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
Скачать

Органическая химия