Реакционная способность алифатических α- аминокислот в аренсульфонилировании в водно-органических средах (стр. 3 )

Установлено, что с ростом доли воды в системе вода – 1,4‑диоксан величина константы скорости всех рассмотренных реакции монотонно снижаются (табл. 2). Полученная закономерность может быть объяснена особенностями сольватации реагентов компонентами растворителя.

Сравнение результатов кинетических параметров аренсульфонилирования аминокислот 3‑НБСХ с данными для сходственной реакции ацилирования неполярных алифатических аминокислот бензоилхлоридом в растворителе вода – 1,4-диоксан показывает, что 3‑НБСХ уступает по реакционной способности хлорангидриду бензойной кислоты.

Полученная закономерность хорошо согласуется с результатами изучения кинетики реакций хлорангидридов бензойной (БХ) и бензолсульфокислот с ароматическими аминами, для которых соотношение констант скоростей

ацилирования изменяется в интервале 102 ÷ 104 в зависимости от природы и состава растворителя. Использованный нами ацилирующий агент – 3-НБСХ – в м-положении ароматического кольца содержит электроноакцепторный заместитель (-NO2), усиливающий электрофильные свойства сульфонильной серы. В связи с этим соотношение констант скоростей kБХ/k3‑НБСХ = 10–20.

В целом, как и в случае ацилирования α-аминокислот бензоилхлоридом, определяющими факторами, влияющими на реакционную способность аминокислот в аренсульфонилировании являются размер алкильного радикала при α-углеродном атоме и основность аминокислоты.

Между логарифмами констант аренсульфонилирования α‑аминокислот 3‑НБСХ и значениями pKаII тех же аминокислот в растворителе вода (40мас. %) – 1,4‑диоксан существует линейная зависимость с коэффициентом корреляции 0,993, показанная на рис. 1.

Таблица 2

Кинетические и активационные параметры реакции α-аминокислот

с 3‑НБСХ в водном диоксане

Т, К	ωН2О, мас. %	k–·10-3, л×моль-1×с-1	рKаII	Еакт , кДж×моль-1	ΔН≠298, кДж×моль-1	-ΔS≠298, Дж×моль-1×К-1
Глицин
298	30,0	4,98	11,28	23 ± 4	21 ±  4	107 ± 16
40,0	3,35	10,81
55,0	2,03	10,32
303	40,0	4,33	10,71
308	5,01	10,61
313	5,25	10,51
D,L-α-Аланин
298	30,0	2,52	11,48	40 ± 3	38 ± 3	54 ± 11
40,0	1,16	11,13
55,0	0,60	10,72
303	40,0	3,86	11,03
308	6,72	10,93
313	7,37	10,83
D,L-Валин
298	30,0	3,52	11,28	23 ± 3	20 ± 3	112 ± 11
40,0	2,98	10,83
55,0	1,46	10,31
303	40,0	3,78	10,73
308	4,88	10,63
313	5,01	10,53
D,L-Лейцин
298	30,0	-	11,12	18 ± 2	16 ± 2	131 ± 8
40,0	1,43	10,71
55,0	0,61	10,25
303	40,0	1,60	10,61
308	1,71	10,51
313	2,05	10,41
L-Изолейцин
298	30,0	3,11	11,25	8 ± 1	6 ± 1	162 ± 4
40,0	1,89	10,80
55,0	1,32	10,43
303	40,0	2,00	10,70
308	2,11	10,60
313	2,22	10,50

Косвенным аргументом в пользу определяющего влияния основности аминогруппы на реакционную способность аминокислот в N-ацилировании является обнаруженная симбатная зависимость между логарифмами констант аренсульфонилирования аминокислот в водных растворах диоксана и логарифмами констант ацилирования тех же аминокислот хлористым бензоилом.

Рис 1. Зависимость логарифмов констант скоростей аренсульфонилирования α-аминокислот от значений pKII их протонированной аминогруппы в растворителе вода (40мас. %) – 1,4-диоксан, 298 К

Таким образом, как и следовало ожидать, реакционная способность α‑амино-кислот в реакциях нуклеофильного замещения определяется способностью ато-ма азота аминогруппы к нуклеофильной атаке электрофильного центра, в нашем случае сульфониль-ного атома серы.

В разделе 3 представ-лены результаты квантовохимического исследования реакции L‑α‑аланина в газовой фазе и в присутствии от 1 до 3 молекул воды с бензолсульфонилхлоридом.

При взаимодействии аланина с сульфонилхлоридом возможна реализация трех направлений атаки молекулы аминокислоты, являющейся нуклеофилом, на сульфонилхлоридную группу. В случае фронтального направления атаки нуклеофил подходит со стороны атома хлора, под углом »90° к связи S-CAr сульфонилхлорида, при реализации аксиальной атаки – атом азота аминокислоты лежит на оси связи S-CAr, при тыловой атаке угол Ð(СArSN), составляет 90°, т. е. нуклеофильные агенты атакуют сульфонилхлоридную группу со стороны, противоположной хлору. При построении стартовой конфигурации для расчета фрагмента трехмерной ППЭ системы, содержащей кроме молекул реагентов одну молекулу воды, молекулу растворителя ориентировали таким образом, чтобы ее атом кислорода образовывал водородную связь с атомом водорода аминогруппы аланина. При добавлении к системе взаимодействующих молекул второй молекулы воды, ее располагали так, чтобы атом кислорода второй молекулы воды образовывал водородную связь с атомом водорода карбоксильной группы аминокислоты. Третью молекулу воды размещали вблизи аминогруппы так, чтобы водородную связь образовывали атом водорода молекулы воды и атомом азота. При проведении расчета водородные связи молекулы аминокислоты с молекулами воды не фиксировали. Установлено, что к образованию продуктов реакции приводит только реализация фронтального направления, в случае реализации других направлений атаки энергия системы непрерывно возрастает. В связи с этим при расчете фрагмента поверхности потенциальной энергии рассматривалось фронтальное и аксиальное направление атаки нуклеофила на сульфонилхлоридную группу. При этом в качестве координаты реакции использовали длину связи S-N, которую изменяли от 4,5 Å до 1,5 Å с шагом 0,1 Å, и угол атаки молекулы нуклеофила Ð(СArSN), изменявшийся от 90° (фронтальная атака) до 180° (аксиальная атака) с шагом 10˚. Угол атаки и длину связи S-N жестко фиксировали. В каждой точке фрагмента поверхности потенциальной энергии проводилась полная оптимизация геометрии системы, за исключением зафиксированных параметров. Анализ полученных фрагментов ППЭ реакции БСХ с аланином в газовой фазе (рис. 2) и в присутствии 1-3 молекул воды позволил установить маршрут реакции и локализовать на нем седловые точки, соответствующие переходным состояниям реакции.

Рис. 2. Контурная карта ППЭ реакции аланина с БСХ; ― - маршрут реакции, х – активированный комплекс

Установлено, что аренсульфонилирование аланина протекает в одну стадию, без образования интермедиатов, на что указывает наличие на потенциальной поверхности единственной седловой точки, соответствующей переходному состоянию реакции. Найденный маршрут реакции можно охарактеризовать как «сложный», так как по мере сближения молекул взаимодействующих веществ в рамках данного маршрута угол атаки аминокислоты на сульфонилхлоридную группу меняется. Атака молекулы нуклеофильного агента начинается в направлении, близком к аксиальному. Затем, при сближении реагирующих молекул, угол атаки несколько уменьшается. При этом связь S-Cl и одна из связей N-Н увеличиваются, а расстояние между атомами хлора и водорода сокращается, что способствует формированию молекулы HСl. Образование продуктов реакции сопровождается резким уменьшением угла атаки, разрывом связей S-Cl и N‑Н и формированием связи H‑Сl.