• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

ЕЛЕКТРОФІЛЬНЕ ЗАМІЩЕННЯ В АЛІФАТИЧНОМУ РЯДІ.

Для реакцій електрофільного заміщення найбільш характерні групи, що відщеплюються, які можуть існувати в стані з незаповненою валентною орбіталлю, для завершення якої необхідна електронна пара. У випадку ароматичних систем такою групою найчастіше є протон. В аліфатичних системах протон теж може відщеплюватися, але його рухливість залежить від кислотності. В алканах рухливість протону дуже низька, але електрофільне заміщення легко проходить в тих положеннях, де протон більш кислий, наприклад в α-положенні до карбонільної групи або при ацетиленовому атомі вуглецю. Особливо схильні до реакцій електрофільного заміщення металоорганічні сполуки, так як при цьому утворюються позитивно заряджені іони металів. Важливим типом електрофільного заміщення є аніонне розщеплення, яке включає розрив зв’язку C–C, при якому нуклеофугом є вуглець. Розрізняють чотири головних механізми: Se₁, Se₂ (з фронту), Se₂ (з тилу) і Se_i.

Бімолекулярні механізми реакцій електрофільного аліфатичного заміщення аналогічні механізму Sn₂ в тому відношенні, що новий зв’язок утворюється, коли розривається старий. Але в механізмі Sn₂ група, яка входить, несе з собою пару електронів і ця орбіталь може перекриватися з орбіталлю центрального атома вуглецю тільки в тій мірі, при якій група, що відривається відділяється зі своїми електронами, в іншому випадку у вуглецю було б більше восьми електронів на зовнішній оболонці. Оскільки електронні хмарки відштовхуються, нова група атакує молекулу субстрату з заду під кутом 180° до групи, що відривається, так, що при цьому спостерігається обертання конфігурації. Якщо атакуючою часточкою є електрофіл, який несе субстрату тільки вакантну орбіталь, такий розгляд непридатний і неможливо наперед передбачити, з якої сторони буде проходити атака. Теоретично можна представити два головних напрямки атак і відповідно два механізми: Se₂ (з фронту) і Se₂ (з тилу). Тоді при протіканні реакції по першому механізму конфігурація повинна зберігатися, по другому – обертатися. При атаці електрофілом з фронту існує і третя можливість. Частина молекули електрофілу сприяє відділенню групи, яка відходить, і утворює з нею зв’язок в той же момент, коли утворюється новий зв’язок C–Y

C Y C–Y

| | →

X Z X–Z

При такому механізмі, який називають Se_і, також спостерігається збереження конфігурації. Очевидно, що при такій бімолекулярній взаємодії з внутрішнім сприянням, атака з тилу неможлива. Такі три механізма розрізнити досить важко; всім їм відповідає кінетика другого порядку, і два з них здійснюються зі збереженням конфігурації. Відома обмежена кількість реакцій де можна однозначно вказати на механізм реакції. За допомогою стереохімії достатньо легко відрізнити реакцію механізму Se₂ (з тилу). Але більшість реакцій електрофільного заміщення проходять зі збереженням конфігурації, що вказує на фронтальну атаку. Наприклад, при обробці цис-форми сполуки 1 міченим хлоридом ртуті кінцевий циклічний продукт на 100% являє собою цис-ізомер. Оскільки в обох продуктах реакції вміст міченого атома ртуті приблизно однаковий, це означає, що повинен розриватися зв’язок між ртуттю і циклом (а також другий зв’язок Hg–C).

Me H–OMe Me H–OMe

| / | /

ІІ,409 Ph–C–CH₂–Hg + •HgCl₂ Ph–C–CH₂–•HgCl + ClHg•

| \ | \

Me H Me H

Ще одною вказівкою на фронтальну атаку є те, що електрофільне заміщення другого порядку дуже легко проходить в атомів вуглецю в голові моста мостикових систем (наприклад, 2,2,2 системи, 3,3,1 системи), тоді як реакції нуклеофільного заміщення з такими системами проходять дуже важко, так як в такому випадку реакція повинна проходити при атаці з тилу. Прикладом служить також неопентил (2,2-диметилпропіл) в якості субстрату: оскільки атака з тилу тут блокована, реакції по механізму Sn₂ проходять винятково повільно. Той факт, що реакція електрофільного заміщення в неопентильній системі тільки дещо повільніші ніж в етильній, також свідчить на користь фронтальної атаки.

Було проведено експеримент, коли оптично активний втор-бутилмеркурбромід обробляли рацемічним втор-бутилмагнійбромідом. Продуктом реакції виступає ди-втор-бутилртуть, в якої одна втор-бутильна група оптично активна, інша рацемічна. Потім цю сполуку вводили в реакцію з бромідом ртуті (II) і отримували 2 моля втор-бутилмеркурброміду. Припускаючи, що розрив зв’язків між атомом ртуті і кожним із атомів вуглецю рівноймовірний, можна передбачити стереохімію реакції за допомогою аналізу оптичної активності продуктів. Так, у випадку обертання конфігурації сума продуктів повинна представляти собою рацемічну суміш:

_{s rs}

_{місце атаки} RHgX + RHgX

_r ↓ _rs

R––Hg––R

↑ _{r rs}

_{місце атаки} RHgX + RHgX

^{рацемічна суміш}

у випадку збереження конфігурації оптична активність продуктів повинна складати половину величини оптичної активності вихідної сполуки:

_{r rs}

_{місце атаки} RHgX + RHgX

_r ↓ _rs

R––Hg––R

↑ _{r rs}

_{місце атаки} RHgX + RHgX

^{1/2 опт. акт. вих. сполуки}

а у випадку рацемізації оптична активність продуктів повинна складати 1/4 величини оптичної активності вихідної сполуки, під якою розуміють активність втор-бутилмеркурброміду, який використали для синтезу діалкільної сполуки.

_{r rs}

_{місце атаки} RHgX + RHgX

_r ↓ _rs

R––Hg––R

↑ _{r rs}

_{місце атаки} RHgX + RHgX

^{1/4 опт. акт. вих. сполуки}

Реакцію проводили в декількох наборах різних умов, і у всіх випадках оптична активність продуктів складала половину оптичної активності вихідної сполуки, що вказувало на збереження конфігурації. Однак відомі і приклади реакцій, які проходять з оберненням конфігурації, що свідчить про механізм Se₂ (з тилу). Так, реакція оптично активного втор-бутилнеопентилолова з бромом дає обернений втор-бутилбромід:

втор-BuSnR₃ + Br₂ → втор-BuBr (R=неопентил)

Таким чином, в деяких випадках, якщо спостерігається інверсія конфігурації, можна ідентифікувати механізм Se₂ (з тилу), але за допомогою стереохімічних досліджень неможливо відрізнити механізм Se₂ (з фронту) від механізму Se_і, а в багатьох випадках не вдається отримати конфігураційно стабільні субстрати, такі дослідження взагалі непридатні для ідентифікації всіх трьох механізмів другого порядку. Одним з методів, які використовують при спробі відрізнити механізм Se_і від механізмів Se₂, полягає у вивченні впливу солевих ефектів на швидкість реакції. Метод полягає в тому, що підвищення концентрації іонів електроліту, який добавляють в реакційну суміш, сприяє протіканню тих реакцій, при яких нейтральні вихідні молекули отримують заряд в перехідному стані. Тому вплив солевих ефектів на реакції типу Se_і повинні бути менш виражені, ніж на реакції типу Se₂. Так, виявилося, що реакція

R₄Sn + HgX₂ → RHgX + R₃SnX (X=Cl,I)

протікає по механізму Se₂, а не по механізму Se_і.

Механізм Se₁ аналогічний механізму Sn₁ і включає дві стадії: повільну іонізацію і швидку рекомбінацію:

_{повільно}

Стадія 1 R–X R^– + X⁺

_швидко

Стадія 2 R^– + Y⁺ R–Y

Такому механізму повинна відповідати кінетика першого порядку, що підтверджено багатьма прикладами. Докази на користь механізму Se₁ отримані також при вивченні таутомерії, яка каталізується основами. Так, обмін дейтерію в реакції

Me Me

| OD^– |

Et–C–C–Ph + D₂O Et–C–C–Ph

| | | |

H O D O

проходить з тією ж швидкістю, що і рацемізація, і спостерігається ізотопний ефект. Реакції Sn₁ не проходять в атомів вуглецю в голові моста мостикових біциклічних систем, які складаються з малих циклів, оскільки при цьому неможливе утворення плоских карбокатіонів. Але карбоаніони, які нестабілізовані резонансом, необов’язково повинні бути плоскими, тому субстрати такого типу можуть легко вступати в реакції Se₁, що і спостерігається в дійсності.

Питання будови карбоаніонів тісно пов’язані з проблемою стереохімії реакцій Se₁. Якщо карбаніон плоский, в ході реакції повинно мати місце рацемізація; якщо він пірамідальний і здатний утримувати таку форму, реакція повинна проходити зі збереженням конфігурації. Але, якщо пірамідальний карбаніон змінює свою форму, наприклад зазнає інверсії, як аміни, реакція також буде супроводжуватися рацемізацією. На жаль, вивченню підлягають тільки ті карбаніони, які стабілізовані резонансом і тому є плоскими. Так, головний підхід до визначення структури простих алкільних карбаніонів полягає у вивченні стереохімії реакції Se₁. Знайдено, що в цих випадках реакції майже завжди супроводжуються рацемізацією, але не відомо, зв’язано це з тим, що карбаніони плоскі, чи пірамідальні карбаніони зазнають швидкої інверсії. У всякому випадку рацемізація проходить незалежно від того, є карбаніон вільним чи симетрично сольватованим.

Зробимо висновки про реакційну здатність в реакціях аліфатичного електрофільного заміщення.

1. Вплив субстрату. Електронодонорні групи понижують, а електроноакцепторні підвищують швидкість реакцій Se₁, що і треба було очікувати, якщо лімітуюча стадія реакції подібна відщепленню протону від кислоти. У випадку механізму Se₂ (з тилу) реакційна здатність алкільних груп аналогічна реакційній здатності їх в реакціях Sn₂ і відповідає ряду: Me > Et > Pr > ізо-Pr > неопентил; це і треба було очікувати, оскільки обидва механізми включають атаку з тилу і однаково чутливі до стеричних затруднень. Дійсно, вказаний порядок реакційної здатності можна розглядати як доказ наявності механізму Se₂ (з тилу) в тих випадках, коли неможливо виконати стехіометричні дослідження.

2. Вплив групи, яка відходить (електрофугу). У випадку механізму Se₁, так і механізму другого порядку, чим більш полярний зв’язок C–X, тим легше відщеплюється електрофуг. Якщо група, що відщеплюється, містить метал, валентність якого перевищує одиницю, на реакцію впливає природа другої групи або груп, які зв’язані з металом. Розглянемо ртуть органічні сполуки RHgQ. Чим більша електровід’ємність замісника Q, тим менша полярність зв’язку Hg–C і, тим менш стабільним буде катіон HgQ⁺, тобто здатність групи HgQ бути електрофугом зменшується.

3. Вплив розчинника. Підвищення полярності розчинника збільшує можливість іонізації в реакціях, які протікають по механізму Se₁ порівняно з реакціями другого порядку, в яких іони участі не приймають.

Розглянемо приклади реакцій, що протікають по механізму аліфатичного електрофільного заміщення. Такі реакції можна класифікувати по групі, яка відщеплюється: водень, метали, галогени, вуглець.

ВОДЕНЬ ЯК ЕЛЕКТРОФІЛ.Обмін водню на дейтерій можна здійснити при обробці кислотами або основами. Реакція обміну використовується головним чином для вияснення питань, які пов’язані з механізмами реакцій, наприклад, для визначення відносної кислотності, а також для синтетичних цілей з метою отримання дейтерованих молекул. Під дією сильних кислот в реакцію обміну вступають тільки достатньо кислі протони, такі як ацетиленові, алільні. Але під дією суперкислот можна здійснити обмін первинних, вторинних і третинних атомів водню в алканах. При цьому порядок реакційної здатності водню змінюється в ряді: третинний > вторинний > первинний. Якщо в молекулі є зв’язок С–С, він також може розщеплюватися. Механізм обміну, на прикладі метану, включає атаку H⁺ по звязку C–H з утворенням п’ятивалентного іону метанонію СН⁵⁺, який втрачає Н₂ і дає трьохвалентний карбокатіон:

H

/

CH₃–H + H⁺ → [ H₃C ]⁺ → CH₃⁺ + H₂

\

H

Невідомо, метаноній є перехідним станом чи інтермедіатом, але він був зафіксований в мас-спектрах. Метил-катіон може зворотньо перетворюватися в метан, що приводить до обміну водню, або може реагувати з іншою молекулою метану з утворенням трет-бутилкатіону, який достатньо стабільний в розчинах суперкислот. Під дією чистого SbF₅ і при повній відсутності джерела Н⁺ може також відщеплюватися гідрид-іон від алканів з утворенням трьохвалентних карбокатіонів. Алкани і циклоалкани можна повністю продейтерувати, при обробці їх газоподібним D₂ в присутності каталізаторів (Pt, Rh, Pd).

Обмін з основами проходить по механізму Se₁:

Стадія 1 R–H + B^– → R^– + BH

Стадія 2 R^– + BD → RD + Β^–

Такий обмін легше здійснюється у випадку відносно кислих протонів, наприклад протонів в α-положенні до карбонільної групи, але навіть слабокислі протони можуть вступати в реакцію обміну з основами, якщо ці основи достатньо сильні.

МІГРАЦІЯ ПОДВІЙНИХ ЗВ’ЯЗКІВ.Подвійні зв’язки в багатьох ненасичених сполуках зазнають зсуву під дією сильних основ. При цьому частіше всього отримують рівноважні суміші з більшим вмістом термодинамічно стабільніших ізомерів. Міграції сприяє можливість утворення спряжених систем подвійних зв’язків або спряження з ароматичною системою. При відсутності вказаних умов діє правило Зайцева і подвійний зв’язок мігрує до того атома вуглецю, який містить найменшу кількість атомів водню. Це дає можливість передбачити, що олефіни з кінцевим подвійним зв’язком можуть ізомеризуватися в олефіни з некінцевим подвійним зв’язком, неспряжені олефіни в спряжені.

Реакції, які носять назву прототропних перегрупувань, служать прикладом електрофільного заміщення, яке супроводжується алільним перегрупуванням. Її механізм полягає у відриві протону основою з утворенням резонансно стабілізованого карбаніона, який взаємодіє з протоном по тому положенню, яке приводить до утворення більш стабільного олефіну:

__ __

Стадія 1 R–CH₂–CH=CH₂ + B → [R–CH–CH=CH₂ == R–CH=CH–CH₂ ] + BH⁺

HB⁺

Стадія 2 [ ] R–CH=CH–CH₂ + B

Потрійний зв’язок також може піддаватися міграції в присутності основ, але через утворення алленового інтермедіата:

R–CH₂–C≡CH → R–CH=C=CH₂ → R–C≡C–CH₃

Як правило, під дією сильних основ, таких як NaNH₂, алкіни з некінцевим потрійним зв’язком перетворюються в алкіни з кінцевим потрійним зв’язком. В присутності більш слабких основ, таких як NaOH, переважають більш термодинамічно стабільні алкіни з некінцевим потрійним зв’язком. Іноді реакцію вдається зупинити на стадії утворення аллену, що дозволяє використовувати цю реакцію в препаративних цілях.

Перегрупування подвійних зв’язків також може проходити під дією кислот. В цьому випадку спочатку має місце захоплення протону з утворенням карбокатіону, і наступний відрив протону. Якщо в ненасиченій молекулі міститься гідроксильна група, вона може втрачати протон, що приводить до утворення кетону, наприклад в присутності поліфосфорної кислоти має місце реакція:

R₂C=CHCH₂CH₂CHOHCH₃ → R₂CHCH₂CH₂CH₂COCH₃

КЕТО-ЕНОЛЬНА ТАУТОМЕРІЯ.Таутомерна рівновага між енолами і кетонами звичайно не розглядають як препаративну реакцію, хоч деякі кетони вдається отримати в обидвох формах. Для більшості кетонів і альдегідів можна зафіксувати тільки кето-форму, хоч рівновага повинна встановлюватися, так як альдегіди і кетони часто реагують через енольні форми.

І для прямої і для зворотньої реакції потрібні хоча б сліди кислоти або основи, що виключає прямий зсув протону від вуглецю до кисню або навпаки. В умовах каталізу кислотою механізм реакції можна подати схемою:

H⁺

R–CH₂–C–R' → R–CH₂–C⁺–R' → R–CH=C–R'

|| | -H⁺ |

O OH OH

В умовах каталізу основами:

B _

R–CH₂–C–R' → [R–^–CH–C–R' → R–CH=C–R'] → R–CH=C–R'

|| || | |

O O O^– OH

Для обидвох типів каталізу реакції в прямому і зворотньому напрямку ідуть через одинакові інтермедіати, що відповідає принципу мікроскопічної зворотності. Як і очікується від механізму, при якому С–Н розривається на лімітуючій стадії, субстрати типу RCD₂COR проявляють ізотопні ефекти дейтерію (величиною біля 5) у випадку обох каталізаторів.

Хоча перетворення альдегіду або кетону в енольний таутомер звичайно не вдається використати для синтетичних цілей, ці реакції мають препаративні аспекти. Так, при дії моля основи на моль кетону утворюється енолят-іон, який можна виділити. При гідролізі простих або складних енолефірів еноли, які утворилися спочатку, відразу таутомеризуються в альдегіди або кетони.

ГАЛОГЕНИ ЯК ЕЛЕКТРОФІЛИ.Під дією брому, хлору або йоду альдегіди або кетони піддаються галогенуванню в α-положення. Під дією фтору дана реакція не відбувається, але активні сполуки, наприклад β-кетоефіри і β-дикетони, вдається профторувати XeF₂ в присутності іонообмінних смол. В якості хлоруючого агента використовують сульфурилхлорид, гексахлоро-2,4-циклогексадієн і хлорид міді (II), для бромування використовують N-бромсукцинімід.

У випадку несиметричних кетонів галогенуванню в першу чергу піддається група СН, потім група СН₂, а потім СН₃, але часто отримують суміші продуктів. В умовах каталізу основами, одне α-положення кетону повністю галогенується до того, як інше положення піддається атаці, і реакцію не вдається зупинити до того часу, поки всі атоми водню біля першого вуглецю не будуть заміщені. В умовах каталізу кислотами реакцію легко зупинити після введення одного атома галогену, але другий атом галогену можна ввести, використовуючи надлишок реагента. При бромуванні спочатку утворюється α,α-дигалогенкетон, який в умовах реакції ізомеризується в α,α'-ізомер.

Галогенуванню піддаються не самі альдегіди і кетони, а відповідні еноли або енолят-іони. Завдання каталізатора полягає в забезпеченні утворення енолу або еноляту. Для цього достатньо слідів основи або кислоти. ОН

_H+ /

Стадія 1 R₂CH–CО–R' R₂C=C–R'

^{повільно}

Стадія 2 R₂C=C–R' + Br–Br → R₂C–C⁺–R' + Br ^–

| | |

OH Br OH

Стадія 3 R₂C–C⁺–R' → R₂C–C–R'

| \ | |

Br OH Br O

Доказами такого механізму є: кінетика першого порядку по відношенню до субстрату; у виразі швидкості реакції бром взагалі не фігурує; в однакових умовах швидкість реакції однакова для хлорування, бромування і йодування; при реакції спостерігається ізотопний ефект.

В умовах основного каталізу реакція може йти прямо через енолят-іон:

OH^–

Стадія 1 R₂CH–C–R' → R₂C=C–R'

|| |

O O^–

Стадія 2 R₂C=C–R' + Br–Br → R₂C–C–R' + Br^–

| \ \

O^– Br O

Введення електроноакцепторного атома брому підвищує кислотність інших атомів водню, тому в умовах основного каталізу не вдається зупинити реакцію після першого заміщення.

ГАЛОГЕНУВАННЯ КАРБОНОВИХ КИСЛОТ.α-Водень в карбонових кислотах можна замістити на бром або хлор, використовуючи як каталізатор галогеніди фосфору. Ця реакція носить назву Гелля-Фольгарда-Зелінського. З йодом і фтором ця реакція не йде. Якщо в α-положенні є два атома водню, заміщенню піддається один або два атоми; правда іноді важко зупинити реакцію на стадії заміщення першого водню. В дійсності реакція проходить не з кислотою, а з ацилгалогенідом, який утворюється по реакції кислоти з каталізатором. Для реакції необхідно менше одного моля каталізатора на моль субстрату, оскільки проходить реакція обміну між кислотою і ацилгалогенідом. Кожна молекула кислоти піддається α-галогенуванню на стадії утворення ацилгалогеніду і галоген каталізатора не попадає в α-положення. Наприклад, якщо при хлоруванні використовувати як каталізатор PBr₃, має місце утворення α-хлор-похідного. Самі ж ацилгалогеніди піддаються галогенуванню при відсутності каталізатора. Це ж відноситься до ангідридів карбонових кислот і до інших похідних, які легко енолізуються, наприклад малоновому ефіру, аліфатичним нітропохідним. Вважається, що реакція проходить через утворення енолу. При використанні в якості каталізатора хлорсульфонової кислоти карбонові кислоти піддаються також α-йодуванню.

Читайте також:

1. АЦИЛЮВАННЯ ПО АЛІФАТИЧНОМУ АТОМІ ВУГЛЕЦЮ.
2. Взаємне заміщення аміно- і гідроксисполук
3. Вимірювання опорів методом заміщення
4. Дія ефектів доходу та заміщення
5. ЕЛЕКТРОФІЛЬНЕ ЗАМІЩЕННЯ В АРОМАТИЧНИХ СИСТЕМАХ.
6. Ефект доходу та ефект заміщення
7. Ефект доходу та ефект заміщення.
8. Ефект доходу та ефект заміщення. Парадокс Гіффена
9. Ефект заміщення й ефект доходу
10. Заміщення атому галогену іншими замісниками.
11. Заміщення сульфогрупи гідроксильною групою і іншими замісниками

Переглядів: 1815