Добавил:

Nemo_Nemorino Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Днепропетровский национальный университет им. Олеся Гончара

Предмет:

Органическая химия

Файл:

Травень В.Ф. - Органическая химия. В 3 т. Т. 1

..pdf

Скачиваний:

1037

Добавлен:

02.10.2020

Размер:

3.12 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 2425 / 4025 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 > Следующая >>>

5.4. Реакции

241

В соответствии с механизмом и характером скоростьлимитирующей стадии реакционная способность галогеноводородов в этой реакции возрастает с ростом силы кислоты.

HF << HCl << HBr << HI

рост силы кислоты

увеличение скорости гидрогалогенирования

Реакции гидрогалогенирования несимметричных алкенов отличаются высокой региоселективностью, что подтверждает предложенный механизм.

В общем, гидрогалогенирование несимметричных алкенов может идти по двум направлениям:

R CHCH2 + HBr

алкен

R CH CH3 R CH CH3

2-бромалкан (по правилу Марковникова)

R CH2 CH2	Br	R CH2	CH2Br

1-бромалкан (против правила Марковникова)

Правило Марковникова. При присоединении галогеноводорода к несимметричному алкену протон реагента преимущественно присоединяется к наиболее гидрогенизированному (имеющему большее число атомов водорода) атому углерода (1869 г.).

Современная трактовка правила Марковникова заключается в следующем. Образование более стабильного карбокатиона обусловливает более низкую энергию активации и — как следствие — более высокую скорость реакции (постулат Хэммонда). При наличии электронодонорных заместителей (R = СН3, ОСН3 и т. д.) у двойной связи более устойчивым оказывается вторичный карбокатион (подробнее о механизме стабилизации карбокатионов

242	Глава 5. Алкены

см. в разд. 1.12.3). Реакция при этом следует правилу Марковникова. Обычно она протекает с образованием лишь одного из двух возможных изомеров.

CH3

CH2

первичный карбокатион

HBr

(менее устойчив)

медленно

пропен

–Br

CH3

быстро

2-бромпропан

вторичный карбокатион

(более устойчив)

В разд. 1.12.3 мы уже рассматривали гидробромирование пропена. Причины высокой региоселективности этой реакции хорошо видны на ее энергетической диаграмме (рис. 5.2). Различие в энергиях образования первичного и вторичного пропильных катионов слишком велико, чтобы можно было ожидать образования 1-бромпропана. Практически π-комплекс преодолевает энергетический барьер на пути только к более устойчивому изопропил-катиону.

Рис. 5.2. Энергетическая диаграмма реакции гидробромирования пропена

5.4. Реакции

243

При наличии рядом с двойной связью электроноакцепторного заместителя реакция идет против правила Марковникова. Теоретическим объяснением и этого результата является различие в энергиях образования соответствующих промежуточных карбокатионов. В таком случае более стабильным оказывается первичный (т. е. менее замещенный) карбокатион, в котором дестабилизирующее действие электроноакцепторного заместителя слабее.

CH2=C–NO2 + HZ –Z

CH3–C–N

		O
	H	O			H
CH	–C–N		Z	ZCH	–C–NO
CH	–C–N			ZCH	–C–NO	2
2				2		2
	H	O			H

С позиций теории МО, в рамках концепции граничных орбиталей, региоселективность реакций электрофильного присоединения также находит свое объяснение: электрофил (протон при гидробромировании) атакует преимущественно тот атом, который имеет в ВЗМО наибольшее значение коэффициента и, следовательно, наиболее высокую электронную плотность.

CH2

CH3

Коэффициент –0,755 –0,611 0,111

ВЗМО

CH2CH OCH3 H CH3 CH OCH3 Br CH3 CH OCH3

Коэффициент –0,744 –0,618 0,256

ВЗМО

244	Глава 5. Алкены

Если при присоединении галогеноводорода к алкену образуется хиральный центр, то стереохимическим результатом реакции является пара энантиомеров в эквимолярном соотношении (т. е. рацемической модификации).

					CH3	CH3
CH3	CH	CH	CH3 + HBr	H	Br + Br	H



	2-бутен				C2H5	C2H5
				(S)-2-бромбутан (R)-2-бромбутан
					(50%)	(50%)

Такой результат является следствием образования карбокатиона в качестве промежуточного соединения. В этом карбокатионе прохиральный атом углерода находится в состоянии sp2-гибридизации и имеет три связи, ориентированные в одной плоскости. Атака такого карбокатиона анионом брома равновероятна с обеих сторон:

						Br
			1		CH3	H
						H
						C2H5
				1		C2H5
		H		1
		H	+ Br
	CH3	C
	CH3	C
		C2H5		2
				2		H
			2			H
					CH3 C2H5
2-бутил-катион					CH3 C2H5
2-бутил-катион						Br
						Br
					(R,S)-2-бромбутан

В ходе атаки сверху (направление 1) образуется (R)-2-бромбутан, а при атаке снизу (направление 2) продуктом является (S)-2-бромбутан.

Вместе с тем известны реакции гидробромирования алкенов, в которых образование промежуточных свободных карбокатионов не предполагают. Такие реакции протекают стереоспецифично. Например, гидробромирование и гидрохлорирование 1,2-диметилциклогексена идут как анти-присое- динение с образованием транс-аддукта А:

	HBr	H CH3
		H CH3	A
		CH3 Br
CH3 CH3
CH3 CH3

1,2-диметил- 1-бром-1,2-диметил- циклогексен циклогексан,

транс-аддукт

5.4. Реакции

245

Этот факт не согласуется с образованием свободного диметилциклогек- сил-катиона Б, поскольку его атака бромид-ионом была бы равновероятна с обеих сторон и приводила бы к смеси транс- и цис-аддуктов А и В.

H	H Br
CH3 CH3 Б	CH3CH3 B
	цис-аддукт

По-видимому, бромид-ион начинает атаку субстрата снизу, т. е. со стороны, противоположной подходу молекулы HBr, и еще до того, как закончится перегруппировка π-комплекса Г в карбокатион Б. Такая схема механизма требует рассматривать гидробромирование алкенов как реакцию AdE3-типа.

CH3

CH3 CH3

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ!

Электрофильное анти-присоединение к циклоалкенам протекает анти-диакси- ально. В первоначально образующемся аддукте оба фрагмента электрофильного реагета имеют аксиальную ориентацию.

Следует подчеркнуть, что отмеченный факт анти-присоединения не исключает возможность карбокатионоподобного промежуточного соединения, в которое переходит субстрат в ходе реакции. Понятно, что и в этом случае структура конечного аддукта будет соответствовать правилу Марковникова.

Стереоспецифичное анти-присоединение бромоводорода характерно прежде всего для циклоалкенов. Арилалкены, для которых возможна стабилизация промежуточно образующегося карбокатиона за счет сопряжения с соседним фрагментом арена, как и в реакции присоединения галогенов, реагируют со значительным участием син-присоединения.

Полагают, что промежуточно образующийся карбокатион находится в этом случае в составе тесной ионной пары с бромид-ионом, чем и обеспечивается присоединение обеих частиц с одной стороны двойной связи (механизм AdE2). Такому протеканию реакции способствует и низкая температура реакции, затрудняющая вращение вокруг простой углерод-углеродной

246	Глава 5. Алкены

связи. К син-присоединению галогеноводородов склонны, в частности, стирол, инден, аценафтилен и их замещенные.

CHCH2

стирол

инден

аценафтилен

В пользу промежуточного образования карбокатионов в ходе гидрогалогенирования алкенов говорит также тот факт, что эти реакции нередко сопровождаются перегруппировками. Например, реакция хлороводорода с 3-метил-1-бутеном сопровождается образованием не только 40% ожидаемого 3-метил-2-хлорбутана, но и 60% его изомера, 2-метил-2-хлорбутана:

CH(CH )

HCl

CH(CH )

+ CH CH

C(CH )

3 2

3-метил-1-бутен

3-метил-2-хлорбутан

2-метил-2-хлорбутан

(40%)

(60%)

Реакция начинается по обычной схеме, с протонирования двойной связи и образования вторичного карбокатиона. Этот карбокатион или присоединяет хлорид-ион с образованием продукта, 3-метил-2-хлорбутана, или перегруппировывается посредством гидридного сдвига * до третичного, более устойчивого карбокатиона, который также быстро реагирует с хлорид-ионом с образованием 2-метил-2-хлорбутана (перегруппировка Вагнера–Меервейна):

H2C

CH(CH3)2 + HCl

H3C

CH3

–Cl

H CH3

3-метил-1-бутен

вторичный карбокатион

H3C

CH3

CH3CH2

C(CH3)2

H CH3

третичный карбокатион

2-метил-2-хлорбутан

(более устойчив)

* Перемещение атома водорода с парой электронов, т. е. гидрид-иона; в реакции обозначено как ~H .

5.4. Реакции

247

Гидратация

Гидратацией называют реакцию присоединения воды.

Гидратация алкенов также протекает по типу реакций электрофильного присоединения. Осуществить гидратацию можно двумя путями.

1. Присоединение концентрированной (60–65%) серной кислоты к алкену (при этом соблюдается правило Марковникова) с последующим гидролизом при нагревании образующегося этилсульфата. По такой схеме концентрированная серная кислота реагирует с неразветвленными алкенами. В частности, так в промышленности получают этиловый и изопропиловый спирты. В качестве катализатора применяют фосфорную кислоту на силикагеле (H3PO4/SiO2; 300 °C; 70 атм).

H2SO4

CH CH

OSO H

H2O

CH CH OH

3 2

этилен

этилсульфат

этиловый спирт

CH3

CH2 + HO SO2

0 °C

пропен

CH3

H2O

CH3

CH3 + H2SO4

OSO3H

изопропилсульфат

изопропиловый спирт

Аналогично получают и циклогексанол из циклогексена:

1.H2SO4

2.H2O, t°

циклогексен циклогексанол

По этой же схеме проводят гидратацию монозамещенных R–CH=CH2 и 1,2-дизамещенных R–CH=CH–R алкенов. 1,1-Дизамещенные алкены R2C=CH2, так же как три- и тетразамещенные алкены, более сложно реагируют с концентрированной серной кислотой, подвергаясь олигомеризации (см. разд. 5.4.7).

2. Гидратация алкенов сложного строения под действием разбавленных минеральных кислот (например, 50%-я H2SO4).


CH3		CH3	H2SO4			CH3

C	C	+ H2O		CH	C		CH CH


CH3		H	50%-я	3		2 3
					OH

2-метил-2-бутен

2-метил-2-бутанол (90%)

248	Глава 5. Алкены

Механизм гидратации алкенов разбавленными минеральными кислотами аналогичен механизмам других реакций типа AdE.

Стадия 1 — образование промежуточного карбокатиона (медленная стадия):

CH3	CH	CH2 + H	CH3	CH	CH3



пропен			2-пропил-катион

Стадия 2 — присоединение молекулы воды как нуклеофила (протекает быстро):

CH3

CH3 + O

CH3

2-пропил-катион

2-пропилгидроксоний-ион

Стадия 3 — депротонирование алкоксониевого иона, протекающее как кислотноосновное взаимодействие со второй молекулой воды:

CH3

CH3 + H2O

CH3

CH3 + H3O

2-пропилгидроксоний-ион

2-пропанол

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ!

Кривые стрелки при написании механизмов должны показывать только движение электронов, но не атомов или фрагментов молекулы; например, в стадиях 1 и 3 стрелки указывают не перемещение протона, а движение электронов.

И в этих условиях гидратация несимметричных алкенов протекает по правилу Марковникова, а гидратация разветвленных алкенов сопровождается перегруппировками. Например, гидратация 3,3-диметил-1-бутена ведет к преимущественному образованию 2,3-диметил-2-бутанола:

CH3

H2SO4

CH3

CH2

CH3

H2O

CH3

OH CH3

3,3-диметил-1-бутен

2,3-диметил-2-бутанол

Как и в ранее рассмотренных примерах, промежуточно образующийся вторичный карбокатион перегруппировывается в этой реакции до третич-

5.4. Реакции

249

ного и лишь затем подвергается нуклеофильной атаке молекулой воды. По этой причине гидратация алкенов нашла ограниченное применение для получения в лаборатории лишь третичных спиртов.

Присоединение спиртов

Аналогично гидратации алкенов, протекающей по схеме реакции AdE, идут и реакции алкенов со спиртами в присутствии минеральных кислот. Продуктом реакции является простой эфир:

+ CH3OH	H
		OCH

	3
циклопентен метанол		метоксициклопентан

Реакция идет по механизму электрофильного присоединения.

	H	H
H	OCH3	H	–H
H	OCH3		–H
	O	CH3	OCH3
		CH3

Аналогичная внутримолекулярная реакция ведет к образованию циклического кеталя:

OH	H	O
		O
O		O

Оксимеркурирование

Более гладко алкены превращаются в спирты реакцией оксимеркурирова- ния–демеркурирования. В водной среде (как правило, реакцию проводят в водном тетрагидрофуране) при комнатной температуре алкены быстро и практически с количественным выходом реагируют с ацетатом ртути с образованием ртутьорганического соединения:

H2O + ТГФ

CH3 CH

CH2

Hg(OCCH3)2

CH3

CH2

–CH COOH

пропен

OH HgOCCH3

ацетат ртути(II)

2-гидрокси-1-пропил-

меркурацетат

Эту стадию называют оксимеркурированием.

250 Глава 5. Алкены

При обработке полученного ртутьорганического соединения натрий-бор- гидридом гладко образуется спирт. Эту стадию называют демеркурированием.

CH3

CH2

NaBH4

CH3

+ Hg

HgOCCH3

2-пропанол

2-гидрокси-1-пропил-меркурацетат

2-Гексанол. 1-Гексен прибавляют при размешивании к эквимолярному количеству ацетата ртути(II) в смеси тетрагидрофуран–вода (1 : 1) и размешивают 10 мин при 25 °С. Добавляют водный раствор NaOH, а затем 0,5М раствор NaBH4 в 3М растворе NaOH. Продукт выделяют перегонкой (т. кип. 137–138 °С) с почти количественным выходом.

Таким образом, в результате оксимеркурирования алкена и последующего демеркурирования ртутьпроизводного образуется спирт, причем гидратация алкена по завершении обеих стадий происходит по правилу Марковникова. Соответствующие спирты из алкенов образуются с высокими выходами (80–90%). Реакция оксимеркурирования–демеркурирования является одним из лабораторных методов гидратации алкенов.

Механизм оксимеркурирования алкенов основан на ионизации ацетата ртути с образованием катиона CH3COOHg . Этот катион присоединяется по углерод-углеродной двойной связи с образованием ртутьорганического карбокатиона.

Стадия 1 — ионизация ацетата ртути:

Hg(OCOCH3)2 HgOCOCH3 + CH3COO

ацетат ртути(II)

Стадия 2 — образование промежуточного карбокатиона:

CH3

CH2 + HgOCOCH3

CH3

CH2

HgOCOCH3

пропен

1-ацетоксимеркур-2-пропил-катион

Стадия 3 — стабилизация промежуточного карбокатиона:

CH3

CH2

HgOCOCH3 + H2O

CH3

CH2

H2O

HgOCOCH3

OH2

CH3

CH2

+ H3O

HgOCOCH3

2-гидрокси-1-пропил- меркурацетат

<<< < Предыдущая 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 2425 / 4025 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете Органическая химия

#
21.05.202310.8 Mб46Реутов О.А., Курц А.Л., Бутин К.Л. Органическая химия в 4-х частях..djvu
#
02.10.20203.12 Mб1037Травень В.Ф. - Органическая химия. В 3 т. Т. 1..pdf
#
02.10.20204.05 Mб1176Травень В.Ф. - Органическая химия. В 3 т. Т. 2..pdf
#
02.10.20202.7 Mб1798Травень В.Ф. - Органическая химия. В 3 т. Т. 3..pdf