|
b>2.1.1. Бимолекулярное нуклеофильное замещениеТипичный механизм взаимодействия метилгалогенидов и первичных алкилгалогенидов с Nu бимолекулярное нуклеофильное замещение SN2. По такому механизму протекает реакция бромметана с едким натром.Стадии процесса. Нуклеофил атакует атом углерода с тыла, со стороны наиболее удаленной от брома (рис.2.1, а). Если сталкивающиеся частицы имеют достаточную энергию, то начинает образовываться связь углерод-кислород, а связь углерод-бром растягивается, атом углерода переходит в sp2-состояние. В этом состоянии атом углерода связан сразу с пятью атомами. Три атома водорода и углерод лежат в одной плоскости, а группы НО- и Br- располагаются на прямой, перпендикулярной этой плоскости (рис. 2.1, б). Отрицательный заряд на атоме кислорода уменьшился, так как кислород уже подал свою пару электронов на атом углерода, а отрицательный заряд на атоме брома увеличился, поскольку бром в определенной мере оттянул на себя пару электронов от углерода. Реакция заканчивается отщеплением иона брома и образованием ковалентной связи углерод-кислород, атом углерода опять становится тетраэдрическим (рис. 2.1, в). а б вРис.2.1. Бимолекулярное нуклеофильное замещение:а - исходные соединения: заряд локализован на атоме кислорода; б - переходное состояние (активированный комплекс), отрицательный заряд распределен между атомом кислорода и атомом брома; в - продукты реакцииЭнергетическая диаграмма реакции (рис. 2.2) изображает изменение потенциальной энергии в ходе реакции нуклеофильного замещения.Рис.2.2. Диаграмма изменения потенциальной энергии в реакции бимолекулярного нуклеофильного замещения, SN2 - процесс согласованный одностадийный: а - энергия исходных веществ, б - энергия переходного состояния, в - энергия продуктов реакции.Скорость реакции. Гидролиз бромистого метила является реакцией второго порядка, скорость его зависит от концентрации двух веществ и определяется по формуле V = K [R-Hal] [Nu]. Термин бимолекулярное замещение означает, что в скорость определяющей стадии участвуют две частицы. Поскольку разрыв связи углеродуходящая группа и образование связи нуклеофилуглерод происходят одновременно, бимолекулярное нуклеофильное замещение называют согласованным процессом.Концентрация нуклеофильного реагента. Высокая концентрация нуклеофила увеличивает скорость SN2- реакции. Растворитель. Выбор растворителя диктуется следующими условиями: а) достаточно хорошая растворимость реагентов, б) лучшая сольватация переходного состояния по сравнению с исходными соединениями, в) предотвращение побочных реакций.Реакции, в которых из нейтральных молекул образуется полярное переходное состояние, значительно ускоряются при увеличении полярности растворителя: более полярный растворитель в большей степени стабилизирует полярное переходное состояние, чем исходную систему (рис.2.3.а). Рис.2.3. Влияние полярности растворителя на скорость SN2: а - повышение полярности растворителя стабилизирует АК в большей степени, чем исходное соединение, энергия активации уменьшается, скорость реакции увеличивается, б - повышение полярности растворителя стабилизирует исходную систему в большей степени, чем АК, энергия активации увеличивается, скорость реакции уменьшается.Если в исходной системе имеется нуклеофил с полным отрицательным зарядом, то этот заряд стабилизируется в определенной степени в результате электростатического притяжения между молекулами полярного растворителя и ионом Nu . В активированном комплексе заряд распределен между атомом, образующим новую связь, и уходящей группой. Полярный растворитель будет стабилизировать и активированный комплекс и исходное состояние. Увеличение полярности растворителя несколько замедлит реакцию, так как замена менее полярного растворителя на более полярный увеличит в большей степени стабильность исходного соединения, в меньшей - активированного комплекса (рис. 2.3, б).Наиболее подходящими для синтеза соединений и изучения механизма SN2 являются апротонные биполярные растворители, т.е. растворители с высокой диэлектрической проницаемостью, но не способные к образованию водородных* связей:Апротонные растворители не могут сольватировать анионы за счет образования водородных связей с ними и химики называют их голыми. Биполярные апротонные растворители особенно необходимы для осуществления реакций SN2 в случае применения малоактивных нуклеофилов. В реакции бромэтана (SN2) с гидроксиданионом лучшим растворителем является водный раствор этанола с массовой долей 80%; добавление воды к этанолу служит для предотвращения побочной реакции отщепления бромоводорода.Уходящие группы. Хорошими уходящими группами являются те группы, которые, оторвавшись от атома углерода, образуют устойчивые анионы. Сильные основания являются обычно плохими уходящими группами, слабые основания - хорошими уходящими группами.В этом ряду сила основания увеличивается, а способность быть хорошей уходящей группой уменьшается. Наилучшими уходящими группами являются ионы - сопряженные основания* сильных кислот, так как они являются очень слабыми основаниями (отрицательный заряд распределен).*Водородная связь - связь между молекулами за счет электростатического притяжения между сильно протонированным атомом водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом другой молекулы. Для образования водородной связи необходимо, чтобы электроотрицательными атомами были F, O, N.Cтереохимия. Бимолекулярное нуклеофильное замещение протекает с полным обращением конфигурации, т.е. происходит обращение каждой реагирующей молекулы. Конфигурация исходного 2-бромоктана при атаке хирального атома углерода с тыла меняется на противоположную, молекула субстрата выворачивается. Полное обращение конфигурации хирального углерода может служить доказательством SN2-механизма.Обозначение конфигурации: Для этой цели наиболее широко используют символы R и S. Эта система обозначений предложена Р. Каном (Химическое общество, Лондон), К. Ингольдом (Университетский колледж, Лондон) и В. Прелогом (Федеральная высшая техническая школа, Цюрих).Согласно этой системе, сначала определяют старшинство, или последовательность, заместителей, т. е. четырех атомов или групп, связанных с асимметрическим атомом углерода, исходя из правила старшинства.Правило старшинства 1. Если с асимметрическим атомом углерода связаны четыре различных атома, то старшинство зависит от атомного номера, причем более старшим будет атом с большим атомным номером. Если два атома являются изотопами одного элемента, то преимущество имеет атом с большим массовым числом. Например, в хлориодметансульфо- кислоте атомы, согласно их старшинству, располагаются в следующей последовательности: I > С1 > S > Н; в -дейте-роэтилбромиде -- Вг > С > О > Н.*Всякое основание и кислота, между которыми существует соотношение называются сопряженными. Чем сильнее кислота, тем слабее сопряженное основание.Правило старшинства 2. Если относительное старшинство групп нельзя определить с помощью правила 1, то необходимо провести аналогичное сравнение для следующих атомов в группах (и так далее, если необходимо, двигаясь дальше от асимметрического атома углерода). Иначе говоря, если асимметрический атом углерода связан с одинаковыми атомами, то следует сравнить заместители, связанные с каждым из этих первых атомов. Например, рассмотрим втор-бутилхлорид, в котором с асимметрическим атомом углерода связаны два углеродных атома. В СН3-группе следующими атомами являются Н, Н и Н; в С2Н5-группе - С, Н, Н.Поскольку углерод имеет больший атомный номер, чем водород, то С2Н5 старше. Таким образом, во втор-бутилхлориде заместители, согласно своему старшинству, располагаются следующим образом: С1 >С2Н5>СН3 > Н.В З-хлор-2-метилпентане атомы С, С и Н изопропильной группы старше С, Н и Н этильной группы и полная последовательность заместителей будет следующей: С1 > изопропил > этил > Н.В 1,2-дихлор-З-метилпентане группа СН2Cl старше (С1, Н, Н) изопропильной (С, С, Н). Хлор имеет больший атомный номер, чем углерод, и то, что имеется два атома углерода и только один С1, не имеет значения. (один больший номер значит больше, чем два или три меньших.)Правило старшинства 3. Атом, связанный двойной или тройной связью, считается соответственно за два или три атома. Таким образом,Например, в глицериновом альдегиде ОН-группа является старшей; СНО (О, О, Н) старше СН2ОН (О, Н, Н). Полная последовательность заместителей будет -ОН > -СНО > -СНаОН > -Н.Фенильная группа С6Н5 рассматривается в виде одной из структур Кекуле:В 1-амино-2-метил-1-фенилпропане, например, фенильная группа (С, С, С) старше изопропильной (С, С, Н), но младше, чем N, который имеет больший атомный номер. Последовательность будет NН2 > С6Н5 > С3Н7 > Н.Обозначение конфигурации соединений с несколькими асимметрическими атомами: Существуют соединения с несколькими асимметрическими атомами Вопрос об их обозначении не представляет проблемы: обозначают конфигурацию каждого асимметрического атома углерода и, используя нумерацию, указывают, к какому атому относится каждое обозначение.Рассмотрим, например, 2,3-дихлорпентаны. Каждый асимметрический атом углерода, С-2 и С-3, рассматривается по порядку без учета существования другого центра. Согласно правилам старшинства для С-2 получают последовательность С1 > СН3СН2СНСl > СНз > Н, а для С-3 -- С1 > СН3СНС1> СН3СН2 > Н. (Почему СН3СНСl --«старше», чем СН3СН2--?)При рассмотрении модели определенного стереоизомера сначала концентрируют внимание на С-2 (игнорируя С-3), а затем на С-3 (игнорируя С-2). Стереоизомер I обозначают как (2S, 3S)-2,3-дихлорпентан, а другие изомеры -- как (2R, ЗR), (2S, ЗR) и (2R, 3S).Рассмотрим таким же образом 2,3-дихлорбутан. В этом случае два асимметрических aтома углерода эквивалентны, и нет необходимости их нумеровать.Например, в случае СНСlВгI с асимметрическим атомом углерода связаны четыре различных атома, и старшинство их зависит только от атомного номера, причем, чем больше атомный номер, тем старше заместитель. Таким образом, в порядке уменьшения их старшинства атомы располагаются в следующем порядке: I > Вг > С1 > Н.Затем молекулу располагают, так, чтобы младшая группа была направлена от наблюдателя, и рассматривают расположение оставшихся групп. Если старшинство этих групп уменьшается по часовой стрелке, то конфигурацию обозначают символом R (от латинского rectus -- правый); если же старшинство этих групп уменьшается против часовой стрелки, то конфигурацию обозначают символом S (от латинского sinister -- левый).Таким образом, конфигурации I и II выглядят следующим образом:и обозначаются соответственно символами R и S.Полное название оптически активного соединения отражает и конфигурацию и направление вращения, как, например, (S)-(+)-втор-бутилхлорид. Рацемическую модификацию можно обозначить символом R,S, например (R,S)-втор-бутилхлорид. Конечно, нельзя путать направление оптического вращения соединения (такого же физического свойства реального вещества, как температура кипения или плавления) с направлением нашего взгляда, когда мы мысленно располагаем молекулу каким-то определенным условным образом. Пока для определенного соединения экспериментально не установлена связь между конфигурацией и знаком вращения, нельзя сказать, знак (+) или (-) соответствует (R)- или (S)-конфигурации. Сила нуклеофила. Нуклеофил - частица, имеющая пару электронов, которую она может отдать атому углерода, несущему целый или частичный положительный заряд. Чем сильнее атом удерживает пару электронов, тем меньше его способность выступать в качестве нуклеофила. Активность аниона выше, чем активность нейтральной молекулы. Нуклеофильный реагент, предоставляющий пару электронов электронодефицитному атому углерода, способен подавать эту пару атому водорода и отщеплять его, превращаясь в кислоту, т.е. каждый нуклеофильный реагент является основанием. Нуклеофильная реакционная способность и основность изменяются параллельно у реагентов, в которых пара электронов находится на одном и том же атоме или неподеленная пара электронов находится у атомов элементов, принадлежащих одному периоду. Реакционная способность нуклеофилов с атомами, находящимися в одной группе, зависит от положения элемента в этой группе: чем больше электроотрицательность атакующего атома, тем более реакционноспособен нуклеофил. В протонных растворителях нуклеофильность аниона тем выше, чем больше размер иона. Такой порядок изменения нуклеофильности в протонном растворителе объясняется тем, что анионы разного размера в протонном растворителе в различной степени сольватированы за счет образования водородных связей: анион малого размера с концентрированным зарядом сольватируется сильнее и стабилизирован в большей степени, чем анион большего размера, в котором отрицательный заряд распределен в большей степени. Сила нуклеофила играет важную роль: например, неопентилбромид реагирует с этилат-ионом по SN2-механизму, а с этиловым спиртом - по SN1 -механизму. Сильный нуклеофил (сильное основание), этилат-ион, выталкивает ион галогена из молекулы, тогда как слабый нуклеофил, этиловый спирт, ждет, пока ион галогена отойдет. Реакционная способность. При рассмотрении реакционной способности галогеналканов в реакциях нуклеофильного замещения следует изучать влияние двух факторов: пространственного (стерического) и электронного. В случае бимолекулярного нуклеофильного замещения наиболее важную роль играет стерический фактор. По мере увеличения числа и объема заместителей у атома углерода - реакционного центра возможность достижения активированного комплекса уменьшается. Это могут быть как алифатические, так и ароматические заместители или те и другие. В SN2-реакциях реакционная способность уменьшается в ряду: СН3-Х > RСН2-Х > R1R2СН-Х > R1R2R3С-Х 2.1.2. Мономолекулярное нуклеофильное замещениеТретичные алкилгалогениды реагируют по механизму SN1 (мономолекулярное нуклеофильное замещение).Cтадии процесса. Реакция протекает в две стадии. Первая стадия - гетеролитический разрыв связи углерод-галоген - медленная.Вторая стадия - образовавшийся карбокатион практически мгновенно взаимодействует с нуклеофилом - молекулой воды.В отличие от механизма SN2 разрыв связи С-Х и образование новой связи С-Nu протекает не одновременно, а последовательно.Энергетическая диаграмма реакции изображает изменение потенциальной энергии в ходе двух стадийного мономолекулярного замещения. Рис.2.4. График изменения потенциальной энергии в ходе мономолекулярного нуклеофильного замещения. SN1-двухстадийный последовательный процесс.Скорость реакции. В медленной стадии, определяющей скорость реакции, принимает участие только одна молекула, поэтому механизм называют мономолекулярным замещением. Скорость реакции зависит от концентрации галогеналкана и определяется по формуле V = K[R-Hal].Концентрация нуклеофильного реагента. Низкая концентрация нуклеофила способствует SN1-реакции.Перегруппировка. В медленной стадии реакции образуется карбокатион - частица, способная к перегруппировке. Галогеналканы могут реагировать по механизму SN1 через стадию перегруппировки первоначально образующегося карбокатиона: если в результате 1,2-сдвига отрицательно заряженной частицы образуется более устойчивый карбокатион, то происходит перегруппировка.Перегруппировка считается признаком SN1-механизма.Растворитель. Переходное состояние SN1-реакции более полярно, чем исходное состояние. Увеличение полярности растворителя способствует большей сольватации переходного состояния по сравнению с сольватацией исходного соединения. Это приводит к росту скорости реакции. При проведении SN1-реакции используют протонные растворители с высокой диэлектрической проницаемостью, способные образовывать водородные связи.Рис.2.5. Влияние полярности растворителя на скорость реакции мономолекулярного нуклеофильного замещенияВ растворителе, имеющем высокую диэлектрическую проницаемость, легче протекает ионизация галогеналкана, но, в отличие от апротонных растворителей, в протонном сольватируется не только карбокатион, но и ион галогена, образуя с ним водородные связи. Сольватация сопровождается выделением значительного количества энергии, которая может быть затрачена на ионизацию новых исходных молекул, что приводит к ускорению реакции.Сольватация нуклеофила не влияет на скорость реакции, так как даже стабилизированный сольватацией нуклеофил быстро реагирует с карбокатионом.Стереохимия. В карбокатионе, образующемся в медленной стадии, связи sp2 -гибридизованного атома углерода расположены в одной плоскости. Если SN1-замещение протекает у хирального атома углерода, то образующийся плоский карбокатион становится ахиральным.Последующая атака нуклеофильного реагента происходит с одинаковой вероятностью и с той и с другой стороны плоского карбокатиона. Следовательно, половина образующихся молекул будет иметь ту же конфигурацию, что и исходное соединение, а половина - будет его зеркальным изображением, т.е. образуется эквимолекулярная смесь энантиомеров - рацемат. Такая реакция приводит к оптически неактивному продукту. В том случае, если уходящий галогенид-ион не успевает отойти от реакционного центра, он затрудняет атаку нуклеофила со своей стороны. Это приводит к образованию большего количества изомера с конфигурацией, противоположной конфигурации исходного соединения. Тогда имеет место частичная рацемизация.Реакционная способность. Главным фактором, определяющим реакционную способность в SN1-реакции, является электронный фактор - устойчивость образующегося в медленной стадии реакции карбокатиона. Чем устойчивее карбокатион, тем легче он образуется, тем быстрее протекает замещение.2.1.3. Сравнение реакций SN 1 и SN 2Каждый из этих механизмов в чистом виде встречается очень редко. Реакционная способность в SN2-реакции уменьшается при переходе от СН3-Х к первичным RCH2-X, для вторичных - она гораздо меньше и появляется значительный вклад SN1-реакций. При переходе от вторичных к третичным галогеналканам реакционная способность в SN1-реакции резко возрастает.Изменяя условия протекания реакций, можно направить процесс преимущественно по тому или иному механизму.Таблица 2.2Влияние условий реакции на относительное значение двух механизмов|
Механизм | Растворитель | Сила нуклеофила | Концентрация нуклеофила | | SN1 | Протонный | Более слабый | Меньшая | | SN2 | Апротонный | Более сильный | Бoльшая | | |
2.2. Реакции отщепления (элиминирование)В ходе реакции элиминирования от молекулы галогеналкана отщепляются два фрагмента: ион галогена (уходящая группа) от С и протон - от соседнего атома углерода С. Такой тип реакций называется -элиминированием.2.2.1. Бимолекулярное отщепление Е2Реакция отщепления галогеноводорода от первичных галогеналканов протекает по бимолекулярному механизму Е2.Механизм Е2. Основание НО- атакует водород (рис.2.6.а) при С, подает ему пару электронов и начинает образовывать с ним связь, связь С-Н ослабевает, пара электронов, связывавшая углерод и водород, освобождается и атакует атом галогена с тыла., одновременно растягивается связь С -Br (процесс согласованный). Возникает активированный комплекс: атомы углерода С и С переходят из sp3-гибридного состояния в состояние, близкое к sp2-состоянию, освобождающаяся пара электронов затрачивается на образование -связи (рис.2.6.б) . Затем связи углерод- водород и углерод-галоген разрываются, атомы углерода переходят в sp2-состояние, образуется -связь (рис.2.6.в).Рис.2.6. Механизм реакции бимолекулярного элиминирования; а - антикомпланарное расположение связей С--Br и С--H, б - переходное состояние, в - конечные продукты.Энергетическая диаграмма реакции изображена на следующем графике:Рис.2.7. График изменения потенциальной энергии в ходе Е2.Связи, разрывающиеся в активированном комплексе, должны быть в транс-положении друг к другу. Такая геометрия позволяет электронной паре, освобождающейся при связывании протона с основанием, атаковать с тыла атом углерода С и вытеснять галоген. Копланарность двух связей субстрата: С -Br и С -Н, которые разрываются в активированном комплексе, обеспечивает максимальное перекрывание р-орбиталей, то есть способствует процессу образования -связи. Такая комбинация условий называется стереоэлектронным требованием. Ниже эта реакция изображена в проекциях Ньюмена. Реакция, в результате которой из данного стереоизомерного соединения получается в качестве продукта только один стереоизомер, называется стереоспецифической реакцией.Cкорость реакции зависит от концентрации галогеналкана и основания и определяется по формуле V= KR-Br O-.Направление элиминирования - правило Зайцева: основным продуктом реакции отщепления от галогеналканов с двумя не эквивалентными С является наиболее устойчивый (наиболее алкилированный) алкен. Основным продуктом реакции элиминирования 2-хлорбутана является транс-2-бутен (соотношение цис- и транс-изомеров 1:6). Активированный комплекс, возникающий при образовании транс-изомера, менее пространственно затруднен и более устойчив, и, следовательно, скорее образуется, чем активированный комплекс, ведущий к цис-изомеру. Реакционная способность галогеналканов в реакциях Е2 изменяется в ряду:Такое увеличение реакционной способности галогеналканов при переходе от первичных к третичным обусловлено увеличением устойчивости образующихся алкенов.2.2.2. Мономолекулярное отщепление Е1Третичные галогеналканы реагируют по мономолекулярному механизму. Механизм. Реакция протекает в две последовательные стадии. Первая стадия аналогична первой стадии мономолекулярного нуклеофильного замещения:Во второй стадии основание атакует водород при С - атоме.Реакционная способность галогеналканов увеличивается при переходе от первичных к третичным. Это обусловлено увеличением устойчивости карбокатионов, образующихся в медленной стадии.2.2.3. Сравнение реакций нуклеофильного замещения и элиминированияВ реакциях замещения донор электронной пары отдает свою пару электронов атому углерода С, связанному с галогеном - в этом случае он является нуклеофилом. Тот же донор электронов может отдавать свою электронную пару атому водорода, связанному с С - в этом случае он является основанием в реакциях элиминирования.Реакции элиминирования и нуклеофильного замещения в этом случае являются конкурирующими. При переходе от первичных ко вторичным и далее третичным галогеналканам элиминирование происходит все в большей степени.Cильные основания в большей степени способствуют элиминированию. Выход продуктов элиминирования увеличивается за счет продуктов замещения также с повышением температуры.2.3. Методы синтеза галогеналканов2.3.1. Галогенирование алканов2.3.2. Присоединение галогенводородов к олефинам2.3.3. Замещение гидроксильной группы спиртов на галоген· действием галогенводородов:или· галогенидов фосфора:· или хлористым тионилом: Список литературы1. Агрономов А.Е., Шабаров Ю.С. Лабораторные работы в органическом практикуме. Изд. 2-е, М., Химия, 1974, с. 832. Губен И. Методы органической химии. Том III, выпуск 3, М., ОНТИ, 1935,4373. Кацнельсон М. М. Приготовление синтетических химико-фармацевти-ческих препаратов. Л., Госхимиздат, 1933,132.4. Препаративная органическая химия. Изд. 2-е, М., Гохимиздат, 1964,188.5. Швицер Ю. Производство химико-фармацевтических и технохимичес-ких препаратов. М.-Л., ОНТИ, 1934, 106.6. Шабаров Ю.С. Органическая химия: В 2-х кн. - М.: Химия, 1994.- 848 с.7. ПетровА.А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. - М.: Высш. шк., 1973. - 623 с.8. Моррисон Р., Бойд. Органическая химия. - М.: Мир, 1974. - 1132 с.9. Терней А. Современная органическая химия: В 2 т. - М.: Мир, 1981. - Т.1 - 670 с; Т.2 - 615 с.10. Робертс Дж., Кассерио М. Основы органической химии: В 2 т. - 2-е изд. -М.: Мир, 1978. - Т.1 - 842 с; Т.2 - 888 с.11. Веселовская Т.К., Мачинская И.В., Пржиялговская Н.М. Вопросы и задачи по органической химии. - М.: Высш. шк., 1977. - 230 с.12. В. Ф. Травень. Органическая химия. Том 1. - М.: Академкнига, 2004, - 708 с.
Страницы: 1, 2
|
