органика для медиков

Пример реакции

R-Br + H2O → R-OH + HBr

HCOOH

Скорость (v) замещения брома на гидроксил по механизму SN1 изменяется

Таким образом, бромистый трет-бутил реагирует по мехамизму SN1 с максимальной скоростью.

Общие выводы

Протеканию реакций по механизму SN2 благоприятствуют следующие факторы:

1. Пространственный фактор - неразветвленное строение углеводородного радикала, обеспечивающее незатрудненный подход нуклеофила Nu к реакционному центру (C+δ), что благоприятствует образованию переходного состояния.

2. а) Неполярные и малополярные апротонные растворители (гексан, диэтиловый эфир), способствующие реализации переходного состояния;

б) Биполярные апротонные растворители, обладающие высокой растворяющей способностью, в том числе и солей (достигается гомогенность реакционной массы).

3. Сильные нуклеофилы:

NR2 , NH2 , R-O, OH , CN , RCOO

Для протекания реакций по механизму SN1 необходима реализация следующих факторов

1. Образование устойчивого карбкатиона;

2.Сильноионизирующий растворитель, обеспечивающий диссоциацию субстрата S (вода, спирты, карбоновые кислоты);

3. Слабые нуклеофилы (RNH2, NH3, ROH, HOH).

Для RВHal возможна реализация SN2 или SN1 в зависимости от условий, либо смешанный механизм.

72

Стереохимический аспект реакций, протекающих по механизмам SN1 и SN2

Для описания стереохимического аспекта механизмов SN1 и S N2 необходимо ввести понятия, связанные с одним из самых важных разделов органической химии – стереохимии.

Стереохимия изучает пространственное строение молекул (их конфигурации).

Конфигурация – относительное пространственное расположение атомов или групп атомов в молекуле органического соединения.

Среди органических молекул имеется большая группа соединений, которые существуют в виде пространственных изомеров, конфигурации которых соотносятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное отражение. Такие пространственные изомеры или стереоизомеры называются энантиомерами (от греч. “enantios” – находящийся напротив, противоположный). Проявление такого свойства называется хиральностью (от греч. “chiros” - рука). Необходимым условием появления хиральности является общая асимметрия молекулы, одной из причин которой является наличие асимметрического атома углерода.

sp3-Гибридизованный атом углерода, имеющий четыре различных заместителя называется ассиметрическим и обозначается С*.

Пример

2-Бромбутан имеет два варианта пространственного строения, конфигурации которых соотносятся между собой, как предмет и несовместимое с ним пространственное отражение. Эти пространственные изомеры (энантиомеры) изображены ниже, вертикальный пунктир обозначает “зеркало”.

Поскольку порядок связей между атомами в энантиомерах одинаков, они обладают идентичными физическими и химическими свойствами, но различаются по способности взаимодействовать с плоскополяризованным светом (см. раздел физики “Оптика”). Поскольку по своему физическому

73

смыслу взаимодействие противоположно энантиомеры также называются оптическими антиподами (общие названия – стереоизомеры, оптические изомеры). Для изучения взаимодействия оптических изомеров с плоскополяризованным светом используют поляриметры, при этом измеряют

удельный угол вращения плоскополяризованного света ( [α] ) растворов оптических изомеров, помещенных в кювету.

съемки (одинаковые температура, длина кюветы и концентрация раствора) одинаковые по величине, но противоположные по знаку значения [α]. Определить величину [α] и его знак можно только с помощью эксперимента ,

кроме того величина [α] и его знак не является константой и зависят от условий определения.

Для того чтобы назвать энантиомеры используют R,S-номенклатуру, основанную на старшинстве заместителей по Кану-Ингольду-Прелогу (см. Z,E- изомерия в теме “Алкены”). Для оксикислот, аминокислот и углеводов, кроме R,S-номенклатуры, которая является универсальной, применяют D,L- номенклатуру (см. лекции II семестра, тему “Оксикислоты”).

Для 2-бромбутана старшинство заместителей распределяется следующим образом: Br (1) > CH3-CH2 (2) > CH3 (3) > H (4). При изображении

энантиомера в виде тетраэдра для того, чтобы правильно определить конфигурацию, необходимо разместить младший заместитель (Н) на заднем плане, тогда старшие заместители образуют условный треугольник, в котором старшинство заместителей меняется по часовой стрелке вправо -“rectus”, отсюда обозначение R , или против часовой стрелки “влево” - “sinister”, отсюда обозначение S.

R - конфигурация S - конфигурация (R) - 2-бромбутан (S) - 2-бромбутан

Кроме тетраэдрического изображения энантиомеров чаще используют плоское, так называемые проекции Фишера. Правила перехода к ним следующие: связи, которые находятся в плоскости бумаги, в данном случае С-Н и С-СН2-СН3, образуют вертикаль. Связи, находящиеся вне плоскости бумаги

74

CBr , C CH3

перед

плоскостью за плоскостью , образуют горизонталь. При этом С* находится на перекрестии и не обозначается.

Написание пары энантиомеров в виде проекций Фишера приведено ниже:

В стереохимии различают понятия абсолютной и относительной конфигураций. Абсолютная конфигурация – истинное расположение атомов в молекуле (определяют с помощью физического метода, который называется рентгеноструктурным анализом, РСА). Определение принадлежности к R или S- ряду считается также определением абсолютной конфигурации. Для определения относительной конфигурации конфигурацию хиральных молекул сравнивают с базовой и приписывают по аналогии к тому или иному ряду. Относительные конфигурации определяют при отнесении стереоизомеров к D,L-рядам (см. тему «Оксикислоты»).

Рацемат – истинное соединение, которое состоит из абсолютно равных количеств энантиомеров. Имеет собственные константы, отличные от констант энантиомеров. Оптически не активен [α] =0. Рацемат обозначают знаком (±). Например, в процессе бромирования бутана, 2-бромбутан образуется в виде рацемата, т.к. промежуточный свободный втор-бутильный радикал будучи плоским, может быть атакован молекулой брома, как с “фронта” так и с “тыла” условно равновероятно.

75

Стереохимический аспект механизма SN2

Рассмотрим на примере щелочного гидролиза (S)-1-бром-1-дейтероэтана.

Старшинство заместителей: Br > CH3 > D > H.

Атака нуклеофила НО− происходит с “тыла” и после реализации переходного состояния, наблюдается “опрокидывание” конфигурации исходного соединения, при этом конфигурация S, в данном случае, переходит в конфигурацию R. Описываемый процесс называется вальденовским обращением. (Надо учитывать, что символ R или S не всегда меняется на противоположный, поскольку определение конфигурации зависит от того, какой новый заместитель введен).

Таким образом, стереохимическим аспектом механизма SN2 является

вальденовское обращение конфигурации исходного соединения.

76

Стереохимический аспект механизма SN1

Рассмотрим на примере гидролиза (S)-3-бром-3-метилгексана.

I

После образования плоского третичного карбкатиона атака нуклеофила относительно равновероятна с “фронта” и с “тыла”. В результате образуется рацемат (±)3-метилгексанола-3 (I). Рацемат – это идеальный вариант, чаще всего рацемизация неполная и какой либо из энантиомеров образуется в больше́ м количестве.

Таким образом, стереохимическим аспектом механизма SN1 является

образование рацемата или частичная рацемизация.

II. Реакции элиминировании (отщепления) в ряду моногалогенозамещенных

Реагенты, описанные в реакциях нуклеофильного замещения, могут выполнять две роли: нуклеофилов, когда они атакуют электронодефицитный атом углерода (механизмы SN1 и SN2) ; а также оснований, при этом они

связываются с протоном, находящимся при атоме углерода в β-положении моногалогенозамещенного. В последнем случае из моногалогенозамещенных происходит отщепление галогеноводорода и образование алкенов.

77

Бимолекулярный механизм отщепления Е2

Реагентами являются сильные основания: КОН в спирте при нагревании, алкоголяты щелочных металлов (CH3O-Na+, (CH3)3CO-Na+) в соответствующих спиртах, амид натрия в жидком аммиаке. Условия реакций для первичных моногалогенопроизводных наиболее жесткие.

Примеры реакций

В зависимости от условий проведения реакций НО− играет роль

основания в реакции (1) или роль нуклеофила в реакции (2).

Механизм реакции (1) – бимолекулярное элиминирование – Е2,

реализуется через переходное состояние, как и SN2, но в отличие от этого механизма, НО−, выполняя роль основания, атакует атом водорода при β- углероде.

Механизм, Е2

βα

При наличии нескольких β-углеродных атомов преимущественно образуется наиболее замещенный при двойной связи алкен, как более устойчивый (по правилу Зайцева, см. тему “Алкены”).

По механизму Е2 реагируют все типы моногалогенопроизводных при наличии сильного основания.

78

Мономолекулярный механизм отщепления. Конкуренция механизмов нуклеофильного замещения и отщепления.

Мономолекулярный механизм реализуется преимущественно для третичных галогенопроизводных. При этом в зависимости от условий реакции наблюдается образование смесей продуктов нуклеофильного замещения и элиминирования, или только элиминирования.

Пример реакции

реагентом (:ÖH2 или HO−) по карбкатионному центру и результатом является образование третичного спирта, механизм SN1, (см. схему).

Если :ÖH2 (HO−) связывается с протоном от атома углерода в β-

положении, образуется алкен ,механизм Е1

При образовании спирта реагент выполняет роль нуклеофила, при образовании алкена втором – роль основания.

схема конкурентного протекания механизмов SN1 и E1.

79

Конкуренция двух механизмов имеет следующие причины:

1)В третичном карбкатионе карбкатионный центр (С+) экранирован алкильными группами и ограниченно доступен атаке нуклеофила.

2)Атомы водорода при β-углероде становятся относительно подвижными (кислыми) из-за близости карбкатионного центра (С+).

3)Чем сильнее основные́ свойства реагента, тем в большей степени реализуется

механизм Е1. В использованном примере переход от Н2О к 1% NaOH приводит к увеличению количества алкена в три раза.

Для реакций третичных галогенопроизводных характерна конкуренция

процессов Е1 и SN1. Условия реакций – разбавленные растворы и слабые нуклеофилы (основания).

Реакции моногалогенопроизводных с металлами

1. Реакция Вюрца – синтез алканов.

2 Na

2 CH3-Br CH3-CH3 + 2 NaBr

Механизм

Na Na + 1 e

n CH3-Br + 1 e n[ CH3-Br] n CH3 + Br

анион-радикал рекомбинацияобразующихсярадикалов:

CH3 + CH3 CH3-CH3

В реакции используются преимущественно первичные галогенопроизводные.

2. Реакция Гриньяра – получение реактива Гриньяра.

Метилмагний бромид относится к металлоорганическим соединениям, в которых атом углерода связан с металлом.

3. Получение литийорганических соединений.

бутиллитий (металлоорганическое соединение)

80

Алкенилгалогениды

Классификация:

1. Аллилгалогениды – CH2=CH-CH2-Cl sp3

2. Винилгалогениды – CH2=CH-Cl sp2

Сравнительная характеристика связи углерод-галоген в алкенил- и алкилгалогенидах

Реакционная способность в реакциях нуклеофильного замещения (с учетом приведеных данных) изменяется следующим образом:

CH2=CH-CH2-Cl > CH3-CH2-Cl > CH2=CH-Cl

Строение и реакционная способность хлористого аллила

вид “сверху” В молекуле хлористого аллила атом хлора и двойная связь отделены друг

от друга sp3-гибридным атомом углерода, следовательно отсутствует взаимодействие (сопряжение) между неподеленной парой электронов хлора и двойной связью. Для атома хлора характерен только отрицательный индуктивный эффект (–I), атом хлора подвижен и легко замещается.

При взаимодействии с сильными нуклеофилами реализуется механизм SN2. По сравнению с реакциями первичных галогенидов в переходном состоянии наблюдается делокализация электронной плотности с участием трех

81