органика

CH2=CHCl HCl CH3 CHCl2

Кроме того, гем-дигалогениды образуются при присоединении 2 эквивалентов галогеноводородов к алкинам.

R CCH 2HCl R CH2 CHCl2

2. Химические свойства

Для галогенопроизводных, имеющих полярную связь углеродгалоген, характерны реакции с гетеролитическим разрывом этой связи, при этом атом галогена уходит как галогенид-анион, т.е. уно-

сит с собой оба электрона связи. В зависимости от строения гало-

генопроизводного этот разрыв связи может протекать легче или труднее. Для алкилгалогенидов, в которых атом галогена связан с sp3-гибридизированным атомом углерода, этот процесс происходит значительно легче, чем для винилили арилгалогенидов, у которых атом галогена связан с sp2-гибридизированным атомом углерода не только σ-связью, но и укрепляющим эту связь p-π-

взаимодействием.

						X
	X
R			C=C	X

На место уходящего атома галогена может присоединиться частица, которая образует с остающимся без двух электронов связи атомом углерода новую σ-связь за счет своей пары электронов. Произойдет замещение атома галогена на нуклеофил, т.е. нуклеофильное замещение (SN). Кроме того, уход атома галогена в виде аниона может сопровождаться отрывом протона от соседнего атома углерода, если такой протон имеется. В этом случае происходит отщепление, или элиминирование (Е) галогеноводорода с образованием двойной связи. Обе реакции – и нуклеофильное замещение, и элиминирование – происходят параллельно, т.е. являются конкурирующими, поскольку одна и та же частица может в первом

11

www.mitht.ru/e-library

случае выступать как нуклеофил, а во втором случае – как основание, присоединяющее отщепляющийся протон.

нуклеофильное	H		Y	H
замещение (SN)	C C X			C C Y	+	X
элиминирование (Е)	H	Y
	C C X			C C +	X	+ H Y

2.1.Реакции нуклеофильного замещения (SN) в алкилгалогенидах

Вреакциях нуклеофильного замещения галогенопроизводные выполняют роль реагента, алкилирующего нуклеофильную частицу. В зависимости от того, несет ли нуклеофильная частица заряд или нет, схемы такого алкилирования могут выглядеть по-разному, например:

CH3CH2 Cl + Na OH

CH3CH2 OH + Na Cl

CH3	H	CH	H
		3
CH3 C Br + O H		CH3 C O	+ Br
CH3		CH3	H

В первом случае при взаимодействии этилхлорида с водным раствором едкого натра (щелочном гидролизе этилхлорида) произошло этилирование гидроксид-аниона. Атом кислорода в нуклеофильной частице в процессе реакции выступил донором неподеленной пары электронов и потерял заряд. Во втором случае при взаимодействии трет-бутилбромида с водой (нейтральный гидролиз) произошло алкилирование воды как нуклеофила. Теперь уже нейтральный атом кислорода выступил в качестве донора неподеленной пары электронов и приобрел положительный заряд.

Описанный выше гидролиз галогенопроизводных является одним из примеров многочисленных реакций нуклеофильного замещения. В результате гидролиза галогенопроизводных образуются

12

www.mitht.ru/e-library

спирты, а в результате реакций с другими нуклеофилами – большое число разнообразных функциональных производных углеводородов. Ниже приведены лишь некоторые другие примеры реакций нуклеофильного замещения:

алкилирование алкоголятов – синтез простых эфиров по Вильямсону

CH2Cl	+ CH3O Na	CH2OCH3
бензилхлорид	метилат натрия	бензилметиловый эфир

алкилирование карбоксилат-анионов (солей карбоновых ки-

слот) – синтез сложных эфиров

		O							CH =CHCH OCCH + KI
CH =CHCH I		+ CH C
2	2	3						2		2			3
		OK								O
аллилиодид		ацетат калия							аллилацетат

замещение атома галогена на галоген (реакция Финкельштей-

на)

CH3CH2Br + I CH3CH2I + Br

алкилирование аммиака или аминов

CH3I	+	NH3	CH3NH3 I
			иодид метиламмония
CH3CH Br	+	NH	CH CH NH		Br
CH3		2	3	2
			CH
			3
		анилин	бромид изопропилфениламмония
			13

www.mitht.ru/e-library

алкилирование нитрит-аниона – синтез нитросоединений

CH CH Br + Na O N=O		CH3CH2 N O + Na Br
3	2

O

нитроэтан

алкилирование цианид-аниона – синтез нитрилов карбоновых кислот

CH2=CHCH2CH2Cl + Na CN CH2=CHCH2CH2CN + Na Cl

4-хлор-1-бутен

нитрил 4-пентеновой кислоты

алкилирование ацетиленидов

CH3CH2CH2Br + Na C		CCH3		CH3CH2CH2C		CCH3 + Na Br
метилацетиленид натрия				2-гексин

Нуклеофильное замещение в алкилгалогенидах может происходить по двум альтернативным механизмам:

с последовательными процессами разрыва связи углеродгалоген и образования новой связи с нуклеофилом (мономолекулярное нуклеофильное замещение, или SN1)

с одновременным (синхронным) разрывом связи углеродгалоген и образованием новой связи с нуклеофилом (бимолекулярное нуклеофильное замещение, или SN2).

2.1.1. Механизм мономолекулярного нуклеофильного замеще-

ния (SN1)

Этот механизм представляет собой последовательность двух стадий, отличающихся константами скорости. На первой стадии субстрат медленно подвергается гетеролизу полярной связи угле- род-галоген с образованием карбокатиона и галогенид-аниона.

	X		R +	X
R

14

www.mitht.ru/e-library

На второй стадии образовавшийся карбокатион очень быстро взаимодействует с нуклеофилом с образованием ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму: карбокатион предоставляет вакантную орбиталь, а нуклеофил – заполненную орбиталь.

R + Y R Y

Так как первая стадия протекает значительно медленнее, чем вторая, скорость реакции замещения определяется скоростью первой стадии, которая зависит только от концентрации галогенопроизводного как единственного участника этой стадии. Такой процесс нуклеофильного замещения является мономолекулярным, поэтому его обозначают SN1.

По механизму SN1 реагируют галогенопроизводные, которые при ионизации образуют устойчивые карбокатионы. Поэтому среди насыщенных галогенопроизводных этот механизм характерен, прежде всего, для третичных галогенидов, поскольку третичные карбокатионы являются более устойчивыми, чем вторичные или первичные. Так, например, следующие карбокатионы можно расположить в ряд по убыванию их устойчивости:

CH3C CH3 > CH3CHCH3 > CH3CH2 > CH3

CH3

Если атом галогена соединен с асимметрическим атомом углерода хиральной молекулы, то мономолекулярное нуклеофильное замещение приводит к рацемизации по данному асимметрическому атому, поскольку образующийся карбокатион как плоская в области заряженного атома углерода частица может присоединить нуклеофил с одинаковой вероятностью с обеих сторон от этой плоскости с образованием двух энантиомеров.

Например, при щелочном гидролизе (S)-2,3-диметил-3- хлорпентана образуется смесь равных количеств энантиомерных спиртов, т.е. рацемический спирт.

CH(CH3)2

CH3CH2CH3 Cl

(S)-2,3-диметил-3-

хлорпентан

	CH(CH3)2
CH3CH2	+	Cl
	CH3
15	OH
HO
www.mitht.ru/e-library

Кроме третичных галогенопроизводных, по механизму SN1 могут реагировать также аллил- и бензилгалогениды, которые образуют стабилизированные за счет сопряжения карбокатионы.

CH2=CH CH2 CH2 CH=CH2

аллил-катион

CH2	CH2	CH2	CH
			2

бензил-катион

Поскольку на стадии, лимитирующей скорость реакции, образуются катион и анион, то для протекания реакции по механизму SN1 лучше всего подходят растворители, обладающие возможностью стабилизировать и катионы, и анионы. Такими свойствами обладают так называемые полярные протонные растворители, способные хорошо сольватировать катионы и образовывать водородные связи с анионами. К полярным протонным растворителям относятся, например, вода, муравьиная кислота, а также водноспиртовые и водно-кислотные смеси.

2.1.2. Механизм бимолекулярного нуклеофильного замещения

(SN2)

16

www.mitht.ru/e-library

Этот механизм представляет собой процесс нуклеофильного замещения, при котором разрыв связи углерод-галоген и образование связи с нуклеофилом происходят одновременно, а не последовательно, как в случае мономолекулярного замещения. Скорость реакции при этом должна зависеть от концентраций обоих партнеров (и субстрата, и нуклеофильного реагента), поэтому этот синхронный процесс замещения называют бимолекулярным. В момент образования и разрыва связи субстрат и реагент должны пройти так называемое переходное состояние, когда старая связь еще не разорвалась, но уже разрыхляется, т.е. ее электронная плотность уже значительно смещается в сторону атома галогена, а новая связь еще не образовалась, но уже происходит взаимодействие оголяющейся орбитали атома углерода и орбитали с неподеленной парой электронов нуклеофила. Из всех возможных ориентаций субстрата и реагента в переходном состоянии наиболее вероятным является та, которая обладает минимумом энергии. Это реализуется при линейном расположении трех атомов: нуклеофильного центра реагента, атома углерода, при котором происходит замещение, и уходящего атома галогена. В качестве примера приведем механизм взаимодействия метилиодида и аммиака:

		H	H		H
				I
H N		H
	+		H N		H I
3		I	3	H3N
	H		H H		H

иодид

метиламмония

переходное состояние

Если бимолекулярное нуклеофильное замещение происходит при асимметрическом атоме углерода, то в результате реакции происходит обращение конфигурации. Например, при взаимодействии

(S)-2-хлорбутана с ацетатом натрия образуется (R)-втор- бутилацетат.

CH2CH3

O

CH2CH3

CH2CH3

+

CH3C

O

Na

CH3C

Cl

H

H

CH3

_NaCl

CH C

O

O

O CH3

H Na

Cl

3

CH3

O

переходное состояние

17

www.mitht.ru/e-library

По механизму SN2 реагируют, прежде всего, галогенопроизводные, не образующие стабильных карбокатионов, т.е. первичные и вторичные. Чем менее разветвлен углеродный скелет вблизи реакционного центра, тем легче замещение протекает по этому механизму.

Для протекания реакций по механизму SN2 подходящими растворителями являются диполярные апротонные растворители, такие как ацетон, нитрометан, диметилформамид, диметилсульфоксид и т.п.

2.2. Особенности нуклеофильного замещения галогена в арилгалогенидах

Строение арилгалогенидов, в которых р-π-сопряжение упрочняет связь углерод-галоген, предполагает низкую реакционную способность этих галогенопроизводных в реакциях нуклеофильного замещения. Наличие электроноакцепторных заместителей, которые уменьшают нуклеофильность ароматического ядра, способствует увеличению реакционной способности, т.е. активирует арилгалогениды к реакциям нуклеофильного замещения.

2.2.1. Нуклеофильное замещение в неактивированных арилгалогенидах

Неактивированные арилгалогениды реагируют с нуклеофилами в очень жестких условиях. Так, при нагревании до 200 ОС под давлением с избытком разбавленного едкого натра хлорбензол превращается в фенолят натрия. Установлено, что механизм этой реакции включает стадии отщепления хлороводорода с образованием дегидробензола (так называемого бензина) и последующего присоединения к бензину воды. Поскольку фенолы проявляют существенные кислотные свойства (см. ниже), то образующийся при этом фенол реагирует со щелочью с образованием фенолята.

Cl	H2O	OH	ONa
NaOH			NaOH

H

18

www.mitht.ru/e-library

бензин

фенол

фенолят натрия

Подобным же образом происходит взаимодействие хлорбензола и с амидом натрия. При этом в результате нуклеофильного замещения атома хлора на аминогруппу образуется анилин.

Cl NaNH2	NH2
	анилин

2.2.2. Нуклеофильное замещение в активированных арилгалогенидах

Если в ароматическом ядре арилгалогенида присутствуют электроноакцепторные заместители, процесс замещения атома галогена на нуклеофил значительно облегчается. При этом реакция протекает по механизму бимолекулярного ароматического нуклеофильного замещения, включающего стадию образования отрицательно заряженного σ-комплекса в результате присоединения нуклеофила и стадию отщепления галогенид-аниона. По такому механизму происходит, например, щелочной гидролиз пара- нитрохлорбензола до пара-нитрофенолята натрия (образующийся при замещении пара-нитрофенол проявляет достаточно сильные кислотные свойства, превращаясь в щелочной среде в пара- нитрофенолят).

Cl	OH	Cl OH	Cl OH
Cl
NaOH
NO2			_Cl
	NO	NO2	NO2
	2

σ-комплекс

OH ONa

NaOH 19

www.mitht.ru/e-library

2.3. Реакция дегидрогалогенирования

Отщепление галогеноводорода от молекулы галогенопроизводного происходит региоселективно с образованием наиболее термодинамически устойчивого алкена в соответствии с правилом Зайцева. Так, при нагревании 2-хлорпентана в спиртовом растворе КОН главным продуктом оказывается 2-пентен:

KOH, t

CH3CHCH2CH2CH2CH3 C2H5OH CH3CH=CHCH2CH3 Cl

Механизмы, по которым может протекать элиминирование, имеют ту же кинетическую основу, что и механизмы нуклеофильного замещения. Действительно, процесс отщепления заключается в разрыве двух связей в молекуле галогенопроизводного: связи угле- род-галоген и связи углерод-водород, причем галоген уходит как анион, а водород – в виде протона, который отрывает основание. Разрывы связей могут происходить либо последовательно, т.е. постадийно, либо синхронно. В первом случае реализуется механизм мономолекулярного элиминирования (Е1), во втором – механизм бимолекулярного элиминирования (Е2).

Третичные галогенопроизводные, способные образовать стабильные карбокатионы, подвергаются дегидрогалогенированию по механизму мономолекулярного элиминирования Е1. Так, например, при нагревании трет-бутилхлорида с гидроксидом калия в этаноле происходит сначала ионизация, а затем уже депротонирование образовавшегося на первой стадии карбокатиона:

CH3		H
	Cl	CH2	OH		CH3 C=CH2
CH C		CH3 C	_	H2O
3	Cl	CH			CH3
CH3		3

20

www.mitht.ru/e-library