Лекции 4-5

Классификация и номенклатура первичные, вторичные, третичные моно-, ди-, три-, …, поли галогенпроизводные алифатические и ароматические

1. Радикальное галогенирование алканов Недостаток – малая региоселективность процесса. Реакция называется регион селективной, если среди продуктов преобладает один из возможных изомеров. Существуют также региоспецифичные реакции. Инициирование радикальной реакции может быть не только фотохимическим, но и термическим сравнить:

2. Реакции электрофильного присоединения к алкенам и алкинам см. темы о непредельных углеводородах 3. Нуклеофильное замещение гидрокси-группы в спиртах 4. Обмен галогена (реакция Финкельштейна)

1. Реакции нуклеофильного замещения

Механизм реакции S N 1 (реакции мономолекулярного нуклеофильного замещения) (substitution nucleophilic monomolecular) Стадия 1: Ионизация субстрата, с образованием карбкатиона (медленная стадия - лимитирующая): Стадия 2: Нуклеофильная атака карбкатиона (быстрая стадия): Стадия 1: RX R + + X Стадия 2: R + + Y RY v = k · [RX]

Если при атоме углерода находятся четыре разных заместителя, то молекула не совпадает с собственным зеркальным отражением – молекула хиральна – существует в виде двух оптических изомеров (антиподов, энантиомеров). Энантиомеры вращают плоскость поляризации света в противоположных направлениях В результате реакции, протекающей по механизму S N 1, происходит рацемизация

Реакции S N 1 характерны для субстратов, образующих относительно стабильные карбкатионы: Alk 3 C-X ArCH 2 -X CH 2 =CH-CH 2 X X= Hal, OCOR, OSO 2 Ar, OSO 2 CF 3

Механизм реакции S N 2 реакции бимолекулярного нуклеофильного замещения (substitution nucleophilic bimolecular) Одна стадия: Атака нуклеофила и отщепление уходящей группы происходят синхронно, карбкатион не образуется RX + Y [Y R X] RY + X v = k·[RX]·[Y] В реакциях S N 2 оптически активных субстратов происходит «обращение конфигурации» и образуется продукт противоположной конфигурации. Т.е. (+) субстрат дает (-)-продукт и наоборот.

Реакции S N 2 характерны для субстратов с первичными алкильными группами AlkCH 2 -X и особенно для метильных производных CH 3 -X, т.к. в этих случаях минимальны стерические препятствия в переходных состояниях при атаке нуклеофилами: R= Alk Кроме того, для AlkCH 2 -X и CH 3 -X невыгоден S N 1 маршрут реакции, т.к. должны образовываться нестабильные карбкатионы AlkCH 2 + и особенно CH 3 + R=H

Свойства атомов, молекул, ионов в растворах сильно отличаются от свойств в газовой фазе! Основная причина – сольватация, т.е. взаимодействие частиц растворенного вещества с молекулами растворителя. Сольватация снижает свободную энергию молекул. Сольватация возрастает с увеличением полярности растворителя, которая характеризуется диэлектрической проницаемостью ( ). Влияние растворителя на протекание реакций нуклеофильного замещения Растворитель ( 25 о С ) вода 78.5 метанол 32.6 этанол 24.3 AcOH6.2 MeNO MeCN37.5 ДМСО48.9 Трет-бутанол 12.2 ДМФА36.7 ацетон 20.7 PhNO PhCN25.2 дихлорэтан 10.4

Энергия сольватации выше для ионов, чем для нейтральных молекул; энергия сольватации возрастает с уменьшением размеров молекул и ионов

2. Реакции элиминирования элиминирование элиминирование – отщепление с образованием -связи Параллельно с элиминированием может протекать и реакция замещения, так как основание может являться нуклеофилом. Основания: NH 2 -, C 2 H 5 O -, OH -, NR 3, NHR 2, H 2 O (сила основания убывает)

Механизм элиминирования Как и замещение, элиминирование может подчиняться кинетическим уравнениям первого и второго порядка, различают мономолекулярное и бимолекулярное элиминирование. Механизм бимолекулярного элиминирования E2 v = k·[основание]·[галогенпроизводное]

Особенности бимолекулярного элиминирования E2 1. Реакция не сопровождается перегруппировками. 2. Наблюдается значительный кинетический изотопный эффект – изменение скорости реакции при замене одного или нескольких атомов в исходном веществе на их изотопы (чаще всего – водорода на дейтерий). Реакционная способность и выходы продуктов E2 элиминирования возрастают в ряду алкилгалогенидов RX: первичные < вторичные < третичные

Реакции E2 являются стереоселективными – преимущественно образуется транс-изомер (если это возможно) Стереоселективность связана с пространственными факторами, действующими в переходном состоянии

Конкуренция реакций E2 и S N 2 Сильные основания способствуют реакциям E2, более слабые основания, но более нуклеофильные частицы NH 3, I - - реакциям S N 2 Увеличение объема реагента способствует протеканию реакции E2 Повышение температуры способствует протеканию реакций элиминирования Реакционная способность возрастает в ряду R-F < R-Cl < R-Br < R-I

Механизм моно молекулярного элиминирования E1 Стадия 1 – ионизация галогенпроизводного с образованием карбкатиона (совпадает с S N 1!) Стадия 2 – отщепление протона от -углеродного атома под действием основания v = k·[галогенпроизводное] Связь C-H разрывается в быстрой стадии, поэтому кинетического изотопного эффекта не наблюдается Возможны перегруппировки карбкатиона Образуется термодинамически более стабильный транс-изомер Реакционная способность в реакциях E1 элиминирования возрастают в ряду алкилгалогенидов RX: первичные << вторичные < третичные

Реакции нуклеофильного замещения в ароматических галогенпроизводных значительно более затруднены по сравнению с алифатическими Два механизма замещения: ароматическое нуклеофильное замещение S N Ar (присоединение – отщепление) ария новый механизм (отщепление – присоединение)

Ароматическое нуклеофильное замещение S N Ar Характерно для активированных галогенпроизводных – содержащих электроноакцепторные заместители в о- или п-положениях к атому галогена v = k·[нуклеофил]·[галогенпроизводное]

Механизм S N Ar (присоединение – отщепление) Стадия 1 – присоединение нуклеофила с образованием комплекса Мезингеймера, медленная стадия Стадия 2 – отщепление галогенид-иона, быстрая стадия Реакционная способность галогенпроизводных в реакциях SNAr снижается в ряду: Ar–F > Ar–Cl > Ar–Br > Ar–I Это связано со стабилизацией комплекса Мезингеймера –I-эффектом галогена

Энергетическая диаграмма реакции нуклеофильного замещения S N Ar

Ариновый механизм (отщепление – присоединение) Наблюдается для «неактивированных» галогенпроизводных – содержащих донорные заместители ипсо-замещение орто-замещение

Стадия 1 – отщепление протона под действием основания Стадия 3 – присоединение нуклеофила по тройной связи Стадия 2 – отщепление галогенид-иона с образованием дегидробензола (арина) Стадия 4 – протонирование аниона