книги / Механизмы органических реакций

гид действовать этилмагнийбромидом, возникает бутанол-2, имеющий асимметрический центр. Поскольку подход реагента к обеим энантиотопным сторонам связи С=О равновероятен, образуются равные количества (R)- и (S)-изомеров, т.е. возникает рацемат:

Описаны многие сотни синтезов, в которых исходные оптически активные вещества «встраивались» в качестве хиральных фрагментов в самые различные структуры.

Правовращающая винная кислота – самое доступное и дешевое оптически активное вещество, получаемое в промышленных масштабах из винного камня (кислый тартрат калия), осаждающегося на стенках бочек винодельческих заводов. Легкодоступны также молочная, яблочная, 3-гидроксимасляная кислоты.

Винная кислота используется для синтеза 1,4-бис-(диметил- амино)-бутандиола-2,3 (ДДБ). Это соединение часто используют в качестве хирального вспомогательного вещества в асимметрических синтезах:

Другая природная оптически активная гидроксикислота – яблочная – используется в синтезе алкиляблочных кислот:

71

Образование рацематов. Если в химических реакциях участвуют только ахиральные реагенты и растворители, продукты реакции должны быть или ахиральными, или, если они хиральны, рацематами.

Например, рассмотрим реакцию хлорирования бутана:

2-Хлорбутан представляет собой рацемат, состоящий из эквимолярной смеси (R)-2-хлорбутана и (S)-2-хлорбутана.

Причина рацемизации в том, что образующийся втор- бутильный радикал планарен и молекула хлора может атаковать его с обеих сторон.

Нужно отметить, что оба продукта являются энантиомерами. Значит, они обладают идентичными физическими свойствами, включая длины связей, значение углов, свободную энергию образования. Поскольку обе реакции проходят с образованием интермедиатов с одинаковой энергией, они имеют одинаковые энергии активации, поэтому образуется смесь (R)- и (S)-изомеров в соотношении 50:50.

Разделение рацематов на оптические антиподы. При по-

лучении в лаборатории веществ, молекулы которых содержат асимметрические атомы, в обычных условиях образуется рацемат. Так, атака синильной кислотой кетона в каждом единичном случае должна приводить к оптически активному циангидрину:

Статистически безразлично, идет эта атака сверху или снизу, как изображено на схеме, поэтому окончательные продукты реакции состоят из равного количества молекул обоих изомеров, т.е. являются рацемической смесью.

72

Луи Пастер на примере виноградной кислоты дал ряд классических методов расщепления рацематов.

Одним из наиболее общих методов является метод диастереомеров, который заключается в получении различных производных энантиомеров за счет превращения их в диастереомеры. Суть этого метода может быть продемонстрирована следующей схемой:

Когда на рацемат действуют каким-либо оптически активным реактивом, то образуется новая пара веществ, уже не являющихся оптическими антиподами, так как одна из составных частей этих соединений тождественна. Поэтому такие соединения просто не могут быть зеркальными изображениями друг друга и являются диастереомерами. Как уже упоминалось выше, диастереомеры в отличие от оптических антиподов отличаются друг от друга физическими свойствами, такими как растворимость, давление пара, коэффициенты адсорбции и т.д.

В большинстве случаев такого различия в свойствах оказывается достаточно для разделения диастереомеров, т.е. для расщепления исходной рацемической смеси.

После разделения диастереомеров каким-либо способом удаляют оптически активный реактив и получают оптически активный энантиомер. Таким образом, разделение рацематов на оптические антиподы с помощью метода диастереомеров включает три стадии:

1)образование пары диастереомеров;

2)разделение этой пары путем использования появившихся различий в свойствах;

3)разрушение чистых диастереомеров и выделение оптически активных энантиомеров.

73

Образование диастереомеров возможно только в том случае, когда разделяемое вещество имеет какую-либо группу, способную реагировать с оптически активным реактивом. Кроме того, важно, чтобы при реакции не затрагивались связи асимметрического центра. Практически наиболее часто используют реакцию солеобразования. Так, при взаимодействии рацемической виноградной кислоты, представляющей собой смесь (+)- и (–)-винных кислот, с оптически активным основанием, например бруцином, вращающим плоскость поляризации света вправо, образуются диастереомерные соли в равных количествах. Эти соли имеют различную растворимость, и, например, одна из них сразу выпадает из бензола, а другая хорошо растворяется в нем. Разложив далее щелочью разделенные таким способом соли, получают натриевые соли (+)- и (–)-винных кислот, из которых действием неорганической кислоты выделяют свободные винные кислоты.

Асимметрический синтез. Развитие методов расщепления рацематов для получения чистых оптически активных веществ имеет большое практическое значение. Однако в последнее время быстро развивается другой путь получения оптически активных соединений – асимметрический синтез. Различие между этими двумя методами получения оптически активных веществ состоит в том, что при разделении рацематов речь идет о расщеплении уже полученных (в равном количестве) энантиомеров, а при асимметрическом синтезе – о создании в неравных количествах энантиомеров в процессе реакции их образования из прохиральных молекул.

Идея асимметрического синтеза состоит в том, чтобы в процессе (чаще всего в переходном состоянии) в момент возникновения асимметрического атома в прохиральной молекуле на нее действовал какой-либо асимметрический агент. Если воздействует асимметрическая молекула, то речь идет о так называемом частичном асимметричном синтезе; если асимметрический агент имеет физическую природу, то об абсолютном асимметричном синтезе.

Например, присоединение оптически активного α-фенил- этиламина к малеиновой кислоте и последующий гидрогенолиз

74

сотщеплением этилбензола приводит к аспарагиновой кислоте

соптическим выходом (ОВ) 76 %:

Сдовольно высоким оптическим выходом (до 70 %) оптически активные аминокислоты могут быть получены по общей схеме, исходя из эфиров доступной природной оптически активной α-аминокислоты (чаще всего аланина). На первой стадии образуется производное основания Шиффа, затем оно подвергается гидрогенолизу двойной связи C=N с предшествующим гидролизом сложноэфирной группы аланина, именно на этой стадии «наводится» оптическая активность. Далее при действии окислителя (трет-бутилгипохлорита) идет декарбоксилирование остатка аланина с окислением по его –C–N-связи. Последующий гидролиз приводит к оптически активной α-аминокислоте:

H

H

R * COOR' CH3CHO

NH2

75

Успехи в реализации абсолютного асимметрического синтеза на сегодняшний день значительно скромнее, чем частичного. Однако только абсолютный асимметрический синтез может дать ответ на вопрос, как появились на Земле первые оптически активные органические соединения, без которых невозможна никакая жизнь. В связи с этим возникает вопрос: какое природное физическое воздействие может быть асимметрическим? Повидимому, главную роль тут может играть циркулярно поляризованный свет, образующийся при отражении обычного света от водных поверхностей. Исследован целый ряд фотохимических процессов, приводящих при облучении прохиральных соединений циркулярно поляризованным светом к асимметрическим молекулам. Достоверно показано, что удается получать преобладание одного из энантиомеров в реакционном продукте, хотя и с весьма низким оптическим выходом.

Стереоспецифический синтез. Асимметрический синтез – это частный случай стереоспецифического синтеза, в котором образуются определенные стереоизомеры.

Рассмотрим несколько примеров простейших стереоспецифических синтезов. Пользуясь различными методами восстановления при восстановлении 4-трет-бутилциклогексанона, можно получить чистые цис- или транс-изомеры:

Поскольку присоединение галогенов идет через «жесткие» циклические ониевые ионы, заряженные положительно, атака аниона брома идет в транс-положение к связи C–Br в ониевом ионе. Поэтому из цис-бутена-2 образуется рацемическая смесь ( )-2,3-дибромбутанов:

76

6. ЦЕПНЫЕ РАДИКАЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ

Большинство свободнорадикальных реакций являются цепными. Суть цепного механизма состоит в том, что множество молекул превращается в продукт с помощью повторяющегося процесса, который инициируется созданием одной реакционноспособной частицы.

Реакции, в которых превращение исходных веществ в продукты осуществляется путем регулярного чередования нескольких стадий с участием свободных радикалов, называются цеп-

ными радикальными реакциями.

6.1. Реакции радикального замещения

Реакции, идущие по механизму радикального замещения, главным образом, встречаются при изучении химических свойств предельных углеводородов. Большинство реакций алканов (галогенирование, нитрование, окисление) протекают в условиях, способствующих гомолитическому разрыву ковалентных связей (фотолиз, термолиз, радиолиз), или в присутствии инициаторов – веществ, гомолитически распадающихся при сравнительно низких температурах.

Хлорирование алканов. Одна из наиболее изученных реакций алканов – это замещение водорода на галоген. Рассмотрим реакцию хлорирования алканов.

На первой стадии реакции при нагревании или облучении ультрафиолетом происходит гомолитический разрыв связи в молекуле хлора с образованием двух атомов хлора с неспаренным электроном.

Первая стадия – инициирование:

Cl2 → 2Cl·

На второй стадии реакции свободный радикал хлора атакует связь С–Н в молекуле алкана, разрывает ее, присоединяя атом водорода с его электроном. В результате образуются молекула

78

хлороводорода и алкильный радикал. Для алкильных радикалов энергетически выгодным процессом является взаимодействие с молекулой хлора с образованием молекулы алкилхлорида и нового радикала хлора. Таким образом, вторая стадия в данном случае состоит из двух реакций.

Вторая стадия – рост цепи:

На стадии роста цепи не только образуется продукт реакции, но и возникает новая реакционноспособная частица, что типично для цепных процессов. В реальных условиях проведения реакции возможно возникновение многих других стадий роста цепи, приводящих к другим продуктам.

Образовавшийся алкилхлорид накапливается в ходе реакции и может дальше реагировать с радикалом хлора с образованием продукта дизамещения и т.д.

Конкурирующим процессом стадии роста цепи является стадия обрыва цепи, которая включает в себя реакции рекомбинации радикалов, распад и диспропорционирование.

Третья стадия – обрыв цепи: а) рекомбинация радикалов:

б) распад радикалов:

79

в) диспропорционирование:

В результате реакции, помимо основного продукта, в реакционной смеси присутствует значительное количество продуктов реакций обрыва цепи, а также продукты ди-, три- и полизамещения.

Лимитирующая стадия реакции – это самая медленная стадия, которой соответствует максимальная энергия активации.

Лимитирующей стадией, которая контролирует скорость реакции алканов с галогенами и влияет на реакционную способность алканов, является реакция взаимодействия алкана с радикалом галогена на стадии роста цепи.

Важным доказательством тому, что лимитирующей стадией реакции является реакция образования алкильного радикала, является высокий первичный изотопный эффект реакции хлорирования метана и дейтерометана: kН/kD = 12,1. В основе кинетического изотопного эффекта лежит тот факт, что прочность связи между двумя атомами зависит от их массы. Поэтому замена атома на его изотоп приводит к тому, что прочность связи немного, но все же заметно изменяется. Сильнее всего этот эффект выражается при замене протона на дейтерий, так как в этом случае относительная разность масс составляет 100 %. Связь С–D прочнее связи С–Н, поэтому если в переходном состоянии эти связи затрагиваются, то дейтерийзамещенные вещества реагируют медленнее. Наблюдаемое при этом различие в скорости реакции называют кинетическим изотопным эффектом и выражают соотношением kН/kD.

Ввиду того что лимитирующая стадия включает в себя разрыв связи С–Н в молекуле алкана, селективность процесса будет зависеть от легкости разрыва этой связи. Так, хлорирование 2-метилбутана газообразным хлором при комнатной температуре приводит к образованию следующих изомеров:

80