лекции павловского / Лекции по биоорганической химии (2011 г

Региоселективное протекание реакции объясняют влиянием двух факторов – статического и динамического. Статический фактор рассматривает распределение электронной плотности в молекуле субстрата и, исходя из этого, определяет направление электрофильного присоединения. В нашем случае протон должен присоединяться к тому атому углерода при двойной связи, на котором имеется частичный отрицательный заряд, с образованием 2–комплекса. Динамический фактор рассматривает устойчивость образующихся интермедиатов (промежуточных продуктов) – карбкатионов ( –комплексов). Согласно динамическому фактору должно идти образование более стабильного интермедиата, для образования которого требуются меньшие затраты энергии, т.е. в реакции должен образовываться более стабильный третичный карбкатион ( 2–комплекс). В приведенном примере оба фактора действуют согласованно, однако в случае несогласованного действия этих факторов главную роль играет динамический фактор. Оба фактора действуют согласованно и в случае гидрохлорирования 3,3,3- трифторпропена:

									+ Cl-
				H	Cl	F3C	CH	CH2	F3C CH2 CH2Cl
						-комплекс
F3C CH CH2 + H			Cl	F3C CH CH2
					- Cl-
							CH	CH3
				-комплекс		F3C

-комплекс

Реакционная способность 3,3,3-трифторпропена понижена из-за наличия в молекуле электроноакцепторной трифторметильной группы, что приводит к возникновению на вторичном атоме углерода частичного отрицательного заряда, а на первичном – частичного положительного. Исходя из распределения электронной плотности в субстрате можно

31

предполагать, что протон должен присоединяться к менее гидрогенизированному атому углерода при двойной связи, с образованием первичного карбкатиона ( 1–комплекса). Альтернативное присоединение протона должно приводить к возникновению вторичного карбкатиона ( 2–комплекса). В данном случае менее стабильным оказывается именно вторичный карбкатион из-за близости атомов углерода с положительными зарядами. Большая стабильность первичного карбкатиона в этом случае объясняется удаленным расположением атомов, несущих положительные заряды. Таким образом, оба фактора и в этом случае действуют согласованно, реакция идет региоселективно, приводя к образованию 1,1,1-трифтор-3- хлорпропана.

Общая схема механизма реакций гидратации:

	H+			H
			H2O
C C + H+					C C OH
	C C	H C C	C C O
	-комплекс	-комплекс		H	-H+

Присоединение воды, являющейся нуклеофильным реагентом, идет только в присутствии катализаторов (сильные минеральные кислоты). Катализаторы нужны для образования электрофильной частицы – карбкатиона ( 1–комплекса), который далее подвергается нуклеофильной атаке молекулой воды. В случае несимметричных алкенов реакции идут по правилу Марковникова:

			H+
		+ H+			H C CH CH +H2O
H3C CH CH2			H C CH CH	2
			3		3	3
			-комплекс		-комплекс
	H3C	CH CH3	H3C		CH CH3
		O H	- H+		OH
	H
		оксониевый катион

32

Общая схема механизма реакций галогенирования:

	Br	Br		Br	-	Br
C C + Br2					+ Br
	C C	-Br-	Br C C	C C		C C
	-комплекс		-комплекс			Br

Алкены реагируют с галогенами в инертных растворителях с образованием вицинальных дигалогенидов. Реакция протекает в несколько стадий: 1) образование -комплекса (быстро); 2) превращение (медленно) -комплекса в -комплекс (пара электронов -связи в результате гетеролитического разрыва идет на образование -связи с катионом брома); 3) образование циклического катиона бромония, который образуется за счет перекрывания р-орбитали атома углерода с р-орбиталью атома брома, несущей пару электронов, в этом катионе основной положительный заряд сосредоточен на атоме брома; 4) нуклеофильная атака бромид-анионом атома углерода, на котором возник больший частичный положительный заряд.

Часто при написании механизма реакций галогенирования стадию образования циклического катиона опускают. Рассмотрим механизм реакции на примере бромирования пропена.

			Br	Br
					H3C CH CH2Br + Br	-
H3C CH CH2 + Br2			H3C CH CH2			CH3 CHBr CH2Br
		FeBr3	-комплекс		-Br-
					-комплекс

Диеновые углеводороды, содержащие сопряженные связи, также вступают в реакции электрофильного присоединения (подвергаются галогенированию, гидрогалогенированию, гидратации, гидрированию). Особенностью этих реакций является то, что происходит одновременно образование продуктов 1,2- и 1,4-присоединения. Соотношение продуктов зависит от реакционных условий.

33

- 80 C

H2C

CH

CH

CH2

+

H2C

CH

CH

CH2

Br

Br

80%

Br

20%

Br

H2C

CH

CH

CH2 + Br2

H2C

CH

CH

CH2

+

H2C

CH

CH

CH2

+ 40 C

Br Br

20%

Br

80%

Br

Реакция начинается с образования -комплекса по любой из двойных связей. Далее -комплекс превращается в -комплекс, который является карбкатионом аллильного типа и за счет сопряжения (р, - сорпряжение) может изомеризоваться в другой аллильный катион. Нуклеофильная атака бромид-ионом образовавшихся изомерных аллильных катионов приводит к продуктам 1,2- и 1,4-присоединения. Продукт 1,2-присоединения называют кинетически контролируемым продуктом, так как он образуется наиболее легко, быстрее другого. Продукт 1,4-присоединения называют термодинамически контролируемым продуктом ввиду его большей стабильности. Если смесь продуктов, полученную при -80 С ( 80% продукта 1,2- и 20% продукта1,4-присоединения), выдерживать при 40 С, то в итоге происходит изомеризация и получается смесь, содержащая 20% продукта 1,2-присоединения и 80% более стабильного продукта 1,4- присоединения.

		Br	Br	Br
H2C CH CH	CH2 + Br2	H2C CH	CH	CH2 - Br- H2C CH CH CH2
Br		+ Br-
			BrH2C	CHBr CH CH2
H2C	CH CH	CH2

	Br	+ Br-
	H2C CH CH CH2
		BrH2C CH CH CH2Br

34

Малые циклы (циклопропан, циклобутан и их производные) способны вступать в реакции присоединения водорода, галогенов, галогеноводородов по механизму электрофильного присоединения, что в итоге приводит к раскрытию цикла. Такое поведение малых циклов объясняется наличием в молекулах этих соединений -связей (банановых связей), которые являются средним между - и -связями, так как гибридные орбитали атомов углерода перекрываются не вдоль линии, соединяющей ядра связанных атомов, а под углом. В результате такого перекрывания электронная плотность этих связей расположена не между ядрами атомов, а на некотором удалении от них, что делает - связи похожими на -связи по прочности и реакционной способности.

		H H	CH2					-	CH2Br
		H C			CH	2
			+ Br2				Br	Br	+ Br-
		2						- Br- H2C	BrCH2 CH2 CH2Br
H			CH	H C			CH		CH2
		H		2			2
			2
	H	H

Реакции гидратации, гидрогалогенирования идут аналогичным образом. Однако в соответствующих условиях цикклопропан и циклобутан, как алканы, могут вступать в реакции радикального замещения.

35

ЛЕКЦИЯ № 3

Реакции электрофильного замещения в ряду ароматических соединений

Реакции электрофильного замещения характерны для ароматических карбоциклических и гетероциклических систем. В результате делокализации -электронов в молекуле бензола (и других ароматических систем) -электронная плотность распределена равномерно по обе стороны цикла. Подобное экранирование - электронами атомов углерода цикла защищает их от атаки нуклеофильными реагентами и, наоборот, облегчает возможность атаки электрофильными реагентами. Но в отличие от реакций алкенов с электрофильными реагентами, взаимодействие ароматических соединений с ними не приводит к образованию продуктов присоединения, так как в этом случае нарушалась бы ароматичность соединения и уменьшалась его устойчивость. Сохранение ароматичности возможно в случае, если электрофильная частица заместит катион водорода.

Механизм реакций электрофильного замещения похож на механизм реакций электрофильного присоединения, так как имеются общие закономерности протекания реакций.

Общая схема механизма реакций электрофильного замещения SЕ:

+		+		H	E
+ E	Y	E	Y	+ E
			- Y-		+
					- H
		-комплекс		-комплекс

36

На первом этапе реакции образуется -комплекс с электрофильной частицей (быстрая стадия), который затем превращается в -комплекс (медленная стадия) за счет образования - связи одним из атомов углерода с электрофильной частицей. Для образования -связи с электрофильной частицей из сопряжения «вырывается» пара электронов, а образующийся продукт приобретает положительный заряд. В -комплексе ароматичность нарушена, так как один из атомов углерода находится в sp3-гибридизации, а на пяти других атомах углерода делокализованы четыре электрона и положительный заряд. Для регенерации термодинамически выгодной ароматической системы происходит гетеролитический разрыв связи Csp3-Н. В результате отщепляется ион Н , а пара электронов связи идет на восстановление системы сопряжения, при этом у атома углерода, отщепившего протон, изменяется гибридизация атомных орбиталей с sp3

на sp2.

Механизм реакций нитрования, сульфирования, галогенирования, алкилирования, ацилирования ароматических соединений включает еще дополнительную стадию, не указанную в общей схеме – стадию генерирования электрофильной частицы.

Уравнение реакции нитрования бензола имеет вид:

	H2SO4			NO2
+ HNO3				+ H2O

В реакциях нитрования генерирование электрофильной частицы происходит в результате взаимодействия азотной и серной кислот, что приводит к образованию катиона нитрония NO2 , который далее реагирует с ароматическим соединением:

37

	HNO3	+	H SO	NO		+	H O	+	HSO		-
			2 4
					2 +		2			4
	O						+			O	H2O
H O N				-
	+ H2SO4					+ H		N
				HSO4			O
	O						H			O	+
											NO2
								H			NO2
+ NO2+				NO2+
							+	NO2
										-	H+
		-комплекс			-комплекс

В молекуле бензола все атомы углерода равноценны, замещение происходит у одного из них. Если в молекуле присутствуют заместители, то реакционная способность и направление электрофильной атаки определяется природой этого заместителя. По влиянию на реакционную способность и на направление атаки все заместители делятся на две группы.

Ориентанты I рода. Эти заместители облегчают электрофильное замещение по сравнению с бензолом и направляют входящую группу в орто- и пара-положения. К ним относятся электронодонорные заместители, увеличивающие электронную плотность в бензольном ядре. В результате ее перераспределения в положения 2,4,6 (орто- и пара-положения) возникают частичные отрицательные заряды, что облегчает присоединение электрофильной частицы в эти положения с образованием -комплекса.

	OH		CH3		NH2		OCH3
	-I < +M
			+I		-I << +M		-I < +M

38

Ориентанты II рода. Эти заместители затрудняют реакции электрофильного замещения по сравнению с бензолом и направляют входящую группу в одно из мета-положений. К ним относятся электроноакцепторные заместители, уменьшающие электронную плотность в бензольном кольце. В результате ее перераспределения в положениях 3,5 (мета-положения) возникают частичные отрицательные заряды и присоединение электрофильной частицы с образованием - комплекса идет в жестких условиях.

H			HO	O		O
		O			O	O
	C					S		Hal
			C
-I; -M			-I; -M		-I; -M			-I > +M

Атомы галогенов направляют электрофильную частицу в ортоили параположения (за счет положительного мезомерного эффекта), но при этом затрудняют протекание реакции, так как являются электроноакцепторными заместителями (-I>+M). Реакции галогенпроизводных бензола с электрофильными реагентами идут в жестких условиях.

В реакциях сульфирования роль электрофильной частицы выполняет молекула SO3, образующаяся в результате реакции: 2H2SO4SO3 +H3O + HSO4 . Атомы серы в этой молекуле характеризуются сильным дефицитом электронной плотности и наличием частичного положительного заряда и, следовательно, именно атом S должен, как электрофил, связываться с атомом углерода бензольного кольца толуола.

39

	CH3	CH3		CH
				3
			SO3H
		+ H2SO4	+	+ H2O
				SO3H

Метильная группа в толуоле является ориентантом первого рода, и как электронодонорный заместитель облегчает реакцию замещения и направляет входящую группу в орто- и пара-положения. На практике образуются продукты замещения и в мета-положении, но их количество существенно меньше количеств продуктов замещения в ортопараположения.

CH3

+

				C		CH3				CH3
	O				SO3	+	S	O		+
	S	O						O	-		O
O							O
									H	S
											O-
	CH3		O	C						O
			S	OH
			O

SO3H

Галогенирование бензола и многих ароматических соединений действием самого галогена протекает только в присутствии катализаторов, таких как ZnCl2, AlCl3, FeBr3 и т.д. Катализаторами обычно являются кислоты Льюиса. Между атомом металла и атомом галогена образуется связь по донорно-акцепторному механизму, что вызывает поляризацию молекулы галогена, усиливая ее электрофильный характер. Полученный аддукт может подвергаться диссоциации с

40