Автор: Сайкс П.  

Теги: органическая химия  

Год: 1977

Текст
                    ^МЕХАНИЗМЫ
РЕАКЦИЙ
В ОРГАНИЧЕСКОЙ
L химии
ь ____
П. САЙ КС

PETER SYKES University of Cambridge A Guidebook to Mechanism in Organic Chemistry LONGMAN, LONDON 1971
П. САИКС МЕХАНИЗМЫ РЕАКЦИЙ В ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ ИЗДАНИЕ 3-е по 3-му английскому изданию (1971'г.) Перевод с английского под редакцией проф. Я. М. Варшавского МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО «ХИМИЯ» 1977
547 С12 УДК 547 : 541.124 Сайкс П. С12 Механизмы реакций в органической химии. Пер. с англ, под ред. проф. Варшавского Я. М. Изд. 3-е, М., «Химия», 1977. 320 с., 2 табл., 6 рис., список литературы 49 ссылок. В этой широко известной книге излагаются основные сведения о строении органических соединений и о связи их строения с реакционной способностью. Рассматриваются основные типы механизмов химических реакций. Характерной особенностью книги является сочетание строгости и научной точности с доступностью изложения. Небольшая по объему книга отражает современное состояние представлений о механизмах ор- ганических реакций и может служить прекрасным дополнением к имею- щимся учебным пособиям по органической химии. Она предназначена для очень широкого круга лиц — студентов, аспирантов, научных работников и инженеров-химиков, а также работ- ников смежных специальностей, интересующихся проблемами реакцион- ной способности и механизма химических реакций. Первый русский перевод книги, вышедший в 1971 г., был сделан со второго английского издания. Второе русское издание представляет собой перевод с третьего, значительно переработанного и дополненного автором английского издания книги. В настоящем третьем русском издании исправлены опечатки, замеченные во втором русском издании и дополнен список рекомендуемой литературы. Перевод выполнен Варшавским Я. М., Бреусо- вым Ю. Н., Смирновым В. Н., Варшавским А. Я- и Бочаровым А. Л. 20504-241 Г70ПП?0 € 050(01)-77 Б3 88'9-76 .547 © Перевод на русский язык, издательство «Химия», 1977 Г,
СОДЕРЖАНИЕ Предисловие редактора перевода----------------------------------— 9 Предисловие А. Р. Тодда -------------------------------------------- П Из предисловия автора к первому английскому изданию ---------------- 13 Из предисловия автора к третьему английскому изданию --------------- 15 Глава I. Структура и реакционная способность. Механизм реакций— 17 I. Атомные орбитали —----------------------------------------------- 17 2. Гибридизация ——-——---------------------------------------------20 3. Связи в соединениях углерода ----------------------------------- 21 Простые углерод-углеродные связи----------------------------- 22 Двойные углерод-углеродные связи------------------------------23 Тройные углерод-углеродные связи------------------------------25 Углерод-кислородные и углерод-азотные связи------------------ 26 Сопряжение---------;------------------------------------------27 - Бензол и ароматичность —--------'------------------------------- 29 Условия, необходимые для делокализации ---------------------- 33 4. Разрыв и образование связей------------------------------------ 35 5. Факторы, влияющие на доступность электронов в связях и в отдельных атомах ------------------------------------------------------------- 36 Индуктивный эффект________.36 Мезомерный эффект или эффект сопряжения --------------------- 38 Эффекты, изменяющиеся во времени------------------------------41 Сверхсопряжение (гиперконъюгация)---------------------------- 41 6. Стерические эффекты-----------------------------------:_________ 43 7. Классификация реагентов 45 8. Типы реакций--------------------------------------------------- 48 Глава 2. Энергетика, кинетика и пути исследования механизма реакций 52 1. Энергетика реакций —___________________________________________ 52 2. Кинетика реакций----------------------------------------------- 55 Скорость реакции и свободная энергия активации --------------- 57 Кинетика и понятие о стадии, лимитирующей скорость реакции — 58 Кинетический и термодинамический контроль -------------------- 62 3. Пути исследования механизма реакций 63 Кинетические методы ------------------------------------------ 63 5
Изотопные эффекты__________________.________________________ 65 Промежуточные соединения-----.-------------------------------66 Стереохимические-критерии------------------------------------68 Прочие методы----------------------------------------------- 69 Глава 3. Сила кислот и оснований ---------------------------------- 71 1. Кислоты ------------------------------------------------------- 72 Величины рКа-----------------:------------------------------ 72 Влияние растворителя-----1----------------------------------72 Кислотность органических соединений------------------------- 73 2. Основания---------------'--------------------------------------- 82 Величины рКь------------------------------------------------ 82 Глава 4. Нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода 92 1. Связь между кинетикой и механизмом реакции --------------------- 92 2, .Влияние растворителя------------------------------------------- 95 3. Влияние строения реагирующих соединений ----------1--и--------- 96 ,4. Стереохимические аспекты механизма реакций ------------------- 101 Механизм Sn2------------------------------------------------101 Определение относительной конфигурации -------------------- 102 Механизм S«1 103 Механизм Srri-----------------------------------------------104 Участие соседних групп------------------------------------ 105 5. Влияние вступающих и покидающих групп------------------------- 108 6. Нитрозирование аминов------------------------------------------ 111 7. Другие реакции нуклеофильного замещения------------------------ 113 Глава 5. Карбониевые ионы, электронодефицитные атомы азота и кислорода и их реакции--------------------------------------------- 116 1. Пути образования карбоииевых ионов ---------------------------- 116 Прямая ионизация--------------------------------------------116 Протонирование---------------------------------------------- 117 Разложение ------------------------------------------------- 118 2. Устойчивость карбоииевых ионов ------------------------------- 118 3. Реакции с участием карбоииевых ионов ---------------------------д 121 4. Перегруппировки карбоииевых ионов-------------------------------. 123 Перегруппировки без изменения углеродного скелета----------- 123 Перегруппировки с изменением углеродного скелета------------124 5. Миграция групп к электронодефицитиым атомам азота--------------- 130 Реакции Гофмана, Курциуса и Лоссена ------------------------ 130 Бекмановская перегруппировка ------------------------------- 132 6. Миграция групп к электронодефицитиым атомам кислорода ---------- 135 Окисление кетонов по Байеру — Виллигеру--------------------- 135 Перегруппировки перекисных соединении----------------------- 136 6
Глава 6. Реакции электрофильного и нуклеофильного замещения в ароматических системах------------------------------------------ 138 1. Электрофильная атака бензола------------------------------------138 л- и о-Комплексы ———---------------------------------------- 138 Нитрование — -------------------------------;---------------- 140 Галогенирование —---------------------------1---------------- 144 Сульфирование------------------------------------------------146 Реакция Фриделя—Крафтса--------------------------------------147 Азосочетание--------------------------:---------------------- 150 2. Влияние уже присутствующих заместителей------------------------ 154 Индуктивный эффект заместителей------------------------------154 Мезомерный эффект заместителей-------------------------------154 Суммарный эффект---------------------------------------------155 Ориентация замещения-----------------------------------------157 Влияние условий проведения реакции-------------------------- 161 Соотношение орто- и пара-изомеров------------------------- 162 3. Кинетический и термодинамический контроль --------------------- 163 4. Электрофильное замещение в других ароматических системах ------ 165 5. Нуклеофильное замещение в ароматических системах--------------- 168 Замещение атомов водорода----------------------------------- 168 Замещение неводородных атомов ------------------------------ 169 Замещение галогена в неактивированном ядре----------------- 172 Глава 7. Присоединение по двойным углерод-углеродным связям-------- 176 1. Присоединение брома------------------------------------------- 176 2. Ориентация при присоединении галогеноводородов------------------180 3. Другие реакции присоединения----------------------------------- 182 Гидратация------------------------------------------------ 182 Присоединение карбониевых ионов ------:---------------------- 183 Гидроксилирование ---------------------------------------- 184 Гидрирование ------------------------------------------------ 184 Озонолиз-----------------------------------------------------185 4. Присоединение к сопряженным диенам------------------------,— 188 Присоединение галогеноводородов------------------------------190 Реакция Дильса — Альдера -------------------------- 191 .5. Присоединение анионов--------------------------------------:— 193 Цианэтилирование---------------------------------------------193 6. Присоединение к а, ^-ненасыщенным карбонильным соединениям ---- 194 Реакция Михаэля ------------------------------------------ 196 Глава 8. Присоединение по двойным углерод-кислородным связям 198 1. Строение и реакционная способность 199 2. Реакции присоединения ______________________;__________________ 201 Гидратация —— ______________________________i________________ 201 Присоединение спиртов----------------------------------------203 Присоединение меркаптанов ----------------------------------- 204 7
Присоединение _CN, HSO3 и других агентов-------------------204 Реакции с производными аммиака-----------------------------205 Реакции с участием гидрид-ионов----------------------------207 Реакции с участием электронов растворенных металлов ------- 210 Присоединение карбанионов и соединений с электроотрицательным атомом углерода--------------------------------------------212 3. Стереохимия присоединения к карбонильным соединениям---------- 223 4. Нуклеофильная атака производных карбоновых кислот------------- 224 Реакции, индуцируемые основаниями--------------------------226 Реакции, катализируемые кислотами----------------=--------- 227 Реакции присоединения нитрилов ------------------------:--- 230 Глава 9. Реакции отщепления (элиминации)--------------------------231 1. P-Отщепление (р-элиминация)--------------------------------- 231 2. Механизм £1.---------------------------------------------------232 3. Механизм £2 —--------------------------------------------------234 Стереоспецифичность отщепления по механизму £2-------------236 Ориентация отщепления по механизму £2. Правила Зайцева и Гофмана --------------------------------------:------------238 4. Отщепление и замещение-----------------------------------------243 5. Влияние активирующих групп-------------------------------------245 6. Дебромирование-------------------------------------------------247 7. а-Отщепление (а-Элиминация)------------------------------------248 8. ч«с-Отщепление (чыс-Элиминация)--------------------------------250 Глава 10. Карбанионы и их реакции---------------------------------252 1. Образование карбанионов ---------------------------------------. 252 2. Стабильность карбанионов-------------------------------------- 254 3. Конфигурация карбанионов-------------------------------------- 257 4. Карбанионы и таутомерия-------------------------------------- 259- Синхронный и ступенчатый механизмы таутомерных превращений 259 Скорость таутомеризации------------------------------------261 Строение таутомеров и положение равновесия-----------,----- 262 5. Реакции карбанионов ------------------------------------------ 264 Реакции присоединения ------------------------------------- 264 - Реакции замещения ---------------------------------------- 265 Галогенирование кетонов--------------------------------- 270 Декарбоксилирование ------------------------------------ 273 Перегруппировки--------------------------------------------274 Глава 11. Радикалы и их реакции ----------------------------------276 1. Долгоживущие радикалы -------------------------------------- 277 • 2. Короткоживущие радикалы 280 Пути образования радикалов --------------------------:----- 280 Методы обнаружения радикалов-------------------------------281 Стереохимия радикалов ------------------------------------ 285 Реакции радикалов---------------;--------------------------286 Бирадикалы-------------------------------------------------306 Рекомендуемаи литература----------------------------------------308 Предметный указатель -------------------------------------------311
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА Книга Питера Сайкса «Механизмы реакций в органической химии» представляет собой хорошее учебное пособие, которое может быть использовано при изучении органической химии. В ней последовательно излагаются основные идеи английской химической школы, касающиеся механизмов органических реак- ций и оказавшие, как известно, огромное влияние на становле- ние современных представлений о связи между строением хи- мических соединений и их реакционной способностью. Оригинальность построения книги, тщательность подбора материала, охватывающего практически все наиболее важные классы органических реакций, а также ясность и лаконичность изложения привлекли к книге П. Сайкса внимание химиков всего мира и создали ей широкую популярность. В Англии эта книга вышла тремя изданиями, каждое из которых многократно переиздавалось; она переведена на французский, японский, не- мецкий, испанский, итальянский и португальский языки. Содержание и специфические особенности книги П. Сайкса, отличающие ее от всех других учебников по органической хи- мии, охарактеризованы в предисловии, написанном известным английским химиком-органиком, лауреатом Нобелевской пре- мии А. Тоддом, а также в двух предисловиях автора (к первому и к третьему изданиям), которые приведены ниже. Первый русский перевод книги П. Сайкса, сделанный со второго английского издания, был с интересом встречен совет- скими читателями, особенно студентами, аспирантами и препо- давателями высших учебных заведений. Предлагаемая вниманию читателя книга представляет собой русский перевод с послед- него (третьего) английского издания, которое по сравнению со вторым изданием существенно переработано автором и допол- нено большим числом новых примеров. 9
Учитывая, что книга носит в основном учебный характер; при ее переводе мы стремились использовать по возможности только общепринятые в русском языке термины, содержание и смысл которых не требует специальных пояснений. В связи с этим следует отметить, что английский термин «intermediate» во всех случаях мы переводили как «промежуточное соедине- ние» независимо от того, шла ли речь об образующихся в ходе реакции устойчивых химических соединениях, которые можно выделить из реакционной смеси в свободном виде, или о ионах, неустойчивых молекулах, свободных радикалах и т. д. Я. М. Варшавский
ПРЕДИСЛОВИЕ А. Р. ТОДДА Наблюдаемое в течение последних приблизительно тридцати лет интенсивное развитие теории органической химии, или, бо- лее конкретно, представлений о механизме реакций, протекаю- щих с участием соединений углерода, сильно изменило наши научные представления. Если раньше органическая химия вы- глядела в глазах студентов как нагромождение огромного числа фактов (часто не связанных между собой), которые не- обходимо было просто выучить и запомнить, то благодаря раз- витию теоретической органической химии это положение в корне изменилось. Сейчас органическая химия представляет собой уже более упорядоченную область знаний, в которой ясно ощущаются элементы логики. В течение длительного периода своего развития, начиная от идей Лэпуорта и Робинеона, тео- рия органической химии претерпевала, естественно, непрерывные изменения. Хотя очевидно, что эта теория еще далека от со- вершенства, тем не менее уже сейчас она достигла такой сте- пени общности, что химики-органики могут в полной мере оце- нить ее пользу и значение. Было предпринято много попыток разработки новых методов обучения органической химии, однако единой общепринятой системы еще не существует; написано большое число книг, от- ражающих в какой-то мере эти попытки. Автор настоящей книги придерживается мнения, согласно которому нельзя сна- чала заставлять студентов заучивать фактический материал, а уже потом излагать им основные представления о механиз- мах реакций. В то же время он считает в равной мере непра- вильным игнорировать фактический материал в процессе об- учения органической химии. Теория органической химии еще не достигла такого уровня, когда с ее помощью можно было бы надежно предсказывать поведение многих сложных 11
углеродсодержащих соединений, с которыми ежедневно прихо- дится сталкиваться в практике научных исследований. Хорошая теория жизненно необходима для успешного развития органиче- ской химии, однако непреложным является тот факт, что орга- ническая химия все же остается наукой экспериментальной, а не теоретической. В Кембридже мы избрали средний путь обучения органиче- ской химии, смысл которого состоит в том, что изучение теории тесно увязывается с фактическим материалом. При этом сту- денты должны с самого начала разобраться в основных поло- жениях теории и изучить проблему механизма реакций с при- влечением по возможности большого числа конкретных приме- ров. Именно этот подход обеспечивает, как показывает опыт, наиболее эффективное изучение большинства разделов органи- ческой химии. Д-р Сайкс, который всегда был тесно связав с таким под- ходом, написал эту книгу, представляющую собой, по существу, введение в проблему механизма органических реакций. В ней в предельно ясной и четкой форме излагается материал, кото- рый необходим студенту при изучении основного курса орга- нической химии. Я с удовольствием могу рекомендовать эту книгу, которая облегчит студентам возможность систематиза- ции фактического материала и позволит им яснее представить себе внутреннюю логику предмета. А это, в свою очередь, све- дет к минимуму нагрузку на память при изучении органической химии. А. Р. Тодд 26 апреля 1961 г. . ,
ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ АВТОРА К ПЕРВОМУ АНГЛИЙСКОМУ ИЗДАНИЮ Последние двадцать лет характеризуются огромным увеличе- нием объема наших знаний, касающихся органических реак- ций и в особенности важных деталей их механизма. Успехи в понимании механизма реакций обусловлены в основном использованием электронных теорий в органической химии, ко- торые не только дали возможность систематизировать и объяс- нить большое количество уже известных фактов, но позволили также предсказать условия успешного проведения новых важ- ных реакций. Использование электронной теории освобождает студента от необходимости, заучивания большого числа, на первый взгляд, не связанных между собой фактов, что в прошлом было харак- терно для органической химии. Новый подход не требует от него запоминания нового материала,- но помогает ему несрав- ненно лучше использовать уже известный материал. Вместо простого выучивания фактов этот подход помогает понять основные принципы. В то же время следует иметь в виду, что сложность органических молекул делает невозможным строгое применение к ним квантово-химических методов расчета. Общие закономерности, имеющие реальную ценность, могут быть по- лучены из этих расчетов только при условии определенных при- ближений и допущений, и это обстоятельство никогда нельзя забывать. Тот день, когда химик-органик сможет работать не в лаборатории, а сидя в кресле за письменным столом, по-ви- димому, еще далек. Основанный на электронных представлениях новый и эф- фективный подход к осмысливанию материала органической хи- мии был положен в основу нескольких больших монографий. Наличие всех этих монографий не исключает, однако, по- требности со стороны студентов, аспирантов и химиков с 13
классическим профессиональным образованием в небольшой книге, которая помогла бы им легко и быстро войти в курс но- вых представлений. Цель на'стоящей книги, написанной на ос- нове курса лекций, который автор читал в течение ряда лет в Кембридже, состоит в том, чтобы заполнить этот пробел. В книге умышленно минимум места отведен теории валент- ности. Это связано не только с тем, что данный вопрос доста- точно подробно рассмотрен во многих книгах, но главным об- разом с желанием автора изложить по возможности больше сведений, которые помогли бы студенту на примере наиболее важных реакций понять, каким образом .теоретические пред- ставления могут быть использованы на практике. Исходя из существования трех основных классов реаген- тов *-электрофилов, нуклеофилов и радикалов, в книге изла- гаются основные особенности поведения каждого из этих реа- гентов в наиболее важных органических реакциях — замещения, присоединения, отщепления и в перегруппировках. Во всех случаях Примеры выбирались с таким расчетом, чтобы наибо- лее существенные особенности процесса не были замаскиро- ваны не относящимися к сущности дела второстепенными дета- лями и выявлялись в возможно более простой форме. В тексте отсутствуют ссылки на оригинальные работы, так как, по мнению автора, в книге столь ограниченного объема место, необходимое для списков литературы, может быть исполь- зовано с большей пользой. Однако небольшой список наиболее важных книг все же приведен в конце книги, и любознатель- ный! читатель сможет при желании найти в этих книгах ссылки на интересующие его оригинальные статьи. ' Мое знакомство с рядом оригинальных статей и Других научных публикаций, и особенно с книгами Ингольда «Струк- тура и механизм в органической химии», Гоулда «Механизм и структура в органической химии», Александера «Ионные орга- нические реакции» и Хина «Физическая органическая химия», смогут почувствовать многие из тех, кто прочтет эту книгу. Питер Сайкс Кембридж Апрель 1961 г.
ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ АВТОРА К ТРЕТЬЕМУ АНГЛИЙСКОМУ ИЗДАНИЮ За девять лет, прошедших со времени выхода в свет первого издания этой книги, были детально исследованы механизмы мно- гих органических реакций. Соответственно возросла степень до- стоверности наших представлений о соотношении между элект- ронными и стерическими факторами, определяющем реакционную способность химических соединений в данных условиях. Успехи, достигнутые в этой области, действительно очень велики, и теперь уже нет необходимости доказывать, что изу- чение механизмов реакций, даже на том несовершенном уровне, на котором это сейчас может быть сделано, является важней- шей задачей органической химии. Следует, однако, признать, что из-за допущений, которые неизбежно приходится делать при теоретическом рассмотрении поведения сложных молекул, со- ставляющих, как известно, основу органической химии, возмож- ность эффективного использования электронных и квантово-ме- ханических представлений требует не только изучения основных положений квантовой химии, но и выработки химической интуи- ции. Цель данной книги состоит в том, чтобы помочь читателю и в том, и в другом. При подготовке третьего издания было решено не менять общего плана построения книги, поскольку, как показал опыт, этот план оказался в общем удачным. Так же как и в ранних изданиях, в первой главе излагаются общие принципы, на основе которых затем рассматривается зависимость реакцион- ной способности химических соединений от их строения и от условий проведения реакции. После этого обосновывается суще- ствование трех основных классов реагентов — электрофилов, нуклеофилов и радикалов — и рассматривается вопрос об их участии в наиболее важных типах органических реакций, а именно замещения, присоединения и отщепления, а также 15
в перегруппировках. Добавлена только одна новая глава «Энер- гетика, кинетика и пути исследования механизмов реакций», содержание которой ясно из ее названия. Остальные главы основательно переработаны — добавлен новый материал, подо- браны лучшие примеры, иллюстрирующие рассматриваемые закономерности, и найдены новые, более наглядные способы интерпретации экспериментальных данных. Я постоянно отдавал себе отчет в том, что объем книги (а следовательно и ее цену!) увеличивать нельзя, поскольку успех прошлых изданий книги был обусловлен, в значительной мере, ее краткостью. Но при этом в новом издании неизбежно должны были остаться и действительно остались упрощения, характерные для короткой книги. По своему замыслу книга предназначалась студентам младших курсов университетов и технических колледжей, но неожиданно выяснилось, что ею стали широко пользоваться также и студенты старших кур- сов. Хотелось бы, чтобы то же самое было и с новым изданием. Главная цель этой книги состоит не столько в том, чтобы сообщить студенту необходимый объем фактического мате- риала в области органической химии, сколько в том, чтобы научить его понимать пути превращений органических соеди- нений, поскольку наиболее важная задача при обучении хи- мии, как впрочем и любой другой науке, состоит, как мне ка- жется, в том, чтобы научить человека ориентироваться в новых для него ситуациях! Я вновь благодарю многих читателей, которые любезно ука- зали мне на ошибки и высказали разного рода практические замечания. Все эти замечания, в той или иной мере, учтены мною. Мне хотелось бы выразить особую , признательность д-ру Г. Клэрку, внимательно прочитавшему всю книгу, а также Хасибу Улла за тщательную сверку корректуры. Я буду при- знателен всем читателям, которые сообщат мне свои замеча- ния, касающиеся этого нового издания. Питер Сайкс Кембридж Сентябрь, 1969
ГЛАВА 1 СТРУКТУРА И РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ. МЕХАНИЗМ РЕАКЦИЙ Современный подход к огромному количеству мало связанных между собой фактов, из которых состоит предмет органической химии, основан на изучении механизма реакций. Главное пре- имущество такого подхода заключается в том, что, опираясь на сравнительно небольшое число основополагающих принци- пов, удается не только объяснить и связать между собой уже известные факты, но и предвидеть результаты изменения усло- вий протекания уже изученных реакций, а также предсказы- вать, образование каких продуктов можно ожидать в новых реакциях. В этой главе мы попытаемся кратко изложить неко- торые из этих принципов и показать, как они действуют. По- скольку в, дальнейшем речь пойдет о соединениях углерода, вначале кратко остановимся на способах возникновения связей между атомами углерода только и атомами углерода и дру- гими -атомами и, в частности, на образовании углерод-угле- родной связи. 1. АТОМНЫЕ ОРБИТАЛИ Атом углерода имеет шесть электронов, которые, согласно мо- дели Бора, располагаются вокруг ядра на орбитах возрастаю- щего диаметра. Эти орбиты представляют собой не что иное, как уровни с возрастающей энергией. Первый из них—1s ха- рактеризуется наименьшей энергией и содержит два электрона; следующий — 2s также содержит два электрона; остальные два электрона атома углерода располагаются на 2р-уровне, который может содержать всего шесть электронов. Рассмотрение поведения электрона с точки зрения законов волновой механики и, в частности, с учетом принципа неопре- деленности Гейзенберга показывает, что в действительности орбит, как таковых, не существует, и можно говорить лишь об относительных вероятностях нахождения электрона на тех или иных расстояниях от атомного ядра. Поэтому классическое по- нятие орбиты было заменено представлением о трехмерной 17
атомной орбитали, которое отражает как бы форму и размер пространства вокруг ядра, где с наибольшей вероятностью можно обнаружить электрон, соответствующий данному кван- товому энергетическому уровню. Другими словами, орбиталь представляет собой как бы трехмерный электронный контур. Уровень энергии такой атомной орбитали представляется, в основном, главным квантовым числом п, а ее форма и ориен- тация в пространстве — азимутальным и магнитным кванто- выми числами I и т. Существует определенное ограничение, которое теория накладывает на такие орбитали, заключаю- щееся в том, что каждая орбиталь может содержать не больше двух электронов, отличающихся друг от друга противополож- ной направленностью спинов (спаренные спины). Это ограниче- ние следует из принципа Паули, согласно которому ни один атом не может содержать больше двух электронов, характери- зующихся одним и тем же набором квантовых чисел п, I и т. Расчеты с использованием уравнений волновой механики по- казывают, что ls-орбиталь (соответствующая классической Л'-оболочке) имеет сферическую симметрию с атомным ядром в центре; 25-орбиталь также представляет собой сферу, но боль- шего диаметра. Вероятность нахождения электрона в области между этими орбиталями близка к нулю. сферическая модальная поверхность 3s оболочка | ® 2s-------- }/.-оболочка . 1s -------/<-оболочка 15 2s Если s-орбитали по своей структуре еще радикально не отличаются от классических орбит, по которым движутся элек- троны, то при рассмотрении 2р-уровня (продолжение /.-обо- лочки) эти различия становятся уже очевидными. Теория тре- бует существования трех 2р-орбиталей, характеризующихся оди- наковой формой и одинаковыми уровнями энергии (орбитали с одинаковыми энергиями носят название вырожденных) и рас- полагающихся вдоль взаимно перпендикулярных осей х, у и г; их обозначают соответственно 2рх, 2ру л 2pz. Известно далее, что по форме эти три орбитали уже не обладают сферической симметрией, как это имеет место в случае 1s- и 25-орбиталей, а напоминают гантели. Плоскости, в которых вероятность на- хождения электрона равна нулю (нодальные плоскости), про- ходят через ядро под прямыми углами соответственно к осям 18
х, у и z и разделяют каждую из «гантелей» на две половинки: шести электронов по Итак, распределение талям в атоме углерода выглядит следующим атомным орби- образом: ls22s22p!x2py ’ Такое распределение следует из правила Гунда, согласно которому электрон избегает занимать орбиталь, на которой уже имеется один электрон, до тех пор, пока другие энерге- тически равноценные (т. е. вырожденные) атомные орбитали (2рх, 2ру, 2pz) остаются свободными. Очевидно, что 2р2-орби- таль в атоме углерода остается свободной. Орбиталь 2s за- полняется полностью, т. е. приобретает свои два электрона до того, как начинают заполняться 2/лорбитали, поскольку энер- гетически 2з-орбйталь несколько более выгодна, чем 2р-орби- тали. Подобное распределение характерно, однако, для основ- ного состояния свободного атома углерода, когда в образовании связей с другими атомами могут участвовать только два не- спаренных электрона, находящихся на 2рх- и 2ру-орбиталях. Поэтому с первого взгляда кажется, что углерод может быть только двухвалентным. Однако такой вывод находится в про- тиворечии с экспериментальными данными, согласно которым соединения, содержащие атом углерода, связанный только с двумя другими атомами, например СС12 (см. стр. 249), обычно неустойчивы. В' подавляющем большинстве соединений угле- род четырехвалентен, например в СН4. Это можно объяснить тем, что электронная пара 2s2 распаривается и один из этих электронов занимает свободную (вакантную) 2р2-орбиталь. В результате атом углерода переходит в состояние с повышен- ной энергией (возбужденное состояние) Xs^s^p^p^p^ и, имея в результате этого четыре неспаренных электрона вместо двух, обретает способность связываться уже не с двумя, а с четырьмя другими атомами или группами. Большое количество энергии, выделяющееся при образовании двух избыточных связей, зна- чительно превышает энергию, необходимую для распаривания двух 2э2-электронов и перехода 2s->2p (~97 ккал/моль). 19
2. ГИБРИДИЗАЦИЯ Очевидно, что атом углерода при связывании с четырьмя дру- гими атомами не использует одну освободившуюся 2з-орбиталц и три 2р-атомные орбитали, поскольку это должно было бы приводить к образованию трех взаимно перпендикулярных свя- зей (с тремя 2р-орбиталями) и одной отличной от них, не имеющей направления связи (со сферически симметричной 25-орбиталью), чего в действительности нет. В таком -соедине- нии, как, например, метан, все четыре СН-связи, как известно, тождественны и расположены симметрично (тетраэдрически) одна по отношению к другой под углом 109°28'. Это можно объяснить тем, что одна 2s- и три 2р-атомные орбитали объ- единяются с тем, чтобы образовать четыре новые идентичные орбитали, способные давать более прочные химические связи (см. стр. 21). Эти новые орбитали известны под названием $р3-гибридных атомных орбиталей, а их возникновение назы- вают, соответственно, гибридизацией. Следует, однако, иметь в виду, что вопреки приведенной выше схеме гибридизация не есть реально протекающий физический процесс; термин «гибри- дизация» отражает лишь используемый нами способ рассмотре- ния реального распределения электронов в молекуле, который состоит в том, что реальные орбитали мы рассматриваем как результат объединения $- и р-орбиталей. Сходная, хотя и несколько отличная ситуация, 'имеет место в тех случаях, когда атом углерода связывается не с че- тырьмя, а с тремя другими атомами, как-это имеет место, например, в этилене (стр. 23). Возникающие при этом три $р2-гнбрпдные атомные орбитали оказываются расположен- ными в одной плоскости под углами 120° друг по отношению к другу. Наконец, если атом углерода связан не с четырьмя пли тремя, а с двумя другими атомами, как это имеет место, например, в ацетилене (стр. 25), то возникающие'” при этом две sp’-гнбридные атомные орбитали расположены друг по от- ношению к другу под углом 180°. При этом во всех случаях используется в первую очередь s-орбиталь, поскольку она энер- гетически несколько выгоднее р-орбиталей, яо
3. СВЯЗИ В СОЕДИНЕНИЯХ УГЛЕРОДА Из сказанного следует, что образование связи между двумя атомами можно рассматривать как результат перекрывания атомных орбиталей двух участвующих в ней атомов: чем силь- нее такое перекрывание, тем прочнее образующаяся связь. Со- гласно данным расчета, относительная эффективность перекры- вания атомных орбиталей возрастает в последовательности: 5= 1,00 р = 1,72 ** sp* = 1,93 $^«1,99 sp3 — 2,00 Из этих данных ясно, почему использование гибридных ор- биталей, например зр3-гибридных орбиталей в связывании од- ного атома углерода с четырьмя атомами водорода при обра- зовании молекулы метана, приводит к возникновению более прочных связей. Можно показать, что когда атомы оказываются на доста- точно близком расстоянии по отношению друг к другу, их две атомные орбитали переходят в две молекулярные орбитали, одна из которых энергетически выгоднее, чем простая сумма двух отдельных атомных орбиталей, а другая энергетически менее выгодна. Эти две новые молекулярные орбитали охватывают оба атома и каждая из них может содержать по два элек- трона: Энергия А1ОМИЭЯ орбиталь Л Лнтисвяэываклная (<j*> молекулярная орбиталь Атомная Орбнтз.н в Связывающая (<jj молекулярная брЗитэль Энергетически более выгодная молекулярная орбиталь на- зывается связывающей; ее заполнение электронами приводит к образованию стабильной связи между двумя атомами; энер- гетически менее выгодная молекулярная орбиталь, которая на- зывается антнсвязывающей, в основном энергетическом состоянии 21
молекулы не заполняется электронами и в дальнейшем, при об- суждении стабильных связей между атомами, рассматриваться не будет. Если перекрывание двух атомных орбиталей происходит вдоль их главных осей, то возникающую при этом связываю- щую молекулярную орбиталь называют о-орбиталью, а обра- зующуюся связь — соответственно о-связью; о-Молекулярная орбиталь и находящиеся на ней электроны локализованы сим- метрично относительно линии, соединяющей ядра атомов, уча- ствующих в образовании связи. Так, например, при образова- нии связей с атомами водорода в метане четыре гибридных «р3-атомных орбиталей атома углерода перекрываются с ls-атомными орбиталями четырех атомов водорода, образуя четыре идентичных прочных о-связи под углами 109°28' (тетра- эдрический угол). Сходная, строго симметричная тетраэдриче- ская структура возникает также при образовании СС14. В случае же CH2CI2 структура будет уже несколько отличаться от пол- ностью симметричной, хотя в целом она останется тетраэдриче- ской; два объемистых атома хлора будут занимать несколько большую часть пространства,, чем атомы водорода, и углы между связями Н—С—Н и С1—С—С1 будут несколько отличаться от величины 109° 28х и один от другого. Простые углерод-углеродные связи Связывание двух атомов углерода, например в этане, возни- кает в результате перекрывания двух атомных $р3-орбиталей (по одной от каждого из атомов), которое осуществляется вдоль их осей и приводит к образованию прочной о-связи. Было по- казано, что длины углерод-углеродной связи во всех насыщен- ных соединениях более или менее одинаковы и равны 1,54А. Это относится, однако, к простой углерод-углеродной связи между $р3-гибридизованными углеродными атомами. Было по- казано, что длина аналогичной связи между двумя хр2-гибри- дизованными углеродами, =СН—СН —, составляет в среднем около 1,47 А,, а между двумя «р'-гибридизованными углеродами ssC—С= около .1,38А. Эти различия не неожиданны, по- скольку электроны s-орбиталей располржены ближе к ядру, чем электроны соответствующих р-орбиталей. То же самое справедливо и для гибридных орбиталей: возрастание «-компо- ненты в таких орбиталях приводит к тому, что электроны ближе располагаются к ядру. Поэтому при образовании связей между двумя атомами углерода их ядра неумолимо сближаются в по- следовательности sp3 — sp3 —> sp2 — sp2 —> sp1 — sp1 Однако этан не обладает какой-то единственной структурой; о-связь, соединяющая два углеродных атома, симметрична по 22
отношению к линии, соединяющей два ядра, и теоретически можно представить себе неограниченное число структур с раз- личным относительным расположением атомов водорода, свя- занных с первым и вторым атомами углерода. Два крайних слу- чая возможных структурных разновидностей носят название за- слоненной и заторможенной форм: заслоненная Эти две формы и неопределенное число промежуточных между ними структур называются конформациями молекулы этана. Таким образом, под конформациями мы будем понимать, различные расположения одной и той же группы атомов в про- странстве, которые могут переходить одно в другое без разрыва связей. Очевидно, что из двух изображенных конформаций за- торможенная конформация более стабильна, поскольку в ней атомы водорода максимально удалены друг от друга (3,1 А) и любое, так называемое, несвязывающее взаимодействие между ними сведено к минимуму. В случае же заслоненной конформа- ции они расположены ближе всего друг к другу (2,3 А, что лишь немногим меньше суммы их ван-дер-ваальсовых радиусов). Дав- но известный принцип свободного вращения вокруг простой углерод-углеродной связи в случае этана не' нарушается. Как показывают расчеты, заслоненная и заторможенная конформа- ции отличаются по энергии всего лишь на 3 ккал/моль; эта раз- ница в энергии достаточно мала и не препятствует свободному превращению одной формы в другую при комнатной темпера- туре за счет энергии обычного теплового движения (вращатель- ная частота при 25°C составляет приблизительно 1012 в секунду). Однако при очень тесном расположении атомов могут воз- никать реальные ограничения вращения вокруг простой углерод- углеродной связи. Этот вывод был подтвержден выделением двух форм СНВг2—СНВг2 при обычных температурах, хотя ранее до- пускалось, что такое разделение можно осуществить только при пониженной температуре, когда энергия столкновений между молекулами еще недостаточна для того, чтобы обеспечить взаим- ные превращения конформаций. Двойные углерод-углеродные связи В этилене каждый из атомов углерода связан не с четырьмя, а только с тремя другими атомами — с двумя атомами водорода и одним атомом углерода. С этими тремя атомами образуются 23
прочные о-связи за счет трех орбиталей, возникающих в резуль- тате гибридизации 2з-орбитали и только двух (из трех) 2р-ор- биталей (число гибридных орбиталей, которые может образо- вать данный атом в основном состоянии, равно числу атомов или групп, с которыми он дает прочные о-связи). Все три воз- никающие зр3-гибридные орбитали в этилене лежат в одной пло- скости и образуют друг с другом углы, равные 120°. При образо- вании молекулы этилена две зр2-орбитали каждого из атомов углерода перекрываются с ls-орбиталями атомов водорода, об- разуя прочные о-связи С—Н, тогда как третьи зр2-орбитали каж- дого из атомов углерода перекрываются друг с другом вдоль их осей и между ними образуется прочная ст-связь С—С. Показано экспериментально, что углы между связями Н—С—Н и Н—С—С составляют соответственно 116,7° и 121,6°. Если иметь в виду, что речь идет о разных тройках атомов, то ясно, что для* наблю- даемых на опыте углов, вообще говоря, можно было бы ожидать и более значительных отклонений от 120°. У каждого из атомов углерода остается, таким образом, по одной атомной 2р-орбитали, не участвующей в гибридизации и расположенной под прямым углом к плоскости, в которой нахо- дятся атомы углерода и водорода. Эти две атомные 2р-орбитали параллельны друг другу и могут перекрываться с образованием молекулярной орбитали, охватывающей оба атома углерода. Они располагаются над и под плоскостью молекулы (в плоскости молекулы имеется узел), в которой лежат два атома углерода и четыре атома водорода («пустые треугольники» показы- вают связи с атомами, располагающимися позади плоскости чертежа, жирные линии или «треугольники» с утолщением — связи с атомами во фронтальной плоскости). Эта новая связывающая молекулярная орбиталь носит на- звание л-орбитали, а находящиеся на ней электроны называются л-электронами. Образованная таким образом новая связь, назы- ваемая л-связью, сближает атомы углерода (длина связи С —С в этилене равна 1,33 А, тогда как длина связи С—С в этане со- ставляет 1,54А). Боковое перекрывание атомных р-орбиталей, обусловливающее образование л-связи, значительно менее эф- фективно, чем перекрывание вдоль главных осей, имеющее ме- сто при образовании ст-связи, в связи с чем л-связи оказываются значительно менее прочными, чем ст-связи. Это проявляется, в частности, в том, что энергия двойной углерод-углеродной связи 24
хотя и превосходит энергию ординарной связи, однако менее чем в два раза. Так, например, энергия связи С—С в этане равна 83 ккал/моль, тогда как энергия связи С = С в этилене составляет 143 ккал/моль. Степень бокового перекрывания двух атомных 2/?-орбиталей,. а следовательно, и прочность л-связи будет максимальной, если два атома углерода и четыре атома водорода лежат строго в одной плоскости (т. е. если они копланарны), поскольку только в этом случае атомные р-орбитали полностью параллельны друг другу и могут давать максимальное перекрывание. Любое откло- нение от копланарного состояния вследствие поворота вокруг о-связи, соединяющей два атома углерода, приведет к уменьше- нию степени перекрывания и соответственно к снижению проч- ности л-связи; система стремится, естественно, избежать таких отклонений. Появляется, таким образом, теоретическое оправда- ние для давно известного явления препятствия вращению вокруг двойной углерод-углеродной связи. Тот факт, что л-электроны распределены между двумя слоями (над и под плоскостью мо-’ лекулы), и их, следовательно, можно обнаружить за пределами оси углерод-углеродной связи, означает существование области отрицательного заряда, готовой для взаимодействия с любыми соединениями, отбирающими электроны (например, окислите- лями) . Неудивительно поэтому, что реакции с такого рода со- единениями наиболее характерны для двойной углерод-углерод- ной связи (ср. стр. 176). Таким образом, классическая картина двойной связи может быть заменена моделью, согласно которой две связи, соединяю- щие атомы углерода, не только не идентичны, но совершенно различны по своей природе, прочности и геометрии*. Тройные углерод-углеродные связи В ацетилене каждый атом углерода связан только с двумя другими, атомами — с одним атомом водорода и одним атомом углерода. С этими двумя атомами образуются прочные о-связи за счет двух гибридных орбиталей, возникших вследствие гибридизации 28-орбитали и только одной из атомных 2р-орбиталей углерода. Возникающие «р’-гибридные орбитали расположены на одной прямой. При образовании молекулы ацетилена эти гибридные орбитали используются для построения прочных о-связей между каждым из атомов углерода и одним из атомов водорода и меж- ду самими атомами углерода. В результате получается линейная молекула с двумя атомными 2р-орбиталями для каждого из двух атомов углерода, расположенными под прямым углом друг к другу. Атомные орбитали одного из атомов углерода парал- лельны соответствующим орбиталям другого атома углерода и, следовательно, могут попарно перекрываться; это приводит 2&.
к образованию двух л-связей в плоскостях, перпендикулярных друг другу. Молекула ацетилена находится, таким образом, как бы внутри цилиндра из отрицательного заряда: > Н-<^-Н Энергия связи С^С составляет 194 ккал/моль, так что вклад третьей связи оказывается еще меньшим, чем вклад второй связи при переходе от простой связи к двойной. Длина связи С = С равна 1,20 А, т. е. атомы углерода в ацетилене располо- жены еще ближе друг к другу, чем в этилене, однако уменьше- ние длины связи при переходе от двойной С = С- к тройной CsC-связи оказывается меньшим, чем цри переходе от простой С—С- к двойной С = С-связи. , » Углерод-кислородные и углерод-азотные связи Атом кислорода имеет электронную конфигурацию ls22s22p22p^2p!. и при связывании с другими атомами может, так же, как и атом углерода, давать гибридные орбитали, обес- печивающие образование наиболее прочных связей. Так, напри- мер, при связывании с двумя атомами углерода метильных групп и образовании дийетилового эфира СН3—О—СН3 атом кисло- рода может использовать четыре зр3-гибридных орбитали: две для образования ст-связи за счет перекрывания с зр3-орбиталями каждого из двух атомов углерода, а остальные две — для остав- шихся свободными двух пар электронов. Было показано, что угол С—О—С составляет 110°, длина связи С—О равна 1,42 А, а ее энергия 86 ккал/моль. Атом кислорода может образовывать также и двойные связи с атомом углерода. Так, например, в случае ацетона СН3—СО—СН3 кислород использует три зр2-гибридных орби- тали: одну для образования ст-связи за счет перекрывания с «р2-орбиталыо атома углерода, а остальные две — для остав- шихся двух пар электронов. При этом как у атома кислорода, так и у атома углерода остаются негибридизованные р-орбитали, которые могут давать боковое/'перекрывание (ср. для связи С=С, стр. 24) с образованием л-связи: меч1 О м\сэ. '/с—о: —>- с—о: Ме 26
Было показано, что угол С—С—О составляет приблизитель- но 120°, длина связи С=О равна 1,22 А, а ее энергия состав- ляет 179 ккал/моль. Тот факт, что энергия связи С=О несколь- ко больше удвоенной энергии связи С—О, тогда как энергия связи С = С значительно меньше удвоенной энергии связи С—С, объясняется, вероятно, тем, что свободные пары электронов атома кислорода в С=О-связи сильнее удалены и поэтому более устойчивы, чем в С—О-связи. Таким образом, в случае атома кислорода ситуация несколько отлична от ситуации в случае атома углерода. Атом азота имеет электронную конфигурацию и также может давать гибридные орбитали, используемые при образовании простых —С—N^, двойных ^C=N— и трой- ных —C = N: связей с углеродом. Во всех этих случаях одна из- орбиталей используется для свободной пары электронов; при образовании двойной и тройной связей в результате бокового перекрывания негибридизованных р-орбиталей атомов азота и углерода образуются соответственно одна и две л-связи. Сред- ние . значения длин и энергий для простой, двойной и тройной азот-углеродных связей равны соответственно 1,47 А и 73 ккал/моль; 1,29 А и 147 ккал/моль; 1,16 А и 213 ккал/моль. Сопряжение Если мы перейдем к~ рассмотрению молекул, содержащих боль- ше одной кратной связи, например диенов с двумя связями С = С, то заметим, что соединения (I), в которых эти связи со- пряжены (т. е. соединения, в которых кратные связи чередуются с простыми), несколько более стабильны по сравнению с со- единениями, в которых они изолированы (II). > Me—CH—СН—СН-СН2 Повышенная стабильность (более низкое энергосодержание)* сопряженных молекул проявляется в том, что соединение I ха- рактеризуется меньшей теплотой сгорания и меньшей теплотой 27
гидрирования, чем соединение II; она следует также из того факта, что изолированные двойные связи часто могут очень легко мигрировать до тех пор, пока они не станут сопряжен- ными: катализ основанием МеСН=СН—СН2—С=О ----------> МеСН2—СН=СН—С=О Me Me Очевидно, что понятие сопряжения не ограничивается кратными углерод-углеродными связями. Из приведенного видно, что как в случае I, так и в случае II, перекрывание атомных р-орбиталей соседних атомов углерода в принципе может приводить к образованию двух локализован- ных л-связей, в связи с чем можно было бы ожидать, что по своим свойствам оба эти соединения будут напоминать этилен, только «удвоенный». Такое сходство действительно было обна- ружено для соединения II, но не для I, для которого характерны отличные от этилена спектральные свойства (см, ниже) и не- сколько более высокая устойчивость (о чем упоминалось выше). При внимательном рассмотрении структуры I легко заметить, что в таком соединении перекрывание может осуществляться не только между атомными р-орбиталями средних и концевых ато- мов углерода, но также между р-орбиталями двух средних ато- мов углерода сопряженной системы. Возникает, таким образом, представление о связывающей молекулярной орбитали, охваты- вающей все четыре атома углерода (III): Me - CH-CI 1- CH—СН2 сн2=сн-сн=сн2 IV сн2—сн-сн—сн2 III Два из четырех оккупирующих эту молекулярную орбиталь электрона делокализованы, т. е. распределены п'о всей длине молекулы и удерживаются всей сопряженной системой. Следую- щая молекулярная орбиталь должна, очевидно, содержать остальные два электрона (показано, что энергетически эта ор- биталь несколько менее выгодна). Очевидно, что результатом такого рода делокализации, ко- торая действительно имеет место в сопряженных системах, долж- но явиться значительное запрещение свободного вращения во- круг связи С—С в соединениях III и V, поскольку все четыре атомные р-орбитали должны быть параллельны. Такое запрещение действительно имеет место, о чем свидетельствует существование преимущественных конформаций для каждого из 28
таких соединений. Было показано, что связь С-2—С-3 в бута- диене IV несколько укорочена (1,47 А) по сравнению с обычной ординарной связью С—С (1,54 А), однако она не столь коротка, как этого можно было бы ожидать, если бы делокализация дей- ствительно вносила значительный вклад: перекрывание р-орби- талей атомов С-2 и С-3, по-видимому, все же менее эффективно, чем их перекрывание с р-орбита^ями атомов соответственно С-1 и С-4, т. е. реальная структура бутадиена все же не очень сильно отличается от классической структуры, выраженной формулой IV. Наблюдаемое укорочение связи С-2—С-3 может быть обуслов- лено просто состоянием гибридизации (sp2) обоих этих атомов углерода (см. стр. 22). Таким образом, наблюдаемую на опыте стабилизацию сопряженного диена (по сравнению с изомерным ему диеном с изолированными двойными связями) нельзя, по- видимому, приписать просто делокализации; важное значение при этом имеет также состояние гибридизации атомов углерода и различие в прочности связей между ними. Значительно более существенное влияние оказывает делока- лизация на возбужденные состояния диенов и вообще полиенов. Она приводит к снижению энергетического уровня этих состоя- ний, в результате чего расстояния между энергетическими уров- нями основного и возбужденного состояний сопряженных моле- кул уменьшаются по сравнению с соответствующими расстояния- ми для молекул с изолированными двойными связями. При этом по мере увеличения степени сопряжения эти различия в энергиях прогрессивно возрастают. Это означает, что по мере увеличения степени сопряжения количество энергии, требуемое для пере- хода молекулы из основного состояния в возбужденное, умснь- .шается, т. е. длина волны излучения, поглощаемого сопряжен- ными системами, возрастает. Простые диены поглощают в ультрафиолетовой области спектра, однако по мере увеличения степени сопряжения область поглощения постепенно смещается в сторону длинных волн, и соединения приобретают окраску. Это свойство систем может быть проиллюстрировано на примере ряда а,со-дифенилполиенов: С6Н5(СН=СН)„С6Н5 Окраска п = 1 Нет п = 2- 4 Желтая п — 5 Оранжевая п = 8 Красная . Бензол и ароматичность (-Одна из главных проблем органической химии всегда была свя- зана со структурой бензола. Известное плоскостное строение молекулы бензола указывает ца наличие $р2-гибридизацин с 29
атомными р-орбиталями на каждом из шести атомов углерода, направленными под прямыми углами к плоскости кольца (VI); Очевидно, в этом случае могут возникать перекрывания ато-. мов 1 :2, 3 :4, 5 :6 или 1 : 6, 5 :4, 3: 2, приводящие к структурам, соответствующим структурам Кекуле Vila и VII6. В действи- тельности же любая из р-орбиталей может перекрываться в обоих направлениях, в результате чего возникают делокализо- ванные молекулярные орбитали (ср. бутадиен). Шесть атомных р-орбиталей могут дать шесть молекулярных орбиталей (п атом- ных орбиталей всегда приводят к п молекулярным орбиталям), энергетические уровни которых схематически могут быть выра- жены следующей схемой: Энергия Антис вязы ваюшие молекулярные Д-орбитали Связывающие молекулярные Д-орбитали Наиболее энергетически выгодная делокализованная связы- вающая орбиталь имеет циклическую форму и охватывает все шесть атомов углерода ароматического кольца (Villa); на этой орбитали располагаются два электрона. Следующие две энерге- тически равноценных локализованных связывающих орбитали (VIII6 и VIIIb) также охватывают все шесть атомов углерода, однако обе они, кроме плоскости, совпадающей с плоскостью кольца, имеют нодальную плоскость (ср. стр. 24), расположен- 30
ную перпендикулярно плоскости кольца. Каждая из этих моле^ кулярных орбиталей также включает по два электрона: В результате возникает два кольцевых облака отрицатель- ного заряда, располагающихся над и под плоскостью кольца (IX). Ниже будет рассмотрен вопрос о влиянии этого заряжен- ного облака на различные типы реагентов, которые могут ата- ковать молекулу бензола (стр. 138). Реальность такого распределения электронов в молекуле бен- зола подтверждается тем, что все углерод-углеродные связи в бензоле имеют точно одинаковую длину (1,397А), т. е. молекула бензола представляет собой правильный шестиугольник, расстоя- ния между атомами углерода в котором лежат между значения- ми длин простой (1,54 А) и двойной (1,33 А) углерод-углерод- ных связей. Для того чтобы подчеркнуть равноценность всех углерод-углеродных связей в молекуле бензола, ее изображают не ф°РмУл°й Кекуле, которая предполагает неравноценность этих связей, а формулой 1Ха: Остается теперь выяснить вопрос о причинах высокой устой- чивости молекулы бензола. Очевидно, что частично устойчивость бензола можно объяснить тем, что три о-связи каждого из ато- мов углерода лежат в одной плоскости и расположены под оп- тимальным углом 120° друг по отношению к другу (углы в пра- вильном шестиугольнике), однако главная причина состоит в том, что все шесть оставшихся электронов включены в цикличе- ские, делокализованные молекулярные орбитали, Такое распо- ложение электронов энергетически значительно более выгодно (т. е. соответствует более низкому уровню энергии), чем их* распределение между тремя локализованными молекулярными it-орбиталями (ср. стр. 24). 31
Выигрыш энергии, обусловленный стабилизацией молекулы бензола по сравнению с простыми циклическими ненасыщенны- ми структурами, можно примерно оценить, сравнивая величины теплот. гидрирования бензола, циклогексена и циклогекса- дирна-1,3: Д77 = —28,6 ккал/моль I \Н = —55,6 ккал/моль ДЯ = — 49,8 ккал/моль Теплота гидрирования диена почти вдвое больше теплоты гидрирования циклогексена, и, следовательно, теплота гидриро- вания трех двойных связей в структуре Кекуле, при условии их локализации, должна была бы иметь порядок величины —28,6 X 3 = —85,8 ккал/моль. Однако в действительности, как показывает опыт, при гидрировании бензола выделяется только 49,8 ккал/моль. Поэтому можно считать, что взаимодействие л-электронов в молекуле бензола делает ее более стабильной на 36 ккал/моль по сравнению с гипотетической моделью, для которой такого взаимодействия нет (стабилизация, возникающая в результате подобного рода взаимодействия в сопряженных диенах, составляет всего лишь около 6 ккал/моль). Энергию, на величину которой молекула бензола стабилизована по сравне- нию с молекулой гипотетического циклогексатриена, имеющего локализованные двойные связи, правильно было бы называть энергией стабилизации. Тем не менее, ее часто называют энер- гией делокализации, хотя вопрос о том, в какой мере стабили- зация действительно обусловлена делокализацией, далеко нё ясен. Широко используется также термин энергия резонанса, однако этот термин совершенно неудовлетворителен с семанти- ческой точки зрения, поскольку слово резонанс ассоциируется обычно с быстрыми переходами, осцилляциями между различ- ными структурами (например, в случае бензола — между струк- турами Кекуле), которых в действительности нет. Стабильность бензола, обусловленная циклической делока- лизацией, позволяет объяснить, почему характерными реакция- ми, в которых принимают участие простые ароматические си- стемы, являются реакции замещения, а не присоединения, чего можно было бы ожидать, исходя из классических структур Ке- куле и что действительно характерно для нециклических сопря- женных триенов. Очевидно, что присоединение должно было бы привести к продукту XI, в котором делокализация хотя все еще возможна, но будет охватывать только четыре атома углерода и уже не будет носить циклического характера (ср. бутадиен). 32
В случае же замещения (X) сохраняются делокализованные орбитали, аналогичные имеющимся в бензоле, со всеми вытекаю- щими отсюда последствиями: XI х присоединение .замещение Другими словами, замещение может происходить с полным сохранением ароматичности, в то время как присоединение ее нарушает (ср, стр. 140). Условия, необходимые для делокализации Трудность нахождения удовлетворительного способа изображе- ния связей между атомами углерода в бензоле ясно указывает на неудовлетворительность обычно используемых нами черто- чек, изображающих ординарные, двойные или тройные связи между атомами, включающие соответственно по два, по четыре и по шесть электронов. В действительности многие связи вклю- чают непарные и даже дробные числа электронов. Это хорошо можно видеть на примере ацетат-иона XII: СН3— 'О’ Исходя из рентгеноструктурных данных, известно, что в от- личие от приведенной структурной формулы атомы кислорода в ацетат-ионе неразличимы, а обе углерод-кислородные связи имеют одинаковые межатомные расстояния и включают одина- ковые числа электронов. Эти трудности привели к тому, что молекулы, структура ко- торых не может быть описана, исходя только из одной класси- ческой формулы, стали изображать комбинацией двух или боль- шего числа классических структур (называемых каноническими), связанных короткими стрелками с двумя остриями (-*-►). Путь, по которому одна из этих структур может переходить в другую, часто указывают с помощью изогнутой стрелки, хвост которой показывает, откуда движется электронная пара, а ее острие — куда она движется. Р3 сн,сС. О' ХШа ХШб /Р сн3< <Э XIV 2 Зак, 718 33
Было бы, однако, неправильным считать, что ацетат-ион мо- жет иметь две альтернативных структуры, которые с большой скоростью переходят одна в другую. Правильной является точка зрения, согласно которой он описывается одной реальной струк- турой (XIV), называемой иногда гибридной, по отношению к ко- торой классические (канонические) структуры ХШа и ХШб мо- гут рассматриваться как предельные приближения. Рассматривая вопрос о делокализации и об ее наглядном изображении с помощью двух или более классических структур, необходимо иметь в виду определенные ограничения. Можно ска- зать, что чем больше канонических структур может быть запи- сано для данного соединения, тем, следовательно, выше степень делокализации электронов и тем более стабильным должно быть данное соединение. Однако эти структуры не должны слишком сильно отличаться друг от друга по уровню энергии; в против- ном случае структура с более высокой энергией будет вносить слишком малый вклад в гибридную структуру и практически не будет принимать участия в ее образовании. Стабилизующее дей- ствие выражено особенно сильно, если канонические структуры равноценны по энергии, как это имеет место, например, в слу- чае приведенных выше структур ХШа и ХШб для ацетат-иона. Структуры с разделенными зарядами (ср. стр. 39) также могут рассматриваться в качестве канонических, однако при прочих равных условиях они, как правило, энергетически менее выгодны по сравнению со структурами, в которых такое разделение за- ряда отсутствует и, следовательно, вносят соответственно мень- ший вклад в образование гибридной структуры. Все канониче- ские структуры должны содержать одинаковое число спаренных электронов, и взаиморасположение атомов, входящих в состав молекул, должно .быть в них одним и тем же. Для того чтобы делокализация была значительной, все атомы, связанные с цен- трами ненасыщенности, должны лежать в одной плоскости или лишь незначительно отклоняться от этой плоскости. На стр. 44 приведены примеры, когда делокализация (а следовательно, и стабилизация) становится практически невозможной вследствие пространственных затруднений. Делокализация может оказывать эффективное влияние на стабильность ароматических соединений лишь в отсутствие ча- стично заполненных орбиталей с одной и той же энергией. Мож- но показать, что для полного заполнения рассматриваемых ор- биталей в циклических системах, вообще говоря, требуется (2 + 4 п) л-электронов. Для большинства ароматических соеди- нений (производных бензола) п = 1 и число л-электронов, не- обходимых для заполнения, равно, таким образом, 6. Для запол- нения орбиталей в нафталине, содержащем два ароматических кольца (п = 2), необходимо 10 л-электронов (энергия делока- лизации составляет 61 ккал/моль), а в антрацене и фенантрене, содержащих по три конденсированных кольца (п=3), требуется 34
'14 л-электронов (энергии делокализации равны соответственно 84 и 91 ккал/моль). Можно заключить, что для этих арома- тических соединений (не бензоидного типа) с десятью и четыр- надцатью углеродными атомами в кольцевой системе введение трансаннулярных связей, приводящее к образованию соответ- ственно би- и трициклических соединений, оказывает не очень сильное влияние на делокализацию л-электронов. Известны также квазиароматйческие соединения, в которых стабилизующей циклической структурой является ион. Приме- рами могут служить катион тропилия (циклогептатриенила, стр. 120), циклопентадиенильный анион (стр. 255), для которых п—1, а также, что более неожиданно, — циклопропенильные ка- тионы (стр. 120), для которых п = 0. Кроме того, следует иметь в виду, что циклические структуры не обязательно должны со- стоять только из атомов углерода. Так, например, молекула пи- ридина (стр. 166), кольцо которой содержит атом азота, стаби- лизована, по крайней мере, не хуже бензола. 4. РАЗРЫВ И ОБРАЗОВАНИЕ СВЯЗЕЙ Разрыв ковалентной связи между двумя атомами может проис- ходить следующими путями: R- + X- RsX------R: + X+ R+ + :X“ В первом случае каждый из атомов отделяется с одним элек- троном, в результате чего образуются весьма реакционноспособ- ные частицы, называемые радикалами или свободными радика- лами. Высокая реакционная способность радикалов объясняется наличием неспаренного электрона. Разрывы подобного типа но- сят название гомолитического расщепления связи. В альтернативном случае один из атомов может удерживать при разделении оба электрона, в то время как второй атом не будет иметь ни одного. В результате возникают соответственно отрицательный и положительный ионы. Если атомы R и X не идентичны, то и расщепление может идти по любому из двух указанных на схеме ионных путей, в зависимости от того, какой из остатков (R или X) удерживает пару электронов. Такого рода разрывы носят название гетеролитического расщепления и их результатом является образование ионных пар. Очевидно, что образование ковалентной связи может идти путем обраще- ния любой из перечисленных реакций. Ниже будет показано, что подобные свободные радикалы или ионные пары образуются как активные промежуточные соедине- ния в очень большом числе органических реакций. Реакции с участием радикалов протекают главным образом в газовой фазе 2* 33
и в растворах неполярных растворителей; они катализируются действием света или добавлением других радикалов (см. стр. 276). Реакции, включающие возникновение промежуточных ионов, чаще происходят в растворах полярных растворителей. Считается, что многие из этих ионных промежуточных продук- тов несут заряд на некотором атоме углерода, хотя в действи- тельности ион бывает часто стабилизован за счет делокализации заряда (в большей или меньшей степени) между другими ато- мами углерода или атомами иных элементов. сн2=сн-сн2-он н* сн9=сн-сн2-бн----->- Гсн2=^сн^-сн2 н ~нг° U > сн2-*сн^=сн2] II +-ОН _ Ч р Ч _ сн3-с—сн3------> [сн3—с—сн2-<—>сн3-с=сн2] ~НгО С? Если атом углерода в молекуле несет положительный заряд, то соединение носит название карбониевого иона\ если же атом углерода несет отрицательный заряд, то оно называется карб- анионом. Подобные ионы могут возникать только в качестве про- межуточных соединений и присутствуют обычно лишь в очень низкой концентрации; тем не менее часто они играют решающую роль для протекания реакций, в которых они возникают.. 5. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ДОСТУПНОСТЬ ЭЛЕКТРОНОВ В СВЯЗЯХ И В ОТДЕЛЬНЫХ АТОМАХ Учитывая изложенное выше, можно ожидать, что любые фак- торы, влияющие на относительную доступность электронов (на электронную плотность) определенных связей или определенных атомов данного соединения, должны оказывать сильное воздей-, ствие на его реакционную способность при взаимодействии этого соединения с определенным реагентом. Например, область высокой электронной плотности может подвергаться атаке анионом ~ОН лишь с трудом или вообще не атаковаться, в то время как область с низкой электронной плотностью будет легко атаковаться этим анионом; обратная картина будет на- блюдаться в случае положительно заряженной частицы. Ряд подобных факторов в настоящее время известен. Индуктивный эффект В случае простой ковалентной связи между двумя разными атомами пара электронов, образующаяся о-связь, никогда не по- делена совершенно одинаково между двумя атомами; всегда 36
наблюдается ее небольшое смещение в сторону более электро- отрицательного атома. Так, например, в случае алкилгалогенида электронная плотность несколько повышена у атома хлора по сравнению с атомом углерода (XV), поскольку первый из них более электроотрицателен. В классических формулах это. обо- значается как XVIa или XVI6: -\(ЭС1 XV \8» 8- — С —Cl XVIa -^C-*CI XVI6 ’ Если атом углерода, соединенный с хлором, связан, кроме того, и с другими атомами углерода, то этот эффект может пере- даваться по цепи: С—С—С—>С—>—>С1 4 3 2 1 Частичное оттягивание электронов связи углерод—хлор ато- мом хлора приводит к тому, что атом С-1 имеет некоторый не- достаток электронов. Это, в свою очередь, обусловливает тен- денцию к восстановлению равновесия за счет оттягивания элек- тронов от второй о-связи (между С-2 и С-3) и так далее по цепи. Влияние С-1 на С-2, однако, меньше, чем влияние атома С1 на С-1; это влияние быстро спадает в насыщенной цепи и после атома С-2 его уже трудно заметить. Большинство атомов и групп, связанных с углеродом, оказы- вают такого рода индуктивное влияние в том же направлении, что и атомы хлора; вследствие большей, по сравнению с ато- мами углерода, электроотрицательности они оттягивают от него электроны. Исключение составляют алкильные группы, являю- щиеся донорами электронов *. Хотя в количественном отноше- нии индуктивный эффект является довольно слабым, тем не менее он ответственен за возрастание основности, наблюдаемое при замещении атомов водорода в аммиаке на алкильную группу (см. стр. 83), и частично объясняет тот факт, что атомы водорода ароматического кольца в толуоле легче замещаются, чем в бензоле. Предложено несколько объяснений электроно- донорных свойств групп СН3, CH2R, CHR2 и CR3, однако ни одно из них нельзя считать полностью убедительным и строгим. Этот вопрос до сих пор остается открытым. Любые индуктивные эффекты приводят к поляризации моле- кулы в ее основном состоянии и поэтому изменяют физические характеристики соединения, в частности его дипольный момент, * Атомы металлов в таких ковалентных соединениях, как, например, ли- тийалкилы или реактивы Гриньяра, также являются донорами электронов; в каждом нз них атомы углерода отрицательно поляризованы: R -t- Li и R-t-MgHal. 37
Мезомерный эффект или эффект сопряжения Мезомерный эффект также является результатом перераспре- деления электронов, которое происходит в ненасыщенных и осо- бенно в сопряженных системах с участием их л-орбиталей. На- пример, свойства карбонильной группы (см. стр. 198) полностью не описываются ни классической формулой XVII, ни предельно полярной структурой XVIII (которую можно получить из XVII путем электронного сдвига). ^С=О -4---> ^С-О XVII XVIII .О XIX Действительная структура представляет собой нечто проме- жуточное, т. е. гибрид, для которого изображенные структуры являются каноническими формами. Эта структура наиболее удачно может быть описана, вероятно, формулой XIX, где легко поляризуемые л-электроны оттянуты в основном на более элек- троотрицательный атом кислорода. Если карбонильная группа сопряжена со связью >С—С<, то поляризация может передаваться дальше посредством л-элек- тронов, например: Me —СН—СН— СН=О > Me —СН—СН = СН~О Me— CH-CH— СН—О XX В результате делокализации (XX) на атомах С-3 и С-1 ощущается нехватка электронов, как это имеет место в простом карбонильном соединении. Различие между такой передачей через сопряженную систему и индуктивным эффектом в насы- щенной системе состоит в том, что здесь эффект падает не столь быстро при передаче по цепи, а также в изменении полярности. Стабилизация системы вследствие делокализации положи- тельного или отрицательного зарядов посредством л-орбиталей может явиться основным фактором, обусловливающим образо- вание иона (ср. стр. 73). Примером может служить стабилиза- ция фенолят-иона XXI вследствие делокализации его заряда с участием л-орбиталей ароматического кольца. Этот эффект в 88
значительной степени ответственен за кислотные свойства фенола (ср. стр. 74). Внешне сходная делокализация протекает и в случае недис- социированного фенола — за счет неподеленной пары электро- нов атома кислорода: Однако в данном случае происходит разделение заряда, вследствие чего такая делокализация будет соответственно менее эффективной, чем при стабилизации фенолят-иона. В случае бензилового спирта подобного рода повышенная стабильность аниона, по сравнению с нейтральной молекулой, не наблюдается, и это соединение не проявляет повышенных кислотных свойств по сравнению с алифатическими спиртами. Это связано с тем, что атом углерода, расположенный между ОН-группой и ароматическим кольцом, предотвращает взаимо- действие атома кислорода с л-орбиталями кольца: СН2—О—Н СН2—О" + ы2о н3о+ + XXII Другими словами, фенолят-ион XXI более устойчив, чем мо- лекула фенола, тогда как ион XXII не стабилизован по срав- нению с молекулой бензилового спирта. Еще более высокая кис- лотность RCOOH обусловлена в основном весьма эффективной стабилизацией карбоксилат-аниона вследствие делокализации t(cp. стр. 33): ЛЭ'" R-<X О_ ххш 39
В качестве примеров, иллюстрирующих мезомерные эффек- ты, обычно приводят замещенные ароматические системы, в ко- торых л-электроны соответствующих заместителей взаимодей- ствуют с делокализованными л-орбиталями кольца и поэтому сильно влияют на реакционную способность, т. е. на ароматич- ность соединения. Делокализованные люрбитали бензольного кольца особенно эффективно передают влияние заместителя от одной части молекулы к другой. Так, например, нитрогруппа в молекуле нитробензола снижает плотность отрицательного за- ряда ароматического кольца по сравнению с самим бензолом. Нитрогруппа представляет собой электроноакцепторную группу в противоположность отрицательно заряженному атому кисло- рода фенолят-иона XXI, который выполняет функцию элекроно- донорной группы. Из-за наличия электроноакцепторной группы нитробензол гораздо труднее, чем бензол, подвергается атаке положительными ионами или молекулами, характеризующимися недостатком электронов (например, окислителями, такими, как КМпО4), которые являются типичными реагентами, участвую- щими в нормальных реакциях замещения ароматических соеди- нений (см. стр. 138). Подобно индуктивным эффектам мезомерные эффекты обус- ловливают поляризацию молекул в основном состоянии и поэтому отражаются на физических свойствах соединений. Суще- ственное различие между индуктивным и мезомерным эффек- тами заключается в том, что первые характерны главным обра- зом для насыщенных групп или соединений, в то время как вторые чаще проявляются в ненасыщенных и особенно в сопря- женных соединениях. Индуктивные эффекты обычно связаны с электронами ц-связей, тогда как мезомерные — с л-связями и орбиталями. Индуктивные эффекты оказывают влияние только на сравнительно небольших расстояниях в насыщенных цепях, в то время как мезомерные эффекты могут передаваться от одного конца сравнительно больших молекул к другому при усло- вии наличия сопряжения (т. е. делокализованных л-орбиталей). Как индуктивные, так и мезомерные эффекты влияют на свой- ства соединений и в статическом, и в динамическом состояниях: они сказываются на положении равновесия, на скорости реак- ций, на силе кислот и оснований, а также на реакционной способности соответствующих алкилгалогенидов и на относитель- ной легкости замещения различных ароматических соединений. 40
Эффекты, изменяющиеся во времени Некоторые исследователи пытались четко разделить на два типа эффекты, обусловливающие поляризацию молекул в основном состоянии и приводящие к изменению характера распределения электронов. Один из них действует в условиях приближения атакующего агента, тогда как другой проявляется в переходном состоянии, представляющем собой переходную форму между реагирующими веществами и продуктами реакции. Эти изме- няющиеся во времени факторы были названы по аналогии с упоминавшимися выше постоянно действующими эффектами со- ответственно индуктомерным и электромерным эффектами. Мож- но считать, что такие эффекты обусловливают скорее поляризуе- мость, чем поляризацию, поскольку распределение электронов возвращается к распределению, характерному для основного со- стояния атакованной молекулы, если любой из реагирующих компонентов удален до того, как реакция прошла, или если реально возникшее переходное состояние распадается с выделе- нием исходных продуктов. Эти изменяющиеся во времени эффекты, являющиеся по самой своей природе временными, не должны, конечно, отра- жаться на физических свойствах соответствующих соединений. Часто невозможно экспериментально разграничить постоянно действующие эффекты от эффектов, изменяющихся во времени, и выяснить вопрос о том, какая доля суммарного эффекта обус- ловлена постоянными и какая изменяющимися во времени фак- торами. Тем не менее можно утверждать, что приближение атакующего агента часто оказывает глубокое влияние, увеличи- вая реакционную способность реагирующей молекулы и облег- чая, таким образом, реакцию. Сверхсопряжение (гиперконъюгация) Индуктивный эффект алкильных групп, как и следовало ожи- дать, возрастает в ряду: Me Me Ф Ф СН3-> < Ме->СН2-> < СН-> < Ме->С-> t t Me Me Если, однако, алкильные группы связаны с ненасыщенной системой, например с двойной связью или бензольным кольцом, то этот порядок нарушается и в случае некоторых сопряженных систем может даже изменяться на обратный. Можно думать, что в этих обстоятельствах алкильные группы способны вызы- вать смещение электронов с помощью механизма, отличного от индуктивного эффекта. Наблюдаемые явления удалось объяс- нить, расширив понятия сопряжения или мезомерного эффекта 41
и предположив, что делокализация электронов может проис- ходить следующим образом: XXV Этот эффект получил название сверхсопряжения (гипер- конъюгации) \ с его помощью удалось объяснить ряд ранее не- понятных явлений. Следует подчеркнуть, что в действительно- сти в соединениях XXIV или XXV протон не становится свободным, поскольку, если он переместится из исходного поло- жения, то одно из условий, необходимых для делокализации, будет нарушено (см. стр. 34)-. Причина обращения ожидаемых электронодонорных свойств в ряду Me — МеСН2 — Ме2СН — Ме3С состоит в том, что эффект гиперконъюгации зависит от нали- чия атомов водорода, связанных с а-углеродным атомом не- насыщенной системы. Поэтому если принять, что ординарные углерод-углеродные связи не дают сравнимого по величине эф- фекта, то максимальный эффект гиперконъюгации должен на- блюдаться в случае метильной группы (XXIV) и отсутство- вать в случае трет-бутильной группы (XXVIII). н н Me Me 1 н—с—сн=сн2 Me—С—СН=СН2 Me—С—СН=СН2 1 Me—С—СН=СН2 н k Н Me XXIV XXVI XXVII XXVIII Таким образом, эффект сверхсопряжения в этих условиях увеличивает электронодонорную способность метильных групп. Предполагается, что этим, по крайней мере частично, можно объяснить повышенную стабилизацию алкенов, у которых двой- ная связь расположена не на конце молекулы (например, со- единения XXIX, содержащего девять а-водородных атомов), по сравнению с их изомерами, у которых двойная связь располо- 42
жена на конце молекулы (например, соединением XXX, содер- жащим только пять а-водородных атомов): СЯ3 С//3 СЯ3—С=СН—СЯ3 Me—СЯ2—С=СН2 XXIX XXX Именно этим объясняется преимущественное образование олефинов с неконцевой двойной связью в реакциях, сопровож- дающихся возникновением двойной связи и способных приво- дить к возникновению обоих типов соединений, а также весьма быстрая изомеризация в подобных реакциях менее стабильного продукта в более стабильный. Хотя понятие гиперконъюгации оказалось полезным при объяснении целого ряда явлений, тем не менее оно прини- мается далеко не всеми и требует серьезного теоретического обоснования. 6. СТЕРИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ До сих пор мы обсуждали факторы, которые могут оказывать влияние на относительную концентрацию электронов в связях или на отдельных атомах того или иного соединения и опре- делять, следовательно, его реакционную способность. Влияние этих факторов может, однако, изменяться или даже полностью нивелироваться под действием стерических факторов. Так, на- пример, эффективная делокализация посредством л-орбиталей может происходить только в том случае, если участвующие в делокализации атомные р- или л-орбитали могут быть па- раллельными или почти параллельными. В противном случае становится невозможным достаточное их перекрывание, и по- этому делокализация не происходит. В качестве иллюстрации можно указать на диметиланилин XXXI и его 2,6-диалкилпроиз- водные, например XXXII. Группа NMea в диметиланилине XXXI, обладая электронодонорными свойствами (обусловлен- ными неподеленной парой электронов атома азота), взаимо- действует с делокализованными л-орбиталями ароматического кольца, облегчая атаку кольца диазониевым катионом PhN* в реакции азосочетания. Это приводит к преимущественному замещению в орто- и особенно в пара-положения (см. стр. 137) а 43
В то же время 2,6-диметилпроизводное XXXII в таких усло- виях не подвергается азосочетанию, несмотря на то, что вве- денные в молекулу метильные группы занимают незначитель- ный объем и не могут мешать атаке в пара-положение. Отсут- ствие реакции сочетания по этому положению, наблюдаемое на практике, обусловлено тем, что две метильные группы, нахо- дящиеся в орто-положениях по отношению к ЫМе2-заместителю, препятствуют двум метильным группам, связанным с азотом, разместиться в той же плоскости, что и бензольное кольцо. Это означает, что р-орбитали атома азота и углеродного атома кольца, с которым азот связан, не могут расположиться па- раллельно друг другу, и перекрывание орбиталей ингибируется. Электронное взаимодействие с ароматическим кольцом стано- вится сильно затрудненным, и перенос заряда в пара-положение с последующей его активацией для атаки катионом PI1N2, как это наблюдается в случае соединения XXXI, не происходит Истерическое ингибирование). хххи Наиболее часто стерический эффект проявляется, однако, в форме так называемых пространственных затруднений, при которых реакционная способность того или иного участка мо- лекулы определяется не столько характером распределения электронов, сколько просто размерами отдельных функциональ- ных групп молекулы. Это явление было довольно подробно исследовано в связи с проблемой устойчивости комплексов, об- разуемых триметилбором с рядом аминов. Так, комплекс с три- этиламином (XXXIII) неустойчив и очень легко диссоциирует, тогда как комплекс с хинуклидином (XXXIV), в котором три этильные группы как бы оттянуты «назад» и не мешают атаке по атому азота, очень, стабилен. ^Ме СН2 Ме Me—СН2—N : В^Ме СН2 . Ме Ме хххш СН2—СН2 С,Н х?сн2—сн2</ сн2—сн/ Ме В^Ме Ме XXXIV 44
То, что это различие не является следствием различной до- ступности электронов атома азота в этих аминах, подтверж- дается весьма незначительным отличием основности (ср. стр. 90) этих соединений, поскольку известно, что присоединение про- тона связано со значительно меньшими пространственными за- труднениями, чем присоединение относительно большой группы ВМе3. В качестве примеров пространственных затруднений часто приводят трудности, возникающие при этерификации третич- ных кислот XXXV и 2,6-дизамещенных бензойных кислот XXXVIa (ср. стр. 228), например СООН XXXV XXXVIa XXXVI6 а также при гидролизе сложных эфиров и других производных этих кислот, таких, как, например, амиды (при условии, если такие соединения удается получить). То, что этот эффект по своей природе действительно является стерическим, подтвер- ждается тем обстоятельством, что по своей величине он значи- тельно больше эффекта, которого можно было бы ожидать, исходя только из электронных свойств алкильных заместите- лей, а также тем, что подобный эффект не наблюдается для ароматических соединений с мета- или пара-алкильными заме- стителями. Кроме того, если отдалить карбоксильную группу от кольца введением между ними СН2-группы, то по способ- ности к этерификации новая кислота XXXVI6 уже не отли- чается от бензойной кислоты; группа СООН в обеих этих кис- лотах не находится в окружении метильных групп и простран- ственно доступна для атакующего агента. Следует специально отметить, что столь сильно выраженные пространственные затруднения являются лишь крайними слу- чаями, практически же решающее влияние на скорость реакции могут оказывать любые факторы, препятствующие определен- ной взаимной ориентации реагирующих частиц и тем самым не позволяющие им подойти достаточно близко друг к другу. Та- кого рода факторы часто играют важную роль в реакциях, про- текающих в биологических системах. 7. КЛАССИФИКАЦИЯ РЕАГЕНТОВ Мы уже говорили об электронодонорных и электроноакцептор- ных группах, способных соответственно обогащать или обеднять определенные участки молекулы электронами. Такие группы, 45
несомненно, влияют на тип агента, с которым данное соедине- ние будет наиболее легко взаимодействовать. Богатое элек- тронами соединение, например фенолят-ион XXI I XXXVII стремится реагировать с положительно заряженными ионами, такими как катион диазония PhNj, или же с молекулами, ко- торые в целом не несут избыточного положительного заряда и, следовательно, не являются ионами, но содержат атом или уча- сток с недостатком электронов, например атом серы в трех- окиси серы XXXVII: XXXVII Азосочетание (см. стр. 150) и сульфирование (см. стр. 146) протекают по атому углерода ароматического кольца, а не по кислороду. Это связано, во-первых, с переносом зарядов с кис- лорода на углерод и, во-вторых, с большей стабильностью про- дуктов, образующихся при замещении углеродного атома, по сравнению с кислородзамещенными производными. Обратная картина наблюдается при наличии в молекуле центра с недо- статком электронов. Так, например, атом углерода в хлористом метиле XXXVIII Нх А \в+ в- Н—С->С1 н/ XXXVIII будет легко подвергаться атаке отрицательно заряженными ионами, такими как ~ОН, ~CN, или молекулами, которые в от- личие от ионов не несут полного избыточного заряда, но содер- жат богатые электронами атомы или центры, например атом азота в аммиаке или аминах. Следует подчеркнуть, что для пре- имущественного направления реакции достаточно лишь слегка асимметричного распределения электронов. Наличие полного за- ряда хотя и приводит к ускорению взаимодействия, но не яв- ляется ни в какой степени обязательным. Требующееся же асим- 46
метричное распределение заряда может быть индуцировано за счет взаимной поляризации атакующего агента и субстрата при их сближении, как это имеет место, например, при взаимодейст- вии брома с этиленом (см. стр. 176). Реакции первого типа называются электрофильными реак- циями, поскольку атакующий агент выискивает участок субстра- та, в котором электроны особенно легко доступны, а атакующие агенты носят соответственно название электрофильных реаген- тов или электрофилов. Реакции второго типа называются нуклео- фильными реакциями, поскольку в этом случае атакующий агент ищет участок, в котором заряд атомного ядра не пол- ностью скомпенсирован орбитальными электронами и способен поэтому к присоединению; такие агенты носят название соот- ветственно нуклеофильных реагентов или нуклеофилов. Электрофильные и нуклеофильные /реакции можно рассмат- ривать как частный случай обобщенных кислотно-основных ре- акций, в основе которых лежит теория Льюиса. Классическое определение кислот и оснований (по Брёнстеду) было основано на том, что кислоты — это доноры протонов, а основания — ак- цепторы протонов. Льюис ввел другое определение кислот как соединений, способных принимать электронные пары, а основа- ний — как компонентов, способных отдавать такие пары. Под это определение попал ряд соединений, ранее, в рамках клас- сической теории, не рассматривавшихся в качестве кислот или оснований. Так, например, трифторид бора XXXIX принимает пару электронов азота триметиламина с образованием ком- плекса XL Me F^ ^Me F—в + ;n—Me F— B:N-=Me F Me F^ Me XXXIX XL в связи с чем его называют кислотой Льюиса. Таким образом, электрофилы и нуклеофилы в органических реакциях можно рассматривать соответственно как акцепторы или доноры электронных пар, принимающие их от одних атомов или отдающие их другим атомам; такими атомами чаще всего являются атомы углерода. Очевидно, что электрофильные и ну- клеофильные реакции можно рассматривать также как частный случай окислительных и восстановительных процессов, по- скольку электрофилы являются акцепторами электронов, а ну- клеофилы — донорами электронов. Ниже приведен перечень наиболее часто встречающихся электрофилов и нуклеофилов (звездочками обозначены атомы, которые принимают электроны от субстрата или передают их субстрату): * 47
Электрофилы Н+, Н3О+, HNO3, H2SO4, HNO2 (т. е. соответственно+NO2,+SO3 н +NO), PhN3 BF3, A1C13, ZnCl2, FeCl3, Br2,1—Cl, NO—Cl, CN—Cl, H2O2) O3 О О О R3C*, ^C=O, R— I—Cl, R—С—О—C—R, CO2 Нуклеофилы H~, H2N", HO", RO", RS", RCOO", Hal", HSO" "CN, RC=C", "CH(COOEt)2 XLI — Ns, \s RMgBr, RLi, LiAlH4, * Однако не всегда ясно, какое из взаимодействующих соеди- нений следует считать атакующим агентом, а какое — субстра- том. Так, если HNO3 и ~ОН рассматриваются обычно как ата- кующие агенты, то карбанион диэтилмалоната XLI в реакции с алкилгалогенидами в зависимости от обстоятельств можно рассматривать либо как атакующий агент, либо как субстрат. Воздействие алкилгалогенида на карбанион XLI следует рас- сматривать как электрофильную атаку, тогда как воздействие карбаниона на алкилгалогенид можно считать нуклеофильной атакой. Однако независимо от того, с какой точки зрения клас- сифицировать эту реакцию, сущность ее останется неизменной. Не следует при этом забывать, что существуют реакции, протекающие с участием радикалов, которые также обладают, как известно, высокой реакционной способностью. Эти реакции в гораздо меньшей степени чувствительны к изменениям элек- тронной плотности в молекулах субстратов по сравнению с ре- акциями, включающими промежуточные соединения полярной природы. В то же время радикальные реакции крайне чув- ствительны к -присутствию даже следов веществ, способных освобождать или связывать радикалы. Эти реакции рассмот- рены в гл. 11 (стр. 286). 8. ТИПЫ РЕАКЦИЙ В соответствии с используемой нами классификацией имеется, в сущности говоря, четыре основных типа реакций, в которых могут принимать участие органические соединения: а) реакции замещения (вытеснения); б) реакции присоединения; 48
в) реакции отщепления (элиминации); г) перегруппировки. В реакциях типа а) вытеснение происходит, как правило, у атома углерода; вытесняться может как атом водорода или какой-нибудь другой атом, так и группа атомов. В реакциях электрофильного замещения чаще всего замещается водород; примером такой реакции может служить классическое аромати- ческое замещение (см. стр. 138): В реакциях нуклеофильного замещения часто замещается не водород, а атомы других элементов (см. стр. 92, 169): NC" + R—Вг —> NC—R + Br" Однако известны также и реакции нуклеофильного замеще- ния водорода (см. стр. 168) хотя гидридный ион, как таковой, в действительности не вы- свобождается (см. стр. 168). Известны, кроме того, реакции замещения, инициируемые радикалами, например галогениро- вание алканов. Следует, однако, иметь в виду, что эти реакции не проходят по механизму прямого замещения у атома угле- рода (ср. стр. 296). Реакции присоединения также могут быть электрофиль- ными, нуклеофильными или радикальными, в зависимости от природы частиц, инициирующих процесс. Присоединение к обычным двойным углерод-углеродным связям протекает, как правило, либо по электрофильному, либо по радикальному ме- ханизму. Примером может служить присоединение НВг 49
начинающееся с атаки двойной связи протоном (см. стр. 180) или радикалом Вт- (см. стр. 290). В отличие от этого реакции присоединения, идущие с участием двойной связи углерод-кис- лород в простых альдегидах и кетонах, протекают обычно по нуклеофильному механизму (см. стр. 198). Примером может служить катализируемое основаниями образование циангидри- нов в жидкой HCN: медленно HCN быстро + 'CN Реакции отщепления представляют собой, как правило, не что иное как обращенные реакции присоединения. В простейшем случае происходит отщепление атомов или групп от смежных атомов углерода с образованием олефинов: Перегруппировки также могут протекать через промежуточ- ные соединения, представляющие собой катионы, анионы или радикалы; чаще всего такими промежуточными соединениями являются карбониевые ионы или другие электронодефицитные частицы. Перегруппировки могут включать либо просто мигра- цию функциональной группы (см. стр. 123), как это имеет место, например, в случае аллильной системы он Ж' сн=сн2 ч. + сн-сн2 4- Н2о Н2О с\ ГН-СН2-ОН + Н+‘ 50
либо истинную перегруппировку углеродного скелета, как, на- пример, в случае пинаколиновой перегруппировки XLII ->XLIII (см. стр. 126): Ме2С—СМе2 н+ Ме3С—С—Me II —> II НО он о XLII XLIII Вслед за стадией истинной перегруппировки часто следуют реакции замещения, присоединения или отщепления, приводя- щие в конечном счете к образованию стабильного продукта.
ГЛАВА 2 ЭНЕРГЕТИКА, КИНЕТИКА И ПУТИ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЗМА РЕАКЦИИ В предыдущей главе было рассмотрено влияние электронных и стерических факторов на реакционную способность различных соединений в данных условиях, а также типы реагентов, от ко- торых можно было бы ожидать, что они будут легко атаковать определенные участки молекул этих соединений. При этом, од- нако, ничего не было сказано относительно того, каким образом влияние электронных и стерических факторов на направление реакции и на ее скорость могло бы быть охарактеризовано в терминах энергетики и кинетики. Очевидно, что такие харак- теристики могли бы существенно облегчить понимание деталей механизмов рассматриваемых реакций. 1. ЭНЕРГЕТИКА РЕАКЦИЙ Один из вопросов, возникающих при изучении процесса пре- вращения исходных веществ в продукты реакции, состоит в том, насколько «далеко» может пройти реакция в сторону образова- ния конечных продуктов. Поскольку любая система стремится, как известно, к своему наиболее устойчивому состоянию, можно ожидать, что чем более устойчивы продукты реакции по сравне- нию с исходными веществами, тем сильнее должно быть смещено равновесие между ними в сторону продуктов, или, дру- гими словами, чем больше Аустойчивости (смысл которой понятен из рис. 1), тем в большей степени исходные вещества должны превращаться в продукты. Очевидно, однако, что просто величина изменения- общей энергии, сопровождающего превращение исходных веществ в продукты, которая легко может быть определена эксперимен- тально, путем измерения теплоты реакции А// (теплосодер- жание или энтальпию данного соединения обозначают обычно через Н), не может служить мерой различия их устойчивости, поскольку непосредственной корреляции между величиной А Я и константой равновесия реакции К не наблюдается *. С одной * Условно принято считать, что величина Д/7 имеет знак минус в тех случаях, когда энтальпия продуктов реакции меньше энтальпии исходных веществ. Реакции, сопровождающиеся уменьшением энтальпии, носят назва- ние экзотермических, а реакции, сопровождающиеся ее увеличением, — эндо-, термических. 62
стороны, известны сильно экзотермические реакции, характери- зующиеся малыми значениями константы равновесия, а с дру- гой стороны, некоторые эндотермические реакции характери- зуются высокими значениями константы равновесия. Это ясно указывает на то, что при оценке относительной устойчивости химических соединений, наряду с энтальпией, необходимо учи- тывать какой-то дополнительный фактор. Исходные вещества 1 Дустойаивости I 1 1 Продукты реакции Рис. 1. Этот вывод находится в соответствии со вторым законом тер- модинамики, согласно которому упорядоченные системы стре- мятся к разупорядочению, причем мерой степени разупорядочен- ности системы служит ее энтропия S. В поисках условий, отве- чающих наибольшей устойчивости, система всегда стремится к минимальному значению энергии (т. е. к минимуму энтальпии Я) и к максимально возможной в данных условиях степени разупо- рядоченности (т. е. к максимуму энтропии S). Таким образом, условия, отвечающие относительной устойчивости системы, должны определяться компромисом между значениями Н и S. Величиной, выражающей результат такого компромиса, является свободная энергия Гиббса G, определяемая уравнением G = н - TS где Т — абсолютная температура. Изменение свободной энергии в процессе реакции при данной температуре Т равно AG = АТ/ — 7 AS Было показано, что стандартное изменение свободной энер- гии, сопровождающее переход исходных веществ в продукты реакции, ДО0 (ДО0 — характеризует изменение свободной б»
энергии в стандартных условиях, а именно в расчете на 1 моль при давлении 1 атм) связано с величиной константы равновесия К. для данной реакции уравнением: • - до° = 2,зозет ig к Это уравнение показывает, что чем сильнее уменьшается сво- бодная энергия (минус AG0) при переходе от исходных веществ к продуктам реакции, тем больше величина К и тем, следова- тельно, выше равновесная концентрация продуктов реакции. Очевидно, что минимальное значение свободной энергии соот- ветствует равновесию между исходными веществами и продук- тами реакции. Поэтому для реакции, при которой свободная энергия остается неизменной (AG° = 0), константа равновесия К равна единице, т. е. в процессе такой реакции исходные веще- ства могут превратиться в продукты не более чем на 50%. Воз- растанию абсолютного значения AG0 соответствует быстрое уменьшение величины К (поскольку эта величина стоит под зна- ком 1g), т. е. очень сильное уменьшение доли исходных веществ, способных превратиться в продукты; и, наоборот, — уменьшению абсолютного значения AG0 соответствует быстрое возрастание величины К, т. е. увеличение доли исходных веществ, способных превратиться в продукты. Так, изменению свободной энергии, равному—10 ккал/моль, соответствует значение константы рав- новесия, равное приблизительно 107, т. е. возможность практи- чески полного превращения исходных веществ в продукты. Та- ким образом, если мы знаем величины стандартной свободной энергии исходных веществ и продуктов реакции (для большого числа органических соединений эти величины известны), то соот- ветствующая информация дает нам возможность легко предска- зать степень возможного превращения первых в последние. Вклад члена АН в величину изменения свободной энергии AG0 может быть оценен по разности энергий связей исходных веществ и продуктов реакции; приблизительное значение АН для данной реакции часто может быть предсказано, исходя из таблиц стандартных энергий связи. ' Энтропийный член, к сожалению, не может быть интерпрети- рован так просто, как член АН. Физический смысл этого члена состоит в том, что он отражает число возможных способов, при помощи которых общая энергия системы может быть распреде- лена между составляющими .ее молекулами, а также число воз- можных способов, при помощи которых энергия каждой из мо- лекул может быть распределена между поступательной, враща- тельной и колебательной степенями свободы молекулы; наиболь- шая доля энергии приходится при этом на поступательную сте- пень свободы молекулы. Реакции,-в процессе которых происходит увеличение числа частиц 51 А 3 -f- С
должны, очевидно, сопровождаться заметным возрастанием энт- ропии из-за увеличения числа поступательных степеней свободы. Энтропийный член AS в случае таких реакций может оказаться достаточным для того, чтобы уравновесить член АН и обеспечить общее уменьшение свободной энергии; в результате состоянию равновесия будет соответствовать высокая концентрация продук- тов. Если же такая реакция не эндотермична, а экзотермична (член АН имеет знак минус), то она будет сопровождаться еще большим уменьшением свободной энергии (член AG будет еще более отрицательным), и константа равновесия К будет соответ- ственно еще большей. В случае же реакций, в процессе которых происходит умень- шение числа частиц, энтропия уменьшается (член AS отрица- телен) k.G = кН — (—) Т kS и, следовательно, даже если реакция экзотермична (член АН имеет знак минус), то величина AG все равно может оставаться положительной, т. е. свободная энергия может возрастать и со- стоянию равновесия будет соответствовать низкая концентрация продуктов. Реакции циклизации, например СН3(СН2)3СН=СН2 ^=± |^| сопровождаются уменьшением энтропии. Это уменьшение не столь велико по сравнению с реакциями, сопровождающимися уменьшением числа частиц и исчезновением соответствующей доли поступательных степеней свободы. Оно обусловлено в ос- новном исчезновением вращательных степеней свободы вокруг ординарных связей углерод-углерод, существующих в исход- ных молекулах с открытой цепью и отсутствующих в цикличе- ских молекулах продукта реакции. Заслуживает внимания тот факт, что энтропийный член, в отличие от энтальпийного, включает температуру (TAS). Это приводит к тому, что относительный вклад каждого из них в изменение свободной энергии для одной и той же реакции, в зависимости от температуры, может быть различным. 2. КИНЕТИКА РЕАКЦИЙ Хотя отрицательное значение AG° является необходимым усло- вием протекания реакции в данных условиях, тем не менее само по себе это условие недостаточно, так как оно ничего не говорит о том, насколько быстро исходные вещества могут пре- вращаться в продукты. Так, например, в случае окисления цел- люлозы (С6Н10О5)п 4- &пО, 6пСО2 + 5пН2О 55
величина AG° отрицательна, а ее абсолютное значение доста- точно велико, в результате чего равновесие этой реакции прак- тически полностью смещено в сторону продуктов СО2 и Н2О. Рис. 2. Рис. 3. Тем не менее хорошо известно, что газеты, состоящие в основ- ном из целлюлозы, можно-спокойно читать на воздухе (и даже в атмосфере чистого кислорода!) при комнатной температуре без опасности превращения их в газообразные продукты. Это объясняется тем, что, несмотря на сильное уменьшение свобод- но
ной энергии, скорость окисления целлюлозы в обычных усло- виях очень низка; однако хорошо известно и то, что при повы- шении температуры эта реакция резко ускоряется. Превраще- ние исходных веществ в продукты реакции, несмотря на отри- цательный знак величины AG0, почти никогда не протекает гладко, как это показано на рис. 2; обычно на пути к продук- там реакции молекулам исходных веществ приходится преодо- левать барьер, изображенный на рис. 3. Скорость реакции и свободная энергия активации Точка х на вершине кривой (см. рис. 3), характеризующей из- менение свободной энергии в ходе реакции, соответствует по- следней устойчивой конфигурации, через которую молекулы исходных веществ проходят на пути их превращения в про- дукты; эта конфигурация носит название активированного ком- плекса, или, как его чаще называют, переходного состояния. Следует подчеркнуть, что переходное состояние представляет собой предельно неустойчивое сочетание реагирующих молекул, через которое они проходят в процессе реакции, и это состоя- ние ни в коем случае нельзя путать с промежуточным соедине- нием, которое реально может быть выделено. Примером пере- ходного состояния может служить состояние I, возникающее при щелочном гидролизе бромистого метила \ 8- \ /> 5- / НО + Н—С—Вг --->- НО...С- —-Вг --->- НО—С —Н + Вг* н _ Н н в процессе которого связь НО—С образуется еще до полного разрыва связи С—Вг, и три атома водорода, связанные с угле- родом, проходят через конфигурацию, в которой все они лежат в одной плоскости, образующей прямой угол по отношению к плоскости бумаги. Механизм этой реакции подробно рас- сматривается на стр. 92. Высота барьера AG^ носит название свободной энергии, активации (чем выше этот барьер, тем медленнее протекает реакция), и она зависит, в соответствии с уравнением для сво- бодной энергии активации AG* = ДЯ* - Т AS* как от энтальпийного (А//), так и энтропийного (AS) членов. Величина A7Y* (энтальпия активации) численно равна энер- гии, необходимой для растяжения или даже для разрыва свя- зей, т. е, энергии, обеспечивающей возможность реализации 51
реакции (например, растяжения связи С—Вг в активированном состоянии I). Таким образом, для того чтобы реакция могла быть реализована, реагирующие молекулы должны обладать в момент столкновения каким-то минимальным запасом энер- гии (часто эту энергию называют просто энергией активации и обозначают ДЕ, имея при этом в виду величину A7Y). Хорошо известное возрастание скорости реакции при повышении тем- пературы обусловлено, по существу, возрастанием доли реаги- рующих молекул, запас энергии которых превышает требуемый минимум. ЦЧлен AS* (энтропия активации) характеризует степень упо- рядоченности системы. Если для образования переходного со- стояния необходимо, чтобы реагирующие молекулы расположи- лись в пространстве строго специфическим образом одна по отношению к другой, а также чтобы запас их энергии в мо- мент взаимодействия был сосредоточен в каких-то строго опре- деленных связях, то образование такого переходного состояния будет сопровождаться заметным уменьшением энтропии (воз- растанием степени упорядоченности) и вероятность его воз- никновения будет соответственно небольшой. Кинетика и понятие о стадии, лимитирующей скорость реакции Экспериментальное исследование кинетики состоит в измерении скоростей исчезновения исходных веществ и/или появления про- дуктов реакции при данной температуре и при разных концен- трациях участвующих в реакции веществ. За ходом реакции можно следить разными методами, например титрометрическим, колориметрическим, спектрометрическим и т. д., однако наибо- лее важный этап кинетического исследования состоит обычно не в самом процессе измерения скорости реакции, а в нахож- дении (методом проб и ошибок) формы уравнения, выражаю- щего зависимость скорости реакции от концентрации реагирую- щих веществ. Так, например, кинетическое уравнение реакции СН3Вг + ’ОН —> СН3ОН + Вг’ имеет вид Скорость = k [CH3Br] ['OHJ Величину k в этом уравнении называют константой ско- рости; реакция в целом, как и следовало ожидать, исходя из ее механизма, имеет второй порядок, тогда как в отношении каж- дого из реагентов (СНзВг и ~ОН) она является реакцией пер- вого порядка. Очень важным является то обстоятельство, что стехиомет- рическое соотношение между реагирующими молекулами да- леко не всегда определяет форму кинетического уравнения. Об этом свидетельствуют результаты исследования кинетики мно- £8
гих реакций и в частности катализируемой основаниями реак- ции бромирования ацетона: СН3СОСН3 + Вг2 —> СН3СОСН2Вг + НВг Кинетическое уравнение этой реакции Скорость = k [СН3СОСН3] [‘ОН] показывает, что ее скорость не зависит от концентрации брома, но зависит от основности среды (см. стр. 270). Поскольку бром вводит в состав продукта, его концентрация не может не влиять на скорость какой-то из стадий реакции; таким образом, не- зависимость суммарной скорости процесса от концентрации брома свидетельствует о том, что скорость этой стадии прак- тически не оказывает влияния на измеряемую нами скорость процесса в целом. В действительности редко бывает так, чтобы органическая реакция представляла собой просто одностадий- ный процесс, характеризуемый схемой, показанной на рис. 3, в связи с чем стехиометрия суммарной реакции' не отражает обычно истинного механизма. Это важное обстоятельство мо- жет быть хорошо проиллюстрировано на примере реакции об- разования гексаметилентетрамина: 6СН2О + 4NH3 —>- СвН12Н4 + 6Н2О Очевидно, что вероятность одновременного столкновения шести молекул СНгО и четырех молекул NH3, т. е. образования комплекса из десяти молекул, соответствующего суммарному уравнению реакции, практически равна нулю. Но даже в тех случаях, когда суммарное уравнение реакции не требует столь маловероятных ситуаций, истинные механизмы включают не- которое число следующих одна за другой стадий, каждая из. которых требует столкновения обычно не более чем двух ча- стиц. Очевидно, что в этих условиях реально измеряемая ско- рость реакции будет относиться к наиболее медленной, лими- тирующей стадии, играющей роль как бы узкого горлышка бутылки, через которое должен пройти процесс превращения исходных веществ в продукты реакции. На рис. 4 показано изменение свободной энергии по мере протекания гипотетической реакции, в процессе которой исход- ные вещества переходят (через переходное состояние Xi) в про- межуточное соединение, превращающееся затем (через пере- ходное состояние Х2) в продукты реакции. Как видно из при- веденной схемы, первая из стадий, а именно образование промежуточного соединения, требует большей свободной энергии по сравнению со второй стадией (AG* > AG*), и, следова- тельно, оно должно протекать медленнее. Скорость именно этой, более медленной стадии, лимитирующей общую скорость ре- акции, и измеряют в кинетических экспериментах. Вслед за ней протекает быстрая нелимитирующая стадия, требующая б»
меньшей свободной энергии — превращение промежуточного соединения в продукты реакции. Упомянутый выше процесс бромирования ацетона может в определенных условиях протекать аналогично реакции, изо- браженной на рис. 4. Медленной лимитирующей стадией яв- ляется в этом случае отрыв протона основанием, приводящий к образованию карбаниона II (являющегося промежуточным Рис. 4. соединением в этой реакции), который затем атакуется моле- кулой Вгг и быстро превращается в продукты реакции — бром- ацетон и ион брома: ВГ2 "ОН + НСН2СОСН3 --------> Н2О + "СН2СОСН3 —------> медленно ' 0 быстро II —► ВгСН2СОСН3 + Вг' Следует подчеркнуть, что хотя эта интерпретация является вполне естественным следствием полученного из опытных дан- ных кинетического уравнения, тем не менее это уравнение нельзя рассматривать как однозначное доказательство пра- вильности такой интерпретации. Полученное из опытных дан- ных кинетическое уравнение содержит информацию о частицах, входящих в состав переходного состояния, отвечающего лими- тирующей стадии реакции; из такого уравнения можно сделать лишь косвенные выводы о промежуточных соединениях и прак- тически никаких или почти никаких выводов о частицах, уча- ствующих в быстрых, нелимитирующих стадиях реакции. При рассмотрении вопроса о возможном влиянии различных факторов, таких как, например, растворитель или строение ис- 60
ходных веществ, на скорость реакции следует выяснить, как они влияют на устойчивость (уровень свободной энергии) переход- ного состояния: любые факторы, способствующие стабилизации переходного состояния, будут облегчать их образование и, сле- довательно, ускорять реакцию и наоборот. К сожалению, точ- ная информация о переходных состояниях, соответствующих ли- митирующей стадии, обычно недоступна, и самое разумное, что Исходные вещества Продукты Переходное состояние в отсутствие катали- затора Переходное состояние на стадии,лимитирую- щей скорость, в при- сутствии катализатора Рис. 5. мы реально можем сделать, это использовать в качестве мо- дели переходного состояния соответствующее промежуточное соединение и посмотреть, какое влияние оказывают интересую- щие нас факторы на эти модели. Такого рода модели отнюдь не бессмысленны, поскольку образующееся в ходе реакции про- межуточное соединение может (как это имеет место в случае реакции на рис. 4) достаточно близко соответствовать по уров- ню энергии предшествующему ему переходному состоянию и, следовательно, иметь с ним сходные черты и в структурном отношении. Во всяком случае нет никаких сомнений в том, что промежуточное соединение может служить значительно лучшей моделью для переходного состояния, чем исходное вещество. Так, например, в ка'честве модели переходного состояния в ре- акциях электрофильного замещения в ароматических соедине- ниях были использованы промежуточные соединения — о-ком- плексы (см. стр. 158). Влияние катализаторов, повышающих скорость реакций, со- стоит в том, что они направляют реакцию по другому пути, требующему меньшей свободной энергии; часто реакция сопро- вождается при этом образованием новых, более устойчивых промежуточных соединений (рис. 5). Так, например, реакция 61
гидратации алкена при непосредственном действии воды про- текает обычно медленно + Н2О однако она может быть значительно ускорена при добавлении кислотного катализатора, который осуществляет первичную протонизацию алкена до карбониевого иона, являющегося про- межуточным соединением в этой реакции. Этот положительно заряженный ион в дальнейшем легко подвергается атаке мо- лекулой воды, действующей в качестве нуклеофильного реа- гента, после чего также легко и быстро происходит отщепление протона, способного опять функционировать в качестве ката- литического агента (см. стр. 182). Таким образом, каталитиче- ское действие кислоты в реакции гидратации алкенов может быть описано схемой: Кинетический и термодинамический контроль Если исходные вещества могут превращаться в два или боль- шее число альтернативных продуктов, как это имеет место, на- пример, при электрофильной атаке ароматических соединений, содержащих какой-нибудь заместитель (см. стр. 157), то со- отношение между образующимися продуктами часто опреде- ляется относительными скоростями их образования: чем быст- рее образуется данный продукт, тем выше его содержание в смеси конечных продуктов. Поскольку в этом случае состав смеси продуктов определяется кинетическими параметрами, со- ответствующий контроль называют кинетическим. Однако этот тип контроля не всегда имеет место. Если же одна или боль- шее число реакций обратимы или если образующиеся альтер- нативные продукты могут в условиях реакции легко превра- щаться друг в друга, то - состав смеси конечных продуктов может определяться уже не относительными скоростями образо- вания каждого из них, а соотношением их термодинамических устойчивостей. Такой контроль носит название термодинами- ческого или равновесного. Было, например, показано, что со- став смеси продуктов, образующихся при нитровании толуола, 62
контролируется кинетически, тогда как в случае реакции алки- лирования по Фриделю — Крафтсу обычно имеет место термо- динамический контроль (см. стр. 164). Тип контроля, опреде- ляющего состав смеси конечных продуктов, может зависеть в ряде случаев от условий проведения реакций; так, например, состав смеси продуктов, образующихся при сульфировании нафталина серной кислотой, контролируется при 80 °C кинети- чески, а при 160°C — термодинамически (см. стр. 165). 3. ПУТИ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЗМА РЕАКЦИЙ Практически невозможно получить детальную информацию о структурных, энергетических и стереохимических параметрах, характеризующих все состояния, через которые проходит хи- мическая реакция, — уж слишком много таких состояний. Тем не менее часто удается собрать достаточное количество дан- ных, свидетельствующих о том, что один из теоретически воз- можных механизмов несовместим с экспериментальными ре- зультатами, или показать, что один из нескольких возможных механизмов более вероятен по сравнению с другими. Кинетические методы Хотя наибольший объем информации при исследовании меха- низма химических реакций был получен и сейчас продолжает получаться в результате изучения их кинетики, тем не менее следует иметь в виду, что интерпретация кинетических данных не всегда столь проста, как это может показаться с первого взгляда. Это связано, в частности, с тем, что эффективно дей- ствующие частицы, концентрация которых реально обусловли- вает скорость реакции, могут значительно отличаться от тех частиц, которые мы вводим в реакционную смесь и изменения концентрации которых в процессе реакции мы реально изме- ряем. Так, например, эффективными частицами в реакциях аро- матического нитрования, непосредственно атакующими моле- кулы ароматического соединения, являются обычно ионы нитро- ния NOa (см. стр. 141), хотя нитрующим агентом, который мы вводим в реакционную смесь и изменение концентрации кото- рого мы измеряем, является HNO3; соотношение же между концентрациями NOJ и HNO3 и, следовательно, между скоро- стью реакции нитрования и концентрацией HNO3 зависит от многих факторов и является довольно сложным. Таким обра- зом, даже в тех случаях, когда механизм исследуемой реакции сравнительно несложен, его выяснение на основании анализа наблюдаемых на опыте величин может оказаться далеко не простой задачей. Вернемся к рассмотренному выше примеру — гидролизу ал- килгалогенидов RHal в водном растворе. Хотя кинетическое 63
уравнение этой реакции Скорость ~ [RHal] как легко видеть, не содержит [Н2О], тем не менее из этого отнюдь не следует, что в стадии, лимитирующей скорость, не принимают участие молекулы воды, поскольку вода исполь- зуется в качестве растворителя и независимо от того, участ- вуют молекулы воды в лимитирующей стадии или нет, их кон- центрация будет оставаться практически неизменной. Казалось бы, что для решения вопроса об участии молекул воды имеет смысл изучить реакцию гидролиза в неводном растворителе, например в муравьиной кислоте НСООН, при небольшой кон- центрации воды, играющей роль нуклеофильного реагента. Как показали результаты соответствующего исследования, кинети- ческое уравнение имеет в этом случае следующий вид Скорость ~ [RHal] [Н2О] т. е. скорость реакции зависит от концентрации воды. Но, к со- жалению, этот результат опять-таки не дает возможности от- ветить на интересующий нас вопрос, поскольку у нас нет уве- ренности в том, что замена растворителя не могла привести к изменению механизма, и мы по-прежнему остаемся в неве- дении относительно того, что же на самом деле происходит при гидролизе алкилгалогенидов в водных растворах. Огромное большинство органических реакций протекает в растворах, и сравнительно незначительные изменения раство- рителя могут оказывать сильнейшее влияние на их скорость и механизм. Это особенно ярко проявляется в тех случаях, когда в качестве промежуточных соединений образуются частицы по- лярной природы (например, ионные пары, включающие карбо- ниевые ионы или карбанионы), поскольку такие частицы создают вокруг себя окружение из молекул растворителя. Харак- тер подобного окружения зависит от состава и природы исполь- зуемого растворителя, особенно от его полярности и способности сольватировать ионы, и оказывает сильное влияние на стабиль- ность таких частиц. В случае же реакций, протекающих с про- межуточным образованием радикалов (см. стр. 276), влияние природы растворителя выражено не столь сильно, если не счи- тать, конечно, растворителей, которые способны непосредствен- но взаимодействовать с радикалами. Сильное влияние на реак- ции, сопровождающиеся образованием радикалов, оказывают вещества, являющиеся источниками радикалов (например, пе- рекиси), или вещества, поглощающие радикалы (например, хи- нон), а также свет, способный инициировать процессы, приво- дящие к образованию радикалов, как это имеет место, , напри- мер, при фотохимической активации брома: Br2-AL>2Br. 64
Изотопные эффекты Обычные кинетические данные, как правило, не содержат ин- формации о том, в какой именно момент происходит разрыв данной связи — на стадии, лимитирующей скорость реакции, или на какой-то другой стадии. Решение этого вопроса требует специального подхода. Так, например, в случае разрыва свя- зей С—Н ответ на этот вопрос может быть получен путем сравнения (в одних и тех же условиях) скоростей реакций исследуемого соединения и его изотопной формы, т. е. соеди- нения, в котором атомы водорода интересующей нас связи С—Н замещены на тяжелый изотоп — дейтерий. Связь С—D всегда прочнее связи С—Н, и это различие обусловливает (в случае, если разрыв связи С—Н действительно осуществ- ляется на лимитирующей стадии) приблизительно семикратное (при 25 °C) различие в скоростях соответствующих реакций. Так, было показано, что в случае реакции окисления Ph2CHOH —> Ph2C=O протекающей в щелочном растворе перманганата, Ph2CHOH окисляется в 6,7 раза быстрее, чем Ph2CDOH, т. е. для этой реакции характерен первичный кинетический изотопный эф- фект, свидетельствующий о том, что разрыв связи С—Н осу- ществляется именно на стадии, лимитирующей скорость этой реакции. Другая ситуация имеет место в случае реакции нитро- вания бензола. Как показало сравнительное кинетическое ис- следование, скорости нитрования С6Н6 и C6D6 практически не различаются, и это свидетельствует о том, что разрыв связи С—Н, который не может не произойти на одной из стадий ре- акции Н NO2 + N°: —> (^] +н+ осуществляется не на лимитирующей стадии (см. стр. 142). Изотопы могут быть использованы также для решения не- которых вопросов, относящихся к механизму, которые непо- средственно не связаны с кинетикой. Так, например, реакция гидролиза сложных эфиров в водном растворе, приводящая к образованию кислоты и спирта, теоретически может идти двумя путями: или путем расщепления связи алкил—-кислород (а) или путем расщепления связи ацил—кислород (б): О а || О „ --> R-—С—ОН + Н,8О—R' И ! Н'8О R—C-j-0-f-R' --- О * —* R—С—,8ОН + Н—OR' 3 Заки718 05
Если расщепление идет по пути а, то при проведении реак- ции в воде, обогащенной тяжелым изотопом кислорода, дол- жно наблюдаться образование спирта, обогащенного 18О, и кислоты, не содержащей изотопной метки, в то время как рас- щепление по пути б должно приводить к образованию обо- гащенной 18О кислоты и немеченного спирта. В действительно- сти оказалось, что большинство сложных эфиров образует кис- лоту, обогащенную 18О, т. е. что в условиях проведения опыта гидролиз идет путем расщепления связи ацил — кислород. Сле- дует, конечно, иметь в виду, что результаты такого рода опы- тов имеют смысл только при условии, если исходное вещество и образующиеся продукты (в рассмотренном примере кислота и спирт) не способны обменивать свой кислород на кислород воды, обогащенной изотопом 18О; специальными опытами было показано, что в случае рассмотренной реакции такой обмен действительно не происходит. Для выяснения некоторых вопросов, связанных с механиз- мом реакций, часто используют тяжелую воду D2O. Так, при изучении механизма реакции Канниццаро с участием бензальде- гида (см. стр. 208) О О О ОН II II -он II _ | Ph—С—Н + Ph—С—Н ------»-Ph—С—О + Ph—С—Н I Н возник вопрос о том, откуда приходит второй водородный атом в молекулу образующегося бензилового спирта: из раство- рителя (воды) или же из. другой молекулы бензальдегида. Оказалось, что если проводить реакцию в D2O, то образования соединения PhCHDOH не наблюдается. Это ясно показывает, что второй атом водорода бензилового спирта не мог прийти из воды, а появился в результате прямого переноса от второй мо- лекулы альдегида. Промежуточные соединения Вероятно, наиболее конкретная информация о механизме реак- ции может быть реально получена выделением из реакционной смеси одного или нескольких промежуточных соединений, об- разующихся в процессе превращения исходных веществ в про- дукты. Так, например, в случае реакции Гофмана (стр. 130) О II Вг2 R—С—NH2 ►' RNH2 “он в результате которой амиды превращаются в амины, удается (при условии соблюдения необходимых мер предосторожности) выделить N-бромамид RCONHBr, его анион RCONBr и изо- ед
цианат RNCO; установление того факта, что эти вещества яв- ляются промежуточными соединениями в реакции Гофмана, оказало существенную помощь при расшифровке ее механизма. В такого рода исследованиях необходимо, однако, быть твердо уверенным в том, что выделяемые вещества действительно яв- ляются промежуточными соединениями, а не альтернативными продуктами реакции. Для этого нужно показать, что в обыч-_ ных условиях они могут быть превращены в нормальные про- дукты со скоростью, по крайней мере, не меньшей, чем ско- рость, с которой протекает суммарная реакция. Для большинства реакций не удается выделить ни одного промежуточного соединения; это обстоятельство, однако, от- нюдь не означает, что они действительно не образуются, а объ- ясняется просто слабой устойчивостью промежуточных соеди- нений. Образование промежуточного соединения часто может быть обнаружено при помощи физических и, в частности, спек- тральных методов. Так, например, при образовании оксимов из различных карбонильных соединений в результате реакции с гидроксиламином R\ /R R\ /R С nh2oh С 1 -----> II + Н2О О :N \он характеристическая полоса группы >С = О в инфракрасном спектре исходного вещества полностью исчезает задолго до того, как начинает появляться характеристическая полоса группы >C = N— продукта реакции. Это ясно указывает на образование промежуточного соединения. Дальнейшие иссле- дования показали, что строение этого соединения может быть выражено формулой: R R X НО NHOH Оно быстро образуется, но затем сравнительно медленно распадается с образованием продуктов реакции — оксима и воды. Предположение об образовании в процессе реакции каких- то вполне определенных частиц, играющих роль неустойчивых " промежуточных соединений, можно проверить, вводя в реак- ционную смесь вещества, способные легко взаимодействовать с предполагаемыми промежуточными соединениями и сравни- тельно прочно связываться с ними. Этот прием был использо- ван при исследовании механизма гидролиза хлороформа силь- ными основаниями. Электронодефицитный дихлоркарбен ССЬ,
который, как предполагалось, является лабильным промежу- точным соединением (стр. 249), действительно удалось уловить при помощи богатого электронами цис-бутена-2(III) и выде- лить образовавшееся стабильное производное циклопропанаIV, образование которого можно представить следующей схемой: in + СС12 Me Ме Me Ме CI IV Стереохимические критерии Характер стереохимических изменений, сопровождающих дан- ную реакцию, также может служить ценным критерием при установлении ее механизма, причем более строгим, чем неко- торые соображения общего характера. Так, например, тот факт, что катализируемое основанием бромирование оптически актив- ного кетона V • ВГ2 * PhCOCHEt ----►- PhCOCBrEt I "ОН | Me Ме V (+) приводит к оптически неактивному рацемическому продукту (см. стр. 270), ясно указывает на то, что реакция должна про- ходить через промежуточное соединение плоского строения, ко- торое может подвергаться атаке с равной вероятностью с лю- бой из сторон, в результате чего образующийся продукт пред- ставляет собой смесь двух зеркальных форм, содержащихся в равных количествах, т. е. рацемат. Аналогично, тот факт, что присоединение брома к циклопентену VI в полярной среде при- водит только к транс-дибромиду VII, свидетельствует о том, что механизм реакции не сводится просто к присоединению мо- лекулы брома и двойной связи, поскольку при этом должен был бы образоваться цис-дибромид VIII, а представляет собой, По меньшей мере, двухстадийный процесс (см. стр. 178). Многие реакции отщепления легче протекают с транс-, чем а цис-изомерами (см, стр, 236), В качестве примера можно ука- 68
зать на различие в скоростях превращения син- и ангы-изо- меров альдоксим ацетатов в нитрил: И\ /Ph С Ns МеСОС)/ Ph Л. А легко HI N “ОН <------- гораздо труднее анти- И\ /Ph С II SN \эСОМе син- Очевидно, что это различие накладывает определенное ограни- чение при решении вопроса о механизме, поскольку реакция явно протекает в соответствии с известным принципом, согласно которому отщепление двух групп происходит легче всего в том случае, если они расположены близко одна к другой Ph Гн ।ОСОМе I (_____। Прочие методы Наиболее важную информацию о реакции дают, по-видимому, данные о структуре образующихся продуктов, а такдсе резуль- таты сравнения структуры продуктов со структурой исходных веществ. Эта информация может оказаться особенно содержа- тельной в тех случаях, когда в результате реакции получаются совершенно неожиданные продукты. Так, например, взаимо- действие n-хлортолуола IX с амидным ионом _МНг в жидком аммиаке (см. стр. 173) приводит к тому, что наряду 9 ожидае- мым продуктом — n-толуидином X неожиданно образуется л-то- луидин XI, составляющий, кстати говоря, основную долю про- дукта реакции. Очевидно, что л-толуидин не может быть получен из п-хлор- толуола путем простого замещения атома хлора на амино- группу; его образование можно объяснить либо существованием какого-то совершенно иного пути реакции, отличающегося от 69
пути, приводящего к n-толуидину, либо тем, что образованию обоих изомеров толуидина предшествует образование какого-то одного, общего для них промежуточного соединения. Какая из этих двух возможностей имеет место в действительности, ска- зать трудно; ясно лишь, что обе они несовместимы с механиз- мом прямого замещения. Неожиданно высокая или неожиданно низкая" скорость дан- ной реакции по сравнению со скоростями аналогичных реакций, протекающих при тех же условиях с участием соединений сход- ного строения, также может служить указанием на то, что ме- ханизм этой реакции отличается от механизма, который можно было бы постулировать, не располагая этими данными. Было показано, например, что скорость гидролиза хлорметанов под действием сильных оснований в сравнимых условиях изменяется следующим образом СН3С1 » СН2С12 « СНС13 » СС14 откуда ясно следует, что способ, которым атакуется молекула хлороформа СНС13, отличается от способа атаки остальных трех хлорметанов, о чем уже упоминалось выше (см. стр. 67). Для того чтобы быть уверенным в том, что один из пред- лагаемых механизмов описывает действительное течение данной реакции, недостаточно, чтобы он просто находился в соответ- ствии с уже известными фактами, необходимо посмотреть, в ка- кой мере этот механизм позволяет заранее предсказывать характер изменений скорости реакции (или даже природы обра- зующихся продуктов), обусловленный определенными, спе- циально подобранными изменениями условий ее проведения. Последовательное использование различных критериев и тестов позволяет в ряде случаев выбрать какой-то определенный механизм, который лучше других согласуется с совокупностью имеющихся сведений о данной реакции. Важное значение этой проблемы в целом не сводится, однако, к выяснению механизма какой-то одной интересующей нас реакции. Оно состоит в том, что обобщение результатов систематического исследования ме- ханизма органических реакций вносит ясность в огромную массу, на первый взгляд, беспорядочной информации, касаю- щейся их равновесных и кинетических характеристик, а также реакционной способности участвующих’ в них соединений. В последующих главах мы рассмотрим ряд примеров, ил- люстрирующих это общее положение.
ГЛАВА 3 СИЛА КИСЛОТ И ОСНОВАНИИ Современные электронные теории органической химии оказа- лись в высшей степени полезными для целого ряда разделов химии, поскольку с их помощью удалось связать реакционную способность соединений с их химическим строением. Наиболее успешно эти теории были использованы для объяснения отно- сительной силы органических кислот и оснований. По определе- нию Аррениуса, кислотами являются соединения, которые в рас- творе дают ионы водорода Н+, в то время как основания образуют ионы гидроксила ~ОН. Эти определения были вполне правильными до тех пор, пока речь шла только о реакциях, идущих в водных растворах. Поскольку представления о кисло- тах и основаниях оказались весьма полезными для практики, были предприняты попытки сделать их более общими. Так, Брёнстед определил кислоты как вещества, способные отда- вать протоны, т. е. как доноры протонов, а основания — как акцепторы протонов. Рассмотрим в качестве примера первую ионизацию серной кислоты в водном растворе как кислотно- основной процесс: H2SO4 + Н2О кислота основание н3о+ + hso; сопряженная сопряженное кислота основание Здесь вода, принимая протон, действует как основание и переходит в так называемую сопряженную кислоту Н3О+, в то время как кислота H2SO4, отдавая протон, переходит в свое сопряженное основание HSO4. Обобщенная концепция кислот и оснований была предло- жена Льюисом, который определял кислоты как молекулы или ионы, способные образовывать связь с неподеленной парой электронов, а основания — как молекулы или ионы, имеющие электронные пары, пригодные для образования такой связи (см. стр. 47). Кислоты Льюиса включают такие соединения, как, например, трифторид бора I, который реагирует с триметил- 71
амином с образованием твердой соли (т. пл. 128 °C) г Me F Ме F Ме — N’. + В— F <- Me—N:B^F MeZ F Ме^ F i Другие хорошо известные примеры кислот Льюиса — хлори- стый алюминий, хлористое олово, хлористый цинк и т. д. Ниже мы остановимся на протонных кислотах и рассмотрим вопрос о влиянии химического строения на силу некоторых органических кислот и оснований. Соединения, у которых иони- зируется связь С—Н, будут рассмотрены позже (стр. 252). 1. кислоты Величины рКа Силу кислоты НХ в воде, т. е. степень ее диссоциации, можно определить, рассматривая равновесие: Н2О: + НХ Н3О+ + Х~ Константа такого равновесия выражается уравнением [н3о+] [х~] Ла ~ [НХ] где концентрация воды является величиной постоянной, по- скольку вода присутствует в избытке. Следует иметь в виду, что Ка — константа кислотности данной кислоты в воде — только приблизительно выражается таким уравнением, по- скольку в нем вместо активностей используются концентрации. На величину константы кислотности влияют состав раствора, в котором находится кислота (см. ниже), а также другие фак- торы, но тем не менее эта величина достаточно полно характе- ризует силу кислоты. Для того чтобы избежать написания отрицательных степе- ней 10, вместо величины Ка обычно пользуются величиной рКа: рКа = 1g Так, например, если для уксусной кислоты в воде величина Ка составляет 1,79-10~5, то значение рКа равно 4,76. Чем мень- ше рКа, тем сильнее соответствующая кислота. Влияние растворителя Влияние растворителя на диссоциацию кислот (и оснований) может быть очень значительным. Так, например, соляная кис- лота, являющаяся сильной кислотой в воде, не диссоциирует в бензоле. Вообще говоря, вода является наиболее эффективным ионизирующим растворителем, что объясняется ее высокой ди- электрической проницаемостью и способностью сольватировать растворенные молекулы. Чем выше диэлектрическая проницае- 72
мость растворителя, тем ниже электростатическая энергия лю- бых находящихся в нем ионов и тем, следовательно, стабильнее такие ионы в растворе, поскольку они труднее взаимодействуют друг с другом. Ионы в растворе вызывают сильную поляризацию находя- щихся вблизи них молекул растворителя, и чем выше степень такой поляризации, тем выше стабильность иона, обусловленная размыванием заряда. Вода поляризуется очень легко, в связи с чем ионы при растворении в водном растворе легко стабили- зуются в результате формирования вокруг них сольватной обо- лочки из молекул воды. Наиболее важной особенностью воды, как ионизирующего растворителя, является легкость, с кото- рой она сольватирует как катионы, так и анионы. Кислотность органических соединений Кислотность органического соединения YH зависит: (а) от прочности связи Y—Н; (б) от электроотрицательности Y; (в) от факторов, обусловливающих более высокую стабиль- ность Y- по сравнению с YH; (г) от природы растворителя. Первый из этих факторов (а) обычно не играет существен- ной роли, поскольку он не лимитирует процесс в целом. Значение фактора (б) видно из того, что величина рКа для метанола СНзО—Н равна приблизительно 16, тогда как для метана НзС—Н она составляет примерно 43, что связано со значительно большей электроотрицательностью кислорода по сравнению с углеродом. В то же время величина рКа муравьи- ной кислоты НСОО—Н равна 3,77. Такое усиление кислотности при переходе от метанола к муравьиной кислоте частично об- условлено наличием электроноакцепторной карбонильной группы, повышающим сродство к электрону атома кислорода, непосред- ственно связанного с протонизуемым атомом водорода. Однако значительно более важной причиной высокой кислотности муравьиной кислоты является возможность большей стабилиза- ции аниона по сравнению с недиссоциированной молекулой: 73
Стабилизация формиат-иона, как и других карбоксилат-ио- нов, является следствием исключительно эффективной делока- лизации (две одинаковые по энергии канонические структуры). Хотя делокализация может иметь место также и в молекуле недиссоциированной муравьиной кислоты, однако в этом слу- чае она должна сопровождаться разделением заряда и не бу- дет поэтому вызывать столь эффективной стабилизации (см. стр. 34). Такое различие в стабилизации приводит к уменьше- нию тенденции протона связываться с карбоксилат-анионом и к соответствующему смещению равновесия вправо; в резуль- тате по сравнению с другими органическими соединениями карбоновые кислоты являются более сильными кислотами. В случае алифатических спиртов фактор стабилизации алк- окспльного иона RO- (по сравнению с молекулой самого спирта) отсутствует, и поэтому такие спирты обладают значи- тельно меньшей кислотностью, -чем карбоновые кислоты. Од- нако у фенолов появляется возможность стабилизации анио- на II (по сравнению с молекулой фенола) за счет делокали- зации его отрицательного заряда в результате взаимодействия с л-орбиталями ароматического кольца: и Делокализация имеет место также и в молекуле недиссоци- ированного фенола (см. стр. 39), однако в этом случае в связи с отсутствием избыточного заряда она менее эффективна, чем в анионе II, что должно приводить к некоторому снижению «стремления» аниона связываться с протоном. Действительно, как было показано, фенолы являются более сильными кисло- тами, чем алифатические спирты (р/Са самого фенола равно 9,95), но значительно более слабыми, чем карбоновые кислоты. Это связано с тем, что делокализация отрицательного заряда в карбоксильном анионе осуществляется между очень близ- кими по энергии структурам (см. выше), включающими центры с двумя сильно электроотрицательными атомами кислорода. Для аниона фенола II структуры с отрицательными зарядами на атомах углерода ароматического кольца энергетически близки друг другу, но обладают значительно более высокой энергией, чем структура с отрицательным зарядом на атоме кислорода. При этом из всех электроотрицательных центров только один включает сильно электроотрицательный атом кис- лорода. Поэтому в случае фенола относительная стабилизация аниона по сравнению s недиссоциированной молекулой должна
быть менее эффективной, чем в случае карбоновой кислоты, и он должен обладать соответственно меньшей кислотностью. Незамещенные алифатические кислоты. Как и следовало ожидать, замещение негидроксильного водорода в молекуле муравьиной кислоты на алкильную группу приводит к обра- зованию более слабой кислоты, поскольку электронодонорный индуктивный эффект алкильной группы должен понижать оста- точное сродство к электрону атома кислорода, связанного с про- тонизуемым водородом, и, следовательно, снижать кислотность соединения. В анионе повышенная электронная плотность на кислороде приводит к усилению его стремления рекомбиниро- вать с протоном по сравнению с системой формиат — муравьи- ная кислота: Ме-*с/ Поэтому равновесие между ионизованной и неионизованной формами после замещения должно быть более сильно смещено в сторону неионизованной формы по сравнению с муравьиной кислотой. Действительно, как показывает опыт, уксусная кислота (рКа 4,76) является более слабой, чем муравьиная (рДа 3,77). Однако общее изменение структуры небольшой молекулы му- равьиной кислоты при замене Н-атома на СН3-группу настолько велико, что приведенное выше простое объяснение может и не отражать основные причины наблюдаемого различия. Вполне возможно, что существенное изменение формы молекулы му- равьиной кислоты при замещении Н-атома на СН3-группу может привести к сильным различиям в их способности к соль- ватации. Для выяснения этого вопроса вспомним, что кон- станта кислотности /Са связана с изменением стандартной сво- бодной энергии ионизацииКД6° соотношением - AG° = 2,303RT lgKa и что величина Дб° включает как энтальпийный, так и энтропий- ный члены: AG® = - Т ДО» Для ионизации уксусной кислоты в воде при 25 °C (ТСа = 1,79 -10*5) Дб° = 6,5 ккал/моль, ДЯ° =—0,13 ккал/моль и Д5° = —22 кал/(моль-град), тогда как для муравьиной кис- лоты соответствующие величины равны: ДС° = 5,1 ккал/моль, ДЯ° =—0,07 ккал/моль и Д5° = —17,7 кал/(моль-град). На первый взгляд может показаться странным, что величины ДЯ° так малы. Однако это становится понятным, если иметь в виду, что энергия сольватации образующихся ионов может почти 75
полностью скомпенсировать энергию диссоциации связи О—Н карбоксильной группы недиссоциированной кислоты. Различие в величинах AG° для муравьиной и уксусной кис- лот, обусловливающее различие их /Са, связано, таким образом, с различием энтропийных членов. Поскольку для обоих равно- весий с одной и с другой стороны имеется по два типа частиц, вклад энтропии перехода в общее различие энтропии не должен быть существенным. Однако две частицы, находящиеся по одну и ту же сторону равновесия, представляют собой нейтральные молекулы, а по другую — ионы. Поэтому основной вклад в ве- личину AS0 вносит, судя по всему, степень упорядоченности сольватных оболочек молекул воды, окружающих ионы RCOO" и Н3О+, по сравнению со степенью их упорядоченности в самой воде. Таким образом, различие в силах муравьиной и уксусной кислот обусловлено в основном различием степени упорядочен- ности сольватных оболочек, окружающих их анионы. Дальнейшее введение алкильных групп в уксусную кислоту оказывает гораздо меньшее влияние, чем первое замещение. Этот эффект является эффектом второго порядка, и его влияние на силу кислоты не всегда можно предсказать, поскольку опре- деленную роль могут играть стерические и другие факторы. Ряд гомологов уксусной кислоты характеризуется следующими зна- чениями рЛа: Ме2СНСООН Ме3ССООН СН3СООН МеСН2СООН 4,86 5,05 4>76 4,88 Ме(СН2)2СООН Ме(СН2)3СООН 4,82 4,86 Если рядом с карбоксильной группой находится атом угле- рода, несущий двойную связь, сила кислоты возрастает. Так, акриловая кислота СН2=СНСООН имеет р/Са 4,25 (для ее на- сыщенного аналога — пропионовой кислоты р/Са 4,88). Это свя- зано с тем, что у ненасыщенного а-атома углерода, имеющего $р2-гибридизацию, электроны оттянуты несколько ближе к ядру, чем у насыщенного углеродного атома, имеющего $р3-гибриди- зацию, из-за относительно большего вклада s-орбиталей в элект- ронную структуру 5р2-гибрида. В результате 5р2-гибридизо- ванные атомы углерода обладают несколько пониженной способностью отдавать электроны по сравнению с $р3-гибридизо- ванными насыщенными атомами углерода. Именно поэтому акриловая кислота, уступающая по силе муравьиной, все же несколько сильнее пропионовой. Этот эффект выражен еще сильнее в случае тройной связи, углеродные атомы которой характеризуются sp-гибридизацией. Так, значение р/Са для про- пиоловой кислоты HCssCCOOH равно 1,84. Аналогичная ситуация наблюдается для этилена и ацети- лена: этилен характеризуется несколько более высокой кислот- 76
ностью по сравнению с этаном, тогда как кислотность ацети» лена уже настолько высока, что его атомы водорода легко мо- гут быть замещены на некоторые металлы. Замещенные алифатические кислоты. Еще более заметное влияние оказывает введение в молекулы жирных кислот элек- гроноакцепторных заместителей. Так, введение галогенов, ин- дуктивный эффект которых действует в обратном направлении по сравнению с алкильными группами, должно вызывать усиле- ние кислотности, что действительно и наблюдается, как это видно из приведенных ниже значений рДа ряда кислот: Р*а РКа СНз-*СООН...............4,76 F<-CH2<-COOH............2,66 С1<-СН2<-СООН...........2,86 Вг<-СН2<-СООН...........2,90 1<-СН2<-СООН............3,16 С1 ф С1<-СН<-СООН.........1,29 С1 C1<-(L-COOH..........0,65 Относительное влияние различных галогенов соответствует ожидаемому: наиболее сильный эффект оказывает фтор — са- мый электроотрицательный (электроноакцепторный) из галоге- нов. Сила кислотности фторуксусной кислоты почти в сто раз выше, чем самой уксусной кислоты. Этот эффект гораздо более значителен, чем тот, который вызывается (в противоположном направлении) введением алкильной группы. Дальнейшее введе- ние в молекулу атомов галогена еще более усиливает кислот» ность: трихлоруксусная кислота представляет собой уже очень сильную кислоту. Здесь опять необходимо напомнить, что величина Да (а сле- довательно, и рДа) зависит от изменения свободной энергии AG0 ионизации, которое в свою очередь определяется двумя сла- гаемыми А//0 и TAS0. Было показано, что в приведенном выше ряду галогензамещенных уксусной кислоты величина А№ при переходе от одного соединения к другому изменяется незначи- тельно, а изменение AG0 определяется в основном различием в значениях AS0. Это различие в свою очередь обусловлено влия- нием замещающего галогена на делокализацию отрицательного заряда в анионах: В галогензамещенном ионе отрицательный заряд распреде* лится более равномерно по сравнению с незамещенным ацетат- ионом, в котором он сконцентрирован в основном на —СОО-, 77
и это приводит к тому, что введение атома галогена облегчает возможность окружения иона молекулами воды, т. е. его соль- ватацию. Таким образом, ионизация- галогензамещенных уксус- ной кислоты сопровождается меньшим уменьшением энтропии, чем самой уксусной кислоты. Этот эффект особенно сильно про- является в случае трифторуксусной кислоты CF3COOH, для ко- торой величина AG0 равна всего лишь 0,3 ккал/моль, тогда как эта величина для самой уксусной кислоты СН3СООН достигает 6,5 ккал/моль. Величина же А//0 ионизации остается при этом практически одной и той же для обеих этих кислот. Введение галогена в положение, более отдаленное по отно- шению к карбоксильной группе, чем a-положение, оказывает не столь сильное влияние на кислотность соединений, поскольку ин- дуктивный эффект быстро ослабевает при его передаче вдоль насыщенной цепи: РКа МеСН2СН2СООН........... 4,82 МеСН2СНС1СООН........... . 2,84 МеСНС1СН2СООН......... 4,06 С1СН2СН2СН2СООН........ 4,52 Другие электроноакцепторные группы, например R3N—, —CN, —NO2, /СО, —COOR, повышают силу жирных кислот. Аналогичное влияние оказывают гидроксильные и мет- оксильные группы. Неподеленные электроны атомов кислорода двух последних групп не способны проявлять мезомерный эф- фект в направлении, противоположном индуктивному эффекту, из-за наличия насыщенного атома углерода. Влияние этих заме- стителей иллюстрируется следующими данными: Р*а O2N<-CH2<-COOH ....... 1,68 Me3N<-CH2<-COOH......... 1,83 NC<-CH2<-COOH . ........ 2,47 ЕЮСО<-СН2<-СООН......... 3,35 МеСО<-СН2<-СООН......... 3,58 МеО«-СН2«-СООН.......... 3,53 НО<-СН2<-СООН .......... 3,83 Фенолы. Аналогичные эффекты наблюдаются и для заме- щенных фенолов, причем наличие электроноакцепторных групп в ароматическом кольце повышает кислотность. В случае нит- рогруппы индуктивный эффект падает в ряду: о-фенол ."> лг-фе- 78
нол > n-фенол. Если нитрогруппа находится в орто- или пара- положении (но не в мета-положении), то проявляется электро- ноакцепторный мезомерный эффект, дополнительно усиливаю- щий ионизацию из-за стабилизации образующегося аниона. Таким образом, можно ожидать, что о- и n-нитрофенолы бу- дут обладать большей кислотностью, чем ^-производные, что в действительности и наблюдается: ₽*а С6Н5ОН ...................... 9,95 o-O2NC6H4OH.................. 7,2 jw-O2NC6H4OH................. 8,35 n-O2NC6H4OH.................. 7,14 2,4-(O2N)2C6H3OH 4,01 2,4,6-(O2N)3C6H2OH........... 1,02 Пикриновая кислота является уже очень сильной кислотой. Введение электронодонорных алкильных групп оказывает не- значительное влияние на кислотность фенолов: С6Н5ОН................... 9,95 о-МеС6Н4ОН................ 10,28 л<-МеС6Н,ОН................ 10,08 п-МеС6Н4ОН................ 10,19 Алкилзамещенные фенолы хотя и обладают чуть меньшей кислотностью по сравнению с фенолом, однако у них этот эф- фект является очень слабым и нерегулярным. Это свидетель- ствует о том, что при введении такого рода заместителей замет- ной дестабилизации фенолят-иона (вследствие нарушения взаи- модействия его отрицательного заряда с делокализованными л-орбиталями ароматического кольца) не происходит, как, впро- чем, и следовало ожидать. Очевидно, что и в этом случае взаи- модействие между анионами и молекулами растворителя (воды) может оказывать существенное влияние на величину AG°, и в за- висимости от характера замещения можно ожидать различных эффектов. Ароматические карбоновые кислоты. Бензойная кислота (р/(а 4,20) является более сильной кислотой, чем ее насыщен- ный аналог — циклогексанкарбоновая кислота. Это дает основа- ние предположить, что фенильная группа подобно двойной связи сильнее оттягивает электроны от карбоксильной группы, чем на- сыщенная система углеродных атомов, из-за наличия хр2-гиб- ридизованного атома углерода, связанного с карбоксильной группой (см. стр. 76). 7»
Введение алкильных групп почти не влияет на силу бензой- ной кислоты (ср. с влиянием тех же групп в ряду алифатиче- ских кислот): РКа С6Н5СООН.................. 4,20 ju-MeC6H4COOH............. 4,24 n-MeCeH4COOH............. 4,34 Электроноакцепторные группы повышают силу кислотности, причем этот эффект, так же как и в случае фенолов, наиболее отчетливо выражен при замещении в орто- и пара-положения: Рка С6Н5СООН................... 4,20 o-O2NC6H4COOH.............. 2,17 jh-O2NC6H4COOH............. 3,45 n-O2NC6H4COOH.............. 3,43 3,5-(O2N)2C6H3COOH......... 2,83 Особенно сильный эффект, наблюдаемый при введении нит- рогруппы в орто-положение, объясняется, по-видимому, тем, что индуктивный эффект сильнее всего действует на коротком рас- стоянии. Такие группы, как гидроксильная и метоксильная, так же как и атомы галогена, вызывают электроноакцепторный индук- тивный эффект, но обладают электронодонорным мезомерным эффектом при замещении в орто- и пара-положения. Это при- водит к тому, что пара-замещенные кислоты оказываются сла- бее, чем мета-замещенные, а в некоторых случаях кислотность пара-замещенных (например, п-НОСеН4СООН) оказывается даже ниже кислотности исходной незамещенной кислоты. Зна- чения р/Са ряда таких производных приведены в табл. 1. Таблица 1. Значения рКа ряда бензойных кислот ХС6Н4СООН X ₽*а о-изо- мер л-изо- мер «-изо- мер Г °ч ° 1 С1 2,94 3,83 3,99 Вг 2,85 3,81 4,00 МеО 4,09 4,09 4,47 ф НО 2,98 4,08 4,58 хР Н 4,20 4,20 4,20 80
Легко видеть, что этот компенсирующий эффект становится выраженным более отчетливо в ряду С1~Вг<ОН, т. е. при возрастании способности атома X, связанного с ароматическим кольцом, отделяться вместе со своей электронной парой. Поведение орто-замещенных кислот, как указывалось выше, часто является аномальным. Иногда они оказываются более сильными, чем можно было бы ожидать, исходя из предположе- ния о прямом взаимодействии соседних групп. Так, например, внутримолекулярные водородные связи стабилизуют образую- щийся из салициловой кислоты III анион IV за счет делокали- зации его заряда: IV Такая особенность не характерна ни для мета- и пара-изоме- ров салициловой кислоты, ни для о-метоксибензойной кислоты. Этот эффект еще сильнее выражен в тех случаях, когда об- разование водородной связи может протекать с участием гидр- оксильных групп в обоих орто-положениях: 2,6-диоксибензойная кислота имеет р/Са 1,30. Дикарбоновые кислоты. Поскольку карбоксильная группа са- ма по себе проявляет электроноакцепторный индуктивный эф- фект, можно ожидать, что присутствие второй такой группы бу- дет повышать силу кислоты. Это и наблюдается в действитель- ности: НСООН ........... СНзСООН.......... СН3СН2СООН . . . . . С6Н5СООН......... РКа - рха 3,77 НООС—СООН............. 1,23 4,76 НООС—СН2—СООН......... 2,83 4,88 НООС—СН2СН2—СООН .... 4,19 4,17 о-НООС—С6Н4—СООН....... 2,98 At-НООС—С6Н4—СООН...... 3,46 п-НООС—С6Н4—СООН....... 3,51 Данный эффект выражен весьма отчетливо, однако он быстро спадает по мере того, как карбоксильные группы оказываются разделенными более чем одним насыщенным атомом углерода. Малеиновая кислота V (р/<1 1,92) гораздо сильнее фумаро- вой VI (рЛ1 3,02) вследствие стабилизации аниона за счет об- разования водородной связи, что не может происходить в случае 81
фумаровой кислоты (ср. с салициловой кислотой): Н\ /С—О С 1 II Н нХ \:=о с \>н II но с В то же время вторая диссоциация фумаровой кислоты про- текает легче, чем малеиновой (значения p/G соответственно 4,38 и 6,23), вследствие большей трудности удаления протона из от- рицательно заряженной циклической системы, которую представ- ляет собой моноанион малеиновой кислоты. Щавелевая, мало- новая и янтарная кислоты по второй диссоциации уступают со- ответственно муравьиной, уксусной и пропионовой кислотам. Это также объясняется тем, что в случае дикарбоновых кислот второй протон приходится удалять из отрицательно заряженных ионов, содержащих электронодонорный'заместитель, от которого можно ожидать дестабилизации аниона по сравнению с молеку- лой недиссоциированной кислоты. Для одноосновных кислот этот эффект должен, естественно, отсутствовать: "ООС—СНг—С' ХО О СНз-^-С^ Очевидно, что в этих двух случаях должно оказывать замет- ное влияние также различие в AS0, поскольку анион, содержа- щий два раздельных отрицательных заряда, будет в значитель- но большей степени способствовать упорядочению молекул воды в гидратной оболочке, по сравнению с ионом, несущим только один такой заряд. 2. ОСНОВАНИЯ ... ' Величины рКь Силу основания R3N в воде можно оценить, рассматривая рав- новесие: R3N: + HOH R3N:H + ~OH В этом случае константа равновесия в воде выражается урав- нением [R3NH] [~ОН] [R3N] 82
Концентрацию воды можно считать постоянной, поскольку она присутствует в большом избытке. Константу основности Кь, так же как и константу кислотности Ка, для удобства выражают обычно величиной рКь, численно равной —1g Къ- Чем меньше рКь, тем сильнее соответствующее основание. Силу основания можно выражать также через рКа, имея, таким образом, непре- рывную шкалу для кислот и для оснований. Величина Ка (а сле- довательно, и рКа) для основания R3N является мерой способ- + ности иона R3NH отдавать протон R3NH + H2O R3N + H3O+ т. е. мерой кислотности иона R3NH, определяемой уравнением: „ [R3N] [Н,О+] а а ~ "----- [R3NH] Величины р/Сь в воде можно переводить в рКа, используя соотношение: рКа + рКь = 14,00 (при 25 °C) При изучении кислотности, иона NHt NH| + Н2О NH3 + Н3О+ было показано, что при 25 °C ДО0 = 12,6 ккал/моль, А№ = = 12,4 ккал/моль, a AS0 — —0,7 кал/(моль-град). Следова- тельно, положение равновесия определяется в основном величи- ной АЯ°, а вклад величины AS0 относительно невелик. Таким образом, мы имеем здесь ситуацию, резко отличающуюся от той, которая имеет место для многих рассмотренных выше кар- боновых кислот (см. стр. 75). Причина небольшого вклада вели- чины AS0 состоит в том, что с каждой из сторон равновесия имеется по одной однократно заряженной частице (положитель- но заряженные ионы), которые приблизительно в одинаковой мере влияют на степень упорядоченности окружающих их моле- кул воды, в результате чего энтропии их сольватации в значи- тельной степени уравновешиваются. Алифатические основания. Поскольку повышение силы азо- тистого основания связано с возрастанием способности присо- единять протон и, следовательно, с доступностью неподеленной электронной пары азота, можно ожидать повышения основности в ряду NH3 < RNH2 < R2NH < R3N в результате повышения индуктивного эффекта за счет последовательного введения ал- кильных групп, что делает атом азота более отрицательным. 83
В действительности, однако, ряд аминов имеет такие значения рКь: Me Et Me Et Me • Et Ф Ф Ф Ф Ф Ф NH3 nh2 nh2 NH NH Me->N Et->N t Ф t Me Et Me Et 4,75 3,36 3,33 3,23 3,07 4,20 3,12 Как и следовало ожидать, введение алкильной группы в мо- лекулу аммиака значительно повышает основность соединений, причем этильная группа оказывает несколько больший эффект, чем метильная. Введение второй алкильной группы приводит к дальнейшему повышению основности, однако эффект введения второй алкильной группы выражен значительно слабее, чем пер- вой. Введение же третьей алкильной группы (третичные ами- ны) приводит уже к заметному снижению основности в обоих рядах. Такое поведение объясняется тем, что основность амина в воде определяется не только доступностью электронов атома азота, но и способностью катиона (образующегося после при- соединения протона) к сольватации и, следовательно, его ста- билизацией. Чем больше атомов водорода связано с азотом в катионе, тем сильнее проявляется сольватация за счет образо- вания водородных связей между атомами водорода и молекул лами воды: Н\ /Н О +/Н + /н R2N/ > RaNH*-! О \н ХН . н/°\н Возрастание-индуктивного эффекта в ряду NH3 < RNH2 < R2NH < R3N приводит к возрастанию основности, однако стабилизация ка- тиона вследствие гидратации в этом же направлении падает и стремится снизить основность. Именно этим и объясняется тот факт, что суммарный эффект последовательного введения ал- кильных групп постепенно уменьшается и уже при переходе от вторичного к третичному амину наблюдается его обращение. Если такое объяснение правильно, то подобного изменения эф- фекта не должно наблюдаться в тех случаях, когда измерения основности проводятся в растворителе, в котором водородные 84
связи отсутствуют. Действительно, как показывает опыт, основ- ность бутиламинов в хлорбензоле нарастает в ряду BuNH2 < Bu2NH < Bu3N хотя значения рЛь в воде для этих соединений составляют соот- ветственно 3,39; 2,72 и 4,13. Как известно, при обработке четвертичных алкиламмоние- вых солей, например R4N+ I-, влажной окисью серебра полу- чаются основные растворы, сравнимые по силе с минеральными щелочами. Это легко понять, поскольку образующееся при этом основание R4H+ “ОН оказывается полностью ионизованным и в отличие от третичных, вторичных и первичных аминов в этом случае нет возможности перехода в неионизованную форму па схеме: R3NH + 'OH —► R3Ns + H2O Эффект введения электроноакцепторных групп (например, С1 или NO2) вблизи центра основности приводит, естественно, к снижению основности вследствие электроноакцепторного индук- тивного эффекта (см. замещенные анилины, стр. 88). Так, пер- фтортриметиламин CF3 F3C<-N->CF3 X практически не является основанием из-за наличия трех очень сильных электроноакцепторных CF3-rpynn. Подобный эффект особенно сильно выражен в случае таких групп, как >С=О, поскольку при этом'проявляется не столько влияние имеющего’свободную электронную пару атома азота, связанного с эр2-гибридизованным атомом углерода, сколько' влияние мезомерного эффекта: ГО О' "-II р. I + R—с— nh2 -ч—> r-c=nh2 Так, моноамиды в воде являются очень слабыми основаниями (рКь ацетамида 14,5). Если в молекуле присутствует две группы >С=О, то подобные имиды не только не имеют основных свойств, но обладают часто достаточно высокой кислотностью и дают с щелочными металлами соли. Например, фталимид: "ОН ----> 85
Влияние делокализации на повышение основности амина можно проследить на примере гуанидина HN=C(NH2)2. Если не считать приведенных выше четвертичных алкиламмониевых оснований, то это соединение является одним из наиболее силь- ных органических оснований: величина его р7<ь в водном раство- ре практически не поддается точному измерению. Как нейтраль- + ная»молекула, так и катион H2N = C(NH2)2, образующийся при ее протонировании, стабилизованы замечет делокализации: К2 .4% ' п HN—С—NH2 -4-> HN—C~NH2 -<-> HN—C=NH8 H2Nj=C—nh2 rNH2 A > h2n—c—nh2 -< nh2 h2n—c=nh2 В катионе положительный заряд симметрично размыт вслед- ствие того, что гибридная структура образуется за счет трех эквивалентных структур с равной энергией. В случае нейтраль- ной молекулы (где две канонические структуры включают раз- деление заряда) столь эффективной делокализации не проис- ходит. В результате катион оказывается стабилизованным сильнее, чем нейтральная молекула, и протонирование является, следовательно, энергетически выгодным процессом. Именно поэтому гуанидин является очень сильным основанием. Ароматические основания. Картина, обратная только что описанной, характерна для анилина, представляющего собой очень слабое основание (рКь 9,38 по сравнению с рКь 4,75 для аммиака и 3,46 для метиламина). Хотя в молекуле анилина атом азота также связан с зр2-гибридизованным атомом углерода, од- нако более важным является то, что свободная электронная пара азота может взаимодействовать с делокализованными л-орби- талями ароматического кольца: Если анилин протонирован (катион VII), то любое взаимо- действие такого рода, приводящее к стабилизации, запрещено, S8
поскольку электронная пара азота перестает уже быть неподе* ленной: H2n :Н VII В результате молекула анилина оказывается стабилизованной по сравнению с катионом VII, т. е. для анилина энергетически невыгодно присоединять протон. Поэтому анилин функциони- рует как основание очень «неохотно» (р/Сь 9,38 по сравнению с рКъ 3,32 для циклогексиламина). Эффект, естественно, стано- вится выраженным более отчетливо при замещении атомов во- дорода ЫН2-группы на фенильные группы. Так, дифениламин Ph2NH является уже крайне слабым основанием (р/<ь 13,2), а трифениламин Ph3N по обычным стандартам вообще нельзя считать основанием. Тот факт, что мезомерная дестабилизация катиона анили- ния VII по сравнению с молекулой анилина не оказывает су- щественного влияния на основность анилина, подтверждается относительно небольшим и нерегулярным эффектом, оказывае- мым введением метильных групп в NH2-rpynny или в бензольное кольцо на величину рКь- Нет основания ожидать, что эти груп- пы могут оказывать заметное влияние на взаимодействие непо- деленной пары электронов азота с делокализованными л-орби- талями бензольного кольца (ср. со слабым влиянием, наблюдае- мым при введении алкильных групп в ароматическое кольцо молекулы фенола, стр. 79). Замещенные анилины имеют сле- дующие значения р/Сь: РКЬ PhNH2..................... 9,38 PhNHMe................... 9,60 PhNMe2 .................. 9,62 o-MeC6H4NH............... 9,62 л-МеС6Н4МН_>............. 9,33 n-MeC6H4NH2.............. 9,00 Небольшой индуктивный эффект, вызываемый обычно ме- тильными группами, хотя и может привести к некоторому повы- шению основности, однако он не достаточен для того, чтобы за- метно дестабилизировать катион; важную роль играют здесь также стерические факторы и возможные изменения сольва- тации. Группа, обусловливающая более мощный индуктивный эффект (например, NO2), оказывает гораздо более сильное влия- ние. Этот эффект усиливается, если нитрогруппа находится. 87
в орто- или пара-положении по отношению к аминогруппе, по* скольку в этих случаях взаимрдействие неподеленной электрон- ной пары аминного азота с делокализованными л-орбиталями ароматического кольца усиливается: При этом катион дестабилизуется еще сильнее, чем нейтраль* ная молекула, что приводит к дальнейшему ослаблению основно- сти. Ниже приведены значения рЯь для нитроанилинов: ркь HC6H4NH2.................... 9,38 o-O2NC6H4NH2................. 14,28 .m-O2NC6H4NH2................ 11,55 n-O2NC6H4N.H2................ 13,02 Дополнительный эффект снижения основности при введении заместителя в орто-положениб частично обусловлен малым рас- стоянием, на котором действует индуктивный эффект, а частич- но— прямым взаимодействием — как пространственным, так и за счет образования водородных связей с ЫН2-группой (ср. случай орто-замещенных бензойных кислот, стр. 80). о-Нитроанилин является настолько слабым основанием, что его соли легко гид- ролизуются в водном растворе, тогда как 2,4-динитроанилин не растворим в водных кислотах, а 2,4,6-тринитроанилин уже на- поминает амид (он носит название пикрамида и легко гидроли- зуется до пикриновой кислоты). В случае таких заместителей, как ОН и ОМе, имеющих непо-’ деленные пары электронов, электронодонорный мезомерный эф- фект, усиливающий основность, может проявляться только при введении этих групп в орто- и пара-положения, но не в мета- положение. h2n: ф •ОМе Это приводит к тому, что пара-замещенный йнилин является более сильным основанием по сравнению с соответствующим ме- та-соединением. Мета-производные являются более слабыми ос- 48
нованиями, чем сам анилин, вследствие электроноакцепторного- индуктивного эффекта, проявляемого атомом кислорода. Доволь- но часто влияние заместителя в орто-положении оказывается в какой-то степени аномальным из-за прямого взаимодействия с МН2-группой с проявлением пространственных и полярных эф- фектов. Замещенные анилины имеют следующие значения рКь- рДь HCeH4NH2.........'....... 9,38 o-HOC6H4NH2 ............. 9,28 ^-HOC6H4NH2...........• . . 9,83 n-HOC6H4NH2.............. 8,50 o-MeOC6H4NH2............. 9,51 л-МеОС6Н4НН2............. 9,80 n-MeOCeH4NH2.............. 8,71 Интересно, что 2,4,6-тринитродиметиланилин VIII как основа- ние— приблизительно в сорок тысяч раз сильнее 2,4,6-тринитро- анилина IX, в то время как анилин всегда лишь вдвое более сильное основание, чем диметиланилин. Это объясняется тем, что влияние нитрогрупп в замещенном диметиланилине VIII обус- ловлено их индуктивным эффектом. Объем, занимаемый диме- тиламиногруппой, достаточно велик для того, чтобы она могла пространственно взаимодействовать с очень большими нитро- группами в обоих орто-положениях. В этом случае р-орбитали атомов азота групп NMe2 и NO2 не могут быть параллельны ор- биталям атомов углерода кольца. В результате мезомерный сдвиг пеподеленных электронов от аминного азота к атому кис- лорода нитрогруппы за счет делокализованных орбиталей аро- матического кольца (см. стр. 88) оказывается невозможным, и ослабления основности из-за оттягивания электронов не проис- ходит. "О +хо VIII В тринитроанилине IX NH2-rpynna занимает сравнительно небольшой объем, и вышеупомянутых ограничений не суще- ствует. Поэтому образование водородных связей между NO2- группами в орто-положении и .атомами водорода МН2-группы 89
может помочь удержать эти группы в нужной ориентации, в ре- зультате чего р-орбитали могут стать параллельными и эффек- тивно взаимодействовать друг с другом; при этом основание ока- жется значительно ослабленным за счет очень сильно выраженных электроно-акцепторных мезомерных эффектов трех нитрогрупп. Гетероциклические основания. Пиридин C5H5N представляет собой значительно более слабое основание (рЛь 8,96), чем алифатические третичные амины (например, для триэтиламина рДь равно 3,42). Показано, что столь низкая ос- новность вообще характерна для оснований, в которых атом азота связан кратными связями. Это объясняется тем, что по мере возрастания кратности связи неподелепная пара электро- нов атомов азота все более приближается по своему характеру к s-электронам. Они оттягиваются, следовательно, ближе к ядру атома азота и удерживаются им более прочно, становясь менее доступными для образования связи с протоном; это и приводит к снижению основности соединения (см. стр. 76). В ряду (например, R3N—>-пиридин->RCssN) неподеленные электрон- ные пары занимают соответственно sp3-, sp2- и sp-орбитали. Сни- жение основности характеризуется приведенными выше двумя значениями р/Сь (для пиридина и триэтиламина), а также тем фактом, что основность алкилцианидов ничтожно мала (практи- чески не поддается измерению). В случае хинуклидина «0
неподеленная пара электронов также занимает зр3-орбиталь, и величина рКь для этого соединения (3,42) почти равна величине рКь для триэтиламина (3,12). Пиррол X, как известно, характеризуется определенной аро- матичностью (хотя она выражена не так сильно, как в случае бензола или пиридина) и не проявляет свойств сопряженного диена. о о о . NH NH N X НН. XI Для достижения ароматичности шесть л-электронов атомов кольца должны занимать устойчивые делокализованные орби- тали, что связано с переходом двух электронов атома азота в общую систему л-электронов. Хотя электронное облако будет смещено при этом в сторону атома азота (из-за более высокой электроотрицательности этого атома по сравнению с атомами углерода), тем не менее электронная пара азота уже не будет способна принимать протон. Такая ситуация напоминает рас- смотренный выше случай с анилином (см. стр. 86) в том смысле, что катион XI, образующийся в результате протонирования пир- рола, оказывается дестабилизованным по сравнению с нейтраль- ной молекулой X (показано, что протонирование идет по азоту, хотя оно может идти также и по а-углеродному атому, как это имеет место, например, в случае С-алкилированных пирролов). В случае пиррола дестабилизация катиона выражена гораздо сильнее; чтобы функционировать как основание, пиррол должен полностью утратить свою ароматичность, а следовательно, и стабильность. Тот факт, что пиррол действительно является сла- бым основанием, видно из его значения р/Сь, равного приблизи- тельно 13,6 (в случае анилина рЛф 9,38). Поскольку основ- ность пиррола очень низка, он может функционировать как кис- лота, хотя и очень слабая, из-за способности атома водорода, связанного с азотом, удаляться сильным основанием (например, ионом ЫНг) с образованием пиррольного аниона, стабилизован- ного за счет делокализации. Все эти рассуждения не имеют, конечно, никакого отношения к полностью восстановленному пирролу — пирролидину О NH •• величина рКь для которого (2,73) близка к таковой для ди- этиламина (3,07).
ГЛАВА 4 НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ У НАСЫЩЕННОГО АТОМА УГЛЕРОДА Реакции нуклеофильного замещения у насыщенного атома уг- лерода в настоящее время можно считать изученными в боль- шей степени, чем другие типы реакций. Этим мы обязаны в первую очередь фундаментальным работам Ингольда и его уче- ников. Классическим примером реакций замещения является превращение алкилгалогенида в спирт под действием щелочи: HO' + R—Hal —► НО—R+НаГ Исследование кинетики реакций этого типа показало, что они могут протекать по двум различным механизмам, которые в пределе могут быть выражены зависимостями: Скорость ~[RHal][HO’] (1) ИЛИ Скорость ~[RHal] (т. е. не зависит от [НО"]) (2) В большинстве случаев реакция протекает по смешанному механизму, когда кинетические зависимости обоих типов дей- ствуют одновременно или сочетаются друг с другом каким-либо образом. Известны, однако, примеры реакций, протекающих по одному из указанных выше простых законов. 1. СВЯЗЬ МЕЖДУ КИНЕТИКОЙ И МЕХАНИЗМОМ РЕАКЦИИ Гидролиз бромистого метила в водных растворах щелочей про- текает, как было показано, по уравнению (1). Это свидетель- ствует о том, что в стадии, лимитирующей скорость реакции (т. е. в наиболее медленной стадии), принимают участие как алкилгалогенид, так и ион гидроксила. Ингольд предположил, что реакция протекает через такое переходное состояние, в котором частичное образование связи между атакующим ионом гидроксила и реагирующим атомом углерода1 происходит раньше, чем полностью завершается отщеп- ление образующегося иона брома. При этом часть энергии, необ- ходимой для разрыва связи С—Вг, возмещается за счет энергии, выделяющейся при образовании связи НО—С. Расчет показы- вает, что наименьшая затрата энергии требуется в том случае, «2
если приближение гидроксильного иона к молекуле алкилгало- генида происходит по направлению линии, соединяющей центры атомов углерода и брома. Это можно представить следующей схемой: н н н н НО’+Н-^С —Вг-----> НО---С--В8р------> НО—С— Н + Вг” н А \ переходное состояние Отрицательный заряд распределяется в переходном состоя- нии в направлении от гидроксила к брому; атомы водорода, при- соединенные к атакуемому атому углерода, проходят при этом через состояние, в котором все они расположены в одной пло- скости, перпендикулярно плоскости рисунка (планарное рас- положение) . Механизм этого типа Ингольд назвал бимолекуляр- ным нуклеофильным замещением и предложил * обозначать его символом S^2. С использованием термина «бимолекулярный» связана неко- торая неясность, встречающаяся как в научной литературе, так и в учебниках; этот термин может быть ошибочно истолкован как указание на то, что реакция имеет второй порядок. В дей- ствительности же термин «порядок реакции» используется здесь исключительно для характеристики типа кинетического уравне- ния, которому подчиняется реакция. Так, выражение (1) харак- теризует реакцию второго порядка только потому, что по каж- дому из двух реагирующих компонентов эта реакция имеет пер- вый порядок, тогда как выражение (2) характеризует реакцию первого порядка. Для характеристики же предполагаемого ме- ханизма целесообразно сохранить понятие «молекулярности ре- акции», используя его в качестве указания на число молекул, 6 которых реально происходит изменение ковалентных связей на стадии, лимитирующей скорость реакции. Например, реакция гидролиза бромистого метила в определенных условиях не толь- ко протекает по кинетическому уравнению второго порядка, но и является действительно бимолекулярной реакцией. С другой стороны, кинетика щелочного гидролиза трет- бутилхлорида соответствует уравнению (2), т. е. скорость реак- ции не зависит от концентрации ионов _ОН, и, следовательно, эти ионы не должны принимать участия в лимитирующей стадии реакции. Этот факт можно рассматривать как указание на то, что алкилгалогенид подвергается слабой ионизации (представ- ляющей собой, в сущности говоря, завершение процесса поляри- зации R-*Hal, протекающего, как было уже показано выше, в такого рода молекулах), причем стадия ионизации является лимитирующей. Вслед за стадией ионизации наступает быстрая * От английского названия «Substitution Nucleophilic bimolecular». 03
нелимитирующая стадия — атака ионом ’ОН или (если это воз- можно) молекулой растворителя, причем второй вариант часто оказывается более предпочтительным. Ме -ОН /> НО-С-Ме Me. Me Ме / Ме Ч медленно _ \ / Ме~мС— С1 ---->-С1 С+ -/ Ме Ме \ . Me ¥ н+ Ме \ НгО Ч I ’н Ч 1 S------->Ме —С-О—Н^г=>Ме—С-ОН ОЫСТрО у*' + / Me Ме Механизм этого типа назван мономолекулярным нуклеофиль- ным замещением, и для него был предложен * соответственно символ ЗдЛ. Начальная ионизация алкилгалогенида осуществляется глав- ным образом за счет энергии сольватации образующихся ионов, Катион I, атом углерода в котором несет положительный заряд, представляет собой карбониевый ион; при его образовании атом углерода переходит из первоначального тетраэдрического со- стояния в более устойчивое планарное состояние, в котором три метильные группы максимально удалены одна от другой. Атака ионом ’ОН или молекулой растворителя может происходить с любой стороны. Если планарное расположение, о котором шла речь, затруднено вследствие влияния пространственных или каких-либо иных факторов (см. стр. 101), то образование карбо- ниевого иона либо станет невозможным, либо будет происходить с трудом. Тогда ионизация, а следовательно, и реакция по меха? низму Sjyl не смогут осуществиться. Кинетические данные сами по себе не могут служить доста- точно надежным критерием для характеристики механизма про- цесса (за исключением случаев, когда исследования проводятся в самых разнообразных условиях). Так, если растворитель (на- пример, вода) может действовать как нуклеофильный реагент в реакции, протекающей по механизму SN2, то скорость такой реакции выразится зависимостью: Скорость ~ [RHal] [Н2О] Однако концентрацию [Н2О] можно считать практически по- стоянной, и тогда скорость реакции становится пропорциональ- ной [RHal], Поэтому изучение кинетики данной реакции только в водных растворах может привести к неверному заключению, что реакция протекает по типу Swl. Подобного рода атака реагирующего соединения молекулами растворителя (в данном случае молекулами воды) носит назва- ние сольволиза. * От английского названия «Substitution Nucleophilic unimolecular». 94
2. ВЛИЯНИЕ РАСТВОРИТЕЛЯ Природа растворителя, в котором протекает та пли иная реак- ция, йожет оказывать существенное влияние на ее механизм. Поскольку только что мы рассматривали гидролиз (или сольво- лиз) алкилгалогенида, можно отменить, что вероятность проте- кания этой реакции по механизму (но не 5л-2) тем больше, чем выше полярность используемого растворителя. Поэтому за- мена одного растворителя другим часто может приводить к из- менению механизма процесса. Это изменение механизма обу- словлено отчасти тем, что ионизация протекает'легче в раство- рителе, имеющем высокую диэлектрическую проницаемость, а частично связано с более высокой степенью сольватации в каком-нибудь одном растворителе (например, в воде) по сравне- нию с другим растворителем. Процесс сольватации сопровож- дается выделением значительных количеств энергии, которая может быть затрачена на ионизацию новых исходных молекул, что приводит к дальнейшему ускорению реакции. Большое зна- чение подобных эффектов сольватации может быть подтверж- дено тем обстоятельством, что в газовой фазе, где сольватация ионов, разумеется, невозможна, реакции типа S,vl хотя иногда и наблюдались, однако этот механизм значительно менее харак- терен, чем для реакций, протекающих в растворе. Так, величина ДЯ для реакции СН3С1 —► CH3.4-CI. в газовой фазе составляет -j- 80 ккал/моль, тогда как расчетная величина ДЯ для реакции сн3С1 —► сн* +Cl- также в газовой фазе составляет +227 ккал/моль. В то же врем,я расчетная величина ДЯ для ионизации СН3С1 в водном растворе равна всего лишь +63 ккал/моль. Это количество энер- гии все еще слишком велико, в связи с чем ионизация хлористого метила в водном растворе не происходит, но энергия, необходи- мая для ионизации в водном растворе такого соединения, как, на- пример, МезСВг, уже значительно меньше, и такая ионизация в водном растворе, вероятно, действительно имеет место (см. стр. 92), хотя равновесная концентрация ионизованной формы Ме3СВг все еще весьма незначительна. Если реакцию , гидролиза галогенсодержащего соединения, протекающую по механизму S.vl, проводить в разных раствори- телях, то наблюдаемая скорость гидролиза будет тем выше, чем более полярным является растворитель. Скорость реакции воз- растает также и в тех случаях, когда растворитель оказывается хорошей средой для сольватируемых ионов. Так, при переходе от этанола к 50%-ному водному этанолу скорость гидролиза трет-бутилхлорида, протекающего по механизму возрастает 95
в 30 000 раз. В случае гидролиза алкилгалогенидов, протекаю- щего по механизму 5^2, влияние замены растворителя оказы- вается значительно меньше и характер такого влияния на ско- рость реакции зависит от различий в характере распределения заряда в реагирующих веществах и в переходном состоянии. Так, в часто используемом нами примере взаимодействия аниона с нейтральной молекулой Y" + RBr —> Yfi~—-R—-Вг6- —> Y-R+Br" заряд, который сначала был сконцентрирован на ионе Y-, рас- пределится в переходном состоянии. По мере уменьшения по- лярности растворителя скорость такого рода реакций должна падать, поскольку падению скорости будет способствовать более эффективная стабилизация иона Y" по сравнению со стабили- зацией переходного состояния. Поэтому сравнение скоростей замещения в двух различных растворителях может помочь вы- яснению вопроса о том, по какому механизму протекает заме- щение: по S.vl или по SN2. 3. ВЛИЯНИЕ СТРОЕНИЯ РЕАГИРУЮЩИХ СОЕДИНЕНИЙ При сравнении имеющихся в литературе данных по скоростям гидролиза в ряду алкилгалогенидов Мех СН3—Вг Me—СН2—Вг ^СН—Вг Me—С—Вг Ме^ Ме^ обращает на себя внимание то обстоятельство, что первый и последний члены этого ряда легко гидролизуются, тогда как два средних соединения более устойчивы. На рис. 6 приведены кине- тические кривые гидролиза различных алкилгалогенидов в вод- ном спирте под действием разбавленной щелочи. Для того чтобы выяснить возможность перехода от одного механизма реакции к другому, необходимо рассмотреть влияние как электронных, так и стерических факторов на переходное состояние. В случае, если атака осуществляется по механизму Sn2, можно ожидать, что возрастание индуктивного эффекта по мере увеличения числа метильных групп должно приводить к постепенному уменьшению положительного заряда на атоме углерода, связанном с бромом, и, следовательно, к затруднению атаки этого атома ионом _ОН. Этот эффект выражен, вероятно, не очень сильно, вследствие чего наиболее важную роль должны играть стерические факторы. Этим можно объяснить тот факт, что по мере увеличения объема заместителей у атома углерода, связанного с бромом, возможность атаки этого атома углерода ионами “ОН существенно затрудняется. Кроме того, следует иметь в виду, что при атаке по механизму SN2 этот атом угле- 90
рода окружен в переходном состоянии пятью группами .(в от- личие от молекул исходного галогенида, в которых его окру- жают только четыре группы), поэтому чем больше объем тре:< заместителей в исходном галогениде (не считая атома брома), тем им должно быть более тесно в переходном состоянии и тем, следовательно, неохотнее будет происходить образование этого состояния. Природа переходного состояния при замещении по меха- низму SnJ не так ясна, как в случае механизма SjV2, однако в Рис. 6. качестве модели для такого состояния принимают обычно кар- бониевый ион, входящий в состав ионной пары. При переходе от СН3Вг к Ме3СВг стабильность карбониевого иона возрастает, и если принятая модель переходного состояния правильна, то в этой же последовательности должна возрастать легкость его об- разования. Стабильность карбониевого иона обусловлена влия- нием индуктивных эффектов Нх /Н Н. ,Н Нх ,Ме Мех хМе \+/ \+/ \+Z \+Z с с с с I < ф < ф < ф Н Me Me Me \ а также эффекта сверхсопряжения (см. стр. 41) Me Me Ме^ ^Мв xcz -<—> с Н—СН2 н+ СН, осуществляемого через атомы водорода, связанные с а-углерод- ‘ ными атомами, число которых в приведенных выше ионах 4 Зак, 718
составляет соответственно 0,3, би 9. Тот факт, что такое взаимо- действие связей Н—С с атомом углерода, несущим положитель- ный заряд, действительно имеет место, подтверждается сравни- тельными опытами с галогенидами, в которых Н-атом замещен на дейтерий; скорость образования иона после такого замещения уменьшается, как показывает опыт, приблизительно на 10% в расчете на каждый из внедренных атомов дейтерия. Этот ре- зультат относится, однако, к случаю, когда в ионизацию вовле- чены только связи С—Н. Относительный вклад сверхсопряже- ния и индуктивных эффектов в стабилизацию карбониевых ионов не совсем ясен, однако весьма существенно, что карбоние- вые ионы образуются в ряде случаев только при условии, если все три группы могут расположиться в одной плоскости, т. е. при реализации состояния, при котором эффект сопряжения прояв- ляется более сильно. Очевидно, что плоскостное расположение стерически наибо- лее выгодно, поскольку три заместителя располагаются при этом на максимальных расстояниях один от другого (ср. с четырьмя заместителями в исходном галогениде и с пятью заме- стителями в переходном состоянии при механизме 5Л<2). По- нятно, что преимущество такого расположения будет прояв- ляться тем в большей степени, чем больше объем заместителей^ Таким образом, как электронные, так и стерические факторы должны последовательно затруднять атаку при переходе от СН3Вг к Ме3СВг, если эта атака осуществляется по механизму Sn2, и, наоборот, облегчать, если она протекает по механизму Sjyl. Поскольку замещение у атома углерода, связанного с бро- мом, как известно, облегчается в этом ряду соединений, вопрос о механизме такого замещения можно считать ясным. Аналогичное, но значительно более быстрое изменение меха- низма процесса имеет место в ряду СН3—Cl PhCH2—Cl Ph2CH—Cl Ph3C—С1 Здесь гидролиз по механизму S,yl наблюдается уже, начиная со второго соединения, а ионизация Ph3C—Cl выражена на- столько сильно, что растворы этого соединения в жидком SO3 обладают электропроводностью. Причиной столь сильного об- легчения ионизации и связанного с этим более быстрого пере- хода к механизму Sjyl является значительная стабилизация карбониевого иона, обусловленная делокализацией положитель- ного заряда. Тут мы встречаемся с классическим примером иона, стаби- лизованного вследствие делокализации заряда с участием ^-элек- тронных орбиталей бензольного кольца (ср, фенолят-анион, ев
стр. 38). В отношении реакционной способности бензилхлорид аналогичен трет-бутилхлориду. При переходе к Ph2CHCl и к Ph3CCl эффект становится все более отчетливо выраженным и атака по механизму облегчается еще сильнее, поскольку возможность делокализации положительного заряда для карбо- ниевых ионов, образующихся из этих галогенпроизводных, со- ответственно возрастает. Группа СН2 в бензилхлориде также атакуется значительно легче по механизму SN2, чем группа СН2 в ионном соединении, например в МеСН2С1 (замещение идет приблизительно в'100 раз быстрее), поскольку хр2-гибридизованный атом углерода в пере- ходном состоянии Siy2 может использовать свою негибридизо- ванную р-орбиталь для взаимодействия не только с вступающим ионом "ОН и уходящим ионом С1", но также с л-орбиталью фе- нильной группы, которая при этом дополнительно стабилизуется. Аналогичная стабилизация карбоииевых ионов наблюдается также и для аллилгалогенидов: СН2=СН—СН2С1—>[сн2=^сн^-сн2-<—>СН2 ^^СН^=СН2] + СГ В этом случае атака по механизму S1V1 облегчена, и аллил- галогениды подобно бензилгалогенидам обладают обычно значительно большей реакционной способностью по сравнению, например, с СН3СН2СН2С1 и PhCH2CH2CH2Cl, для которых ста- билизация карбоииевых нонов за счет делокализации положи- тельного заряда невозможна. Атака по механизму SN2 сильно ускоряется также в результате взаимодействия атакуемого атома углерода с л-орбиталью двойной связи в переходном со- стоянии, аналогично тому, как это имеет место в рассмотренном выше случае замещения в бензилхлориде. Что же касается винилхлоридов, таких как, например, СН2 = СНС1, а также галогенбензолов, то они очень устойчивы по отношению к нуклеофилам. Это объясняется тем, что атом галогена в этих соединениях связан с атомом углерода, имею- щим sp 2-гибридизацию, вследствие чего электронная пара связи С—С1 оттянута ближе к углероду (см. стр. 21) по сравнению со связямй, включающими sp 3-гибридизованные атомы углерода. Показано, что в этих соединениях связь С—С1 более прочна, т. е. она труднее разрывается, чем в случае, например, СН3СН2С1, и дипольный момент таких связей С—С1 меньше. Поэтому тенденция к ионизации (Sjyl) выражена для них слабее, а положительный заряд на атоме углерода недостаточен для того, чтобы этот атом мог эффективно атаковаться ионом "ОН(51у2). Кроме того, л-электроны двойной связи в этих соеди- нениях препятствуют приближению атакующего нуклеофила. Наличие двойной связи в этих условиях не должно, следова- тельно, способствовать стабилизации ни переходного состояния, 4* 99
возникающего по механизму Sjv2, ни карбониевого иона, обра- зующегося при механизме SN1. Многие из высказанных сообра-’ жений справедливы также и для фенилгалогенидов с их зр2-гиб- ридизованными углеродами и л-орбитальными системами ароматического кольца; реакции с .участием этих соединений, ко- торые хотя часто и бимолекулярны, но не протекают по SN2 ме- ханизму, рассматриваются ниже (см. стр. 169). Влияние стерических факторов на механизм реакции осо- бенно отчетливо проявляется в случае замещения в р-положении по отношению к атому галогена. Так, показано, что скорость реакций, протекающих по механизму SN2, уменьшается в ряду Мех Ме\ СН3СН2—Hal > Me—СН2СН2—Hal > ХСНСН2—Hal > Me—ССН2—Hal MeZ Ме^ Особенно сильно это заметно при переходе от изобутильного к неопентильному галогенпроизводному. Следует ожидать, что для изопентилгалогенида возможность атаки «сзади» «-углерод- ного (по отношению к галогену) атома такими ионами, как _ОН, вдоль линии, соединяющей центры атомов, будет сильно затруднена. Главным фактором, препятствующим атаке по ме- ханизму Sn2, является, однако, большое пространственное за- полнение в переходном состоянии Ме I. Ме -—С—Ме 8- I 8- IIO--С----С] </ \ образующемся при этой реакции. По-видимому, резкое умень- шение скорости реакции обусловлено в известной степени также индуктивным эффектом, вызываемым увеличением числа заме- щающих метильных групп и появлением насыщенного атома углерода (в p-положении), расположенного между этими ме- тильными группами-и атакуемым а-углеродным атомом. Очень интересным примером влияния строения на реакцион- ную способность галогенпроизводных может служить 1-бром-. триптицен II 100
Атом брома в этом соединении совершенно инертен по отно- шению к действию нуклеофильных агентов. Атака «сзади» по механизму Siv2 затруднена стерическими факторами, поскольку молекула имеет форму клетки, а для образования переходного состояния, в котором с атомом углерода должны быть связаны три замещающие группы, требуется, чтобы эти группы прошли через копланарное расположение, что невозможно, так как атом углерода жестко связан со стоящими при нем заместителями. Атака по механизму Sjyl также затруднена, так как карбоние- вый ион, который должен образоваться в результате ионизации, не может быть стабилизован из-за невозможности копланарного расположения заместителей, а следовательно, и невозможности делокализации заряда между ними (см. стр. 121), и карбоние- вый ион действительно не образуется. Это соединение сущест- венно отличается от Ph3CBr, в котором локальное окружение связи С—Вг аналогично, но помехи для ионизации отсутствуют: было показано, что скорости реакций в одних и тех же условиях для этих двух соединений различаются приблизительно в 1023 раз! 4. СТЕРЕОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МЕХАНИЗМА РЕАКЦИЙ На примере гидролиза оптически активного галогенпроизвод- „ного можно наблюдать некоторые интересные стереохимические аспекты нуклеофильного замещения при насыщенном атоме углерода. Рассмотрим оба механизма по очереди. Механизм SN2 Ниже будет показано, что три группы, присоединенные к атакуе- мому атому углерода, при атаке как бы «выворачиваются» внутрь. Иногда говорят поэтому и про атом углерода, что он «выворачивается», но чаще всего пользуются термином обраще- ние конфигурации атома углерода, имея в виду изменение про- странственного расположения присоединенных к нему групп. R В' Д R • X* 8- \ / 8- НО’ + R-С—Вг------> НО—-С—-Вг-------> НО—С-R' + Вг" Действительно, если бы продуктом реакции вместо соответ- ствующего спирта оказался бромид, то было бы обнаружено, что он вращает плоскость поляризации плоско поляризованного света в противоположном направлении по сравнению с исходным ве- ществом и является, следовательно, его зеркальным отраже- нием. Однако в действительности таким продуктом является спирт, и мы, к сожалению, не можем, наблюдая направление его оптического вращения, сказать, имеет ли он ту же конфигура- цию, что и бромид, из которого он произошел, или обратную. 101
Для соединений, не являющихся зеркальными отражениями, но имеющих противоположные конфигурации, не обязательно, что- бы они вращали плоскость поляризации в противоположных направлениях. Таким образом, для подтверждения того, что ука- занная выше реакция SN2 действительно сопровождается обра- щением конфигурации, как этого требует теория, необходим не- зависимый метод сопоставления конфигурации галогенпроизвод- ного и соответствующего спирта. Определение относительной конфигурации Такое определение основано на том, что если асимметрическое соединение вступает в реакцию, в процессе которой происходит разрыв связи между одной из групп и асимметрическим цент- ром, то может произойти (хотя и не обязательно) обращение конфигурации. Если же соединение вступает в реакцию, в ходе которой не происходит разрыва связи с асимметрическим цент- ром, то конфигурация этого асимметрического центра должна остаться неизменной. Так, например, известно, что серия реак- ций тозилирования спиртов III n-толуолсульфохлоридом не со- провождается разрывом связи С—О спирта * и, следовательно, возникающий тозилат IV должен иметь ту же конфигурацию, что и исходный спирт. Известно далее, что при реакции этого сложного эфира с ионом ацетата группа n-MeCgEESOsO- вытес- няется и на ее место вступает МеСОО-, т. е. происходит разрыв связи С—О и, следовательно, возможно обращение конфигура- ции. Можно показать, что щелочной гидролиз ацетата (V->V1) происходит без расщепления связи алкил—кислород**, так что спирт VI должен иметь ту же конфигурацию, что и ацетат V. , Ч* CISO2C6H4Me-n , V): СГ */> R-С—ОН ------------> R — С-ОЭО2С6Н4Ме-л------> CI—С—R R" R", III {+) IV VII МеСОО” V .R , 'ОН , НО—С—R ---------МеСОО—Ct-R R" VI (-) v * Это было показано в результате экспериментов, в которых использо- вался спирт, содержащий в ОН-группе изотоп 18О. Метка сохраняется при образовании тознлата, но удаляется при взаимодействии тозилата с МеСОО-. ** При гидролизе ацетата, содержащего в алкоксильной группе изо- топ 18О, замены его на кислород воды не происходит, чем подтверждается, что связь алкил—кислород не разрывается (см. также стр. 66), 102
Тот факт, что соединение VI является зеркальным отображе- нием исходного соединения III, свидетельствует лишь о том, что вся серия реакций приводит к' обращению конфигурации. Од- нако из сказанного выше ясно, что это обращение может про- изойти только на стадии превращения тозилата в ацетат (IV->V.) Как показывает изучение большого числа превраще- ний тозилата IV, при реакции его с другими анионами также наблюдается обращение конфигурации. Следовательно, со зна- чительной долей достоверности можно полагать, что подобное же обращение происходит и при реакции с хлорид-ионом, так что конфигурация хлорида VII, так же как ацетата V, является противоположной конфигурации исходного спирта III. В настоящее время считают, что реакции SN2 протекают обычно с обращением конфигурации, и если независимо пока- зано, что данная реакция протекает по механизму SN2, то этот факт часто используют при решении вопроса о соотношении между конфигурациями исходного вещества и продукта его реакции. Механизм Syl Если карбониевый ион, образующийся на медленной стадии, лимитирующей общую скорость реакции, является плоским, то можно ожидать, что последующая атака нуклеофильным реаген- том, таким, как ~ОН или молекула растворителя (например, НгО), будет происходить одинаково вероятно с любой стороны плоского иона и, следовательно, 50% образующихся молекул будут иметь ту же конфигурацию, что и исходные молекулы, а 50% будут ее зеркальным отражением. Такая рацемизация при- ведет к оптически неактивному продукту. НО —С—R \ .. ( + ) Истинный ход реакции зависит от того, насколько быстро после стадии первичной ионизации наступает атака нуклеофи- лом. Если вторая реакция следует сразу же вслед за первой, то может случиться, что удаляемый анион, например Вг-, к началу атаки соответствующим нуклеофилом еще не успеет отойти дальше, чем на расстояние всего лишь нескольких молекуляр- ных диаметров, и поэтому нуклеофильная атака с той стороны карбониевого иона, с которой бром атаковался сначала, будет 108
замедлена. Атака карбониевого иона с «задней» стороны, однако, при этом не затрудняется и должна быть, следовательно, преоб- ладающей. В результате будет наблюдаться некоторое превы- шение обращения конфигурации над ее сохранением в продукте реакции, т. е. должна иметь место рацемизация продукта с не- которым обращением конфигурации. Эти результаты могут быть обусловлены также асимметризацией в процессе сольватации ионной пары, образующейся на первой, лимитирующей стадии реакции. Практически в условиях механизма S.vl может иметь место любой результат, начиная от полной рацемизации и кончая почти полным обращением конфигурации, в зависимости от того, насколько быстро после ионизации наступает нуклеофиль- ная атака. Наиболее часто рацемизация сопровождается неко- торым обращением конфигурации, причем соотношение между ними для данного субстрата очень сильно зависит от условий проведения реакции. В тех случаях, когда растворитель может играть роль нуклеофила (например, при использовании водных растворов), из-за очень высокой относительной концентрации молекул растворителя быстрая атака более вероятна, чем то- гда, когда нуклеофильный реагент приходится специально до- бавлять в среду. В результате обращение конфигурации в пер- вом случае проявляется в более сильной степени. Особенно эф- фективным в этом смысле является растворитель, обладающий высокой сольватирующей способностью, такой как, например, вода, поскольку такой растворитель значительно быстрее создает вокруг карбониевого иона сольватное окружение. Механизм SNi Кроме тех случаев, о которых шла речь выше, когда реакции за- мещения приводят к обращению конфигурации или к рацеми- зации, а в некоторых случаях одновременно и к тому, и к дру- гому, известно несколько реакций, протекающих с сохранением конфигурации, т. е. реакций, при которых как исходное вещество, так и продукт обладают одинаковой конфигурацией. Конкрет- ным случаем, для которого это было показано, является заме- щение ОН на С1 в присутствии тионилхлорида. Эта реакция подчиняется кинетическому уравнению второго порядка, т. е. скорость пропорциональна [RHal][SOCl2]. Однако нельзя считать, что она протекает строго в соответствии с механизмом S.v2, поскольку при этом должно было бы иметь место обращение конфигурации, чего в действительности не наблюдается. Меха- низм этой реакции был интерпретирован следующим образом: R R A ov R -/С-ОН + SOC12 ~ С >_^S=O—-A>R'- с S=O R” R" ClZ f/ XCI Vlll 104
На стадии (1) изменение конфигурации происходить не мо- жет, поскольку связь С—О на этой стадии не разрывается. На стадии (2), когда эта связь разрывается, атака атомом С1 в со- ответствии с ориентацией промежуточного соединения VIII про- исходит с той же стороны углеродного атома. Подробное изучение реакции позволило прийти к выводу, что вторая стадия по своему характеру напоминает реакцию ти- па ЗлЛ, в процессе которой распад промежуточного соединения VIII протекает, вероятно, через ионную пару (см. стр. 116); R" Cl Хлорсульфит-анион распадается затем на SO2 и С1", причем распад происходит настолько быстро, что С1~ может осуще- ствлять фронтальную атаку карбониевого иона до того, как этот ион успеет оказаться сплющенным до плоского состояния. В ре- зультате образуется продукт, конфигурация которого не отли- чается от конфигурации исходного соединения. Доказательством того, что соединение VIII является промежуточным продуктом, может служить тот факт, что такие алкилхлорсульфиты дей- ствительно могут быть выделены и легко превращены в соответ- ствующие алкилгалогениды с выделением SO2. Если же прово- дить реакцию в присутствии основания, например пиридина, то хлористый водород, выделяющийся при образовании хлорсуль- фита на стадии (1), дает анион С1~, который затем легко ата- кует соединение VIII с «задней» стороны с удалением "OSOC1. Теперь это будет уже реакция Зл-2 обычного типа, сопровождаю- щаяся обращением конфигурации, а реакция, протекающая по несколько необычному механизму, условно названному механиз- мом внутреннего нуклеофильного замещения * и обозначаемому SNi (при котором конфигурация исходного вещества сохра- няется), больше наблюдаться не будет. Участие соседних групп Известно большое число других реакций замещения, при кото- рых наблюдается сохранение конфигурации. Можно, однако, по- казать, что для всех этих реакций характерна общая особен- ность, которая состоит в том, что рядом с реакционным атомом углерода расположен атом, несущий отрицательный заряд или обладающий неподеленной парой электронов и поэтому способ- ный действовать в качестве «внутреннего» нуклеофильного аген- та. Так, например, при щелочном гидролизе p-хлоргидрина IX * От английского названия «Substitution Nucleophilic internal». 105
первая стадия состоит в превращении его в соответствующий алкоксид-ион X. Этот ион, действуя как нуклеофил, атакует за- тем атом углерода, несущий хлор, с «задней» стороны по меха- низму внутренней реакции Sn2, что приводит к обращению кон- фигурации этого атома углерода и к образованию циклического промежуточного продукта — окиси алкилена или эпоксида Xis R CR2OH zc\ Cl Н "он -н2о внутренний 3^2 первое обращение X XI “о н второе -• _ • нормальный Обращение g ? IX R CR2OH Нг0 R CR2O- -<--- с НО* Н HOZ н XIII хи Трехчленное кольцо затем вновь раскрывается под действием иона "ОН, причем атакуется менее замещенный из двух атомов углерода, т. е. тот же, который атаковался вначале (в нашем случае это атом С, связанный вначале с хлором), поскольку он более положителен. Доступность электронов этого атома угле- рода повышается, так как он находится под влиянием индуктив- ного эффекта только одной алкильной группы, а не двух. Атака ионом "ОН также будет проходить по механизму типа SN2 с той стороны, с которой сначала был присоединен хлор, и в резуль- тате произойдет второе обращение конфигурации этого атома углерода. Реакция завершается превращением аниона XII в спирт XIII, причем этот спирт будет иметь ту же конфигурацию, что и исходное хлорпроизводное IX. Едва ли правильно было бы здесь просто сказать, что суммарная реакция протекает с сохра- нением конфигурации. В действительности кажущееся сохране- ние конфигурации является результатом двух последовательных обращений. Эта особенность рассматриваемой реакции отличает ее от реакций типа S^i, которые протекают с истинным сохра- нением конфигурации. Правильность рассмотренного механизма доказывается тем, что эпоксиды, промежуточное образование которых предпола- гается приведенной выше схемой, действительно могут быть вы- делены, и их гидролиз в условиях, характерных для реакции, приводит к тем же результатам, что и в рассмотренной схеме. 106
Аналогичное кажущееся сохранение конфигурации реали- зуется при гидролизе а-галогенсодержащих кислот в разбавлен- ном щелочном растворе: внутренний S)j‘i первое обращение "ОН нормальный Sy3 второе обращение Однако в этом случае предполагаемое промежуточное цикли- ческое соединение (а-лактон XIV) не выделено. Если проводить реакцию в концентрированном щелочном растворе, то концен- трация анионов "ОН в нем будет достаточно высока для того, чтобы эффективно конкурировать с внутренней атакой ионами —СОО". В результате реакция протекает в одну стадию по обыч- ному механизму SN2 и дает продукт с обращением конфигурации. При промежуточных концентрациях основания реализуются оба пути реакции, т. е. наблюдается в общем сохранение конфигу- рации с разной степенью рацемизации. Если даже не рассматривать стереохимических аспектов, то участие соседних групп может представлять интерес с точки зре- ния их возможного влияния на скорость реакции. Так, напри- мер, в одних и тех же условиях ClCH2CH2SEt гидролизуется примерно в 10 000 раз быстрее, чем С1СН2СН2ОЕ1. Это различие слишком велико для того, чтобы его можно было объяснить ин- дуктивным или стерическим эффектами в этих простых молеку- лах. Оно обусловлено, вероятно, тем, что в случае серусодер- жащего соединения лимитирующей стадией реакции является образование сульфониевой соли циклического строения (XV), которая, будучи сильно напряженной, исключительно быстро и легко подвергается гидролизу: < гт П лСимити’ + Н*° EtS: *СН2^-С1-^-^ > EtS—СН2 -- >- EtS: СН2-ОН \ / скорость \ / быстро \ / сн2 сн2 сн2 + н , -С1 XV Атом кислорода в эфире ClCH2CH2OEt, будучи более элек- троотрицательным, не «отдает» свои неподеленные электроны 107
так легко, как атом серы, и, следовательно, не образует цикли- ческой соли. В результате атом хлора вытесняется значительно медленнее за счет обычной реакции, замещения. Соответствую- щие азотсодержащие соединения также проявляют склонность легко гидролизоваться через образование ионов этилениммоние- вого типа (XVI): Ме2мО СН2-Ол СН2 стадия, лимити- рующая скорость Me2N—СН2 СН2 “ОН быстро >Me2N: СН2—ОН сн2 ~С1 XVI Однако гидролиз соединений типа XVI протекает обычно не столь быстро, как для соответствующих серусодержащих анало- гов, что обусловлено более высокой устойчивостью промежуточ- ного циклического азотсодержащего соединения по сравнению с промежуточным циклическим серусодержащим соединением. Все эти особенности рассмотренных реакций представляют интерес в связи с проблемой механизма действия широко из- вестной группы боевых отравляющих веществ, таких как иприт S(CH2CH2C1)2 и его азотистые аналоги, например' MeN(CH2CH2Cl)2. Циклические производные иммония, образую- щиеся в качестве промежуточных соединений при гидролитиче- ском распаде азотистых ипритов, обладают дополнительным токсическим действием и являются мощными нейротоксинами. 5. ВЛИЯНИЕ ВСТУПАЮЩИХ И ПОКИДАЮЩИХ ГРУПП Изменение в применяемом нуклеофильном реагенте, т. е. за- мена вступающей группы, не приводит к изменению скорости ре- акции замещения по механизму Это наблюдается, напри- мер, при использовании разных галогенидов, поскольку такие реагенты не принимают участия в стадии, лимитирующей ско- рость реакции. Если же реакция замещения протекает по меха- низму Sn2, то, чем более нуклеофильным является реагент, тем быстрее должна протекать реакция. Казалось бы, что нуклео- фильность любого реагента должна коррелировать с его основ- ностью, поскольку для реагентов обоего типа характерно нали- чие доступных электронных пар. Такую параллель, хотя ее часто и используют, ни в коем случае нельзя считать строгой, поскольку такой ион, как Y~, проявляет нуклеофильность в ре- акции замещения (обусловленную наличием у него пары элек- тронов) обычно по отношению к углероду, тогда как его действие в качестве основания связано с передачей пары элек- тронов водороду; первый из этих процессов обычно значительно более чувствителен к стерическим факторам. Существенное раз- личие между нуклеофильностью и основностью состоит также в том, что нуклеофильность характеризует скорость реакции, 108
т. е. по своей природе является параметром кинетическим, тогда как основность представляет собой термодинамическую характе- ристику реагента, т. е. характеризует состояние равновесия. Од- нако параллель между нуклеофильностью данного реагента и его основностью может все же иногда использоваться при усло- вии, если атакующий атом рассматриваемых нуклеофилов оста- ется в обоих случаях одним и тем же. Такие сильные основания как, например, ЕЮ- НО-, являются более сильными нуклеофиль- ными реагентами, чем такие слабые основания, как, например, МеСОО-. Из того, что уже было сказано относительно влияния изме- нения реагента на каждый из механизмов, следует, что чем бо- лее сильным нуклеофилом является реагент при замещении лю- бого данного атома или группы атомов, тем больше шансов для протекания реакции по механизму SN2. Так, если рассмотреть поведение ряда реагентов — Н2О:, МеСОО-, PhO-, НО-, ЕЮ- — в реакции замещения RHal, то можно наблюдать, что эта ре- акция протекает по механизму 1, если в качестве нуклеофилов выступают Н2О: или МеСОО-, а в случае ЕЮ- она идет уже по механизму Sn2. Если речь идет о замене одного атакующего атома в нук- леофильном реагенте на другой атом той же группы или под- группы периодической системы, то можно сформулировать общее правило, согласно которому чем больше размер атома, тем выше его нуклеофильная реакционная способность. Так, например, ре- акционная способность падает в ряду Г > ВГ > СГ > F" а также RS" > RO" Это обусловлено, вероятно, тем обстоятельством, что по мере увеличения размера атома уменьшается прочность сВязи между ядром и периферическими электронами, в результате они приоб- ретают способность легче поляризоваться и, следовательно, лег- че вступать во взаимодействие с образованием связи. Кроме того, чем больше размер иона (или группы), тем меньше энергия его сольватации, т. е. тем меньшую энергию необходимо за- тратить для частичного или полного удаления окружающих его молекул растворителя, без чего невозможна атака атома угле- рода этим ионом (или группой). Сочетание этих двух факторов приводит к тому, что объемистый ион I- является более актив- ным нуклеофилом по сравнению с малым ионом F-, несмотря на то, что ион F- представляет собой значительно более сильное основание, чем ион I-. Относительно группы, покидающей данную молекулу в реак- ции Sn2 (как отщепляющейся, так и вытесняемой другой груп- пой), можно сказать, что связь этой группы с углеродом разры- вается тем легче, чем легче образуется соответствующее 109
переходное состояние, т. е. здесь опять облегчающую роль иг- рает поляризуемость. Так, легкость отщепления падает в ряду Г > Вг" > СГ > F" Примером может служить также хорошо известное умень- шение реакционной способности при переходе от алкилиодида к алкилфториду. Тот факт, что ион I- может служить эффектив- ным атакующим агентом и в то же время способен легко заме- щаться, объясняет частое использование этого иона в качестве катализатора в нуклеофильных реакциях. Желаемая реакция облегчается в результате следующих друг за другом атаки ак- тивного центра ионом I- и его удаления из реакционного центра под действием другого реагента: медленно rci + h2o ------> ROH + Н+ + СГ быстро RCl + Г ---->- Cl’ + RI | быстро|+НгО Г + Н+ + ROH Суммарный эффект состоит, таким образом, в облегчении трудно протекающей в отсутствие катализатора реакции гидро- лиза RC1. Это происходит благодаря легкости образования RI (I- является эффективным атакующим агентом), который затем быстро гидролизуется (Г — эффективный компонент в реакции отщепления). Наиболее легко отщепляемыми группами являются обычно анионы сильных кислот, например п-МеСбН45Оз или тозилат: чем выше основность отщепляемой группы, тем труднее она отщепляется атакуемым нуклеофилом. Такие сильно основные группы, как, например, “OR, “ОН, “NH2, связанные с углеродом через небольшие трудно поляризуемые атомы, в обычных усло- виях, как правило, не способны к замещению, однако в кислой среде они все же могут замещаться вследствие начальной про- тонизации, приводящей к образованию положительно заряжен- ных частиц (а не нейтральных молекул), атакуемых нуклеофи- лом; в результате замещение менее основной группировки YH может идти легче, чем аниона Y-, хотя последний и является более сильным основанием: .. Н+ « Вг~ R—ОН —>- R—ОН —> RBr + H-0 Именно этим можно объяснить тот факт, что даже крайне прочно удерживаемый атом фтора в алкилфторидах может за- мещаться нуклеофильными реагентами в концентрированном растворе серной кислоты. НО
Использование йодистого водорода для расщепления эфиров .. н+ н г Ph—О—R —> Ph—О—R —> Ph-OH + RI + основано на том обстоятельстве, что ион I- представляет собой наиболее мощный нуклеофильный реагент, какой может быть получен в растворе сильной кислоты, которая, следовательно, необходима для реализации этой реакции. Скорость реакции, протекающей по механизму Swl, зависит от природы покидающей группы. Чем ниже энергия связи этой группы с атомом углерода и чем выше способность покидающей группы давать анион, тем легче должна проходить реакция по механизму ЗдЧ. 6. НИТРОЗИРОВАНИЕ АМИНОВ Во всех рассмотренных выше примерах нуклеофильной атаке подвергался атом углерода. Однако подобная атака может быть направлена также и на атом азота, как, например, при нитрози- ровании аминов; амин функционирует здесь как нуклеофил: н r-nPn=o 1 С1 н ^х ЛЛ + н’ r++№N-<------R-N=N4-------- R—N=N—ОН -H»O В широко известной реакции взаимодействия первичных ами- нов с нитритами (или с самой азотистой кислотой) решение во- проса о том, какие частицы действуют в качестве эффективных нитрозирующих агентов, зависит, как было показано, от условий проведения реакции, однако никогда такими частицами не яв- ляются молекулы самой кислоты HNO2. При низкой кислотности эффективным нитрозирующим агентом являются молекулы N2O3 (на приведенной выше схеме X = ONO—), образующиеся в ре- зультате реакции: 2HNO3 ONO—NO + Н2О При повышении кислотности сначала роль нитрозирующего агента выполняет продукт протонирования азотистой кислоты + + Н2О—NO (соответственно X равно Н2О—) и, наконец, наиболее 4- активным агентом является ион нитрозиния NO (см. стр. 144). В присутствии галогеноводородных кислот роль нитрозирующих агентов могут выполнять также нитрозилгалогениды, например + NOC1. Хотя ион NO является более мощным нитрозирующим агентом, чем N2O3, тем не менее реакция его с алифатическими Ш
аминами замедляется по мере повышения кислотности, по- скольку нуклеофильный реагент RNH2, являющийся относитель- но сильным основанием, превращается в условиях высокой кис- + лотности в нереакционноспособный катион RNH3. В реакции нитрозирующих агентов с первичными алифатиче- скими аминами при распаде крайне неустойчивого диазониевого катиона RN2 образуется карбониевый ион, который может давать целый ряд конечных продуктов (см. стр. 121). Неустой- чивость диазониевого катиона обусловлена очень высокой ста- бильностью молекулы азота N2, возникающей при его распаде. В случае первичных ароматических аминов происходит неко- торая стабилизация катиона диазония вследствие делокали- зации заряда за счет л-орбиталей ароматического кольца: В результате при диазотировании в сравнительно мягких условиях из ароматических аминов удается получить соли диазо- ния. Такое диазотирование следует проводить при очень высо- кой кислотности среды, для того чтобы, во-первых, создать ус- ловия для получения мощного нитрозирующего агента, имея в виду, что первичные ароматические амины не являются очень сильными нуклеофилами (из-за взаимодействия электронной пары азота с л-орбиталями ароматического кольца, см. стр. 156). Во-вторых, сильно кислая среда нужна для уменьшения кон- центрации ArNH2, превращаемого в ArNH3 (ArNH2 — значи- тельно более слабое основание, чем RNH2, стр. 86), вследствие чего удается избежать реакции азосочетания между недиазоти- рованным амином и образующимся ArNj (см. стр. 151). Реакция протекает также и с вторичными аминами, однако в этом случае она не может пройти дальше образования N-нит- розосоединения R2N—N = O, тогда как с третичными^ алифати- ческими аминами получается соответствующий катион нитро- зотриалкиламмония R3N-—NO, который легко распадается по связи С—N с образованием сравнительно сложной смеси про- дуктов. В случае третичных ароматических аминов, таких как, например, N-диалкиланилины, атаке может подвергаться акти- вированное ароматическое кольцо (ср. стр. 144): в результате образуется С-нитрозосоединение: NR2 NO 112
7. ДРУГИЕ РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ При рассмотрении вопроса о механизме реакций нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода мы использовали в качестве примеров почти исключительно реакции, в которых галогенпроизводные атакуются отрицательно заряженными иона- ми, например НО- и ЕЮ-. В действительности же этот тип ре- акций чрезвычайно широко распространен в органической химии и охватывает значительно более широкий круг превращений, чем те, о которых уже упоминалось. В качестве типичных примеров приведем некоторые реакции. В процессе образования солей тетраалкиламмония неподелен- ная пара электронов азота атакует атом углерода с отщепле- нием иона брома: R3N: + RBr —> R3N5R + Br" Следует отметить также реакцию расщепления солей тетра- алкиламмония, при которой ион брома действует как нуклеофил, а покидающей группой является :NR3: Br’ + R:NR3 —> RBr+:NR3 Аналогичная ситуация встречается, очевидно, при образова- нии сульфониевых солей R2S: + RBr —> R2S:R + Br' и при их расщеплении. При алкилировании реакционноспособных метиленовых групп (см. стр. 265), а также в реакциях ацетилена в присутствии сильного основания (например, NaNHa в жидком NH3) и в ре- акциях с участием реактива Гриньяра в качестве нуклеофила действует карбанион или источник отрицательного атома угле- рода: ЕЮ’+ CH2(COOEt)2 —► EtOH + ’CH(COOEt)2 (ЕЮСО)2НС + RBr —► (EtOCO)2HCR + Вг’ НС^СН +’NH2 —> HC^C’ + NH3 HC=C’ + RBr —► HC=sCR + Br’ 6+ 6- BrMgR + R'Br —> MgBr2 + R—R' Приведем здесь также реакцию разложения солей диазония в воде H,O: + PhN* —> HO:Ph + N2 Н НО: Ph —> НО—Ph + Н+ Н 113
образование алкилгалогенидов roh + н+ —> ROH н Br' + ROH —> RBr + H2O н распад простых эфиров PhOR + Н+ —> PhOR н PhOR + Г —> PhOH + RI Н образование сложных эфиров R'COO' + RBr —> R'COOR+ВГ образование простых эфиров R'—О" + RBr —> R'—O—R+ВГ восстановление галогенпроизводных действием LiAlH4 LiAlH4 + RBr —> LiAlH3Br + RH В последней реакции литийалюминийгидрид действует по существу как носитель гидридного иона Н-. При разрыве кольца в эпоксидах о, нго СГ ’СН2—СН2----> С1СН2СН2О" ---->-С1СН2СН2ОН + "он с° происходит уменьшение напряжения трехчленного кольца и его раскрытие, благодаря чему облегчается атака слабым нуклео- филом. Приведенный перечень включает только незначительную часть реакций; в действительности известно огромное количе- ство реакций замещения, имеющих важное препаративное и син- тетическое значение. Из приведенных примеров можно видеть, что атакующим нук- леофилом не обязательно должен быть анион с эффективным (нескомпенсированным) отрицательным зарядом, например НО-, Вг~, (EtQCO)2HC-. Достаточным является наличие пары сво- бодных электронов (например, R3N:, R2S:), которой агент ата- кует положительно заряженный атом углерода или другой атом. Аналогично, атакуемой частицей не обязательно должен быть 114
катион с эффективным (нескомпенсированным) положительным + зарядом, например R3H:R; значительно чаще ею является ней- тральная молекула, например RBr. При этом, конечно, не сле- дует также забывать, что атака, нуклеофильная с точки зрения одного участника реакции, будет электрофильной с точки зрения другого ее участника. ' В общем, наиболее обычным нуклеофилом, имеющим препа- ративное значение, является, вероятно, НО-; тот же результат дает и Н2О:, особенно если вода является растворителем и кон- центрация ее молекул, следовательно, крайне высока. Как и следовало ожидать, не все реакции замещения - протекают таким образом, что не дают никаких других продук- тов, кроме желаемых. Могут происходить и побочные реакции, приводящие к неожиданным и нередко нежелательным про- дуктам. К подобным реакциям относятся, в частности, реакции отщепления, приводящие к образованию ненасыщенных продук- тов. Вопрос о природе этих побочных реакций рассматривается в главе 9.
ГЛАВА 5 КАРБОНИЕВЫЕ ИОНЫ, ЭЛЕКТРОНОДЕФИЦИТНЫЕ АТОМЫ АЗОТА И КИСЛОРОДА И ИХ РЕАКЦИИ В предыдущей главе уже упоминалось о том, что в качестве промежуточных продуктов в реакциях замещения у насыщенного атома углерода (например, при гидролизе алкилгалогенидов, протекающем по механизму SjvI) образуются карбониевые ионы. Эти ионы встречаются, однако, в гораздо большем числе реак- ций и, хотя обычно они возникают лишь как промежуточные со- единения, тем не менее играют важную роль в разнообразных химических превращениях. 1. ПУТИ ОБРАЗОВАНИЯ КАРБОН ИЕВЫХ ИОНОВ Прямая ионизация Этот путь рассматривался в предыдущей главе. В качестве при- меров можно указать на следующие реакции: Ме3СС1 —> Ме3С+ + СГ PhCH2Cl —> PhCHj + СГ СНг=СНСН2С1 —► CH2=CHCHJ + СГ МеОСН2С1 —► МеОСН? + СГ Следует подчеркнуть, что для образования карбониевых ионов обычно необходима сильно полярная среда, способствующая сольватации возникающих ионов, и что реально имеют дело обычно с ионизацией (образованием ионных пар), а не с дис- социацией, которая может произойти уже после ионизации. Хорошим примером может служить реакция R—F + SbF5 —» R+ SbF^ приводящая к образованию простых алкильных катионов, вхо- дящих в состав кристаллических комплексных соединений и легко идентифицируемых спектральными и другими методами. Исполь- зование некоторыми исследователями «сверхкислот», таких как, например, SbF5-FSO3H, приводит к образованию алкильных ка- тионов даже из алканов: Ме3С—Н + SbF6 • FSO3H —> Н2 + Ме3С+ SbF6 • FSOJ 116
Вопрос о том, как зависит относительная устойчивость и лег- кость образования карбониевых ионов из данных предшественни- ков от их строения, рассмотрен ниже (см. стр. 118). Протонирование Карбониевый ион может образоваться в результате присоедине- ния протона по ненасыщенной связи, как это происходит, напри- мер, в случае катализируемой кислотами гидратации олефинов (см. стр. 182): н+ + н2о -н+ —СН=СН— :г=± —СНг—СН— —С-Н2—СН— ^=±— СН2—СН— J t I +он2 ’ он Эта реакция обратима, и более знакома, вероятно, обратная реакция дегидратации спиртов под действием кислот. Протон может присоединяться также и по двойной связи углерод—кислород, как, например, в случае катализируемого кислотами присоединения анионов Y~ к альдегидам и кетонам: Присоединение протона к связи >С=О приводит к обра- зованию положительно заряженного атома углерода, который и подвергается атаке анионом. То, что подобное протонирование действительно происходит, подтверждается тем, что многие ке- тоны при растворении в концентрированной серной кислоте об- наруживают депрессию температуры замерзания, вдвое большую по сравнению с теоретической. При этом протекает следующая реакция: ^c=o + h2so4 /С—oh + hso; Кетоны здесь не подвергаются каким-либо необратимым из- менениям, как можно заключить из того, что при разбавлении серной кислоты водой они могут быть выделены неизменными. Аналогичные результаты получаются и в случае электроноде- фицитных соединений, т. е. кислот Льюиса, например: ,С=О+ А1С13 С—ОА1С1 3 Карбониевые ионы могут образовываться также при прото- нировании атомов, содержащих неподеленные электронные пары; 117
собственно карбониевый ион образуется в результате последу- ющего отщепления этого атома (или группировки, несущей этот атом): R—О—Н4-Н+ R—О—Н R+ + H2o Н Процесс представляет собой, очевидно, одну из стадий упо- мянутой выше дегидратации спиртов под действием кислот. Эта стадия имеет место также и при катализируемом кислотами раз- ложении простых эфиров: R—О—R + Н+ R—6—R R+ + HOR Н Разложение Наиболее известным примером реакции, приводящей к возник- новению карбоииевых ионов, может служить разложение диазо- ниевых солей: [r-jUn -Ч—>- R —n=n]---->- R+ + n2 / Такого рода разложение протекает как с алифатическими, так и с ароматическими диазониевыми соединениями; при соот- ветствующих условиях эти соединения, однако, могут разлагаться и с образованием радикалов (см. стр. 303). Катализ большого числа реакций нуклеофильного замеще- ния галогенпроизводных ионами серебра обусловлен образова- нием «электрофильного пула» благодаря связыванию галогена катионом Ag+: Ag+ + R—Вг —> AgBH + R+ Наличие ионов Ag+ может приводить, таким образом, к тому, что вместо механизма SN2 реализуется механизм S.vl. Однако кинетическая картина часто осложняется, поскольку осажден- ный галогенид серебра сам может действовать в качестве гете- рогенного катализатора реакции замещения. Следует подчеркнуть, что приведенный перечень путей обра- зования карбоииевых ионов не претендует на полноту. Так, ниже, в связи с катионами тропилия и циклопропения, рассматри- вается другой метод образования карбоииевых ионов, основан- ный на возможности ароматизации. 2. УСТОЙЧИВОСТЬ КАРБОИИЕВЫХ ИОНОВ Основным фактором, обусловливающим устойчивость карбо- ниевых ионов, является возможность делокализации заряда. Чем в большей степени положительный заряд может быть распреде- лен между соседними атомами, тем более устойчивым является 118
ион. Это особенно заметно в тех случаях, когда распределение заряда происходит с участием подходящим образом располо- женных л-орбиталей, что приводит к характерной стабилизации карбониевых ионов за счет делокализации заряда: сн2=^сн—сн2 > сн2— сн=сн2 Me—С—сн2 <• >- Ме—С=СН2 Интересным примером карбониевого иона, характеризующе- гося более высокой устойчивостью, чем этого можно было бы + ожидать на первый взгляд, является ион PhCH2CH2, возникаю- щий из p-фенилэтилпроизводных PhCH2CH2Y. Этот карбониевый ион не может быть заметно стабилизован фенильной группой, поскольку она слишком удалена (p-положение), чтобы оказать заметное индуктивное действие, а делокализации заряда за счет л-орбиталей препятствует наличие промежуточно располо- женного насыщенного атома углерода. Исходя из этих сообра- жений, а также из других данных, было высказано предположе- ние, что устойчивость данного карбониевого иона обеспечивается его мостиковой структурой, которая благодаря наличию мостика может быть стабилизована за счет делокализации с участием системы орбиталей ароматического кольца: Отметим, кстати, что гидролиз PhCH2CH2Br может служить еще одним примером влияния соседней группы (стр. 105). Вы- брав подходящие условия, можно реально выделить промежу- точное соединение мостиковой структуры, которое, однако, не яв- ляется карбониевым ионом СН2СН2ОН 11»
Очень устойчивым карбониевым ионом является ион, обра- зующийся из циклогептатриенил (тропилий) бромида. Это соеди- нение формально имеет структуру I I и вг Оно хорошо растворимо в воде с образованием ионов брома, что указывает на его ионное строение. Образующийся при раст- ворении карбониевый ион настолько устойчив, что очень мед- ленно реагирует с водой, спиртами и т. п. Причина такой исклю- чительно высокой устойчивости катиона тропилия состоит в том, что он представляет собой семичленное кольцо с шестью л-элек- тронами, распределенными между семью атомами углерода на делокализованных орбиталях (ср. бензол, стр. 29). В резуль- тате делокализации возникает квазиароматический стабильный ион II. Стабилизация циклических систем имеет место, как это ука- зывалось выше (см. стр. 34), при числе л-электронов, равном (2 + 4 п). Интересно рассмотреть частный случай, когда п = 0. Было показано, что производные 1,2,3-трипропилциклопропена чрезвычайно легко дают соответствующий ион III: SbCle IV ш Высокая устойчивость такого иона видна хотя бы из того факта, что даже в воде при pH 7 он продолжает на 50% суще- ствовать в виде карбониевого иона. Недавно удалось выделить даже соль самого циклопропена (IV), представляющую собой белое твердое кристаллическое вещество. Как указывалось выше (см. стр. 97), устойчивость простых карбониевых ионов понижается в ряду: Ме3С > Ме2СН > МеСН2 > СН3 Это вызвано тем, что увеличение числа метильных групп, связанных с атомом углерода карбониевого иона (т. е. увеличе- ние степени замещения), приводит к большей делокализации заряда как за счет индуктивного эффекта, так и за счет эффекта сверхсопряжения. Вывод об относительно высокой стабильности иона Ме3С основан на том, что он часто образуется в жестких условиях в результате изомеризации и/или диспропорциониро- вания других первично образующихся карбониевых ионов, а 120
также в связи с тем, что он остается неизмененным после нагре- вания в SbFs-FSO3H при 170 °C в течение шести недель. Причиной стабилизации здесь, так же как и во многих других случаях, является плоское строение карбониевого иона, поскольку только при плоской конфигурации делокализация может быть доста- точно эффективной. Как показал расчет, проведенный для про- стых алкильных катионов, ионы плоского строения (sp2) дей- ствительно более устойчивы по сравнению с пирамидальными (sp3) примерно на 20 ккал/моль. Если планарность нарушается или ее достижение затруднено, то стабильность иона умень- шается и, как следствие, резко возрастает трудность его обра- зования. Это уже отмечалось для 1-бромтриптицена, для которого невозможность принятия плоской конфигурации препятствует образованию карбониевого иона, что проявляется в нечувстви- тельности этого соединения к атаке по механизму S.\-l (см. стр. 101). Столь важное преимущество плоской конфигурации (если такая конфигурация может быть достигнута) значи- тельно проясняет вопрос о стереохимии простых карбоииевых ионов. Этот факт находится в полном соответствии с предполо- жением, согласно которому карбониевые ионы принимают кон- формацию, характерную для триалкильных замещенных бора R3B, имеющих такую же электронную структуру. 3. РЕАКЦИИ С УЧАСТИЕМ КАРБОИИЕВЫХ ИОНОВ Карбониевые ионы могут участвовать в основном в реакциях трех типов: (а) взаимодействие с нуклеофилом; (б) отщепление протона; (в) перегруппировка структуры; Следует отметить, что реакция (в) приводит к новому кар- бониевому иону, который до образования стабильного продукта может участвовать в реакциях (а) или (б). Все эти превраще- ния лучше всего можно проиллюстрировать на примере взаимо- действия пропиламина с нитритом натрия в слабокислом рас- творе (ср. стр. 111): NaNO2; НС1 + MeCH2CH2NH2 ----------> MeCH2CH2N2 -----> МеСН2СН2 —n2 V (а) —* МеСН2СН2ОН + Н+ 4- Hot) Via + (б) МеСН2СН2 —------МеСН=СН2 V -~Н VI6 4 (б) I -н+ 1 ОН (в) + (а) | ------> МеСНСН3 ; МеСНСН34-Н+ •«Г Н2м 121
Возникающий м-пропильный катион V может дальше реаги- ровать по трем направлениям: взаимодействовать с водой, вы- полняющей функцию нуклеофила [путь (а)], с образованием пропанола-1 (Via); отщеплять протон от соседнего атома угле- рода [путь (б)], давая пропилен VI6; или претерпевать перегруп- пировку, осуществляемую в данном случае за счет миграции иона Н_ [путь (в)] с образованием изопропил-катиона VIb, кото- рый далее, участвуя в реакциях (б) или (а), может давать со- ответственно либо дополнительное количество пропилена VI6, либо пропанол-2 (VII). В типичных условиях реакции было за- фиксировано образование 7% пропанола-1, 28% пропилена и -32 % пропанола-2. Более высокая устойчивость изопропил-кати- она по сравнению с катионом «-пропила приводит к более вы- сокому выходу вторичного спирта. Этим, однако, не исчерпываются возможности реакций каж- дого из указанных типов карбониевых ионов с другими нуклео- филами, присутствующими в системе; в результате могут возни- кать продукты и других типов, помимо указанных. Так, реакция с ионом NO2 из нитрита натрия может приводить к образованию RNO2 и RONO (RONO может получаться также в результате прямой этерификации образующегося вначале ROH). Реакция с ионом С1~ из кислоты может давать RC1; образующийся вна- чале ROH может превращаться в ROR, а неизменившийся RNH2 — в RNHR. Состав реально образующейся смеси продук- тов сильно зависит от условий проведения реакции; не удиви- тельно, что для алифатических соединений подобная реакция редко может быть использована в качестве препаративного ме- тода превращения RNH2-*-ROH. Аналогичная ситуация наблюдается при алкилировании бен- зола н-пропилбромидом по Фриделю — Крафтсу в присутствии бромистого галлия. В этом случае атакующим агентом является если и не истинный карбониевый ион, то сильно поляризованный б+ fl- комплекс RGaBr4 (см. стр. 147), положительный заряд кото- рого сосредоточен на вторичном, а не на первичном атоме угле- рода, например: «+ б- б+ с- Me2CHGaBr4, а не MeCH2CH2GaBr4 Повышенная стабильность подобного комплекса, так же как и в случае карбониевого иона, приводит к перемещению водо- рода; в результате основным продуктом реакции является не я-пропилбензол, а изопропилбензол. Не всегда, однако, подобные перегруппировки происходят так просто, как кажется, т. е. не всегда дело ограничивается просто миграцией иона Н~. Например, при взаимодействии про- пана, меченного 13 С по концевому углероду, с бромистым алю- минием меченый углерод частично переходит в положение 2t 122
Это можно пояснить следующим образом: Me Ме I | 6+ 6- СН2—СН3 + А1Вг3 СН2—СН2 • НА1Вг3 * * I Me Ме I 6-6+1 А1Вг3 + СН3—СН2 1ZZ Вг3А1Н-СН2—СН2 * Сходные превращения могут происходить и в случаях, ана- логичных рассмотренным выше, где на первый взгляд кажется, что реакция ограничивается лишь миграцией иона Н~. Реакции отщепления с участием карбониевых ионов рас- сматриваются далее (см. стр. 232) одновременно с другими реакциями отщепления; здесь же более подробно будут рассмот- рены перегруппировки карбониевых ионов. 4. ПЕРЕГРУППИРОВКИ КАРБОНИЕВЫХ ИОНОВ Перегруппировки карбониевых ионов можно разделить на два типа: перегруппировки с изменением и без изменения углерод- ного скелета. Хотя более важным являются перегруппировки с изменением скелета молекулы, тем не менее сначала вкратце рассмотрим перегруппировки, протекающие без изменения угле- родного скелета. Перегруппировки без изменения углеродного скелета Аллильные перегруппировки. В классическом случае при ал- лильных перегруппировках образуются карбониевые ионы, ста- билизованные за счет делокализации, как, например, при соль- волизе З-хлорбутена-1 в этаноле по механизму Sjvl. После образования карбониевого иона атака этанолом может проис- ходить по положению С-1 или С-3; при этом, как показывает опыт, действительно образуется смесь двух возможных эфиров: С1 ГмеСН-^СН = СН2 । ~С1’^ I МеСНСН=СН2 У МеСН==СН^-СН2 + ЕЮН; OEt I МеСНСН = СН2 + MeCH=CHCH2OEt Если, однако, проводить реакцию в этаноле в присутствии такого мощного нуклеофильного реагента, как этилат-ион, то протекает прямое замещение по механизму SN2. При этом Cl- замещается на "OEt и образуется только один продукт OEt МеСНСН=СН2 123
Однако в процессе реакций замещения наблюдаются аллиль- ные перегруппировки, которые, безусловно, осуществляются по бимолекулярному механизму. Эти реакции обозначаются SN2' и протекают, по-видимому, по схеме: R п z—> 1 Г' У'*СН2=СН—CU-CI R I ---> Y—СН2-СН=СН -СГ Реакции S.y2' особенно легко идут в тех случаях, когда у а-углеродного атома имеются объемистые заместители, сильно замедляющие скорость конкурирующей реакции прямого заме- щения по нормальному механизму SN2. Аллильные перегруппи- ровки, протекающие по различным механизмам, распространены достаточно широко. Перегруппировки с изменением углеродного скелета Неопентильная перегруппировка. Хорошим примером подобного превращения может служить гидролиз хлористого неопентила VIII в условиях, благоприятствующих протеканию реакции по механизму Зд-1 (гидролиз галогенпроизводных этого типа по механизму 5л-2 всегда сильно затруднен, см. стр. 100). При этом можно было бы ожидать образования неопентилового спирта X: Me Me Ме I sNl I + +н2о I Me—С—СН2С1 -------> Me—С—СН2 -------> Me—С—СН2ОН I ~сг I -н I Me Ме . Ме VIII IX X В действительности же неопентиловый спирт X не получает- ся, и единственным продуктом является трет-амиловый спирт XII, что вызвано перегруппировкой первоначально образую- щегося карбониевого иона IX в ион XI, причем этот карбоние- вый иоп XI является третичным, в то время как ион IX был первичным: н2о Me Ме —н I + i Me—С—СН2 —► Me—С—СН2—Ме — Ме IX XI ---- —н+ Ме Me—С—СН2—Ме ОН хи Ме. ;с=сн—Ме Ме' ХШ
Карбониевый ион XI, образующийся после перегруппировки, способен отщеплять протон с образованием алкена. И действи- тельно, как показывает опыт, получается некоторое количество 2-метилбутена-2 (XIII). Из этого интересного примера видно, что третичный ион на- столько более устойчив по сравнению с первичным, что его об- разование может сделать выгодным даже разрыв углерод-угле- родной связи и миграцию метильной группы. Такого рода реак- ции, при которых происходит перегруппировка углеродного скелета, носят общее название перегруппировок Вагнера — Ме- ервейна. Перегруппировки со всеми вытекающими из нее по- следствиями можно избежать, если проводить замещение в ус- ловиях, способствующих протеканию реакции по механизму Sw2, однако, как уже отмечалось, реакция тогда будет про- текать очень медленно. С возможностью подобного рода перегруппировок, сопро- вождающихся изменением углеродного скелета в процессе про- текания, казалось бы, однозначных реакций, следует особенно считаться при интерпретации опытов по установлению строения химических соединений. Некоторые перегруппировки этого типа протекают очень сложно, например в случае природных терпе- нов, что часто приводит к большим трудностям при определении структуры. Интересно, что если галогенпроизводное МезССНС1РЬ гид- ролизовать в условиях, благоприятствующих реакции по меха- низму Sjyl, то подобного рода перегруппировка не наблюдается. Это связано с тем, что образующийся карбониевый ион XIV может стабилизоваться за счет делокализации заряда с уча- стием л-орбиталей бензольного кольца: В результате перегруппировка, подобная рассмотренной выше, становится энергетически невыгодной. Перегруппировка углеводородов. Перегруппировки типа Ваг- нера — Меервейна происходят также в процессе крекинга угле- водородов нефти, при котором используются катализаторы 123
типа льюисовых кислот. Такие катализаторы генерируют образование карбоииевых ионов из углеводородов с прямой цепью (ср. с рассмотренной выше изомеризацией меченого 13С-пропана). Эти карбониевые ионы далее стремятся перегруп- пироваться в продукты с разветвленной цепью. Конечно, при крекинге происходит также расщепление углеродного скелета, однако образование разветвленных углеводородов является осо- бенно важным, поскольку эти углеводороды при сгорании в цилиндрах в двигателях внутреннего сгорания вызывают мень- шую детонацию по сравнению с их неразветвленными изоме- рами. Следует, однако, отметить, что крекинг может проводиться также и с катализаторами, способствующими протеканию ради- кальных реакций (см. стр. 282). В присутствии кислот легко протекает перегруппировка не- насыщенных углеводородов Me Me I Н+ I + Me—С—CH=CH2 -—» Me—С—CH—Me Me Me Me Me / ^Me I Me —H+ I <---г Me—C—CH—Me Me которая может оказаться досадной помехой при осуществлении с препаративной целью реакций присоединения к олефинам таких кислых реагентов, как, например, галогеноводороды, В результате могут получаться трудноразделяемые смеси про- дуктов, а в некоторых неблагоприятных случаях желаемый про- дукт практически вообще не может быть получен. Пинаколиновая перегруппировка. Еще одним примером миг- рации алкильной группы к карбониевому углероду может слу- жить катализируемая кислотами перегруппировка пинакона (ср. стр. 210) в пинаколин, например; Me Me | +н+ | -н2о Ме-С—СМе2^=> Ме-С —СМе2Ч= он Ан ОН он н -н+ Мй-С— СМез II О Me I Ме-С-СМе I + - ОН XV Me—С—СМез о-н 126
Тот факт, что 1,2-смещение происходит в ионе XV, представ- ляющем собой уже третичный карбониевый ион, объясняется, вероятно, стабилизацией перегруппированного' иона за счет делокализации с участием пары электронов атома кислорода, а также легкостью потери протона с образованием устойчивого конечного продукта. Как и следовало ожидать, подобного рода реакции могут проходить с любым соединением, способным образовывать клю- чевой карбониевый ион XV. Так, бромгидрин XVI и оксиамин XVII при реакции соответственно с Ag+ и NaNO2 -t- НС1 также образуют пинаколин: Ме 1 Ме-С—СМе2 ОН Вг +Ag* Me 1 Me-C — CMe2 OH — AgBr XVI Ме HCI; XV A i N’ . Me Ме-С—СМе2 NaNO2 1 Me—C —CMe2 1 1 ОН nh2 1 cl OH №N XVII Миграция алкильной группы наступает, вероятно, исключи- тельно быстро вслед за стадией отщепления Н2О, Вг~или N2 (в рассмотренных случаях), а возможно, протекает даже одновре- менно с этой стадией, поскольку в соединениях, в которых кар- бониевый атом углерода асимметричен, ион не успевает стать плоским и образовать рацемическую смесь. Найдено, что в этих случаях получается продукт с обращенной конфигурацией: Ме I Ме-С —с; + Me Ме >Ме-С —C«R ---->Ме—С—C-=>R -n2 Ч ~Н+ || Ч oh'm=n °~~н n r О Атака происходит с «обратной стороны» по типу внутрен- него замещения по механизму SN2. То, что мигрирующая группа подходит преимущественно со стороны, противоположной от- щепляющейся группе, может быть показано на циклических системах, где вращение вокруг связи С-1—С-2 невозможно. Так, было выяснено, что соединения, в которых мигрирующая и от- щепляющаяся группы находятся в транс-положении одна по от- ношению к другой, подвергаются перегруппировке намного легче тех соединений, в которых эти группы имеют ^ас-располо- жение. Следует отметить, что мигрирующая алкильная группа 127
всегда мигрирует со своими связывающими электронами и, не- сомненно, действует как мощный нуклеофильный реагент. Если мигрирующая группа асимметрична, то (как показано на не- которых примерах, хотя и не непосредственно на этом) в про- цессе миграции она сохраняет свою конфигурацию. Это обстоя- тельство указывает на то, что мигрирующая группа реально никогда не отщепляется от остальной части молекулы и не становится свободной. Другим указанием на то, что мигрирую- щая группа никогда не находится в свободном виде, является тот факт, что перегруппировка двух разных, но сходных пинако- нов (перегруппировывающихся примерно с одинаковой скоро- стью) в одном и том же растворе не приводит к образованию «перекрестных» продуктов. Эта реакция может служить, сле- довательно, типичным примером внутримолекулярной, а не меж- молекулярной перегруппировки. Действительно, создается впечатление, что мигрирующая группа начинает присоединяться к атому углерода карбониевого иона еще до того, как разрывается ее связь с тем атомом угле- рода, от которого она отщепляется. В момент между исчезно- вением первоначального и образованием перегруппированного карбониевого иона возникает состояние, подобное, вероятно (ср. структуру бромониевого иона, образующегося при присое- динении брома к олефинам, стр. 178). Поскольку мигрирующая группа переходит вместе со своей электронной парой (т. е. как нуклеофил), можно ожидать, что из двух различных заместителей мигрировать будет тот, кото- рый является более нуклеофильным, т. е. более мощным доно- ром электронов. Так, например, в реакции мигрирует именно группировка п-МеОСбН4, а не С6Н5, что объясняется электронодонорными свойствами МеО-группы, на- ходящейся в пара-положении. Определенную роль играют, однако, и стерические факторы. Было показано, например, что группа о-МеОС6Н4 мигрирует 128
более чем в тысячу раз медленнее, чем п-МеОСбН4, и даже медленнее, чем незамещенная фенильная группа, что объяс- няется помехами, создающимися в результате взаимодействия в переходном состоянии с немигрирующими группами. В пинаконах типа Ph Ph Aik—С—(i—Aik ОН ОН мигрировать будут фенильные, а не алкильные группы, по- скольку образующееся в этом случае ароматическое мостико- вое соединение будет более устойчивым благодаря эффекту де- локализации (см. стр. 119). Перегруппировка Вольфа. Эта реакция включает отщепление азота от а-диазокетонов XVIII с последующей перегруппиров- кой, приводящей к возникновению весьма реакционноспособ- ных кетенов XIX: Ag2O XVIII XIX Промежуточное соединение XX не является карбониевым ионом, а представляет собой электронодефицитное соединение, известное под названием карбена, в котором группа R мигри- рует вместе с окружающими ее электронами так же, как это происходило в рассмотренных выше случаях. Возможность получения диазокетона при помощи реакции между диазометаном CH2N2 и хлорангидридом кислоты делает перегруппировку Вольфа практически важной, поскольку она является составной частью метода Арндта — Эйстерта, с по- мощью которого кислоту можно превратить в ее высший го- молог: R—С—ОН-----> R— С—С1 --> R— С—CHN2 AgjO О Н2О || —> R—СН=С=О -----> R—СН2—С—ОН В водном растворе присоединение воды к кетену приводит к образованию кислоты; если же проводить реакцию в аммиаке или в спирте, то можно прямо получать соответственно амид или эфир. 5 Зак. 718 129
5. МИГРАЦИЯ ГРУПП К ЭЛЕКТРОНОДЕФИЦИТНЫМ АТОМАМ АЗОТА Все рассмотренные нами реакции с перегруппировкой углерод- ного скелета имеют одну общую черту, состоящую в том, что миграция алкильной или арильной группы со своей электронной парой происходит в направлении атома углерода, который не- зависимо от того, несет ли он положительный заряд или нет, является электронодефицитным. Электронодефицитным является атом азота в таких группах, как, например, R2N+ или RN (ни- трены, ср. карбены, о которых шла речь выше). Можно было ожидать поэтому, что атомы азота в соединениях этого типа будут обладать способностью вызывать миграцию на себя так же, как в случае R3C+ и RjC; опыт подтвердил данное предпо- ложение. Реакции Гофмана, Курциуса, Лоссена Типичным примером реакций этого типа является превращение амида в амин под действием гипобромита в щелочной среде с потерей одного атома углерода, т. е. реакция Гофмана'. R\,_ в<о" R\ -он R4 /С—О-----> /С=о ---------► С=О H2N Вг—NH Bp-NZ ». XXI XXII + R R~N=C=O -<----R— N—С=О -<---- XXIV !NZ Нг° XXIII У "он RNHCOOH ------> RNH2 + НСО3 XXV Заметим, что XXIII содержит электронодефицитный атом азота, соответствующий электронодефицитному атому углерода в карбене XX, образующемся при перегруппировке Вольфа, а изоцианат XXIV, получающийся в результате реакции Гоф- мана, близко напоминает кетен XIX, образующийся в реакции Вольфа. Реакция Гофмана завершается гидратацией изоциа- ната, приводящей к карбаминовой кислоте XXV, которая пре- терпевает самопроизвольное декарбоксилирование с образова- нием амина. При соответствующих условиях удается выделить N-бромамид XXI, его анион XXII и изоцианат XXIV, промежу- 130
точное образование которых предполагается приведенной схемой. Стадией, лимитирующей скорость реакции, является отщеп- ление Вг^ от иона XXII, однако вполне вероятно, что отщеп- ление Вг" и миграция R происходят одновременно, т. е. здесь мы вновь сталкиваемся со случаем внутреннего замещения по механизму SN2. Можно поэтому ожидать, что чем сильнее вы- ражены электронодонорные свойства R, тем выше должна быть скорость реакции; это предположение было подтверждено при изучении скорости разложения бензамидов, содержащих в ядре электронодонорные заместители. К реакции Гофмана непосредственно примыкают две другие реакции, а именно реакция Курциуса— деградация азидов кис- лот XXVI и реакция Лоссена — разложение гидроксамовых кис- лот XXVII. Обе эти реакции, так же как и реакция Гофмана, приводят к образованию аминов и протекают через общее про- межуточное соединение — изоцианат: R /С=О HONH nh2oh \ NH2NH2 \ С =О------>- /С=О Eto' h2nnh XXVJ1 "ОН R _ хс=о Г| / НО—N -----► -'он NaNO,, — HCI нагревание -N2 XXVI R—N=C=O Реакцию Лоссена практически обычно проводят не со сво- бодными гидроксамовыми кислотами, а с их О-ацильными про- изводными, что обеспечивает более высокие выходы. Механизм ее в этом случае остается тем не менее точно таким же, каким он показан на схеме, если не считать того, что от аниона от- щепляется R'COO~, а не НО-. В реакции Курциуса азиды образуются при действии на гидразид нитрита натрия и кислоты; если реакцию проводить в спиртовом, а не в водном растворе (азотистая кислота полу- чается при этом из амилнитрита и хлористого водорода), то получаются уретаны: О О II II •• R'0H R—С—N3 -----> R—С—N —► R-N=C=O ---------> R—NHCOOR' —N2 5* 131
Во всех этих случаях, так же как и в рассмотренных выше перегруппировках, протекающих с изменением углеродного ске- лета, мигрирующая группа R сохраняет свою конфигурацию. Другая общая особенность таких реакций состоит в том, что если проводить перегруппировку двух1 различных, но очень сход- ных соединений в одном растворе, то не удается наблюдать образования смешанных продуктов. Это свидетельствует о том, что группа R в процессе миграции никогда не освобождается, т. е. все эти перегруппировки являются внутримолекулярными. Бекмановская перегруппировка В ряду перегруппировок, при которых группа R переходит от углерода к азоту, наиболее известным, безусловно, является превращение оксимов кетонов в N-замещенные амиды или бек- мановская перегруппировка: п, 0 0 R \ II II V=N—ОН —> R'—С—NHR или R— С—NHR' RZ Эта реакция катализируется разнообразными кислотными реагентами, например H2SO4, Р2О5, S03, SOCI2, BF3, РС15 и т. д., и протекает не только с самими оксимами, но и с их О-ациль- ными производными. В обычных условиях только некоторые из альдоксимов претерпевают перегруппировку, однако исполь- зование в качестве катализатора полифосфорной кислоты силь- но расширяет круг альдоксимов, способных участвовать в этой реакции. Наиболее интересной особенностью этой перегруппи- ровки является то, что в отличие от уже рассмотренных нами реакций вопрос о том, какая из групп, R или R', будет мигри- ровать, определяется не природой этих групп и, в частности, не сравнительной легкостью отщепления электрона, а их простран- ственным расположением. Было показано, что практически всегда мигрирует к азоту группа, находящаяся в анти-поло- жении: R-. ^R' HCk ^R' С с II —► II или R'CONHR : Nx /N’: XOH Rz Для подтверждения этого факта требовалось достоверно установить конфигурацию пары оксимов. Это было сделано сле- дующим образом. Было показано, что один из двух окси- мов XVIII или XXIX уже на холоду под действием щелочи циклизуется в изоксазол XXX, тогда как другой лишь с трудом подвергается атаке ионом “ОН даже в более жестких условиях. 132
'Легко циклизующемуся оксиму была приписана, исходя из этого, конфигурация XXXVIII, в которой ОН-группа оксима расположена в непосредственной близости от атома брома, а оксиму, устойчивому в отношении циклизации, — конфигура- ция XXIX, где реагирующие группы располагаются далеко друг от друга и поэтому их взаимодействие затрудняется: XXV1I1 XXIX Конфигурации других пар кетоксимов можно установить путем сравнения физических характеристик этих соединений с соответствующими константами пар оксимов, конфигурация которых уже известна. Поскольку надежно показано, что в бек- мановской перегруппировке всегда мигрирует группа R, нахо- дящаяся в анп/-положении, для установления конфигурации данного оксима обычно бывает достаточно изучить продукт пе- регруппировки. Так, было показано, что соединение XXVIII, как и следовало ожидать, дает замещенный N-метилбензамид, а соединение XXIX — только замещенный ацетанилид. Отсутствие прямого обмена групп R и ОН было показано путем изучения перегруппировки оксима бензофенона в бенз- анилид в среде воды, содержащей изотоп 18О. R = R'=Ph Поскольку ни исходный оксим, ни образующийся анилид не обменивают свой кислород на 18О при растворении в меченой воде (что было точно установлено), простой внутримолекуляр- ный обмен между Ph и ОН не может привести к включению 18О в продукт перегруппировки. Тем не менее оказалось, что бензанилид содержит 18О в той же пропорции, что и исходная вода. Это свидетельствует о том, что перегруппировка происхо- дит с отщеплением ОН-группы и последующим присоединением кислородсодержащей группы в результате реакции с водой. 138
Предполагается, что перегруппировка путем: протекает следующим -н2о> Х-С1 -----> XXXI О II R'—С—NHR «— |н,о. н HOt ZR XC=NZ R'/ ” X = R"CO—; R"SO2— и t. Д. В сравнительно сильных кислотах перегруппировка проте- кает путем протонирования оксима с последующим отщеплением молекулы воды и образованием XXXI с электронодефицитным атомом азота. В то же время под действием хлорангидридов кислот и других агентов образуется ацильное производное XXXII, которое отщепляет анион ~ОХ и дает то же проме- жуточное соединение. Подтверждением такой интерпретации является тот факт, что О-эфиры XXXII могут быть получены отдельно и далее способны претерпевать перегруппировку в нейтральных растворителях уже в отсутствие катализаторов. Кроме того, чем сильнее кислота X—ОН, т. е. чем стабильнее анион ~ОХ, тем легче он должен отщепляться при образовании XXXI и тем выше, следовательно, должна быть скорость ре- акции. Это заключение вытекает из того, что скорость реакции возрастает в ряду СН2СОО' < С1СН2СОО’ < PhSO? Тот факт, что подобная ионизация лимитирует скорость про- • цесса, подтверждается также возрастанием скорости реакции с повышением полярности растворителя. Трудно сказать, происходит ли в каждом случае разрыв связи N—О и миграция R действительно одновременно, однако даже если это и не так, то перегруппировка наступает практи- чески сразу же вслед за разрывом связи, поскольку было по- казано, что мигрирующая группа атакует атом азота с «обрат- 134
ной стороны», т. е. со стороны, противоположной отщепляю- щейся группе. В случае асимметричного R миграция не приво- дит к какому бы то ни было изменению конфигурации. Кроме того, при проведении одновременной перегруппировки двух раз- ных, но сходных оксимов в одном и том же растворе пере- крестной миграции групп R наблюдать не удается. Таким об- разом, реакция Бекмана представляет собой еще один пример внутримолекулярной перегруппировки, при которой мигрирую- щая группа R остается все время присоединенной к молекуле. После миграции группы R перегруппировка завершается атакой молекулой воды положительно заряженного атома угле- рода (именно на этой стадии происходит включение 18О в рас- смотренной выше перегруппировке оксима бензофенона) с по- следующим отщеплением протона и образованием енола амида, который переходит в собственно амид. Об использовании бекмановской перегруппировки для выяс- нения вопросов стереохимии при установлении конфигурации кетоксимов уже упоминалось; укажем также на применение этой реакции при промышленном синтезе волокнообразующего полимера поликапроамида (капрона): 6. МИГРАЦИЯ ГРУПП к электронодефицитиым АТОМАМ КИСЛОРОДА Можно ожидать, что должны существовать реакции, в которых миграция направляется на электронодефицитный атом кисло- рода. И действительно, такие перегруппировки были обнару- жены. Окисление кетонов по Байеру — Виллигеру Обработка кетонов перекисью водорода или органическими пер- кислотами RCO—ООН приводит к их превращению в сложные эфиры: О О II Н2°2 II R—С—R -----> R—С—OR 135
Показано, что стадией, лимитирующей скорость реакции, яв- ляется катализируемое кислотой присоединение перкислоты к кетону; реакция протекает, вероятно, по следующей схеме: О ОН I- R’c-оон он II I 2. —Н + | R-C-R R-с—R ---------------->R—С-R О + I р Н г О—О—CR --------->. -RCOO- XXXIV XXXV XXVI Начальный продукт присоединения (XXXIII) легко теряет анион и после миграции одной из R-групп вместе с ее элек- тронной парой дает протонированную форму XXXV конечного продукта — сложного эфира XXXVI. Приведенный механизм подтверждается данными, полученными с использованием метки 18О, согласно которым карбонильный кислород исходного кетона обнаруживается в карбонильной группе конечного эфи- ра. Показано также, что группа R мигрирует с сохранением конфигурации. Поскольку ион XXXIV (относящийся к катионам типа RO+) должен быть весьма нестабильным, представляется вполне ве- роятным, что данная перегруппировка происходит одновременно с потерей аниона, аналогично тому, как это протекает в синхрон- ной реакции Гофмана (см. стр. 130). При окислении асимметри- ческого кетона, как и в случае пинаколиновой перегруппировки (см. стр. 126), мигрирует обычно более нуклеофильная группа, однако так же, как и там, стерические эффекты могут суще- ственно менять порядок относительной легкости миграции ряда групп, выведенный только из их способности отдавать электрон. Перегруппировки перекисных соединений Перегруппировка, аналогичная описанной выше реакции Байе- ра — Виллигера, наблюдается при кислотно-катализируемом раз- ложении большого числа перекисных соединений. Так, кумил- гидроперекись XXXVII, получающаяся при окислении воздухом изопропилбензола (кумола) (ср. стр. 299), используется в про- 136
мышленности для получения фенола и ацетона, которые обра- зуются из нее при обработке кислотой: Me xxxix PhOH H+; H2O + -----> O=C—Me Me Н О—ОН о—он 0+ I н* | -к | Ph—С—Me Ph—С—Me - ~Ph—C—Me —► I Me XXXVII PhO —> +C—Me Me XL Me XXXVIII I. h2o PhO 2. — H+ | -----> HO—C—Me - Me XL I Вполне вероятно, что и в этой реакции XXXIX отдельнб не существует и что потеря молекулы воды и миграция фенильной группы вместе с ее электронной парой протекают синхронно, давая полукеталь XLI, который легко гидролизуется до ко- нечных продуктов — фенола и ацетона. В приведенных примерах мы рассмотрели гетеролитическое расщепление перекисных связей —0:0----> — 0+ + :0— которое протекает в полярных растворителях, ная группировка может подвергаться также и расщеплению с образованием радикалов —0:0------> — 0- + -0— Однако перекис- гомолитическому Такого рода превращения будут рассмотрены в последней главе этой книги (см. стр. 286).
ГЛАВА 6 РЕАКЦИИ ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО И НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ В АРОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ В предыдущих главах обсуждался вопрос о структуре бензола и, в частности, говорилось о его делокализованных л-орбиталях (см. стр. 30). Наличие повышенной плотности отрицательного заряда по обе стороны от плоского кольца, образуемого ато- мами углерода, является отличительной особенностью молекулы бензола; Можно ожидать, что подобное экранирование электронами атомов углерода кольца будет защищать их от атаки нуклео- фильными реагентами и, наоборот, облегчать возможность атаки катионами Х+ или электронодефицитными, т. е. электрофиль- ными, реагентами. Было показано, что оба эти предположения действительно реализуются. 1. ЭЛЕКТРОФИЛЬНАЯ АТАКА БЕНЗОЛА л- и о-Комплексы , Можно предположить, что на первой стадии реакции электро- фильного замещения бензола происходит взаимодействие меж- ду соответствующим электрофилом и делокализованными п-ор- биталями. И действительно, как показывает опыт, происходит образование так называемых п-комплексов, структуру которых можно схематически изобразить формулой I: । 138
Так, толуол при —78 °C образует с хлористым водородом комплекс в мольном соотношении 1 : 1, причем реакция легко обратима. Тот факт, что на этой стадии не происходит образо- вания связи между атомом углерода кольца и протоном из НС1, подтверждается данными по реакции с DC1. Хлористый дейтерий, так же как и НС1, дает л-комплекс, но его образо- вание и распад не приводят к замещению атомов водорода кольца на дейтерий. Это показывает, что связь С—D в ком- плексе не образуется. Ароматические углеводороды образуют л-комплексы также с галогенами и ионами Ag+; хорошо из- вестны л-комплексы с пикриновой кислотой (2,4,6-тринитрофено- лом), представляющие собой устойчивые кристаллические соеди- нения, температура плавления которых может быть использо- вана для характеристики углеводородов. В присутствии электроноакцепторных соединений, например кислот Льюиса типа А1С13, образуется комплекс, отличающийся от описанного выше. Если в такой системе заменить НС1 па DC1, то атом водорода кольца легко обменивается на дейте- рий. Такой обмен свидетельствует об образовании так назы- ваемого о-комплекса II, в котором Н+ или D+ образует истин- ную связь с атомом углерода кольца. Положительный заряд распределяется по остальным пяти атомам углерода кольца с участием л-орбиталей, а атомы дейтерия и водорода распола- гаются в плоскости, перпендикулярной плоскости кольца: Н D и Тот факт, что л- и о-комплексы, образуемые, например, при взаимодействии толуола с НС1, действительно отличаются один от другого, подтверждается различием в их свойствах. Так, образование л-комплекса не приводит к изменениям цвета, сопровождаясь лишь незначительными изменениями в- спектре поглощения, что свидетельствует об отсутствии существенных нарушений распределения электронной плотности в толуоле. В присутствии же А1С13 раствор приобретает зеленую окраску, становится электропроводным, и спектр поглощения толуола прич этом резко изменяется, что указывает на образование о-комплекса типа II, поскольку мы не имеем оснований считать, что хлористый алюминий образует комплексы типа Н+ A1C1J. Реакция может быть завершена путем удаления протона из о-комплекса II при действии А1С1< с образованием IV. При этом если в реакции участвует НС1, то просто происходит об- мен атомов водорода; в случае же DC1 реакция приводит к 139
некоторому замещению атомов водорода на дейтерий, т. е. весь процесс в целом является электрофильным замещением. Н D D Н D С1 н А1С17 (+СГ) II III присоеди- нение A1CU (-н+) IV замещение Теоретически возможен альтернативный путь завершения реакции, так как соединение II может реагировать с A1C1J, отнимая у него ион С1~. Этот путь привел бы к реакции элек- трофильного присоединения (П->Ш), как это имеет место в случае обычной двойной связи С = С (см. рис. 180). Од- нако это вызвало бы снижение степени стабилизации молекулы бензола, обусловливаемой наличием делокализованных л-орби- талей, которые охватывают все шесть атомов углерода арома- тического кольца, поскольку продукт присоединения уже не являлся бы ароматическим соединением со всеми вытекающими отсюда последствиями. Поэтому реакция идет по пути отщеп- ления протона от соединения II, т. е. происходит замещение,, а не присоединение. Система делокализованных л-орбиталей восстанавливается, и образуется продукт IV, обладающий ста- бильностью, характерной для ароматических соединений. Можно было бы ожидать, что превращение, бензола в а-ком- плекс II, приводящее к утрате ароматической стабилизации, должно требовать значительного количества энергии, т. е. энер- гия активации реакции должна быть достаточно высокой, а ее скорость, следовательно, небольшой. В действительности же многие реакции электрофильного замещения в ароматических соединениях протекают очень быстро при комнатной темпера- туре. , Это связано с влиянием двух факторов, снижающих барьер, препятствующий образованию иона II. Первый из них состоит в возможности использования энергии, выделяемой при образовании новой связи с атакующим электрофилом, а вто- рой— в некоторой стабилизации положительно заряженного а-комплекса (т. е. соответствующем снижении энергетического уровня) за счет делокализации заряда: Н D Н D Н D или Н D Наличие такой делокализации оправдывает ст-комплекса формулой II. II изображение 140
Если наше предположение о том, что электрофильное за- мещение проходит через стадию образования промежуточного о-комплекса, правильно (а о его правильности свидетельствует тот факт, что в ряде случаев такие комплексы удалось реально выделить, см. стр. 143, 147), то это означает, что реакции, ко- торые мы называем обычно «ароматическим замещением», фак- тически представляют собой присоединение с последующим от- щеплением . Рассмотрим теперь, как подтверждаются эти положения на примере наиболее распространенных реакций электрофильного замещения бензола. Нитрование Одной из наиболее широко исследованных реакций замещения в ароматических системах является нитрование. На примере этой реакции можно, вероятно, наиболее детально разобрать механизм электрофильного замещения. Препаративное нитрова- ние чаще всего проводят смесью концентрированных азотной и серной кислот, так называемой нитрующей смесью. Старое объяснение необходимости наличия в реакционной смеси сер- ной кислоты состояло в том, что она поглощает воду, обра- зующуюся при нитровании C6H6 + HNO3 —> CeH6NO2 + Н2О и препятствует тем самым обратной реакции. Такое объяснение неудовлетворительно по многим причинам. В частности, при этом остается непонятным, почему образующийся нитробензол в условиях реакции не атакуется водой. С другой стороны, не вызывает сомнений тот факт, что в отсутствие серной кислоты нитрование идет медленно, хотя сама серная кислота в обыч- ных условиях реакции нитрования не реагирует с бензолом. Таким образом, похоже на то, что серная кислота взаимодей- ствует скорее с азотной кислотой, чем с бензолом. Это пред- положение подтверждается наблюдаемым четырехкратным по- нижением температуры замерзания при растворении азотной кислоты в концентрированной серной кислоте, которое интер- претируется как образование четырех ионов: HNO3+2H2so4qf=±:+NO2-i-H3o+-i- 2HSOJ или H2SO4 +"] H2SO4 но—NO2------->HSO4+HO—NO2--------->H3O++2HSO4' + no2 H Наличие иона нитрония +NO2 в этом растворе, а также в со- ставе ряда солей теперь подтверждено спектроскопически, а не- которые из его солей, например +NO2 СЮ4, удалось даже вы- делить. Сама азотная кислота в концентрированной серной 141
кислоте фактически полностью превращается в катион +NO2, и нет никаких сомнений в том, что в условиях реакции этот ка- тион выступает эффективным электрофилом. Если функция серной кислоты заключается просто в созда- нии сильнокислой среды, в которой облегчено образование ка- тиона +NO2 из НО—NO2, то можно ожидать, что и другие силь- ные кислоты, например HCIO4, также будут ускорять реакцию нитрования. Эксперимент подтвердил это предположение. Эф- фективными катализаторами оказались также HF и BF3. Не- значительная эффективность самой азотной кислоты в реакции нитрования бензола объясняется низким содержанием в ней ионов +NO2, небольшое количество которых все же возникает в результате двухстадийного процесса; быстро + HO-NO2 + HNO3 .<: — NO3 + HQ—NO2 + | медленно hq—no2 + HNO3 у н3о+ + NO3 + +no2 На первой стадии азотная кислота, выступая в качестве ос- нования, быстро превращается в свою сопряженную кислоту, а уже затем из нее более медленно образуется положительный ион нитрония. Кинетика нитрования в обычных условиях проведения реак- ции достаточно сложна из-за низкой растворимости нитруемого соединения, например бензола, в нитрующей смеси. Скорость реакции в целом определяется скоростью растворения несме- шивающегося углеводорода в нитрующей смеси. Можно пока- зать, однако, что скорость многих реакций нитрования подчи- няется кинетическому уравнению Скорость ~ [Аг—H][+NO2] и в свете высказанных выше соображений, касающихся энер- гетики реакций, можно с уверенностью утверждать, что ста- дией, определяющей скорость реакции, является начальная атака бензола ионом нитрония, а ие последующее отщепление протона ионом HSO4 или другим анионом. Тот факт, что последняя стадия не является лимитирующей, подтверждается результатами исследования процесса нитрова- 142
ния нитробензола, атомы водорода в котором предварительно были замещены на дейтерий. Нитробензол был выбран вместо бензола потому, что он лучше растворим в нитрующей смеси и суммарная скорость реакции уже не лимитируется скоростью растворения реагента. Изучение относительных скоростей рас- щепления связей С—Н и С—D дало право предположить при- мерно десятикратное снижение скорости нитрования при пере- ходе от C6H5NO2 к C6D5NO2. В действительности, однако, за- метных отличий для обоих нитробензолов не оказалось; это показывает, что расщепление связей углерод — водород (или углерод — дейтерий) не включается в стадию, лимитирующую скорость реакции нитрования. Тот факт, что карбониевые ионы, изображенные формулой V, действительно являются промежу- точными формами, образующимися при определенных условиях в процессе нитрования, независимо от скорости этого процесса, может быть проиллюстрирован на примере нитрования трифтор- метилтолуола смесью NO2F + BF3: Va Если проводить эту реакцию при —80 °C, то комплекс Va действительно может быть выделен осаждением и идентифици- рован спектроскопически и другими методами. Если повысить температуру до —15 °C, то он с количественным выходом пре- вращается в продукт нитрования, обычно образующийся в ре- зультате этой реакции. Высокая стабильность иона BFF без- условно оказывает важное стабилизирующее влияние на ком- плекс Va, вследствие чего этот комплекс может быть реально выделен. Следует подчеркнуть, что скорость замещения в аромати- ческих соединениях лимитируется образованием переходного состояния, непосредственно предшествующего образованию ком- плекса Va. Однако мы не располагаем возможностями полу- чения каких-либо данных, непосредственно характеризующих переходное состояние, и можем лишь считать, что это состояние энергетически и структурно сильно не отличается от проме- жуточного соединения Va (ср. стр. 61). Поэтому о-комплексы типа Va можно использовать в качестве моделей, непосред- ственно предшествующих им переходных состояний. Важное значение промежуточного образования структуры V состоит также в том, что энергия, освобождающаяся в ре- зультате образования связи С—NO2, может облегчить расщеп- ление прочной связи С—Н, которое без одновременного 143
образования связи С—NO2 осуществлялось бы со значительно большими трудностями. Некоторого пояснения требует еще одна реакция, имеющая препаративное значение. Было обнаружено, что ряд реакцион- носпособных ароматических соединений, таких как фенол, легко нитруется даже в разбавленной азотной кислоте, причем ско- рость реакции гораздо выше той, которую можно было бы ожи- дать исходя из данных о концентрации присутствующих в смеси ионов +NO2. Как было показано, это связано с наличием в си- стеме азотистой кислоты, которая нитрозирует реакционноспо- собное ароматическое кольцо ионом нитрозония +NO (или ка- кими-нибудь другими агентами, осуществляющими нитрозиро- вание, ср. стр. 111): HNO2 + 2HNO3 -4 ,>Н3О+4- 2NO3++NO Образующийся нитрозофенол VII способен, как известно, очень легко окисляться азотной кислотой, давая нитрофе- нол VIII; образование при этом дополнительного количества азотистой кислоты приводит к ускорению процесса. Существен- но, что для протекания реакции не требуется, чтобы в азотной кислоте с самого начала содержалась азотистая кислота, так как некоторое ее количество образуется из азотной кислоты в результате реакции окисления, фенола. Предполагают, что и в этом случае стадией, лимитирующей скорость реакции, является образование промежуточного продукта, имеющего структуру VI. Одновременно с рассмотренным процессом происходит также и прямое нитрование реакционноспособных соединений ионами +NO2, причем соотношение скоростей этих двух процессов за- висит от конкретных условий. Галогенирование Галогенирование (например, бромйрование) бензола действием самого галогена протекает только в присутствии катализаторов, таких как ZnCl2, FeBr3, А1Вг3 и т. д. Катализаторами являются обычно кислоты Льюиса. Они вызывают некоторую поляризацию молекулы галогена, усиливая тем самым ее электрофильный ха- рактер, после чего такая поляризованная молекула атакует 144
п-электроны ароматического кольца участком, несущим поло- жительный заряд: Вг—BrFeBrj St 8- 8+ 8- Вг—Br-FeBr3 + "Br-FeBr3 + НВг + FeBr3 После расщепления связи бром — бром образуется о-комп- лекс с бензолом, о/ которого возникающий отрицательно заря- женный комплекс ~Br-FeBr3 отрывает протон, давая бром- бензол. В качестве галогенирующих средств могут применяться так- же водные растворы НО—Hal, разумеется, в присутствии силь- ных кислот. Имеются надежные доказательства того, что, на- пример при хлорировании, хлорирующим агентом является ион С1+, образующийся в результате реакции: н+ + НО—С1 —------> НО—С1 ---------> Н2о + С1+ быстро •• медленно Механизм дальнейшего взаимодействия ионов С1+ с бензолом не отличается от механизма нитрования ионами +NO2. Сходство этих двух процессов подтверждается тем, что кислота НОС1 сама по себе, так же как и HNO3, очень слабо взаимодействует с бензолом; как в том, так и в другом случае для высвобож- дения ионов С1+ и +NO2 (являющихся активными электрофиль- ными реагентами) путем протонирования «молекул-носителей» требуются сильные кислоты: +П НО С1 hq—no2 н Дальнейшие доказательства в пользу того, что замещаю- щими агентами являются галоген-катионы или комплексы, со- держащие поляризованный галоген, были получены при изуче- нии реакций между межгалогенидными и ароматическими соеди- нениями. Так, например, действие ВгС1 приводит только к броми- рованию, а 1С1—только к иодированию, т. е. в молекулу арома- тического соединения всегда вводится менее электроотрицатель- ный галоген, который в исходной молекуле межгалогенидного соединения несет на себе частичный положительный заряд, на- пример: Вг->С1 145
В отсутствие катализаторов хлор присоединяется к бензолу на свету: реакция протекает по радикальному механизму и рас- сматривается в гл. 11 (см. стр. 290). Сульфирование Тонкие детали механизма сульфирования известны не так хо- рошо, как нитрования. В настоящее время, например, все еще дискутируется вопрос о том, какой из двух реагентов осуще- ствляет электрофильную атаку — ион бисульфония +SO3H или молекула SO3. Большая часть имеющихся данных свидетель- ствует все же о том, что в обычных условиях сульфирования атакующим агентом являются молекулы SO3, образующиеся в результате реакции 2H2SO4 SO8 + Н3О++ HSO7 Атом серы в молекуле SO3 характеризуется сильным дефи- цитом электронов и, следовательно, именно этот атом должен связываться с угле- родным атомом ароматического кольца. Следует обратить внимание на две особенности реакции суль- фирования, отличающие ее от нитрования. Во-первых, реакция сульфирования обратима, и, во-вторых, она существенно замед- ляется при замене атомов водорода ароматического кольца бо- лее тяжелыми атомами радиоактивного изотопа трития 3Н. Пос- леднее обстоятельство указывает на то, что в отличие от нитро- вания стадия, лимитирующая скорость сульфирования, включает отщепление протона от о-комплекса, образующегося между бен- золом и SO3: Н so3 быстро Практическое значение имеет обратимость реакции: при об- работке сульфоновых кислот водяным паром происходит заме- щение группы SO3H на водород. При обработке бензола горячей концентрированной серной кислотой сульфирование протекает довольно медленно. Отчасти это связано с плохой смешиваемостью реагентов, в связи с чем 146
реакцию обычно ведут на холоду с дымящей серной кислотой; очевидно, что более быстрое сульфирование в этих условиях обусловлено более высокой концентрацией свободного SO3. Реакция Фриделя — Крафтса Для удобства рассмотрим раздельно реакции алкилирования и ацилирования. Алкилирование. Взаимодействие первичных алкилгалогени« дов, например МеС1, с ароматическими соединениями в при- сутствии кислот Льюиса (галогенидов алюминия, BF3 и др.) мало чем отличается по своему механизму от рассмотренной выше реакции галогенирования: 5+ 5- Ме—ClAJCh ----------> Н ме + НС1 + А1С13 В этом случае также была предпринята попытка выделения о-комплекса, образующегося в процессе реакции: + HF + BF3 Промежуточное соединение представляет собой твердое кри- сталлическое вещество оранжевого цвета, плавящееся с разло- жением при —15 °C; оно образует нормальный продукт алкили- рования с выходом, близким к количественному. Образование поляризованных комплексов между галогени- дом алюминия и алкилгалогенидом подтверждается наличием изотопного обмена между галогенидами алюминия, содержащими меченый галоген, и алкилгалогенидом. Однако при переходе от первичных алкилгалогенидов ко вторичным и третичным можно наблюдать повышение способности атомов углерода, связанных с галогенами, нести на себе положительный заряд (т. е. образо- вывать более или менее стабильные ионы карбония, ср. стр. 120). В связи с этим возрастает также тенденция комплекса к иони- зации с образованием в составе ионных пар ионов R+ (ср. 147
стр. 116), являющихся эффективными электрофильными реаген- тами. Тем не менее четкую границу между первичными, вторич- ными и третичными алкилгалогенидами в отношении их эффек- тивности как доноров карбониевых ионов провести невозможно, поскольку существенное влияние при этом оказывает природа катализатора и природа атомов галогена в составе алкил- галогенида. Так, например, при взаимодействии бензола с Ме3ССН2С1 в присутствии А1С13 получается почти исключительно PhCMe2CH2Me, так как еще до реакции с бензолом успевает пройти изомеризация первичного иона карбония Ме3ССН2 в тре- тичный ион карбония Ме2ССН2Ме (ср. стр. 124). Если, однако, в качестве катализатора используется FeCl3, то большая часть продукта реакции представляет собой Me3CCH2Ph, образую- щийся из неизомеризованного иона. Аналогично взаимодействие бензола с н-пропилбромидом в присутствии бромида галлия GaBr3 приводит в основном к образованию изопропилбензола (см. стр. 122), тогда как 1-хлорпропан в присутствии А1С13 дает в основном пропилбензол. В качестве алкилирующих агентов при алкилировании бен- зола вместо алкилгалогенидов могут использоваться также алкены. Для образования иона карбония в этом случае необхо- димо наличие кислоты, и в качестве катализатора часто исполь- зуется BF3 (как кислота Льюиса). н+ + С6Нв Ме—СН=СН2 —Me—СН—Ме ------------->- PhCHMe2 (BF3) В присутствии некоторых из обычно применяемых катализа- торов, в особенности А1С13, довольно легко может протекать дезалкилирование, что указывает на обратимость реакции алки- лирования. Так, например, при нагревании n-ксилола X с хло- ристым водородом и А1С13 большая часть углеводорода превра- щается в термодинамически более устойчивый лрксилол XI (ср. стр. 164). В тех случаях, когда имеет место изомеризация, существен- ное значение имеет присутствие НС1; было высказано предпо- ложение, что в первично протонированных ионах происходит перегруппировка по типу перегруппировки Вагнера — Меервейна (см. стр. 125) с соответствующей миграцией метильной группы: XI 148
Алкилбензолы могут подвергаться также диспропорциониро- ванию, включающему стадии дезалкилирования и реалкилиро- вания; примером может служить поведение этилбензола в при- сутствии HF и избытка BF3: Et Et Et 45% 10% 45% Главным недостатком при препаративном использовании ре- акции Фриделя — Крафтса является полиалкилирование (см. стр. 156). Ацилирование. В присутствии кислот Льюиса хлорангидриды + и ангидриды кислот дают ион ацилия R—С=О или сильно по- б+ б- ляризованные комплексы, например МеСОС! • А1С13, которые действуют как эффективные электрофильные реагенты, приводя к образованию кетона XII: RCOC1 + А1С13 —> A1C17+R—С=О (RCO)2O+ А1С13 —> RCOOA1C17 + R—С=О R—С=О + CeHs —► R—С—Ph—Н ------> R—С—Ph II -н* || О О хп Получающийся кетон образует соединение с хлористым алю- минием Ph\ + ;с—о—Aici3 Rz извлекая его тем самым из сферы реакции. Таким образом, для завершения реакции необходимо значительно больше одного эквивалента катализатора в отличие от реакции алкилирования, где требуется лишь небольшое количество катализатора. Имеются, однако, некоторые указания, согласно которым свя- зывание хлористого алюминия кетоном не просто мешает про- теканию реакций. Если бы комплекс с А1С13 не возникал, то ке- той образовывал бы соединение с ионом ацилия Ph\+ ° ;с—о—с—r RZ который не мог бы атаковать основной субстрат, в данном слу- чае С6Н6„ 14»
В отличие от алкилирования при реакциях ацилирования пе-, регруппировок в радикале не происходит. Однако если радикал имеет сильно разветвленное строение, то может происходить от- щепление СО, и в этом случае вместо ожидаемого ацилирования будет наблюдаться алкилирование субстрата: / + + СбНб Ме3С-С=О Ме3С-----> PhCMe3 В качестве примера ацилирования по Фриделю — Крафтсу можно указать на весьма важную в синтетическом отношении двухстадийную реакцию: Хотя формилхлорид НСОС1 вследствие нестабильности не может быть использован, однако формилирование можно осу- + ществить ионом НС=О, который возникает при протонирова- нии окиси углерода в присутствии НС1 и А1С1з (реакция Гаттер- мана — Коха): + А1С13 С6Н6-|-НС=О -----> PhCHO4-H+ Азосочетание Еще одним классическим примером электрофильного замещения в ароматических соединениях может служить азосочетание, в ко- тором эффективным электрофилом, как было выяснено, служит катион арилдиазония Ph—N = N -< > Ph—N=N Он является, однако, более слабым электрофилом по срав- нению с такими агентами, как +NO2, и способен обычно успешно атаковать только очень реакционноспособные ароматические сое- динения, такие как фенолы и амины, не атакуя в то же время реакционноспособный эфир PhOMe. Введение электроноакцеп- торных групп в орто- и пара-положения катиона арилдиазония повышает его электрофильность, увеличивая положительный за- ряд на диазогруппе. N < 150
Так, катион 2,4-динитрофенилдиазония уже сочетается с PhOMe, а 2,4,6-тринитропроизводное — с углеводородом мезити- леном. Катионы диазония существуют только в кислой и слабоще- лочной среде (в сильно щелочном растворе они превращаются в кислоты, например Ph—N = N—ОН, а затем в диазотат- анионы, например Ph—N —N—О~), в связи с чем реакции азосочетания могут проводиться только в указанных условиях. 'Оптимальное значение pH зависит от свойств атакуемого соеди- нения. В случае фенолов реакция лучше всего протекает в слабо- щелочной среде, поскольку фенолят-ион намного легче атакуется электрофилом, чем сам фенол, из-за значительно более высокой электронной плотности: Сочетание может протекать либо по кислородным, либо по углеродным атомам. Если иметь в виду только относительную электронную плотность, то можно было бы ожидать, что реак- ция пойдет предпочтительно по атому кислорода. Однако замет- ное влияние на направление реакции оказывает прочность обра- зующейся связи, вследствие чего электрофильная атака фенолов приводит обычно к образованию С-замещенных продуктов. На- пример: Протон удаляется присутствующим в растворе основанием. Ароматические амины атакуются, как правило, несколько труднее, чем фенолы. Поэтому сочетание с ними чаще всего проводят в слабокислом растворе, что обеспечивает высокую концентрацию иона PhN>> без заметного превращения амина •• + ArNH2 в нереакционноспособный протонированный катион ArNH3 (подобные ароматические амины представляют собой очень сла- бые основания, ср. стр. 87). Предварительное диазотирование первичных ароматических аминов проводится в сильнокислой среде для уверенности в том, 151
что исходный амин действительно превращается в катион; это предохраняет его от сочетания с образующейся солью диазония. В случае ароматических аминов атаковаться могут либо ато- мы азота, либо атомы углерода (в отличие от фенолов)-. Для первичных и вторичных аминов (т. е. N-алкиланилинов) атака направляется в основном по атому азота и приводит к диазо- аминосоединениям: H,N:* N=NPh HN—N=NPh Для большинства первичных аминов такой продукт является единственным; для N-алкиланилинов сочетание может идти так- же и по ароматическому кольцу, а в случае третичных аминов (Ы.Ы-диалкиланилинов) единственным является продукт сочета- ния по углероду: NR2 N=N—Ph Различие в местах преимущественной атаки первичных и вто- ричных ароматических аминов (по сравнению с фенолами) от- ражает, по-видимому, различия в относительной электронной плотности соответствующих участков молекулы, которые ока- зывают решающее влияние на направление этой реакции. Сле- довательно, в отличие от большого числа других реакций элек- трофильного замещения ароматических соединений, реакция азо- сочетания чувствительна к относительно небольшим различиям в электронной плотности. Это связано со сравнительно слабой реакционной способностью иона PhNj как электрофила. Ана- логичные различия в электронной плотности имеют место, есте- ственно, и для фенолов, но здесь выбор места атаки зависит в основном от относительной прочности образующихся связей. В случае аминов это различие для двух альтернативных продук- тов азосочетания, очевидно, играет гораздо меньшую роль. Образование диазоаминосоединений в качестве продуктов со- четания с первичными аминами не является препятствием для получения препаративных количеств продуктов сочетания по аро- матическому кольцу, поскольку при нагревании в кислой среде 152
диазоаминосоединения могут перегруппировываться, давая соог ветствующие аминоазосоединения: N=N— Ph -Ч- -н+ Показано, что в этих условиях перегруппировка протекает межмолекулярно, т. е. катион диазония освобождается в про- цессе реакции, после чего он может переходить на фенолы, аро- матические амины и другие подходящие вещества (при добав- лении их в раствор). Перегруппировка легче всего идет в присутствии кислотного катализатора плюс избыток амина, который подвергается пер- вичному сочетанию с образованием диазоаминосоединения. Воз- можно, что этот амин непосредственно атакует протонированное диазоаминосоединение, вытесняя Ph—NH2, а затем теряет протон: .С1 /=\/ N I Аг н N—NHoPh II N=N—Ar + Н + ---> H2N Следует, вероятно, упомянуть также о случаях ароматиче- ского электрофильного замещения неводородных атомов или групп. Примером может служить реакция: Ph-1 + HI —> С6Н6 + 12 Для нее характерны все особенности (направляющее влия- ние заместителей и т. д.) типичных реакций электрофильного замещения. Тем не менее реакции этого типа не совсем обычны и мало используются в препаративных целях. Наряду с рассмотренными выше реакциями ароматического замещения, протекающими в условиях, когда важную роль иг- рает полярность реагирующих компонентов, известны также слу- чаи ароматического замещения, протекающего по гомолитиче- скому механизму с участием свободных радикалов (см. стр. 303). 153
2. ВЛИЯНИЕ УЖЕ ПРИСУТСТВУЮЩИХ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ Вопрос о влиянии заместителей, уже имеющихся в ароматиче- ском кольце, на реакционную способность кольца в отношении дальнейших электрофильных атак и места последующих заме- щений, изучен довольно хорошо. Предложено большое число эмпирических правил, касающихся этих влияний; легче всего эти правила могут быть интерпретированы исходя из электроно- донорных или электроноакцепторных свойств уже присутствую- щего заместителя. Индуктивный эффект заместителей Алкильные группы являются электронодонорными и, следова- тельно, они должны повышать электроотрицательность кольца. Влияние метильной группы в толуоле Х111 частично обусловлено, по-видимому, вкладом таких форм, как, например, XIII, в общее гибридное состояние, т. е. эффектом ги- перконъюгации (см. стр. 41). Индуктивный эффект большинства других заместителей, на- пример галогенов, ОН, ОМе, NH2, SO3H и т. д., будет действо- вать в противоположном направлении, поскольку атомы, непо- средственно связанные с кольцом, в этом случае более электро- отрицательны, чем углерод, с которым они соединены. Напримерз С1 t Однако индуктивный эффект не является единственным эф- фектом, определяющим характер взаимодействия между заме- стителем и ароматическим кольцом. Мезомерный эффект заместителей Многие из обычно встречающихся заместителей содержат на атоме, непосредственно связанном с ароматическим кольцом, 154
неподеленные пары электронов, которые могут вступать во вза- имодействие с делокализованными л-орбиталями: Очевидно, аналогичные схемы можно написать для таких заместителей, как ОН, SH, NH2 и т. д. Электроотрицательность ароматического кольца при этом возрастает. Противоположное влияние может иметь место, когда атом, при помощи которого заместитель непосредственно соединен с кольцом, связан кратной связью с еще более электроотрицатель- ным атомом. В этом случае вследствие сопряжения возникает взаимодействие между таким атомом и делокализованными л-орбиталями кольца: Аналогичные схемы описывают, очевидно, поведение таких групп, как COR, СООН, SO3H, NO2, CN и т. д. Электроотрица- тельность ароматического кольца под влиянием таких замести- телей понижается. Суммарный эффект Любая группа в кольце, действующая в конечном счете как до- нор электронов, должна приводить к возрастанию скорости за- мещения при действии электрофильного реагента по сравнению со скоростью замещения в самом бензоле, поскольку электрон- ная плотность у атомов углерода кольца благодаря влиянию такой группы повышается. Соответственно любая группа в кольце, действующая в конечном счете как электроноакцептор- ная, должна приводить к снижению скорости такого замещения. Сказанное проявляется, в частности, в относительной чувстви- тельности фенола, бензола и нитробензола по отношению к дей- ствию окислителей, являющихся электрофильными агентами (например, КМпО4). Фенол очень легко атакуется такими окис- лителями, причем окисление сопровождается деструкцией аро- матического кольца. Бензол довольно устойчив по отношению к подобной атаке, а нитробензол — еще более устойчив. 155
Влияние заместителей проявляется также в реакции Фри« деля—Крафтса. Алкилирование бензола приводит к образованию начального продукта Ph—R, который подвержен электро- фильной атаке легче, чем сам бензол, из-за наличия электроно- донорного заместителя R. Поэтому реакцию очень трудно пре- кратить на стадии моноалкилирования и, как правило, проис- ходит полиалкилирование (см. стр. 149). В то же время при ацилировании начальный продукт Ph—COR подвергается атаке труднее, чем сам бензол, и реакция может быть легко останов- лена на этой стадии. Действительно, часто легче бывает син- тезировать моноалкилбензол ацилированием с последующим восстановлением по Клемменсену или какими-нибудь другими способами, чем прямым алкилированием, из-за трудностей, свя- занных с полиалкилированием и с возможными перегруппиров- ками в радикале R. Наличие электроноакцепторного заместителя оказывается, как правило, достаточным для того, чтобы затор- мозить реакцию Фриделя—Крафтса. Поэтому такое соединение как, например, нитробензол, часто используют в качестве рас- творителя для этой реакции, тем более что он хорошо раство- ряет А1С13. Суммарный электроноакцепторный эффект, обусловленный действием такого заместителя, как, например, NO2, не вызывает сомнений, поскольку в этом случае индуктивный и мезомерный эффекты действуют в одном направлении и усиливают друг друга. В случае аминогруппы эти эффекты действуют, однако, в противоположных направлениях и т.д. то ость и заранее невозможно предвидеть, будет ли суммарный эффект приводить к активированию ароматического кольца или к его дезактивированию. В табл. 2 указаны направления и величины дипольных моментов различных монозамешенных бензолов. Сопоставление суммарного электронодонорного эффекта групп ОН и NH2 с суммарным электроноакцепторным эффектом атома хлора показывает, насколько легче кислород и азот реа- лизуют свои электронные пары по сравнению с хлором. Этого более чем достаточно для того, чтобы «пересилить» индуктивный эффект в первых двух случаях и не «пересилить» его для хлор- производного. Следует, однако, помнить, что дипольные момен- ты различных сложных групп, например ОН, не совпадают по направлению с осью бензольного кольца и, следовательно, со- ставляющая дипольного момента, реально влияющая на связь 156
Таблица 2. Дипольные моменты ряда монозамещенных бензола Ph—Y Заместитель Y ц, D Направление диполя Ph—Y он 1,6 ] nh2 1,5 ! ОМе it] <- + Me 0,3 ) Н 0,0 С1 сно SO3H NOS 1,6 2,8 3,8 3.9 + -> с кольцом, может отличаться от наблюдаемого на опыте диполь* ного момента молекулы как целого: •нк -О'- Соотношение между электронной плотностью и легкостью электрофильного замещения может быть выявлено, если срав- нить направление и величину дипольных моментов (см. табл. 2) с относительными скоростями атаки ионом +МОг: Относительная скорость атаки PhOH.............. PhMe .... ........ CeHe.............. PhCl.............. PhNO2............. 103 2,5 1 3-10~2 < 10~4 Ориентация замещения Относительное содержание о-, м- и n-изомеров, образующихся при реакции электрофильного замещения, зависит от природы уже имеющегося в ароматическом кольце заместителя. Направ- ляющее действие определяется влиянием этого заместителя на энергетические уровни каждого из переходных состояний, соответствующих атакам орто-, мета- и пара-положений, а сле- 157
довательно, на относительные скорости образования каждого из изомеров. Таким образом, ориентирующее влияние заместителя является по своей природе кинетическим (см. стр. 62). По- скольку переходное состояние обычно сильно не отличается по энергии от соответствующего неустойчивого промежуточного со- единения или о-комплекса, можно предположить, что и в струк- турном отношении они также сильно не различаются. Исходя из этого можно считать, что структурные особенности, способ- ствующие стабилизации определенного о-комплекса, должны стабилизовать также и соответствующее переходное состояние. Рассмотрим три возможности нитрования ароматического кольца в случае, когда оно содержит группу, обладающую спо- собностью сильно оттягивать электроны, например NO2, т. е. случай нитрования нитробензола. XV1B XVIa XVI6 Все эти три альтернативных о-комплекса могут быть стаби- лизованы за счет делокализации положительного заряда на аро- матическом кольце (см. стр. 140). Очевидно, однако, что такая делокализация будет менее эффективна в случае замещения орто- и пара-положений по отношению к уже имеющейся NO2 группе, так как в каждом из этих двух случаев одна из структур (соответственно, XIV6 или XVI6) будет нести положительный за- ряд на атоме углерода, который уже связан с положительно за- 158
ряженным атомом азота, что энергетически явно невыгодно. Для о-комплекса, соответствующего мета-замещению (XV), это ограничение отсутствует и промежуточное соединение, возни- кающее при атаке мета-положения, должно быть более устойчи- вым (энергетический уровень соответственно более низким) по сравнению с промежуточными соединениями, возникающими при атаках орто- и пара-положений. Таким образом, скорость образования л«-изомера должна быть относительно самой высо- кой и его концентрация в реакционной смеси, следовательно, максимальной, что и наблюдается на опыте. Следует, однако, иметь при этом в виду, что все три о-комплекса, возникающие при нитровании нитробензола, стабилизованы несколько слабее, Чем о-комплекс, возникающий при нитровании самого бензола, и атака даже мета-положения в молекуле нитробензола осуще- ствляется при одних и тех же условиях труднее, чем любого из атомов углерода в незамещенном бензоле. Рассмотрим теперь случай нитрования анизола, т. е. случай, когда уже имеющийся заместитель (ОМе) обладает сильно вы- раженным электронодонорным характером. (орто-} МеО XVHb XVIIr XVIla XV1I6 И здесь, так же как и в случае нитробензола, каждый из трех ^-комплексов может быть стабилизован за счет делокализации положительного, заряда на ароматическом кольце, однако для атаки орто- й пара-положений по отношению к уже имеющейся группе ОМе имеется еще одна дополнительная возмож- ность стабилизации за счет делокализации заряда на ОМе-груп- пе с участием свободной пары электронов атома кислорода 159
(соответственно XVIIr и Х1Хв). Эта возможность облегчения делокализации не может быть реализована в случае о-комп- лекса, возникающего при атаке мета-положения, в результате в реакционной смеси обнаруживаются преимущественно о- и п- изомеры. При этом, в отличие от нитробензола, атака этих поло- жений в анизоле при одинаковых условиях происходит легче, чем атака любого из атомов углерода в бензоле. Следует, однако, помнить, что независимо от природы уже присутствующего заместителя речь идет об относительных ско- ростях атаки орто-, мета- и пара-положений, и, хотя обычно предпочтительным является или орто-/пара-, или мета-замеще- ние, тем не менее ни одно из альтернативных замещений нельзя считать полностью исключенным. Так, например, было показано, что нитрование толуола дает ~3°/о -«-нитротолуола, а нитрова- ние грег-бутилбензола—~ 9% л^-нитропродукта. Представляет интерес поведение хлорбензола, поскольку хлор, с одной сто- роны, обладает способностью оттягивать электроны, в связи с чем ароматическое кольцо хлорбензола нитруется труднее, чем сам бензол (свойство, связываемое обычно с мета-ориентирую- щим влиянием), но с другой стороны, он направляет нитро- группу не в мета-, а в орто- и пара-положения. Эта особенность хлора, как заместителя, обусловлена тем, что хотя в нейтраль- ной молекуле хлорбензола его свободные электронные пары зна- чительно менее охотно взаимодействуют с системой л-орбиталей ароматического кольца (см. стр. 157), чем электронные пары кислорода или азота (соответственно в феноле и в анилине), однако такое взаимодействие удивительно сильно проявляется в положительно заряженных о-комплексах, что приводит к пре- имущественному замещению орто- и пара-положений. no2 no2 орто- легпа- Такого рода поведение может быть обусловлено временной поляризацией, т. е. электромерным эффектом (XX), наклады- ваемым на постоянную поляризацию молекулы и стимулируе- мым приближением положительно заряженного электрофила NO2. 160
Скорость реакции будет при этом оставаться меньшей, чем в случае самого бензола, из-за суммарной дезактивации аромати- ческого кольца вследствие индуктивного эффекта атома хлора, действующего в противоположном направлении. Очень сходная ситуация создается при присоединении асим- метричных молекул к винилгалогенидам, например к СН2=СНВг. Здесь индуктивный эффект контролирует скорость присоедине- ния, а мезомерная стабилизация карбониевого иона определяет ориентацию этого присоединения (см. стр. 181), Влияние условий проведения реакции Условия, при которых проводится реакция электрофильного за- мещения, могут частично или даже полностью изменять ориен- тирующее влияние направляющей группы. Так, например, в случае фенола в щелочной среде ОН-группа становится даже более мощным орто-пара-ориентантом, чем в нейтральной или кислой средах, поскольку в щелочной среде за- мещение происходит, по существу, уже не в молекуле фенола, а в фенолят-ионе XXI. Индуктивный эффект направлен при этом в противоположную сторону (по сравнению с самим фенолом) и, что еще важнее, электроны заместителя приобретают способ- ность взаимодействовать с системой л-электронов ароматиче- ского кольца, вследствие чего электронная плотность в аромати- ческом кольце заметно повышается. В случае анилина имеет место обратная картина. Будучи в обычных условиях орто-пара- ориентантом, в сильнокислой среде он, по крайней мере частич- но, становится мета-ориентантом из-за протонирования амино- группы, приводящего к образованию катиона анилиния XXII В результате протонирования исчезает возможность какого бы то ни было взаимодействия неподеленной пары электронов азота с делокализованными л-орбиталями ароматического кольца, поскольку эти электроны теперь вовлечены в образова- ние связи • с протоном, а влияние индуктивного эффекта, оттяги- вающего электроны от кольца, очень сильно возрастает из-за появления положительного заряда на азоте (XXII). При наличии более чем одного насыщенного атома между положительно заряженным атомом и ароматическим кольцом индуктивный эффект, как известно, очень резко снижается (ср. 6 Зак, 718 161
стр. 78). Одновременно падает относительный выход мета-изо- мера, как это видно из данных по нитрованию ряда жирноаро- матических аминов: Содержание мета-изомера, % PhNMe3................... 100 PhCH2NMe3................. 88 PhCH2CH2NMe3......... . 19 PhCH2CH2CH2NMe3........ 5 Соотношение орто- и пара-изомеров На первый взгляд можно было бы ожидать, что соотношение орто- и пара-изомеров, образующихся в процессе замещения кольца с орто-пара-ориентирующим заместителем, должно со- ставлять 67 : 33, поскольку имеется два орто-положения и только одно пара-положение. Практически же это соотношение никогда ие реализуется. Если не считать того, что почти всегда наряду с орто- и пара-изомерами получается небольшое количество мета-замещенного продукта (степень замещения каждого из по- ложений определяется в конечном счете легкостью атаки или, иначе говоря, относительной скоростью реакции), то чаще всего смесь имеет завышенное содержание пара-продукта. Это объ- ясняется, вероятно, тем, что имеющийся заместитель стерически затрудняет атаку в близко находящиеся от него орто-положе- ния, тогда как для достаточно удаленного пара-положения та- кого рода затруднения не возникают. Это объяснение подтвер- ждается экспериментальными данными, согласно которым уве- личение размера уже имеющегося заместителя при переходе от СН3 к Ме3С приводит ж заметному уменьшению относительного содержания образующегося орто-изомера (от 57% до 12%) и соответственно к возрастанию содержания пара-изомера (от 40% до 80%). Увеличение размера атакующего агента дает та- кой же эффект. Так, например, при введении различных групп в ароматическое кольцо молекулы хлорбензола получаются следующие результаты: % орто- % пара- изомера изомера С1................... 39 55 NO,.................. 30 70 Вг................... 11 87 SO3H.................. 0 100 Однако соотношение орто- и пара-продуктов определяется не только стерическим фактором. Так, при нитровании фтор-, хлор-, бром- и иодбензолов процентное содержание образую- 162
щихся орто-изомеров возрастает в порядке, в котором написаны эти соединения, хотя размер заместителя при этом увеличивает- ся. Это объясняется тем, что электроноакцепторный индуктив- ный эффект заместителя оказывает значительно более сильное влияние на соседние орто-положения, чем на более отдаленное от него пара-положение. Индуктивный эффект значительно сни- жается при переходе от фторбензола к иодбензолу (наиболее сильно это уменьшение проявляется при переходе от фторбен- зола к хлорбензолу), вследствие чего атака в орто-положения облегчается, несмотря на увеличение размера уже присутствую- щего заместителя. Известны случаи, когда наблюдается образование о-изомера в неожиданно высокой концентрации, обусловленное взаимодей- ствием между уже присутствующим заместителем и атакующим электрофилом, в результате которого электрофил вступает в со- седнее орто-положение. Так, например, в реакции фенолят-иона с формальдегидом начальное взаимодействие СЩО с ионом ме- талла ионной пары фенолят — металл (XXIII) приводит к обра- зованию комплекса (ср. стр. 270), внутри которого может иметь место перераспределение электронов, в результате чего происхо- дит специфическое образование о-изомера: ххш Соотношение между о- и n-изомерами зависит также в зна- чительной степени от условий проведения реакции. Оно может меняться, в частности, при переходе от одного растворителя к другому либо вследствие изменения природы атакующего элек- трофила, либо в результате изменения относительной стабиль- ности переходных состояний, ведущих к орто- и пара-продуктам под влиянием молекул растворителя. Изменение температуры также может оказывать влияние на соотношение между о- и n-изомерами и, кроме того, известно большое число различных аномалий, которые еще не получили разумного объяснения. з. кинетический и термодинамический контроль Во всех случаях, о которых шла речь выше, условно принима- лось, что соотношение альтернативных продуктов в ходе реак- ции, например о-, м и n-изомеров, определяется соотношением скоростей их образования, т. е. регулируется на кинетическом уровне (см. стр. 62). Однако это условие не всегда соблюдается. Так, например, было показано, что при алкилировании толуола 6* 163
бензилбромидом по Фриделю — Крафтсу при 25 °C в присутствии кислоты Льюиса GaBr3, выполняющей функцию катализатора, имеет место следующее соотношение изомеров в смеси: Время, с % орто- % мета- % пара- изомера изомера изомера 0,01 40 21 39 10 23 46 31 - Даже после очень короткого промежутка времени с начала реакции (0,01 с) соотношение изомеров в смеси (в небольшом количестве успевшего образоваться продукта), по-видимому, не совсем соответствует соотношению скоростей их образования — относительное содержание л-изомера явно велико, а через 10 с уже не остается сомнений в том, что скорость синтеза разных изомеров не зависит от кинетических параметров, а определяет- ся равновесными характеристиками (см. стр. 63): больше всего в смеси содержится наиболее термодинамически устойчивого изомера, а именно .и-бензилтолуола. Очевидно, что такая ситуация должна иметь место в тех случаях, когда альтернативные продукты способны в условиях реакции взаимно превращаться друг в друга. Такого рода пре- вращения могут происходить или в результате прямой изомери- зации, или вследствие обращения реакции с образованием ис« ходных веществ, которые подвергаются новым атакам и дают термодинамически более устойчивые изомеры. Важно подчерк- нуть, что соотношения образующихся альтернативных продуктов будут определяться в этих случаях их относительной термоди- намической устойчивостью при тех условиях, при которых про- водится реакция; очевидно, что эти условия могут отличаться от условий существования изолированных молекул. Так, напри- мер, при нагревании .и-ксилола до 82° С с HF и с каталитиче- скими количествами BF3 соотношение трех изомерных ксилолов в продукте реакции очень близко к соотношению, вычисленному на основе их термодинамических устойчивостей. Экспе- Вычис- римент лево % о-....................... 19 18 % ......................... 60 58 % я-....................... 21 24 Если, однако, вести нагревание в условиях избытка BF3, то про- дукт будет содержать более 97% ^-ксилола. Это связано с тем/ что в этих условиях ксилолы будут превращаться в соответ- ствующие соли, например 164
и равновесие сместится, следовательно, в сторону наиболее ос- новного, т. е. наиболее устойчивого в этой ситуации (мета-) изо- мера. Известны случаи, когда регулирующим фактором может оказаться не основность, а температура (см. ниже). 4. ЭЛЕКТРОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ В ДРУГИХ АРОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ В случае нафталина электрофильное замещение, например нит- рование, происходит преимущественно в а-, но не в ^-положение. Это можно объяснить тем обстоятельством, что стабилизация переходной структуры за счет делокализации более эффективна при a-замещении, чем при атаке в p-положение (ср. с бен- золом): Для каждой из переходных структур можно написать еще большее число форм с делокализацией положительного заряда в соседнем ароматическом кольце. Для промежуточной струк- туры, образующейся при а-замещенпи, таких форм может быть написано семь, а при р-замещении— только шесть. Однако наи- более важными являются все же формы, в которых второе коль- цо остается нетронутым и сохраняет полностью делокализован- ные л-орбитали. Тогда различие между а- и p-замещением ста- новится более заметным, поскольку «-замещению отвечают две такие формы, а р-замещению — только одна. Возможность делокализации заряда в промежуточной струк- туре, возникающей при замещении, в нафталине значительно выше, чем в бензоле. Все эти соображения позволили предполо- жить, что электрофильная атака в случае нафталина будет про- текать легче, чем в случае бензола. Опыт подтвердил такое предположение. Было показано, что сульфирование нафталина концентрированной, серной кислотой при 80°C приводит почти полностью к a-замещению; это связано с тем, что скорость обра- зования альтернативного продукта, р-сульфоновой кислоты, происходит очень медленно, т. е. имеет место кинетический контроль. В то же время при 160 °C сульфирование приводит к продукту, содержащему не менее 80% Р- и около 20% «-суль- фоновой кислоты. Тот факт, что в этих условиях имеет место термодинамический контроль, подтверждается результатом опы- та по нагреванию чистой нафталин-а- (или -р-) сульфоновой кислоты в концентрированной H2SO4 при 160 °C; образующаяся 168
в этих условиях равновесная смесь, независимо от исходной кис- лоты имеет точно такой же состав, т. е. содержит 80% 0-кис- лоты и 20% а-кислоты. Более высокая термодинамическая ста- бильность 0-кислоты по сравнению с а-кислотой обусловлена в основном тем, что в а-изомере имеет место нековалентное взаимодействие между очень большой 5О3Н-группой и распо- ложенным с ней по соседству Н-атомом, которое снижает устой- чивость этого изомера. Взаимное превращение а- и 0-кислот в H2SO4 при 160°C мо- жет осуществляться йли в результате прямой внутримолекуляр- ной изомеризации, или вследствие обращения реакции сульфи- рования с образованием нафталина, подвергающегося новой атаке уже в другом месте. Для решения вопроса о том, какой из этих механизмов действительно имеет место, можно провести реакцию в H25SO4. В первом случае образующиеся сульфоно- вые кислоты не будут содержать изотоп 35S, тогда как второй механизм непременно должен привести к включению 35S. Опыты, проведенные с меченой H25SO4, показали, что включение 35S в сульфокислоты действительно имеет место, однако скорость та- кого включения меньше скорости взаимного превращения а- и 0-кислот. Этот факт можно объяснить либо тем, что превраще- ние осуществляется одновременно по обоим механизмам, либо тем, что оно осуществляется только по второму механизму, но атака молекул нафталина, образующихся при десульфировании, освобождающимися молекулами H2SO4 осуществляется легче, чем окружающими молекулами Нг55О4. Вопрос о том, какое из этих двух возможных объяснений отвечает действительности, остается открытым. Пиридин XXIV подобно бензолу имеет шесть л-электронов (один из которых поставляется азотом), расположенных на де- локализованных л-орбиталях. Однако в отличие от бензола в пиридине л-орбитали деформированы, поскольку электроны сме- щены в сторону атома азота из-за его более высокой электро- отрицательности по сравнению с углеродом. Это проявляется, в частности, в наличии у пиридина дипольного момента, вслед- ствие чего пиридиновое кольцо, как и следовало ожидать, дез- активировано в отношении электрофильного замещения; в этом отношении пиридин можно сравнить с нитробензолом XXV, ▼ N ▼ /г=2,ЗБ "О/+^Ь /x=3,9D XXIV XXV Дезактивация кольца значительно возрастает при электро- фильной атаке, поскольку положительный заряд, возникающий 166
на атоме азота вследствие его протонирования или появляю- щийся в результате прямой атаки электрофильного агента, от- тягивает электроны еще сильнее. И действительно, как показывает опыт, электрофильное за- мещение в кольце пиридина протекает крайне трудно. Так, на- пример, сульфирование требует нагревания в течение 24 ч. с олеумом при 230 °C. Замещение происходит в p-положение (мета- но отношению к электроноакцепторному центру), что объясняет- ся причинами, аналогичными тем, о которых говорилось при рассмотрении замещения в нитробензоле (см. стр. 158). Пиррол XXVI также имеет делокализованные л-орбитали, однако азот участвует в образовании этих орбиталей уже двумя своими электронами. Поэтому пиррол практически не обладает свойствами основания (см. стр. 91), и его дипольный момент имеет направление, противоположное направлению дипольного момента в пиридине. /г = 1,8 D XXVII Поэтому о пирроле часто говорят как о л-избыточном (excessive) гетероцикле, а о пиридине как о л-недостаточном (deficient) гетероцикле. Пиррол ведет себя подобно активированному замещенному бензола, например анилину, и очень легко подвергается элек- трофильному замещению. Однако замещение осложняется тем, что в сильнокислой среде пиррол легко протонируется, причем скорее всего по а-углеродному атому (XXVII),, а не по азоту (ср. стр. 91). Вследствие этого соединение утрачивает аромати- ческий характер и ведет себя аналогично сопряженному диену, очень легко подвергаясь полимеризации. Электрофильное замещение в пирроле удается тем не менее осуществить, но в весьма специфических условиях, обеспечи- вающих преимущественную атаку a-положения, поскольку мета- стабильная промежуточная структура, ведущая к а-замещению, характеризуется более сильной делокализацией и, следовательно, более высокой стабильностью по сравнению с переходным со- стоянием, ведущим к р-замещению: NH NO2 мн no2 NH 167
Следует отметить, что различие в стабильности этих двух промежуточных структур не столь уж велико из-за высокой сте- пени активации кольца и после a-замещения легко может про- ходить атака в р-положение. Роль атома азота, приводящего к облегчению атаки а- или р-положений путем стабилизации соответствующих промежуточ- ных соединений в результате использования его положительного заряда, напоминает роль, которую играет атом азота NH2-rpyn- пы в облегчении аналогичной атаки ароматического кольца в'слу- чае анилина (см. стр. 156). 5. НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ В АРОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ Замещение атомов водорода Поскольку типичные реакции электрофильного замещения в бен- золе определяются наличием п-электронов, можно предполо- жить, что присутствие сильного электроноакцепторного замести- теля, заметно оттягивающего п-электроны от кольца, сделает возможной атаку кольца нуклеофилом (см. присоединение нук- леофилов к алкенам, содержащим электроноакцепторные заме- стители; стр. 193). Действительно, сплавление нитробензола с поташом на воздухе дает о-нитрофенол XXVIII: он xxvnr Нитрогруппа способна участвовать в стабилизации отрица- тельно заряженной промежуточной структуры XXIX и что более важно — предшествующего ей и сходного с ней переходного со- стояния, для которого эта структура может служить моделью. Такая стабилизация будет иметь место при условии, если ион "ОН присоединяется в орто- или пара-положение, и не будет иметь места в случае присоединения в мета-положение. Несмотря на размеры соседней МО2-группы, более предпочтительной должна быть атака в орто-положение, поскольку индуктивный эффект нитрогруппы, действуя на малом расстоянии, создает большую нехватку электронов в орто-, чем в пара-положении. Суммарная реакция протекает именно в ожидаемом направлении, т. е. за- меститель, мета-ориентирующий при электрофильной атаке, ста- новится орто-пара-ориентантом при нуклеофильной атаке. Если промежуточный продукт XXIX образовался, то он мо- жет отщеплять либо “ОН (1) и обратно превращаться в нитро- бензол, либо Н“ (2), давая продукт реакции XXVIII, Для того 168
чтобы сместить равновесие вправо, необходимо ввести в реак- ционную среду окислитель, который способствовал бы отщеп- лению гидрид-иона и связывал бы его сразу же после отщепле- ния. Поэтому сплавление нитробензола с поташом проводят либо на воздухе, либо в присутствии таких окислителей, как нитрат или феррицианид калия. В отсутствие окислителей сам нитробензол может действовать как окислитель, превращаясь при этом в азоксибензол; выход нитрофенола при этом соответ- ственно уменьшается. Пиридин ведет себя аналогично нитробензолу; при атаке амидом натрия (т. е. ионами _NH2, реакция Чичибабина) полу- чается а-аминопиридин XXX — соединение, используемое при синтезе сульфопиридина. Эти превращения аналогичны реакциям SN2 с той разницей, что нуклеофильная атака атома углерода осуществляется не «сзади», а «сбоку»; они отличаются также тем, что атом, по ко- торому происходит реакция, ни в каком переходном состоянии не связывается одновременно более чем с четырьмя другими атомами (ср. стр. 92). Таким образом, механизм реакций нук- леофильного замещения в пиридине настолько отличается от обычного механизма SN2, что для него стоит ввести специаль- ный символ Зк2аромат, который указывает на нуклеофильное замещение именно в ароматических системах. Замещение неводородных атомов Реакции нуклеофильного замещения в ароматических соедине- ниях более характерны для замещения неводородных атомов, т. е. для реакций, в которых замещается неводородный атом (или атомы) и покидающие группы (например, С1~ или Мг) от- деляются легче, чем Н~. Такое замещение может протекать как по механизму Sjyl, так и по механизму ^2аромат- Единственным примером важной реакции нуклеофильного замещения в ароматических соединениях, осуществляющейся по механизму Sjyl, может служить замещение в солях диазония: + н2о -------> АгОН + Н+ медленно + МеОН ArNj ----—> Аг+ —-------------> АгОМе + Н+ -n2 + 1- -------* Ari Лимитирующей стадией в этой реакции является отщепление азота от катиона диазония; вслед за этим происходит быстрая 189
реакция между арил-катионом и нуклеофилом, которая проте- кает по уравнению первого порядка в отношении ArN* и не зависит от концентрации нуклеофила. Большое число превращений солей диазония, особенно в сла- бополярных растворителях, протекает, однако, по радикальному механизму (см. стр. 303). Наиболее простым примером реакции, протекающей по ме- ханизму Sjv2apoMaT, является реакция замещения активирован- ного атома галогена: XXXI Кинетическое исследование большого числа таких реакций свидетельствует о том, что они действительно протекают по би- молекулярйому механизму. В отличие от реакции бимолекуляр- ного нуклеофильного замещения в алифатических соединениях, когда связь с покидающей группой разрывается одновременно с образованием связи с присоединяющейся группой, в рассмат- риваемом случае действительно образуется промежуточное соединение типа XXXI. Об этом свидетельствует"тот факт, что хлориды и бромиды в большинстве случаев реагируют практи- чески с одной и той же скоростью. Если бы стадией, лимити- рующей скорость реакции, являлся разрыв связи углерод—га- логен, то очевидно, что для хлорзамещенных реакция должна была бы протекать медленнее, чем для бромзамещенных, по- скольку связь углерод—хлор разорвать труднее, чем аналогич- ную связь углерод—бром. Факт образования промежуточного соединения подобного строения удалось подтвердить экспериментально — при действии ЕЮ- на 2,4,6-тринитроанизол XXXIII и при действии МеО на 2,4,6-тринитрофенетол XXXIV был выделен один и тот же про- дукт XXXII: (2) (1) ХХХ11 МеО" (2)Н+ 170
Было показано также, что подкисление реакционных смесей в каждой из этих реакций приводит к строго одинаковому соот-. ношению продуктов XXXIII и XXXIV. Таким образом, существуют реакции нуклеофильного заме- щения, в котором связь с покидающей группой разрывается: а) до того как образуется связь с атакующим нуклеофилом (5Л-1); б) одновременно с образованием связи с атакующим нуклеофилом (SN2); в) после того как связь с атакующим нук- леофилом уже образовалась (^2аромат)- К реакциям, по суще- ству аналогичным рассмотренным выше, относятся такие хорошо известные реакции, как замещение сульфитного иона солей ще- лочных металлов ароматических сульфоновых кислот ионами -ОН или "CN, или замещение иона ~NR2 в п-нитрозо-М,Ы-ди- алкиланилинах (см. стр. 112) ионами ~ОН. Причиной активирующего влияния электроноакцепторных групп, особенно NO2-rpynn, на атомы галогена, связанные с коль- цом, является их способность стабилизовать промежуточные структуры типа XXXI за счет делокализации. Исходя из этого, можно ожидать, что нитрогруппы будут оказывать особенно эф- фективное влияние при орто-пара-замещении, поскольку при мета-замещении нитрогруппы могут помогать в распределении заряда только за счет их индуктивного эффекта. Действительно, в случае пикрилхлорида (O2N)3C6H2C1 влияние трех нитрогрупп, находящихся в положениях 2, 4 и 6, на реакционную способ- ность атома хлора выражено настолько сильно, что это соеди- нение ведет себя почти как хлорангидрид. Галогензамещенные пиридины, в которых атомы хлора находятся в положениях 2 и 4 (но не в положении 3), точно по тем же причинам легко всту- пают в реакции замещения (роль электроноакцепторной группы выполняет гетероциклический атом азота). По своей реакцион- ной способности эти соединения действительно напоминают со- ответствующие орто- и пара-нитрогалогензамещенные бензола, хотя галогены активированы в них несколько меньше, чем в бензольных производных. Для того чтобы нитрогруппы могли повышать стабильность промежуточных структур типа XXXI и тем самым способство- вать их образованию, р-орбитали атома азота NO2-rpynn долж- ны располагаться параллельно р-орбиталям, принадлежащим расположенным по соседству атомам углерода кольца. Для этого атомы кислорода, связанные с азотом нитрогруппы, также долж- ны лежать приблизительно в плоскости ароматического кольца. Если стерические препятствия мешают атомам кислорода рас- положиться в этой плоскости, то NO2-rpynna становится значи- тельно менее эффективной в смысле стабилизации переходной структуры, поскольку может проявляться только ее индуктивное влияние. Так, например, атом брома в соединении XXXV заме- щается значительно медленнее, чем в п-нитробромбензоле XXXVI, поскольку наличие метильных групп в орто-положениях 171
не дает возможности атомам кислорода нитрогруппы располо- житься параллельно плоскости кольца и препятствует оттяги- ванию электронов от кольца по мезомерному механизму (ср, стр. 45). XXXV XXXVI Замещение галогена в неактивированном ядре Атом хлора в хлорбензоле способен замещаться таким нуклео- филом, как “ОН, только в крайне жестких условиях. Это свя- зано, вероятно, с тем, что в отличие от рассмотренных выше примеров ожидаемая промежуточная структура (возникающая по механизму ^2аромат) не стабилизована и поэтому неохотно образуется. С1 ОН XXXVII ' Интересно, однако, что в диметилсульфоксиде реакция хлор- бензола с “OR протекает значительно легче, чем в гидроксиль- ных растворителях. Это может быть связано с тем, что в случае гидроксильных растворителей алкокси-ионы сильно стабилизо- ваны за счет образования водородных связей с молекулами рас- творителя, в связи с чем их эффективность как атакующих ну- клеофилов снижается. При атаке n-хлортолуола XXXVIII ионами “ОН при 340°С наряду с ожидаемым анионом n-крезола (XXXIX) неожиданно обнаруживается также присутствием л/-крезола (XL); XXXVIII XXXIX XL 172
Трудно представить, что соединение XL может получиться вследствие прямого замещения; можно показать, что оно не полу- чается также и в результате изомеризации XXXIX, поскольку в условиях реакции XXXIX устойчиво. Точно такая же ситуация имеет место при атаке соединения XXXVIII ионами _NH2 (ср. стр. 69); в этом случае основным продуктом реакции является соединение XLII. XXXVIII XLI XLII Для того чтобы представить, что происходит в действитель- ности, следует иметь в виду, что продуктом реакции никогда не является орто-изомер, а также тот факт, что реакция с ионом _NH2 протекает значительно легче, чем с ионом "ОН, причем первый из них в условиях проведения реакции является более сильным основанием. Если ион _NH2 действительно выступает в качестве основания, то можно представить себе, что процесс происходит по следующему механизму: Потеря НС1 приводит к образованию промежуточного бен- зина (дегидробензола) XLIII, к которому затем присоединяются ион _NH2 и протон >(т. е. NH3), и в зависимости от места при- соединения образуется пара- XLI или мета-производное XLII. Таким образом, реакция, называемая нами замещением, и в этом случае в действительности представляет собой последова- тельно протекающие реакции отщепления и присоединения (см. стр. 141), 173
Приведенный механизм находится в соответствии с тем фак- том, что арилгалогениды, теряющие водород при углеродном атоме, расположенном в орто-положении по отношению к гало- гену, и неспособные поэтому отщеплять НС1, крайне устойчивы по отношению к реакции аминирования. Очевидно, что прямым подтверждением возможности такого рода механизма могло бы служить доказательство возможности существования промежу- точных соединений типа дегидробензола (бензина). Таким дока- зательством может служить «улавливание» (ср. стр. 68) с по- мощью фурана XLIV, который, как можно ожидать, выступая в качестве диена, будет давать по реакции Дильса—Альдера (см. стр. 191) стабильный аддукт XLV: Соединение XLV действительно образуется и может быть легко идентифицировано с помощью кислотного гидролиза, при- водящего к хорошо известному а-нафтолу XLVI. Если дегидро- бензол образуется в условиях, при которых ему «не с кем» вступить в реакцию, то он очень легко димеризуется с образо- ванием устойчивого дифенилена XLVII: Одним из наиболее удобных методов идентификации де- гидробензола может служить метод масс-спектрометрии. При введении соли диазотированной антраниловой кислоты (XLVIII) в обогреваемую ионизационную камеру масс-спектрометра по- лучается очень простой масс-спектр, содержащий пики 28; 44; 76 и 152 т/е, причем интенсивность пика 76 уменьшается со вре- менем, а интенсивность пика 152 — возрастает. XLVUI + СО2 + N2 (76) (44) (28) 174
Возрастание интенсивности пика 152 указывает на посте- пенную димеризацию дегидробензола с образованием дифени- лена XLVII. Дальнейшее исследование превращения хлорбензола под дей- ствием иона “ОН при высокой температуре в фенолят-ион (стр. 172) показало, что это превращение частично протекает через образование дегидробензола, а частично по механизму простого замещения, причем относительный вклад каждого из механизмов зависит от условий проведения реакции.
ГЛАВА 7 ПРИСОЕДИНЕНИЕ ПО ДВОЙНЫМ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫМ СВЯЗЯМ Двойная углерод-углеродная связь (см. стр. 23) включает прочную о-связь и более слабую л-связь, расположенную в дру- гой плоскости (I): С—с I Пара электронов л-орбитали более диффузна, менее прочно удерживается между ядрами атомов углерода и, следовательно, легче поляризуется по сравнению с электронами о-связи. Это приводит к характерной для таких ненасыщенных соединений повышенной реакционной способности. Поскольку л-электроны являются наиболее легко доступной частью углерод-углеродной двойной связи, естественно ожидать, что они должны играть роль экранирующей оболочки молекулы от атаки нуклеофильными реагентами. Было показано, что л-электроны действительно играют эту роль. Оказалось, что ха- рактерными реакциями для таких систем являются реакции, ини- циируемые электронодефицитными частицами, такими как, на- пример, Х+ и X» (радикалы можно рассматривать как электроно- дефицитные частицы, поскольку они стремятся присоединить еще один электрон и образовать химическую связь). Катионы инду- цируют гетеролитическое расщепление л-связи, а радикалы — гомолитическое, причем первые из них обычно функционируют преимущественно в полярных растворителях, а вторые — в непо- лярных, особенно при действии света. Реакции присоединения, индуцируемые свободными радикалами, рассматриваются в гл. 11 (стр. 288), а эта глава посвящена в основном полярным меха- низмам. 1. ПРИСОЕДИНЕНИЕ БРОМА Можно было бы предположить, что присоединение галогена, на- пример брома, к двойной связи происходит в результате про- стого одностадийного процесса: I | —с—с— Вг Вр 176
Однако имеется две группы экспериментальных фактов, про- тиворечащие такому предположению, согласно которым: (а) ре- акции присоединения стереохимически специфичны и приводят не к цпс-продукту, как этого требует приведенное выше уравне- ние, а к траис-продукту; примером может служить реакция бро- мирования циклопентена: и (б) реакции присоединения в присутствии нуклеофилов, таких как, например, СГ, NO3- и Н2О:, приводят к тому, что наряду с ожидаемым дибромидом образуются продукты, в которых к одному из атомов углерода двойной связи присоединяется нукле- офил: Вг Y Учитывая эти факты, реакцию присоединения рассматривают как ступенчатый процесс, инициируемый положительным концом молекулы брома, которая поляризуется или в результате при- ближения к л-электронному облаку двойной связи, или под влия- нием других компонентов системы, например стеклянных стенок сосуда, или же под действием добавленных к реакционной смеси кислот Льюиса (ср. стр. 144) а+ 6- Вг—Вг4-А1Вг3 —► Вг—Вг-А1Вг3 которые, как это было показано, действительно значительно ускоряют реакцию: В результате первичного взаимодействия между бромом и л-электронным облаком получается л-комплекс IV, а из него 177
образуется карбониевый ион V, в котором бром связан с угле- родом о-связью, или ион бромония VI. Процесс завершается атакой анионами Вг~, приводящей к образованию конечного про- дукта реакции — дибромида VII. Кинетические данные дают основания считать, что скорость всего процесса в целом лимитируется образованием V или VI, а атака ионами Вг~ осуществляется очень быстро. Поэтому при проведении реакции присоединения в присутствии других нуклео- филов (по сравнению с которыми ионы Вг_ не обладают ника- кими преимуществами с точки зрения их эффективности в бы- стро протекающей конечной атаке V или VI, приводящей к об- разованию продукта присоединения) можно наблюдать образо- вание смешанных продуктов: Образование наряду с дибромидом VII указанных на этой схеме продуктов действительно можно наблюдать, если прово- дить реакцию присоединения брома в присутствии соответствен- но NaCl (VIII), NaNO3 (IX) или Н2О (X). То, что они не полу- чаются просто в результате вторичной атаки уже образовавше- гося дибромида VII ионами СГ и NOL или молекулами Н2О:, доказывается тем, что скорость их образования значительно выше скорости предполагаемых реакций замещения в сравни- мых условиях. Наблюдаемое присоединение брома в транс-положение объ- ясняется тем, что атака бромониевого иона VI объемистым ато- мом брома должна, очевидно, протекать значительно легче, а следовательно быстрее, по механизму атаки сзади: у 178
Следует подчеркнуть, что V и VI различаются только рас- пределением электронов, т. е. они представляют собой канониче- ские состояния и реальная структура промежуточного иона яв- ляется чем-то средним между двумя этими состояниями. Было показано, что при присоединении галогенов к ацетиле- нам также предпочтительно (хотя и не исключительно) полу- чаются транс-производные. Так, например, эквимольная смесь ацетилендикарбоновой кислоты и брома дает наряду с основным продуктом — дибромфумаровой кислотой XI также дибром- малеиновую кислоту XIT. СООН С III С I СООН Вг2 Вг^ /СООН с с НООС-/ \вг Вгх /СООН с II с XI XII (70%) (30%) Влияние заместителей на скорость присоединения. Если на- чальная атака ионами Вг+, приводящая к образованию катиона V или VI, является стадией, которая лимитирует скорость реак- ции, то можно предположить, что наличие электронодонорных заместителей у атомов углерода, образующих двойную связь, будет облегчать присоединение по двойной связи. Относитель- ная скорость реакций присоединения возрастает в ряду: Вг СН СООН ~ СН < Меч Меч /Ме с V - Mes \/Ме С Меч с^ zMe : сн2 < ' СН < II II II II II II II сн2 сн2 сн2 . СН2 сн2 Me' СН Ме' 4 Me 0.03 1 2 5 10 13 Легко видеть, что скорость присоединения последовательно возрастает по мере введения метильных групп, хотя увеличение числа этих групп около двойной связи увеличивает стерические препятствия. И наоборот, введение электроноакцепторных заме- стителей заметно снижает скорость присоединения. Наличие бензольного кольца, так же как и метильных групп, очень заметно ускоряет реакцию присоединения, что объясняет- ся стабильностью и, следовательно, лёгкостью образования про- межуточного карбониевого иона XIII: 179
2. ОРИЕНТАЦИЯ ПРИ ПРИСОЕДИНЕНИИ ГАЛОГЕНОВОДОРОДОВ При реакции с галогеноводородами лимитирующей стадией яв- ляется присоединение протона (через образование л-комплекса); реакция заканчивается последующей атакой анионом На1~, Та- кой вывод подтверждается возрастанием легкости присоедине- ния галогеноводородов в ряду HF < НС1 < НВг < HI т. е. по мере увеличения кислотности. Приведенный ряд отра- жает также возрастание нуклеофильности аниона Hal", который непосредственно осуществляет атаку, однако эта вторая стадия атаки нуклеофилом не лимитирует реакцию присоединения в це- лом. В случае алкенов несимметричного строения, например пропилена, присоединение бромистого водорода в принципе могло бы приводить к образованию двух различных продуктов, а именно СН3СНСН3 и СН3СН2СН2Вг Вг Практически же можно ожидать образования только первого из этих двух соединений вследствие сильно выраженной тенден- ции к образованию вторичного, а не первичного карбониевого иона (ср. стр. 122): И . Н I + н+ н* + I Ме—СН—СН2 ,^Х— Ме—СН=СН2 ---------> Ме—СН—СН2 Вг"| |Вг’ н н I I Me—СН—СН2 Ме—СН—СН2 I I Вг Вг Показано, что именно так и происходит в действительности, и в этом состоит теоретическое объяснение правила Марковни- кова, согласно которому при присоединении асимметричных мо- лекул к асимметричным олефинам атом галогена или какая- либо еще более отрицательная группа присоединяется к более замещенному из ненасыщенных атомов углерода. Изучение реакции присоединения галогеноводородов к оле- финам сопряжено с рядом экспериментальных трудностей. В вод- ных растворах с реакцией присоединения конкурирует кислотно- каталитическая гидратация и некоторые другие аналогичные реакций (см. стр. 182). В менее полярных растворителях меха- низм реакции изменяется на радикальный и, например, в случае 180
присоединения НВг получается СН3СН2СН2Вг (вопреки правилу Марковникова) из-за преимущественного образования промежу- точного радикала СН3СНСН2Вг. Радикальные реакции при- соединения галогеноводородов рассматриваются отдельно (см. стр. 291). Определенный интерес представляет присоединение НВг к винилбромиду СН2=СНВг. В полярном растворителе образует- ся предпочтительнее СНзСНВг2, а не ВгСН2СН2Вг, что свиде- тельствует о большей устойчивости промежуточного карбоние- вого иона XlVa по сравнению с ионом XIV6: и Н и • I + р. I + + I СН2—СН—Вг -ч—>СН2—СН=Вг СН2—СН—Вг XlVa X1V6 Тем не менее в случае винилбромида, как указывалось выше, скорость присоединения примерно в тридцать раз меньше, чем в случае этилена; это свидетельствует о том, что индуктивное влияние атома брома приводит к общему снижению электрон- ной плотности на двойной связи СН2=СН->Вг или более точно Н Н СН2—СНВг < СН2—СН2 вследствие индуктивного влияния атома брома. Это очень напоминает ситуацию, имеющую место при элек- трофильном замещении в хлорбензоле (стр. 160), когда преиму- щественное орто-пара-ориентирующее влияние заместителя (преимущественная стабилизация переходных состояний, соот- ветствующих орто- и пара-замещению, за счет взаимодействия неподеленных электронных пар атома хлора с системой л-орби- талей ароматического кольца) сопровождается общим уменьше- нием скорости замещения по сравнению со скоростью замеще- ния в самом бензоле (сильный индуктивный эффект атома хлора способствует общей дезактивации ароматического кольца и сни- жению его реакционной способности в отношении реакций элек- трофильного замещения). Перегруппировки в структуре, могущие происходить в про- цессе присоединения кислот к олефинам из-за миграции алкиль- ной группы в промежуточных карбониевых ионах, обсуждались выше (см. стр. 126). Если к олефину присоединяется хлорноватистая кислота или какое-нибудь другое соединение, способное поляризоваться по 181
то при реакции, например, с пропиленом присоединение идет следующим образом 6- 6+ "ОН НО—С1 + (или Н2О) Ме—СН=СН2 --------> Ме—СН—СН2 ---------> Ме—СН—СН2 i • 11 т. е. в соответствии с правилом Марковникова, поскольку ОН-группа является более электроотрицательной, чем атом хло- ра. То что в этом случае также происходит транс-присоединение (т. е. начальная атака ионом Х+ ведет к образованию промежу- точного катиона), подтверждается на примере превращения циклопентена в транс-хлоргидрин: 3. ДРУГИЕ РЕАКЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ Гидратация Гидратацию по двойной углерод-углеродной связи можно рас- сматривать как процесс, обратный катализируемой кислотами дегидратации спиртов с образованием олефинов (см. стр. 233): XV н2о —> Образование карбониевого иона XV является стадией, лими- тирующей скорость реакции; не совсем ясным остается, однако, вопрос, образуется ли этот ион сразу или его возникновению предшествует быстро и обратимо протекающий процесс образо- вания л-комплекса XVI, медленно превращающегося в XV: н* (быстро) XVI XV Галогеноводороды обычно не используются в качестве источ- ников протонов вследствие их способности самим присоединять- ся щ/двойной связи. Ионы HSO4, образуемые серной кислотой, 182
являются очень слабыми нуклеофилами, и даже если они и при- соединяются, то образующиеся кислые эфиры серной кислоты XVII очень легко гидролизуются водой: XV XVII н2о ОН Эта реакция играет важную роль в процессе превращения продуктов перегонки нефти в спирты. Иногда ее осуществляют растворением алкенов в концентрированной серной кислоте с последующим разбавлением раствора водой; в промышленности эту реакцию все чаще проводят путем прямой гидратации алке- нов водяным паром в присутствии кислотных катализаторов. Присоединение, инициируемое протоном, протекает в соответ- ствии с рассмотренными выше схемами и приводит к транс-про- дуктам; первичный спирт получается только в случае этилена (ср. стр. 179). Можно, однако, получать первичные спирты из соответствующих алкенов присоединением диборана B2H6 (обра- зующегося в результате взаимодействия NaBH4 с +EtO : BF.f). В процессе этой реакции, получившей общее название гидро- борирования, сначала получается бортриалкил ЗМеСН=СН2 4- '/гВгНв —> (МеСН2СН2)3В который затем расщепляется перекисью водорода в щелочной среде: (МеСН2СН2)3В + ЗН2О2 —> ЗМеСН2СН2ОН 4-В(ОН)3 Присоединение воды происходит в конечном счете против правила Марковникова. Выходы, как правило, хорошие — гексен-1, например, превращается в гексанол-1 практически ко- личественно. В случае циклических алкенов суммарное присое- динение Н2О приводит к цис-продуктам, в связи с чем этот ме- тод может служить хорошим дополнением к методам прямого присоединения, катализируемого кислотами. Присоединение карбониевых ионов Промежуточный карбониевый ион, образовавшийся в результате первичной протонизации двойной связи в некоторых из упомя- нутых выше реакций, может, конечно, сам по себе действовать как электрофил по отношению ко второй молекуле олефина. На- пример, в случае изобутилена XVIII первоначально образую- щийся карбониевый ион XIX может присоединяться по двойной связи второй молекулы изобутилена с образованием второго карбониевого иона XX. Последний, в свою очередь, может
присоединяться по двойной связи третьей молекулы с образова- нием XXI или, наоборот, отдав протон, образовать алкен XXII: Ме2С=СН2 ) XVIII н* V Ме3С *СН^=СМе2----> Ме3С—СН2—СМе2 /СН^=СМе2. XIX XX Ме3С— СН=СМе2 Ме3С-СН2-СМе2—СН2—СМе® XXII XXI Такие последовательные реакции присоединения могут при- водить к образованию нежелательных побочных продуктов, как это наблюдается, в частности, при простом присоединении гало- геноводородов. Но их можно и специально использовать для образования полимеров, применяя в качестве катализаторов кислоты Льюиса, например А1С13, SnCh, BF3. Чаще, однако, по- лимеризацию олефинов инициируют действием радикалов (см. стр. 293). Гидроксилирование ' ¥ Исследование действия четырехокиси осмия на алкены привело к выделению циклических осмиевых эфиров XXIII, легко гидро- лизующихся в воде с образованием диолов-1,2 XXIV XXIII Поскольку гидролиз XXIII приводит к разрыву связей Os—О, а не связей О—С, обращения конфигурации атома углерода не происходит, и образующийся гликоль, так же как и сам цикли- ческий эфир XXIII, должен иметь цмс-конфигурацию, т. е. про- цесс представляет собой стереоспецифическое цмс-присоедине- ние. Высокая стоимость и токсичность четырехокиси осмия пре- пятствуют ее использованию в больших масштабах, однако она 184
может с успехом применяться в каталитических количествах в присутствии перекиси водорода, которая окисляет образующую- ся осмиевую кислоту XXIV до четырехокиси и, таким образом, регенерирует агент присоединения. цнс-Гликоль был получен также действием щелочного пер- манганата— классического реактива, используемого для гидр- оксилирования по двойной связи. Хотя циклические марганцевые эфиры выделить не удалось, можно полагать, что реакция про- текает аналогично описанной выше с соединениями осмия. Это предположение подтверждается тем фактом, что при использо- вании иона MnOi, содержащего 18О, оба атома кислорода в об- разующемся гликоле оказываются мечеными, т. е. оба происхо- дят не из растворителя, а из перманганата. При окислении алкенов перкислотами RCO—ООН образуют- ся окиси алкенов или эпоксиды XXV: В полярных растворителях реакция может быть иницииро- вана ионами +ОН, получающимися при разложении перкислоты. Эпоксиды могут быть выделены (ср. стр. 107) и подвергнуты затем кислотному или щелочному гидролизу (нуклеофильная реакция) с образованием диолов-1,2. Поскольку атака цикли- ческого эпоксида в этих условиях осуществляется «сзади», должно происходить обращение конфигурации атакуемого ато- ма углерода, в результате чего реакция присоединения в целом приводит к образованию транс-диола-1,2. 185
Случай атаки лишь по одному из атомов углерода уже рас- сматривался выше. Однако с равной вероятностью может осу- ществляться также атака и другого углеродного атома, приво- дящая к образованию зеркального отображения соединения XXVI, т. е. исходный цис-алкен превращается в ZJL-гликоль, что можно рассматривать как подтверждение в целом транс-меха- низма гидроксилирования. Таким образом, подбирая соответствующий реагент, можно контролировать стереоспецифичность процесса гидроксилирова- ния алкенов, получая в зависимости от необходимости цис- или транс-продукты. Гидрирование Присоединение водорода к алкенам, которое осуществляется только под действием соответствующих металлических катали- заторов, таких как, например, NT, Pt и Pd, приводит обычно к образованию qac-продуктов. Нескомпенсированные валентности тех атомов металла (например, никеля), которые расположены на поверхности кристалла, в отличие от скомпенсированных ва- лентностей атомов металла, расположенных внутри кристалла, направлены преимущественно в стороны от поверхности. В ре- зультате, и это существенно, как этилен, так и водород реаги- руют с поверхностью металла экзотермически и обратимо. Мо- лекулы этилена адсорбируются на поверхности металла за счет своих л-электронов, чего не происходит с этаном. В молекулах водорода нет таких л-электронов, но экзотермическая адсорбция водорода на поверхности металлов свидетельствует о значитель- ном ослаблении связи между атомами. Считается, что в процессе гидрирования этилена на поверх- ности металла оба атома водорода одновременно присоединяют- ся с одной и той же стороны к двум атомам углерода молекулы этилена; при этом становится понятной причина наблюдаемого стереоспецифического присоединения с образованием цис-про- дукта. Образующаяся молекула этана немедленно десорбируется и соответствующий участок поверхности металла становится до- ступным для следующего каталитического цикла. Из сказанного следует, что вопрос о том, будет ли данный металл эффективно катализировать реакцию гидрирования или нет, определяется, в значительной мере, реальными размерами его атомов на поверх- ности и расстоянием между ними. И даже в случае кристаллов такого металла, как никель, который способен катализировать, эту реакцию, одна из сторон кристалла может оказаться более эффективной по сравнению с другой в зависимости от того, на- сколько близки реальные расстояния между атомами к опти- мальному для данной реакции. В этом состоит, по-видимому, причина того, что каталитической активностью обладает, как по- казывает опыт, только относительно небольшая доля поверх- ности металла, включающая так называемые активные центры, 186
Примерами стереоспецифического гидрирования могут слу- жить присоединение водорода к XXVII, приводящее к quc-изо- меру XXVIII, и частичное гидрирование производного ацетилена XXIX, также дающее цнс-продукт XXX: Me Me Me Ме XXV11 XXV1H Ме—С=С—Ме XXIX Ме ^Ме \=С Н н XXX Стереоспецифический характер гидрирования, приводящий к образованию quc-продуктов, очень широко используется при установлении структуры различных соединений синтетическими методами. Озонолиз Присоединение озона к алкенам, по существу, также можно рас- сматривать как электрофильное (1,3-биполярное) присоединение В подтверждение можно указать на тот факт, что эти реак- ции катализируются кислотами Льюиса, такими как, например, BF3. Первичный продукт присоединения (мольозонид) в ряде случаев был выделен, причем его восстановлением до соответ- ствующего 1,2-диола было показано, что он действительно со- держит интактную С—С-связь. Обычно мольозонид существует лишь очень недолго и легко распадается на два фрагмента; И о -------► + У” ,О“ о \ / о XXXI 187
Эти фрагменты могут рекомбинировать, образуя нормальный конечный продукт XXXII, называемый обычно нормальным озо- нидом: О—о хххп Однако пероксицвиттерион XXXI может участвовать также и в других реакциях, в частности димеризоваться, образуя цикли- ческую диперекись: Х'с\/ / (У \ Превращение мольозонида в нормальный озонид происхо- дит, как правило, очень быстро, что было показано для ряда реакций спектроскопическими методами. Доказательством того,- что это превращение действительно проходит через указанную выше стадию разложения с последующей рекомбинацией, мо- жет служить тот факт, что если проводить озонолиз в присут- ствии постороннего альдегида (который не может образоваться озонолизом алкена), то наряду с ожидаемым озонидом полу- чается также озонид, включающий добавленный альдегид (об- разующийся в результате атаки этим альдегидом молекул XXXI). Если озонирование проводится с целью разрыва двойной углерод-углеродной связи ^С=С^ —> /С=О + О=С\ в аналитических или препаративных целях, то за присоедине- нием озона следует обычно восстановительное расщепление про- дуктов реакции действием Pd/H2. Так поступают для того, чтобы карбонильные соединения, особенно альдегиды, не подвергались дальнейшему окислению, поскольку при простом гидролитиче- ском расщеплении отмечена тенденция к такому окислению под действием образующихся гидроперекисей (ср. стр. 300). Это об- стоятельство имеет важное значение, поскольку одним из пре- имуществ озонолиза как препаративного и аналитического метода является легкость выделения и идентификации карбо- нильных соединений, образующихся в качестве конечных про- дуктов. 4. ПРИСОЕДИНЕНИЕ К СОПРЯЖЕННЫМ ДИЕНАМ Сопряженные диены, как указывалось выше (стр. 27), несколь- ко более устойчивы по сравнению с аналогичными диенами, в которых двойные связи не сопряжены, что видно, в частности, 188
из сравнительных данных по теплотам их гидрирования (ср. стр. 32). Энергия делокализации, обусловленная увеличением системы взаимодействующих л-орбиталей, составляет приблизи- тельно 6 ккал/моль. Тем не менее сопряженные диены легче вступают в реакции присоединения, чем несопряженные. Это объясняется тем, что переходное состояние в таких реакциях (независимо от того, протекают ли они по полярному или ра- дикальному механизму) имеет аллильное строение и потому легче образуется из сопряженных диенов, чем из соединений с изолированной двойной связью (ср. стр. 119 и 280). СН2-СН-СН=СНг сн2—сн-^сн^=сн2 сн2—сн-^сн^=снг I X сн2=снг Так, например, сопряженные диены восстанавливаются нат- рием в спирте до дигидропроизводных, тогда как несопряжен- ные диены или простые олефины в этих условиях не восстанав- ливаются. Можно было бы ожидать, что в процессе присоединения, на- пример хлора к бутадиену, реакция будет протекать через цик- лический хлорониевый ион НС=СН Н2С^ /СН2 С1 Однако в действительности такой ион не образуется, так как присоединение хлора к бутадиену дает транс-дихлорбутен С1СН2 'сн=сн 'ch2ci 189
а не соответствующее цис-соединение, которое должно было бы получиться в результате атаки циклического хлорониевого иона анионом С1~. Реакция протекает, вероятно, через стабилизован- ный делокализацией карбониевый ион (ср. с механизмом рас- смотренных ниже реакций присоединения галогеноводородов). Присоединение галогеноводородов С самим бутадиеном протон сначала может образовать л-ком- плекс, а затем <т-комплекс XXXIV с водородом при концевом атоме углерода.-Протонирование атома С-1 протекает легче, чем атома С-2, так как в первом случае возникает вторичный карбониевый ион, стабилизованный делокализацией. Во втором случае должен был бы образоваться первичный карбониевый ион XXXIII, чего в действительности не происходит. Возникаю- щий аллильный катион XXXIV может присоединять анион В г* либо по С-2 (1,2-присоединение), либо по С-4 (1,4-присоедине- ние), давая соответственно соединения XXXVа и XXXV6: сн2=сн—сн=сн2- ^н+ сн2- сн—сн=сн2 н хххш Н* г + f—х /""ч + -I —> [сн2—сн-сн=сн2 < >- сн2—сн=сн—сн2] Н Н XXXIV | Вг* Вг Вг сн2— сн-сн=сн2 сн2—сн=сн—сн2 н н XXXVа XXXV6 (1,2-присоединение) (1,4-присоединение) Наличие сопряженных связей не делает 1,4-присоединение обязательным. Оно более вероятно, но вопрос о том, произойдет ли 1,2- или 1,4-присоединение, зависит от относительных скоро- стей превращения катиона XXXIV в альтернативные продукты или от относительной стабильности этих продуктов. Как пра- вило, склонность к 1,2-присоединению проявляется преимуще- ственно при более низких температурах и в неполярных рас- творителях, т. е. из двух возможных реакций 1,2-присоединение в этих условиях протекает быстрее, и здесь мы сталкиваемся, следовательно, со случаем кинетического контроля. Если же ре- акция идет в полярных растворителях при более высоких тем- пературах и в течение более продолжительного времени, т. е. в условиях, когда реакция может ближе подходить к равнове- 190
сию, то преимущественно получается термодинамически более устойчивый 1,4-продукт (ср. стр. 166). Для реакций присоединения к несимметричным диенам при- менимы те же соображения, что и в случае соединений с одной двойной связью, например: Ме-СН=СН—СН=СН2----->-Ме-СН^СН^-СН—СН2---Продукты Н Me Ме I нт I Z" \ сн2=с—СН=СН2 ——>-СН2—С—СН=СН2---->- Продукты Н ’ Реакция Дильса — Альдера Классическим примером реакции Дильса — Альдера может слу- жить реакция между бутадиеном и малеиновым ангидридом: В этом случае имеет место 1,4-присоединение, проходящее через циклическое переходное состояние (ср. пиролиз сложных эфиров, стр. 250) и приводящее к циклическому чыс-продукту. Эта реакция была использована для решения вопроса о том, сопряжены ли двойные связи в диене *; она получила также ши- рокое применение для синтетических целей. Наличие электроно- донорных заместителей в диене и электроноакцепторных заме- стителей в соединении, реагирующем с диеном (в так называе- мом диенофиле), облегчает реакцию Дильса — Альдера. Следует отметить, что отсутствие электроноакцепторных заместителей в диенофиле служит обычно препятствием для протекания реак- ции, хотя известно, что простой алкен — циклопентадиен — диме- ризуется при комнатной температуре. Кроме малеинового ангид- рида широко известны такие диенофилы, как п-бензохинон, акролеин и диэтиловый эфир ацетилендикарбоновэй кислоты. Реакция Дильса — Альдера чувствительна также к стери- ческим эффектам; так, например, в реакцию с малеиновым * Более легко эта задача может быть решена при помощи спектраль- ных методов. 101
ангидридом вступает только один из трех пространственных изомеров 1,4-дифенилбутадиена, а именно транс-транс-изомер: Ph цис-транс- цис-цис* транс-тран^ Аналогично, реакционная способность диена возрастает, если двойные связи расположены в цнс-конформации одна по отно- шению к другой, как в циклопентадиене. В тех случаях, когда в результате присоединения может по- лучаться больше чем один продукт, как это имеет место, напри- мер, при взаимодействии циклопентадиена с малеиновым ангид- ридом, основным, если не единственным продуктом, является так называемое эндо-соединение XXXVI, а не альтернативное экзо- соединение XXXVII, хотя последнее термодинамически более устойчиво: Высказывалось предположение, что преимущественное обра- зование эндо-формы связано с возможностью более сильных вза- имодействий между л-электронами реагирующих молекул в случае переходного состояния, ведущего к эндо-форме, по срав- нению с переходным состоянием, ведущим к экзо-форме. Хотя та- кое взаимодействие действительно может иметь место, тем не менее в настоящее время известно большое число продуктов при- соединения, образование которых не соответствует максималь- ному перекрыванию л-электронов, в связи с чем представляется маловероятным, чтобы стереохимия продуктов присоединения реально обусловливалась именно этим фактором, 192
5. ПРИСОЕДИНЕНИЕ АНИОНОВ Как указывалось выше (см. стр. 168), введение электронооття- гивающих групп в ароматическое кольцо приводит к ингибиро- ванию электрофильного замещения и делает возможным нукле- офильное замещение. То же справедливо и для реакций присое- динения. Если заместить атом водорода, связанный с углеродом при двойной связи, на такие группы, как F, NO, CN, С—О, COOEt и др., то л-электроны оттягиваются этими группами, электронодонорная активность двойной связи уменьшается и воз- никает возможность атаки анионом, отсутствующая в случае незамещенной двойной связи. о~ О 12+ PhCH=CH-S — С6Н4Ме-л О’ 8- 8+ R-MgBr о" -V 12+ > PhCH—СН—S —С6Н4Ме-л R о" О’ 12+ > PhCH-CH2-S — С6Н4Ме-л R СГ F "OEt F F >ЕЮ^С-С F F EtOH F Z > EtO-Z—C^=H F F Некоторые из этих реакций представляют большой интерес для синтетических целей. Цианэтилирование Наличие цианогруппы в акрилонитриле СН2=СН—CN приводит к тому, что p-углеродный атом двойной связи может легко ата- коваться анионами или другими активными нуклеофилами; при- соединение завершается отрывом протона от молекулы раство- рителя; СН2=СН—C=N ROCH2CH2CN PhOCH2ClI2CN hsch2ch2cn rnhch2ch2cn Реакцию проводят обычно в присутствии оснований, чтобы получить анион продукта присоединения. При реакции могут возникать новые углерод-углеродные связи: 7 Зак,718 193
ЕЮ' r2chcho--->r2ccho ch2£ch-c=n >r2ccho I ГЛ n CH2—CH—C=N EtOH Y r2ccho I ch2ch2cn Препаративное значение цианэтилирования состоит в том, что в результате этой реакции присоединяются сразу три атома угле- рода, причем концевой атом может быть затем модифицирован восстановлением, гидролизом и т. д. 6. ПРИСОЕДИНЕНИЕ К а, Р-НЕНАСЫЩЕННЫМ КАРБОНИЛЬНЫМ СОЕДИНЕНИЯМ Наиболее важной электронооттягивающей группой является, по- жалуй, группа /,С=О в а,р-ненасыщенных альдегидах, кето- нах, сложных эфирах. Такая система присоединяет молекулу галогеноводорода и других соединений по 1,4-механизму, вклю- чающему начальную протонизацию по кислороду. н :с=с—с=о 1> =О-С-он + с—с=с-он] I I J XXXV111 Вг” Вг ^с—сн—с=о < XL V Вг ^с—с=с—ОН XXXIX Атака иона XXXVIII анионом Вг- по С-1 (1,2-присоединение) должна была бы приводить к образованию ге.и-бромгидрина — крайне неустойчивого соединения, легко теряющего НВг. По- этому предпочтительной является атака иона XXXVIII по С-3 (1,4-присоединение), ведущая к XXXIX, представляющему со- бой енольную форму (З-бромкетона XL. Присоединение к а,р-не- насыщенным кислотам идет по сходному механизму. При взаимодействии с более явно выраженными нуклеофиль- ными реагентами, например с реактивами Гриньяра, ионами ~CN и др., происходит только 1,4-присоединение без первона- чальной протонизации карбонильного кислорода: 194
:с=с-с=о >. н-о ,С—С=С—О’ ------> II I Y >- ^с-с=с-он ч—> Y "с-сн-с=о '\ I I Y Y= R, CN и др Эта реакция типична для а,р-ненасыщенных кетонов, хотя для ее протекания может требоваться катализ солями меди. Од- нако было показано, что в случае а,р-ненасыщенных альдегидов возможна также прямая атака по карбонильному углеродному атому (1,2-присоединение), так как в альдегидах этот атом бо- лее положителен, чем в кетонах (см. стр. 199). С еще более сильными нуклеофилами, например с анионами "ОН, присоединение по p-углеродному атому наблюдается даже для а,р-ненасыщенных альдегидов. При соответствующих усло- виях это может привести к реакции, обратной дегидратации альдоля (см. стр. 217): Н R—С=СН^-С=Ь нго Н I r-c-ch2-c=o он н + СН2—С=О I н Амины, меркаптаны и другие соединения также присоеди- няются по p-углеродному атому а,р-ненасыщенных альдегидов, кетонов и сложных эфиров. Наиболее важными реакциями при- соединения к а,р-ненасыщенным карбонильным соединениям яв- ляются, однако, реакции с карбанионами, в результате которых образуются новые углерод-углеродные связи. Реакция Михаэля Наиболее часто используются карбанионы, образующиеся из диэтилового эфира малоновой кислоты, из этилового эфира аце- тоуксусной кислоты, из этилового эфира циануксусной кислоты, а также из алифатических нитросоединений (например, CH3NO2). Так, при образовании димедона XLVII из диэтилового эфира ма- лоновой кислоты и окиси мезитила XL1 карбанион XLII (из ди- этилмалоната) атакует p-углеродный атом окиси мезитила, да- 7* 195
вая анион XLIII, который через соответствующий ему енол превращается в кетон XLIV. В этом и состоит сущность реакции Михаэля, приводящей к присоединению карбаниона к а,р-нена- сыщенному карбонильному соединению. В данном случае, однако, реакция протекает дальше, поскольку кетон XLIV под действием иона _OEt превращается в карбанион XLV, который циклизуется, отщепляя от эфирной группы “OEt (ср. с реакцией Дикмана, стр. 220) с образованием XLVI. В результате последующего гид- ролиза и декарбоксилирования этого 0-кетоэфира получается димедон XLVII: хи О О’ /СН^-С^ хсн=с^ Ме2С^ '''СНз-------> Ме2С^ СН3 CHCOOEt CHCOOEt “OEt | I CH2(COOEt)2 -----> COOEt COOEt XLII XLIII CH2—c / \ "OEt Me2C , CCH2 4--------- CH----c i COOEt О OEt XLV EtOH T /СНг-С Me2C CH3 CHCOOEt I COOEt XLIV V z CH2-C Me2C \и2 XCH — C COOEt\> XLV l z /CH2-C > Me2C \нг-с^ XLVIt Димедон существует практически только в енольной форме сн2— Ме2С\ \:н хсн2-с; Ч)Н 196
Он широко используется в качестве реагента для дифферен- циальной характеристики карбонильных соединений, поскольку при взаимодействии со смесью альдегидов и кетонов он легко образует производные типа XLVIII с альдегидами, но не с ке- тонами. НО он XLV11I Реакция Михаэля ускоряется различными основаниями, при- сутствующими в каталитических количествах. Возможности ис- пользования этой реакции для синтетических целей обусловлены огромным разнообразием карбанионов и а,р-ненасыщенных кар- бонильных соединений, которые могут быть здесь использованы. Реакция Михаэля обратима (ср. с реакцией конденсации эфиров по Клайзену, стр. 219); считается, что стадией, лимити- рующей ее скорость, является образование углерод-углеродной связи (переход XLII—>-XLIII), но строго это не доказано.
ГЛАВА 8 ПРИСОЕДИНЕНИЕ ПОДВОЙНЫМ УГЛЕРОД-КИСЛОРОДНЫМ связям Как альдегиды, так и кетоны обладают дипольным моментом, обусловленным более сильной электроотрицательностью атома кислорода их карбонильной группы по сравнению с атомом угле- рода. Существенное влияние на химическое строение карбо- нильной группы оказывает не только индуктивный эффект, ха- рактерный для о-связи, связывающей атомы С и О, но также наличие более легко поляризуемых электронов л-связи (см. стр. 38), и реальная структура карбонильной группы лучше всего может быть выражена в следующем виде: /С—О -<—>- ^С-^О или c'-<j По аналогии со связью >С=С< можно ожидать, что связь. >С = О может принимать участие в реакциях присоединения, однако если полярная атака >С=С< связи осуществляется почти исключительно электрофильными реагентами (см. стр. 176), то в случае связи С = О атака может начинаться, очевидно, либо нуклеофилами (Y* или Y:) по атому углерода, либо электрофила- ми (Х+ или X) по атому кислорода. Практически оказалось, что. первичная электрофильная атака атома кислорода происходит редко: исключением является атака протонами (а также кисло- тами Льюиса), когда быстрое и обратимое протонирование пред- шествует, как правило, более медленной заключительной ну- клеофильной атаке атома углерода, лимитирующей скорость присоединения. Ясно, что протонирование должно повысить спо- собность карбонильного углерода подвергаться нуклеофильной атаке рс=о ^с—он в связи с чем можно ожидать, что реакции присоединения по кар- бонильной группе будут эффективно катализироваться кисло- тами. Однако при этом не следует забывать, что многие актив- ные нуклеофилы, например ион 'CN, являются анионами сла- 198 '
бых или очень слабых кислот, и если сделать среду слишком кислой, то диссоциация этих кислот будет подавлена (~CN ——-> HCN), что приведет к резкому уменьшению концен- трации таких нуклеофилов, необходимых для требуемой атаки карбонильного углерода. Если же нуклеофилами являются не анионы, например PNH2, то ситуация по существу мало меняется, так как почти любая кислота превратит нуклеофил в частицу, не обладающую свойством нуклеофильного реагента, RNH3. Было показано, что в случае слабых нуклеофилов может потребоваться некоторая помощь кислотных катализаторов, то- гда как активные нуклеофилы обычно не нуждаются в такой помощи. Положительный характер карбонильного углерода в кислой среде повышается не только вследствие собственно про- тонирования, но также, хотя и в меньшей степени, в резуль- тате образования за счет водородных связей комплекса между кислотой и карбонильным кислородом и даже за счет водород- ной связи, возникающей между карбонильным кислородом и .гидроксилсодержащим растворителем :С^О---НА 'н-о/ 1. СТРОЕНИЕ И РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ Чем более положительным является атом углерода карбониль- ной группы, тем легче он должен взаимодействовать с данным нуклеофилом. Поэтому если атом углерода связан с электроно- донорными группами, то это должно приводить к снижению его реакционной способности, что- действительно имеет место. Спо- собность карбонильной группы к реакциям присоединения уменьшается в последовательности: R->C-*OR' > R-*C-*NH2 > R->C-«-O’ Электроноакцепторное влияние кислорода и азота соответ- ственно в сложных эфирах и в амидах (индуктивный эффект) на- много перекрывается стремлением неподеленных электронных пар этих атомов взаимодействовать с л-орбиталью карбониль- ной группы. Реакционная способность карбонильного углерода снижается также при присоединении к нему ароматического 199
кольца, опять-таки вследствие взаимодействия, на сей раз с л-орбитальной системой кольца: и т.д Стабилизация, обусловленная возникающим при этом сопря- жением, должна исчезнуть при связывании с нуклеофилом. Так, например, было показано, что бензальдегид менее реакционно- способен, чем алифатические альдегиды, причем это различие возрастает при введении в бензольное кольцо электронодонор- ных заместителей (например, ОН) и падает при введении элек- троноакцепторных заместителей (например, NO2). Аналогичная закономерность наблюдается также в ряду алифатических аль- дегидов: О О О о II t II II II O2N<-CH2<-C—Н > С1<-СН2<-С—Н > СН3-»С—Н > СН3->СН,->С—Н- 1Можно ожидать, что стерические эффекты также будут ока- зывать влияние на скорость нуклеофильной атаки карбонильного углерода, поскольку чем сильнее выражены пространственные затруднения в переходном состоянии, тем энергетически менее выгодно это состояние и тем, следовательно, менее охотно оно будет образовываться. Влияние стерического фактора, также как и рассмотренное выше влияние электронных характеристик реа- гирующих молекул, приводит к уменьшению реакционной способ- ности ароматических альдегидов в отношении нуклеофилов, по сравнению с алифатическими альдегидами, а также кетонов по сравнению с альдегидами. Влияние стерического эффекта при- водит к уменьшению реакционной способности в ряду: О О о II II II Ме—С—Me > Me—С—СМе3 > Ме3С—С—СМе3 В результате превращения карбонильного соединения в про- дукт присоединения карбонильный углерод изменяет хсвою гиб- ридизацию от sp2 (плоскостное расположение о-связей) до spi (тетраэдрическое расположение ст-связей). Благодаря этому об- стоятельству стерические эффекты должны оказывать особенно сильное влияние на положение равновесия: , Карбонильное соединение + Нуклеофил -== Продукт присоединения Это влияние проявляется, если реакция еще далека до завер- шения. Очевидно, что пространственные затруднения в исходном 200
карбонильном соединении должны существенно возрастать при переходе к продукту присоединения. Это можно легко наблюдать на примере реакции образования циангидрина (см. стр. 204), константа равновесия которой в случае взаимодействия с МеСНО слишком велика для измерения, с PhCHO равна 210, в случае взаимодействия с МеСОСЙ2Ме равна 38, а в случае взаимодей- ствия с PhCOMe она составляет всего лишь 0,8. Структурные особенности карбонильного соединения, опреде- ляемые стерическими или электронными факторами, влияют сходным образом как на скорость реакции присоединения, так и на положение равновесия. Переходное состояние, возникаю- щее в случае простых реакций присоединения, вероятно, ближе напоминает продукт присоединения, чем исходное карбонильное соединение. Часто бывает трудно разделить влияние стерических и электронных эффектов, особенно в случае реакций, при кото- рых вслед за начальной стадией нуклеофильного присоединения к карбонильной группе происходит отщепление с образованием конечного продукта, как это имеет место, например, в случае образования оксима (см. стр. 206). Сравнение относительной реакционной способности простых альдегидов может осложняться тем обстоятельством, что в вод- ных растворах некоторые из них частично превращаются в гид- раты (см. ниже), а в спиртах ROH — в полуацетали (см. стр. 203); в результате истинная концентрация свободного карбонильного соединения может р зависимости от условий из- меняться. Для данного карбонильного соединения при данных условиях равновесная концентрация продукта присоединения определяется природой нуклеофильного реагента: чем прочнее связь, которая может возникнуть между нуклеофилом и карбо- нильным углеродом, тем сильнее сдвинуто равновесие в сто- рону присоединения. Именно поэтому мы наблюдаем возраста- ние равновесных концентраций продуктов присоединения в ряду ROH < RNH? < "CN Рассмотрим теперь более подробно наиболее типичные ре- акции присоединения. 2. РЕАКЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ Гидратация Многие карбонильные соединения образуют в растворах гид- раты: О ОН II I R—С—Н + Н2О R—С—Н I ОН 201
Так, было показано, что при 20 °C формальдегид, ацеталь- дегид и ацетон гидратированы соответственно на 99,99; 58 и ~ 0%. Отсутствие гидратации в случае ацетона подтверждается тем фактом, что при растворении ацетона в воде, содержащей изотоп 18О, когда теоретически может установиться равновесие *«ОН Ме2С=О+Щ«О Ме2С^ Ме2С=,8О + Н2О \он включение изотопа 18О в ацетон не наблюдается. Однако в при- сутствии следов кислоты или основания, хотя и не удается опре- делить равновесную концентрацию гидрата, так как включение 18О происходит слишком быстро, чтобы его можно было изме- рить, промежуточное образование гидрата можно считать уста- новленным. Вероятно, здесь имеет место кислотный или основ- ной катализ: /О" -он на в+ Ме2С^ < > Ме2С=О ч Ме2С=О---НА \<ЭН н2о|| /ОН + /ОН j|H2o Ме2б/ ч------г Ме2с/ + \он \он Н Приведенный кислотно-каталитический процесс может слу- жить обобщенной схемой кислотного катализа, поскольку гидра- тация катализируется любыми кислотами, присутствующими в водных растворах, а не только ионами Н3О+. Необходимость кислотно-основного катализа в случае гидра- тации ацетона и отсутствие подобного требования при гидра- тации альдегидов объясняется тем, что в кетонах положитель- ный заряд на атоме углерода карбонильной группы меньше, и поэтому нужна начальная атака ионами "ОН (или атака атома кислорода ионами Н+), тогда как в случае альдегидов более положительный атом углерода может атаковаться молекулами НгО: непосредственно. Несколько неожиданным, в свете сказан- ного выше, является тот факт, что скорость гидролиза МеСНО, наблюдаемая при pH 7, сильно возрастает при значениях pH 4 или 11. Наличие электроноакцепторных заместителей в алкильных группах облегчает гидратацию и стабилизует образующиеся гид- раты. Так, например, глиоксаль I, хлораль II и трикетогидрин- 202
ден III образуют кристаллические гидраты, которые могут быть выделены: О о он II н2о II I н-с*-с-н-------> н-с—с—н t II С1*-С**С—н I CI и С1 он > ci-с—с—н С1 он Соединение IV — нингидрин, хорошо известный реагент, ис- пользуемый для обнаружения и определения «-аминокислот. Возникающие гидраты, вероятно, стабилизуются далее за счет образования водородных связей между гидроксильными группами и электроотрицательными атомами кислорода или хло- ра, связанными с соседними «-углеродными атомами, например: Н О ’’ \о II I н—с----с—н он Присоединение спиртов В присутствии сухого хлористого водорода спирты реагируют н +он н , , I R —С—Н OR roh + R'—C-H I OR с альдегидами, давая ацетали: О ОН II R0tt I R'—С—H R — С—Н I OR Н OR +OR I -н+ I OR OR 203
Равновесие с полуацеталем часто способствует растворению- алифатических альдегидов в спиртах (см. гидратацию в воде„ стр. 201), и за исключением небольшого числа случаев, напри- мер Вг3ССНО и EtOH, полуацеталь действительно может быть, выделен; превращения в соответствующий полный ацеталь в от- сутствие кислотных катализаторов не происходит. В случае кетонов положительный заряд атома углерода кар- бонильной группы недостаточен для непосредственной атаки ROH, и кетали таким путем получить нельзя. Однако как аце- тали, так и кетали получаются при действии соответствующего- ортомуравьиного эфира HC(OR)3 в присутствии NH4CI, играю- щего роль катализатора. Эти производные могут быть использо- ваны для защиты карбонильной группы, поскольку они чрезвы- чайно устойчивы в щелочной среде, но под действием разбав- ленных кислот легко регенерируют карбонильные соединения.. Присоединение меркаптанов Меркаптаны реагируют как с альдегидами, так и с кетонами,, образуя соответственно тиоацетали R'CH(SR)2 и тиокетали R2C(SR)2. Способность молекул меркаптанов эффективно атако- вать атом углерода карбонильной группы кетонов отражает большую склонность RSH (по сравнению с ROH) к образованию эффективных нуклеофилов RS~, т. е. большую кислотность тио- лов по сравнению с соответствующими спиртами. Подобные тио- производные также используются для защиты карбонильной группы, но .спектр их действия уже иной, чем у ацетальной за- щиты: они устойчивы в кислой среде и легко разлагаются под действием HgCl2/CdCO3. Они разлагаются также под действием никеля Ренея: щ/н2 R'C=O —> R(C(SR)2 -----> R£CH2 Указанная последовательность реакций лежит в основе цен- ного препаративного метода восстановления альдегидов до со- единения с метильной группой и соответственно кетонов до со- единений с метиленовой группой на месте бывшей карбонильной группы. Присоединение ~CN, HSO3 и других агентов Две приведенные ниже реакции могут служить типичными при- мерами реакций присоединения анионов: О hcn ОН "CN | (или H2O) I -----> R—С—Н ---------> R—С—Н HSO; 1 | ---•> R— С—Н —> R—С—Н I I SO3H so; 204
Присоединение HCN катализируется основаниями, из чего следует, что лимитирующей стадией является атака ионами ~CN. Процесс завершается реакцией с HCN, если процесс при- соединения проводится в жидкой HCN, или с молекулой Н2О, , если он проводится в водном растворе. На примере присоединения HCN подробно исследована ки- нетика присоединения анионов к карбонильным соединениям, а на примере реакции с бисульфитом — стерическое влияние заместителей при атоме углерода карбонильной группы на ре- акцию присоединения. Имеются доказательства того, что ата- кующим агентом при образовании производных бисульфита в действительности является более сильный нуклеофил SO3- даже в тех условиях, когда его концентрация по сравнению с концен- трацией HSO3 очень мала. Как и следовало ожидать, относи- тельная легкость присоединения и стабильность образующихся производных в случае кетонов значительно ниже, чем в случае альдегидов. Вопрос о структуре продуктов присоединения би- сульфита долго оставался предметом дискуссии, однако их суль- фокислотная природа была доказана исследованием спектров комбинационного рассеяния света. Ионы галогенов присоединяются по связи >С=О в при- сутствии кислот, но реакция настолько легко обратима, что конечный продукт — а-галогенгидрин — выделить не удается. Если, однако, реакция проводится в спирте, то оказывается воз- можным после нейтрализации реакционной смеси выделить об- разующийся в этих условиях а-галогеналкиловый эфир: п н* + СГ /ОН Н- >он Н2С—О ч—> Н2 с— О Н Н2 С X 1 — Н2 с ХС1 С1 ОМе _н+ Н2С\ С1 н /ОМе н2с/ С1 А -н2о У МеОН + > н2с С! Реакции с производными аммиака Реакции с NH3, RNH2 и в особенности с HONH2, H2CONHNH2, PhNHNH2 и 2,4-(NO2)2C6H3NHNH2 лежат в основе методов, ис- пользуемых обычно для характеристики жидких альдегидов и кетонов. При спектроскопическом исследовании большого числа ре- акций этого типа часто обнаруживается очень быстрое исчезно- вение полосы поглощения группы >С=О, причем полоса 205
может даже полностью исчезнуть еще до появления полосы группы >C = N, характерной для продукта реакции. Это ясно свидетельствует об образовании промежуточного соединения. Исходя из этих, а также некоторых других данных, было выска- зано предположение, согласно которому на первой стадии про- цесса образования оксимов, семикарбазонов и, возможно, фе- нилгидразонов карбональное соединение атакуется нуклеофилом RNH2, в результате чего образуется продукт присоединения V. Эта стадия протекает очень быстро, после чего наступает ка- тализируемая кислотой стадия дегидратации продукта присое- динения, которая лимитирует скорость всего процесса и приво- дит к продукту VI: н о I Q II N- С I н Н О’ + 1 и > R-N— I н >R-N=C^ + Н2О VI Если, однако, повысить кислотность среды, то дегидратация, естественно, ускорится, а первичное образование продукта при- соединения V замедлится из-за превращения реакционноспособ- ного нуклеофила RNH2 в нереакционноспособную сопряженную + кислоту RNH3. В этих условиях первичная атака карбонильной группы нуклеофилом может стать уже стадией, лимитирующей скорость всего процесса. Стадия дегидратации продукта присоединения катализи- руется как кислотами, так и основаниями, в связи с чем процесс образования оксимов может ускоряться также и под действием оснований: :NH2OH ^с=о--------► /ОН -он 9он /С\ -----> хСч —> ^C=N-OH NOH f NOH H 'o' Некоторые альдегиды (например, хлораль) реагируют с ам- миаком, образуя производные R'CH(OH)NH2, однако эти про- изводные чаще всего реагируют дальше, давая полимерные про- дукты. Продукты присоединения первичных аминов как к аль- дегидам, так и к кетонам, самопроизвольно отщепляют воду и образуют, как было показано выше, основания Шиффа, напри- мер R'CH = NR (VI). 206
Реакции с участием гидрид-ионов Восстановление LiAl Н4. В этом случае комплексный гидрид-ион, являющийся по своей природе нуклеофильным реагентом, дей- ствует в качестве донора водорода (вместе с его парой элек- тронов), атакуя карбонильный углерод: 3R2C=O r2C=O —> R2C-OA1H3-------->/R2C—О\ Al -ч - I I I I H—AIH3 H \ H /4 H2O ---> R2c—OH H В случае сложных эфиров первой стадией является нуклео- фильное «замещение» (в действительности присоединение с по- следующим отщеплением), вслед за которым следует восстанов- ление, протекающее так же, как это указано выше: Г9 ( 9 ° *• А1Н4 он 4l , ^*1 О II 2.НгО | R-C-OR >R—C-OR----------> R-C -------->R-C—Н Л - I -OR' I I H-AIH3 Н НН Аналогичным образом, через стадии присоединения и от- щепления протекает и восстановление амидов (анион RCONH образуется в результате предварительного отрыва протона ионом А1Щ, т. е. в результате реакции с участием «активного водорода»): О гсг II _ А1Н7 Ч П. А1Н7 R-C—NH-------->R-C—NH-----> R— CH=NH --------> I (-О2-) Н VII Н2О -> R—СН2—NH-----> R—СН2—NHj В качестве промежуточного продукта образуется основание Шиффа, поскольку от дианиона VII легче отщепляется О2-, чем HN2-. Очевидно, что восстановление с помощью LiA!H4 нельзя проводить ни в гидроксилсодержащих (реакция с участием «ак- тивного водорода»), ни в легко восстанавливаемых растворите- лях— обычно применяют эфир и тетрагидрофуран. В то же время NaBH4 можно использовать в водных и спиртовых растворах, 207
однако, как и следовало ожидать, реакционная способность этого агента ниже и он не восстанавливает амиды. Восстановление по Меервейну — Понндорфу. Реакция состоит в восстановлении кетонов до вторичных спиртов под действием изопропилата алюминия в изопропиловом спирте: смв, (Me2CHO)2A.l ^CRa VIII OZ „СМе, О Н Ме2СНОН , I < (Ме2СНО)2А1 CR2 \>Z IX СМе, н (Ме2СНО)2А1 СМе2 + R2CHOH X Гидридный ион Н- переносится с изопропилата алюминия VIII на кетон R2C=O через циклическое переходное состояние, после чего устанавливается равновесие между парой изопропи- лат алюминия кетон, с одной стороны, и парой смешанный алкоголят алюминия IX ацетон — с другой. Реальное наличие такого специфического переноса водорода доказано опытами с использованием (Me2CDO)3Al, в которых было обнаружено включение дейтерия в «-положение образующегося карбинола RR'CD(OH). Ацетон является наиболее низкокипящим-компо- нентом смеси, поэтому в результате отгонки равновесие сме- щается вправо, а вторичный спирт X вытесняется из алкоголята IX избыточным изопропиловым спиртом. Решающей стадией здесь является установление последнего равновесия; поэтому реакция характеризуется, естественно, очень высокой степенью специфичности, и группы >С = С<, —С=С—, NO2 и другие не восстанавливаются. Реакция может быть обращена; действие трет-бутилата алюмийия и большого избытка ацетона приводит к смещению равновесия в левую сторону. Реакция Канниццаро. Диспропорционирование альдегидов, не содержащих «-водородных атомов (т. е. таких как, например, PhCHO, СН2О и R3CCHO), в присутствии концентрированной щелочи до аниона кислоты и первичного спирта, по-видимому, также является реакцией переноса гидрид-иона. В простейшем случае скорость реакции характеризуется зависимостью Скорость ~ [PhCHO]2['OH] 208
Считается, что реакция протекает следующим образом: HOJ Ph—С=О О II + С —Ph I Н СТ Ph-С=О + XII А он н —с—Ph I н но сн он I |р | Ph-C-O" 4 С—Ph > Ph—С=О + I--S | н н О' с- I н XI Быстрое обратимое присоединение "ОН к молекуле альде- гида вызывает перенос гидрид-иона на другую молекулу альде- гида, причем почти наверняка эта стадия является лимитирую- щей. Образующиеся молекула кислоты и ион алкоголята пере- ходят в результате обмена протоном в более устойчивую пару— молекула спирта и анион кислоты XII (последний, в отличие от иона алкоголята, может стабилизоваться за счет делокализации заряда). То что мигрирующий гидрид-ион переносится непосред- ственно с одной молекулы альдегида на другую и не переходит в раствор, доказывают опыты с использованием в качестве растворителя D2O. При проведении реакции в D2O не было об- наружено присоединения дейтерия к углеродному атому спирта, что следовало ожидать, если бы мигрирующий гидрид-ион пе- реходил в раствор и тем самым имел возможность участвовать в равновесии с растворителем. В некоторых случаях, например при диспропорционировании формальдегида в сильно-щелочной среде, процесс протекает в со- ответствии с уравнением четвертого порядка: Скорость ~ [СН2О]2[ОН'12 Предполагается, что при этом происходит образование двух- зарядного аниона; перенос гидрид-иона с этого аниона на дру- гую молекулу альдегида приводит к образованию двух анио- нов— кислоты и алкоголята:
Известны также внутримолекулярные реакции Канниццаро, например глиоксаль—* анион оксиуксусной (гликолевой) кис- лоты. Н НО’ I -он . || о=с—с=о —> но—с—с=о Как и ожидалось для этой реакции Скорость ~ [ОНССНОЦ’ОН] и при ее проведении в D2O не обнаруживается присоединения дейтерия к углероду аниона гликолевой кислоты. Реакции с участием электронов растворенных металлов Взаимодействие кетонов с магнием и натрием. Магний (обычно в виде амальгамы для увеличения реакционной способности) может передавать по электрону каждой из двух молекул кетона. В результате образуется продукт присоединения XIII, содержа- щий два неспаренных электрона, способных объединяться с возникновением углерод-углеродной связи, что приводит к об- разованию магниевой соли пинакона (XIV). При подкислении получается сам пинакон XV: R2C=O :Mg r2c=o r2c—Оч ’ /Mg R2C—oz R2C Ok pj + —► I /Mg > R2C—oz r2c-oh r2c—OH XIII XIV , XV Эта реакция необычна тем, что атака идет по кислороду, а не по углероду. Хотя собственно пинаконом называется Ме2С(ОН)С(ОН)Ме2, тем не менее это название используют часто для всей группы таких третичных 1,2-диолов. Данная ре- акция особенно наглядна, когда натрий в отсутствие воздуха растворяют в эфирных растворах ароматических кетонов. При этом в равновесии с дианионом пинакона Аг2С—О I _ Аг2С—О находится обладающий голубой окраской парамагнитный анион- радикал—кетил натрия: Аг2С—О’ *—* Аг2С—О • 210
В присутствии доноров протонов, таких, как, например, EtOH, •к отрицательно заряженному атому углерода кетила может при- соединяться протон; при этом натрий отдает свой электрон кис- лороду кетила и в результате образуется алкоксид-ион. Этот ион отбирает протон от этанола, давая Аг2СНОН; суммарным результатом является, таким образом, восстановление до вто- ричного спирта. Взаимодействие сложных эфиров с натрием. При передаче электрона атомом натрия молекуле сложного эфира возникает анион-радикал; два таких радикала (XVI) соединяются друг с другом (ср. выше — образование пинакона), образуя дианион XVII. Отщепление двух ионов ЕЮ~ от этого дианиона дает а-ди- кетон XVIII. Дальнейшая передача электронов натрием приво- дит к образованию дианиона-бирадикала XIX, который образует новую углерод-углеродную связь (XX). При подкислении полу- чается а-оксикетон или ацилоин XXI: О' О I || 2Na- R —С—ОЕ[ 2R-C-OEt----> --->- R-C-OEt О' XVI О ) о И R-C-OEt R-C 2Na. I р ------>- I -------->- R — C-OEt R-C H II O' О XVII XVIll Ацилоиновую конденсацию эфиров высших дикарбоновых кислот EtOCO (CH2)nCOOEt широко используют для синтеза (с высокими выходами) макроциклических оксикетонов. Если увеличить относительное содержание натрия и добавить некото- рое количество спирта, играющего роль донора протонов, то ре- акция пойдет по другому пути. Было высказано предположение, согласно которому увеличение относительного содержания натрия приводит к тому, что каждая молекула сложного эфира получает два электрона, в результате чего образуется дианион XXII, ко- торый отрывает протон от спирта; возникающий при этом анион XXIII отщепляет ион ЕЮ- и дает альдегид XXIV. Повторение аналогичной последовательности реакций приводит к алкоголяту 211
XXV, который при подкислении превращается в первичный спирт XXVI: О О’ Oj О I! 2Na« | _ EtOH |zn II 2Na« R-C-OEi--------> R-C-OEt------->-R—С—OEt------> R—C ------->- | -ОЕГ I XXII jjj H XX1I1 XXIV O' O' OH I EtOH I H+ I > R—C” ---->R-C-H -----> R—С—H I I . I H H H XXV XXV! Это и есть собственно восстановление сложных эфиров по Буво— Блану, которое в настоящее время почти полностью вы- теснено восстановлением LiAlH4 (см. стр. 207). Ниже, при рассмотрении сложноэфирной конденсации Клай- зена (см. стр. 219), можно будет оценить разнообразие и слож- ность продуктов, образующихся при действии натрия на слож- ные эфиры. Присоединение карбанионов и соединений с электроотрицательным атомом углерода Важность рассматриваемых в этом разделе реакций обуслов- лена тем, что они приводят к образованию углерод-углеродных связей; многие из этих реакций занимают поэтому важное место' в препаративной органической химии. Взаимодействие с реактивами Гриньяра. Строение самих реактивов Гриньяра до сих пор окончательно не установлено. Однако фенилмагнийбромид удалось выделить в кристалличе- ской форме в виде соединения СбН5М§Вг-2Е12О, в котором оста- ток СоН5, атом брома и две молекулы эфира оказались распо- ложенными в углах тетраэдра, в центре которого находится атом магния. Истинная структура реактива Гриньяра в растворе, по- видимому, может меняться в зависимости от растворителя; имеются данные, свидетельствующие о том, что при разных ус- ловиях могут существовать все приведенные ниже формы: 2R’ + 2MgHal 2RMgHal 2R • + 2MgHaI И R2Mg + Mg(Hal)2 Хотя известны свободнорадикальные реакции с участием ре- активов Гриньяра, все же в условиях, обычно применяемых для препаративных синтезов, эти реактивы ведут себя так, как если б- 5+ бы они были поляризованы: R—MgHal, т. е. являются источни- 212
ками реагента с электроотрицательным атомом углерода или даже карбаниона. В присоединении по карбонильной группе реально участвуют^ очевидно, две молекулы реактива Гриньяра. Одна из них взаимо- действует с атомом кислорода карбонильной группы как кис- лота Льюиса, увеличивая положительный заряд на атоме угле- рода карбонильной группы и тем самым способствуя атаке этого атома группой R второй молекулы реактива Гриньяра че- рез циклическую переходную структуру: Вг Вг Вг \ )*£ / \ ч Mg -С С — — С) /с - -с хс- R2C Mg —Вг R2C* Mg—Вг R2C Mg—Вг О О V В случае подобного механизма можно ожидать протекания побочной реакции, в процессе которой реактив Гриньяра соот- ветствующего строения (а именно имеющий водород у р-угле- родного атома) превращался бы в олефин. При этом должен был бы происходить перенос гидрид-иона на положительно за- ряженный атом углерода карбонильной группы: R2Q. Mg Вг R2C* Mg—Вг R2C Mg—Вг О ъ V Это действительно наблюдается на практике. Частичное вос- становление кетона до вторичного спирта протекает через пе- реходную структуру, близко напоминающую переходную струк- туру, рассмотренную в разделе, посвященном реакции Меервей- на — Понндорфа (см. стр. 208). Если реакция с реактивом Гриньяра на первой стадии вклю- чает атаку одной молекулы реагента по карбонильному атому кислорода, то можно ожидать, что введение в раствор более сильной кислоты Льюиса ускорит реакцию, поскольку именно- эта кислота будет преимущественно включаться в промежуточ- ную структуру и наводить больший положительный заряд на атом углерода карбонильной группы. И действительно, добавле- ние MgBr2 в ряде случаев удваивдло выход третичных спиртов- при взаимодействии кетонов с реактивами Гриньяра. В последнее время при проведении такого рода реакций в препаративных целях вместо реактивов Гриньяра все чаще ис- пользуют другие металлоорганические соединения и, в частно- сти, более реакционноспособные соединения лития. 213-
Присоединение ацетиленид-иона. Интересна реакция при- соединения ацетиленид-иона к карбонильным соединениям. Пре- вращение проводят обычно в жидком аммиаке в присутствии амида натрия для перевода ацетилена в соответствующий карб- анион (см. стр. 253). Гидрирование образующегося ацетилено- вого карбинола XXVII на катализаторе Линдлара (частично от- равленный палладий) приводит к олефину XXVIII, который претерпевает катализируемую кислотой аллильную перегруппи- ровку (см. стр. 50) и образует первичный спирт XXIX: Г, NaNH2-,NHs /ОН R2C=O------------>R2C / ’V С=СН XXVII /ОН >R2C сн=сн2 XXVIII 1. +н* 2.-н2о ------->- СН—сн2 •-> R2C=CH—СН2ОН XXIX Спирт XXIX через соответствующий алкилгалогенид может -быть подвергнут дальнейшим синтетическим превращениям. Альдольная конденсация. Альдегиды, имеющие а-водород- ные атомы, реагируя с основаниями, образуют стабилизованный карбанион XXX, который может атаковать карбонильный атом углерода другой молекулы альдегида, что приводит в конечном счете к образованию альдоля XXXI: Ме->С н сн3—с=о V сн2=с—о- I н Ме-С—СН,—С=О I I н н А| Н2О Т Me— СН— СН2— СНО ОН , XXXI XXX 214
Прямая реакция (2) и обратная реакция (1), по существу, конкурируют друг с другом. Однако проведение конденсации в D2O не приводит к включению дейтерия в метильную группу и, следовательно, скорость реакции (2) должна быть намного больше скорости обратной реакции (1), которой поэтому прак- тически можно пренебречь. Аналогичное превращение ацетона в кетоспирт XXXII про- исходит намного медленнее, и при проведении соответствующих реакций в D2O можно наблюдать включение дейтерия в метиль- ную группу кетона. Причиной этого является меньшая скорость атаки карбанионом карбонильного атома углерода, поскольку этот углерод значительно менее положителен по сравнению с карбонильным углеродом в альдегиде и для него характерны большие стерические затруднения. сн3—с=о Ме "он У СН2 = С—О~ Ме Г Ме-С—СН2-С=О Me Ме А Н2О он I Ме-С—СН2—С=О Me Ме XXXII Если суммарный процесс образования альдолей из альдеги- дов термодинамически обычно выгоден, то равновесная концен- трация продуктов соответствующих реакций в случае кетонов невелика, и даже в случае ацетона, судя по имеющимся данным, равновесная концентрация XXXII составляет всего лишь не- сколько процентов. Альдегиды, не имеющие а-водородных атомов, не могут обра- зовывать карбанионы, вследствие чего в концентрированных растворах щелочей они претерпевают реакцию Канниццаро- (см. стр. 208). Поскольку, однако, эта реакция протекает очень медленно, такие альдегиды часто могут выступать в роли 215
акцепторов карбанионов. Так, например, взятый в избытке формальдегид реагирует с ацетальдегидом: сн2=ю _ 6-сн2сно СН2 —О' »гО I ц -. СИ2СНО СН2ОН I СНоСНО 'он СН2ОН I снсно 1. сн2о 2. Н2О СН2ОН НС О О'+ носн2-с-сн2он-<- 1 ‘он; сн2о 1. “ОН СН2ОН 2. CH..O | 3. 11,0 - НОСН2-ССНО У сн2он снсно снгон СН2ОН 1 сн2он XXXIII На последней стадии альдегид (НОСН2)зССНО, который уже не может образовать карбаниона, вступает с формаль- дегидом в перекрестную реакцию Канниццаро, образуя пентаэри- трит XXXIII и формиат. Реакция идет именно так, а не с об- разованием (НОСН2)зССОО- и СН3ОН, поскольку карбонильный атом углерода в формальдегиде несет более сильный положи- тельный заряд, чем в тризамещенном ацетальдегиде. В связи с этим “ОН атакует преимущественно формальдегид, что и вы- зывает перенос гидрид-иона на (НОСН2)зССНО. Другой широко используемой в синтетической химии реак- цией является катализируемое основаниями присоединение али- фатических нитросоединений по карбонильной группе: “ОН У О' CH2=N-O' О" о > 1 11 - R —СН2—С —СН2 —N —О н А Н20 R — СН2— СН- СН2- NOa ОН S16
В условиях реакции альдегид может, кроме того, сам давать карбанион, и тогда конкурирующей реакцией будет альдольная конденсация. Но карбанион нитросоединения более устойчив (вследствие более эффективной делокализации заряда) и обра- зуется поэтому значительно легче, что и обусловливает преиму- щественное направление реакции по приведенной схеме. Отщепление воды от оксисоединений обычно требует кислот- ного катализа (см. стр. 233), но сочетание возможности обра- зования карбаниона из первоначально получившегося альдоля и наличия в p-положении группы, способной отщепляться в виде аниона, облегчает атаку электронной пары «с обратной сто- роны». ОН лОН । -он _ -01 г Ме—СН—СН2СНО >Ме-СН^СНСНО----->- МеСН=СНСНО Таким образом, дегидратация альдолей катализируется осно- ваниями, и часто вслед за присоединением карбаниона проис- ходит отщепление воды, что в сумме и составляет реакцию кон- денсации. В случае низших алифатических альдегидов под действием сильных оснований происходит последовательно присоединение карбаниона и дегидратация, что приводит в конечном счете к образованию полимеров невысокого молекулярного веса; если же требуется остановить реакцию на стадии простого альдоля, то используют слабые основания, такие как К2СО3. Возмож- ность препаративного использования процесса присоединения карбаниона с последующим отщеплением воды видна на примере конденсации ароматических альдегидов с алифатическими аль- дегидами или кетонами по Клайзену — Шмидту в присутствии 10%-ной щелочи: Ph—С —Н + СН2СОМе >- PhCH—СНСОМе Г° М Ph—С—Н СН2СНО --->PhCH=CHCHO Для . алифатических альдегидов существенную побочную ре- акцию представляет, естественно, самоконденсация. 217
Наличие в ароматическом кольце электронодонорных заме- стителей понижает положительный заряд на карбонильном ато- ме углерода, в связи с чем такое соединение как, например, п-МеОС6Н4СНО реагирует в семь раз медленнее, чем сам бенз- альдегид. Реакция Перкина. К рассмотренной реакции близко примы- кает реакция Перкина — синтез а,р-ненасыщенных кислот из ароматических альдегидов и ангидридов алифатических кислот в присутствии солей щелочных металлов соответствующих кис- лот, например синтез коричной кислоты PhCH = CHCOOH: Ph—С Н Ме-СО XXXIV 1.Присоединение 2.Протонизация ОН I Ph-C-CH2—СО I \ н о Ме-СО -Н2О Ph—СН=СН—СО /° Ме-СО н2о Ph —СН—СНСООН --> + МеСООН XXXVI В растворе уксусного ангидрида ацетат-ион представляет со- бой достаточно сильное основание, способное отщеплять про- тон от активированного a-положения ангидрида с образованием карбаниона XXXIV, который присоединяется по карбонильной группе альдегида. Протонизация получающегося при этом про- дукта приводит к соединению XXXV альдольного типа. В усло- виях реакции (~ 140 °C) под действием уксусного ангидрида альдоль XXXV подвергается дегидратации. В результате обра- зуется смешанный ангидрид XXXVI, который по окончании ре- акции выливают в воду; при этом он гидролизуется до коричной и уксусной кислот. Реакция носит достаточно общий характер; для нее требуется только наличие СН2-группы в а-положении ангидрида. Протекание реакции по приведенной схеме подтверждается тем фактом, что ароматические альдегиды в присутствии подхо- дящих основных катализаторов реагируют только с ангидрида- ми, но не с анионами соответствующих кислот; кроме того, в ряде случаев были выделены промежуточные соединения типа XXXV. 218
z Сложноэфирная конденсация Клайзена. Эта конденсация также относится к реакциям альдольного типа. Так, например, в случае этилацетата: ЕЮ^ Н СН2СООЕ1 -EtOH г° м Ме-С СН2СООЕ1 OEt XXXVII > cl - > Ме-С—СН2СООЕ1 fl ^OEt Ме-С—CHCOOEt Ме-С—CH2COOEt + XXXIX HOEt S’ _ XXXVIII OEt •' Для получения этилата натрия, выполняющего функцию ка- тализатора в этой реакции, используют обычно моль натрия и лишь небольшое количество этанола, поскольку он выделяется сразу же после начала реакции при образовании карбаниона XXXVII. Этот карбанион присоединяется ко второй молекуле сложного эфира по ее карбонильной группе, вслед за чем про- исходит удаление ЕЮ- и образование p-кетоэфира XXXVIII, ко- торый превращается затем в карбанион XXXIX, точнее в «нат- риевое производное» (именно поэтому необходимо иметь моль натрия). Образование карбаниона XXXIX является весьма существен- ной особенностью реакции, поскольку оно способствует смеще- нию равновесия между этилацетатом плюс ЕЮ- и карбанионом XXXVII в сторону образования этого карбаниона. Необходи- мость смещения данного равновесия объясняется тем, что карб- анион XXXVII не так хорошо стабилизован, как, например, ион °*) сн2—с—н и образуется поэтому с большим трудом. Подтверждением этого положения является тот факт, что соединение Н2СНСООЕ1, которое содержит а-водородный атом 21ft
и могло бы, следовательно, образовать карбанион, не вступает в конденсацию в присутствии ЕЮ-, поскольку продукт О R2CH—С—CR2COOEt не может перейти в карбанион типа XXXIX и сместить равнове- сие вправо. Однако такие эфиры можно заставить вступить в конденсацию с удовлетворительным выходом, если использовать очень сильные основания, такие как, например, Ph3C~Na+, по- скольку в этом случае образование карбаниона практически не- обратимо: R2CHCOOEt + Ph3C" —> R2CCOOEt + Ph3CH Перекрестная конденсация двух разных сложных эфиров не всегда имеет практическое значение, поскольку при этом обра- зуются смешанные продукты. Однако в ряде случаев, особенно когда один из введенных в реакцию эфиров не способен образо- вывать карбанион [например, (COOEt)2, HCOOEt и PhCOOEt], такая реакция может быть использована в препаративных це- лях. О разнообразии реакций, способных одновременно проте- кать при действии натрия на сложные эфиры, уже упоминалось выше (см. стр. 212). - Если две сложноэфирные группировки входят в состав од- ной и той же молекулы, их взаимодействие ведет к конденсации, сопровождающейся циклизацией; такая конденсация называется реакцией Дикмана: II М СН2—С—OEt -ОЕ1 СН2 C-OEt (CH2)„-CH2COOEt (CH2)n- CHCOOEt СН2 — C-OEt (СН2)„-CHCOOEt (л =2 или 3) о' СН2—сх (сн2)л—ССООЕ1 сн,-г I d (CH2)n—CCOOEt У 'OEt СН2 С < - » I (СН2)Л~ CHCOOEt Здесь, так же как и в обычной конденсации Клайзена, необ- ходима (если в качестве катализатора применяется эгилат) возможность образования аниона конечного p-кетоэфира с тем, чтобы суммарная реакция могла идти в требуемом направлении. 220
' Подобно всем реакциям альдольного типа сложноэфирная конденсация Клайзена обратима: О o’) О II “OEt^ -СН2СООЕ1 II Мб-—С— CHg COuEt Me—С—CH2coott^ — Me—С OEt OEt Обратная реакция известна под названием кислотного раз- ложения р-кетоэфиров. Точно так же происходит расщепление 0-дикетонов: О О О) о о П П -°Et Ггу II - ch2cor II r—с—сн2—-с—R R-С^СН2-С-R < ч R-C OEt OEt Бензоиновая конденсация. Еще одним примером присоеди-' нения карбаниона является конденсация ароматических альде- гидов в спиртовом растворе в присутствии ~CN: С? Ph—С—Н О’ > Ph — С — Н I CN ОН Ph-cp C = N XL XL1 C—Ph I II О ОН O’) бн ОН О’ II I ~“CN Hl ' II Ph—С—C—Ph > Ph—С—C—Ph < > Ph—С — C—Ph I r-l I I I H II CN H XLIV XL1I1 XLII Цианид-ион является высокоспецифичным катализатором этой реакции, и его эффективность зависит в первую очередь от легкости, с какой он присоединяется к бензальдегиду на пер- вой стадии и отщепляется от XLIII с образованием бензоина XLIV. Однако решающее значение имеет, по-видимому, электро- ноакцепторная способность "CN, благоприятствующая отщепле- нию водорода в виде протона от СН-связи в XL с образованием карбаниона XLI, а не перенос этого водорода вместе с элек- тронной парой ко второй молекуле бензальдегида, как это имеет место в случае реакции Канниццаро (см. стр. 208). Кинетиче- ские данные, полученные для этой реакции, согласно которым Скорость ~ [PhCHO]2 [’CN] 221
подтверждают высказанное предположение о том, что стадией,, лимитирующей скорость реакции, считается взаимодействие ме* жду карбанионом XLI и второй молекулой альдегида, приводя- щее к XLII. Бензиловая перегруппировка. Интересной внутримолекуляр- ной реакцией, которую можно рассматривать как присоединение карбаниона, является катализируемое основаниями превращение- бензила PhCOCOPh в анион бензиловой кислоты Ph2C(OH)COO": Ph Ph^ о=с—с=о > -о^-с-сД НО~ Ph НО Ph Ph I >о=с—С—О" I I НО Ph Ph " I ->О=С-С-ОН' I I "О Ph Было показано, что скорость реакции описывается соотно- шением Скорость ~ [PhCOCOPh] [’ОН] и вслед за быстрым обратимым присоединением иона "ОН к бен- зилу следует миграция фенильной группы вместе с ее электрон- ной парой к атому углерода соседней карбонильной группы, несущему небольшой положительный заряд. Эта реакция абсолютно аналогична внутримолекулярной ре- акции Канниццаро для глиоксаля (см. стр. 210), если не счи- тать того, что в данном случае со своей электронной парой миг- рирует фенил, а в случае глиоксаля — водород. Реакция Манниха. Примером присоединения карбаниона, хотя и не прямого (если рассматривать карбонильную группу), является широко используемая в органическом синтезе реакция, при которой соединение, содержащее активный водород (т. е. легко образующее карбанион), реагирует с формальдегидом и. вторичным амином (или, реже, с аммиаком или первичным ами- ном) по схеме: —с—н + сн2о + hnr2 —> —с—сн2—nr2 + н2о Скорость ~ —С—Н [CH2O][R2NH] Полагают, что реакции, в результате которых образуются так называемые основания Манниха'XLVII, протекают следую- щим образом (на примере PhCOMe): Н2С О :ifR2 н сг но I + н+ I + > НоС—nr2-----> н2с—nr2 ——>• I I —Н2О н н г + + , PhCOCH2 —> [ H2C=NR2 < >н2с—NR2J ----------> PhCOCH2CH2NRz XLV1 XLVII 222
За первоначальной атакой углеродного атома карбонильной группы неподеленной парой электронов атома азота следует про- тонирование и отщепление воды, в результате чего образуется катион XLVI. Атака положительно заряженного атома углерода катиона XLVI карбанионом, образующимся из ацетофенона, при- водит к образованию основания Манниха XLVII. В случае ис- пользования аммиака или первичных аминов наличие водорода у атома азота первоначально образовавшегося основания Ман- ниха позволяет ему самому участвовать в дальнейших превраще- ниях, что приводит к образованию сложной смеси продуктов; .именно поэтому предпочтение отдается вторичным аминам. Образовавшееся основание Манниха легко отщепляет R2NH: нагревание ---------> PhCOCH=CH2 — R2NH Ni/H2 PhCOCH2CH2NR2-------------------> PhCOCH2Me Ac2O ----------> PhCOCH2CH2OAc Это повышает ценность данной реакции применительно к син- тетическим целям. 3. СТЕРЕОХИМИЯ ПРИСОЕДИНЕНИЯ К КАРБОНИЛЬНЫМ СОЕДИНЕНИЯМ Очевидно, что какой бы ни был тип стереохимического присоеди- нения по двойной связи углерод — кислород (цис- или транс-), из-за свободного вращения вокруг ординарной связи G—О оба механизма приводят к образованию одних и тех же продуктов: R X R R X R % R м/ \ / \V/ с с с Этим присоединение по связи >С = О отличается от при- соединения по связи >С = С< (см. стр. 177). Введение в молекулу нового асимметрического центра все равно приводит к образованию рацемата. Если, однако, в моле- куле заранее имеется асимметрический центр, например RCHMeCOMe, и если реакцию проводить с одним из оптиче- ских изомеров, то присоединение протекает в асимметрическом 223
окружении и оба возможных изомера образуются в разных ко- личествах. При этом преимущественно получается тот изомер, переходное состояние для которого характеризуется минималь- ными стерическими затруднениями. Так, если R — объемистый заместитель и соединение участвует в такой реакции, как, на- пример, присоединение реактива Гриньяра, то первая стадия реакции — атака атома кислорода реактивом Гриньяра, высту- пающим в роли кислоты Льюиса, — приводит к комплексу XLVIII, в котором атом кислорода, соединенный теперь с моле- кулой реактива Гриньяра, максимально удален от объемистого заместителя R. Нуклеофил будет атаковать теперь карбониль- ный атом углерода этого комплекса преимущественно с той стороны, с которой ему будет мешать только водород, а не срав- нительно более крупная метильная группа: R Ме X ' Н С—Ме l/МоВг 1. R'Mg Вг 2.Н+/Н2О ----------> XLVIII XLIX В конечном счете основным продуктом будет XLIX, а не L. Приведенное рассуждение представляет собой по существу эмпирическое правило, сформулированное Краммом, которое по- зволяет достаточно точно предсказать стереохимию основного продукта большого числа подобного рода реакций присоеди- нения. 4. НУКЛЕОФИЛЬНАЯ АТАКА ПРОИЗВОДНЫХ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ Ниже приведен ряд производных карбоновых кислот в порядке уменьшения их общей реакционной способности: 224
Эта последовательность соответствует представлению, соглас- но которому характерные реакции этих соединений, например щелочной гидролиз, могут рассматриваться как нуклеофильное присоединение с последующим отщеплением: г*О ("О О М Ч1 О II R—С—Y -----> R-C—Y ------> R—С + Y °ОН ОН ОН Важно отметить, что если отщепление следует достаточно быстро за присоединением, то различие между присоединением с последующим отщеплением и прямым замещением является скорее кажущимся, чем реальным. Наблюдаемая последовательность уменьшения реакционной способности обусловливается тем, что хотя хлор, кислород и азот проявляют электроноакцепторный индуктивный эффект по отношению к карбонильному атому углерода, все они имеют неподеленные пары электронов, которые могут взаимодейство- вать с атомом углерода карбонильной группы (мезомерный эф- фект), вследствие чего положительный заряд на карбонильном углероде понижается и нуклеофильная атака затрудняется. Эф- фект возрастает в ряду Cl < OEt < NH2 < NR2 причем разница между NH2 и NR2 обусловлена индуктивным эффектом двух алкильных групп, увеличивающим подвижность электронной пары атома азота. Можно наблюдать также незна- чительное уменьшение реакционной способности любого произ- водного, если менять R в кислоте от метила до алкилзамещенной метильной группы, поскольку слегка повышенный индуктивный эффект заместителей также вызывает уменьшение положитель- ного заряда на атоме углерода карбонильной группы. Приведенный ряд реакционной способности хорошо иллю- стрируется тем фактом, что хлорангидриды кислот активно реа- гируют со спиртами и аминами, образуя соответственно слож- ные эфиры и амиды; сложные эфиры с аминами дают амиды, но превращение амидов в сложные эфиры связано обычно со значительными трудностями. В процессе этих реакций яр2-гибри- дизованный атом углерода карбонильной группы исходной мо- лекулы переходит в яр3-состояние, характерное для промежу- точного соединения. Поэтому эти реакции очень чувствительны к стерическим затруднениям, а производные третичных кислот, такие как, например, R3CCOOEt, как показывает опыт, чрезвы- чайно устойчивы по отношению к нуклеофильным атакам. 8 Зак 718 223
Реакции, индуцируемые основаниями Объектом наибольшего числа исследований в этой области явилась реакция щелочного гидролиза сложных эфиров, кото- рая протекает, как было показано, по уравнению второго по- рядка. Используя изотоп кислорода 18О, удалось выяснить, что в большинстве случаев при гидролизе разрывается связь ацил — кислород (см. стр. 66): О О II ! “он II R—C-HOR' ---> R—С—О"+Н—OR Меченый кислород обнаруживается не в анионе кислоты, а в спирте. Предполагается, что реакция протекает по схеме: Ч С° ° R—С—OEt R—C-Q)Et R—С + “OEt С I I он он он о II ---> R—С + HOEt О" Стадией, лимитирующей скорость процесса, судя по всему, является первичная атака молекулы сложного эфира ионом "ОН; суммарная реакция необратима из-за нечувствительности иона RCOO- к атаке молекулой спирта EtOH или этилат-ионом "OEt. Щелочной гидролиз амидов RCONHR протекает по этому же пути, причем отщепляется ион R'NH. Действие иона "OR вме- сто иона "ОН приводит в случае реакций со сложными эфирами к переэтерификации с образованием RCOOR', а действие ами- нов на сложные эфиры с образованием амидов протекает по су- ществу аналогично реакции щелочного гидролиза сложных эфиров: ло о- fO • О R-C-OEt^Z±: R-C-OEt .<=> R-C-OEt R-C + OEt С I • I I nh2r +nh2r nhr nhr Было показано, что сопряженное основание амина RNH не играет существенной роли в образовании амида. Как переэтери- фикация, так и образование амида из сложного эфира, представ- ляют собой (в отличие от реакции щелочного гидролиза слож- ного эфира) обратимые процессы, поскольку они не включают стадии образования карбоксильного аниона. Реакции хлорангидридов имеют очень много общего с реак- циями нуклеофильного замещения в алкилгалогенидах; они про- текают по моно- и бимолекулярному механизмам, причем истин- ный путь реакции сильно зависит от полярности среды и от способности растворителя сольватировать образующиеся ионы 226
(см. стр. 95), а также от строения субстрата. Реакции ангид- ридов кислот во многих отношениях представляют собой нечто среднее между реакциями галогенангидридов карбоновых кислот (при которых окончательно отщепляемая группа способна легко уходить в виде аниона) и реакциями сложных эфиров (когда окончательное вытеснение покидающей группы требует допол- нительной помощи). Реакции, катализируемые кислотами Сложные эфиры также подвержены кислотному гидролизу. Пер- вичная протонизация в этих реакциях сопровождается нуклео- фильной атакой молекулами воды; как и при щелочном гидро- лизе, разрывается связь ацил — кислород:- II н\ R-C—OEt .....> ОН ОН R—C-OEt R—С—OEt НгО:’ „К j 11 J о II с он -Н+ -EtOH | + •<_ ГС R—С+ R—CTOEt I I 4i , но но В отличие от щелочного катализа суммарная реакция гидро- лиза здесь практически обратима, и сложные эфиры обычно мо- гут быть получены протонизацией карбоновых кислот с после- дующей нуклеофильной атакой ROH, причем для смещения рав- новесия в сторону образования эфира берут обычно избыток спирта. Сложные эфиры RCOOR' способны в этих условиях об- менивать эфирные группы с R"OH. . Опытами с применением 18О было показано, чго при кислот- ном гидролизе сложных эфиров третичных спиртов расщеплению подвергается связь алкил — кислород: О II , н R3CO—с—R\<= НО НО r3c++ о=(!:—R' 11 Н2о R3COH R3C-OH Й Здесь проявляется способность третичной алкильной группы давать относительно стабильный карбониевый ион. 8* 227
Тенденция к аналогичному разрыву связи алкил — кислород имеет место также в случае эфиров таких вторичных спиртов, как Ph2CHOH, образующих наиболее устойчивые карбониевые ионы. Попытки осуществить переэтерификацию сложных эфи- ров, образованных такими спиртами; привели не к ожидаемому новому сложному эфиру, а к смеси кислота -f- простой эфир: О R3CO—С—R Н+ R'OH R3C+ ч=± + О=С—R I ОН R3COR' н —н+ < х R3COR' Было показано, что катализируемые кислотами реакции этерификации и гидролиза очень чувствительны к стерическим препятствиям. Так, например, 2,4,6-триметилбензойная кислота при обычных условиях не вступает в реакцию этерификации (см. стр. 45). Это связано с тем, что относительно большие за- местители в орто-положениях вытесняют первично протони- рованную карбоксильную группу из плоскости бензольного кольца (LI): Атака нуклеофилом ROH должна осуществляться приблизи- тельно под прямым углом по отношению к плоскости, в которой лежит протонированная карбоксильная группа, но в данном случае эти направления с обеих сторон блокированы объеми- стыми метильными группами, и поэтому этерификация проис- ходить не может. Вместе с тем было найдено, что если раство- рить 2,4,6-триметилбензойную кислоту в концентрированной H2SO4 и вылить полученный раствор в холодный метиловый спирт, то этерификация легко протекает. Аналогично, метиловый эфир этой кислоты, который в нормальных условиях чрезвы- чайно устойчив к кислотному гидролизу, может быть превращен в кислоту растворением его в концентрированной H2SO4 с по- следующим выливанием раствора в холодную воду. Важное значение для понимания причин указанного поведения 2,4,6- триметилбензойной кислоты имеет тот факт, что ее растворение 228
в H2SO4 сопровождается четырехкратной депрессией темпера туры замерзания, обусловленной ионизацией: RCOOH + 2H2SO4 R—С=О + Н3О+ + 2HSO? LII Можно ожидать, что образующийся в результате ионизации ион ацилия LII очень легко будет подвергаться нуклеофильной атаке такими агентами, как, например, МеОН, и поскольку + группа —С=О имеет линейное строение, ион может атаковаться молекулой МеОН под прямыми углами по отношению к плоскости ароматического кольца, не испытывая препятствий со стороны двух расположенных по бокам метиль- ных групп. Тот же ион ацилия получается при растворении ме- тилового эфира кислоты в H2SO4, и в этих условиях он также легко подвергается нуклеофильной атаке молекулами воды, давая кислоту. В то же время сама бензойная кислота и ее эфиры не образуют ионов ацилия в данных условиях. Это связано, по-видимому, с тем, что протонированная бензойная кислота LIII может быть стабилизована за счет делокализации LIII в то время как для протонированной 2,4,6-триметилбензойной кислоты^ это невозможно, поскольку метильные группы в орто- положениях не позволяют атомам карбоксильной группы распо- ложиться в плоскости ароматического кольца, и взаимодействие с л-орбиталями оказывается сильно затрудненным. Образование иона ацилия- LII снимает это затруднение и метильные группы 229
могут способствовать делокализации положительного заряда за счет эффекта сверхсопряжения: Реакции присоединения нитрилов « Нитрилы также могут принимать участие в реакциях нукле- офильного присоединения благодаря делокализации: — C=n: -<—> —C=n: О Так, например, при кислотном катализе нитрилы присоеди- няют этанол с образованием солей иминоэфиров LIV HOEt OEt И + EtOH | | + R—C=N R—C=NH -----> R—C=NH ^=*- R—C=NH2 LIV а под действием кислот и оснований присоединяют воду: R—C=N R—C=NH ОН R—C=N~ i. н2о 2. — н + н2о (-он-) ОН I R—C=NH О II R— с—nh2 Часто, однако, трудно остановить реакцию на стадии образо- вания амида и выделить его, поскольку он гидролизуется с большей скоростью, че^т исходный нитрил, так что образуется кислота или ее анион. Нитрилы присоединяют, конечно, реактивы Гриньяра и во- дород, образуя соответственно кетоны и первичные амины.
ГЛАВА 9 РЕАКЦИИ ОТЩЕПЛЕНИЯ (ЭЛИМИНАЦИИ) Реакциями отщепления или элиминации называются реакции, при которых из молекулы удаляются два атома или две группы без замещения другими атомами или группами В большинстве таких реакций атомы или группы уходят от двух соседних ато- мов углерода (причем очень часто от одного из них отщеп- ляется протон, а ог другого нуклеофил Y: или Y~), и между этими атомами углерода образуется кратная связь: ₽| 1а \ / н\ / Н—С—С—Y -----> }с=(У ---> —С=С— | I — HY /X / Ху — HY Хорошо известными примерами реакций отщепления могут служить: катализируемое основаниями отщепление галогеново- дорода от алкилгалогенидов "ОН RCH2CH2Hal --->-• RCH=CH2 + Н2О + НаГ катализируемая кислотами дегидратация спиртов н+ RCH2CH2OH ----> RCH=CH2-f-H3O+ а также разложение гидроокисей четвертичных алкиламмоний- производных по Гофману + "ОН RCH2CH2NR3 ---> RCH=CH2 + Н2О + NR3 1. 0-ОТЩЕПЛЕНИЕ (0-ЭЛИМИНАЦИЯ) При реакциях 0-отщепления или 0-элиминации (или просто эли- минации— букву 0 часто опускают, поскольку большинство ре- акций отщепления относится именно к этому типу) атом угле- рода, от которого уходит Y, обычно называют а-углеродным атомом, а атом углерода, теряющий протон, — 0-углеродным атомом. Известны, однако, реакции а-отщепления, в которых обе группы уходят от одного и того же атома углерода (см. 231
стр. 248), а также реакции элиминации, в которых группы ухо- дят от неуглеродных атомов, как это имеет место, например, при превращении ацетатов альдоксимов в нитрилы Ar—СН—N—ОСОМе ------> Ar—C=N —НОСОМе или при реакциях, обратных присоединению по карбонильной группе (см. стр. 204) ' Н Н Ц~он CN Второй тип реакции изучен менее детально. Было показано, что реакции отщепления могут протекать как по моно-, так и по бимолекулярному механизму. Их обозначают соответственно £1 и £2, по аналогии с механизмами реакций нуклеофильного замещения Sjyl и Sjv2, которые часто сопровож- даются реакциями отщепления, как, например, при атаке алкил- галогенидов основаниями: RCH2CH2Br “ОН ----* RCH=CH2 + Н2О + Вг" отщепление' “ОН ----* RCH2CH2OH + Вг- замещение 2. МЕХАНИЗМ £1 При механизме £1, так же как и в случае механизма S.vl, ско- рость реакции зависит только от концентрации субстрата, т. е. в стадии, ’ лимитирующей скорость такой реакции, участвуют только молекулы субстрата. Так, в случае реакций с участием галогенида МезСВг Скорость ~ [Ме3СВг] измеряемая скорость есть по существу скорость образования переходного состояния, моделью которого может служить карб- ониевый ион I, входящий в состав ионной пары: МеаСВг —> МеаС+ Вг" За этой стадией может следовать быстро протекающая и по- этому не лимитирующая скорость реакции атака другими ком- понентами системы, например ионами -ОН или молекулами Н2О. Если эти атакующие агенты действуют как нуклеофилы (т. е. как доноры электронной пары по отношению к углеродному атому), то суммарным результатом реакции будет замещение: МеаС+ “ОН ----> н2о ----> МеаС—ОН Ме3С—ОН2 —> МеаС—ОН + Н+ 232
Если же указанные агенты действуют как основания (т. е. как доноры электронной пары по отношению к водороду), то в этом случае результатом реакции будет отщепление протона от ^-углеродного атома с образованием алкена: п "он —> СН2=СМе2 + Н2О о —> СН2=СМе2 + Н3О+ Очевидно, что условия, способствующие реакциям 5Л-1 (см. стр. 94), должны ускорять также и реакции Е1, поскольку в обоих случаях существенной стадией является образование карб- ониевого иона. Действитёльно, было показано, что отношение мономолекулярного отщепления к замещению сохраняется обычно почти постоянным для данной алкильной группы неза- висимо от того, атом какого галогена (или какая другая группа) отщепляется в виде аниона. Отсюда следует: 1) что реакции Е1 и Sjyl не являются совершенно независимыми; 2) что эти реак- ции имеют конкурирующие механизмы и 3) что общим проме- жуточным соединением для них является карбониевый ион (в противном случае соотношение продуктов замещения и отщеп- ления существенно менялось бы в зависимости от природы ухо- дящей группы). Изменение структуры алкильной группы оказы- вает, однако, значительное влияние на соотношение замещения и отщепления. Показано, что разветвление при р-углеродном атоме способствует отщеплению по механизму Е1. Так, в случае МеСН2СМе2С1 образуется только 34% алкена, тогда как в слу- чае Ме2СНСМе2С1 — уже 62%. Такой эффект, по крайней мере частично, можно объяснить стерическими причинами: чем более разветвленными являются молекулы галогенида, тем более «сжатыми» они оказываются при превращении в промежуточ- ную структуру — карбониевый ион. «Сжатие» возрастает, когда карбониевый ион взаимодействует со вступающей группой (это приводит к замещению), и, наоборот, уменьшается, если проис- ходит потеря протона, что делает отщепление более предпочти- тельным. Изучение реакций ряда галогенидов показывает, од- нако, что подобное объяснение не является исчерпывающим. При предпочтительном образовании одного из двух изомерных алкенов из карбониевого иона, в котором имеется более чем один |3-атом углерода, способный терять протон, существенное значение могут иметь и такие эффекты, как сверхсопряжение (см. стр. 238). По механизму Е1 протекает также дегидратация спиртов, катализируемая кислотами: н+ + Ме3С—ОН >• Ме3С—ОН2 —> Ме3С+ --------->• Ме2С=СН, -Н2° _н+ 233
3. МЕХАНИЗМ Е2 В случае механизма Е2 зависимость скорости отщепления, на- пример галогеноводорода от алкилгалогенида под действием ионов “ОН, описывается соотношением: Скорость ~ [R—Hal] (“ОН] Эту зависимость можно объяснить, предположив, что отщеп- ление протона от р-атома углерода под действием основания со- провождается одновременным уходом галогенид-иона от а-ато- ма углерода: НО'^ Н—С-С—Hal---Н2О + + НаГ Тот факт, что наиболее медленной стадией, лимитирующей скорость всей реакции, является разрыв связи С—Н, доказы- вается наличием первичного кинетического изотопного эффекта, наблюдаемого .три замещении атома протия при p-углероде на атом дейтерия. Может показаться, что уход протона и отщепление галогена не обязательно должны происходить одновременно. Действи- тельно, первичное удаление протона основанием и следующее за ним как отдельная стадия — быстрое, не лимитирующее ско- рость реакции отщепление иона галогенида от образовавшегося карбаниона П I I медленно ,, _ , JL ГД , быстро НО" ’ н — С—С—Hal ------> Н2о + С—С—Hal-------->ХС=С, + Hal II II 11 также будут удовлетворять приведенному выше выражению для скорости реакции. Однако гипотеза о существовании карбаниона типа II co- столь малыми возможностями стабилизации (см. стр. 254) пред- ставляется весьма малоправдоподобной. К этому выводу при- водят результаты исследования реакции p-фенилэтилбромида IIJ с “OEt в этаноле. Априори можно ожидать, что образование ароматического карбаниона из этого галогенида должно про- исходить особенно легко вследствие его стабилизации за счет делокализации отрицательного заряда по л-орбиталям бензоль- ного кольца (Ша):
Если такой карбанион действительно образуется, то при про- ведении реакции в среде EtOD следует ожидать образования PhCHDCH2Br (обращение первой стадии реакции) и наличия некоторого количества Ph—CD=CH2 (вместе с Ph—СН = СН2) в конечном продукте реакции. Практически же если реакцию в EtOD прервать незадолго до ее завершения (т. е. когда часть бромида еще не прореагировала), то можно показать, что ни p-фенилэтилбромид III, ни образовавшийся стирол IV не содер- жат дейтерия. Таким образом, даже в этом, особенно благо- приятном случае карбанион как промежуточное соединение не образуется. По-видимому, в подобного типа элиминациях, про- текающих по механизму Е2, уход протона, образование двой- ной связи и отщепление галогенид-иона (или другого нуклео- фила) происходят одновременно в одном акте реакции. Имеются, однако, данные, согласно которым в особых слу- чаях реакции отщепления, например с участием трихлорэтилена и многих дигалогенэтиленов, проходят все же с промежуточным образованием карбанионов: Н С1 Н2О С1 /^=С\ >С1—С=С— С1 + СГ Cl Cl ci Qci Таким образом, существуют реакции отщепления, в которых связь Н—С разрывается до (реакция с трихлорэтиленом), одно- временно (по механизму Е2) и после (по механизму ЕТ) раз- рыва связи С—Y. Было показано, что скорость отщепления по механизму Е2, как и следовало ожидать, зависит от силы ис- пользуемого основания и убывает в последовательности ~NH2 > ~OEt > “ОН. Значительное влияние на скорость отщеп- ления оказывает также способность отщепляющейся группы уходить вместе с электронной парой: было показано, что наи- более легко отщепляемыми группами являются анионы силь- ных кислот (сопряженные основания). Так, например, спирты обычно не отщепляют (ср., однако, стр. 217) воду в основной среде (”ОН-сопряженное основание очень слабой кислоты от- носится к трудно отщепляемым группам), тогда как тозилаты (толуолсульфонаты) очень легко дают алкены (п-МеСбЕББОз — — сопряженное основание очень сильной кислоты, прекрасно от- щепляемая группа). Однако при сравнении отщепляемых групп, связанных с углеродом через атомы разных элементов, необхо- димо учитывать также прочность связи С—Y. Если структурные особенности реагирующих веществ способ- ствуют стабилизации образующегося алкена (за счет сопряже- ния или за счет каких-то других факторов), или, точнее говоря, 235
переходного состояния, ведущего к алкену, то скорость Е2-от- щепления также должна возрасти. Это можно проиллюстриро- вать на примере соединения, в котором атом водорода при 0-углеродном атоме замещен на фенильную группу (V): + Вг’ Стереоспецифичность отщепления по механизму Е2 Было показано, что реакции отщепления, протекающие по меха- низму £2, весьма стереоспецифичны: они протекают значительно быстрее, если уходящие атомы или группы расположены или могут быть расположены в транс-положении по отношению друг к другу: VI VII Столь сильно выраженная стереоспецифичность заставляет вспомнить характерный для реакции SN2 тип атаки «сзади» (см. стр. 100). Электронная пара, освобождающаяся при удалении протона от р-атома углерода, атакует, вероятно, а-углеродный атом «сзади», что создает возможность отщепления покидаю- щей группы. Было высказано предположение, согласно которому в переходном состоянии (при отщеплении по механизму £2) атакующий атом основания, отщепляемый атом водорода, ато- мы Ср и Са, а также вторая уходящая группа должны лежать в одной плоскости. Возможно, однако, что при стереоспецифиче- ском транс-отщеплении важную роль играют также и другие факторы. В тех случаях, когда отсутствие свободного вращения вокруг связи препятствует благоприятной взаимной ориентации поки- дающих групп, отщепление протекает значительно труднее. Так,, •например, было обнаружено, что в случае стереоизомеров гек- сахлорциклогексана С6НбС16 один из изомеров отщепляет НС1 в 10 000 раз медленнее, чем другие изомеры, причем этот един- 236
ственный стереоизомер отличается от остальных тем, что он не содержит ни одной пары соседних атомов углерода, у которых атомы хлора и водорода были бы расположены в 7'ранс-положе- ниях относительно друг друга. Аналогичная ситуация имеет место в случае, когда отщепляемые группы зафиксированы в определенных положениях одна по отношению к другой двойной связью. Так, например, индуцируемая основанием реакция от- щепления НС1 с образованием ацетилендикарбоновой кислоты -VIII протекает гораздо легче с хлорфумаровой кислотой IX, чем с хлормалеиновой кислотой X: С1\ / /СООН СООН 1 с\ /СООН с д -НС1 -НС1 с II > III < II с легко 0 трудно с ноос/ 4 'Н СООН Hz Z \соон IX VIII X Отщепление уксусной кислоты от бензальдоксим ацетата с об-, разованием бензнитрила XIII также протекает легче в случае анти- (XI), чем в случае снн-бензальдоксимацетата XII: МеОСО Ph — MeCOOH I -------> С легко HI N —MeCOOH <-------- трудно ph\ /Н С II • N\ хОСОМе XI XIII XII Эта особенность реакции отщепления может быть использо- вана для решения вопроса о конфигурации стереоизомерных альдоксимов. В случае соединений, подобных описаному выше изомеру гексахлорциклогексана, когда стереоспецифическое транс-от- щепление не может произойти, удается иногда подобрать усло- вия (обычно с большим трудом), в которых наблюдается час- отщепление. Реакция ч«с-отщепления, вероятно, протекает через стадию образования карбаниона (см. стр. 234) — путь, для кото- рого характерна значительно более высокая энергия активации, чем для обычного транс-переходного состояния Е2. Этим объ- ясняется повышенная жесткость условий, необходимых для реакции чис-отщепления. В соединениях, в которых вращение вокруг связи не затруд- нено, уходящие группы в момент отщепления будут распо- лагаться как можно дальше друг от друга. Так, например, из 237
лезо-дибромстильбена XIV образуется цис-ненасыщенное соеди- нение XV, тогда как соответствующее OL-соединение превра- щается в транс-форму XVII: НО Ph—С— С«Н Вг 03 г XIV Н2О Ph^ ^Ph -> С=С в/ Чн Вг" XV НО^ н Ph—С—С в/ XVI н2о Ph Н —> кс=с </ \> Вг Ph Вг" XVII Для описания стереохимического аспекта этих реакций от- щепления оказалась полезной «шаро-стержневая» модель. Ориентация отщепления по механизму Е2. Правила Зайцева и Гофмана Многие катализируемые основаниями реакции отщепления + алкилгалогенидов R—Hal и ониевых солей, таких как RNR3 и + RSR2, должны были бы приводить более чем к одному алкену: Y —* rch2ch2ch=ch2 XIX RCH2CH2—СН—сн3 — ХУШ —> rch2ch=chch3 XX (y = Hal, NR' или SR') Соотношение, в котором фактически образуются алкены, за- висит главным образом от трех факторов: 1) от относительной легкости ухода протона из доступных альтернативных 0-поло- жений; 2) от относительной стабильности образующегося алкена (точнее от относительной стабильности переходного состояния, ведушего к этому алкену); 3) от стерических эффектов (ана- логично 0-замещенню здесь имеют значение размер уходящей- группы Y и размер основания, вызывающего отщепление). 238
Обобщение имевшихся экспериментальных данных привело в свое время к формулированию двух противоположных эмпири- ческих правил отщепления, а именно правила отщепления по Зайцеву, требующего преимущественного образования более устойчивого алкена, несущего большее число алкильных групп (т. е. соединение типа XX должно образовываться легче, чем XIX), и правила отщепления по Гофману, требующего предпоч- тительного образования менее устойчивого алкена, несущего меньшее число алкильных групп (т. е. XIX предпочтительнее, чем XX). Правило Зайцева, справедливое главным образом в реак- циях отщепления для алкилгалогенидов и спиртов, легко интер- претируется исходя из фактора 2: алкен, несущий большее число алкильных групп, стабильнее (это может, быть показано опытами по сожжению), чем его менее алкилированные изо- меры— факт, объясняемый эффектом сверхсопряжения. В част- ности, соединения XX имеют пять связей С—Н, расположенных по соседству с двойной связью, в отличие от соединений XIX, имеющих только две такие связи. Следовательно, большее число форм типа XXI может стабилизовать соединения типа XX за счет делокализации (ср. стр. 43): RCHiCH—СН=СН Н XXI Следует помнить, что эффект сверхсопряжения алкильных групп в переходном состоянии реакции, протекающей по меха- низму £2, выражен сильнее, чем в конечном продукте, и это имеет решающее значение. Сверхсопряжение алкильных групп с образующейся двойной связью понижает энергию данного переходного состояния и, следовательно, способствует его пред- почтительному образованию. Поэтому, на первый взгляд, может показаться, что отщепление по Зайцеву — обычный процесс, а отщепление по Гофману происходит более редко. В действи- тельности же преобладает отщепление именно по Гофману (на- пример, для ониевых солей). Так, при нагревании XXII обра- зуется главным образом этилен, а не пропилен, несмотря на то, что пропилен более стабилизован за счет сверхсопряжения: Ме |+ г-* MeCH2CH2NMe2 + СН2=СН2 Ме->СН—СН2—N—СН2—СН2 — | | . | — * МеСН=СН2 + Me2NCH2CH3 Н Me Н XXII Это можно объяснить, предположив, что в данном случае более в^жен фактор 1. Индуктивный эффект метильной группы 23»
в пропильном заместителе понижает способность к отщеплению атомов водорода, связанных с р-атомом углерода этого замести- теля. В этильном заместителе подобный эффект отсутствует, и поэтому предпочтителен уход протона от p-углеродного атома этильного заместителя. Итак, можно считать, что при отщеплении по Зайцеву наи- более важное влияние оказывают эффекты сопряжения алкиль- ных групп, тогда как при отщеплении по Гофману превалируют индуктивные эффекты. Остается, однако, открытым вопрос о том, какие факторы обусловливают переход от одного способа от- щепления к другому. Как уже отмечалось, отщепление по Гофману преобладает в реакциях отщепления от ониевых солей. Несомненно, что индук- + + тивные эффекты групп типа R3N— и R2S—, повышающие спо- собность p-водородных атомов к протонизации, существенно превосходят индуктивные эффекты атомов галогенов и, следо- вательно, относительная кислотность p-водородных атомов мо- жет оказать решающее влияние на ход реакции. Но это еще не все. Другое очевидное различие состоит в том, что группы, от- щепляемые от ониевых соединений, обычно значительно объ- емистее, чем группы, уходящие в реакциях отщепления от гало- генидов. Это различие настолько велико, что предпочтительным становится образование переходного состояния Е2 (для кото- рого характерны меньшие пространственные ограничения) даже если оно и не является более выгодным с точки зрения стабили- зации за счет сверхсопряжения. Важность стерического фактора была продемонстрирована многими способами. Так, возрастание в соединении данной структуры размера уходящей группы приводит к соответствую- щему увеличению доли продукта гофмановского отщепления. Тот же результат наблюдается при увеличении степени развет- вленности соединения (как в случае галогенпроизводных, так и в случае ониевых солей), что должно приводить к возрастанию объема взаимодействующих групп в переходном состоянии Е2. Но наиболее убедительным является, вероятно, тот факт, что увеличение размера иона основания, катализирующего реакцию отщепления, приводит к возрастанию доли продукта гоф- мановского отщепления. Так, при дегидробромировании МеСН2С(Ме)2Вг возрастание размеров иона основания в ряду МеСН2—О" < Ме3С—0“ < Me2(Et)C—О* < Et3C—О" приводит к увеличению выхода продукта гофмановского отщеп- ления МеСН2С(Ме) = СН2 соответственно до 29; 72; 78 и 89%. Важность учета стерических эффектов при решении вопроса о типе реакции отщепления может быть отлично проиллюстри- рована при сравнении переходных состояний XXIII и XXIV для 240
двух случаев отщепления от RCH2CMe2Y, протекающих по ме- ханизму Е2 (по Зайцеву и по Гофману): п Н2° НО" ’ Н Me R zMe с^Ме -----> С = С (по Зайцеву) V X </ \> ЬГ С-Y Н Ме Y" ХХ111 п Н2° нсН н zch2r zch2r Н^С^-С^Ме ---------> ус==сч (по Гофману) н Ме * у" XXIV Легко видеть, что в тех случаях, когда группа Y велика, и особенно если группа R при этом также велика, предпочтитель- нее будет переходное состояние типа XXIV по сравнению с XXIII, поскольку группа R в XXIV способна значительно облег- чать уход группы Y. Такой случай будет действительно реали- зован, если вместо ~ОН взять объемистое основание; в обоих переходных состояниях группа Y будет находиться на одном и том же расстоянии, а для группы R будет значительно меньше пространственных затруднений в XXIV по сравнению с XXIII. Классическая реакция отщепления по Гофману сыграла в свое время исключительно важную роль при установлении структуры некоторых природных соединений и, в частности, алкалоидов. Исчерпывающим метилированием переводят все имеющиеся в молекуле основные атомы азота в четвертичное состояние, после чего соответствующую четвертичную гидро- окись нагревают. Факт удаления азота из соединения в резуль- тате только одной такой обработки свидетельствует о том, что он находится в боковой цепи; отщепление же после двух или трех таких обработок указывает соответственно на его присут- ствие в насыщенном кольце или на то, что он находится в со- членении колец. Образующийся при этом алкен также подвер- гается исследованию, и полученные данные позволяют иметь дополнительную информацию о структуре исходного соединения. Наличие фенильной группы у а- или |3-углеродного атома за- метно облегчает отщепление по механизму Е2 вследствие стаби- лизации образующегося алкена за счет делокализации (фениль- ная группа у а-углеродного атома ускоряет реакции отщепле- ния, протекающие не только по механизму Е2, но также и по механизму Е\, поскольку отщепление, например, иона НаГ от а-углеродного атома приводит к образованию карбониевого иона 241
бензильного типа, см. стр. 98). Этот эффект выражен сильнее- для р-замешенных, чем для а-замещенных соединений, по- скольку фенильная группа дополнительно воздействует на атом водорода в p-положении, повышая его подвижность (а следо- вательно, и кислотность) и тем самым облегчая его удаление. Данный эффект выражен достаточно четко, чтобы контролиро- вать ориентацию отщепления по правилу Зайцева, даже в слу- чае ониевых солей: Ме | “он PhCH2CH2— N+—СН2СН3 ----> PhCH=CH2 + Ме2Ь1—СН2СН3 Me Винильная группа оказывает в большинстве случаев такое же влияние. Стерическое ограничение реакций отщепления регулируется правилом Бредта, согласно которому реакции, приводящие к. возникновению двойной связи у узлового мостикового углерод- ного атома, в случае систем с конденсированными кольцами обычно не происходят. Это связано, вероятно, с жесткостью та- ких кольцевых систем, которая достаточна для того, чтобы пред- отвратить достижение степени копланарности р-орбиталей со- седних атомов углерода, требуемой для образования двойной связи между ними. Так, например, бромид XXV не должен, со- гласно этому правилу, давать бициклогептен XXVI, который действительно еще никому не удалось получить. XXV XXVI Правило Бредта неприменимо в тех случаях, когда конден- сированные кольца достаточно велики и, следовательно, обла- дают гибкостью, обеспечивающей перекрывание р-орбиталей: Вг XXVII Оно неприменимо также, если необходимое перекрывание р-орбиталей может быть достигнуто ^взаимным поворотом коль- цевых структур, как это имеет место при образовании одного из самых, интересных алкенов с двойной связью у узлового мости- 242
кового углеродного атома, недавно синтезированного бицикло- нонена: В заключение следует подчеркнуть, что в результате реакций отщепления, протекающих по механизму £1, могут получаться альтернативные алкены, причем почти всегда наблюдается пре- имущественное образование наиболее устойчивого продукта, не- зависимо от природы уходящей группы. Последнее обстоятель- ство не является неожиданным, поскольку уходящая группа успевает отщепиться еще до образования промежуточного карб- ониевого иона, в связи с чем она не должна оказывать ника- кого влияния на процесс отщепления протона. Вопрос о том, от какого из p-положений отщепится протон, будет определяться относительной стабильностью альтернативных алкенов, а точ- нее говоря, переходных состояний, приводящих к этим алкенам, т. е. преимущественно должно получаться соединение XXVIII, а не XXIX: Me Ме * КСН=СМе2 | I XXVIII RCH2CBr —► RCH2C+ — | | Me Me Me 1 ---> RCH2C=CH2 XXIX 4. ОТЩЕПЛЕНИЕ И ЗАМЕЩЕНИЕ Известно, что изменение условий проведения реакций, благо- приятствующее ее протеканию по механизму SN2 за счет умень- шения вероятности ее протекания по механизму 3Л1 (см. стр. 94), должно способствовать также и преимущественному протеканию реакции £2 за счет реакции £1, и наоборот. Об ус- ловиях, способствующих отщеплению за счет замещения, кратко уже упоминалось выше. Так, при обсуждении реакции £1 были отмечены ее стерические особенности. Чем больше, в частности, объем атома галогена, тем сильнее снимается напряжение при образовании промежуточного карбониевого иона. Это напряже- ние вновь возрастает при атаке нуклеофилом, но если вместо реакции замещения будет происходить удаление протона с обра- зованием алкена, напряжение не только не увеличится, но мо- жет даже уменьшиться. Стерические эффекты, однако, маски- руются здесь другими факторами. Например, возрастание числа алкильных заместителей также может приводить к предпочти- тельному (за счет замещения) образованию олефинов, стабили- зованных за счет сверхсопряжения. Именно этим объясняется повышенная тенденция третичных и вторичных галогенпроиз- водных по сравнению с первичными вступать в реакции 243
мономолекулярного отщепления, а не в реакции замещения (не- зависимо от используемого реагента): RCH2CH2Hal RCH2CH(Me)Hal RCH2C(Me)2Hal 1 < I < I RCH=CH2 RCH=CHMe RCH=CMe2 Для бимолекулярных реакций также найдено, что возраста- ние числа алкильных групп способствует отщеплению, а не за- мещению, поскольку отмечается замедление реакций замеще- ния SN2 (из-за стерической стесненности переходного состояния, благоприятствующего замещению) и ускорение реакций отщеп- ления Е2 (из-за стабилизации зарождающегося алкена за счет гверхсопряжения альтернативного и, вероятно, стерически ме- нее стесненного переходного состояния, благоприятствующего отщеплению). Одним из наиболее мощных факторов, влияющих на соот- ношение между реакциями отщепления и замещения (с данным субстратом), является переход от моно- к бимолекулярному ме- ханизму. Так, например, сольволиз МезСВг спиртом EtOH (в- основном El/S>vl) дает только 1QS Ме2С = СН2, но в присут- ствии ионов _OEt (теперь в основном E2ISn22) выход алкена становится практически количественным. Соотношения продук- тов реакций E\jSN\ и E2)SN2 при этом будут постоянными. Если предположить, что реакция протекает только по моно- или только по бимолекулярному механизму, то отношения продуктов- реакций ET/^yl и E2fSN2 должны быть независимы от концент- рации, например, ионов _ОН. Однако на самом деле при возра- стании концентрации ионов ОН- будет происходить переход от начального мономолекулярного механизма к бимолекулярному. Этот переход (в присутствии сильных оснований, таких как _ОН) происходит резко и ведет к изменению (обычно к увели- чению) доли продукта отщепления. С этим связан хорошо из- вестный прием использования больших концентраций сильных оснований при получении олефинов. Как и следовало ожидать, природа используемого реагента сильно влияет на относительные количества продуктов реакций E2)SN2, так как основность (т. е. способность быть донором электронной пары по отношению к водороду) и нуклеофиль- ность (способность быть донором электронной пары по отноше- нию к углероду) не изменяются строго параллельно в ряду ре- агентов Y" или :Y. Так, например, использование третичных ами- нов, таких как триэтиламин, вместо ионов _ОН или “OEt для превращения первичных галогенидов в алкены связано с тем, что амины — основания умеренной силы, но слабые' нуклеофилы, тогда как ^ОН и ~OEt — сильные нуклеофилы и сильные осно- вания (этилбромид дает только 1 % этилена при реакции с ионами "OEt, основным продуктом реакции является диэтило- 244
вый эфир). Важное препаративное значение пиридина, исполь- зуемого для этих целей, несмотря на то, что он является значи- тельно более слабым основанием, чем простые третичные амины R3N (см. стр. 90), можно объяснить (по крайней мере отчасти) устойчивостью образующегося катиона пиридиния; обратное от- тягивание молекулой пиридина Н+ становится поэтому мало- вероятным. Использование сравнительно высококипящего амина также обладает преимуществами (см. ниже). Такие реагенты,, как RS~, для которых характерно очень большое различие ме- жду основностью и нуклеофильностью, представляют собой, как правило, слишком слабые основания, чтобы их можно было при- менять для индуцирования реакций отщепления. Как показали тщательные исследования, в системах с кон- курирующими реакциями замещения и отщепления реакция от- щепления имеет обычно большую энергию активации и, таким образом, относительно сильнее ускоряется при повышении тем- пературы — факт, хорошо известный в препаративной химии. 5. ВЛИЯНИЕ АКТИВИРУЮЩИХ ГРУПП Выше, при обсуждении влияния заместителей на реакции от- щепления, мы рассматривали только алкильные и иногда ариль- ные заместители. Однако отщепление облегчается гораздо силь- нее под влиянием мощных электронооттягивающих групп, таких как —NO2, >SO2, —CN, >С = О и др. Это влияние состоит главным образом в повышении кислотности атомов водорода в. р-положении: В:н+ -С—C=Cf + Вг" II I о XXX Механизм подобных реакций, может быть одностадийным '(если удаление протона и другой уходящей группы происходит одновременно) или двухстадийным (если образуется промежу- точный карбанион). Дополнительное влияние указанных выше 245.
заместителей состоит, очевидно, в стабилизации карбаниона за счет делокализации: С? "° Ч Р- I II -С—С—С—Y -<--->- -С=С-С—Y II II Однако неясно, образуются ли подобные промежуточные структуры во всех реакциях этого типа. Приведенный выше ин- тересный пример показывает, каким образом наличие группы >С —О делает возможным катализируемое основанием отщеп- ление воды от альдоля XXX, в то время как отщепление воды от соединений, активированных слабее, почти всегда катализи- руется кислотой. Было высказано предположение, что движущая сила реак- ций отщепления в соответствующих замещенных карбонильных соединениях обусловлена в значительной мере эффектом сопря- жения в продукте реакции (и в какой-то степени в переходном состоянии, ведущем к этому продукту), т. е. его стабилизацией вследствие делокализации (XXXI): ,'ОН М МеСН-^СН-СН=О-----► ВЭН —>[МеСН=Л>С-СН=О -Ч >-MeCH-CH=CH-6] XXXI Однако это не обязательно может служить определяющей причиной, что доказывается, в частности, различием в поведе- нии 1- и 2-галогенкетонов, например XXXII и XXXIII. Оба эти соединения способны отщеплять галогеноводород с образова- нием в качестве продукта реакции одного и того же алкена: О Mei—СН—СН3 I Вг XXXII -> МеС—СН=СН2 О МеС—СН2—СН2------ Вг XXXIII J46
Если бы стабильность получающегося олефина действи- тельно вносила главный вклад в движущую силу реакции, то различие в скоростях отщепления должно было бы быть незна- чительным. На самом же деле соединение XXXIII отщепляет галогеноводород намного легче, чем XXXII. Таким образом, главное влияние карбонильного заместителя состоит, по-види- мому, в увеличении кислотности, т. е. подвижности атомов водо- рода, связанных с соседним атомом углерода. В кетобромиде XXXIII, в отличие от XXXII, протон теряется соседним с карбо- нильной группой атомом углерода. Показано, что в большинстве случаев облегчение отщепления под действием электронооттяги- вающего заместителя проявляется значительно сильнее, если за- меститель находится не в а-, а в p-положении. Влияние подоб- ных активирующих заместителей проявляется зачастую на- столько сильно, что приводит к отщеплению обычно не отщеп- ляющихся групп, таких, как OR или NH2. Весьма интересная внутримолекулярная реакция этого типа, приводящая к отщеплению СО2 и бромид-иона от аниона p-бромкислоты в таких растворителях, как ацетон, наблюдается, например, в случае XXIV: о=с=о 6. ДЕБРОМИРОВАНИЕ В приведенных выше разделах наше внимание почти полностью было сосредоточено на реакциях, в которых одной из отщеп- ляющихся групп был водород. Хотя подобные реакции отщепле- ния являются важнейшими и наиболее часто встречающимися, тем не менее реакции дегалогенирования 1,2-дигалогенидов и, в частности, бромидов такими металлами, как цинк и магний, также представляют определенный интерес как с точки зрения их механизма, так и в препаративном аспекте: ZnBr R R —> V=cz RZ Вг- Эти реакции проводятся в таких растворителях, как уксус- ная кислота, функция которых состоит, вероятно, в удалении 247
солей (галогенидов) с реакционной поверхности металла. Гете- рогенный характер этих реакций несколько затрудняет изучение их механизма. Имеются, однако, указания на то, что они про- текают не по описанному выше синхронному механизму Е2, а в две стадии, с образованием промежуточного карбаниона, кото- рый получается из исходной молекулы в результате отрыва брома цинком. Эти реакции очень полезны как с препаративной, так и с аналитической точек зрения. Но с их помощью, к сожалению, не удается обычно получать из 1,2-дигалогенидов гриньяровские и другие металлоорганические реагенты. Сходные реакции от- щепления могут протекать также с 1,2-дигалогензамещенными простых и сложных эфиров. Эти реакции являются обычно сте- реоспецифическими (транс-отщепление). Аналогичная стереоспецифичность наблюдалась в случае представляющих интерес с препаративной точки зрения реакций дебромирования 1,2-дибромидов ионами иода, протекающих, в частности, с использованием раствора KI в ацетоне. Изучение кинетики этих реакций показало, что Скорость ~ [1“] [1,2-Дибромид] и они протекают, по-видимому, аналогично реакциям с цинком: (1) 1Вг (2) Г + 1Вг ----------> 12 + Вг Однако в случае этилендибромида было показано, что на- чальная атака ионом I-, лимитирующая скорость всей реакции, направлена на углерод (Sx2) и приводит к образованию проме- жуточного 1,2-иодбромида, который подвергается дальнейшей атаке, как это указывалось выше (но уже не иодом, а бромом), .давая этилен. Эта реакция получила практическое применение при очистке алкенов. Обычно кристаллические дибромиды подвергают очи- стке перекристаллизацией, после чего в крайне мягких условиях из них получают чистые алкены, как это указано выше. 7. а-ОТЩЕПЛЕНИЕ (а-ЭЛИМИНАЦИЯ) В немногих известных случаях оба атома отщепляемого галоге- новодорода уходят от одного и того же атома углерода; такие реакции называются реакциями а-отщепления или а-элимина- 248
ции. Известным примером такой реакции может служить гид- ролиз хлороформа под действием сильного основания: ,С1 НО' ’ Н-С->С1 -н2о (быстро) 'СС13 медленно -> сг + ;cci2 С) "он НСОО' < (медленно) Н2О (быстро) У со Отщепление галогеноводорода в двухстадийном процессе сначала приводит к образованию дихлоркарбена (ср. стр. 68) г являющегося промежуточным продуктом при гидролизе; далее карбен реагирует с водой, давая в качестве основного продукта СО, которая медленно атакуется анионами “ОН с образованием формиат-аниона. Начальная атака анионами “ОН атома водо- рода, а не углерода обусловлена электроноакцепторным дейст- вием атомов хлора, повышающим кислотность атома водорода (это свойство проявляется в легкости изотопного обмена водо- рода на дейтерий в среде D2O в присутствии оснований). Существование :СС12, т. е. протекание а-элиминации, дока- зывается с помощью введения в систему субстратов, легко реа- гирующих с такого рода веществами. Так, например, было про- демонстрировано превращение алкенов в производные цикло- пропана: CI Образование дихлоркарбена отмечено также в реакции Рей- мера— Тимана (см. стр. 268). Другим примером ce-элиминации может служить действие амида калия на 2,2-дифенилвинилбромид XXXV: qnh2 Ph ZH Ph<-^ NH3 + p /C=C —> /C=C^—> Ph—C=C—Ph Ph Br Ph (^Br Br xxxv xxxvi > Ph—C = C —Ph Вопрос о том, протекает ли процесс синхронно или сначала происходит образование карбаниона XXXVI, в настоящее время остается открытым. 249
8. quc-ОТЩЕПЛЕНИЕ (quc-ЭЛИМИНАЦИЯ) Большое число сложных эфиров и, в частности, ацетатов спо- собно, как известно, принимать участие в реакциях отщепления, протекающих при нагревании в отсутствие растворителя с об- разованием олефинов: О + НО—С—R Кинетический закон для этих реакций имеет вид: Скорость ~ [Сложный эфир] Реакция протекаем циклического строения по-видимому, через переходное состояние XXXVII: XXXV11 Считается, что реакции отщепления этого типа протекают по механизму Ei. Наиболее убедительное доказательство правильности этой схемы состоит в том, что подобные реакции отщепления проте- кают стереоспецифически только из ^ас-положения в отличие от рассмотренных выше реакций отщепления, которые почти всегда происходят из транс-положения. Таким образом, вполне воз- можно, что в большинстве случаев разрыв связей С—Н и С—О происходит одновременно. Однако тот факт, что при этом ре- агируют незначительные, хотя и заметные, количества транс-изо- меров, дает основание предполагать, что иногда все же связь С—О рвется раньше связи С—Н, в результате чего образуются переходные ионные пары, которые могут подвергаться пере- ориентации. Представляется маловероятным, что при этом обра- зуются не ионные пары, а радикалы, поскольку реакции этого типа не чувствительны к действию инициаторов радикальных процессов или их ингибиторов (см. стр. 277). Очень близкой к реакциям отщепления является реакция Чугаева, которая состоит в непрямом превращении спиртов в соответствующие алкены путем пиролиза - метиловых эфиров 250
ксантогеновой кислоты XXXVIII, образующихся при действии CS2, "ОН и Ме! на исходный спирт: MeS XXXVIII ^C = C\ + оч H 'V sz MeS > MeSH + COS Эта реакция имеет важное препаративное значение, посколь- ку подобный пиролиз может проводиться при сравнительно не- высоких температурах (примерно при 150 °C вместо 400 °C для ацетатов). Преимущество этого метода по сравнению с другими методами образования олефинов сложной структуры состоит в высоких выходах, а также в том, что он дает некоторую гаран- тию от самопроизвольных молекулярных перегруппировок. Сравнительно недавно открыта реакция отщепления, извест- ная под названием реакции Копе, которая состоит в образовании алкенов из окисей третичных аминов (XXXIX); так же, как и описанное выше превращение, эта реакция имеет препаративное значение. Реакция Копе характеризуется тем, что протекает легко даже при низких температурах и сопровождается отщеп- лением диалкилгидроксиламина XL: XL XXXIX Используя в некоторых случаях в качестве растворителя диметилсульфоксид, эту реакцию можно проводить при 25°C,
ГЛАВА 10 КАРБАНИОНЫ И ИХ РЕАКЦИИ В органической химии известны соединения, которые функцио- нируют как кислоты в классическом смысле слова. Они рас- щепляются с отрывом протона от связи С—Н, образуя сопря- женные основания I, называемые карбанионами: —С—Н 0в .....►. -^С" + НВ+ I При рассмотрении вопроса о кислотности мы интересуемся обычно только термодинамическим аспектом перехода протона, в рамках которого сила кислоты определяется исходя из изо- браженного выше равновесия; кинетические характеристики кис- лотно-основных реакций не имеют обычно существенного значе- ния, поскольку отрыв протона от таких атомов, как кислород, осуществляется очень быстро. Если же протон отрывается от атома углерода, то скорость такого процесса может быть доста- точно мала и кислотность соответствующего соединения может лимитироваться кинетическими, а не термодинамическими фак- торами (см. стр. 261). 1. ОБРАЗОВАНИЕ КАРБАНИОНОВ Не удивительно, что в случае алифатических углеводородов спо- собность отщеплять протон проявляется очень слабо. Это обус- ловлено тем, что связи С—Н в этих соединениях достаточно прочны и для них обычно не характерны структурные особен- ности, которые усиливают подвижность атомов водорода или приводят к заметной стабилизации карбаниона по сравнению с молекулой исходного углеводорода. Так, например, согласно имеющимся оценкам, величина р/Са Для метана составляет при- близительно 43, тогда как для уксусной кислоты она равна 4,76. В то же время трифенилметан II, карбанион которого III может быть стабилизован за счет делокализации электронов pi13c - н + :в вн+ + hi и 252
является гораздо более сильной кислотой (рКа w 33) по срав- нению с другими углеводородами. Еще большее влияние оказы- вает наличие одной или нескольких сильных электроноакцептор- ных групп в молекуле. Так, например, трицианметан IV (NC)3C—Н + :В^=^НВ++ QnC)2C—C=N > (NC)2C=C=n] IV по силе кислотности приближается к минеральным кислотам. Следует отметить кумулятивный эффект, наблюдаемый при последовательном введении цианогрупп. Так, ацетонитрил V сн3— c=n + :в .< нв+ + [сн2—c=n > ch2=c=n] v содержащий только одну такую группу, все еще имеет величину р/Са порядка 25. Таким образом, наличие электроноакцепторных групп может привести к тому, что подвижность атомов водорода в соответствующих соединениях окажется достаточной для срав- нительно легкого их отщепления под действием оснований. Так, например, ряд замещенных метана имеют следующие значе- ния рКа: Р*а EtOCOCH2COOEt (VI)...........13,3 MeCOCH2COOEt (VII)...........10,7 CH3NO2.......................10,2 МеСОСН2СОМе (VIII)............. 8,8 Данные соединения легко образуют карбанионы, являющиеся промежуточными в большом числе реакций. Соединения, кото- рые труднее отщепляют протон, иногда также могут быть пре- вращены в карбанионы действием очень сильных оснований в безводной среде, как это имеет место, например, в случае аце- тилена (рКа 25) при его обработке ионами _NH2' в растворе жидкого аммиака: “NH2 — НСн=СН ------> HC=C + NH3 жидкий NH3 В этом случае кислотность обусловлена повышением элек- троотрицательности углерода при изменении его гибридизации в направлении sp3—*sp2 —*spl (ср. стр. 76). Карбанионы, ко- торые нельзя получить прямым отрывом протона основанием, 253
часто могут быть получены действием металлов на соответствую- щие галогениды ' RBr-f-2M —> RM + MBr Чем менее электроотрицательным является металл, тем бо- лее полярной будет возникающая связь R—М и тем сильнее должен быть выражен карбанионный характер R. Алкильные и арильные производные большинства электроположительных металлов существуют в виде ионных пар R_M+, например Me(CH2)2CH2Na+. Многие другие соединения, содержащие связи углерод-* металл, хотя и не ионизированы, однако настолько сильно поляризованы, что могут служить источником отрица- тельно заряженного углерода; в качестве примеров таких со- единений можно указать на реактивы Гриньяра (стр. 212), ли- тийалкилы и др. В тех случаях, когда выделение или иденти- фикацию карбаниона как такового осуществить не удается, вы- вод о его кратковременном существовании может быть сделан исходя из факта включения дейтерия при растворении соедине- ния в D2O или в EtOD в присутствии основания. Такого рода включение было обнаружено, например, для хлороформа: —н+ d2o НСС13 -с..-> “СС13 -----> DCC13 н2о _D* Скорость изотопного обмена водорода может быть использо- вана также для исследования кислотности связей С—Н в тех случаях, когда она лимитируется не термодинамическими, а ки- нетическими факторами (ср. стр. 252). 2. СТАБИЛЬНОСТЬ КАРБАНИОНОВ Карбанионы могут быть стабилизованы за счет увеличения вклада s-электронов в гибридизованную орбиталь, возникающую при потере протона. Выше при рассмотрении вопроса о кислот- ности ацетилена (см. стр. 253) мы упоминали об этом эффекте, который обусловливает повышение кислотности в ряду СН3—СН3 < СН2=СН2 < СН = СН. Если карбанионы содер- жат достаточно сильные электронооттягивающие группы или атомы, то они могут быть стабилизованы за счет только одних индуктивных эффектов. Реально такого рода эффекты могут + наблюдаться, вероятно, только для R3N— и F—. Во всяком слу- чае, как показывает опыт, благодаря влиянию фтора величины рКа Для HCF3 и HC(CF3)3 сильно уменьшены (они равны при- близительно 28 и 11) по сравнению с величиной рКа для СН4 (~ 43). Как и следоваю ожидать, действие электроноакцептор- ных групп должно быть выражено более ярко в тех случаях, ко- гда кроме индуктивного влияния может действовать также ме- 254
зомерный эффект. Так, например, карбонильная группа или нит- рогруппа оказываются более эффективными, чем группы R3N— и CF3—: н I Р—CH->N Н О I II R—СН->С—R Ол В: Z-Ч II J R— СН— С—R •+ -вн L О' ' > R—СН=С—R Н F | / В: R—CH»C-*F - + > R—СН—CF3 Ч -вн F Уменьшение значения рКа (отражающее увеличение стабиль- ности карбаниона) в ряду малоновый эфир VI — ацетоуксусный эфир VII — ацетилацетон VIII обусловлено тем, что карбониль- ная группа в кетонах более эффективна по своему электроноак- цепторному и делокализующему воздействию, чем карбонильная группа в сложных эфирах. Это, в свою очередь, связано с нали- чием внутреннего эффекта в карбонильной группе сложного эфира СН р. R-C-OEt который понижает способность группы >С = О оттягивать элек- троны от остальной части молекулы. Понижение активирующего эффекта группировки —СО—Y— в ряду —СО—Н > —СО—R > —СО—OR > —СО—NH2 > —СО—О' обусловлено, таким образом, возрастанием электронодонорной способности группы Y. Представляет интерес факт исключительной стабильности аниона циклопентадиенила IX, обусловленный тем, что шесть л-электронов системы (п — 1 в формуле 2-|-4п, ср. стр. 34), делокализованных по всем пяти углеродным атомам, образуют весьма устойчивую квазиароматическую структуру 1Ха: О IX о 1Ха 255
Кислотные свойства циклопентадиена (рКа ~ 15), который достаточно легко теряет протон, переходя в сравнительно устой- чивый карбанион, можно рассматривать как подтверждение устойчивости его аниона, стабилизованного за счет аромати- зации. Квазиароматичность не может быть продемонстрирована электрофильным замещением, так как атака реагентом Х+ при- ведет просто к неспецифическому связыванию с анионом. Истин- ный ароматический характер подобных квазиароматических си- стем (участие в реакции Фриделя — Крафтса и т. д.) был показан на примере таких особо стабильных соединений нейт- ральной природы, как ферроцен X (который получается взаимо- действием между 1Ха и FeCl2): Атом металла в этом соединении удерживается между двумя циклопентадиенильными кольцами в структуре типа молекуляр- ного «сэндвича» за счет л-связей. Оказалось возможным также выделить в виде твердого кри- сталлического продукта дикалиевую соль дианиона циклоокта- тетраена Этот карбанион с двумя зарядами получается взаимодей- ствием между металлическим калием и циклооктатетраеном. Для стабилизации этого аниона за счет ароматизации необходимо, чтобы соблюдалось условие наличия 2 + 4п циклически делока- лизованных л-электронов (в этом случае п = 2). Было обнару- жено, что стабилизация карбанионов за счет некоторых электро- нооттягивающих групп, таких как, например, R3P+, RSO2 и др., проявляется значительно сильнее, чем это можно было бы ожи- дать, исходя только из их индуктивного влияния. Существенно, что все эти группы содержат элементы, имеющие доступные d-орбитали, и дополнительная стабилизация обусловлена, по-ви- димому, перекрыванием этих d-орбиталей с орбиталью, содержа- щей пару электронов соседнего карбанионного атома углерода. 256
3. КОНФИГУРАЦИЯ карбанионов Теоретически для простого карбаниона типа R3C~ может быть принята пирамидальная (sp3), планарная (sp2) или какая-то средняя между ними конфигурация. Первая из них (пирамидаль- ная) аналогична конфигурации третичных аминов R3N:, изо- электронных простым карбанионам. Спектроскопически было по- казано, что зеркальные формы таких аминов подвержены быстрому взаимопревращению с промежуточным образованием планарной структуры. Можно было ожидать, что аналогичная ситуация будет иметь место и в случае карбанионов: R R'^C' R" ' R > 'С —R' 4R" Для реакций, в которых было обнаружено промежуточное об- разование карбанионов из оптически активных исходных сое- динений, было установлено, что в зависимости от условий имеет место преимущественное сохранение конфигурации, рацемизация или же обращение конфигурации. Важное значение при этом имеет растворитель. Было высказано предположение, что наблю- даемые различия обусловлены несимметрической сольватацией карбаниона, который может осциллировать между своими двумя зеркальными пирамидальными конфигурациями только при усло- вии, если его время жизни достаточно велико. Если углеродный атом карбаниона соединен с одной или несколькими группами, способствующими его стабилизации за счет делокализации электронов, то на конфигурацию карбаниона сразу же налагаются ограничения, обусловленные необходи- мостью копланарности, поскольку сильная делокализация воз- можна только при перекрывании параллельных р-орбиталей. Это относится, в частности, к трем связям, образуемым атомом углерода такого карбаниона, как анион трифенилметила XI и т.д. XI а также к тем случаям, когда углерод карбаниона расположен по соседству с группами >С = О, NO2 и т. д. Хорошим примером 9 Зак. 718 257
указанной закономерности может служить дикетон XII: Несмотря на то, что показанный атом водорода в XII акти- вирован двумя карбонильными группами, кислотность этого со- единения выражена слабо. Это связано с тем, что карбанион XIII, который должен был бы образоваться при отщеплении про- тона, не может быть стабилизован делокализацией заряда, по- скольку жесткая мостиковая структура препятствует реализации такого состояния, при котором р-орбитали двух углеродных ато- мов были бы параллельны. Поэтому существенного перекрыва- ния орбиталей не происходит и карбанион не образуется. В слу- чае циклогександиона-1,3 подобные препятствия отсутствуют, поскольку в отличие от дикетона XII он не содержит трансанну- лярного мостика; именно этим можно объяснить тот факт, что этот кетон обладает явно выраженными кислотными свойствами. Хорошо известно, что соединения, асимметрические центры которых содержат атомы водорода, расположенные по сосед- ству с карбонильной группой (например, XIV), очень легко ра- цемизуются в присутствии оснований. R ОН \=С- R' XVI Хотя плоское строение карбаниона подтверждается существо- ванием енольной формы XVI, которая находится с ним в равно- весии и должна быть плоской, тем не менее нельзя однозначно утверждать, что любой карбанион, функционирующий в качестве промежуточного продукта реакции (например, XV), обязательно должен иметь плоское строение. 258
4. КАРБАНИОНЫ И ТАУТОМЕРИЯ Рассмотренный выше случай енолизации может служить приме- ром более общего явления таутомерии. Строго говоря, этот термин относится к любым обратимым взаимопревращениям изомеров, которые могут происходить в разных условиях. Прак- тически же им пользуются обычно применительно к случаям изомеров, легко подвергающихся взаимным превращениям и раз- личающихся только распределением электронной плотности и положением относительно подвижного атома или группы. Таким атомом в подавляющем большинстве таутомерных систем яв- ляется атом водорода; в этом случае говорят о прототропии. Хорошо известными примерами прототропии могут служить ацетоуксусный эфир и алифатические нитросоединения: ОН Me—С—СН2—COOEt Me—С=СН—COOEt кетон ОН псевдокислота аци-форма Синхронный и ступенчатый механизмы таутомерных превращений Теоретически таутомерные взаимопревращения могут происхо- дить по двум механизмам — ступенчатому или синхронному, в зависимости от того, происходит ли отщепление водорода от од- ного из углеродов до того, как он присоединится к другому угле- роду, или одновременно с этим. Оба механизма встречаются на практике. Если таутомерное превращение катализируется осно- ванием, то по ступенчатому механизму реакция в подходящих случаях должна проходить с участием карбаниона, тогда как по синхронному механизму она протекает в этих условиях без участия карбаниона. Можно привести много примеров хорошо известных тауто- мерных реакций, которые протекают, по-видимому, по ступенча- тому механизму. К ним относятся, в частности, взаимопревра- щения p-кетоэфиров, р-дикетонов и алифатических нитро- соединений, т. е. обычные кето-енольные и сходные с ними взаимопревращения. Можно ожидать, что в случае более кислого субстрата тауто- мерное взаимопревращение легче протекает по ступенчатому ме- ханизму, чем по синхронному, так как в промежуточной ста- 9* 259
дии реакции образуется более стабильный карбанион XVIII: Г 1 в: + н На примере этой реакции рассмотрим различие между тауто- мерией и мезомерией. Неточное понимание значения этих тер- минов часто ведет к путанице. Таутомерные соединения, пред- ставленные структурами XVII и XIX (кетонная и енольная фор- мы), существенно различаются по своей химической сущности. Хотя соединения такого рода часто легко могут превращаться одно в другое, в некоторых случаях (например, для ацетоуксус- ного эфира) удается выделить и охарактеризовать обе формы. В противоположность этому, образующаяся при взаимном пре- вращении двух таутомеров промежуточная структура — карб- анион XVIII — является мезомерный гибридом двух изображен- ных гипотетических структур, ни одна из которых не существует в действительности. Наличие подобных пар таутомеров, взаимо- превращение которых осуществляется через общий карбанион, стабилизованный делокализацией электронов, представляет со- бой весьма распространенное явление. В противоположность этому, как было показано, таутомер- ные взаимопревращения большого числа соединений типа R2CH—N=CR2 (азометинов) протекают по синхронному меха- низму. Так, установлено, что таутомерное превращение XX—► —>ХХ1, происходящее в EtOD в присутствии ЕЮ в качестве ка- тализатора, сопровождается дейтерообменом. При синхронном механизме процессы дейтерообмена и таутомерного превраще- ния должны протекать с одной и той же скоростью, причем дей- терообмен в этом случае невозможен без таутомерии. ЕЮ -О ЕЮ'Н Ph n-PhC6H4 /Ph . Л-РЬС6Н4~(Д N=C\ /C=N-C-H Ph * Х'Н Ph *Ю_ OEt XX xxi 260
В случае ступенчатого механизма дейтерообмен может про- исходить и без таутомерного превращения за счет обратной реакции на стадии (1). Е1б^ Н Ph n-PhC6H4--C-N=Cx Pli H xx л-РЬС6Н4 . .Ph XC=N—C—H Pti 4D XXI A (1) EtOD “OEt (2)*OEt V EtOD n-PhCeH4 Ph H n-PhCeH4 Ph XC=N— Pt/ H Таким образом, скорость дейтерообмена, вообще говоря, должна быть либо равна скорости таутомерного превращения, либо превышать ее. Как показывает опыт, оба эти процесса про- текают обычно с одной и той же скоростью, и, если известно, что реакция обратима, можно уверенно считать, что она проте- кает по синхронному механизму. Механизм, по которому реакция будет протекать в каждом конкретном случае, зависит, кроме того, от реакционной среды; полярные растворители благоприятствуют протеканию реакции по ступенчатому механизму. Независимо от представлений о карбанионах, следует отме- тить тот факт, что кето-енольные превращения могут катализи- роваться как кислотами, например типа НА, так и основаниями. Этот процесс может служить еще одним примером обобщенного кислотного катализа (см. стр. 202): д-Q н-ч/с/ъ1 • I | ±- АН+ 'С=С—ОН + А” Н-А^ Функцию кислотного аниона А- во многих случаях может выполнять молекула растворителя. Скорость таутомеризации Не следует забывать, что при таутомерных превращениях, о ко- торых шла речь выше, связь С—Н должна подвергаться раз- рыву. Поэтому хотя большое число подобных превращений про- исходит довольно быстро, их все же нельзя уподоблять ионным реакциям, при которых подобный разрыв связей не происходит. Как указывалось в предыдущем разделе, истинные скорости большого числа таутомерных превращений можно оценить 261
исходя из данных о скорости внедрения дейтерия (из D2O, EtOD* и других дейтеросодержащих веществ) в молекулы исследуемых соединений. В наиболее известных случаях скорость внедрения дейтерия при добавлении основания к чистому таутомеру можно считать равной скорости образования промежуточного аниона, а при последующем подкислении — скорости образования од- ного или обоих таутомеров из этого аниона. О II 'ОН Me—С—СН2—COOEt---► Р” Ч о I Me —С —СН —COOEt -Ч—> Me-C==CH-COOEt О ОН II I Me—С — СН2—СООЕ t Me—С=СН—COOEt Соотношение между относительными скоростями таутомер- ных превращений и строением молекул не столь просто, как это может показаться. Хотя известно много случаев, когда струк- турные изменения, приводящие к повышению кислотности, спо- собствуют возрастанию скорости таутомеризации, тем не менее у нас нет никаких оснований возводить эту корреляцию в уни- версальное правило. Так например, известно, что кислотность нитрометана MeNO2 (рХа 10,2) выражена сильнее, чем у мало- нового эфира СН2 (COOEt) 2 (р/(а 13,3), однако скорость иони- зации в случае нитрометана меньше (ср. стр. 253). Строение таутомеров и положение равновесия Зависимость положения равновесия от строения таутомеров наи- более полно изучена для кето-енольных таутомерных систем и их близких аналогов, и мы ограничимся этими примерами. Равновесные соотношения между кето- и енольными формами часто могут быть оценены химическими методами, однако та- кого рода измерения обычно легче и удобнее провести спектро- скопически. Значительное содержание енольной формы в кето- енольной системе при достижении таутомерного равновесия может иметь место обычно только при наличии одного или не- скольких заместителей, способных стабилизовать енол за счет де- локализации л-электронов его двойной углерод-углеродной связи: ^=с-^с==с—он ч—>- о—с=с-с=бн III. Ill 262
Так например, содержание енольной формы в ацетоне весьма незначительно, тогда как р-дикетоны существуют в основном в енольной форме: 1 ' . Содержание енольной формы, МеСОМе ................... 0,00025 MeCOCH2COOEt (XXII)........ 7,5 MeCOCHPhCOOEt (XXIII)...... 30 МеСОСН2СОМе (XXIV)......... 80 Сравнение ацетилацетона XXIV с ацетоуксусным эфиром XXII дает возможность выявить относительное влияние второй кетогруппы (по сравнению с группой >С=О сложного эфира) на положение равновесия кетон енол. Присоединение фениль- ной группы к метиленовому атому углерода также вызывает повышение степени делокализации л-электронов связи >С = С< (сравнение XXII и XXIII). Дополнительным фактором стабилизации енольной формы по сравнению с кетонной является-возможность образования внут- ренней водородной связи, например: XXIV Н о-’’ ххп Если же учитывать другие факторы, влияющие на эффек- тивность стабилизации, то такие водородные связи приводят к уменьшению полярности енола и повышению степени компакт- ности его молекул по сравнению с менее компактными молеку- лами кетоформы. Именно поэтому в тех случаях, когда кетон- ная и енольная формы могут быть изолированы, оказывается, что енольная форма, несмотря на наличие гидроксильной груп- пы, имеет обычно более низкую температуру кипения. Влияние водородной связи на преимущественную стабилизацию енольной формы легко видеть из сравнения процентного содержания аце- дилацетона XXIV в воде и в несодержащем гидроксильных групп растворителе, например в гексане. Содержание енола в гексане достигает 92% (в чистом жидком ацетилацетоне оно составляет 80%), тогда как в воде (где кетоформа может также образо- вывать водородные, связи — с молекулами растворителя) оно па- дает до 15%. В рассмотренных выше примерах состав равновесной смеси при данных условиях определяется относительной термодинами- ческой устойчивостью двух форм, что является общим правилом. 263
Интересная ситуация возникает, однако, в случае нитросоедине- ний, таких как фенилнитрометан XXV: Ph—CH2-N СГ чсевдокислота XXV zo—Н Ph—CH=N хо" с^и-форма XXVI Ph—CH=N XXVII В этом случае нормальная нитроформа, или псевдокислота XXV, термодинамически более стабильна, и при истинном рав- новесии эта форма является преобладающей, в то время как аци- форма XXVI почти полностью отсутствует. При подкислении же натриевой соли нитросоединения (анион которой имеет строение XXVII) образуется в основном аци-форма XXVI. Это объясняется тем, что переходное состояние между XXVII и XXV энергети- чески менее выгодно по сравнению с переходным состоянием между XXVII и XXVI (поскольку связь С—Н разрывается труд- нее, чем связь О—Н); в результате более стабильная псевдо- кислота XXV образуется из мезомерного иона медленнее, чем azjtz-форма XXVI. Таким образом, преимущественное образова- ние XXVI вместо XXV обусловлено кинетическими, а не термо- динамическими причинами. Однако хотя в первый момент пре- имущественно образуется azjtz-форма XXVI, тем не менее за счет обратной реакции происходит медленное и самопроизволь- ное накопление псевдокислоты XXV, так что в конечном счете соотношение таутомеров в продукте реакции определяется все же термодинамическими факторами. t 5. РЕАКЦИЯ КАРБАНИОНОВ Реакция присоединения Карбанионы, так же как и другие частицы, являющиеся источ- никами отрицательно заряженного углерода, принимают участие в разнообразных реакциях присоединения, многие из которых являются реакциями присоединения по карбонильной группе. Из них ранее уже рассматривались присоединение реактивов Гриньяра и ацетиленид-иона к карбонильным соединениям (см. стр. 212, 214), альдольная конденсация (см. стр. 214), реакция Перкина (см.’стр. 218), сложноэфирная конденсация Клайзена 264
(см. стр. 219), бензоиновая конденсация (см. стр. 221), а также присоединение карбанионов к а,р-ненасыщенным карбонильным системам в реакции Михаэля (см. стр. 196). Карбоксилирование. Алкильные и арильные производные, а также ацетилиды металлов более положительных, чем магний, или соответствующие реактивы Гриньяра, способны присоеди- нять очень слабо электрофильную двуокись углерода, давая соль соответствующей карбоновой кислоты. К ХО* м + О' Реакцию проводят обычно, добавляя металлоорганическое соединение, растворенное в подходящем инертном растворителе, к большому избытку мелкоразмельченной твердой СО2; особенно широко эта реакция применяется для получения кислот ацети- ленового ряда. В тех случаях, когда образующаяся карбоновая кислота легко может быть выделена и охарактеризована, реак- цию карбоксилирования можно с успехом использовать для до- казательства возникновения карбанионов. Еще одним примером может служить реакция Кольбе — Шмидта (см. стр. 269). Реакция замещения Карбанионы участвуют также в большом числе реакций заме- щения. Алкилирование. Карбанионы, образующиеся из малонового эфира, p-кетоэфиров, p-дикарбонильных и др. соединений, легко вступают в реакции замещения с алкилирующими агентами, та- кими как алкилгалогениды и другие реакционноспособные гало- генсодержащие соединения. Эти реакции могут служить удоб- ным препаративным методом образования новых углерод-угле- родных связей. В большинстве случаев карбанион образуется в неводных растворах в присутствии оснований, таких как ЕЮ", и далее реакция протекает по обычному механизму S.y2: ЕЮ" (Е1ООС)2НС—н-----1 I н (ЕЮОС)2НС’+ Н=МЗ — Вг ---> Н 8- \ /Н 8- /Н --->(EtOOC)2HC--C—-Вг-------->(EtOOC)2HC—С^=Н + Вг Н н 265
В нескольких случаях механизм SN2 был подтвержден кине- тически, причем было показано обращение конфигурации при атакуемом атоме углерода. Сходная реакция препаративного значения протекает с аце- тиленид-ионом: нс=сн HC=C"+RBr —> HC=CR + Вг" Следует, однако, иметь в виду, что изображенные выше карб- анионы, и в особенности ацетиленид-ион, образуются из очень слабых кислот и поэтому являются очень сильными основаниями, так что наряду с реакциями замещения они могут участвовать также и в реакциях отщепления (см. стр. 243). Так, например, реакция с третичными галогенидами вместо алкилирования ве- дет обычно к образованию олефинов. Взаимодействие с реактивами Гриньяра и другими металло- органическими реагентами. Реактивы Гриньяра формально можно рассматривать как потенциальные источники электроот- рицательного углерода, хотя мало вероятно, что эти реагенты в процессе реакции непосредственно образуют карбанионы. В действительности в реакцию мржет вовлекаться более чем одна молекула реагента, на что уже .указывалось при обсужде- нии вопроса о присоединении этих производных к карбонильным группам (см. стр. 212). В качестве примера реакции замещения можно привести пре- паративный метод получения альдегидов через их ацетали из ор