Методические указания к практикуму по органической химии. Часть первая

Министерство образования Российской Федерации Ростовский государственный университет Химический факультет Кафедра органической химии _______________________________________________________

А.Ф. Пожарский, А.В. Гулевская

Методические указания к практикуму по органической химии часть первая (издание 2-е)

Ростов-на-Дону, 2001

2 Печатается по решению кафедры органической химии Ростовского государственного 5.09.2001 г.

университета,

протокол

№

2-2001/2002

от

3 Содержание Введение (общие принципы построения практикума и его задачи) ………..

4

Тема 1. Реакции ацилирования органических соединений ………………….

6

Тема 2. Нуклеофильное замещение при насыщенном атоме углерода ……..

10

Тема 3. Реакции карбонильных соединений ………………………………….

18

Тема 4. Реакции металлорганических соединений …………………………...

25

Тема 5. Реакции окисления и восстановления в органической химии ………

30

Тема 6. Реакции циклоприсоединения …………………………………………

34

Приложение 1. Электронные эффекты и механизмы реакций (общие положения и терминология) …………………………

43

Приложение 2. План практикума по органической химии (1 семестр) …….

52

Приложение 3. Форма ведения лабораторного журнала …………………….

54

Приложение 4. Требования к студентам в практикуме по органической химии ………………………………………

56

4 ВВЕДЕНИЕ (общие принципы построения практикума и его задачи) Задачей практикума является обучение студентов грамотному ведению экспериментальной работы, овладение техникой выполнения операций по выделению и очистке органических соединений, а также углубление теоретических знаний по общим разделам курса. Поэтому в его программу (приложение 2) включены не только практические работы по синтезу органических соединений, но и соответствующие им семинарские занятия с обязательным выполнением домашних упражнений по данной теме (“Методические указания к практикуму по органической химии. Часть 3. Упражнения”). Темы синтезов и теоретический материал к ним систематизированы как по типам реакций, так и по важным в синтетическом отношении классам веществ. Вводное занятие включает: - ознакомление с содержанием практикума, методикой его проведения, литературой по синтезу органических веществ и справочниками, правилами ведения лабораторного журнала (приложение 3); - организацию работы в лаборатории (распределение рабочих мест, знакомство с устройством лаборатории, перечнем личных предметов, которые должен иметь каждый студент (халат, резиновые перчатки, защитные очки, полотенце, тряпки), приемами мытья, сушки и хранения лабораторной посуды; - изложение требований, предъявляемых к студентам, проходящим практикум (приложение 4); - изучение правил техники безопасности (сдача зачета по ним проводится не позже, чем на следующем занятии в виде беседы преподавателя с вопросами к студентам). Последующие занятия в практикуме условно делятся на два этапа: первый – “ознакомительный”, включающий 5-6 занятий и “основной”. На первом этапе особое внимание уделяется формированию правильного и серьезного отношения к экспериментальной работе: точное выполнение всех приведенных в методике операций, строгое соблюдение правил техники безопасности. Преподаватель тщательно контролирует сборку приборов и анализирует общие ошибки. Первый этап практикума включает знакомство с лабораторной посудой и оборудованием, правилами сборки установок. В домашние задания на этом этапе, наряду с темами синтезов и упражнениями по ним, включается проработка правил проведения следующих операций: 1) нагревание и нагревательные приборы (электрические печи, воронки с обогревом, бани); 2) очистка веществ перекристаллизацией из воды и органических растворителей, сушка веществ, определение температуры плавления; 3) перегонка при атмосферном давлении; 4) экстракция, правила отгонки горючих жидкостей; 5) перегонка с паром; 6) отгонка

5 растворителя и перегонка высококипящих жидкостей под уменьшенным давлением. Синтезы проводятся фронтально, что облегчает анализ и устранение допущенных экспериментальных ошибок. Работы проводятся по руководству “Практикум по органической химии” А.М. Симонова и др. (изд-во РГУ, 1971г., 1983 г.), поскольку именно в нем наиболее полно освещены правила сборки приборов и проведения важнейших операций. На втором этапе практикума главное внимание уделяется расширению навыков синтетической работы и дальнейшему усвоению фундаментальных основ органической химии. Трехстадийный синтез является заключительным этапом практикума. Для его выполнения студенту дается более краткая, чем в учебных пособиях рецептура, взятая из оригинальной литературы. Темы синтезов утверждены кафедрой, а прописи по ним проверены кем-либо из сотрудников. Отчет по трехстадийному синтезу оформляется в отдельной тетради, рассматривается как курсовая работа и студент отвечает на теоретические и практические вопросы. Систематический контроль готовности студентов к выполнению синтеза, а также качества проработки теоретического материала, кафедра считает одним из важнейших условий успешного обучения студентов. Контроль осуществляется по четырем каналам: - своевременная проверка оформления лабораторных журналов (студенту разрешается начать выполнение работы лишь при наличии соответствующих записей в журнале, схемы прибора, таблицы расчета и плана синтеза); - выборочные опросы по синтетической части работы и теоретическому материалу; - обязательное решение минимума задач по каждой теме; - оценка практической работы студента, которая складывается из трех параметров: качества полученного вещества, выхода, оформления журнала. Особое внимание уделяется проведению эксперимента, записи личных наблюдений и характеристике полученных веществ. Для получения зачета по практикуму необходимо: - выполнить намеченную программу синтезов и оформить отчеты по ним; - выполнить контрольный трехстадийный синтез и сдать по нему отчет; - решить задачи по всем темам. Общий практикум по органической химии рассчитан на два семестра. Настоящее методическое пособие соответствует программе первого семестра и содержит программы и теоретический материал к семинарским занятиям. Новое издание “Методических указаний” существенно отличается от предыдущего. Введены две новые темы: “Реакции окисления и восстановления в органической химии” и ”Реакции циклоприсоединения”, которые могут быть рассмотрены студентами самостоятельно или на дополнительных семинарских занятиях. Материал к другим темам полностью переработан.

6 Тема 1. РЕАКЦИИ АЦИЛИРОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ (к синтезам “Ацетанилид” и ”Бензойноэтиловый эфир”) Программа Ацилирование. Номенклатура типичных ацилов – остатков жирных и ароматических карбоновых кислот, а также сульфокислот. Типы ацилирующих агентов и сравнение их эффективности: галогенангидриды, ангидриды, сложные эфиры, амиды кислот и сами кислоты. Ацилирование аминов, спиртов, фенолов, карбоновых кислот, меркаптосоединений (тиоспиртов, тиофенолов). Механизм реакции ацилирования. Ацил в качестве защитной группы. Методы элиминирования ацильной защиты: кислотный и щелочной гидролиз. Действие гидразина. Механизм этих реакций. Этерификация карбоновых кислот спиртами. Механизм реакции, катализаторы этерификации. Способы нарушения равновесной системы. Влияние полярных и пространственных факторов на этерификацию. Кислотный

и щелочной гидролиз

сложных эфиров. Аммонолиз сложных эфиров. Методические указания Ацилированием называется введение в органические соединения (обычно вместо атома водорода) остатков органических кислот – ацилов. Вот некоторые из простейших ацилов и их названия: O

O

H C

CH3

формил

C

ацетил

O ClCH2

C

O CH3-CH2

хлорацетил

C

пропионил

O C6H5

C

бензоил

В более широком смысле слова ацилированием называют также введение остатков и других кислородсодержащих кислот, например, сульфокислот, получаемых путем отнятия группы ОН от кислоты: С6H5SO2

- бензолсульфонил (остаток сульфокислоты)

p-CH3C6H4SO2

-

п-толуолсульфонил или иначе тозил (остаток п-толуолсульфокислоты)

CH3SO2

- метилсульфонил или иначе мезил (остаток метансульфокислоты). Ацилирующими агентами чаще всего служат галогенангидриды (обычно

хлорангидриды) или ангидриды кислот, например:

7 O CH3-CH2-CH2 C

(CF3CO)2O

C6H5SO2Cl Cl

бутирилхлорид

бензолсульфохлорид

трифторуксусный ангидрид

Возможно применение смешанных ангидридов. Так, для формилирования нередко используют смешанный ангидрид муравьиной и уксусной кислот, поскольку галогенангидриды и ангидрид муравьиной кислоты неустойчивы. В качестве ацилирующих агентов иногда используют сами карбоновые кислоты, а также их эфиры и амиды. В целом, по ацилирующей способности указанные агенты можно расположить в такой ряд: O

O

>

R C Cl

R C

O

O

O

> R C

>

R C

O

>

R C NH2

OH

OR'

R C O

Чаще всего ацилированию подвергают соединения с подвижным водородом амины, спирты, фенолы, тиоспирты и тиофенолы, например: →

н-C3H7NH2 + (CH3CO)2O н-C3H7OH + CH3COCl

н-C3H7NHCOCH3 + CH3COOH →

C6H5SH + CH3COCl

н-C3H7OCOCH3 + HCl

→ C6H5SCOCH3 + HCl

Если в реакции ацилирования выделяется сильная кислота (например, НСl), то ее целесообразно связать, прибавляя в реакционную смесь такие основания как сода, поташ, триэтиламин или пиридин. Механизм реакции представляет собой присоединение нуклеофила (амин, спирт, тиоспирт) к карбонильной группе ацилирующего агента с последующим элиминированием из продукта присоединения протона и так называемой уходящей группы, находящейся в исходном ацилирующем средстве:

CH3

δ+

δO

+ CH3NH2

C

O

O

Cl

CH3 C NH2 CH3 Cl

O CH3 C NH2

-H

CH3

C NH CH3 Cl

уходящая группа

-Cl

8 Отсюда следует, что легкость ацилирования определяется (при одинаковых внешних

условиях)

карбонильном

тремя

атоме

нуклеофильностью

факторами:

углерода,

соединения,

величиной

легкостью которое

положительного

отщепления ацилируют

уходящей

(т.е.

заряда

на

группы

и

доступностью

его

неподеленной электронной пары). Сочетанием двух первых факторов и определяется ряд активности ацилирующих средств, который был приведен выше. Так, аминогруппа менее электроотрицательна, чем хлор или оксигруппа, поэтому она не создает на карбонильном атоме углерода в амидах кислот достаточно большого положительного заряда, напротив, она этот заряд даже несколько уменьшает за счет более сильного по сравнению с хлором и оксигруппой смещения неподеленной пары электронов азота к карбонильному углероду: O

O + R'XH

R C NH2

R C NH2

X R' H

1

С другой стороны в промежуточном продукте присоединения типа (1) −

−

отщепление аминогруппы протекает значительно труднее, чем аниона Сl или OH ,

так как NH2− более нуклеофилен. Таким образом, все эти факторы не способствуют проявлению амидами кислот высокой ацилирующей способности, но благоприятствуют ей в случае хлорангидридов и ангидридов. В качестве ацилирующих средств нередко используют внутренние ангидриды таких дикарбоновых кислот, как янтарная или фталевая. O

O O O фталевый ангидрид

+

CH3NH2

N CH3 O N-метилфталимид

Ацилирование широко применяется в органической химии для защиты легко окисляющихся или просто активных функциональных групп. Так, анилин удобно нитровать в виде ацетанилида, поскольку сам анилин при действии азотной кислоты легко окисляется, а при его протонировании увеличивается процент мета-замещения. Для удаления ацильной защиты обычно используют кислотный или щелочной гидролиз

9 или действие гидразина. Следует обратить внимание на механизм этих превращений, которые,

как

и

ацилирование,

представляют

собой

процесс нуклеофильного

присоединения – элиминирования у карбонильного кислорода: кислотный гидролиз

H O H

O CH3

O

CH3

+ H

C

H

C

CH3COOH + C6H5NH3

NHC6H5

NHC6H5 щелочной гидролиз O

O CH3

CH3

+ OH

C NHC6H5

O

O NC6H5

+

CH2

CH3COO + C6H5NH2

OH

NHC6H5

действие гидразина CH2

C

NH2

CH2

NH

NH2

CH2

NH

O

+

C6H5NH2

O

Как реакцию ацилирования можно рассматривать и этерификацию карбоновых кислот спиртами. Известные эксперименты с соединениями, меченными кислородом О18 показали, что в ходе этой реакции гидроксил отщепляется от кислоты и, таким образом, ацилированию подвергается спирт. Важно знать роль катализатора – серной кислоты в данном превращении, обратить внимание на равновесный характер реакции этерификации

и

на

то,

каким

образом

эфиры

можно

получать

действием

алкилгалогенидов на металлические соли карбоновых кислот или ацилированием спиртов. O

O + R'OH

R C

+ H2 O

R C OR'

OH

O

O R C

+ R'I

OR'

O Na

O

O + R'OH

R C Cl

+ NaI

R C

+ HCl

R C OR'

10 Тема 2. НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ ПРИ НАСЫЩЕННОМ АТОМЕ УГЛЕРОДА (к синтезам “Бромистый этил”, “Йодистый метил”, ”Нитрометан”) Программа Понятие

о

реакциях

нуклеофильного

замещения.

Механизмы

мономолекулярного и бимолекулярного замещения. Факторы, оказывающие влияние на протекание реакций нуклеофильного замещения: строение субстрата, природа реагента, полярность растворителя, катализаторы. Методические указания К реакциям нуклеофильного замещения в насыщенном ряду относятся превращения, в ходе которых атакующая частица с неподеленной парой электронов (нуклеофил) замещает в молекуле субстрата группу Х (уходящая группа), связанную с sp3-гибридизованным атомом углерода; при этом электронная пара, принадлежащая связи С-Х остается у уходящей группы, а новая связь С-Nu образуется за счет электронной пары нуклеофила: R-X + Nu: → R-Nu + X: Легкость реакций нуклеофильного замещения определяется целым рядом структурных и внешних факторов. Из структурных факторов реакции благоприятствует значительная полярность связи С-Х в субстрате, обуславливающая возникновение на атоме углерода значительного положительного заряда. Не меньшее значение имеет поляризуемость той же связи, а также стабильность уходящей группы. Чем выше последняя, тем легче протекает ее замещение (существует выражение: “хорошая уходящая группа”). Например, спирты не реагируют с бромидом калия с образованием −

бромистых алкилов, поскольку ион ОН

- плохая (богатая энергией) уходящая группа.

В присутствии же кислот, протонирующих спиртовый гидроксил, реакция проходит очень легко, так как в этом случае уходящей группой является нейтральная и устойчивая молекула воды: H R OH + H

R O H

Br

R Br + H2O

Есть общее правило, которое легко запомнить: сильные основания обычно являются плохими уходящими группами (например, Н− или СН3−), слабые основания –

11 хорошими. Так, по легкости замещения некоторые из распространенных уходящих групп могут быть расположены в ряд: CH3SO3− > I− > Br− > H2O > (CH3)2S > Cl− > F− > OH−

>> H−

Влияние поляризуемости связи R-X в субстрате лучше всего иллюстрируется высокой подвижностью связи C-I в алкилйодидах и чрезвычайно низкой активностью связи C-F в алкилфторидах. Несмотря на то, что связь С-F несравненно сильнее поляризована, электроны связи С-I более подвижны, лабильны и легче смещаются в сторону йода под действием электрического поля приближающегося нуклеофила. Огромное влияние на легкость реакций нуклеофильного замещения оказывает нуклеофильность реагента. Последняя определяется

как способность нуклеофила

отдавать свою электронную пару другим атомам. Нуклеофильность следует отличать от основности – способности отдавать электронную пару протону. Известно немало случаев, когда более слабое основание (например, CH3S− < CH3O−) является вместе с тем более сильным нуклеофилом (CH3S− > CH3O−). Чаще всего такие отклонения характерны для нуклеофилов с большим ковалентным радиусом, т.е. хорошо поляризуемых. Другая причина отсутствия корреляции между нуклеофильностью и основностью [(CH3)2CH]2N−

–

стерические

факторы.

Например,

диизопропиламид-анион

- более сильное основание, чем амид-ион NH2−. В то же время, в

отличие от последнего, он практически полностью лишен нуклеофильных свойств (например, способности замещать галоген в связях С-Х или присоединяться к карбонильной

группе)

из-за

сильного

экранирования

атома

азота

двумя

изопропильными группами. Нуклеофильность нельзя рассматривать отдельно от природы растворителя, в котором проводится реакция. В протонодонорных средах (вода, спирты, уксусная кислота и т.п.) анионы сильно сольватированы, что сильно уменьшает их нуклеофильность. При этом в большей степени сольватированы маленькие анионы с точечным или менее диффузным зарядом (H−, F−, OH−). Например, анионы с большим радиусом легче сбрасывают сольватную оболочку и в результате характеризуются повышенной нуклеофильностью, например, в ряду галогенид-ионов она уменьшается в ряду: I− > Br− > Cl− > F−

12 В

апротонных

диполярных

растворителях

(ацетон,

диметилформамид,

диметилсульфоксид и т.п.) картина меняется на обратную, и более нуклеофильным оказывается анион меньшего размера и с большей плотностью заряда: F− > Cl− > Br− > I− Эти анионы в таких растворителях практически несольватированы, и в то же время они отделены от противоиона (обычно катиона щелочного металла), поскольку последний сам оказывается сольватированным в результате ион-дипольного взаимодействия с молекулой растворителя: δ−

δ+

Na ..... O C

CH3

δ−

δ+

K ..... O C

N(CH3)2

Li ..... O S

CH3

H

CH3

CH3

Реакциям нуклеофильного замещения часто благоприятствуют катализаторы, в качестве которых обычно применяются кислоты Льюиса. Все они так или иначе содействуют отщеплению уходящей группы. Выше уже говорилось о каталитической роли серной кислоты при замене спиртового гидроксила на галоген. Помимо протонов, такие кислоты Льюиса, как AlCl3, ZnCl2, BF3, HgCl2, катионы Ag+ и Сu+, координируясь с галогеном в алкилгалогенидах, способствуют его более легкому элиминированию: δ+

+ ZnCl2

R Cl

δ−

R.......Cl........ZnCl 2

Роль катализатора, как и растворителя, проявляется и в связи с более тонкими особенностями

механизма

реакции.

Различают

нуклеофильного замещения: мономолекулярный

два

основных

SN1 и бимолекулярный

механизма SN2. При

мономолекулярном замещении процесс протекает в две стадии. На первой, более медленной, происходит диссоциация связи С-Х в молекуле субстрата, в результате чего образуется карбокатион и анион уходящей группы. На второй, быстрой стадии карбокатион соединяется с нуклеофилом с образованием конечного продукта замещения:

R

R X R

+

Nu

+

X

(медленно)

R Nu (быстро)

Поскольку на скорость-определяющей

(лимитирующей) стадии в реакции

занята только одна молекула субстрата, скорость всего процесса зависит лишь от концентрации субстрата и отвечает кинетическому уравнению первого порядка: v = k [RX]

13 В отличие от этого при бимолекулярном

замещении реакция идет в одну

стадию: нуклеофил атакует углеродный атом субстрата с тыла, со стороны, противоположной той, где находится уходящая группа. Процесс образования новой связи и разрыв старой происходит синхронно, через рыхлое переходное состояние, в котором углеродный атом из состояния sp3 переходит в уплощенное состояние, близкое к sp2-гибридизации: R1 R2

C

X

R1

δ−

+ Nu

Nu

C

R1

δ−

X

Nu

R2

R3

R3 переходное состояние

C

R2

+ X

R3

Скорость всего процесса, как легко заметить, в этом случае должна зависеть от концентрации как субстрата, так и реагента, и отвечать уравнению реакции второго порядка: v = k [RX][Nu−] Cуществует три основных доказательства реализации SN1 или SN2 механизма: 1)

кинетическая зависимость скорости реакции от концентрации либо

одного субстрата (SN1-механизм), либо от концентрации и субстрата и нуклеофила (SN2-механизм); 2)

обращение или сохранение стереохимической конфигурации углеродного

атома, у которого протекает замещение. В случае SN2-реакции, как видно из приведенной выше схемы, нуклеофил занимает место, противоположное месту, где находилась уходящая группа, а остальные связи углерода как бы выворачиваются подобно зонтику при сильном ветре. Если углеродный атом в молекуле субстрата хиральный, т.е. все четыре заместителя в нем разные, продукт реакции изменяет знак вращения на обратный. Это явление, открытое латвийским ученым Вальденом в начале ХХ века, получило название вальденовского обращения. В случае SN1-механизма вальденовского обращения в чистом виде не наблюдается, так как плоский карбокатион с одинаковой вероятностью может атаковаться нуклеофилом и с одной, и с другой стороны: R1 C

Nu R2

R3

Nu

Nu

R1 + C Nu R2 R2 R3 R3 рацемическая смесь

R1 C

14 Впрочем, все же и при SN1-механизме возможно частичное обращение конфигурации. Это бывает в тех случаях, когда карбокатион образует с анионом тесную ионную пару, т.е. уходящая группа не уходит от карбокатионного центра слишком далеко, тем самым в некоторой степени мешая нуклеофилу подойти к углеродному атому со своей стороны. Кроме того, нередки случаи, когда реакция замещения протекает параллельно по обоим механизмам и это также выражается в частичном обращении стереохимической конфигурации; 3) строения

характерная

зависимость

углеводородного

радикала

реакционной R.

При

способности

реализации

субстрата

SN2-механизма

от чем

разветвленнее радикал R, тем труднее протекает реакция. Для SN1-реакций картина прямо противоположная. SN1-механизм: CH3-X > CH3CH2-X > (CH3)2CH-X > (CH3)3C-X SN2-механизм: (CH3)3C-X > (CH3)2CH-X > CH3CH2-X > CH3-X В первом случае разветвленность радикала создает трудности для подхода нуклеофила к субстрату. В случае же SN1-реакций такой проблемы нет, поскольку три заместителя при карбокатионном центре располагаются в одной плоскости и серьезных стерических препятствий для подхода нуклеофила не создают. Но главное же заключается в том, что третичные карбокатионы устойчивее вторичных, а последние, в свою очередь, устойчивее первичных – следствие делокализации положительного заряда за счет +I-эффекта алкильных групп: CH3

CH3 CH3

C

>

CH3

>

CH3

CH2

>

CH3

H

CH3

Это

C

обстоятельство

существенно

снижает

активационный

барьер

для

алкилгалогенидов изостроения и направляет для них реакцию по SN1-пути. Практически всегда реагируют по SN1-механизму метоксиметилхлорид CH3OCH2Cl и аллилгалогениды СН2=СН-СН2-Х, которые образуют резонансно-стабилизированные карбокатионы: CH3OCH2 CH2 CH CH2

CH3 O CH2 CH2 CH CH2

15 То

же

самое

относится

дифенилметилхлориду

к

трифенилметилхлориду

(бензгидрилхлориду)

и

(тритилхлориду),

бензилхлориду,

реакционная

способность которых изменяется в следующей последовательности (бензилхлорид частично реагирует и по SN2-механизму, который для него, однако, не является главным): (C6H5)3C-Cl > (C6H5)2CH-Cl > C6H5CH2-Cl >> CH3-Cl Реакции

нуклеофильного

замещения

у

насыщенного

сопровождаются рядом побочных процессов. Один из них

атома

-

углерода

элиминирование:

например, отщепление галогенводорода от алкилгалогенида или воды от спиртов. При элиминировании продуктом реакции является алкен. Различают два механизма элиминирования: E2 и Е1. Е2-Механизм реализуется как синхронный процесс, скорость которого зависит как от концентрации субстрата, так и нуклеофила: R1 Nu

H

C

R1 CH2

NuH

X

R2

R2

Особенно

легко

+

подвергаются

E2-реакциям

+

X

вторичные

и

C CH2

третичные

алкилгалогениды. Так, изопропилбромид при действии этилата натрия в этаноле дает лишь 20 % продукта замещения, пропилен же образуется с выходом 80 %. (CH3)2CH Br

+

C2H5O Na

C2H5OH

CH3 CH CH2 + (CH3)2CHOCH2CH3 20 % 80 %

Третичные алкилгалогениды в этих условиях образуют практически полностью лишь соответствующий алкен. Этому способствуют два обстоятельства. Во-первых, чисто статистически у трет-бутильного радикала в трет-бутилхлориде больше βатомов водорода (именно они атакуются нуклеофилом при Е2-реакциях), чем у изопропильного радикала, а у последнего – больше, чем у этильного (метилгалогениды вообще не могут давать олефин). Во-вторых, элиминирование в ряду третичных алкилгалогенидов приводит к более устойчивым алкенам, чем в случае вторичных и особенно первичных алкилгалогенидов (увеличение числа алкильных групп при двойной связи, как известно, делает алкен более стабильным). В свете сказанного возникает вопрос: возможны ли вообще реакции SN2 для третичных алкилгалогенидов ? Известны лишь единичные примеры, когда их взаимодействие с анионными основаниями приводит к образованию продукта замещения. Как правило, выходы при этом не бывают высокими, но реакция в

16 отдельных случаях имеет препаративное значение (если продукт трудно получить другим путем). Общей чертой таких превращений является использование апротонной среды

и

гетерогенность

тетрагидрофуране

или

условий.

Например,

пиррол-таллий

без

пиррол-натрий

растворителя

в

абсолютном

реагируют

с

трет-

бутилбромидом, давая 1-трет-бутилпиррол с выходом 15 %. Полагают, что в этих условиях реакция идет через сорбционный переходный комплекс, в котором ион металла оказывает каталитическое воздействие на гетеролиз связи С-Br. +

(CH3)3C Br

абс. ТГФ

+

N

δ− N

M

δ+ M

MBr

N

δ+

C(CH3)3

C(CH3)3

Br

δ−

M = Na , Tl

Однозначно приписать этой реакции SN2 или SN1-механизм трудно. С одной стороны, синхронность процесса явно заставляет классифицировать его как SN2. Но с другой стороны, реакция при таком развитии событий не должна сопровождаться вальденовским

обращением,

а

приводить

к

сохранению

стереохимической

конфигурации. Кроме того, процесс разрыва связи С-Br во времени может несколько опережать процесс образования новой связи С-N и в этом отношении переходное состояние реакции может ближе отвечать структуре трет-бутил-катиона, что SN1-механизму.

соответствует

К

сожаленью,

точных

кинетических

или

стереохимических сведений о подобных превращениях нет. Если Е2-реакция конкурирует с SN2, то с реакциями SN1 конкурируют реакции Е1. Две последние имеют одну и ту же лимитирующую стадию – образование карбокатиона. При Е1 элиминировании карбокатион теряет протон от β-углеродного атома, превращаясь в олефин: CH3 CH3 C CH3

CH3 Br

-Br

Nu

(CH3)3C-Nu

(SN1)

CH3 C CH3

-H

(CH3)2C=CH2

(E1)

Если протоны при β-углеродах разные, как например в 2-бромбутане, то независимо от механизма элиминирования (Е1 или Е2) действует правило Зайцева: “Водород отщепляется легче от менее гидрогенизированного атома углерода, в

17 результате чего образуется преимущественно алкен, содержащий наибольшее число алкильных групп при двойной связи”. C2H5O C2H5OH

CH3 CH CH2 CH3 Br

CH3-CH=CH-CH3 + CH2=CH-CH2-CH3 бутен-2 (81 %)

бутен-1 (19 %)

Как правило, карбокатионы дают большее количество продукта замещения, чем элиминирования (т.е. SN1 > E1). Поэтому, если целью опыта является получение из алкилгалогенида олефина, используют условия реакции Е2, т.е. берут сильное основание. Другая возможная побочная реакция, которой подвергаются карбокатионы, их изомеризация в более устойчивый катион, что проявляется в образовании аномального продукта замещения, когда нуклеофил вступает не к тому атому, от которого отщепилась уходящая группа: R2 R3

H

X CH C R1

-X

R2

CH C R1 R3 H

H

изомеризация

R2 C C R1 R3

Nu

H

Nu H R2 C

C

R3

H

R1

Следует отметить, что замещение галогена в трет-алкилгалогенидах по механизму SN1 практически возможно лишь в высокоионизирующих (обычно кислых) средах. В них сводятся к минимуму возможность Е2-элиминирования и одновременно создаются

подходящие условия для ионной диссоциации связи углерод-галоген.

Такими средами, в частности, являются жидкие фтористый водород, диоксид серы или почти безводная муравьиная кислота. Нуклеофилом в этих случаях служит присутствующая в них в следовых количествах вода: (CH3)3C-Br

HCOOH

(CH3)3C

+ Br

H2O

(CH3)3C-OH + HBr

Эти реакции не имеют серьезного препаративного значения используются

лишь

для

изучения

механизма

нуклеофильного

и обычно замещения.

Препаративное значение имеет обратный процесс, также идущий по SN1-механизму, − замена спиртового гидроксила в третичных спиртах на галоген, который, кстати, также протекает в сильнокислых условиях.

18 Тема 3. РЕАКЦИИ КАРБОНИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ (к синтезу “Коричная кислота”) Программа Типы карбонильных соединений: альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, их эфиры, амиды, ангидриды, галогенангидриды. Поляризация и реакционная способность карбонильной группы. Реакции карбонильных соединений, протекающие по типу ”присоединения”

и

“присоединения-отщепления”.

Реакции

конденсации,

обусловленные особыми свойствами α-метиленового звена карбонилсодержащих соединений: альдольная, сложноэфирная (по Кляйзену), реакция Перкина, Кневенагеля, Дикмана. Кислотный и основной катализ. Методические указания Карбонильная группа – одна из важнейших функциональных групп в органической

химии. Это объясняется целой совокупностью факторов. Во-первых,

карбонильную группу содержит множество самых распространенных соединений различного типа: альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, их сложные галогенангидриды,

амиды,

ангидриды

и

др.

Во-вторых,

эфиры,

карбонилсодержащие

соединения отличаются таким многообразием синтетически важных реакций, которому не может составить конкуренцию ни один другой класс органических веществ; при этом надо подчеркнуть, что многие из этих реакций широко распространены в природе, прежде всего в процессах биосинтеза. Наконец, в-третьих, превращения с участием карбонильной группы имеют фундаментальное теоретическое значение. Подавляющее большинство реакций карбонильных соединений начинается с присоединения нуклеофила к сильно поляризованной карбонильной группе (А). Присоединение существенно облегчается, когда карбонильный кислород протонирован (Б) или координирован с кислотой Льюиса, например, с ионом какого-либо металла (В). Поэтому нередко в синтетической практике для ускорения соответствующей реакции ее проводят в присутствии протонных или Льюисовских кислот (кислотный катализ). δ+

Nu

C A

δ−

O

Nu

C Б

O H

Nu

C

O В

M n+

19 По существу вся классификация реакций карбонильных соединений основана на дальнейшей судьбе первичного продукта присоединения нуклеофила и, отчасти, на типе нуклеофила. Здесь возможен ряд случаев. Если карбонильный кислород в субстрате связан с хорошо уходящей группой Х (Х = Hal− , RCO2− и т.п.), то последняя после присоединения нуклеофила обычно легко отщепляется, оставляя нуклеофил связанным с соответствующим ацилом. Этот тип реакций, называемый ацилированием, был рассмотрен нами ранее (тема 1). Очевидно, в альдегидах и кетонах подобное направление реакции невозможно, поскольку гидрид-ион и углеводородный анион – плохие уходящие группы. Поэтому многие реакции альдегидов и кетонов так и заканчиваются на стадии присоединения. К их числу относятся такие важные превращения как восстановление альдегидов и кетонов до спиртов, гидратация, образование

циангидринов,

образование

спиртов

в результате

присоединения

металлорганических соединений (таблица 1). Таблица 1. Реакции присоединения нуклеофилов к альдегидам и кетонам Нуклеофил

Схема реакции

Тип реакции

−

Н (гидридные восстановители) или Н2 (в присутствии катализатора) Н2О

ROH

HCN

NaHSO3

RMgI

C O + H2

CH OH

OH C O + H2 O

C

Гидратация

OH

OH C O + ROH

C

C O + HCN

C

OR OH CN

OH C O + NaHSO 3

Восстановление до спиртов

C SO3Na

Образование полуацеталей Циангидринный синтез Образование бисульфитных соединений Металлорганический синтез спиртов

20 OMgI

H3O

C

C O + RMgI

R

OH + Mg(OH)I

C R

Как видно, нуклеофилы, присоединяющиеся к карбонильной группе, могут быть нейтральными (вода, спирты, амины, тиолы) или анионными (Н−, ОН−, SH−, карбанионы). Последние, естественно, намного активнее. В этой связи реакции присоединения в случае малоактивных нуклеофилов, например, спиртов, часто проводят в присутствии оснований, способствующих образованию анионной формы нуклеофила (основной катализ). C O + NuH

R1 R R1

OH

R

R

C O + Nu

R1 O

R R1

C

C

(c нейтральными нуклеофилами)

Nu

OH

R

H3O

R1

Nu

C

(c анионными нуклеофилами)

Nu

В тех случаях, когда нуклеофил содержит первичную аминогруппу, возможна последующая стабилизация аддукта в результате отщепления молекулы воды: R R1

R

C O + NH2-R2

Реакции

R1

C

OH

R

NHR2

R1

присоединения−отщепления

C N-R2 + H2O

приводят

к

таким

важным

в

препаративном отношении типам веществ как оксимы, гидразоны, азометины и др. (таблица 2). Таблица 2. Реакции присоединения-отщепления в ряду альдегидов и кетонов Нуклеофил NH2OH NH3 RNH2 NH2NH2

Схема реакции C O + NH2-OH

C O + NH3

C O + RNH2 C O + NH2NH2

Тип продукта

C N-OH + H2O

C NH + H2O

C NR

+ H2O

C NNH2 + H2O

Альдоксимы, кетоксимы Альдимины, кетимины Азометины (основания Шиффа) Гидразоны

21 C6H5NH2

C NNHC6H5

C O + C6H5NHNH2

NH2NHC NH2 O

C O

NH2NHC NH2 S

C O

+

NH2NHC NH2 O

+

NH2NHC NH2 S

Фенилгидразоны

+ H2O

C NNHC NH2 O

+ H2O

C NNHC NH2 S

+ H2O

Семикарбазоны Тиосемикарбазоны

Все карбонильные соединения, содержащие в α-положении к карбонильной группе связи С-Н, склонны к кето-енольной таутомерии. Склонность к таутомеризации обусловлена тремя причинами: 1) электроноакцепторным характером карбонильной группы, способствующим увеличению кислотности соседних связей С-Н; 2) определенной основностью карбонильного кислорода, к которому перескакивает протон, и 3) резонансной стабилизацией енола, в котором неподеленная электронная пара гидроксила сопряжена с двойной связью С=С. OH

O R1 CH2 C

R

R1

кето-форма

CH C

R

енол B

B

R1 CH C

δ−

O

O

R1 CH C

R

Г

δ−

R1 CH

R

Д

O C

R

Е

В случае простых альдегидов и кетонов (ацетальдегид, ацетон и т.п.) концентрация енола в смеси обычно мала и составляет доли процента. Однако, если в молекуле присутствуют дополнительные акцепторные группы, СН-кислотность резко увеличивается и енол может стать доминирующим таутомером. К числу подобных соединений ацетилацетон

относятся и

т.п.

малоновый, Последний

циануксусный на

85

%

и

состоит

стабилизированной внутримолекулярной водородной связью.

ацетоуксусный из

енольной

эфиры, формы,

22

CH2

NC CH2 C

CO2C2H5 малоновый эфир CH3

O CH3 C CH2 C OC2H5 O

O

CO2C2H5

OC2H5

ацетоуксусный эфир

циануксусный эфир CH2 C O

C

CH3

CH3

O

O

CH3

CH C

C H

O

ацетилацетон

Обладая СН-кислотностью, карбонильные соединения способны при действии оснований образовывать соответствующий анион, который является общим для кетоформы и енольной формы. Его можно представить в виде резонансного гибрида двух структур с минусом на углеродном (Г) и кислородном (Д) атоме или же одной мезомерной структурой (Е) с рассредоточенным зарядом. Чтобы нацело превратить в анион такие слабые СН-кислоты как ацетальдегид или ацетон, требуется действовать на них такими сильными основаниями как гидрид натрия или диизопропиламид лития. В случае же более кислого малонового эфира или ацетилацетона для этого достаточно использовать метилат натрия в метаноле. Анионы карбонильных соединений являются весьма активными нуклеофилами и, хотя большая часть отрицательного заряда у них несомненно сосредоточена на кислороде (он более электроотрицателен, чем углерод), в реакциях они выступают большей частью как С-нуклеофилы. К числу важнейших превращений этого типа относятся многочисленные реакции конденсации, в ходе которых такой карбанион атакует карбонильный углерод другой неионизированной молекулы. При этом образуется новая связь С-С и углерод-углеродная цепь соответственно удлиняется. Простейшим примером является самоконденсация ацетальдегида в присутствии щелочи. Ее первичным продуктом является 3-гидроксибутаналь или альдоль (отсюда и название подобных конденсаций “альдольные”). Последний легко отщепляет молекулу воды, превращаясь в кротоновый альдегид.

23

CH3

C

O

CH2

+ OH

δ+

C

O

CH2

H

C

+ H2O O

O

CH3 C CH2

H

OH CH3 C CH2

O H

H δ−

CH3

C

C

O

CH3 CH CH

альдоль

C

O

H2O

H

H

H

H

C

O

+ H2O

H

кротоновый альдегид

Следует подчеркнуть, что для протекания альдольной конденсации достаточно небольшого количества щелочи, так как реакция может протекать до конца через небольшие количества

карбаниона ацетальдегида. Интересно, что альдольная

конденсация катализируется не только щелочью, но и кислотами. Это объясняется тем, что последние ускоряют переход кето-формы в енол, который и является в этом случае нуклеофилом. Кроме того, кислоты активизируют и само карбонильное соединение, превращая его в протонированную форму.

CH3

CH3

C

O

H CH2

+ H

C

H

C

OH H

CH2

C

OH

CH2

H

C

OH H

OH

OH

OH

CH3 C CH2

H

+ H

C

OH H

H

-H

CH3 C CH2 H

C

O H

альдоль

Ароматические альдегиды не могут вступать в подобные самоконденсации, так как у них отсутствуют кислотные связи С-Н. Однако для них возможна перекрестная конденсация с карбанионом другого карбонильного соединения. Соответствующим примером может служить реакция Перкина, ведущая к образованию коричной кислоты при взаимодействии бензальдегида с уксусным ангидридом в присутствии безводного ацетата калия. Роль основания выполняет в этом случае ацетат-ион, превращающий уксусный ангидрид в карбанион. Последний и является нуклеофилом в данной реакции, который атакует карбонильную группу бензальдегида с образованием вначале спирта, а затем

и

коричной

кислоты

в

результате

отщепления

гидролитического расщепления ангидридной группы.

молекулы

воды

и

24

CH3

O

C

CH3

O + CH3CO 2

C

C6H5

C

C

CH3

C

O δ−

δ+

CH2

O

H

CH2

C

CH3

C

OH C6H5

C H

CH2

C

CH3

C

O O + CH3CO2H O O

O

C6H5

O

C H

O _ + H2O

O

CH2

C

CH3

C

O CH3COOH O O

C6H5 CH CH C

O

+ CH3COOH

OH

O коричная кислота

O

К числу других превращений этого типа можно отнести реакцию Кневенагеля и сложноэфирную конденсацию: реакция Кневенагеля Ar

C

O H

CO 2H

+ CH2

пиридин

CO 2H

OH CO2H Ar CH CH CO2H

- H2O - CO 2

Ar

CH CH CO2H

сложноэфирная конденсация CH2CO2C2H5 + C2H5OH

a) CH3CO2C2H5 + C2H5O б) CH3

C

O

O

+

OC2H5

CH2CO2C2H5

CH3

C CH2CO2C2H5 OC2H5

O

-C2H5O

CH3 C CH2CO2C2H5 ацетоуксусный эфир

Внутримолекулярный вариант сложноэфирной конденсации известен как реакция Дикмана: O C2H5O2C

(CH2)4 CO2C2H5

Na толуол

CO2C2H5

25

Тема 4. РЕАКЦИИ МЕТАЛЛОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ (к синтезу “Трифенилкарбинол”) Программа Общие

свойства,

строение,

методы

получения

металлорганических

соединений. Магнийорганические соединения. Типы их реакций: а) взаимодействие с соединениями, содержащими подвижный водород; б) реакции нуклеофильного замещения в алкил- и арилгалогенидах, ацеталях, ортоэфирах, окисях алкенов и т.п.; в) реакции нуклеофильного присоединения к карбонильным производным (альдегидам, кетонам, производным карбоновых кислот), к α,β-ненасыщенным карбонильным соединениям, к связям C=N, C≡N, C=S. Методические указания Металлорганическими называют соединения, в которых имеется связь углеродметалл. Известно три типа таких связей: σ-связь, π-связь и преимущественно ионная связь. Связи σ-типа характерны главным образом для тяжелых непереходных металлов,

26 таких как ртуть, свинец или кадмий; характерный пример – тетраэтилсвинец или диэтилртуть (1). Связи π-типа образуют исключительно переходные металлы при взаимодействии с π-системой. Их особенностью является то, что металл здесь не связан конкретно с одним углеродным атомом, а взаимодействует со всей π-системой в целом. Примером могут служить молекулы дициклопентадиенил железа или бис(πаллил)никеля (2). Связи ионного типа образуют главным образом ионы щелочных или щелочноземельных металлов: литий, натрий, магний и т.п. Таковы, например, метиллитий или фенилнатрий (3). CH2

CH2 Ni

CH

CH3CH2-Hg-CH2CH3

CH

C6H5 Na

CH2

CH2

3

2

1

Наибольшее значение в органическом синтезе имеют металлорганические соединения ионного типа, прежде всего магний- и литийорганические соединения. Это объясняется их повышенной реакционной способностью, так как углеродный атом вследствие

сильной

поляризации

связи

углерод-металл

несет

значительный

отрицательный заряд, т.е. органическая часть молекулы по существу является карбанионом. Следует, впрочем, заметить, что чисто ионных связей не существует и в соответствие со шкалой электроотрицательности элементов Полинга процент ионности даже такой связи как углерод-натрий примерно равен 50 %. Однако в растворе за счет сольватации иона металла степень полярности этой связи и, следовательно, активность металлорганического соединения, конечно, может существенно увеличиться. Основной

способ

получения

металлорганических

соединений

–

взаимодействие металла с органическими галогенидами, которые по активности в этой реакции образуют ряд I > Br > Cl, фториды с металлами практически не реагируют. CH3Cl + Mg → CH3MgCl н-C4H9Br +

2Li → н-C4H9Li + LiBr

Полученные таким образом металлорганические соединения могут быть использованы для синтеза других металлорганических соединений с помощью обменных реакций: R1Li → RLi + R1Br ;

а) с органическими галогенидами

RBr +

б) с галогенидами металлов

2CH3MgCl + HgCl2 → (CH3)2Hg + 2MgCl2 ;

27 в) с углеводородами, содержащими подвижный (т.е. достаточно кислый) водород, таким как циклопентадиен, ацетилен и т.п. СH≡CH + CH3MgCl → СH≡C-MgCl + CH4↑ Исторически первыми металлорганическими соединениями, которые стали широко

использоваться

в

препаративной

органической

химии,

явились

магнийорганические соединения (реактивы Гриньяра). Их обычно получают из алкилили арилгалогенидов и магния в среде абсолютного диэтилового эфира:

абс. эфир

RX + Mg

δ−

R

δ+

MgX

Простейшая формула RMgX достаточно хорошо описывает большинство свойств магнийорганических соединений, но их истинное строение в растворе сложно и окончательно до сих пор не выяснено. Предполагается, в частности, возможность динамического равновесия следующего типа:

R2Mg + MgX 2

2 RMgX

Особенного внимания заслуживает то обстоятельство, что магнийорганические соединения весьма хорошо растворимы в эфире. Нет сомнения, что их стабилизация в растворе является следствием сольватации в результате образования координационных связей между кислородными атомами эфира и атомами магния. Возможно также образование ассоциатов с мостиковыми связями между атомами магния при участии галогенид-ионов:

Mg

Mg (C2H5)2O

O(C2H5)2

X

R

X

R

С точки зрения реакционной способности магний- и литийорганические соединения ведут себя как очень сильные основания и весьма активные нуклеофилы. Так, в качестве оснований они реагируют с соединениями, содержащими подвижный атом водорода: водой, спиртами, тиолами, аминами. Эти реакции протекают практически моментально и приводят к образованию соответствующего углеводорода: RMgX + R1OH → RH + R1OMgX Метод часто используется для замены галогена в органических соединениях на водород,

для

определения

числа

подвижных

атомов

водорода

(по

объему

28 выделившегося метана или бутана, когда R=CH3 или н-С4Н9), а также для введения в молекулу органического соединения атомов дейтерия (основный дейтерообмен). В последнем случае металлорганическое соединение разрушается тяжелой водой или дейтерированным спиртом: RMgX + D2O → RD + MgX(OD) Примеры реакций нуклеофильного замещения с участием металлорганических соединений: а) взаимодействие с алкил- и арилгалогенидами с образованием углеводородов (реакция Вюрца). Процесс протекает более легко в случае соединений, содержащих подвижный галоген, например, таких как бензил- или аллилхлориды; RMgX + CH2=CH-CH2Cl → R-CH2-CH=CH2 + MgXCl б) взаимодействие с ацеталями, кеталями и ортоэфирами;

RMgX +

R1-CH-OCH3 OCH3

R1-CH-R + CH3OMgX OCH3

в) реакции с окисями алкенов приводят к образованию первичных спиртов и являются одним из основных методов удлинения углерод-углеродной цепи сразу на два углеродных атома. RMgX +

RCH2CH2OMgX

CH2-CH2

H2O

RCH2CH2OH + MgX(OH)

O

Известно множество реакций присоединения металлорганических соединений к кратным связям С=О, C=N, C≡N или поляризованным связям С=С. Вот некоторые из них: а) присоединение к формальдегиду дает первичные спирты; RCH2OMgX

RMgX + CH2=O

H2O

RCH2OH + MgX(OH)

б) реакция с другими альдегидами приводит ко вторичным спиртам; O RMgX +

R1

C H

R1

CH OMgX

H2O

R

в) взаимодействие с кетонами дает третичные спирты;

R1 R

CH OH + MgX(OH)

29 O RMgX +

R1 R C OMgX R2

R1 C R2

R1

H2O

C OH + MgX(OH) R2

R

г) производные карбоновых кислот (галогенангидриды, сложные эфиры, ангидриды) взаимодействуют с реактивами Гриньяра в несколько стадий с промежуточным образованием кетонов, которые с избытком магнийорганического соединения дают в конечном итоге третичные спирты; O

C

+ RMgX

R1 C

-MgXY

Y

R

Y

R1

OMgX

R1

RMgX

C O

R1 R C OH R

H2O

R

Y = Hal, OAlk, OCOR 2

д)

с

α,β-ненасыщенными

карбонильными

соединениями

реактивы

Гриньяра

взаимодействуют по двум путям, давая в зависимости от их строения продукты 1,2или 1,4-присоединения; 1,2-присоединение R2 R2 RMgX +

R2 R2

OMgX C CH C R1

OH

R2

H2O

C CH C R1 + MgX(OH)

R2

R

R

O C CH C

1,4-присоединение

R1

R2 R2 C CH C R изомеризация

R2

OMgX H O 2 R1

R

R2

OH

R2 C CH C

R1

O

R2 C CH2 C R

R1

е) реакция с диоксидом углерода (карбонизация) приводит к образованию карбоновых кислот и является хорошим лабораторным методом их синтеза; O R C

RMgX + CO 2

OMgX

O

HX H2O

R C

OH

+ MgX2

ж) при взаимодействии с нитрилами образуются кетоны.

RMgX +

R1

C N

R1 R

C N MgX

H3O

R1 R

C O

+ NH4 + MgX(OH)

30 Из приведенных примеров видно, что переход от алкилгалогенидов к металлорганическим соединениям полностью изменяет природу углеродного атома, у которого происходит замещение. Если в алкилгалогенидах он несет частичный положительный заряд, т.е. является электрофилом и реагирует с нуклеофилами, то в металлорганических соединениях тот же углерод становится нуклеофилом, реагируя соответственно с электрофилами.

Тема 5. РЕАКЦИИ ОКИСЛЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ В ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ (к синтезам “Янтарная кислота”, “п-Нитробензойная кислота”) Программа Понятия “окисление” и ”восстановление” в органической химии. Реакции окисления и восстановления органических соединений: примеры, механизмы. Методические указания Общее положение гласит: окисление - это потеря веществом электронов, восстановление - присоединение электронов. В неорганической химии оно находит простое и ясное проявление.

Например,

образование хлорида магния при

взаимодействии металлического магния и хлора - окислительно-восстановительная реакция. В ходе ее магний теряет два электрона и окисляется, хлор присоединяет один электрон и восстанавливается до аниона Сl− . Соответственно степень окисления атома магния равна 2+ , а каждого из двух атомов хлора 1− . Мg → Mg2+ + 2e Cl2 + 2e → 2Cl−

( окисление) ( восстановление)

31 Для большинства органических окислительно-восстановительных реакций такой подход неприменим.

Дело в том, что в них затрагиваются электроны кова-

лентных связей, поэтому всегда возникает вопрос: какому атому в большей степени принадлежат электроны каждой конкретной связи ? Принято считать,

что атом, к

которому смещена пара электронов находится в восстановленном состоянии; соответственно второй атом, образующий данную связь,

находится в окисленном

состоянии. Например, связь C-H поляризована таким образом, что пара электронов чуть больше смещена к углероду, т.е. восстановленным является атом углерода, окисленным - водород. В соответствии с этим степень окисления углерода в молекуле метана СН4 считается равной 4−, т.е. это углерод, находящийся в максимально восстановленном состоянии. СО2

или

ССl4 ,

На другом полюсе этой шкалы расположены молекулы

в которых число окисления углерода равно 4+ .

любое изменение окислительного

Таким образом,

числа углерода от 4−

в сторону 4+

окислением и, напротив, любой переход из состояния 4+

в сторону 4−

является -

это

восстановление. Так, и реакция хлорирования метана до хлористого метила и его окисление до диоксида углерода - это реакции окисления, в ходе которых степень окисления углерода изменяется соответственно от 4− до 2− и от 4− до 4+. 4-

2-

CH4 + Cl2

CH3Cl + HCl

4-

4+

CH4 + 2O2

CO2 + H2O

В органической химии широко распространены реакции гидрирования и дегидрирования. Первые относятся к реакциям восстановления, вторые представляют собой окислительный процесс.

Например, присоединение молекулы

водорода к

этилену (реакция требует применения в качестве катализатора мелкораздробленной платины или палладия)

-

типичная реакция восстановления,

поскольку степень

окисления углеродных атомов изменяется от 2− до 3−. 2-

CH2 С другой

2-

3-

CH2 + H2

стороны,

Pt

CH3

3-

CH3

( восстановление )

дегидрирование циклогексана до бензола

-

окислительное

превращение: Pt

+ 3H2

( окисление )

32 В принципе не всегда окисление - это потеря водорода. Например, при каталитическом окислении метана до метилового спирта в молекуле остаются четыре водородных атома. Однако теперь один водородный атом связан не с углеродом, а с кислородом;

связь же С-О

поляризована в сторону кислорода,

т.е.

формально

произошло окисление углерода из состояния 4− в состояние 2−. 4-

2-

CH4 + (O)

CH3-OH

Во всех приведенных примерах электроны при окислении−восстановлении органических веществ перемещались не сами по себе,

а с помощью атомов

-

переносчиков электронов. Так, при восстановлении этилена до этана два электрона поступают в молекулу этилена вместе с водородными атомами. Известны случаи и постадийного восстановления−окисления, когда молекула, например, может вначале присоединить электроны, а потом уже протоны. В частности, нафталин при действии металлического натрия может присоединить один, затем второй электрон, с образованием сначала анион-радикала, затем дианиона. Последующее протонирование дианиона приводит к образованию 1,4-дигидронафталина. В качестве доноров протона в этом случае

используют спирт или хлорид аммония. Формально к

присоединилась

нафталину

молекула водорода, но фактический механизм этой реакции,

известной как реакция

Берча, принципиально отличен от каталитического

присоединения водорода к этилену или бензолу. Na

H Na

H Na H

H

Na Дианион

Анион -радикал

H H

Na 2H+

H H 1,4-Дигидронафталин

Вообще механизм, т.е. детальный путь, описывающий элементарные стадии процесса

и

промежуточные

органических соединений,

продукты

носит

реакций

окисления−восстановления

очень сложный характер. Во

определяется природой окислителя и восстановителя.

многом он

В качестве окислителей в

органической химии чаще всего используют кислород, перманганат калия, хромовую кислоту, пероксид водорода, озон, йод и др. Распространенными восстановителями являются молекулярный водород, щелочные металлы, так называемые гидридные

33 восстановители - доноры аниона Н−. К числу последних принадлежат борогидрид натрия NaBH4 и алюмогидрид лития LiAlH4. Окисление кислородом воздуха, как правило, протекает механизму.

по радикальному

Например, превращение метана в метиловый спирт или формальдегид

можно представить следующим образом: СН4 + О2

→

СН3•

+

НО2•

СН3• + О2 →

СН3 -О-О•

СН3-О-О• + СН4

→ СН3 -О-О-Н + СН3•

→

СН3-О-О-Н СН3О•

+ СН4

СН3-О-О-Н →

СН3О•

→

+

НО•

СН3ОН + СН3•

СН2=О + Н2О

Если в радикальных процессах электроны переходят от восстановителя к окислителю по одному, то в ионных реакциях они переходят парами и формально все участвующие в реакции частицы представляют собой либо нейтральные молекулы, либо ионы. Примером такого ионного окисления является превращение спиртов в альдегиды при действии хромовой кислоты. В этой реакции вначале образуется сложный эфир спирта и хромовой кислоты. В молекуле сложного эфира связь С-Н рвется так, что ее электронная пара остается при углероде и идет на образование двойной связи С=О. Синхронно с этим разрывается связь кислород-хром, причем пара электронов переходит к хрому и последний восстанавливается из состояния 6+ в 4+. Поскольку соединения четырехвалентного хрома неустойчивы,

кислота Н2СrО3

диспропорционирует с образованием соединений трех и шестивалентного хрома:

O

O 6+

R-CH2OH + HO-Cr-OH

-H

R-CH-O

2O

H

O 3 H2CrO3

+

H2O

3+

O

6+

Cr-OH

R-C

H

+

4+

H2CrO3

O

2Cr(OH) 3 +

6+

H2CrO4

В общем виде реакцию можно представить следующим образом: 3RCH2OH + 2H2CrO4

→

3RCHO + 2Cr(OH)3 + 2H2O

По ионному механизму протекает восстановление альдегидов и кетонов до спиртов с помощью гидридных восстановителей.

Процесс восстановления здесь

34 формально сводится к присоединению гидрид-иона с парой электронов к положительно заряженному карбонильному атому углерода. Одна молекула NaBH4 или LiAlH4 является носителем четырех ионов Н− , т.е. она может восстановить четыре молекулы карбонилсодержащего соединения:

R-C

O

+

LiAlH 4

RCH2-O-AlH3 Li

RCHO

H (RCH 2O)4Al Li

H2O

Li 2RCHO RCH2O-Al-OCH2R H2

RCH2OH + Al(OH) 3 + LiOH

Рекомендуемая литература 1. У. Уотерс. Механизм окисления органических соединений // М.: Мир, 1966. 2. Дж. Марч. Органическая химия // М.: Мир, 1988.- Т.4.- С.259.

Тема 6. РЕАКЦИИ ЦИКЛОПРИСОЕДИНЕНИЯ Программа Классификация реакций циклоприсоединения: реакция Дильса-Альдера, 1,3диполярное циклоприсоединение, [2+2]-циклоприсоединение. Типы диенов и диенофилов, участвующих в реакции Дильса-Альдера. Примеры реакций. Типы диполей и диполярофилов, участвующих в реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения. Примеры реакций. Механизмы реакций

циклоприсоединения,

реакции

с

нормальными

и

обращенными электронными требованиями.

Методические указания К реакциям циклоприсоединения относятся превращения с участием обычно двух реагирующих молекул, которые, соединяясь, дают устойчивую циклическую молекулу, причем это не сопровождается отщеплением каких-либо других частиц. Как

35 правило, в ходе реакций циклоприсоединения σ-связи только образуются, но не разрываются; разрывам же и перемещениям подвергаются исключительно π-связи. Наиболее

распространены

реакции

циклоприсоединения,

сопровождающиеся

образованием шести-, пяти- и четырехчленных циклов, например: а)

+

б)

+

X в)

Y

Z

X

Y

+

Z

В первой из этих реакций, которая называется реакцией Дильса-Альдера, из 1,3-бутадиена и этилена получается циклогексен. По числу атомов, участвующих в формировании

цикла,

ее

классифицируют

как

[4+2]-циклоприсоединение.

Соответственно, реакция б - димеризация двух молекул этилена в циклобутан – это [2+2]-циклоприсоединение. Более уточненное обозначение двух этих реакций с учетом числа вовлеченных в них π-электронов − [4π+2π]- и [2π+2π]- циклоприсоединение. Реакции типа в, в которых один из реагентов является 1,3-диполем, - еще одна разновидность подобных процессов. Они называются реакциями 1,3-диполярного циклоприсоединения. По числу атомов, участвующих в замыкании цикла – это [3+2]циклоприсоединение, однако, по числу π-электронов их следует классифицировать, как [4π+2π]- циклоприсоединение. Известны и реакции внутримолекулярного циклоприсоединения, когда в замыкании цикла участвуют два фрагмента одной и той же молекулы. Таковы превращения 1,3-бутадиена в циклобутен и циклооктатриена в бицикло[4.2.0]октадиен. Формально в этих реакциях, которые называются также электроциклическими, между концами сопряженной линейной системы образуется новая σ-связь:

Реакция Дильса-Альдера. В синтетическом отношении это – наиболее важная из всех реакций циклоприсоединения. Участвующие в ней компоненты обобщенно

36 называются диеном и диенофилом. Область применения реакции чрезвычайно широка, поскольку известно множество типов диенов и диенофилов. Практически диенофилом может быть едва ли не любая двойная или тройная связь, а диен может входить в цикл, содержать заместители или гетероатомы (таблица 1). Интересно, что диен может быть и фрагментом ароматической системы, если связи в последней достаточно сильно альтернированы.

Обычно

это

наблюдается

для

соединений

с

пониженной

ароматичностью, например, таких как антрацен или фуран. Так, в антрацене пониженной ароматичностью обладает центральное кольцо, где и фиксирована диеновая система (ее концы – положения 9 и 10). По ним и протекает реакция антрацена с диенофилами, например, с п-бензохиноном: O H

O

H

O H

+

H

O

Иногда типичные диены выступают в качестве диенофила. Например, очень легко протекающая димеризация циклопентадиена представляет собой реакцию Дильса-Альдера, в которой одна молекула циклопентадиена является диеном, а другая диенофилом:

+

Циклопентадиен, антрацен и другие обычные диены представляют собой πсистемы с весьма высокой электронодонорностью. Поэтому они более легко реагируют с электроноакцепторными диенофилами: акрилонитрилом, малеиновым ангидридом, тетрацианоэтиленом и т.п. Исторически реакция Дильса-Альдера была открыта и вначале изучалась именно на примере этой группы реакций, которая получила название реакций с нормальными электронными требованиями. Позднее были обнаружены и реакции с обращенными электронными требованиями, в которых диен представляет собой π-дефицитную систему, а диенофил, соответственно, π-донорную. Характерным примером

является

реакция

диалкиламиноэтиленами.

Ее

симм-тетразина конечным

с

енаминами,

продуктом

является

в

частности

с

соответствующий

37 пиридазин, поскольку образующийся аддукт стабилизируется путем отщепления устойчивых молекул – диалкиламина и особенно азота: N

R N

N

N

N

+

N

CH2 CH NR2

N

R

R

N

- N2 R - 2NH

CH2 H NR2

R

R

N N R

Таблица 1. Некоторые типы диенов, участвующих в реакции Дильса-Альдера R

N N O

R

O

O

O

N

N

N

N

Таблица 2. Некоторые типы диенофилов, участвующих в реакции Дильса-Альдера

π-Дефицитные:

R R = CN, COMe, CO 2Me и т.п.

NC

CN

NC

CN

O

O R CH N CO2Et

O

O

O

MeO2C C C CO2Me

EtO2C N N CO2Et

C6H5 N O

π-Избыточные: NR2

OR

SR

R C C NEt2

[2+2]-Циклоприсоединение. В этих реакциях могут участвовать алкены, алкины, аллены, кетены. Они являются одним из методов получения различных производных циклобутана, часто труднодоступных с помощью других синтетических методов, например:

38 F CF2 CF2 + CH3CH=CH2

CH3

F

200 oC

F F

+

CH2 C CH2

200 oC

CH2=CH C N 0 oC

C2H5O C CH + CH2=C=O

CH2

C

N

O

C2H5O

За редким исключением, эти реакции протекают при весьма высокой температуре,

однако,

фотохимический

вариант

проведения

процесса

обычно

обеспечивает мягкие температурные условия. 1,3-Диполярное

циклоприсоединение.

Реагенты,

участвующие

в

этих

превращениях, называют 1,3-диполем и диполярофилом. В качестве последних выступают различные алкены и алкины. Некоторые распространенные типы молекулдиполей даны в таблице 3. Как видно, все они – цвиттер-ионы, которые можно представить в виде гибрида нескольких резонансных структур, одна из которых и является 1,3-диполем. Таблица 3. Некоторые 1,3-диполи, вступающие в реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения

R2C N N R N N N

Диазоалканы

R2C N N R N N N

Азиды

R2C N C R

R2C N C R

Нитрилилиды

R C N O

R C N O

Нитрилоксиды

R2C N O R

Практически

все

R2C N O R

молекулы-диполи

Нитроны

содержат

гетероатомы,

поэтому

продуктами соответствующих реакций являются гетероциклические соединения. Так, при взаимодействии фенилазида с диметиловым эфиром ацетилендикарбоновой кислоты с высоким выходом получается диметиловый эфир 1-фенил-1,2,3-триазол-4,5дикарбоновой кислоты:

39 C6H5 C6H5 N N N

+

MeO2C C C CO 2Me

N

N

N

MeO2C

Механизм.

CO2Me

В принципе для реакций циклоприсоединения возможны два

общих механизма: согласованный и несогласованный. При согласованном процессе формирование новых и разрыв старых связей протекают синхронно, через циклическое переходное

состояние,

которое

может быть

как

(1), так

симметричным

и

несимметричным (2). В последнем случае образование одной из двух новых σ-связей несколько запаздывает. Легко заметить, что согласованный механизм является одностадийным. c

b

a

a

+

или

d

a

c

b a

d x y

y

x

y

x

c

b

c

b

d

d y

x

2

1

В отличие от этого несогласованный процесс протекает в две стадии: вначале образуется бирадикальный (3) или цвиттер-ионный (4) интермедиат, который далее циклизуется в конечный продукт. a

c

b

a

+ x

c

b

d

или a

d y

x

y

много

данных

b

c

a

d y

x

d x

y

4

3

Имеется

c

b

в

пользу

того,

что

большинство

реакций

циклоприсоединения протекает согласованно. Один из наиболее веских аргументов – высокая стереоспецифичность процесса: R

R X

Y

Y X

X

Y

X Y

+ R

R

Очевидно, что если бы реакция протекала несогласованно, то продукт реакции скорее всего представлял бы собой смесь стереоизомеров, поскольку в ациклическом интермедиате типа (3) или (4) из-за поворотов вокруг простых связей группы X иY оказались бы как по одну сторону от средней плоскости системы, так и по разные. Тем не

менее,

известны

немногочисленные

примеры

ступенчатых

реакций

40 циклоприсоединения. Обычно они протекают в тех случаях, когда диен и диенофил содержат

заместители,

способные

эффективно

стабилизировать

ациклический

интермедиат путем делокализации зарядов, например: CN CN +

CN

CN CN

CN NR2

NR2

R2N

5

Промежуточный цвиттер-ион (5) был выделен при –40 оС. Полагают, что при асимметрических согласованных процессах переходное состояние также может иметь частично цвиттер-ионный или бирадикальный характер, стабилизированный соответствующими заместителями. Это предположение позволяет объяснить

региоселективность

некоторых

реакций.

Так,

взаимодействие

2-

метоксибутадиена с акролеином, в котором последний выступает как диенофил, приводит к образованию соединений (6), но не изомерного ему (7): CHO

MeO + CH2=CH-CHO

но не

CHO

MeO

MeO

7

6

Если допустить, что в переходное состояние вносят вклад цвиттер-ионные структуры, то легко заметить, что при образовании пара-изомера (6) в делокализации положительного

и

отрицательного

зарядов

участвуют

двойная

связь

и

обе

функциональные группы (структуры 8а-г). MeO

MeO

MeO

MeO

и т.д. CH2 CH

CH2 CH CHO

CHO 8а

CH2 CH

8б

CHO 8в

CH2 CH H

C

O

8г

В то же время, возможные переходные состояния (9) и (10) на пути к мета-изомеру (7) стабилизированы лишь частично: в случае (9) не стабилизирован отрицательный заряд, а для (10) в делокализации положительного заряда не участвует метоксигруппа.

41 MeO

MeO

CH CH2 CHO

CH CH2

9

10

CHO

Во многих случаях, как например при взаимодействии циклопентадиена и малеинового анигидрида, аддукт Дильса-Альдера может иметь либо экзо-, либо эндоконфигурацию. Хотя образование экзо-аддукта явно связано с меньшими стерическими напряжениями, как правило, в подобных превращениях в основном образуется эндоизомер.

Полагают,

что

этому

благоприятствуют

вторичные

невалентные

взаимодействия между π-системами и функциональными группами диена и диенофила в переходном комплексе. Очевидно, что такие взаимодействия для экзо-конфигурации должны быть значительно меньше.

+

O O

O

O

O O экзо-аддукт

+

O O O эндо-аддукт

Участвующие в реакции циклоприсоединения реагенты подходят друг к другу во взаимно параллельных плоскостях, что обеспечивает оптимальное перекрывание их

π-орбиталей в ходе циклического электронного переноса. Согласно теории в этот процесс вовлечены граничные орбитали диена и диенофила. Для реакций с нормальными электронными требованиями это верхняя занятая молекулярная орбиталь диена (ВЗМО) и нижняя свободная молекулярная орбиталь (НСМО) диенофила. Для реакций с обращенными электронными требованиями соответственно наоборот. Участие в процессе именно этих орбиталей обусловлено необходимостью их максимального сближения по энергии (рис.1). Чем меньше энергетическая разница между ними, тем легче протекает реакция и наоборот. Вот почему циклоприсоединение между двумя электроноакцепторными или, напротив, двумя электронодонорными реагентами протекает трудно или же не идет совсем.

42 Энергия

НСМО ВЗМО

Рис.1. Взаимодействие граничных орбиталей реагентов Помимо энергетических требований взаимодействующие орбитали должны отвечать требованиям симметрии. Перекрываться могут только молекулярные орбитали с одинаковой симметрией. Это в свою очередь обеспечивает перекрывание атомных орбиталей, имеющих одинаковый знак, которое только и ведет к связыванию. Как видно из рис.2, одинаковой симметрией (проведите, например, плоскость через центральную связь), обладают ВЗМО диена и НСМО алкена или НСМО диена и ВЗМО алкена. Подобные взаимодействия называют разрешенными. Именно к этому типу процессов относятся все реакции [4π+2π]-циклоприсоединения. В отличие от них реакции [2π+2π]-циклоприсоединения запрещены по симметрии (рис.3, а). Поэтому они, как правило, протекают в весьма жестких условиях. Почему такие запрещенные реакции вообще идут ? Дело в том, что приведенные выше правила относятся только к согласованным процессам. Реакция может протекать несогласованно и тогда для нее ограничения по симметрии теряют силу. Кроме того, возможен фотохимический вариант проведения реакции. При фотоинициировании один электрон перескакивает с ВЗМО на НСМО и последняя орбиталь становится одновременно и верхней занятой и нижней свободной для обоих реагирующих молекул, т.е. фотохимическая реакция [2π+2π]-циклоприсоединения в отличие от термической уже разрешена по симметрии (рис.3, б). _

+ ВЗМО

+

_

+

_

+ _

НСМО

_

_

+ _

+ а

НСМО

+

+

_

_

+

+

ВЗМО

_

+

+

_

_ б

Рис. 2. Разрешенное взаимодействие граничных орбиталей для реакций [2π+2π]-циклоприсоединения с нормальными (а) и обращенными (б) электронными требованиями

43

ВЗМО

НСМО

_

_

+ _

+

+

+

_

_

НСМО

НСМО

+ _

+

_

+ _

а

+ б

Рис. 3. Запрещенное термическое (а) и разрешенное фотохимическое (б) взаимодействие орбиталей при [2π+2π]-циклоприсоединении Дополнительную информацию об особенностях реакций циклоприсоединения можно найти в рекомендованной литературе. Рекомендуемая литература 1. А. Вассерман. Реакция Дильса-Альдера. М.: Мир, 1968. 2. Р. Вудворд, Р. Гоффман. Сохранение орбитальной симметрии. М.: Мир, 1971. 3. Т. Джилкрист, Р. Сторр. Органические реакции и орбитальная симметрия. М.: Мир, 1976. 4. Ф. Кери, Р. Сандберг. Углубленный курс органической химии. М.: Мир, 1981, книга 2, с.185-201.

Приложение 1 ЭЛЕКТРОННЫЕ ЭФФЕКТЫ И МЕХАНИЗМЫ РЕАКЦИЙ (общие понятия и терминология) Индукционный (индуктивный) эффект (I-эффект) – смещение электронных пар σ-связей в сторону более электроотрицательного атома или группы. Различают +I и –I-заместители, причем за относительный стандарт принят водород. Если группа отталкивает электроны сильнее водорода, она проявляет +I-эффект; если же она притягивает электроны сильнее водорода, то проявляет –I-эффект:

44

Y

H

C

X

C

+I-эффект

стандарт

-I-эффект

C

Число групп, обладающих +I-эффектом невелико. К ним, в частности, относятся алкилы, +I-эффект которых изменяется в следующей последовательности: (СН3)3С- >

(СН3)2СH-

> СН3CH2- > CH3-

Большинство функциональных групп обладает –I-эффектом. Он тем выше, чем больше электроотрицательность группы: F > Cl > Br > I F > OH > NH2 HC≡C- > H2C=CH- >

C6H5-

Сильными индуктивными акцепторами являются группы с семиполярными связями (-NO2, -SO3H) и, особенно, группы с формальным положительным зарядом (−NH3+, −+N≡N). I-Эффект обозначают прямыми стрелками, направленными вдоль связей в сторону группы-акцептора: O Cl

CH2

C O

H

Индукционный эффект быстро затухает с расстоянием и практически не сказывается дальше третьего-четвертого атома.

Эффект поля (F-эффект). Оттягивание электронной плотности в сторону более электроотрицательной группы непосредственно через пространство. Полагают, что эффект поля всегда сопутствует I-эффекту и разделить их чрезвычайно трудно. Поэтому когда говорят об индукционном эффекте, молчаливо подразумевают, что вместе с ним действует и эффект поля.

Эффект сопряжения. Синонимы: конъюгация, делокализация, резонанс, мезомерия. Обозначается чаще всего символом М-эффект. Явление взаимного перекрывания электронных облаков параллельных друг другу

р-орбиталей вдоль

системы сопряженных связей. Простейший пример – 1,3-бутадиен, в котором сопряжение приводит к некоторому выравниванию длин связей по сравнению с классической структурной формулой:

45 Cопряжение в бутадиене

H

H

H CH2 CH CH CH2 классическая структура

CH2 CH CH CH2 графическое изображение сопряжения

H

H

H боковое перекрывание р-орбиталей С-атомов

В сопряжении могут участвовать неспаренные электроны (как это имеет место, например, в аллильном радикале), а также орбитали карбанионов, заполненные электронной парой, или вакантные орбитали карбокатионов (как в аллильном анионе и катионе): CH2 CH CH2

CH2 CH CH2

CH2 CH CH2

Применение изогнутых стрелок позволяет при изображении сопряжения обходиться только одной структурной формулой (при этом выбирается наиболее устойчивая предельная структура). В сопряжении могут участвовать и р-электроны гетероатомов. При этом возможны два случая. Гетероатом может образовывать с атомом углерода или другим гетероатомом кратную связь, например: C O

C N

C N

C S

N O

Гетероатом такого типа является π-акцептором, т.е. стягивает электронную плотность на себя, проявляя отрицательный мезомерный эффект (-М-эффект). Следствием этого является уменьшение кратности связи гетероатома с соседним атомом, появление на гетероатоме избыточного отрицательного π-заряда, а на углеродных атомах цепи чередующихся или альтернирующих дробных зарядов.

46

Сопряжение с участием гетероатома, образующего с другим атомом π-связь

графическое изображение сопряжения c помощью мезомерных формул

классическая структурная формула O CH2 CH C

H

δ−

δ+

δ+

CH2 CH C

O H

боковое перекрывание р-орбиталей * H

H C

H

O

N

O

C

δ−

O

C

H

N δ+

δ+

N

O

δ+

_________________ * На р-орбитали гетероатома - один π-электрон, кроме того у азота одна, а у кислорода две неподеленные электронные пары, находящиеся на sp2-орбиталях и не участвующих в сопряжении

Гетероатом может поставлять в сопряжение пару неподеленных электронов, сам при этом будучи связанным с соседним углеродным атомом (или другим атомом в состоянии sp2-гибридизации) простой σ-связью. Такой гетероатом является π-донором и обладает положительным мезомерным эффектом (+М-эффектом). Примерами могут служить фтор в винилфториде, кислород в феноле, азот в анилине. При сопряжении в таких структурах электронная плотность гетероатома смещается в сторону цепи сопряженных углерод-углеродных связей, что приводит к таким последствиям: на гетероатоме возникает частичный положительный заряд, связь углерод-гетероатом приобретает некоторую кратность (как иногда говорят, π-компоненту), на углеродных атомах

сопряженной

цепи

появляется

чередующийся

(“альтернирующий”)

отрицательный заряд. В отличие от индукционного эффекта М-эффект почти не затухает с расстоянием и, например, в орто- и пара-положениях фенола величины отрицательного заряда близки.

47 Сопряжение с участием гетероатома - донора двух π-электронов

классическая структурная формула

графическое изображение сопряжения c помощью мезомерных формул

CH2 CH F

δ+

δ−

CH2 CH F

боковое перекрывание р-орбиталей * H

H C H

C F

H OH

O δ+ δ−

δ−

O

H

δ−

_________________ * На р-орбитали гетероатома находится по два электрона, кроме того, у фтора имеется две, а у кислорода одна неподеленная пара электронов в состоянии sp2-гибридизации, не участвующих в сопряжении

Взаимосвязь индуктивного и мезомерного эффектов. М-эффект никогда не встречается в чистом виде; группы, обладающие М-эффектом, одновременно проявляют и индуктивный эффект. По характеру сочетания обоих эффектов заместители можно разделить на три группы:

−I, −M-заместители

CH=O, COCH3, C≡N, C=NR, NO2

−I, +M-заместители

NH2, OH, F, Cl, Br, I, SH

+I, +M-заместители

-СH2-, -NH-, -S-

В первом случае индуктивный и мезомерный эффекты действуют в одном направлении, во втором – конкурируют. К особому типу заместителей относятся группы CF3, NH3+, (CH3)2S+ и т.п. У них нет вакантных орбиталей или неподеленных электронных пар, которые могли бы участвовать в сопряжении с π-электронами кольца. Эти группы проявляют только –Iэффект и называют индуктивными заместителями. Их своеобразие заключается в том, что они (как и –М-заместители) ориентируют электрофильное замещение в метаположение.

Резонансные и мезомерные структуры. При сопряжении происходит столь существенная перестройка системы связей, что классическая структурная формула уже не отражает истинного строения молекулы. В рамках теории мезомерии принято изображать строение молекулы с помощью одной промежуточной или мезомерной структуры (от греческого

mesos – cредний), “исправляя”

ее с помощью таких

графических средств, как стрелки, изображающие направление смещения электронов,

48 пунктиры, показывающие усреднение длин связей и знаки зарядов (примеры мезомерных структур приведены выше). В рамках теории резонанса строение сопряженных молекул изображают наложением (суперпозицией или, как чаще говорят, резонансом) возможных предельных формул строения, например: CH2 CH CH2 CH

Предельные

CH2 CH

F

CH2 CH

CH O

F CH O

(резонансные) структуры отражают крайние воображаемые состояния

молекулы, когда электронного сдвига нет совсем или же он происходит нацело в сторону группы-акцептора. Разумеется, истинное строение молекулы является промежуточным между этими предельными случаями, принято говорить о большем или меньшем “вкладе” той или иной структуры в резонансный гибрид.

Резонансная стабилизация. Сопряжение всегда приводит к уменьшению энергии молекулы, т.е. к стабилизации. Особенно часто термин “резонансная стабилизация” употребляют для анионов, катионов или свободных радикалов, отличающихся вследствие

делокализации

заряда или неспаренного

электрона

повышенной устойчивостью. Вот некоторые примеры резонансно-стабилизированных частиц: CH3

O CH2

CH2

O CH2 O

O CH3 C CH C OC2H5 O

CH3

CH3 C CH C OC2H5 O CH2

CH2

O CH3 C CH C OC2H5 O CH2

Механизм реакции – детальное описание пути превращения исходных веществ в продукты реакции с указанием способа образования и разрыва связей и строения промежуточных продуктов. Изогнутые стрелки при изображении механизма реакции показывают направление движения электронных пар из положения, указанного “хвостом“ стрелки, в положение, указанное ее острием, например:

49

CH3

δ+

δ−

C

O

+

O

CH3 NH2OH

C

CH3

CH3

CH3

NH2OH

OH

CH3

N-OH

CH3

C

C

CH3

N OH

H

В целях наглядности при изображении механизма реакций с участием резонансно-стабилизированных молекул или ионов целесообразно пользоваться лишь одной резонансной структурой. Так, анион ацетоуксусного эфира алкилируется по атому углерода, поэтому его лучше изображать как С-анион: O CH3 C CH C OC2H5 O Na

R O CH3 C CH C OC2H5 O

RX -NaX

Напротив, при ацилировании того же аниона реакция направляется на кислород, и в этом случае удобнее использовать структура О-аниона: O CH3 C CH C OC2H5 O Na

CH3COCl -NaCl

O CH3 C CH C OC2H5 O COCH3

Cледует, однако, помнить, что в таких “удобных” и “наглядных” способах изображения есть элемент условности. Истинное строение подобных ионов, как было показано выше, более точно передается с помощью резонансных или мезомерных структур, но и оно не полно – реальное строение и детальный путь реагирования подобных частиц в растворах до настоящего времени является предметом дискуссий.

Нуклеофил

–

частица

(анион

или

нейтральная

молекула),

которая

предоставляет неподеленную электронную пару для образования новой связи с электрофилом.

Электрофил – частица (катион или нейтральная молекула), способная принимать на свою вакантную орбиталь неподеленную электронную пару нуклеофила с образованием связи между ними.

Замещение

SN1 и SN2

(от англ. substitution nucleophilic) – символы,

обозначающие моно- и бимолекулярный механизм нуклеофильного замещения. Критерии

моно-

и

бимолекулярности

относятся

исключительно

к

стадии,

определяющей скорость всего процесса (лимитирующая стадия).

Элиминирование Е1 и Е2

(от англ. elimination) – символы, обозначающие

моно- и бимолекулярный механизм реакции элиминирования (отщепления).

Элиминирование Е1сb

(две последние буквы от англ. conjugated base –

сопряженное основание) – символы, обозначающие механизм отщепления, идущий через стадию образования карбаниона.

50

Механизмы гетеролитических реакций у насыщенного атома углерода Замещение SN2: δ−

Y

+

Y

C

δ−

X

C

Y

+ X

C

X

Особенности процесса: одностадийность, синхронность образования новой и разрыва старой связи, инверсия стереохимической конфигурации углерода, у которого происходит замещение. Замещение SN1:

-X

C

C

+X

X Особенности процесса:

Y

C

Y

двустадийность (лимитирует первая стадия), образование в

качестве промежуточной частицы карбокатиона, рацемизация

(если реакционный

центр в исходной молекуле хирален). Элиминирование Е2:

+ H

Y

C

Особенности процесса:

C

C

X

C

+ YH + X

одностадийность, синхронность разрыва связей С-Н и С-Х и

образование двойной связи С=С, имеется стереоэлектронное ограничение

- в

активированном комплексе разрывающиеся связи должны находиться в трансположении друг к другу. Элиминирование Е1:

H

C

Особенности процесса:

C

X

-X

H

C

C

+X

Y -YH

C

C

двустадийность (лимитирует первая стадия), образование в

качестве промежуточной частицы карбокатиона. Элиминирование Е1сb: Y

+ H

C

Особенности процесса:

C

X

-YH +YH

C

C

X

-X

C

C

двустадийность (лимитирует вторая стадия). В качестве

промежуточной частицы образуется карбанион, стабилизированный, как правило, электроотрицательными заместителями при этом атоме углерода.

51

у ненасыщенного атома углерода Электрофильное присоединение:

C

C

+ E

C

C

C

Nu

C

C E

E

Nu C

E σ-комплекс

π-комплекс

Особенности процесса:

в качестве промежуточных неустойчивых частиц образуются

π- и σ-комплексы. Присоединение нуклеофила на заключительной стадии протекает с противоположной стороны, т.е. в конечном итоге образуется продукт трансприсоединения. Лимитирующей является стадия образования σ-комплекса, из-за чего реакция классифицируется как электрофильное, а не нуклеофильное присоединение. В качестве электрофила используются: галогены, галогенводородные кислоты, вода (в присутствии H+), серная кислота и т.п. Нуклеофильное присоединение: C

C

+ Nu

H3O

C C Nu

C Nu

H C

Особенности процесса: в качестве нуклеофила в таких реакциях выступают сильные основания -

RO− , NH2−, R−. Реакции идут очень трудно, но облегчаются, когда у

двойной связи находится электроноакцепторная группа (CHO, COOR, CN, NO2 и т.п.). В этом случае присоединение идет вопреки правилу Марковникова. δ+

C

δ−

C C O

Nu C

+ Nu

H3O

C C O

C Nu

Присоединение − элиминирование у карбонильной группы: а) с сохранением карбонила (когда Х – хорошая уходящая группа); δ−

Y

δ+

O

O R C

+ R C X

O X

+ X

R C Y

Y

б) с замещением кислородного карбонила (в случае альдегидов и кетонов). C O + H2N R

C OH NHR

R = OH, NH 2, алкил, арил

- H2O

C N R

H C C O

52 Электрофильное ароматическое замещение SE2 Ar:

+

E

+ E

E H

E -H

σ-комплекс

π-комплекс

Особенности процесса: лимитирующей обычно является первая стадия. В качестве промежуточной частицы образуется катионный σ-комплекс, структуру которого можно представить в виде гибрида следующих резонансных структур: H E

H E

H E

Нуклеофильное ароматическое замещение SN2 Ar: X

Nu

X Nu _

+ Nu

-X Z σ-комплекс

Z

Z

Особенности процесса: лимитирующей обычно является первая стадия. В качестве промежуточной частицы образуется анионный σ-комплекс. Водород подвергается нуклеофильному замещению очень трудно, поэтому обычно уходящей группой X является галоген. Однако и в этом случае процесс идет легко лишь при наличии в ортои пара-положениях к Х электроноакцепторных групп (-NO2, CN, -COOR и т.п.). Роль последних – создание большого положительного заряда на углероде, с которым связан Х и увеличение стабильности

σ-комплекса за счет большей делокализации

отрицательного заряда. X Nu

X Nu

X Nu

NO2

NO2

NO2

X Nu

N O O

53

Приложение 2

План

практикума по органической химии 1 семестр

1. Меры безопасности и организация работы в лаборатории органического синтеза. 2. Экзамен по ТБ. Лабораторная химическая посуда и приборы. Сборка установок. 3. Методы выделения и очистки веществ. 4. Семинар по теме “Ацилирование” . Работа 1 “ Ацетанилид”. 5. Работа 2 “Бензойноэтиловый эфир”. 6. Зачет по теме. 7. Семинар по теме “Нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода”. 1. Работа 3 “Бромистый этил”, “Бромистый бутил”, “Метил йодистый”, ”Нитрометан”. 8. Зачет по теме. 9. Семинар по теме “Карбонильные соединения” . Работа 4 “Коричная кислота”. 10. Зачет по теме. 11. Семинар по теме “Металлорганические соединения”. “Трифенилкарбинол”.

Работа 5

12. Зачет по теме. 13. Семинар по теме “Окисление и восстановление”. Работа 6 “Янтарная кислота”, “п-Нитробензойная кислота”, “Пирослизевая кислота. Фурфуриловый спирт”. 14. Зачет. Темы дополнительных семинаров: “Основные классы и номенклатура

органических

соединений”,

”Электронные

эффекты

органической химии”, “Реакции циклоприсоединения”

в

54

2 семестр 1. Семинар по теме “Электрофильное замещение в ароматическом ряду”. Работа 7 “Сульфаниловая кислота”, “2-Нафталинсульфокислота”. 2. Работа 8 “п-Нитроанилин”, “п-Броманизол”. 3. Зачет по теме. 4. Семинар по теме “Фенолы”. Работа 9 “Этиловый эфир β-нафтола”, “Анизол”. 5. Работа 10 “2,4-Дибромбензохинон”. 6. Зачет по теме. 7. Семинар по теме “Амины. Соли диазония”. Работа 11 “Пикриновая кислота”. 8. Работа 12 (реакция Зандмейера) “о-Нитрохлорбензол”, “4-Бромнитробензол”. 9. Работа 13 желтый”.

(синтез азокрасителя) “Гелиантин”, “β-Нафтолоранж”, “Жировой

10. Зачет по теме. 11-14. Работа 14 (трехстадийный синтез). 15. Семинар по теме “Идентификация органических соединений (общие сведения о ИК, ЯМР и масс-спектроскопии, элементном анализе)”. 16. Общий зачет.

55

Приложение 3 Форма ведения лабораторного журнала в практикуме по органической химии Работа № ___ Название синтеза ___________________________________________________________ Литературный источник ______________________________________________________ Схема основной реакции _____________________________________________________ Схема возможных побочных реакций __________________________________________ Таблица веществ №

Название вещества

Мr

Константы по

п/п

лит. данным

Количество вещества г

мл

моль

(d, т.пл., т.кип.)

Примечания по технике безопасности __________________________________________ План синтеза _______________________________________________________________ Описание хода работы _______________________________________________________ Описание полученного вещества ______________________________________________ Дата и подпись преподавателя ________________________________________________ Для твердых веществ указывают т.пл., для жидких – относительную плотность, т.кип. и и, если вещество плавится в пределах температур, фигурирующих в процессе опыта, то обязательно указывают и т.пл. Если вещество применяется в виде раствора, указывают его концентрацию. Запись в лабораторном журнале ведется только на правой стороне раскрытой тетради, на левой дается схема прибора, приводятся расчеты и делает замечания преподаватель. План работы включает основные ее этапы, согласно методике, включая очистку. Можно просто привести методику из литературного источника. Отчет о ходе работы предполагает подробное описание проведенного эксперимента с указанием времени выполнения отдельных стадий, температуры и условий нагревания (на бане или непосредственно на плите), характера перемешивания (вручную или с помощью механической мешалки). Особенно важным является описание случайных и преднамеренных отступлений от методики. В отчете неизбежно дублирование большей части методики.

56 Очистка сырого продукта (указать количество взятого неочищенного препарата и растворителя). Операцию обычно не описывают, а лишь указывают (кристаллизация, возгонка, перегонка, хроматографирование и др.), записывая уточняющие данные: количество

активированного

угля,

объем

растворителя,

температуру

кипения

собираемых фракций, их весовых или объемных количеств и т.п. В конце отчета приводят константы полученного вещества, его внешний вид (форма кристаллов, цвет), запах и выход (в граммах и % от теоретического). Параллельно указывают для сравнения константы по литературным данным и выход, приведенный в руководстве.

57

Приложение 4 Требования к студентам в практикуме по органической химии 1. Не опаздывать. 2. К началу занятий оформить журнал до раздела “Описание хода работы” и тщательно изучить методику. После беседы с преподавателем студент получает разрешение на получение реактивов и выполнение работы. Ход работы на каждом занятии записывается в журнале, который ведется студентом по установленной форме (приложение 3). 3. Все операции выполнять в соответствии с прописью синтеза и правилами техники безопасности.

Их нарушения (случайные или преднамеренные) могут повлечь

незачет по данной работе и повторный экзамен по ТБ. 4. Не оставлять приборы и установки без присмотра ! 5. Не разрешается в процессе работы пользоваться книгами, т.к. это может привести к их случайной порче реактивами или грязными руками (методика проведения работы имеется в лабораторном журнале). 6. Сдавать преподавателю только чистые препараты. Если вещество плохо очищено или получено с низким выходом, работа не зачитывается. 7. В процессе работы и по окончании занятия убирать рабочее место, выполнять обязанности дежурного в соответствии с графиком. 8. Студенты, выполнившие программу синтезов, автоматически получают зачет по практикуму.