органика для медиков. Борисова Т. Н., Варламов А. В., Сорокина Е. А
 Скачать 2.93 Mb.
|
|
механизм S N 2. По сравнению с реакциями первичных галогенидов в переходном состоянии наблюдается делокализация электронной плотности с участием трех 82 атомов углерода аллильного фрагмента, что стабилизирует переходное состояние и реакции идут легче, чем для первичных галогенидов. CH 2 CH CH 2 Cl Nu + Nu CH 2 CH CH 2 Cl Nu-CH 2 -CH=CH 2 + Cl В реакциях со слабыми нуклеофилами реализуется механизм S N 1. После диссоциации из хлористого аллила образуется аллил-катион, в котором положительный заряд делокализован с участием трех атомов углерода. Аллил- катион более устойчив, чем третичные карбкатионы, поэтому хлористый аллил, будучи первичным галгенидом, способен реагировать по механизму S N 1, причём его реакционная способность выше реакционной способности третичных галогенидов. CH 2 CH H 2 C CH CH 2 CH 2 H 2 C HC CH 2 CH 2 =CH-CH 2 -Cl - Cl Строение и реакционная способность хлористого винила. CH 2 CH sp 2 sp 2 C H H C H Cl Cl вид "сверху" НПЭ Cl Для описания строения молекулы хлористого винила можно использовать два подхода: 1. Описание с помощью мезомерного и индуктивного эффектов. CH 2 CH -I Cl +M > −δ +δ 2. Описание распределения электронов с помощью метода резонанса. CH 2 CH H 2 C CH Cl Cl H 2 C HC Cl 83 В молекуле хлористого винила имеется р-π-сопряжение (между неподеленной парой р-электронов атома хлора и р-электронами π-связи), поскольку хлор непосредственно связан с sp 2 -гибридизованным атомом углерода. Связь углерод-хлор имеет характер двоесвязанности, наиболее короткая и прочная (см. таблицу), по сравнению с другими галогенидами. Молекула поляризована, при чем атом хлора приобретает положительный частичный заряд +δ, а атом углерода - отрицательный частичный заряд -δ. Следствием высокой прочности связи C-Cl является то, что хлористый винил не вступает в реакции со слабыми нуклеофилами, а с сильными нуклеофилами реагирует в специальных условиях. Реакции протекают по механизму S N 2. Примеры реакций CH 2 CH CH 2 CH давление OCH=CH 2 CH 3 -C O + NaCl O-CH 2 -CH 3 + NaCl CH 3 CH 2 O Na давление винилэтиловый эфир винилацетат CI CH 3 -COO Na Обе реакции имеют промышленное значение. СПИРТЫ Функциональная группа - гидроксил –ОH; суффикс - ол Классификация 1. Одноатόмные спирты. 2. Двухатомные спирты (диолы или гликоли); 3. Трехатомные спирты (триолы или глицериновые). Алифатические спирты (алканолы) Номенклатура CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -OH бутанол-1, н-бутиловый спирт (тривиальное) первичные п вторичные пропанол-2, изопропиловый спирт (тривиальное) бутанол-2, вт ор -бутиловый спирт (тривиальное) в в CH 3 -CH-OH CH 3 CH 3 -CH-OH CH 2 CH 3 84 2-метилпропанол-2, т рет -бутиловый спирт (тривиальное) третичные т CH 3 -C-OH CH 3 CH 3 Методы получения 1. Окисление алканов низшие алканы O 2 (воздух) катализатор (Mn (III), Cr (VI)) CH 3 OH t 0 , p CH 3 -C-H CH 3 CH 3 t 0 , p O 2 Co(OCOCH 3 ) 2 CH 3 -C-O-O-H CH 3 CH 3 - [O] CH 3 -C-OH CH 3 CH 3 2. Гидратация и гидроборирование алкенов (см. тему «Алкены») 3. Из альдегидов и кетонов восстановлением или действием реактивов Гриньяра (см. тему «Альдегиды и кетоны»). Строение Атомы углерода и кислорода в алифатических спиртах находятся в sp 3 - гибридизации. (длины связей С-О и О-Н) Спирты образуют ассоциаты с помощью водородных связей. Энергия водородных связей составляет 20 кДж/моль, с этим связаны высокие температуры кипения спиртов (т. кип. метанола – 64 о С, т. кип. этанола – 78 о С). Реакционная способность Основные реакционные центры одноатόмных спиртов указаны на схеме: 85 R-C-C→O←H H H H H (1) (2) (3) (4) (5) α β I. Спирты – ОН –кислоты (кислотные свойства спиртов). Спирты являются очень слабыми ОН – кислотами, слабее воды. Значения рКа некоторых спиртов СН 3 ОН 15,5 ССl 3 – CH 2 OH 12 CH 3 CH 2 OH 15,9 (CF 3 ) 3 C – OH 6,5 (CH 3 ) 3 C – OH 18,0 Для сравнения: рКа Н 2 О 15,7 Алкильные группы, будучи донорами увеличивают прочность связи О-Н, следовательно уменьшают значения рКа (R→О-Н). Группы, которые являются акцепторами (CCl 3 , (CF 3 ) 3 C) уменьшают прочность связи О-Н, следовательно уменьшают значение рКа (R ′ ← О-Н). (Напоминаем, чем меньше значение рКа, тем сильнее кислота.) Спирты реагируют со щелочными и щелочно-земельными металлами, а так же с солями или солеобразными соединениями более слабых кислот, при этом образуются алкоголяты (солеобразные соединения). Алкоголяты легко гидролизуются до спиртов, так как НОН более сильная кислота, чем спирты. Примеры реакций, подтверждающих ОН кислотность спиртов: CH 3 -O-H Na или Na H CH 3 -O Na CH 3 -O Na CH 3 -O-MgBr +H 2 +NH 3 +CH 4 Na NH 2 CH 3 MgI метилат натрия Реакции со щелочами обратимы. R O H NaOH R O Na + H 2 O 86 II. Спирты – основания и нуклеофилы 1.Проявление оснόвных свойств Спирты являются основаниями Льюиса за счет двух НПЭ атомов кислорода, и способны реагировать с кислотами Льюиса с образованием солеобразных соединений. CH 3 -O-H H CH 3 -OH 2 метилгидроксоний BF 3 ZnCl 2 CH 3 -O H ZnCl 2 CH 3 -O H BF 3 борфторид метилоксония цинкхлорид метилоксония 2. Проявление нуклеофильных свойств Нуклеофильность спиртов как и их основность связана с наличием двух НПЭ. Спирты относятся к слабым нуклеофилам. а) реакция этерификации – образование сложных эфиров из спиртов и кислот (органических и минеральных). В этом разделе рассматривается образование сложных эфиров карбоновых кислот. CH 3 -O-H + CH 3 COOH H CH 3 -C O OCH 3 + H 2 O метилэтаонат, метилацетат Механизм S N (замещение ОН – группы в карбоновой кислоте). H CH 3 -C O OH CH 3 -C O-H OH -H 2 O CH 3 -C O O CH 3 H CH 3 -C O O-CH 3 H CH 3 -C O OCH 3 -H (Nu) ацетил-катион 87 б) Алкоголиз третичных галоидных алкилов (для первичных и вторичных галогенидов не реализуется). +δ −δ + CH 3 -O-H CH 3 -C→Br CH 3 CH 3 + HBr CH 3 CH 3 CH 3 -C-O-CH 3 метилтрет-бутиловый эфир Механизм S N 1 CH 3 -O-H -H CH 3 -C→Br CH 3 CH 3 CH 3 (CH 3 ) 2 -C-O-CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 -C + Br CH 3 CH 3 CH 3 -C-O-CH 3 H III. Реакции замещения ОН-группы Необходимым условием протекания этих реакций является преобразование ОН-группы в хорошую уходящую группу. Диссоциация спиртов с уходом ОН-группы невозможна, так как при этом должен образоваться ОН − , относящийся к сильным основаниям. ОН , а также группы ОСН 3 , NH 2 относятся к плохим уходящим группам, поскольку анионы, которые при этом образуются, являются сильными основаниями. 1. Образование сложных эфиров минеральных кислот CH 3 -O-H H-OSO 3 H 0 0 C метилсерный эфир метилгидросульфат CH 3 -O-SO 3 H + H 2 O a) Механизм S N 2 1-й этап: протонирование спирта и образование хорошей уходящей группы (*). 2-й этап: образование переходного состояния. 88 −δ +δ H-OSO 3 H CH 3 -O-SO 3 H + H 2 O a) CH 3 -O H H ∗ HSO 3 O........C.........O H H H H H б) H-O-NO 2 CH 3 -O-NO 2 + H 2 O NaNO 2 H 2 SO 4 k (H-O-N=O) метилнитрат метилнитрит CH 3 -O-N=O + H 2 O в) -OSO 3 H CH 3 -O-H CH 3 -O-H OSO 3 H метилгидросульфат, метилсерный эфир 2. Реакции замещения ОН группы на галоген а) реакция с HHal (кроме HF – слишком слабая кислота) Общая схема реакции: R-OH + HHal R-Hal + H 2 O Сила галогеноводородных кислот уменьшается в ряду: HI > ΗΒr > HCl > HF В случае HI реакция идет до образования алкана R-O-H HI RI - H 2 O HI RH + I 2 Поскольку реакция обратима, HCl и HBr используют в виде газов или концентрированных кислот, газы поглощают образующуюся воду и смещают равновесие реакции вправо. Замещение ОН - группы в спиртах относится к реакциям нуклеофильного замещения. В качестве нуклеофилов выступают бромид- и хлорид-анионы, причём Br - более сильный нуклеофил, чем Cl - (электроотрицательность брома меньше электроотрицательности хлора, размер атома брома больше размера атома хлора). Для первичных спиртов реакция с HCl идет только в присутствии безводного ZnCl 2 CH 3 -CH 2 -OH HCl ZnCl 2 CH 3 -CH 2 -Cl + H 2 O хлорэтан, хлористый этил 89 Механизм S N 2 (для R п ОН) Cl - нуклеофил 1-й этап: превращение ОН-группы в хорошую уходящую группу (*). 2-й этап: образование переходного состояния. CH 3 -CH 2 -O ZnCl 2 H ∗ Cl.........C.........O H H ZnCl 2 H CH 3 ZnCl 2 Cl-CH 2 -CH 3 + Zn(OH)Cl + Cl CH 3 -CH 2 -O-H Вторичные и третичные спирты реагируют без катализатора по механизму S N 1. (CH 3 ) 3 C-OH HCl k. (CH 3 ) 3 C-Cl + H 2 O 2-хлор-2-метилпропан, хлористый трет-бутил Механизм S N 1 (для R т ОН) 1-й этап: превращение ОН-группы в хорошую уходящую группу (*) за счет протонирования. 2-й этап: образование карбкатиона. (CH 3 ) 3 C-OH HCl k. (CH 3 ) 3 C-OH 2 + H 2 O (CH 3 ) 3 C (CH 3 ) 3 C Cl (CH 3 ) 3 C-Cl -Cl Реакции с HBr идут легче, первым этапом является протонирование спиртов (S N 2 – для первичных спиртов, S N 1 – для вторичных и третичных спиртов). б) Реакция с КBr в присутствии серной кислоты Реакции реализуются для первичных спиртов. CH 3 -CH 2 -OH CH 3 -CH 2 -Br + KHSO 4 + H 2 O KBr H 2 SO 4 k. бромэтан, бромистый этил 90 Механизм S N 2 Br - нуклеофил 1-й этап: образование из спирта алкилсерного эфира и создание хорошей уходящей группы (*). 2-й этап: образование переходного состояния −δ +δ H-OSO 3 H + OSO 3 H CH 3 -CH 2 -OSO 3 H ∗ Br.........C.........OSO 3 H H H CH 3 Br-CH 2 -CH 3 CH 3 -CH 2 -O-H в) Реакции с SOCl 2 , PCl 5 Использование хлористого тионила и пятихлористого фосфора, является наиболее удобным способом получения хлоридов всех типов. Реакция с SOCl 2 CH 3 CH 2 Cl + SOCl 2 + SO 2 + HCl амины хлористый тионил CH 3 CH 2 OH Амины используют для связывания выделяющейся хлороводородной кислоты, которая способна разрушить образующийся промежуточный сложный эфир. Механизм S N 2 Cl - нуклеофил Первый этап реакции, как и в предыдущем случае, – это превращение гидроксильной группы в хорошую уходящую группу за счет образования сложного эфира с хлористым тионилом. −δ +δ Cl←S-Cl CH 3 -CH 2 -OSOCl ∗ Cl.........C.........O-S-Cl H H CH 3 Cl-CH 2 -CH 3 -HCl + SO 2 + Cl O −δ +δ + O CH 3 -CH 2 -O-H 91 Реакция с PCI 5 + PCl 5 CH 3 CH 2 Cl + POCl 3 +HCl CH 3 -CH 2 -O-H Механизм S N 2 CH 3 -CH 2 -O-PCl 4 ∗ Cl.........C.........O-PCl 4 H H CH 3 Cl-CH 2 -CH 3 -HCl 2 PCl 5 PCl 4 + PCl 6 PCl 4 H -PCl 5 CH 3 -CH 2 -O-PCl 4 + OPCl 4 Cl + O=PCl 3 CH 3 -CH 2 -O-H PCl 6 3.Образование простых эфиров (только для первичных спиртов) H 2 SO 4 k. 140 0 C + H 2 O этоксиэтан, диэтиловый эфир CH 3 -CH 2 -O-H CH 3 -CH 2 -O-H CH 3 -CH 2 -O-CH 2 -CH 3 Реакцию можно рассматривать также как межмолекулярную дегидратацию. Механизм S N 2 CH 3 CH 2 OH - нуклеофил CH 3 -CH 2 -O-SO 3 H + H 2 O . ........C.........OSO 3 H H H CH 3 + H 2 SO 4 140 0 C 1. первый этап - превращение этанола в этилгидросульфат HOSO 3 H 20 0 C (удаляется перегонкой) 2. CH 3 -CH 2 -O-SO 3 H H H ∗ CH 3 -CH 2 -O-H OSO 3 H CH 3 -CH 2 -O CH 3 -CH 2 -O-H CH 3 -CH 2 -O-CH 2 -CH 3 CH 3 -CH 2 -O-CH 2 -CH 3 хорошо уходящая группа разбавление водой Cl - нуклеофил 92 К алкилсерному эфиру добавляется второй моль этанола и поднимают температуру до 140°С. К этилсерному эфиру можно добавить другой спирт и получить смешанный эфир. CH 3 CH 2 -O-SO 3 H CH 3 OH CH 3 CH 2 -OCH 3 + H 2 SO 4 Кроме концентрированной серной кислоты в качестве водоотнимающего агента используют Al 2 O 3 при 300°С. IV. Внутримолекулярная дегидратация В результате внутримолекулярной дегидратации из спиртов образуются алкены. Из первичных спиртов - под действием к.H 2 SO 4 / 180°; Al 2 O 3 /375°. Из вторичных спиртов - под действием H 3 PO 4 / t°, KHSO 4 / t°; Al 2 O 3 /350°; ThO 2 /300°. Из третичных спиртов под действием р.H 2 SO 4 / t°; KHSO 4 / t°; ZnO/t°. Пример реакции H 2 SO 4 k CH 3 CH 2 -CH 2 -O-H H CH 3 CH=CH 2 + H 2 O α β пропен 180 0 C Механизм Е1 CH 3 CH 2 -CH 2 -O-H -H CH 3 CH 2 CH 2 -O-SO 3 H -OSO 3 H HOSO 3 H H -H 2 O CH 3 -CH-CH 2 CH 3 CH=CH 2 Все типы спиртов дегидратируются по механизму Е1. Реализация мономолекулярного механизма отщепления для первичных спиртов связана с высокой температурой реакции и нестабильностью промежуточного сложного эфира. H CH 2 -C CH 3 CH 3 15% H 2 SO 4 t 0 OH CH 3 -C=CH 2 CH 3 E1 β α + H 2 O 2-метилпропен, изобутен Реакция согласуется с правилом Зайцева. Первичные спирты дегидратируются в наиболее жестких условиях. 93 V. Окисление и дегидрирование спиртов При окислении и дегидрировании первичных и вторичных спиртов образуются альдегиды и кетоны соответственно. Третичные спирты окисляются с расщеплением углерод-углеродных связей, дегидрированию не подвергаются. Окисление Окислители для первичных и вторичных спиртов: K 2 Cr 2 O 7 /H 2 SO 4 ; Na 2 Cr 2 O 7 /H 2 SO 4 ; CrO 3 /CH 3 COOH; KMnO 4 /OH − при нагревании. При использовании KMnO 4 /OH − из первичных спиртов образуются альдегиды, которые окисляются до карбоновых кислот. Примеры реакций H [O] [CH 3 -CH 2 -CH-O- H] OH CH 3 CH 2 C O H K 2 Cr 2 O 7 /H + ,t 0 -H 2 O геминальный диол (неустойчивый) пропаналь CH 3 CH 2 -CH-O-H α CH 3 CH 2 -CH 2 -O-H t 0 [O] CH 3 CH 2 C O H KMnO 4 /OH CH 3 CH 2 C O OH пропановая кислота -H 2 O CH 3 -C-CH 3 CH 3 -C OH CH 3 t 0 H CH 3 -C-O H CH 3 [O] OH KMnO 4 /OH O ацетон Третичные спирты окисляются K 2 Cr 2 O 7 /H 2 SO 4 ; Na 2 Cr 2 O 7 /H 2 SO 4 при нагревании до смеси карбоновых кислот и кетонов через образование алкенов. С помощью этой реакции можно установить строение третичного спирта. Пример и схема реакции CH 3 -C-CH 3 K 2 Cr 2 O 7 /H + ,t 0 -H 2 O O CH 3 -C-CH 2 -CH 3 OH CH 3 α β β ' CH 2 =C-CH 2 -CH 3 CH 3 + CH 3 -C=CH-CH 3 CH 3 CO 2 + CH 3 -C-CH 2 -CH 3 O + + CH 3 COOH 2-метилбутанол-2 бутанон пропанон, ацетон этановая, уксусная кислота |