02 - (2004) (1125801), страница 15
Текст из файла (страница 15)
К'К2С Кз К е'О~ + кна) — К -с — с — к + Н 10 ~2 енолят-ион К2 О О О е О ХРК + КН) О КН) О О фталимидкалий (реакция Габриэля) КС +КН) Кс-., +Н,)- :О 1 о О ОК Хз + КНа1 — ~ КХз + На1 КС= С:+ К На1 — КС:— СК + На1 . 3. Катионный субстрат — нейтральный нуклеофил ка е Н:+КЛ Н вЂ” К К:. Например: тиомочевина ХН2 :Я=с + ХН2 оо о )'ХН Ъ КБ(СНз)2Х С вЂ” 8 — К + (СНз)25 НХ Я-алкилтиурониевая соль 4. Катионный субстрат — анионный нуклеофил Н: РКК Н К+К:. Например: 0 О В О Уг З КСОО +КОВР К,— С +КОРВР тетрафторборат триалкилоксония СНз О я( 1 (СНз)зСНЫОз + КСНзХ(СНз)з~ КСНз — С )(10з + (СНз)з(Р(:; СНЗ 0 0 ,О Ф~ КС Р.Н(СН( РС Р(СН(Н'.
О 0 ОК Из этого далеко не полного перечня можно сделать вывод, что с помощью реакций нуклеофильного замещения у насыщен- ного атома углерода можно осуществить синтез практически лю- бого класса соединений алифатического ряда. По типу механизма реакции нуклеофильного замещения под- разделяются на бимолекулярные, обозначаемые символом Гн2 (зпЬ- згй(цюп ппс1еорЫ)1с Ьппо1есп1аг) и мономолекулярные 5„1 (зпЬзг1- (пйоп ппс1еорйй11с пзопощо1есц1аг). В главе 3 (3.1) органические реакции были разделены на три категории: 1) изомеризации и пере(руппировки, 2) диссоциация и рекомбинация, 3) бимоле- кулярное замещение.
В соответствии с этой классификацией реак- ции Ян2 относятся к третьей, а Ян1 — ко второй категории: Р~ Хпр+ К вЂ” Š— В Ь)п — К + Х: Бн2, ~Р КК КВ+ г~ КН В„(. рекомбинация Изучение нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода сыграло исключительно важную роль в становлении и развитии фундаментальных представлений о механизме реакций и вместе с тем представляет собой наиболее детально изученный тип органических реакций.
Исследование механизма нуклеофильного алифатического замещения было начато в середине 1930-х годов двумя выдающимися учеными К.К. Ингольдом и Э.Д. Хьюзом, которым принадлежит серия блестящих основополагающих пионерских работ, составляющих золотой фонд 96 физической органической химии. Впоследствии идеи Ингольда и Хьюза получили дальнейшее развитие и были значительно модифицированы. Тем не менее предложенная ими классификация механизмов нуклеофильного алифатического замещения на Як2- и Ягв1-типы до сих пор остается самой удобной основой, с которой следует начинать обсуждение механизма нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода.
9 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕХАНИЗМОВ Я.11 И Яи2 При реализации классического ионизационного механизма Ял,1 Ингольда — Хьюза определяющей скорость реакции стадией является гетеролитическая диссоциация, ведущая к образованию свободного трехкоординированного карбокатиона и уходящей группы.
Далее следует вторая стадия — быстрая рекомбинация электрофильного карбокатиона с любым основанием Льюиса (нуклеофилом), имеющимся в растворе, включая и сам растворитель. Этому процессу соответствует энергетическая диаграмма, представленная на рис. 9.1, а. а ез Ф о Координагареакции Н / е Ни< ф „: С~ ) + С >7<; ) Рис. 9.1.
Энергетические диаграммы для предельного случая механизмов зл1 (в) и Бвг (в). Переходное состояние злг-механизма (в) Такой диссоциативный механизм имеет следующие характерные следствия. 1. Поскольку определяет скорость всей реакции стадия ионизация, реакция подчиняется кинетическому уравнению первого порядка: ДВА] скорость = — = )с~(ВХ). сй Таким образом, скорость ионизации субстрата не должна зависеть ни от природы, ни от концентрации нуклеофильного реагента Хц ь 2. Из энергетической диаграммы следует, что энергия переходного состояния стадии ионизации  — х. близка к энергии продукта первой стадии, карбокатиона. Следовательно, переходное состояние «похоже» на карбокатион и в структурном смысле, тогда структурные факторы, понижающие энергию карбокатиона, должны понижать и энергию переходного состояния.
Это является следствием постулата Хэммонда, подробнее рассмотренного в гл. 13. Другими словами, чем стабильнее В', тем выше скорость Гл1 -реакции субстрата КУ,. 3. Ионизация должна зависеть как от ионизирующей силы растворителя, так и от присутствия в растворе солей с общим ионом У,, влияющих на диссоциацию вследствие закона действия масс, или без общего иона, способствующих ионизации вследствие увеличения ионной силы раствора. 4. Если карбокатион, образующийся при ионизации, достаточно стабилен, он примет наиболее выгодную плоскую конфигурацию, которая ахиральна. Следовательно, стереохимическим результатом классического (предельного) Юя1-механизма должна быть рацемизация. Классический бимолекулярный механизм замещения Гл2 описывает синхронную одностадийную реакцию, в которой переходное состояние представляет собой тригональную бипирамиду с пентакоординированным атомом углерода (рис. 9.1).
Важнейшей особенностью 5„2-механизма является отсутствие какого-либо интермедиата в процессе согласованного замещения группы Е на Хи (см. рис. 9.1, б). В таких реакциях главным энергетическим фактором является взаимодействие несвязывающей орбитали нуклеофила (ВЗМО) с разрыхляюшей о*-орбиталью связи С вЂ” У. (НСМО). Согласованный механизм нуклеофильного замещения имеет кинетические и стереохимические следствия. 1. Реакция имеет общий второй кинетический порядок, первый по субстрату и первый по нуклеофилу: 98 Ы[КЛ] скорость = — = 113[КХ] [Щ. Н 131 О ацетон ! ° с — ~ СН5' 1 СбН!3 (+)-2-йодоктан Н 1311 С + 1О 1 'сн, с,н„ ( — )-2-йодоктан Каждый элементарный акт замещения йода на радиоактивный изотоп сопровождается обращением (инверсией) конфигурации.
Таким образом, для бимолекулярного замещения характерно обращение стереохимической конфигурации у хирального атома углерода. 3. В переходном состоянии согласованной Хч2-реакции степень координации центрального атома углерода увеличивается до пяти, а само переходное состояние представляет собой тригональную бипирамилу. Из этого следует, что скорость реакции должна быть в очень сильной степени чувствительна к пространственным факторам, в первую очередь к объему заместителей при Нуклеофил участвует в образовании переходного состояния, поэтому скорость должна зависеть как от концентрации, так и от природы нуклеофила, что резко отличает согласованную Юл2-реакцию от ионизационного механизма Ял1. 2. Другой принципиально важной характеристикой Юл2-механизма является стереохимия реакции. Синхронная Ял2-реакция должна быть стереоспецифической, молекулярно-орбитальное описание структуры переходного состояния этого процесса (см. 9.2.2) показывает, что атака нуклеофила наблюдается с тыла.
Нуклеофильный агент Хи: атакует субстрат КУ со стороны, противоположной уходящей группе У., таким образом, чтобы образование связи С вЂ” Хи сопровождалось синхронным расщеплением связи С вЂ” У. в тригональном бипирамидальном переходном состоянии с пентакоординированным атомом углерода (рис. 9.1, в). Стереохимическим следствием такого процесса должно быть так называемое вальденовское обращение конфигурации при хиральном атоме углерода, связанном с уходящей группой. Это явление будет подробно рассмотрено в разделе 9.2.1. Обращение конфигурации неукоснительно выполняется в Юл2-реакциях. В этом разделе будет приведен только один, но, вероятно, самый наглядный и убедительный пример, в котором происходит изотопное замещение йода в (+)-2-йодоктане под действием радиоактивного йодид-иона (Ингольд, Хьюз, 1935): Таблица 9.1 Физические свойства алкилгалогеиидов Формула -78 — 24 4 42 40 61 77 сн р СНзС! СН Вг сн ! СН,С1, СНС1 СС1, -! 42 -97 -96 -бб -96 -63 -23 +8 -143 -140 -120 -111 -160 — 123 — 110 -101 -133 -117 -89 -91 — 123 -112 -103 -28 -20 -12 -99 — 95 -86 94 — 85 -61 -55 149/1 мм 190эг11 мм 46 71 102 +! 7 -136 -119 -99 !00 Аакмхгааагеппл Метилфторид Метилхларид Метидбромид Метилйодид Метилеихлорил Хлороформ Четыреххлористый углерод Бромаформ Этилфторид Этилхлорид Эгилбромид Этилйодид н-Прапилфторил н-Пропилхлорид н-Пропилбромид н-Пропилйодид Изопропилфторил Изопропилхларид Изопропилбромил Изпропилйодид н-Бугилфторид и-Бупглхлорид н-Бутилбрамид н-Бугнл йодид врет-Бугилхлор ид врет-Бугилбром трет-Бутилйодид н-Пеитилфторид н-Пеитилхлорил п-Пеитилбромил и-Пситилйодид и-Гексилхлорид и-Гексилбромил и-Гексилйодид 1-Хлороктаи 1-Бромоктаи 1-Хлоргексадекаи 1-Брамгексадекаи Аллилхлорид Аллилбрамид Аллилйолил СНВгз СНЗСНЗР СН,СН,С) СНзСНЗВг сн,сн,! СН,СН,СНвР СНзСНЗСНЗС) СНзСНЗСНЗВг СНзСНЗСНЗ! (СНЗ)зснр (СНЗ)ЗСНС! (СН3)зснвг (сн Ьсн) СНэ(СНЗ)зР СНз(СНЗ)зС! СНз(СНЗ)зВг СНз(СНЗ)з1 (сн ) сс! (СНЗ)ЗСВГ (СНз)зС! Снэ(снз)4Е СНз(СНЗ)4С) СНз(СНЗ)4Вг СНЗ(СНЗ)41 Снз(СНЗ)ЗС! СНз(СНЗ)ЗВг СНз(СНЗ)51 СНэ(СНЗ)ЗС! СНз(СНЗ)ЗВг СНз(СНЗ)!ЗС1 СНз(СНЗ) мВг СНЗ=СНСНЗС! СНЗ=СНСНЗВг СНЗ=СНСНЗ! Температура пааеаепи»,'С Температура кипения,'С 150 — 38 12 38 72 — 3 47 71 102 -1О 36 60 89 +32 +78 101 131 51,5 73 100 63 108 130 155 !35 156 180 182 201 Гзлптпесп, г/емз 0,87 при -78'С 0,92 1,73 2,28 1,34 1,50 1,60 2,89 0,82 при -38'С 0,92 1,43 1,94 0,78 0,89 1,35 1,75 0,77 0,86 1,31 1,70 0,78 0,89 1,30 1,62 0,85 1,23 1,54 0,78 0,88 1,22 1,52 0,88 1,!8 1,44 0,87 1,!2 0,87 0,99 0,94 1,85 Таблица 9.2 Влияние структурных факторов в субстрате иа скорость Ягт2-реакций алкилхлоридов и алкилбромидов с К! в ацетоне ирн 50 С Субстрат Субстрат 0,003 аикао-СеН33С! 200 СН,С! СНзСН3С! СНЗСНЗСНЗС1 СНзСЕ13СЕ13СНрС1 л-Санг!с! -С,Н С1 100,000 С,Н,СОСН,С! СНЗСОСНРС1 С!СЕ13СООСзЕ1 3 С!Снзс1Ч 2„50 36,000 1,10 !700 1,00 1,30 3000 1,20 0,040 СН3 СН СНЗВг 1 СН 210 3 (Снз)зсс113Вг 0,02 СНЗСНСН3 С! 2,200 0,02 СНЗСН3Вг СНЗСЕ1СНзСН3 ! С1 79 СНзСНзСНрСНрВг 1,000 СНЗ=СНСНЗС1 СбНзСНЗС! 200 центральном атоме углерода.
Скорость Хт2-реакций для алкилга- логенидов и алкилсульфонатов уменьшается в ряду СН3 > С2Н5 > НСН2 > ЕЕ2СН > ЕЕЗС . первичный вторичный третичный 101 Среди алкилгалогенидов и алкилсульфонатов скорость реакций Ягг2-замещения наиболее высока для метилгалогенидов и метилсульфонатов СНЗХ. Последовательное замещение атомов водорода в метильной группе на алкильные группы создает пространственные препятствия для нуклеофильной атаки и вызывает непрерывное уменьшение скорости реакции. Физические свойства алкилгалогенидов представлены в табл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
