органика для медиков. Борисова Т. Н., Варламов А. В., Сорокина Е. А
 Скачать 2.93 Mb.
|
|
S N 1 Реакция является мономолекулярной, т.е. скорость реакции зависит от концентрации только субстрата. Лимитирующей стадией реакции является диссоциация моногалогенопроизводного за счет диполь-дипольного взаимодействия с молекулами растворителя и образование карбкатиона. Пример реакции O HBr + −δ +δ CH 3 -C CH 3 Br CH 3 CH 3 -C CH 3 CH 3 O-H + S Nu 2-метилпропанол-2, т рет -бутанол H H Механизм имеет две стадии. −δ +δ CH 3 -C CH 3 Br CH 3 C CH 3 + H 3 C CH 3 Br медленно (1) Диссоциация субстрата, образование карбкатиона. O C CH 3 + H 3 C CH 3 C H 3 C H 3 C CH 3 OH (2) Атака нуклеофила Nu на катион, образование продукта реакции. H H + H + Для реализации механизма S N 1 необходимо образование стабильного карбкатиона, т.е. главную роль играет электронный фактор. Поскольку наибольшей стабильностью обладают третичные карбкатионы, следовательно по механизму S N 1 реагируют, главным образом, третичные галогенопроизводные. Скорость реакции по механизму S N 1 уменьшается в следующем ряду: R Т Hal >R В Hal >R П Hal > CH 3 -Hal. 72 Пример реакции R-Br + H 2 O → R-OH + HBr HCOOH Скорость (v) замещения брома на гидроксил по механизму S N 1 изменяется следующим образом: R = (CH 3 ) 3 C v= 100 000 000 R = (CH 3 ) 2 CH v= 1,7 R = (CH 3 ) 2 CH v= 45 R = CH 3 v= 1,0 Таким образом, бромистый трет-бутил реагирует по мехамизму S N 1 с максимальной скоростью. Общие выводы Протеканию реакций по механизму S N 2 благоприятствуют следующие факторы: 1. Пространственный фактор - неразветвленное строение углеводородного радикала, обеспечивающее незатрудненный подход нуклеофила Nu к реакционному центру (C +δ ), что благоприятствует образованию переходного состояния. 2. а) Неполярные и малополярные апротонные растворители (гексан, диэтиловый эфир), способствующие реализации переходного состояния; б) Биполярные апротонные растворители, обладающие высокой растворяющей способностью, в том числе и солей (достигается гомогенность реакционной массы). +δ −δ +δ −δ +δ −δ H C O N(CH 3 ) 2 CH 3 -S-CH 3 O CH 3 -C N ДМСО диметилсульфоксид ацетонитрил, нитрил уксусной кислоты ДМФА N,N-диметилформамид 3. Сильные нуклеофилы: OH NR 2 R-O , NH 2 , , , , CN RCOO Для протекания реакций по механизму S N 1 необходима реализация следующих факторов 1. Образование устойчивого карбкатиона; 2.Сильноионизирующий растворитель, обеспечивающий диссоциацию субстрата S (вода, спирты, карбоновые кислоты); 3. Слабые нуклеофилы (RNH 2 , NH 3 , ROH, HOH). Для R В Hal возможна реализация S N 2 или S N 1 в зависимости от условий, либо смешанный механизм. 73 Стереохимический аспект реакций, протекающих по механизмам S N 1 и S N2 Для описания стереохимического аспекта механизмов S N 1 и S N 2 необходимо ввести понятия, связанные с одним из самых важных разделов органической химии – стереохимии. Стереохимия изучает пространственное строение молекул (их конфигурации). Конфигурация – относительное пространственное расположение атомов или групп атомов в молекуле органического соединения. Среди органических молекул имеется большая группа соединений, которые существуют в виде пространственных изомеров, конфигурации которых соотносятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное отражение. Такие пространственные изомеры или стереоизомеры называются энантиомерами (от греч. “enantios” – находящийся напротив, противоположный). Проявление такого свойства называется хиральностью (от греч. “chiros” - рука). Необходимым условием появления хиральности является общая асимметрия молекулы, одной из причин которой является наличие асимметрического атома углерода. sp 3 -Гибридизованный атом углерода, имеющий четыре различных заместителя называется ассиметрическим и обозначается С * Пример CH 3 C Br H CH 2 CH 3 ∗ 2-бромбутан 2-Бромбутан имеет два варианта пространственного строения, конфигурации которых соотносятся между собой, как предмет и несовместимое с ним пространственное отражение. Эти пространственные изомеры (энантиомеры) изображены ниже, вертикальный пунктир обозначает “зеркало”. CH 3 H H CH 2 CH 3 Br Br CH 3 CH 2 CH 3 Поскольку порядок связей между атомами в энантиомерах одинаков, они обладают идентичными физическими и химическими свойствами, но различаются по способности взаимодействовать с плоскополяризованным светом (см. раздел физики “Оптика”). Поскольку по своему физическому 74 смыслу взаимодействие противоположно энантиомеры также называются оптическими антиподами (общие названия – стереоизомеры, оптические изомеры). Для изучения взаимодействия оптических изомеров с плоскополяризованным светом используют поляриметры, при этом измеряют удельный угол вращения плоскополяризованного света ( [α] ) растворов оптических изомеров, помещенных в кювету. [α] = α/ld α - угол в градусах; l – длина кюветы (обычно 1 дм); d – плотность раствора (или концентрация) в г/мл Удельный угол вращения [α] может иметь положительное (“+”) или отрицательное (“-”) значение. У пары энантиомеров в одних и тех же условиях съемки (одинаковые температура, длина кюветы и концентрация раствора) одинаковые по величине, но противоположные по знаку значения [α]. Определить величину [α] и его знак можно только с помощью эксперимента, кроме того величина [α] и его знак не является константой и зависят от условий определения. Для того чтобы назвать энантиомеры используют R,S-номенклатуру, основанную на старшинстве заместителей по Кану-Ингольду-Прелогу (см. Z,E- изомерия в теме “Алкены”). Для оксикислот, аминокислот и углеводов, кроме R,S-номенклатуры, которая является универсальной, применяют D,L- номенклатуру (см. лекции II семестра, тему “Оксикислоты”). Для 2-бромбутана старшинство заместителей распределяется следующим образом: Br (1) > CH 3 -CH 2 (2) > CH 3 (3) > H (4). При изображении энантиомера в виде тетраэдра для того, чтобы правильно определить конфигурацию, необходимо разместить младший заместитель (Н) на заднем плане, тогда старшие заместители образуют условный треугольник, в котором старшинство заместителей меняется по часовой стрелке вправо -“rectus”, отсюда обозначение R , или против часовой стрелки “влево” - “sinister”, отсюда обозначение S. CH 3 H H CH 2 CH 3 Br Br CH 3 CH 2 CH 3 1 2 3 1 2 3 R - конфигурация (R) - 2-бромбутан S - конфигурация (S) - 2-бромбутан Кроме тетраэдрического изображения энантиомеров чаще используют плоское, так называемые проекции Фишера. Правила перехода к ним следующие: связи, которые находятся в плоскости бумаги, в данном случае С-Н и С-СН 2 -СН 3 , образуют вертикаль. Связи, находящиеся вне плоскости бумаги 75 C C Br CH 3 , перед плоскостью за плоскостью , образуют горизонталь. При этом С * находится на перекрестии и не обозначается. CH 3 H Br CH 2 CH 3 1 2 3 1 2 3 CH 2 CH 3 CH 3 Br H R - конфигурация Написание пары энантиомеров в виде проекций Фишера приведено ниже: 2 3 1 CH 2 CH 3 CH 3 Br H 2 3 1 CH 2 CH 3 Br H 3 C H (R)-2-бромбутан R - ряд (S)-2-бромбутан S - ряд В стереохимии различают понятия абсолютной и относительной конфигураций. Абсолютная конфигурация – истинное расположение атомов в молекуле (определяют с помощью физического метода, который называется рентгеноструктурным анализом, РСА). Определение принадлежности к R или S- ряду считается также определением абсолютной конфигурации. Для определения относительной конфигурации конфигурацию хиральных молекул сравнивают с базовой и приписывают по аналогии к тому или иному ряду. Относительные конфигурации определяют при отнесении стереоизомеров к D,L-рядам (см. тему «Оксикислоты»). Рацемат – истинное соединение, которое состоит из абсолютно равных количеств энантиомеров. Имеет собственные константы, отличные от констант энантиомеров. Оптически не активен [α] =0. Рацемат обозначают знаком (±). Например, в процессе бромирования бутана, 2-бромбутан образуется в виде рацемата, т.к. промежуточный свободный втор-бутильный радикал будучи плоским, может быть атакован молекулой брома, как с “фронта” так и с “тыла” условно равновероятно. 76 + CH 3 H C H CH 3 CH 2 CH 3 Br Br CH 2 CH 3 Br Br Br H 3 C H Br CH 2 CH 3 Стереохимический аспект механизма S N 2 Рассмотрим на примере щелочного гидролиза (S)-1-бром-1-дейтероэтана. CH 3 -C-Br D H + NaOH HOH CH 3 -C-OH D H + HBr HO + H Br D CH 3 HO 1 2 3 H Br D CH 3 S 1 2 3 HO H D CH 3 R "опрокидывание" конфигурации Старшинство заместителей: Br > CH 3 > D > H. Атака нуклеофила НО − происходит с “тыла” и после реализации переходного состояния, наблюдается “опрокидывание” конфигурации исходного соединения, при этом конфигурация S, в данном случае, переходит в конфигурацию R. Описываемый процесс называется вальденовским обращением. (Надо учитывать, что символ R или S не всегда меняется на противоположный, поскольку определение конфигурации зависит от того, какой новый заместитель введен). Таким образом, стереохимическим аспектом механизма S N 2 является вальденовское обращение конфигурации исходного соединения. 77 Стереохимический аспект механизма S N 1 Рассмотрим на примере гидролиза (S)-3-бром-3-метилгексана. H-O-H H 3 C Br C 3 H 7 (н) 1 2 3 S CH 2 CH 3 C H 3 C C 3 H 7 (н) CH 2 CH 3 H 2 O H-O-H -H R H 3 C OH C 3 H 7 (н) 1 2 3 S CH 2 CH 3 CH 3 HO C 3 H 7 (н) 1 2 3 CH 2 CH 3 + I После образования плоского третичного карбкатиона атака нуклеофила относительно равновероятна с “фронта” и с “тыла”. В результате образуется рацемат (±)3-метилгексанола-3 (I). Рацемат – это идеальный вариант, чаще всего рацемизация неполная и какой либо из энантиомеров образуется в бо́льшем количестве. Таким образом, стереохимическим аспектом механизма S N 1 является образование рацемата или частичная рацемизация. II. Реакции элиминировании (отщепления) в ряду моногалогенозамещенных Реагенты, описанные в реакциях нуклеофильного замещения, могут выполнять две роли: нуклеофилов, когда они атакуют электронодефицитный атом углерода (механизмы S N 1 и S N 2) ; а также оснований, при этом они связываются с протоном, находящимся при атоме углерода в β-положении моногалогенозамещенного. В последнем случае из моногалогенозамещенных происходит отщепление галогеноводорода и образование алкенов. 78 Бимолекулярный механизм отщепления Е2 Реагентами являются сильные основания: КОН в спирте при нагревании, алкоголяты щелочных металлов (CH 3 O - Na + , (CH 3 ) 3 CO - Na + ) в соответствующих спиртах, амид натрия в жидком аммиаке. Условия реакций для первичных моногалогенопроизводных наиболее жесткие. Примеры реакций CH 3 -CH 2 -CH-CH 2 β H Br α 1-бромбутан KOH(тв.) спирт, t 0 C KOH CH 3 -CH 2 -CH=CH 2 + HBr CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -OH + KBr бутанол-1 бутен-1 (1) (2) S N 2 E2 H 2 O В зависимости от условий проведения реакций НО − играет роль основания в реакции (1) или роль нуклеофила в реакции (2). Механизм реакции (1) – бимолекулярное элиминирование – Е2, реализуется через переходное состояние, как и S N 2, но в отличие от этого механизма, НО − , выполняя роль основания, атакует атом водорода при β- углероде. Механизм, Е2 HO H HC CH 2 CH 2 CH 3 Br α β H-O-H CH 3 -CH 2 -CH=CH 2 + Br + В процессе превращения НО − связывается с атомом водорода в β- положении, α β при этом по связи С-С накапливается электронная плотность и отщепляется анион брома. При наличии нескольких β-углеродных атомов преимущественно образуется наиболее замещенный при двойной связи алкен, как более устойчивый (по правилу Зайцева, см. тему “Алкены”). CH 3 -CH 2 -CH-CH 3 β Br α KOH(тв.) спирт, t 0 C CH 3 -CH 2 -CH=CH 2 + бутен-1 β ' CH 3 -CH=CH-CH 3 бутен-2 80% 20% По механизму Е2 реагируют все типы моногалогенопроизводных при наличии сильного основания. 79 Мономолекулярный механизм отщепления. Конкуренция механизмов нуклеофильного замещения и отщепления. Мономолекулярный механизм реализуется преимущественно для третичных галогенопроизводных. При этом в зависимости от условий реакции наблюдается образование смесей продуктов нуклеофильного замещения и элиминирования, или только элиминирования. Пример реакции CH 3 -CH 2 -C-CH 3 Cl CH 3 -C-CH 2 -CH 3 + ' CH 3 -C=CH-CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 OH 2-хлор-2-метилбутан 2-метилбутанол-2 2-метилбутен-2 Условия проведения реакции: H 2 O в диоксане 1% NaOH в H 2 O 3 1 1 3 образование 2-метилбутена-1 незначительно и не учитывается. соотношение: спирт алкен Описываемый в реакции спирт образуется по механизму S N 1, алкен – по механизму Е1. Первоначально образующийся третичный карбкатион атакуется реагентом (:ÖH 2 или HO − ) по карбкатионному центру и результатом является образование третичного спирта, механизм S N 1, (см. схему). Если :ÖH 2 (HO − ) связывается с протоном от атома углерода в β- положении, образуется алкен ,механизм Е1 При образовании спирта реагент выполняет роль нуклеофила, при образовании алкена втором – роль основания. H-O-H CH 3 -C=CH-CH 3 CH 3 OH C H 3 C CH 3 C-CH 3 H H β S N 1 CH 3 -CH 2 -C-CH 3 OH CH 3 или (B) B - base, основание H-O-H OH или (Nu) E1 + H 3 O или H 2 O (+ H , в случае H 2 O) схема конкурентного протекания механизмов S N 1 и E1. E1 S N 1 80 Конкуренция двух механизмов имеет следующие причины: 1) В третичном карбкатионе карбкатионный центр (С + ) экранирован алкильными группами и ограниченно доступен атаке нуклеофила. 2) Атомы водорода при β-углероде становятся относительно подвижными (кислыми) из-за близости карбкатионного центра (С + ). 3) Чем сильнее осно́вные свойства реагента, тем в большей степени реализуется механизм Е1. В использованном примере переход от Н 2 О к 1% NaOH приводит к увеличению количества алкена в три раза. Для реакций третичных галогенопроизводных характерна конкуренция процессов Е1 и S N 1. Условия реакций – разбавленные растворы и слабые нуклеофилы (основания). Реакции моногалогенопроизводных с металлами 1. Реакция Вюрца – синтез алканов. 2 CH 3 -Br 2 Na CH 3 -CH 3 + 2 NaBr Механизм Na Na + 1 e + 1 e n CH 3 -Br n[ CH 3 -Br] анион-радикал n CH 3 + Br рекомбинация образующихся радикалов: + CH 3 -CH 3 CH 3 CH 3 В реакции используются преимущественно первичные галогенопроизводные. 2. Реакция Гриньяра – получение реактива Гриньяра. −δ +δ CH 3 -Br Mg CH 3 Mg-Br абсолютный эфир метилмагний (металлоорганическое соединение) бромид Метилмагний бромид относится к металлоорганическим соединениям, в которых атом углерода связан с металлом. 3. Получение литийорганических соединений. +δ −δ CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -Br 2Li CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 Li + LiBr бутиллитий (металлоорганическое соединение) 81 Алкенилгалогениды Классификация: 1. Аллилгалогениды – CH 2 =CH-CH 2 -Cl sp 3 2. Винилгалогениды – CH 2 =CH-Cl sp 2 Сравнительная характеристика связи углерод-галоген в алкенил- и алкилгалогенидах R-Cl Длина связи, нм Энергия связи C-Cl, кДж/моль CH 2 =CH-CH 2 -Cl 0,180 230 CH 3 -CH 2 -Cl 0,178 335 CH 2 =CH-Cl 0,169 377 Реакционная способность в реакциях нуклеофильного замещения (с учетом приведеных данных) изменяется следующим образом: CH 2 =CH-CH 2 -Cl > CH 3 -CH 2 -Cl > CH 2 =CH-Cl Строение и реакционная способность хлористого аллила CH 2 CH sp 2 sp 3 sp 2 -I C H H C H C H H CH 2 Cl Cl вид “сверху” В молекуле хлористого аллила атом хлора и двойная связь отделены друг от друга sp 3 -гибридным атомом углерода, следовательно отсутствует взаимодействие (сопряжение) между неподеленной парой электронов хлора и двойной связью. Для атома хлора характерен только отрицательный индуктивный эффект (–I), атом хлора подвижен и легко замещается. При взаимодействии с сильными нуклеофилами реализуется |