Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Реферат

ГАЛОГЕНОАРЕНЫ

Содержание

• 1. Номенклатура, гомология 3
• 2. Способы получения галогенопроизводных 4
• 3. Строение галогенопроизводных 6
• 4. Нуклеофильное замещение галогена в ароматическом кольце 7
• Литература 16

1. Номенклатура, гомология

Галогенопроизводные бензола и других ароматических соединений называют по аналогии с галогеналканами, прибавляя название соответствующего галогена к названию ароматического соединения, галогенаренами. По официальной номенклатуре галоген старше алифатического заместителя и большинства других функциональных групп, поэтому название строится таким образом, чтобы он получил наименьший номер. Фенол и бензойная кислота утверждены IUPAC как официальные названия, поэтому их используют как основу для названия гидрокси- и карбоксигалогенбензолов.

По тривиальной номенклатуре для названия полизамещенных галогенбензолов за основу берут соответствующий арен, не содержащий галогена.

2. Способы получения галогенопроизводных

Для получения галогенаренов используют два подхода, основанных на реакциях замещения. Это - либо реакции замещения на галоген атома водорода, либо замещение других функциональных групп. Галогенирование неактивированных ароматических соединений осуществляют действием молекулярных галогенов в присутствии кислот Льюиса, роль которых заключается в поляризации молекулы галогена. В реакции галогенирования кислоту Льюиса можно генерировать in situ, прибавив железо в реакционную смесь: при этом образуется трибромид или трихлорид железа. Скорость этой реакции зависит от электроотрицательности галогена и p-избыточности арена. Так, лишь для немногих субстратов удается провести электрофильное иодирование, тогда как фторирование зачастую сопровождается разрывом связей С-С. По этой причине путь электрофильного замещения водорода применяется, в основном, для синтеза бром- и хлораренов. Хлор активнее брома, поэтому с электроноизбыточными ароматическими соединениями реагирует без катализатора. Для бромирования алкилбензолов и собственно бензола катализ необходим, тогда как ариламины и эфиры фенолов бромируются в мягких условиях. Во всех этих реакциях электрофильного замещения галоген вступает в положение с наибольшей электронной плотностью, соответственно правилам ориентации.

Некоторые ароматические субстраты галогенируют в условиях свободно-радикальной реакции. Для этого используются такие реагенты, как N-бромсукцинимид (NBS) и N-хлорсукцинимид (N_галогенированные имиды янтарной кислоты) в присутствии перкисных соединений, например, перекиси бензоила или активатора типа AIBN (2,2'-азодиизобутиронитрил). Свободно-радикальные реакции не отличаются высокой избирательностью и ориентация радикального галогенирования зачастую сильно отличается от ориентации реакций электрофильного замещения. Так, действие NBS на 1,8-бис-диметиламинонафталин (протонная губка) приводит к образованию целого спектра продуктов моно- и полибромирования. На схеме приведен лишь доминирующий продукт - 2,7-дибромпроизводное протонной губки.

Для получения тех галогенаренов, которые недоступны вышеприведенными методами, используют реакции замещения диазониевой группы. Замещение группы N2+ на хлор и бром проводят в условиях реакции Зандмейера, в присутствии одноэлектронного восстановителя, соли Cu(I). Получение иодаренов аналогичным образом идет без катализатора, т.к. иодид-ион сам является восстановителем. Образование фтораренов наблюдается при термическом разложении тетрафторборатов диазония - реакция Шимана (см. гл. Диазосоединения). Эти методы имеют общее значение, т.к. позволяют синтезировать самые разнообразные галогенпроизводные; необходимые соли диазония получают из соответствующих ариламинов.

3. Строение галогенопроизводных

Главными факторами, влияющими на реакционную способность арилгалогенидов, являются порядок и полярность связи углерод-галоген. Как известно, количественно полярность связи может быть охарактеризована величиной дипольного момента, наличие которого обусловлено разницей электроотрицательностей углерода и галогена. Электронная плотность s-связи смещена к галогену (-I-эффект), причем этот эффект выражен тем ярче, чем больше электроотрицательность галогена, т.е. полярность возрастает в ряду I ® Br ® Cl ® F. Выше мы говорили, что дипольные моменты молекул галогеналканов колеблются в пределах 1,8-2,0 D. В молекулах ароматических галогенидов, равно как и других соединений, имеющих галоген при sp²-гибридном углероде величина дипольного момента ощутимо меньше и составляет 1.5-1.8 D. Это связано с тем, что атом галогена, наряду с -I-эффектом, проявляет еще и +М-эффект вследствие сопряжения одной из его неподеленных электронных пар с p-электронной системой.

Интересно, что +M-эффект атомов галогенов нарастает в том же ряду, что и их - I-эффект, т.к. сопряжение тем эффективнее, чем ближе по энергии лежат орбитали углерода и гетероатома. Таким образом, фтор является одновременно самым сильным s-акцептором и самым сильным p_донором среди галогенов.

Вышеуказанные электронные эффекты определяют основные химические свойства арилгалогенидов.

4. Нуклеофильное замещение галогена в ароматическом кольце

Механизм отщепления-присоединения (Е-А)

Нуклеофильное замещение галогена при sp²-гибридном атоме углерода протекает несравненно труднее, чем при sp³-гибридном. Так, галогенбензолы, в отличие от галогеналканов, гидролизуются под действием щелочей лишь при температуре выше 300^оС. Реакция, тем не менее имеет большое практическое значение, т.к. является одним и промышленных способов получения фенола.

Необходимость проведения реакции в столь жестких условиях связана с тем, что положительный мезомерный эффект галогена обусловливает значительное упрочнение его связи с углеродным атомом ароматического кольца. Кроме того, на атоме углерода низок дефицит электронной плотности, который является обязательным условием для атаки нуклеофила, поэтому реакции типа S_N2 и S_N1 оказываются невозможными. Ароматическое нуклеофильное замещение протекает по принципиально другим механизмам.

В этой главе будут рассмотрены механизмы ароматического бимолекулярного нуклеофильного замещения, включая радикальное нуклеофильное замещение и каталитическое. Механизм мономолекулярного нуклеофильного замещения на примере превращения солей арилдиазония в фенолы.

Было обнаружено, что неактивированные электроноакцепторными заместителями галогенароматические соединения дают при действии сильных нуклеофилов и в жестких условиях смесь двух изомерных продуктов замещения галогена. Например, так протекает гидролиз хлортолуолов.

Аналогичная картина наблюдается при аминодегалогенировании о-хлортолуола действием амида калия - сильнейшего нуклеофила и основания одновременно.

Интересно, что реакция возможна лишь в тех случаях, когда хотя бы одно орто_положение относительно атома галогена не занято.

Объяснить все эти факты можно только тем, что на первой стадии превращения сильный нуклеофил выступает в качестве основания и отрывает протон от субстрата. Наиболее легко протон отщепляется от орто-С-атома, который является наиболее "кислым" благодаря s_акцепторным свойствам галогена (-I-эффект). Образовавшийся нестабильный s_анион легко теряет галогенид-ион и превращается в циклогексадиенин - дегидробензол или бензин. Последний в результате присоединения нуклеофила и последующего протонирования дает продукт замещения. Этот путь реакции называется ариновым механизмом нуклеофильного замещения, или реакцией ароматического отщепления-присоединения (E-A).

Ввиду того, что свойства атомов, связанных тройной связью, очень близки даже при наличии заместителей в других положениях ядра, региоселективность присоединения нуклеофила к арину отсутствует. Если атомы углерода эквивалентны, т.е. в незамещенном бензине, полученном из собственно хлорбензола, образуется один продукт, в противном случае - смесь изомеров. Так, меченый атомом ¹³С хлорбензол (химические свойства изотопов отличаются слабо) дает смесь состава 50:50.

Кроме амид- и гидроксид-ионов, дегидробензол присоединяет любые другие нуклеофилы. Так, относительные скорости присоединения галогенид-ионов соответствуют их нуклеофильности: I^- (60) > Br^- (10) > Cl^- (1).

Электронное строение аринов представляется следующим образом. Одна p-связь между sp-гибридными атомами участвует в ароматическом сопряжении, тогда как другая лежит вне кольца и изолирована от ароматического секстета. Дегидробензол можно представить и в виде резонансной структуры с кумулированными двойными связями.

Современные исследования показывают, что кумуленовая граничная форма имеет больший вклад, чем ацетиленовая. Геометрические параметры дегидробензола приведены на рисунке.

Дегидробензол является крайне нестабильным соединением, поэтому в течение длительного времени его не могли выделить. В самом деле, в правильном шестиугольнике трудно представить себе одну из связей тройной, т.к. известно, что sp-гибридный атом подразумевает линейную геометрию, стремится иметь валентный угол, равный 180°. Поэтому дегидробензол - частица с сильно напряженными валентными углами, не участвующая в сопряжении p_связь расположена вне ароматического кольца и легко доступна атаке нуклеофилов. Она активно присоединяет реагенты еще и потому, что оси орбиталей не параллельны, они удалены друг от друга и их перекрывание ослаблено.

Возникновение арина в качестве интермедиата нуклеофильного замещения было доказано выделением его производных, когда в реакционную смесь добавляли соединения_"ловушки". Пространственно напряженная тройная связь является сильнейшим диенофилом, поэтому арины легко вступает в реакцию Дильса-Альдера, например, с антраценом.

Дегидробензол образуется не только при действии оснований на галогенбензолы, но также может быть получен из других источников. Так, термическое разложение диазотированной антраниловой кислоты и окисление N-аминобензотриазола приводят к дегидробензолу, что позволило зафиксировать его в аргоновой матрице.

Механизм присоединения-отщепления (А-Е)

Реакции нуклеофильного замещения в галогенбензолах значительно облегчаются при наличии в орто- и пара-положениях по отношению к галогену сильных акцепторов электронов. Сюда относятся нитро-, сульфо-, цианогруппа и др. При этом дегидробензол не образуется и в подавляющем большинстве случаев выделяется один продукт замещения. Первой стадией этого превращения является атака нуклеофила на p_дефицитный атом углерода, сопряженный с группой-акцептором, причем это - чаще всего лимитирующая стадия реакции. В результате возникает промежуточный анионный s-комплекс, отрицательный заряд в котором делокализован с участием орто-, пара-заместителя, что тоже можно принимать как причину облегчения реакции замещения. s_Комплекс реакции AE_Ar нельзя рассматривать как аналогию переходного состояния механизма S_N2, т.к. он построен посредством s-связей и является реально существующим интермедиатом. Далее происходит элиминирование галогенид-иона, т.е. уходящей группы. Этот механизм называют также бимолекулярным ароматическим нуклеофильным замещением (S_N2-Ar), т.к. скорость реакции в большинстве случаев зависит от концентрации обоих реагентов.

Таким образом, влияние мезомерных акцепторных заместителей на нуклеофильное замещение аналогично влиянию донорных на электрофильное. Оно складывается из активации сопряженного положения в ядре и стабилизации промежуточной частицы анионного s-комплекса.

Доказательством промежуточного образования анионных s_комплексов при замещении служат относительно стабильные, глубоко окрашенные, аддукты тринитроанизола с сильными нуклеофилами, например, этилат-ионом (соли Мейзенгеймера), которые могут быть выделены.

Лимитирующей стадией реакции является присоединение нуклеофила и поэтому решающее значение имеет величина положительного заряда на атакуемом атоме углерода, что напрямую зависит от типа галогена. Замещаются легче те галогены, которые обладают большим - I-эффектом и меньшим +М-эффектом. Поэтому в такой реакции активность галогенов снижается в ряду F ® Cl ® Br ® I, т.е. обратна относительной активности алкилгалогенидов.

Вообще, активность фтораренов в реакции S_NAr весьма высока. Так, при наличии большого количества атомов фтора замещение идет даже в отсутствие мезомерного акцептора.

Однако в том случае, когда степень активации ядра очень высока, как, например, в 2,4-динитро- и, особенно, в 2,4,6-тринитрогалогенбензолах, ситуация изменяется. Первая стадия реакции протекает быстрее, чем элиминирование уходящей группы, поэтому скорость реакции определяется тем, насколько хорошей уходящей группой является галогенид-ион. Поэтому здесь лучше реагируют иодиды и бромиды, т.к. уходящий анион стабильнее, соответствует более сильной кислоте, связь C-Hal легче поляризуется и легче разрывается.

Каталитическое нуклеофильное замещение

Нуклеофильное замещение облегчается в присутствии одноэлектронных восстановителей, например, металлов в нулевой или низшей степени окисления. Так, аминодегалогенирование облегчается в присутствии порошкообразной меди. Дж. Беннет (1970) предложил, что механизм этого превращения включает стадию образования свободного арильного радикала.

В присутствии растворенного в аммиаке калия на аминогруппу заменяется даже не активированный атом галогена, причем ариновый интермедиат не образуется. галоген бензол галогенопроизводный замещение

Реакцию можно проводить при облучении, при этом функцию восстановителя выполняет сам нуклеофил.

Приведенные выше превращения называют реакциями радикального нуклеофильного замещения и обозначают (S_RN1).

Еще более эффективным катализатором замещения галогена являются растворимые в органических жидкостях комплексные соединения тяжелых металлов в нулевой степени окисления с органическими лигандами. Так, относительно стабильный тетракис-(трифенилфосфин)палладий катализирует замещение брома или иода на самые разнообразные группы, причем реагент не обязательно должен быть сильным нуклеофилом как таковым (реакция кросс-сочетания Соногашира или Фудживары-Хека).

Превращение протекает в мягких условиях, и избирательно, даже при наличии в молекуле субстрата таких электроноакцепторных групп, как сложноэфирная и даже альдегидная. Это связано с тем, что образование связи С-С и разрыв связи C-Hal происходят в координационной сфере смешанного комплексного соединения, образованного атомом металла, арилгалогенида и реагента.

Нужно отметить, что в каталитических реакциях замещения сравнительная активность галогенов имеет обратный порядок: наибольшую реакционную способность проявляют арилиодиды, наименьшую - фториды. Это связано с тем, что вступление арилгалогенида в координационную сферу металла требует поляризации связи C-Hal, которая облегчается при увеличении количества электронных оболочек.

Реакция ароматического нуклеофильного замещения галогена имеет важное значение в органическом синтезе, т.к. позволяет получать ценные соединения - амины, фенолы и их эфиры, тиофенолы и многие другие - полупродукты для производства полимеров, красителей и лекарственных препаратов.

Литература

1. Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И. Биоорганическая химия. Учебник для студентов медицинских вузов. - 7 изд. - М.: Дрофа, 2008. - 542 с.

2. Руководство к лабораторным занятиям по биоорганической химии. - 4 изд. / Под ред. Н.А. Тюкавкиной. - М.: Дрофа, 2008. - 318 с.

3. Органическая химия. Основной курс (книга 1), 4 изд. / Под ред. Н.А. Тюкавкиной. - М.: Дрофа, 2008. - 640 с.

4. Органическая химия. Специальный курс (книга 2) / Под ред. Н.А. Тюкавкиной. - М.: Дрофа, 2008. - 592 с.

5. Руководство к лабораторным занятиям по органической химии / Под ред. Н.А. Тюкавкиной. -4 изд. - М.: Дрофа, 2008. - 384 с.

6. Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. - М.: Просвещение,

1987. - 815 с.

7. Хлебников А.Ф., Новиков М.С. Современная номенклатура органических соединений. - СПб: НПО "Профессионал", 2004. - 432 с.

8. Зурабян С. Э. Номенклатура природных соединений. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. - 204 с.

Размещено на Allbest.ru