4-5. Галогенпроизводные

Лекции 4-5
Классификация и номенклатура
• первичные, вторичные, третичные
• моно-, ди-, три-, … , полигалогенпроизводные
• алифатические и ароматические
1. Радикальное галогенирование алканов
Недостаток – малая региоселективность процесса.
Реакция называется региоселективной, если среди продуктов
преобладает один из возможных изомеров.
Существуют также региоспецифичные реакции.
Инициирование радикальной реакции может быть не только фотохимическим,
но и термическим
сравнить:
2. Реакции электрофильного присоединения к алкенам и алкинам
см. темы о непредельных углеводородах
3. Нуклеофильное замещение гидрокси-группы в спиртах
4. Обмен галогена (реакция Финкельштейна)
1. Реакции нуклеофильного замещения
Механизм реакции SN1
(реакции мономолекулярного нуклеофильного замещения)
(substitution nucleophilic monomolecular)
Стадия 1:
Ионизация субстрата, с образованием
карбокатиона (медленная стадия лимитирующая):
Стадия 2:
Нуклеофильная
атака карбокатиона
(быстрая стадия):
Стадия 1: R−X → R+ + X−
Стадия 2: R+ + Y− → R−Y
v = k · [RX]
Если при атоме углерода находятся
четыре разных заместителя, то
молекула не совпадает с собственным
зеркальным отражением – молекула
хиральна – существует в виде двух
оптических изомеров (антиподов,
энантиомеров).
Энантиомеры вращают плоскость
поляризации света в противоположных
направлениях
В результате реакции, протекающей по механизму SN1, происходит рацемизация
Реакции SN1 характерны для субстратов, образующих относительно стабильные
карбокатионы:
Alk3C-X
ArCH2-X
CH2=CH-CH2X
X= Hal, OCOR, OSO2Ar, OSO2CF3
Механизм реакции SN2
реакции бимолекулярного нуклеофильного замещения
(substitution nucleophilic bimolecular)
R−X + Y− → [Y⋯R⋯X]− → R−Y + X−
v = k·[RX]·[Y]
В реакциях SN2 оптически
активных субстратов происходит
«обращение конфигурации» и
образуется продукт
противоположной конфигурации.
Т.е. (+) субстрат дает (-)-продукт и
наоборот.
Одна стадия:
Атака нуклеофила и отщепление уходящей
группы происходят синхронно, карбокатион не
образуется
Реакции SN2 характерны для субстратов с первичными алкильными группами
AlkCH2-X и особенно для метильных производных CH3-X, т.к. в этих случаях
минимальны стерические препятствия в переходных состояниях при атаке
нуклеофилами:
R=H
Кроме того, для AlkCH2-X и CH3-X невыгоден SN1
маршрут реакции, т.к. должны образовываться
нестабильные карбокатионы AlkCH2+ и особенно CH3+
R= Alk
Влияние растворителя на протекание реакций нуклеофильного замещения
Свойства атомов, молекул, ионов в растворах сильно отличаются от
свойств в газовой фазе! Основная причина – сольватация, т.е.
взаимодействие частиц растворенного вещества с молекулами растворителя.
Сольватация снижает свободную энергию молекул.
Сольватация возрастает с увеличением полярности растворителя, которая
характеризуется диэлектрической проницаемостью (e).
Растворитель
e (25 оС)
вода
метанол
этанол
AcOH
MeNO2
MeCN
ДМСО
Трет-бутанол
ДМФА
ацетон
PhNO2
PhCN
дихлорэтан
78.5
32.6
24.3
6.2
38.6
37.5
48.9
12.2
36.7
20.7
34.8
25.2
10.4
Энергия сольватации выше для ионов, чем для нейтральных
молекул; энергия сольватации возрастает с уменьшением
размеров молекул и ионов
2. Реакции элиминирования
2.1 a-элиминирование
2.2 b-элиминирование – отщепление с образованием p-связи
Параллельно с элиминированием может протекать и реакция замещения, так
как основание может являться нуклеофилом.
Основания: NH2-, C2H5O-, OH-, NR3, NHR2, H2O (сила основания убывает)
Механизм элиминирования
Как и замещение, элиминирование может подчиняться кинетическим уравнениям
первого и второго порядка, различают мономолекулярное и бимолекулярное
элиминирование.
Механизм бимолекулярного элиминирования E2
v = k·[основание]·[галогенпроизводное]
Особенности бимолекулярного элиминирования E2
1. Реакция не сопровождается перегруппировками.
2. Наблюдается значительный кинетический изотопный эффект –
изменение скорости реакции при замене одного или нескольких
атомов в исходном веществе на их изотопы (чаще всего –
водорода на дейтерий).
Реакционная способность и выходы продуктов E2 элиминирования
возрастают в ряду алкилгалогенидов RX:
первичные < вторичные < третичные
Реакции E2 являются стереоселективными – преимущественно
образуется транс-изомер (если это возможно)
Стереоселективность связана с пространственными факторами,
действующими в переходном состоянии
Реакционная способность возрастает в ряду
R-F < R-Cl < R-Br < R-I
Конкуренция реакций E2 и SN2
•Сильные основания способствуют реакциям E2, более слабые
основания, но более нуклеофильные частицы NH3, I- - реакциям SN2
•Увеличение объема реагента способствует протеканию реакции E2
•Повышение температуры способствует протеканию реакций
элиминирования
Механизм мономолекулярного элиминирования E1
Стадия 1 – ионизация галогенпроизводного с образованием карбокатиона
(совпадает с SN1!)
v = k·[галогенпроизводное]
Стадия 2 – отщепление протона от b-углеродного атома под действием основания
• Связь C-H разрывается в быстрой стадии, поэтому кинетического изотопного
эффекта не наблюдается
• Возможны перегруппировки карбокатиона
• Образуется термодинамически более стабильный транс-изомер
Реакционная способность в реакциях E1 элиминирования возрастают в
ряду алкилгалогенидов RX:
первичные << вторичные < третичные
Реакции нуклеофильного замещения в ароматических галогенпроизводных
значительно более затруднены по сравнению с алифатическими
Два механизма замещения:
• ароматическое нуклеофильное замещение SNAr (присоединение –
отщепление)
• ариновый механизм (отщепление – присоединение)
Ароматическое нуклеофильное замещение SNAr
Характерно для активированных галогенпроизводных – содержащих
электроноакцепторные заместители в о- или п-положениях к атому
галогена
v = k·[нуклеофил]·[галогенпроизводное]
Механизм SNAr (присоединение – отщепление)
Стадия 1 – присоединение нуклеофила с образованием комплекса Мезингеймера,
медленная стадия
Стадия 2 – отщепление галогенид-иона, быстрая стадия
Реакционная способность галогенпроизводных в реакциях SNAr снижается в ряду:
Ar–F > Ar–Cl > Ar–Br > Ar–I
Это связано со стабилизацией комплекса Мезингеймера –I-эффектом галогена
Энергетическая диаграмма реакции нуклеофильного замещения SNAr
Ариновый механизм (отщепление – присоединение)
Наблюдается для «неактивированных» галогенпроизводных – содержащих
донорные заместители
ипсо-замещение орто-замещение
Стадия 1 – отщепление протона под действием основания
Стадия 2 – отщепление галогенид-иона с образованием дегидробензола (арина)
Стадия 3 – присоединение
нуклеофила по тройной связи
Стадия 4 – протонирование аниона