• 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

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^{+ H}₂^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

a

→ MeCH₂CH₂OH + H⁺

^H₂^O

б

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:

R

| -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 (-N}₂⁾ | |

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

| | ^NH₂^OH | | |

HON–C=O EtO–C=O O=C–N–NH₂

_OH^– _нагрів ^{HCl NaNO}₂

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:

1. Автоматизація водорозподілу на відкритих зрошувальних системах. Методи керування водорозподілом. Вимірювання рівня води. Вимірювання витрати.
2. Взаємне заміщення аміно- і гідроксисполук
3. Вимірювання опорів методом заміщення
4. Витрати тиску в системах.
5. Втрати тиску в системах.
6. Дія ефектів доходу та заміщення
7. ЕЛЕКТРОФІЛЬНЕ ЗАМІЩЕННЯ В АЛІФАТИЧНОМУ РЯДІ.
8. ЕЛЕКТРОФІЛЬНЕ ЗАМІЩЕННЯ В АРОМАТИЧНИХ СИСТЕМАХ.
9. Ефект доходу та ефект заміщення
10. Ефект доходу та ефект заміщення.
11. Ефект доходу та ефект заміщення. Парадокс Гіффена
12. Ефект заміщення й ефект доходу

Переглядів: 1775