Амиды и сульфонамиды: кинетические закономерности синтеза и механизмы реакций

Л. Б. Кочетова, Т. П. Кустова, 

Л. В. Курицын 

АМИДЫ И СУЛЬФОНАМИДЫ: 

КИНЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ 

СИНТЕЗА И МЕХАНИЗМЫ  

РЕАКЦИЙ 

Монография 

Москва 
Берлин 
2020 

УДК 543.632.554 
ББК 24.234.73+24.234.83 
         К64 

Кочетова, Л. Б. 
К64       Амиды и сульфонамиды: кинетические закономерности синтеза и механизмы реакций : монография /  
Л. Б. Кочетова, Т. П. Кустова, Л. В. Курицын. – Москва ; 
Берлин : Директ-Медиа, 2020. – 281 с.  

ISBN 978-5-4499-1515-3 

Научная школа проф. Л.В. Курицына в ФГБОУ ВО «Ивановский государственный университет» на протяжении нескольких десятилетий проводит комплексные исследования реакционной способности аминосоединений в N-ацилировании 
производными карбоновых и сульфоновых кислот. В настоящей 
монографии обобщены результаты работы авторского коллектива по изучению кинетических закономерностей и механизмов 
реакций образования амидов и сульфонамидов на основе аминосоединений разных классов: алифатических, ароматических и 
смешанных аминов, α-аминокислот и дипептидов. 

Книга будет полезна студентам и аспирантам высших учеб
ных заведений, обучающимся по образовательным программам 
по УГСН 04.00.00 Химия, научным и инженерно-техническим 
работникам, специализирующимся в области синтеза амидов и 
сульфонамидов. 

Текст приводится в авторской редакции. 

УДК 543.632.554 
ББК 24.234.73+24.234.83 

ISBN 978-5-4499-1515-3 
© Кочетова Л. Б., Кустова Т. П., Курицын Л. В., текст, 2020 
© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2020 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Реакции ацилирования аминосоединений с участием производных карбоновых и сульфоновых кислот представляют собой важнейшие практически значимые процессы, лежащие в 
основе получения множества ценных продуктов органической, 
фармацевтической и полимерной химии. Для выбора оптимальных условий синтеза амидов кислот необходимо знание закономерностей протекания указанных реакций. В связи с этим исключительную важность приобретает использование системного 
подхода, включающего, наряду с проведением кинетических 
исследований, квантово-химическое моделирование молекул 
реагентов, механизмов и переходных состояний реакций, что 
позволяет глубже понять закономерности взаимодействия на 
молекулярном уровне. 
При объяснении кинетики и механизмов реакций в последние десятилетия широко используется метод индексов реакционной способности, предполагающий существование определенной 
связи между изменениями в электронной структуре реагирующих 
молекул и скоростью реакции. В настоящее время  подход, предполагающий поиск зависимостей между структурой веществ и их 
свойствами принято называть Quantitative Structure – Property 
Relationship (QSPR) – «количественная связь структура – свойство». В рамках указанного подхода индексы реакционной способности, количественно характеризующие структуру и свойства 
веществ, называют дескрипторами (от англ. description – описание). Дескрипторы разных уровней могут быть найдены как расчетными, так и экспериментальными методами [1].  
В данной работе для описания реакционной способности 
участников ацилирования использованы дескрипторы электронной структуры, в частности, заряды на атомах, энергии 
ВЗМО и НСМО, получаемые путем квантово-химических расчетов, а также дескрипторы межмолекулярных взаимодействий, 
к числу которых относятся установленные экспериментально 
значения энергии активации, изменения энтальпии и энтропии 
активации реакций, константы кислотной диссоциации, постоянные заместителей Гаммета. 
Настоящее издание состоит из четырех глав. В первой гла

ве обобщены данные по реакционной способности ароматических и смешанных аминов при образовании амидов карбоновых 
и сульфоновых кислот в разных средах, показана необходимость 
строгого контроля кислотно-основных взаимодействий аминов с 
компонентами среды при анализе кинетических данных и идентификации механизмов реакций. Отдельно рассмотрены особенности взаимодействия аренаминов с сульфонилхлоридами и 
дисульфонилхлоридами нафталинового ряда, а также реакционная способность арендиаминов и ароматических дисульфонилхлоридов в реакциях ацильного переноса. Результаты кинетического исследования обсуждены с привлечением подхода «структура-свойство» и данных моделирования механизмов реакций 
ароматических и жирноароматических аминов с хлорангидридами карбоновых и сульфоновых кислот. 
Во второй главе приведены результаты исследования кинетики взаимодействия алкиламинов и аммиака, являющегося 
родоначальником класса аминов, со сложными эфирами и сульфонилхлоридами в бинарных растворителях вода-2-пропанол и 
вода–1,4-диоксан. Проведен анализ результатов квантовохимического моделирования механизмов ацилирования аммиака 
и алкиламинов в газовой фазе и с учетом эффектов среды.  
В третьей главе представлены и обсуждены с привлечением данных квантово-химического моделирования результаты 
кинетического исследования реакций α-аминокислот и дипептидов с карбонильными ацилирующими агентами, в том числе 
дикарбоновых α-аминокислот и диаминокислот с 4-нитрофенилацетатом и пикрилбензоатом в водном 1,4-диоксане. Показана 
роль кислотности среды, как исключительно важного фактора 
реакционной способности олигопептидов и α-аминокислот в 
ацилировании. Приведены результаты квантово-химического 
моделирования механизмов реакций глицина и глицилглицина с 
бензоилхлоридом и фенилбензоатом. 

В четвертой главе представлены результаты эксперимен
тального 
исследования 
реакционной 
способности 
ряда 

α-аминокислот и дипептидов по отношению к аренсульфонилхлоридам в водных растворах 2-пропанола и 1,4-диоксана; 
обобщены результаты моделирования механизмов реакций 
аренсульфонилхлоридов с α-аминокислотами и их сольватами.  

Глава 1 
 
РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ АРОМАТИЧЕСКИХ И  
ЖИРНОАРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОВ  
В АЦИЛИРОВАНИИ  
 
1.1. Реакционная способность ароматических аминов  
в ацилировании  
 
Ацилирование аминов производными карбоновых и сульфоновых кислот является основным способом получения соединений с амидной связью. Исследованиям кинетики взаимодействия аренаминов с ацилирующими агентами разной природы в 
растворах посвящено большое количество работ, например, [237]. Интерес к этим реакциям продиктован широким применением амидов кислот в промышленном синтезе полимеров, красителей, полупродуктов, биологически активных веществ [3841].  
Взаимодействие ароматических и жирноароматических 
аминов с хлорангидридами карбоновых и сульфоновых кислот 
протекает по уравнению (1.1): 

k
HCl     (1.1) 
+

R2
R2

NZ

R1
R3

+  
R3

R1

ZCl
NH

 
Здесь R1 и R2 – электронодонорные и электроноакцепторные заместители в ароматических кольцах анилина и ацилирующего агента, R3 – Н или алкильный заместитель в аминогруппе; Z – функциональные группы СО или SO2, k – константа скорости реакции. 
Уравнение скорости реакции (1.1) имеет вид: 
 

                           
,
с
с
k
d
dс

ац
ац
⋅
⋅
=
−
τ
                              (1.2) 

 
где с и сац – текущие концентрации амина и ацилирующего агента; τ – время. 

Кинетические данные по константам скорости ацилирования в зависимости от строения реагентов и свойств среды часто 
используются для прогнозирования механизмов реакций [7-19, 
42-74]. Критериями реализации того или иного механизма, как 
будет показано в разд. 1.7, служат величины параметров ρ в 
уравнении Гаммета (1.3) и β в уравнении Бренстеда (1.4), а также характер их изменения для данной реакционной серии. 
 
lg k = lg k0 + ρσ                               (1.3) 
 
lg k = а + β⋅pKa                                (1.4) 
 
Здесь k0 и а – постоянные для данной реакционной серии 
величины, ρ – чувствительность реакции к строению: амина 
(ρR1), ацилирующего агента (ρR2) или уходящей группы (ρX); σ – 
постоянная Гаммета; β – чувствительность к основности: нуклеофила (βR1) или уходящей группы в ацилирующем агенте (βх); 
Kа – константа кислотной диссоциации протонированной формы 
нуклеофила или уходящей группы.  
Впервые кинетические закономерности реакции анилина с 
хлористым бензоилом были изучены в работах Ц.Н. Гиншельвуда [4-6]. Влияние строения реагентов и среды на кинетику реакций анилина с бензоилхлоридом и с сульфонилхлоридами было детально исследовано в работах, выполненных под руководством Л.М. Литвиненко [7-19, 42-48] и Л.В. Курицына [2, 
3, 20-37]. В работах [7-19, 42-48] подробно исследованы проблемы нуклеофильного и бифункционального катализа в реакциях ацилирования аминов. В данной главе эти вопросы не рассматриваются и анализируются лишь работы, посвященные изучению влияния условий проведения эксперимента на скорость и 
механизмы некаталитического ацилирования аминов. 
Некоторые данные по влиянию заместителей в реагентах 
на скорость реакции анилина с бензоилхлоридом приведены в 
табл. 1.1, 1.2. 
 
 
 
 

Таблица 1.1. 
Влияние заместителей на константы скорости реакции анилина  
с бензоилхлоридом в бензоле; 298 К 
 

Заместитель
k⋅102, 
л⋅моль
1⋅с-1

Литература Заместитель 
k⋅102, 
л⋅моль
1⋅с-1

Литература

R1C6H4NH2+C6H5COCl

Н 
6,88
[4]
3-Cl
0,430
[5]

4-NO2
0,0042
[4]
2-CН3
2,81
[3]

3-NO2
0,044
[5]
3-CН3
13,8
[5]

3-Br
0,396
[5]
4-CН3
31,6
[5]

2-Cl
0,047
[3]
2-CН3О
9,07
[5]

C6H5NH2+R2C6H4СOCl

4-ОCН3
1,76
[3]
4-NO2
58,1
[3]

4-CН3
3,91
[3]
3-NO2
43,0
[3]

 
Таблица 1.2. 
Значения постоянных чувствительности к влиянию заместителей 
в реагентах для реакции анилина с бензоилхлоридом в бензоле; 
298К [3] 
 

Реакция
- ρR1
Реакция
ρR2

R1C6H4NH2+3-ClC6H4COCl
3,37
R2C6H4COCl +3-ClC6H4NH2
0,89

R1C6H4NH2+C6H4COCl
2,67
R2C6H4COCl+3-NO2C6H4NH2
0,54

 
Данные работ [2-11, 20, 21] свидетельствуют о том, что 
влияние заместителей, как в амине, так и в бензоилхлориде, на 
скорость ацилирования характеризуется уравнением Гаммета. 
Введение электронодонорных заместителей в анилин увеличивает скорость реакции, электроноакцепторные группы уменьшают ее. Заместители в бензоилхлориде оказывают противоположное влияние на константы скорости. Чувствительность реакции к влиянию заместителей в анилине существенно выше, 
чем в бензоилхлориде. Если при замене заместителя в анилине с 
4-CН3 на 4-NO2 величина k уменьшается в 7100 раз, то такое же 
изменение в бензоилхлориде увеличивает значение k в 15 раз 
(табл. 1.1, 1.2 [3]). 
В работах [2, 3, 20, 21] влияние среды на кинетику реакции 

анилина с бензоилхлоридом исследовано в 30 индивидуальных 
органических растворителях разной природы: алифатических 
углеводородах, эфирах, нитрилах и др. Установлено сильное 
влияние растворителя на константу скорости реакции: разница 
между минимальным (в октане) и максимальным (в гексаметилфосфотриамине) значениями k составляет более 5 порядков 
(табл. 1.3). Энтропия активации реакции анилина с бензоилхлоридом в различных средах приблизительно постоянна, величина 
k зависит только от энергии активации и определяется взаимодействием реагентов и активированного комплекса с растворителем. В работе [3] показано, что изоэнтропийность реакции 
обусловлена однотипностью специфической сольватации реагентов и активированного комплекса. 
 
Таблица 1.3. 
Кинетические параметры реакции анилина с бензоилхлоридом; 
298 К [3,  20] 
 

Растворитель
k.102,

л.моль-1.с-1
E,

кДж.моль-1 
-∆S298

≠,

Дж.моль-1.К-1 

Октан
0,25
40,2
168

Декан
0,39
37,7
173

Тетрахлорметан
0,803
29,7
193

м-Ксилол
4,77
34,3
163

п-Ксилол
4,84
30,8
175

Толуол
4,87
33,9
164

о-Ксилол
5,80
31,4
172

Бензол
6,77
31,2
170

Хлорбензол
6,86
31,4
171

Анизол
40,7
27,2
170

Нитробензол
106
26,4
164

Этилацетат
290
24,7
162

Нитрометан
429
23,0
163

Ацетон
433
24,3
160

Диоксан
580
–
–

Ацетонитрил
942
28,9
150

N,N-Диметилацетамид
10400
–
–

Гексаметилфосфотриамин
38000
–
–

Взаимодействие анилина и бензоилхлорида со средой характеризуют теплоты их смешения с растворителями при бесконечном разбавлении (∆H∞). В работе [75] установлено калориметрически, что для анилина величины ∆H∞ сильно зависят от 
природы растворителя, тогда как в случае бензоилхлорида значения ∆H∞ и различия между ними для разных растворителей 
невелики. Обнаруженная в [3] линейная зависимость lg k реакции анилина с бензоилхлоридом от суммы величин ∆H∞ реагентов, а также линейность между lg k и энергией Гельмгольца образования комплекса с водородной связью (Н-комплекса) состава 1:1 между растворителем и аминогруппой анилина указывают 
на образование молекулами анилина в растворе сольватокомплексов с водородной связью. 
Необходимо отметить, что существование Н-комплексов 
анилина состава 1:1 доказано экспериментально в растворителях 
разной природы, в том числе в кетонах и амидных растворителях [76], в 1,4-диоксане [77], в метаноле и воде [78-80]. В тетрагидрофуране зафиксированы комплексы состава 1:1 и 1:2 [81, 
82]. Образование Н-комплексов анилина с рядом органических 
растворителей подтверждается и методами квантовой химии 
[78, 84].  
В ряде работ, например [7-9, 43-48], считается, что главную роль в кинетике реакции анилина с бензоилхлоридом играет комплексообразование ацилирующего агента с растворителем. Вместе с тем, приведенные выше данные [2, 3, 20, 21, 7584] позволяют утверждать, что скорость взаимодействия анилина с бензоилхлоридом определяется образованием сольватокомплексов анилина, имеющих более высокую реакционную способность в ацилировании по сравнению с исходным реагентом. 
Нам представляется более справедливым второе утверждение, 
т.к. результаты наших исследований, представленные в данной 
главе и в главах 2-4, свидетельствуют о том, что определяющую 
роль в кинетике ацилирования аминосоединений разных классов 
играет специфическая сольватация аминогруппы. 

На основании данных по влиянию растворителя и заместителей в реагентах в работе [3] получено корреляционное 

уравнение для расчета констант скорости реакций аренаминов с 
монозамещенными бензоилхлоридами в неводных средах: 
 
lg kТ =  – 1,17 + [(–2,75)σ - + 0,98σ+ + 1,08.S + 0,2(1 +σ+S)] +[5,45+ 
+(–2,75)σ -+0,98σ++1,08.S+0,2(1+σ+S)].(1–298.T-1)                    (1.5) 
 
где kT – константа скорости ацилирования замещенного амина 
при температуре Т; σ - и σ+ - постоянные заместителей в монозамещенном 
амине 
и 
бензоилхлориде 
соответственно; 

298

j
k

k
lg
S =
– параметр растворителя, kj – константа скорости ре
акции анилина с бензоилхлоридом в растворителе j; k298 – константа скорости реакции анилина с бензоилхлоридом в бензоле 
при 298 К. 
Следует отметить, что для определения lg kT по уравнению 
(1.5) достаточно знать постоянные заместителей σ – и  σ +, а также значения S и Т; при этом интервал изменения lg k, охватываемый уравнением, составляет ∼ 9 лог. ед. 
Кинетика реакций аренаминов с сульфонилхлоридами в 
полярных и неполярных органических растворителях исследована в ряде работ, например, в [9, 12-18, 22-37, 85-93], некоторые из имеющихся данных для реакции анилина с бензолсульфонилхлоридом приведены в табл. 1.4.  
Диапазон изменения k при изменении природы растворителя составляет 5 порядков: от 6,9⋅10-5 л⋅моль-1⋅с-1 в этилацетате 
до 4,63 л⋅моль-1⋅с-1 в воде. Данные работы [9] указывают на то, 
что в аренсульфонилировании аминов, также как в реакции анилина с бензоилхлоридом, преобладающее влияние на скорость 
взаимодействия оказывает специфическая сольватация амина, а 
сольватация сульфонилхлорида играет второстепенную роль. 
Этот вывод согласуется с данными термохимических исследований, проведенных в работах [75, 94]. 
В табл. 1.5, 1.6 приведены величины параметров чувствительности реакции аренаминов с сульфонилхлоридами к влиянию строения аренамина ρR1 и его основности βR1, а также чувствительности к строению аренсульфонилхлорида ρR2 в различных растворителях.