книги из ГПНТБ / Пальм, В. А. Введение в теоретическую органическую химию учеб. пособие

/ '

— С — C — Y —^ — C — C + - . - : Y -

I / \

з

Внутримолекулярное нуклеофильное содействие представляет со­ бой как бы незавершенную нуклеофильную атаку, которая не может привести к возникновению устойчивого циклического продукта. В то же время такая атака способствует стабилизации активированного состояния гетеролитической диссоциации.

3. ГЕТЕРОЛИЗ МОЛЕКУЛ [ИОНОВ), СОДЕРЖАЩИХ ЗАРЯЖЕННЫЕ ГРУППЫ

Понятие о гетеролитической диссоциации-органических соединений существенно шире, чем это следует из представления о реакциях типа

несет отрицательный заряд, либо электроотрицательная уходящая,

важны такие, в которых отрицательный ионный заряд локализован на атоме кислорода, азота или углерода, непосредственно связанном с реакционным центром (первым атомом группы Е—), обусловливая тем самым присутствие особо активных -^-заместителей, обладающих чрезвычайно ярко выраженным выталкивающим действием. Гетеролиз таких соединений идет с заметной скоростью даже в случае таких ма­ лоактивных электроотрицательных уходящих групп, как —ОН, —OR, —NH2, а также XX'X" С— — при наличии в последнем хотя бы одного заместителя, принадлежащего к типу —R.

Такие субстраты типа Е—Y, в которых группа Е— заряжена от­ рицательно, возникают обычно в равновесной стадии, предшествующей гетеролизу. Этой стадией может быть либо диссоциация той или иной кислотной группы, либо взаимодействие нуклеофила с электрофилом с кратной связью у центра электрофильности. Другими словами, та­ кие реакции гетеролиза выступают в качестве элементарных стадий более сложных брутто-процессов. Ниже такие элементарные стадии будут часто встречаться и здесь приводится только несколько характер­ ных примеров:

RO:'

292

R— c — CHR — C O O R " R — C— OH + R'CH=C — OR"

Положительно заряженные электроотрицательные уходящие груп­ пы представляют собой либо триалкиламмониевые, либо диалкилсульфониевые группы, либо продукты протонирования центров основности, входящих в состав группы —У. Такое протонирование обычно связано с кислотным катализом и конкретные примеры будут рассмотрены в гл. XXIII.

Особенно благоприятная для гетеролитической диссоциации обста­ новка возникает в тех случаях, когда отрицательно заряженная груп­ па Е— связана с положительно заряженной группой.

Таково положение в цвиттер-ионах, в которых обе заряженные группы разделены только одним атомом:

Ускорение гетеролиза механизмом выталкивания электроотрица­ тельной группы -^/^-заместителем служит причиной неустойчивости некоторых соединений с двумя функциональными группами у одного и того же атома углерода. Не могут быть выделены в качестве инди­ видуальных препаратов гидратные формы большинства альдегидов и ке­ тонов, галогеноспирты, аминоспирты и галогеноамины с обеими функ­ циональными группами у одного и того же атома углерода (так назы-

293

ваемые геыинальные дизамещенные производные):

Как видно из приведенных схем, в качестве промежуточных про­ дуктов в этих реакциях важную роль могут играть цвиттер-ионы, та­ утомерные исходным соединениям.

4.ВЛИЯНИЕ РАСТВОРИТЕЛЯ НА СКОРОСТЬ ГЕТЕРОЛИЗА

Внаибольшей степени от характера среды зависит скорость первой стадии реакции типа Sn I, поскольку при этом происходит разделение разноименных зарядов. Поэтому гетеролиз нейтральных субстратов

типа Е—Y, не обладающих цвиттер-ионным характером, значительно ускоряется ростом диэлектрической постоянной среды. В газовой фазе и инертных растворителях с низкой диэлектрической постоянной та­ кие соединения гетеролизуются очень медленно. Влияние роста диэлек­ трической постоянной достигает практически «потолка» при значениях е^20. Поэтому дальнейший рост в оказывает второстепенное влияние.

Поскольку первый атом электроотрицательной уходящей группы (галогены, —О—X,—NX2 и др.) в большинстве случаев обладает неподеленной электронной парой, являясь тем самым центром основно-

294

сти, то не менее существенное значение имеет специфическая сольва­ тация уходящей группы за счет образования водородных связей с достаточно кислотными атомами водорода в молекулах растворителя. В связи с тем, что в процессе активации отрицательный заряд концен­ трируется на электроотрицательной уходящей группе, прочность та­

ких водородных связей в активированном состоянии существенно больше, чем в исходном:

R — С1:- • -Н—О —X —* [R+...;C1:-...H —О — X]t

R —0:---Н —О -Х ' —* [R +...:0 :-...H —О —X']t и т. д.

Такая специфическая сольватация приводит к дополнительной ста­ билизации активированного состояния в растворителях, молекулы которых содержат группы —ОН или —NH2> поэтому скорость гетеро­ лиза в таких растворителях намного больше, чем это следует из зна­ чений их диэлектрической постоянной.

Резюмируя, можно сказать, что первая стадия реакции типа S n 1 чрезвычайно чувствительна к влиянию как неспецифической,так и спе­ цифической сольватации. Суммарное влияние этих двух типов сольва­ тации часто рассматривается как единое влияние среды и называется

полярностью или «ионизующей силою, растворителя. Скорость реак­ ции рассматриваемого типа существенно возрастает по мере увеличения полярности среды. В качестве примера можно привести гетеролиз тре­ тичного хлористого бутила (2-хлорометилпропана):

(СН3)3СС1 —» (СН3)дС+ -ТС1-

Скорость этой реакции в воде (е=80) в 1019 раз превышает ее ско­ рость в газовой фазе.

Глава XVI РЕАКЦИИ ИОНОВ КАРБОНИЯ

1.ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНОВ КАРБОНИЯ

СНУКЛЕОФИЛАМИ

Положительно заряженный атом углерода, присутствующий в ионе карбония, представляет собой чрезвычайно активный центр электро­ фильное™, обладающий тенденцией к образованию новой ковалентной связи за счет своей свободной орбитали. Для этого требуется взаимо­ действие с каким-либо нуклеофилом. Активность ионов карбония растете уменьшением их стабильности. Только очень сильно стабилизи­ рованные ионы карбония встречаются в растворе в измеримых концен­ трациях и то при условии отсутствия достаточно активного нуклеофи­ ла. Обычно же ион карбония, возникший в результате гетеролитической диссоциации или другим путем, быстро исчезает в результате взаимо­ действия с нуклеофилом или других превращений, о которых пойдет

295

речь ниже. По этой причине гетеролиз субстратов типа Е—Y с электронейтральными уходящими группами выступает в большинстве случаев как первая стадия определенного брутто-процесса (Sn I и др.).

Если второй стадией является соединение с нуклеофилом, то харак­ тер конечного продукта зависит от относительной скорости реакций с различными нуклеофилами, присутствующими в реакционной смеси. Следовательно, подбирая соответствующие нуклеофилы, можно на­ править реакцию в сторону образования того или иного конечного продукта. Это открывает возможности для получения (синтеза) са­ мых разных классов соединений.

Из иона карбония RR'R"C+ (обозначаемого ниже просто R+) могут быть получены любые соединения типа R—Y, в которых в ка­ честве —Y присутствуют какие-либо электроотрицательные уходящие группы. Приведем наиболее важные примеры реакций взаимодействия ионов карбония с нуклеофилами.

1. Взаимодействие с галогенид-анионами:.

R + + C 1 - — RC1

R+ + Вг~ —>- RBr

R+ + I - —>-RI

Спомощью этой реакции в молекулу можно ввести атом галогена.

2)Взаимодействие с гидроксильными ионами:

R+ + О Н - —>■ROH

Конечными продуктами являются соединения, содержащие спиртовой гидроксил.

3) Взаимодействие с водой:

R + Н 20 —s- R —OHJ

R —ОН£ —> ROH + H+ -

Сопряженная кислота спирта, возникающая в первый момент, быстро отдает протон воде, присутствующей в избытке, превращаясь в спирт.

4) Взаимодействие с алкоголят-ионами:

R+ + R' —О:- —►R - O — R'

Таким способом получают простые эфиры. 5) Взаимодействие со спиртами:

R+ + R '—ОН —►R —О— R' + H +

И в этом случае первичный продукт реакции, представляющий собой сопряженную кислоту простого эфира, быстро теряет протон, а ко­ нечным продуктом является простой эфир.

6) Аналогично случаям (2) и (3) или (4) и (5) взаимодействие с кар- боксилат-анионами или карбоксильными кислотами приводит к иден­ тичному результату — образованию сложного эфира:

R+ + R'COO:~ —- R'COOR

R+ + R'СООН —> R'COOR + Н +

296

7) При взаимодействии ионов карбония с анионами минеральных, сульфониевых, фосфониевых и других гидроксильных кислот или с самими этими кислотами образуются соответствующие сложные эфиры:

R+ + - 0 — N = 0 —►RON = 0

R+ + ~ 0 — N —0 2—►R 0N 03

R + + H 0 S 0 2R '- > R 'S 0 20R + H+ и т . д.

8) Взаимодействие с аммиаком приводит к образованию первич­ ных аминов:

R+ + NH3 — R — NH3+

_L

RNH3+ NH3 —►R — NH2+ NH4

9) Взаимодействие с первичными аминами приводит к образо­ ванию вторичных аминов:

R+ + R'NH2—►R— NH — R' + H +

(на схеме не указано основание, присоединяющее протон; это может быть R 'N H 2).

10) При взаимодействии с третичными аминами в конечном про­ дукте уже нет протона, который мог бы быть передан присутствую- • щему в избытке основанию. Поэтому продуктом реакции является чет­ вертичный аммониевый ион:

R + + NR3 — r - n r ;+

11) При взаимодействии с цианид-ионом получаются нитрилы

R + + :C = N ~ —- R —С = N

12) При взаимодействии с карбанионами (сопряженными основа­ ниями карбокислот) происходит наращивание углеродного скелета вследствие образования новой связи С—С:

нами приводит к образованию тиолатных анионов или тиолов:

R+ + :S2~ —►R — S:~

R+ + H S :~ —^ R —SH

297

субстрата. Продукты этих параллельных процессов различны, при­ чем в случае реакции Sn 1 их характер зависит от того, какие нуклеофи­ лы и в каких концентрациях присутствуют в реакционной смеси.

В данном случае мы имеем дело с типичной конкуренцией между параллельными реакциями. Если нуклеофильная атака на карбониевый углерод происходит быстрее, чем на водород а-С—Н-связи, т. е. при условии доминирования процесса SnI конечный результат соот­ ветствует нуклеофильному замещению у s/P-углерода. Если домини­ рует процесс Е1, брутто-результатом является отщепление, или элиминирование, Н—Y и возникновение двойной связи. При сопостави­ мых скоростях обеих конкурирующих реакций возникает смесь соот­ ветствующих продуктов нуклеофильного замещения и элиминиро­ вания.

Рассмотрим некоторые факторы, влияющие на результаты конкурен­ ции между процессами типа SnI и El. Одни из этих факторов зависят от строения иона карбония, другие — от активности атакующего нук­ леофила.

Электрофильность карбониевого реакционного центра тем меньше, чем стабильнее ион карбония. Следовательно, гиперконъюгация с участием а-С—Н-связей уменьшает конкурентоспособность механиз­ ма Sn I.

В процессе Е1 активированное состояние характеризуется частич­ ным появлением двойной связи:

R R

При этом на карбониевом углеродном атоме частично сохраняется положительный заряд, который благодаря наличию частичной я-связи

обладает —^-характером независимо от того, к какой из четырех a -связей примыкает при этом заместитель, и все заместители, принад­ лежащие к типу -fR, могут вступать в активированном состоянии в полярное сопряжение с реакционным центром, ускоряя Е1-процесс. Если какой-либо из этих заместителей обладает я-электронной систе­ мой, охватывающей первый атом, то и в этом случае имеет место резо­ нансная стабилизация активированного состояния.

Особое практическое значение имеет гиперконъюгация заместите­ лей R с возникающей двойной связью. Она определяет , конкуренто­ способность различных водородных атомов и направление а-элимини- рования. С этой точки зрения активированный комплекс в реакциях Е1 тем стабильнее, чем большее число а-С—Н-связей принимает участие в гиперконъюгации. Рассмотрим это на примере конкретного иона карбония, для которого возможно несколько параллельных на-

299

правлении элиминирования:

Из этих чисел следует, что алкен IIJ возникает существенно быстрее, чем алкен II, а последний — быстрее, чем I. Поэтому основным про­ дуктом реакции является алкен III.

Приведенная гиперконъюгационная трактовка направления отщепления позво­ ляет правильно предсказывать главный продукт реакции. Тем це менее в ее физиче­ ской обоснованности можно сомневаться. Если судить о стабильности активирован­ ного состояния по энергетической устойчивости конечного продукта — алкена, то определяющим является не гиперконъюгационная, а стерическая составляющая (раздел 5 главы VII). Она благоприятствует возникновению алкена, наиболее раз­ ветвленного у двойной связи.

С точки зрения результатов реакций элиминирования оба подхода равноценны. Но, поскольку в энергии образования алкенов роль гиперконъюгации незаметна, она представляется в данном случае менее правдоподобной альтернативой. Особенно это относится к реакциям типа Е2 (см. раздел 4 главы XVII), в случае которых активи­ рованный комплекс полностью лишен характера иона карбония.

Аналогично, объяснение любых других свойств органических соединений ги­ перконъюгацией алкильных заместителей с электронейтральной л-электронной систе­ мой может претендовать на роль удобной условности, но не более.

Центр электрофильности у карбониевого углерода принадлежит к числу мягких. Скорость нуклеофильной атаки этого центра опреде­ ляется в основном поляризуемостью нуклеофила и сравнительно мало зависит от основности последнего. В то же время скорость нуклеофиль­ ной атаки на атом водорода определяется в первую очередь основно­ стью нуклеофила. Поэтому применение жестких сильноосновных нук­ леофилов создает благоприятные условия для доминирования процесса Е1. Распространенной препаративной методикой проведения реакций отщепления служит обработка субстрата КОН в спиртовой среде, луч­ ше всего — в абсолютном спирте. В этих условиях равновесие

ОН - + С2Н6ОН щд Н20 + С2Н60 -

достаточно сдвинуто вправо для заметного образования очень основ­ ного жесткого нуклеофила — С2Н 60 - .3

3. АЛЛИЛЬНАЯ ПЕРЕГРУППИРОВКА

Если ион карбония возникает в результате гетеролитической дис­ социации соединения типа R—СН =СН —СН2—Y, то благодаря по­ лярному резонансу его положительный заряд распределен между

300

В ионах карбония аллильного типа имеется два центра электрофильности. Оба'они могут служить мишенями для нуклеофильной атаки либо со стороны нуклеофила, присутствующего в реакционной смеси, либо, если таковой отсутствует, за счет нуклеофила Y :- , образовав­ шегося из электроотрицательной уходящей группы субстрата.

При нуклеофильной атаке на атом углерода С1 возникает так назы­ ваемый нормальный продукт, в то время как атака на этом С3 приводит к появлению продукта перегруппировки. Перегруппировками назы­ ваются изменения в углеродном скелете исходного соединения, а так­ же в расположении двойных и тройных связей и заместителей (функ­ циональных групп). В данном случае с уходящей группой — Y связан замещённый аллил, поэтому и перегруппировка называется аллильной. В частном случае, когда R = H (незамещенное производное аллила), перегруппировавшийся продукт идентичен нормальному.

Приведем простейший пример аллильной перегруппировки:

СН3—СН = СН — СН2С1 — уз*СН3— СНг— СН — СН2

- Н + + Н гО

При отсутствии в реакционной смеси нуклеофила перегруппи­ ровка сводится к изомеризации исходного продукта, приводя к анио-

нотропной таутомерии:

С1

СН3— СН=СН — СН2С1 СН3— СН — СН — СН2+ С ]- i t СНа—СН—с н = с н 2

продукт изомеризации

4.ПЕРЕГРУППИРОВКА ПУТЕМ МИГРАЦИИ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ

Вряде случаев ионы карбония успевают за короткое время своей жизни изомеризоваться в результате внутримолекулярной нуклео­ фильной атаки положительно заряженного атома углерода. В качестве центров нуклеофильности при этом выступают алкильные или ариль­ ные заместители, расположенные в a -положении к карбониевому ато­ му углерода. Источником нуклеофильности этих заместителей является частичный гетеролиз соответствующих о-связей, т. е. эти заместители формально проявляют свойства электроотрицательных уходящих групп. В итоге меняют свое положение как заместители, так и поло­ жительно заряженный атом углерода. Процесс внутримолекулярного изменения положения заместителя называется миграцией.

Врезультате миграции происходит перегруппировка с изменением как углеродного скелета, так и положения реакционного центра. Пе­ регруппировки такого типа осуществляются согласно следующей схе­ ме, где R — алкил, арил (в том числе замещенный) или атом водорода:

301