Органическая химия

Органическая химия
Курс лекций
для студентов фармацевтического факультета
Бауков Юрий Иванович
профессор кафедры химии
Белавин Иван Юрьевич
профессор кафедры химии
Российский национальный исследовательский
медицинский университет им. Н.И. Пирогова,
г. Москва
1
Лекция 07
 Ненасыщенные углеводороды (3).
Aрены и их реакционная способность
Исходный уровень к лекции 07
– ароматические углеводороды и их производные
(школьный курс);
– понятие ароматичности, небензоидные
ароматические соединения (лекция 1)
Исходный уровень к лекции 08
– Галогенопроизводные углеводородов
(школьный курс)
2
Ароматические углеводороды
(арены)
● Ароматические соединения бензольного ряда (арены)
● Моноядерные арены
● Реакции электрофильного замещения моноядерных аренов
○
○
○
○
Схема механизма реакций
Влияние заместителей на реакционную способность
Региоселективность реакций электрофильного замещения
Наиболее важные реакции
● Многоядерные конденсированные арены и их наиболее
важные реакции
● Приложение: справочный и дополнительный материал
3
Ароматические углеводороды
(арены)
–
–
Особенности строения аренов
строение молекулы бензола (6 р-электронов, n = 1)
Склонны подвергаться электрофильной атаке
 Наиболее типичные реакции аренов –
4
Основные типы аренов
Моноядерные арены
CH3
CH3
CH
CH2
CH3
Многоядерные арены с изолированными бензольными кольцами
CH2
CH
* примеры небензоидных ароматических соединений и их реакций, а также
реакций многоядерных аренов см. в Приложении
5
Моноядерные арены
Реакции с сохранением ароматической системы
Субстрат
H
Основные реакции замещения
Продукты
Реагент Катализатор
+
Br2
+
HNO3
+
H2SO4
+ CH3Cl
+ CH3C(O)Cl
FeBr3
H2SO4
Тип реакции
C6H5–Br + HBr
C6H5–NO2 + H2O
C6H5–SO3H + H2O
AlCl3
AlCl3
C6H5–CH3 + HCl
C6H5–C(O)CH3 + HCl
6
Реакции бензола с нарушением ароматической системы
Окисление
O
V2O5
+ O2
O + 2 CO2 + 2 H2O
450 °C
бензол
O
Восстановление
+ 3 H2
Pt
150 °C
циклогексан
бензол
Присоединение хлора
+
3 Cl2
Гидрирование
(восстановление)
h
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
бензол
гексахлоран
(смесь стереоизомеров)

Cl
Cl
Cl
H
H
Cl
Cl
H
H
H
Cl
Cl
H
-гексахлороциклогексан
Гексахлоран –
7
Реакции электрофильного замещения
моноядерных аренов
Схема механизма реакций электрофильного замещения
в ароматическом кольце
H
E
+
E+
+
H+
1. Генерирование электрофильной частицы
E
Y
E +
Y –
E
+
Y
8
2. Образование -комплекса
E+
E+
Br
E+
E+
Br
E+
-комплекс
бензола с бромом
(по данным РСИ)
субстрат
3. Образование -комплекса (аренониевого иона)
H
H
E+
+
E
-комплекс
субстрат
9
Подтверждение существования аренониевых ионов
методом ЯМР
H
H
аналогичный комплекс
зафиксирован
в случае толуола
BF4
+ HBF4
CH3
CH3
+ CH3CH2F
CH3
BF3,
- 80 °С
+
CH3
CH3
CH2CH3
H
BF4
CH3
4. Образование конечного продукта –
H
+
E
E
+
H+
10
Cуммарная последовательность стадий
E+
E+
H
+
E
H
E
H
E
E
+
H
E
E
+
H
H
+
или
(Ia)
(Iб)
(Iв)
+
(Iг)
11
Энергетическая диаграмма
реакции электрофильного замещения в бензоле
E
Ea2
H
Ea1
+ E
+
E
-комплекс
E
Исходное
состояние
+ H
Продукты реакции
Координата реакции
12
Влияние заместителей на реакционную
способность соединений бензольного ряда
Электронодонорные заместители
Электроноакцепторные заместители
CH3
+
толуол
+
бензойная кислота
–
O
+
C OH
+
CH3
+
+
H
+
+
–
+
E
–
C OH
–
–
O
+
+
+
E
H
Iг
+
E
+
H
13
Факторы, влияющие на региоселективность реакций
электрофильного замещения (1)
1. Электронодонорный заместитель
CH3
Статический фактор –
–
–
–
толуол
Динамический фактор –
CH3
E
H
+
+
+
+
Br
H
+
+
-комплекс
+
H
атака в
орто-положение
CH3
CH3
+
+
+
+
H
+
Br
атака в
пара-положение
+
Br
атака в
мета-положение
14
Факторы, влияющие на региоселективность реакций
электрофильного замещения (2)
2. Электроноакцепторный заместитель
+
O
–
C OH
Статический фактор 
+
+
+
бензойная кислота
Динамический фактор
+
E
COOH
H
+
+
+
+
-комплекс
+
+
COOH
+
Br
H
+
атака в
орто-положение
COOH
+
+
+
+
H
+
H
Br
атака в
пара-положение
+
Br
атака в
мета-положение
15
Ориентирующее действие электронодонорных заместителей
(ориентантов I рода )
XI
XI
XI
E
+
EY
+
– HY
продукт
орто-замещения
монозамещенный
бензол
E
продукт
пара-замещения
XI ─
XI ─
CH3
CH3
FeBr3
+
толуол
Br2
CH3
Br
+
– HBr
о-бромотолуол
(33%)
Br
п-бромотолуол, 67%
16
Ориентирующее действие электроноакцепторных заместителей
(ориентантов II рода )
XII
XII
+
EY
+
HY
E
продукт
мета-замещения
монозамещенный
бензол
XI I ─
XI I ─
COOH
COOH
FeBr3
+
бензойная
кислота
Br2
+
HBr
Br
м-бромобензойная
кислота
17
Региоселективность реакций электрофильного замещения
Электронодонорные
заместители
(активирующие)
Электроноакцепторные
заместители
(дезактивирующие)
СН3
+ Cl2
AlCl3
СН3
Cl
СН3
+
+ HCl
Cl
[O]
СOOН
AlCl3
СOOН
+ HCl
+ Cl2
Cl
18
Влияние пространственного фактора
CH3
CH3
+
HNO3
H2SO4
CH3
NO2
+
– H2O
NO2
C(CH3)3
+
HNO3
H2SO4
C(CH3)3
NO2
C(CH3)3
+
– H2O
NO2
 Чем больше объем заместителя,
19
Наиболее важные реакции моноядерных аренов
Протонирование и дейтерирование
Дейтерирование
H
H
+
D2SO4
H
+
D
+
D
+
DSO4
+
HDSO4
D
+
DSO4
дейтеробензол
(бензол-d)
• Обмен H на D
20
Галогенирование
H
+ Cl2
Cl
FeCl3, 25 °C
+
HCl
хлоробензол (90%)
OCH3
+
Br2
CH3COOH
OCH3
+
CH3O
Br
Br
анизол
о-бромоанизол, 4%
п-бромоанизол, 96%
21
Схема механизма галогенирования бензола
в присутствии катализатора
1.
Cl
Cl
Cl +
+ FeCl3
Cl
2.
FeCl3
+
Cl
FeCl4
FeCl3
Cl
Cl
H
+

Cl + Cl
быстро
медленно
(2)
(3)
FeCl3
-комплекс
3.
H
+
Cl
FeCl4
быстро
(4)
Cl
+ FeCl3 + HCl
-комплекс
4.
22
Схема механизма галогенирования фенола
OH
+ Cl2
HO
фенол
Cl
+
HCl
п-хлорофенол
OH
OH
OH
+ HCl
Cl Cl
H
Cl
Cl
Cl
OH
+
o
O
O Br2
20 C
Br
OH + HBr + O
O
фенол
23
Примеры реакций галогенирования
NO2
NO2
+ Br2
FeBr3
+
HBr
Br
OH
OH
OH
+ Br2
CHO
Br
FeBr3
+
– HBr
CHO
CHO
Br
OH
+
SO2Cl2
Cl
OH
+
фенол
24
Нитрование
H
+
HNO3
NO2
H2SO4, 50 °C
+
HOH
нитробензол, 85%
Схема механизма реакции
H
O
O
O
N
O
HO
+
S
O
OH
N
O
H
O
+
N
H
O
H
O
H
H2SO4
O
N
O
H
+
NO2
+
NO2
+
HO
S
O
O
O
O
H
O
HSO4
+
H3O
+
HSO4
NO2
+
H2SO4
субстрат
25
Примеры реакций нитрования
NO2
NO2
98% HNO3, H2SO4
+
o
100 C
•
+
NO2
м-динитробензол
(93%)
нитробензол
NO2
NO2
NO2
NO2
о-динитробензол
(6%)
п-динитробензол
(1%)
Ацетилнитрат CH3C(O)ONO2 –
CH3
CH3
NO2
+
CH3
CH3
CH3C(O)ONO2
10 0С
+
CH3
CH3
26
Сульфирование
• Сульфирующие реагенты —
H
SO3H
25 °C
+
+
H2SO4
HOH
бензолсульфоновая
кислота, 55%
реакция сульфирования обратима
• Электрофильные частицы —
H
+
Ar
SO3H
SO3
SO3
H+
+ H+
3 NaOH, 350 °C
– H2O, – Na2SO3
Ar
ONa
H2O/H+
Ar
OH
27
Примеры реакций сульфирования
CH3
CH3
CH3
CH3
SO3H
90% H2SO4
+
+
100 °C
SO3H
SO3H
толуол
C(CH3)3
C(CH3)3
H2SO4
SO3H
 Сульфохлорирование —
28
Алкилирование
(алкилирующие реагенты 
• Алкилирование по Фриделю-Крафтсу (1887) 
Cl
R
Cl
+ AlCl3
R +
Cl
Al
Cl
Cl
комплекс
с катализатором
+ AlCl4
R AlCl4
R
ионная
пара
карбокатион
Доказательство образования третичных карбокатионов методом ЯМР
(CH3)3C
Cl
+ AlCl3
+
(CH3)3C
трет-бутилхлорид
Cl
Cl
Al
Cl
Cl
(CH3)3C
+ AlCl4
трет-бутилкатион
Особенности реакций алкилирования




29
Примеры реакций алкилирования
H
CH3
CH3
CH3Cl, AlCl3
CH3Cl, AlCl3
– HCl
– HCl
CH3
+
толуол
H
+
CH3CH2CH2CH2Cl
CH3
CH3
п-ксилол
о-ксилол
AlCl3
20 °C
бутилхлорид
CH(CH3)2
CH2
CH
CH3, H+
H
+
(CH3)3C OH, H
C(CH3)3
– HOH
изопропилбензол
(кумол)
трет-бутилбензол
30
Ацилирование
• Ацилирование по Фриделю-Крафтсу 
O
H
+
CH3 C Cl
O
C
+ AlCl3
R
Cl
хлорангидрид кислоты
C CH3 +
80 °C
ацетилхлорид
R
O
AlCl3
HCl
метилфенилкетон
(ацетофенон, 95%)

+ O
AlCl3
C
Cl
комплекс с катализатором
R
C
O
AlCl4
ацил-катион
Строение соли ацетилия [CH3CO]+SbF6 подтверждено методом РСА

R
C
O
R
C
O
31
Примеры реакций ацилирования
(влияние пространственного фактора)
CH3O
анизол
O
+ CH3
C
Cl
O
AlCl3
CCl4,
10
0С
C CH3 + HCl
CH3O
п-метоксиацетофенон, 95%
ацетилхлорид
C(CH3)3
C(CH3)3
O
+ CH3 C Cl
AlCl3
– HCl
O
C
CH3
 Чем больше объем реагента,
32
Примеры реакций ацилирования
O
CH3
+
COCl2
AlCl3
CHCl3,
40
0С
CH3
C
Cl
+
HCl
толуол
O
Br
+
CH3
C
O
CH3
O
AlCl3
Cl2C=CCl2, 80 °C
C
Br
C
CH3
+ HCl
O
Реакции боковых цепей гомологов бензола см. в Приложении
33
Многоядерные конденсированные арены
и их наиболее важные реакции
нафталин
10 -электронов
(n = 2)
антрацен
14 -электронов
(n = 3)
8
Галогенирование
фенантрен
14 -электронов
(n = 3)
1
7
2
6
3
5
нафтацен (тетрацен)
18 -электронов
(n = 4)
Br2
(H2O)
4
нафталин

Cl



Cl2 / FeCl3


– HCl

Cl
+

нафталин
-хлоронафталин,
95%
-хлоронафталин,
5%
34
OCH3
8
OCH3
1
7
2
Br2
6
3
(H2O)
5
OCH3
Br
+
4
Br
NO2
Br
NO2
NO2
Br2
+
FeBr3
1,8-изомер
Br
Сульфирование нафталина 
SO3H
8
1
80 °C
7
2
> 80 °C
6
3
5
+ H2SO4
160 °C
SO3H
4
нафталин
35
Энергетическая диаграмма
реакции сульфирования нафталина
E
Ea2
Ea1
исходное состояние
SO3H
0
0
+ H2 O
80 C
+ H2SO4
SO3H
160 C
+ H2 O
0
> 80 C
Координата реакции
Координата реакции
36
Особенности реакционной способности
антрацена и фенантрена
8
H
1
9
7
2
6
3
5
10
Br
Br
Br2
– HBr
4
H
Br
9,10-дибромо9,10-дигидроантрацен
антрацен
9-бромоантрацен
2
1
3
8
4
7
10
6
5
9
фенантрен
Br2
+ HBr
FeBr3
Br
9-бромофенантрен
37
Основные типы реакций углеводородов
Br2
CH2 CH2
Br–CH2–CH2–Br
1,2-дибромоэтан
этилен
AE
1,2
1
2
3
4
CH2 CH CH CH2
Br2
SE
BrCH2CH CHCH2Br
Br
Br2, FeBr3
– HBr
бензол
H
SR
+
1,4
бутадиен-1,3
H
BrCH2CH(Br)CH CH2
CH3CHCH3 + Br2
пропан
бромобензол
h °C
Br
CH3CHCH3 + HBr
2-бромопропан
38
Влияние изменения механизма реакции
на направление процесса
CH2Cl
h
SR
CH3
бензилхлорид
Cl2
– HCl
толуол
CH3
CH3
FeCl3
Cl
+
SE
Cl
о-хлоротолуол
п-хлоротолуол
39
Приложение
(справочный и дополнительный материал)
Небензоидные ароматические соединения
Fe2+
азулен
ферроцен

циклопентадиенид-ион
+
тропилийкатион
40
Наиболее важные реакции
небензоидных ароматических соединений
Ферроцен  представитель металлоценов
Fe2+
+ CH3C(O)Cl
ферроцен
AlCl3
O
C CH3
Fe2+
ацетилферроцен
Азулен
8
7
SO3H
1
2
6
5
3
4
азулен
H2SO4
SO3H
азулен-1,3-дисульфоновая
кислота
41
Наиболее важные реакции многоядерных аренов
с изолированными кольцами
CH
CH2
бифенил
дифенилметан
трифенилметан
реакции электрофильного замещения
Br2
Br
Br
20 °C
бифенил
HNO3
NO2
(H2SO4)
бифенил
4,4'-дибромобифенил
HNO3
(H2SO4)
4-нитробифенил
O2N
NO2
4,4'-динитробифенил
повышенная по сравнению с моноалкилбензолами реакционная способность;
электрофил атакует преимущественно пара-положение
(региоспецифичные реакции)
42
в дифенилметане и трифенилметане бензольные кольца автономны
HNO3
CH2
(H2SO4)
O2N
дифенилметан
CH2
NO2
4,4’-динитродифенилметан
Реакции радикального галогенирования в дифенилметане и
трифенилметане
Br2
CH
– HBr
C
Br
трифенилметан
тритилбромид
 Особенность производных трифенилметана  легкое
генерирование из них тритил-радикалов, тритил-катионов
и тритил-анионов.
43
Реакции с участием боковых цепей в алкилбензолах
Галогенирование
 свободнорадикальный цепной процесс (фотолиз, термолиз),
включающий инициирование, рост цепи, обрыв цепи
CH3
+
Br2
h; 100 oC
CH2Br
– HBr
CHBr2
h; 100 oC
– HBr
бензилбромид, 70%
толуол
бензилиденбромид, 80%
аналогичное хлорирование позволяет получить все три возможных продукта
 C6H5CH2Cl, C6H5CHCl2, C6H5CCl3
 Чем стабильнее радикал, тем легче и быстрее он образуется.
O
O
H2C
CH3
C
пероксиды
+
NH
H2C
C
N-бромосукцинимид
C
O
O
толуол
C
+
NBr
H2C
H2C
CH2Br
бензилбромид, 65%
сукцинимид
44
Окисление
X
R
KMnO4, H2O
X
100 °C
COOH
бензойные кислоты, 60-80%
алкилбензолы
X = F, Cl, Br, I, COOH, OCH3, NHCH3;
R = CH3, C2H5, н-С3Н7, изо-С3Н7 и т.д.
Alk
Alk
KMnO4, H2O
100 °C
HOOC
фталевые кислоты, 60-80%
диалкилбензолы
CH3
COOH
CH3
HNO3, (разб.)
CH3
о-ксилол
COOH
о-толуиловая кислота, 56%
селективное окисление
45