GL_18_Карбоновые к-ты (1125831), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

Алкоксикарбонилирование арил- , винил- и бензилгалогенидов катализируется также и фосфиновыми комплексами Pd(II) в присутствии третичного амина.

18.8.2. Гидролиз сложных эфиров

Гидролиз сложных эфиров катализируется как кислотами, так и основаниями. Кислотный гидролиз сложных эфиров проводят обычно при нагревании с соляной или серной кислотой в водной или водно-спиртовой среде. В органическом синтезе кислотный гидролиз сложных эфиров чаще всего применяется для моно- и диалкилзамещенных малоновых эфиров (глава 17). Моно- и дизамещенные производные малонового эфира при кипячении с концентрированной соляной кислотой подвергается гидролизу с последующим декарбоксилированием.

Для гидролиза, катализируемого основанием, обычно используют водный или водно-спиртовый раствор NaOH или KOH. Наилучшие результаты достигаются при применении тонкой суспензии гидроксида калия в ДМСО, содержащем небольшое количество воды.

Последний способ предпочтителен для омыления сложных эфиров пространственно-затрудненных кислот, другой модификацией этого метода является щелочной гидролиз пространственно-затрудненных сложных эфиров в присутствии 18-краун-6-полиэфира:

Для препаративных целей гидролиз, катализируемый основанием, имеет ряд очевидных преимуществ по сравнению с кислотным гидролизом. Скорость основного гидролиза сложных эфиров, как правило в тысячу раз выше, чем при кислотном катализе. Гидролиз в кислой среде является обратимым процессом, в отличие от гидролиза в присутствии основания, который необратим.

18.8.2.а. Механизмы гидролиза сложных эфиров

Гидролиз сложных эфиров чистой водой в большинстве случаев обратимая реакция, приводящая к равновесной смеси карбоновой кислоты и исходного сложного эфира:

Эта реакция в кислой и щелочной средах сильно ускоряется, что связано с кислотно-основным катализом (гл. 3).

Согласно К. Ингольду механизмы гидролиза сложных эфиров классифицируются по следующим критериям:

(1) Тип катализа: кислотный (символ А) или основной (символ В);

(2) Тип расщепления, показывающий, какая из двух -связей С-О в сложном эфире расщепляется в результате реакции: ацил-кислород (индекс АС) или алкил-кислород (индекс АL):

(3) Молекулярность реакции (1 или 2).

Из этих трех критериев можно составить восемь различных комбинаций, которые приведены на схеме 18.1.

Это наиболее часто встречающиеся механизмы. Щелочное омыление практически всегда относится к типу В_АС2. Кислотный гидролиз (а также этерификация) в большинстве случаев имеет механизм А_АС2.

Механизм А_АС1 обычно наблюдается только в сильно кислых растворах (например, в конц. H₂SO₄), и особенно часто для эфиров пространственно затрудненных ароматических кислот.

Механизм В_АС1 пока неизвестен.

Механизм В_АL2 найден только в случае исключительно сильного пространственно экранированных ацильных групп и нейтрального гидролиза -лактонов. Механизм А_AL2 пока неизвестен.

По механизму А_AL1 обычно реагируют третично-алкильные сложные эфиры в нейтральной или кислой среде. Эти же субстраты в подобных условиях могут реагировать по механизму В_АL1, однако при переходе в чуть более щелочную среду механизм В_АL1 сейчас же сменяется на механизм В_АС2.

Как видно из схемы 18.1, реакции, катализируемые кислотами, обратимы, и из принципа микроскопической обратимости (гл.2) следует, что и катализируемая кислотами этерификация тоже протекает по подобным механизмам. Однако при катализе основаниями равновесие сдвинуто в сторону гидролиза (омыления), поскольку равновесие сдвигается вследствие ионизации карбоновой кислоты. Согласно приведенной схеме в случае механизма А_АС1 группы COOR и COOH протонируются по алкоксильному или гидроксильному атому кислорода. Вообще говоря, с точки зрения термодинамики более выгодно протонирование карбонильного кислорода, группы C=O, т.к. в этом случае положительный заряд может делокализоваться между обоими атомами кислорода:

Тем не менее в небольших количествах в растворе содержится и таутомерный катион - необходимый интермедиат в механизме А_АС1. Оба В1 - механизма (из которых В_АС1 неизвестен) на самом деле вовсе не каталитические, ибо в начале происходит диссоциация нейтрального эфира.

Из восьми ингольдовских механизмов экспериментально доказаны лишь шесть.

18.8.2.б. Механизмы А_АС2 и В_АС2

Подавляющее большинство сложных эфиров предпочитает гидролизоваться по механизму А_АС2 или В_АС2. В основных чертах механизм таких реакций хорошо исследован, хотя все же остаются некоторые сомнения в тонкостях катализа.

Получены веские доказательства в пользу ацил-кислородного расщепления. Так, гидролиз сложных эфиров с использованием H₂¹⁸O в основном приводит к меченой карбоновой кислоте и немеченому спирту (М. Поляньи), а гидролиз этилпропионата, меченого изотопом ¹⁸О по эфирному кислороду, - наоборот, к немеченой кислоте и меченому спирту (Д.Н. Курсанов).

Гидролиз сложных эфиров оптически активных спиртов дает спирты, в которых стереохимическая конфигурация сохраняется. Сложные эфиры аллиловых и неопентилового спирта при гидролизе не перегруппировываются. Ясно, что эти факты говорят о том, что связь алкил-кислород в этих реакциях не затрагивается.

В качестве промежуточных продуктов в реакциях А_АС2 и В_АС2 образуются тетраэдрические соединения, имеющие положительный или отрицательный заряд (схема 18.1). Двухстадийный механизм с дискретным интермедиатом доказан изучением изотопного обмена ¹⁸О (М. Бендер, 1951), в ходе которого было установлено, что при гидролизе алкилбензоатов в H₂¹⁸O определенное содержание радиоактивного кислорода обнаруживается в непрореагировавшем сложном эфире. Это означает, что, например, для щелочного катализа, необходимо предположить следующую схему обмена:

Ключевой стадией является перенос протона между двумя изотопически различными тетраэдрическими интермедиатами. Хотя это и быстрый процесс, он не мог бы осуществляться, если бы тетраэдрический анион был не интермедиатом, а переходным состоянием с бесконечно малым временем существования.

Гидролиз по механизму В_АС2 в заметной степени ускоряется электроноакцепторными заместителями в кислотной части эфира, стабилизирующими отрицательный заряд в интермедиате. Так, скорость омыления эфиров замещенных бензойных кислот подчиняется уравнению Гаммета ( = 2.5). С другой стороны, скорость А_АС2 - гидролиза практически не зависит от природы заместителя; это связано с тем, что, например, электронодонорные группы увеличивают степень протонирования эфира, но в то же время замедляют нуклеофильную атаку. Аналогично, заместители в арильной группе феноловых эфиров алифатических кислот гораздо сильнее влияют на щелочной гидролиз (обычно   1,2), чем на кислотный (  -0,2).

18.8.2.в. АL - Механизмы

Гидролиз по любому из АL - механизмов по существу представляет собой нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода, в котором уходящей группой является или карбоксилат-анион (В_AL), или нейтральная молекула карбоновой кислоты (А_AL).

Мономолекулярные реакции такого типа обычно характерны для трет.-алкиловых эфиров и аналогичных им субстратов, которые могут диссоциировать с образованием относительно стабильных карбокатионов. В водных растворах кислот это совершенно нормальный путь реакции. Стадия диссоциации протонированного трет-алкилового эфира хотя и является лимитирующей скорость, но идет очень быстро. Например, скорость гидролиза трет-бутилацетата в 20%-ной Н₂SO₄ так велика, что ее нельзя измерить, несмотря на то, что исходный эфир в такой среде протонирован в очень слабой степени.

Сложные эфиры уксусной кислоты и оптически активных третичных спиртов гидролизуются в щелочном растворе с сохранением конфигурации по двухстадийному механизму В_АС2, но в разбавленной кислоте получается сильно рацемизованные спирты, в соответствии с механизмом А_AL1:

Если проводить гидролиз трет-бутилацетата в 0.01 М растворе HCl в H₂¹⁸O, то основная часть метки обнаруживается в трет-бутаноле. Однако частично метку можно обнаружить и в уксусной кислоте. Это означает, что параллельно осуществляются механизмы А_AL1 и А_AС2:

Тритиловые (трифенилметиловые) эфиры карбоновых кислот частично ионизированы даже в нейтральных растворах

В случае бензгидриловых (дифенилметиловых) эфиров баланс механизмов такой же тонкий, как для трет-бутилацетата. Механизм А_AL1 преобладает при высоких температурах, в более кислых растворах или если в бензгидрильной группе имеются электронодонорные заместители. Баланс сдвигается в сторону механизма А_AС2 при более низких температурах, в слабокислых растворах. Первичные бензиловые эфиры RCOOCH₂C₆H₅ даже в очень сильной кислоте расщепляются по механизму А_AС2.

Механизм В_AL1 (вопреки обозначению это некатализируемые реакции) встречается значительно реже, чем А_AL1. Примером является гидролиз трет-бутилтрифторацетата.

В щелочной среде механизм В_AL1 меняется на В_AС2.

Бимолекулярные механизмы типа Al чрезвычайно редки. Механизм А_AL2 вообще неизвестен, а В_AС2 найден лишь на специфических примерах. Поскольку карбонильный атом углерода значительно жестче (как кислота Льюиса), чем алкоксильный углерод, гидроксильный ион (жесткое основание) предпочитает атаковать по карбонильной группе. Ситуацию можно изменить, создав стерические препятствия атаке по карбонильному углероду. Так, метиловый эфир 2,4,6-три-третбутилбензойной кислоты в щелочном водном метаноле гидролизуется (очень медленно) по механизму В_AL2, однако менее пространственно затрудненный эфир 2,4,6-триметилбензойной кислоты гидролизуется по обычному В_AС2 - механизму.

По механизму В_AL2 гидролизуются также очень напряженные -лактоны, содержащие четырехчленный цикл. Эта реакция идет в нейтральной среде. Механизм подтверждается опытами с ¹⁸О, а также инверсией конфигурации у алкильного атома углерода:

В кислых же растворах может происходить протонирование алкоксидного кислорода, а затем раскрываться цикл путем ацил-кислородного расщепления (механизм А_АС1).

18.8.2.г. Механизм А_АС1

Некаталитическая диссоциация сложного эфира на катион ацилия и алкоксидный анион ( ) (В_АС1) неизвестна, но в кислых растворах, когда образуется некоторое количество эфира, протонированного по алкоксидному кислороду, подобный процесс, ведущий к катиону ацилия и спирту, возможен. Как показали криоскопические исследования, в растворах в 100%-ной серной кислоте 2,4,6-триметилбензойная кислота дает четыре частицы, а ее метиловый эфир - пять частиц:

Экспериментально гидролиз часто проводят следующим образом:

сначала эфир растворяют в концентрированной H₂SO₄, а затем быстро выливают в воду. Аналогично ведут и этерификацию: кислоту растворяют в концентрированной H₂SO₄ и быстро выливают в спирт. Применение метки ¹⁸О подтверждает, что в реакции расщепляется связь ацил-кислород. Значение энтропии активации (S^ = +17 кал.К^-1моль^-1) согласуется с диссоциативным механизмом.

18.8.3.а. Общий основной и нуклеофильный катализ

Как уже отмечалось выше, реакцию омыления В_АС2 в строгом смысле слова нельзя считать каталитической, так как гидроксильнй ион ведет себя как нуклеофил, а не как основание. Истинный катализ основаниями наблюдается при проведении гидролиза в условиях, когда среда близка к нейтральной. Гидролиз сложных эфиров в нейтральной среде - довольно общая реакция и катализируется самыми разными основаниями. В таких условиях возможна реализация двух типов катализа: обще-основного и нуклеофильного (см. гл.3). При общем основном катализе основание способствует атаке молекулы воды на сложный эфир:

Характеристики

Список файлов книги