Новини освіти і науки:

G+

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

НУКЛЕОФІЛЬНЕ ЗАМІЩЕННЯ В АРОМАТИЧНИХ СИСТЕМАХ.

Оскільки типові реакції електрофільного заміщення в ароматичних системах визначаються наявністю π-електронної хмари, можна очікувати, що в присутності сильних електроноакцепторних замісників, які відтягують електронну густину, робить можливою атаку кільця нуклеофілом. Дійсно при сплавленні нітробензолу з поташем на повітрі утворюється о-нітрофенол.

^H_{OH -H}^– _OH

^NO₂ ^NO₂^NO₂

Нітрогрупа здатна стабілізувати від’ємно заряджений проміжний комплекс і, що більш важно, перехідний стан, для якого ця структура служить моделлю. Така стабілізація буде мати місце при умові, якщо іон гідроксилу приєднується в орто- або пара-положеннях і буде відсутня у випадку мета-приєднання. Незважаючи на розміри сусідньої нітрогрупи, перевага надається атаці в орто-положення, оскільки індукційний ефект нітрогрупи краще проявляється на незначній віддалі.

Якщо утворився проміжний комплекс, то він може відщеплювати або гідроксид-аніон або гідрид-аніон, з утворенням кінцевого продукту реакції. Для того щоб змістити рівновагу вправо, необхідно ввести в реакційне середовище окислювач, який би сприяв відщепленню гідрид аніону і зв’язував його після відщеплення. Тому вказану реакцію доцільно проводити в присутності окислювача, можна кисню повітря. При відсутності окислювачів при високій температурі сам нітробензол може діяти як окислювач, з переходом його в азоксибензол, що відповідно знижує вихід цільового продукту. Класичним прикладом нуклеофільного заміщення є реакція Чичибабіна (взаємодія піридину з амідом натрію). При цьому утворюється α-амінопіридин.

_ _

NH₂- H NH₃ + NH₂ + H₂

NH₂ NH₂

N N N

Ці перетворення аналогічні реакціям Sn₂, різниця полягає в тому, що нуклеофільна атака атома вуглецю здійснюється не “ззаду”, а “збоку”. Вони відрізняються також тим, що атом по якому проходить атака ні в якому перехідному стані не зв’язується більше ніж з чотирма іншими атомами. Тому для ароматичного нуклеофільного заміщення запропоновано ввести спеціальний символ Sn_{2аромат}.

Реакції нуклеофільного заміщення в ароматичних сполуках більш характерні для заміщення неводневих атомів і групи, що відщеплюються, відділяються легше ніж гідрид-аніон. Таке заміщення може протікати як по механізму Sn₁, так і Sn_{2аромат}.

Класичним прикладом реакції, що протікає по механізму Sn₁, є заміщення в солях діазонію:

_{повільно} + H₂O → ArOH + H⁺

ArN₂ Ar⁺ → + MeOH → ArOMe + H⁺

^-N₂ + I^– → ArI

Лімітуючою стадією в цій реакції є відщеплення азоту від діазоній-катіону, з наступною швидкою реакцією між арил-катіоном і нуклеофілом, яка не залежить від концентрації нуклеофілу. Більша кількість реакцій перетворень солей дiазонiю, особливо в слабополярних розчинниках, однак протікає по радикальному механізму.

Найбільш простим прикладом реакції, яка протікає по механізму Sn₂ є реакція заміщення активованого атома галогену:

Сl Cl OEt OEt

EtO^– - -Cl^–

NO₂ NO₂ NO₂

Кінетичні дослідження таких реакцій свідчать про те, що вони дійсно протікають по бімолекулярному механізму. На відміну від бімолекулярного заміщення в аліфатичних сполуках, коли зв’язок з групою, що відривається, розщеплюється одночасно з утворенням нового зв’язку, для ароматичних сполук характерне дійсне утворення проміжної сполуки. Про це свідчить факт, що хлориди і броміди реагують практично з однією і тією ж швидкістю. Якщо б лімітуючою стадією було розщеплення зв’язку вуглець-галоген, тоді б очевидно, для хлорзаміщених реакція повинна протікати повільніше, ніж для бромзаміщених, оскільки зв’язок вуглець-хлор розірвати важче, ніж зв’язок вуглець-бром.

Факт утворення проміжної сполуки вдалося підтвердити експериментально – при дії EtO^– на 2,4,6-тринітроанізол і при дії MeO^– на 2,4,6-тринітрофенетол було виділено один і той же продукт

OMe MeO OEt OEt

O₂N N₂O O₂N N₂O O₂N N₂O

EtO^– - MeO^–

H⁺ H⁺

NO₂ NO₂ NO₂

Було показано також, що при підкисленні реакційної суміші в кожній з цих реакцій утворюються однакові кількості метокси- і етоксипохідного.

Таким чином, існують реакції нуклеофільного заміщення, в яких зв’язок зі “старою” групою розривається:

– до того як утворюється зв’язок з "новою" групою (Sn₁);

– одночасно з утворенням зв’язку з новою групою (Sn₂);

– після того як утворився новий зв’язок (Sn_аромат).

Аналогічно протікають реакції лужної або ціанідної плавки, заміщення –NR₂ в п-нітрозо-N,N-диалкіланілінах.

Причиною активуючої дії електроноакцепторних зв’язків, особливо нітрогрупи, є те, що на атоми галогену, які зв’язані з кільцем, є їх здатність стабілізувати проміжну структуру за рахунок делокалізації негативного заряду. Виходячи з цього можна очікувати, що нітрогрупа буде особливо ефективно впливати при орто-пара-заміщенні, оскільки при мета заміщенні нітрогрупа делокалізує заряд тільки за рахунок індукційного ефекту. Дійсно у випадку тринітрохлорбензолу, нітрогрупи що знаходяться в 2,4,6 положеннях настільки активують атом галогену, що він може заміщатися і при низьких температурах, тобто він веде себе як хлорангідрид.

Для того щоб нітрогрупа ефективно впливала на делокалізацію заряду, вона повинна знаходитися в площині ароматичного ядра. Для цього атоми кисню нітрогрупи теж повинні знаходитись в площині ядра. Якщо ж стеричні фактори виводять нітрогрупу з площини ядра, тоді вплив такої групи на делокалізацію заряду значно менший. Так, при введенні до нітрогрупи в 2 і 6 положення об’ємних груп, як у випадку 2,6-диметил-4-бромнітробензолі, заміна брому відбувається набагато важче.

При відсутності електроноакцепторних замісників заміщення галогенів на гідроксильну групу відбувається тільки при високих температурах. Це пов’язано з відсутністю делокалізації негативного заряду. Цікавим є факт, що в диметилсульфоксі реакція хлорбензолу з алкоксигрупою протікає значно легше, ніж в гідроксильних розчинниках. Це може бути пов’язано з тим, що алкоксигрупа в гідроксильних розчинниках сильно стабілізована за рахунок утворення водневих зв’язків, що приводить до значного падіння її активності.

Так як реакції нуклеофільного заміщення в неактивованих ароматичних системах проводять при високих температурах має місце утворення не тільки прямого продукту заміщення, але і утворення ізомерів. Так, у випадку заміщення галогену в п-хлортолуолі має місце утворення не тільки пара-, але й мета-крезолу, причому орто-ізомер відсутній. Утворення таких продуктів можна пояснити наступним чином, що гідроксид-аніон атакує більш активний орто-водень по відношенню до галогену і відриває його. Наступною стадією є відрив галогенід-аніона з утворенням дигідробензолу (бензину), до якого і йде приєднання гідрид-аніону або гідроксильної групи.

КАРБОНІЄВІ ІОНИ ТА ЇХ РЕАКЦІЇ.

В багатьох реакціях вказувалось на можливість утворення проміжних сполук у вигляді карбонієвих іонів. Утворення таких іонів відіграє важливу роль в багатьох хімічних процесах. Такі катіони можуть утворюватися по слідуючих схемах реакцій:

Me₃CCl → Me₃C⁺ + Cl^–

PhCH₂Cl → PhCH₂⁺ + Cl^–

CH₂=CHCH₂Cl → CH₂=CHCH₂⁺ + Cl^–

MeOCH₂Cl → MeOCH₂⁺ + Cl^–

Необхідно підкреслити, що для утворення карбонієвих іонів звичайно необхідне сильно полярне середовище, яке сприяє сольватації катіонів. Карбонієвий іон може утворюватися в результаті приєднання протону по ненасиченому зв’язку, як це має місце при гідратації олефінів, яка каталізується кислотами:

_H⁺ ^H₂^O | _-H⁺ |

–CH=CH– ↔ –CH₂–CH⁺– ↔ –CH₂–CH–⁺OH₂ ↔ –CH₂–CH–OH

Ця реакція зворотня і навіть частіше використовується якраз реакція дегідратації спиртів під дією кислот з утворенням олефінів. Протон може приєднуватися не тільки по подвійному вуглець-вуглецевому зв’язку, але і по інших подвійних зв’язках, наприклад, альдегідів або кетонів.

| _+H⁺ | _+Y^– \ /

–C=O ↔ –C⁺–OH ↔ Y–C–OH

Приєднання протона до зв’язку С=О приводить до утворення позитивно зарядженого атома вуглецю, який атакує аніон. Підтвердженням такого протонування є факт подвійної температурної депресії при розчиненні кетона в сірчаній кислоті:

| |

–C=O + H₂SO₄ ↔ –C⁺–OH + HSO₄^–

Аналогічно взаємодіють кетони із кислотами Льюїса:

| |

–C=O + AlCl₃ ↔ –C⁺–O–^–AlCl₃

Карбонієві іони можуть утворюватися і при протонуванні атомів, які мають неподілені пари електронів:

R–O–H + H⁺ ↔ R–⁺OH–H ↔ R⁺ + H₂O

Карбонієві іони можуть утворюватися і при розкладі діазосполук:

R–N₂⁺ ↔ R⁺ + N₂

Основним фактором, який зумовлює стабільність карбокатіона, є можливість делокалізації заряду. Чим в більшій мірі позитивний заряд може бути розпреділений між сусідніми атомами, тим більш стабільним є іон. Особливо ефективною є делокалізація позитивного заряду за участю π-орбіталей ароматичної системи або подвійного зв’язку.

Карбонієві іони можуть приймати участь в реакціях трьох типів:

а) взаємодія з нуклеофілом;

б) відщеплення протону;

в) перегрупування структури.

Реакція (в) приводить до утворення нового карбкатіона, який буде вступати в реакції (а) і (б). Прикладом таких перетворень можуть бути реакції перетворення пропіл-катіону, який отримують при розкладі діазотованого пропіламіну:

MeCH₂CH₂NH₂ → MeCH₂CH₂N₂⁺ → MeCH₂⁺CH₂

→ MeCH₂CH₂OH + H⁺

^H₂^O

MeCH₂CH₂⁺ → → MeCH=CH₂

-H⁺ ОН

в ↑б а |

→ MeC⁺HCH₃ → MeCHCH₃ + H⁺

н-Пропільний катіон може реагувати по трьох напрямках з утворенням первинного спирту, пропену, або ізомеризуватися з подальшим утворенням вторинного спирту і того пропену. В типових умовах реакції було зафіксовано утворення 7% пропанолу-1, 28% пропілену і 32% пропанолу-2. Більш висока стабільність ізопропіл-катіону порівняно з катіоном н-пропілу приводить до утворення з більшим виходом вторинного спирту. Крім того пропіл-катіон може реагувати з нітрит-аніоном і хлор-аніоном, які присутні в реакційній масі, з утворенням відповідно первинних і вторинних нітро- і хлорпохідних.

Перегрупування карбонієвих іонів можна розділити на два типи: перегрупування зі зміною і без зміни вуглецевого скелету.

Прикладом реакції, яка проходить без зміни вуглецевого скелету є алільне перегрупування. Наприклад при сольволізі 3-хлорбутена-1 в етанолі по механізму Sn1 має місце утворення карбкатіона і наступна атака етанолом може проходити по атомах С-1 або С-3 з утворенням двох різних етоксипохідних.

OEt

Cl Me–⁺CH–CH=CH₂ Me–CH–CH=CH₂

| -Cl^– +EtOH

Me–CH–CH=CH₂↔ ↔

Me–CH=CH–⁺CH₂ -H⁺ Me–CH=CH–CH₂OEt

Але, якщо проводити реакцію в етанолі в присутності сильних нуклеофільних реагентів, наприклад, етилат-іона, тоді має місце пряме заміщення по механізму Sn2. При цьому хлор заміщується на етоксигрупу і утворюється тільки один продукт заміщення.

Однак в процесі реакцій заміщення спостерігаються алільні перегрупування, які безперечно здійснюються по бімолекулярному механізму. Ці реакції позначаються як Sn2 і протікають по схемі:

| -Cl^–

Y^– + CH₂=CH–CH–Cl → Y–CH₂–CH=CH–R

Реакції Sn2 особливо легко проходять в тих випадках, коли біля α-вуглецевого атому є об’ємні замісники, які сильно сповільнюють реакцію прямого заміщення по нормальному механізму Sn2.

Прикладом реакції перегрупування зі зміною вуглецевого скелета є неопентильне перегрупування. Вихідним продуктом виступає хлористий неопентил (2,2-диметилхлорпропан), який в умовах сприятливих для реакції по механізму Sn1, дає трет-аміловий спирт (2-метилбутанол-2), замість очікуваного 2,2-диметилпропанолу. Це викликано тим, що карбокатіон, який утворюється спочатку (первинний), перегруповується в третинний:

Me Me Me Me Me

| | | | |

Me–C–CH₂Cl → Me–C–⁺CH₂ → Me–C₊–CH₂–Me → Me–C–CH₂–Me + C=CH–Me

| | | |

Me Me OH Me

Як домішку в даному випадку виявлено утворення 2-метилбутена-2. З цього прикладу видно, що третинний іон настільки стабільніший від первинного, що його утворення робить вигідним навіть розрив вуглець-вуглецевого зв’язку і міграцію метильної групи. Реакції такого типу носять назву перегрупувань Вагнера-Меєрвейна. Якщо ж проводити реакцію в умовах реакцій по механізму Sn2, тоді перегрупуванню можна запобігти, але реакція протікає дуже повільно.

З можливістю подібного чину перегрупувань необхідно рахуватись при інтерпретації реакції, які здавалось б протікають однозначно. Деякі реакції подібного типу протікають дуже складно, що приводить до значної трудності передбачення структури кінцевих продуктів.

Перегрупування типу Вагнера-Меєрвейна знаходить застосування при отримані високооктанових бензинів при крекінгу вуглеводнів нафти. В таких процесах доцільно використовувати каталізатори типу кислот Льюїса. Такі каталізатори генерують утворення карбокатіонів з вуглеводнів з прямим ланцюгом, які надалі ізомеризуються в розгалужені структури. Зрозуміло, що при високотемпературному крекінгу має місце і розщеплення ланцюга, але ізомеризація відіграє вирішальну роль.

Ще одним прикладом реакції, яка протікає зі зміною вуглецевого скелета є т.з. пінаколінове перегрупування пінакона в пінаколін, яке протікає при каталітичній дії кислот.

Me Me Me Me Me Me Me

| | _+H⁺ | | ^-H₂^O | | _-H⁺ |

Me–C–C–Me ↔ Me–C–C–Me ↔ Me–C–⁺C–Me → Me–C⁺–C–Me ↔ Me–C–C–Me

| | | \ | | | | || |

HO OH HO ⁺OH₂ HO Me HO Me O Me

Перегрупування одного третинного карбкатіона в інший пояснюється, ймовірно, стабілізацією другого карбкатіона за рахунок делокалізації за участю пари електронів кисню, а також легкістю виривання протону з утворенням стабільного кінцевого продукту.

Перегрупування Вольфа включає відщеплення азоту від α-діазокетонів з наступним перегрупуванням, яке приводить до утворення реакційноздатних кетенів:

R R R

| ^Ag₂^O^(-N₂⁾ | |

O=C–^–CH–N⁺≡N O=C–HC: O=C=CH

Проміжна сполука має назву карбена і є електронодефіцитною сполукою, в якій R мігрує разом з електронами. Діазокетони можуть бути легко отримані по реакції між діазометаном і хлорангідридом кислоти, а кетен легко приєднує воду з утворенням нової кислоти, яка має на один атом вуглецю більше (метод Арндта-Ейстерта). Якщо проводити реакцію не у воді, а у аміаці або спирті, можна напряму отримувати амід або ефір відповідної кислоти.

Всі розглянуті перегрупування мають одну загальну рису, коли міграція алкільної групи зі своєю парою електронів проходить в напрямку атому вуглецю, який є електронодефіцитним. Електронодефіцитним є і атом азоту в групах R₂N⁺ або RN. Тому можна очікувати, що атоми азоту в сполуках такого типу мають здатність викликати міграцію на себе, як і у випадку R₃C⁺ або R₂C.

Типовим прикладом такої реакції є перетворення аміду в анін під дією гіпоброміту в лужному середовищі з втратою одного атому вуглецю (реакція Гофмана).

R R R R R O R OH

| _BrO^– | _OH^– | | | || ^H₂^O | | _OH^–

C=O → C=O → C=O → C=O → :N–⁺C=O → R–N=C → NH–C=O → RNH₂ + HCO₃^–

| | | |

NH₂ Br–N–H Br–N^– :N:

Сполука (4) має електронодефіцитний атом азоту, який відповідає електронодефіцитному атому вуглецю в карбені, який утворюється при перегрупуванні Вольфа. Реакція Гофмана завершується гідратацією ізоціанату, яка приводить до карбамінової кислоти, що легко декарбоксилюється з утворенням аміну. При певних умовах проведення реакції вдається виділити бромамід і ізоціанат. Лімітуючою стадією реакції є відщеплення Br ^–, але, можливо, відщеплення Br ^– і міграція R проходять одночасно, тобто механізм реакції внутрішньомолекулярне заміщення по механізму Sn2. Тому можна очікувати, що чим більше електронодонорний R, тим вищою повинна бути швидкість реакції.

Подібними до реакції Гофмана є реакції Курциуса (деградація азидів кислот) і реакція Лоссена (розклад гідроксамових кислот).

H R R R H

HON–C=O EtO–C=O O=C–N–NH₂

_OH^– _нагрів ^HCl ^NaNO₂

HO–^–N–C=O R–C=O O=C–N^––N≡N

| / ^-NH₂ |

R :N: R

O=C=N–R

Реакцію Лоссена звичайно проводять не з вільними гідроксамовими кислотами, а їх О-ацильними похідними, що забезпечує більш високі виходи цільового продукту. Механізм реакції залишається без змін, тільки відщеплюється не ОН-, а RCOO-. В реакції Курциуса азиди утворюються при дії на гідразид нітриту натрію в кислому середовищі. Якщо проводити реакцію в середовищі спирту, тоді кінцевим продуктом будуть уретани:

R–N=C=O + R′OH → R–NHCOOR′

Існує ряд перегрупувань коли група R переходить від вуглецю до азоту. Прикладом такої реакції є перегрупування Бекмана, коли оксими кетонів перетворюються в N-заміщені аміди:

R′RC=N–OH → R′–CO–NHR

Така реакція каталізується кислотними агентами (кислотами їх окислами, ангідридами і хлорангідридами). З альдоксимами реакція найкраще проходить в присутності поліфосфорної кислоти. Було показано, що практично завжди мігрує група, яка знаходить в транс-положенні.

Вважається, що перегрупування проходить наступним чином:

R R R R H₂O⁺ R HO R O

| _+H⁺ | ^-H₂^O | | ^+H₂^O | / _-H⁺ | | ||

C=N → C=N → C=N⁺ → ⁺C=N → C=N → C=N → R′–C–NHR

| | | \ | | | |

R′ OH R′ ⁺OH₂ R′ R′ R′ R′

В сильних кислотах перегрупування протікає по шляху протонування оксима з наступним відщепленням молекули води. В той же час під дією хлорангідридів кислот утворюється ацильне похідне, яке відщеплює гідроксид-аніон і дає ту саму проміжну сполуку.

Алкільна група може також мігрувати і до електронодефіцитного атому кисню, прикладом такої реакції є окислення кетонів по Байєру-Віллігеру. Реакція полягає в окисленні кетонів перекисом водню або органічними перкислотами, яке приводить до утворення складних ефірів.

O O

|| ^H₂^O₂ ||

R–C–R → R–C–OR

Показано, що лімітуючою стадією реакції є приєднання перкислоти до кетону, яке каталізується кислотою. Реакція протікає по наступній схемі:

O OH OH OH O–H O

|| _H⁺ | _R′COOOH | _-R′COO^– | | ||

R–C–R R–C₊–R R–C–R R–C–R R–C⁺ R–C–OR

_-H⁺ | | |

O–O–R′C=O O⁺ O–R

Початковий продукт приєднання легко втрачає аніон і після міграції одної алкільної групи разом з парою електронів утворює протоновану форму складного ефіру. Вказаний механізм підтверджено використанням мітки ¹⁸О, згідно яким карбонільний кисень вихідного кетону виявляють в карбонільній групі кінцевого ефіру. Показано також, що алкільна група, яка мігрує, зберігає свою конфігурацію.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
АЦИЛЮВАННЯ ПО АЛІФАТИЧНОМУ АТОМІ ВУГЛЕЦЮ.	\|	ПРИЄДНАННЯ ПО ПОДВІЙНОМУ ВУГЛЕЦЬ-ВУГЛЕЦЕВОМУ ЗВ'ЯЗКУ.

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.018 сек.