РОССИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Лекции по химии для студентов лечебного, педиатрического, московского и стоматологического факультетов Подготовлено соответствии с ФГОС-3 в рамках реализации Программы развития РНИМУ Кафедра общей и биоорганической химии Часть 2. Органическая химия Тема 12 Углеводороды и их наиболее важные реакции Общая редакция — зав. кафедрой ОБОХимии, проф. В.В. Негребецкий 2 Углеводороды и их наиболее важные реакции ● Реакции радикального замещения в углеводородах и их производных ○ Механизм галогенирование алканов ○ Реакции с участием молекулярного кислорода ● Реакционная способность ненасыщенных углеводородов ○ Реакции электрофильного присоединения AE ○ Схемы механизмов реакций электрофильного присоединения ○ Особенности реакций присоединения к сопряженным диенам ● Реакционная способность ароматических углеводородов ○ Ароматичность ○ Реакции электрофильного замещения SE ○ Схема механизма реакций электрофильного замещения ○ Ориентирующее действие заместителей в бензольном ядре 3 ОСНОВНЫЕ ГРУППЫ УГЛЕВОДОРОДОВ НАСЫЩЕННЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ Алканы CH3CH2CH3 Циклоалканы пропан Алкены НЕНАСЫЩЕННЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ Циклоалкены Алкадиены Алкины CH2=CH—CH=CH2 CH2=CH2 этилен пиклопропан циклопентен бутадиен 1,3 HC CH этин АРЕНЫ (АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ) бензол нафталин 4 Реакции радикального замещения в углеводородах и их производных C H SR Алканы CH3 Циклоалканы CH3 этан C C циклогексан C C H аллильное положение H бензильное положение O C H α -положение простого эфира 5 П У Т И О Б РА З О В А Н И Я С В О Б О Д Н Ы Х РА Д И К А Л О В 1. Фотохимический − расщепление ковалентной связи при помощи лучистой энергии (фотолиз) Cl2 hυ Cl2 2Cl 2. Термический − расщепление ковалентной связи за счет тепловой энергии (термолиз) R O O R' to R O + R' O 3. Химический − образование радикалов в окислительновосстановительных процессах H O– + Fe3+ H O + Fe2+ 6 М Е Х АН И З М ГАЛ О Г Е Н И Р О ВА Н И Я + CH 4 hν Cl2 метан CH3Cl + АЛ К АН О В HCl хлорметан Стадии процесса 1. Инициирование Cl Cl hν Cl 2 Cl 2. Рост цепи Cl + H CH3 HCl CH3 + Cl Cl CH3Cl + + CH3 Cl Свободнорадикальные реакции обычно имеют цепной характер 7 3. Обрыв цепи Cl + Cl CH3 + CH3 + CH3 Cl Cl2 CH3CH3 CH3Cl СН3• — простейший органический свободный радикал (плоский) H C H H H C H sp2 H Простые алкильные радикалы — короткоживущие частицы Высокая реакционная способность свободных радикалов объясняется их стремлением достроить внешний электронный уровень до устойчивого октета 8 РЕГИОСЕЛЕКТИВНОСТЬ РЕАКЦИЙ РАДИКАЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ Региоселективность – предпочтительное протекание реакции по одному из нескольких реакционных центров одинаковой химической природы Br o Br 2 hυ, t CH3 CH2 CH3 –HBr Статистически + CH3 CH CH3 Эксперимент (125 ° С) + CH3 CH2 CH2Br 25% 75% 97% 3% Статический фактор: энергия разрыва связи (кДж/моль) Преимущественное направление радикальной атаки СН 3 СН 3 СН 3СН2 СН Н Н СН3 406 393.5 СН3 С СН3 Н 381 СН2 Н 331 СН 2=СН СН 2 Н 327 9 Динамический фактор: устойчивость (стабильность) радикала Н Н С Н Н CH2=CH CH 2 Н С Н СН3 СН3 С СН3 С СН3 СН2 СН3 СН3 C CH 2 СН2 СН СН2 СН2 СН СН2 мезомерный радикал СН 2 СН СН 2 СН 2 СН СН 2 мезомерные (резонансные) структуры 10 ПРЕИМУЩЕСТВЕННОЕ НАПРАВЛЕНИЕ РАДИКАЛЬНОЙ РЕАКЦИИ . CH CH3 CH2 CH3 + X . –HX . этилбензол CH2 CH CH2 CH 2 CH2 CH3 + X . CH2 CH CH CH3 бутен-1 11 ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА СЕЛЕКТИВНОСТЬ РАДИКАЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ Br2 + CH3 CH2 CH3 Br CH3 CH CH3 + CH3 CH2 CH2Br hυ, to –HBr 125 oC Cl2 + CH3 CH2 CH3 hυ, t 97% 3% Cl o CH3 CH CH3 + CH3 CH2 CH2Cl –HCl o 550 C o 70 C 42% 60% 58% 40% Более высокая селективность менее активного реагента (радикала брома) по сравнению с более активным реагентом (радикалом хлора) — общая закономерность в протекании органических реакций 12 Р Е А К Ц И И С У Ч АС Т И Е М М О Л Е К УЛ Я Р Н О Г О К И СЛ О Р О Д А R O O H + O2 R O O H гидропероксид Гидропероксиды R O O H Гидропероксиды — производные пероксида водорода, в которых один атом водорода замещен на органический радикал Пероксиды R O O R' Пероксиды — производные пероксида водорода, в которых два атома водорода замещены на органические радикалы 13 МЕХАНИЗМ РЕАКЦИЙ ПЕРОКСИДНОГО ОКИСЛЕНИЯ (S R ) инициирование R + H X HX + R рост цепи R + RO O + O2 R RO O H RO OH + R обрыв цепи (один из возможных путей) R + RO O RO OR 14 ПРИМ ЕРЫ РЕАКЦ ИЙ ПЕРО КСИДНО ГО О КИСЛЕНИЯ O O O2 CH3CH 2OCH 2CH3 CH3CH2 O диэтиловый эфир H C H CH3 изопропилбензол (кумол) O2 CH 3 гидропероксид диэтилового эфира O2 циклогексен CH3 CH H O O H 3-гидропероксициклогексен O CH3 C O O H OH + CH3CCH3 CH3 гидропероксид изопропилбензола фенол ацетон (диметилкетон) 15 Реакционная способность ненасыщенных углеводородов Типичные реакции алкенов — реакции присоединения Алкен Реагент + H2 Продукт Тип реакции C C Гидрирование Pd H H + С Cl2 C C Cl Cl С + + HCl H+ H2O C C H Cl C C Галогенирование (хлорирование) Гидрогалогенирование (гидрохлорирование) Гидратация H OH 16 О СО Б Е ННО СТ И СТ Р О Е НИ Я АЛ К Е НО В π-Доноры (нуклеофилы) Электронная структура этилена Подвержены электрофильной атаке Электрофильная атака С С + Е+ электрофил субстрат 17 О Б ЩАЯ СХ Е М А Р Е АК Ц И Й П Р И СО Е Д И НЕ Н И Я σ -Связь π-Связь C E C Nu C C E Nu Электрофильное присоединение AE C C E+ медленно Nu– C C быстро E алкен карбокатион C C E Nu продукт присоединения 18 П Р И СО Е Д И НЕ НИ Е ГАЛ О Г Е НО В К АЛ К Е НАМ Хлорирование o CH3CH2 CH CH 2 + Cl2 CHCl3, 0 C CH3 CH2 CH(Cl) CH2Cl бутен-1 1,2-дихлоробутан, 97% o CH3 CH CH CH3 + Cl2 CCl4, _10 C CH3 CH(Cl) CH(Cl) CH3 бутен-2 2,3-дихлоробутан, 100% Бромирование ο + алкен Br2 H2O или CCl4, 20 C Br Br дибромоалкан 19 СХЕМЫ МЕХАНИЗМОВ РЕАКЦИЙ ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ (AE) П Р И СО Е Д И НЕ НИ Е ГАЛ О Г Е НО В К АЛ К Е НАМ Основные стадии анти-атака Br2 С С (1) С С Br δ+ Br+ (2) Br δ- алкен π -комплекс анти-присоединение с образованием транс-аддуктов C C + Br Br Br– (3) Br циклический продукт ион антибромония присоединения Нуклеофильная атака галогенид-ионом 20 СТЕРЕОСЕЛЕКТИВНОСТЬ РЕАКЦИИ ГАЛОГЕНИРОВАНИЯ Стереоселективность — предпочтительность образования одного из нескольких возможных стереоизомеров + H Br 2 H H Br Br H + транс-1,2-дибромоциклопентан циклопентен H H Br Br цис-1,2-дибромоциклопентан Равновесие между ионом галогенония и карбокатионом C C Br циклический ион бромония C C Br– Br карбокатион 21 ПРИСО ЕДИНЕНИЕ ГАЛО ГЕНО ВО ДОРОДОВ К АЛКЕНАМ CH2 CH2 + HBr + CH3 CH2–Br Cl HCl H этилбромид этилен циклогексанхлорид циклогексен Схема механизма реакций гидрогалогенирования Гетеролитический электрофильный механизм AE С Н δ+ +H Н Н С δ− Cl С Н Н Н Н+ Н С H + С Н Легкость присоединения: Н Н Н С Cl Н Cl– Н HF < HCl < HBr < HI R2C=CHR ≈ R2C=CH2 > RCH=CHR ≈ RCH=CH2 22 РЕГИОСЕЛЕКТИВНОСТЬ РЕАКЦИЙ ГИДРОГАЛОГЕНИРОВАНИЯ Марковников Владимир Васильевич 1837 – 1904 При взаимодействии галогеноводородов, воды и других реагентов типа НХ с несимметричными алкенами водород присоединяется к атому углерода, связанному с максимальным числом атомов водорода, т. е. к наиболее «гидрогенизированному» атому углерода двойной связи. CH3 + HBr Br H 1-метилциклогексен Реакции протекают с высокой региоселективностью CH3 CH3COOH 1-бромо-1-метилциклогексан, 91% (CH3)2C CH2 + HCl 2-метилпропен (изобутилен) (C2H5)2O CH3 H CH2 C Cl CH3 2-хлоро-2-метилпропан (трет-бутилхлорид), 94% 23 ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ НАПРАВЛЕНИЕ РЕАКЦИИ Динамический фактор Статические факторы CH 3 δ+ CH а δ– CH2 CH CH3 (I) вторичный карбокатион H+ пропен (пропилен) CH3 Cl– CH3 CH3 Cl конечный продукт Cl– б CH CH3 CH3 CH2 CH2 (II) первичный карбокатион CH2 CH2Cl Электронный и пространственый факторы R R C C карбокатион R R C H C H R R H третичный вторичный первичный Уменьшение стабильности катионов 24 ПРИСОЕДИНЕНИЕ ВОДЫ (ГИДРАТАЦИЯ) Катализаторы – сильные кислоты (серная, азотная, хлорная) H2O, H+ CH2 CH2 этилен этанол CH3 C CH 3CH 2OH H2O, H+ CH2 CH3 C CH3 CH3 Общий способ получения спиртов CH 3 OH 2-метилпропанол-2 (трет-бутиловый спирт) 2-метилпропен (изобутилен) Схема механизма реакции гидратации (АЕ) C C H + медленно алкен H O C O C H карбокатион H быстро C C –H+ быстро H алкилоксониевый ион C C H OH 25 И С К Л Ю Ч Е Н И Я И З П РА В И Л А М А Р К О В Н И К О В А ПРИСОЕДИНЕНИЕ К АЛКЕНАМ С ЭЛЕКТРОНОАКЦЕПТОРНЫМИ ЗАМЕСТИТЕЛЯМИ Статические факторы ++++ CF3 CH δ+ δδ CH2 + H Cl CF3 -I CF 3 CF3 CH3 или CH2 Cl +Cl– +H+ + CH CH2 CF3 CH2 + CH2 динамический фактор -ICF >> +ICH 3 3 Антимарковниковское присоединение 26 Гидратация α ,β β -ненасыщенных карбоновых кислот β CH2 α CH O C OH (H2SO4, 100 акриловая кислота Статические факторы δ+ R CH δ – δ+ O δ – + H CH C OH R – алкил, арил O H 2O 0C) HO CH2 CH2 C OH 3-гидроксипропановая кислота Динамический фактор + δ+ O R CH2 CH C OH менее стабильный карбокатион одноименные заряды на соседних атомах OH δ+ O O + H2O R CH CH2 C R CH CH2 C OH OH – H+ относительно более β -гидроксикарбоновая стабильный карбокатион кислота 27 СО ВРЕМ ЕННАЯ ИНТ ЕРПРЕТАЦ ИЯ РЕГИО СЕЛЕК Т ИВНО СТ И РЕАКЦ ИЙ ЭЛЕК Т РО ФИЛЬНО ГО ПРИСО ЕДИНЕН ИЯ К АЛКЕН АМ ( ЭМ ПИРИЧЕСКО ГО ПРАВИЛ А М АРКО ВНИКО ВА) Направление присоединения реагентов типа НХ к несимметричным алкенам определяется относительнойустойчивостью возможных этих реакциях промежуточных карбокатионов Таким образом правило Марковникова без оговорок применимо лишь к алкенам, не содержащим электроноакцепторных заместителей. 28 Алкилирование алке нов карбокатионами в биох имиче ских ре акциях 2222 HHHH CCCC HHHH CCCC 3333 OOOO 2222 HHHH CCCC OOOO 2222 HHHH CCCC 2222 3333HHHH HHHH CCCC CCCC CCCC OOOO OOOO PPPP OOOO OOOO PPPP OOOO катион аллильного типа 3-метилбутен-2-илдифосфат CCCC 3333 HHHH HHHH CCCC CCCC OOOO OOOO PPPP OOOO OOOO OOOO PPPP OOOO 2222 HHHH CCCC HHHH CCCC 3333 3333 HHHH HHHH CCCC CCCC OOOO OOOO PPPP OOOO 2222 HHHH CCCC 2222 HHHH CCCC HHHH CCCC CCCC 3333 HHHH HHHH CCCC CCCC 3333 OOOO 2222 HHHH CCCC HHHH 3333CCCC HHHH HHHH CCCC CCCC OOOO OOOO PPPP OOOO 3-метилбутен-3-илдифосфат (изопентенилдифосфат) катион аллильного типа 4 3333 OOOO 2222 HHHH CCCC HHHH CCCC CCCC 3333 HHHH HHHH CCCC CCCC промежуточный карбокатион OOOO OOOO PPPP OOOO 3333 OOOO OOOO PPPP OOOO OOOO 2222 HHHH HHHH CCCC HHHH 3333CCCC HHHH CCCC CCCC 2222 HHHH CCCC 2222 HHHH CCCC HHHH CCCC CCCC 3333 HHHH HHHH CCCC CCCC предшественник терпенов и стероидов геранилдифосфат + C P 2O7 29 О СО Б Е Н Н О СТ И Р Е АК Ц И Й П Р И СО Е Д И Н Е Н И Я К СО П РЯ ЖЕ Н Н Ы М Д И Е Н АМ Диены — ненасыщенные углеводороды, содержащие две двойные связи (CnH2n−− 2) кумулированные диены сопряженные диены CH2=C=CH2 CH2=CH–CH=CH2 пропадиен бутадиен-1,3 изолированные диены CH2=CH–CH2–CH=CH2 пентадиен-1,4 Особенности строения сопряженных диенов H H 3 1 C C C H 2 H H C 4 H π ,π -Сопряжение в бутадиене 30 Образование продуктов 1,2- и 1,4-присоединения BrCH2CHCH CH2 1,2 1,2 Br2 Br 1,4 BrCH 2CH CHCH2Br CH 2 CH CH CH2 бутадиен-1,3 CH3CHCH CH2 HCl Cl 1,4 CH3CH CHCH2Cl Схема механизма реакций 1,2- и 1,4-присоединения 1 2 3 4 СН2=СН СН=СН2 + HCl + Н+ + СН2 СН2 СН=СН2 Cl CH3 CH CH CH2 продукт 1,2 СН3 СН СН СН2 Cl продукт 1,4 – + Cl + +1/2 +1 /2 СН3 СН СН СН2 СН3 СН СН=СН2 + мезомерный катион + + СН3 СН СН=СН2 СН3 СН СН СН2 31 Реакционная способность ароматических углеводородов АРОМАТИЧНОСТЬ Соединение ароматично, если оно имеет плоский цикл и сопряженную π-электронную систему, охватывающую все атомы цикла и содержащую 4n + 2 р-электрона (n = 0, 1, 2, 3 и т.д., правило Хюккеля, 1931) Строение молекулы бензола (6 р-электронов, n = 1) Ароматичность обусловливает общие закономерности в строении и химических свойствах аренов Наиболее типичные реакции аренов — реакции электрофильного замещения, т.е. реакции, протекающие без нарушения ароматичности 32 НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕРЫ РЕАКЦИЙ ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ Галогенирование Алкилирование FeCl3 + Сl2 + СН3Cl Ацилирование + СН 3С AlCl3 О AlCl3 Cl Cl + HCl CH3 + HCl О C CH 3 + HCl Роль катализатора: формирование электрофильной частицы СН3Cl + AlCl3 CH3+ ..... AlCl4– 33 Алкилирование алкенами, спиртами, алкилфосфатами + СН3 СН=СН2 Н+ СН 3 СН СН3 Роль катализатора: формирование электрофильной частицы СН3 СН=СН2 + Н + СН3СН2ОН + Н+ СН3 + СН СН 3 СН2СН3 + Н2О Роль катализатора: формирование электрофильной частицы .. + СН3СН2ОН + Н + H СН3СН2О H + СН3СН2 + Н2О 34 Биологическая роль реакций SE-типа БИОСИНТЕЗ ГОРМОНОВ ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ Иодирование аминокислоты тирозина I NH2 HO CH2—CH—COOH иодирование HO тирозин NH2 CH2—CH—COOH 3-иодтирозин I HO иодирование NH2 CH2—CH—COOH I 3,5-дииодтирозин 35 Алкилирование ароматических соединений карбокатионами в биохимических реакциях H C=CHCH2 + + R'' R''' OH катион аллильного типа CH3 OH CH2CH C R' CH3 HHHH СН3 2222 катион аллильного типа OH СН3 HHHH CCCC HHHH CCCC 3333 3-метилбутен-2-илдифосфат R' CCCC 3333 HHHH HHHH CCCC CCCC OOOO OOOO PPPP OOOO OOOO 3333 OOOO PPPP OOOO OOOO 2222 HHHH CCCC HHHH CCCC CCCC 3333 HHHH HHHH CCCC CCCC 4 P2O7 двухатомный фенол R'' R''' OH промежуточный продукт в биосинтезе ряда витаминов и коферментов 36 СХ Е М А М Е Х АН И З М А Р Е АК Ц И Й ЭЛ Е К Т Р О Ф И Л Ь Н О Г О З АМ Е ЩЕ Н И Я H E + E+ + субстрат электрофил продукт H+ электрофуг 1. Генерирование электрофильной частицы E Y поляризация молекулы E δ+ разрыв связи δ – Y E + Y– 2. Образование π-комплекса E+ E+ E+ E+ E+ или быстро субстрат π-комплекс 37 3. Образование σ -комплекса (аренониевого иона) sp3-гибридизация H H E+ + E медленно субстрат σ -комплекс (бензолониевый ион) 4. Образование конечного продукта — стабилизация σ -комплекса H + σ -комплекс E E + H+ быстро продукт 38 С У М М А Р Н А Я П О С Л Е Д О В АТ Е Л Ь Н О С Т Ь С ТА Д И Й E+ H E+ + быстро субстрат E + H E медленно быстро π -комплекс σ-комплекс E продукт Ea2 H E a1 + E σ-комплекс + E E + H Исходное состояние Продукты реакции Координата реакции Строение σ -комплекса (резонансные структуры) E H E H E E δ+ H H δ+ или (Ia) (Iб) (Iв) δ+ (Iг) 39 ОРИЕНТИРУЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОНОДОНОРНЫХ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ XI ─ − OH, − OR, NH2, NHR, − NR2, NHC(O)R (+M-эффект > − I-эффекта) CH3 и другие алкилы (+I-эффект) XI ─ активирующие заместители (орто-, пара-ориентанты) XI XI XI E + EY – HY E продукт орто-замещения монозамещенный бензол продукт пара-замещения монозамещенный бензол CH3 CH3 CH3 Br FeBr3 + толуол толуол Br2 + – HBr о-бромотолуол (33%) Br п-бромотолуол, 67% 40 ОРИЕНТИРУЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНЫХ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ XI I ─ − C≡ ≡ N, − C(O)H, − C(O)R, − COOH, − COOR, − NO2, − SO3H (− − I-, − M-эффекты); − NH3+, − NR3+, − CF3, − CCl3 (− − I-эффект) XI I ─ дезактивирующие заместители (мета-ориентанты) X II X II + EY – HY монозамещенный бензол E продукт мета-замещения COOH COOH FeBr3 + + Br2 HBr Br бензойная кислота мета-бромбензойная кислота 41 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОРИЕНТИРУЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ В СИНТЕТИЧЕСКИХ ЦЕЛЯХ СН3 СН3 AlCl3 СН3 Cl + Cl2 + толуол Cl ортохлортолуол [O] СOOН AlCl3 пара-хлортолуол СOOН + Cl2 Cl бензойная кислота мета-хлорбензойная кислота 42 ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ МЕХАНИЗМА РЕАКЦИИ НА НАПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССА CH2Cl hυ SR CH3 бензилхлорид Cl2 – HCl FeCl3 толуол CH3 CH3 Cl SE + Cl орто-хлортолуол пара-хлортолуол 43