосфора и углерода и, следовательно, представляет собой два диастериоизомера. Но физико-химические свойства их на - столько близки, что их не удаётся различить ни методами ГЖХ, ни спектрами ЯМР 31Р, ни протонными спектрами и только константы спин-спинового взаимодействия JF-P раличаются на небольшую величину, при этом наблюдается фторный обмен. Замена группы Р=О на Р=S во фторангидриах приводит не только к чёткому снижению реакционной способности, но и к изменению других физико-химических свойств. При хроматографировании тионного аналога зомана нами были обнаружены раздвоенные пики, т. е. наличие типичных дистереоизомеров. Это послужило толчком для разработки интересного как с теоретической, так и с практической точки зрения метода получения оптически активных ФОС с тионфосфорильной группой. При действии эфирного раствора диазометана на аминокислоту - L-аланин был выделен аминоэфир. Реакция протекала с сохранением конфигурации, так как не затрагивала ассиметрический центр. Аминоэфир имел минусовый знак вращения как и L-аланин. Дифторангидрид метилтионфосфоновой кислоты вводился в реакцию с метилированным (-L) аланином:

RPF2 + H2N-C*H(CH3)-COOCH3 TЭА® RP-NHC*H(CH3)COOCH3

S (-L) S F

Полученный амидофторалкилтионфосфонат с L - активным атомом углерода подвергался разделению на препаративном хроматографе. Таким образом были разделены диастереоизмерные оптически активные ФОС, содержащие два оптически активных центра: Р(+ ), С(- ) и Р(- ), САналогично из D - аланина синтезирован D-аминоэфир, а из него синтезированы и разделены диастереоизомерные оптически активные ФОС, содержащие оптические цетры: Р(+), С(+) и Р(-), С(+). Как и следовало ожидать, левовращающие по фосфору изомеры оказались биологически более активными, чем правовращающие.[89]. Подобное сродство некоторых L стереоизомеров производных аминокислот к химотрипсину было показано авторами[150].

Таким образом, методами ЯМР и ГЖХ впервые доказано наличие диастереомеров в кислородных и тионных аналогах зомана. Реакционная способность ФОС в реакциях нуклеофильного замещения определяется в основном характером электронных взаимодействий заместителей при атоме фосфора. Последнее должно определяться несколькими факторами: величиной положительного заряда на атоме фосфора, прочностью Р-галоид (псевдогалоид) связью и лёгкостью его отхода, стерическими затруднениями, ролью d-орбиталей атома фосфора, строением нуклеофильного агента. Распределение электронных зарядов в S-метил-метилхлорфосфонате, полученное в результате приближённого квантового расчёта, представлено на рисунке [86].

H+0,035 O-0,520 H+0,040

Н-С - Р+0,565- S-0,15- C+0,020-H

H CI-0,120 H

Из него видно, что электроны оттянуты от атома фосфора в основном на кислород и галоид и атом фосфора несёт положительный заряд. При изучении щелочного гидролиза ФОС в стандартных условиях было показано, что замена Р=О на Р=S ведёт к уменьшению скорости реакции в 10-20 раз, что обычно объясняется более высокой электроотрицательностью атома кислорода по сравнению с серой. Ларссон показал, что скорость реакции щелочного гидролиза соединений типа RP(O)(OR)F уменьшается также с увеличением алкильного радикала при атоме фосфора в ряду СН3> C2H5> изо-С3Н7>трет-С4Н9.[90]. Интересно отметить, что в карбонильных соединениях в реакциях нуклеофильного замещения наибольший скачок значений пространственного эффекта наблюдается при переходе от радикала С2Н5 к С3Н7, т. е. наибольший вклад в стерический эффект при замещении у насыщенного атома углерода вносит третий атом углеродного радикала по счёту от реакционного центра. В реакциях же замещения у атома фосфора этот эффект относится к переходу от СН3 к С2Н5, т. е. второй атом углерода становится более значимым. [86].

ЕS при замещении у атома углерода

СН3 …………………С2Н5…..С3Н7

ЕS при замещении у атома фосфора СН3…..С2Н5………………….С3Н7

Это означает, что при гидролизе ФОС пространственный фактор играет более существенную роль, чем при атаке карбонильного углерода гидроксилом. Замена О - этильной группы на О - изо-пропильную приводит к снижению константы гидролиза хлорангидридов ФОС в 40 раз, а при переходе от (С3Н7)2Р=ОСI к (изо-С3Н7 )2Р=ОCI в 550 раз.[88]. Эффект пространственного фактора снижается, если алкильный радикал при атоме фосфора находится после атомов О или S. Всё это говорит о малом коридоре атаки гидроксилом у производных четырёхкоординированного фосфора. Введение в алкильный радикал при атоме фосфора непредельных связей (R2CH=CH-, RСºC-, С6H5) оказывает слабое влияние на характер Р=О связи, но неоднозначно влияет на сам атом фосфора. ПО данным Б. Ионина в четырёх-, пяти - и шестикоординированных соединениях фосфора химические сдвиги 31Р определяются, по-видимому, участием 3d-орбиталей в сопряжении с непредельными связями, причём d-электроны не повышают, а существенно снижают парамагнитный вклад. Это представление согласуется с полученными химическими сдвигами фосфора в диэтиловых эфирах фосфоновых кислот dР.

С-Р(О)(ОС2Н

С=С-С-Р(О)(ОС2Н

ºС-С-Р(О)(ОR)2 -19

C=C-Р(О)(ОR)2 -13

СºС-Р(О)(ОR)2 +9

В динамике при нуклеофильной атаке четырёхкоординацинного атома фосфора в основном проявляются пространственные эффекты, сильный - I эффект и слабые + М эффекты в зависимости от заместителей при этих связях.[91]. Введение непредельных связей к кислороду, сере, азоту, находящихся при атоме фосфора, делает эти связи лабильными в зависимости от характера–I,+М эффектов их заместителей.[92]. Замена алкильного радикала при атоме фосфора на алкоксильный приводит к снижению реакционной способности ФОС в десятки раз. Этот эффект объясняется тем, что в переходном состоянии неподелённая электронная пара атома кислорода смещается на 3d-орбиты атома фосфора, затрудняя атаку. Тем самым повышается энергия активации и уменьшается скорость гидролиза. Реакционная способность галоидангидридов ФОС уменьшается в зависимости от структуры алкоксильного радикала в ряду:

СН3О>C2H5O>C3H7O> изо-С3 Н7О и т. д. Это связано с + I эффектом алкильного радикала и пространственными затруднениями при атаке атома фосфора нуклеофилом. В работе Хадсона и Кея исследован гидролиз некоторых хлорангидридов ФОС.[93]. Таблица № 4.

Константы гидролиза хлорангидридов ФОС.

Cоединение	103К1 при 0 С° мин-1	Еакт, ккал\ моль	Lg PZ
(CH3 O)2P(O)CI	1,75	10,6	5,7
(CH3O)C2H5P(O)CI	98	8,4	5,7
(C2H5)2P(O)CI	1500	7,3	5,9

Аналогичные данные получены Акснесом для щелочного гидролиза фторангидридов ФОС [94].

Таблица № 5.

Константы гидролиза фторангидридов ФОС.

Cоединение	КЩ. Г.моль-1/сек-1 25°С	Еакт, ккал /моль
(iC3 H7O)2 P(O)F	0,83
( CH3O )2 P(O)F	18,2	11,6
CH3 (iC3H7O)P(O)F	25,8	9,1
(CH3O)C2H5P(O)F	49,1	10,1
(C2H5)2 P(O)F	726	8,3
(СH)3 СCH(CH3)- OP(O)(CH3)F	8,2

Интересно отметить, что влияние амидных групп при атоме фосфора напоминает алкоксильные. При этом пара электронов атома азота участвует в сопряжении сильнее кислорода с реакционным центром (d-орбиты фосфора), что приводит к резкому снижению реакционной способности ФОС. Данные по щелочному гидролизу приведены в таблице.[94].

Таблица № 6.

Константы щелочного гидролиза ряда амидов ФОС.

Соединение	К2 Щ. Г.при 25С°л. моль-1/сек -1	Еакт, ккал/мопь	ΔS
(СH3O)CH3P(O)F	106	10,5	-16
(C2H5O){(CH3)2N}POCN	7,49
(i-C3H7NH)2POF	0,83	11,2	-24
(CH3)2N(CH3)POF	1,04	11,9	-12
{(CH3)2N}2POF	5,7 10-5	14,7	-31
{(CH3)2N}{(C2H5)2N}POF	4,8 10-6	16,6	-30
{(C2H5)N}2P(O)F	4,2 10-7	17,0	-33

Снижение реакционной способности производных ФОС, содержащих диалкиламидную группировку по сравнению с моноамидной, можно объяснить более высокой энергией активации и со стерическими препятствиями при нуклеофильной атаке атома фосфора.