Lecture 6

7. Методы изучения механизмов органических реакций
7.1. Продукты реакций как «свидетели» механизма
OH
Cl
OH
OH+
OTs
NO2
NO2
NO2
Cl
Cl-
Cl
+
HBr
Br
Влияние добавок
HBr/H2O2
Br
Стереохимия продуктов
Me
NOH
NHCOMe
H+
Перегруппировка Бекмана
H
H
Цис-
Me
Транс-
NOH
MeCN + H2O
H+
MeCN + H2O
H
H
NHCOMe
стерический фактор
H
Br2
Br
Br
если интермедиат карбокатион, то должны получаться цис- и транс-дибромиды
Br
Br-
Br
+
Br
Br
Br
значит - бромониевый катион
Br
Изотопные метки
O
+ H18OR'
R
O
OH
H218O
R
O R'
O
+ HOR'
R
18
OH
Cl
OH
OH
Cl
NO2
NO2
C*H
Изотопы: D, T, 18O, 15N, 13C, 14C
C*H
C*H
OHOH
NO2
-H2O-
-Cl
C*
NO2
OH-
C*H
NO2
+
C*
NO2
OH
CF3COOH
CH2CD2OTos
+
CH2CD2OCOCF3
CD2CH2OCOCF3
1:1
V = k [PhCH2CD2OTos]
SN1 ???
CF3COOH
CH2CD2OCOCF3
CH2CD2OTos
(1)
(1)
-TosOH
D
CH2CD2+
CD2CH2+
CF3COOH
CF3COOH
CH2CD2OCOCF3
D
CD2CH2OCOCF3
OHPh
CH=O
COO- + PhCH2OH
Ph
H 2O
Возможный механизм:
O
OHPh
CH=O
Ph
H
H2O
OH
-
O
O
O

+
Ph
H
OH
+
Ph
+
H
или водород от растворителя ?
O
Ph
CH2OH
OHPh
CH=O
D2O
Ph
COO- + PhCH2OD (но не PhCDHOH)
7.2. Изучение кинетики
Alk-Hal
+ H2O
v = k [AlkHal]
SN1
H2O
Alk-OH
+ HCl
In AcOH v = k [AlkHal] [H2O]
SN2
При исследовании влияния температуры на скорость реакции можно
вычислить энтропию активации DS#. Если DS# < 0 – реакция
бимолекулярна.
+
DS = -34 кал/моль*град
v = kнабл [PhCOCH3] [-OEt] [PhCHO]
Предполагаемый механизм
O
+ -OEt
Ph
O
+ PhCH=O
O
+ EtOH
Ph
O
-
+ OEt
Ph
slow
k2
Ph
CH2
O
O
Ph
fast
k3
k-3
Ph
OH
Ph
k-2
CH2
O
+ EtOH
k-1
CH3
Ph
O
fast
k1
Ph
OH
O
+ -OEt
Ph
Ph
O
fast
k4
+ -OH + EtOH
Ph
Ph
Кинетические изотопные эффекты
Частоты колебаний C-H и C-D связей и, следовательно, их прочность
различаются. Относительные скорости разрыва kH/kD ~ 7 (первичный
кинетический изотопный эффект, КИЭ).
Если в одной и той же реакции двух соединений R-H и R-D наблюдается
большой КИЭ > 2, значит разрыв этих связей происходит в
лимитирующей стадии !
kH/kD = 6.8
(D)H
OH
HCrO4-/2H+
+ Cr4+ + H(D)+
(D)H
OCrO3+H2
OH
OH
OH
ArN2
fast
+
H(D)
фенол и
пентадейтерофенол
O
+
+
-H (D )
slow
(D)H
N=NAr
kH/kD = 7.0
N=NAr
В противоположность этому примеру C6H6 и C6D6 нитруются с
одинаковой скоростью (kH/kD = 1). Следовательно, в
лимитирующей стадии не происходит разрыв C-H (C-D)
связей (распад s-комплекса).
Вторичные кинетические изотопные эффекты: влияние «удаленного»
от реакционного центра X изотопа на скорость реакции R2CDR’-X. Обычно
kH/kD = 0.7-1.5.
H(D)
H(D)
Ph
H(D)
C
Br
-
Ph
C
-Br
H2O
H(D)
sp2
sp3
kH/kD = 1.3
O
H(D)
HCN
Ph
Ph
H(D)
OH
CN
sp3
sp2
kH/kD = 0.73
C
CF3CH2OH
H(D)
H(D)
Ph
OH
Использование уравнения Гаммета (см. лекцию № 3)
7.3. Идентификация промежуточных продуктов
RCONH2 + NaOBr
R
CONH2
R-NH2
[RCONHBr] + [RN=C=O]
+ NaOBr
R
NH2
Промежуточные продукты относительно стабильны и выделены
экспериментально
Часто промежуточные продукты не устойчивы, но их можно
зафиксировать спектральными методами или выделением стабильных
производных.
NHOH
R
CH=O + NH2OH
R
быстро
C
H
OH
R
CH=NOH + H2O
медленно
Можно наблюдать в ИК-спектре быстрое исчезновение полосы С=О группы до
образования оксима.
7.4. Идентификация интермедиатов
Физические методы.
ИКЯМР: наблюдение карбокатионов при низких температурах и в
кислотных средах. Недостаток – малая чувствительность.
ЭПР : наблюдение свободных радикалов, высокая чувствительность
(~10-3 моль/л)
Идентификация через фиксацию продуктов.
CHCl3
H2O/OH-
??
HCOO-
проводили с добавками олефинов и обнаружили в продуктах дихлорциклопропаны.
Следовательно, интермедиатом является дихлоркабен :CCl2.
7.5. Моделирование реакций
Предложенный механизм (Turner, D.E.; O’Malley, R.F.; Sardella, D.J.; Barinelli,K.S.;Kaul, P.
J.Org.Chem. 1994, 59, 7335)
Одноэлектронный перенос
В работе Филимонов В.Д., Краснокутская Е.А., Полещук О.Х., Лесина Ю.А. Ж. Орг. Химии 2008, 44, 691
вычислена термодинамика этих реакций методом DFT B3LYP/6-311G* в неполярной среде и в растворе
метанола и показано, что эти реакции термодинамически очень невыгодны:
Антрацен: DGгаз.фаза= 86.28 ккал/моль, DG MeOH= 7.43 ккал/моль
Фенантрен: DGгаз.фаза= 97.78 ккал/моль, DG MeOH= 18.49 ккал/моль
Антрацен: DGгаз.фаза= -19.82 ккал/моль, DG MeOH= -19.69 ккал/моль
Фенантрен: DGгаз.фаза= -20.53 ккал/моль, DG MeOH= -22.37 ккал/моль