Учебник Органическая химия Щеголев 2016

В медицинской практике применяется смесь высших (твѐрдых) парафиновых углеводородов. Она может образовываться в природе в результате частичного осмоления и полимеризации парафинистых масел нефти (земляной воск, озокерит, горный воск). Высокоочищенные высшие углеводороды (под названием «твѐрдый парафин») используются в качестве основы для мазей, а также благодаря их низкой теплопроводности — для лечения теплом при невралгиях, невритах и т. п. Одна из фракций нефти, остающаяся после отгонки керосина, используется во врачебной практике под названием «вазелиновое масло».

Таким образом, насыщенные углеводороды, являясь родоначальными соединениями для всех органических веществ, в своѐм строении и свойствах отражают важнейшие, характерные для этих веществ, принципы и законы.

ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

1. Назовите по заместительной номенклатуре ИЮПАК:

C2H5

CH3 - CH - C - CH2

CH3 C2H5 C2H5

2. Назовите по рациональной номенклатуре:

3.Сравните устойчивость 1) двух радикалов: СН3 и С2Н5; 2) метилрадикала и трет-бутил-радикала; 3) первичного и вторичного радикалов

101

н-бутана; 4) радикалов изобутана; 5) двух первичных радикалов 2-метилбутана; 6) двух разных вторичных радикалов С5Н11; 7) третичных радикалов C4H9 и С5Н11 .

4.Определите преимущественное направление реакций бромирования и жидкофазного нитрования 2-метилпентана; 2,2-диметилбутана; 2,5-ди- метилгексана; 4,4-диметилгептана; 2,4-диметилпентана; 2,2,3-триметил- бутана; 2-метилгексана. Приведите механизм реакции.

5.Каково будет ожидаемое соотношение продуктов монохлорирования 2,3-диметилбутана при 300 С? Какой будет основной продукт реакции бромирования этого углеводорода?

6.Объясните, почему реакции хлорирования и бромирования алканов замедляются в присутствии молекулярного кислорода.

7.Какие непредельные углеводороды можно получить при дегидрировании 2-метилпентана?

8.Сравните реакционную способность двух изомеров: бутана и изобутана в различных реакциях. Насколько селективны эти реакции для данных изомеров?

102

Глава 3. ПРОИЗВОДНЫЕ АЛКАНОВ

В этой главе рассматриваются производные алканов с одной или несколькими характеристическими группами X. Общая формула таких монозамещѐнных алканов R–X, где группировка X представлена гетероатомом или их совокупностью. Это атомы галогенов (-F, -Cl, -Br, -I), гидроксильная и алкоксильная группы (-OH, -OR), меркапто- и алкилтиогруппы (-SH, -SR), аминогруппы (в т.ч. замещенные: -NH2, -NHR, -NR2), нитрогруппа (-NO2) и др. Таким образом, общий структурный фрагмент, присутствующий в этих соединениях, можно представить в виде:

C X

,

где заместитель Х — это -F, -Cl, -Br, -I, -OH, -OR, -SH, -SR, -NH2, -NHR, -NR2,

-NO2 и другие.

3.1. ОБЩНОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Молекулы, содержащие фрагмент С–Х, в которых атом углерода связан с атомами галогена, кислорода, серы или азота, объединяет то, что это, прежде всего электроотрицательные атомы, а значит, связь С–Х полярна, причѐм во многих случаях — сильно полярна. Группа Х может взаимодействовать с соседним атомом углерода посредством индуктивного эффекта, и этот эффект всегда акцепторный. При этом на соседнем атоме углерода наблюдается дефицит электронной плотности (возникает частичный положительный заряд):

C X

Наличие в молекулах электрофильного центра (С +) создаѐт условия для нуклеофильной атаки по этому атому углерода с возможным разрывом-связи С–Х и образованием новой -связи между углеродом и нуклеофильной частицей. Таким образом, в результате возможно замещение одних атомов акцепторов или атомных группировок (Х) на другие. Это свидетельству-

103

ет о том, что для таких соединений должны быть характерны реакции нуклеофильного замещения (SN).

Кроме того, электроноакцепторный эффект, передаваясь по цепи углеродных атомов, поляризует и С–Н-связи, в том числе и С–Н-связь соседнего ( -углеродного) атома:

"

H

'

CCH2X

Этот атом водорода также может быть подвергнут атаке основания, что приводит к протеканию реакций отщепления (Е).

Рассмотрим более подробно реакции нуклеофильного замещения и реакции отщепления.

3.1.1. РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ

Наиболее активны в реакциях нуклеофильного замещения должны быть галогеналканы RF, RCl, RBr и RI, так как в их молекулах при замещении образуется стабильный анион уходящей группы Х , представляющий собой один из галогенид-ионов, то есть анион сильной кислоты. Это подтверждается многочисленными примерами замещения атомов галогена в галогеналканах, например, на гидрокси-, алкокси-, амино-, циано-, нитрогруппу. Напротив, амины должны обладать наименьшей реакционной способностью, так как аммиак и амины — очень слабые кислоты и, соответственно, сопряжѐнные им основания, то есть анионы NH2, NHR, NR2, высокореакционноспособны и потому неустойчивы (легко присоединяют протон).

Гидроксильная группа в спиртах также может замещаться в реакциях со многими нуклеофилами, однако, в более жѐстких условиях, чем галогены. Алкоксильная группа труднее замещается, чем гидроксильная, причѐм и та, и другая замещаются только в кислой среде, в которой уходящей частицей является не анион, а молекула (соответственно воды или спирта).

Аминогруппа достаточно устойчива к замещению, случаи еѐ нуклеофильного замещения редки, реакции протекают в очень жѐстких условиях и только для аммониевых солей. В связи с этим наиболее многочисленны SN- реакции именно для галогеналканов (гл. 3.2).

Общая схема реакции может быть представлена в следующем виде:

Атакующий агент Y, называемый нуклеофилом, за счѐт неподелѐнной пары электронов атакует в молекуле субстрата положительно заряженный центр. Реакция сопровождается гетеролитическим разрывом -связи в молекуле субстрата, заместитель X уходит вместе с парой электронов. Новая ковалентная связь образуется за счѐт пары нуклеофильного реагента координационным путем.

Нуклеофильными реагентами могут быть самые разнообразные части-

цы, но они должны обязательно иметь неподелѐнную электронную пару.

Это, например, анионы HО , RO , NH2, F , Cl , Br , I , CN , H , CH2-R и нейтральные молекулы H2O, ROH, NH3, RNH2, RR NH, H2S, RSH. Нуклео-

фильными свойствами обладают и такие соединения, как непредельные и ароматические углеводороды.

Субстратами могут быть полярные молекулы, имеющие атом углерода с эффективным положительным зарядом и замещаемую группу X. Атом углерода здесь называется электрофильным центром. Группа X, называемая также уходящей группой, или нуклеофугом, обладает высокой электроотрицательностью и может уходить как в виде аниона, так и в виде незаряженной молекулы.

В реакциях нуклеофильного замещения в зависимости от природы субстрата, нуклеофила, уходящей группы и от условий реакции могут реализоваться несколько различных механизмов. Для таких реакций наиболее распространѐнными являются механизм бимолекулярного нуклеофильного замещения, обозначаемый SN2, и мономолекулярного нуклеофильного замещения, обозначаемый SN1.

Механизм бимолекулярного нуклеофильного замещения

Реакция бимолекулярна, потому что протекает при столкновении двух частиц: нуклеофила и молекулы субстрата. Скорость реакции при этом зависит от концентрации субстрата и от концентрации атакующих нуклеофильных частиц. Нуклеофил атакует положительно заряженный центр молекулы субстрата с более выгодной «тыльной» стороны, так как в этом случае на него не действует одноимѐнный заряд нуклеофуга. Реакция представляет собой одностадийный процесс. Связь C–Y образуется одновременно с разрывом C–X связи.

105

Энергия, необходимая для разрыва C–X-связи, поставляется за счѐт синхронного процесса образования связи C–Y. Как только группа Y включается в переходное состояние, группа Х должна уйти, поскольку атом углерода может образовывать только 4 ковалентные связи. В переходном состоянии исходная sp3-гибридизация атома углерода изменяется на sp2- гибридизацию с примерно перпендикулярной р-орбиталью, а нуклеофильный реагент, центральный атом углерода и нуклеофуг находятся на прямой линии. Три нереагирующие группы субстрата и центральный атом углерода лежат в одной плоскости. Поэтому, если подход нуклеофила со стороны, противоположной уходящей группе, невозможен, то бимолекулярная реакция также становится невозможной.

Стереохимию процесса бимолекулярного нуклеофильного замещения легко наблюдать на примере гидролиза оптически активного субстрата. Три нереагирующие группы при атаке как бы «выворачиваются» внутрь. Поэтому иногда говорят и про атом углерода, что он «выворачивается», но чаще всего пользуются термином «обращение конфигурации» атома углерода, имея в виду изменение пространственного расположения присоединѐнных к нему групп. Этот процесс сравнивают с выворачиванием зонтика на ветру. Такое изменение конфигурации известно ещѐ под названием вальденовское* обращение. Вальденовское обращение — это обращение конфигурации асимметрического атома, сопровождающееся изменением знака оптического вращения. Все реакции бимолекулярного нуклеофильного замещения сопровождаются вальденовским обращением независимо от строения субстрата.

Механизм мономолекулярного замещения

Идеальный вариант механизма SN1 включает две стадии:

2) R+ + :Y- R-Y

Первая стадия — это медленная ионизация субстрата, и именно она определяет скорость реакции. Диссоциации молекул на свободные ионы предшествует переходное состояние, в котором происходит увеличение длины связи С–Х и постепенное перемещение электронной пары к уходящей группе. Затем образуется ионная пара. Распад еѐ на ионы происходит при участии молекул полярного растворителя. Вторая стадия — это быстрое взаимодействие промежуточного карбокатиона с нуклеофилом.

Таким образом, скорость всей реакции в целом зависит только от скорости наиболее медленной первой стадии, в которой принимают участие только молекулы субстрата. Поэтому реакция мономолекулярна, а еѐ скорость зависит только от концентрации исходного субстрата.

106

Образующаяся в результате протекания процесса замещения частица Х может снижать скорость реакции из-за еѐ обратимости. Поэтому во многих случаях можно добавками солей, содержащих анионы Х , замедлить реакцию. В общем случае для SN1-реакций скорость не должна зависеть от природы нуклеофила и его концентрации.

Стереохимия мономолекулярного нуклеофильного замещения менее однозначна, чем замещения SN2-типа. В идеальном случае образующийся на первой стадии карбокатион должен иметь плоскую конфигурацию, соответствующую sp2-гибридизации орбиталей. Нуклеофил должен с одинаковой скоростью атаковать карбокатион с обеих сторон плоскости, что приведѐт к образованию двух новых молекул субстрата, являющихся зеркальными изомерами по отношению друг к другу. В результате образуется рацемическая смесь.

Для многих реакций довольно легко утверждать, что при данных условиях они следуют по механизму либо SN1, либо SN2. Однако в некоторых случаях механизм реакции охарактеризовать значительно труднее. Существуют промежуточные случаи, так называемая пограничная область механизмов, то есть механизм реакции не является ни «чистым» SN1, ни «чистым» SN2, а относится к промежуточному типу. Это можно представить следующей схемой:

где II — тесная ионная пара, III — рыхлая ионная пара, IV и V — диссоциированные ионы, каждый из которых окружѐн молекулами растворителя.

Таким образом, SN1- и SN2-реакции могут быть объяснены ион-парным механизмом. Субстрат диссоциирует с образованием промежуточной ионной пары, которая затем превращается в продукты. Различие между механизмами SN1 и SN2 заключается в том, что в первом случае нуклеофильной атаке подвергаются диссоциированные ионы (IV), а во втором случае нуклеофил атакует системы I, II и, возможно, III. Так как в общем случае нуклеофильной атаке субстрат может подвергаться на любой стадии превращения по приведѐнной схеме, то чаще всего можно лишь утверждать, что тот или иной механизм близок к SN1 или SN2.

Факторы, влияющие на механизм и скорость нуклеофильного замеще-

ния

Одни и те же факторы могут совершенно различным образом влиять на скорость реакций, протекающих по «чистому» SN1- или SN2-механизму. Поэтому какие-то из них способствуют протеканию реакций по мономолекулярному механизму, а какие-то — по бимолекулярному.

107

1. Влияние структуры субстрата. Увеличение пространственного объѐма заместителей при реакционном центре субстрата уменьшает скорость бимолекулярного замещения, так как реакционный центр становится менее доступным атаке нуклеофила. При этом при переходе от бромметана к бромэтану скорость SN2-реакции уменьшается в 145 раз, а к 2-бромпропану — в 18 000 раз.

Однако скорость SN1-реакции в этом ряду будет возрастать, так как влияние электронных эффектов заместителей в субстрате в большинстве случаев значительно сильнее проявляется в реакциях мономолекулярного замещения. При переходе от первичных систем к вторичным и третичным увеличивается стабильность алкильных катионов:

,

зависящей, в частности, от количества метильных групп вокруг положительно заряженного атома углерода, которые обладают электронодонорным индуктивным эффектом и поэтому компенсируют заряд реакционного центра. В этом же ряду возрастает и величина эффекта сверхсопряжения р-орбитали карбокатионного атома углерода с электронами С–Н-связей. В результате, скорость реакции по механизму SN1 должна увеличиваться в этом ряду.

Поэтому в целом, высокая скорость реакций нуклеофильного замещения может быть характерна и для первичных, и для третичных алкилгалогенидов. В первом случае — за счѐт лѐгкости взаимодействия по SN2- механизму (свободный доступ реакционного центра, нет стерических препятствий), во втором — по SN1-механизму (лѐгкость диссоциации субстратов, стабильность образующегося карбокатиона). Вторичные алкилгалогениды в большинстве случаев должны реагировать по смешанному механизму, причѐм скорость реакций у них будет относительно небольшой, так как есть препятствия для протекания и мономолекулярного, и бимолекулярного замещения.

Введение заместителей в молекулу субстрата по-разному будет влиять на скорость мономолекулярной и бимолекулярной реакций. Электронодонорные заместители должны ещѐ более стабилизировать образующийся катион и, следовательно, увеличивать скорость SN1-реакции.

108

Влияние электронных эффектов заместителей на скорость бимолекулярной реакции не столь однозначно. Но большинство SN2-реакций ускоряется электроноакцепторными заместителями — в этих случаях скорость реакции определяется лѐгкостью взаимодействия нуклеофильной частицы с положительно заряженным реакционным центром субстрата. В других случаях скорость бимолекулярной реакции зависит от способности нуклеофугной группы отщепляться от реакционного центра, и влияние природы заместителей будет противоположным — таким же, как и в мономолекулярных реакциях.

2. Влияние природы нуклеофила. В реакциях нуклеофильного замещения практически любая нейтральная или отрицательно заряженная частица, имеющая неподелѐнную пару электронов, может быть нуклеофилом. Скорости мономолекулярных реакций не зависят от природы нуклеофила, так как он не принимает участия в лимитирующей стадии, поэтому нуклеофильность реагента, то есть способность предоставлять электронную пару для образования ковалентной связи при взаимодействии с положительно заряженным центром в субстрате, влияет только на скорость SN2-реакций. Для этих реакций, протекающих в растворе, можно отметить несколько основных принципов, которые определяют влияние нуклеофила на скорость.

Во-первых, нуклеофильность аниона всегда выше, чем у соответствующей нейтральной молекулы. Так, OH сильнее, чем H2O; NH2 сильнее,

чем NH3, и т.д.

Во-вторых, при сравнении нуклеофилов, атакующие атомы которых находятся в одном периоде Периодической системы, порядок нуклеофильности приблизительно совпадает с порядком основности. Поэтому

R3C >R2N >RO >F

Электронодонорные заместители увеличивают нуклеофильность реагента, так, у RO нуклеофильность выше, чем у HO ; у RSH — чем у H2S, и т.д. Высокой нуклеофильностью обладают неустойчивые анионы, в частности карбанионы, так как образование аниона для атома углерода энергетически невыгодно (из-за его низкой электроотрицательности).

В-третьих, нуклеофильность возрастает сверху вниз в группах Периодической системы (с увеличением радиуса атома), хотя основность в этом ряду падает. Так, обычный порядок нуклеофильности галогенидов выглядит следующим образом: I >Br >Cl >F . Аналогично любой серосодержащий нуклеофил сильнее соответствующего кислородсодержащего аналога. Это объясняется лѐгкостью поляризации атомов и ионов большего размера и меньшей энергией сольватации этих ионов.

В-четвѐртых, чем свободнее нуклеофилы, тем больше скорость; сольватация снижает скорость реакции. Так, протонные растворители (см. ниже) снижают нуклеофильную силу реагента за счѐт образования водородных свя-

109

зей, если нуклеофильным центром является сильно электроотрицательный элемент (F, O, N).

Однако эти правила не могут учесть всех факторов, влияющих на нуклеофильность реагента. Так, часто определѐнную роль играют стерические препятствия. Например, трет-бутилат-ион (CH3)3CO — более сильное основание, чем HO или C2H5O , но значительно менее сильный нуклеофил, так как его большой пространственный объѐм затрудняет близкий подход к субстрату.

Таким образом, активность наиболее распространѐнных нуклеофилов уменьшается в ряду (для SN2-реакций в протонных растворителях):

RS >C2H5S >I >CN >HO >Br >C2H5O >Cl >CH3COO >H2O

3.Влияние растворителей и катализаторов. В мономолекулярном замещении на первой стадии из нейтральной молекулы субстрата образуются ионы, они легко сольватируются молекулами полярных растворителей, особенно протонных. Поэтому протонные высокополярные растворители будут

способствовать протеканию реакции по механизму SN1.

Применение протонного растворителя для проведения реакции по ме-

ханизму SN2 приведѐт к дезактивации нуклеофильной частицы за счѐт образования водородных связей этой частицы с атомами водорода растворителя и, как результат, замедлению реакции.

В апротонных растворителях нуклеофильные реагенты сохраняют высокую реакционную способность. Кроме того, сольватируя катионы, апротонные растворители способствуют диссоциации молекул реагента на ионы и, следовательно, увеличивают нуклеофильную силу реагента. Таким обра-

зом, полярные апротонные растворители способствуют SN2-реакции. Поэтому кислая среда, как правило, не способствует протеканию бимолекулярных реакций, и для этих реакций предпочтительна нейтральная или щелочная среда, так как сильные нуклеофилы — это обычно сильные основания.

В качестве катализаторов в реакциях нуклеофильного замещения используются кислоты Льюиса, то есть галогениды бора, алюминия, железа, цинка, кадмия, ртути, меди и другие. Эти вещества способны акцептировать анионы из раствора за счѐт валентных орбиталей металла, и их применение может лишь замедлить процесс бимолекулярного замещения, но способствует протеканию SN1-процесса, так как облегчает диссоциацию субстрата.

4.Влияние природы уходящей группы. В ходе реакции уходящая группа отщепляется вместе с парой электронов.

В реакциях, осуществляемых по механизму мономолекулярного замещения, чем легче будет уходящая группа отщепляться, тем быстрее пойдѐт реакция, так как именно разрыв связи С–Х и является лимитирующей стадией реакции, осуществляемой по механизму SN1. На лѐгкость же отщепле-

110