Лекция № 23 Галогенопроизводные со связью с(sp3)-галоген.

• Химические свойства. Реакции нуклеофильного замещения галогена у насыщенного атома углерода как метод получения спиртов, тиолов, простых эфиров, нитросоединений, аминов, нитрилов, сложных эфиров и др. Два механизма нуклеофильного замещения (S_N1 и S_N2). Бимолекулярные реакции (S_N2): кинетика, стереохимия, обращение конфигурации. Мономолекулярные реакции (S_N1): кинетика, стереохимия, рацемизация. Устойчивость и перегруппировки карбокатионов. Зависимость S_N1 и S_N2 реакций от природы радикала и уходящей группы субстрата, природы нуклеофильного агента и растворителя.

• Асимметрический атом углерода. Оптическая изомерия, оптическая активность. Энантиомеры. Рацематы. Хиральность органических молекул, конфигурация. Проекционные формулы Фишера. R,S-Номенклатура энантиомеров. Определение порядка старшинства заместителей у асимметрического атома углерода. Соединения с двумя асимметрическими атомами углерода. Диастереомеры. Понятие об асимметрическом синтезе. Представление о стереоизомерии соединений, не содержащих асимметрического углеродного атома (энантиомерия в ряду бифенила).

Стереоизомеры – вещества с одинаковым порядком связи атомов в молекуле, ног с различным их расположением в пространстве.

Строго говоря, уже цис-транс-изомерия в алкенах – стереоизомерия. Но для нее обычно используют другой термин – геометрическая изомерия. В последнее время стереоизомерами называют те, у которых есть асимметрический sp³-углеродный атом. Ранее, а иногда и сейчас, их называли оптическими изомерами.

Показанные выше вещества, имеют одинаковый состав и порядок чередования атомов. Однако, попытки совместить одну формулу с другой оказываются неудачными (молекулу нельзя вынимать из плоскости листа). Не удается добиться совпадения положений всех заместителей. Это разные вещества, отличающие расположением атомов в пространстве. Такие свойства проявляют вещества с асимметрическим атомом углерода (асимметрический углерод показан звездочкой).

Атом углерода, связанный с четырьмя разными заместителями называется асимметрическим.

Стереоизомеры, молекулы, которых соотносятся друг с другом как зеркальное изображение, называются энантиомерами.

Стереоизомеры, молекулы, которых не соотносятся друг с другом как зеркальное изображение, называются диастереомерами.

Свойство предмета (молекулы) быть несовместимым со своим зеркальным изображением называется хиральностью. Соответствующие вещества называются хиральными (от греч. cheir– рука).

Нельзя путать конформеры и энантиомеры!

Энантиомеры – разные вещества, имеющие одинаковые все основные физические константы: температуры кипения и плавления, плотность, показатель преломления и др. Они отличаются только по отношению к поляризованному свету (свет в котором колебания происходят только в одной плоскости относительно линии распространения). Одни из энантиомеров вращает поляризованный свет по часовой стрелке на угол , другой – на тот же угол, но против часовой стрелки (-). Поэтому иногда энантиомеры называют оптическими антиподами (изомерами), а стереоизомерию – оптической изомерией.

Эквимолярную смесь разных энантиомеров называют рацематом. У рацематов угол вращения поляризованного света равен 0^о.

Для обозначения конфигурации энентиомеров используют R,S-номенклатуру (от латин.rectus – правый,sinister – левый) Канна, Ингольда, Прелога (1951 г.). Номенклатура основана на правилах старшинства заместителей, которые аналогичныE,Z-изомерии алкенов.

При использовании R,S-номенклатуры молекулу располагают так, чтобы младший из заместителей находился за плоскостью листа и проводят обход оставшихся от старшего к младшему. Если этот обход совершается по часовой стрелке, то асимметрическому центру присваиваютR-конфигурацию, если против –S-конфигурацию. Поскольку в молекуле может быть более одного асимметрического углерода, эту операцию выполняют для каждого. Общее число стереоизомеров связано с числом асимметрических атомов углерода простой формулой:

N= 2ⁿ

где: N– общее число стереоизомеров,n– число асимметрических атомов С.

Следует отметить, что R,S-обозначения не имеют никакого отношения к направлению вращения поляризованного света. Это номенклатурное обозначение изображения молекулы на бумаге. Экспериментально определенное направление вращения обозначают (+)- и (-). Например: (+)-2-бромбутан. Рацематы обозначают (±).

Использование энантиомерно чистых веществ позволяет строго доказать механизмы нуклеофильного замещения в алифатическом ряду.

Предположим, что в реакцию был взят энантиомерно чистый (+)-2-бромбутан. Реакция по механизму S_N2 начинается с атаки нуклеофила с тыла молекулы и проходит через переходное состояние (показано в квадратных скобках). В переходном состоянии углеводородный фрагмент лежит в одной плоскости. Нуклеофил подходит к ней, а бром отходит от нее перпендикулярно. В результате замещения происходит обращение конфигурации и (+)-2-бромбутан превращается в (-)-бутанол-2.

Экспериментальные исследования полностью подтвердили этот механизм.

Если в реакцию S_N1 ввести энантиомерно чистый (+)-3-бром-3-метилгексан, то отщепление аниона брома приведет к образованию карбокатиона. Атом углерода, несущий положительный заряд, находится вsp²-гибридизованном состоянии. Все-связи лежат в одной плоскости, а свободная негибридизованная орбиталь перпендикулярна этой плоскости.

Атака нуклеофила равновероятна с обеих сторон плоскости. В результате образуется смесь энантиомеров в равном соотношении – рацемат. В реальном эксперименте именно так и происходит.

Таким образом, бимолекулярное нуклеофильное замещение всегда протекает с полным обращением конфигурации, а мономолекулярное – с рацемизацией.

Реакционная способность галогенопроизводных в S_N2 реакциях определяется пространственными факторами. Чем меньше размер заместителей около реакционного центра, тем легче нуклеофилу атаковать с тыла. Реакционная способность уменьшается в ряду:

СН₃ > первичный > вторичный > третичный.

В реакциях S_N1 реакционная способность зависит от устойчивости карбониевого катиона. В приведенном ниже ряду реакционная способность уменьшается:

аллильный, бензильный > третичный > вторичный > первичный > метильный.

Аллильный и бензильный карбониевые катионы обладают повышенной стабильностью вследствие сопряжения.

Реакционоспособные (сильные) нуклофилы (^-NH₂,C₂H₅O^-) предпочтительно реагируют по бимолекулярному механизму, слабые (NH₃,C₂H₅OH) – по мономолекулярному.

Полярные растворители лучше сольватируют ионы, чем неполярные. Поэтому использование неполярных растворителей благоприятствует реакции S_N1, полярных -S_N2.