5. Основные закономерности, определяющие реакционную способность органических соединений

К настоящему времени известно около 20 миллионов органических соединений, десятки тысяч органических реакций; естественно, ориентироваться в этом многообразии можно только на основе достаточно четких общих принципов и закономерностей. Перед изучающим органическую химию и тем более перед исследователем в этой области всегда стоят по крайней мере три задачи: 1. Объяснить полученные результаты; 2. Предсказать поведение соединения в ранее не изучавшихся условиях; 3. Спланировать синтез необходимой структуры. При решении этих проблем необходимо учитывать, что даже не очень сложное по структуре органическое соединение может в одних и тех же условиях вступать в разные реакции, а в рамках даже одной реакции давать разные продукты. Поэтому необходимо учитывать реакционную способность (активность) соединений и селективность реакций. Это можно проиллюстрировать на простом примере: реакции 2-бромбутана с гидроксидом натрия в растворе:

Здесь возможно протекание двух разных, конкурирующих между собой реакций: замещения атома брома на гидроксигруппу c образованием спирта (путь 1) или отщепления HBr (дегидробромирования) с образованием алкена (путь 2). Необходимо оценить конкурентное соотношение этих реакций и направить реакцию преимущественно или исключительно по одному из путей.

В случае отщепления (элиминирования) возможны два варианта протекания реакции: с отрывом водорода из положения 1 и образованием бутена-1 и с отрывом водорода из положения 3 с образованием бутена-2. Возникает вопрос о том, равновероятны ли оба этих варианта или один из них предпочтителен; иначе говоря, возникает вопрос о региоселективности и регионаправленности реакции. Реакцию называют региоселективной, если химические изменения происходят преимущественно при одном из нескольких возможных положений; если же изменения происходят только при одном из возможных положений, реакция называется полностью региоселективной. Регионаправленность – это просто указание на тот центр, при котором преимущественно или исключительно происходят превращения. В приведенном выше случае отщепления HBr реакция является региоселективной – преимущественно образуется бутен-2, т.е. регионаправленность реакции такова, что атом водорода преимущественно отщепляется из положения 3.

Кроме рассмотренных выше структурных проблем, возникают также проблемы стереохимические. А. При образовании бутена-2 возможно образование как цис-, так и транс-изомеров (Z- или Е-); Б. Если реакция идет по пути 1, т.е. с замещением атома брома на гидрокси-группу, и использовался оптически активный 2-бромбутан (т.е. один из энантиомеров, допустим с S-конфигурацией при С²), то возможно три варианта: получившийся спирт может иметь ту же (S-) конфигурацию (сохранение конфигурации) или противоположную (R-) конфигурацию (обращение конфигурации) или образуется рацемат (рацемиз ация, потеря оптической активности).

Аналогично предыдущему, введем понятие стереоселективности. Реакцию называют стереоселективной, если в ее результате образуется преимущественно один из двух или более стереоизомеров; если образуется только один стереоизомер, то реакция называется полностью стереоселективной. Из приведенных выше трех вариантов замены брома на гидроксигруппу рацемизация была бы примером нестереоселективной реакции, а два других варианта – примерами стереоселективной реакции.

Реально при образовании бутена-2 реакция стереоселективна – образуется преимущественно транс-изомер; при замещении брома на гидроксигруппу реакция обычно тоже стереоселективна – происходит преимущественно обращение конфигурации.

В более сложных структурах приведенные здесь проблемы проявляются еще более многообразно. Особенно важно решение этих проблем при синтезе сложных органических молекул, в частности, при целенаправленном синтезе заданных структур (например, природных биологически активных соединений); здесь исключительно важна разработка регио- и особенно стереоселективных методов синтеза, потому что биологическая активность соединений резко меняется при любом изменении структуры или пространственной конфигурации молекул. Успех здесь возможен только на базе корректных теоретических представлений о строении органических соединений и их химическом поведении. К настоящему времени сформулированы достаточно надежные качественные представления, а также разработаны методы количественных квантово-химических расчетов. В основу данного курса взяты качественные закономерности строения и реакционной способности органических соединений.

5.1. Протекание органических реакций; переходные состояния, интермедиаты

В ходе любой, в том числе и органической, реакции происходит разрыв и/или образование химических связей, изменяются взаимное положение атомов, длины химических связей, величины валентных углов. При этом изменяется энергия реагирующей системы; в огромном большинстве случаев в ходе реакции энергия системы повышается, и для того, чтобы реакция могла пройти, система должна преодолеть определенный энергетический барьер.

Реакция может идти в одну стадию или протекать в две и большее число стадий. Изменение энергии в ходе одностадийной реакции (энергетический профиль одностадийной реакции) можно представить в виде графика зависимости энергии Гиббса системы от координаты реакции:

[Координата реакции – величина, характеризующая степень завершенности реакции (например, длина связи, разрывающейся или образующейся в ходе реакции, величина валентного угла или просто время протекания реакции)].

Энергия системы проходит через максимум; в точке максимума реагирующая система называется переходным состоянием (активированным комплексом). Система в этом состоянии наименее устойчива; время жизни переходного состояния исчезающе мало ( 10^-12 с), система практически мгновенно «скатывается» либо обратно к исходному состоянию, либо вперед, с образованием продукта реакции.

Для характеристики реакции важное значение имеют две величины:

1. G – разница энергий исходных продуктов (А) и конечных продуктов (В); эта величина характеризует сравнительную устойчивость соединений. Величина G определяет состояние равновесия реакции (если G0, равновесие сдвинуто вправо), т.е. термодинамическую характеристику реакции А В.

Эта величина важна тогда, когда равновесие достигается.

2. G - разница энергий между исходной системой (А) и переходным состоянием (пс); она называется энергией активации и определяет величину энергетического барьера, который должна преодолеть реагирующая система для успешного протекания реакции, и, следовательно, скорость протекания реакции. Чем ниже энергия активации, тем выше скорость реакции.

В качестве примера одностадийной реакции можно привести реакцию замещения атома брома на гидроксигруппу при действии щелочи на метилбромид:

В переходном состоянии (пс) связь между атомами углерода и брома частично разорвана, связь между атомами кислорода и углерода частично образована; отрицательный заряд распределен между входящей группой ОН, отдающей электроны, и уходящей группой Br, «уносящей» электроны.

Очень многие органические реакции протекают в две или более стадии (эти стадии называют также элементарными реакциями); в качестве достаточно простого примера двухстадийной реакции можно привести реакцию замещения атома брома на гидроксигруппу при действии воды на трет-бутилбромид; её суммарное уравнение:

(СH₃)₃C-Br + НOH → (CH₃)₃C-OH + НBr

Это превращение включает две элементарные реакции:

Н а первой стадии происходит диссоциация исходного бромида на ионы; на второй стадии трет-бутил-катион соединяется с молекулой воды с образованием конечного продукта.

Энергетический профиль реакции в этом случае выглядит несколько иначе, чем в предыдущем случае:

G

пс (1)

пс (2)

Инт

А В

Координата реакции

Каждая стадия (элементарная реакция) проходит через переходное состояние. Энергия этих переходных состояний, как правило, неодинакова, одно из них имеет наиболее высокую энергию; именно эта стадия идет с наименьшей скоростью, именно ее протекание определяет суммарную скорость реакции. Эта стадия называется скоростьопределяющей или лимитирующей. Остальные стадии протекают заметно быстрее. В данном простом примере скоростьопределяющей является первая стадия, а вторая является быстрой [это понятно, потому что на первой стадии нейтральная молекула распадается на заряженные частицы (ионы), а на второй – взаимодействуют два противоположно заряженных иона]. В других случаях лимитирующей может быть не первая стадия. В любом случае именно лимитирующая (скоростьопределяющая) стадия представляет наибольший интерес при кинетическом исследовании реакции.

При протекании многостадийной реакции в результате каждой элементарной реакции, кроме последней, образуется промежуточный продукт или интермедиат, т.е. в ходе реакции, включающей n стадий, образуется n-1 интермедиат. В приведенном примере двухстадийной реакции образуется один интермедиат – катион (анион – не промежуточный, а конечный продукт). Интермедиат – обычно достаточно нестабильная (высокоэнергетическая) система, довольно часто его энергия ненамного ниже, чем энергия переходного состояния. Однако он находится не на максимуме, а на локальном минимуме энергетической кривой, он «огорожен» энергетическим барьером, пусть и небольшим, который нужно преодолеть, чтобы реакция шла дальше. Поэтому время жизни интермедиатов, обычно довольно малое, все же несоизмеримо больше времени жизни переходных состояний; иногда оно достаточно велико – порядка секунд и даже больше; поэтому интермедиаты можно изучать прямыми экспериментальными методами, например, физическими, или улавливать их «химическими ловушками» (примеры будут рассмотрены позднее).

Изучив структуру интермедиата, часто можно сделать достаточно достоверный вывод о структуре соседних с ним переходных состояний. Это следует из постулата Хэммонда: геометрия переходного состояния похожа на геометрию тех веществ, к которым оно ближе по энергии. Поскольку энергия переходного состояния обычно намного ближе к энергии интермедиата, чем к энергии исходного или конечного продукта (это хорошо видно на графике), то и геометрия переходного состояния гораздо ближе к геометрии интермедиата, чем к геометрии исходных или конечных продуктов; можно даже сказать, что во многих случаях (в приведенном примере, в частности) геометрия переходного состояния очень близка к геометрии интермедиата, поэтому информация о структуре интермедиата есть во многом информация о структуре переходного состояния.

Основные типы интермедиатов:

1. «Обычные» нейтральные, но достаточно малоустойчивые молекулы; в качестве примеров можно привести N-бромамиды карбоновых кислот (40) или дегидробензол (41):

2. Катионы; в органической химии особенно важны и особенно часто встречаются катионы, у которых положительный заряд (вакантная орбиталь) находится у трехкоординированного атома углерода (42); вокруг атома углерода находится шесть электронов. Такие катионы чаще всего называют карбокатионами, хотя более точным является название карбениевый ион. Пример такого интермедиата был приведен выше.

3. Анионы; отрицательный заряд может находиться на атомах кислорода, азота, серы; весьма важны анионы, у которых отрицательных заряд находится на атоме углерода (42’). Такие анионы называют карбанионами.

4. Радикалы (иногда их называют свободными радикалами) – частицы, содержащие неспаренные электроны; достаточно часто неспаренный электрон находится у атома углерода (43); вокруг атома углерода находится семь электронов.

5. Карбены – частицы, содержащие двухковалентный атом углерода с неподеленной электронной парой (44); вокруг атома углерода находится шесть электронов, как в карбокатионах, однако карбены электронейтральны. Аналогами карбенов являются нитрены, содержащие одноковалентный атом азота с двумя неподеленными электронными парами; они также могут являться интермедиатами.

6. Ион-радикалы – частицы, содержащие как заряженный атом, так и атом с неспаренным электроном; известны катион-радикалы [например, (45а)] и анион-радикалы [например, (45b)].

Механизмом реакции называется совокупность всех изменений, происходящих в реагирующей системе в ходе реакции: изменений взаимного расположения атомов, изменений в распределении электронной плотности, изменений энергии реагирующей системы. Знание механизмов реакций необходимо для понимания их протекания, оптимизации их проведения, предсказания результатов реакций с ранее неизученными соединениями. При изучении механизмов особенно важна информация о структуре и энергии переходных состояний и интермедиатов. Особенно важно знание изменений энергии в процессе реакции; это позволяет делать выводы об активности и селективности при протекании реакций.

Селективность органических реакций. Термодинамический и кинетический контроль.

Как уже упоминалось ранее, проблемы селективности органических реакций имеют ключевое значение в органической химии. Селективность реакций определяется энергетическими параметрами реакции. При этом возможны два варианта; их можно проиллюстрировать на простом примере, когда из одного исходного соединения (А) могут образоваться два альтернативных продукта реакции – В или С.

1.В реагирующей системе достигается состояние равновесия; продукты реакции могут переходить друг в друга:

В этом случае результат реакции определяется состоянием равновесия: преобладать будет тот продукт реакции, который имеет меньшую энергию по сравнению с другим, т.е. более устойчивый, потому что равновесие всегда сдвинуто в сторону образования более устойчивого продукта. В этом варианте реакция контролируется термодинамически; тот продукт, который образуется преимущественно или исключительно (допустим, соединение В), называется термодинамически контролируемым продуктом. Структура переходных состояний, интермедиатов, механизм реакции здесь роли не играют – все определяется только соотношением энергий конечных продуктов.

2. В реагирующей системе равновесие не достигается, более того, система находится достаточно далеко от достижения равновесия:

С ← А → В

В этом случае будет преобладать тот продукт реакции, который образуется быстрее, чем другой, т.е. его образование требует меньшей энергии активации, переходное состояние при его образовании имеет более низкую энергию, чем при образовании другого продукта (если реакция многостадийная, оценивается переходное состояние лимитирующей стадии). В этом варианте реакция контролируется кинетически; продукт, который образуется преимущественно или исключительно, называется кинетически контролируемым.

В этом варианте определяющую роль играет механизм реакции, прежде всего структура и энергия переходных состояний (и, как упоминалось выше, структура и энергия интермедиатов при многостадийных реакциях). Энергия конечных продуктов здесь не столь важна; при кинетическом контроле могут преимущественно получаться как более устойчивые, так и менее устойчивые конечные продукты: в реакции, отображенной на графике I, при кинетическом контроле преимущественно образуется более устойчивый продукт (С), поскольку при его образовании переходное состояние имеет более низкую энергию. Напротив, в реакции, отображенной на графике II, при кинетическом контроле предпочтительно получается менее устойчивое соединение (В), потому что для его образования нужно преодолеть меньшую «горку», и он образуется быстрее, чем его конкурент – соединение С.

G G

В

В¹

А А¹

С С¹

I II

Кинетически контролируемые реакции исключительно важны для органической химии, потому что они позволяют направлять реакцию в сторону получения термодинамически менее устойчивых продуктов. Ведь важнейшая, если не самая важная часть органической химии – органический синтез, направлена в сторону получения более сложных и менее термодинамически устойчивых структур из простых и достаточно устойчивых исходных веществ, входящих в состав нефти и каменного угля. В этом же направлении протекают важнейшие биохимические процессы. В дальнейшем чаще будут рассматриваться именно кинетически контролируемые реакции. Это не значит, что реакциями, контролируемыми термодинамически, можно пренебречь; в ряде случаев они имеют весьма существенное значение, особенно в промышленной органической химии.

В общем случае термодинамический контроль реакций наблюдается при более высоких температурах, чем кинетический; это понятно, т.к. чем выше температура, тем быстрее устанавливается равновесие.

Некоторые принципы, определяющие связь между структурой и энергией. Из изложенного выше ясно, насколько важно уметь оценивать энергию различных структур – исходных и конечных продуктов реакции, переходных состояний и интермедиатов. Перечислим наиболее важные факторы, от которых зависит энергия химической частицы:

1. Чем прочнее химические связи, тем устойчивее частица, тем ниже ее энергия. Связи С-С и С-Н – прочные связи, соответственно предельные ациклические углеводороды (алканы) – термодинамически устойчивые соединения. Напротив, связь О-О является непрочной, соответственно пероксидные соединения термодинамически неустойчивы и разлагаются при сравнительно невысоких температурах.

2. Чем больше нековалентных взаимодействий наблюдаются для частицы, тем ниже ее энергия. Здесь имеются в виду силы Ван-дер-Ваальса, диполь-дипольные взаимодействия, водородные связи и др. Взаимодействия эти могут быть внутри- и межмолекулярными; особенно значительно стабилизируют структуру водородные связи – одни из самых прочных нековалентных взаимодействий. Стабилизация частиц за счет межмолекулярных нековалентных взаимодействий лежит в основе их сольватации растворителями.

3. Структуры, имеющие электрические заряды, имеют более высокую энергию, чем электронейтральные; чем больше величина заряда, тем выше энергия, тем менее стабильна структура. Естественно, все факторы, уменьшающие величину заряда, способствуют стабилизации структуры; это особенно важно для ионных интермедиатов и переходных состояний с частичными зарядами.

4. Электронейтральные частицы, содержащие около какого-либо атома семь электронов (радикалы) или шесть электронов (карбены и их аналоги) имеют высокую энергию, т.е. неустойчивы.

5. Чем более делокализована электронная плотность в структуре, тем структура более устойчива. Под делокализацией понимается более или менее равномерное распределение электронной плотности в частице или в ее фрагменте. Особое значение имеет делокализация зарядов или неспаренных электронов в ионных и радикальных интермедиатах многостадийных реакций, а также в переходных состояниях. Например, заряженная структура будет много более устойчивой, если заряд в ней рассредоточен между двумя или более атомами. Фактор делокализации выглядит менее очевидным, чем предыдущие; квантово-химические представления делают этот фактор вполне понятным, а соответствующие расчеты позволяют определить выигрыш в энергии за счет делокализации. В дальнейшем этому фактору будет уделено много внимания.

6. Энергия структуры тем выше, чем больше в ней пространственное напряжение. Предыдущие факторы были связаны с электронной структурой, данный фактор является пространственным. Пространственное напряжение обычно возникает в результате искажения валентных углов или в результате отталкивания близко расположенных друг к другу заместителей.

7. Энергия структуры тем выше, чем более она организована. Предыдущие факторы были связаны с энтальпией структуры; данный фактор связан с ее энтропией. Увеличение плотности упаковки в структуре, регулярное расположение ее атомов в пространстве уменьшают ее энтропию и, следовательно повышают энергию Гиббса.

Энергия структуры зависит от суммарного действия всех этих факторов, которые достаточно часто оказывают противоположное влияние; в различных случаях на первый план могут выходить разные факторы. Далее эти аспекты будут рассмотрены на конкретных примерах.