- •Направление подготовки - 240100.62 «Химическая технология»
- •Атом углерода, его особенности, валентные состояния
- •2. Ковалентные связи в соединениях углерода
- •3. Факторы, влияющие на доступность электронов
- •1. Индуктивный эффект – используется для характеристики электронного облака σ-связи
- •Мезомерный эффект – используется для характеристики электронного облака π –связи
- •4. Энергетика реакции
- •5.Ароматичность Прежде чем приступить к рассмотрению темы, необходимо вспомнить теорию резонанса. Основные положения теории резонанса
- •Определение и классификация
- •Структурная формула бензола
- •Строение бензола
- •Строение и ароматичность нафталина
- •Механизм электрофильного замещения на примере бензола
- •Правила ориентации в бензольном кольце. Заместители первого и второго рода.
- •Теория ориентации
- •Электрофильное замещение в нафталине
- •Глава 1. Методы получения органических сульфокислот
- •1. Общие сведения о процессе сульфирования
- •2. Схемы и механизм сульфирования аренов
- •3. Особенности сульфирования аренов серной кислотой
- •4. Особенности сульфирования аренов олеумом и серным ангидридом
- •5. Основные способы выделения сульфокислот
- •6. Сульфирование растворами триоксида серы в инертных растворителях
- •7. Сульфирование комплексными соединениями триоксида серы
- •Глава 2. Процессы нитрования органических соединений
- •1. Механизм реакции нитрования ароматических соединений
- •2. Влияние основных технологических параметров на процесс нитрования
- •3. Типовой процесс выделения нитропродуктов
- •4. Нитрование смесью азотной и серной кислот
- •5. Нитрование концентрированной азотной кислотой
- •6. Нитрование смесью концентрированной азотной кислоты с уксусным ангидридом
- •7. Нитрование разбавленной азотной кислотой
- •Глава 3. Нуклеофильное замещение галогена в молекуле органического соединения
- •Сведения о механизмах реакции
- •Основные факторы, влияющие на ход процесса
- •Использование катализаторов
- •Процессы гидролиза галогенидов
- •Замена атома галогена на алкокси- и феноксигруппы (синтез простых эфиров)
- •Замена атома галогена на меркапто и алкил(арил)тиогруппы (синтез тиоспиртов и тиоэфиров)
- •Замена атома галогена на аминогруппы (синтез аминов)
- •Замена атома галогена на цианогруппу (синтез нитрилов кислот)
- •Замена атома галогена на группу -so3Na (синтез сульфокислот)
- •Замена атома галогена на группу –no2 (синтез нитросоединений)
- •Глава 4. Процессы нитрозирования. Основные реакции диазосоединений
- •1. Химизм процесса и краткая характеристика продуктов реакции
- •2. Влияние основных технологических параметров на ход процесса диазотирования
- •3. Кислотно-основные превращения ароматических диазосоединений
- •4. Реакции замены диазониевой группы
- •5. Реакция азосочетания
- •Глава 5. Методы получения органических галогенидов
- •1. Галогенирование ароматических соединений
- •Влияние основных технологических факторов на процесс галогенирования аренов
- •Особенности технологии процесса галогенирования ароматических соединений
- •Хлорирование аренов в безводной среде
- •Бромирование ароматических соединений
- •1. Окисление растворов бромида натрия хлором (непрероывный метод)
- •2. Окисление растворов бромида натрия гипохлоритом натрия (периодический):
- •Иодирование ароматических соединений
- •Примеры галогенирования ароматических соединений в производстве лекарственных веществ и витаминов
- •2. Галогенирование алканов и в боковую цепь аренов Реакции с молекулярным галогеном
- •Галогенирование с использованием специфических переносчиков галогена (спг)
- •Особенности технологии гомолитического галогенирования
- •Примеры гомолитического галогенирования в производстве лекарственных веществ и витаминов
- •3. Синтез галогенидов из непредельных соединений
- •4. Галогенирование альдегидов, кетонов и карбоновых кислот Радикальное галогенирование альдегидов, кетонов и карбоновых кислот
- •Примеры реакций галогенирования карбонильных соединений
- •Гетеролитическое галогенирование карбоновых кислот
- •5. Замена гидроксильных групп в спиртах, фенолах и карбоновых кислотах на галоген
- •6. Замещение одних атомов галогена на другие
- •Глава 6. Процессы алкилирования
- •1. Алкилирование аренов по Фриделю-Крафтсу
- •2. Особенности технологии алкилирования аренов по Фриделю-Крафтсу
- •4. Алкилирование по атому азота (n-алкилирование)
- •6. Гидрокси-, галоген- и аминометилирование
- •Глава 7. Процессы ацилирования
- •1. Ацилирование по атому углерода (с-ацилирование)
- •2. Ацилирование по атому азота (n-ацилирование)
Основные факторы, влияющие на ход процесса
Условия проведения и результаты реакций замены галогена зависят от строения субстрата и реагента, полярности среды и природы уходящего галогена.
Строение реагирующего соединения существенно влияет на механизм замещения галогена (например, SN1 или SN2; SNAr(AE) или SNEA).
В алифатических галогенидах с увеличением разветвленности радикала создаются стерические препятствия для прямой нуклеофильной атаки и увеличивается стабильность промежуточного карбкатиона, поэтому при переходе от первичного алкилгалогенида к третичному в одних и тех же условиях механизм реакции может измениться от бимолекулярного до мономолекулярного. Этот процесс не является резким и зависит от ряда конкретных условий. Принципиально возможно протекание реакции по двум механизмам одновременно:
Аллил- и бензилгалогениды легко реагируют как по SN1, так и по SN2 механизму. Однако, независимо от разветвленности радикала, они образуют очень устойчивые карбокатионы, поэтому преимущественно реализуется SN1-механизм. При этом из-за возможности существования аллилкатиона в виде двух граничных структур наблюдается аллильная перегруппировка:
Аллильная перегруппировка не имеет места, если для первичных аллилгалогенидов создать условия протекания реакции по механизму SN2.
В ароматических галогенидах электроноакцепторные заместители в орто-, пара-положениях способствуют замещению галогена по механизму SNAr (через присоединение-отщепление), а электронодонорные — направляют реакцию по механизму SNEA (отщепления-присоединения), через дегидробензол.
Структура реагирующего соединения определяет и скорость процессов:
Скорость SN1 реакции алкилгалогенидов возрастает по мере увеличения устойчивости карбкатиона, т. е. в ряду от метилгалогенида к третичному, аллильному и бензильному:
Находящиеся в α-положении к реакционному центру предельные, фенильные и винильные радикалы, а также атомы, имеющие неподеленную пару электронов, способствуют распределению электронного облака частицы, стабилизируют катион и ускоряют реакцию.
Скорость SN2 реакции алкилгалогенидов возрастает в прямо противоположном направлении, наблюдаемом при SN1 замещении, если не учитывать наибольшую активность первичных аллил- и бензилгалогенидов. Метильные и первичные галогениды реагируют очень гладко, вторичные — значительно хуже, а третичные часто не реагируют вообще, что объясняется, в основном, пространственными препятствиями для атаки нуклеофила, которые играют в SN2 замещении важную роль.
В ароматических галогенидах электроноакцепторные заместители в орто-, пара-положениях существенно облегчают реакцию SNAr замещения, электронодонорные — затрудняют ее. Пространственные факторы при нуклеофильном замещении в ароматическом ряду не являются определяющими, так как атака направлена сбоку к плоскости ароматического ядра.
Так, 2,4,6-тринитрогалогенбензолы реагируют с водой, аммиаком и другими нуклеофилами как хлорангидрид кислоты (очень легко!). Динитрогалогенбензолы взаимодействуют с подобными реагентами медленнее. Замена галогена в о- и п-хлорнитробензоле проходит в щелочном растворе при 130—150 °С, а хлорбензол гидролизуется до фенола лишь при температуре 350—400 °С и давлении выше 30 МПа под действием 5 % раствора щелочи и по другому механизму.
При взаимодействии метилата натрия с галогенбензолами активирующее действие заместителей при одинаковом их размещении относительно галогена изменяется приблизительно в следующем порядке:
Галоген влияет на реакционную способность галогенидов, являясь, с одной стороны уходящей группой, с другой — акцептором электронов. Способность галогена «уходить» уменьшается (снижается стабильность аниона), а электроотрицательность (электроноакцепторные свойства), наоборот, увеличивается в ряду: I , Br , Cl , F.
В случае алкилгалогенидов наибольшее значение имеет первый фактор, и реакционная способность их уменьшается в ряду: RI > RBr > RCl > RF (уменьшается способность групп уходить).
В активированных галогенаренах величина положительного заряда у реакционного центра зависит не только от количества, расположения и природы других заместителей в ядре, но и от электроотрицательности замещаемого галогена. Поэтому атомы галогена могут быть замещены с возрастающей легкостью в ряду ArI < ArBr < ArCl < ArF.
Реакционная способность нуклеофила (нуклеофильность) величина переменная, зависящая от различных факторов, поэтому невозможно построить некий постоянный ряд их активности. Например, в протонных растворителях нуклеофильность анионов Hlg– увеличивается от фторида к иодиду, а в апротонных — наоборот. Тем не менее, на практике часто приходится сравнивать активность реагирующих частиц, т.к. их влияние на нуклеофильное замещение очень велико. Например, известно, что:
-
чем выше нуклеофильность реагента, тем вероятнее механизм SN2, использование слабых нуклеофилов способствует протеканию реакции по механизму SN1;
-
при повышении активности реагентов скорость реакций SN2, SNAr и SNEA увеличивается, а SN1 — не меняется;
-
при увеличении силы нуклеофила возрастает вероятность побочных реакций (например, реакции элиминирования), особенно в реакциях, реализующих механизм SN1.
Для сравнения нуклеофильности реагентов при проведении реакций в одинаковых условиях (!) можно использовать следующие правила:
1. Нуклеофил с отрицательным зарядом всегда активнее своей сопряженной кислоты. Так, НО–, активнее Н2О, NH2– > NH3, HS– > H2S и т.д.
2. Если атомы нуклеофильных центров находятся в одном периоде таблицы Д.И. Менделеева, то для сравнения активности частиц можно использовать величину рКb(рКa), т.к. порядок изменения реакционной способности и констант основности приблизительно совпадает. Поэтому нуклеофильность приведенных частиц уменьшается в следующем порядке: RО– > НО– > ArО– > Н2О; NH2– > R2NH > NH3 >PhNH2. Корреляция такого типа в наибольшей степени соблюдается при сравнении нуклеофилов сходной структуры, например, в ряду замещенных ароматических аминов и фенолятов.
3. Если нуклеофильным центром частиц являются атомы одной группы таблицы Д.И. Менделеева, то их активность в протонных растворителях увеличивается сверху вниз по группе. Например, нуклеофильность галогенидов уменьшается: I– > Br– > Cl– > F–. Активность также увеличивается при переходе от спирта и алкоголята к серосодержащим аналогам и т.д.
В то же время в апротонном растворителе или при его отсутствии нуклеофильность может поменяться наоборот, что служит доказательством важной роли сольватации в реакциях нуклеофильного замещения.
4. Чем свободнее нуклеофил от противоиона, тем выше его активность.
Следует, однако, учитывать, что приведенные выше правила не всегда справедливы. На активность частиц могут влиять и другие факторы (например, стерические препятствия).
Влияние растворителя в реакциях нуклеофильного замещения столь велико, что в ряде случаев определяет механизм реакции.
Полярные протонные растворители (вода, спирты, карбоновые кислоты, аммиак) способствуют протеканию реакций по SN1 механизму, т.к. они сольватируют и ускоряют диссоциацию молекулы исходного алкилгалогенида, сольватируют и стабилизируют как катионы, так и анионы, а, следовательно, и увеличивают скорость процесса в целом.
С увеличением полярности и кислотности растворителя тенденция к образованию водородных связей растет, и скорость SN1 реакции увеличивается. Многие процессы, протекающие в слабо сольватирующих растворителях по бимолекулярному механизму, в среде муравьиной или трифторуксусной кислоты, в растворах минеральных кислот идут по SN1 механизму.
Апротонные нуклеофильные растворители, которые сольватируют главным образом катион (ацетон, ацетонитрил, нитрометан, диметилформамид, диметилсульфоксид, диглим и др.) способствуют протеканию реакций по SN2 механизму.
Они не сольватируют уходящие галогенид-ионы, а потому не содействуют их отщеплению. Напротив, отсутствие сольватации нуклеофила увеличивает его активность и способствует прямому взаимодействию нуклеофила с электронодефицитным центром.
При выборе растворителя для SN2 реакции необходимо учитывать
-
распределение зарядов в переходном состоянии. Если оно полярнее исходных реагентов, повышение полярности растворителя увеличивает скорость реакции, и наоборот (теория Хьюза и Ингольда):
-
специфическую сольватацию нуклеофила, которая уменьшает активность атакующей частицы. Уменьшение или устранение ее является одним из основных способов ускорения реакций типа «анион — молекула» в апротонных растворителях.
-
растворяющую способность растворителя по отношению к реагенту и субстрату. Во многих реакциях в качестве реагентов используются неорганические и органические соли, хорошо растворимые в воде и плохо растворимые в органических растворителях. Для проведения таких реакций в гомогенных условиях применяют растворители, которые проявляют одновременно липофильные и гидрофильные свойства, например, метанол, этанол, ацетон, диоксан. Однако соли хуже растворяются в этих растворителях, чем в воде, а органические субстраты обычно менее растворимы в них, чем в углеводородах. Указанную проблему можно частично решить, используя смеси упомянутых выше растворителей с водой. Более эффективным оказывается применение таких диполярных, апротонных, катионсольватирующих растворителей как диметилсульфоксид, диметилформамид, ацетонитрил, которые хорошо растворяют как соли, так и органические субстраты.