Методические указания к практикуму по органической химии. Часть вторая

Министерство образования Российской Федерации Ростовский государственный университет Кафедра органической химии

А.Ф. Пожарский,

О.В. Дябло

Методические указания к практикуму по органической химии

часть вторая (издание 2-е)

Ростов-на-Дону, 2001

2 Печатается

по решению кафедры органической химии

Ростовского государственного университета, протокол № 4-01/02 от 8 октября 2001 г.

3 Содержание

Тема 7. Электрофильное замещение в ароматическом ядре………….

4

Тема 8. Фенолы…………………………………………………………..

13

Тема 9. Соли диазония …………………………………………………..

24

Тема 10. Нуклеофильное замещение в ароматическом ядре………….

32

4

Тема 7. ЭЛЕКТРОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ В АРОМАТИЧЕСКОМ ЯДРЕ (к синтезам «п-Нитроацетанилид», «п-Броманизол»)

Программа Причины склонности ароматических соединений к реакциям электрофильного замещения.

Типы

электрофилов.

Роль

катализаторов

(кислот

Льюиса)

при

электрофильном замещении. σ-Комплексы и факторы, определяющие их устойчивость. Реакции нитрования, галоидирования, азосочетания, алкилирования и ацилирования по Фриделю-Крафтсу. Правила ориентации в моно- и дизамещенных бензола. Группы ортопара- и мета-ориентанты. Активация и дезактивация бензольного кольца по отношению к электрофилам. Термодинамический и кинетический контроль в некоторых реакциях электрофильного замещения и его причины. π-Комплексы и катион-радикалы в реакциях электрофильного замещения.

Методические указания Общие положения. Реакции электрофильного замещения – превращения вида: ArH + E+  ArE + H+ где ArH – молекула субстрата, E+ - электрофильный реагент. Большинство реакций электрофильного замещения требует применения катализатора – обычно кислоты Льюиса. Роль катализатора состоит в активации электрофильного агента путем создания или увеличения на нем положительного заряда. Например, соли железа в реакции бромирования способствуют поляризации связи Br-Br: .. : Br ..

.. Br .. : + FeBr3

Br+ + FeBr4

Аналогично, кислоты при алкилировании бензола олефинами протонируют последние, что ведет к образованию активного электрофила – карбокатиона.

5

CH3CH=CH2

+ H3C CH

+ H+

CH3

Реакции электрофильного замещения включают две

главные стадии –

присоединение электрофила к бензольному кольцу с образованием σ-комплекса (об образовании π-комплексов см. ниже) и стадию отщепления протона (ароматизацию), ведущую к конечному продукту:

E

E

H +

+ E+

+ Н+

σ-комплекс Для большинства реакций электрофильного замещения скорость-определяющей является первая стадия. Кинетическое уравнение реакции имеет вид v = k [ArH][E+], т.е. она второго суммарного порядка, первого по субстрату и электрофилу. Поэтому реакции электрофильного замещения в ароматическом ряду обозначают символом SE2Ar.

σ-Комплекс – это фактически резонансно-стабилизированный карбениевый ион. В нем связь С-Е осуществляется за счет пары π-электронов, ранее принадлежащих бензольному

кольцу.

Четыре

оставшихся

π-электрона

делокализованы

на

пяти

углеродных атомах. Строение σ-комплекса может быть представлено как мезомерной структурой, показанной выше на схеме, так и набором следующих резонансных структур: E

H

E +

H

E

H

+ +

Правила ориентации в монозамещенных бензола. В монозамещенных бензола заместитель ориентирует вступающий электрофил преимущественно в орто-пара или

мета-положения. Соответственно все заместители подразделяются на два больших класса:

орто-пара-ориентанты

и

мета-ориентанты.

орто-пара-Ориентирующей

6 способностью обладают группы, имеющие доступные π-электроны или неподеленные электронные пары, которые они могут предоставлять в сопряжение с бензольным кольцом. Это группы - π-доноры. К ним, в частности, относятся: ОН, ОR, NH2, NHR, NR2, F, Cl, Br, I, CH2=CH, CH≡C, C6H5 В результате донирования этими группами электронов в орто- и пара-положениях бензольного

кольца

наводится

отрицательный

π-заряд.

Поэтому

именно

сюда

направляется атака электрофила.

.. NH2 δ-

+ NH2 δ-

+ NH2 -

или

+ NH2

-

δ-

Особняком стоят метил и другие алкильные группы, у которых нет π-электронов или

неподеленных

электронных

пар,

но

которые

также

являются

орто-пара-

ориентантами. Алкильные группы слабые индуктивные доноры. Кроме того, σ-электроны связей С-Н, смежных с бензольным кольцом, могут, хотя и слабо, участвовать в сопряжении с π-электронами кольца. Это так называемое σ,π-сопряжение, которое полезно сравнить с π,π-сопряжением:

H CH=CH2

H С H δ-

δ-

δσ,π-сопря жение

δ-

δδ-

π,π-сопря жение

Поскольку орто-пара-ориентанты увеличивают π-электронную плотность в ядре, они активируют последнее к электрофильному замещению по сравнению с бензолом. Исключение составляют галогенбензолы, которые реагируют с электрофилами труднее

7 бензола. Это объясняется тем, что в них –I-эффект галогена превалирует над +Мэффектом, т.е. галогены – более сильные σ-акцепторы, чем π-доноры. Такие группы как ОН, OR, NH2, NR2 тоже обладают –I-эффектом, но он у них слабее +М-эффекта. В результате эти группы активируют бензольное кольцо: .. :Сl:

δ-

:O CH3

δ-

δ-

δδ-

δ-

активация (+M > -I)

дезактивация (-I > +M)

По способности активировать бензольное кольцо к электрофильному замещению

орто-пара-ориентанты образуют следующий ряд: -

O > NH2 > OH > OCH3 > NHCOCH3 > CH3 > C6H5, CH2=CH > Hal Все мета-ориентанты являются электроноакцепторами. Они делятся на две категории: 1) группы с кратными связями, обладающие –I и –М-эффектом (так называемые электромерные заместители):

С N,

+ O , N O

O С

O ,

S

OH

и т.п.

CH3

O 2) группы, не содержащие кратных связей и обладающие только –I-эффектом

(индуктивные заместители):

СCl3 ,

CF3 ,

+ N(CH3)3 ,

+ S(CH3)2

Схема π-электронного взаимодействия электромерных заместителей и бензольного кольца:

8 H

С

H

O

С

δ+

δ+

H

O

С

O

H С

O

+

+

+

δ+

Таким образом, положительный π-заряд наводится в орто- и пара-положениях, в результате чего электрофил атакует мета-положения, менее подверженные влиянию электроноакцепторной

группы.

По

сравнению

с

бензолом

мета-ориентанты

дезактивируют кольцо к электрофильному замещению. Поэтому при наличии в кольце группы-дезактиватора многие реакции электрофильного замещения (алкилирование и ацилирование по Фриделю-Крафтсу, формилирование по Вильсмейеру, азосочетание и др.) становятся невозможными. По дезактивирующей способности мета-ориентанты располагаются в такой последовательности: + N(CH3)3 > NO2 > SO2CH3 > CN > CF3 > COCH3 > COOH > CHO Правила ориентации в дизамещенных бензола. В дизамещенных бензола место вступления заместителей зависит от природы заместителей, силы их влияния и взаимного расположения. Наиболее простыми являются случаи так называемой согласованной ориентации, когда два заместителя ориентируют электрофил в одно и то же положение: OH

O CH3

COOH

OH

NO2 NO2

Во всех других случаях ориентация носит несогласованный характер (пунктирные стрелки в приведенных ниже структурах показывают менее предпочтительные места вступления электрофила):

9

OH

NHCOCH3

CH=O

NO2 CH3

NO2

Место вступления нового заместителя в дизамещенных бензола можно определить исходя из следующих правил: 1. Согласованное влияние оказывают заместители одного типа, когда они находятся в

мета-положении или заместители разных типов, если они находятся в орто-параположениях друг к другу. 2. Несогласованная

ориентация

имеет

место,

когда

однотипные

заместители

расположены в орто-пара-положениях друг к другу, а заместители различных типов – в мета-положении. 3. В случае несогласованной ориентации заместителей разных типов место вступления электрофила диктует орто-пара-ориентант. 4. При несогласованной ориентации заместителей одного типа место вступления электрофила определяет более сильный ориентант. 5. Из-за пространственных помех электрофил практически не вступает в положения, расположенные между двумя заместителями. Таковы, например, положения 2 в резорцине и в мета-нитроацетанилиде. Выше явления ориентации рассматривались с точки зрения распределения зарядов в бензольном кольце. Есть альтернативный и, строго говоря, более последовательный способ анализа, основанный на рассмотрении факторов, способствующих стабилизации или дестабилизации соответствующих σ-комплексов. Так, при электрофильном орто-

пара-замещении в катионе триметиланилиния образующийся σ-комплекс неустойчив, поскольку положительный заряд в π-системе делокализован таким образом, что часть его

10 находится на атоме, с которым связан положительно заряженный азот (см. правую из трех представленных ниже резонансных структур):

+ N(CH3)3

+ H

+ N(CH3)3

+ N(CH3)3 +

+ H

E

H

E

E

С другой стороны, при электрофильном замещении в мета-положение получается более устойчивый σ-комплекс, в котором положительные заряды на азоте и в π-системе максимально разделены:

+ N(CH3)3

+

+ + E

+ N(CH3)3

+ N(CH3)3

H

H E

H E

В результате энергетически более выгодным оказывается путь, когда электрофил присоединяется к мета-положению. Студентам следует разобрать аналогичные ситуации для электрофильного замещения в соединениях типа анилина, стирола, нитробензола. Рекомендуется также в каждом случае построить кривые потенциальной энергии, соответствующие замещению в различные положения. Термодинамический и кинетический контроль в реакциях электрофильного замещения. Как правило, в реакциях SE2Ar обратимой является только первая стадия. Однако в некоторых случаях (сульфирование, ацилирование) обратимость характерна и для второй стадии. Это приводит к последствиям двоякого рода. Во-первых, можно удалить уже введенный заместитель, что иногда бывает желательно с синтетической точки зрения. Этот прием, например, используют при получении 2,6-динитротолуола:

11 CH3

CH3

CH3

H2SO4

2 HNO3

> 120 oC

H2SO4 SO3H

CH3 NO2

O2N

H2O > 100 oC

O2N

NO2

SO3H

Как вы представляете себе механизм элиминирования сульфогруппы при кипячении 2,6-динитротолуол-4-сульфокислоты в воде? Во-вторых, в реакциях с обратимой стадией ароматизации строение образующихся продуктов нередко зависит от температуры. Обычно при пониженной температуре реакция идет преимущественно в сторону более быстро образующегося изомера. Например, при сульфировании толуола при температуре ниже 100 оС больше образуется

о-толуолсульфокислоты, чем п-толуолсульфокислоты. Это объясняется тем, что в толуоле отрицательный заряд несколько выше в орто-положениях, скорость сульфирования которых поэтому больше по сравнению с пара-положением. Кроме того, здесь работает так называемый статистический фактор: орто-положений два, а пара – одно, поэтому вероятность вхождения электрофила в орто-положение в отсутствии других факторов в принципе вдвое выше. Однако если проводить сульфирование при 120-150

о

С

практически единственным продуктом реакции оказывается п-толуолсульфокислота. Последняя в этих условиях термодинамически более устойчива и поэтому из-за обратимости второй стадии равновесие скатывается в ее сторону. Принято говорить, что при пониженной температуре процесс протекает в условиях кинетического контроля, а при повышенной – в условиях термодинамического контроля:

12 CH3 CH3

CH3 H

+ H+

SO3H

+ + H2SO4

SO3H

CH3

CH3 + H

кинетический контроль (100 оС)

+ H+ SO3H

термодинамический контроль (120-150 оС)

SO3H

π-Комплексы и катион-радикалы в реакциях электрофильного замещения. Приведенный выше механизм реакций электрофильного замещения несколько упрощен. В действительности, прежде чем образуется σ-комплекс между субстратом и электрофилом происходит более слабое взаимодействие, ведущее к образованию так называемого πкомплекса (или «комплекса соударения»). В нем осуществляется слабое донорноакцепторное

взаимодействие

между

ВЗМО

ароматической

молекулы

и

НСМО

электрофила. В таком комплексе электрофил как бы «зависает» над бензольным кольцом. Br Br π-комплекс

Энергия π-взаимодействия донора и акцептора не превышает 3-5 ккал/моль, поэтому образование π-комплекса обычно не вносит существенного вклада в общий энергетический баланс реакции (рис. 1). Как видно, переходное состояние (ПС1), отвечающее образованию π-комплекса-I лежит намного ниже переходного состояния (ПС2), отвечающего образованию σ-комплекса. Предполагают, что отщепляющийся от σкомплекса протон участвует в образовании π-комплекса-II с продуктом замещения.

13 ПС2

E

ПС3

H

E +

σ-комплекс

ПС1

+ E

ПС4 E

+

исходные соединения

E

+

E

π-комплекс-I

+

H

π-комплекc-II

+

+ H

продукты реакции

координата реакции

Рис. 1. Кривая потенциальной энергии реакции электрофильного замещения. Однако иногда встречаются ситуации, когда π-взаимодействие между субстратом и электрофилом весьма велико и в отдельных случаях даже приводит к переносу электрона с верхней занятой π-орбитали субстрата на нижнюю свободную орбиталь акцептора. При этом субстрат переходит в катион-радикал, а электрофил в радикал (если первоначально он был катионом) или в анион-радикал (если исходный электрофил – нейтральная молекула). В этом случае вся реакция протекает, как правило, очень быстро и часто приводит к образованию в качестве побочного вещества димера исходной молекулы. Само по себе выделение таких димеров служит признаком реализации катионрадикального механизма электрофильного замещения, который в самом общем виде можно представить так: .

1) ArH + E+ ' ArH + + E . . 2) ArH+ + E  ArE + H+ . 3) ArH+  ½ Ar-Ar + H+ Этот механизм

.

характерен главным образом для ароматических субстратов

содержащих сильные электронодонорные группы (например, N(CH3)2) и имеющих

14 протяженную

π-систему.

Типичный

бис(диметиламино)нафталина

пример

(«протонной

1

такой

реакции

губки»)

–

нитрование

смесью

1,8-

HNO3–H2SO4.

Образующийся на первой стадии катион-радикал «протонной губки» 2 можно представить набором нескольких резонансных структур, часть из которых (2 а-в) показана ниже на схеме. Как видно, спиновая плотность в катион-радикале рассредоточена по орто- и параположениям бензольных колец, причем в пара-положении, как показывают расчеты она больше. На второй стадии происходит рекомбинация катион-радикала 2 с радикалом .

NO2 , причем реакция протекает главным образом по положению 4 нафталинового кольца с образованием нитропроизводного 3. Некоторая часть катион-радикалов успевает димеризоваться также по положению 4, давая бинафтил 4. В силу меньшей спиновой плотности в орто-положении, а также стерических факторов продукт замещения или димер по орто-положению нафталинового кольца не зафиксирован. (CH3)2 N

H + N(CH3)2

N(CH3)2

(CH3)2 N

N(CH3)2

(CH3)2 N

H+

NO2+

NO2+

- H+ 1 +. N(CH3)2

(CH3)2 N

+ N(CH3)2

(CH3)2 N

π-комплекс + N(CH3)2 (CH3)2 N

. 2б

2а

.

2в

катион - радикал N(CH3)2

(CH3)2 N

NO2. 70 %

3

+ NO2 .

N(CH3)2

(CH3)2 N

2б 10 %

NO2 (CH3)2 N

4

N(CH3)2

15 При димеризации катион-радикала 2 вначале образуется дигидропроизводное 5, которое быстро теряет два протона и превращается в соединение 4.

+ N(CH3)2

(CH3)2 N

2б + 2б

H

H

- 2H+

4

(CH3)2 N

N(CH3)2 5 + Хотя подавляющее большинство реакций SE2Ar сопровождается замещением атома

водорода (отщепление в виде протона) известны и так называемые реакции ипсозамещения, в которых отщепляющаяся группа – более тяжелый заместитель. Ипсозамещению особенно подвержены такие группы как SO3H, COCH3, CO2H и некоторые другие (см стр.11 и 34, где даны примеры SE2Ar замещения SO3H , SCH3 и CH2OH групп).

Рекомендуемая литература 1. А.Н. Несмеянов, Н.А. Несмеянов // Начала органической химии.- М.: Химия, 1970.- Т. 2.- С. 31-48. 2. А. Терней // Современная органическая химия.- М.: Мир, 1981.- Т. 1.- С. 591-625. 3. Ф. Кери, Р. Сандберг // Углубленный курс органической химии- М.: Химия, 1981.Кн.1.- С. 324-380. 4. Л.С. Эфрос, И.Я. Квитко //Химия и технология ароматических соединений в задачах и упражнениях.- М.: Химия, 1984.- С. 33-54. 5. М.В. Горелик, Л.С. Эфрос // Основы химии и технологии ароматических соединений.М.: Химия, 1992.- С. 132-294.

16

Тема 8. ФЕНОЛЫ (к синтезам «Анизол», «Этиловый эфир β-нафтола», «о- и пНитрофенолы»)

Программа Определение. Способы получения фенолов: щелочное плавление сульфокислот, диазотирование аминов, из комплексов Фишера, промышленные способы. Химические свойства. Взаимное влияние ядра и гидроксильной группы. Алкилирование, ацилирование гидроксильной группы. Электрофильное замещение в ядре: галогенирование, нитрование, сульфирование, азосочетание, реакция Кольбе, Реймера-Тимана, Вильсмайера-Хаака, Губена-Гёша. Конденсация с карбонильными соединениями. Кислый и основной катализ. Отношение фенолов к окислению.

Методические указания Фенолами называют соединения ароматического ряда, у которых один или несколько атомов водорода ядра замещены гидроксильными группами. Например, OH

OH

OH

OH

OH

OH OH OH фенол

пирокатехин

резорцин

гидрохинон

β-нафтол

Способы получения фенолов. Наиболее важными являются следующие способы получения фенолов: 1) щелочное плавление сульфокислот:

17

SO3H

SO3Na

OH

NaOH

NaOH

ONa NaOH

феноля т натрияя 2) обмен диазониевой группы на гидроксил в солях арилдиазония: ArNH2

HNO2 / H2SO4

Ar

+ N N HSO4-

H2O, t

ArOH

- N2, -H2SO4

3) синтез замещенных фенолов из карбеновых π-комплексов переходных металлов (комплексов Фишера). Карбеновые π-комплексы – это стабильные вещества с т. разл. > 100 оС, содержащие в координационной сфере атома металла в качестве лигандов карбены.

Химия этих соединений начала развиваться сравнительно недавно – в 70-х

годах XX века. Карбеновые π-комплексы взаимодействуют с алкинами с образованием замещенных фенолов, причем процесс протекает без освобождения свободного карбена (на приведенной ниже схеме в квадратных скобках показана упрощенная запись переходного состояния, как если бы карбен высвобождался).

OH (CO)5Cr

OСН3

С 1

H

С С

R

R 3C CH

R

2

R3

R

1

R

2

H OСН3

остаток карбена Карбеновый π-комплекс R 3C CH O H

С ..

2

R С 1

R С .. С OСН3

3

R С С

H

2

H

O R3

R

1

R

H OСН3

18 Получают карбеновые комплексы действием на карбонилы металлов литийорганическими соединениями*. Ниже приведена схема синтеза указанным способом замещенного α-нафтола: OLi

Li

(CO)5Cr

Cr(CO)6

С

(CH3)3O+BF4тетрафторборат триметилоксония - (СН3)2О - LiBF4

(CO)5Cr

С

OСН3

OH CH2CH2CH3

HC CCH2CH2CH3 ТГФ, to OСН3 88 %

В промышленности имеют большое значение два следующих способа получения фенолов: 4) окисление кумола кислородом воздуха и разложение образующегося гидропероксида при нагревании с кислотой: O H H3C H CH3 C H2C C CH3 H H3PO4

H3C

O2 катализ кумол

5) в очень жестких условиях (300

о

O С

CH3

OH H+

+ H3C С CH3 O ацетон

С, 200 атм.) в промышленных масштабах

неактивированный галоген, например, в хлорбензоле, замещают на гидроксильную группу при нагревании с водной щелочью («Дау-процесс»). Если галоген активирован

*

Подробнее об использование переходных металлов в органическом синтезе см. методические указания к курсу органической химии А.Ф. Пожарского, А.В. Гулевской «Новые реакции образования углерод-углеродных связей, катализируемые переходными металлами», Ростов-на-Дону, 2000 г.

19 акцепторными заместителями, например, NO2, то замещение идет уже при простом нагревании со щелочами.

Cl

OH NO2

NO2

NaOH, t - NaCl

NO2

NO2

Взаимное влияние ароматического кольца и гидроксильной группы. Отличительная особенность фенолов – ярко выраженное взаимное влияние гидроксильной группы и ядра, обусловленное сопряжением n-электронов кислорода и π-секстета. Смещение nэлектронов кислорода к ядру (+М-эффект) превышает противоположно направленное смещение по σ-связи (-I-эффект) и, таким образом, гидроксильная группа сильно повышает электронную плотность ядра преимущественно в орто- и пара-положениях. Последняя еще более возрастает при переходе от фенола к феноксид-иону, который поэтому более активен в реакциях электрофильного замещения. Вместе с тем, делокализация отрицательного заряда в феноксид-ионе является причиной значительно большей кислотности фенолов по сравнению со спиртами.

..δ+

O

OH

δ-

δ-

δ-

δ-

O δ-

O

O

-

-

-

δ-

Реакции фенолов по гидроксильной группе. Фенол реагирует с алкилирующими и ацилирующими средствами. Реакцию проводят предварительно переведя фенол в феноксид-ион (почему?).

C6H5OCH3 + I

-

CH3I

C6H5O-

ClCH2CH=CH2

C6H5OCH2CH=CH2 + Cl

20 Кислый характер ОН-группы позволяет метилировать ее диазометаном: C6H5OCH3 + N2

C6H5OH + CH2N2

Электрофильное замещение в ядре фенола идет значительно легче, чем в незамещенном бензоле и обычно не требует применения катализаторов. Реакции фенолов по ароматическому кольцу. 1.

Галогенирование. Действие водного раствора брома мгновенно приводит к

выпадению осадка 2,4,6-трибромфенола. Столь быстрое протекание реакции решающим образом обусловлено диссоциацией фенола в воде с образованием феноксид-иона. Далее – обычный механизм электрофильного замещения:

O

O δ-

δ+ Br

δ-

- Br

-

O

H

δBr

δ-

Br -

Br2

H+

ароматизация

δфеноксид-ион

Br

и т.д.

δ-

σ-комплекс

Активирующее

влияние

гидроксильной

группы

настолько

велико,

что

трибромфенол медленно подвергается дальнейшему бромированию с образованием 2,4,4,6-тетрабромциклогекса-2,5-диенона: OH

O Br

Br

Br 2.

- H+

O Br

Br

Br

Br2

Br

Br

+ BrBr

Br

Нитрование протекает при действии разбавленной азотной кислоты (в

отсутствии H4SO4) при комнатной температуре:

21

OH

OH

OH

NO2

разб. HNO3

+ H2O

+ NO2 о-нитрофенол 3.

Сульфирование

фенола

при

п-нитрофенол

комнатной

температуре

при

действии

концентрированной серной кислоты идет с образованием равных количеств орто- и параизомеров. При более высокой температуре преобладает пара-изомер.

OH

OH

OH

SO3H

конц. H2SO4

+ SO3H

при 20 оС при 100 оС 4. С-Ацилирование.

Как

правило,

50 % 10 %

50 % 90%

реакцию

проводят,

осуществляя

перегруппировку легко образующихся вначале О-ацилпроизводных (перегруппировка Фриса). OH

OCOCH3 CH3COCl

OH

OH COCH3

AlCl3, to +

- HCl О-ацетилфенол

COCH3 п-гидроксиацетофенон

о-гидроксиацетофенон

5. Реакция азосочетания легко идет с солями диазония в нейтральной и слабощелочной среде.

22

-

+ N N Ar

O

H

-

- H+

O N=NAr

ароматизация

O

N=NAr

σ-комплекс

6. Реакция Кольбе. Высокая активность фенолов в реакциях электрофильного замещения позволяет осуществить их прямое карбоксилирование углекислым газом в щелочной среде. В случае фенолята натрия реакция Кольбе протекает по ортоположению с образованием салициловой кислоты. С фенолятом калия реакция образуется п-гидроксибензойная кислота. Это различие свидетельствует об участии иона натрия в переходном состоянии реакции за счет координации с карбонильной группой молекулы углекислого газа. В случае фенолята калия связь О-К носит более ионный характер и такое переходное состояние, очевидно, не реализуется..

O

Na

O :O

δ+ O=C=O

O

H O

С

С

O

O

σ-комплекс переходное состоя ние O OH - H2O

COO 2 H+

OH COOH

Эта реакция идет только с феноксид-ионом, но не с самим фенолом, потому что СО2 – слабый электрофил. 7. Реакция Реймера-Тимана также относится к реакциям электрофильного замещения. Действующим началом в ней является дихлоркарбен, образующийся при действии крепких щелочей на хлороформ.

23

O Cl OH

-

+ H

H2O + :С

С Cl Cl

O

Cl

:CCl2

CCl2

OH CH=O

H2O

H

Cl

O

CHCl2

O

- 2 HCl

CH=O

H+

салициловый альдегид

8. Реакция Вильсмайера-Хаака – метод ацилирования не только фенолов, но и алкоксибензолов (простых эфиров фенолов), вторичных и третичных ароматических аминов. Чаще всего он служит для введения в ароматическое кольцо формильной группы, для

чего

в

качестве

электрофильного

агента

используют

комплексы

N,N-

диметилформамида и хлорокиси фосфора (реагент Вильсмайера).

H С O (CH3)2N

+ POCl3

H + С Cl (CH3)2N OPOCl2

H + С O (CH3)2N Cl

POCl2

H + С Cl (CH3)2N OPOCl2

Для синтеза ароматических кетонов используют комплексы, приготовленные из N,N-диметиламидов других карбоновых кислот. R + С Cl (CH3)2N OPOCl2

R + С Cl (CH3)2N OPOCl2

Механизм реакции представляет собой электрофильное замещение с последующим гидролизом промежуточно образующейся иминиевой соли.

24

OH

OH

OH

+

H + С Cl (CH3)2N

+ С H

H

реагент Вильсмайера

- H+

Cl

N(CH3)2

OH

OH

Cl С H N(CH3)2

OH

H2O - HСl + С H (CH3)2N Cl иминиевая соль

- NH(CH3)2

(CH3)2N

С H O

O H

С

H

9. Реакция Губена-Гёша. Это взаимодействие фенолов, их сложных эфиров, ароматических аминов (т.е. соединений с активированными к электрофильному замещению бензольными кольцами) с нитрилами карбоновых кислот. В качестве катализатора используется газообразный хлористый водород, который протонирует атом азота нитрила. Образующийся катион выступает как электрофил, атакуя кольцо своим углеродным атомом.

.. CH3O

R

H

С+

+

CH3O

NH Cl R CH3O

+ R С N H Cl-

+ R С N H Cl

R С N + HCl

С NH

+ Cl

H2O - NH3

-

С

R

- HCl

NH R

CH3O

С O

10. Конденсация с альдегидами и кетонами. Огромное значение в технике имеет конденсация с формальдегидом, в результате которой получают термореактивную смолу бакелит. Реакция идет в слабощелочной среде и, следовательно, через фенолят-анион (основной катализ).

25 -O

H δ+ С O H

O

-O H

CH2OH

CH2O

- OH

-

σ-комплекс O O

OH

O

CH2

O

O

CH2

CH2

H

H2C=O

- H+

и т.д.

Эта реакция катализируется также кислотами. В этом случае протон повышает активность карбонила.

R H

R С O + H+

:OH

R + С OH H

+ С OH

H

R + С OH H

+ OH

:OH H

CH2 OH

H+ - H2O

CHOH R σ-комплекс HO :

+ OH

OH CHR

R

H

+ OH

CH - H+

и т.д.

σ-комплекс

Следует иметь в виду, что как при основном, так и при кислотном катализе фенол реагирует по всем свободным орто- и пара-положениям, а не только по орто-, как изображено на схеме. Отношение фенолов к окислителям. Высокая электронная плотность в ядре понижает устойчивость фенолов к окислителям. Окисление начинается уже на воздухе

26 (фенол темнеет), а сильные окислители (KMnO4, K2Cr2O7 и др.) легко превращают фенолы в хиноны.

OH

O H2CrO4

O Рекомендуемая литература 1. А. Терней // Современная органическая химия.- М.: Мир, 1981.- Т. 2.-С. 284-362. 2. Дж.Робертс, М.Касерио // Основы органической химии.- М.: Мир, 1978.- Т. 2.- С. 303322. 3. А.Н. Несмеянов, Н.А. Несмеянов // Начала органической химии.- М.: Химия, 1970.- Т. 2.- С. 112-126. 4. О.Я. Нейланд // Органическая химия.-М.: Высшая школа, 1990.- С.312-327. 5. Ю.С. Шабаров // Органическая химия.- М.: Химия, 1994.- Т. 2.- С. 754-768.

27

Тема 9. СОЛИ ДИАЗОНИЯ (к синтезам «Пикриновая кислота», «о-Нитрохлорбензол», «Иодбензол», «Гелиантин», «Нафтоловый оранжевый»)

Программа Строение и устойчивость солей диазония. Получение методом прямого и обратного диазотирования. Реакции солей диазония с выделением азота: замещения диазогруппы на гидроксил, галогены, нитро- и циано-группы. Превращения, протекающие без выделения азота – азосочетание, восстановление, образование диазоаминосоединений.

Методические указания Строение и устойчивость солей диазония. Солями диазония называют соединения + общей формулы R-N≡N, где R – органический остаток, X – анион кислоты. Например,

+ N N Cl

O2N

хлористый фенилдиазоний

+ N N BF4 тетрафторборат п-нитрофенилдиазония

+ H3C N N Cl хлористый метилдиазоний

Соли диазония обладают высокой реакционной способностью, что проявляется, прежде всего, в легкости их разложения с выделением азота. Разрыв связи С-N происходит, как правило, гетеролитически и тем легче, чем слабее органический остаток удерживает σ-электронную пару. При этом образуется известная своей стабильностью молекула азота и катион карбония. В солях алкилдиазония связь C-N сильно поляризована, поэтому такие соли особенно неустойчивы и разлагаются фактически в момент образования (в особых условиях, например в отсутствии воды и других нуклеофилов они, однако, могут быть выделены и исследованы).

28

+ H3C N N Cl

В

катионах

CH3+

+

арилдиазониевых

H2O - H+

N2

солей

CH3+

+ Cl -

сопряжение

диазониевой

CH3OH CH3Cl группы

с

ароматическим кольцом увеличивает кратность связи C-N и несколько затрудняет элиминирование азота. Поэтому соли арилдиазония могут существовать в растворах (обычно при 0 … -15 оС), а иногда и в твердом виде.

H + N N:

H

А

+

+ N N:

+ Б

В

+ N N:

.. + N N:

+

+ N N:

H Д

Г

Наличие π-донорных заместителей в пара- и орто-положениях, увеличивая вклад структур Б, В и Г с повышенным порядком связи между атомом углерода фенильного кольца и атомом азота диазониевой группы, что стабилизирует катион диазония. Следует помнить, что вместе с этим уменьшается положительный заряд на терминальном атоме азота (уменьшается вклад структуры Д) и снижается электрофильность катиона диазония.

.. CH3O ..

+ N N:

+ CH3O ..

+ N N:

π-Акцепторные заместители, понижающие электронную плотность на С-атоме,

соединенном с диазониевой группой, увеличивают как стабильность катиона, так и его электрофильность.

29

O + N -O ..

+ N N:

O + N -O

+ + N N:

Соли диазония существуют лишь в присутствии слабонуклеофильных анионов сильных кислот. С более нуклеофильными анионами слабых кислот они образуют ковалентно построенные диазосоединения, существующие в цис- и транс-формах. + N N : -O

O

.. N

CH3

.. N N:

O N .. O С

O H 3C С цис

CH3

O транс

При действии концентрированных растворов щелочей на соли диазония образуются диазогидраты, которые обладают кислотным характером и могут также находится в цис- и транс-форме. -

+ N N : + OH

.. N

NaOH N OH

диазогидрат

+ ... ... N N O Na диазотат натрия

Получение солей диазония. Соли диазония получают диазотированием первичных ароматических аминов. Реакцию проводят путем прибавления нитрита натрия к раствору или мелкодисперсной суспензии соли амина в сильной кислоте. Температуру реакционной смеси поддерживают не выше 0…–5 оС.

Механизм реакции следующий:

30 NaNO2 + HCl

H-O-N=O + NaCl H + O H

H-O-N=O + H+

+ N=O

.. Ar-NH2

Ar

+ H2O + N=O нитрозоний-катион

N=O H

H + .. N N=O

Ar

H Ar

.. .. N N

+ H O H

Ar

.. N N OH +

таутомеризация

+ N N : + H2O

Из приведенной схемы видно, что для успешного диазотирования кислотность раствора должна быть достаточной, чтобы обеспечить образование катиона нитрозония, но вместе с тем не столь высокой, чтобы обеспечить также необходимую концентрацию непротонированных молекул амина. Анилин легко диазотируется в разбавленной кислоте, тогда

как

диазотирование

низко

основного

2,4-динитроанилина

проводят

в

концентрированной серной кислоте.

O2N

NH2 NO2

+ N=O конц. H2SO4

O2N

+ N N HSO4 NO2

В случае трудно растворимых аминосульфокислот (например, сульфаниловой) используют метод «обратного» диазотирования, при котором щелочной раствор амина, содержащий необходимое количество нитрита натрия, вносят в раствор соляной или серной кислоты. К наиболее распространенным превращениям солей диазония относятся реакции, в которых диазогруппа замещается различными нуклеофилами с выделением азота, а также реакции азосочетания, протекающие по механизму электрофильного замещения.

Реакции с выделением азота. Катионы диазония при нагревании выделяют молекулу азота и превращаются в реакционно-способные арильные катионы, которые

31 -

реагируют с нуклеофильными частицами Nu реакционной среды, образуя продукты замещения. Здесь реализуется механизм SN1, поскольку разложение соли значительно более медленный процесс

в сравнении со второй стадией (см. также главу 8

«Нуклеофильное замещение в ароматическом ряду», стр. 39). + N N

Ar

медленно

Ar

+

Nu быстро

+ N2

Ar-Nu

При термическом разложении солей диазония в водно-сернокислом растворе с хорошими выходами образуются фенолы. Ar

+ N N

ArOH + N2 + H+

+ H2O

Нагревание твердых тетрафторборатов диазония выше температуры их разложения является одним из способов получения фтораренов (реакция Шимана). + N N BF4

Ar

∆

ArF + BF3 + N2

Более сложно происходит замещение диазогруппы в присутствии солей меди (I). Это превращение, известное как реакция Зандмейера, протекает окислительновосстановительным путем с участием промежуточных арильных радикалов. Ar

+ + N N: + Cu . Ar . N N .

Ar

N N.

Ar .

+ N2

+ Cu

2+

Последние участвуют в дальнейших превращениях, образуя с высокими выходами хлор и бромарены, арилцианиды, нитроарены. Ar . + Cu

2+

+ X

-

+ ArX + Cu

X

-

= Cl , Br , CN , NO2-

В отличие от образования хлор- и бромаренов в условиях Зандмейера обмен диазогруппы на йод идет в отсутствие катализатора. Это обусловлено тем, что иодид-ион

32 обладает способностью одноэлектронно восстанавливать соли диазония до свободных радикалов.

Ar

+ N N:

Ar

N N.

Ar . + I ArI С

.

+ I

N N. + I .

Ar Ar .

-

ArI -

+ N2 .

+ N N:

+ Ar

промежуточным

-

образованием

Ar

+

ArI

свободных

N N.

радикалов

протекает

также

восстановление солей диазония фосфорноватистой кислотой в арены.

Ar Для

+ N N: + H3PO2 + + H2O синтеза

дифенилов

2 ArH + 2 N2 + H3PO3

используют

реакцию

Гомберга

–

арилирование

ароматических соединений солями диазония. Она, по-видимому, протекает с участием арильных радикалов, которые атакуют замещаемый арен по орто-, мета- и параположениям. В качестве побочных продуктов образуются полиарилы.

R

+ N N + Cl

1

R

∆ CH3COONa

основной продукт

R1

1

R

+

R

R

R1 +

R

+ N N Cl

R

CH3COONa

+ N2

+ NaCl + CH3COOH

N N O С CH3

R

O

R

N N O С CH3 O

R

.

+ N2 + CH3COO .

33

R

1

. +

R

1

.

R

1 R + H.

R

R

H

CH3COO . + H .

CH3COOH

Соли диазония реагируют также с S-нуклеофилами. Так, действуя на них дисульфидом натрия можно получить диарилдисульфиды, а используя с диоксид серы в присутствии меди – арилсульфиновые кислоты. 2 Ar-N2+ + Na2S2

Ar-S-S-Ar + N2 + 2 Na+ диарилдисульфид Ar-SO2H + N2 + Cu2+ арилсульфиновая кислота

+ SO2 + Cu + H+

Ar-N2+

Реакции без выделения азота. Из превращений солей диазония, при которых не выделяется азот, наибольший интерес представляют реакции азосочетания. При азосочетании катион диазония выступает как слабый электрофил, способный реагировать лишь с теми субстратами, в которых имеются атомы с достаточно высокой электронной плотностью. Ar

+ N N:

Ar

.. + N N:

Ar

+ Ar'H

N N Ar'

+ H

+

Чаше всего в качестве таких субстратов выступают фенолы и диалкиламиноарены. Электрофильность катиона диазония увеличивается под влиянием электроноакцепторных заместителей в ядре. Например, 2,4-динитрофенилдиазоний сочетается с анизолом, а 2,4,6-тринитрофенилдиазоний – даже с мезитиленом. NO2

NO2 O2N

+ N N: +

OMe

- H

+

O2N

N N

OMe

34 NO2

NO2

H 3C

+ N N: +

O2N

NO2

CH3

- H

+

O2N

H 3C CH3

N N H 3C

NO2

H 3C

Реакции азосочетания идут по механизму бимолекулярного электрофильного замещения. Конечные продукты – азосоединения; почти все они являются красителями. Ar

+ N N:

Ar

+ : N N ..

Ar

X

+

+ X

N N H

Ar

N N

X

В реакции азосочетания в молекуле субстрата могут замещаться и отличные от водорода атомы и группы (ипсо-замещение).

X

N=N-Ar C6H5 + ArN2+

N

C 6H 5

N CH3

+ X+

CH3

X = SCH3, CH2OH

~ 85 %

Соли арилдиазония в качестве электрофилов обратимо взаимодействуют с первичными

ариламинами,

образуя

диазоаминосоединения

(триазены)

и

аминоазосоединения. Направление реакции определяется pH среды. Триазены при обработке кислотами перегруппировываются в азосоединения. pH 7-8

Ar

Ar

N N N H триазен

+ N N : + H2N

Ar + H

pH 5-6

Ar

N N

NH2

N N N H

35 Соли диазония могут быть восстановлены до гидразинов действием сернистой кислоты или двухлористого олова. Ar

+ N N : Cl

Na2SO3 HCl

Ar

N NH2 . HCl H

Рекомендуемая литература 1. Дж. Робертс, М. Касерио // Основы органической химии.- М: Мир, 1978.- Т. 2.- С. 288-302. 2. Л.С. Эфрос, М.В. Горелик // Химия и технология промежуточных продуктов и красителей.- Л.: Химия, 1980.- С. 405-444. 3. О.Я. Нейланд // Органическая химия.-М.: Высшая школа, 1990.- С.421-428. 4. Ю.С. Шабаров // Органическая химия.- М.: Химия, 1994.- Т. 2.- С. 732-752.

36

Тема 10.

НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ В АРОМАТИЧЕСКОМ ЯДРЕ

( к работам «β-Нафтол», «2,4-Динитрофенилгидразин»)

Программа Механизм SN2Ar и его общие закономерности. Механизм присоединенияэлиминироавния (SN2АЕ) и элиминирования-присоединения (SN2ЕА). Дегидробензол: электронное строение, доказательства образования, включая перехват с помощью ловушек. Механизм SN1Ar. Нуклеофильное замещение гидрид-иона. Реакция Чичибабина. Акцепторы гидрид-иона.

Методические указания Реакции этого типа могут быть представлены следующей общей схемой: Ar-X + Nu → Ar-Nu + X Чаще всего замене подвергаются такие группы как Hal, SO3H, SO2Me, NO2 или +

диазониевая группа -N≡N , отщепляющаяся в виде молекулы азота. Наиболее активными и распространенными нуклеофилами, как и в реакциях алифатических субстратов, являются ОН , AlkO , RNH2, RNHNH2, NH2 , OH , RS и т.п.

Различают три основных механизма нуклеофильного замещения в ароматическом ряду. Первые два в обобщенном виде обозначаются как SN2Ar, где приставка Ar отражает их специфику по сравнению с реакциями SN2 у насыщенного атома углерода. В свою очередь оба этих бимолекулярных механизма также имеют принципиальные отличия друг от друга. Один из них представляет собой процесс присоединения – элиминирования (SN2АЕ), тогда как другой – элиминирования – присоединения (SN2ЕА). Третий механизм относится к процессам мономолекулярного замещения и обозначается как SN1Ar.

37 Существует также ряд других, менее распространенных механизмов, сведения о которых можно почерпнуть из цитированной ниже литературы. Механизм

присоединения–элиминирования

(SN2АЕ).

Это

наиболее

распространенный механизм и тип реакций. Главное условие его реализации - наличие в молекуле активирующих групп-электроноакцепторов, таких как NO2, NO, SO2Me, CN и т.п. На первой стадии происходит присоединение нуклеофила к субстрату 1 с образованием анионного σ-комплекса 2. Имеются многочисленные примеры фиксации σкомплексов с помощью физических методов, главным образом ЯМР и УФ спектроскопии, в отдельных случаях их удалось выделить в кристаллическом состоянии и детально исследовать. На второй стадии от σ-комплекса отщепляется уходящая группа X с парой электронов, в результате чего образуется продукт замещения 3. Поскольку первая стадия связана с разрушением стабильной ароматической системы, а вторая представляет собой энергетически выгодный процесс ароматизации, именно первая стадия определяет скорость всей реакции (k2>>k1). Реакция имеет второй суммарный порядок (первый по каждому реагенту) и скорость ее отвечает уравнению: v=k[ArX][Nu ]. X

Nu

X + Nu

-

k1

X

Nu

Nu

X

-

-

k2

-

NO2

NO2

NO2

NO2

1

2a

2б

2в

X

Nu

Nu k2

+ - N O O 2г

+ X NO2 3

-

38 Роль группы-активатора в субстрате двояка. С одной стороны, она увеличивает частичный положительный заряд на кольцевом атоме углерода, у которого происходит замещение, с другой – она стабилизирует σ-комплекс за счет дополнительной делокализации отрицательного заряда, привносимого нуклеофилом (вклад резонансных структур типа 2г весьма значителен). Действие групп-активаторов особенно ощутимо, когда они расположены в орто- и пара-положениях к реакционному центру. При наличии нескольких таких групп скорость нуклеофильного замещения сильно возрастает. Например, подвижность хлора в 2,4,6-тринитрохлорбензоле (пикрилхлориде) настолько велика, что он быстро превращается в пикриновую кислоту при не слишком осторожном хранении, т.е. реагирует с влагой воздуха. Относительная подвижность галогенов в SN2-реакциях в алифатическом и ароматическом рядах резко различна. При замещении у насыщенного атома углерода галоген отрывается на скорость-определяющей стадии, поэтому легкость его отрыва определяется прочностью связи С-Hal: I>Br>Cl>F. В АЕ-реакциях в ароматическом ряду элиминирование происходит на второй, более быстрой стадии. Здесь прочность связи СHal уже не имеет решающего значения, и все определяется влиянием галогена на стадию присоединения нуклеофила. Есть три главных параметра, облегчающих эту стадию: увеличение положительного заряда на атоме, у которого протекает замещение, степень стабилизации σ-комплекса и стерический фактор (относительный размер входящей и уходящей групп). Ясно, что с этой точки зрения больше всего реакции должен благоприятствовать небольшой по размерам и наиболее электроотрицательный атом фтора. И действительно, относительные скорости замещения галогена при действии на 4нитрогалогенбензолы метоксид-аниона при 50 оС равны F (312) >> Cl (1) > Br (0.74) > I (0.36). Та же последовательность характерна для других подобных реакций. Механизм элиминирования-присоединения (SN2EA). Этот механизм реализуется в тех случаях, когда субстрат не содержит активирующих групп. Кроме того, нуклеофил

39 должен быть сильным основанием. Чаще всего в качестве его выступает амид-ион, NH2

-

(pKa = 34) или металлорганические соединения. Например, хлор в хлорбензоле не обменивается на аминогруппу даже при длительном нагревании с аммиаком при температуре выше 200 оС. Однако при действии амида калия в жидком аммиаке такой обмен имеет место, хотя температура смеси не превышает –33 оС (температура кипения аммиака). Реакция имеет первый порядок по хлорбензолу и амид-иону и состоит из двух стадий, первая из которых в свою очередь включает две подстадии. Вначале амид-ион отщепляет один из орто-протонов, в результате чего образуется карбанион 4 (очевидно из-за близости галогена орто-связи С-Н более кислые, чем мета- и пара). Затем происходит элиминирование аниона Cl и образуется нейтральная частица С6Н4 – бензол

без двух атомов водорода. Она называется дегидробензолом или бензином (benzyne). Формально дегидробензол можно представить в виде биполярной структуры 5а. Однако фактически между свободными валентностями соседних орто-положений образуется нечто напоминающее ацетиленовую связь (структура 5б). Так как тройная связь внутри шестичленного цикла крайне напряжена, дегидробензол – очень неустойчив (его удалось заморозить и исследовать физическими методами лишь в аргоновой матрице при 8 оК). Поэтому он быстро присоединяет молекулу аммиака, в результате чего и образуется анилин. Вследствие симметричности тройной связи амид-ион с равной вероятностью присоединяется к любому из двух атомов углерода. Это было продемонстрировано на хлорбензоле, содержащем в положении 1 метку в виде углерода

14

С (обозначен на схеме

жирной точкой): в соотношении 1:1 были получены оба возможных анилина 6а и 6б, что и стало убедительным подтверждением правильности данного механизма. Из сказанного становится очевидным, что лимитирующей стадией при нуклеофильном замещении по механизму ЕА является стадия образования дегидробензола. А поскольку в ней участвуют субстрат и нуклеофил, реакция имеет второй суммарный порядок.

40

.

.

.

Cl

Cl H + KNH2

1)

- NH3

-

+ NH3

-

(медленно)

- Cl4

.

5б

5a

.

.

NH2

2)

.

+

+ NH3

NH2

+

5б

(быстро) 6б

6a

Замещение может протекать и по смешанному механизму. Например, на том же меченом хлорбензоле было показано, что при его нагревании с водным NaOH при 340 оС, 1-14С- и 2-14С-фенолы образуются в соотношении 58 и 42 %, соответственно. Из этого следует, что удельный вес механизмов ЕА и АЕ составляет 84 и 16 %. Большинство производных дегидробензола (вместе с другими дегидроаренами их обобщенно называют аринами, соответственно ЕА-механизм иногда называют ариновым) имеют несимметричную ацетиленовую связь. Поэтому присоединение к ней нуклеофила приводит к различным продуктам, один из которых является перегруппировочным. Их соотношение может варьироваться в широких пределах в зависимости от электронной природы заместителя, например:

Me

Me

Me NaOH - H2O

+

340 oC Cl

OH OH 50 %

50 % OMe

OMe Cl

NaNH2 жидк. NH3

(единственный продукт) NH2

41 Влияние галогена в субстрате на легкость его замещения по ЕА-механизму носит сложный и неоднозначный характер. Так, при действии на галогенбензолы

KNH2 в

жидком аммиаке скорость реакции изменяется в ряду: Br>I>Cl>>F. В то же время, при действии металлорганических реагентов в апротонной среде эта последовательность почти полностью обращается F>Cl>Br>I. Очевидно в последнем случае лимитирующей является стадия депротонирования субстрата, поскольку его СН-кислотность будет тем выше, чем больше электроотрицательность галогена. Что касается первого случая, то относительная активность галогенов здесь отражает компромисс двух факторов: прочность связи С-Hal и –I-эффекта галогена. Механизм SN1Ar. Этот механизм достоверно установлен лишь для реакции гидролиза солей арилдиазония, приводящей к образованию фенолов. Тем не менее, ввиду важности его алифатического аналога, ему придается фундаментальное значение и в ароматическом ряду. Процесс состоит из двух стадий: стадии генерирования арильного карбокатиона в результате относительно медленного гетеролиза связи Ar-N2+ и стадии последующего быстрого взаимодействия карбокатиона с водой. Ar-N2+

Ar + + N2

H2O

+ Ar-OH + H

Очевидно, концентрация нуклеофила никак не влияет на скорость всей реакции, которая поэтому описывается уравнением v = k[Ar-N2+]. Несомненно, основной причиной такого развития событий является стабильность молекулы азота, отщепляющейся на первой стадии. С другой стороны, причины, по которым этот механизм не реализуется в случае других ароматических субстратов, например, арилгалогенидов, заключаются в недостаточной устойчивости арильных карбокатионов (их свободная орбиталь относится к σ-типу и не стабилизируется сопряжением) и прочности связи Ar-X вследствие сопряжения заместителя X с кольцевой π-системой.

42 Нуклеофильное замещение гидрид-иона. В отличие от реакций электрофильного замещения, где обычно вытесняется атом водорода, нуклеофильное замещение водорода протекает более трудно и специфично. Это обусловлено тем, что протон является хорошей уходящей группой, тогда как гидрид-ион, будучи сильным основанием (pKa 32), - одна из самых плохих уходящих групп. Тем не менее, известно немало реакций данного типа. Некоторые из них имеют важное синтетическое значение. Как

и

в

присутствующие

случае в

других

субстрате

групп,

замещению

электроноакцепторные

гидрид-иона

способствуют

заместители.

Особенно

распространены такие реакции в азаароматических гетероциклах, например, пиридине 7, хинолине 9, пиримидине 10 или 1,3,5-триазине 11. Дело в том, что двоесвязанный внутрициклический атом азота (его называют также пиридиновым гетероатомом или просто азагруппой) является хорошим электроноакцептором, по силе сопоставимым с группой NO2. Однако в отличие от последней он не так подвержен стерическим эффектам, разнообразным процессам гидрирования и, что особенно важно, при протонировании может легко и обратимо давать катион. Например, катион пиридиния 8, способен реагировать с нуклеофилами на несколько порядков быстрее нейтральной молекулы.

+ H

N

N

+ N

7

H 8

N 9

N

N

N

N

10

11

Так, нитробензол при действии амида натрия образует сложную смесь смол и продуктов восстановления нитрогруппы. Содержание в ней о- и п-нитроанилинов – желаемых продуктов нуклеофильного замещения – незначительно. В то же время, пиридин при нагревании с амидом натрия с выходом более 70 % дает 2-аминопиридин 12. Эта реакция, открытая А.Е. Чичибабиным, - классический пример эффективного нуклеофильного замещения гидрид-иона.

43

+ Na NH2 толуол, 110 оС

N

N

NH2

Почти все реакции, где замещается гидрид-ион, начинаются с образования σкомплекса и в этом отношении они мало чем отличаются от других реакций SN2AE. Их главная

специфика

приходится

на

заключительную

стадию,

где

происходит

элиминирование гидрид-иона. Различают три разновидности этого процесса: 1) термическое отщепление, 2) окислительное и 3) автоароматизацию. Термическое (самопроизвольное) элиминирование требует высокой температуры и встречается главным образом у аддуктов ароматических субстратов с металлорганическими соединениями. Последнее вполне вероятно, поскольку нуклеофил в этом случае должен быть еще более сильным основанием, чем гидрид ион. Например, аддукты пиридина с литийалкилами при длительном нагревании в апротонной среде отщепляют гидрид лития и превращаются в 2-алкилпиридины. По-видимому, аналогичным образом бензол с выходом 15 % превращается в трет-бутилбензол при нагревании в трет-бутиллитием:

∆

R-Li N

_ + Li+H

H N

N

R

R

Li

tert-C4H9Li

t-C4H9

t-C4H9

H -

Li+

165 o 20 ч

_ + Li+H

Значительно более широкий круг нуклеофилов можно использовать, если в реакционной смеси присутствуют различные акцепторы гидрид-иона. Ими могут быть специально добавляемые окислители: KMnO4, K3Fe(CN)6, хиноны, кислород и т.п. Как правило, реакция в этом случае протекает в мягких условиях и с хорошим выходом. Так, при действии на нитробензол едкого кали и воды в жидком аммиаке с последующим

44 пропусканием кислорода образуется смесь орто- и пара-нитрофенолов в соотношении 3:1 и с суммарным выходом 66 %. NO2

NO2 KOH ж. NH3, -33 oC

-

NO2 H OH

H

NO2 OH

O2

-

+

NO2 +

OH

OH

Другой пример – окислительное аминирование пиримидинов амидом калия в жидком аммиаке в присутствии перманганата калия. Последний метод аминирования электронодефицитных гетероциклов получил в последние годы особенно широкое применение. R

N N

KNH2 ж. NH3, -33 oC

R

N

H N -

NH2

KMnO4

R

N N

NH2

R = H, Ph, Br Акцепторами гидрид-иона могут быть и вспомогательные группы, специально вводимые в субстрат или привносимые реагентом. Например, давно известна реакция аминирования нитроаренов гидроксиламином. Она протекает в присутствии щелочи, которая, по-видимому, способствует превращению гидроксиламина в более активный нуклеофил HONH . Полагают, что при ароматизации σ-комплекса 13 в соответствии с

приведенной ниже схемой отщепляется молекула воды. При этом, хотя формально в конечном итоге замещается гидрид-ион, более вероятно, что отщепляющимися частицами фактически являются протон и анион ОН .

45

NO2

NH -

NHOH NO2

H NH2OH OH -

NH2 NO2

H2O - H2O

NO2

NO2-

NO2

NO2

13 Сходная ситуация имеет место и в случае реакции Чичибабина. В анионном σкомплексе 14 акцептором гидрид иона становится аминогруппа, обладающая слабой, но все же достаточной для взаимодействия с гидрид ионом NH-кислотностью. В результате происходит весьма редкое для органических реакций явление – выделение молекулярного водорода. Непосредственным продуктом аминирования является натриевая соль амина 15, которая после разложения водой через неустойчивый имино-таутомер 16 превращается в амин 12.

7

H

NaNH2

N N H Na+

H

- H2

14

N Na+ 15

NH

H2O

N H 16

NH

N

NH2

12

Чрезвычайно легко вступают в реакции нуклеофильного замещения водорода соли N-метоксипиридиния 17. Их можно легко получить метилированием доступного пиридинN-оксида. При действии на них самых разнообразных нуклеофилов образуется аддукт типа 18, который моментально ароматизуется с отщеплением молекулы метанола. Трудно сказать отщепляется ли здесь водород в виде протона или гидрид-иона, но в любом случае процесс формально представляет собой замещение иона Н . Известно много других

разновидностей данной реакции.

46

+ N

СH3X

O-

+ N OMe

Nu X-

Nu N

H

N

Nu

OMe 18

17

+ CH3OH

Nu = OH, OR, NH2, NR2, NHNH2, CN и др.

Рекомендуемая литература 1. Дж. Марч. // Органическая химия.- М.: Мир, 1987,.- Т. 3.- С. 5-53. 2. Дж. Робертс, М. Кассерио // Основы органической химии.- М.: Мир, 1978.- Т. 2.- С. 244-254. 3. Ф. Кери, Р. Сандберг // Углубленный курс органической химии.- М.: Мир, 1981.- Кн. 2.- С. 241-251. 4. А.Ф. Пожарский, А.М. Симонов // Аминирование гетероциклов по Чичибабину.Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ, 1971. 5. А.Ф. Пожарский, А.М. Симонов, В.Н. Доронькин // Успехи химии.- 1978.- Т. 47.- № 11.- С. 1933-1969. 6. А.Ф. Пожарский // Теоретические основы химии гетероциклов.- М.: Химия, 1985.- C. 7. O.N. Chupakhin, V.N. Charushin, H.C. van der Plas // Nucleophilic Aromatic Substitution of Hydrogen.- San-Diego: Academic Press, 1994. 8. Х. Ван дер Плас // Химия гетероцикл. соедин.- 1987.- № 8.- C. 1011-1027. 9. A.R. Katritzky, A.F. Pozharskii // Handbook of Heretocyclic Chemistry, 2nd edition.Pergamon, 2000.