posobia2 / Лекции по биоорганической химии (2011 г

характеристику состава, строения промежуточных соединений и переходных состояний, а также предположения, касающиеся смещения электронов в ходе последовательных превращений частицы.

Чтобы осуществилась реакция между двумя частицами (молекулами, атомами, ионами), они должны столкнуться. Число столкновений зависит от кинетической энергии частиц, и оно увеличивается с ростом температуры. Однако не каждое столкновение вызывает реакцию между частицами. В реакцию вступают только частицы, обладающие достаточной энергией – активированные частицы, способные преодолеть энергетический барьер. В результате столкновений частицы активируются, но не все. С повышением температуры увеличивается число тех столкновений, которые приводят к реакции. При взаимодействии активированных молекул возникает

активированный комплекс (переходное состояние):

Энергия, затрачиваемая на образование активированного комплекса, называется энергией активации. Время жизни активированного комплекса (переходного состояния) очень мало – около 10-12 секунды.

Реакционная способность рассматривается только по отношению к реакционному партнеру. Само вещество называют субстратом, а действующее на него соединение – реагентом. В субстрате воздействию реагента подвергается реакционный центр. Химические реакции по характеру изменения связей в субстрате и реагенте классифицируются на радикальные, ионные и согласованные.

21

Типы реакций и реагентов Радикальные реагенты – атом или группировка атомов,

содержащая один или несколько неспаренных электронов. Такие реагенты образуются в результате гомолитического разрыва связей:

A B A B

Как правило, радикальные реагенты, в отличие от других реагентов, характеризуются высокой реакционной способностью.

Электрофильные реагенты – это катионы и нейтральные молекулы, имеющие электронодефицитный центр (атом). Электрофильные реагенты можно рассматривать как акцепторы электронных пар, которые они принимают в ходе химических реакций от других атомов. Электрофилы атакуют участки молекул, богатые электронами, например -электронное облако в алкенах, алкинах, аренах, или атом, имеющий неподеленную пару электронов и частичный отрицательный заряд. Примеры электрофильных частиц: Н ; NO2 ; SO3; ZnCl2; AlCl3 и другие.

Нуклеофильные реагенты – это частицы, имеющие неподеленные пары электронов на внешнем электронном слое. Нуклеофилами являются анионы и электронейтральные молекулы, имеющие атом, у которого есть одна или несколько неподеленных пар электронов и частичный отрицательный заряд. Нуклеофильные реагенты атакуют в субстрате электронодефицитный центр, т.е. атом с частичным положительным зарядом. Нуклеофилы в реакциях выступают как доноры электронных пар. примеры нуклеофильных частиц: Н ; ОН ; Н2О; NН3; СN ;СН3ОН; СН3О и другие.

22

Взависимости от типа разрыва связей в субстрате и природы реагента реакции можно разделить на радикальные (гомолитические), ионные (гетеролитические), согласованные.

Врадикальных реакциях под действием свободных радикалов происходит гомолитический разрыв связей в субстрате. В ионных реакциях происходит гетеролитический разрыв связей в субстрате под действием электрофильного или нуклеофильного реагентов. В согласованных реакциях разрыв старых и образование новых связей происходит одновременно.

Примеры гетеролитических реакций

Примеры согласованных реакций

23

По конечному результату различают: реакции замещения (радикальное замещение – SR, электрофильное замещение – SE, нуклеофильное замещение – SN), реакции присоединения ( радикальное присоединение –АR, электрофильное присоединение – АЕ, нуклеофильное присоединение – АN), реакции отщепления (элиминирования –Е), перегруппировки, ОВР.

Реакции радикального замещения (SR)

Эти реакции характерны для алканов и циклоалканов, имеющих средний или большой цикл. В молекулах предельных углеводородов имеются неполярные связи углерод-углерод и практически неполярные связи углерод-водород, реакции этих соединений идут с гомолитическим разрывом связей. Большинство органических радикалов характеризуется высокой реакционной способностью и малым временем жизни. Устойчивость алкильных радикалов уменьшается при переходе от третичных к первичным. Аллильный и бензильный радикалы характеризуются более высокой устойчивостью за счет делокализации неспаренного электрона в системе сопряжения.

уменьшение стабильности свободных радикалов

Пути образования свободных радикалов:

1. Фотохимическое расщепление (фотолиз):

Сl : Cl Cl + Cl

24

2. Термическое расщепление (термолиз):

Pb(C2H5)4 Pb + 4 C2H5

3. Окислительно-восстановительные реакции:

H-О-О-Н + Fe2+ НО + ОН + Fe3+

С6Н5СНО + Fe3+ Fe2+ + H + C6Н5С(О)

4. Электролитическое окисление анионов карбоновых кислот:

Механизм реакций радикального замещения (SR)

В реакциях радикального замещения выделяют несколько последовательных стадий: инициирования, рост цепи, обрыв цепи. Рассмотрим подробнее на примере реакции хлорирования этана:

СН3 СН3 +Сl2 CH3 CH2 Cl + HCl

Инициирование:

Сl : Cl Cl + Cl

На этой стадии под действием кванта тепловой или световой энергии происходит гомолитический разрыв связи в молекуле хлора. Рост цепи:

Cl + СН3 СН3 CH3 CH2 +HCl

25

CH3 CH2 + Сl : Cl CH3 CH2 Cl + Cl

Cl + СН3 СН3 CH3 CH2 +HCl CH3 CH2 + Сl : Cl CH3 CH2 Cl + Cl

Образовавшиеся атомы хлора (свободные радикалы), стремясь завершить свой внешний электронный слой, отрывают атом водорода от молекулы этана. Отрыв атома водорода от молекулы алкана идет гомолитически, при этом образуются молекула хлороводорода и этильный (алкильный радикал). Образующийся углеводородный радикал отрывает атом хлора от молекулы Cl2, что приводит к образованию хлорэтана и радикала хлора, который далее вступает в реакцию с этаном. Таким образом одна реакция порождает другую и представляет собой цепь последовательных превращений. На этом этапе идет образование основных продуктов реакции.

Обрыв цепи:

Cl + Cl Сl : Cl

CH3 CH2 + Cl CH3 CH2 Cl CH3 CH2 + CH3 CH2 СН3 СН3 + СН2=СН2 CH3 CH2 + CН2 СН3 CH3 CH2 CН2 СН3

По мере превращения исходных веществ в продукты реакции увеличивается вероятность взаимодействия радикалов между собой, что приводит к образованию молекул исходных веществ либо побочных продуктов. Эти процессы приводят к исчезновению из реакционной сферы свободных радикалов, в результате рост цепи прекращается.

Реакционная способность галогенов уменьшается от фтора к брому. Йод с алканами не реагирует вследствие эндотермичности такого процесса. Если в молекуле алкана содержатся первичные, вторичные и

26

третичные атомы углерода, то под действием почти всех радикалов отрываются в первую очередь атомы водорода от третичного атома углерода, затем от вторичного и в последнюю очередь от первичного. Это согласуется энергиями связей: Е(Н-Стр) = 381 кДж/моль, Е(Н-Свт) = 393 кДж/моль, Е(Н-Сп) = 406 кДж/моль. В пользу такого протекания реакции свидетельствует устойчивость радикалов, которая уменьшается от третичного к первичному. Проведение реакций с хлором и фтором приводит к образованию смеси продуктов монозамещения, так как эти атомы обладают высокой реакционной способностью и легко разрывают любые связи Н-С. Однако в смеси продуктов содержание продукта замещения у третичного атома углерода большее, чем следовало ожидать из статистического подхода (ожидаемое количество 2-метил-2-

хлорпропана – 10%, 2-метил-1-хлорпропана – 90%).

В случае реакции алканов с менее реакционноспособным радикалом брома, а потому и более избирательным, замещение протекает главным образом у третичного атома углерода, т.е. региоселективно. Региоселективность – это протекание реакции по одному из нескольких возможных реакционных центров.

27

Реакции электрофильного присоединения (АЕ)

Реакции АЕ характерны для алкенов, алкинов, диеновых углеводородов, а также для циклоалканов, имеющих «напряженный» цикл (циклопропан и циклобутан). В случае непредельных углеводородов присоединение электрофильной частицы происходит за счет разрыва -связи, как менее прочной. -Связь образуется в результате двукратного перекрывания р-орбиталей, область с повышенной электронной плотностью располагается по обе стороны от линии, соединяющей ядра связанных атомов. Пара электронов, образующая -связь, более удалена от ядер атомов, поэтому менее прочно удерживается ими, и легче поляризуется по сравнению с электронами, образующими -связь углерод-углерод.

H H H H

H H H H

Схема образования -связи и распределение -электронной плотности

Механизм реакции АЕ в общем виде может быть представлен следующим образом:

Реакция электрофильного присоединения представляет собой ступенчатый процесс, инициируемый электрофильной частицей (Е), несущей полный или частичный положительный заряд. На первом этапе реакции происходит образование -комплекса (быстрая стадия). -

28

Комплекс формируется в результате электростатического притяжения электрофильной частицы к отрицательно заряженному электронному облаку -связи. На втором этапе происходит превращение -комплекса

в -комплекс (медленная или лимитирующая стадия реакции). Это превращение идет за счет того, что под действием электронного облака-связи происходит дальнейшая поляризация связи Е Nu и её гетеролитический разрыв. Образующийся катион Е образует -связь с одним из атомов углерода за счет пары электронов -связи в результате ее гетеролитического разрыва. Продукт присоединения катиона называют -комплексом (так как возникла -связь), или карбкатионом (так как полный положительный заряд находится на атоме углерода). На третьем этапе образовавшийся -комплекс (карбкатион) легко подвергается нуклеофильной атаке Nu с образованием конечного продукта.

Скорость реакций электрофильного присоединения увеличивается с увеличением числа электронодонорных заместителей при двойной связи субстрата, что увеличивает ее нуклеофильность, облегчает образование -комплекса и его превращение в -комплекс.

уменьшение реакционной способности алкенов в реакциях АЕ

Общая схема механизма реакций гидрогалогенирования:

29

При взаимодействии алкенов с галогеноводородами лимитирующей стадией является присоединение протона через образование -комплекса; реакция оканчивается последующей атакой образовавшегося карбкатиона галогенид-ионом. По мере увеличения кислотности легкость присоединения галогеноводородов возрастает в ряду: HF HCl HBr HI.

В случае алкенов несимметричного строения, например, пропена, бутена-1, 2-метилпропена, присоединение галогеноводородов может приводить к образованию двух продуктов. На практике наблюдается региоселективное протекание реакции согласно правилу Марковникова:

при взаимодействии несимметричных алкенов (алкинов, диенов) с соединениями типа Н-Х, атом Н присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода при двойной (тройной) связи, а Х – к менее гидрогенизированному атому углерода. Есть и другие формулировки этого правила: присоединение протона к несимметричным алкенам идет с образованием более стабильного карбкатиона.

Механизм реакции:

30