Органическая химия

Отщепление происходит по у- связям, в результате б. Я -отщепления образуются р - связи, б,г или б,д- новые ковалентные у - связи циклических соединений.

· перегруппировки, например:

Гетеролитические реакции - реакции, в которых разрыв связи происходит несимметрично, так что пара электронов связи остается у одного из образующихся фрагментов.

A : B > A: + B

В ходе таких реакций часто образуются ионные интермедиаты (промежуточные частицы) - карбокатионы и карбоанионы, например:

Карбкатионы представляют собой положительно заряженные частицы с тремя заместителями при центральном атоме углерода, имеющем одну вакантную несвязывающую орбиталь. Карбанионы - отрицательно заряженные частицы с тремя заместителями при центральном атоме углерода, имеющем несвязывающую орбиталь с парой электронов.

Гомолитические реакции - реакции, в которых разрыв связи происходит симметрично, так что каждому из образующихся фрагментов отходит по одному электрону.

A : B > A^.+ B^.

В ходе гомолитических реакций в качестве интермедиатов образуются свободные радикалы - частицы, содержащие неспаренный электрон, например:

Синхронные реакции - это особый тип реакций, в которых разрыв старых и образование новых связей происходят одновременно за счет согласованного перемещения электронов в циклическом комплексе. Примером таких реакций может служить реакция Дильса-Альдера:

Взаимодействующие в органической реакции вещества подразделяют на реагент и субстрат. При этом считается, что реагент атакует субстрат. Субстратом, как правило, считают молекулу, которая предоставляет атом углерода для новой связи. Например, в реакции (1) алкен является субстратом, а молекула брома реагентом. По типу реагента реакции делятся на электрофильные (Е), нуклеофильные (N) и радикальные (R).

В нуклеофильных реакциях реагент (нуклеофил) имеет на одном из атомов свободную пару электронов и является нейтральной молекулой или анионом (Hal^-, OH^-, RO^-, RS^-, RCOO^-, R^-, CN^-, H₂O, ROH, NH₃, RNH₂ и др.). Все нуклеофилы - основания Льюиса. Нуклеофил атакует в субстрате атом с наименьшей электронной плотностью (т.е. с частичным или полным положительным зарядом). При этом новая связь образуется за счет электронной пары нуклеофила, а старая претерпевает гетеролитический разрыв. Примером нуклеофильной реакции может служить нуклеофильное замещение (символ S_N) у насыщенного атома углерода:

В электрофильных реакциях атакующий реагент (электрофил) имеет вакантную орбиталь и является нейтральной молекулой или катионом (Cl₂, SO₃, BF₃, H⁺, Br⁺, R⁺, NO₂⁺, и др.). Все электрофилы - кислоты Льюиса. Электрофил атакует в субстрате атом с наибольшей электронной плотностью, причем старая связь претерпевает гетеролитический распад, а образование новой связи происходит за счет пары электронов субстрата. Пример электрофильной реакции - электрофильное присоединение (символ A_E) к С=С связи:

В радикальных реакциях реагент имеет неспаренный электрон и является свободным радикалом (CI^. , R^, и др.). В ходе радикальных реакций связь в субстрате разрывается гомолитически, а новая связь образуется за счет неспаренного электрона свободного радикала и одного из электронов старой связи. Примером радикальных реакций может служить радикальное замещение (символ S_R) в алканах:

R-H + CI^, >>>> R^, + HCI

R^, + CI-CI > R-CI + CI^,

В зависимости от числа частиц, участвующих в элементарных реакциях, различают мономолекулярные и бимолекулярные реакции. Часто разные способы классификации используют в сочетании друг с другом. Например, далее будут рассмотрены реакции мономолекулярного и бимолекулярного нуклеофильного замещения (символы S_N1 и S_N2), мономолекулярного и бимолекулярного элиминирования (символы Е1 и Е2) и др.

Лишь незначительное число органических реакций являются элементарными. Большинство из них являются сложными и состоят из нескольких последовательных или параллельных элементарных стадий.

В последовательных реакциях продукт одной элементарной реакции является исходным веществом для другой, например:

В ходе таких реакций образуются промежуточные соединения (интермедиаты), которые не входят в суммарное уравнение. В приведенной реакции таким интермедиатом является В. Интермедиаты в органических реакциях - это, как правило, высокореакционноспособные частицы - карбокатионы, карбоанионы, свободные радикалы. Энергетическая диаграмма реакции, протекающей через образование интермедиата представлена на рисунке.

Энергетическая диаграмма содержит два максимума, которые соответствуют переходным состояниям Х₁ и Х₂. Образование интермедиата В протекает через переходное состояние Х₁, которому соответствует достаточно высокая энергия активации Е_а1. Благодаря высокой реакционной способности интермедиат В с небольшой энергией активации Е_а2 (переходное состояние Х₂) превращается в стабильный конечный продукт D. Таким образом, стадия образования интермедиата является медленной (лимитирующей) и определяет скорость процесса в целом.

Выделение в механизме реакций скорость-определяющей стадии имеет принципиальное значение, поскольку все факторы, влияющие на эту стадию, аналогичным образом влияют на скорость реакции в целом. При оценке влияния различных факторов на скорость реакции оценивают их влияние на энергии исходного и переходного состояний скорость-определяющей стадии. Факторы, стабилизирующие переходное состояние в большей степени, чем исходное, уменьшают энергию активации и увеличивают скорость реакции, и наоборот. Переходные состояния имеют практически нулевое время жизни, поэтому их структуру нельзя определить экспериментально. Она может быть оценена теоретически, путем сравнения их с реальными частицами, близкими к ним по энергии. Такими частицами могут быть интермедиаты, которые можно рассматривать как модели переходных состояний.

В параллельных (конкурирующих) реакциях из одних и тех же реагентов образуются разные продукты.

Энергетическая диаграмма такого процесса приведена на рисунке.

Состав продуктов конкурирующих реакций может зависеть от относительных скоростей их образования (кинетический контроль) или от их относительной термодинамической стабильности (термодинамический контроль).

Если обе конкурирующие реакции необратимы, то состав продуктов определяется относительной скоростью их образования (кинетический контроль). Тогда в рассмотренной выше реакции будет преобладать продукт С, так как его образованию предшествует переходное состояние с меньшей энергией.

Если хотя бы одна из конкурирующих реакций обратима, то соотношение продуктов может быть иным. Если остановить реакцию задолго до достижения равновесия, то реакция будет подчиняться кинетическому контролю и основным ее продуктом будет вещество С. Если же довести процесс до состояния равновесия, то в реакционной смеси будет преобладать термодинамически более устойчивый продукт В. В этом случае реакция подчиняется термодинамическому контролю. На рисунке приведен случай несовпадения кинетического и термодинамического контроля продуктов реакции. Возможен случай, когда термодинамически устойчивый продукт образуется с большей скоростью, т. е. является и кинетически, и термодинамически контролируемым.

Лекция 6

УГЛЕВОДОРОДЫ

АЛКАНЫ

Алканы - это ациклические углеводороды, содержащие только простые связи С-С. Общая формула - С_nH_2n+2.

1. Методы получения

1. Переработка нефти и газа.

2. Гидрирование ненасыщенных углеводородов:

cat: Ni, Pt, Pd

3. Синтез Вюрца:

2RHal + 2Na >R-R + 2NaHal

4. Декарбоксилирование солей карбоновых кислот:

5. Электролиз солей карбоновых кислот(синтез Кольбе):

2RCOONa + 2H₂O >R-R + 2CO₂ + 2NaOH + H₂

2. Химические свойства

Алканы содержат у -связи С-Н и С-С, для которых характерны высокая прочность (Е_С-С=347 кДж/моль; Е_С-Н=415 кДж/моль), малая полярность (µ_С-С = 0D; µ_С-Н = 0,4D), низкая поляризуемость. Алканы обладают низкой реакционной способностью. Их превращения осуществляются в жестких условиях. При этом почти всегда происходит гомолитический разрыв связей, который требует существенно меньших затрат энергии. Основной тип реакций алканов - реакции радикального замещения:

1. Галогенирование

Галогенирования алканов протекает при УФ-облучении или высокой температуре по схеме:

RH + Hal₂ >RHal + HHal

Hal=Cl, Br.

Реакционная способность галогенов по отношению к алканам уменьшается в ряду:

F₂ >Cl₂ >Br₂ >I₂

Фторирование в обычных условиях приводит к полному разрушению органической молекулы. Иод с алканами не взаимодействует.

Реакции галогенирования протекают по цепному радикальному механизму, который включает следующие стадии: инициирование цепи , рост цепи ,обрыв цепи.

Стадией, определяющей скорость реакции, является стадия отщепления водорода атомом галогена.

При хлорировании углеводородов, как правило, образуется смесь монохлорпроизводных, т.е. реакции протекают неселективно.

Зная относительную реакционную способность С-Н связей (перв-С-Н < втор-C-Н < трет- С-Н) и количество С-Н связей определенного сорта, можно рассчитать состав смеси.

Указанный ряд соответствует ряду относительной стабильности алкильных радикалов:

Бромирование алканов, в отличие от хлорирования, протекают региоселективно, в первую очередь образуются третичные бромпроизводные.

2. Сульфохлорирование

Под действием смеси оксида серы (IV) и хлора при УФ-облучении из алканов образуются алкилсульфохлориды:

RH + SO₂ + Cl₂ > RSO₂Cl + HCl

Реакция протекает по свободнорадикальному механизму.

При обработке алкилсульфохлоридов щелочами образуются акилсульфонаты, которые используются как поверхностно-активные вещества (ПАВ):

RSO₂Cl + 2NaOH > RSO₃^-Na⁺ + NaCl + H₂O

Алкилсульфонат натрия

3. Нитрование

При нагревании алканов с разбавленной азотной кислотой в жидкой фазе (М.И.Коновалов) происходит образование нитросоединений:



Замещение происходит преимущественно у наиболее реакционноспособного третичного атома углерода. Например:

В промышленности нитрование алканов проводят в газовой фазе при 150-450⁰С парами азотной кислоты. Газофазное нитрование протекает неселективно с образованием наряду с продуктами замещения водорода продуктов продуктов расщепления С-С связей:

4. Окисление

При комнатной температуре даже такие сильные окислители, как KMnO₄ и K₂Cr₂O₇, не действуют на алканы. При высоких температурах в присутствии избытка кислорода алканы сгорают с образованием углекислого газа и воды:

2C_nH_2n+2 + (3n + 1) O₂ > 2n CO₂ + (2n + 2) H₂O

В более мягких условиях (температура не выше 200⁰С) в присутствие катализаторов (соединений марганца) происходит неполное окисление алканов кислородом с образованием спиртов, кетонов, карбоновых кислот. В реакции принимают участие наиболее реакционноспособные третичные или вторичные С-Н связи:

Реакции используются в промышленности для синтеза ценных кислородсодержащих соединений и их смесей.

Лекция 7

НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

1. Алкены

Алкены - это углеводороды состава С_nH_2n, содержащие в молекуле одну связь С=С.

1.1 Методы получения

1. Крекинг алканов

2. Дегидрирование алканов

3. Дегидратация спиртов

4. Дегидрогалогенирование галогеналканов

5. Дегалогенирование вицинальных дигалогенидов



1.2 Химические свойства

Химические свойства алкенов определяются наличием связи С=С. р -Связь обладает меньшей энергией, чем у -связи. Энергия двойной связи (611 кДж/моль) меньше удвоенной энергии простой связи (703 кДж/моль). Связь С=С неполярна, но обладает большей поляризуемостью, чем у -связи. Поэтому она легко разрывается под действием электрофильных (A_E реакции) и радикальных (A_R реакции) реагентов. Кроме того, р -связь оказывает влияние на реакционную способность связи С-Н в аллильном положении, что делает возможным протекание реакций радикального замещения атома водорода.

Таким образом, молекулы алкенов содержат два основных реакционных центра - связь С=С и связь С-Н в аллильном положении:

Основные типы реакций алкенов:

1. Реакции электрофильного присоединения

A_E реакции - основной тип превращений алкенов. По электрофильному механизму к алкенам могут присоединяться галогены, галогеноводороды, серная кислота, вода и другие электрофильные реагенты.

Общий механизм реакции включает ряд последовательных стадий:

На первой стадии электрофил образует р -комплекс с алкеном, в котором двойная связь выступает как донор, а электрофил как акцептор электронов. Далее р -комплекс медленно перегруппировывается в карбокатион (у -комплекс). На последней стадии происходит быстрое взаимодействие карбокатиона с нуклеофилом (Y ^-) с образованием продукта присоединения. Скорость-определяющей стадией процесса является стадия образования р -комплекса. Ее скорость, а, следовательно, и скорость процесса в целом, зависит от стабильности интермедиата - карбокатиона, который близок по энергии к переходному состоянию лимитирующей стадии.

Стабильность карбокатионов возрастает в ряду:

Электронодонорные заместители (алкильные группы) увеличивают реакционную способность алкенов, так как повышают электронную плотность двойной связи и стабилизируют карбокатион. Электроноакцепторные заместители действуют в противоположном направлении:

Присоединение протонных кислот

Галогеноводороды и концентрированная серная кислота взаимодействуют с алкенами с образованием соответственно алкилгалогенидов и алкилсульфатов:

Реакционная способность кислот зависит от их силы и возрастает в ряду:

HF < HCl < HBr < HI

При присоединении кислот к несимметрично замещенным алкенам реакция протекает региоселективно. Согласно правилу Марковникова, водород присоединяется к наиболее гидрированному атому углерода:

R-CH=CH₂ + HCl > R-CHCl-CH₃

Направление присоединения определяется поляризацией двойной связи и относительной стабильностью образующихся карбокатионов:

Правило Марковникова не является универсальным. Оно может нарушаться в случае изменения механизма реакции, а также при присоединении кислот к алкенам, содержащим электроноакцепторные заместители, обладающие -I-эффектом (CF₃, ⁺N(CH₃)₃ ) или -I- и -М-эффектами (CHO, COOH, CN), например:

CF₃CH=CH₂ + HCl > CF₃CH₂CH₂Cl

В этом случае реакция также протекает в направлении образования наименее дестабилизированного интермедиата, которым является первичный карбокатион, так как в нем электроноакцепторный заместитель не расположен в непосредственной близости от положительно заряженного атома углерода:

С учетом приведенных фактов можно сформулировать следующее правило:

Электрофильное присоединение несимметричных реагентов к несимметричным алкенам протекает в направлении образования наиболее стабильного карбокатиона.

Это правило позволяет предсказать строение продуктов присоединения к алкенам не только соединений типа HX, но и других несимметричных реагентов (ICl, HOCl).

2. Гидратация алкенов

Алкены присоединяют воду в присутствии протонных кислот в качестве катализаторов. При этом образуются спирты. Присоединение происходит в соответствии с правилом Марковникова.

Реакция используется для получения вторичных и третичных спиртов.

3. Присоединение галогенов

Галогены легко присоединяются к алкенам с образованием вицинальных дигалогенидов, например:

RCH=CH₂ + Br₂ > RCHBrCH₂Br

Реакционная способность галогенов возрастает в ряду: I₂ < Br₂ < Cl₂ < F₂. Присоединения брома используют как качественную реакцию на двойную связь.

4. Реакции радикального присоединения

Реакции присоединения по радикальному механизму протекают против правила Марковникова.

Образуется продукт, которому предшествует более стабильный свободный радикал. Реакция характерна только для HBr. В случае НСl и HI радикальный процесс энергетически не выгоден.

5. Реакции окисления связи С = С

Алкены легко окисляются. Состав продуктов окисления зависит от окислителя и условий проведения реакции.

Эпоксидирование

Алкены взаимодействуют с надкислотами, кислородом в присутствии катализатора с образованием эпоксидов:

Эпоксиды обладают высокой реакционной способностью и являются ценными продуктами в промышленном органическом синтезе. Предполагают, что эпоксиды являются первичными продуктами ферментативного окисления кислородом связей С=С, в том числе и в конденсированных ароматических углеводородах.

Окисление перманганатом калия

Алкены окисляются перманганатом калия в нейтральной среде при комнатной температуре с образованием двухатомных спиртов:

Реакция используется как тест на присутствие в соединении С=С связи (реакция Вагнера).

Окисление KMnO₄ в более жестких условиях (кислая среда, нагревание) протекает с расщеплением углеродного скелета и образованием кетонов и (или) кислот.

Озонолиз

Алкены взаимодействуют с озоном с образованием озонидов, при гидролизе которых образуются карбонильные соединения и пероксид водорода:



Состав продуктов озонолиза позволяет установить положение двойной связи в исходном алкене. Гидролиз озонида обычно проводят в присутствии восстановителей (Zn), чтобы избежать окисления альдегидов пероксидом водорода.

6. Реакции по аллильному положению

Галогенирование

Хлорирование пропена хлором при высоких температурах дает продукт замещения, а не присоединения:

Реакция протекает по радикальному механизму.

2. Алкадиены

Алкадиены - это углеводороды состава С_nH_2n-2, содержащие две связи С=С. В зависимости от взаимного расположения двойных связей алкадиены делят на три типа:

Диены с изолированными связями по своим свойствам мало отличаются от алкенов. Кумулированные и сопряженные диены обладают рядом специфических свойств. Наибольший интерес представляют сопряженные диены.

Методы получения сопряженных диенов

Основной метод получения сопряженных диенов - дегидрирование алканов и алкенов, выделяемых их нефти путем фракционной перегонки:

Химические свойства сопряженных диенов

Для сопряженных диенов известны все реакции, характерные для алкенов. Однако их поведение отличает ряд особенностей.

В реакциях электрофильного присоединения сопряженные диены более активны, чем алкены, так как реакции присоединения к ним электрофилов протекают через образование термодинамически стабильных карбокатионов аллильного типа.

1,3-Бутадиен взаимодействует с бромом, давая смесь продуктов 1,2- и 1,4-присоединения:

Образование двух разных продуктов присоединения объясняет механизм реакции:



Аналогично протекает присоединение галогеноводородов к сопряженным диенам. При этом соблюдается правило Марковникова:

3. Алкины

Алкины - углеводороды состава C_nH_2n-2, содержащие одну тройную связь углерод - углерод.

Методы получения

1. Пиролиз алканов:

2. Гидролиз карбида кальция:

CaC₂ + 2H₂O ? C₂H₂ + Ca(OH)₂

3. Дегидрогалогенирование вицинальных и геминальных дигалогенидов:



4. Синтез алкинов через магнийорганические соединения:

5. Метод используется для получения гомологов ацетилена.

Химические свойства

Химические свойства алкинов определяются наличием связи С?С, для которой характерны реакции присоединения электрофильных и нуклеофильных реагентов. Алкины с концевой тройной связью вступают в реакции замещения водорода при тройной связи, который обладает слабыми кислотными свойствами.

Таким образом, молекулы алкинов содержат два основных реакционных центра - связь С?С и подвижный водород:

Реакции присоединения по С?С связи

В реакциях электрофильного присоединения алкины менее реакционноспособны, чем алкены.

Присоединение галогенов

Ацетилен в присутствии катализатора FeCl₃ присоединяет 2 моля хлора. Реакция протекает в две стадии:

Присоединение галогеноводородов

Ацетилен присоединяет HCl только в присутствии катализаторов, содержащих соли ртути(II):

Присоединение второй молекулы HCl происходит без катализатора по правилу Марковникова:

CH₂=CHCl + HCl >CH₃CHCl₂

Замещенные ацетилены более реакционноспособны и присоединяют галогеноводороды согласно правилу Марковникова:

Присоединение воды

В кислой среде в присутствии солей ртути(II) алкины взаимодействуют с водой с образованием карбонильных соединений. На первой стадии алкины присоединяют воду в соответствии с правилом Марковникова. Образующиеся при этом ненасыщенные спирты (енолы) неустойчивы, и в условиях реакции быстро изомеризуются в карбонильные соединения. При этом только в случае ацетилена образуется альдегид, а его гомологи дают кетоны:



Реакции с участием подвижного водорода

Атом водорода, связанный с атомом углерода, находящемся в состоянии sp-гибридизации, обладает кислотными свойствами и может отщепляться в виде протона под действием сильных оснований:

Равновесие реакции смещено в сторону более слабой кислоты - аммиака

Алкены с концевой тройной связью реагируют с солями тяжелых металлов, давая нерастворимые ацетилениды:

RC? CH + [Ag(NH₃)₂]OH >RC? CAg v + 2 NH₃ + H₂O

RC? CH + [Сu(NH₃)₂]Сl > RC? CCu v + NH₄Cl + NH₃

Реакции используются как качественные на концевую тройную связь.

Лекция 8

АРЕНЫ

Арены - это углеводороды, содержащие одно или несколько бензольных ядер. К ним относятся:

бензол и его гомологи:

Методы получения

1. Дегидрирование шестичленных алициклических углеводородов.

2. Дегидроциклизация алканов.

В реакцию вступают алканы, содержащие в цепи не менее шести атомов углерода.

3. Циклотримеризация алкинов.

Гомологи бензола могут быть получены также из бензола и его производных (см. алкилирование бензола, реакция Вюрца).

Химические свойства

Химические свойства ароматических соединений определяются наличием системы делокализованных р -связей. Присутствие р -электронной системы обусловливает основные свойства аренов и их взаимодействие с электрофильными реагентами. Повышенная термодинамическая стабильность ароматического кольца делает предпочтительными реакции замещения, в которых ароматическая система сохраняется. Как следствие этого, наиболее характерными для ароматических соединений являются реакции электрофильного замещения. Известны также реакции радикального галогенирования и окисления боковых цепей алкилбензолов, которые протекают по наиболее реакционноспособному бензильному положению. Процессы, в которых разрушается стабильная ароматическая система, мало характерны и протекают в жестких условиях.

1. Реакции электрофильного замещения.

Наиболее важными реакциями этого типа являются нитрование, галогенирование, сульфирование, алкилирование, ацилирование.

Механизм ароматического электрофильного замещения.

Большинство реакций ароматического электрофильного замещения протекает по единому механизму:

Реакция начинается с образования р -комплекса, в котором р -электронная система ароматического ядра выступает как донор электронов, а электрофильный реагент (Е⁺) действует как акцептор. Далее р -комплекс с нарушением ароматической системы медленно перегруппировывается в у -комплекс, в котором электрофил связан у -связью с определенным атомом углерода, а положительный заряд делокализован по сопряженной системе бывшего ароматического кольца. Делокализация положительного заряда в у -комплексе происходит в основном за счет о- и п-положений по отношению к вступающему заместителю.На последней стадии происходит отщепление протона от у -комплекса под действием основания с восстановлением ароматической системы. Лимитирующей стадией в процессе электрофильного замещения является стадия образования у -комплекса.

Ориентация и реакционная способность

Если бензольное кольцо уже содержит заместитель, то:

1. реакция может протекать быстрее или медленнее, чем с самим бензолом;

2. возможно образование трех разных продуктов замещения.

1. Заместители, ускоряющие реакцию по сравнению с незамещенным бензолом (активирующие) и направляющие замещение в орто,-пара- положения.

2. Заместители, замедляющие реакцию (дезактивирующие) и направляющие замещение в мета- положения.

Заместители, отмеченные в п. 1 (орто-,пара-ориентанты) называются заместителями I-го рода ; отмеченные в п.2 (мета-ориентанты) - заместителями II-го рода . Ниже приведено отнесение обычно встречающихся заместителей в соответствии с их электронными эффектами.

Влияние заместителей ароматическом кольце на реакции S_E

Ориентанты I-го рода (орто-, пара-)	Ориентанты II-го рода (мета-)
активирующие	дезактивирующие	дезактивирующие
Все алкильные группы, -OH, -OR, -O-, -OC(O)R, -NH2, -NHR, -NR2, NHC(O)R	Галогены: F, Cl, Br, I	-CHO, -C(O)R, -CN, -SO3H, -COOH, -COOR, -NO2 -СHal3, -N+R3,

Электрофильное замещение будет происходить тем быстрее, чем более электронодонорным является заместитель в ядре, и тем медленнее, чем более электроноакцепторным является заместитель в ядре.

Ориентацию электрофильного замещения в монозамещенных бензолах можно объяснить с позиции динамического и статического электронных эффектов - распределения электронной плотности в нереагирующей и прореагировавшей молекуле.

Если в бензольном ядре имеется не один, а два заместителя, то их ориентирующее действие может совпадать (согласованная ориентация) или не совпадать (несогласованная ориентация). В первом случае можно рассчитывать на преимущественное образование каких-то определенных изомеров, а во втором будут получаться сложные смеси.

Ниже приведены некоторые примеры согласованной и несогласованной ориентации двух заместителей:

Примеры реакций электрофильного замещения:

Нитрование

Нитрование, как правило, проводят смесью концентрированных азотной и серной кислот, так называемой нитрующей смесью. На первой стадии реакции происходит образование электрофильного агента - иона нитрония ⁺NO₂ .

+НОNО₂> + Н₂О

Галогенирование

+CI₂ > +НCI

При галогенировании атака ароматического субстрата может осуществляться различными электрофилами. Свободные галогены, например, Cl₂ и Br₂, могут легко атаковать активированное ароматическое ядро (например, фенола), но не способны реагировать с бензолом и алкилбензолами. Для поляризации атакующей молекулы галогена необходим катализ кислотами Льюиса, такими как AlCl₃, FeBr₃, и т.п.

Сульфирование

Арены взаимодействуют с концентрированной серной кислотой или олеумом (раствор SO₃ в серной кислоте) с образованием аренсульфокислот:

ArH + H₂SO₄ > ArSO₃H + H₂O

Электрофильной частицей является SO₃. Атаку ароматического субстрата осуществляет атом серы, поскольку он сильно положительно поляризован, то есть электронодефицитен:

Сульфирование является обратимым процессом. Сульфогруппа может удаляться из ароматического ядра, что широко используется в органическом синтезе.

Алкилирование по Фриделю-Крафтсу

Подобно галогенам, алкилгалогениды могут быть так сильно поляризованы кислотами Льюиса (хлоридами алюминия и цинка, трифторидом бора и др.), что становятся способными к электрофильному замещению в ароматическом ядре.

Кроме алкилгалогенидов для алкилирования ароматических соединений могут использоваться алкены или спирты в присутствие катализатора - протонной кислоты.

Присутствие катализатора - протонной кислоты необходимо для генерирования электрофильной частицы - карбокатиона.

Алкилирование аренов алкенами происходит в соответствии с правилом Марковникова.

Продукты алкилирования легче вступают в реакции электрофильного ароматического замещения, чем исходное соединение (Alk - электронодонорная группа), поэтому дальше преимущественно алкилируется продукт и образуются продукты полиалкилирования. Если хотят получить продукты моноалкилирования, то необходимо брать большой избыток ароматического соединения.

Ацилирование по Фриделю-Крафтсу

Арены взаимодействуют с хлорангидридами и ангидридами карбоновых кислот с образование кетонов.

Хлорангидриды и ангидриды, имеют полярную карбонильную группу и в способны к электрофильному замещению в ароматических системах.

Электрофильная активность этих соединений, однако, невелика, и должна быть повышена действием кислот Льюиса. В результате образуется поляризованный комплекс (а в пределе - ацилкатион), действующий как электрофил:

Полиацилирования не наблюдается, поскольку образующийся кетон значительно менее реакционноспособен, чем исходное соединение. Ароматические соединения с сильнодезактивирующими заместителями, например, нитро- или циано- группами, также не ацилируются по Фриделю-Крафтсу.

Электрофильное замещение в конденсированных ароматических углеводородах.

Конденсированные ароматические углеводородв обладают большей реакционной способностью, чем бензол, так как энергия сопряжения, приходящаяся на одно ароматическое кольцо в них меньше, чем в бензоле.

Для замещении в нафталине возможно образование двух изомерных продуктов при атаке электрофила в б - или в Я -положение. Сульфирование нафталина концентрированной серной кислотой при 80^оС приводит к б -изомеру, который образуется с большей скоростью (кинетический контроль), а при 160^оС - к термодинамически более стабильному Я -изомеру (термодинамический контроль).

Еще более высокой реакционной способностью по сравнению с бензолом обладает антрацен. При этом во всех случаях атака электрофильных реагентов происходит по центральному ядру, а периферийные бензольные ядра сохраняются:

Реакции с участием боковых цепей алкилбензолов

Галогенирование

Толуол хлорируется на свету или в присутствии перекисей только по метильной группе с образованием первоначально бензилхлорида, и затем бензальхлорида и бензотрихлорида:

+3CI₂ > + 3НCI

Реакция протекает по цепному радикальному механизму через образование бензильного радикала , который отличается повышенной термодинамической стабильностью. Стабильность бензильного радикала объясняется сопряжением неспаренного электрона, расположенного на р-орбитали, с р -электронами бензольного кольца. Радикальное хлорирование высших алкилбензолов протекает нерегиоселективно. Так, например, при хлорировании этилбензола на свету образуются следующие продукты:

и

В отличие от хлорирования бромирование осуществляется исключительно в б -положение по отношению к бензольному кольцу.

Различие в селективности хлорирования и бромирования связано с более высокой реакционной способностью атомарного хлора, а более реакционноспособный реагент, как правило, менее селективен.

Окисление

Алкильные группы, связанные с кольцом, легко окисляются под действием окислителей, таких как Na₂Cr₂O₇ или KMnO₄. В результате образуются продукты окислительной деструкции боковых цепей - ароматические карбоновые кислоты:

+[О] >

[О] >

Реакции с разрушением ароматической системы

Гидрирование

Хотя ароматическое кольцо бензола гидрируется в значительно более жестких условиях, чем двойная или тройная связь алкенов и алкинов, бензол и его производные могут быть прогидрированы до производных циклогексана:

+ 3Н₂ >

Нафталин гидрируется легче, чем бензол. При этом происходит последовательное восстановление ароматических колец

Хлорирование

Бензол не подвергается свободнорадикальному замещению по действием хлора или брома. Энергетически предпочтительнее оказывается радикальное присоединение хлора к бензолу с образованием гексахлорциклогексана при УФ-облучении:

Окисление

Бензольное кольцо, в силу своей особой стабильности, устойчиво к действию большинства окислителей. В очень жестких условиях бензол окисляется в малеиновый ангидрид. Конденсированные ароматические углеводороды более реакционноспособны в реакциях окисления, чем бензол.

Лекция № 9

ГАЛОГЕНПРОИЗВОДНЫЕ

Галогенпроизводные - это производные углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода замещены на галоген. В зависимости от типа гибридизации атома углерода, связанного с атомом галогена, различают следующие основные типы галогенпроизводных:

Галогенпроизводные, содержащие связь С(sр³)- HaI

Галогенпроизводные, содержащие связь С(sр²)- HaI, С(sр)- HaI

1. Методы получения

1. Галогенирование алканов.

RH + Hal₂ > RHal + HHal

Hal:Cl, Br.

2. Гидрогалогенирование алкенов и алкинов.

RCH=CH₂ + HHal > RCHHalCH₃

RC ?CH + HHal > RCHal=CH₂ + HHal> RCHal₂CH₃

3. Присоединение галогенов к алкенам и алкинам

RCH=CH₂ + Hal₂ > RCHHalCH₂Hal

RC? CH + 2Hal₂ > RCHal₂CHHal₂

Hal:Cl, Br.

4. Взаимодействие спиртов с галогеноводородами и галогенидами фосфора и серы:

ROH + HBr > RBr +H₂O

ROH + PCl₅ > RCl + POCl₃ + HCl

ROH + SOCl₂ >RCl + SO₂ + HCl

5. Галогенирование аренов (в присутствии катализаторов):

+ CI₂ > +НCI

Hal:Cl, Br.

2. Химические свойства

Галогенпроизводные содержат два основных реакционных центра - у-связь С-Hal и у-связь С-Н в Я -положении к атому галогена. Атом углерода, связанный с атомом галогена несет частичный положительный заряд и может атаковаться нуклеофилами. Атом водорода в Я -положении обладает слабыми кислотными свойствами и может отщепляться под действием оснований.

Таким образом, основные типы реакций, характерные для галогенпроизводных, - это реакции нуклеофильного замещения (S_N) и отщепления (E), причем различие в реакционной способности галогенпроизводных разного типа в этих реакциях очень велико.

Галогенпроизводные, содержащие кратные связи или бензольное кольцо, вступают также в реакции, характерные для ненасыщенных и ароматических углеводородов, с учетом влияния на эти реакционные центры атома галогена, что было рассмотрено ранее (присоединение галогеноводородов к винилхлориду, электрофильное замещение в галогенаренах).

2.1 Реакции нуклеофильного замещения

Общая схема реакции:

R - НаI + :N^- > R - N + :НаI^-

Нуклеофил отдает субстрату свою пару электронов, за счет которой образуется новая связь, а галоген уходит со своей парой электронов в виде галогенид-аниона. При этом происходит алкилирование нуклеофила.

Для нуклеофильного замещения у атома углерода в состоянии sp³-гибридизации установлено два основных механизма: бимолекулярное нуклеофильное замещение (S_N2) и мономолекуляное нуклеофильное замещение (S_N1).

Бимолекулярное нуклеофильное замещение - это синхронный процесс, который протекает в одну стадию. Разрыв старой и образование новой связи происходят одновременно. Нуклеофил атакует субстрат со стороны, противоположной уходящей группе (с тыла), и постепенно вытесняет ее из молекулы:

N: + R-Hal > [N^….R^….Hal] > N-R + Hal^-

переходное

состояние

S_N2-реакции имеют следующие основные признаки:

1. Кинетический

Скорость реакции зависит от концентрации и субстрата, и нуклеофила. Реакция имеет второй общий порядок (первый по субстрату и первый по нуклеофилу) и описывается кинетическим уравнением:

v=k[RHal][N]

2. Стереохимический

Если нуклеофильное замещение происходит у асимметрического атома углерода, то имеет место обращение конфигурации, так как в переходном состоянии три нереагирующие группы и центральный атом углерода находятся в одной плоскости, а входящая и уходящая группы расположены на одной прямой, перпендикулярной этой плоскости. В результате структура выворачивается, как зонтик.

Мономолекулярное нуклеофильное замещение протекает в две стадии.

На первой стадии под действием растворителя происходит гетеролитический разрыв связи в субстрате, в результате чего образуется карбокатион. Процесс протекает медленно и определяет скорость реакции в целом. На второй стадии карбокатион быстро реагирует с нуклеофилом, давая продукт замещения.

S_N1-реакции имеют следующие основные признаки.

1. Кинетический

Скорость реакции зависит только от концентрации субстрата, поскольку нуклеофил не участвует в лимитирующей стадии процесса. Реакция имеет первый порядок и описывается кинетическим уравнением:

v=k[RHal]

2. Cтереохимический признак

Если нуклеофильное замещение происходит у асимметрического атома углерода, то, как правило, образуется рацемическая смесь, так как атака нуклеофилом плоского карбокатиона с обоих сторон равновероятна.

Факторы, влияющие на ход нуклеофильного замещения

Легкость протекания реакции и ее механизм зависят от многих факторов, среди которых можно выделить следующие:

o строение углеводородного радикала субстрата;

o природа уходящей группы;

o сила нуклеофила;

o природа растворителя.

Влияние строения углеводородного радикала.

Реакционная способность первичных, вторичных и третичных алкилгалогенидов в реакциях нуклеофильного замещения различна, причем порядок реакционной способности зависит от механизма реакции.

Скорость реакций, протекающих по механизму S_N1, зависит от стабильности карбокатиона, образующегося на первой стадии реакции. Таким образом, реакционная способность алкилгалогенидов в реакциях S_N1 возрастает в ряду:

перв <вторич< третич

который соответствует ряду стабильности карбокатионов.

Успех реакции S_N2 определяется эффективностью атаки нуклеофила на положительно заряженный реакционный центр субстрата. Поэтому электронодонорные радикалы R, понижая положительный заряд на реакционном центре, замедляют нуклеофильную атаку. Увеличение объема R затрудняет подход нуклеофила к реакционному центру. Совместное действие индуктивного и объемного эффектов определяет ряд реакционных особностей субстратов в реакциях нуклеофильного замещения: перв >вторич> третич.

Высокой реакционной способностью, независимо от механизма реакции, обладают аллил- и бензилгалогениды. В процессе S_N1 они образуют карбокатионы, стабилизированные засчет р, р-сопряжения:

Легкость, с которой аллил- и бензилгалогениды вступают в S_N2-реакции, объясняют участием кратных связей в стабилизации переходного состояния.

Влияние природы уходящей группы.

Реакционная способность алкилгалоненидов зависит от прочности связи углерод - галоген, которая уменьшается в ряду:

C-F > C-Cl > C-Br > C-I.

Не менее важно, чтобы уходящая группа была термодинамически стабильна. (Она должна быть более устойчива, чем атакующий субстрат нуклеофил). Хорошими (относительно устойчивыми) уходящими группами являются слабые основания. Галогенид-анионы - хорошие уходящие группы. Относительная стабильность возрастает по мере уменьшения их основности в ряду:

F^- < Cl^- < Br^- < I^-

Параллельно увеличивается и реакционная способность алкилгалогенидов:

RF < RCl < RBr < RI

Влияние природы нуклеофила.

Нулеофильность - это способность частицы взаимодействовать с атомом углерода, несущим целый или частичный положительный заряд. Нуклеофильность является кинетической характеристикой и определяется константами скоростей соответствующих реакций.

Нуклеофилы, как и основания, могут быть сильными и слабыми. Единой шкалы нуклеофильности не существует, так как относительная сила нуклеофила может изменяться в зависимости от природы субстрата и растворителя. Однако можно выделить следующие основные закономерности:

1) отрицательно заряженные нуклеофилы сильнее, чем нейтральные молекулы (сопряженные им кислоты):

OH^- > H₂O; RO^- > ROH; NH₂^- > NH₃

2) для элементов одного периода с ростом электроотрицательности атома нуклеофильность уменьшается:

NH₂^- > OH^- > F^-

R₃C^- > RNH₂^- > RO^- > F^-

3) электронодонорные заместители увеличивают, электроноакцепторные - уменьшают нуклеофильность. Например, для кислородсодержащих нуклеофилов установлен следующий ряд реакционной способности:

RO^- > OH^- > ArO^- > RCOO^-

В рассмотренных примерах порядок нуклеофильности реагентов совпадает с порядком их основности и объясняется теми же причинами. Однако сила нуклеофила определяется не только его основностью, но и поляризуемостью.

4) Для элементов одной подгруппы с возрастанием заряда ядра нуклеофильность увеличивается, несмотря на уменьшение основности:

RS- >RO-

I- > Вr- > Cl- > F-

Рост нуклеофильности связан с увеличением поляризуемости атомов и ионов по мере увеличения их радиуса. Чем выше поляризуемость нуклеофила, тем легче деформируется его электронное облако и тем в большей степени он способен передать электронную плотность субстрату.

Такой порядок нуклеофильности может быть объяснен также с позиций принципа ЖМКО. Основность по Бренстеду проявляется во взаимодействии с жесткой кислотой Н+, в то время как нуклеофильность проявляется во взаимодействии с более мягким кислотным центром - атомом углерода, для которого предпочтительным будет взаимодействие с мягкими основаниями Льюиса - RS- и I-.

Относительная сила нуклеофилов зависит от природы растворителя. Чем меньше размер аниона, тем лучше он сольватируется полярными протонными растворителями (т.е. растворителями, способными образовывать с анионом водородные связи), что снижает его реакционную способность. При замене растворителя порядок реакционной способности нуклеофилов может меняться на противоположный.

В соответствии с механизмами S_N2 и S_N1 природа нуклеофила оказывает влияние на ход S_N2-реакции, так как нуклеофил участвует в лимитирующей (и единственной) стадии процесса, и не влияет на скорость реакций, протекающих по механизму S_N1, лимитирующая стадия которых протекает без участия нуклеофила.

Влияние природы растворителя

Растворитель влияет на скорость и механизм реакций нуклеофильного замещения.

Протеканию реакции по механизму S_N1 способствуют сильноионизирующие растворители. К ним относятся полярные протонные растворители (вода, спирты, карбоновые кислоты), так как они хорошо сольватируют ионные интермедиаты: отрицательно заряженную уходящую группу - за счет водородных связей, карбокатион - за счет свободных пар электронов.

Влияние растворителя на SN2-реакции проявляется в меньшей степени и зависит от распределения зарядов в исходном и переходном состояниях. Как правило, их скорость уменьшается с ростом полярности растворителя и увеличивается при переходе от протонных растворителей к апротонным (диметилформамид, диметилсульфоксид, ацетонитрил). В апротонных растворителях, которые не способны к образованию водородных связей, нуклеофил (а это, как правило, анион) в меньшей степени сольватирован и, следовательно, обладает большей силой, что важно для S_N2-реакции.

Таким образом, протеканию реакций по механизму S_N2 способствуют:

· субстрат с углеводородным радикалом малого объема (первичным);

· апротонный растворитель;

· сильный нуклеофил.

Реализации механизма S_N1 способствуют:

· субстрат с углеводородным радикалом разветвленного строения (третичным);

· полярный протонный растворитель;

· слабый нуклеофил.

По легкости замещения галогена независимо от механизма реакции галогенпроизводные располагаются в следующий ряд:

аллил- и бензилгалогениды > алкилгалогениды > винил- и арилгалогениды

Галогенпроизводные, содержащие связь (винил- и арилгалогениды), обладают очень низкой реакционной способностью. Реакция протекает по иному механизму. Малую подвижность галогена в винил- и арилгалогенидах объясняют увеличением прочности связи C-Hal за счет сопряжения пары электронов галогена с электронами р -связей:

Реакции нуклеофильного замещения галогена широко используются в органическом синтезе. С их помощью можно заменять галоген на другие функциональные группы или углеводородные радикалы и получать из галогенпроизводных любые классы органических соединений.

Примеры синтетического использования галогенпроизводных алифатических углеводородов приведены в таблице.

Таблица. S_N-реакции галогенпроизводных

Субстрат	+	нуклефил	>	продукт + уходящая группа
Получение спиртов
R-Hal	+	OH- (H2O)	>	R-OH + Hal- (HHal)
CH3Br	+	NaOH		CH3OH + NaBr
(CH3)3CCl	+	H2O	>	(CH3)3COH + HCl
CH2=CH-CH2Cl	+	H2O	>	CH2=CHCH2OH+HCl
Получение простых эфиров
R-Hal	+	R/O-	>	R-OR/+ Hal-
СH3I	+	CH3CH2O-Na+	>	CH3OCH2CH3 + NaI
Получение сложных эфиров
R-Hal	+	R/COO-	>	R/COOR + Hal-
CH3CH2I	+	CH3COO-Na+	>	CH3COOCH2CH3 + NaI
Получение тиолов
R-Hal	+	SH-	>	R-SH + Hal-
CH3СH2Br	+	NaHS	>	CH3СH2SH + NaBr
Получение сульфидов
R-Hal	+	R/S-	>	R-SR/+ Hal-
CH3СH2Br		CH3СH2S-Na+	>	(CH3СH2)2S + NaBr
Получение аминов и аммониевых солей
R-Hal	+	NH2-	>	RNH2 + Hal-
R-Hal	+	R/3N	>	R R/3N+Hal-
Получение нитрилов
R-Hal	+	С? N-	>	R- С? N + Hal- (SN2)
CH3СH2Br	+	NaCN	>	CH3СH2CN + NaBr
Получение нитросоединений
R-Hal		NO2-	>	R-NO2+ Hal- (SN2)
CH3CH2I		AgNO2	>	CH3CH2NO2 + AgI
Получение галогенпроизводных
R-Hal	+	I-	>	R-I + Hal- (SN2)
CH3Cl	+	NaI	>	СH3I + NaCl

Винил- и арилгалогениды инертны по отношению к нуклеофильным реагентам. Замещение галогена в галогенбензолах возможно только в очень жестких условиях.

Введение электроноакцепторных заместителей в орто- и пара-положения к галогену активизируют галогенарены в S_N-реакциях.

2.2 Реакции элиминирования

В процессе отщепления (дегидрогалогенирования) от молекулы галогеноводорода отщепляется HHal и образуется алкен.

Отщепление протекает под действием сильных оснований - концентрированных растворов гидроксидов щелочных металлов в спирте, алкоголятов или амидов щелочных металлов. Основания отщепляют протон в Я -положении, одновременно из молекулы уходит галоген в виде галогенид-аниона.