andryush

По механизму Е1 протекает отщепление воды от третичных спиртов в сильнокислой среде (например, в присутствии серной или фосфорной кислоты).

карбокатион

В реакциях отщепления галогеноводороа от алкилгалогенида или воды от спирта наблюдается преимущественное отщепление протона от атома углерода, содержащего минимальное число атомов водорода, т.е. от наименее гидрогенизированного атома углерода (правило Зайцева):

NaOH,,ttºC0

Правилу Зайцева подчиняются реакции отщепления, протекающие по Е2 и Е1 механизмам.

3.2.10. Обучающие задачи

Задача 1. 2-Метиламино-1-фенилпропанол-1 можно синтезировать путем взаимодействия 2-бромо-1-фенилпропанола-1 и метиламина. Какие еще сочетания субстрата и нуклеофильного реагента можно использовать для синтеза 2-метиламино-1-фенилпропанола-1? На одном из примеров объясните механизм реакции [1].

Решение. Взаимодействие 2-бромо-1-фенилпропанола-1 с метиламином служит примером реакции нуклеофильного замещения, в которой галогеносодержащее соединение выступает в роли субстрата, а метиламин – в качестве нуклеофильного реагента. В субстрате электронная плотность связи С→Вr смещена в сторону более электроотрицательного и легко поляризуемого атома брома, что приводит к появлению в молекуле электрофильного центра. Частичный положительный заряд на атоме углерода увеличивается также за счет электронно-

71

акцепторного влияния гидроксильной группы. В результате атаки субстрата метиламином происходит замещение галогена на метиламиногруппу.

Для синтеза 2-метиламино-1-фенилпропанола-1 можно использовать и другие сочетания субстрата и нуклеофильного реагента. Одним из возможных способов является реакция алкилирования метилиодидом соединения, содержащего первичную аминогруппу.

Метилиодид является одним из лучших метилирующих агентов, поскольку содержит хорошую уходящую группу – стабильный иодидион. Взаимодействие первичного галогеноалкана – метилиодида – с нуклеофильным реагентом протекает по механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения SN2. Стадия, определяющая скорость реакции, включает столкновение двух частиц, т. е. зависит от концентрации обоих реагентов. Нуклеофил атакует субстрат со стороны, противоположной уходящему аниону, разрыв связи C–I и образование новой связи C–N протекают одновременно (синхронно).

72

Задача 2. Синтез п-аминоэтилфенола из п-гидроксибензилового спирта включает две реакции нуклеофильного замещения. Напишите схемы этих превращений и объясните механизм первой реакции.

Решение. Синтетическое получение п-аминоэтилфенола из п-гидро- ксибензилового спирта можно осуществить с помощью реакций:

n – (2-аминоэтил) фенол

n - (2-аминоэтил)фенол

В результате реакции (1) происходит замещение гидроксильной группы на хлорид-ион С1–, реакции (2) – замещение хлорид-иона на цианид-ион CN–. Молекулы п-гидроксибензилового спирта и п-(хлоро- метил)фенола содержат сильнополярные связи Csp3–ОН и Сsp3–С1. Эти соединения являются электрофильными субстратами по отношению к нуклеофильным реагентам.

Таким образом, реакции (1) и (2) – типичные реакции нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода, реакция (3), восстановление цианогруппы имеет важное синтетическое значение и служит одним из способов введения аминогруппы в молекулу.

В реакции (1) источником хлорид-иона С1– является хлороводородная кислота. Реакция нуклеофильного замещения осуществляется только в том случае, если уходящий анион более стабилен, чем входящий. Гидроксид-ион НО– менее стабилен, чем хлорид-ион С1–, поэтому для проведения реакции необходим кислотный катализ. Роль кислоты заключается в протонировании атома кислорода гидроксильной группы и создании хорошей уходящей группы – молекулы воды. В оксониевом ионе связь С→О+ еще сильнее поляризуется в направлении положительно заряженного кислорода:

73

спирт

Спирт п-гидроксибензиловый – первичный спирт, поэтому можно предположить, что реакция пойдет по механизму SN2, когда атака хло- рид-ионом электрофильного атома углерода и отщепление воды происходят одновременно. Однако в данном случае реакция может осуществляться по механизму SN1 (мономолекулярному нуклеофильному замещению). На медленной стадии происходит диссоциация протонированного спирта с образованием соответствующего карбокатиона. Такое направление реакции обусловлено относительной стабильностью карбокатионов бензильного типа, в которых положительный заряд делокализован по системе сопряжения, включающей ароматическое ядро. Реакция завершается атакой карбокатиона хлорид-ионом С1– (быстрая стадия).

HO -- CH2 - Cl

n –- ((хлорометиллор етил))фенолнол

Задача 3. При дегидратации пропанола-1 и пропанола-2 образуется один и тот же алкен – пропен. Проведите реакцию дегидратации этих спиртов и объясните, какой из них предпочтительнее использовать для получения пропена.

Решение. Для спиртов характерны не только реакции замещения, но и элиминирования, например, реакция дегидратации. Поскольку гидроксид-ион является плохой уходящей группой, то для дегидратации спиртов проводят предварительное протонирование спирта с целью создания хорошей уходящей группы – молекулы воды. Дегидратацию спиртов проводят в сильнокислой среде, используя концентрированную серную или фосфорную кислоту (но не галогеноводородные кислоты, так как галогенид-ионы могут направить реакцию по конкурентному пути нуклеофильного замещения):

74

Пропанолропанол--22

Дегидратация спиртов протекает по механизму мономолекулярного элиминирования E1. Такое течение реакции вполне понятно, так как для проведения реакции по механизму Е2 требуется присутствие больших количеств сильного основания, что несовместимо с необходимостью проводить реакцию в кислой среде. Даже первичные спирты отщепляют воду через стадию образования карбокатиона.

В реакции дегидратации спиртов, в частности пропанола-2, можно выделить три стадии. На первой стадии происходит протонирование спирта сильной кислотой с образованием оксониевого иона, на второй (определяющей скорость реакции) – диссоциация оксониевого иона с образованием карбокатиона, на третьей – отщепление протона основанием, в качестве которого выступает либо вода, либо гидросульфат-ион. По такой же схеме происходит реакция дегидратации пропанола-1:

бБыстростро

CH3 - CH - CH3 + H2SO4 CH3 - CH - CH3 + HSO4

75

Реакционная способность спиртов в реакции дегидратации обусловлена стабильностью образующегося карбокатиона. При дегидратации пропанола-1 образуется первичный, а пропанола-2 – более стабильный вторичный карбокатион:

CH3 - CH2 - CH2 < CH3 - CH - CH3

Поэтому дегидратация пропанола-2 протекает с большей скоростью и в более мягких условиях, чем пропанола-1. На этом основании можно сделать заключение, что для синтеза пропена предпочтительнее использовать пропанол-2.

Домашнее задание

Т а б л и ц а 6

1Напишите схему реакции получения бензилиодида из бензилового спирта и объясните ее механизм Этилхлорид получают в промышленности из этилового спирта.

2Напишите схему синтеза и объясните, какой реагент нужно взять для проведения реакции. Опишите механизм реакции

1-фенилпропанамин-2 получают в результате взаимодействия соответствующего галогенопроизводного с аммиаком. Какие га-

3логенопроизводные используют для этой цели? Какой из них обладает наибольшей реакционной способностью? Напишите схему реакции Аллиловый спирт получается в результате реакции гидролиза

4аллилхлорида СН2=СН-СН2Сl водным раствором щелочи. Напишите схему реакции и объясните механизм

Какие продукты образуются при взаимодействии пропилбромида

5с гидросульфидом натрия, этантиолятом натрия, диметилсульфидом? К каким классам органических соединений относятся полученные соединения?

Октанол-2 – ценный продукт, выделяемый из касторового масла.

6Напишите схему реакции по стадиям получения из октанола-2 соответствующего бромида и объясните, по какому механизму – SN2 или SN1 – протекает эта реакция

76

77

3.2.11.Нуклеофильное присоединение

вальдегидах и кетонах

Реакции нуклеофильного присоединения характерны для альдегидов и кетонов [2]. Наличие в молекуле альдегида или кетона электрофильного центра – атома углерода карбонильной группы – предопределяет возможность нуклеофильной атаки.

δ=Oδ

R - C

H

элЭлектрофильныйктрофильный

центр

центр

Чем больше частичный положительный заряд на карбонильном атоме углерода, тем легче атакуется нуклеофильной частицей, поэтому электронакцепторные заместители повышают реакционную способность альдегидов. Кетоны в целом менее реакционноспособны. В ароматических соединениях бензольное кольцо, находящееся в сопряжении с карбонильной группой, проявляет сильное электронодонорное действие, снижая частичный положительный заряд. Поэтому ароматические альдегиды и кетоны менее реакционноспособны, чем алифатические.

78

Таким образом, с учетом электронных эффектов групп, связанных с карбонильным атомом углерода, величина δ+ на нем в альдегидах и кетонах убывает в следующем ряду:

Уменьшение на карбонильном атоме углерода

Общая схема реакций нуклеофильного присоединения к карбонильной группе включает нуклеофильную атаку по карбонильному атому углерода, за которой следует присоединение электрофила к атому кислорода.

По приведенному выше механизму осуществляется ряд важных реакций альдегидов и кетонов, некоторые из которых рассмотрены далее.

Присоединение спиртов с образованием полуацеталей и ацета-

лей. К получению полуацеталей и ацеталей приводит взаимодействие альдегидной и гидроксильной функциональных групп. При эквимолярном соотношении реагирующих веществ образуются полуацетали, при наличии избытка спирта – ацетали. Реакции протекают в присутствии кислотного катализатора, в качестве которого используют концентрированную серную кислоту [2].

При взаимодействии пропаналя и этанола в безводной кислой среде получается полуацеталь – 1-этоксипропанол-1. Роль кислотного катализатора заключается в активации карбонильного атома углерода, т. е. усилении его электрофильности. Это необходимо потому, что молекула спирта обладает слабыми нуклеофильными свойствами.

79