Μελέτη της αντίδρασης του ηλεκτονιόφιλου 4-φαινυλο-1,2,4-τριαζολινο-3,5-διόνη (PhTAD) με αλκένια σε πρωτικούς και μη πρωτικούς διαλύτες

Abstract

This thesis describes the study of the reaction 4-phenyl-1,2,4-triazoline-3,5-dione (PhTAD) with alkenes in protic and non protic solvents.Entropic control of the selectivity in the adduct of PhTAD with alkenes in alcohols as solvents, found that the size of the solvent molecule play important role in the selectivity of the reaction and maintain an SN2 type transition state leading to trap product of solvent to AI.Using deuterated alcohols as solvents, became clear the effect of forming the bond N-H(D) in the transition state of the solvent addition to AI, intermediate.Measuring the isotope effects in isotopomers alcohols, shows that not open dipolar intermediate formed during the formation of trap product.The reaction with substituted benzyl alcohols (Hammett equation) shows that in the transition state take pla.ce at least two solvent molecules.The study of nucleophilic solvents competition, confirmed the existence of steric hindrance, during addition of the solvent in the intermediate AI, and the most active solvent was the smallest size alcohol.Unexpectedly high values for the thermodynamic parameters found with the weak nucleophilic but acidic, (2,2,2-trifluoromethyl)ethanol, prompted us to propose the existence of a Grotthuss transition state, in which a hydrogen atom, from a solvent molecule which acts as an acid, is transferred to the negatively charged nitrogen atom of the AI intermediate and, through a hydrogen bonding network of solvent molecules, the last solvent molecule is negatively charged and able to act as a nucleophile.The reaction in acidic conditions, led to the conclusion that the Grotthuss transition state cannot be formed or formed less, because of the immediate protonation of the negatively charged nitrogen atom. Protonation was found more effective in stronger acid, and the formation of protonated amide, AI-H led exclusively in trap product.Furthermore, experiments on excess acid shows that open intermediate not formed in the addition and the steric hindrance between the intermediate and the incoming solvent molecule - alcohol decreases due to relaxation of the bond C-N. This view was reinforced by measuring isotope effects in acidic conditionsThe reaction in aqueous solutions at neutral and acidic conditions has similar results, and found that, in each case, the addition of solvent-H2O in intermediate is stereospecific.Intra- and Intermolecular ‘ene’ reactions of PTAD, shows that the polarity of solvent has important role in the selectivity of the reaction.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή περιγράφει την μελέτη της αντίδρασης του ηλεκτονιόφιλου 4-φαινυλο-1,2,4-τριαζολινο-3,5-διόνη (PhTAD) με αλκένια σε πρωτικούς και μη πρωτικούς διαλύτες. Με την μέτρηση των παραμέτρων ενεργοποίησης ΔΔS≠ και ΔΔΗ≠, βρέθηκε ότι το μέγεθος του μορίου του διαλύτη παίζει σημαντικό ρόλο στην εκλεκτικότητα της αντίδρασης και υποστηρίζουν μια SN2-τύπου μεταβατική κατάσταση που οδηγεί στο σχηματισμό του προϊόντος προσθήκης του διαλύτη στο ΑΙ. Με τη χρήση δευτεριωμένων αλκοολών-διαλυτών έγινε σαφές η επίδραση του σχηματισμού του δεσμού N-H(D) στη μεταβατική κατάσταση προσθήκης του διαλύτη στο ΑΙ. Με την μέτρηση των ισοτοπικών φαινομένων ισοτοπομερών αλκοολών, αποκλείστηκε η άποψη περί διαμεσολάβησης ανοικτού διπολικού ενδιαμέσου, κατά το σχηματισμό του προϊόντος προθήκης του διαλύτη. Με την βοήθεια της εξίσωσης Hammett σε υποκατεστημένες βενζυλικές αλκοόλες, ενισχύθηκε η άποψη ότι στη μεταβατική κατάσταση λαμβάνουν μέρος τουλάχιστον δύο μόρια διαλύτη (τριμοριακή αντίδραση). Η μελέτη σε συναγωνιστικά πειράματα πυρηνόφιλων διαλυτών, επιβεβαίωσε την ύπαρξη στερεοχημικής παρεμπόδισης στην προσβολή του διαλύτη στο ΑΙ, με δραστικότερο το διαλύτη με το μικρότερο μέγεθος.Οι μεγάλες τιμές των παραμέτρων ενεργοποίησης κατά την αντίδραση στον λιγότερο πυρηνόφιλο διαλύτη TFE και η άποψη ότι, τουλάχιστον δύο μόρια διαλύτη λαμβάνουν ταυτόχρονα μέρος στην μεταβατική κατάσταση, οδήγησε στην πρόταση περί κυκλικής μεταβατικής κατάστασης, όπου τουλάχιστον δύο μόρια αλκοόλης συνδέονται μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου, όπου το ένα άκρο δρα ως οξύ (δότης πρωτονίου) ενώ το άλλο άκρο ως πυρηνόφιλο, ισχυρότερο μάλιστα σε σχέση με ένα απομονωμένο μόριο αλκοόλης.Η μελέτη της αντίδρασης σε όξινες συνθήκες, οδήγησε στο συμπέρασμα ότι η κυκλική μεταβατική κατάσταση δεν μπορεί να σχηματιστεί ή σχηματίζεται σε μικρότερο βαθμό, λόγω της άμεσης πρωτονίωσης του αρνητικά φορτισμένου ατόμου του αζώτου. Η πρωτονίωση αυτή βρέθηκε να είναι πιο αποτελεσματική, όσο πιο ισχυρό είναι το οξύ, γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό του πρωτονιωμένου ΑΙ-Η, με μια μόνο δυνατότητα αντίδρασης, αυτή της πυρηνόφιλης προσθήκης του διαλύτη. Η επίδραση των οξέων στα συναγωνιστικά πειράματα πυρηνόφιλων διαλυτών, έκανε σαφές, ότι ακόμα και σε μεγάλη περίσσεια οξέος, η ύπαρξη ανοικτού ενδιαμέσου στην προσθήκη του διαλύτη απορρίπτεται. Επίσης παρατηρήθηκε χαλάρωση του δεσμού C-Ν στο ΑΙ-Η με αποτέλεσμα να μειώνονται οι στερεοπαρεμποδίσεις ανάμεσα στο ενδιάμεσο και στο εισερχόμενο μόριο του διαλύτη-αλκοόλη. Η άποψη αυτή ενισχύθηκε και με την μέτρηση ισοτοπικών φαινομένων διαλυτών σε όξινες συνθήκες.Η μελέτη της αντίδρασης πραγματοποιήθηκε και σε υδατικά διαλύματα, σε ουδέτερες και όξινες συνθήκες με ανάλογα αποτελέσματα. Επίσης, βρέθηκε ότι η προσθήκη του διαλύτη-H2O, στο ενδιάμεσο, είναι στερεοειδική σε κάθε περίπτωση.Η μέτρηση των ισοτοπικών φαινομένων σε ενδο- και δια- μοριακό συναγωνισμό σε διαλύτες διαφορετικής πολικότητας, έδειξε ότι η πολικότητα παίζει σημαντικό ρόλο στην εκλεκτικότητα της ‘ene’ αντίδρασης.Τέλος, απομονώθηκαν προϊόντα προσθήκης τριφθοροξικού οξέος (TFA), καθώς και προϊόντα προσθήκης χλωρίου.