- •Количественная теория органических реакций
- •Часть I. Механизмы реакций органических соединений
- •Классификация механизмов органических реакций по характеру разрыва и образования химических связей.
- •2 Классификация гетеролитических реакций по типу превращения субстрата.
- •3 Стереохимические аспекты моно-(sn1) и бимолекулярного нуклеофильного замещения (sn2).
- •4 Корреляция параметров нуклеофильности.
- •5 Особенности различных типов нуклеофильного замещения.
- •6. Электрофильное ароматическое замещение (seAr).
- •7 Синхронные (молекулярные) реакции.
- •Количественная теория органических реакций ч.1. Механизмы реакций органических соединений
Классификация механизмов органических реакций по характеру разрыва и образования химических связей.
По данному принципу реакции подразделяются на гомолитические (или свободнорадикальные), гетеролитические, или ионные, и реакции одноэлектронного переноса (или окислительно-восстановительные).
1.1 Гомолитические реакции
Элементарной стадией свободно-радикальных (гомолитических) реакций является гомолитический разрыв ковалентной связи, так что каждый из двух образовавшихся фрагментов несет неспаренный электрон, либо обратный процесс рекомбинации двух свободных радикалов, либо взаимодействие свободного радикала с нейтральной молекулой или ионом. В соответствии с этим различают следующие типы гомолитических реакций:
1.1.1 Гомолитическая диссоциация (распад молекулы на радикалы)
Молекулы органических соединений, имеющие в своем составе слабые ковалентные сигма-связи ( с энергией диссоциации до 150-170 кДж/моль), такие как связи N-N, N-O, O-O, N-Cl (Br) и другие, при нагревании (обозначаемом знаком Δ) диссоциируют с образованием свободных радикалов, например, перекись бензоила образует два бензоильных радикала
а диметилнитрамин – диоксид азота и диметиламинильный радикал
Возможен также согласованный распад двух сигма-связей, как в случае термической диссоциации инициатора свободно-радикальной полимеризации – азобис-изо-бутиронитрила
1.1.2 Соединение свободных радикалов друг с другом (рекомбинация радикалов)
Это процесс, обратный предыдущему - например, одна из стадий радикального нитрования алканов
Г омолитическое замещение имеет место, когда один свободный радикал вытесняет другой из нейтральной молекулы, например, при образовании арилалкилсульфидов из дисульфидов:
и ли путем вытеснения трифторметильным радикалом метильного из тетраметилсилана:
1 .1.4 Гомолитическое присоединение свободных радикалов к нейтральным молекулам, чаще всего к олефинам:
Такие реакции представляют собой, в частности, стадии инициирования и продолжения цепи свободнорадикальной полимеризации алкенов.
1 .1.5 Гомолитическое расщепление радикалов приводит к образованию нейтральной молекулы и нового, более низкомолекулярного радикала (или атома). Например, этоксильный радикал может распадаться по двум направлениям:
Б ензоильный радикал распадается с выделением диоксида углерода:
1 .1.6 Диспропорционирование радикалов. Передача атома (чаще всего водорода) или группы от одного свободного радикала к другому приводит к образованию двух нейтральных молекул, например:
1 .1.7 Изомеризация радикалов, приводящая к образованию более стабильного свободного радикала:
Свободный радикал (А), обладая незаполненной электронной оболочкой и проявляя в силу этого электрофильный* характер, стабилизируется за счет трех электронодонорных метильных групп при образовании трет.-бутильного радикала (В). Это является движущей силой изомеризации
1.2 Гетеролитические, или ионные реакции.
Гетеролитические процессы протекают с участием ионов, т.е. частиц, несущих электрический заряд, образующихся при гетеролизе ковалентной связи. При этом пара электронов сигма-связи переходит к аниону (отрицательно заряженной частице), а катион, т.е. положительно заряженная частица в случае элементов II периода останется с незаполненной 6-электронной оболочкой. Например, трет.-бромистый бутил спонтанно диссоциирует с образованием бромид-аниона и трет.-бутильного катиона.
Ионы, обладая электрическим зарядом, являются активными промежуточными частицами во многих химических реакциях. Ионы могут образовываться в процессе кислотно-основных превращений (ионизация кислот, протонирование оснований и т.д.):
Карбокатионы
Весьма распространенным процессом в органической химии является образование карбокатионов (или карбениевых ионов) с положительным зарядом, локализованным на атоме углерода. Карбокатионы в большинстве случаев являются весьма активными промежуточными продуктами (интермедиатами) и легко вступают в дальнейшие гетеролитические процессы.
Образование карбокатионов возможно в результате спонтанной диссоциации алкил-
___________________________________________________________________________
*Понятие электрофильности и нуклеофильности см. далее в разделе “Гетеролические и ионные реакции” (стр.14)
и аралкилгалогенидов, протекающей в среде полярных (т.н. ионизирующих) растворителей
Такие реакции называются процессами сольволиза. Карбокатионы, будучи электроно-дефицитными частицами, стабилизируются за счет положительного индукционного (передаваемого по простым сигма-связям) или мезомерного (передаваемого по системе сопряженных кратных связей) эффектов электронодонорных групп
Заметим, что при образовании карбокатионов меняется гибридизация карбениевого центра от sp3 (тетраэдрической) в исходном соединений до sp2 (плоской тригональной ) в катионе, что способствует стабилизации этих ионов.
Карбокатионы могут образовываться также под действием на исходные спирты (или их производные) кислот Бренстеда (т.е. протонных кислот):
л ибо действием на алкил(аралкил)галогениды кислот Льюиса (т.е. апротонных кислот):
Катионы с зарядом на гетероатоме.
Важную роль в органической химии играют катионы, положительно заряженным центром которых являются атомы азота, кислорода, серы и галогенов. Аммониевые катионы образуются при протонировании аминов (иминов) и различных азотистых оснований. Наличие неподеленной пары электронов (НПЭ) на атоме азота обуславливает достаточно высокую основность аминов*
Ароматические амины и азотистые гетероциклы (пиррол, пиразол, имидазол, триазолы, тетразол, пиридин, пиразин, пиримидин и т.д.), хотя и являются более слабыми основаниями, чем аммиак и алкиламины, также способны протонироваться под действием сильных кислот:
Ионы иммония образуются при протонировании алкил(арил, аралкил, гетерил) иминов:
Ч етвертичные аммониевые катионы образуются при алкилировании триалкиламинов галогеналканами, например,
Ионы гидроксония и алкилгидроксония (H3O+ и ROH2+) генерируются при протонировании воды и спиртов:
а ионы триалкилоксония - при алкилировании гидроксониевых солей диазометаном или алкилгалогенидами в присутствии кислот Льюиса
__________________________________________________________________________________
*Подробнее эти вопросы рассмотрены в учебном пособии «Кислотно-основные свойства органических соединений азота» авторов И.В.Целинский и И.В.Шугалей; СПб, СПбГТИ (ТУ), 2006.-57с
Ион гидросульфония образуется при протонировании серного ангидрида:
Ионы галогенония (Cl+, Br+, I+) возникают при гетеролизе связи Hgl-Hgl в молекулах галогенов, протекающем обычно под действием кислот Бренстеда или Льюиса:
Ионы нитрозония (NO+) и нитрония (NO2+) образуются в результате дегидратации протонированных под действием сильных кислот, соответственно, азотистой и азотной кислот
а ион диазония (R-N+≡N, обычно арил- или гетарилдиазония) генерируются путем дегидратации диазогидратов - таутомерной формы нитрозоаминов:
Карбанионы.
Важными промежуточными частицами в органических реакциях являются карбанионы, R3C-, т.е. частицы с отрицательным зарядом, образовавшиеся после отрыва протона основанием от исходной т.н. CH-кислоты.
П ростые углеводороды являются нейтральными соединениями и практически не проявляют кислотных свойств даже при действии очень сильных оснований, за исключением ацетилена и его производных (рКа 23-25), циклопентадиена
индена флуорена
и их аналогов.
Кислотность ацетиленов обусловлена повышенной электроотрицательностью sp-гибридизированного атома углерода, т.е. его способностью удерживать отрицательный заряд аниона. Такой же эффект при наличии более электроотрицательного атома азота у тройной связи в молекуле синильной кислоты (H-C≡N) приводит к существенному усилению кислотности (рКа 9.3).
Кислотность циклопентадиена, индена, флуорена и их производных приписывается эффекту ароматизации соответствующих карбанионов. Согласно правилу Хюккеля, ароматическими считаются циклические соединения, содержащие систему сопряженных кратных связей с (4n+2) π–электронами, где n=0,1,2,3 и т.д. Классическим ароматическим соединением является бензол, в молекуле которого имеется 6π-электронов на трех сопряженных кратных связях. При этом все шесть связей С-С молекулы бензола одинаковы, что свидетельствует о делокализации π-электронов в цикле. Такая делокализация электронов стабилизирует молекулу бензола примерно на 150 кДж/моль.
Анионы циклопентадиена, индена и флуорена являются изоэлектронными аналогами, соответственно, бензола (6π-электронов), нафталина (10π-электронов) и антрацена (14π-электронов) и также стабилизированы сопряжением (резонансом).
Карбанионы могут стабилизироваться также за счет эффекта полярного сопряжения при наличии у реакционного центра таких –М (обладающих отрицательным мезомерным эффектом) заместителей, как нитро-, циано-, сульфонильная, карбонильная, карбалкоксильная и другие группы, которые называются ацидифицирующими (т.е. придающими молекуле кислотные свойства) заместителями:
(Обоюдоострыми стрелками на этой схеме обозначаются т.н. крайние, или предельные резонансные (мезомерные) структуры, описывающие возможное распределение отрицательного заряда аниона).
Наиболее мощным –М- эффектом среди этих заместителей обладает нитрогруппа. Введение второго и третьего –М- заместителя существенно усиливает ацидифицирующий эффект за счет расширения области делокализации отрицательного заряда карбаниона:
Значения рКа ди- и тризамещенных –М-группами производных метана приведены ниже: CH2(NO2)2 3.6; CH(NO2)3 0.1; (CH3CO)2CH2 9.0; (CH3CO)3CH 5.8; CH2(CN)2 11.2; CH(CN)3 -5.1; CH(NO2)2CN -6.2.
Менее эффективно ацидифицируют углеводороды электроноакцепторные заместители, такие как галогены, действующие по механизму индукционного эффекта, т.е. путем поляризации простых σ-связей, например:
Cl3CH, pKa 15.5; C6F5H, pKa 25.8; F3CH, pKa 26.5; (CF3)3CH, pKa 11.0.
1.2.4 Реакции ионов.
1.2.4.1 Перегруппировка ионов с образованием более стабильных изомеров.
Наиболее хорошо изучены часто встречающиеся и имеющие важное практическое
п рименение перегруппировки карбокатионов. Обычно они катализируются кислотами Бренстеда или Льюиса и включают первичный акт присоединения протона к молекуле алкана с образованием карбониевого катиона с пятикоординационным атомом углерода:
Н а следующей стадии при отщеплении молекулы водорода образуется трехкоординационный катион (ион карбения), который перегруппировывается в более стабильный катион:
Третичный бутильный катион более стабилен, чем вторичный бутильный, за счет электронодонорного эффекта метильных групп, частично нейтрализующих положительный заряд катиона. Такие изменения углеродного скелета с участием карбокатиона называются перегруппировками Вагнера-Меервейна.
Возможны также перегруппировки без изменения скелета, например,
превращение первичного пропильного катиона в более стабильный вторичный путем т.н. 1,2-гидридного сдвига, т.е. перемещения атома водорода с двумя электронами
Перегруппировки с участием карбанионов встречаются значительно реже в связи с необходимостью делокализации четырех электронов в переходном состоянии (ПС) вместо двух в случае карбокатионов:
Известны 1,2-сдвиги арильных групп, например, в реакции 1,1,1-трифенил-2-хлорэтана с натрием, протекающие с промежуточным образованием карбаниона:
Карбанион Б стабилизирован делокализацией отрицательного заряда на двух фенильных группах, что обеспечивает движущую силу процесса.
В перегруппировке Стивенса происходит 1,2-сдвиг алкильной группы от атомов азота или серы к атому углерода карбаниона:
1.2.4.2 Распад иона на более простой ион и молекулу.
Одним из вариантов стабилизации карбокатионов является отщепление протона с образованием алкенов:
Алкокси-анионы, например, анионы β, β-динитроспиртов или анион ацетонциангидрина, легко расщепляются в щелочной среде на более термодинамически стабильные анионы 1,1-динитроалканов или цианид-анион с выделением карбонильного соединения (реакция ретро-Анри)
1.2.4.3 Присоединение ионов к нейтральным молекулам.
Такие реакции характерны как для катионов (электрофильное присоединение), так и для анионов (нуклеофильное присоединение) и протекают с участием непредельных соединений, содержащих связи С=С, С=N, С=O и т.д., и соединений с малыми карбо- и гетероциклами (циклопропан, азиридин, оксиран, оксетан). Например, галогенирование алкенов:
Кислотно-катализируемая гидратация алкенов:
Присоединение карбокатионов к алкенам:
:
Р еакция Михаэля:
Электрофильное присоединение к кратным связям
Реакции раскрытия циклов
1.2.4.4 Замещение ионами других ионов в нейтральных молекулах.
Это широко распространенный тип реакций в органической химии. Подобные процессы протекают в рядах насыщенных алифатических, непредельных, ароматических и гетероциклических соединений с участием катионов, анионов и нейтральных соединений, генерирующих ионы при действии катализаторов либо спонтанно.
Н апример, нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода:
Э лектрофильное замещение в ароматических соединениях:
Нуклеофильное замещение в ароматическом ряду
1.2.4.5 Рекомбинация с ионом противоположного знака.
Сюда относятся процессы, обратные реакциям гетеролиза ковалентной связи, например, нейтрализация Бренстедовских кислот основаниями:
а также процесс, обратный сольволизу алкилгалогенидов:
Взаимодействие неорганических катионов с анионами приводит к образованию нейтральных молекул:
1.2.5 Нуклеофильные и электрофильные реагенты и реакции.
Гетеролитические реакции и реагенты подразделяются на нуклеофильные и электрофильные. Химические связи в этих реакциях образуются таким образом, что одна частица является носителем пары электронов, а другая имеет свободную или освобождающуюся в ходе реакции орбиталь для образования ковалентной связи. Носитель пары электронов, отдающий ее для образования связи с субстратом, называется нуклеофильным реагентом, или нуклеофилом, а частица, предоставляющая свободную орбиталь для образования ковалентной связи – электрофильным реагентом, или электрофилом.
Н апример, в реакции замещения
этоксильный анион (реагент) является нуклеофилом, а метилиодид (субстрат) – электрофилом.
В реакции ароматического нитрования нитроний-ион (реагент) является электрофилом, а бензол (субстрат)- нуклеофилом.
Нуклеофильными реагентами могут быть:
-Анионы: Н¯(гидрид), ОН¯(гидроксид), RO¯(алкоксид), ArO¯(арилоксид или фенолят), HOO¯(гидропероксид), RCOO¯(ацилоксид или карбоксилат), HS¯(гидросульфид), RS¯ (алкилтиолат), RC(O)S¯(тиокарбоксилат), ArS¯(тиофенолят), NH2¯(амид), R2N¯ (диалкиламид), N3¯(азид), CN¯(цианид), NCO¯(цианат), SCN¯(тиоцианат), F¯(фторид), Cl¯(хлорид), I¯(иодид), NO2¯(нитрит), NO3¯(нитрат) и другие, в том числе карбанионы: R2C¯NO2 (нитронат), CH3C(O)CH2¯(ацетонат), ¯CH2C≡N (анион ацетонитрила), (CH3CO)2CH¯(ацетилацетонат), Cl3C¯(трихлорметид), Ar2CH¯ (бензгидрильный анион), R C(NO2)2¯(гем-динитроалкильный анион или 1,1-динитрокарбанион), Ar3C¯ (триарилметильный анион), RC≡C¯ (ацетиленид-анион), C¯≡N (цианид-анион),
(циклопентадиенил-анион),¯CH(CN)2 (анион малононитрила), (C2H5OCO)2CH¯ (диэтилмалонат-ион) и т.д.
Нейтральные молекулы, имеющие атомы с неподеленными парами электронов: вода (H2O), спирты (ROH), фенолы (ArOH), аммиак (NH3), амины (R3N), гидразины (RNHNH2), гидроксиламины (RNHOH), фосфин (PH3).
Положительно заряженные (или нейтральные) реагенты, принимающие в ходе реакции электронную пару для образования ковалентной связи с субстратом, как сказано выше, называются электрофилами.
К ним относятся:
- катионы H+ (гидроний), Cl+ (хлороний), Br+ (бромоний), NO+ (нитрозоний), NO2+ (нитроний), ArN+≡N (арилдиазоний), HSO3+ (гидросульфоний), катионы металлов (Ag+ ,Hg2+ и др.),
-карбокатионы R3C+(триалкилкарбениевый ион* или триалкилкарбокатион), Ar3C+ (триарилкарбениевый ион), C6H5CH2+ (бензил-катион), CH2=CHCH2+ (аллил-катион),
+CH2OH (гидроксиметил-катион), +CH2Cl (хлорметил-катион), R2N-CH2+ (карбений-иммониевый ион) , R-C+ =O (ацилий-катион).
-кислоты Льюиса: BF3, AlCl3, ZnCl2, SnCl4, TiCl4, SbF5 и т.д.
- нейтральные молекулы, образующие катионы при гетеролизе, например,
- молекулы с кратными полярными связями
способные образовывать новую связь за счет пары электронов субстрата.
______________________________________________________________________
*Логичнее было бы назвать этот ион и аналогичные катионы карбониевыми ионами (подобно аммонииевым, оксониевым, сульфониевым ионам), однако это название закреплено за пятикоординированным углеродным катионом (например, CH5+-ион метония), в отличие от трехкоординированных карбениевых ионов.
Разделение гетеролитических реакций на нуклеофильные и электрофильные в значительной мере условно, т.к. в бимолекулярной гетеролитической реакции участвуют как нуклеофильный, так и электрофильный компоненты. Например, в рассмотренной выше реакции нитрования бензола NO2+ является электрофилом, а C6H6-нуклеофилом.
Однако в синтетической химии реагирующие вещества условно делят на реагенты и субстраты, причем субстратами чаще всего считается нейтральная молекула или частица с большей молекулярной массой (или большим количеством атомов). Реагенты часто являются неорганическими соединениями, поэтому в приведенной выше реакции NO2+ считается реагентом, а C6H6 –субстратом, и реакция считается процессом электрофильного замещения.
В нуклеофильной же реакции субстрат подвергается действию нуклеофильного реагента.