Галогенпроизводные углеводородов галогензамещенные алканов
жүктеу/скачать 1,77 Mb.
|
ЛЕКЦИЯ 18
| v = k[CH3Br][HO-].
2. Увеличение концентрации любого из реагирующих веществ вызывает увеличение скорости реакции, что свидетельствует о бимолекулярном процессе. 3. Кинетика бимолекулярного процесса соответствует уравнению скорости реакции второго порядка: первого порядка по субстрату и первого порядка по нуклеофильному реагенту. Влияние строения субстрата Для субстратов с одинаковыми атомами галогена влияние на скорость реакции определяется пространственными факторами. По механизму SN2 реагируют преимущественно первичные и вторичные галогеналканы с небольшими по объему заместителями у электрофильного реакционного центра. Третичные галогеналканы реагируют по иному механизму. Нуклеофильность реагента. Нуклеофильность – стремление отдать пару электронов электрофильному атому углерода (субстрат) или другому положительно заряженному атому, кроме протона. Под нуклеофильностью подразумевают влияние основания Льюиса на скорость реакции нуклеофильного замещения. Порядок нуклеофильности галгенид-ионов в протонсодержащих растворителях изменяется в ряду: I- ˃ Br- ˃ Cl- ˃ F- Влияние раствора (среды протекания реакции) на реакции бимолекулярного нуклеофильного замещения. 1. В принципе гидролиз митилбромида может осуществляться в нейтральном водном растворе под действием молекул воды как нуклеофильных реагентов. Однако в этом случае реакция протекает очень медленно и с незначительным выходом. 2. Добавление в водный раствор щелочи, т.е. появление в реакционной среде более сильных нуклеофильных реагентов (гидроксид-ионов), увеличивает скорость реакции гидролиза метилбромида более чем в 5000 раз. 3. Реакционная среда оказывает влияние на каждый из непосредственных участников реакции. Растворитель облегчает поляризацию связи углерод-галоген, стабилизирует переходное состояние (переходный комплекс), сольватирует уходящий анион. 4. Растворитель также влияет на относительную нуклеофильность реагента. В солвалитических реакциях растворитель сам является нуклеофильным реагентом. Диполярные апротонные растворители имеют довольно высокую диэлектрическую проницаемость ε, но не способны образовывать водородные связи. В молекуле диполярного растворителя имеется некоторое разделение заряда. К ним относится диметилсульфоксид (ДМСО), ацетон, ацетонитрил, нитрометан. Эти растворители хорошо сольватируют активированный комплекс, образующийся в переходном состоянии, по этому реакции по механизму SN2 легко протекают в указанных растворителях. 18.3.2.2.2. Мономолекулярное нуклеофильное замещение По механизму бимолекулярного электрофильного замещения SN2 реагируют преимущественно первичные и вторичные галогеналканы с небольшими по объему заместителями у электрофильного реакционного центра. Третичные галогеналканы реагируют по иному механизму. Например, гидролиз трет-бутилбромида происходит в воде с образованием трет-бутилового спирта: Добавка в водный раствор щелочи и увеличение ее концентрации не приводит к ускорению реакции. Скорость реакции в этом случае: - зависит только от концентрации субстрата; - не зависит от концентрации реагента и может быть выражена уравнением: v = k[RX]. Очевидно, что реакция гидролиза третичного галогеналкана реализуется по иному, по сравнению с бимолекулярным нуклеофильным замещением, механизму, в котором на стадии, определяющей скорость реакции, изменяется состояние связей только в молекуле субстрата. Такой механизм называется мономолекулярным нуклеофильным замещением SN1. Реакция по механизму SN1 не является согласованным процессом и включает несколько стадий: - на первой медленной стадии, лимитирующей процесс в целом, происходит ионизация субстрата с образованием карбкатиона; - на второй стадии карбкатион быстро реагирует с нуклеофилом и после отщепления протона превращается в конечный продукт: Рис. 18.7. Схема реакции мономолекулярного нуклеофильного замещения Энергетическая характеристика реакции мононуклеофильного замещения. Две стадии реакции мононуклеофильного замещения отражены на энергетическом профиле реакции: Рис.18.8. Энергетическая диаграмма реакции мономолекулярного нуклеофильного замещения в галогенводородах 1. Для первой стадии – ионизации – характерна более высокая энергия активации. 2. Интермедиату (карбкатиону) соответствует потенциальная яма на кривой. 3. Вторая стадия, приводящая к образованию новой ковалентной связи, имеет не высокий энергетический барьер. По механизму SN1 происходит: - нуклеофильное замещение третичных галогеналканов; - вторичных галогеналканов с объемными радикалами у электрофильного центра. Двухстадийное течение реакции обусловлено электронными и пространственными факторами. Во-первых, в третичных субстратах затруднена атака реагентом «с тыла» вследствие пространственных препятствий, создаваемых объемными заместителями. Во-вторых, при ионизации субстрата образуются сравнительно стабильные карбкатионы, что делает такое направление реакции энергетически более выгодным. В-третьих, полярные протонные растворители содействуют ионизации, разрыхляя связи углерод-галоген и сольватируя катион и анион, тем самым снижая энергию активации. Стереохимия реакции. Стереохимический аспект реакции мономолекулярного нуклеофильного замещения можно рассмотреть на примере хирального третичного субстрата. 1. В исходном субстрате реакционным центром является sp2–гибридизованный атом углерода. 2. В процессе ионизации образуется карбкатион, в котором три связи с положительно заряженным sp2–гибридизованным атомом углерода располагаются в одной плоскости. 3. Нуклеофильный реагент может с одинаковой вероятностью атаковать плоский карбкатион с любой стороны. 4. В зависимости от того, с какой стороны происходит атака, образуются продукты с сохранённой и обращенной конфигурацией. 5. Стехиометрическим результатом реакции является рацемизация. Рис. 18.9. Стереохимия реакции мономолекулярного нуклеофилного замещения в галогенводородах Известны случаи, когда в реакциях мономолкулярного нуклеофильного замещения преобладает энантиомер с обращенной конфигурацией. Например, при гидролизе (R)-2,6-диметил-6-хлорооктана образуется соответствующий спирт, состоящий на 40% из энантиомера с сохраненной R–конфигурацией и на 60% из энантиомера с обращенной S-конфигурацией, т. е. полной рацемизации не происходит. 1. Объяснение этого факта заключается в том, что атака нуклеофильным реагентом происходит раньше, чем хлорид-ион полностью отойдет от карбкатиона. 2. Такой уходящий хлорид-ион атакуется нуклеофилом с фронтальной стороны, и поэтому рацемизация протекает не полностью. 18.4. Реакции нуклеофильного замещения как основа синтеза органических соединений различных классов Многообразие потенциальных субстратов и реагентов позволяет широко использовать реакции нуклеофильного замещения в органическом синтезе. Нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода галогеналканов фактически приводит к алкилированию нуклеофила, поэтому такие реакции в общем виде называют реакциями алкилирования. В зависимости от природы атома в нуклеофильном центре реагенты подразделяются на кислород-, серо-, азотсодержащие нуклеофилы. Рис. 18.10. Схема реакций галогеналканов с кислородсодержащими нуклеофилам Реакция (1) – гидролиз галогеналканов - может быть использована для получения спиртов. Гидролиз галогеналканов осуществляется под действием водного раствора щелочи. В принципе галогеналканы могут быть гидролизованы и водой, однако вода представляет собой слабый нуклеофильный реагент, и реакция осуществляется с очень реакционоспособными субстратами (аллильными, бензильными): Реакция (2) является одним из лучших общих методов получения простых эфиров симметричного и несимметричного строения (синтез Вильямсона), например: Реакция (3) является одним из способов получения сложных эфиров. Натриевые соли карбоновых кислот быстро взаимодействуют с первичными или вторичными бромо- и иодоалканами. Сложные эфиры с высокими выходами получаются при проведении реакции в диполярных апротонных растворителях: диметилсульфоксиде (CH3)2SO, диметилформамиде HCON(CH3)2, гексаметилфосфортриамиде [(CH3)2N]3PO4. Рис. 18.11. Схема реакций галогеналканов с серосодержащими нуклеофилами Серосодержащие реагенты более сильные нуклеофилы, чем их кислородные аналоги. В большинстве случаев реакции с такими реагентами протекают быстрее и в более мягких условиях. Реакции (4) и (5) являются способами получения тиолов, при этом гидросульфид натрия является более удобным реагентом, чем сероводород: Азотосодержащие нуклеофилы Рис. 18.12. Схема реакций галогеналканов с азотсодержащими нуклеофилам Реакции (4)-(7) относятся к реакциям алкилирования аммиака - алкилирование по Гофману – служит способами получения аминов. Продуктом реакций (4)-(6) в каждом случае является протонированный амин, который может отщеплять протон, отдавая его другой молекуле аммиака или амина в равновесном процессе, например: Реакция (8) представляет собой способ получения нитросоединений из галогеналканов. При взаимодействии первичных галогеналканов с нитритом серебра соответствующие нитросоединения образуются с высоким выходом: Нитрит-ион служит примером амбидентного нуклеофила, т.е. реагента, обладающего не одним, а несколькими реакционными центрами: При участии амбидентных нуклеофилов в реакциях замещения может образовываться смесь продуктов. При взаимодействии вторичных галогеналканов с нитритом серебра или натрия побочными продуктами являются алкилнитрилы – эфиры азотистой кислоты R-O-N=O: жүктеу/скачать 1,77 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|