Срсп № 3. Характеристика основных механизмов реакций органических соединений

Для практического понимания органического синтеза необходимо в совершенстве овладеть определенными фундаментальными типами реакций, которые лежат в основе широкого разнообразия индивидуальных реакций. Большинство органических реакций протекают в нескольких реакциях. Эти стадии и составляют механизм реакций.

Первоначально под механизмом реакций понимали набор последовательных стадий сложного процесса. Например, реакция Гофмана может быть описана следующими стадиями:

N aOH + Br₂ NaOBr + HBr

O

R – C + NaOBr R – NH₂ + CO₂ + NaBr

NH₂

Характеризуя исходное и конечное состояние системы, это уравнение, однако, ничего не говорит о том, как протекает реакция. В настоящее время считают, что эта перегруппировка идет через ряд последовательных стадий с образованием в условиях реакции нестабильных промежуточных продуктов (интермедиатов).

O O

R – C + Br₂ + OH^- R – C + Br^-

NH₂ -H₂O NHBr

O +OH^- O O +OH^-

R – C R – C R – C R – N = C = O

NHBr NBr нитрен N: изоцианат

_ OH O^- +H⁺

R – N – C R – NH — C R – NH₂ + CO₂

O O

На отдельных стадиях могут получаться как относительно стабильные соединения (изоцианаты), так и малостабильные высокореакционноспособные частицы (ионы и нитрены). Совокупность последовательных элементарных стадий и называются механизмом процесса.

Дальнейшее развитие теоретических представлений привело к тому, что в настоящее время при рассмотрении механизма процесса не ограничиваются перечислением элементарных стадий, а подробно исследуют, каким образом каждая из этих стадий осуществляются, как происходит разрыв старых и образование новых связей, какие изменения претерпевает сольватная оболочка и т.д.

Элементарные стадии можно классифицировать по способу нарушения или образования химических связей. Наиболее часто встречаются ионные, или гетеролитические, и радикальные, или гомолитические процессы. При гетеролитическом образовании связи один из атомов предоставляет пару электронов, а второй свободную орбиталь:

В : + А⁺ В – А

Гетеролитический разрыв связи происходит аналогично:

В : А В: + А⁺

При гомолитическом образовании связи каждый из атомов предоставляет один электрон:

А ∙ + В∙ А : В

При гетеролитическом образовании связи атом, имеющий пару электронов, за счет которой образуется ковалентная связь, называют нуклеофильным и реакции с участием таких реагентов рассматривают как реакции нуклеофильного замещения, присоединения или отщепления. Частица, предоставляющая свободную орбиталь для образования связи, называется электрофильной, и реакции с участием таких реагентов рассматривают как реакции электрофильного замещения, присоединения или отщепления.

Реакции нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода в настоящее время можно считать изученными в большей степени, чем другие типы реакций. В изучении механизмов реакций большой вклад внесли английские ученые Ингольд и Хьюз.

В общем виде реакцию нуклеофильного замещения можно представить следующей схемой:

Y : + R → X R : Y + X:

A_N D_N

т.е. можно сказать следующим образом: нуклеофильное замещение (S_N) является результатом нуклеофильной атаки (A_N) У: на центр с пониженной электронной плотностью (R) и анионоидного отрыва (D_N) группы Х:. Отрыв D_N чаще всего вызывается именно атакой A_N, однако иногда отрыв D_N может быть и первой стадией реакции.

В качестве нуклеофильного агента У: может вступать как анион, так и нейтральная молекула, обладающая хотя бы одной неподеленной парой электронов (кислоты Льюиса):

H^-, R₃С^-, OH^-, OR^-, RS^-, CN^- , :NR₃, H₂O:, R-OH и т.д.

Уходящая группа Х: обычно обладает высокой электроотрицательностью и может уходить как в виде аниона, так и в виде незаряженной молекулы с парой электронов, например: галогены Х^-, кислород -О^-, сера -S^-, азот R₂N^-, R₃N⁺ и т.д.

К электрофильным реагентам относятся ионы и молекулы, имеющие достаточно низкую по энергии свободную орбиталь (кислоты Льюиса):

₊

H⁺, R⁺, AlR₃, Br⁺, Cl⁺, BF₃, R – C = O и т.д.

Таким образом, процесс гетеролитического образования ковалентной связи, т.е. реакцию между электрофилом и нуклеофилом, можно рассматривать как кислотно-основное взаимодействие.

Различают несколько типов реакций нуклеофильного замещения.

1. Реакции, проходящие в результате атаки и последующего отрыва. К таким реакциям относятся реакции с участием атомов sp²- углерода

O О^- О

R–C + Y^- R–C OR R–C + OR

OR Y Y

2. Реакции, проходящие в результате атаки и одновременного отрыва. Это случай реакций с участием атомов sp³-углерода

Y^- + C – Z [Y ---- C ---- Z ]^- Y – C + Z^-

3. Реакции, в которых отрыв предшествует атаке.

R

R +Y^- R

R C – Z С + Z^- R – C Y

R R

R R

4. Нуклеофильное замещение, катализируемое кислотами. Для замещения одной нуклеофильной группы на другую иногда требуется предварительная электрофильная атака на гетероатом. Например, в случае спиртов, гидроксильная группа недостаточно склонна к анионоидному отрыву, однако легко удаляется в виде аниона оксония после протонирования.

Н

С – О – Н + Н⁺ С – О – Н С⁺ + НОН

С⁺ + Х^- С – Х

5. Замещение через элиминирование – присоединение. В некоторых случаях замещение происходит в результате двух последовательных реакций элиминирования и присоединения с промежуточным образованием производного, имеющего двойную или тройную связь.

Н H

+ HY

– С – С – C = C – C – C –

- HZ

Z Y

Н H

+ HY

С = С – C  C – C = C

- HZ

Z Y

Эти схемы иллюстрируют взаимоотношения продукта и субстрата в реакциях нуклеофильного замещения, но ничего не говорят о механизме. Механизмы этих реакций определили Хьюз и Ингольд. Это механизм прямого замещения (бимолекулярное замещение S_N2) и ионизационный механизм (мономолекулярное замещение S_N1).

S_N2 – механизм. При таком механизме приближение нуклеофильного реагента вызывает анионоидный отрыв. В этой реакции A_N и D_N происходит синхронно, без образования интермедиата (промежуточного соединения) через переходное состояние, которое определяет скорость реакции. Переходное состояние соответствует состоянию sp³d-гибридизации

[Y --- C --- X]^-

Переходное состояние возникает в результате слияния занятой орбитали нуклеофильного реагента У с вакантной разрыхляющей орбиталью связи С – Х .

Нуклеофильный агент атакует субстрат с противоположной стороны уходящей группы, в результате молекула приобретает конфигурацию, противоположную к исходной молекуле. Нуклеофильная группа «выталкивает» уходящий заместитель.

: У^- + С – Х У С + :Х^-

Поскольку атакующие частицы непосредственно участвуют в стадии, определяющей скорость реакции, то скорость реакции зависит не только от их концентрации, но также и от химической природы нуклеофила. Поэтому важны структурные эффекты как субстрата, так и нуклеофила. Отщеплению уходящей группы в переходном состоянии содействует нуклеофил.

S_N1 – механизм. При таком механизме отрыв D_N предшествует нуклеофильной атаке A_N и эта стадия является лимитирующей скорость реакции. Образующийся ион затем подвергается атаке нуклеофильным агентом, присутствующим в реакционной среде.

+ У^-

С Х^- С⁺ С – У

Возможно образование продукта обратной конфигурации, т.к. промежуточный карбкатион плоский и может подвергаться атаке независимо с любой стороны его плоскости.

Реакции S_N1 иногда приводят к «аномальному» замещению, если карбкатион выступает в неклассической форме или если он может претерпевать перегруппировку в процессе реакции. Так происходит, например, с неопентильными производными:

СН₃ СН₃ У

У^-

СН₃–С–СН₂–Х СН₃–С–С⁺Н₂ СН₃–С⁺–СН₂–СН₃ СН₃–С–СН₂– СН₃

СН₃ СН₃ СН₃ СН₃

В некоторых случаях образуется истенное промежуточное соединение, и реакция включает тогда последовательное элиминирование и присоединение. Именно это наблюдается в случае -галогенкетонов:

X H O O H O

+H⁺Y^-

– C – C – C – R – C = C – C – R Y – C – C – C - R

– HX

Электрофильное замещение (S_E) происходит в результате электрофильной атаки А_Е на частицу с электронодефицитной оболочкой и катионоидного отрыва D_E, при котором уходящая группа оставляет свою пару электронов связи. Электрофильное замещение может происходить в случае следующих структур: атомов углерода в состоянии sp²-гибридизации, в частности атомов углерода ароматического ядра (обычно реакция включает две стадии: атаку А_Е и затем отрыв D_E)

Можно представить два возможных механизма замещения протона в ароматической молекуле на электрофильный реагент.

1) Отщепление протона может происходить одновременно с образованием новой связи с электрофильным реагентом Е, в этом случае реакция будет идти в одну стадию:

Н

Е⁺ + Н – Е – + Н⁺

Е

2) Первоначально происходит присоединение электрофильного агента к -системе ароматического ядра, образуется малостабильный интермедиат (промежуточное соединение). Далее происходит отщепление протона от образовавшегося катиона под действием основания, в качестве которого может вступить молекула растворителя:

Н + В

Н + Е⁺ + Е + НВ⁺

Е

Реакции, идущие по этому механизму, должны характеризоваться высокой чувствительностью скорости к электронным эффектам заместителей, т.к. интермедиат является катионом.

При взаимодействии ароматических соединений с электрофильными реагентами может происходить образование двух типов комплексов, которые могут быть интермедиатами в реакциях S_E. Если электрофильный агент не разрушает существенным образом электронную -систему ароматического ядра, образуются -комплексы. Так, бензол при -78^оС образует с хлористым водородом комплекс в мольном отношении 1 : 1, причем реакция обратима.

+ НС1 Н – С1

-комплекс

В присутствии электроноакцепторных соединений, например, кислоты Льюиса (А1С1₃) образуется комплекс, отличающийся от -комплекса. Такой обмен свидетельст-вует об образовании так называемого -комплекса, в котором Н⁺ или Е⁺ образует истенную связь с атомом углерода кольца:

H Е

AlCl₃

+ ЕCl + AlCl₄^-

Атом углерода связанный с Н и D находится в состоянии sp²-гибридизации, положитель-ный заряд распределяется по остальным пяти атомам углерода кольца с участием -орбиталей.

Реакция может быть завершена путем удаления протона и -комплекса при действии А1С1₄^-, т.е.весь процесс в целом является электрофильным замещением.

Н Е Е

А1С1₄^-

+ + НС1

Можно было бы ожидать, что превращение бензола в -комплекс, приводящее к утрате ароматической стабилизации, должно требовать значительного количества энергии, т.е. энергия активации реакции должна быть достаточно высокой, а ее скорость, следовательно, небольшой. В действительности же многие реакции S_E в ароматических соединениях протекают очень быстро при комнатной температуре. Это связано с влиянием двух факторов, снижающих барьер, препятствующий образованию иона. Первый из них состоит в возможности использования энергии, выделяемой при образовании новой связи с атакующим электрофилом, а второй – в некоторой стабилизации положительно заряженного -комплекса за счет делокализации заряда:

Н Е Н Е Н Е Н Е

+  + +

+

Правила ориентации. В молекуле бензола все 6 атомов углерода равномерны, поэтому при S_E образуется только одно вещество. Если же в ядре уже имеется заместитель, то он будет оказывать влияние на реакционную способность ароматического ядра в отношении дальнейших электрофильных атак и места последующих замещений.

Индуктивный эффект заместителей. Заместители, обладающие электронодонорными свойствами должны повышать электронную плотность кольца (+I-эффект). К таким заместителям относятся алкильные группы.

Индуктивный эффект большинства других заместителей, например, На1, ОН, ОR, NH₂, SO₃H и т.д. будет действовать в противоположном направлении, поскольку атомы, непосредственно связанные с кольцом, более электроотрицательны, чем углерод с которым они соединены (– I-эффект).

Однако индуктивный эффект не является единственным эффектом,

С Н₃ С1 определяющим характер взаимодействия между заместителем и

ароматическим кольцом.

Мезомерный эффект заместителей (эффект сопряжения). Многие заместители содержат на атоме, непосредственно связанном с ароматическим кольцом, не поделенные пары электронов, которые могут вступать во взаимодействие с делокализованными -орбиталями:

RО : ⁺OR ⁺OR

Аналогичный эффект проявляют также заместители ОН,SH, NH₂ и т.д.

Электронная плотность ароматического кольца при этом возрастает. Такой эффект называется +М-эффектом.

Противоположное влияние может иметь место, когда атом, который непосредственно соединен с кольцом, связан кратной связью с еще более электроотрицательным атомом. В этом случае вследствие сопряжения возникает взаимодействие между этим атомом и делокализованными -орбиталями кольца:

Н – С = О Н – С – О^- Н – С – О^-

+

+

Контрольные вопросы

1. Напишите несколько типов реакций нуклеофильного замещения.

2. Какая частица называется электрофильной?

3. Мезомерный эффект заместителей.