Н. А. Меншуткин впервые осуществил кинетическое исследование процесса этерификации алициклических (полиметиленовых) спиртов [70, стр. 980]... В ходе исследования было установлено, что скорость этерификации алициклических спиртов значительно больше, чем скорость этерификации соответствующих насыщенных спиртов с открытой цепью...
Благодаря замыканию открытой цепи скорость этерификации почти удвоилась. Эффект замыкания цепи наблюдался и для других алициклических спиртов. Меншуткин пришел к общему выводу, что «образование полиме-тиленового кольца замыканием открытой цепи нормального строения сопровождается увеличением скорости рассматриваемой реакции» [70, стр. 988].
Вывод Н. А. Меншуткина явился как бы завершением ряда работ отечественной школы химиков. П. И. Петренко-Критченко еще в 1901 г. указал на «повышение реакционной способности... кольчатых кетонов сравнительно с отвечающими (т. е. с одинаковым количеством атомов углерода в цепи.— Авт.) жирными кетонами» [71]. В дальнейшем Петренко-Критченко с сотрудниками подробно изучил эту закономерность. По его мнению, значительное повышение реакционной способности у алициклических соединений объяснялось тем, что «при образовании кольца часть атомов уходит из сферы взаимодействия и не оказывает того замедляющего влияния, какое они проявляют в открытой цепи» [72].
Увеличение скорости реакции при замыкании углеродной цепи не являлось специфической особенностью кар-боциклических (алициклических) соединений. Громадное ускорение химического процесса наблюдалось также при замыкании открытой цепи в гетероциклическое кольцо. Меншуткин, установив, что константа скорости реакции пиперидина с бромистым метилом значительно больше константы скорости реакции соответствующего вторичного насыщенного амина с открытой углеродной цепью, писал: «Невольно напрашивается мысль приписать выдающуюся величину этой константы (пиперидина.— Авт.) влиянию кольчатого строения «этого соединения» [64, стр. 416].
С увеличением молекулярного веса алициклических спиртов, т. е. с увеличением в кольце числа звеньев СН2, константы скорости этерификации закономерно уменьшались. Анализ экспериментальных данных показал, что увеличение на звено СН2 как открытых цепей в алифатических спиртах, так и замкнутых цепей в алициклических спиртах сопровождалось уменьшением констант скорости этерификации примерно на одинаковые величины.
Среди вторичных алифатических спиртов нет ни одного, который мог бы сравняться по скорости этерификации с циклопентанолом — вторичным спиртом алициклического ряда. Исходя из этого, Меншуткин заключил, что вторичные алициклические спирты «являются типическими представителями этого класса соединений» [70, стр. 993].
Изучение скорости этерификации алициклических спиртов и скорости алкилирования гетероциклических аминов побудило Меншуткина дополнить «те правильности строения, которые, согласно прежним данным, определяли наступление максимума скорости». В соответствии с предыдущими работами Николая Александровича величина константы скорости этерификации зависела от трех условий. Во-первых, от состава «алкогольного звена цепи, причем звено первичного состава (СН2—ОН) обусловливало, при прочих равных условиях, наибольшие константы сравнительно с алкогольными звеньями вторичного (СН—ОН) или третичного (С—ОН) состава». Во-вторых, от строения открытой цепи, «причем соединение углеродных атомов простой связью и так называемое нормальное строение цепи, как не заключающее боковых цепей, понижающих константы, обусловливало наступление максимума». В-третыих, от длины углеродной цепи: «Так как образование всякой цепи сопровождается затратой скорости, то максимум наступает у низшего члена ряда». Указав на эти условия, определяющие величину константы скорости этерификации, Меншуткин продолжает: «Теперь после исследования полиметилеиювых соединений к тем трем условиям, которые сохраняют силу, необходимо прибавить условие, что при прочих равных условиях, т. е. состава алкогольного звена, связи между углеродными атомами и числа звеньев цепи — максимум скорости обусловливается кольчатым строением углеродной цепи.
Имея в виду огромные величины констант алкилирования аминов ряда пиперидина, мы заключаем, что вышеприведенные условия наступления максимума скорости не представляются специфическими для... алициклических систем, но... распространяются и на гетероциклические системы» [70, стр. 995].
Зависимость скорости этерификации алициклических спиртов от появления боковых цепей и места их расположения. Скорость этерификации изменялась при появлении в кольце боковых цепей (радикалы СН3), причем это изменение зависело от места их расположения. Меншуткин начал изучение этого вопроса с того случая, когда радикал СН3 располагался у углеродного атома, связанного с функциональной группой (атом C1). Появление боковой цепи при атоме С1 означало переход вторичного спирта в третичный; такой переход сопровождался стремительным падением скорости этерификации.
При переходе от вторичного алициклического спирта к третичному константа скорости этерификации уменьшилась почти в 35 раз. «Итак,— указывает Меншуткин,— помещение боковой цепи при атоме C1 полиметиленового кольца производит резкое понижение константы скорости реакции... При этом положении боковой цепи происходит наибольшее уменьшение скорости» [70, стр. 997]. Николай Александрович напомнил, что аналогичное сильное уменьшение скорости этерификации наблюдалось и среди насыщенных алифатических спиртов, когда боковая цепь появлялась при атоме углерода, связанном с функциональной группой.
Орто-положение боковой цепи в полиметиленовых кольцах означает, что боковая цепь находится по соседству с атомом C1, связанным с функциональной группой. Если вторая боковая цепь находится также по соседству с атомом С1, но по другую сторону кольца, то говорят о диорто-(орто-орто')-положении боковых цепей.
Орто-положение боковой цепи (метальный радикал СН3) вызывало весьма заметное понижение скорости этерификации. Появление же второй боковой цепи также в орто-положении (по другую сторону кольца) сопровождалось дальнейшим замедлением реакции...
Н. А. Меншуткин констатировал, что «в полиметиленовых соединениях боковые цепи в орто- и особенно в диорто-положении значительно уменьшают константы скорости реакций» (70, стр. 999].
Однако такое депрессирующее влияние боковой цепи в орто-положении не является специфическим признаком алициклических соединений. Напомним, что радикал СН3, находясь в орто-положении в бензольном кольце ароматического соединения (см. стр. 183), вызывал также значительное понижение скорости реакции.
Сильное депрессирующее влияние боковой цепи в орто-положении распространялось и на алифатические соединения. Под орто-положением здесь понимается расположение боковой цепи у атома углерода, находящегося по соседству с углеродным звеном, содержащим функциональную группу.
Наконец, и в гетероциклических соединениях боковая цепь в орто-положении понижала скорость реакции алкилирования (см. стр. 185).
Н. А. Меншуткин сформулировал следующее правило: «Боковые цепи в орто- и диорто-положении оказывают более или менее сильное понижение константы скорости во всякого рода цепях — открытых и замкнутых, углеродных и гетероатомных» [70, стр. 101].
Однако Н. А. Меншуткин тут же добавил, что это правило не имеет характера закона. Оно оправдывалось только в случае, когда боковая цепь являлась метальным радикалом или вообще открытой углеводородной целью, а химический процесс представлял сабой этерификацию или алкилирование аминов. В других случаях возможно отступление от указанного выше правила. Например, при реакции между дипропиламином и изомерными нитробром- и нитрохлорбензолами группа NO2 в орто-положении вызывала максимальную скорость реакции [73; 74, стр. 114].
На основании собственных исследований и исследований своих учеников Н. А. Меншуткин пришел к следующему важному обобщению: «Правило о влиянии орто- и диорто-положения боковой цепи представляет комбинированное влияние: положения боковой цепи, химической природы ее и протекающей химичеокои реакции и только наличностью всех этих условий обеспечивается химический эффект, указываемый этим правилом» [70, стр. 1002].
Явление орто-эффекта, впервые наблюдавшееся в 1876 г. американским ученым Джексоном [28], подробно рассматривалось в ряде работ Меншуткина. Своими исследованиями он опроверг представления некоторых химиков [75] о том, что влияние заместителя в орто-положении на скорость реакции определяется только его пространственной конфигурацией (механическая природа орто-эффекта).
В свете современных представлений явление орто-зффекта обусловливается рядом причин. Только одной из них являются «пространственные препятствия, создаваемые орто-заместителем для подхода реагента к реакционному центру» [76]. Итак, подтвердились взгляды Меншуткин а на природу орто-эффекта — он обусловлен как механическими, так и химическими факторами.
Как указывалось выше, боковая цепь при углеродном атоме С1, где расположена функциональная группа, оказывала исключительно сильное влияние на константу скорости этерификации алициклического спирта, понижая ее до совершенно ничтожной величины. Боковая цепь при атоме С2 (орто-положение) также сильно уменьшала скорость реакции, но далеко не в такой степени, как боковая цепь при атоме С1. По мере дальнейшего удаления боковой цепи от атома С1 ее роль менялась. Уже в положении С3 боковая цепь повышала, хотя и очень незначительно, константу скорости этерификации, а расположение боковой цепи при атоме С4 вызывало уже вполне заметное возрастание скорости реакции... В ароматических соединениях положение боковой цепи при атомах С3 (мета-положение) и С4 (пара-положение) также вызывало, за единичным исключением, увеличение скорости реакции.
Аналогичная картина наблюдалась для процесса алкилирования гетероциклических соединений. Следовательно, во всех циклических соединениях — карбодиклических и гетероциклических — расположение метальных радикалов при атомах С3 и С4 вызывало, как правило, увеличение скорости реакции.
Что же касается соединений с открытой цепью, то здесь появление боковой цепи в любом положении сопровождалось понижением скорости химического процесса. Исходя из этого, Меншуткин сделал следующий вывод: «Увеличение констант скорости при введении боковой цепи — это важный признак кольчатых цепей, отличающий их от цепей открытых и бросающий новый свет на условия их образования» [70, стр. 1005].
Н. А. Меншуткин рассмотрел и такие алициклические спирты, в которых функциональная группа ОН находилась в открытой цепи, соединенной с кольцом. Он сопоставил константы скорости этерификации трех первичных спиртов — алифатического, ароматического и алициклического с одинаковым числом углеродных эвеньев...
Оказалось, что замена открытой цепи нормального строения на замкнутые цепи — бензольное кольцо и гексаметиленовое кольцо — сопровождалась очень заметным понижением скорости этерификации, причем «влияние гексаметиленового кольца на константы более неблагоприятно, чем влияние бензольного кольца» [70, стр. 1006]. Этим замечанием заканчивается большое исследование о скорости химических превращений алициклических спиртов.
