книги / Механизмы органических реакций

Таким образом, чем устойчивее свободный радикал, тем быстрее он образуется. Это очень важное обобщение. Устойчивость радикалов определяет направление реакции и реакционную способность во многих реакциях, в которых образуются радикалы.

Галогенирование алканов другими галогенами. Отщепление водорода реакционноспособным фтором имеет низкую энергию активации. Переходное состояние достигается очень быстро, поэтому связь С–Н только слегка растянута. В таком случае избирательность реагента низкая. Состав и количество продуктов реакции определяются только фактором вероятности.

Отщепление водорода менее реакционноспособным атомом брома, напротив, имеет очень высокую энергию активации. Переходное состояние достигается только тогда, когда образуется новая связь H–Br, а связь С–Н уже почти разорвана. Поэтому переходное состояние быстрее достигается тогда, когда образуется более устойчивый радикал. В этом случае избирательность (селективность) реагента достаточно высокая.

Йодирование является высокоэндотермическим процессом даже для устойчивых радикалов, поэтому реакция идет в обратном направлении. Известно, что алкилиодиды под действием йодоводорода легко превращаются в углеводороды и йод.

Свободнорадикальное бромирование углеводородов вследствие высокой селективности является важным методом введения функциональных групп в инертные в химическом отношении соединения. Так, например, бромирование о-ксилола бромом при облучении дает 1,2-бис(бромметил)бензол с выходом 53 %.

Ингибиторы радикальных цепных реакций – это вещества, замедляющие цепные радикальные реакции. Например, реакция галогенирования алканов замедляется, если в реакционной системе присутствует кислород. Кислород взаимодействует с алкильными радикалами, образуя мало реакционноспособный пероксидный радикал, который обрывает цепь:

СН3• + О2 → СН3–О–О•

82

Ингибитор замедляет или останавливает реакцию, даже присутствуя в небольших количествах. Ингибирование реакции небольшим количеством добавленного вещества характерно для цепных реакций любого типа и часто является одним из признаков, позволяющих предположить цепной характер реакции.

Ингибиторы имеют значительную практическую ценность. Термин «антиоксидант» применяют к ингибиторам, замедляющим свободнорадикальное окисление. Действие антиоксидантов особенно важно в случае таких органических материалов, как смазочные масла, мономеры и продукты питания. В качестве антиоксидантов используют ароматические амины, фенолы, соединения двухвалентной серы и трехвалентного фосфора.

6.2. Реакции радикального присоединения

Существует ряд веществ, которые легко присоединяются в форме радикалов к двойным и тройным связям. Это галогены, бромистый водород, хлороформ, четыреххлористый углерод, альдегиды и меркаптаны.

Присоединение бромистого водорода к пропену в присутствии пероксидов или на свету формально не подчиняется правилу Марковникова. Реакция протекает по радикальному цепному механизму. Стадия инициирования цепи включает образование атома брома в результате взаимодействия инициатора с молекулой бромистого водорода:

RO· + HBr → ROH + Br·

Стадия роста цепи включает две реакции – реакцию присоединения брома к алкену с образованием алкильного радикала и реакцию отщепления алкильным радикалом водорода от молекулы бромистого водорода:

83

Радикальная цепная полимеризация. Примером реакции радикального присоединения может служить полимеризация. При взаимодействии инициатора с алкеном образуется алкильный радикал. Этот радикал способен присоединять с постоянной, как правило, очень высокой скоростью большое количество других молекул алкена, так как для разрыва π-связи требуется небольшая энергия:

Длина цепи достигает часто очень большой величины (103–105). Условием образования длинных цепей является введение в реакцию очень чистых веществ и тщательное удаление кислорода воздуха, который играет роль ингибитора. Обрыв цепи происходит в результате рекомбинации или диспропорционирования макрорадикалов.

Процесс радикальной цепной полимеризации является экзотермичным процессом, при котором выделяется от 40 до 100 кДж/моль. К наиболее важным и легко полимеризующимся по радикальному механизму мономерам относятся этилен, винилхлорид, акрилонитрил и эфиры акриловой кислоты, стирол, бутадиен, хлоропрен, тетрафторэтилен.

85

7.НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ

УНАСЫЩЕННОГО АТОМА УГЛЕРОДА

Реакции нуклеофильного замещения (SN) в алифатическом ряду имеют исключительно большое синтетическое значение. Большой вклад в исследование механизма этих реакций, которое базировалось на множестве экспериментальных фактов и наблюдений, внесли английские исследователи К. Ингольд и Э. Хьюз.

В этих реакциях субстрат, имеющий электронодефицитный атом углерода, взаимодействует с нуклеофилом, который, атакуя атом углерода, вытесняет уходящую группу вместе с электронами бывшей химической связи. Нуклеофил может быть нейтральной молекулой или анионом. Субстрат также может быть нейтральной молекулой или катионом. Поэтому возможны четыре варианта таких реакций:

RX + Nu → RNu+ + X–

RX+ + Nu → RNu+ + X

RX + Nu– → RNu + X–

RX+ + Nu– → RNu + X

Чаще всего в роли уходящей группы (Х) выступают галогены, которые являются «хорошими», т.е. легко отщепляющимися, уходящими группами (за исключением фтора). К «хорошим» уходящим группам также можно отнести трифлатную (OTf), уходящую в виде аниона CF3SO3–, фторсульфонатную FSO3–, пара-толуолсульфонатную или тозилатную (n-СН3С6Н5SO3–). К «плохим» уходящим группам можно отнести группы F–, ОН–, OAlk–, RCOO–, R3N+, N2 (диазагруппа). Как правило, уходящая группа отщепляется в виде аниона, и чем стабильнее образующийся анион, тем легче происходит его образование. Поэтому легкость отщепления уходящей группы коррелирует с силой соответствующей кислоты.

Самыми распространнеными субстратами в реакциях нуклеофильного замещения, наиболее часто используемыми в органическом синтезе, являются алкилгалогениды.

86

В зависимости от природы субстрата и реагента нуклеофильное замещение в алифатическом ряду преимущественно может протекать по двум различным механизмам. Это бимолекулярное нуклеофильное замещение SN2 (substitution nucleophilic bimolecular) и мономолекулярное нуклеофильное замещение SN1 (substitution nucleophilic monomolecular). Рассмотрим эти два случая подробнее.

7.1. Бимолекулярное нуклеофильное замещение (SN2)

Реакции нуклеофильного замещения, в которых на лимитирующей стадии участвуют молекулы и реагента, и субстрата, называются бимолекулярными. Эти реакции одностадийны и протекают без возникновения в реакционной среде каких-либо интермедиатов.

В случае реализации механизма SN2 нуклеофил атакует электронодефицитный атом углерода со стороны, противоположной уходящей группе:

По мере приближения нуклеофила к электронодефицитному атому углерода субстрата происходит образование связи С–Nu

иразрыхление связи С–Х (где Х – уходящая группа).

Видеальном случае реакционный центр субстрата, нуклеофил и уходящая группа должны располагаться на одной прямой, а активированный комплекс должен представлять собой бипирамиду. Это выполняется в том случае, когда нуклеофил и уходящая группа тождественны, что обеспечивает синхронность протекания процесса. Если нуклеофил и уходящая группа представляют собой разные частицы, то имеет место отклонение от

87

идеальности. В этом случае скорости разрыва и образования связи различны и процесс является несогласованным, но образования интермедиата не происходит.

Скорость реакций бимолекулярного нуклеофильного замещения зависит от следующих факторов:

1)концентрации исходных соединений;

2)природы субстрата;

3)реакционной способности нуклеофила;

4)природы растворителя.

Рассмотрим влияние этих факторов на скорость реакции более подробно.

Концентрация исходных соединений. Вследствие того что процесс протекает в одну стадию (рис. 11), которая является лимитирующей (скоростьопределяющей), скорость реакции зависит от концентрации и субстрата, и нуклеофила:

v= k[RX][Nu:],

где v – скорость реакции; k – константа скорости реакции (коэффициент пропорциональности); [RX] и [Nu:] – молярные концентрации субстрата и нуклеофила.

R–X + Nu– ↔[Nu…R…X]- ↔ R–Nu + X–

Рис. 11. Энергетический профиль реакции

88

Природа субстрата. На скорость реакции нуклеофильного замещения влияет и природа субстрата. Реализация механизма SN2 предполагает атаку нуклеофилом атома углерода субстрата с тыльной стороны относительно уходящей группы. В связи с этим экранирование реакционного центра приводит к затруднению нуклеофильной атаки. Заместители, имеющие большие размеры, дестабилизируют переходное состояние в большей степени, чем исходное, и снижают скорость реакции.

Учитывая стерические особенности строения субстрата, можно составить ряд, в котором реакционная способность субстратов уменьшается в следующем порядке: CH3X > первичный > > вторичный > третичный. Исключением из этого правила являются реакции SN2-замещения в ряду неопентилгалогенидов. Хотя неопентильная группа и является первичной алкильной группой (типа RCH2–), неопентилгалогениды в условиях осуществления реакций SN2 подвергаются замещению с очень малой скоростью.

Примером вышеописанной закономерности могут служить экспериментальные данные, полученные для реакции щелочного гидролиза алкилбромидов при температуре 55 °С:

R–Br + OH– → R–OH + Br–

Стерические затруднения в субстрате особенно сильно будут понижать скорость реакции в случае объемного нуклеофила. Если нуклеофил имеет небольшие размеры, то стеричность субстрата играет небольшую роль.

Повышенную реакционную способность в реакциях, протекающих по механизму SN2, демонстрируют соединения типа аллилбромида:

89

Винильная группа у sp3-гибридизированного атома углерода, конечно, экранирует реакционный центр, но это воздействие невелико вследствие планарности (в отличие от этильной группы). С другой стороны, винильная группа проявляет –I-эффект и способствует нуклеофильной атаке. Кроме того переходное состояние SN2-реакции в случае аллилбромида обладает меньшей энергией, потому что стабилизация переходного состояния в реакциях с участием аллилбромида осуществляется благодаря взаимодействию (перекрыванию) π-электронной системы с образующимися и разрывающимися в этом комплексе связями.

Вследствие описанных выше факторов аллилбромид реагирует несколько быстрее этилбромида и гораздо быстрее неопентилбромида.

Реакция ускоряется вследствие стабилизации переходного состояния SN2-пpoцесса (понижение энергии переходного состояния и, соответственно, уменьшение энергии активации процесса).

Электронные эффекты можно обнаружить в тех случаях, когда пространственные факторы остаются неизменными; однако доказано, что эти эффекты сравнительно малы. Как правило, SN2- реакции немного ускоряются при наличии электроноакцепторных заместителей.

Реакционная способность нуклеофилов. Поскольку в реак-

циях, протекающих по механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения, нуклеофильный реагент непосредственно участвует в лимитирующей стадии процесса, свойства нуклеофила особенно очевидны. Наиболее важными характеристиками, влияющими на нуклеофильность, являются эффективный объем нуклеофила, электроотрицательность атакующего атома, поляризуемость атакующего атома, энергия сольватации нуклеофила. Рассмотрим эти характеристики.

Объемные нуклеофильные реагенты являются менее реакционноспособными, чем небольшие по объему нуклеофилы. Это связано с тем, что при реакции SN2 реакционный центр в переходном состоянии, имеющий структуру тригональной бипирами-

90