/
Автор: Агрономов А.Е.
Теги: органическая химия здравоохранение медицинские науки химия
ISBN: 5-7245-0387-5
Год: 1990
Текст
А. Е.Агрономсз
главы
органической
X иг.
1
А.Е.Агрономов
Избранные
главы
органической
химии
2-Е ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ
И ДОПОЛНЕННОЕ
Допущено Государственным комитетом,
по народному образованию СССР
в качестве учебного пособия
для студентов химических специальностей
университетов
ББК 547
Л 26
УДК 547(075.8)
Рецензенты;
кафедра органической химии ЛГУ
УНКОВСКИИ Б. В. (МИТХТ)
Агрономов А. Е.
А 26 Избранные главы органической химии: Учеб, посо-
бие для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Химия,
1990. —560 с.; ил.
ISBN 5-7245-0387-5
Систематизированы и обобщены основные типы реакций орга-
нической химии, дано построенное на единых принципах пред-
ставление о наиболее важных реакциях синтетической органиче-
ской химии. На большом числе примеров показана взаимосвязь
между строением и химическими свойствами основных типов ор-
ганических соединений.
Для студентов химических вузов и университетов, может быг|Ъ
полезно в качестве методического пособия по органической химии
для преподавателей вузов и университетов и слушателей факуль-
тетов повышения квалификации.
, 1705000000-072
АО50(01)—90 72 — 90
ISBN 5-7245-0387-5
ББК 547
© Агрономов А. Е., J99Q
о ПЛАВЛЕНИЕ
'предисловие . .. . .................................................................................................................................................................
Глава 1. Присоединение к кратным углерод-углеродным связям
1 • Присоединение к Изолированной двойной углерод-углеродной связи 6
..1.1. Реакции электрофильного присоединения.................... 8
1.1.2. Радикальн-bie реакции...............................31
1.1.3. Реакции нуклеофильного присоединения................45
1.2. Присоединение к изолированной тройной углерод-углеродной связи 50
1.3. Присоединение к диеновым углеводородам....................60
1.3.1. Присоединение к кумуленам ._..............................60
1.3.2. Присоединение к сопряженным дненам..................62
1.4. Присоединение к сопряженным енинам........................79
1.5. Присоединение к а,^ ненасыщенным карбонильным соединениям 80
1,5.1. Присоединение к сопряженной системе связей С = С и С=О 80
1.5.2. Присоединение к кратным связям бензохинона .... 87
1.5.3. Присоединение к кетенам...................................92
Рекомендательная литература..........................................95
Глава 2. Нуклеофильное замещение в алифатическом ряду ... 96
2.1. Замещение атома галогена...................................... 97
2.1.1. Реакции первичных алкилгйлогенидов. Механизм Хы2 -. . 97
2.1.2. Реакции третичных алкилгалогенидов. Механизм SH . . 124
2.1.3. Стереохимия реакций нуклеофильного замещения ... 135
2.2. Замещение кислородсодержащих групп ... ... 138
2.2.1. Реакции спиртов и гликолей...............................138
2.2.2. Реакции простых эфиров, ацеталей и ортоэфиров . . . 155
2.2.3. Реакции а-эпоксидов . ........................: • •
2.2.4. Реакции альдегидов н кетонов . . . . . . . . . 162
2.2.5. Реакции карбоновых кислот ...............................167
2.2 6. Реакции сложных эфиров..................................174
2.3. Замещение азотсодержащих групп.................................177
Рекомендательная литература . 183
Глава 3. Реакции конденсации карбонильных соединений . . . . 183
3.1, Механизмы реакций конденсации..................................188
3.2. Реакции альдегидов и кетонов ..................................198
3.3. Реакции сложных эфиров карбоновых кислот . ' . . . . . ’328
Рекомендательная литература ............ 253
Глава 4. Синтезы с участием магнийорганических соединений . 254
4.1. Получение магннйорганических соединений........................254
4.2. Строение магнийорганнческих соединений.........................259
4.3. Реакции магнинорганическнх соединений . ...... 262
4,3.1. Магиийорганнческие соединения как основания .... 262
з
4.3.2. Магиийорганические соединения как нуклеофильные реагенты 26р
4.3.3. Радикальные реакции ...........................
Рекомендательная литература .............................. . . 307
Глава 5. Реакции замещения в ароматическом ядре .
5.1. Электрофильное замещение .................................... 3j;
5.1.1. Механизм реакции............................. 31 1
5.1.2. Ароматические субстраты ...................... . 32;
5.1.3. Основные реакции ...............................' ’
5.2. Нуклеофильное замещение . ............................. 39g
Рекомендательная литература ............ 499
Глава 6. Восстановление ннтросоединений. Получение и свойства диазо-
соединений .......................................................410
6,1. Восстановление нитросоедииений.................................410
6.1.1. Восстановление в кислой среде..........................‘'410
6.1.2. Восстановление в щелочной среде........................
6.2. Получение и свойства диазосоединений , 424
6.2.1. Взаимодействие аминов с азотистой кислотой .... 424
6-2.2. Ароматические диазосоединения............................433
6.2,3. Алифатические дназосоединеннн............................462
Рекомендательная литература ........................................473
Глава 7. Свойства и получение карбо- н гетеро циклических соединений 474
7.1. Карбоциклические соединения . 474
7.1.1. Свойства карбоциклических соединений.....................474
7.1.2. Синтез карбоциклических соединений.......................490
7,2. Гетероциклические соединения ..................................508
7.2.1. Пятичленные гетероциклические соединения с одним гетеро-
атомом ........ 508
7.2.2. Шест и членные гетероциклические соединения с одним гетеро-
атомом ....................................................... 539
Рекомендательная литература....................................... 550
Посвящаю
моим ученикам — студентам
Химического факультета МГУ,
вдохновившим меня на этот труд
ПРЕДИСЛОВИЕ
Согласно программе семинаров и коллоквиумов по органичес-
кой химии химического факультета МГУ, учебный материал в
основном группируется по типам химических реакций. В от-
дельные темы выделены лишь некоторые, имеющие большое
практическое значение, классы органических соединений, на-
пример магиийорганические соединения и диазосоединения.
В данном учебном пособии сконцентрирован, систематизи-
рован и подан с единых теоретических позиций основной мате-
риал, относящийся к каждой теме. Для аргументации выска-
занных положений широка использованы современные пред-
ставления электронной теории органической химии и основные
физико-химические характеристики органических веществ (ди-
польные моменты, межатомные расстояния, энергии диссоциа-
ции связей, константы кислотности и Др.).
Знание механизмов реакций органических соединений по-
зволяет легче усваивать фактический материал. Однако в рам-
ках данной книги не представлялось возможным, не нанося
ущерба ясности и последовательности изложения основных по-
ложений, подробно и критически рассматривать все, зачастую
многочисленные и противоречивые, точки зрения.на механизм
протекания той или иной конкретной реакции. В большинстве
случаев отдавалось предпочтение какому-либо одному механиз-
му, по мнению автора более обоснованному; с альтернативны-
ми механизмами читатель можеТ ознакомиться по литератур-
ным источникам, рекомендуемым учебными программами.
При подготовке к новому изданию (первое издание вышло
в 1975 г„ изд. МГУ) книга была существенно переработана,
добавлены новые главы «Пппсоедпнение к кратным углерод-
углеродным связям» и «Свойства и получение карбо- и гетеро-
циклических соединений».
Автор допускает, что книга и сейчас не полностью свободна
от недостатков, и будет признателен всем читателям, которые
выскажут конкретные критические замечания и пожелания.
ЛВТОГ
ГЛАВА 1
ПРИСОЕДИНЕНИЕ К КРАТНЫМ
УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫМ СВЯЗЯМ
1.1. ПРИСОЕДИНЕНИЕ К ИЗОЛИРОВАННОЙ ДВОЙНОЙ
УГЛЕРОД УГЛЕРОДНОЙ СВЯЗИ
Для соединений этиленового ряда с общей формулой (1) по-
стулируется, что атомы углерода, связанные кратной связью,
находятся в состоянии 8р2-гибриднзации. Гибридизованные, и
поэтому эквивалентные, одна 8- и две р-орбитали этих атомов
находятся в одной плоскости на максимальном удалении друг
от друга под приблизительно одинаковыми углами, большими,
чем тетраэдрический, и равными 120° (точнее, угол АСВ и со-
ответственно угол DCE, определенный методом электроногра-
фии, равны 116,7°).
А\ Q
6х ЧЕ
(1)
Оставшаяся неги б р ид и зо в а н ной р-орбнталь каждого из ато-
мов углерода, имеющая форму симметричной гантели, располо-
жена в равных долях над и под этой плоскостью, где и Проис-
ходит частичное перекрывание этих р-орбиталей;
Следствием такого перекрывания является более затруднен-
ное по сравнению с ординарной связью вращение вокруг связи
С=С (для этого требуется = 270 кДж/иоль энергии) обус-
ловленное этим появление у симметричных гомологов и диза-
мещенных этилена геометрической цис-транс-изомерии:
Н .X
XCZ
II
сх
И х
н, х
xcz
II
,сх
X н
цис- транс-
6
Для обозначения изомеров алкенов типа (1) обычно используют 2,£-снсте-
му. Согласно современной номенклатуре, к Z-изомерам таких соединений от-
носят те изомеры, в которых старшие заместители у связанных кратной связью
атомов углерода находятся по одну сторону молекулы (от немецкого слова
zusammen — вместе), а к £-нзомерам—по разные стороны (от немецкого сло-
ва entgegen — напротив).
Кроме того, вследствие перекрывания р-орбцталей длина
двойной углерод-углеродной связи (0,134 нм) меньше, чем дли-
на ординарной (0,154 нм).
Поскольку электроны, расположенные на негибриднзован-
ных р-орбиталях, находятся на больших расстояниях от ядер
атомов углерода, чем электроны, расположенные на др2-орбн-
талях, и вне плоскости, в которой расположена молекула, л-
связь отличается высокой поляризуемостью и большой доступ-
ностью для электрофильных реагентов. Вследствие этого для
алкенов в первую очередь характерны реакции с различными
электрофильными реагентами.
В зависимости от строения реагирующего алкена и химиче-
ской природы электрофильного реагента Х+ присоединение
последнего по кратным связям может осуществляться согласно
одному из трех механизмов:
(4)
По механизму а с электрофильными реагентами алкены
взаимодействуют предпочтительно в том случае, если замести-
тели А и В (или один из них) являются электронодонорными
алкильными группами. Это вызывает поляризацию л-связн в
исходном алкене, что благоприятствует образованию в каче-
стве интермедиата карбокатиона (2).
Ак. гч
1/ e-sE
7
По механизму б предпочтительно реагируют алкены снимет,
ричного строения, причем наиболее однозначно, если замести-
тели А и Е, или соответственно В и D, являются электроно-
акцепторными.
Механизм в, предполагающий промежуточное образование
четырехчленного переходного состояния, наблюдается в редких
случаях (например, при взаимодействии олефинов с BHj, см.
ниже).
Для выяснения механизма протекания реакции в зависимо-
сти от природы электрофильного реагента можно в качестве
субстрата использовать циклоалкены (например, циклогексен
или циклопентен) или такие алкены, при взаимодействии кото-
рых с электрофильным реагентом образуются соединения с
асимметрическими атомами углерода (например, малеиновая и
фумаровая кислоты).
При взаимодействии электрофильного реагента с циклоал-
кеном по механизму а не наблюдается стереоспецифичность
реакции: образуется смесь цис- и трпне изомеров. Согласно
механизму б, предпочтительно образуется продукт тринс-при-
соединения. а по механизму в — npOAVKT цпс-присоединения:
<3 <3
Nu Ко
трияс цис
Поскольку энергия диссоциации двойной углерод-углерод-
ной связи (610 кДж/моль) на 90 кДж/моль меньше, чем сумма
энергий двух ординарных связей (2-350 кДж/моль), л-связи в
алкенах в большей степени, чем о-связи, способны к гомолити-
ческому разрыву. Вследствие этого часть реакций присоедине-
ния по кратной углерод-углеродной связи протекает по гомоли-
тическому механизму.
Если в несимметричном дизамещенном алкене (5) оба за-
местителя или один из них являются электроноакцепторными
группами, то такие алкены способны реагировать с нуклео-
фильными реагентами.
- Ах 6+
^С = СН5
аа - а- 2
(5)
1.1.1. Реакции электрофильного присоединения
Гндрогалогениронание. В соответствии с эмпирическим прави-
лом Марковникова, сформулированном более ста лет тому на-
з#Д- при гидрогалогенировании атом водорода присоединяется
8
к атому углерода, связанному с большим числом атомов водо-
рода:
R - CH = СН2 + НХ —> R - СН - СН3
X
В газовой фазе реакция протекает медленно. Она ускоря-
ется при использовании в качестве растворителя бензола и за-
медляется в среде диэтилового эфира, атом кислорода которо-
го способен протонироваться конкурентно с алкеном:
С2Н5 - о - С2Н5 + Н+-^С2Н5 - О - С2Н5
Н
j Наиболее активными катализаторами реакции являются
безводные галогениды металлов (AICU, FeCh, B1CI3, ZnCh),
способные образовывать с галогеноводородами высокоионизи-
рованные соединения, у которых внешняя электронная оболоч-
ка атома металла достроена до октета, например:
А1Х3 + НХ—*Н+"А1Х4
Реакционная способность галогеноводородов изменяется в
ряду: Н] > HBr > НС1.
Эти факты позволяют предполагать, что на первой стадии
реакции происходит электрофильное присоединение протона к
алкену.
Здесь следует остановиться на теоретическом обосновании
правила Марковникова на примере присоединения НВг к про-
пилену:
сн3 ~ СН = сн2 + НВг—*-СН3 - СНВг - сн3
Из-за различия электроотрицательностей атомов углерода
(2,5) и водорода (2,1) на атоме углерода группы СН3 появля-
ется некоторый избыток электронной плотности, а на атомах
водорода — некоторый дефицит ее, а вся группа в целом при-
обретает электронодонорные свойства (+/-эффект):
«8 + Н
4 s-
8в + Н-*| С—*
f
88 + Н ‘
Это можно подтвердить, сравнив кислотность муравьиной
и уксусной кислот (см. ниже). Таким образом, метильная груп-
па индуцирует поляризацию связей.
Я
Винильная группа СН=СН2, напротив, обладает электро-
ноакцепторными свойствами (—/-эффект), что следует из со-
поставления кислотности уксусной и винилуксусной кислот:
Н—СООН 3,77
СНЭ—СООН 4 76
СН2= CH^CH?+-COOH 4,35
Чем можно объяснить наличие у винильной группы элект-
рииоактдепторных свойств? Согласно одному из существующих
объяснений, это обусловлено тем, что агомы углерода виниль-
яой группы находятся в состоянии sp2-, а не £р3-гнбрндизации,
а это означает, что доля s-состояния в связывающих орбиталях
повышается. Известно, что сферические s-орбитали расположе-
ны ближе к ядру атома углерода, т. е. находящиеся на них
электроны удерживаются ядром прочнее, чем электроны, нахо-
дящиеся на более удаленных р-орбиталях. Таким образом,
увеличение доли s-состояння в гибриднзованных Орбиталях
приводит к появлению электроноакцепторных свойств у атомов
углерода винильной группы.
Еще более заметны электроноакцепторные свойства у эти-
нильной группы С=СН, в KoTOpoff углерод находится в состоя-
нии 5р-гибридцзащ1и, и, следовательно, вклад s-состояния в
гибрндизованных Орбиталях еще выше. Это можно подтвер-
дить, сравнивая значения рЛ\ пропионовой.акриловой и про-
пноловой кислот, а также этана и ацетилена
СН3-СНг—СООН
СН2 = СН—СООН
НС=С-СООН
4,87 СНз—СНг—Н 40
4,26 Н—С=С-Н 22
I 84
Следствием повышения электроноакцепторны.х свойств угле-
рода с увеличением s-характера орбиталей является также мо-
нотонное уменьшение длин связей С—Н в соответствующих со-
единениях (в* нм):
СН3—СНг— н 0.110 СИ<=С-Н 0,106
СНг=СН— Н 0,109
В пропилене, например, вследствие наличия +/-эффекта'
метильной группы и —/-эффекта винильной группы, а также
* Константы диссоциации органических соединений Аа, как правило, неаелнки, и их Чис
ленные значения обычно имеют множитель 10 в отрицательной степени, что при частом
использовании несколько загромождает тск^т По-ному >;аще используют величины рК -
логарифмы значений с обратным знаком Например, уксусная кнслотД имеет Ка =
1.75 1(Н5 и. следовательно. догарнфм рдден 5.2430 Это значение (—5+0,2430-4„7а70),
взятое с обратным знаком, н есть рХа Таким образов, чем больше рА"а, тем меньше
кислотность соединения
Ю
высокой поляризуемости п-связи происходит перераспределе-
ние электронной плотности;
Н
I о,,
-JO+ Н-»С->СН = СНг
। о-
Ноо+
Это можно подтвердить тем фактом, что у пропилена ди-
польный момент р. = 0,35Д, а у 1,1-диметилэтилена |1 = 0,50Д.
Учитывая все сказанное выше, можно утверждать, что вза-
имодействие алкена с галогеноводородом — двухстаднйный
процесс, который начинается с присоединения протона за счет
легко поляризуемых л-электронов алкена. Протон предпочти-
тельно атакует крайний, а не средний атом углерода по двум
причинам. Во-первых, согласно статическим факторам, на нем
имеется избыточная электронная плотность, а во-вторых, со-
гласво динамическим факторам, при атаке протоном крайнего
атома в качестве промежуточной частицы образуется более
стабильный карбокатион:
о- +
снз - сн = сн2 —> сн3 - сн - енг
1
Н+ н
Известно, что стабильность карбокатиона увеличивается с
увеличением степени возможной делокализации положительно-
го заряда. Поскольку атом углерода, несущий полный поло-
жительный заряд, в рассматриваемом карбокатионе связан с
двумя электронодопорвымн группами СНз, этот заряд может
дополнительно рассредоточиться на шести атомах водорода
этих СНз-групп, что снижает энергию образовавшейся частицы
ио сравнению с первичным карбокатионом:
3 + Н Ю +
1 «* I
в + н —с—с— с— н 8 +
й + Н Н Н 8 +
Участие атомов водорода в рассредоточении положительно-
го заряда выражается в том, что любой из них с равной сте-
пенью вероятности может затем отщепиться в виде протона,
регенерируя исходный алкен.
В случае же атаки протоном среднего атома углерода обра-
зуется карбокатион, в котором положительный заряд имеет
возможность дополнительно рассредоточиться только на двух
Рис. I 1 Изменение потенциальной
энергии при протонированни лрооена
/ — исходная система С1ЬСН<=>СН2+Н+, 2 —
п^рвнчиын карбокатнен С1КСЦ4СНЛ. 3 — sro
ричный нарr>f>xsj^СНг)лСН->
£j и — энергии активации образования пер*
внчного н агоричного карбокатионов соответ
сгвенно
атомах водорода, что приводит к меньшему снижению энергии
образующейся частицы, и, следовательно, такое направление
присоединения протона должно Проходить с большей энергией
активации (рис. 1,1),
о+
У «<
СНз - CHj сн2 —> СНз - С - сн2
н+ н
с+
Вторая стадия рассматриваемой реакции заключается во
взаимодействии образовавшегося карбокатиона с анионом Х“,
Она протекает с большой скоростью и на скорость всего про-
цесса влияния не оказывает,
В соответствии с этими представлениями 2-метилпропен-1
реагирует с галогеноводородами еще легче, так как в ном под
влиянием двух метильных групп избыточная электронная плот-
ность на атоме углерода метиленовой группы больше, чем в
пропилене, а образовавшийся в результате присоединения про-
тона карбокатион еще стабильнее, вследствие того что положи-
тельный заряд в нем рассредоточивается уже на девяти ато-
мах водорода:
«+
6+ у 6+
Н—С— н
6+ 1 6 +
9Нз +
СН3-С = СН2+Н—я- с с
4J ' * /. П
, н .н S+
о+ 6+ 6 +
Всегда ди выполняется правило Марковникона?
Если в метильной группе какого-либо соединения заменить
один атом водорода на более электроотрицательный атом бро-
ма, то вся группа СНгВг станет электроноакцепторной. Это
12
видно, например, при сравнении значений рКа уксусной и бром-
уксусной кислот:
СНз—СООН 4,76
Вг^СН2^СООН 2,87
Однако, несмотря на неблагоприятные статические факто-
ры, присоединение галогсноводорода к аллилбромиду протека-
ет хотя н с меньшей скоростью, но также согласно правил}7
Марковникова и в результате образуется дигалогенпд
сн2 = СН - СН2Вг + (<Х—*сн3 - енх - СН2Вг
По-видимому, в данном случае решающее влияние на на-
правление реакции оказывают динамические факторы, т- е,
большая энергетическая выгодность образования на первой
стадии реакции карбокатиона (6), чем карбокатиона (7):
6+ 6+ s+
64 6+ НА н+ 4+ V
Н-С-С-С- Вгче—сн2 = СН - СН2Вг —^СН2 - С - СН2Вг
III I 4
н н н н
а+ 6+ 6+
(6) (7)
Правило Марковникова соблюдается даже в том случае,
если в алкене вместо метильной группы имеется электроноак-
цепторный атом галогена, как, например, в винилхлориде, хо-
тя с данным соединением реакция протекает с большим тру-
дом,-
X
СН2= CHCI + НХ—>-СНз - СНС1
При объяснении этого факта следует учитывать не только
большой отрицательный индуктивный эффект атома хлора,
снижающий реакционную способность алкена, вследствие чего
НХ должен был бы присоединяться против правила Марковни-
кова, но и положительный мезомерный эффект (+М-эффект),
обусловленный наличием у атомов галогенов неподеленных пар
р-электронов
О наличии +М-эффекта в молекуле винилхлорида можно
сделать вывод, сравнив значения дипольного момента у, винил-
хлорида (1,44 Д) и этнлхлорида (2,00 Д) г Как известно, ц =
=г/, где z— заряд, а I — расстояние между разноименными за-
13
рядами. Уменьшение дипольного момента винилхлорида пО
сравнению с этилхлоридом свидетельствует об уменьшении из-
быточной электронной плотности на атоме галогена
Однако не следует забывать, что отрицательный конец ди-
поля в винилхлориде сохраняется на атоме галогена При вза-
имодействии галогеноводородов с винилхлоридом после при-
соединения к нему протона могут образоваться два различных
карбокатиона:
+ Н М+ -т4
CI - СН2 - СН2*— CI - СН я СН2 —*С1 - СН - СНз
О) (В)
Однако реакция предпочтительно протекает с образованием
карбокатиона (8) по следующим причинам. Помимо того, что
в катионе (8) в рассредоточении положительного заряда уча-
ствуют три атома водорода, а в катионе (9) —только два, ре-
шающее влияние на направление реакции оказывает то обстоя-
тельство, что в катионе (8) в рассредоточении положительно-
го заряда участвует также своими парами р-электронов и атом
галогена, вследствие чего этот карбокатион правильнее изоб-
ражать формулой (Ю):
, -Ь ,
:с'[ - сн - сн3 ** ci = сн - сн3 ci—"ОН - снз
(И)
По аналогичным Причинам присоединение НХ к виниловым
эфирам также протекает в соответствии с правилом Марковни-
кова-.
X
СНг - СН - OR + НХ —СН3 - сн - OR
Карбокатион (И), в котором в рассредоточении положи-
тельного заряда участвуют неподеленные пары р-элсктроиов
атома кислорода, более энергетически выгоден, чем карбокати-
он (12), в котором отсутствует возможность мезомерного вза-
имодействия атома кислорода группы OR с несущим полный
положительный заряд атомом углерода.
СН3-СН-О-R->CH3-СН^Ь-R CH2-CH2-O-R-
•О'
(11) (12)
Однако для некоторых алкенов, например 3,3,3-трифторпро-
кена-1 (13) и впнилтриметнламмонийгалогенида (14), присо-
14
единение галогеноводородов по кратной связи протекает про-
тив правила Марковникова. Соединение (13) можно рассмат-
ривать как продукт замещения в метильной группе пропилена
всех трех атомов водорода на атомы наиболее электроотрица-
1тельцого элемента — фтора, а в соединении (14) на атоме азо-
та имеется полный положительный заряд, и у него отсутствуют
йеподеленные пары р-электронов, которые могли бы обеспечить
+М-эффект.
f
F-C - СН = СН2 (СНз)дМ - сн = сн2 х
I
F
(П) (14)
Присоединение серной кислоты. В отсутствие воды серная
кислота на холоду Присоединяется к алкенам с образованием
гидросульфатов, например:
СНз - СН =СН2 + НгЗОд—>СНз - СН - СН3
О - SO3H
Реакция протекает по механизму, аналогичному присоеди-
нению НХ:
сн3 - СН = сн2 -^[сн3 - бн - снз) -^сн, - сн - сн3
О - S03H
Последующее нагревание образовавшегося продукта с во-
дой приводит к соответствующему спирту. Реакция имеет прак-
тическое значение, так как позволяет получать спирты из низ-
ших алкенов, образующихся при крекинге нефти.
Гидратация. Для протекания этой реакции необходимо при-
сутствие каталитических количеств минеральных кислот; в от-
сутствие кислот алкены не реатируют с водой В данной реак-
ции также соблюдается правило Марковникова, и поэтому из
гомологов этилена образуются только вторичные и третичные
спирты:
ОН
[ Н+1 1
R - СН = СН2 + Н20 ——* R-СН-СНз
Исследование кинетики этой реакции показало, что гидра-
тация алкенов — двухстадидный мономолекулярный обратимый
15
процесс При повышенной температуре от образовавшегося
спирта отщепляется вода.
На первой стадии реакции алкен реагирует не с молекулой;
поды, а с ионом гидроксоиия, а на второй стадии молекула/
воды атакует образовавшийся карбокатион I
R-CH=CH2 + H3O«^R-CH-CH3 +
S-^H-CH3-> R-CH-ChJ-^R-ch-СНз
Н-О—Н И-О-И ОН
1— + I
Таким образом, протон регенерируется на заключительной
стадии реакции. Реакция протекает по механизму а (см. нача-
ло главы) с промежуточным образованием карбокатиона. Это
можно доказать тем, что присоединение воды к 1,2-диметил-
циклогексену протекает нестереоспецифично и образуются при-
близительно равные количества обоих возможных стереоизо-
меров:
плоский кар-
бокатион
Обычно в качестве катализатора используют серную кисло-
ту. Выбор серной кислоты обусловлен тем, что нуклеофильная
реакционная способность гидросульфат-иона HSO4~ по срав-
нению с водой невысока и он не конкурирует с водой на второй
стадии реакции.
Галогенирование. Взаимодействие алкенов с галогенами
приводит к соответствующим дигалагеналканам:
>с^с^+х2— ^с-с(
X X
Практическое значение имеет только взаимодействие алке-
нов с хлором и бромом. Фтор обугливает алкены, а иод при-
соединяется обратимо или не присоединяется совсем.
Есть основания утверждать, что рассматриваемая реакция
Протекает по ионному механизму, а не по гомолитическому
18
\ механизму а (как при реакции металепсии) или по синхрон-
ному гетеролитическому механизму б:
гетеролитическому механизму б:
~Х
^с— с
в)
\7
J>C—CQ
В случае алкена циклического строения, например цикло-
гексена, в результате реакции образуется транс-изомер (в ко-
тором атомы галогена расположены по разные стороны от
плоскости кольца), а не смесь обоих возможных изомеров (в
соответствии с механизмом а) и не цис-изомер, который дол-
жен был бы образоваться согласно механизму б.
траке
В пользу стадийного Протекания реакции свидетельствует
также и тот факт, что при проведении бромирования в водном
или спиртовом растворе или в присутствии таких солей, как
LiCl, Nal, KNO3, наряду с дибромидом образуются, иногда да-
же в больших количествах, следующие соединения:
I 1
Вг - С - С - I
I I
I |
Br-C-C-ONO2
Nal
Bra
-----С = С
KNO3 I I
НгО ] ]
---*-Вг-С-С-ОН
I I
CH3OH I I „
—^8r - С - С - OCH3
I I
LICl I I
------*• Br - C - C - Cl
I I
На основании изложенных фактов предполагают, что
присоединение галогенов к алкенам протекает согласно следу-
ющему механизму.
В рассматриваемой реакции алкен является донором элект-
ронов, а молекула обладающего высокой электроотрицатель-
2—1425
17
pl
ТЕ
at
че
CJ
н
С'
С’
и
р
а
4
к
р
костью галогена—электрофильным реагентом. Поэтому на
первой стадии реакции, лимитирующей скорость всего процесс
са, легко поляризуемая it-связь алкена, взаимодействуя с од(
ним из атомов, входящих в молекулу галогена, вызывает поляу
ризацию этой молекулы:
(15)
Это подтверждается кинетическими данными, полученными
при бромировании производных этилена и его гомологов в
метаноле при 25°С (приведены относительные скорости реак-
ций);
с
СН,= СНСОЦ 0,03 СН2=СНС2Н5 97
СН^СВВг 0,03 СНяСН=СНСгН5 4,2’ !03
сн2=снсоон СНг=СНг 0,03 1 (СН3)2С=С(СН3)5 93-10*
Как видно, злектронодонорные алкильные группы, вызыва-
ющие повышение л-электронной плотности в алкене, значитель-
но увеличивают скорость реакции.
В пользу предполагаемого механизма свидетельствует так-
же и тот экспериментальный факт, что полярные растворители
ускоряют реакцию. Это говорит о том, что присоединение га-
логенов к алкенам — гетеролитический процесс, протекающий
через образование полярного переходного состояния.
Что же касается галогенов, то скорость реакции присоеди-
нения тем выше, чем электроотрнцательнее галоген и чем бо-
лее поляризована исходная молекула галогена. Относительные
скорости реакции различных галогенирующих агентов при про-
ведении реакции в уксусной кислоте приведены ниже:
I—I I I—С1 ЫО*
I—Вг 3-10» Вт—С1 4-10*
Вг—Вг 1-10*
На заключительной стадии реакции катион (15) может
быть атакован анионом Вг‘ (не обязательно тем, который ге-
нерируется на первой стадии реакции), анионами С1~,
NOs~ или атомами кислорода воды или спирта только со сто-
18
роны, противоположной присоединившемуся атому брома:
Я'" £'
—н+ ф—вг
Образование в качестве интермедиата бромониевого иона
(15) подтверждается тем, что при присоединении брома к гео-
метрическим изомерам бутена-2 с почти количественными вы-
ходами получаются различные диастереомеры 2,3-дибромбута-
на. Из цмс-бутена-2 (16) образуется трео-изомер (рацемичес-
кая смесь R- или S-форм), а из траяс-бутена-2 (17)—зрнтро-
изомер (неактивная .иезо-форма):
14 >снз
BZ >СН3
BrZ ^СН3
сн3
Н-----Вг
Вт----И
СН3
S-форма
сн3
Вг— — Н
Н-----Вг
СНз
Л-форма
Аналогичные результаты получаются при бромировании ма-
леиновой (18) и фумаровой (19) кислот. Из малеиновой кис-
лоты образуется рацемическая смесь активных R- и S-изоме-
2'
ров 2,3-дибромянтарной кислоты, а из фумаровой
неактивная лезо-форма:
кислоты —
Ц^СоОН
с
с
ffVoOH
(18)
toon
>°он
ч >оон
сС
то он
сооН
Л-----Be
“ в\-----н
COOJE
Л-форча
coos
Вг----н
53 н-----нР
со ок
i?-форма
ц+| Вг"
^СООН
лВГ
Н^рсоон
Нк^,
ВгХ 'Чюок
HOoCk^I
X? л _
BQ] Вг
н Гоон_
НООСЧ >н
В^Ве =
Н*** \?оон
со он
Вг---н
Вг----н
С ООН
со он
Н----Вг
И----Вг
соон
ЛВг
но ос*^9 чн
Нл«.ф
Brz X:oqh
Промежуточное образование бромониевого иона типа (15)
наблюдается только а случае присоединения галогена к сим-
метричным алкенам.
При присоединении брома, например, к пропилену при про-
ведении реакции в воде или спирте, а также в присутствии
LiCl, Nal, KNO3 наряду с дибромидом образуются следующие
соединения:
СН3- СН - СН2Вг СН3 - СН - СН2ВГ СНз -СН - СН2Вг
Он ОСНз С1
СНз - СН - CH2Bf сна - СН - СН2Вг
I оиог
го
На этом основании можно утверждать, что в данном слу-
чае промежуточно образуется близкий к классическому кар-
бокатион (20):
СН3-НС—СНг (20)
Вг85*
С позиций рассматриваемого механизма можно объяснить и
тот факт, что при присоединении Cl—I к пропилену образует-
ся 1-иод-2-хлорпропан. Вследствие различия в электроотрица-
тельности хлора (3,0) п иода (2,5) молекула С1—I имеет
дипольный момент ц=0,54 Д, причем положительным концом
диполя является атом иода. Поэтому можно утверждать, что
реакция начинается с электрофильной атаки алкена атомом
иода:
Н3СЧХН Н3(\7Н
jp i—ci—> \^i —> сиа-сн-си2-1
HZXH C1
Таким образом, в том случае, если в алкенах ₽СН = СНг
заместители R — алкильные группы, способные рассредоточи-
вать положительный заряд, присоединение галогена к кратной
связи может протекать с промежуточным образованием карбо-
катионов, близких к классическим
Однако при взаимодействии хлора с 2-метилпропеном и 2-
метилбутеном получается лишь незначительное количество про-
дукта присоединения. В качестве основного продукта образу-
ются моно! алогениды аллильного типа:
СН3 - С= СН2+С12—*СН2 = С - СН2 - CI + НС1
I I
СНз СНз
Можно представить себе, что в данном случае присоедине-
ние галогена и отщепление протона происходят синхронно че-
рез шестичленное переходное состояние (21) без промежуточ-
ного образования классического карбокатиона. В пользу этого
утверждения говорит тот факт, что при взаимодействии 2-ме-
тилбутенз-2 с хлором происходит миграция кратной связи.
И
н2с6
у^==СНа
Н3С
'С1 (21)
21
СН3- СН~С(СН3)2 + С12—*СН3- СН- С = СН2 + НС1
С1 СНз
Сопряженное присоединение. Первым примером реакции
подобного типа является взаимодействие алкена с галогеном
в присутствии большого количества воды, например:
RCH “СН2 + С12 + Н2О—*RCH - СН2 - С1
ОН
(22)
В соответствии с правилом Красусского, группа ОН присо-
единяется к менее гидрогенизированному атому углерода. Дол-
гое время считали, что образованию хлоралканола (22) пред-
шествует взаимодействие хлора с водой:
Cl2+ Н2О^±НО- Cl+ НС1
Получившаяся при этом хлорноватистая кислота, распада-
ясь на ~ОН и +CI, присоединяется к кратной связи. Наличие
частичного положительного заряда на атоме хлора, объясняю-
щее, почему он присоединяется к крайнему атому углерода ал-
кена, аргументировали тем, что хлор менее электроотрицате-
лен, чем связанный с ним кислород.
В настоящее время от такой интерпретации механизма ре-
акции отказались. Во-первых, в хлорноватистой кислоте дефи-
цит электронной плотности имеется не только на атоме хлора,
но и в еще большей степени на атоме водорода, а в водном
растворе эта кислота диссоциирует, причем в анионе " ОС1 атом
хлора не должен проявлять электрофильных свойств:
6+ йб+
Н - О - С( + Н2О^Н3О+ +~ОС1
Во-вторых, кинетические измерения показали, что скорость
реакции не изменяется при прибавлении минеральных кислот,
тогда как, согласно предполагаемому механизму, увеличение
концентрации кислоты должно было бы смещать равновесие
реакции образования НОС1 влево и тем самым замедлять ее.
В настоящее время считают, что галогеналканол (22) об-
разуется в результате последовательного взаимодействия ал-
22
йена сначала с хлором, а потом с водой:
С!«
К-сн=сн2----->
6+ 8-
R—НС—CHg Cl
'em
—У R— СН-СНг—С1---R -CH -CHr-Ci
+OH2 OH
Это подтверждается тем, что при взаимодействии цикло-
гексена с хлором и водой образуется транс-изомер хлорцикло-
гексанола:
НН НН
нао н
но н
С позиций рассмотренного механизма можно объяснить тот
экспериментальный факт, что образование хлорал канола по-
давляется введением в реакционную массу хлорида натрия. На
заключительной стадии реакции ион С1_ из NaCl, конкурируя
с молекулами воды, способствует образованию дихлорида, тем
самым снижая выход хлоралканола.
Аналогично происходит сопряженное присоединение к ал-
кенам хлора ц спирта, а также хлора и карбоновой кислоты с
образованием соответственно:
RCH-CH2-Cl и RCH-CH2-CI
О-СН3 O-COR
Гидроборирование. Алкены реагируют с дибораном, образуя
алкилбораны. Диборан ВгНе трудно выделить в индивидуаль-
ном состоянии, поэтому его обычно получают непосредственно
в реакционной смеси:
О’С
9RCH=CH2 + 3N3BH4 + Aids----*
-* 3(RCH2- СН2)зВ + 3N3Ci + А(Н3
или
ЗИаВНл + 4ВРз-*-2ВгНб + 3NaBF4
В2Н6 + 6RCH — СН2—>2(RCH2 - СН2)зВ
23
Если полученный продукт — триалкилбор — обработать в
щелочной среде пероксидом водорода, то с высоким выходом
образуется первичный спирт:
[-он]
(RCH2 - СН2)3В + ЗН2О2---->3RCH2CH2OH + В(ОН)з
25-30°С
Таким образом, при гидроборировании водород из В2Нв в
отличие от реакций, протекающих в соответствии с правилом
Марковиикова, присоединяется к атому углерода, связанному
с меньшим числом атомов водорода. Гидроборирование — окис-
ление является единственной реакцией, позволяющей получать
из терминальных алкенов первичные спирты.
При кипячении триалкилбора с разбавленными кислотами
образуются предельные углеводороды, что позволяет исполь-
зовать В2Н6 для восстановления кратной связи.
(RCH2-CH2)3B ~ *3RCH2- СН3 + В(ОН)з
Механизм взаимодействия алкенов с В2Н6 представляется
следующим образом. Реакцию часто проводят в тетрагидрофу-
ране, способном образовывать комплекс с ВН3, в котором
донором электронов является атом кислорода:
н2с—сн2
2 I I
н2с сн2
Н2С — сн2
I I
Н2С^ /СН2
O-+BH3
В вн3 атом бора имеет на внешней электронной оболочке
только секстет электронов Вследствие тенденции к достройке
внешней электронной оболочки до октета атом бора в ВН3 об-
ладает электрофильными свойствами (Кстати, этим же объяс-
няется тот факт, что в обычных условиях ВН3 существует в ви-
де дибораиа.) Кроме того, следует принять во внимание и то,
что бор, хотя и не намного, менее электроотрицателен, чем
водород, и поэтому на атоме бора в ВН3 имеется дефицит
электронной плотности.
По этим причинам ВН3, образовавшийся в растворе тетр'а-
гидрофурана, электрофильно атакует атомом бора крайний
атом углерода в алкене, на котором имеется избыточная элект-
ронная плотность. В качестве интермедиата образуется бипо-
лярный продукт (23), в котором положительный заряд возни-
кает на вторичном, а не на первичном атоме углерода, что, как
уже обсуждалось ранее, энергетически более выгодно. Реакция
завершается миграцией гидрид-нона от несущего полный отрп-
24
нательный заряд атома бора к находящемуся рядом электроно-
дефицитному атому углерода
S-
Ц-+СН^СН2 —>
ВНз
R-CH-CHgl—> R-CHa-CHa кся СЯй>- атл.
I I
н~вн2 вн2
(23)
О том, что миграция гидрид-иона происходит внутримоле-
кулярно, свидетельствует тот факт, что взаимодействие ВН3 с
I-метилциклогексеном-I протекает стереоспецнфично и после
обработки аддукта щелочным раствором пероксида водорода
образуется исключительно транс-изомер 2-метилциклогексано-
ла-1, а котором метильная и гидроксигруппы расположены по
разные стороны плоскости кольца
Таким образом, присоединение ВН3 к кратной связи осуг*"--
ствляется согласно механизму в (см. начало главы) через че-
тырехчленное переходное состояние (4) как t/нс-присоединение
Озонирование. Реакция с озоном сопровождается разрывом
не только л-, но и о-углерод-углеродной связей в алкене:
>с(+ о3
Н2° „V
*2ХС — О + Н2О2
(24)
В том случае, когда алкен имеет строение RCH = CHR, об-
разовавшиеся после обработки водой альдегиды окисляются
далее пероксидом водорода до карбоновых кислот RCOOH.
Если реакцию желательно остановить па стадии образова-
ния альдегида, обработку озонида (24) (который можно выде-
лить и определить его температуру плавления) водой следует
проводить в присутствии уксусной кислоты и цинка.
Реакцию озонирования алкенов широко используют при
изучении строения непредельных соединений с несколькими
кратными связями, для определения положения кратной связи
35
в алкенах, а также при исследовании полиенов, например кау-
чука. Так как реакцию проводят в мягких условиях, можно
полностью исключить возможность изомеризации, перегруппи-
ровки или миграции двойной связи в исходном алкене в про-
цессе озонирования.
Механизм реакции озонирования алкенов до настоящего времени оконча-
тельно не выяснен
Согласно одному из предположений, на первой стадии реакции озон реаги-
рует в форме (25) или (26), образуя неустойчивый озонид (27)
(26)
Coi ласно более позднему предположению Криге, озонид имеет структу
ру (28), и взаимодействие озона с алкеном на первой стадии протекает сле-
дующим образом
~О-6=О)
/С=^\
(28)
Далее согласно обоим предположениям, оэонпды (27) и (28) распадаютс t
с образованием биполярного иона (29) и карбонильного соединения которые
затем взаимодействуют друг с другом и образуют озонид (24)
Возможность промежуточного образования при распаде озонида (28)
необычного по структуре биполярного иона (30) допускали на основания еле
дующих экспериментальных фактов
(28) (80)
а) При озонировании 2,3-диметилбутена 2 в присутствии воды, спирта или
уксусной кислоты помимо основного продукта образуются гидропероксиды
26
(31)—(33), которые можно рассматривать как продукты взаимодействия на-
званных реагентов с биполярным ионом
(СН3)2С = С(СН3)2
Оз
Н20 ?Н
-----*(СНэ)гС - ООН
(31)
СН30Н 9СН3
----^(СН3)2С - ООН
(32)
ососн3
о, {
(СН3)2С = С(СН3)2 -------»• (СН3)2С - ООН
сн3соон (33)
9 °? /ООН
(<с^/Н^(снКад-
б) При озонировании тетраметилэтнлена в присутствии формальдегида
в качестве промежуточного продукта побочно получается смешанный озо
нид (34), который, как по-гагалн, образуется следующим образом
Однако существует ряд соображении заставляющих с осторожностью от
носить'’я к Этому признанному в настоящее время механизму Во первых,
сомнительно, чтобы хоть сколько инбудь заметный вклад в реально существую-
щую молекулу озона могла бы вносить структура с однокоаалентНым положи-
тельно заряженным атомом кислорода Известно что дипольный момент озона
невелик в составляет 0 48—0,58 Д Если бы озону соответствовала форму
ла (25) днпо тнныи момент должен был бы быть значительно больше Кроме
того в большинстве соединений в которые входит атом кис города, несущий
полный положите лннын заряд этот атом является трехкова лентиым, а не од
нокова чендным
Во нторых, ничем не мотивгеровано обозначенное стре псами перераспреде-
ление электронной плотности в имеющем симметричное строение озониде (27),
а также образование биполярного иона из озонида (28)
Что же касается механизма Крнге, то первая стадия его представляется
достаточно обоснованной
Методом дифракции электронов было установлено что атомы кщлородд
в молекуле озона не располагаются на одной прямой и ва тентнып угол равен
127° Длины связен 0—0 о ннйковы и равны 0,127 нм, т е имеют среднее
значение между длинами ор ишарнои (0 132 нм) я двойной (0.110 нм) связен
На этом основании можно утверждать что озону должна соответствовать
27
формула (35), согласно которой средник ато • является оксон иевым и несет
полный положительный зартд, а избыточная Зчел тронная плотность в равных
долях рассредоточена на крайних атомах Поэтому я соответствии с предпо-
ложением Криге, по отношению к алкену оэон является электрофилом и атаку-
ет его средним атомом кислорода, а не одним на крайних атомов
(35)
Однако вызывает возражения последующий немотивированный распад об-
разовавшегося озонида (28) с промежуточным образованием частицы с одно-
коналентным атомом кислорода, несущим полный положительный заряд
Альтернативой последующим стадиям механизма Криге может быть сле-
дующее предположение
Известно, что вицинальные диолы (36) из за дефицита электронной плот
иости на соседних атомах углерода способны легко расщеп щться при действии
даже таких мягких окислителей, как НЮ, и тетраацетат свинца Структура
озонида (28) аналогична вицинальным диолам с той только разницей что на
атоме углерода, связанном с оксониевым кислородом, дефицит электронной
плотности еще больше, чем в вицинальных диолах
НО ОН
\ I I/
,с— С (36)
' в+ в+\
Известно также, что озон легко с выделением энергии диссоциирует на мо
лекуляриый и атомарный кислород, атомарный кислород, имея на яиешцеп
электронной оболочке только секстет электронов, способен инициировать гомо
Лиз связи С—С
Регенерировавшийся на заключительной стадии реакции атомарный кисло
род может далее участвовать в реакции или димеризоваться
С этих позиций без допущения промежуточного образования биполярного
ноиа можно также объяснить как образование гндропероксидон (31) — (33) при
озонировании в присутствии протонных растворитетей тате и образование сме
тайного озонида при проведении реакции в
О
присутствии формальдегида
ООН
г-
28
Взаимодействие с солями тяжелых металлов. При взаимо-
действии алкенов, например, с солями ртути, электроотрица-
тельность которой равна 1,9 и которая имеет незаполненный
внешний электронный уровень, можно предположить, что ре-
акция протекает следующим образом’
снг
R-CH + Hg
Н2С
о-с-снЗ—* ||->н8
II II
О 2 RHC
О-С-СНз
II
L о J
«•Комплекс
Нд 0-£~СНз
О
-СНзСОО-
ЯСН-СН2-Нд-О-С-СН3 ->
О _ '
R'OH
Tjp* R-CH-GHz-Нд-О-С-СНз
OR' О
Аналогично реагируют хлориды алюминия, цинка и же-
леза
Алкилирование. Изооктан (2,2,4-триметнлпентан), применя-
емый в качестве авиационного топлива, может быть получен
при взаимодействии изобутена и изобутана, выделяемых из га-
зов крекинга нефти Предполагают, что промежуточной стади-
ей является димеризация изобутена
(сн3)2с = сн2 + н+ ----> [(сн3)3с+] —?"-с-Н:'ь>
-----> (СН3)3С - СН2- &(СН3)2
СН3)3С - СН2 - С(СН3)2 + н - С(СН3)3 -->
—> (СН3)3С - СН2- СН(СН3)2 + £(СН3)з и т.д.
Возможность отрыва гидрид-иока от изобугана на заключи-
тельной стадии реакции с образованием стабильного трет-бу-
тилкатиона обусловлена влиянием трех электронодонорных
метильных групп;
СН3
сн3*с - н
г
сн3
29
Катионная полимеризация. Протонные кислоты, например
H2SO4, способны катализировать полимеризацию алкенов с
образованием димеров и, в меньшей степени, тримеров, напри-
мер:
беэв. f
(СН3)2С = СН2 HgS°4 > (СН3)3С+ CH2sC(CHsh ,
(СН3)3СЧ “*-(СН3)3С - СН - С(СН3)2
> 4- ' СН2 х (20%) На ~
(СН3)2 cz ' г -н+ -»(СН3)3С - СН2 - С: сн2 Pt(Ni)
(37) СН3
(80%)
—* (СН3)3С - СН2 - СН(СН3)2
Образованию более длинных цепей препятствует реакция
катиона (37) с HSOc, приводящая к алкилсульфатам, которые
при низких температурах не диссоциируют на ионы:
(сн3)3с - сн2 - С(сн3)2 + изо;
oso3H
-*(СН3)3С - СН2 - С(СН3)2
Для получения полимеров в качестве электрофильных ката-
лизаторов используют кислоты Льюиса (0,05%), в которых
имеются атомы металлов с недостроенным внешним электрон-
ным уровнем и дефицитом электронной плотности. По актив-
ности в рассматриваемой реакции они располагаются в ряд-
BF3 > AIBr3 > AIC13 > TiCl4 > BiC 13 > SnCl4
Эти соединения способны образовывать с молекулой алкена
биполярные интермедиаты, которые способны инициировать
цепную реакцию:
F
BF3 + С Н2 — С(СН3)2 —>
\ +
F*B - СН2 - С(СН3)2
F
30
F3B - CH2 - C(CH3)2 +п CH2 = С(СН3)2 ~►
F3B - СН2 - С(СН3)2 - [ СН2С(С Н3)2]п., - СН2-С(СН3)2 -5^
-rbf2
F
I
-*f2b - сн2 - С(СН3)2 - [СН2 -С(рН3)2]п-1 - сн2 - С(снз)2
Было показано, что инициаторы и ингибиторы радикальных
реакций не влияют на ход реакции, Реакция тормозятся веще-
ствами основного характера, например триметиламином, а так-
же простыми эфирами, с которыми катализаторы способны об-
разовывать прочные комплексы или соединения. С понижением
температуры степень полимеризации сильно увеличивается.
Например, изобутен в присутствии BFs при —100°C полиме-
ризуется мгновенно, причем степень полимеризации достигает
миллиона.
По механизму катионной полимеризации реагируют алкены,
содержащие электронодонорные группы, например:
сн3
СН2 = С(СН,)2 CGH5 - С = СН2 СН2 = СН - 0 - R
изобутен а-метилстирол виниловые эфиры
1.1.2. Радикальные реакции
В начале главы отмечено, что энергия д-связи на 90кДж/моль
меньше, чем энергия ординарной а связи С—С. Вследствие этого
она в большей степени, чем ординарная связь, способна под-
вергаться гомолитическому разрыву под влиянием радикаль-
ных частиц.
Гидробромироваиие в присутствии пероксидов. В рассмот-
ренной ранее реакции алкенов с галогеноводородами, в соот-
ветствии с правилом Марковникова, из несимметричных алке-
нов образовывались вторичные алкилгалогениды.
Однако если присоединять безводный бромоводород к про-
пилену в присутствии пероксидов, то, как показал М, Караш,
вопреки правилу Марковникова, Продуктом реакции в основ-
ном является первичный пропнлбромид (80%):
СН3 - СН = СН2 + НВг—>СН3 - СН2 - СН2- Вг
Такая аномалия почти не наблюдается при присоединении
к Пропилену НС1 и совершенно отсутствует при реакции с
HF и HI,
81
Есть основания считать, что в данном случае реакция про-
текает по гомолитическому цепному механизму. Это подтверж-
дается тем, что она ингибируется, как и другие радикальные
реакции, гидрохиноном
Энергия диссоциации связи О—О в пероксидах невелика
(150 кДж/моль), поэтому при незначительном нагревании эта
связь претерпевает гомолитический разрыв, генерируя свобод-
ные радикалы. Образовавшийся радикал далее взаимодейству-
ет с НВг:
R-0 - 0 - R-*2R - 0 •
б а
R-0-Вг + Н- «х- R ~ 0-+ Н - Вг—*R-OH + Br*
Из двух возможных направлений реализуется, как более
энергетически выгодное, направление а, так как при образова-
нии связи О—Н выделяется энергия, равная 460 кДж/моль
(превышающая энергию разрыва связи Н—Вг, которая равна
370 кДж/моль), тогда как при образовании связи О—Вг выде-
ляется только 200 кДж/моль, что недостаточно для поддержа-
ния цепной реакции
Развитие цепи представляется следующим образом:
СНз- сн^снг -вг —> СНз - сн - СНг-Вг
(ГОМОЛИЗ Л-СВЛЗИ) эд
СН3 - СН - СН2Вг + НВг-^СНз - СН2 - СН2Вг + »Вг и т.д.
То, что реакция не протекает но направлению б, также
можно объяснить энергетическими соображениями при обра-
зовании связи С—Н выделяется 410 кДж/моль, а при образо-
вании связи С—Вг — только 280 кДж/моль.
СН3 - СН - СН2Вг + НВг СН3 - СНВг - CH2Br Н-
Цепь может прерываться в результате димеризации ради-
кальных частиц:
Вг- + Вг--+ Вг2
СНз - СН - СН2Вг ♦ В<-СНз - СНВг - СН2В.
СНз - СН - СН2Вг + снз - сн - СН2Вг -»
-> ВгСН2-СН-СН-СН2Вг
Н3С СНэ
32
Следует рассмотреть, почему радикал Вг* избирательно
атакует Крайний, а не средний атом углерода в пропилене.
Ведь нарушение симметрии кратной связи не может влиять на
направление атаки нейтральной частицы Вг*. В данном случае
решающее влияние на направление реакции оказывает энерге-
тическая выгодность промежуточно образующихся радикалов
(38) и (39).
СНз-сн=сн2 —* сн3- сн -сн2
Вг- Вг
(39)
Радикал (38) более стабилен и, следовательно, образуется
с меньшей энергией активации. Это объясняется следующими
причинами. В свободном радикале (38) неспаренный электрон,
занимающий р-орбиталь, взаимодействует е электронами, нахо-
дящимися на лр3-орбяталях соседних связей С—Й. В резуль-
тате такого взаимодействия у связей С—Н усиливается тен-
денция к гомолитическому разрыву, а у атомов водорода —
способность к отщеплению в виде Н* [условно изображается
Нм
Чем больше в радикале имеется соседних с неспаренным
электроном связей С—Н, с которыми он может вступать во
взаимодействие, тем более он стабилен и тем меньше энергия
его образования В радикале (38) таких связей пять, тогда
как в радикале (39) — только одна;
(-)Н Н(-) (-)Н
1.1 । .
(-)Н - С - СН - С - Вг СН, - с - сн-
II I
С)Н НС) Вг
Это и оказывает решающее влияние на направление атаки
Вг*.
По аналогичным причинам НВг в присутствии пероксидов
присоединяется к винилбромиду против правила Марковнико-
ва, образуя 1,2 дибромэтан:
СН2 = СНВг + НВг пеР°к™Ды» ВгСНа - СН2Вг
Остается рассмотреть вопрос, почему в указанных услови-
ях вопреки правилу Марковникова присоединяется только
НВг.
3-1425
33
Реакция с HI не протекает в рассматриваемом направлении
из-за того, что образовавшиеся на первой стадии реакции сво-
бодные радикалы иода обладают слишком низкой энергией,
чтобы вызвать гомолитический разрыв л-связи в алкене, и по-
этому они предпочтительно димеризуются, образуя Ij.
Что же касается HF и НС1, то вследствие высокой энергии
диссоциации связи Н—X в этих соединениях из них труднее
генерировать радикал X* на первой стадии реакции, чем из
НВг.
Гидрирование в присутствии катализаторов. Известно, что
водород «в момент выделения», образующийся при взаимо-
действии цинка или олова с кислотами или натрия со спиртом,
не удается присоединить к изолированной кратной связи в ал-
кене.
R - 0 - Н + -Na^ RO" Na+ + [Н-]
Однако молекулярный водород в присутствии металлов VIII
группы способен присоединяться по кратной связи алкеиа да-
же в сравнительно мягких условиях с образованием предель-
ных углеводородов;
R - СН = СНг + Н2 Ni(P1'Pd)>R - СНг - СН3
Гидрирование можно проводить как в паровой фазе проточ-
ным методом, пропуская пары алкена в токе водорода над
нагретым катализатором, так н при комнатной температуре в
статических условиях, встряхивая суспензию порошка катали-
затора в гидрируемом алкене в атмосфере водорода.
Механизм реакции полностью не выяснен. В настоящее
время экспериментально установлено, что как этилен, так и
водород взаимодействуют с поверхностью никеля с выделением
энергнн (250 н 125 кДж/моль соответственно). Это дает право
утверждать, что собственно реакции предшествует активиро-
ванная адсорбция алкена и водорода на находящихся на по-
верхности катализатора атомах металла, в результате чего
происходит ослабление л-связи в алкене и связи Н—Н в моле-
куле водорода, вплоть до полного разрыва. Последнее можно
подтвердить тем, что в присутствии никеля в смеси газообраз-
ных водорода и дейтерия быстро наступает равновесие;
Н2 + 02*“ 2HD
Есть основания утверждать, что присоединение обоих ато-
мов водорода к активированному комплексу алкена на по-
верхности катализатора происходит синхронно. Об этом свиде-
тельствует тот факт, что при гидрировании 1.2-диметилцикло- 1
гексена-1 в присутствии платины образуется цис-изомер 1,2-ди-
метилциклогексана:
Н3С СН3
При частичном гидрировании ацетиленовых углеводородов
в присутствии металлов V111 группы (например, Pt/BaSO4) с
почти количественным выходом образуется цис-изомер алке-
на:
Н . . п
R - СЭС - R + Н2 /С = С^
R R
Согласно мультиплетной теории Баландина, реакция каталитического гид-
рирования алкенов протекает на активном центре, состоящем из двух атомов
катализатора (дублет). Между активным центром катализатора и претерпе-
вающим изменения фрагментом молекулы алкена существует структурное со-
ответствие.
Согласно постулату мультиплетной теории, гомолитический разрыв связей
в реагирующих веществах происходит между теми атомами реагентов, которые
адсорбированы на разных атомах катализатора, и, наоборот, связь образуется
между теми атомами участников реакции, которые адсорбированы на одном
атоме катализатора. Применительно к рассматриваемой реакции это можно
проиллюстрировать схемой-
Так как образовавшийся в результате реакции предельный углеводород
значительно менее прочно адсорбируется на поверхности катализатора, чем
участники реакции, он сразу же десорбируется, не отравляя его активных
центров.
Взаимодействие с диимином. Реакция алкенов с диимином
приводит к соответствующим алканам:
R - СН = СН2 + Н ' N = N * H-^-R - СН2 - СН3 + N2
Диимин, участвующий в реакции, обычно получают в ходе
реакции окислением гидразина кислородом в присутствии Сиг+.
Установлено, что присоединение водорода к кратной связи
происходит цис-стереоспецифично. Так, при частичном восста-
3' ЭД
новлении фенилпропполовой кислоты диимином образуется
цис-коричная кислота:
н. /н
р С6Н5 - CSC - СООН +H-N=N-H-* С - сС
Т ° ° _ м /
а ? НООС С6Н5
ч
с
с
с
г
I
i
(
I
1
На этом основании было высказано
реакция протекает через шестичленное
предположение, что
переходное состояние:
Движущей силой этой реакции является выделение бедной
энергией молекулы азота.
Учитывая симметричное строение диимина, есть основания
предполагать, что в реагирующих веществах в момент реакции
происходит гомолитический разрыв связей.
Гидроксилирование. Реакция Вагнера, Установлено, что
гидроксилирование обоих атомов углерода, связанных двойной
связью, происходит синхронно. При действии перманганата на
циклический алкен образуется цис-гликоль:
r-ch«ch2 —”п0<| 20 *£ r - сн - сн2 - он
?н^ он
1. КМт.О,, 20 °с
2.НЭО+
НО он
Аналогичный результат получается при окислении. цикло-
гексена OsO«, при действии которого был выделен циклический
интермедиат:
ЙНгО
—>
При использовании в качестве окислителя меченого перман-
ганата калия установлено, что образовавшийся гликоль со-
36
держал только Меченые атомы кислорода:
1.КМп16О,
,С-С
с -
' 2. Н,О+ I I '
Н18о 18он
Принимая во внимание приведенные выше факты, а также
симметричное строение молекул окислителей и повышенное
сродство к электронам атомов кислорода, было сделано заклю-
чение, что рассматриваемые реакции представляют собой го-
молитический синхронный процесс, проходящий через цикли-
ческое переходное состояние:
,0 -
-Sr'
Wnt>4* + Мао?—+ гМпО^*
Синхронность гидроксилирования обоих атомов углерода
алкена подтверждается также тем, что при окислении по Ваг-
неру малеиновой кислоты (40) образуется оптически неактив-
ная мезовинная кислота (41), а При окислении фумаровой кис-
лоты (42) — рацемическая смесь оптически активных винных
, ‘ i (43) и S-(—)-винной (44):
% ^011 соон
ноос*<<? = Но н
Н/К.1 НО-----------Н
HOOCZ Ч0Н соон
(41)
кислот -/?-( + ) -винной
Чс
НООС*'' ц
IIOOCZ
(40)
i.Mno;
>
ноос^
И*''II l-MnO4
г. nto
HOOCZ
(42)
Н00Ч /°Н
и"!
НО О С"'' хон
соон
н--он
но—н
соон
(43)
НООСЧ
^с
н^п .
н>
НО ОС*'
(42)
1. МгО4
--------
г.нго
н<с/он
НООС*^ |
HOOCa^J
Hz Хон
СООН
но----н
н----он
СООН
(44)
Реакция Прилежаева. В этом случае гидроксилирование ал-
кенов проводят пероксикислотами — пербензойной, перуксус-
ной, лермуравьиной и трифторперуксусной:
RCOOOH
-RCOOH *
(45)
Интермедиат (45) был выделен при гидроксилировании в
инертных растворителях в отсутствие минеральных кислот.
Было установлено, что при гидроксилировании циклогексе-
на по Прилежаеву образуется транс-изомер циклогександиола:
I. RCOOOH
г. нг0
Образование интермедиата (45) можно представить сле-
дующим образом. Пероксикислоты в условиях реакции разла-
гаются, генерируя атомарный кислород. При наличии в реакци-
онной смеси алкена атомарный кислород, имеющий на внешнем
электронном уровне секстет электронов, может достроить его
до октета, вызвав гомолиз л-связк в алкене:
Далее При проведении реакции в присутствии водных^аст-
воров минеральных кислот происходит протонирование атома
кислорода эпоксидного кольца, а последующая нуклеофильная
атака боды с образованием гликоля может осуществиться
38
только со стороны противоположной оксониевой группировке:
Гидроксилирование малеиновой и фумаровой кислот по
Прилежаеву приводит к результатам, противоположным тем,
которые были получены при гидроксилировании этих кислот
по Вагнеру. В данном случае из малеиновой кислоты образу-
ется рацемическая смесь оптически активных винных кислот,
а из фумаровой кислоты — мезовинная кислота.
Эпоксиды получаются также при взаимодействии алкенов
с кислородом воздуха в присутствии оксида серебра:
О
CH2 = CH2 + 02IibaH2cZ-'cH2
Присоединение карбенов. В результате этой реакции обра-
зуются циклопропаны:
СН2
RCH = СН2 + [:СН2] —► R-НС-СНг
Карбены — чрезвычайно реакционноспособные частицы; по-
этому они могут образовываться из ряда соединений только в
виде интермедиатов;
ru м пиролиз или фотолиз „
ch2N2 --------------X----» :CH2 + N2
диазометан
СН2'*С = 0 ;СН2 + СО
кетен
СН21а
Zn
- СН2- Znt
В момент возникновения карбен существует в возбужден-
ном синглетном состоянии, для которого характерна высокая
энергия. В этом состоянии оба валентных электрона атома уг-
39
лерода. не участвующие в образовании связей С—Н, имеют ан-
типараллельные спины и спарены. Они находятся на Орбитали,
имеющей в основном s-характер. Угол между связями С— Н
меньше тетраэдрического и равен 103°, а одна из р-орбиталеЙ
вакантна. Из этого состояния при столкновении, например,
с молекулами инертного газа карбен переходит в триплетное
состояние, характеризующееся меньшей энергией. Карбен в
триплетном состоянии представляет собой бирадикал, в кото-
ром каждый из неспаренных электронов находится на одной из
двух р-орбиталей. Он имеет линейное строение подобно соеди-
нениям, в которых атомы углерода связаны тройной связью:
н-с-н
Из-за недостатка электронов на внешней оболочке атома
углерода карбены, хотя и не имеют полного положительного
заряда, все-таки являются электрофильными частицами, спо-
собными атаковать двойную связь алкена.
В синглетном состоянии карбен взаимодействует с л-элект-
ронами алкена своей вакантной орбиталью, и реакция протека-
ет через переходное состояние (46), причем присоединение про-
исходит цис-стереоспецифично:
нхн
аС СПз
(48)
цис
Если реакцию проводить в атмосфере инертного газа, на-
пример азота, то образуется смесь цис- и тра^с-изомеров. Это
можно объяснить тем, что при соударении с молекулами азота
карбен частично теряет энергию и нз синглетного состояния пе-
реходит в триплетное; дальнейшая реакция его с алкеном про-
текает в две стадии с промежуточным образованием бирадика-
ла, в котором существует свободное вращение вокруг оси
С-1—С-2, и поэтому еще до замыкания цикла из заслоненной
конформации может образоваться более энергетически выгод-
ная заторможенная конформация.
н—С—Н
______________у
н3с/ хсн3
Рассматриваемая реакция относится к типу реакций цикло-
присоединения, которые характеризуются следующими отли-
40
чительнымн признаками: в результате реакции не выделяется
никаких низкомолекулярных побочных продуктов; при проте-
кании реакции не происходит разрыва ни одной о-связи и, на-
конец, в результате реакции образуются две новые а-связи.
Аналогично карбенам с алкенами реагируют моно- и дига-
логенкарбены, которые могут быть получены следующими спо-
собами.
Моногалогенкарбены получают действием алкиллития или
трет-бутоксидата калия на дигалогенметаны, а днгалогенкар-
беиы — действием трет-бутоксида калия на хлороформ или
бромоформ:
СН2Х2 —^и.?СН?1зС0§ [:СНХ]
R0" + СНС13
в- е-
-> ROH + :СС13
К+-------> КС1 + [:СС12]
Обе реакции являются примером «-дегидрогалогенирования.
Если в качестве исходного вещества использовать эфир трн-
хлоруксусиой кислоты, то малодоступный трет-бутоксид калия
можно заменить метоксидом натрия.
В последнее время широкое применение в синтезе получил
метод генерирования дихлоркарбена из хлороформа действием
50%-го водного раствора NaOH в присутствии бензнлэтилам-
монийхлорида. Реакцию проводят в мягких условиях (25—
30 °C).
Димеризация. Как уже отмечалось, энергия л-связи в алке-
не на 90 кДж/моль меньше энергии о-связи. Она становится
еще меньше, если атомы водорода в этилене заменить на элек-
троноакцепторные группы или атомы, например F или CN.
В этих случаях при нагревании под давлением ларов реагиру-
ющих веществ или при облучении видимым или ультрафиоле-
товым светом происходит реакция циклоприсоединения с обра-
зованием четырехчленных циклов:
f2c cf2 f2C - cf2
II + II -------> I I
f2c cf2 f2c - cf2
(выход 95%)
CH2-CH - CN_______ H2C - CH - CN
ГН -ru гм >H2C-CH-CN
Gno — CH “ CN
(47)
Есть основания предполагать, что димеризация алкенов
протекает по радикальному механизму в две стадии, с проме-
жуточным образованием бирадикала.
41
В пользу радикального механизма свидетельствует тот факт что соеди-
нения такого типа с несимметричным распределением электронной плотности
кратной связи, например акрилонитрил, димеризуются преимущественно ПО ти-
пу «голова к i олове*, образуя димер (47) Если бы реакция протекала по ион-
ному механизму, должен был бы образоваться продукт (49), так как в исход-
ном соединении (48) л электроны кратной углерод-углеродной связи поляризо-
ваны (в указанном стрелками направлении), и димеризация по типу «голова
к голове» с образованием связи между атомами, несущими одноименные ча-
стичные положительные заряды, была бы менее выгодна Кроме того, если
даже допустить возможность подобного взаимодействия, в образовавшейся
при этом биполярной структуре (50) создавалось бы чрезвычайно невыгодное
противостояние полного положительного заряда с одноименным частичным
зарядом на соседнем атоме уг.щрода одной из групп CN
< я
СП»—СН—
5-
(48)
НгС—СН—C=sN
I I
к=с—нс—сна
(49)
5- 5-
СН2-СН—С==Н
I + 5+ S-
снг-са—G=N
(50)
Дополнительным доводом против протекания реакции по ионному меха
низму является то, что она хорошо идет в неполярных растворителях, а в слу-
чае фторалкенов — даже в газовой фазе
Протекание реакции не в одну стадию, а с промежуточным образованием
бирадикала (51) подтвержтается тем, что реакция тетрафторэтена с цис-1,4
диметнлбутадненом протекает иестереоспецифичио
нагревание
f2c"
f2c-^
f!!c=C?
FaC' ’CFj.
F2C—CF2
(51)
(Л-связь
ослаблена)
Если бы циклоприсоединение протекало как синхронный процесс, должен
был бы образоваться чш'-изомер (52) На самом же деле образуется лишь
24% этого изомера, тогда как остальные 76% приходятся на более энергети-
чески выгодный транс изомер (53) с более удаленными друг от друга углево-
дородными радикалами Отсюда следует, что в качестве промежуточной части
цы образуется бирадикал (54), в котором еше до замыкания цикла группа
СН=СНСН3 успеет повернуться вокруг связи С 4—С-5 так, что займет наибо
лее удаленное от метильной группы положение
FoC—с/Н
/ / >СН=СНСНз
FgC----
СН3
(52)
(54)
42
Если принять радикальный двухсталиймы» механизм рассматриваемой
реакции, то можно объяснить и то, почему акрилонитрил несмотря на неблаго-
приятное распределение электронной плотности, димеризуется но типу «голова
к голове» В этом случае из трех возможных промежуточно образующихся
бирадикалов наиболее энергетически выгодным является бирадикал, в ко
тором в наибольшей степени реализуется возможность рассредоточения неспа-
ренных электронов в результате взаимодействия их с л-электронами групп CN
СН8—СН—CssN
СН2—СН— ОМЫ
СНг—'CH^C^NW
I о’ГЛ \
СН2—СН—C=W*)
N=C—СН~СН8
Н£С-СН^СЙМ(.)
Реакция теломеризации. В присутствии пероксидов четырех-
хлористый углерод взаимодействует с алкенами с образовани-
ем тетрахлоридов:
СС14 + ПСН2 = СН2--->С1 - (СН2 - СН2)П- СС13
Реакция имеет практическое значение, так как при гидро-
лизе образовавшихся соединений можно получать ш-галоген-
кислоты, из которых в свою очередь можно получать «-амино-
кислоты, используемые в качестве мономеров при синтезе ис-
кусственных волокон (лавсан)
Реакция протекает по радикальному механизму:
Пероксид -» R ~ О*
R - О * + CI - СС!3—» R - ОС! +-СС13
СН2 = СН2 + • СС13—► • СНг - СНг - СС1Э
сн2 - СН2 - ccij—
лСНг = СНг
-------->’СН2 - сн2 - (СН2 - СН2)П _ , - сн2
I
С13С -сн2
C1~CCV-I - СН2 - СН2 - СС(з + • СС13 и т.д.
Радикальная полимеризация. При нагревании алкенов в
присутствии инициаторов радикальных реакций происходит их
полимеризация:
СН2 = СН2-----------> - СН2 - СН2 -
100 *С, давление
полиэтилен
СН2 = СН - С1-> - СН2 - CHCI - СН2 - CHCI -
поливинилхлорид
СН2 = СН - С6Н5—> - СН2 - СН - СН2 - СН -
с6нб сбн5
полистирол
CF2 = CF2—> - CF2 - CF2 ' cf2 " cF2~
тефлон
CH3 CH3 CH3
CH2= C - COOCH3-> - CH - C - CH2 - C -
CH3OOC COOCH3
полиметилметакрилат
В качестве катализаторов используют: молекулярный кис
лород, по крайней мере часть молекул которого, как было
показано методом ЭПР, представляет собой бирадикалы
•О—О«; днбензоилпероксид (56), получаемый действием пер-
оксида натрия на бензоилхлорид; азобис(изобутиронитрил)
(57), который можно получать из ацетона; радикал «ОН, ге-
нерируемый по окислительно-восстановительной реакции из
пероксида водорода:
о о Л
Na О « ' « ’
СеН$ - COCI -^^»С6Н5 - С- О- О- С- С6Н5 —>
о (56)
-> 2C6HS - С - О---»2 С6Н5
-2СО-
он
(сн3)2с = о-^(сн3)2с - cn ~ nh2 >
CN CN 10)
_ I (СЦ + Н,О)
-*(СН3)2С - NH - NH - C(CH3)2 ---
44
CN GN
I 1
-> (CH3)2C - N==N - C(CH3)2—7*2(CH3)2C - CN
-N?
(57)
-N
Fe2+ + H202~» Fe3+ + “OH + • OH
Радикальная полимеризация представляет собой цепной
процесс.
Рост цепи:
X' + CH2=CHR—*-Х - СН2-CHR
ХСН2 - CHR + nCH2=CHR~* Х(СН2 - CHR)n - СН2 - CHR и т д
Обрыв цепи;
[X - (СН2-CHR)n- CH2CHR-]2
А
рекомбинация
2Х - (СН2- CHR)„- СН2- CHR
диспропорционирование
X - (СН2- CHR)n- СН - CHR + X - (СН2- CHR)„ - СН2 - CH2R
Ингибиторами реакции являются хиноны н алкилфенолы,
которые способны реагировать со свободными радикалами:
При повышенных температурах возможна обратная реак-
ция — деполимеризация.
1.1.3. Реакции нуклеофильного присоединения
В разд. 1.1.1 было показано, что для этилена н его гомологов
характерны реакции с электрофильными реагентами, при взаи-
модействии с которыми алкены выступают в качестве доноров
45
электронов Однако существуют такие замешенные алкены, ко
торые реагируют и с нуклеофильными реагентами- Для этого
необходимо, чтобы хотя бы один атом водорода и этилене был
замещен на электроноакцепторную группу (СНО, COR,
СООС2Н5, CN).
В тетрафторэтене электроотрицательные атомы фтора на
столько сильно оттягивают на себя л-электронную плотность,
что это соединение способно взаимодействовать даже с таким
слабым нуклеофилом, как спирт, и, напротив, неспособно при*
соединять бромоводород.
СНа-о-Н
f2c-cf2
CHs-0-H
F2C-CIIFt
ОСН3
К соединениям, имеющим одну электроноакцепторную
группу и способным реагировать с некоторыми нуклеофилами,
ОТНОСЯТСЯ'
СН2-СН - СНО СН2-СН - СООС2Н5 CH2=tH - CN
акролеин эти л акрилат акрилонитрил
В этих соединениях атака нуклеофильного реагента направ-
ляется на 0-углеродный атом.
Ниже приведены конкретные ^реакции подобного типа.
Присоединение анионов солеи. Примерами таких реакций
могут служить; .
СН3 - СН=СН- СООС2Н5+ NaCN + Н20 —>
-* СН3 - СН - СН2 - СООС2Н5
CN
С6Н5 - СН=СН-СбС6Н5 + NaCN+ Н20~»
С6Н5 - СН - СН2 - сос6н5
CN
По-видимому, на первой стадии реакции происходит атака
анионом CN электроне дефицитного ^-углеродного атома с
промежуточным образованием меэомерного аннона (58) с рас-
46
средоточенной избыточной электронной плотностью, который
затем может протонироваться водой как по месту с наиболь-
шей основностью — атому углерода, так и по месту с наиболь-
шей избыточной электронной плотностью — атому кислорода:
/ОН
сн3—сн-сн=с^
S-
5-
СН3—СН—СН=С^
CN OCaHs
+НгО;-НО
- H+, + Hv fl
-------> сн3—сн— сн2—
ОС2Н5
CN
В последнем случае первоначально образовавшийся енол
перегруппировывается в соответствии с правилом Эльтекова —
Эрленмейера (подробнее рассматривается ниже) в карбониль-
ное соединение.
Аминирование. Соединения с активированной кратной
связью реагируют с аммиаком и алифатическими аминами как
с нуклеофилами, например:
(СНз)2с = сн - сосн3 RNH2> (СН3)2с - сн2 - сосн3
NHR
сн2=сн - соосгн5-^_; сн2-сн - conhr-^^%.
--->RNH - СН2 - СН2 - CONHR
R = Н, Aik
При проведении второй реакции в первую очередь происхо-
дит аммонолиз сложноэфирной группировки.
Можно предполагать, что эти реакции протекают с проме-
жуточным образованием биполярного интермедиата. Поскольку
протоны аммонийной группы обладают значительной кислот-
ностью (для ’“NHsCHs p/G = 10,62), можно утверждать, что
47
реакция завершается межмолекулярным депротонированнем —
протонированнем:
, , S-
(сн3)2с—сн==с
+NH3
(СНг)2С==СН—СГ *
СНз
По аналогичной схеме, по-видимому, протекает присоедине-
ние к активированной кратной связи гидроксиламина:
С6Н6 - СН = СН-СООС2Н5 + NH2OH --*
—С6Н5 - СН - СН2 - СООС2Н5
I
NHOH
Реакция Михаэля. Реакция заключается в присоединении к
активированной кратной связи анионов, образованных отщеп-
лением протона от эфиров малоновой, ацетоуксусной или циано-
уксусной кислот. У малонового эфира (59) рКа=13,5, поэтому
такие основания, как пиперидин или “OR, взятые в каталити-
ческих количествах, могут на первой стадии отщепить от ма-
лонового эфира протон и генерировать анион (60). На заклю-
чительной стадии реакции мезомерный анион (61) отщепляет
от другой молекулы малонового эфира протон ^дегенерирует
анион (60).
В: + Н-СН(СООСаНз)3^>
ОС2Н5 *
,С=О5-
нс/
+C6H5CH=CHCOOC£HS.
'------- , )
(59)
OCgHg _
(60)
S’
СбН5-СН-СН=С^
CH(COOC3H5)s
(61)
+(59) „
СвН6--СН-СН2-СООСйН5 и т.д.
CH(C00C2Hs)2
48
Аналогичным образом натриевые производные малонового
и ацетоуксусного эфиров реагируют с аф-непредельными кар-
бонильными соединениями:
1 N^((CHCOOCzHsM~
RCH • СН - COR ---------------- RCH - СН2 - COR
2 Н3О (
СН(СООС2Н5)2
R = H AIK
Цианэтилирование кетонов. Соединения с активированной
кратной связью, например акрилонитрил, в присутствии осно-
ваний реагируют с ацетоном:
о 9
и :В II
ЗСН2 а СН ~ CN + СНц-С - СНз —*"снз - С - С(СН2СН2СМ)з
По-виднмому, на первой стадии реакции, как и в реакции
альдольно-кротоновой конденсации, основание отщепляет от
метильной группы ацетона протон, а образовавшийся мезомер-
ный анион (62) реагирует с акрилонитрилом в соответствии со
схемой, приведенной выше.
сна—О=СНЙ (62)
Алкоксилирование. На первой стадии реакции, по-видимо-
му, происходит взаимодействие непредельного соединения со
взятым в каталитических количествах алкоголят-анионом, кото-
рый затем регенерируется на заключительной стадии реакции:
СН2“СН-сГ
OCSH5
Г п
СН«—СН=»=С<
С2Н60Н
-ОДаСГ
—> С£Н5О-СН2-СНг-СООСдНд
Таким образом, взятый в эквимольных количествах спирт
является донором протона на заключительной стадии реакции.
Присоединение хлороформа. Эта реакция протекает в ще-
лочкой среде:
СН2*СН~ С 5 N + С НС 13 12^С13С - СН2- СН2- С = N
4—1425
4®
Роль щелочи заключается в отщеплении протона от молеку-
лы хлороформа; реакция протекает по схеме:
CHCI3^> CI3C-CH24h^N-^>
—> ci3c-ch£-ch£-cn
Все реакции нуклеофильного присоединения к кратной угле-
род-углеродной связи обратимы.
1.2. ПРИСОЕДИНЕНИЕ К ИЗОЛИРОВАННОЙ ТРОЙНОЙ
УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНОЙ СВЯЗИ
Для соединений ряда ацетилена, в которых два атома угле-
рода связаны тройной связью, постулируется, что они находят-
ся в состоянии sp-гибридизации. Гибридизованные одна s- и
одна р-орбнтали расположены на максимальном удалении друг
от друга, под углом 180°, т. е. на одной прямой, соединяющей
центры атомов углерода, и поэтому фрагмент —С = С— имеет
линейное строение.
Остальные два внешних электрона обоих атомов углерода
находятся на двух негибридизоваиных р-орбиталях, имеющих,
как и в этиленовых соединениях, форму частично перекрываю-
щихся симметричных гантелей, расположенных друг относи-
тельно друга под углом 90°, что не исключает и их частичное
взаимное перекрывание:
Как и в этиленовых соединениях, электроны, расположен-
ные на негибридизоваиных орбиталях, находятся на больших,
чем в предельных углеводородах, расстояниях от ядер атомов
углерода, а электроны, находящиеся на гибридизоваиных sp-
орбиталях, в которых вклад х-состояния значительно выше, чем
у хр3-гибридизованных орбиталей предельных соединений, на-
ходятся ближе к ядрам атомов углерода. Вследствие этого в
ацетилене длины связей С—С и С—Н меньше, чем в этане и
этилене:
Этан
Этилен
Ацетилен
цс С) нм
0 1540
0 1337
0,1204
ЦС—Н). нм
0.1100
0,1086
0,1060
50
По этой причине у этинильной группы усиливаются электро-
ноакцепторные свойства, что видно из сравнения значений
рХа и ц:
СНз— СН®—СООН
СН2=СН—СООН
CHssC-COOH
р«я и. Д
4,87 CH9-CH2-CHS 0
4,26 СНЙ=СН—СНз 0,35
1,84 СН^С-СНз 0,75
Это же подтверждает и появление СН-кислотности у соеди-
нений ацетиленового ряда:
R-CsC-H R - СН2 - СНг - Н
Р^а = 22 рКа г: 40
Из сопоставления энергий ординарной (350 кДж/моль),
двойной (610 кДж/моль) и тройной (840 кДж/моль) связей
следует, что в соединениях ацетиленового ряда энергия трой-
ной связи на 210 кДж/моль меньше, чем сумма энергий трех
ординарных, а л-электроиы, как и в соединениях этиленового
ряда, обладают высокой поляризуемостью. Поэтому для соеди-
нений ацетиленового ряда характерно большинство из рассмот-
ренных в разд. 1.1 реакций присоединения электрофильных ре-
агентов. Однако во всех этих реакциях соединения ацетилено-
вого ряда менее реакционноспособны, чем соответствующие со-
единения этиленового ряда.
Это объясняют рядом причин, а) У соединений ацетилено-
вого ряда вследствие уменьшения расстояния между атомами
углерода увеличивается боковое перекрывание р-орбиталей:
этилен
ацетилен
б) Обе пары л-электронов, находящиеся на р-ор бита лях,
могут взаимодействовать друг с другом, в результате чего об-
разуется единая симметричная, имеющая цилиндрическую фор-
му л-электронная система.
в) Атомы углерода в состоянии sp-гибридизации более элек-
троотрицательны, чем атомы углерода в состоянии зр2-гибри-
дизации. Это также должно снижать реакционную способность
л-элсктронов по отношению к электрофильным реагентам.
Гидрогалогенирование. Реакция протекает по механизму,
рассмотренному ранее, однако в данном случае на первой ста-
4* 51
дин реакции требуется активация солями ртути:
HCI HCI
СН=СН ------СН2*СНС1—-СН3-СНС12
НдС12
Вопрос о том, почему на второй стадии реакции присоеди-
нение второй молекулы НС1 происходит в соответствии с пра-
вилом Марковникова, был разобран в разд. 1.1. Образующийся
в качестве промежуточного продукта винилхлорид широко ис-
пользуют при производстве полимеров.
Гомологи ацетилена присоединяют галогеноводород также
в соответствии с правилом Марковникова:
Вг СН3
НВг I НВг I
с2н5-с=сн—» с2н5-с-сн2—►СгНд-свгг
В присутствии пероксидов НВг присоединяется к гомологам
ацетилена против правила Марковникова, например:
с4н9 - с »сн 2!^с4Н9 - СН = СНВг-^с4Нэ - сн2 - СНВг2
О механизме реакции см. разд 1.1.
Присоединение циановодорода. Реакция имеет практическое
значение, так как образующийся акрилонитрил используют в
качестве мономера. Она протекает, по-видимому, аналогично
гидрогалогенярованию, однако в данном случае ацетилен акти-
вируется ионом Си+.
tCu(NH3l ГсГ
H-C«C-H + H- C3N —-------ь---*- СН2 = СН -C«N
Присоединение уксусной кислоты. Реакция протекает в при-
сутствии фосфорной кислоты или кислот Льюиса Активация
ацетилена на первой стадии реакции достигается, по-видимому,
не путем образования п-комплексов с ионами металлов, а про-
тонированием. Реакция протекает по схеме:
СН^СН [сн£=сн]
СНг=СН •
С.
Н-О—СОСИ3
снг=сн
Н—О-СОСНз
—> СНг=СН-О—СОСНз
Образующийся винилацетат применяют в качестве мономе-
ра при производстве высокомолекулярных соединений.
$3
Гидратация (реакция Кучерова). Присоединение воды к трой-
ной связи происходит в кислой среде только в присутствии со-
лей ртути. Предполагают, что и в данном случае реакция на-
чинается с протонирования ацетилена, а образовавшийся кар-
бокатион далее реагирует с водой как с нуклеофилом:
сн = сн2^,[СН2 = СН] ^,[СН2= СН]
+0Н2
—*• [CH2 = CH-0H]_i^£-cH3-CH=0
(63)
Здесь следует рассмотреть вопрос о том, почему виниловый
спирт (63) перегруппировывается в карбонильное соединение
(правило Эльтекова — Эрленмейера).
Причина неустойчивости енолов обусловлена наличием
—/-эффекта у винильной группы и +М-эффекта у группы ОН,
обусловленного способностью атома кислорода подавать непо-
деленные пары р-электронов электроноакцепторным группам,-
.. 8+
СН2уСН-тО-Н
Следствием взаимного влияния винильной и ОН-групп яв-
ляется, с одной стороны, повышение кислотности атома водо-
рода гидроксильной группы (по аналогии с фенолом, для кото-
рого р/Са~1О), а с другой — сосредоточение некоторой избыточ-
ной электронной плотности на крайнем атоме углерода виниль-
ной группы.
Перегруппировка енола в карбонильное соединение пред-
ставляется как результат межмолекулярного взаимодействия:
3- 3-
СН2=СН-ОН —> сн2—сн~о +н+
<?. н+ 8+ 8+
£Не=*СН-О-Н —*- сщ—СН=О—Н —СНа—СН=О
8— 8- ,
снй—С№=0 + Н+ > СНз—сн=о
Менее вероятно, что эта перегруппировка представляет со-
бой внутримолекулярную миграцию протона:
> СНа— СЦ=О
Й* 'о
Равновесие енол ч* карбонильное соединение у алифатичес-
ких альдегидов и кетонов практически нацело смещено вправо.
Это объясняют следующими причинами. Во-первых, такая изо-
меризация сопровождается выигрышем энергии (65 кДж/моль):
Разрешающиеся
<ъя.зн
Энергия, Образующиеся
кДж моль СВЯЗИ
о—н
с=с-^с-с
460 С-Н
265 С = О+-С—О
Эиер-гня.
к ДМ мпдь
410
380
Следовательно, виниловый спирт на 65 кДж/моль богаче
энергией, чем ацетальдегид, и поэтому он, как мепее устойчи-
вый, претерпевает перегруппировку.
Во-вторых, в результате перегруппировки обра1уется менее
диссоциированное соединение (р7Са ацетальдегида составляет
=*20, енола ~ 10).
Возможно, каталитическое действие соли ртути заключа-
ется в том, что в качестве интермедиата образуется ртутьорга-
ническое соединение;
XX Н>Х01
т-комплекс
•Л*,*Н* 1 И11;
7c-CH2-Hgim —>СН3-С<
н/ -HgKSO.t ХН
-и*
;с=С1ь
нет
Присоединение воды к гомологам ацетилена Протекает лег-
че, присутствие ртутного катализатора необязательно. По-види-
мому, смещение л-электронпой плотности тройной связи под
влиянием электронодонорной алкильной группы облегчает Про-
тонирование, в соответствии с правилом Марковникова, край-
него атома углерода на первой стадии реакции, что подтверж-
дает правильность предполагаемого механизма реакции гидра-
тации:
в-
С2Н5^>-С =С - Н + Н++ Н2О --*-С2Н5-СО-СН3
Виипльная группа, имеющая помимо —/-эффекта еще Н
4-М-эффект, делает тройную связь даже более реакционно-
способной, чем двойная, При взаимодействии с водой.винил-
ацетилен образует винилмечилкетон:
Н+, Ндг+
СН2 я СН - С =СН + Н2О ---* СН2»СН-СОСН3
54
Алкоксилирование. Спирты присоединяются к ацетилену с
образованием виниловых эфиров:
сн =сн + с2н5-он н+"л"в> СНг=СН - О - С2Н5
В г з*Н0 и
Однако необходим большой избыток ацетилена. В против-
ном случае в качестве основного продукта в этой реакции об-
разуется диэтилацеталь СНзСЩОСгНвЬ — продукт присоеди-
нения еще одной молекулы спирта к виниловому эфиру.
С хорошими выходами виниловые эфиры можно получать
по реакции Шостаковского действием на ацетилен спирта в ,
присутствии NaOH (150°C, давление):
R - ОН + NaOHa^ R - о"Na+ + H2O
_ RO" w Н2о
СН=СН —*[RO- СН = СН]—*RO- СН-СН2+ "ОН
Как видно, в данной реакции ацетилен (в отличие от алке-
нов) способен, хотя и в жестких условиях, взаимодействовать
с нуклеофильными реагентами. Это связано с увеличением
электроотрицательности л'р-гибриДизованного атома углерода
по сравнению с $р2-гибридизованным и тем более с з/Агибри-
днзованным атомом углерода.
Аналогично воде и спиртам, с ацетиленом в присутствии со-
лей ртути реагируют первичные и вторичные амины. Послед-
ние при этом образуют енамины:
снэсн + nhr2->ch2 = сн - nr2
Галогенирование. Присоединение галогенов к тройной связи
происходит в две стадии:
/Н
СН5СН+Х2 ------► С=С ----------^Х2СН-СНХ2
Полученные продукты используют как растворители.
При присоединении первой молекулы брома предпочтитель-
но образуется трдмс-изомер дибромида; это было установлено
при бромировании ацетилендикарбоновой кислоты:
Роон Вг хсоон
IH н +
с
I Вг
соон ноос
Вг ч. .соон
с
II
.с.
^соон
(70%)
(30%)
55
По приведенной схеме реагируют разбавленные азотом хлор
и бром. Реакции фторирования и иодирования не находят
практического применения Механизм присоединения галогенов
к кратным связям был рассмотрен в разд. 1.1.
Реакцию присоединения хлора к ацетилену используют для
промышленного получения хлоруксусной кислоты. Атомы во-
дорода в образовавшемся тетрахлорэтане под влиянием элект-
роноакцепторных атомов хлора приобретают протонную под-
вижность Поэтому при действии даже такого слабого основа-
ния, как Са(ОН)а, происходит дегидрохлорирование с образо-
ванием трихлорэтилена
ClaCH—CHClj——I CJ3C—r-CHCJ2l ClaC=CHCL
При действии на трихлорэтилен водного раствора серной
кислоты образуется хлоруксусная кислота.
С1СН= СС12^ [С1СН2 - CCI2]-^t[ClCH2 - СС1г] —*
.1 -Н +
+он2
-*С1СН2 - СС12 —*С1СН2 - с - С1^-С1СН2 - с - он
он о о
В данном случае присоединение протона происходит в соот-
ветствии с правилом Марковникова, так как в карбокатионе
(64) в рассредоточении положительного заряда участвуют два
атома хлора (+М-эффект), тогда как в карбокатионе (65) —
только один:
ClcHa—C
(64)
:ci-CH-CHci3
(65)
Гидрирование. Присоединение водорода к ацетилену осу-
ществляется в две стадии, к поэтому, подобрав условия и соот
ветствуюшнй восстанавливающий агент, можно остановиться на
присоединении 1 моль водорода
В зависимости от природы восстановителя реакция присо-
единения первой молекулы водорода может протекать как син-
хронный гомолитический, так и двухстадийный гетеролитичес-
кий процесс. Определить характер протекания реакции присо-
единения водорода можно, использовав в качестве субстрата
не сам ацетилен, а его гомологи RC = CR'. При использовании
56
в качестве катализаторов Ni, Pt, Pd к соединениям такого ти-
па легко присоединяются сразу две молекулы водорода:
R - С=С - R' + 2Н2—> R - СН2- СН2- R'
Однако если несколько снизить активность катализаторов
и использовать Ni или Pd, нанесенные на кизельгур, а также
сплав Pd и Си или Pd, отравленный свинцом, то присоединяет-
ся только 1 моль водорода и образуется цис-изомер алкена:
R\
R - С---С — R* + Н2 -с : С
Н'" ХН
Этот факт может служить подтверждением того, что в соот
ветствим с мультиплетной теорией Баландина реакция протек,’
ет на дублете из двух атомов металла с синхронным гомолит
ческим разрывом связей Н—Н и одной из л-связей:
Идентичный результат — образование цис-изомера алкена —
получается и при частичном восстановлении алкинов диимиг *
HN = NH и дибораном В2Нв, что дает право трактовать эти
реакции следующим образом.
В пользу протекания реакции с диимином по гомолитичес-
кому механизму говорит то, что она проводится при облучении
и что как восстанавливающий агент, так и субстрат имеют
симметричное строение
Вторая реакция протекает по гетеролитическому механиз-
му. В данном случае движущей силой реакции является стрем-
ление атома бора достроить свой внешний электронный уро-
вень до октета
57
rpiirtc-Алкен образуется при действии и а алкин натрием в
жидком аммиаке;
R - С=С - R’
Na NH;t
охлаждение
R\
С = С
Н"" "'''R'
Механизм реакции окончательно не выяснен.
Если принять во внимание, что электроотрицательность ато-
ма углерода в состоянии sp-гибридпзации выше, чем в состоя-
нии зра-гибридизации,становится понятным появление у алки-
нов электроноакценторных свойств. На этом основании можно
предположить, что натрий выступает в качестве донора элект-
рона:
RcXcR'-> RC=CR' - Н NHa > RC=C/H
f * .«г • X,
•Na Na
> RC=C
-Na+
H-NHj
Олигомеризация ацетилена. Димеризация ацетилена приво-
днт к винилацетилену:
2СН-СН tCu(N“ib1—СМг= СН - С=СН
Механизм реакции до настоящего времени не выяснен. Ре-
акция имеет практическое значение, так как при присоедине-
нии к продукту реакции НС1 и воды, по Кучерову, образуются
хлоропрен и вннилметилкетон, используемые при производстве
полимеров.
Тримеризация. Эту реакцию проводят при 700?С в сталь-
ных трубах или при 400°C в присутствии активированного уг-
ля (Н. Д. Зелинский) (выходы бенэола малы):
НС
III 1
НС
НС
СН
Можно предполагать, что при таких высоких температурах
более вероятен гомолитический разрыв одной из п-связей (энер-
гия разрыва 226 кДж/моль) с промежуточным образованием
бирадикалов НС=СН, которые затем тримеризуются.
58
С гораздо большими выходами и в мягких условиях триме-
ризацию ацетилена можно провести по методу Реппе:
NitCO^PfC^J
3 нс = с н —------*•
60 "С
сн =сн2
Тетрамеризация по
НС =СН
НС СН
Ш + III
нс сн
НС = СН
(88%)
Реппе приводит к
Ni (CN);
---------------
60 - 70’С,давление
(12%)
циклоокт атетр аеиу:
НС = СН
hcz чсн
II Н
нсч хсн
НС = СН
Согласна современным представлениям (Шрауцер), эти реакции протекают
на лабильном октаэдрическом комплексе, в центре которого находится ион
никеля Ni2+, а н вершинах располагаются группы, входящие в состав катали-
затора, и молекулы реагирующего ацетилена.
При образовании циклооктатетраена в двух вершинах находятся ионы
“CN, а в остальных четырех — мочекулы ацетилена. Превращение схематиче-
ски можно изобразить так.
При получении бензола одно нз четырех вакантных координационных по-
ложений оказывается заблокированным сильным донором подвижных электро-
нов — молекулой трифенилфосфина:
58
1.3. ПРИСОЕДИНЕНИЕ К ДИЕНОВЫМ УГЛЕВОДОРОДАМ
В данном разделе целесообразно рассмотреть реакции присо-
единения к простейшим кумуленам и диенам с сопряженными
кратными связями. Диены с более удаленными друг от друга
кратными связями ведут себя как соединения с изолированны-
ми кратными связями; свойственные им реакции присоединения
были рассмотрены в разд. 1.1,
1.3.1. Присоединение к кумуленам
Простейшим представителем класса кумуленов является аллен
(66) В этом соединении крайние атомы углерода находятся в
состоянии зр2-гибридизации, а средний, как в ацетилене,-—в
состоянии sp-гибридизации. Поэтому молекула имеет линейное
строение, а негибридизованные р-орбитали находятся в двух
взаимно перпендикулярных плоскостях;
СЕЬ=С^СН3
(и)
нН
> кл--U—— С ч
Из сравнения теплот гидрирования диенов с несопряжен-
ными кратными связями (250 кДж/моль) и аллена (296 кДж/
/моль) следует, что аллен богаче энергией и, следовательно,
менее устойчив, чем диены с изолированными кратными свя-
зями.
Аллен под влиянием щелочей легко изомеризуется в более
устойчивый метилацетилен;
СН2в С = СН2—СНд -С»СН+10к Иж/мол1-
Реакции присоединения к кратным связям протекают в ос-
новном аналогично реакциям, рассмотренным в разд. 1,1, на-
пример:
2Н2
С Н2 ~ С ~ С Н2 " ' ж с н3 ~ с н2 ~ с н3
Ni{Pt, Pd)
2Br2
* ВгСН2 - СВг2 - СН2Вг
СН2= С = СН2 —
2HCI
*СН3-СС12-СНд
Однако в реакции присоединения воды аллеи веде! себя
аналогично метилацетилену:
сн2 = с = сн2
н+
(HzSO,)
+ нго
[СН3-С = СН2]—►
сн3-с»сн2 —*~
I -н+
+он2
сн3 - С ж сн
I
он
п-н+ +н+
CH3-C-CH3
II
о
Меньшая устойчивость аллена по сравнению с остальными
диенами сказывается еще и в том, что при нагревании под
давлением паров реагирующего вещества или при облучении
видимым или ультрафиолетовым светом аллен димеризуется
подобно акрилонитрилу:
СН2 = С = СН2 bv Н2С - с = сн2 сн2= с - сн2
+ -----* II + II
ли _л ли или 500 °C л л*—ли ил л — л± «
сн2 — с ~ сн2 н2 с ~ с — сн2 Н2С ~ с — сн2
(85%) (15%)
Как видно, и в данном случае димеризация предпочтитель-
но происходит по типу «голова к голове»,
С позиций рассмотренного в разд 1.! механизма этот экспериментальный
факт можно объяснить следующим образом. В данной реакции в качестве
промежуточных частиц могут образоваться бирадикалы трех типов:
сн2 - С = СН2 СН2 = С - СН2 СН2 - С ’ сн2
1 I и I
tH2-c = CH2 н2с-С=сн2 " сн2-с=сн2
(67) .(68) (69)
Наиболее энергетически выгодно промежуточное образование бирадика-
ла (67), так как в Нем в наибольшей степени реализуется возможность рас-
средоточения неспаренных электронов в результате взаимодействия их с п-элек-
тронами сохранившихся кратных связей:
<4—
СНа^-с^На
СНгт-7С==СНг
Однако несимметричные аллены типа (СН3)кС=С=СНа димеризуются
предпочтительно с образованием соединения (70), а не (71);
(СН3)2С «с - сн2
I I
Н2С - С =С(СН3)2
(70)
Н2С - С=С(СН3)2
Н2С - С *=С(СН3)2
(71)
Это объясняют возникновением пространственных затруднений при диме-
ризации по типу «голова к голове».
1.3.2. Присоединение к сопряженным диенам
К сопряженным диенам относят соединения, в состав которых
входит группировка:
12 3 4
=с-С = cz
z I I 4
В таких соединениях наблюдается частичное боковое пере-
крывание р-орбиталей не только между атомами С-1 и С-2 и
соответственно С-3 и С-4, но и между атомами С-2 и С-3:
Это можно подтвердить результатами рентгенографического
измерения межатомных расстояний в бутадиене; в этом соеди-
нении длины обеих связей С = С равны 0,137 нм, а длина свя-
зи С—С составляет 0,146 нм (длина изолированной связи
С=С равна 0,134 нм. а длина связи С—С составляет 0,154нм).
Такое дополнительное перекрывание р-орбиталей атомов
С-2 и С-3 сопровождается выигрышем энергии. Теплота гидри-
рования диенов с несопряженными кратными связями, напри-
мер пеягадиена-1,4, составляет 250 кДж/моль, а для бутадие-
на она равна 240 кДж/моль.
Иногда бутадиен рассматривают как резонансный гибрид
нескольких граничных структур, в двух из которых имеется
кратная связь С-2—С-3, четко при этом оговаривая, что ни од-
62
на из них не соответствует строению реально существующего
бутадиена.
СН2 - СН =СН - Сн2 -*-*СН2“СН- СН *СН2 ’*-*•
► +сн2 - сн =СН - ён2
(72)
Правомерность написания формулы (72) можно в какой-то
мере аргументировать наличием у ванильных групп как —
так н +Л1-эффектов:
СН2=^^-СН=^СН2-----> СНг—С1Г--СН— СН2
+М -I
Следствием некоторого увеличения кратности связи
С-2—С-3 является то, что вращение вокруг этой связи ста-
новится более ограниченным: сопряженные диены существуют
в цисоидной и трансоидной конформациях. Переход из более
энергетически выгодной трансоидной конформации в цисоид-
ную требует затраты энергии, равной 15—20 кДж/моль.
Результатом взаимного влияния кратных связей в сопря-
женных диенах является повышение их реакционной способ-
ности в реакциях присоединения. Кроме того, в ряде приве-
денных в разд. I.I реакций присоединения сопряженные диены
ведут себя как единая система, и поэтому они образуют не-
сколько иные продукты реакции, чем алкены с изолированной
кратной связью. У соединений с сопряженными Кратными свя-
зями появляются также специфические, характерные только
для них реакции.
Галогенирование. При взаимодействии 1 моль хлора или
брома с бутадиеном образуется смесь продуктов присоединения
в положения 1,2 и 1,4, причем соотношение этих продуктов су-
щественно зависит от условий проведения реакции я природы
используемого растворителя. Так. при хлорировании бутадиена
в сероуглероде при 20°C выходы продуктов хлорирования (73;
Х = С1) и (74; Х = С!) составляют 40 и 60% соответственно, а при
нагревании или в присутствии ZnCl2 — соответственно 80 и
20%. При бромировании бутадиена в уксусной кислоте
выходы соединений (73; Х = Вг) и (74; Х = Вг) составляют 80
и 20%, а в н-гексаие — 40 и 60% соответственно.
Механизм присоединения галогенов к алкенам был рассмот-
рен в разд. 1.1. Это двухстадийный процесс; предполагают, что
в?
в качестве промежуточной частицы образуется карбокатион.
СН2 ’СН - СН = СН2 + Х2 ----* ХСН2-СН-СН - СН2Х+
(73)
(1,4-присоединение)
+ ХСН2-СНХ -СН»СН2
(74)
(1,2-присоединение)
Вг—СН^—СН—СН=СНг (75)
Бром взаимодействует с одним из крайних атомов диеновой
системы, так как при этом образуется более энергетически
выгодный карбокатион (75), в котором возможно рассредото-
чение положительного заряда с участием л-электронов непро-
реагировавшей кратной связи. В том же случае, если бы бром
атаковал один из средних атомов углерода диеновой системы,
должен был бы образоваться энергетически невыгодный пер-
вичный карбокатион (77), в котором отсутствует возможность
рассредоточения положительного заряда:
СН2 = СН - СН - сн2 —> сн2 - сн - сн = сн2
Ч о Br i
Br-Bf Br
(77)
Было вычислено, что карбокатион (7В) на 280 кДж/моль
устойчивее катиона +СН3, т. е. его образование происходит со
значительно меньшей энергией активации.
На заключительной стадии реакции галогенид-анион X-
может присоединяться по какому-либо одному из электроноде-
фицитных мест карбокатиона (7В), образуя соединение (73)
или (74).
Заслуживает рассмотрения зависимость соотношения про-
дуктов реакции от природы растворителя.
В каждом из дибромидов (73) и (74) по крайней мере
один из атомов галогена находится в аллильном положении
(подчеркнут). Известно, что такие соединения в протонных
растворителях могут диссоциировать на ионы. При этом оба
дибромида образуют один и тот же карбокатион:
5+ S*-
ВгСИ£СНСН=СН2 -^д>ВгСНгСН—СН“СНг *^тВгСИ2СН=СНСН2Вг
Вт
(74) (76) (73)
м
Кроме того, существенно, что, в соответствии с правилом
Зайцева, более термодинамически устойчив изомер (73). и,
следовательно, диссоциация его на ионы должна происходить
труднее, с большей энергией активации, чем для изомера (74).
Поэтому полярные протонные растворители (в данном случае
уксусная кислота), способные сольватировать как анионы, так
н катионы, будут в первую очередь способствовать диссоциа-
ции на ноны изомера (74), а последующая повторная атака
Вг- будет предпочтительно направляться на крайний атом
углерода, в результате чего образуется более термодинамиче-
ски устойчивый изомер (73).
Результаты же, полученные при Проведении реакции в не-
полярном растворителе (например, в гексане), который не бла-
гоприятствует диссоциации первичных продуктов реакции на
ноны, свидетельствуют о том, что присоединение брома в по-
ложения 1,2 протекает с несколько большей скоростью. По-ви-
днмому, бромид-аиион не успевает далеко отойти, а смещение
л-электронов в катионе (75) несколько запаздывает, и поэтому
Вг~ предпочтительно атакует положение 2.
Из всего сказанного вытекает важное следствие, что более
термодинамически устойчивый изомер необязательно должен
образовываться с большей скоростью. Таким образом, при тер-
модинамическом контроле реакции (при проведении ее в уксус-
ной кислоте, когда реакция протекает обратимо) и при кине-
тическом контроле (в инертном растворителе) соотношение
продуктов реакции различно.
Гидрогалогенирование. При взаимодействии диенов с гало-
геноводородами также образуется смесь продуктов 1,2- и 1,4-
присоединения; их соотношение также зависит от условий про-
ведения реакции. Так, При гидробромиповаани бутадиена-1,3
(рис, 1.2) выходы соединений (78) и (79) при — 80°С состав-
ляют 80 и 20% соответственно, а при 4-40 °C они равны 20 и
80% соответственно.
СН2=СН - СН = СНг + НВг---СН3 - СНВг - СН =СН2 +
(78)'
+ СН3-СН=СН-СН2Вг
(79)
Все высказанные при рассмотрении реакции галогенирова-
ния соображения могут быть с успехом использованы для ин-
терпретации приведенных результатов. Механизм присоедине-
ния галогеноводородов к алкенам подробно рассмотрен в
разд. 1.1.
Протонирование одного из крайних атомов углерода на пер-
вой стадии реакции (в соответствии с правилом Марковнико-
5—1425
65
ftwpvwma реакции
Рис, i.2 Изменение потенциальной
энергии при гидробромнроваинн бу-
тадиена.
I - исходная система СНД—СНСН^СН^Ч-
+ НВг. ?— продукт L2 Присоединения
CHjCHBrCH =CHj; 3 — продукт 1,4-Присо-
единения CHjCH — CHCHjBr
Е| и £? — энергии активации реакций 1,2
и hi присоединения соответственно
ва) и в данном случае объясняется выгодностью образования
карбокатиона (80) с делокализованным положительным заря-
дом, а образование двух продуктов реакции — возможностью
атаки Вг- одного из двух электронодефнцнтных атомов угле-
рода в этом карбокатионе
Н+ г- ц. -1 г- S+ 4+ -|
СНг = СН- СН -СНг IН - СН2-СН-СН* СН2|^ [СНз - СН'-=С№СНг|
-1 г S+ Л+ -]
|J-> СН3 - CH'^CH-CHzj
(88)
При проведении реакции при низких температурах после-
дующая диссоциация первоначально полученных продуктов
присоединения — аллилбромидов, требующая преодоления
энергетического барьера, затруднена, и, таким образом, в этих
условиях больше шансов сохранить неизменными первичные
продукты реакции.
Из полученных при —80 °C результатов следует, что при-
соединение НВг, как и Вгг, идет с большей скоростью в поло-
жения 1,2.
При повышении температуры предпочтителен гетеролиз
термодинамически менее устойчивого изомера (78) с последу-
ющим образованием более устойчивого изомера (79) вплоть до
достижения равновесных соотношений обоих продуктов.
Об обратимости реакции гидробромирования бутадиена сви-
детельствует и тот факт, что при длительном нагревании каж-
дого из изомерных бромбутенов образуется равновесная смесь
обоих изомерных продуктов.
Гидрирование. Принципиальное отличие сопряженных дие-
нов от алкенов с одной кратной связью и от дненов ^изолиро-
ванными кратными связями заключается в том, что помимо
каталитически активированного водорода они способны при-
соединять «водород в момент выделения», причем и в данном
случае образуется смесь продуктов 1,2- и 1,4-присоединения:
СН2=СН - СН=СН2 + 2Н (С2Н5ОН + Na)—>
-> СН3 - СН2 - СН=СН2 + СН3 - СН=СН - СН3
W
.Механизм реакции интерпретируют по-разному. Согласно
одной более правдоподобной версии, она протекает по гомоли-
тическому механизму.
На первой стадии реакции натрий отдает электрон наиболее
электроотрицательному элеме. ту — атому кислорода, генери-
руя атомарный водород, а образовавшийся радикал Н* может
атаковать как атом С-1, так и атом С-2 диена, вызывая гомо-
лиз л-связи;
Направление / энергетически более выгодно, так как в об-
разовавшемся радикале имеется возможность рассредоточения
неспаренного электрона за счет не участвующей в реакции л-
связн, что всегда приводит к снижению энергии активации ре-
акции;
сн-с-с=сС
(•> (•> J
—»СН-С“ОС<
Отсутствием возможности рассредоточения неспаренного
электрона в образующемся на первой стадии радикале можно
объяснить, почему алкены и диены с несопряженными кратны-
ми связями не присоединяют «водород в момент выделения».
Присоединение второго радикала "Н* на завершающей ста-
дии реакции происходит как по атому С-2, так и по атому С-4
с предпочтительным образованием более устойчивого транс-
бутена-2.
Термодинамическую устойчивость образующихся в резуль-
тате реакции алкенов можно охарактеризовать теплотами их
гидрирования:
н3с сн3
7С=С\
Н~ z^2^5
/С=С\
Н' Н
115 кДж/мол^ 120 кДж/моль 126 кДж/моль
5
«7
Согласно второй версии, на цервой падин реакции акцен
юром электронов от донора-металла является диен, а реакция
свершается присоединением протонов, донором которых явля-
ется спирт или вода.
= С- С = с<
II
2е
2СгН50Н
- 2CjHsO~
При каталитическом гидрировании диенов обычно не уда-
ется остановиться на стадии присоединения одной молекулы
водорода, и в конечном итоге образуется алкан.
Присоединение ССЦВг Реакция идет в присутствии перок-
сидов с образованием смеси продуктов 1,4- и 1,2-присоедине
пня
СН2=СН - СН=СН2 + Вг - СС13--->
—>С13С- сн2 - СН=СН - сн2- Вг +
+ С13С - СН2 - СНВг - сн = сн2
Радикальное присоединение ВгСОз характерно только для
сопряженных диенов
Поскольку энергия диссоциации связи С—Вг (285 кДж/
/моль) меньше, чем энергия связи С—CI (338 кДж/моль), ге-
нерируемый из пероксида радикал R- па первой стадии вызы-
вает избирательный гомолиз связи С—Вг. Далее реакция про-
текает по механизму, аналогичному рассмотренному выше ме-
ханизму присоединения «водорода в момент выделения»:
R- + Вг * СС13 -* R - Вг + -СС(з
•СС1з
сн2 = сн-сн = сн2—- сн2 = сн-сн-снг-сс13 —*
<*) ВгС С 1з
СН2—СН—СН - СН2 - СС1з----*ВгСН2 - СН = СН - СН2 -СС1з +
+ СН2 = СН - СНВг - СН2 - СС13 + CCI з
68
Диеновый синтез (реакция Дильса —Альдера) В общем виде
реакцию можно изобразить следующим образом-
Диеновый синтез относится к реакциям циклоприсоедине-
ния, которые, как уже отмечалось выше, отличают следующие
признаки в результате реакции не выделяются низкомолеку
лярные побочные продукты, не происходит разрыва ни одной
о-связи и, наконец, образуются две новые о связи
Как видно из приведенной выше схемы, диен в момент ре
акции должен принять цисоидную конформацию, на что надо
затратить 12—20 кДж/моль энергии В соответствии с этим
диены, например (81), у которых жестко фиксирована
транс-конфигурация, в реакцию диенового синтеза вообще не
вступают, и, напротив, диены, например (82) и (83), которые
имеют фиксированную цас-конфигурацию, наиболее ле! ко всту-
пают в реакцию Так, циклопентадиен (83) в большинстве слу-
чаев реагирует на холоду
(Bl) (в2) <ВЗ> (В4)
В соответствии с этой !акономерностью. семициклическая
двойная связь в фульвенах (84), которая находится в транс-
положении по отношению к остальным двойным связям, в ре-
акции диенового синтеза нс принимает участия.
Бла;оцриятное влияние на протекание реакции оказывают
электронодонорные алкильные группы, находящиеся в положе-
ниях 2 и 3 диена,
И1 моноалкилбутадиенов наиболее реакционноспособны со-
единения, у которых имеется объемистый алкильный замести-
тель Так, например. 2-трет-бутилбу'тадиен реагирует с малеи-
новым ангидридом в 50 раз быстрее, чем сам бутадиен Это
можно объяснить тем, что у данного соединения цисоидная
конформация (85) энер|стическн более выгодна, чем трансоид-
«9
(СНз)зС ZCH2
4CZ
1
сн
н2с^
ная конформация (86), в которой возникает взаимное отталки-
вание метиленовой и трет-бутильной групп
(СН3)3С. zch2
с?
1
нск
'CHg
(86)
(85)
Напротив, из 2,3-диалкилбутадиеиов наиболее реакционно
способны соединения с компактными радикалами В противном
случае заместители будут вызывать пространственные затруд-
нения при переходе диена в цисоидную конформацию в момент,
предшествующий реакции По этой причине 2,3-дн трет-бутил-
бутадиен не вступает в реакцию диенового синтеза
Диены, имеющие алкильные заместители в положениях 1 и
4, менее активны, чем незамещенный бутадиен Из дизамещен-
ных 1.4-дпалкилбутадиенов более реакционноспособны транс,
транс-диалкилбутадиены (87), так как при переходе этих со
единений в цисоидную конформацию (88) заместители R не
будут создавать пространственных затруднений Например,
транс, транс-1,4-дифен и лбутадиен легко присоединяется к ма-
леиновому ангидриду при 140°С
R -И R\ /Н
С
и
С
Hz 4 с
I
н
Н
I
С
' XR
С
ll
С н
hz4cz
II
с
(87) (88)
рас .рис-1,4-Диалкилбутадиены с объемистыми алкильными
заместителями не вступают в реакцию диенового синтеза, так
как они из-за пространственных препятствий не могут принять
цисоидную конформацию
it I
,С чи
С н
I
н
R^Q^R
и
н чс
(89)
70
1 J-Диалкилбутадиены (80) также не Вступают в эту реак-
цию. Электроноакцепторные заместители у диенов, как прави-
ло, уменьшают их реакционную способность.
Для второго участника реакции — диенофила — наблюда-
ются следующие закономерности
Реакционную способность диенофила увеличивают электро-
ноакцепторные группы (С6Н5, СООН, COR, CN, COOR, СНО,
NO2), причем чем их больше, тем выше реакционная способ-
ность диенофила. Если бутадиен реагирует с незамещенным
этиленом только при повышенных давлении и температуре
(200°С) и выход целевого продукта мал (20%), то с тетрацн-
аноэтиленом реакция идет быстро при 0°Сс выходом 94%
СН2
Нс^СНг СН2 НС хсн2
I + И —* ц I
НС х. СН2 нс >СН2
нсЧснг
сн, >4?
нс* 2 =<см>! _ нс С(СН)2
НЧсн C(CN)2 CC(CN)!
СН2 СН2
Высокой реакционной способностью обладают также такие
диенофилы, как малеиновый ангидрид (90) и бензохинон (91).
Реакцию с малеиновым ангидридом проводят при80°С, асбен-
зохиноном на холоду в бензольном растворе (идет с выделе-
нием тепла)
(90)
(9!) (92)
Алкильные группы в диенофиле уменьшают его реакцион-
ную способность. Например, ангидрид цитраконовой кислоты
(92) реагирует медленнее, чем малеиновый ангидрид, а реак-
цию 2-меТилбуТаднена'1,3 с диметилмалеиновым ангидридом
ведут в автоклаве без растворителя (выход продукта невы-
сок) ,
Н3С о
В качестве диенофила можно использовать соединения с
тройной связью, например эфир ацетиленди карбо но вой кисло
ты (93):
С2Н5ООС-С=С- СООС2Н5 (93)
На реакционною способность диенофила влияет его конфи-
гурация У несимметричных диенофилов quc-изомер реагирует
легче, чем транс-изомер.
Реакцию дйеноВого синтеза отличает Высокая стереоспеци-
фичность Например, в приведенных ниже реакциях сохраня-
ется конфигурация заместителей относительно плоскости коль-
ца, образовавшегося в результате реакции
нс
Аналогичные результаты получены при взаимодействии бу-
тадиена с малеиновой и фумаровой кислотами.
ноос
но ОС
Реакция Дильса—Альдера обратима. При высоких темпе-
ратурах аддукт распадается на исходные вещества.
Вопрос о механизме реакции Дильса — Альдера в настоя-
щее время окончательно не выяснен Учитывая, что наиболее
72
активными диенами являются соединения с элекгронодоиорны
ми алкильными группами, а диенофилами — алкены с двумя и
более электроноакцепторным и заместителями, естественно
предположить, что движущей силон этой реакции является пе-
редача электронов от диена к диенофилу, причем в образовав-
шемся в качестве промежуточно! о продукта окрашенном ион-
ном комплексе, который может быть выделен, участники реак-
ции располагаются в находящихся близко друг от друга па-
раллельных плоскостях, чтобы были максимально использова-
ны силы притяжения
Вопрос о числе и местонахождении в исходном диене элект-
ронов, передаваемых диенофилу, до сих пор остается дискус-
сионным Возникающие в первую очередь альтернативные
предположения схематически можно изобразить следующим
образом-
крнпторадккал
Однако против предположения, что в качестве интермедиа-
та образуется криптоион или крипторадикал, свидетельствует
высокая стереоспецифичность реакции Кроме того, против
предположения о промежуточном образовании криптоиона сви-
детельствуют еще два экспериментальных факта.
а) При димеризации акролеина по реакции диенового син-
теза предпочтительно образуется аддукт (94), тогда как сог-
ласно первому предположению должен был бы образоваться
аддукт (95):
(94) (95)
73
1
б) Установлено, что полярность растворителя ие влияет на
скорость реакции Дильса — Альдера, тогда как известно, что,
если реакция протекает с образованием биполярного промежу-
точного или конечного продукта, ее скорость увеличивается при
использовании снльнонолярных растворителей.
Исходя из этого, можно с большим основанием предпола-
гать, что реакция Дильса — Альдера протекает по радикально-
му механизму с синхронным гомолитическим разрывом трех
п-связей участников реакции. Этот разрыв может быть иници-
ирован гомолизом л-связи диенофила, ослабленной влиянием
электроноакцепторных групп. При этом в момент образования
л-комплекса диен и диенофил располагаются в двух парал-
лельных плоскостях: |
Расстояние между плоскостями настолько мало, что, если в
диенофиле имеются группы с кратными связями, в момент об-
разования л-комплекса может возникнуть взаимодействие меж-
ду л-электронами этих групп и л-электронами диена, О суще-
ствовании такого взаимодействия свидетельствует тот факт,
что при реакции цнклопентэдиена с малеиновым ангидридом
с почти количественным выходом (98,5%) образуется эндо-
изомер; выход экзо-изомера составляет лишь 1,5%:
74
По этой же причине при взаимодействии цикл о пента диен и с
транс-1-иитропропеном-! предпочтительно образуется аддукт,
в котором нитрогруппа находится в эндо-пол ожени и;
Существует даже «'[носящееся к этой закономерности «пра-
вило накопления ненасыщенности», согласно которому диен и
диенофил в момент, предшествующий реакции, располагаются
друг о1носительно друга таким образом, чтобы их группы, име-
ющие кратные связи, находились на более близком расстоянии
друг от друга.
В соответствии с этим правилом при использовании в каче-
стве диена фульвена (84), в котором кратные связи, способные
взаимодействовать с л-электронами диенофила, находятся в
обеих частях молекулы, образуется смесь эндо- и экзо-изоме-
ров,
В том случае, когда диен и диенофил имеют несимметричное строение, на-
пример в случае пиперилева (96) и траме-к ротон о в о го альдегида (97), в ре-
зультате реакции могут образоваться четыре изомера замещенного циклогек-
сена отличающиеся различным расположением заместителей относительно
друг друга и плоскости кольца.
Н3С /Н
с
II
Н
(96)
(97)
Существуют четыре варианта возможного взаимного расположения диена
। диенофила в момент реакции, однако варианты Ш н IV можно сразу исклю-
75
чить из рассмотрения. гак как нрн этом нарушалось бы «правило накопления
ненасыщенности»"
IV
Экспериментально было установлено, что в результате реакции предпоч-
тительно образуется аддукт, соответствующий варианту I переходного со-
стояния;
На этом основании было сформулировано еще одно правило, согласно ко-
торому реализуется переходное состояние I: в переходном состоянии атом угле-
рода диенофила, связанный с электроноакцепторной группой, предпочтительно
располагается пал тем атомом углерода диена, который связан с электроне-
донорной а.щнльноЙ группой
В случае же взаимодействия транс- 1-нитроиентена-1 с симметричным
лиспом, например с 2,3-ди мети л бутадиеном, образуется эквимольная смесь ад-
дуктов, получающихся с участием переходных состояний I и II,
7в
Диеновый cuHTej имеет широкое применение, так как позво-
ляет получать циклические продумы разнообразного строения
Сульфонирование. Бутадиен способен присоединять в поло
жения 1,4 диоксид серы с образованием циклического сульфо-
на, причем в образовании ковалентных связей С—S участвует
неподеленная пара электронов атома серит
нс—СН
И \ ___А Л=\
н2с . сн2 ( >
+ so2
0 = 5 = 0
Относительно механизма реакции сведений не имеется
Ионная и радикальная полимеризация. Полимеризация дие-
новых углеводородов имеет большое практическое значение,
так как образующиеся полимеры близки по свойствам к нату-
ральному каучуку.
Полимеризация диенов отличается от полимеризации алке-
нов тем, что в зависимости от условий у диенов может осуще-
ствляться как 1,2-, так и 1,4-присоединение Кроме того, так
как в полимере сохраняются кратные связи, возможно получе-
ние полимеров как цис-, так и транс-строения.
Радикальная полимеризация. Инициаторы полимеризации
приведены в разд. 1.1.2. При полимеризации диенов в качестве
инициаторов обычно используют металлический натрий и более
удобную редокс-систему;
Fe2+ + Н2О2 -* РеЭ+ + “ОН +-0Н
Диены в этих условиях образуют полимеры нерегулярного
строения — происходит как 1,2-, так и 1,4-присоединенне:
NaСН2
СН2 СН2 = СН
СН = СН2
" СН2 = СНСН = СН2
Na - снг,- СН = сн - СНг - сн2 - сн ----—-----~
CH-СНг «М-
Кроме того, поскольку в главной цепи остаются кратные
связи, При радикальной полимеризации происходит как цис-.
так и транс-присоединение. В результате этого звенья мономе-
ров в полимере, полученном радикальной полимеризацией, ока-
77
зыйаются неидентичными Таким методом получало каучук по
методу С В Лебедева
Анионная полимеризация В качестве инициаторов анионной
полимеризации используют бутиллитий C4H0L1 и катализатор
Циглера — Натта [Т[С14 + А1 (С2Н5)3] При анионной полимери-
зации обращу ется стереорсгу лирный полимер
U - С4Н9 СН2 сн - сн - сн2*сн2 = сн - сн = сн2
0-
* СдНд - СН2 - СН = СН - СН2 - СН2 - СН » СН - СН2
СН2 = СНСН = СН2
L J и т д.
Например, при анионной полимеризации изопрена образу-
ется полимер, идентичный натуральному каучуку, который, как
установлено, является цис- 1,4-полимером изопрена
Н3С
-Н2С
/Н НзС\ /
С =С
\н2-сн2 СНг~-СН2 сн2-
\ /
с = с
Пространственный изомер природного каучука — гуттапер-
ча — представляет собой транс-1,4-полимер изопрена В отли-
чие от каучука она хрупка к лишена эластичности.
н3сч Н
/С = С\
НдС< /Нг-сн, Сн2-
чс =с
/ чн
Н3С\ сн2-сн2
С=с
“НгС^
Используя катализатор Циглера — Натта, можно получить
циклический тример бутадиена — циклододекатриен:
78
1.4. ПРИСОЕДИНЕНИЕ К СОПРЯЖЕННЫМ ЕНИНЛМ
Как уже отмечалось, в присутствии каталитических количеств
соли Си+ ацетилен димеризуется с образованием винилацети-
лена:
12 3 4
НС=С - СН=СН2
В отличие от бутадиена-1,3 в этом соединении л-электрон-
ная плотность распределена неравномерно: дипольный момент
винилацетилена равен 0,8 Д, Причем есть основания утверж
дать, что отрицательным концом диполя является атом С-1,
а наиболее электронодефицитным местом — атом С 4
Как уже рассматривалось ранее, углерод в состоянии sp-
гибридизации более электроотрицателен, чем в состоянии
5ра-гибридизации, и поэтому у этинильной группы — Сз=СН
—/-эффект больше, чем у винильной группы —СН — СНг.
В то же время, учитывая меньшую реакционную способность и
поляризуемость тройной связи, можно утверждать, что + Al-эф-
фект этинильной группы меньше, чем винильной
На основании этих соображений перераспределение элект-
ронной плотности в винилацетилене можно изобразить следую-
щим образом:
о+ О
СН2 = СН - С s СН
о-
Важным следствием такого взаимного влияния винильной и
этинильной групп в винилацетилене является то, что тройная
связь в нем при взаимодействии с электрофильными реагента-
ми более активна, чем двойная.
Кроме того, для винилацетилена в отличие от диенов энер-
гетически более выгодны реакции 1,2-, а не 1,4-присоединения,
так как н последнем случае образуется менее термодинамичес-
ки устойчивая алленовая группировка:
ХСН2СН-С-’СН2-^ сн2=сн- сдсн-^i- сн2= сн - сх-сн?
Гид рога логеннрование. Несмотря на то что изолированная
Тройная связь менее реакционноспособна, че.м двойная, по со-
ображениям, высказанным выше, присоединение первой моле-
кулы галоген оводород а к винилацетилену происходит не к
двойной, а к тройной связи и приводит к образованию хлоро-
прена.
сн2=сн-Сэ=сн-|-на снг=сн-сс1=сн2
79
Побочно образуется продукт 1,4-пр«соединения Эта реак
пня, нашедшая практическое применение, протекает по меха
Низму, описанному в разд 1 1.
Гидратация. Гидратация винилацетилена в отличие от аце
тилена [[ротекает в отсутствие солей ртути, первая молекула
воды присоединяется По тройной связи:
СН2=СН - с=сн + н2о-^*сн2^сн - со - сн3
Механизм реакции рассмотрен в разд. 1 2 при описании
гйдратации ацетилена по Кучерову
Бромирование Присоединение первой молекулы брома идет
менее избирательно, чем присоединение галогеноводорода и Во-
ды, предпочтительно образуется продукт 1,4-присоедИнення,
ён2=сн - С£СН + Вг?-^ВгСН2-СН=С=СНВГ +
+ СН2-СН - СВг=СНВг +ВгСН2- СНВг - СнСН
Гнины типа СН2 = СН—CssCR присоединяют первую моле-
кулу брома и хлора предпочтительно по двойной связи.
Гидрирование. При использовании катализатора Pd/СаСОз,
отравленного ацетатом свинца, присоединение первой молеку-
лы водорода идет в первую очередь по тройной связи, причем,
как и обычно, образуется цис -изомер
R - С=С - CH-CH-R' + Н2 Pd/CaC°3>
Н\ /Н
С-С
'CH=CH-R'
1.5. ПРИСОЕДИНЕНИЕ К а,^-НЕНАСЫЩЕННЫМ
карбонильным соединениям
1.5.1. Присоединение к сопряженной системе
связей С = С и С*=О
В разд, 1.1 отмечалось, что замена одного атома водорода в
этилене на электроноакцепторную карбонильную группу приво-
дит к тому, что соединения такого типа могут присоединять по
кратной углерод-углерод ной связи Нуклеофильные реагенты,
причем атака этих реагентов направляется на [J-углеродный
атом
Однако а, ^-непредельным карбонильным соединениям свой-
ственен еще ряд реакций, которые ио конечному реэультату
можно рассматривать как реакции присоединения по кратной
углерод-углеродной связи, но в которых осф-карбонильные со-
единения ведут себя подобно сопряженным диенам как единая
система, способная к 1,4-прнсоединенню
В отличие от сопряженных диенов сопряженные «^-ненасы-
щенные карбонильные соединения имеют большие дипольные
моменты, причем избыточная электронная плотность сосредото-
чивается на атоме кислорода Поскольку л-электроны двойной
связи С = С в «^-ненасыщенных карбонильных соединениях
смещаются в сторону карбонильной группы, дипольный момент
этих соединений больше, чем у соответствующих насыщенных
карбонильных соединений
и, Д
СН3—СН2- СНО 2,54
СН2=СН—СНО 2,88
Учитывая это, можно утверждать, что такие реакции, как
присоединение галогеноводород а и воды к а, ^-непредельным
карбонильным соединениям, протекают по механизму, отлич-
ному от рассмотренных ранее.
Гидрогалогенирование, Формально реакция выглядит как
присоединение галогеноводорода по кратной углерод-углерод-
ной связи против правила Марковникова
СН2= СН - COR + НХ-*ХСН2 - СН2 - COR
Однако есть основания утверждать, что на первой стадии
реакции протон присоединяется не к одному из атомов угле-
рода, а по месту с наибольшей электронной плотностью —к
атому кислорода карбонильной группы
Кроме этих чисто статических факторов в пользу присоеди-
нения протона к атому кислорода говорят и динамические фак-
торы: в данном случае образуется наиболее энергетически вы-
годный карбокатион (98):
СНЕ=СН—С—R
О
Н+ + 3+ 3*
- > СНЕ=СН~С—R —> снЕ—сн=с—К
он он
(98)
Карбокатион (99) менее энергетически выгоден, так как по-
ложительный заряд в нем находится на первичном атоме угле-
6—1425
81
рода; карбокатион (100) наименее выгоден, потому что в нем
на соседних атомах углерода имеется недостаток электронной
плотности.
&Н2 - СН2 ~ S - R СН3 - &Н - с+- R
О О
(99) (100)
Взаимодействие мезомерного карбокатиона (98) с анионом
X- может осуществляться по двум направлениям — по конце-
вому атому углерода н по атому углерода карбонильной груп-
пы.
-нх
QH X- х- pH
ХСН2 - СН =С - R *—(98)-—>СН2=СН - С - R
-н+. +н+
V О
ХСН2 - сн2 - С - R СН2 —СН- С - R
(101)
Однако реализуется направление / с образованием ста-
бильного конечного продукта (101), поскольку образовавший-
ся по направлению 2 продукт неустойчив и, немедленно отщеп-
ляя НХ, превращается в исходное соединение
Таким образом, присоединение галогеноводорода к a.jj-не-
насыщенным карбонильным соединениям начинается с 1,4-при-
соединения
Гидратация. Присоединение воды протекает по механизму,
аналогичному механизму присоединения галогеноводорода,
и начинается с протонирования атома кислорода карбонильной
группы:
СН2 = СН - COR + Н2О Н+ [Иг80*!» НО - СН2 - СН2 * COR
Алкокснлирование. Присоединение спиртов также протекает
по описанному выше механизму:
0СН3
+ 1
(СН3)2С=СН - СОСНз + СН3ОНН [H;SC4(CH3)2C - сн2 - сосн3
82
Однако <х,^-ненасыщенные альдегиды в этих условиях обра-
зуют насыщенные ацетали (в качестве примеси образуется аце-
таль акролеина):
сн2=сн - сно + зс2н6он-^^*.
» С2Н5О - СН2 - СН2 - СН (ОС2Н5)2
Присоединение циановодорода. Циановодород присоединяет-
ся по активированной двойной связи, а не по карбонильной
группе, как в случае насыщенных кетонов Образующийся при
этом продукт более устойчив, чем Продукт присоединения по
карбонильной группе
О ОН
СН2=СН - с - R~y^NC - СН2 - СН = С - R ~Н+|+Н>
О
•_____» NC - СН2 - СН2 - С - R
«.^-Ненасыщенные альдегиды в этих условиях, подобно пре-
дельным альдегидам, образуют циангидрины-
О ОН
И I
сн2—сн- с- н + hcn-»ch2=ch - сн - CN
Присоединение гидросульфита натрия. В результате реак-
ции образуется ковалентная связь С—S, так как на атоме се-
ры в гидросульфит-анионе имеется неподеленная пара элект-
ронов:
О
(СН3)2С = сн - С - сн3 + NaHSO3 —>
SO3Na он SO3Na О
-* (CH3)2C-СН = С - СНз -Н г +Н > (Сн3)2с - сн2-с - сн
I- J
Простейшие «,[J-ненасыщенные альдегиды в этих условиях
дают обычный продукт присоединения по карбонильной ipynne
(102) Однако некоторые a,[J ненасыщенные альдегиды, напри-
мер (ЮЗ), реагируют с двумя молекулами гидросульфита
6*
83
он
I
CH? = СН - СН - SOjNa (102)
О
~ (I
С6н5 - СН= сн - С - Н + 2NaHSO3->
(103)
SO3Na ОН
I J I
С6Н5 - СН - сн2 - СН - SO3Na
ot,(j Ненасыщенные кис юты и их функциональные производ-
ные не присоединяют цнановодород и гидросульфит
Гидрирование. Подобно сопряженным диенам и в отличие or
алкенов с изолированными кратными связями, аф ненасыщен-
ные карбонильные соединения (альде, иды, кетоны и кислоты)
способны присоединять «водород в момент выделения»
СН2 = СН-СО- + 2Н-
м+кислота> сн,-сн2-со-
ИЛИ ** * *-
Na/Hfl+C2H5OH
Есть основания предполагать, что и эта реакция протекает
как 1,4 присоединение с промежу ючным образованием енола,
однако в тайном случае нельзя утверждать, что электронейт-
радьная частика Н- на первой стадии реакции обязательно ата-
кует атом кислорода карбонильной группы, возможна атака и
по [J-атому углерода (III
^С=С-С-С-С=С\
НО он
пкиаком(побочный продукт)
>с = с - с -он
I I
। « «и w а
Н-С-С-С = >С = С * С = О~*/С = с - с - о- н
<11 II I I
(104) (105)
н.| I
I ♦ ▼ + + II
Н - С - С = С - ОН -н ’ + н^ Н-С-С-С = о
Остается невыясненным вопрос, почему радикал (105) нс ре-
агирует с Н- с образованием непредельного спирта (106).
>С = С-СН-ОН (106)
I I
Каталитическое гидрирование аф-непредельных карбониль-
ных соединений молекулярным водородом в присутствии метал-
лов VIII группы протекает менее избирательно и более трудно,
чем в случае соединений с изолированной кратной связью При
частичном гидрировании «ф-непредельных альдегидов образу-
ется смесь Предельных альдегида и спирта Отсюда можно сде-
лать вывод, что в данном случае кратная углерод-углеродная
связь присоединяет водород быстрее, чем карбонильная группа
Непредельные кетоны реагируют более избирательно первая
молекула водорода присоединяется по у глерод-у глеролной свя-
зи, например
(СН3)2С = СН- СО - СН3 + н2
Pd/C или CaCOi
* (СН3)2СН - сн2 - со - сн3
Диеновый синтез. «.^-Ненасыщенные альдегиды, например
акролеин, способны вступать н реакцию Дильса— Альдера, при-
чем они могут реагировать не только как диенофилы, но и как
диены
(107)
НС
сн2
сн2
нс
О СН - СНО
Существенно, что при этом не образуется изомер (107), что
еще раз подтверждает предположение о протекании реакции по
гомолитическому механизму
На основании этого экспериментального факта было сформу-
лировано Правило «наибольшей кислородной плотности», соглас-
но которому участники реакции в начальный .момент ориенти
руются друг относительно друга так, чтобы атомы кислорода на-
ходились возможно ближе Друг к Другу Аналогично реагируют
кротоновый альдегид и винилметилкетон
Большинство Примеров реакций присоединения нуклеофиль-
ных реагентов к кратной углерод углеродной связи аф-непре-
дельных карбонильных соединений было приведено а разд. 1.1.
Здесь же осталось рассмотреть еще две реакции, в которых при-
соединение этих реагентов идет в положение 1,4.
Присоединение реактивов Гриньяра. Непредельные кетоны,
алкильные [руппы которых имеют большой объем, присоедини
ют реактивы Гриньяра не по карбонильной группе, а в положе-
ния 1,4, например
О
с6н5 - сн = сн - с - сн(СНз)2^!!й^
R ОМдХ
—► с6н5 - сн - сн = с - сн(сн3)2
(108)
R ОН
-* С6Н5 - СН - СН - С - СН(СН3)2 -Н*,+Н>
R О
I II
-> СвН8 - СН - СН2 - С - СН(СН3)2
Предполагают, что при этом реализуется шестичленное пере-
ходное состояние, в котором происходит синхронное перераспре-
деление связей Промежуточное образование енолята (|08) бы
ло доказано его озонированием (см разд I I) и последующей
идентификацией образовавшихся продуктов реакции.
(СН3)2СН—C<2ScH— C6Hg —>- (СН3)2СН С—СН СН СвН5
!h <™gX *
MgX (108)
аф-Непредельные альдегиды взаимодействуют с реактивами
Гриньяра с образованием исключительно продукта присоедине-
ния по карбонильной группе (109), а аф-непредельные метил- и
этилкетоны — с образованием смеси продуктов 1,2- и 1,4-присо-
единения
О
II
сн2 = сн - С - н
он
1 ™ПСН2 = сн - СН - R
2НзО+ (109)
м
Реакция с триалкилбором. Реакция позволяет получать раз-
нообразные насыщенные карбонильные соединения
О
1 11 о III н,о
R3B С = С - С4R - С - С = С - О -BR2 г
1 -RjBOH
(продукт выделен)
, Н 0
Г I I । п -Н++Н+ । ' II
—►[r-C-C = C- O- h| к >R- С - С - С -
1.5,2. Присоединение к кратным связям бензохинона
Хиноны, простейшим представителем которых является «-бен-
зохинон, как по строению, так и по химическим свойствам отно-
сятся к а, jj-неп редельны м дикарбоннльным соединениям, кото-
рые иногда называют кросс сопряженными системами
Выделение хинонов в особый раздел обусловлено тем, что
они родственны ароматическим дигндроксисоединениям, из ко-
торых они легко могут быть получены окислением и в которые
легко переходят, присоединяя в положения I, 6 два атома во-
дорода:
+2[Н]
НО
ОН
Таким образом, хиноны являются окислителями, реагируя,
например, с разбавленной HI на холоду; в результате реакции
выделяется иод
0=О=° + 2HI -* НО——ОН + 12
Строение бензохинона подтверждено рентгеноструктурным
анализом, методом дифракции электронов определены длины
связей и валентные углы в его молекуле Ниже приведены дли-
ны связей в молекулах бензохинона и некоторых других соеди-
нений (в нм)-
Связь Веизахикон Ацетальдегид Этан Этилен Бутадиен
С=С 0,132 0,134 0,137
С—С 0,149 0,154 0,154 0,146
с=о 0,123 0,122 — —
87
Валентный угол С—С—С в бензохиноне равен 116°.
Подобно а, £-непредельным карбонильным соединениям али-
фатического ряда, хиноны способны к 1,4-присоединению элект-
рофильных; радикальных и нуклеофильных реагентов
К рёакцнйм электрофильного присоединения относится сле-
дующий реакции.
ГидРогЛлогенйрование. При взаимодействии хинона с НХ ре-
акция не ограничивается 1,4-Присоединениём. На заключитель-
ной стадии Происходит депротонирование — протоннрование ато-
ма кислорода не принимавшей участия в реакции карбонильной
i-рУпйЫ; в результате чего образуется более энергетически вы-
годная ароматическая система:
Известно, что энергия сопряжения в диеновой системе со-
ставляет всего 15,5 кДж/моль, в то время как образование бен-
зольного кольца сопровождается выигрышем энергии, равным
150 кДж/моль. Энергетическим выигрышем при переходе хино-
идной структуры в бензоидную можно объяснить тот факт, что
хиноны гораздо легче вступают в реакции присоединения, чем
а,^-ненасыщенные карбонильные соединения
Присоединение гидросульфита натрия. Реакция протекает по
аналогичной схеме:
Присоединение циановодорода. В данной реакции бензохинон
реагирует не с одной, а с двумя молекулами HCN, причем в ка-
честве побочного продукта в больших количествах образуется
гидрохинон'
Присоединение второй группы CN в орто-положение по отно-
шению к первой группе CN можно объяснить тем, что это место
в цианохиноне является наиболее электронодефицитным'
Взаимодействие с анилином. При взаимодействии бензохино
на с двумя молекулами анилина взаимное расположение замес-
тителей в продукте реакции отличается от того, которое наблю-
дается при взаимодействии хннона с двумя молекулами HCN:
+ 2C6H5NH2 ->
NHC6h5
О О
Механизм реак”«ч объясняющий это рас-.’; можно пред-
ставить следующим образом:
99
Ацетоксилирование. Реакция с уксусным ангидридом харак-
терна только для хинонов; «.^-ненасыщенные карбонильные со-
единения в нее не вступают.
4 +
СОСНз
ОСОСНз
-н+,+Н+
ОСОСНз
(СНЭСО)?О гидролиз
---:----* ----------------->
-сн3соон ОСОСНз
ОСОСНз
ОСОСНз
ОСОСНз
он
Ацетилирование. Реакцию с ацетальдегидом проводят при об-
лучении, по-видимому, она протекает по гомолитическому меха-
низму. Энергия диссоциации связи С—Н в альдегидной группе
более чем на 85 кДж/моль меньше, чем остальных связей С—Н,
поэтому можно утверждать, что на первой стадии реакции свет
инициирует гомолиз именно этой связи:
О
Н hv •
сн3 - с - н~*сн3 - с = о + н-
90
Далее реакция протекает по схеме:
Реакция Дильса — Альдера. Подобно «^-ненасыщенным аль-
дегидам и кетонам алифатического ряда, в реакции Дильса —
Альдера хиноны выступают в качестве активного диенофила,
причем реакция не ограничивается присоединением одной моле-
кулы диена:
Галогенирование. Реакция является примером электрофиль-
ного присоединения галогена непосредственно по кратной угле-
род-углеродной СВЯЗИ’
Реакции с хлором и бромом протекают в мягких условиях,
на холоду. Механизм реакции рассмотрен в разд, ).),
»1
t.5.3. Присоединение к кетенам
К непредельным карбонильным соединениям, в которых один из
атомов углерода одновременно входит в виннльную и карбо-
нильную группы, формально можно отнести кетены:
R - СН=С=С и R2C=C=O
Кетены можно рассматривать также как внутренние ангидри-
ды карбоновых кислот:
R - СН - С=О--->R - СН=С=О
1 I —Н2°
н он
В кетенах, подобно кумуленам (см. разд. 1.3), один из ато-
мов углерода находится в состоянии sp-гибрпднзацин.
Орбитали л-электронов углерод-углеродной и углерод-кисло-
родной связей находятся во взаимно перпендикулярных плоско-
стях, что исключает их взаимное перекрывание:
Поэтому дефицит электронной плотности на йтоме углерода
карбонильной группы в данном соединении ничем не погашает-
ся, и эта группа присутствует в кетене «в чистом виде». Это
обусловливает исключительно высокую активность кетенов при
взаимодействии с нуклеофильными реагентами, по отношению к
которым кетены являются ацилирующими агентами:
RNH2
CH3CONHR *-----------
СН3СООН
(СН3СО)2О <----------
СН3СОСН3
сн3соос = сн2 <---:-----1
I [Н*]
сн2 = с = а
Н?О л
> СН3СООН
ROH
----► CH3COOR
NH,
L—>ch3conh2
сн3
Реакции проводят на холоду, в инертных растворителях и, за
исключением реакции с ацетоном, в отсутствие кислотных ката-
лизаторов или оснований.
Все образующиеся вещества можно формально рассматри-
вать как продукты присоединения по кратной Углерод-углерод-
ной связи кетена. Однако, если принять во взимание, что для
алкеной в отсутствие кислотных катализаторов нехарактерны
реакции с нуклеофильными реагентами, а также отсутствие
азан мо де йст ни я кратных связей С = О к С=С, приводящего к
смещению л-электронов, более вероятно предположить, что все
приведенные выше реакции можно описать одной общей схемой
(на примере реакции с водой).
СН2=С=О —>
СЮН2
-н\
_Л + Н+ г
СН2=С—О •> СН2=С—ОН
+OH2 J [ ОН
-Н\
сн3—с-он
II
о
Необходимость использования в реакции с ацетоном кислот-
ного катализатора можно объяснить тем, что он на первой ста-
дии реакции должен катализировать ецолизацию ацетона:
О
II н-
сн3 - с - сн3 г=*
он
I
СН2 - С- сн3
Образовавшийся енол мгновенно и необратимо реагирует с
кетеном, тем самым смещая равновесие еиолизации вправо.
Однако существуют соображения, удерживающие от безоговорочного при
нятия изложенном выше схемы взаимодействия кетена с иуктеофильнымп
реагентами.
Известно, что дипольный момент кетена (1,41 Д) гораздо меньше, чем
у карбонильных соединений алифатическою ряда (у ацетальдегида, например,
р. = 2.69 Д). Это можно попытаться объяснить следующим образом В отличие
от альдегидов алифатического ряда атом углерода карбонильной группы в ке-
тене находится в состоянии не sp'-, а хр-гибрндизанин. так как он входит не
только в карбонильную, но и в вин ильную группу, атомы углерода которой
обладают электроноакцепторнымн свойствами. Это хвеличивает эчектроОтри
иательность рассматриваемого атома yr.iepo ia.
Последнее позволяет допустить, пусть незначительное, смещение (по ана-
логии с фенолом и винилхлоридом} неподе.ченных пар электронов атома кисло-
рода в направлении виннльной группы, что должно уменьшать дипольный мо
мент, хотя и сохранять отрицательным коней диполя на атоме кислорода
А
СН2=С=О: --- СН2'-=С^О
В этом сдучае допустимо написание резонансных структур, в одной из
которых избыточная электронная плотность находится на крайнем атоме угле-
рода, что должно обусловить появление у кетена сильных основных евойсть
СН2 = С = О > ;сн2 - с=о
Если принять эту точку зрения, то приведенные выше реакции можно трак
топать как взаимодействие сильного основания (кетена) с О—Н и N—Н-хи1
93
.ютами. Тогда схема реакции, например, с водой может быть изображена с.и-
туюшим ойраюм:
О
d - + 11
сн2 = с = о^£сн3 - с^о^сн3 - с - он
-но- -Н+
Пр>, таком подходе гораздо легче интерпретировать реакции кетенов с
электрофильными реагентами
хсн2сох£сн2 = С = О-^СНзСОХ
Эти реакции можно считать реакциями присоединения по кратной угле-
род-углеродной связи, протекающими по гетеролитическому механизму.
Двойная углерод-углеродная связь в кетенах способна и к го-
молитическому разрыву. В сухом воздухе при низких темпера-
турах кетенам свойственно аутоокисление с образованием очень
неустойчивых взрывчатых циклических соединений, которые раз-
лагаются с образованием карбонильного соединения и СОг-
R2 с ~ с = о + оа —> r2 с - с = о
0—0
В эфирных растворах при взаимодействии с кислородом об-
разуется более устойчивый эпоксид, например:
(СН3)2С - С -О
О
Кетенам, подобно кумуленам, свойственна реакция димери-
зации. В зависимости от строения исходного кетена структура
димеров может быть различной:
2СН, = С - О-*СН2 - С - О
I I
Н2С - С = о
(НО)
2СН3 -СН =с =0-*
сн, - сн = с - о
11 +
сн3- нс - с=о
но - с - с - сн3
СН3 - НС - с - о
2(СН3)2С=С = 0->
(СН3)2С-С = О
I I
О = С-С(СН3)2
94
Продукт (ПО) можно рассматривать как fS-лактон енольной
формы ацетоуксусной кислоты, что доказывается его реакция-
ми с дейтерированным спиртом и бромом:
Вг СНа - СО - СН3 - COBrJ&CH2 = С - О CHi0Dj
НгС—СО
*-* 0СН2 - СО - СН2 - СООСН3
По-вндимому( реакция со спиртом начинается с нуклеофиль-
ной атаки спиртом атома углерода карбонильной группы, что
приводит к размыканию напряженного четырехчленного цикла:
(110)СНз°> :СН2 - С - СН2 - С - 0 - СН3 ~D*‘*D+>
О О D
—* D - СН2 - С - СН2 - С - 0 - СН3
ч II
О О
В реакции же с бромом дикетен, по-видимому, реагирует как
нуклеофил, присоединяя бром по кратной углерод-углеродной
связи:
, . 13г -вг Нгс=^с—СН2
(по)—----->• т I + Вг"-^"
О'“С=О
---> ВгСН,—с— СН2—С Вг"—> BrCHg—С—СН2—С—Вг
8 8 8 8
Дополнительным доводом в пользу строения соединения (НО)
является то, что при пиролизе его наряду с мономером образу-
ются аллен и СОг;
(110) -*сн2 = с = СН2 + со2
РЕКОМЕНДАТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Несмеянов А. Н., Несмеянов Н. А, Начала органической химии. В 2 кн. М.:
Химия, 1974. Кн. I. 623 с. См. с. 243-282, 295—308. Кн. 2. 744 с. См.
с. 143-147.
2. Робертс Д., Касерио .И, Основы органической химии. В 2 кн.: Пер. с англ,/
Под ред. А. Н, Несмеянова. М.: Мир. 1978. Кн. I. 842 с. Си. с. 193—307,
519—525. Кн. 2. 888 с. См. с. 331-341.
3 Моррисон Р*. Бойд Р Органическая химия: Пер с англ./Под ред. И, К. Ко-
робициной м.: Мнр, 1974 1132 с. См. с. 172—210. 228-263, 914—926.
95
4. Райд К. Курс физической органической химии- Пер. с англ /Под ре
И. П. Белецкой. М.: Мир, 1972. 575 с. См. с. 197-204, 261-288, 418-
427.
S. Йнеольд К. Теоретические основы органической химии: Пер. с ан гл./По.
ред. И. П. Белецкой. М.: Мир, 1973 1054 с. См с. 784—900.
6. Гауптман 3.. Грёфе Ю., Ремане X. Органическая химия: Пер. с нем,/По.
ред В М. Потапова М.- Химия, 1979 832 с См с 217—257.
7. Беккер Г Введение в электронную теорию органических реакций. Пер <
нем /Под ред. В. М. Потапойа. М ’ Мир, 1977. 658 е. См. с 438—478
8. Бреслау Р Механизмы органических реакций: Пер с англ./Под ред
В. Н. Сеткиной. М : Мир, [968. 279 с. См. с [45—167
9. Сайкс П. Механизмы реакций в органической химии: Пер с англ /Под ред
Я М. Варшавского. Мд Химия, 1977 319 с. См с. 176—197.
19. Сондерс У Ионные реакции в алифатическом риду: Пер. с англ./Под ред
1О. С 111абарора. М : Мир, [967. 179 с См с 24—56
ГЛАВА 1
НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ
В АЛИФАТИЧЕСКОМ РЯДУ
При реакциях нуклеофильного замещения в алифатическом ряду
происходит взаимодействие органических соединений субстра-
тов), у которых имеется дефицит электронной плотности на ато-
Ме углерода, связанном с электроноакцепторной группой X, с ор-
ганическими или неорганическими соединениями илн анионами,
Y или Y- (нуклеофильными реагентами), в состав которых вхо-
дят один или Несколько атомов с неподелениыми парами элек-
тронов на внешней оболочке.
В результате такого взаимодействия с участием неподелен-
ных пар электронов нуклеофила образуется новая ковалентная
связь между нуклеофилом и электронодефицитным атомом уг-
лерода. а уходящая группа X вытесняется из соединения вместе
с электронной парой, с помощью которой она была ковалентно
связана с атомом углерода в субстрате,
В том случае, когда нуклеофил представляет собой аннон Y',
группа X вытесняется из субстрата тоже в виде аниона; если же
нуклеофил является нейтральной молекулой, образуется ионная
пара, которая в зависимости от условий может диссоциировать
на ионы:-
>Y~C< + ОС
В качестве субстратов в реакциях нуклеофильною замеще-
ния обычно используют галогенпронзводные (уходящая группа
Х = На1), реже —спирты (X —ОН) нлн другие кислородсодержа-
щие соединения и иногда соли аминов.
2.1. ЗАМЕЩЕНИЕ АТОМА ГАЛОГЕНА
2,1,1, Реакции первичных алкилгалогенядов.
Механизм Sn2
При действии на первичные галогенпронзводные алифатическо-
го ряда различных ионных или полярных как органических, так
и неорганических реагентов, в состав которых входят атомы с
неподеленными парами электронов, происходит замещение ато-
ма галогена. Некоторые из этих реакций приведены ниже:
RCH2Br
Он, нгО или нго, нагревание, давление Dn..
---------------------:---------------> R U Н 2 О Н
гч “OR" ипи "ОАг
RCH2Br —---------------> RCHoOR' или RCHnOAr
(реакция Уильямсона) г £
RCH2Br ~°°C> RCH2OOCR*
~SH "пи 1.S*C(NH,)2; 2,H;O(HO~)
RCH2Br----------------------------->
RCH2Br -ИЛИ S> RCH2SR' или RCH2 - S - Ch2R
RCH2Sc№ RCH2Br-^RCH2N3
-NO:
A0H Ar —
2 (реакция Мейера-Коркблюма)
RCH2NO2
RCH2Br
ОС
(реакция Габриэля)
1,Уротропин; 2.HCI
(реакция Делепина)
rch2nh2
7—1425
»7
I",ацетон
RCHoBt-----------------------*- RCH2I
(реакция Финкельштаина)
CN “p—eft*
RCHoCN *--------RCHnBr—> RCHoC^CR'
* (реакция *
Кольбе!
R'X, Na
RCH2Br;------~——---------->RCH2R'
* (реакция Вюрца-Фиттига)
RCHpBf —-------------------► RCH2Ar
(реакция Виттига-Витта)
RCHgBr RcH2CH(COOC2H$)2
COCH3
rchzb,^°°"°°°°.h1{>- ROH2iHOOOO2Hs
+ +
RCH2Br (реа'кц* RCH2NH3 Br'+ (RCH2)2NH2 Br'+(RCH2)3NH Br~
Гофмана)
(RCH2)4N+ Br-K₽b-NHCH2Br*^^(RCH2)3S+ Br_
RCH2Br SbC£(RCH2)3 0* [SbCI5Br]~
P(OR’h
RCH2Br—-------------> RCH->P0(0R')2
* (реакция Арбузова)
Многие из этих реакций широко применяются в синтетиче-
ской практике.
Несмотря на большое число н разнообразие реакций нуклео-
фильного замещения атома галогена, все они протекают по од-
ному и тому же механизму.
Движущей силой всех этих реакций, как было отмечено в на-
чале раздела, является взаимодействие разноименных зарядов у
взаимодействующих соединений.
В результате кинетических исследований таких реакций бы-
ло установлено следующее.
1. При соизмеримом соотношении количеств реагентов (без
подавляющего избытка одного над Другим) скорость реакции
зависит от концентрации как субстрата, так и нуклеофила. На
99
этом основании можно утверждать, что в стадия, лимитирующей
скорость всего процесса, участвуют как субстрат, так в нуклео-
фил.
2. Вычисленная по кинетическим данным энергия активации
оказалась сравнительно невысокой На этом основании можно
утверждать, что образованию связи С—Y не должен предшест-
вовать полный разрыв связи С—Вг в субстрате, требующий
большой затраты энергии
3. Если в качестве субстрата использовать один из стереоизо-
меров оптически активного алкилгалогенида (например, втор-
бутилбромнда СНз~СНВг—СН2—СНз), то замещение в нем
атома галогена нуклеофильным реагентом сопровождается обра-
щением конфигурации. Это дает основание утверждать, что нук-
леофилу более выгодно атаковать молекулу субстрата со сторо-
ны, противоположной замещаемому атому брома:
С2Н6 ^СгНе
у: + -С—Вг-—> Y—С-чиН + Вг“
/ Vr
сн3 сн3
Все эти данные позволили предположить, что механизм реак-
ции нуклеофильного замещения атома галогена в первичном ал-
килгалогениде заключается в следующем.
В результате атаки субстрата нуклеофилом реализуется пе-
реходное состояние, несколько более богатое энер!ией, чем ис-
ходный и конечный продукты. При этом нуклеофил Y:, атакуе-
мый атом углерода я уходящий атом брома находятся на одной
прямой, а остальные три валентности атакуемого атома углеро-
да расположены в плоскости, перпендикулярной этой прямой,
под углами друг к другу, равными 120°:
В таком переходном состоянии нуклеофил еще не образовал
ковалентной связи с атакуемым атомом углерода, а атом брома
еще не окончательно вытеснен из субстрата в виде аниона; та-
ким образом, отрицательный заряд нуклеофила в переходном
состоянии рассредоточен между вступающей и уходящей груп-
пами. Реакция завершается образованием ковалентной связи
С—Y с одновременным вытеснением атома галогена в виде
аниона.
7*
$9
Таким образом, если реакции ярйгекаюг по описываемому
механизму, они относятся к бимолекулярным и идут в одну ста
i дню
Н
I мед денно
г: + СН8-у— Bl------
и
+ Вт”
и
Образование новой коца.|ентиой связи С—Y и разрыв связи
С—Вг происходят синхронно, а скорость всего процесса опреде-
ляется скоростью образования переходного состояния
По предложению Ингольда описываемый механизм получил
название Ss2 [S — замещение (от англ, знЬ-ЛШИюн), V — нук
леофпльный тин реакции (от англ mtcleophthc), а цифра 2 ука
зывает, что реакция является бимолекулярной, т. е в стадии
определяющей скорость всей реакции в целом, участвуют две
частицы (cyGt'Tpaj и нуклеофил)*]
Из всего сказанного выше следует, что для реакций, нроте
кающих по механизму Ss2, nei кость образования переходною
состояния, а следопагельцо, и скорость самой реакции нуклео-
фильного замещения должны зависеть от следующих факторов
нуклеофильной реакционной способности реагента, основности
нуклеофильного peaieiiTa. концентрации реагента, величины но
ложнтельною заряда на атакуемом атоме углерода в субстрате,
энергии связи и характера уходящей группы; строения радика-
лов, связанных с атакуемым атомом углерода; природы раство-
р ителя
Нуклеофильная реакционная способность реагента. Под нук-
леофильной реакционной способностью (нуклеофильной силой)
принято понимать способность peaiefira (аниона или нейтраль-
ной молекулы) образовывать за счет неиоделенпоц пары р-элект
ронов одного цз входящих в нею атомов ковалентную связь с
имеющим дефицит электронной плотности атомом углерода в
opiэпической молекуле (субстрате).
Чем больше нуклеофильная реакционная способность, тем
выше при прочих равных условиях скорость реакции, протекаю-
щей по механизму SN2. У разных элементов эта способность
различна и зависит от положения цх в Периодической системе
элементов Д И Менделеева Чем правее в пределах одного пе-
риода находится элемент, тем больше заряд ею ядра и техт ме-
нее реакционноспособны его нецотеленные пары электронов, на-
ходящиеся на внешней оболочке
* Иногда цифру 2 ошибочно истолковывают по-иному Так как большинство
реакций, протекающих по механизму S>,2. имеют первый порядок относительно
каждою из реагентов и. (.ледовательно, второй порядок в целом, то цифру 2
неправильно отросят к порядку реакции, а не к ее молекулярности.
100
В рядх таких элементов, как углерод (IV группа) азсн
(V группа), кислород (VI группа) и фтор (VII группа), наи-
меньший заряд ядра (напменьшх ю электроотрицательность)
имеет у।лерод, а наибольший — фтор Соединения и ионы этих
ззементов можно расположить в следующие ряды по убыванию
нуклеофильной реакционной способности
; NH3> Н20 > HF: ':сн3 > _.-nh2 > "iOH > :РГ
Как нидно, нуклеофильная реакционная способность не зави-
сит от числа электронных пар у атома элемента Несмотря на
то, что у иона F четыре неподеленные пары электронов, а у
карбаниона только одна, ион СН3 — несравненно более реак-
ционноспособный нуклеофил вслезствпе большей поляризуемо-
сти его неиоделеиной нары электронов, обусловленной меныпнм
зарядом ядра атома узлерода по сравнению с фтором.
Следует заметить, что по нуклеофильной реакционной спо-
собности нейтральные молекулы значительно уступают соответ-
ствующим аннонам1
~:NH2>:NH3 ’.Он н?6 ,‘F\" > HF,
Естественно, что двухзарядный аннон S2 —более сильный
нуклеофил, чем однозарядный анион _SH, и, тем более, чем
нейтральная молекула H2S
В вертикальных рядах элементов, принадлежащих к одной и
той же i руппе, нуклеофильная реакционная способность возрас .
тает с увеличением атомной массы. Так, из галогенов (элемен-
ты VH । руппы) наибольшей нуклеофильной силой обладает иод
Несмотря на то что заряд ядра атома иода (53) намного боль-
ше, чем заряд ядра атома фтора (9), определяющие нуклео
фнльные свойства неподеленные пары электронов у иода нахо-
дятся на большем расстоянии от ядра, и притяжение их к ядру
значительно ослаблено экранирующим действием электронов
заполненных внутренних оболочек Это обусловливает большую
поляризуемость внешних неноделенных пар, что облегчает взаи-
модействие их с атомом углерода, имеющим дефицит электрон-
ной плотности, и позволяет образовывать связь на больших
межъядерных расстояниях. Таким образом, у галогепид-иоцов
нуклеофильная сила уменьшается в ряду
I" > Вг" > СГ > F"
[ [о аналонршым причинам нуклеофильная сила серосодер-
жащих нуклеофильных реагентов выше, чем у кислородсодержа-
щих аналогов1
“SR > "OR и "SH > “ОН
101
На нуклеофильную силу атома одного и того же элемента
существенно влияет природа атомов и групп, непосредственно
связанных с ним ковалентной связью. Электронодонорные груп-
пы (например. СНз) увеличивают нуклеофильную силу. а элект-
роноакцепторные (Cbl I и СН3СО). наоборот, ослабляют’
СНЧ—>‘О:~ > И - О:* и СН, -*NH?>H-NH2
м .. * +
ног > сен5*~ or > сн3 - соог
На нуклеофильную реакционную способность влияют также
объем и число заместителей. Например, реакционная способ-
ность третичных алифатических аминов несколько ниже, чем
первичных и вторичных, так как заместители создают простран-
ственные затруднения, экранируя неподеленную пару электро-
и >п, определяющую нуклеофильные свойства атома азота; нук-
и гфильные свойства пирролидина выше, чем диэтиламнна, по-
<дольку в пирролидине цепочка из метиленовых групп жестко
фиксирована в пространстве, а в днэтиламине подвижные этиль-
ные группы могут затруднять взаимодействие неподсленных
пар электронов атома азота с электронодефицитным атомом
углерода в алкилгалогениде.
Если с субстратом по механизму 5N2 конкурентно реагируют
два или несколько нуклеофилов, то при нх одинаковой исходной
концентрации можно ожидать образования в преобладающем
количестве продукта взаимодействия с нуклеофилом, обладаю-
щим большей реакционной способностью.
В некоторые нуклеофильные реагенты, например :М = С:
(А) и :O=N—О: (Б), одновременно входят два или несколько
атомов с неиоделенцыми парами электронов. (Такие ионы на-
зывают амбидентными.) По причинам, рассмотренным выше, в
анионе А большей нуклеофильной силой обладает атом углеро-
да, а в анионе Б — этом азота. Поэтому в реакциях, протекаю-
щих но механизму Sn2, они атакуют именно этими атомами име-
ющий дефицит электронной плотности атом углерода в субст-
рате. При этом в случае аниона А образуется нитрил с новой
углерод-углеродной связью, а в случае аниона Б — нмтросоедм-
ненне с ноной связью углерод — азот.
В приведенных примерах оба атома с неподеленными пара-
ми электронов (в примере А — атомы углерода и азота, а в при-
мере Б — атомы азота и кислорода) в Периодической системе
элементов находятся рядом, и поэтому различие их нуклеофиль-
ных свойств не так недико. Однако существуют нуклеофильные
реагенты, а которых атомы с неподеленными парами электронов
принад.>ежа1 к одном у и том\ же периоду, но находится не it
соседних группах Периодической системы, например атом угле-
рода (IV группа) и атом кислорода (VI группа) К таким нук-
леофильным реагентам относится анионы натриймалононого (1)
п натрийацетоуксусного (2) эфиров,
СгН5О—с—О С2К5О-С^О
нс(- нХ-
СаН5О—С---О СН3—С—О
(О (2)
Несмотря на то что избыточная электронная плотность со-
средоточена в основном на более электроотрицательных, чем
атом углерода, атомах кислорода, местами с наибольшей нук-
леофильной реакционной способностью в этих анионах оказы-
ваются центральные атомы углерода, вследствие чего образуют-
ся С- производные.
Согласно высказанным выше соображениям, тиоцианат-ани-
он образует ковалентную связь с атомом углерода в первичном
алкилгалогениде за счет неподеленных нар электронов атома
серы, а не азота. Несмотря на то что сера находится в группе с
большим номером, чем азот, ее находящиеся на более высоком
уровне нецоделенные пары электронов более поляризуемы, так
как сера находится в третьем, а не во втором (как азот) перио-
де Периодической системы элементов.
Основность нуклеофильных реагентов. Каждый нуклеофиль-
ный реагент в большей или меньшей степени является также ос-
нованием, Это означает, что он способен не только предостав-
лять свою неподеленную пару электронов имеющему дефицит
электронной плотности атому углерода, но н отщеплять от суб-
стратов с подвижными атомами водорода, протон и образовы-
вать с ними соединения, менее диссоциированные, чем исходный
субстрат. Поэтому всегда в большей или меньшей степени па-
раллельно с реакцией нуклеофильного замещения атома галоге-
на протекает реакция дегидрогалогенирования (элиминирования
галогеноводорода) с образованием алкена, вследствие чего вы-
ход продукта нуклеофильного замещении снижается,
:Y“ + СН3 - СН2Вг----> HY + СН2»СН2 + ВГ
Основность, как и нуклеофильная реакционная способность,
зависит от положения элемента в Периодической системе эле-
ментов Д. И. Менделеева, У элементов, находящихся в одном и
гам же периоде, основность и нуклеофильная реакционная спо-
собность увеличиваются с уменьшением номера группы. Напри-
мер, аннон трифен ил метила является более сильным как нуклео-
филом, так и основанием, чем анионы NHj и ОН. Он с боль-
шей скоростью реагирует с субстратом ио механизму 5ч2, но да-
[04
то выход продукта нуклеофильного замещения меньше, так как
значительное количество субстрата при этом превращается в
алкен.
Однако следует отметить, что не всегда более сильный нук-
леофил оказывается и более сильным основанием. При сопо-
ставлении нуклеофильной реакционной способности и основнос-
ти анионов, в которых атомы, ответственные за нуклеофильную
реакционную способность, входят в одну и ту же группу Перио-
дической системы элементов, но находятся в различных перио-
дах, обнаруживается, что при увеличении номера периода нук-
леофильная реакционная способность Возрастает [ряд (/)], а ос-
новные свойства уменьшаются [ряд (2)]:
< СГ < ВГ < 1“ (1) F“ > СГ > Вг~ > |“ (2)
Так, HI —намного более сильная кислота, чем HF (см.
Табл. 2.1), н, следовательно, I обладает менее основными свой-
ствами, чем F~,
При оценке нуклеофильной реакционной способности рас-
сматриваемых галогенид-ионов решающую роль играет поляри-
зуемость электронных оболочек атомов галогена. Значения по-
ляризуемости (всм3-1025) приведены ниже:
F 1.72 Вг 9,57
Ct 6,53 1 14,55
Как уже упоминалось, неподеленные пары электронов иодид-
йойд, определяющие нуклеофильные свойства, находятся на
большем расстоянии от ядра, и притяжение их к ядру ослабле-
но экранирующим действием электронов внутренних оболочек,
по сравнению с остальными галогенами, что Делает их более
поляризуемыми при воздействии внешних полей и, следователь-
но, более реакционноспособными в реакциях нуклеофильного за-
мещения. При оценке же основности решающую роль играет
размер нона и, следовательно, электронная плотность, которая
изменяется обратно пропорционально радиусу иона. Чем меньше
радиус иона, тем сильнее он притягивает к себе протон и тем
больше его основность.
Таблица 2.1. Зависимость кислотности НХ от размера иона галогена
Анкон ИоКныЛ оаднус f\ нм Площадь пояерк- яогти иона, НМ‘
F- 0,133 0,222 3,18
СН 0,181 0,411 -7,00
Вг- 0,196 0,482 —9,00
I- 0,230 0,606 — 11,00
104
По аналогичным причинам нуклеофильная реакционная спо-
собность аннона RS больше, чем RO-, в то время как RO~ зна-
чительно более сильное основание, чем RS-. Так, в спиртовом
растворе при 25 °C C4H9S- реагирует с бутилбромидом в
1830 раз быстрее, чем RO~. Второе утверждение основано на
том, что тиолы обладают гораздо более кислыми свойствами,
чем спирты. По этой причине выходы тиоэфиров в сопостави
мых условиях выше, чем выходы простых эфиров, так как в
последнем случае конкурентно протекают реакции элиминиро-
вания.
Если принять во внимание изложенные выше соображения,
не будет казаться парадоксальным, чго нуклеофильная сила
бромид- н феноксид-ионов, в которых атомы с неподеленнымн
парами электронов находятся в разных группах и периодах Пе-
риодической системы элементов, практически равна, в то время
как бромид-нон в 101? раз менее сильное основание, чем фено-
кс кд-ио и.
Основность, как и нуклеофильная реакционная способность,
зависит также от природы заместителей, непосредственно свя-
занных с ответственным за нуклеофильные свойства атомом.
Электронодонорные группы увеличивают основность, а электро-
ноакцепторные — понижают:
СН3О~ > НО" > СеН5О~ > СН3СОО” > НСОО“
(CH3)2NH>CH3NH2>NH3 > C6H5NH2 > (C6H5)2NH > ch3conh2
Основность фенокснд-иона значительно ниже основности ал-
коксид-иона: это подтверждается тем, что выходы смешанных
жирноароматических простых эфиров по реакции Уильямсона
(см. выше) гораздо больше, чем выходы простых эфиров алифа-
тического ряда, при получении которых значительная часть ал-
килгалогенида превращается в алкен:
С5Н5О’ Ыа+ + СгН5Вг--->С6Н5-О-С2Н5
(90%)
С3н7о* Na+ + С4н9 Вг----*С3Н7 - О - С4Н9 + С4Н8
(26%)
Водный раствор щелочи может действовать на алкнлгалоге-
нид как основание, что снижает выход продукта гидролиза —
105
спирта Для увеличения выхода спирта ни исходный алкнлгало-
генид действуют менее основным нуклеофилом — ацетатом нат-
рия, а затем проводят гидролиз образовавшегося сложного
эфира
Аналогично реакции нуклеофильного замещения SN2, реак-
ция элиминирования у первичных алкнлгалогенндов, названная
Е2, является бимолекулярной, и ее скорость также зависит как
от концентрации субстрата, так и от концентрации реагента У-,
который действует в данном случае не как нуклеофил, а как
основание.
Механизм реакции Е2 представляется следующим образом.
В молекуле алкилгалогенида влияние отрицательного индуктив-
ного эффекта (—/-эффект) атома брома передается по о-связям
. ’ у >; . • rvi '1. ' с и* ictbhc чего очи приобретают
большую, чем в незамещенном этане, способность отщепляться
в виде протона*.
'«4+ Н
1 •+
М + Н-*С-*СН2-»Вг
t
46+ Н
При элиминировании протона peaieni У*, связывается с од-
ним из этих атомов водорода, в результате чего реализуется пе-
реходное состояние (3) с рассредоточенной по цепи избыточной
электронной плотностью Последующее перераспределение в нем
электронной плотности происходит в указанном стрелками на-
правлении.
УЗ Н-^^СН^СН2-£вг----h [У— П-'^СН^СНг-'НВг]---F
(3)
---> у—Н + СНа=СН2 + Вг"
Можно предложить еще два альтернативных варианта механизма реакции
элиминирования
+ Y '
СН3 - СН2 - Br [СН3 - СН2]—> сн2 = сн2 + НУ
н - сн2 - СН2 - Br-Xi [ сн2 - сн2 - Вг]->СН2 = СН2 + В'“
-нг
Однако первый из них менее вероятен, так как в этом случае, вопрек <
экспериментальным данным, реакция была бы не бимолекулярной в могла б J
протекать я в отсутствие реагента У*, завершаясь отщеплением «ротона*
106
СН3 - сн2—* СНг = СНг + Н+
Кроме тою, она должна была бы протекать <_ высокой энергией активации
Второй вариант механизма также не подтверждается экспериментальными
данными так как при провелении реакции в присутствии дейтерированного
спирта С;НоО0 в продуктах реакции не обнаруживается не успевший прореаги-
ровать дейтерированный этилбромид DCHjCHjBr который должен быт бы
получаться по схеме
СН2 - СН2Вг + СН3 - СН2 - OD-*-DCH2 - СН2Вг + СН3 - СН2 - 0“
С 1едовате шно, единственным приемлемым механизмом реакции элимини-
рования с 1едует признать синхронное отщепление лротонз и бромид-иона от
молеку 1ы этнлбромида
Реакция дегидробромирования является реакцией транс-эли-
минировання
Вг
При этом релент Y-, обладающий основными свойствами,
атакует мо/екулу алкнлгалсяеннда, находящуюся в более энер-
[етически выгодной заторможенной конформации, со стороны,
противоположной вытесняемому броми.т-иону
Такое утверждение можно высказать на оснонании того, что
iei идрогалогенирование i еометрическнх цис и транс-изомеров,
в которых отсу гствует свободное вращение вокруг связи С—С,
протекает с различной скоростью Например, .хлорфумаровая
кислота (4) отщепляет HCI с образованием ацетилеидикарбоно-
вой кислоты в 50 раз быстрее, чем хлормалеиновая кислота (5),
так как в последнем случае основание вынуждено атаковать мо
лекулу только с той стороны, где находится атом хлора.
ноос
н
Clx. ^/СООн
с
II
с
нх"' ^соон
(4)
- НС1
HCI
НООс - с=с - соон
107
Анало1ично, x.iopalierrt.ieu легче понизецм _iei ндрихлорцро
ванием цис-дихлорэтндена, чем трам<' изомера,
Чожет возникнуть вопрос, почему oiнованне атакует в алки.чгадогениде
^-водородный атом а не а-воюро|ный атом, в большей степени способный
отщепляться в виде протона Как следует на схемы, если бы такое отщепление
произошло, то должен был бы образоваться карбен
СН3 - СН - Вг + Y“—+Y - Н + [СПз - сн] + Вг
Н
Карбены — электроне йтралытые, но чрезвычайно ботатые энертией и реак-
ционноспособные частицы, у атома углерода которых имеется только секстет
электронов Карбен действительно может получаться в качестве интермедиата
из адкилга.югени ia. но для этого необходимо использовать наиболее сильные
основавня — а 1лнл.)ИО1н а жи шатрин >i-)i a ))oi.j>ra.шл. а в кдщ гтве еуГктра-
та — не а.1К[|лбром||д a a.ibji-ix.topHj, н котором атомы во topoaa обладают
большей проточной подвижностью
Карбены образуются также ит тюлктадогенороизао (ных. в которых отсут
ствуют ^водородные атомы (например, вз хлороформа, (пбромметана)
По склонности к реакции элиминирования этилгалогениды
располагаются в ряд:
C2H5l>C2H5Br>C2H5CI>C2H5F
Это, вероятно, связано с различиями в энергиях связей С X.
которые должны разорваться на заключительной стадии реак-
ции элиминирования Энергии этих связей приведены ниже
(в кДж/моль):
L—F 44» С—Вг 22b
С—Cl 278 С—I 188
При отщеплении молекулы г а логе но во до рода от вторичных
алкидгалогенидов могут образоваться два изомерных алкена:
СН3 - СН2 - СНВг - СН3—Hl’°> СН3- СН = СН - СН3 +
(81 %; преобладает
транс-изомер)
+ СН3 - СН2 - СН = СН2
(19%)
При элиминировании преимущественно образуются более
термодинамически устойчивые алкены с большим числом ал-
кильных t ру nit при атомах yi лерода. связанных кратной снязью
(правило Зайцева) Большая термодинамическая устойчивость
именно таких алкенов видна при сравнении (на примере пенте-
нов) теилот гидрирования (в кДж/моль):
С}1з(СНр)гСН=СНг 428 СН^СН^СН=СНСН, (травд.) 118
СНэСНзСН=СНСНэ (цис) 122 (СН3)2С=СНСН! 115
В большинстве случаев при реакции дегидрогалогенирова-
ния алкил галогенидов правило Зайцева соблюдается Наруше-
ние его наблюдается в двух случаях,
I При возникновении пространственных затруднений, свя-
занных с размером нуклеофила—основания Например, при дей-
ствии на трет-пеитилбромид алкоголятамп различных спиртов
изомерные алкены образуются не всегда в соответствии с прави-
лом Зайцева
CH,CHjONa
(CH4)3CONa
СП CJhCfCsH^jONj
Выход ялкеял. А
СНчС,Н»С1СН1>, ОЪСНЛЖ-НЛ-СН;
70 30
27 72
12 88
Атака объемистым основанием более экранированного атома
водорода у С-3 встречает большие пространственные затрудне-
ния, чем атака атома водорода С-1
2 При возникновении пространственных затруднений в об-
разующемся при дегидрогалогенировании алкене. Например, при
дегидробромированпи 4-бром-2,2,4-триметилпентана вместо ожи-
даемого. в соответствии с правилом Зайцева, алкена (6) полу-
чается в основном углеводород (7)
Вг
I
(СН3)3ССН2 - С(СН3)2 —> (СН3)3ССН = С(Сн3)2
(S)
сн3
(СН3)3ССН3-С=СНг
(7)
Молекулы алкенов имеют плоское строение, н, следователь-
но, все алкильные группы, которые связаны с атомами yinepo-
да, находящимися в состоянии 5/>г-гибрмдизации, должны нахо-
диться в одной плоскости. Поэтому при образовании алкена (6)
возникают значительные пространственные затруднения, обу-
словленные взаимным отталкиванием трег-бугкльной группы и
находящейся в quc-положеини по отношению к ней метильной
i руппы*
Н3С\С/СН3
Нэсх "^С-С
хсн3
^сн3
109
Гаолица 2.2. Электроотрицательность элементов по Полине у
Период ipynnj
I > 1 ч I 111 f !V 1 v 1 Vl 1 41
i н
2.1
2 Li Be В C N О F
1,0 1.5 2 0 2 5 3 <? 3 s 4.0
3 Na Mg Al S> P s Cl
0,9 1 2 1 5 l 8 2 i 2 5 3.0
4 К Са Ge As Se Br
0 8 1 0 i 8 2 0 2 4 2 8
5 Rb Sr Sn Sb Те I
0 8 t ,0 1 7 1 8 2 I 2.5
Прн дегндробромиронании 2-бромбутана предпочтительно по-
лучается rpatu-б\ тен-2'
СН3-Сн-СНа-СН3 —*
в,
Н3СХ и
/C^CZ
Н СН3
Для объяснения причин предпочтительного образования в
этой реакции тронс-алкена и его большей термодинамической
устойчивости целесообразно рассмотреть некоторые соображе-
ния общего порядка В соответствии со шкалой Полинга
(табл. 2 2), электроотрицательность углерода составляет 2.5, во-
дорода 2,1. Поэтому электронное облако коналенгной связи
С—Н располагается не строю симметрично между ядрами ато-
мов углерода п водорода, а в небольшой степени деформирова-
но в сторону более электроотрицательною атома углерода
Вследствие этого в метильной группе на атоме углерода сосре-
доточивается некоторая избыточная электронная плотность,
обусловливающая появление +/-эффекта метильной группы.
Напротив, атомы водорода, что важно для рассматриваемого
вопроса, приобретают небольшой частичный положительный за-
ряд
Поэтому в углеводородах между атомами водорода смежных
мешльных (соответственно метиленовых) групп возникает вза-
имное сталкивание Оно сущссТ8\ет саже в простейшем угле
110
водороде этане, для которого различают две крайние коиформа-
ции — заторможенную (8) н заслоненную (9)‘
Для изображения tikhx поворотных изомеров (коиформопон)
используют условные формулы (проекции) Ньюмена ((8а) н
(9а)]. Рассматриваемые конформеры энергетически неравно-
ценны: заслоненная конформация на 11,7 кДж/моль богаче энер-
гией, чем заторможенная.
Бутану соответствуют уже четыре конформера, в том числе
заторможенный (10) н заслоненный (II). И в данном случае
заслоненный конформер на 15 кДж/моль богаче энергией, чем
заторможенный, так как в нем концевые метнлыгые группы,
испытывающие взаимное отталкивание, находятся на расстоя-
нии более близком, чем в заторможенном конформере.
н
(«0
(п)
При дегидробромированпи 2-бромбутана транс-изомер обра-
зуется в том случае, когда молекула бромида в момент реакции
находится в наиболее энергетически выгодной заторможенной
конформации (12), в которой концевые метильные группы мак-
симально удалены друг от друга, и, следовательно, когда в паи-
меньшей степени сказывается нх взаимное отталкивание. При
образовании цис-изомера молекула бромида в момент реакции
должна находиться в менее энергетически Выгодной конформа-
ция (13).
Взаимное отталкивание метильных групп сохраняется н в об-
разовавшемся алкене, вследствие чего цис-бутен-2 богаче энер-
гией, чем транс-изомер (по аналогии с данными, приведенными
выше для пентенов),
Ш
Эти же соображения должны приниматься во внимание по-
мимо пространственных факторов при объяснении причин нару-
шения правила Зайцева при дегндробромировании 4-бром-2Д4-
трнметилнентана.
(13)
Концентрация нуклеофильного реагента. В тех случаях, ког-
да не используется подавляющий избыток нуклеофила, скорость
реакции нуклеофильного замещения при прочих равных услови-
ях прямо пропорциональна концентрации нуклеофильного ре-
агента.
Частичный положительный заряд на атакуемом атоме угле-
рода. Помимо нуклеофильной силы реагента Y: легкость заме-
щения группы X в субстрате обусловлена величиной частичного
Положительного зарида на атакуемом атоме углерода (дефици-
том электронной плотности), и чем она больше, тем при прочих
ранных условиях легче протекает реакция нуклеофильного за-
мещения.
Величина этого заряда в первую очередь зависит от элект-
роотрицательности атома, непосредственно связанного с ата-
куемым атомом углерода. Электроотрицательность элементов по
Полингу зависит от положения элемента в Периодической си-
стеме (см. табл, 2.2). Наиболее электроотрицательным элемен-
том является фтор. Чем правее по сравнению с углеродом на-
ходится элемент, тем больше заряд его ядра, выше электроот-
рицательность, больше отрицательный индуктивный эффект, а
следовательно, тем больший частичный положительный заряд
находится на атоме углерода и тем полярнее связь С—X.
Длины связей С—N, С—О и С—F близки, и, так как ди-
польный момент— это произведение заряда на расстояние меж-
ду разноименными зарядами, более высокое значение диполь-
ного момента, например, Метилфторида по сравнению с метило-
вым спиртом и метиламином должно быть обусловлено боль-
шим положительным зарядом на атоме углерода. Длины и
энергии связей для этих соединений и их дипольные моменты
Приведены ниже:
Длина свя- зи. нм Дкиолъцый ** момент, Д Энергия свя- зи, кДж/моль
СН3- NH, 0,157 1,46 204
СНз—ОН 0,143 1,74 293
СНз—F 0,141 1,92 448
При рассмотрении вопроса о легкости замещения группы X
надо учитывать и то, что в реакциях нуклеофильного замеще-
ния, как правило, реагент Y: бывает более сильным нуклеофи-
лом, чем уходящая группа X. Вытеснение группы X в виде бо-
лее сильного, чем реагент Y:, нуклеофила (например, в виде
~ОН или _NH2 из спиртов и аминов) крайне энергетически не-
выгодно.
Из анионов наиболее слабыми нуклеофилами являются га-
логенид-ионы; к тому же они способны создать наибольший де-
фицит электронной плотности на атакуемом атоме углерода суб-
страта. Поэтому реакции замещения атома галогена в гало-
генпроизводных на нуклеофильные реагенты являются наиболее
типичными примерами реакций нуклеофильного замещения в
алифатическом ряду.
Кроме природы уходящей группы X в субстрате RR/R"CX
положительный заряд на атакуемом атоме углерода зависит от
характера групп, с которыми он связан тремя остальными ва-
лентностями. В том случае, когда группы R, R', R" обладают
электронодонорными свойствами, положительный заряд на ата-
куемом атоме углерода уменьшается и, следовательно, умень-
шается реакционная способность субстрата в реакциях нуклео-
фильного замещения.
К электронодонорным группам, имеющим положительный
индуктивный эффект, относятся алкильные группы. По-видимо-
му, это связано с тем, что, как уже отмечалось выше, вследствие
несколько большей электроотрицательности атома углерода по
сравнению с атомом водорода ковалентные связи не строго сим-
метричны и на атоме углерода появляется, хотя и незначитель-
ная, избыточная электронная плотность.
Наличие электронодонорных свойств у алкильных групп мож-
но обнаружить, сравнив кислотность (рДа) изомасляной и пи-
валиновой кислот с кислотностью уксусной кислоты:
СНаСООН 4,76 (СНз)зССООН 5,05
(СНзЬСНСООН 4,86
8—1425
113
Таким образом, при протекании реакции по механизму Sn2
наиболее реакционноспособны первичные алкилгалогеннды:
енэх> енэснёх> (сн^внк
Напротив, если R является электронбакцепторйбй группой и
обладает —/-эффектом, скорость реакции нуклеофильного заме-
щения атома галогена по механизму Sn2 будет увеличиваться
Сравнительную силу электроноакцепторных групп можно
оценить, сравнивая значения рЛ^ а-замещенных уксусных кис-
лот, содержащих электроноакцепторны** заместители:
СНз—СНг—СООН 4,85 Br—Cllj—СООН 2,87
![-СИг-СООП 4 76 С1 С1Ь -СООН 2 8!
CHi=CH—CHj-COOH 4 35 НООС—СНг—СООН 2 ,'80
сен5—сн,-соон 4 31 F—СНа—СООН 2,66
СН3-0-СН,-СООН 3^48 NC—CHj—СООН 2,47
1—СНа—СООН 3,13 O2N—CHj— СООН 1,68
Причины, обусловливающие наличие отрицательного индук-
тивного эффекта той или иной группы, могут быть различными
Наибольший —/-эффект имеют группы, у которых на атоме, не-
посредственно связанном с атомом углерода субстрата, имеется
полный положительный заряд. К ним относится, например, нит-
рогруппа NO?, в которой, в соответствии с правилом октета, азот
может быть только четырехковалентным с полным положитель-
ным зарядом, в то время как избыточная электронная плотность
равномерно распределяется на обоих атомах кислорода Не-
сколько меньшим -/-эффектом обладают группы, у которых
атом, непосредственно связанный с атакуемым атомом углерода
субстрата, одновременно связан кратной связью с каким-либо
более электроотрицательным элементом, в результате чего на
атоме углерода возникает частичный положительный заряд;
к ним относятся группы COOR, CN, COR, СНО.
Поскольку поляризуемость л-связи значительно выше поля-
ризуемости а-связн, на атоме углерода в таких группах имеется
значительный дефицит электронной плотности. По этой причине
нуклеофильное замещение атома галогена в а-галогенкетонах
XCH2COR в эфирах а-галогенкислот XCHSCOOR в условиях
проведения реакции по механизму SN2 протекает значительно
легче, чем в алкилгалогенидах с тем же числом атомов угле-
рода.
Отрицательный индуктивный эффект имеет также трихлор-
метильная группа СС1Э, атом углерода которой одновременно
связан с тремя более электроотрицательными, чем углерод, ато-
мами хлора. Наконец, —/-эффектом обладают и такие группы,
в которых атом, непосредственно связанный с атакуемым ато-
мом субстрата, более электроотрицателен, чем углерод. По этой
1М
причине a хлорзаметенные простые эфиры более реакционно*
способны, чем алкилгалогениды. Однако несмотря на То что
атом кислорода имеет большую электроотрицательность, Чем
атомы хлора и брома, метокснуксусная кислота является более
Слабой кислотой, чем хлор- и бромуксусные кислоты. По-види-
мому, эго объясняется тем, что атом кислорода в группе СН3О
метоксиуксусной кислоты оказывает влияние не только на от-
ветственный за кислотные свойства радикал СН2СООН, но и на
метильную группу:
6+ 6 +
сн,-о^сн2-соон
Особо следует рассмотреть причины наличия —/-эффекта у
фенильной к ванильной групп, в которых атом углерода нахо-
дится в состоянии $р2-гибридцзации Согласно одному из суще-
ствующих объяснений, причина наличия у этих групп электроно-
акцепторных свойств заключается в следующем. У атомов угле-
рода, находящихся в состоянии sp1 гибридизации, доля s-состоя-
ния связывающих орбиталей выше, чем у атома углерода, нахо-
дящегося в состоянии хр3-гибридизацц||. Как известно, сфериче-
ские s-орбитали располагаются значительно ближе к ядру ато-
ма углерода, чем имеющие форму гантели р-орбитали; из этого
следует, что находящиеся на s-орбнтали электроны сильнее при-
таиваются к ядру атома углерода, чем электроны, находящиеся
на более удаленной р-орбитали Таким образом, с увеличением
доли s-состояния в гибридизованной орбитали увеличиваются
электроиоакцепторнце свойства и вместе с тем электроотрица-
тельность углерода. Этим и можно объяснить, почему фенильная
и вцнильная группы имеют, хотя и незначительный, —/-эффект.
По этой причине аллилгалогерид СНа = СНСН2Х и бензил-
галогенид С6Н5СН2Х н реакциях замещения атома галогена по
механизму Sn2 более реакционноспособны, чем алкилгалогени-
ды, Если принять реакционную способность метнлхлорида за
единицу, то для аллил- и бензнлхлоридов она равна 1,3 и 4,0 со-
ответственно.
Индуктивный эффект быстро уменьшается при передаче по
цепи ординарных углерод углеродных святей, что .можно проил-
люстрировать изменением рдя соответствующих <в,ы,ш-три-
фторэа чещенных карбоновых кислот:
CF, -СООП 0,23 CF3—СН2—CHj—СООН 4,16
CF,—СН2—СООН 3,02 СН—COOII 4,76
По этой причине реакционная способность эфира у-хлормас-
ляной кислоты CJCHjCHjjCHsCOOR в реакциях нуклеофильного
замещения близка к реакционной способности алкилгалогенида.
6*
115
Энер<ия связи уходящей группы X в реагирующей молекуле
Если учитывать только то, что в случае галогеизамещенпых наи-
больший дефицит электронной плотности па атакуемом атоме
углерода создает наиболее электроотрицательный фтор, а наи-
меньшими нуклеофильными свойствами облачает фторид-нон.
то можно ожидать, что н реакциях нуклеофильного замещения
галшена, протекающих но механизму SN2, наиболее реакцион-
носпособными бу дут алкплфюрнды Однако цз эксперименталь-
ных данных следует, что ио реакционной способности । адоген-
нровзводные располагаются в ряд:
R-[>R-Br>R-CI>R-F
Как \же отмечалось. эцери|Я связи С-1 значительно выше,
чем энергия связи атома х| |ерода с опальными та югеиамн,
и это оказывает решающее илияние на способность тамсщеция
его на нуклеофильные реатенэы Кроме того, тенденция к отщеп-
лению в виде анионов возрастает у галСцеиов с увеличением по-
ляризуемости нх электронных оболочек
Прочность связи уходящей группы X с атомом углерода суб-
страта зависит не только от природы гнлотена, но также ц от
того, в каком валентном состоянии находится этот атом yr.ie-
роча
В гом случае, koi да непосредственно связанный с галогеном
атом углерода находится в состоянии 5р3-гибридизацци. его спо-
собность к замещению на нуклеофильные реа!енты определяет-
ся его электроотрицательностью, поляризуемостью и энергией
связи С—На!.
В том же случае, когда группа X связана в субстрате с
атомом углерода, находящимся в состоянии $р2-гибридцзации
и поэтому обладающим электроноакцепторными свойствами, при
решении вопроса о лшкостп замещения группы X на нуклео-
фильные реагенты следует принимать во внимание также и ме-
зомерный эффект заместителей X. Мезомерпый эффект 1ало-
;ена обусловлен наличием на его внешнем электронном уровне
трех неподелепных пар р электронов. Когда iалогеи связан с ал-
кильной группой, которая сама обладает электронодонорными
свойствами, этот эффект ничем себя не проявляет. Если же га-
логен непосредственно связан с винильной группой, обладающей,
хотя и незначительными, электропоакцецторными свойствами,
оца вызывает частичное смещение этих пар (+Л1-эффект) [фор-
мула (14)]
Af-эффект
СНг==СН—X: (14)
/-эффект
11в
О наличии Ц-Л1-эффекта у галогена, вызывающего некоторое
повышение кратности связи С—X, свидетельствует уменьшение
длины связи С—X в винилхлориде и хлорбензоле по сравнению
с метилхлоридом (приведены длины связей в нм)
СН,-С1 0,177
СН2=СН—CI 0 169
С6Н5-С1 0,170
Об этом же свидетельствует и повышение энергии связи
С —X в вннилгалогенидах по сравнению с алкилгалогенидамп.
Например, энергия связи С—I в этилиодиде равна 213 кДж/моль.
а в вннилнодиде она составляет 280 кДж/моль
Наличие у галогенов -|-Л1-эффекта, противоположного по
знаку их индуктивному эффекту, подтверждается и уменьшени-
ем дипольных моментов винилгалогенидов по сравнению с ал-
кцл| алогвнидами1
Л/ьк ил галогенид
С11з-СН2-С’
СНз—СН2—Вг
CIL—СН2— I
в Д
2,00
2,01
1,93
снг=сн—ci
СН2=СН—Вг
СН2=СН—[
в Д
1 .44
1,4!
1,26
Внцилгалогени!
Однако не следует забывать, что -|-Л1-эффект у галогенов
оказывает менее значительное влияние, чем —/ эффект, и по-
этому отрицательным концом диполя в винилгалогенидах явля-
ется атом |алогена
Снижение реакционной способности винилгалогенидов под
влиянием + Л1-эффекта галогена обусловлено также уменьше-
нием дефицита электронной плотности на атакуемом нуклео
филом ацше у i леродз
Вторая причина, обусловливающая упрочение связи С—X в
соединениях рассматриваемого типа, состоит в том, что легко
поляризуемая кратная yi лерод-углсродная связь винильной
группы под влиянием -/-эффекта галогена смешается в сторо-
ну атома галогена [см. формулу' (14)}, что приводит к допол-
нительному упрочению связи С—X,
Уменьшение реакционной способности винилгалогенидов под
влиянием рассмотренных выше факторов можно проиллюстри-
ровать следующим примером Если принять за единицу скорость
взаимодействия с <\ГаГ в ацетоне при 25 °C этилбромида, то от-
носительные скорости реакций других бромидов характеризуют-
ся следующими значениями:
СЦ=С—СН2—Вг Ы2 СН2=СН- Вг 0 014
CH2=CU—CHj—Вг 438 СН2^С<=СН-Вг 0,0122
Однако,если в винилхлориде один из атомов водорода в не-
замещенной метиленовой группе заменить на электроноакцеп-
торную группу, это приводит к увеличению дефицита электрон-
117
ной плотности на атакуемом атоме углерода и значительному
увеличению реакционной способности. Напрнлтер, в ^-хлорви-
нилкетонах атом хлора лещ<о/замсщается на многие нуклео-
фильные реагенты.
О наличии положительного мезомерного аффекта у галоге-
нов свидетельствует также отношение полигалогенпроизводных к
гидролизу. Казалось бы. увеличение числа атомов галогена у
одного атома углерода, если принимать во внимание только
—7-эффект атома галогена, должно было бы приводить к увели-
чению дефицита электронной плотности на атакуемом атоме
углерода и, следовательно, к повышению реакционной способно-
сти в реакциях нуклеофильного замещения атома галогена по
механизму SN2. Однако это наблюдается только для первых
членов ряда. Так, метплхлорид гидролизуется водяным паром
при 250 °C под давлением, образуя метиловый спирт, а из ди-
хлорметаиа получается формальдегид при 140—170 °C, Однако
хлороформ гидролизуется при более высокой температуре
(225°C), а четыреххлорнстый углерод — в тех же условиях, что
и метидхлорид.
Можно предположить, что повышение устойчивости хлоро-
форма и четыреххлористого углерода к гидролизу обусловлено
влиянием -|~Л1-эффект а хлора, возрастающего при увеличении
положительного заряда на атоме углерода, а также тем, что бо-
лее объемистые, чем водород, атомы галогена, не подлежащие в
данный элементарный акт замещению и имеющие избыточную
электронную плотность, препятствуют атаке нуклеофильного
реагента:
н^С1
CL
На первый взгляд, -|~Л4-эффект у галогенов должен увеличи-
ваться от фтора к иоду, если учитывать только возрастание по-
ляризуемости ответственных за этот эффект неподелепных пар
р-Электронов с увеличением атомной массы галогена. Сомасно
этим соображениям, реакционная способность вцниянодида
должна быть меньше, чем у випилфторнда. Однако эксперимен-
тальные данные не согласуются с этим предположением. В дан-
ном случае решающее влияние на мезомерныи эффект оказыва-
ет то, па каком уровне находятся неподелецвые пары электро-
нов галогена, ответственные за -)-Л4-эффект. У фтора это
2р-электроны, и их взаимодействие (перекрывание) с находя-
щимися также на втором уровне л-электроиами винильной
группы осуществляется более полно по сравнению с другими
галогенами, особенно с иодом. \ которого эти не поделенные ва-
1Щ
рЫ находятся на 5 Д-оболочке, Поэтому вннилиоднд более реак-
ционноспособен, чем вянилфторид. Эти же рассуждения под-
тверждаются Сравнением значений энергия связей С—X в раз-
личных полигалогенпроизводных (в кДж/моль):
х=г Х=СГ Х-Вг ХН
CHjX 495 335 280 226
снах2 306 260
СНХ1 276 243 155
СК, 505 318 205
Наличием ~уЛ1-эффекта у атомов фтора можно также объяс-
нить н инертность перфторалканов C„F2n+2 в реакциях замет?
нпя атомов галогена.
Как уже отмечалось выше, уходящие группы X по легкости
замещения их на нуклеофильные реагенты можно расположить
в следующий ряд; Hal > ОН > NH2, Казалось бы, этот ряд
можно было бы продолжить влево и дополнить группами, име-
ющими еще больший отрицательный индуктивный эффект, на-
пример NO2 и CN. В самом деле, имея на атоме, непосредст-
венно связанном с остальной частью молекулы, значительный
положительный заряд, эти группы могли бы в еще большей сте-
пени увеличить дефицит электронной плотности на атакуемом
атоме углерода и тем самым облегчить протекание реакции ну-
клеофильного замещения по механизму Sn2, Однако в действи-
тельности ни для нитрилов карбоновых кислот, ни для первич-
ных и вторичных алифатических яитросоедмиений неизвестны
случаи вытеснения анионов CN или NO2 , хотя вытеснение
этих групп в виде анионов в условиях проведения реакций нук-
леофильного замещения энергетически выгодно.
Существенное отличие групп NO2 и CN от Hal, ОН и NH2
заключается в знаке мезомерного эффекта. Ни атом азота нит-
рогруппы, ни атом углерода группы CN, которыми эти группы
связаны с атакуемым атомом углерода, не имеют неподеленных
пар электронов, обусловливающих появление Ч-Л1-эффекта, но
несмотря на это они прочно связаны с атомом углерода субст-
рата, В данном случае повышение прочности связи уходящей
группы X с субстратом заключается в следующем, С одной сто-
роны, вследствие высокой поляризуемости кратных связей, на
атомах кислорода в группе NO2 и на атоме азота в группе CN
сосредоточивается значительная избыточная электронная плот-
ность. С другой стороны, на атоме азота в нитрогруппе имеет-
ся полный положительный заряд, а на атоме углерода в Группе
CN—значительный дефицит электронной плотности, что вызы-
вает поляризацию соседних связей С—Н н повышает склон-
ность атомов водорода к отщеплению в виде протонов, причем
II»
последующее присоединение протона может произойти по месту
с наибольшей электронной Статностью-
I II
й-ен~м- 0*
он
+Н+ I
5=^ R" CH = N - 0“ *=±
О'"
1
R-CH=N- О'
Н О
Вследствие э^бго йиТрОсоёДйнейиям алифатического ряда
свойственна прототропная таутомерия, продукт присоединения
Лротона по одному из атомов кислорода нитрогруппы получил
название яцы-формы йитросоединения, Равновесие обеих форм
Сильно смёщено в сторону собственно нитросоедннения, и в чис-
том Виде (в очень ограниченных количествах) ацп-форма может
быть Выделена только из таких соединений, в которых R явля-
ется элёктроиоакцепторной группой, например фенилом:
Свн5*-сн2 - N - 0' г=е СеН- - СН=Й - О'"
II S |
О ОН
Некоторые нуклеофильные реагенты являются в то же Время
сильными основаниями, н поэтому они в первую очередь от-
щепляют от нитросоедннення протон, В образовавшемся анионе
(15) атом азота нитрО! руппы связан с атакуемым атомом угле-
рода более прочной связью, чем ординарная, вследствие чего
нитрогруппа в дальнейшем не может быть замещена на нуклео-
фильные реагенты Например, нитроэтан не удается подвергнуть
щелочному гидролизу с образованием этилового спирта.
(15)
В еще большей степени тенденция к упрочению связи уходя-
щей группы с атомом углерода субстрата наблюдается у нитро-
зосоединеинй, у которых кислотность а-водородных атомов на-
столько велика, что они самопроизвольно и необратимо пере-
группировываются в альдоксимы, В альдоксимах атом азота
связан е атакуемым атомом углерода двойной связью:
R - СН - N-0 +£ RCH=N - ОН
139
На атоме углерода в группе CN имеется только частичный,
а не полный положительный заряд, поэтому она имеет меньший,
чем нитрогруппа, —/-эффект, таутомерия, аналогичная тауто-
мерии нитроеоедннений, для нитрилов неизвестна
Однако для нитрилов алифатического ряда известно не-
сколько реакций, на основании которых можно предполагать,
что связи группы CN с остальной частью молекулы несколько
прочнее, чем ординарная Например, известно, что бензонитрил,
не имеющий а-водородных атомов, аналогично низшим карбо-
нильным соединениям, образует симметричный тример
ЗС6Н5- C = N
с6н5
В отличие от него нитрилы, имеющие а-водородные атомы
(например, ацетонитрил), дают несимметричные трвмеры кото-
рые могут образоваться, если одна из трех молекул нитрила ре
агирует в форме кетенимина, с последующей изомеризацией г
пикающего интермедиата в более выгодную структуру, имею
шую сопряженную систему двойных связей.
2СН3- C=N
+
СН2 = С ~ NH
СНз-С^^С-СНз
Н2С\ /N
С = NH
N
СНз-С^^с-СНз
НС^ч/N
С—nh2
Существование кетениминной таутомерной формы ацетонит-
рила подтверждается также тем, что длина связи С—С в ацето-
нитриле (0,146 нм) меньше, чем длина ординарной связи С—С
(0,154 нм)
Строение и размер радикалов R в субстрате. Большое влия-
ние на скорость реакций, протекающих по механизму SN2, ока-
121
бывают paiMt'p и число углеводородных радикалов, связанных
с атакуемым атомом углероде^’
Как уже отмечалось, нуклеофильное замещение атома гало-
гена по механизму -$к2 в изопропнлгалогениде, в котором ата-
куемый атом углерода связан с двумя электронодонорными ме-
тильными группами, осуществляется труднее и с меныпим выхо-
дом, чем в этил- н метилбромидах. Уменьшение реакционной спо-
собности в этом случае приписывали уменьшению дефицита
электронной плотности ца атакуемом атоме углерода. Однако
уменьшение реакционной способности иэопропилбромида до
сравнению с первичными алкилгалогенидамп можно отнести и
за счет пространственных затруднений, создаваемых Нуклео-
фильному реагенту алкильными группами, имеющими больший
объем, чем зтомы водорода.
В чистом виде уменьшение реакционной способности, обу-
словленное экранирующим действием алкильных групп, можно
наблюдать иа примере ряда первичных алкилгалогенидов. В ча-
стности, неопснтилбромид (16) с трудом вступает в реакции
нуклеофильного замещения по механизму SN2. Если реакцион-
ную способность метилхлорнда принять за единицу, то для нео-
пентилхлорнда она составляет 3-10-7.
(СН3)3С - СН2 - Вг (16)
Реакционная способность первичных алкилгалогенидов
уменьшается в ряду:
СН3Х>С2Н5Х>С3Н7Х>(СН3)2СНСНгХ>(СН3)3ССНгХ
Ранее упоминалось, что повышенная реакционная способ-
ность группы X у аллильных производных в реакциях замеще-
ния, протекающих по механизму SN2, обусловлена повышением
положительного заряда на атакуемом атоме углерода из-за
злектроноакцепторных свойств винильной группы. По-видимому,
на повышение реакционной способности этих соединений влияет
и то обстоятельство, что имеющий плоское строение алкениль-
ный радикал оказывает меньшее экранирующее действие, чем
способный принимать различные конформации алкильный ради-
кал с тем же числом атомов углерода.
Природа растворителя. При проведении реакций с первичны-
ми алкилгалогенидамп обычно используют ускоряющие их про-
текание апротонные, лучше полярные, растворители, в молеку
лы которых входят атомы с неподеленными парами р-электро-
122
нов. Диэлектрические проницаемости г и дипольные моменты р
некоторых из таких растворителей приведены ниже:
8 и Д
Диоксан 2,2 0,45
ДиэгПловый эфир 4,з 1,15
Тетрдгндрофуран 7,5 1,80
Ацетон 20,7 2,71
Г екс ам ети дт р и а м к дофосф ат (гексаметапол)’ 30,0 4,30
Нитробензол 35,0 3,99
Нитрометан 36,0 3,17
Диметилформамид*' 37,0 3,82
Ацетонитрил 37 5 3 37
Тетраметилеисульфон" Ди метиле ульфоксид1 44,0 4,69
45,0 4,30
1 Д-Диметоксиэтад’ 65,7 1 72
а IfCHO/NJ РО
"Dso-
в (СНОСНО.
г (СН,1,50 ДСН,О(СН2)К>СН,
В большинстве приведенных выше реакций нуклеофильные
реагенты представляют собой анионы, которым в растворах про-
тивостоят соответствующие катионы щелочных металлов При
применении индифферентных растворителей эти реагенты обра-
зуют ионные пары, обладающие пониженной нуклеофильной ре-
акционной способностью.
В молекулах приведенных выше растворителей избыточ-
ная электронная плотность сосредоточена на одном, реже — на
дв^х атомах с неподеленными ларами электронов, в то время
как положительный заряд рассредоточен из большом числе ато-
мов водорода, кислотность каждого из которых вследствие этого
незначительна. Поэтому такие растворители способны специфи-
чески сольватировать катионы щелочных металлов, координи-
руясь с ними отрицательным конном диполя; тем самым они де-
лают анион более «свободным», i. е. повышают его нуклеофиль-
ную силу и, следовательно, ускоряют реакции нуклеофильного
замещения.
В то же время молекулы этих растворителей, не имея прото-
нов, способных образовывать с анионами водородные связи, не
сольватируют нуклеофильные реагенты в, следовательно, не
снижают их реакционную способность.
Определенное влияние на скорость реакции оказывают ди-
электрическая проницаемость и дипольный момент растворите-
ля. Так, диметилформамид и дпметилсульфоксид, имеющие вы-
сокие диэлектрическую проницаемость и дипольный момент,
в большей степени ускоряют реакцию натриймалонового эфира
с алкилгалогенидами, чем диоксан, ацетон, ацетонитрил и нит-
рометан. Иногда, впрочем, растворители с приблизительно рав-
123
нои днэиектрическон процицаеmociью к различной юсигни уско-
ряют одни п те же реакции Например, реакция эти 1бромнда с
натриевыми производными енолов протекает быстрее в 1,2-ди-
мегоксиэтаке (миног лиме), чем в тетрат идрофу раке иди эфире,
так как 1,2-лиметоксиэтан в оюячпе от геграпщрофу рана име
ет два атома кислорота и поэтому шльпее связывает катион,
образуя, но видимому, комплекс
Н2С - СН2
I I
сн3-о ,0- сн3
м4
Если реакцию ну кдеофн н.нгцо смещения но механизму 6\2
Проводят в неполярных растворителях (например, в )ексане или
бензоле), то процесс идет ме пеннее, нем в анроюнцых поляр'
кых растворителях ( 1 рггменещге таких растворителей может
быть оправдано только стрем jeinicxt пплучшь боте юМ|МеннуЮ
смесь реа। ецтон
Реакции с нейтральными нуклеофилами, в результате кою
рых из двух ковалентно пос троенных соединений образуются
солеобразные продукты, рекомендуется проводить в более но-
лярщтх растворителях
Реакции, протекающие но механизму S\2. замедляются при
использовании протонных растворителей (например, воды, му-
равьиной кислоты, спиртов и др ) Эп, вещества способны обра-
зовывать иодоролныс связи с анпоном-нуклеофилом, тем самым
значительно снижая его реакционную способность
2.1,2. Реакции третичных алкилгалогенидон.
Механизм Sx I
Казалось бы, ес,тн принимать во внимание только рассмотрен-
ные выше факторы, последовательное замещение у атакуемою
атома углерода атомов водорода на электронодонорные алкиль
ные группы должно было бы приводить к монотонному уменьше-
нию скорости реакции нуклеофильного замещения у атома угле-
рода по механизму Sx2, и но реакционной способности алкил-
галоюниды можно 6it.hi бы расположить в ряд: СНзХ 2>
>RCH2X > RR^CfiX > RR'R'''CX, поскольку по мере увели-
чения степени замещения частичный коло ж «тельный заряд у7 ре-
акционною центра становится меньше н возрастают простран
ственные затруднения для атаки нуклеофила
Для первых трех членов приведенною ряда скорости реакций
действительно уменьшаются в указанной последовательности.
Например, константы скорости со щволиза метил-, этил- н изо-
пропилбромидов 80%-м раствором этилового спирта равны соот-
124
естственно 0,02140, 0,00171 и 0,00005 л/(моль с) Однако гидро-
шз третичного алки.ц алогеннда осуществляется чрезвычайно
лыко при действии разбавленных водных растворов кислот.
Кроме того, при действии на трет-алкилгалогеппды некото-
рых in к геофильных реагентов (см приведенные ниже реакции)
образуются соединения, отличающиеся от продуктов аналогич-
ных реакций первичных адкплгэ пнспидов Например, при дей-
ствии на трет-алкилгалогеппды солеи азотистой кислоты обра-
зуются не нитросоединения, а алкены и эфиры азотистой кисло-
ты. при действии цианидов металлов—не нитрилы, а алкены и
изопитрплы, при действий тиоцианатов — не алкилтноипанаты,
а алкп [изотиоцианаты (горчичные мае,и)
(СН3)3С - N = С = S*^(CH3)3CBr (СН3)гС = СНг
СгН50"
(СН3)3Свг —~^(СН3)3С - О - N = О + (СНЭ)2С = СНг
(СН3)3СВг—*(СН3)3С - NC+ (СН3)2С = СН2
{СНз)зСВ[ tCHtCOOCjHdgj- или (СН3СОСНСООС?Н^ (СНз)2с = СН2
или NHj
Приведенные выше данные нетьзя объяснить, считая, что ре-
акции третичных з.ткил!алогенидов протекают по механизму
Sn2
Как отмечаюсь, алкильные группы обладают электронодо-
цорными свойствами, обусловленными несколько меньшей лект-
роотрицате тьноетью атома водорода по сравнению с атомом уг-
лерода Вследствие этого атомы водорода метильных ipynn, свя-
занные в алкллгалогениде с центральным атомом углерода, ча-
стично принимают на себя имеющийся на последнем положи-
тельный заряд. Чем больше метильных групп связано с цент-
ральным атомом угтерода, тем больше рассредоточивается по-
ложительный заряд по периферийным атомам нодоро ia, тем в
меньшей степени он сохраняется па центральном атоме уг [ерода
и тем меньше сила этектростатпчсскою притяжения к нему ато-
ма галоюнз Метильные группы способствуют ослаблению свя-
зи С— X. блаюириятствхют вытеснению атома галоюна в виде
аннона Поэтому для третичных алкплгалоюнпдон [етерощз
Молекулы с образованием карбокатиона и галогеннд-пона уже
не требхет такой! большой затраты энергии Все это может быть
подтверждено позраетлнном 1ипо|ыпд моментов при увеличе-
на
нии числа метильных групп у центрального атома углерода, на-
пример:
н н сн3>- СНз
Н-С-Вг СН3-*С“Вг СН3->С“Вг СН3->-С-Вг
lilt
Н НН, СН3
1,82 Д 1,88 Д 2,04 Д 2,21 Д
Возможность образования стабильного карбокатиона в зна-
чительной степени зависит от того, в какой степени может рас-
средоточиться в нем полный положительный заряд, возникаю-
щий на атоме углерода при диссоциации молекулы а л кил галоге-
нида на ионы.
Гетеролиз метил бромид а на ноны СНз п Вг- энергетически
невыгоден, так как при этом образуется исключительно богатый
энергией карбокатион, в котором возможность рассредоточения
положительного заряда минимальна. Энергетически более вы-
годно образование трег-бутил-катнона, так как в нем заряд име-
ет возможность рассредоточиться на девяти атомах водорода
трех метильных групп, обладающих -^/-эффектом,
В еще большей степени, чем метильные группы, в рассредо-
точении заряда карбокатиона могут участвовать винильные
группы, имеющие легко поляризуемую кратную углерод-угле-
родную связь, и фенильные группы;
СНг=^СН^~СНг
В первом катионе положительный заряд практически поров-
ну распределяется между двумя крайними атомами углерода,
а во втором — между четырьмя атомами (метиленовым и орто-
н пйра-атомами углерода по отношению к нему).
Таким образом, устойчивость карбокатионов, а также выгод-
ность нх образования возрастают в ряду:
+ + -I- + + +
СНз<СН3СН2<(СН3)3С<СН2 = CHCH2<C6H5CH2<(CgH5)3C
Было показано, Что скорость гидролиза третичного’алкилга-
логенида зависит только от концентрации алкилгалогенида и со-
вершенно не зависит от концентрации ионов ~ОН в водных рас-
творах, Реакция протекает с той же скоростью даже в отсутст-
вие щелочи млн в слегка подкисленной воде, В отличие от меха-
низма SN2 в данном случае гидрокснд-ион не принимает участия
в стадии, определяющей скорость всего процесса в целом, и по-
следняя определяется только концентрацией алкил галогенида
Из этого следует, что реакция — мономолекулярная.
Есть основания утверждать, что в данном случае реакция
протекает в две стадии: в отличие от механизма Sn2, разрыв
связи С—Hal в образование связи С—Y не происходят синхрон-
но. На первой стадии идет [етеродиз алкцлгалогепнда с образо-
ванием имеющего плоское строение карбокатиона: этот процесс
протекает медленно п лимитирует скорость всей реакции:
(СН3)3С - Вг цел~ (СН3)3С + Вг-
На второй стадии образовавшийся карбокатион неизбира-
тельно и практически мгновенно, подобно неорганическому ио-
ну, взаимодействует либо с нуклеофильным реагентом Y:-, либо
с растворителем, например водой:
(СН3)3С - Y^-(CH3)3C^(CH3)3C- 0Н27^(СН3)3С - ОН
В водном растворе, где концентрация растворителя гораздо
больше, чем концентрация реагента, реакция завершается пре-
имущественным образованием спирта, а роль нуклеофильного
реагента сводится к депротонированию промежуточного оксо-
ниевого интермедиата.
Стабилизация карбокатиона возможна также в результате
его депротонкровавия:
“К но
Н - СН2 - С(СН3)2-1*СН2 = С(СН3)2 + Н30 +
Механизм реакций, протекающих по рассмотренной схеме,
был назван механизмом SnI, так как реакция в данном случае
относится к мономолекулярным и в стадии, определяющей ско-
рость всего процесса, участвует только молекула субстрата.
Скорость реакции, протекающей по механизму SN1, имеет
первый порядок относительно алкилгалогенпда и нулевой —от-
носительно нуклеофильного реагента. Существование мономоле-
кулярцого механизма нуклеофильного замещения SnI подтвер-
ждают следующие экспериментальные факты: независимость
скорости реакции от концентрации нуклеофильного реагента;
сравнительно высокие значения энергии активации, наблюдаю-
щиеся обычно при гстсролитическом разрыве связей; рацеми-
зация: при использовании в качестве субстрата оптически ак-
тивного третичного алкнлгалогенида, в котором атом галогена
связан с асимметрическим атомом углерода, нуклеофильное за-
мешение ra.ioieiia по механизму в идеальном случае сопро-
127
вождается полной рацемизацией. Это объясняют тем, что разрыв
связи углерод — галоген на первой стадии реакции приводит к
карбокатиону, который имеет плоское строение; доследующая
атака нуклеофильного реагента равновероятна с обеих сторон
плоскости, в которой находится карбокатион, что приводит к
образованию равных количеств обоих стереоизомеров, т. е. к ра;
цемизации;
Ж
На скорость Протекания реакции по механизму S«1 влияет
ряд факторов (см. Ниже).
Нуклеофильная реакционная способность. В данном случае
Нуклеофильная реакционная способность реагента практически
не влияет па скорость реакции, так как образовавшийся на пер*
вой стадии богатый энергией и не обладающий избирательно*
стью действия карбокатион в первом приближении равноверо-
ятно атакует любую, как заряженную, так и незаряженную час*
тицу, в которой имеются атомы с не поделенным и парами
^-электронов, независимо от ее нуклеофильной реакционной
способности.
Однако в том случае, когда нуклеофильный реагент является
анионом, в котором одновременно присутствуют два или не*
I сколько атомов с неподеленными парами электронов (амбидент-
4 Ныё ионы), карбокатион предпочтительно атакует тот из них,
на Котором сосредоточена наибольшая электронная плотность.
Например, в анионе ~CN наибольшая электронная плотность со*
Средоточена на более электроотрицательном атоме азота, и по*
этому при взаимодействии с цианид-аниоиом по механизму SnI
образуется не нитрил, а изонитрил.
В анионе NOj наибольшая электронная плотность сосредо-
точена в равных долях на атомах кислорода, поэтому При взаи-
модействии с третичными алкилгалогенндамн образуется не нит-
росоединение, а эфир азотистой кислоты. Наконец, в анионе
' SCN по тем же причинам наибольшая электронная плотность
128
сосредоточена на атоме азота, и поэтому образуется изотиоциа-
нат.
При проведении этих реакций в иодных или спиртовых рас-
творах выход целевого продукта невысок, так как карбокатион
может реагировать и с молекулами растворителя, давая про-
дукты сольволиза:
+ +
(СН3)3С + R “ о - н—> (СН3)3С - о - R—т*(СН3)3С - О - R
н
Основность нуклеофильных реагентов. Нуклеофильные ре-
агенты, обладающие высокой основностью, с еще большей лег-
костью, чем при реакциях, протекающих по механизмам SN2 и
Е2, отщепляют от карбокатиона протон:
Y" + Н - СН2 - С(СН3)2 ---Y -Н + СН2 = С(СН3)2
При использовании таких агентов, как этоксид натрия, реак-
ция нуклеофильного замещения практически не идет. Происхо-
дит преимущественно отщепление галогеноводорода (двухста-
дийная реакция элиминирования Е1).
Концентрация нуклеофильного реагента. Скорость реакции,
протекающей по механизму SnI, определяется скоростью диссо-
циации исходного субстрата на ионы, поэтому концентрация
нуклеофильного реагента в данном случае не оказывает сущест-
венного влияния на скорость реакции нуклеофильного замеще-
ния.
Строение и размер радикалов. В отличие от механизма 5\2.
в данном случае большой размер радикалов, связанных с цент-
ральным атомом углерода, оказывает благоприятное влияние
на скорость реакции. Например, 3-бром-3-трет-бутил-2,2,4.4-тет-
раметилпентан (17) реагирует быстрее, чем трет-бутилбромид.
Наличие взаимного отталкивания углеводородных радикалов в
более уплотненной, чем в плоском карбокатионе, тетраэдриче-
ской структуре молекулы исходного алкилгалогенида создает
дополнительный стимул для образования карбокатиона, в кото-
ром алкильные группы максимально удалены друг от друга.
CWs -[К
(СН^3С -СВг-С(СНг)3 аЛ/
Вг
(17) (IS)
Обратное можно наблюдать в том случае, когда исходный
третичный алкнлгалогенид имеет жесткую бициклическую кар
9—1425 |2Ч
касную структур}, например (18) Соединения такого типа, хо
тя и являются третичными алкклгалогенидами, инертны в реак-
циях нуклеофильного замещения, поскольку при их гетеролизе
полностью исключается образование плоского карбокатиона
Поэтому отщепить Вг~ от такого соединения удается только при
помощи иона серебра
Как уже отмечалось выше, соединения, в которых третичный
атом углерода связан с фенильными или винильвыми группа-
ми, особенно легко реагируют по механизму S-J, так как гете-
ролиз таких соединений значительно обле! йен
Природа растворителя. Для реакций, нроюкающнх по меха
нишу подбор соответствующего растворителя имеет перво-
степенное значение, гак как ионизирующая способность растно
рителя оказывает решающее влияние на скорость лимитирую-
щей стадии реакции—[етеролиз алкилгалогеннда
При проведении таких реакций используют протонные рас
твори тел и, важнейшие из которых, а также их некоторые ха рак
тернстики (диэлектрическая t
момент ц) приведены ниже
Вода
Муравьиная кислота
Мсти юный спирт
Этиловый спирт
Уксусная кислота
проницаемость е, рКа, ДИПОЛЬНЫЙ
г в Д
80 1.90 14 00
56 2,00 3,77
32 ( бб (6 00
24 1,68 18,00
6 0,83 4,76
Молекулы этих растворителей способствуют диссоциации ал-
кнлгалогепида на ионы, так как они способны сольватировать
не только имеющую недостаток электронной плотности алкиль-
ную группу, по и атом галогена, на котором сосредоючивается
избыточная электронная плотность, образуя с ним водородные
связи Происходящая при этом сольватация нуклеофильного ре-
агента, вызывающая уменьшение его нуклеофильной силы, не
влияет на скорость реакции, так как образовавшийся карбока-
тион немедленно реагирует с веществами, обладающими даже
незначительной нуклеофильной реакционной с-тособносгью
Высокая диэлектрическая проницаемость является необхо-
димым свойством растворителя, способного вызвать диссоциа-
цию субстрата на новы. Во ia и муравьиная кислота, обычно ис-
пользуемые в сольво штических реакциях в качестве раствори-
телей, действительно имеют высокие диэлектрические проницае-
мости Однако такие апротонные растворители, как ацетонитрил,
нитробензол, диметн тформамид и диметилсульфоксид, также
имеющие высокие диэлектрические проницаемости, не вызыва-
ют гетеролиз молекулы субстрата, так как они не способны об
разорять водородные связи с гадот ер ид-анионом.
J30
Значение дипольного момента при выборе растворителя для
сольволитических реакций вообще не должно приниматься во
внимание наиболее употребительные для реакций S^l раство-
рители— вода и муравьиная кислота—имеют небольшие ди-
польные моменты (~2 Д), тогда как дипольные моменты ди-
метнлформампда и диметилсульфоксида, не ускоряющих эти ре-
акции, равны 3,8 и 4,3 Д соответственно
Перегруппировки, сопровождающие реакции нуклеофильного
замещения. Если при замещении ио механизму SN2 единствен-
ной конкурирующей реакцией является элиминирование но меха-
низму £2 с образованием алкенов, то для реакций, протекаю-
щих по механизму 5Д, характерно значительно большее число
побочных процессов, снижающих выход собственно продукта
нуклеофильного замещения
Во-первых, получившийся вначале карбокатион настолько ак-
тивен, что молхСт равновероятно реагировать как с нуклеофиль-
ным реагентом, так и с молекулой растворителя, давая про-
дукт сольволиза Во-вторых, с реакцией нуклеофильного заме-
щения в значительной степени конкурирует реакция элимини-
рования Е1, приводящая к алкенам.
Кроме того, сам карбокатион, прежде чем прореагировать по
одному из трех возможных направлении, может претерпевать пе-
регруппировку, приводящую к образованию другою, более ста-
бильного карбокатиона Такие перегруппировки заключаются в
миграции к атому уч лерода, несущему положительный заряд,
гидрид-иона или карбаниона
Например, первичный карбокатион (19), имеющий только
два места для дополнительною рассредоточения положительно
го заряда, перегруппировывается с переносом гидрид иона, об-
разуя карбокатион (20), в котором таких мест уже шесть. По
аналогичным причинам из карбокатиона (21) образуется карбо-
катион (22), в котором положительный заряд находится на
третичном атоме углерода и поэтому может рассредоточиться
не по четырем, как в исходном, а по восьми местам
S+H s+H Hfi+
I 6+ ( 6+ I
CH3 - С - СН2---->d+H - С- С- С-На +
1 111
й+н fi + H н Нб +
(19) (20)
+
(СН3)2СН - СН - СН3 ----> (СН3)2С - сн2 сн3
(21) (22)
9*
Если в карбокатионе отсутствуют а-водородные атомы, спо-
собные к гидридному сдвигу, то может произойти изменение
углеродного скелета в результате миграции карбаниона.
Примером такой реакции, сопровождающейся перегруппи-
ровкой углеродного скелета, служит реакции гетеролиза
леопентилбромида. Несмотря на то что этот бромид—первич-
ный алкилгалогенид, он практически не способен к реакциям
нуклеофильного замещения по механизму 5ц2 из-за пространст-
венных затруднений, создаваемых разветвленным трет-бутиль-
ным радикалом при подходе нуклеофильного реагента. Сольво-
лиз неопентилбромида по механизму 5и1, т. е. в протонных рас-
творителях, также исключается, потому что он — первичный ал-
килгалогенид. Однако его можно «заставить» реагировать но
механизму SnI в присутствии водных растворов солей серебра,
так как ион серебра вырывает из молекулы алкилгалогепида
анион брома, образуя бромид серебра. При этом первоначально
образовавшийся менее устойчивый карбокатион (23), у которо-
го положительный заряд находится на первичном атоме углеро-
да, перегруппировывается в более энергетически выгодный тре-
тичный карбокатион (24), который затем и реагирует по трем
возможным направлениям:
(СН3)3С - СН2Вг + Ад+ т^[(СН3)3С " ^нг1->
(23)
У
у" I
--(СНз)2С-СН2-СН3
он
[СН3)2С-СН2-СНз
— — (СНз)2С = СН — сн3
* Н+ -.
—к (сн3)2с-сн2-сн3
(г*) .
Аналогичным, но более сложным примером скелетных пере-
группировок карбокатионов являются перегруппировки типа
Вагнера — Мейервейна. Рассмотрим гидролиз борнилхлорида
(25) в присутствии щелочей. Можно предполагать, что для пер-
воначально образовавшегося карбокатиона (26) возможны три
направления реакции: нуклеофильное замещение на ион НО- с
образованием борнеола (27) и нзоборнеола (28), элиминирова-
ние протона с образованием борнилена (29), а также перегрул-
132
нировка Вагнера — Мейервейна с последующим отщеплением
протона и образованием камфена (30):
Однако на самом деле при действии водного раствора ще-
лочи на борнилхлорид единственным продуктом оказывается
камфен (30). В данном случае карбокатион (26) менее устой-
чив, чем карбокатион (32), так как положительный заряд в ка-
тионе (26) находится на вторичном атоме углерода, а в катио-
не (32) — на третичном.
Казалось бы, сольволиз изобор ни лхлорида (33) должен идти
с меньшей скоростью, чем сольволиз борнилхлорида, если при-
нимать во внимание только доступность атома галогена для
сольватирующих его молекул воды. Однако экспериментально
было установлено, что иэоборнилхлорид (экзо-изомер) гидроли-
зуется в (3-г-10) 10“ раз быстрее борнилхлорида. Это объясня-
ется тем, что в изоборнилхлориде в отличие от борнилхлорида,
в котором перемещение связи не может начаться раньше отхода
139
хлорид-аниона, хлорид-анион не создает пространственных пре-
пятствий для образования неклассического катиона (31), TlbKoe
явление названо анхимерным содействием, или синартетическим
ускорением.
Н&С СНд,
О®)
Н3С
Гидролиз бутен-2-илхлорида, протекающий по механизму
SnI, сопровождается аллильной перегруппировкой. Вданномслу-
чае образуется смесь двух изомерных спиртов:
н2о
СН3 - СЧ - СН - СН2С1-> СН3 - СН = СН - СН2ОН +
+ СН3- Снон- СН = СН2
Это объясняется тем, что в первоначально образовавшемся
карбокатионе вследствие высокой поляризуемости связи С=С
происходит делокализация положительного заряда;
СНй~СН—СН“СН2 —> СНз"СН— СН— сна
Следует заметить, что при гидролизе бутен-2-илхлорида в
условиях, благоприятствующих механизму SN2, аллильная пе-
регруппировка все равно наблюдается, хотя причины, порож-
дающие ее, несколько иные. В этом случае вследствие—^-эф-
фекта атома галогена дефицит электронной плотности возника-
ет не только на атоме С-1, непосредственно связанном с галоге-
ном, но и на атоме С-3, входящем в винильную группу, вследст-
вие легкой поляризуемости л-связи. Поэтому атака нуклеофиль-
ного реагента с приблизительно одинаковой степенью вероят-
ности направляется как на атом С-1, так и на атом С-3. В пер-
вом случае по-видимому, реализуется линейное переходное со-
стояние (34), которое не отличается от переходного состояния
для реакций, протекающих по механизму 5^2, и образуется бу-
теН-2-ол-1 (37). Во втором случае, по-видммому, может реализо-
ваться как шестнчлснное циклическое переходное состояние (35)
с синхронным перераспределением связей, так и линейное пере-
ходное состояние (36),что приводит к образованию изомерного
продукта — бутен-1-ола-З (38), Таким образом, и в данном слу-
чае реакция нуклеофильного замещения галогена сопровожда-
ется аллильной перегруппировкой.
СНСНЯ
II
фН
НО—СН2-"-С1
(34)
СНСНз
но^^сн
Na+ < >ГНг
С1
(35)
сн3
I
НО—СН-’СН=(’Нг--' С1
(36)
снз- сн = СН - СН2-ОН
(37)
ОН
t
СН3- СН - сн = сн2
(38)
2Л.З. Стереохимия реакций нуклеофильного замещения*
В большинстве случаев реакции нуклеофильного замещения в
алифатическом ряду протекают одновременно по обоим рас-
смотренным выше механизмам с преобладанием какого-либо од-
ного из них.
Есть два основных экспериментальных критерия, позволяю-
щих определить, по какому из двух механизмов предпочтитель-
но протекает та или иная конкретная реакция нуклеофильною
замещения.
1. Кинетический метод позволяет установить завйсимость
скорости реакции от нуклеофильной реакционной способности и
концентрации реагента. Если скорость реакции возрастает при
увеличении концентрации и нуклеофильной силы реагента, то
можно утверждать, что реакция преимущественно или исключи-
тельно протекает по механизму Sn2. Напротив, если скорость
реакции не меняется при изменении концентрации и нуклео-
фильной силы реагента и существенно зависит от природы и
свойств протонного растворителя, следовательно, реакция проте-
кает Преимущественно или исключительно по механизму 5n1.
2. Если молекула субстрата оптически активна к атакуемый
атом углерода, связанный с уходящей группой X, является
центром асимметрии, то при Протекании реакции по механизму
5n2 наблюдается обращение конфигурации, названное вальде-
новским. Сам П. Вальдси замещал действием щелочи атом хлора
и оптически активной хлорянтарной кислоте на гидроксильную
группу и, наоборот, действием пентахлорида фосфора на опти-
чески активную яблочную кислоту замещал гидроксильную
группу на атом хлора. В обоих случаях наблюдалось обращение
135
конфигурации и изменение направления угла вращения плоско
поляризованного луча:
соон
Н-------CI
сн2 - соон
(+)-хлорйитарная
кислота
АдОН
U)
КОН PC(S
(2J 4” (2>
СООН
НО--------Н
СН2 - СООН
(-)-яблочная
кислота
АдОН
(О
СООН
Н — |---ОН
СН2- СООН
(+)-ябпочная
кислота
PC(S '' КОН
(г) ф (2)
СООН
Ci--------н
сн2 - соон
(-)-хлоринтарная
кислота
( без обращения конфигурации; механизм SNl; !-t обращением конфигурации; меха-
мм^м 5^2
Эта закономерность, названная «правилом Sn2», имеет об-
щий характер. Так, при действии на оптически активные гало-
генпроизводные различными нуклеофильными реагентами (на-
пример, СН3О_, НО~) в апротонных растворителях образуются
с практически 100%-ми выходами инвертированные продукты
реакции.
Недостатком «Правила SN2» является то, что исходное гало-
генпроизводное и образующееся в результате реакции гидрокси-
или метокси производное с одним и тем же направлением враще-
ния плоскополярнзованного луча из-за химической неидептично-
сти уходящей группы и заместителя могут отличаться Друг от
друга абсолютной конфигурацией, Поэтому изменение знака
вращения поляризованного леча само по себе еще не говорит о
конфигурации соединения, образовавшегося в результате реак-
ции нуклеофильного замещения соединения. (Вальден считал,
что при действии щелочи на хлорянтарную кислоту конфигура-
ция сохраняется.)
Обойти это затруднение попытался К. Ингольд, Он изучал
кинетику взаимодействия оптически активного алкилиодида с
меченым иоднд-апионом в абсолютированном ацетоне:
С6Н13-CHl-СНз + Г -------> С6Н(3 - СН* - СН3 * I-
136
Оказалось, что замещение соответствует реакции второго по-
рядка, т. е. протекает по бимолекулярному механизму, и что
скорость уменьшения оптической активности в два раза превы-
шает скорость изотопного обмена. Последнее означает, что в ре-
зультате каждого элементарного акта происходит обращение
конфигурации; это полностью соответствует представлениям о
механизме SN2, предполагающем атаку нуклеофильного реаген-
та исключительно с тыльной стороны по отношению к уходящей
из .молекулы субстрата группе.
Если бы реакции предшествовала диссоциация молекулы
субстрата на ионы, скорости уменьшения оптической активности
н изотопного обмена были бы равны, поскольку в данном случае
в результате взаимодействия карбокатиона с меченым иодид-
ионом должны были бы образоваться равные количества как
инвертированного Продукта, так и продукта с неизменной кон-
фигурацией.
При проведении нуклеофильного замещения в условиях, бла-
гоприятствующих протеканию реакции по механизму SN1, сте-
реохимический результат оказывается не таким уж однознач-
ным:
( + ] Субстрат
С6Н5—СНС1—сн3
с6н5—сна—сн,
С6Н,з—СНВг—СН3
СНз— СНВг—соо-
СНз—СНВг—соо-
Нжлеофнл Стереохимический результат
НгО Рацемизация-)-инверсия (2—17%)
СПзОН Рацемизация+слабая инверсия
НгО Инверсия (99%)+рацемизаиия (1%)
НгО Сохранение конфигурации (80—100%)
СН3ОН То же
В идеальном случае при проведении реакции в данных усло-
виях должна была бы наблюдаться рацемизация, т. е. образова-
ние равных количеств оптических антиподов, вследствие того
что имеющий плоское строение карбокатион может быть атако-
ван нуклеофилом равновероятно с каждой стороны этой плос-
кости.
Образование некоторого избыточного количества инвертиро-
ванного продукта объясняется тем, что недостаточно стабиль-
ный, а следовательно, очець реакционноспособный карбокатион
в момент реакции не успевает полностью отойти от противоио-
на, в результате чего не происходит полного разделения ион-
ных пар, что затрудняет фронтальную атаку катиона нуклеофи-
лом.
Как следует из приведенных выше данных, в некоторых слу-
чаях конфигурация субстрата остается неизменной- Это наблю-
дается тогда, когда в молекуле субстрата в непосредственной
близости от асимметрического атома углерода находятся груп-
пы, обладающие электронодонорными свойствами. В результате
гетеролиза соединений такого типа возможна внутримолекуляр-
ная атака этой группы атома углерода со стороны, противопо-
137
ложной уходящему атому галогена, в результате чего образует-
ся бетаиновая структура (39), которая способствует закрепле-
нию исходной конфигурации и препятствует атаке нуклеофила с
тыльной стороны.
Случай сохранения исходной конфигурации наблюдался в
приведенном выше классическом примере вальденовского обра-
щения при действии влажного оксида серебра на хлорянтарную
кислоту,
2.2. ЗАМЕЩЕНИЕ КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИХ ГРУПП
В данном разделе рассмотрены реакции замещения гидрокси
группы в спиртах и гликолях, алкоксигруплы в простых эфирах,
ацеталях и ортоэфирах, атома кислорода карбонильной группы
в альдегидах и кетонах, а также гидрокси- и алкоксигрупп, свя-
занных с атомом углерода карбонильной группы, в карбоновых
кислотах и сложных эфирах соответственно.
В этом же разделе рассмотрены реакции нуклеофильных ре-
агентов с эпоксидами, хотя их следовало бы отнести к реакциям
нуклеофильного присоединения Однако и в этих реакциях про-
исходит гетеролитический разрыв связи С—О и образование
связи С—Nil, и с этой точки зрения рассмотрение их в данном
разделе оправданно
2.2.1, Реакции спиртов и гликолей
Как уже было показано, атом галО1ена в алкилгалогенидах мо-
жет быть замещен большим числом нуклеофильных реагентов.
Однако нуклеофильное замещение т идроксигруппы в спиртах
удается осуществить только в ограниченном числе случаев:
NHi AhОч
RCH2OH—- >RCH2NH2 -(-(RCHgfeNH + (RCH2)jN
300 °C
rc^oh^^rc^x
PXj илиРХ$
v SOCI;
RCH2C1
(RCH2 0)g SOg RCHg OH ^'S°4>RCPfeOSOgOH
139
Как видно, замещение гидроксигруппь удается провести ли-
бо в жестких условиях в присутствии гетерогенных катализато-
ров, либо в присутствии протонных кислот или кислот Льюиса
Непосредственное замещение гидр оксигруппы не удается да.
же при действии очень сильных нуклеофильных реагентов- имея
подвижный атом водорода гидроксигруппы, спирты реагируют с
сильноосновными нуклеофильными реагентами исключите, ыю
как ОН-кислоты. Например, амид натрия NaNHa реагирует со
спиртами, не вытесняя из них группу ОН с образованием ами-
нов, а отщепляя протон и образуя аммиак и алкоголятнатрия;
СН3СН2 - ОН + Na NH2 ----NH3 + C2H5ONa
В чем заключается причина меньшей склонности спиртов по
сравнению с алкилгалогенидами к реакциям нуклеофильного за-
мещения?
Электроотрицательность атома кислорода равна 3,5, а у хло
ра и брома она меньше и равна соответственно 3,0 и 2,8. Следо-
вательно, дефицит электронной плотности на атоме углерода,
связанном с группой ОН, должен был бы быть больше, чем на
соответствующем атоме углерода в алкилгалогенидах.
Известны две причины сравнительной инертности спиртов в
реакциях нуклеофильного замещения Во первых, атом кислоро-
да в спиртах, будучи двухковадентным, одновременно связан не
только с атомом углерода алкильной группы, но и с менее элект-
роотрицательным, чем углерод, атомом водорода. Поэтому де-
фицит электронной плотности в молекуле спирта имеется не в
одном, а в двух местах, причем в большей степени на атоме во-
дорода:
fi +
СН3СН2 - о - Н
Следовательно, положительный заряд на а-атоме углерода в
спиртах значительно меньше, чем в алкилгалогенидах.
Во-вторых, в результате реакций нуклеофильного замещения
непосредственно гидроксигруппы должен вытесняться богатый
энергией гидроксид-nofi “ОН, что энер1етнчески невыгодно.
Y." + R-OH—*- R-Y + “OH
Для облегчения замещения гидроксигруппы на нуклеофиль-
ные реагенты существуют два пути.
] Проведение реакции в присутствии минеральных кислот.
При этом собственно реакции замещения гидроксильной Груп-
пы будет предшествовать Протонирование атома кислорода этой
группы, В результате увеличивается заряд на атакуемом атоме
139
углерода, что повышает реакционную способность спирта в ре-
акциях нуклеофильного замещения:
СН3-СН2-ОН + Н+ —* сн3-сн2-Он2---*
---СНз - сн2 - Y + Н20
Как видно, при этом вытесняется бедная энергией молекула
воды, а не гидроксид-яон.
2. Предварительная, еще до проведения собственно реакции
нуклеофильного замещения, замена атома водорода гидроксиль-
ной группы на группу, обладающую сильными электроноакцеп-
торнымн свойствами, например:
в+ в+
SO2C6H4CH3-n или SO2OH
Такая замена также приводит к увеличению заряда на ата-
куемом атоме углерода и способствует вытеснению анионов,
в которых возможность рассредоточения избыточной электрон-
ной плотности больше, чем в ионе “ОН, что в конечном итоге н
определяет выгодность его образования:
OS-
|:
НО—s^o S-
Взаимодействие спиртов с галогене водородам и, С помощью
этой реакции можно получать алкилгалогеннды действием на
спирты галогеноводородных кислот.
В случае первичных спиртов реакция обычно протекает по
механизму 5N2 путем взаимодействия галогенид-нона с молеку-
лой протонированного спирта (см. выше). На атоме кислорода
в оксониевом ионе имеется полный положительный заряд, по-
этому между ним и галогенид-ионом должно возникать элект-
ростатическое притяжение. Однако атака галогеяид-иоиом ато-
ма углерода направлена с тыльной стороны; так, замещение
группы ОН в оптически активных спиртах, у которых гидрок-
сильная группа связана с асимметрическим атомом углерода,
сопровождается вальденовским обращением.
Дело в том, что в субстрате зр3-орбиталь связи С—ОН
(н вообще С—X) представляет собой несимметрично построен-
ную объемную восьмерку. Таким образом, с тыльной стороны
связи С—X имеется некоторая, хотя и меньшая, доля этой орби-
тали. Замещению группы X на нуклеофильный реагент ¥ пред-
шествует образование переходного состояния, в котором угле-
140
род находится в состоянии «^-гибридизации, а группы X и Y
связаны равными долями р-орбиталн:
Энергия активации такого переходного состояния меньше
энергии активации переходного состояния, которое могло бы
образоваться при атаке нуклеофильным реагентом субстрата со
стороны уходящей группы X.
По реакционной способности галогеноводородные кислоты
располагаются в ряд: НС1 < НВг < HI. Фтороводородная
кислота не реагирует со спиртами даже в присутствии серной
кислоты. Различие реакционной способности галогеноводородных
кислот зависит от нуклеофильной силы галогенид-иона, которая
увеличивается в ряду: F- < С1~ < Br- < I-.
В зависимости от строения спиртов их реакционная способ-
ность в реакции замещения группы ОН изменяется следующим
образом: первичные < вторичные < третичные. Эта законо-
мерность наиболее наглядно наблюдается при взаимодействии
спиртов с хлороводородной кислотой. Первичные спирты реаги-
руют с ней только в присутствии кислот Льюиса и при одновре-
менном пропускании газообразного НС1. В качестве кислоты
Льюиса обычно используют хлорид цинка, который образует
комплекс со спиртом:
R-O-H + ZnCI2-------► R - 6 - [znCl2l-
I J
H
Вторичные спирты реагируют с концентрированной хлорово-
дородной кислотой при одновременном пропускании газообраз-
ного хлороводорода, и только третичные спирты легко взаимо-
действуют даже с разбавленной хлороводородной кислотой. Эту
реакцию используют при идентификации спиртов (проба Лу-
каса).
По-видимому, с третичными спиртами реакция протекает по
двухстадийному механизму SN1:
(СН3)3С - ОН (СН3)3С - ОН,--------->
г -нао
--->[(СН3)3 с]-^*(СН3)3С - С1
Так же легко замещается гидроксигруппа в бензиловом спир-
те СбН5СНгОН на атом хлора или брома, несмотря на то что
этот спирт является первичным. Он реагирует с концентрироваи-
141
ной хлороводородной кислотой даже при комнатной температу-
ре. И в данном случае есть основания предполагать, 4Tjp реак-
ция, проводимая в воде, протекает по механизму SnI#, причем
гетеролизу протонированного бензилового спирта благоприятст-
вует возможность рассредоточения положительного заряда в об-
разующемся карбокатионе с участием п-электронов бензольного
кольца
Взаимодействие спиртов с галогенидами фосфора и тионил-
хлоридом, При взаимодействии спиртов с галогенидами фосфора
также образуются алкилгалогениды, причем выходы алкилгало-
генидов выше, а количества побочных продуктов* ниже, чем при
реакции с галогевоводородами
Галогениды фосфора не являются протонными кислотами,
однако на входящем в них атоме фосфора имеется значитель-
ный дефицит электронной плотности, поскольку электроотрица-
тельность фосфора (2,1) существенно меньше, чем электроотри-
цательность галогенов.
Связь между молекулами этих галогенирующих агентов и мо-
лекулой спирта образуется за счет неподеленных пар электронов
атома кислорода группы ОН, Далее галогенид-ион отщепляет
протон от оксонпевого атома кислорода (рЯа= 10), что приводит
к образованию интермедиата, который можно рассматривать
как продукт замещения атома водорода группы ОН на элект-
роноакцепторную группу РХ2 или РХ4 соответственно.
+
СН3СНг - ОН + СН3СНг - 0 - РХ„ _ ,
н
л = 3,5
X"
-нх*
—СН3СН2-0 - РХП _ !
В промежуточно образовавшихся соединениях на атакуемом
атоме углерода увеличивается дефицит электронной плотности,
* При действии PC1S происходит окисление спиртов, так как этот реагент мо
жет диссоциировать с выделением хлора"
РС15^=* РС13 + С12
142
что повышает способность субстрата к реакциям нуклеофильно-
го замещения Реакция протекает по механизму SN2, так как
взаимодействие оптически активного спирта с галогенидами
фосфора сопровождается вальденовским обращением.
рт3
Не исключено, что алкплгалогеннд получается без промежу-
точного образования интермедиатов в результате взаимодейст-
вия галогенид-иона с протонированным оксонневым катионом:
Н
Х“ + СН3СН2- 6 - РХ2—СН3СН2 - X + НОРХ2
+
Скорость рассматриваемых реакций, как в всякой реакции,
протекающей по механизму SN2, существенно зависит от нук-
леофильной силы галогенцд-иона, а также от частичного поло-
жительного заряда на атакуемом атоме углерода. Поэтому ма-
лодоступные иоднды фосфора более реакционноспособны, чем
хлориды, а пентагалогениды, промежуточно образующие эфи-
ры, в которых атом фосфора связан с большим числом атомов
галогена, активнее соответствующих тригалогецидов.
11ос[<ольку нуклеофильная сила иона С1 невелика, а остаток
РС]2 не может создать достаточный частичный положительный
заряд не атакуемом атоме углерода, при реакции первичных
спиртов с РС13 побочно образуется смесв различных эфиров
фосфористой кислоты Несмотря на то что бром менее электро-
отрицательный элемент, чем хлор и, следовательно, РВга созда-
ст еще меньший 6+ на атоме углерода, реакция с РВга проте-
кает более однозначно, так как ион Вг- —более сильный нук-
леофил, чем CI , и это в конечном счете оказывает решающее
влияние на ход реакции Поэтому нанболвщее практическое зна-
чение рассматриваемый метод приобрел для получения из спир-
тов алкилбромидов; обычно при этом используют не готовое со-
единение трибромида фосфора, а смесь брома и красного фос-
фора.
Алкилиодиды этим методом получаются со значительно бо-
лее высокими выходами, чем при действии иодоводбродной кис-
лоты, так как последняя может восстанавливать как исходный
спирт, так и образовавшийся алкилнодид до предельного угле-/
водорода
Для получения первичных алкилхлоридов в качестве донора
хлорид-иона хорошо зарекомендовал себя гнонилхлорид (оксид-
дихлорид серы). В данном случае первая стадия реакции про-
текает аналогично описанной выше
о
11
сн3сн2- 0Н + S - CI
Г о-
+ I
СН.СН,-О - S-CI
I I
Н С1
-НС1
сн3сн2-о - S - С1
(40)
Механизм последующего превращения существенно зависит
от условий проведения реакции, Если в реакционной смеси при-
сутствует пиридин, обладающий основными свойствами и поэто-
му являющийся акцептором протона
(0NH СГ
или если реакцию проводят в отсутствие растворителя, то осво-
бодившийся хлорид-иод атакует соединение (40) с тыла, и реак-
ция протекает по механизму SN2,
Если же реакцию проводить в растворе эфира или диоксана,
где диссоциация хлороводорода невелика и он присутствует в
основном в виде внутренней ионной пары, реакция идет по внут-
римолекулярному механизму SNi> причем из алкилхлорсульфита
промежуточно образуется внутренняя ионная пара (41), а не
четырехцентровое переходное состояние (42), как раньше пред-
полагали.
(42)
(41)
Так как при этом катион .R+ не образуется как кинетически
независимая частица, атака его хлорид-ионом после выделения
SO2 на заключительной стадии реакции происходит со стороны
уходящей группы. Это можно обнаружить при использовании
в качестве субстрата оптически активного спирта, в котором
группа ОН связана с асимметрическим атомом углерода. Напри-
144
мер, при термическом разложении эфира (43), полученного из
октанола-2 в диоксане, в образовавшемся (октил-2) хлориде
конфигурация сохраняется на 84%,
СН3-(СН2)5-СН-СН3 (43)
OSOCI
Однако существует и другая интерпретация механизма реак-
ций такого типа, в результате которых получается продукт с не-
изменной конфигурацией. Ее защитники утверждают, что при
проведении реакции в диоксане конфигурация сохраняется не
из-за образования внутренней ионной пары или четырехцентро-
вого переходного состояния (42), а в результате двойной ин-
версии
Согласно этой интерпретации, никакого механизма SNi не су-
ществует
Однако есть примеры реакций, относительно которых с
большим основанием можно утверждать, что они протекают по
механизму SNi. Так, при взаимодействии бутен-2-ола-1 с тионил-
хлоридом образуется исключительно продукт аллильной пере-
группировки — З-хлорбутен-1:
СН3- СН=СН - СН2-ОН + SOCl2—»-СН3- CHCI- сн=сн2
Если бы реакция протекала но механизму Sn2, то должен был
бы преимущественно образоваться I-хлорбутен-2.
По всей вероятности, в данном случае замещение группы ОН
на атом хлора осуществляется по внутримолекулярному меха-
низму с промежуточным образованием шестичленного переход-
ного состояния:
СИ2
СН3”НС yyS=O
Cl
Взаимодействие спиртов с серной кислотой. При нагревании
спиртов с минеральными кислотами или кислотами Льюиса (на-
10— Ц25 НО
пример, с BFa, ZnCh, AICl3) образуются простые эфиры. При ис-
пользовании серной кислоты образованию простого эфира пред-
шествует образование а л ни леер ной кислоты RCHsOSChOH,
Образование простых эфиров из спиртов может происходить
в газовой фазе в присутствии оксида алюминия, оксида тория
или обезвоженного KA1(SO4)2. При проведении реакции необ-
ходимо строго соблюдать температурный режим, так как повы-
шение температуры влечет за собой образование алкенов.
Третичные спирты, например грет-бутиловый спирт, в фт^х
условиях не образуют простых эфиров; основными продуктами
реакции в данном случае являются полиизобутилен и трег-бу-
тилсерная кислота.
При нагревании двухатомного спирта этиленгликоля с сер-
ной кислотой образуются диоксан и ацетальдегид (побочный
продукт), а из бутандиола-1,4 — тетрагидрофуран:
2НОСН2-сн2он Нг50<> оЗо + сн3-сно
но ~ си^сНг^сНг - он -J.—1—>
Аналогично реакции с галогеноводородамц, взаимодействие
первичных спиртов с серной кислотой начинается с протониро-
ван ня атома кислорода гидрокси группы. Так как последующее
образование первичного карбокатиона RCH2+ энергетически не-
выгодно, есть основания утверждать, что реакция протекает по
механизму 5^2 с промежуточным образованием алкилсерной
кислоты;
R
rch2 - ОН#- RCH2 - 0Н2 ^so<[HOSOa - о - -сн2 - - - 0H2)->
-~*RCH2 - О - SO2OH
— п^и * *
Об образовании алкилсерной кислоты в качестве интермедиа-
та при получении простых эфиров из первичных спиртов свиде-
тельствует тот факт, что простые эфиры можно получать и дей-
ствием на спирты заранее приготовленной алкилсерной кислотой;
R - ОМ + R'OSO2OH—► R - О - R’ + H2SO4
Электроотрицательность серы, как и углерода, равна 2,5, по-
этому в серной кислоте и ее анионах на атоме серы, связанном
с четырьмя более электроотрицательными атомами кислорода,
)46
имеется большой дефицит электронной плотности. Таким обра-
зом, в алкилсерной кислоте, которую можно рассматривать как
продукт замещения атома водорода в гидроксильной группе
спирта на электроноакцепторную группу X, на атоме углерода
связанном с группой ОН, создается значительный положитель-
ный заряд, и она способна реагировать даже с таким сравни-
тельно слабым нуклеофилом, как спирт:
S +
СН3СН2 - О- SO2OH + сн3сн2 - он—>сн3сн2 - О - СН2СН3 + H2SO4
Поскольку в результате реакции регенерируется молекула
серной кислоты, есть основания предполагать, что нуклеофиль-
ная атака молекулы спирта с вытеснением гидросульфат-анио-
на н депротонирование гидроксильной группы спирта происхо-
дят синхронно через шестичленное переходное состояние, на-
пример:
ч л»*
H0>sOche-ch3 0 0
Ъ Чей сн “* снз-сн2-о-сне-сн3 + W
сн2снз НОХ ХОН
Образование этилена при повышении температуры этой ре-
акции можно рассматривать как внутримолекулярный процесс
разложения этилсерной кислоты*, протекающий аналогично пи-
ролизу ацетатов:
(X хо
> сн2=сн2 +
HOZ ОН
Образование шестичленного циклического переходного со-
стояния с синхронным гетеролитическим перераспределением
связей при пиролизе ацетатов подтверждается кинетическими
исследованиями, согласно которым энергия активации этой ре-
акции невысока (150—210 кДж/моль), в то время как при про-
текании ее по любому другому механизму, предполагающему
промежуточное образование ионов или радикалов, энергия акти-
вации должна была бы быть выше (350 кДж/моль).
* Предположение, что этилен образуется из этилсерной кислоты по механиз-
му Е2, маловероятно, так как анион HSO4“ практически лишен основных
свойств:
HSOi + н - снг * снг- oso3h —»[HSO4- н сн2_ сн2 -030зН]_->
—* СН2 = СН2 + H2SO4 + HS04
J0*
Н7
При реакции вторичных спиртов с серной кислотой выходы
простых эфиров низки. Поэтому, например, диизопропиловый
эфир предпочитают получать по реакции;
bf3
(СН3)2СН - ОН + СН3 - СН ~ СН2-->(СН3)2СН - О - СН(СН3)2
Образование тетрагидрофурана из бутандиола-1,4 с позиций
рассматриваемого механизма можно рассматривать как внутри-
молекулярный процесс:
Альтернативное предположение, что на стадии, предшествующей образо-
ванию цикла, происходит протонирование атома кислорода второй гидроксиль-
ной группы [формула (44)], менее вероятно, если принять во внимание, что
нуклеофильная реакционная способность атома кислорода в группе HQSOjQ
ничтожна по сравнению с таковой в группе ОН Еще менее вероятно, что в ка
честве интермедиата образуется карбокатион (45) (энергетическая невыгод
ность образования первичного карбокатиона неоднократно обсуждалась)
НгС -сн2
' I +
нас сн2—он2
\ S +
SO20H
н2с — сн2
Н2с СН,
\ +
о
I
SO2OH
(<*) (45)
Реакция этиленгликоля с образованием диоксана, если ис-
пользовать предлагаемый механизм, по-видимому, представля-
ет собой бимолекулярный процесс, в котором участвуют две мо-
лекулы эфира серной кислоты:
Л о 5*
НО —S- о-н8с—сн2
н2с—снг
> o' Ъ + 2H2SO4
п2с-сн2
Альтернативная схема, согласно которой во взаимодействии
участвуют полный эфир HOSO2OCH2CH2OSO2OH и молекула
неэтерифицированного этиленгликоля, менее вероятна, так как
протонирование атома кислорода гидроксигруппы в самом гли-
коле, предшествующее образованию эфира, должно происхо-
дить легче, чем вторичное протонирование оставшейся гидрокси-
группы в соединении HOSO2OCH2CH2OH, основность которой
должна быть понижена электроноакцепторной группой HSO3.
Наконец, побочное образование ацетальдегида при синтезе
дноксана можно рассматривать как внутримолекулярный про-
цесс ^-элиминирования:
В отличие от Э1иленгликоля при взаимодействии двутретич-
ных гликолей (пинаконов) с серной кислотой карбонильные со-
единения образуются в качестве основного, а не побочного про-
дукта. По-видимому, реакция протекает по механизму SN1, как
н со всеми третичными спиртами, с промежуточным образова-
нием карбокатиона (46), который далее претерпевает нинако-
линовую перегруппировку, образуя пннаколин (48):
(СНз^С - С(СН3)2
но он
^-> (СН3)гС - С(СН3)2 —
но +он2
» (СН3)2С - С(СН3)2—> СН3 -
I J -
но
(46)
С С(СН3)3
он
(47)
-и*-
---->СН3-С-С(СН3)3
о
(48)
Здесь следует рассмотреть вопрос, почему карбокатион (46)
перегруппировывается в карбокатион (47). Катион (47) более
стабилен, так как в рассредоточении положительного заряда в
нем участвует обладающая -|-Л1-эффектом группа Он, тогда как
в карбокатионе (46) в рассредоточении положительного заряда
участвуют только обладающие -|-/-эффектом метильные группы.
Подтверждением того, что в процессе реакции в качестве
но
промежуточной частицы образуется карбокатион (46), служит
тот факт, что при действии нитрата серебра на 3-бром-2,3-диме-
тнлбутанол 2 также образуется пинаколнн (48):
Ад* +
(СН3)2С - С(СН3)2 (СН3)2С - С(СН3)2
-----► (48)
-нн
НО Вг
ОН
Аналогичным образом, пинакон (49), полученный действием
магния на цнклопентанон превращается в спиро [4.5) дека нон-6
(50):
Нгс—сн2 н2с—снг
НгСно
--- Ск JCH2 —*•
нА СН2 -н^
(49)
н2с—снг н2с—сн2
н-а „с-----с ^сн
ОН
СН2
Н2С—
1гс /н*
нгс—С
но
(50)
При действии безводной щавелевой кислоты на пинаколпно-
вый спирт (51) наблюдается ретроцинаколиновая перегруппи-
ровка. В данном случае из вторичного карбокатиона (52) обра-
зуется более энергетически выгодный карбокатион (53), кото-
рый затем стабилизируется депротонированием;
СНз - сн - C(CH3)3J^[CH3 - сн - С(СН3)3] —>
он
(51)
[(СН3)2СН - 5(СН3)2].^(СН3)2С = С(СН3)г
Моноалкилсерные кислоты способны реагировать лишь с
ограниченным числом нуклеофильных реагентов, так как кис-
лотность группы SO3H соизмерима с кислотностью серной кис-
лоты. Поэтому при взаимодействии алкилсерной кислоты с та-
1»
кими солеобразными нуклеофильными реагентами, как KCN,
K5CN, NaOC2H6, являющимися солями более слабых кисло/
в первую очередь образуются соли типа ROSOa К+, в анионах
которых положительный заряд на атоме углерода, непосредст-
венно связанном с сульфогруппой, значительно понижен, а из
первой молекулы полностью ионизированных солей К+ “CN,
Na* “ОС*Н5 получаются более слабые нуклеофилы HCN и
С2Н6ОН соответственно
В отличие от алкилсерной кислоты средние эфиры серной
кислоты — диалкилсульфаты, будучи веществами нейтральны-
ми, реагируют с большим числом нуклеофильных реагентов:
C2H5OR
С2Н5ОСОСН3
C2H6SH
c2h5sr
(C2H5O)2SO2
"son
NO;"
RCeC"
"CN
C2H55CN
C2H5NO2
C2HbC=CR
c2h5cn
(C2H5O)2SO2 (CH(COOtWiTc2H5 - CH(COOC2H5)2
(C2ri50)2502 —3 или *ми»ы Амины + (C2H5)4N -O3SOC2H5
nh2
(c2h5o)2so2 A.= C<HH^ CgHs - s - c = nh2
_O3SOC2H5
Как правило, в реакции принимает участие только одна ал-
кильная группа диалкилсульфата, так как образующаяся на
первой стадии соль в меньшей степени, чем диалкплсульфат,
способна к реакциям нуклеофильного 'замещения:
С3Н5О - SO2 - ОС2Н5 + М+ А'-* С2Н5О - S02 - 0“ м +
Диалкилсульфаты широко применяют в препаративной прак-
тике в реакциях С-алкилировании (реагенты— RCsС , >
[СН(СООСаН5)2]-}, О-алкилнрования (реагенты - ’
151
СН3СОО~), S-алкилироваиия (реагенты — HS ; RS ; ~SCN) и
А-алкилирования (реагенты — NO2“, NHa, амины).
Аналогично применяют тоэилаты, получаемые действием
n-толуолсульфонилхлорида на спирты:
Высокая реакционная способность тозилатов также обуслов-
лена заменой атома водорода в гидроксильной группе спирта на
злектроноакцепторную тозильную группу.
Реакции тозилатов (см. ниже) за исключением реакции с
фторид-ионом протекают по механизму 5N2. Частичный поло-
жительный заряд, индуцируемый тозилатной группой, больше,
чем заряд, индуцируемый атомом хлора. Например, при взаимо-
действии хлорэтилтозилата с фталимидом калия замещается не
атом хлора, а остаток д-толуолсульфокислоты.
но"
c2h5or
Я = Alk.Ph
"SON
------»- C2H6SCM
RCOO“
C2H5OCOR -*----
RCOS"
C2H6 SC OR —----
~сн3с6н4$о2ос2н5
HS”
C2H5SH -----
„ Rs"
C2H5SR —----
(С2н5 )2s
$2-
CH3C6H*SOjOC2H5
—J ► CaH5(
ацетон *= a
F~
(дмзтилен- ^2^5^
гликоль)
RC«C"
"1 C2H^Csj CR
WCN
----*-C2H5CN
S.HjN - NHj
*-c2h5nh2
[СН(СООСгН5)г]
CH3C6H4SO2OC2H5 -------------------► C2HSCH(COOC2H5)2
N(C2Hs)3
CH3C6H4SO2OC2H6 ------------> CH3CeH4SO2O- +N(C2H5)4
При алкилировании тозилатамп, полученными даже из раз-
ветвленных и непредельных спиртов, не происходит перегруппи-
ровок радикала.
Следует специально остановиться на реакции с ионом F-,
позволяющей получать из спиртов труднодоступные ал кил фто-
риды, Фторнд-ион — чрезвычайно слабый нуклеофильный ре-
агент. Поэтому в инертных растворителях, несмотря на значи-
тельный частичный положительный заряд на а-атоме углерода в
тозилате, фторид-ион не реагирует с ним по механизму Sr,1? '
нуклеофил.
Реакцию этилтозилата с фторидом калия проводят в д..
этиленгликоле — протонном растворителе, обычно используе-
мом при проведении реакций по механизму В данном слу-
чае гетеролиз связи С—О при первичной, а не при наиболее вы-
годной третичной алкильной группе становится возможным, lv-
скольку энергия образования тозилат-аниона даже по Срав^е
нию с ] алогенид-ионом невелика из-за равномерного рассредото-
чения отрицательного заряда по трем атомам кислорода су
фогруппы.
Таким образом, реакция протекает по механизму SnI, и нт
первой стадии образуется чрезвычайно активный первичный
карбокатион, который, будучи сольватирован молекулами ди-
этиленгликоля, мгновенно реагирует даже с таким слабым нук-
леофилом, как фторид-ион:
(НОСН2СНг)гО + Р-
CH3C6H4SO2OC2H5 - > СН3СН2->ch3ch2f
Интересные результаты были получены при сольволизе уксус-
ной кислотой тозилата, полученного из меченого первичного
fl-фенилэтилового спирта:
С5Н5 - СН2 - 14СН2 -*0 - SO2 ~ С6Н4 ~ СН3 —----->
-» С6Н5 - СН2 - 14СН2 - О - СОСН3 +
+ CrHc - 14СН9 - СНР - О - СОСН3
Q W £ t *
г
Уксусная кислота обладает высокой диэлектрической про-
ницаемостью, а тозилат-анион, согласно высказанным выше со-
ображениям, стабилизируется рассредоточением отрицательно-
го заряда, поэтому можно утверждать, что и в данном случае
реакция протекает по механизму S-J и начинается с гетеролиза
субстрата;
с6н5 - сн2 - ”СН2 - OSO2C6H4CH3->
+
—* ^6^5 ~ СН2 - + Оз^СцНдСНд
Несмотря на то что при этом образуется первичный карбока-
тион (53), он, как и бензильный катион, может стабилизировать-
ся за счет участия в рассредоточении положительного заряда
л-электронов бензольного кольца. При этом образуется неклас-
сический карбокатион (54), в котором атаке уксусной кислотой
с равной степенью вероятности могут подвергаться как меченый,
гак и немеченый атомы углерода.
Примером реакции, в которой по механизму Sn2 последова-
тельно происходит нуклеофильное замещение сначала атома га-
логена. а потом группы О~*Х, является реакция Арбузова, ко-
торую часто ошибочно называют перегруппировкой (в том слу-
чае. когда реагирует триэтилфосфит, эта реакция действительно
похожа на перегруппировку):
[СН3О)3Р - + С2Н5Вг—»(СН30)2Р* С2Н5 + СН3Вг
Первую стадию реакции можно рассматривать как реакцию
нуклеофильного замещения брома в этилбромиде, причем в ка-
честве нуклеофила выступает эфир фосфористой кислоты (фос-
фит) :
(СН3О)3 Р : + СН3 - сн2—> Вг—*(СН3О)3 Р - С2Н5 Вг
Катион образующейся при этом соли можно рассматривать
как продукт замещения атома водорода группы ОН метилового
спирта электроноакцепторной группой Ф(ОСНз)2С2Н5 Поэто-
му заключительную стадию реакции можно рассматривать как
замещение группы ОР*" (ОСН3)2СгН5 нуклеофилом Вг:
ВГ^ СН3-^оХр(ОСН3),---> СН3—В г + о=р(оснэ)а
сгн5 сан5
154
2.2.2. Реакции простых эфиров,
ацеталей и ортоэфиров
Как было показано в предыдущем разделе, замещение атома
водорода в группе ОН электроноакцепторными группами PClj,
SO3H, СНзгС6Н45О2 повышает положительный заряд на а-атоме
углерода и увеличивает тем самым реакционную способность
спиртов по отношению к нуклеофильным реагентам. Обратное
наблюдается при замещении атома водорода в группе ОН
спиртов электронодонорными алкильными группами. Простые
эфиры — малореакционноспособный класс Органических соеди-
нений.
Одним из немногочисленных реагентов, взаимодействующих
с простыми эфирами, является иодоводородная кислота. При
повышенных температурах молекула простого эфира расщепля-
ется и образуются две молекулы а л кил иод ид а:
R - О - R’ + 2HI —* R - I + R' - I + Н2О
Иодоводородная кислота — одна из наиболее сильных мине-
ральных кислот, а иодид-ион обладает высокой нуклеофильной
реакционной способностью. Механизм реакции расщепления
простых эфиров иодоводородной кислотой можно представить
следующим образом:
\ н+ + , г .
R - О - R —* R ” О - R -1* Rl + R ОН
(SN2)
R'OH R' - ОНА R'l + Н2О
(SN2)
Таким образом, нуклеофильной атаке иодид-иона в обеих
стадиях предшествует электрофильное присоединение протона.
В мягких условиях из диалкиловых эфиров образуется одна
молекула алкмлнод.ид.а и молекула спирта. Для несимметричных
простых эфиров наблюдаются следующие закономерности.
Если одна из алкильных Трупп простого эфира метильная,
то образуется преимущественно метилиодид:
СН3 - О - R + HI —>СН31 + R - ОН
R = CH2R', CHR'2, С6Н5
Алкилфениловые эфиры дают алкнлиодид и соответствую-
щий фенол (ие не иодбензол!).
155
Эти результаты можно объяснить, предположив, что реакция
протекает по механизму 5^2. В протонированной молекуле про-
стого эфира иодид-ион атакует предпочтительно атом углерода
с ббльшим положительным зарядом и при взаимодействии с ко-
торым возникает меньше Пространственных затруднений, т. е.
атом углерода метильной группы.
Г +
Н
Н^с-О~сн(сн3)г—>
й н L Н й
7
f о—сн(сна)г
—> СН31 + (СНз)аСНОН
О том, что в данном случае реакция протекает по механизму
Sn2, а не с промежуточным образованием карбокатиона, сви-
детельствует то, что при расщеплении оптически активного про-
стого эфира (56) образуется оптически активный спирт. Это
означает, что связь атома кислорода с асимметрическим атомом
углерода в процессе реакции не затрагивается.
сн,-о-сн-сн3
3 I
CjHg
(56)
Однако при расщеплении Простых эфиров, у которых один
из радикалов третичный, образуется третичный алкилиодид:
СН3 - О - С(СН3)3 + HI —►СН3ОН + (СН3)3С - I
На этом основании можно утверждать, что в данном случае
расщепление протонированного простого эфира протекает уже
по механизму SN1:
СН3 - о - С(снл-!4 сн3 - о - с(снз)з СНз)з0+,
н
"быстра 'СНз)зС “ 1
Нуклеофильное замещение алкоксигруппы значительно об-
легчается, если атакуемый атом углерода в субстрате связан не
с одной алкоксигруппой, как в простых эфирах, а с двумя (аце-
тали) или тремя (ортоэфиры).
Ацетали, сравнительно устойчивые в щелочной среде, гидро-
лизуются в присутствии каталитических количеств минеральных
кислот:
ОС2Н5 ОС2Н5
I L1+ I +
RCH - OCaHs-2* RCH - ОС2Н5
Н
ОН
RCH - ОС2Н5-£
-с,н,он,
£ 3
-н+
ОН
1 +
-» RCH - ОС2Н5
I
Н
RCH - ОН
О
II
—* R-С-Н
-HjO
Дефицит электронной плотности на а-атоме углерода в аце-
талях, обусловленный — /-эффектом алкоксигрупп, не настолько
велик, чтобы мог осуществиться щелочной гидролиз.
Ортоэфиры, в отличие от ацеталей, гидролизуются в присут-
ствии как минеральных кислот, так и щелочей:
OC2HS нгО
________-С „ ---------R - СООН + ЗС2Н5ОН
С2Н5О^^ ос2н5 1Н* или ~ОН]
С2Н5О ос2н5
3^с<Г
с2н5о ос2н5
---------СО, + 4С2Н=ОН
[Н+ или ~рн) 2 26
ортоугольный эфир
2.2,3. Реакции а-эпоксидов
Эпоксисоединения — оксиран и его гомологи—также можно от-
нести к классу простых эфиров, однако их реакционная способ-
ность значительно выше Это, по-видимому, объясняется тем,
что в эпоксидах, как и в трехчленных циклических углеводоро-
дах. имеется значительное угловое напряжение валентные углы
деформированы по сравнению с тетраэдрическим. В отличие от
простых эфиров а-эпоксиды способны реагировать не только с
иодоводородиой кислотой, но и с разбавленными хлороводород-
ной и бромоводородной кислотами с образованием галогенгид-
ринов Эта реакция протекает по механизму, аналогичному взаи-
модействию галогеноводородов со спиртами. Кроме того, эпо-
167
ксиды реагируют с водой и спиртами в присутствии каталити-
ческих количеств минеральных кислот:
Н2С^—^сн2н2с—-сн2 —НОСН2-СН2С1
о +0 - н
Н2С—— 0Н2 н+— НОСН2-СН2ОН
о
u „ „ 1.Н*
н2с — сн2------------hoch2-ch,or
\ / 2.R0H;~H+
о
Реакция со спиртами позволяет получать имеющие большое
практическое применение растворители — целлозольвы.
Несимметричные эпоксиды разветвленного строения, подобно
третичным простым эфирам, реагируют по механизму S\l, т. е.
в Протонированном эпоксиде сначала раскрывается цикл С об-
разованием карбокатиона (стадия, определяющая скорость все-
го процесса), а уже потом происходит взаимодействие со спир-
том как с нуклеофилом:
—*-(СН3)2С —-сн2
+он
—[(СН3)2С - СН2ОН] ^(СН3)2С - сн2он
-Н |
OR
По такой схеме со спиртами реагирует даже 1,2-эпоксипро-
пан, образуя преимущественно соединения типа (57). Если бы в
данном случае реакция протекала по механизму Sn2, то атака
молекулы спирта была бы направлена преимущественно на ме-
нее экранированный и имеющий больший частичный положи-
тельный заряд атом С-1.
СН3- СН - СН2- ОН (57) .
OR
К реакциям рассматриваемого типа относятся также реак-
ции присоединения гидросульфита натрия, циановодородной
15$
кислоты и сероводорода:
Н2С — СН2 + НО - S - ONa-*HO - СН2 - СН2- S03Na
\ / II
о О
Н2С —СНа + HCN-э-НО - СН, - СН, - CN
\ /
О
H2C-CH2-t- H2s— НО - снг - СН2 - SH
Q
Оксиран может также реагировать с нуклеофильными реа-
гентами. не обладающими кислыми свойствами, например с
аммиаком, причем в зависимости от соотношения реагентов мо-
гут образовываться моно-, ди- и триэтаноламины;
“О - СН2СН2 - NH3
1—**- HOCH2CH2NH2
—►(H0CH2CH2hNH
—>-(HOCH2CH2)3N
Более однозначно оксиран реагирует с первичными и вто-
ричными аминами. При взаимодействии с триметиламином в
присутствии воды образуется холин (58):
НгС-СН2 + RNH2-*HO - СН2 - СН2 - NHR
О
Н2С - СН2 + R2NH—*НО - СН2 - СН2 - NR2
H2c^-CH2 + :N(CH3)3Mho- СН2- СН2-Ы(СН3)Э "он
О (58)
Гомологи оксирана реагируют с аммиаком и аминами по
механизму S\2. Амины атакуют в эпоксиде более электроно-
дефицитный атом углерода:
б +
R—»НС----СН2 + СНз - NH2--R- СН - СН2 - NHCH3
\ он
159
Аналогичным образом оксиран и его гомологи реагнруки е
фосфинами (например, с трифенилфосфином), которые явля-
ются еще более сильными нуклеофилами, чем аммиак и амины.
Однако в данном случае вследствие большого сродства фосфо-
ра к кислороду реакция не заканчивается присоединением реа-
гента, а идет дальше, и образуются алкен и трифенилфосфин-
оксид:
Н2С —/СНг + :Р(СбН5)з
О
н2с - сн2
-О +Р(С6Н5)3
Н2с - сн2
О-Р(С6Н5)з
—*-СН2 = CHg + о — Р(^б Нб )з
В том случае, когда с трифенилфосфином реагирует Z-изо-
мер гомолога оксирана, то образуется £-изомер алкена:
Казалось бы, при взаимодействии f-изомера этого же эпо-
ксида с трифенилфосфином должен был бы образоваться
Z-изомер алкена. Однако было установлено, что и в этом слу-
чае основным продуктом является также Н-изомер, Этот факт
объясняют следующим образом. Вначале реакция протекает
так же, как изображено выше, и приводит к аддукту (59). Од*
нако в образовавшемся аддукте (59) возникает сильное взаим-
ное отталкивание находящихся в цис-положен и и радикалов R
и R'. что приводит к разрыву связей С—С н Р—О и проиежу-
IS0
точному образованию карбонильною соединения и илида фос-
фора:
О
—► [r'CHO + (CeHs)3P=CHI?]
Учитывая, чго углерод более электроотрицателен, чем фос-
фор, и лид можно представить в виде двух резонансных
структур;
+ —
(СбН5)3Р = CHR (С6Н5)зр - сн - R
Последующее втаимодействие илида е карбонильным соеди-
нением идет преимущественно через переходное состояние
(60), в котором не возникает пространственных затруднений для
радикалов R и R':
, + -
(С6н5)3р—С^н____(свн5)эр— <хн
O==C-'>"''R О—
V v
(60)
Вода реагирует с оксираном в присутствии не только кис-
лых, но и щелочных катализа юров. В последнем случае реак-
ция начинается с атаки анионом ОН одною из атомов угле-
рода, имеющих дефицит электронной плотности, а образовав-
шийся при этом анион вырывает из воды протон, регенери-
руя ^ОН:
Н2С —-£Н2 + :О- Н
О
СНг - СН2
1 I
О' он
нго
СН2 - СН2 + -ОН
он он
11—1425
161
2.2.4. Реакции альдегидов и кетонов
В альдегидах и ке гонах агом кислорода святая о- и «-связями
с одним и тем Же атомом углерода ^Вследствие высокой поля-
ризуемости л-свять сильно смещена в направлении более элек-
троотрицательного атома кислорода. Несмотря на то что длины
святей С—О и С —О равны соответственно 0,143 н 0,121 нм,
дирольный момент (который, как известно, является произведе-
нием заряда на расстояние между разноименными зарядами)
этилового спирта равен 1,70 Д, а у аце(альдш ида он составляет
2,70Д Этц значения свидетельствуют о том, чю на атоме у тле-
рода карбонильной группы имеется значительно больший дефи-
цит электронной плотиос'Гй, чем на атоме углерода, связанном
с группой ОН в спиртах, и иоэн>муг альдегиды н кетоны долж-
ны легче реагировать с нуклеофильными реагентами Первой
стадией таких реакций является присоединение нуклеофильного
реагента но святи С = О
нго
—р-
ОН
(
;с - y
-НО"
В том случае, когда в образовавшемся аддукте (61) ответ-
ственный та нуклеофильные свойства атом связан с атомами
водорода (Y = NHa, \HR, NHNH2, NHMHCOMH2, МНОН), в
в большинстве случаев реакция завершается отщеплением воды,
и образовавшееся соединение можно рассматривать как про-
дукт замещения атома кислорода карбонильной ipynrrw нуклео-
фильным реагентом
Реакции карбонильных соединений с некоторыми нуклео-
фильными реагентами приведены ниже
ОН
CN
нею
ОН
NaHSOj
----------
РСЦ
(с<А)3р.сНз[
C^HjLi
с= СНг
С = 0
1«2
он
;с = о^
,С - NHj
-H2O
- мн—>• Циклический тример
:c = n-oh!^> = o5L!!V\ = n.r
оксим 'основание Шиффа
\ Н2ЫМНг ' С = О *- ЧС = N - NH2 \ = N - N = С' ^гилоазон ' азин
-с _ 0 h^jhconj^V = N _ NHC0NH2
' семикарбазон
Реакция карбонильных соединений с PCI-, протекает весьма
энергично Ее механизм аналщичен механизму реакции заме-
щения гидроксш руины на атом laaoiena при действии на спир-
ты гэлогенядов фосфора:
С=О
с—о—pci
сг J
—>- ^>СС12 + О=РС1з
Возможно, что вторая стадия реакции протекает по меха-
низму 5nE
Реакция с HCN катали зируется щелочами, и поэтому ее
механизм можно представить следующим образом
HCN *CN
-н?о
)С -О
О" он
4-CN ^-^CN
-НО'или 'CN
Реакция с iидросульфитом натрия, по-видимому, начинает-
ся с нуклеофильной атаки атома углерода карбонильной груп-
пы гидросульфит-аниопич, в котором на атоме серы имеется
неподеленная пара злекгронов-
= О + HSO3—*
‘ О' ОН
- SO3H ~н -+н*>с - SO3
11"
163
С аммиаком ют только низшие альдегиды.
Остальные карбонильные соединения дают более сложные про-
дукты реакции.
Реакции с аминами, гидразином, семи карбазидом, гидро-
кснламином легко протекают при кипячении водных или спир-
товых растворив компонентов. В механизмах этих реакций
есть много общего. Их движущей силой является наличие зна-
чительного дефицита электронной плотности на атоме углерода
карбонильной группы, а также наличие неподеленной пары
р-электронов па атоме азота нуклеофильного реагента: :NH?A
(A = R, NH?, NHCONH?. ОН). Реакция протекает по схеме;
СТ ОН
> :nh,a । + ,н. +н< . ।
'с~°—чс _ Nh2a ГР—t^Tc_NHA
(62) (63)
В аддукте (62) атомы водорода, связанные е несущим пол-
ный положительный заряд атомом азота, обладают большой
протонной подвижностью (рКа = 10,64), поэтому один из них
отщепляется в виде протона, а затем присоединяется по месту
с наибольшей электронной плотностью—к атому кислорода.
Таким образом, замещению атома кислорода карбонильной
группы па азотсодержащие нуклеофильные реагенты предшест-
вует их нуклеофильное присоединение с образованием интер-
медиата, в котором атом углерода одновременно связан с двумя
функциональными группами, имеющими —/эффект (обуслов-
ленный большей но сравнению с атомом углерода электроот-
рицательностью входящих в эти группы атомов кислорода и
азота).
Наличие —/ эффекта у группы ОН можно доказать увели-
чением кислотности при увеличении атомности спиртов; .зна-
чения p/G приведены ниже:
СН,СН2ОН 15,5 НОСНгСНОНСН2ОН 13,5
НОС1ЬСН2ОН 14,9
естественно предположить, что в еелг-диолах, в которых обе
гидроксильные группы связаны не с соседними атомами угле-
рода, а с одним и тем же атомом углерода, атмы водорода этих
групп будут обладать еще большеii протонной подвижностью.
Это может повлечь за собой протонирование (не обязательно
внутримолекулярное) атома кислорода одной цз гидроксильных
164
групп, отщепление воды и регенерацию прогона и карбониль-
ного соединения:
--->^С = О
Именно поэтому гелыдиолы существуют в природе лишь в
исключительных случаях. Как правило, они теряют молекулу
воды и превращаются н карбонильные соединения.
По этим же причинам аддукт (63), образовавшийся при
взаимодействии карбонильных соединений с азотистыми осно-
ваниями, с различной степенью легкости, зависящей от приро-
ды <аместителя А, может отщеплять молекулу воды:
(63)—* = ГМ + Н20
В том случае, когда заместитель А обладает электроноак-
ненторными свойствами [A = NHCONH2 (в семккарбазиде), ОН
(в гндроксиламцне) ], реакция щ останавливается на стадии
присоединения, и образованною и аддукты сразу же теряют
молекулу воды. Аддукт, в котором А = Н, существует в лрн-
роде. Например, продукт взаимодействия ацетальдегида с ам-
миаком — 1 -аминоэтанол-1, обычно называемый альдегидам-
мнаком, имеет т. пл, 97 °C, однако при нагревании выше темпе-
ратуры плавления происходит дегидратация с образованием
алг.димина и циклического тримера.
Реакции с гидразином и семикарбазидом катализируются
кислотами, причем для каждой из них существует определенное
оптимальное .значение pH. Ускорение реакции кислотами обус-
ловлено увеличением частичного положительного заряда па
атоме углерода карбонильной группы при се прогоцировангш:
С = О + н
:с = о - н
С - о- н
Однако следует учитывать, что при увеличении концентра-
ции кислоты одновременно будет протонироваться и атом азо-
та в нуклеофильном реагенте, а образующаяся при этом соль
аммония не реагирует с карбонильными соединениями.
Ускорение реакции с гидроксилампном каталитическими ко-
личествами щелочей объясняют большей протонной подвиж-
ностью атомов водорода группы МН^ в гидроксиламине по
165
сравнению t аммиаком нз-за —/-эффекта группы ОН Можно
предположить, что при мелочном катали-se происходит отщеп-
ление нроюна от гидрокспламина и карбонильное соединение
атакует частица, обладающая больщей нуклеофильной силой,
чем сам i цдрокспламип
ЙН2ОН + 'ОН 'NHOH + Н2О
С^О - NHOH -Н-~ » - NHOH----*-\з = NOH
Z / „НО' / 'Н?О/
Реакцию Впттнга можно рассматривать как замещение
атома кислорота карбонильной группы на алкилиденовую,
в частном случае па метиленовую, группу. На червой стадии
реакции трифецилфоефин ведет себя аиалощчно третичному
амичу, образуя при взаимодействии с алкил! алщенидом соль
фосфония На второй стадии реакции бутиллнтнй, являющий-
ся одним из самых сильных оснований, отщепляет протон от
метильной группы, образуя илид (64). Это становится возмож-
ным потому, что метильная группа непосредственно связана с
агоном фосфора, на ко юром имеется полный положительны»
заряд, что увеличивает протонную подвижность атомов вою
рода |рушты СНз На третьей стадии рсакпци иЛид (64), в ко-
тором на атоме углерода имеется избыточная электронная
плотность, взаимодействует с карбонильным соединением как
сильный нуклеофил, образуя интермедиат (65), который вслед
ствце большого сродства фосфора к кислороду распадается на
заключительной стащи) реакции с образованием алкена и со-
единения фосфора(\’)
СИ 11 + CaHqLi
(С6Н5)3Р-±Х (С6Н5)3Р - сн3 Г ——----------
*Lh, *С^Н1Л
+ - х - о
(CSH5)3P-CH2
(64)
(С6Н5)3Р- сн2
-о - с-
(СбН5)зР “ СН2
о- с -
---= СН2 + (С6Н5)3РО
(65)
2.2.5. Реакции карбоновых кисло»
Замещение гидроксигрупггы на агон галогена. Группа ОН
в карбоксильной группе, как и группа ОН в спиртах, способна
замешаться на галоген прн действии галогенидов фосфора и
тионнлхлорида с образованием галогецангидрида кислоты Од-
нако в данном случае правильнее предположить. что назван-
ные реагенты в первую очередь взаимодействуют с атомом кис-
лорода карбонильной группы, на котором сосредоточена боль-
шая избыточная электронная плотность, а не с атомом кисло-
рода гидроксигруппы, как в спиртах Реакция завершается
нуклеофильной а такой атома углерода, имеющего звачнтсль
ный положительный заряд, анионом С1 (пз НС1)
° .---к
РС14 к—С >РС14
<С1 О
Г С Г
---— С1 + О=РС13
-СГ II
По аналогичной схеме протекает реакция с тиоцилхлорндом,
которому часто отдают предпочтение в препаративной прак-
тике, так как в этом случае получается хлорангидри 1, не за'
грязненный неорганическими продуктами реакции
Однако в отличие от спиртов у карбоновых кислот замену
грхипы ОН иа агом галогена действием галогеноводородиых
кислот осуществи гь не удается. При взаимодействии НХ с кар-
боновыми кислотами в первую очередь происходит проицгиро-
вапие атома кислорода с образованием мезомерного катиона
(66). В этом KaiHone обе связи С—О б о. гос прочные, чем орди-
нарные. а основность атомов кислорода значительно ослабле-
на, вследствие чего повторное иротопнрование одною из них
второй молекулой НХ исключается Основная доля положи
тельного заряда в катионе (66) продолжает находиться на ато-
мах нтородз гидроксигрупп, а не на связанном с ними атоме
углеро ia, поэтому атака последнего таким слабым нуклеофи
лом. как галогенид ион, не .может быть успешной.
Замещение i идроксигруппы на аминогруппу. Заместить Груп-
пу ОН в кисло г ах на аминогруппу действием аммиака удается
только в .кеггких условиях, иосколькг аммиак в первую очередь
167
"Я
действует не как нуклеофильный реагент, а как основание, об
£>азуя аммониевую соль, в мезомерном анионе которой на ато-
ме углерода практически отсутствует дефицит электронной
ялотяости. При нагревании сухих аммониевых солей карбоно-
вых кислот происходит их разложение на исходные вещества,
после чего аммиак нуклеофильно атакует атом углерода кар-
бонильной группы:
-н+,+н*
J
---У 1<-С=О
-Нао
SHa
Замещение гидрокси группы на алкоксигруппу. Наибольшее
значение в препаративной практике получила реакция замеще-
ния гидроксильной группы карбоновой Кислоты иа алкоксигруп-
пу — реакция этерификации:
О О
И , н+ и /
R - С - ОН + R - - С - OR + НоО
Эта реакция равновесная; сместить равновесие вправо с
целью увеличения выхода сложного эфира можно тремя сносо*
бами: I) использованием значительного избытка (по сравнению
со стехиометрическим количеством) одного, более доступного,
реагента; 2) отгонкой образовавшегося сложного эфира, если
его температура кипения ниже, чем у обоих исходных веществ
(например, в случае получения этилформиата); 3) добавлени-
ем в реакционную смесь таких веществ, которые образуют с во-
'дой низкокипящие азеотропные смеси (например, бензол, то-
луол, четыреххлористый углерод), и отгонкой этой смеси в про-
цессе реакции.
В отсутствие катализаторов реакция этерификации протека-
ет очень медленно, поскольку На атакуемом атоме углерода
карбоксильной группы дефицит электронной плотности невелик
Из-за +М-эффекта группы ОН. Поэтому реакцию этерификации
проводят в присутствии катализаторов — минеральных кислот
(H2SO4, газообразный HCI. Н3РО4). Эти вещества протониру-
168
ют агом ктлорода карбонильной группы и тем самым увели-
чивают частичный положительный заряд на атакуемом атоме
углерода. Механизм реакции можно представить следующим
обратом:
Методом меченых атомов было докатано, что при проведе-
нии реакции этерификации действительно происходит замеще-
ние группы ОН ца алкоксигрупп;. а‘цс замещение атома водо-
рода на алкильную группу спирта. Так, при взаимодействии
бензойной кислоты с меченым метиловым Спиртом весь мече-
ный кислород был обнаружен в образовавшемся метилбензоа-
те, а не в воде:
ОН 18ОСН3
< I
С6Н5-С = О + СН3-180Н С6Н5-С-О + Н2О
Такое течение реакции подтверждает и гот факт, что при
проведении этерификации с участием оптически активного спир-
та активность продукта реакции сохраняется. Эго может наблю-
даться только в том случае, если в ходе реакции не затрагива-
ется связь атома кислорода группы ОН спирта с асимметриче-
ским атомом углерода.
Наиболее медленная стадия всего процесса — бимолекуляр-
ное взаимодействие протонированной кислоты с молекулой спир-
та, поэтому скорость реакции в первую очередь определяется
значением б-ь на атакуемом атоме углерода и размерами R
и R'.
Реакционная способность карбоновых кислот изменяется
симбатно их силе. Поэтому более реакционноспособны в реак-
ции этерификации кислоты, у которых R содержит электроно-
акцепторные группы. Кислотность щавелевой и муравьиной кис-
лот (рКа соответственно 1,92 и 3,77) настолько велика, что при
получении их эфиров не требуется присутствия минеральных
кислот.
169
Спирты Mivvj пора (('BiJBoTbuiuAHup эфиры не юльы> с ia
мими карбоновыми кислоими, ио и с некоторыми их функцио-
нальными производными RCOY Чем больше -/-эффект и нем
меньше + М-эффект тамесцпеля Y. тем больше б- иа атоме
углерода в тем с большей скоростью протекает реакция этери-
фикации или, как ее еще ца<ывзют. реакция пикирования
спиртов По способности ацилировать спирты ф-пкциональные
производные кислот расползаются в ряд
RCOX >(RCO)2O > RCOOf/ >RCOOH > RCONH2
При ыацмодег|стВ)ц| спнрюв с i алотенднт пдридами и ашид-
ридами кислот б-с на атоме углерота настолько велик, что не
требхется наталита минеральными кислотами и, наоборот, же
ллельно присутствие органических вешссгв основною харак-
тера (например, пиридина), нейтрализующих побочно образую
щнйея в результате реакции галогеповодород или карбоновую
кислоту
Каталось бы, ацилирующая способность галогецантидрндов
с учетом того, <что электроотрицательность галоюнов умень
шается ь ряду F > С1 > Вг > I. а поляри туемость
р-электронов атомт галогена, ответственная за + М-эффект,—
в обратном порядке, должна уменьшился в ряду RCOF >
> RCOC1 > RCOBr > RCOI
Однако на самом деле наблюдается обратная такономср-
ность Вотможно. что для меюмерною взаимодействия р-элек-
тронов атома гдло1ена с л-элек тронами святи <. = О. приводя
шего к погашению Л+ на аюме утлсрода, важен уровень, на
котором находятся р-электроны атома галотена
р Электроны фтора и л-электроиы святи С = О находятся
на одинаковом, втором, уровне, н это более благоприятно для
метомерного вшимодействия. чем нахождение р-электронов на
более высоких уровнях
Этим же можно объяснить высокую устойчивость к гидро-
лизу фторангидрттдов карбоновых кислит, в которых свя ть
С—F прочнее одинарной, а 6+ па атакуемом атоме углерода
несколько погашен
На скорость реакции этерификации влияет также объем
группы R в карбоновой кислоте Известно, что пивал и нова я
кислота (67), кислотность которой лишь немного меньше, чем
кислотность уксусной кислоты, образует сложные эфиры с боль-
шим трудом, так как метильные группы птрудняют нуклео-
фильную атаку находящегося рядом атома углерода карбо-
ксильной группы По этим же причинам мезитойная кислота
(68) в обычных условиях с трудом образует сложные эфиры,
ПО
в со время как мезитилуксусная кислот (69) > 1ернфицнрует-
ей нормально
(69)
Если мезитойнсю кислоту расширить в безводной серной
кислоте, то t помощью криоскопических измерений обнаружи
вается не фехкратная, как должно быть по стехиометрическо-
му уравнению, а четырехкратная депрессия точки замерзания
Обьясни1ь эю явление можно, предположив, что при растворе-
нии этой кислоты в серной кислоте образуется ацнлий-катион
Ацилий-кат ион достаточно стабилен из-за участия л-элект-
ронов бензольного кольца и метильных групп в рассредоточе-
нии положительною заряда и как все карбокатионы обладает
высокой реакционной способностью Если полученный раствор
внести в абсолютированный метиловый спирт, то соответствую-
щий сложный эфир получится легко
Аиалот ичное экранирующее тействие оказывают и алкиль-
ные [ рунпы в спиртах, находящиеся рядом с группой ОН.
По этой причине первичные спирты при прочих равных усло-
171
В»ях образуют эфиры легче, чем вторичные и гем oojlt третич-
ные спирты:
СН3ОН >RCH2OH>RR СНОН? RRR" СОН
При этерификапии третичных спиртов следует учитывать воз-
можность изменения механизма реакции и протекания конку-
рирующей с основной реакцией реакции элиминирования;
(СНз)зС - ОнЛ>(СНз)зС - ОН2Т^|(СНз)зс|~-1>
— (СНз)гС = СН2
Известны и другие методы получения сложных эфиров.
Сложные эфиры трудно эт тарифицирующихся третичных спир-
тов легче получать, если спирт предварительно перевести в бо-
лее сильный луклеофнл (алкоголя?) и использовать н качестве
субстрата наиболее реакционноспособный ацилирующий реа-
гент-— 1 алогенангпдрид кислоты, например:
RCOCI + NaOC(GH3)3~*RCOOC(CH3)3 + NaCi
Если а-углеродный атом в кислого является третичным и,
следовательно, атакуемый спиртом атом углерода сильно экра-
нирован, целесообразно в качестве субстрата использовать ал-
килгалогенид, а в качестве нуклеофила — натриевую или сереб-
ряную соль карбоновой кислоты:
RCOONa + ПСНгВ' —* RC00CH2R + NaBr
Сложные эфиры уксусной кислоты и некоторых других- кис-
лот с высоким выходом получаются при взаимодействии спир-
тов с кетенами:
СН2 = С = О + ROH—*CH3COOR
В кетене полностью отсутствует перекрывание л-электронов
связей С —О и С = С, орбитали которых находятся во взаимно
перпендикулярных плоскостях; положительный заряд на сред-
нем атоме углерода особенно велик, поэтому кетен — наиболее
172
сильный ацилирующий агент. Реакция протекает но схеме:
6т |~
С Н 2 = С = О сн2 = с - о
----* I
+ R - О - Н
R - О - Н
-гг ,+ьг
--------*
снг = с - он
OR
___Н'|+НаПН3- COOR
Если в радикале кислоты, связанном с карбоксильной груп-
пой, находятся группы, чувствительные к минеральным кисло-
там, сложные эфиры таких кислот получают с количественным
выходом в мягких условиях при помощи диазоалканов. Напри-
мер, метиловые эфиры получают при действии на карбоновые
кислоты эфирным раствором ди азомета на:
RCOOH + CH2N2—^RCOOCH3 + N2
Следует отметить, что молекула диазометана имеет линей-
ное. а вс циклическое строение (дипольный момент 1,4 Д). По-
ложительным конном диполя является центральный атом азо-
та. В любой из главных альтернативных крайних структур
_ + + -
;СН2 - N=N или СН2= N~pj;
атом азота четырехковалентен, а следовательно, положительно
заряжен. Избыточная же электронная плотность (учитывая,
что молекула дца.зометана в целом электронейтральна) рассре-
ноточена между атомом углерода и крайним атомом азота так,
что большая ее часть сосредоточена на более электроотрица-
тельном атоме азота, а меньшая — на атоме мглерода.
Как было показано ранее, соединения, имеющие на атоме
углерода избыточную электронную плотность, являются наибо-
лее сильными как нуклеофилами, так и основаниями. При
пзанмоленствни с карбоновыми кислотами дцазометан, естест-
венно. реагирует как основание, присоединяя протон к атому
углерода. Образующаяся при этом частица (70) неустойчива
н при комнатной температуре выделяет бедную энергией моле-
кулу азота, давая карбокатион, который реагирует с карбокси-
лат-аниоцом. образуя молекулу сложного эфира;
RCOOH 4 CH2N2-> СН3 - N ~ N ->(+сН3] 2^ RCOOCH^
(70)
173
Сложные эфиры по.тхЧакбея при действии на соли карбон»
вых ннслот диа.ткплех льфа гон или тенила гон В этих реакциях
тех клеофплъоы и t'U > он являете я hiipfitiKtrit^ui анион
SO2(OR)2 + CH3COONa —*CH3COOR + NaOSO2OR
СНз \Ly— 5020R + CH3C00Na ~> CH3COOR +
+ CH3-#_3~ S020Na
2.2.6. Реакции сложных эфиров
Кислотный гидролиз. Эта реакция представляет собой последо-
вательное । !> (i/ipjгимых превращений, противоположных реак-
инн этерификации. катали тируемой минеральными кислотами
Прокси- начинается с протонирования атома кислорода карбо-
нильной триты в сложном эфире Далее обрамтнавшийся кар-
бркатион в таимо тействх ст с мщтекхлой воды
R*Cf0 + Н*
W -
+НЙО I
R-C-OR'
II—о—н
+
К* +11*
-п*
R СО 011
Именно иксе протекание гидролиза на завершающей ста-
дии было доказано методом меченых атомов при кислотном
тидрЕХлте мс)илбентоата водой, обогащенной 18О, метка оката-
лась в бетонной кислоте, а нс в метаноле
О
|_|+ “
сбн5соосн3 + нг,ео.£*свн5с - ,аон + сн3он
Как нрн реакции этерификации, скорость кислотно) о гидро^
лита тавиеит от на атакхемом атоме yi лерода, т е. от на-
личия в остатке R электроноакцепторных rpjnii, и от степени
экранирования ио алкильными группами
174
Щелочной гидролиз. Эта реакция представляет собой бимо-
лекулярный необратимый процесс, механизм второго таклю
чается в елецютсм Гидроксид-иоп, обладающий большой
ну клеофилшшй силон, атакует атом У|ЛерО|а алкоксикарбо
пильной гр\ нпы имеющий дефицит элем рощюй илот пост и,
в результате нею обрлз\е|ся истшшый промежуточный про-
дукт (71) а нс переходное состояние Далее происходи! ныюе-
ненне алкокенгруниы (в виде аниона), энер|Ия связи которой
с атакуемым атомом углерода мала (290 кДж/моль). и образу-
ется молекула карбоновой кислоты Алкоксид-анион обладает
сильноосновными свойствами, поэтому oft на заключительной
стадии реакции необратимо отрывает протон от образовавшей-
ся молекулы кислоты-
RCOO- + C2HqOH
Описанный механизм подтверждают следующие экспертшей-
тальные факты.
I При щелочном гидролизе пентилацетата водой, обтащен
нон итоговом |еО, получается пентиловый спирт, содержащий
нормальный изотон Кислорода (что подтверждает факт ратры-
ва связи ацил—кислород), а метка переходит в уксусную кис-
лоту По-видимому, при растворении щелочи в воде усчанавли*
ввелся равновесие.
Н2,0О + NaOMsz? Na13OH + Н2О
2, При щелочном гидролизе оптически активного октилаце-
тата (72) оптическая активность образовавшеюся спирта сохра
няегся Это свидетельствует о том, что при гидролите связь
кислород—алкид не затрагивается
О сн3 о
II I II
сн3с - о - сн - с6н13 сн3 - с - о - СН3 - С(СН3)3
(72) (73)
3 Из пеопентиланетзта (73) образуется цсоненгиловый,
а не грет-ц1Ч|Т иловый спирт, а и i эфира (74) образуется
175
спирт (75) без примеси изомера, возникающего в результате
аллильной перегруппировки.
СН3СОО - CH2CH = CHCH2R-f^-CH3COO_ +
(74)
+ HOCH2CH=CHCH2R
(75)
4, Эфир триметилуксусной (пивалиновой) кислоты гидроли-
зуется во много раз медленнее соответствующего эфира уксус-
ной кислоты Следовательно, атака _ОН направляется на атом
углерода этоксикарбонильной группы, и при гидролизе пива-
линовой кислоты возникают пространственные затруднения.
Большое значение при щелочном гидролизе приобретает
Также на атакуемом атоме углерода. Несмотря на то что
S молекулах этиловых эфиров трихлоруксусной и пивалиновой
кислот пространственные затруднения почти одинаковы, эфир
трихлоруксусной кислот ы гидролизуется растворами щелочей
В 8-I06 раз-быстрее* чем эфир пивалиновой кислоты.
Аммонолиз. При действии аммиака, первичных н вторичных
аминов происходит замещение группы OR на группу NH2, NHR
или NRa. Реакции такого типа обычно катализируются кислота-
ми* к их механизм принципиально кичем не отличается от опи-
санного выше механизма кислотного гидролиза;
О Н
H,N: + R - С - О - R—’ COR“^" RCONH2
Как видно, действием аммиака на сложные эфиры карбоно-
вых кислот можно получать достаточно чистые амиды, в то
время как при действии аммиака непосредственно на кислоты
сначала образуется аммониевая соль* нагреванием которой по-
лучить амид кислоты обычно не удается, В лабораторной прак-
тике амиды кислот Обычно получают действием аммиака на
хлора к гидр иды кислот.
Реакция переэтерификации, В ходе этой реакции происходит
замещение группы OR' на OR". Она катализируется как кис-
лотами, так и щелочами.
RCOOR' + R 'ОН у-ИЛ- Р- RCOOR" + R' ОН
Практическое значение эта реакция имеет в том случае,
когда R' = CH3. Тогда образующийся в результате переэтери-
фикации метиловый эфир можно отгонять из сферы реакции.
176
Механизм реакции переэтерификации в кислой среде ана-
логичен механизму реакции этерификации.
Реакция переэтерификации в щелочной среде проводится
в том случае, когда кислота, из которой был получен сложный
эфир, термически неустойчива (например, р-оксокарбоновая
кислота) или когда в результате реакции образуется спирт, не-
устойчивый в кислой среде. Щелочными агентами служат алкок-
сиды натрия и калия, гидроксид натрия или карбонат калия.
Механизм переэтерификации в щелочной среде соответству-
ет механизму, описанному для щелочного гидролиза. При ката-
лизе щелочами собственно реакции переэтерификации пред-
шествует равновесный процесс:
ROH + NaOH=±RONa + Н2О
Описанным методом не удается провести переэтерификацию
с получением сложного эфира третичного спирта. В этом слу-
чае используют нс сам третичный спирт, а его формиат:
RCOOCH3 + HCOOC(CH3)3<=tRCOOC(CH3)3 + нсоосн3
Легколетучий метнлформиат по мере его образования отго-
няют нз сферы реакции.
2.3. ЗАМЕЩЕНИЕ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ГРУПП
Примеров реакций нуклеофильного замещения азотсодержа-
щих групп известно мало. Соображения, высказанные относи-
тельно причин, порождающих затруднения при замещении гид-
рокснгруппы спиртов нуклеофильными реагентами (см. нача-
ло разд, 2.2), с еще большим основанием могут быть отнесены
к нуклеофильному замещению аминогруппы, где частичный по-
ложительный заряд на атоме углерода еще меньше, чем в спир-
тах, а вытеснение группы NH2 в виде аниона не удается осу-
ществить даже самыми сильными нуклеофильными реагента-
ми —* карбанионами, которые при взаимодействии с аминами
ведут себя исключительно как сильные основания (а амины —
как NH-кислоты).
Заместить азотсодержащие группы при действии нуклео-
фильных реагентов удается только в солях аммония, в которых
атом азота несет полный положительный заряд. В этом случае
уходящей группой будет не анион, а нейтральная молекула
третичного амина. Примером реакции такого типа является тер-
12—U25
177
мическое разложение че1вергнчного аммониевого основания, мь
торое проводится в жестких условиях
(СН3)4Ы+ -он—°~П5°С> СН3ОН + :N(CH3)3
Ее можно рассматривать как реакцию нуклеофильного за-
мещения, протекающую по механизму 5^2
(CHaJa^CH^OH—>(CH3)3N: + СН3ОН
Об этом свидетельствует тот факт, что прн взаимодействии
оптически активной соли i риметил-а-фенилэтиламмония с не
обладающим сильноосновными свойствами ацетат-анионом
наблюдается вальденовское обращение
Г| *Slki
(CHa)3N—С&Ш -
CHacocr
£Нз
-f- CHgCOO—c-»<i
Вопрос о том почему в данном случае ацетат-днион атакует
субстрат со стороны, противоположной положительно заряжен-
ной аммониевой группе, тогда как между ними должно было
бы возникать электростатическое притяжение, уже обсуждался
Н.разд 2,2.
При нагревании четвертичного аммониевого основания,в ко-
тором хотя бы одна алкильная группа имеет более одного ато-
ма углерода, преимущественно протекает реакция р-элимини-
рования, а не нуклеофильного замещения
+ - 100’С
сн3 - снг - NR3 ОН-----> сн2=снг + ;NR3 + Н2О
R - СН3, С6Н5
При термическом разложении четвертичных аммониевых ос-
нований с различными алифатическими радикалами, одним из
которых является этил, предпочтительно образуется этилен и
соответствующий амин:
(C2H5)2N(C3H7'H)2 ОН-
г-*-СН2= СН2+ C2H5N(C3H7-h)2
(96%)
-*СН3СН = СН2 + (C2H5)2NC3Hz- н
(4%)
(С2Н§)2^(СН3)С5Н1{М 0Н-*СН2 - С'Н2 + C2H5N(CH3)C5H1 j н
17®
н-С5Н11(С2Н5)Й(СН3)СвН5 -он —►сн2 = сн2 +
+ Н- C5HnN(CH3)C6H5
Наконец, при термическом разложении дтор-бутнлтриметил-
аммонийгидроксида образуются бутен-1 и бутен-2, причем пре-
обладает бутен-1 — алкен с меньшим числом алкильных групп
(CH3)3N+ ОН
СНз - сн2 - сн - снэ —* сн3 - сн2 - сн = сн2 +
(76%)
+ сн3-сн = сн - сн3
(24%)
На основании последних результатов Гофман сформулиро-
вал эмпирическое правило, согласно которому при пиролизе
четвертичных аммониевых оснований в виде алкена предпочти-
тельно отщепляется группа, способная образовать алкен с наи-
меньшим числом алкильных групп
Как видно, правило Гофмана прямо противоположно пра-
вилу Зайцева, относящемуся к реакции дегидрогалогенирова-
ния алкилгалогенидов спиртовыми растворами щелочей (см.
разд 2 I), и, естественно, такое различие потребовало теорети-
ческого обоснования
До настоящего времени этот вопрос окончательно не выяс-
нен Общепризнано лишь то, что рассматриваемая реакция от-
носится к реакциям ^-элиминирования, протекающим по меха-
низму £2
[НО"-?—t=|~NRa] —>
—у нг0 4» /С=С<^ + :NK3
ю из предположений, объясняющих различие в законо-
тях, наблюдаемых при дегидрогалогенировании и разло-
аммониевых оснований, заключается в следующем,
того что на атоме азота в группе R3N4' имеется полный
[тельный заряд, —/-эффект этой группы значительнопре-
тт —/-эффект атома 1алогена, который обусловлен толь-
лнчием в электроотрицательности атомов углерода и га-
. Поэтому отщепление ^-водородною атома от алкиль-
уппы четвертичного аммониевою основания осуществить
чем от молекулы алкилгалогенида.
разд 2 1 были приведены доказательства того, что при де-
галогенировании алкилгалогенидов отщепление протона
179
и уход галогенид-иона (Х^щсч-тв^иютсм синхронно. Если же
принять высказанные выше соображения, то можно утверж-
дать, что при расщеплении четвертичных аммониевых основа-
ний отрыв протона должен несколько опережать уход третич-
ного амина, вследствие чего переходное состояние приобретает
харамер карбаниона
I J т г ) | +
НО- + н - С - С - NR3----------------------------> Н20 + ":C-C-NR
Влияние алкильных t рупп на устойчивость карбанионов
прямо противоположно их влиянию на стабилизацию карбока-
тионов В рассматриваемом случае они способствуют еще
большей фиксации отрицательного заряда на единственном
атоме углерода. Вследствие этого карбанион (76) энергетиче-
ски более выгоден, чем карбанион (77)
сн3 - сн2 - СНг*СН2 СНз - СН£*СН-СН3
(76) (77)
По этим причинам протон предпочтительно отщепляется от
метильной, а не от этильной группы, в которой, к тому же, он
менее экранирован и имеет большую подвижность
Предпочтительное отщепление этилена при разложении
ди(н-нрог1ил)диэтиламмонийгидроксида (см выше) можно
объяснить аналогичным .образом. Если принять во внимание
электронодонорные свойства метильной группы и появление
пространственных затруднений для акцептора протона (НО ),
можно утверждать, что личе отщепить протон Hi р положения
Этильной 1 руппы, чем из соответствующего положения пропиль-
ной группы.
Решающее влияние подвижности находящегося в ^-положе-
нии атома водорода на направление реакции элиминирования
можно подтвердить также и тем, что при нагревании четвертич-
ных аммониевых оснований (78) и (79), несмотря на наличие
пространственных 1атруднений. образуются соответственно ви-
нилхлорид и стирол, а не этилен, т, е. отщепляется замещенная
этильная группа, в которой находится заместитель с —/-эффек-
том, увеличивающий протонную подвижность атома водорода в
^-положении.
СН-СН - СН2 - N(CH3)2 -ОН CfiH5*-CH - СН2 - N(CH3)2 'ОН
I I II
Н СН2СН3 Н СН2СН3
(78)
(79)
180
Согласно второму предположению, на направление реакции
разложения четвертичных аммониевых оснований в соответст-
вии с правилом Гофмана решающее влияние оказывают про-
странственные факторы
В момент реакции элиминирования молекула реагирующего
вещества стремится принять наиболее выгодную для транс эли-
минирования заторможенную конформацию (80), в которой за-
местители при смежных атомах углерода, от которых отщепля-
ется НХ, находятся на максимальном удалении друг от друга
ПО)
Конформации етор-бутилтриметнламмониевого катиона в
момент отщепления протона от метильной группы [формула
(81)] и от метиленовой группы [формула (82)] можно изобра-
зить формулами Ньюмена (83) и (84), (85) соответственно:
СНэ - СНг - СН - СНг - Н СН3 - СН - СН - СН3
I I I
+ М(СН3)з Н +N(CH3)3
(81)
(82)
Как видно, конформация (83) энергетически более выгодна,
поскольку в ней не возникает пространственных затруднений,
тогда как в конформациях (84) и (85) неизбежно должно воз-
никать взаимное отталкивание .метильной группы н объемистой
группы +N(CH3)3, Поэтому при нагревании рассматриваемого
основания предпочтительно отщепляется протон от метильной
группы и образуется бутен-1.
Если принять во внимание, что объем атома галогена в ал-
кнлгалогениде значительно меньше объема группы 4~N(CH3)3,
то становится понятным, что при дегидрохлорировании 2-хлор-
1*1
бутана в конформациях, соответствующих конформациям
(84) н (85), пространственные затруднения возникают в мень-
шей степени и не оказывают решающего влияния на направле-
ние реакции. Поэтому в соответствии с правилом Зайцева в ре-
зультате дегидрогалогенирования предпочтительно образуется
наиболее термодинамически устойчивый транс-бутен-2:
В некоторых случаях расщепление четвертичных аммоние-
вых оснований осуществляется по механизму, отличному от
механизма Е2. Как показал Виттиг, очень сильное основание,
в частности феннллнтнй, может отщепить более подвижный и
доступный протон из а-положения одной из метильных групп
с образованием илидз:
+ +
RCH2CH2 - N(CH3)3 Br" + C6H5Li*RCH2CH2 - N(CH3)2 + C6H6
-.CH2
В дальнейшем богатая энергией и обладающая сильноос-
нбвлыми свойствами группа ;СНг взаимодействует с подвиж-
ным ^-водородным атомом соседнего радикала, что приводит
к отщеплению алкена:
Н2С—М(СНЭ)8
в-нЫн. -^ясн-си‘ + ,г,«
н
Термическое расщепление четвертичных аммониевых осно-
ваний используют для синтеза никлоалкенов, например:
+
Н2С - СН - N(CH3)3
Н2С - снг
нагревание
HjC - сн
(СНз)зМ
нагревание
182
Четвертичное аммониевое основание, полученное нз пирро-
лидина, расщепляется с образованием бутадиена:
0+ CHJ
N(CH3)2 ~ОН*СН2 = CHCH2CH2N(CH3)2 —
—> CH2 = CHCH2CH2N(CH3)3 rAfl0H >
—> СН2 = CHCH2CH2N(CH3)3 -ОН иагреаани>
—> СН2= СНСН = СН2 + :N(CH3)3 + Н20
РЕКОМЕНДАТЕЛЬНАЯ .11 ITEPATJ РА
I. Робертс Д.. Касерио ,4t. Основы органической химии, В 2 кн, Кн, 1: Пер.
с англ,/Пол ред. А. Н, Несмеянова, Мл Мир, 1978 842 с. См. с. 308—
370.
2. Моррисон Р.. Боцд Р. Органическая химия: Пер, с англ,/Под ред. И. П. Ко-
робициион. Мл Мир, 1974, I 132 с. См. с. 442—472.
3. Беккер Г. Введение в электронную теорию органических реакции: Пер. с
нем./Под ред. В. М. Потаиона. Мл Мир, 1977. 658 с. См. с. 151—173, 177—
200,207 -223.
4. Органнкум. Практикум по органической химии. В 2 т : Пер с нем. Мл Мир,
1979. Т. 1. 453 с. См. с. 236-319. Т. 2. 442 с. См. с. 71-104,
5. Ингольд К. К. Теоретические основы органической химии: Пер. с англ./Под
ред. И. П. Белецкой. Мл. Мир, 1973. 1054. См. с. 351—497.
6. Сондерс У, Ионные реакции в алифатическом ряду: Пер. с англ./Под ред.
' Ю. С. Шабарова. Мл Мир. 1967. 179 с. См, с. 57-137.
7. Чубар Б. Механизмы органических реакций,: Пер. с франц./Под ред.
Е. А. Шилова. М.: Излатинлит, 1963. 203 с. См. с. 11 — 31. 55—71, 80--
101.
8. Бреслау Р. Механизмы органических реакций: Пер. с англ./Под ред.
В. Н. Сеткиной. Мл Мир, 1968. 279 с. См. с. 81 — 144
9. Чубар Б,//Ус1>, химии. 1965. Т. 34. С. 1227—1247.
10. Сайкс /7. Механизмы реакций в органической химии: Пер. с англ./Под ред,
Я. М. Варшавского. М.: Химия, 1977. 319 с. См. с. 92 -115.
ГЛАВА 3
РЕАКЦИИ КОНДЕНСАЦИИ КАРБОНИЛЬНЫХ
СОЕДИНЕНИЙ
К карбонильным соединениям кроме альдегидов и кетовой
принято относить и такие органические соединения, в которых
атом углерода карбонильной группы связан не только с атомом
водорода или алкильными, или арильными радикалами, но и с
алкоксильными или другими группами или атомами. Таким об-
разом, к карбонильным соединениям могут быть также прнчис-
лены сложные эфиры карбоновых кислот, другие функциональ-
ные производные кислот и сами кислоты.
Характерным для рассматриваемых соединений является то,
что на атоме углерода карбонильной группы имеется значитель-
ный дефицит электронной плотности, обусловленный тем, чго
кислород является более электроотрицательным элементом,чем
углерод, а л-саязь легче поляризуется, чем о-связь. Было опре-
делено. что дипольный момент этилового спирта, в котором име-
ется ординарная связь С—О. составляет 1,70 Д, а ацетальдеги-
да— уже 2,70 Д, несмотря на то что кратная связь С=О коро-
че, чем ординарная (соответственно 0,121 и 0,143 нм)
Было рассчитано, что в реально существующем карбониль
ном соединении действительное смещение электронов легко
^поляризуемой л-связи в сторону атома кислорода составляет
22% от предельно возможного смещения, при котором на ато-
ме углерода был бы полный положительный заряд
Вследствие наличия на атоме углерода значительного дефи-
цита электронной плотности карбонильные соединения гораздо
Лёгче, чем спирты, реагируют с нуклеофильными реагентами,
Причем реакционная способность их тем выше, чем больше час-
тичный положительный заряд На атоме углерода карбонильной
Группы,
На скорость реакции влияет также стерическая доступность
атома углерода. В соответствии с этим наиболее реакционно-
способным карбонильным соединением является формальдегид,
0 котором атом углерода карбонильной группы обеими валент-
ностями связан с имеющими небольшой размер атомами во-
дорода
Другой характерной особенностью карбонильных соедине-
ний является высокая реакционная способность а-водородных
атомов, которые под действием щелочных агентов могут от-
щепляться в виде протонов Это обусловлено тем, что наиболее
электроотрицательный атом кислорода карбонильной группы
вызывает не только появление большого дефицита электронной
плотности на непосредственно связанном с ним атоме углерода,
но и передаваемый по индукции общий сдвиг электронов ос-
тальных связей и в первую очередь ближайших связей С—Н,
находящихся в «-положении к карбонильной Группе.
Неподеленная пара электронов, оставшаяся у карбаниона
после отщепления протона, не фиксирована на атоме углерода.
Она оттягивается к карбонильной группе, причем образуется
обладающий высокой нуклеофильной реакционной способ-
ностью (стабилизированный рассредоточением избыточной
электронной плотности) мезомерный анион (1), основность ко-
торого несколько ниже, чем карбаниона, и соизмерима с основ-
ностью иона ОН. Большая часть избыточной электронной
плотности в анионе (1) находится на атоме кислорода, ио атом
184
углерода в a-положении сохраняет нуклеофильную
ную способность 7
реакцион-
Н
1 НО' а «-«
R - С - С = О R - С - С = 0 —► R - С“О*0 (3.1)
(1)
Промежуточное образование мезомерного аниона в реакции
конденсации можно доказать следующим образом. Если кон-
денсацию проводить в присутствии тяжелой воды и прервать
ее до окончания реакции, то из реакционной массы можно вы-
делить дейтерированное в «-положение карбонильное соедине-
ние, которое может образоваться только согласно схеме, предус-
матривающей промежуточное образование мезомерного анио-
на (!)
II НСГ ОгО ?
R-C-C = O ^=(1) R-C-C = O + DO-
I i i I
Об этом же свидетельствует и тот факт, что при обработке
водной щелочью оптически активною кетона типа (2) происхо-
дит его рацемизация, так как в промежуточно образующемся
мезомерном анионе атом углерода переходит частично в состоя-
ние $р2'Гибриднзацич и перестает быть асимметрическим. По-
следующее присоединение к аннону протона при атаке молеку-
лой воды может осуществляться с одинаковой вероятностью как
с одной, так и с другой стороны обра ювавщегося плоского
кона;
Возникает вопрос, почему у альдегидов основание отрывает
протон из a-положения, а не нз самой группы СНО, в которой
183
водород должен иметь еще большую протонную подвижность.
Допустим, что существует равновесие:
Н
I
R-C -
С - О
+ в- н
Как видно, при этом образуется карбанион, в котором не-
поделенная пара электронов фиксирована на одном атоме угле-
рода. Такой анион будет настолько сильным основанием, что
обычно при меняемые при конденсации основные катали гаторы
(~ОН, ОСгН.;) не могут конкурировать с ним в реакции при-
соединения протона, поэтому и юбраженное выше равновесие
практически полностью смещено влево.
При дейпвии основания не удается также отшепнгь протон
ит ^-положения или какою-либо другою положения, юк как в
образовавшемся анконе соседние метильные группы (или груп-
пы СН, СН^). обладаю? Электронодонорнымн, а не электроно-
акцепторными свойствами Такой анион энергетически крайне
невыгоден, так как в нем исключается возможность рассредото-
чения избыточной электронной плотности
Следует добавить, что фатомы водорода по сравнению с
а-агомами менее активированы карбонильной группой, так как
индуктивный эффект быстро затухает ио цени ординарных свя-
зей С—С. Естественно, что при действии основания на бенз-
альдегид или тримегилукеуспый (пивалиновый) альдегид, у ко
торых нет в а-полцжении атомов водорода, мезомерный анион
вообще не образуется, и происходит реакция Канниццаро.
Таким образом, блаюдаря наличию у карбонильных соеди-
нений рассмотренных выше характерных особенностей эти со-
единения в присутствии основных Катализаторов способны всту-
пать в реакции конденсации При этом происходит присоедине-
ние мезомерного аниона, образовавшеюся после отщепления
протона, по кратной связи карбонильной группы другой моле-
кулы, не прореагировавшей подобным образом.
В результате таких реакций могут образоваться следующие
типы новых связей; 1) ординарная угле род-угле родная связь
[альдольная конденсация; уравнение (3.2), реакция Анрн (3.3),
циангидрияный синтез (3.4), синтез Реппе (3.5), бензоиновая
конденсация (3 6), сложноэфИрная конденсация (3 7), конден-
сация с фенолами (3,8)]; 2) кратная углерод-углеродная связь
[кротоновая конденсация (3.9). реакция Кневенагеля (3.10),
синтез Перкина (3.11), конденсация Штоббе (3.12)]; 3) две
ординарные углерод-углеродные связи [уравнение (3.13)].
}86
о о НО R О
II < И -он I 1 И
3-C- + R - СНз - С - R-C-CH-C- (3.2)
О НО R'
II “ОН । '
R-C- + R - CH2NO2--> R-С - CHNO2 (3 3)
О он
R- С - + HCN^i R- С - CN {3'4)
I
О он
II 1 Си с । *
R - С - + НС=С - R ,cu*4 R- С - С = С - R (3.5)
I
ОН о
”СЬ1 I N
СбН5 - СНО + ОНС - CgHg ——- СН-С-Се^ (3.6)
' -ОС н >1 1 1 J
RCOOCgHg + R - СНз - СООСгНб г% R - с - сн - соос^
о
II
R - С -
НО
I
* R-C
I
ОН
о
II
R-C- + R
О R О
И -пн 1 1 [|
- СНз - С-----R-C=C-C-
£ нагревание
(3.8)
(3.9)
О II R - С - + С^ О II - Г. - основание „ к — г> О ' II - г - (3.10)
* R ~ “ Ь 2 2
О О
II / Г... I' „ RCHoCOONa
R- С - + R -СН2- С-
R R'
. । ।
КС = С - СООН
2
(3-11)
О СН2 - СООС2Н5 сн2 - СООС2Н5
R - С - + СН2 - СООС2Н5 -2^4R - С = С - СООС2Н5 (3.12)
о о
II , II I
R - С - + 2к - СН2 - С - -*R - С
R О
I И
- СН- С -
(3.13)
2
Таким образом; а реакции конденсации участвуют карбо-
нильный компонент, имеющий частичный положительный заряд
на атоме углерода карбонильной труппы, и метиленовый ком-
понент, имеющий активированные атомы водорода, в качестве
катализатора В: используют основание, способное отщепитьиро-
1он от метиленовою компонента При этом возможно, а) нук-
леофильное присоединение метиленовою компонента к карбо-
нильной группе с образованием спирта, б) нуклеофильное за-
мещение атома кислорода карбонильной (руппы с образовани-
ем алкена и последующее нуклеофильное присоединение к ак-
тивированной кратной связи этого алкена второй молекулы
метиленового компонента. В общем виде реакцию можно изобра-
зить следующим образом
-С = 0 + НгСдГ
Н
«с 1 ।
СН-с-с<
* !
3-1. МЕХАНИЗМЫ РЕАКЦИИ КОНДЕНСАЦИИ
Щелочной катализ. Большинство рассматриваемых в данной
главе реакций конденсации протекает в присутствии веществ
основного характера Механизм катализируемых основаниями
реакций конденсации можно представить себе следующим об-
разом.
На первой стадии (в большинстве случаев лимитирующей
скорость всего процесса) катализатор отщепляет от метилено-
вого компонента Протон [см. уравнение (3.1)] При этом обра-
зуется стабилизированный сопряжением мезомерный анион (1),
обладающий меньшей энергией, чем ион _ОН Отщепление про-
тона происходит тем легче, чем более активирован сс-водород-
ный атом (например. [J хлорлропионовый альдегид реагирует
быстрее, чем пропионовый), а также чем длиннее цепь, по кото-
рой рассредоточивается неподеленцая пара электронов, остаю-
щаяся в анионе после отщепления протона (например, в случае
аф-непредельных карбонильных соединений или (J-дикарбонилъ-
ных соединений).
Если карбонильным компонентом служит альдегид, первак
стадия реакции—отщепление протона от метиленового компо-
нента— лимитирует скорость всей реакции.
188
Вторая стадия реакции конденсации заключается в нуклео
фильнои атаке мезомерного аниона (1) по атому углерода кар-
бонильного компонента
О "О я' О
11 __„ I I II
(1) + R-C-^= R-C-C-C-
6+ L ।
(3)
Не исключено, что при этом реализуется шестичленное пере-
ходное состояние (4) с синхронным перераспределением элек
тронной плотности:
Следует еще раз подчеркнуть, что, хотя в мезомерном анио-
не (3), образовавшемся из метиленового компонента, основная
часть избыточной электронной плотности сосредоточена на ато
ме кислорода, большей нуклеофильной реакционной способ-
ностью обладает атом углерода метиленовой группы, с которо
го на первой стадии реакции был снят протон Поэтому в ре
зультате реакции образуется новая углерод-углеродная, а не
углерод-кислородная связь Последнее направление реакции
для альдегидов и кетонов менее выгодно и по термодинамиче-
ским соображениям [Л//, вычисленная по энергиям разрываю-
щихся и образующихся связей, в первом случае составляет
—7 кДж/моль, а во втором (с образованием винилового эфира)
-I- 84 кДж/моль].
Скорость второй стадии реакции в значительной степени оп-
ределяется доступностью реакционного центра и частичным по-
ложительным зарядом на атакуемом атоме углерода карбо-
нильного компонента. Поэтому конденсация альдегидов проте-
кает с большей скоростью, чем конденсация кетонов, где обе
стадии реакции протекают с соизмеримыми скоростями
Реакция завершается взаимодействием аниона (3) с моле-
кулой воды и регенерацией катализатора1
! НО R О
I I if
(3) + НгО=*и-с-с-с- + ’ОН
(5)
1Д9
Если реакцию проводят не в водной среде, а в апротонном
растворителе, то использовать каталитические количества ос-
нования можно только в том случае, если анион (3) более силь-
ное основание, чем реагент :В. Если же реагент :В более силь-
ное основание, то его необходимо использовать в эквимольных
количествах. В этом случае этот реагент нельзя считать ката
ли татором.
Образовавшиеся в результате реакции альдоли (5) устой-
чивы только при низких температурах. При нагревании от них
отщепляется молекула воды и образуются -непредельные
оксосоединения. Было показано, что дегидратация не является
одностадийным процессом элиминирования, протекающим по
механизму Е2, а идет в
+нод
HQ -н,о
I | (быстро)
две стадии:
Г НО Г/
I I 5-
м-с^с--°
J S’ I
к
-НО’ |
=z*R-C=C—С—О
Вследствие того, что атом водорода, находящийся между
двумя электроноакцепторными группами, имеет большую про-
тонную подвижность, чем в исходном метиленовом компоненте,
первая стадия реакции элиминирования протекает с большой
скоростью, и скорость всего процесса лимитируется второй ста-
диен.
Непременным условием образования продукта кротонового
типа является присутствие в метиленовом компоненте не менее
двух атомов водорода в «-положении к карбонильной группе
В ряде случаев реакции конденсации не удается остановить
на стадии образования альдоля. Так, как отмечалось выше, при
высоких температурах альдоли отщепляют воду, превращаясь
в «,3-непрадсльны’е оксосоединения. Наименее термически ус-
тойчивы альдоли, полученные е использованием н качестве
карбонильных компонентов кетонов. Возможно, это связано с
тем, что две электронодонорные алкильные группы R и R' в об-
разовавшемся альдоле способствуют вытеснению гидроксильной
группы на заключительной стадии реакции.
Альдоль не удается выделить и в тех слу-чаях. когда нахо-
дящиеся в «-положении атомы водорода в метиленовом компо-
ненте обладают высокой протонной подвижностью, например
если метиленовая группа связана не с одной, а с двумя электро-
ноакиепторными цтуппами (СНО; COOR. CN, NOj). Возможно,
что в этом елхчэе вода отщепляется после внутримолекулярно-
го протонирования атома кислорода группы ОН:
НО Н
----->
"HjO
m
В том случае, когда в карбонильном компоненте RCH2CO—
1? = арил, выигрыш энергии, сопровождающей отщепление
воды, обусловлен не только активирующим а-атомы водорода
—/-эффектом этого радикала, но и тем, что при этом образу-
ется кратная связь, сопряженная как с карбонильной группой,
так и с я-электронами бензольного кольца’
НО R О
I । П
Ar - С - СН - С------»
I < -нго
R О
I н
Аг-С = С-С-
Образованне двух ординарных углерод-углеродных связей
наблюдается реже, чем образование одной ординарной и одной
кратной углерод-углеродных связей. Это направление реакции
можно рассматривать как разновидность реакции Михаэля
(см. разд. 1.1.3).
Известно, что многие СН-кнслоты в присугствин основных
катализаторов способны присоединяться по свя ш С = С соеди-
нений типа (6), в которых группа X обладает —/ и —/И-эффек-
тами (NO2, СНО, CN, COOR, СООН и др.). Поэтому при и (быт-
ке метиленового компонента происходит дальнейшее взаимо-
действие его с уже образовавшимся продуктом кротоновой кон-
денсации:
2С=С->Х (6)
, 1 . , 5- 5-
R—CHg—С=О + :В R”CH—С=О + НВ+
Кислотный катализ. Минеральные кислоты воздействуют как
на карбонильный, так и на метиленовый компоненты, в отличие
от щелочных агентов, которые активируют только метиленовый
компонент, отщепляя от него протон. Кислота протонирует атом
кислорода в карбонильном компоненте. При этом значительно
J9J
увеличивается дефицит электронной плотности на атоме угле-
рода карбонильной группы и повышается ее активность:
О b—и 5*
RCflg— С—R' + ri*^>RCH2— С—R'
5+
Кислота прбтонирует также атом кислорода метиленового
компонента, и образовавшемся катионе (7) протон может от-
щемляться как от гидроксильной, так W от соседней метиленовой
группы В первом случае образуется исходное вещество, а во
втором — енол (8):
Н
к-сн- с -
н
R 1 + Q 1 X — О 1 сс -1-Н * Я - СН = С - R
-К* 1 ОН _ Ч-Ш 1 он
(3.14)
(8)
Несмотря На то что равновесие (3.14) сильно смещено влево
и концентрация енола весьма незначительна, именно енол реа
тирует с активированным карбонильным компонентом В еноле
вследствие -t Л4-эффекта группы ОН и —/-эффекта замещенной
винильной группы л-электронная плотность связи С = С смеще-
на от гидроксильной Группы"
Вследствие этого енольная форма метиленового компонента
обладает нуклеофильной реакционной способностью, хотя изна-
чительно меньшей, чем реакционная способность аниона, обра-
зующегося при щелочном катализе, и может взаимодействовать
с протонированной формой карбонильного компонента [по-
скольку при этом енол выводится из сферы реакции, равнове-
сие (3.14) смещается вправо]:
R О-Н
I ' ,
~С=С-Ц--->-
Эта стадия реакции аналогична реакции Принса, согласно
которой альдегиды в кислой среде способны присоединяться
192
даже к алкенам, например:
СН,-» СН = СН, + >С - ОН-*[сНз - СН - CHj - С - ОН,
I “ 1 | НгО;-н*
сНг = сн - сНг - с - он снь - сн - сНг - с - он
он
Отличительной чертой реакций конденсации, проводимых в
трисутствии кислот, является то, что остановить реакцию на
стадии образования альдоля обычно не удается; Сразу отщеп-
ляется вода и получается продукт кротоновой конденсации.
—7----->
-н',-н2о
+
Н2О н о—н
/С~С~ с—R'
Z I s*
R
Карбонильные компоненты. Как уже отмечалось, скорость
реакции конденсации тем выще, чем меньше электронная плот-
ность на атоме углерода карбонильной группы. Дефицит элек-
тронной плотности уменьшается в ряду:
а+ 8+ 8+ а+ 8+
ch2o>rcho> rcor> rcoor >rconh2
(+1-эффект) (+М>-1)
Естественно, если в карбонильном компоненте имеется
электроноакцепторный заместитель (—/-эффект), то реакцион-
ная способность атома углерода карбонильной группы выше,
чем в случае незамещенного компонента:
сн3сно<с6н5 - СН2СНО<С1 - CH2CHO<O2N - СН2СН0
199
13— и»
По реакционной способности наиболее часто используемые
карбонильные компоненты можно расположить в следующий
ряд.
СН20>С6Н5СНО 'CHO>RCHO>RCOAf>RCOR>
>ROOC - COOR>HCOOR>CeH5C0OR>
>ROOC(CH2)nCOOR>RCOOR'
Почему активность бензальдегида как карбонильного компо-
нента (так называемая карбонильная активность) выше актив-
ности незамещенных алифатических альдегидов'* Известно, что
для муравьиной кислоты рКа = 3,77 Замена атома водорода в
этой кислоте на электронодонорпую группу СН3 ( + /-эффект)
приводит к снижению кислотности (для уксусной кислоты
p/G=4,76) По этой же причине гомоло! и формальдегида ме
нее активны, чем формальдегид Бензойная кислота по силе
(рД"з=:4,(8) занимает промежуточное положение между му-
равьиной и уксусной кислотами Если принимать во внимание
только + М эффект фенильного остатка, обусловленный смеще
нием л электронов бензольного кольца к карбоксигруппе, мож
но было бы ожидать, что бензойная кислота будет еще слабее,
чем уксусная Однако атомы углерода бензольного кольца на-
ходятся в состоянии 5р2-гибрндизации и поэтому обладают элек
троноакцепторными свойствами Следовательно, фенильный ос-
таток помимо +Л!-эффекта обладает также эффектом, при-
чем, судя по значению p^a бензойной кислоты, индуктивный эф-
фект меньше мезомерного
Метиленовые компоненты. В реакциях конденсации метиле-
новыми компонентами могут быть не только карбонильные со-
единения. во и любые соединения, обладающие СН-кислот
ностью, т е соединения, у которых с атомом у!лсрода связаны
атомы водорода, способные при действии оснований отщеплять
ся в виде протона Некоторые соединения обладающие СН кис
лотностью, и соответствующие значения p/G Приведены ниже
Н- CH2NO2 10,2 Н - СН2СОСН3 20,0
Н- CH(NO2)a 4,0 Н - СН(СОСН3)2 9,0
Н - C(NO2)3 1,0 н - ch2cn 25,0
н - СН2СНО 13,0 Н - CH(CN)2 10,4
Н- СН(СНО)2 5,0 н - СН2СООС2Н5 24,0
Н - СН(СООС2Н5)2 13,5
Из приведенных данных следует, что электроноакцепторная
сила нитрогруппы приблизительно вдвое больше, чем цнано-
грулпы Более электроотрицательные (и полностью идентич-
194
ные) атомы кислорода оттягивают от атома азота нитрогруп-
пы основную часть электронной плотности, подобно тому, как
это наблюдалось в карбонильной группе Кроме того, в соответ-
ствии с правилом октета, азот не может иметь валентность
более четырех Поэтому если один атом кислорода связан с
атомом азота двойной связью, то второй может быть связан
только семиполярной связью, вследствие чего на атоме азота
имеется полный положительный заряд, а отрицательный заряд
равномерно распределяется между обоими атомами кислорода
Группа CN обладает электроноакцепторными свойствами по
той же Причине, что и карбонильная группа Однако, хотя атом
кислорода в группе С = О связан с атомом хглерода двойной
связью, а атом азота в группе CN — тройной связью, дефицит
электронной плотности на атоме углерода (как это следует из
значений рКа соответствующих соединений) больше в карбо-
нильной группе так как электроотрицательность кислорода
больше, чем электроотрицательность азота
СН-Кислотность ацетоуксусного эфира (рКй=1От68), в ко-
тором имеются две различные электроноакцепторные группы
(ацетильная и этоксикарбонильная), имеет среднее значение
между кислотностями ацетилацетона (рКа = 9), в котором нме
датся две ацетильные группы, и малонового эфира (рКа— 13,5),
в молекулу которого входят две этоксикарбонильные группы
Кроме СН кислотности на способность метиленового компо-
нента отщеплять протон влияет энергия образующегося при этом
аниона чем больше возможность рассредоточения в нем избы-
точной электронной плотности, остающейся после отщепления
протона, тем с меньшей энергией активации он образуется и,
следовательно, тем энергетически выгоднее его образование
Например, в анионе (9), образующемся из ацетона, избыточная
электронная плотность рассредоточена в двух местах, а в анно-
не (10), легко образующемся из ацетилацетона, — в трех
Г* 3- В-
СНЙ-С=О —> СН^С^эО
СН3 СНз
(9)
гх Г* В- В-
о==с—сн—с=о —> О==с-^СН—С^--О
(Ь3 СНз Аез сн3
(10)
Ю* г
195
У предельных углеводородов С Н-кислотность невелика
(p/G = 40); у некоторых непредельных углеводородов она выше,
что позволяет использовать их как метиленовые компоненты.
Значения некоторых углеводородов приведены ниже:
О
сн
t
н
(11)
Ацетилен, алкины
Цикло пент а диен (If)
Ииден (12)
СН
(
н
(12)
25
3S
(14)
Причины повышенной кислотности атомов водорода в ацети-
лене (по сравнению с алканами) можно объяснить следующим
образом. Атомы углерода, связанные тройной связью, находят-
ся в состоянии sp-гибрИдизации. Электроны на тибридизован-
ных sp-орбнталях С—Н-связей, у которых вклад s-состояния
значительно больше, чем у зр3-гибридизованных орбиталей пре-
дельных углеводородов, находятся на расстояниях, более близ-
ких к ядрам атома углерода, что равносильно повышению его
электроотрицательности. Это приводит к увеличению протонной
подвижности атомов водорода.
Если перенести эти рассуждения на соединения этиленового
и ароматического рядов, то можно сделать вывод, что у фе-
нильной и винильной групп имеются электроноакцепторные
свойства, что влечет за собой повышение СН-кислотности свя-
занных с ними метиленовых (или метинных) групп.
Катализаторы. В большинстве случаев при проведении реак-
ций конденсации в качестве катализаторов используют вещест-
ва основного характера, роль которых заключается в активиро-
вании метиленового компонента путем отщепления протона.
В молекуле или анионе основания присутствуют атомы эле-
ментов (обычно атомы кислорода или азота), имеющих неподе-
ленные пары р-электронов, за счет которых образуется кова-
лентная связь с отщепляемым от метиленового компонента про-
тоном. Менее доступны основания, у которых неподеленная пара
электронов находится на атоме углерода [например, (CeH5)sC:~]
Металлорганические соединения (магний-, цинк- и литийоргани-
ческие) также относятся к основаниям, так как связь между
атомами углерода и металла поляризована в сторону более
электроотрицательного атома углерода.
Сила основания определяется способностью связывать про-
тон с образованием соединения, менее диссоциированного, чем
196
метиленовый компонент. Наименьшую склонность
ция при прочих равных условиях имеет связь С—Н ^иссои'иа'
большую —связь N—Н н затем связь О—Н. Соответственно
основные свойства реагентов уменьшаются в nanv -г'ы _____
> -nh2 > -он. >
Нейтральные молекулы, содержащие атомы с неподеленны-
ми парами р-электронов, являются более слабыми основания-
ми, чем соответствующие анионы, например ~Nh2 > мн
Существенное влияние на основность оказывает химическая
природа атомов или групп, непосредственно связанных с ато-
мом, ответственным за основные свойства, Электронодонорные
группы увеличивают основность, а электроноакцепторные____
уменьшают, например:
д +
_0*-С2Н5>"0 - Н>“0-сосн3
Чем более подвижен отщепляемый атом водорода в метиле-
новом компоненте (т. е. чем меньше значение р/Са соответствую-
щей связи С—Н). тем менее сильное основание следует исполь-
зовать в данной реакции (табл. 3.1).
Одним из наименее основных катализаторов является пири-
дин. Он менее сильное основание, чем пиперидин. Пиридин —
гетероаналог бензола; в нем одна группа СН заменена на атом
азота. Так как азот-—более электроотрицательный элемент, чем
Таблица 3.1. Метиленовые компоненты и катализаторы,
используемые в реакциях конденсации*
Реакция | Метиле нов да компоненты* Катализаторы*
Реакция Кневена- СНДСОСНзк CHs(CN)2, Пиридин, пиперидин,
геля СНг(СООС2Нз)а NH3, (CH3)aN, CH3COONH, CHa—CHNHj—COOH
Реакция Анри RCHjNOs NaaCOs, Ca(OH)2 Na OH, KOH
Альдольно-крото- новая конденса- ция RCHSCHO, RCH2COR"
Конденсация с углеводородами СН^СН, CH^CR, циклопентадиен Na OH
Реакция Дарзана C1CH2COOR C2H5ONa
Реакция Штоббе (CHSCOOC2H5), C2HeONa, (CHa)aCONa C2HsONa, 'NHsNa NHsNa, (C6Hs)3CNa, (CH3)3CeH2MgX
Сложноэфнрная конденсация CH3COOQH5r RCHaCOOQHs R гСН C OOQHs
* СН Кислотность метиленовых компонентов уменьшается^ увеличивается в направлении сверху вниз а основность катализаторов
107
углерод, такая замена приводит к нарушению симметрии
л электронной плотности ароматической системы Дипольный
момент бензола равен нулю, а у пиридина он равен 2,11 Д От-
рицательный конец диполя в молекуле пиридина (15) находит-
ся на атоме азота по тем же причинам, по которым я карбо-
нильной группе он находится на атоме кислорода.
Я2 fo)
Распределение электронной плотности в молекуле пиридина
подтверждается тем, что пиридин менее реакционноспособен,
чем бензол, и заместители при проведении реакций электро-
фильного замещения, даже таких реакций, при которых исклю-
чается предварительное протонирование атома азота, направ
ляются, как и в нитробензоле, в ^-положение относительно ато-
ма азота, а нуклеофильные реагенты (например, амид натрия)
замешают атомы водорода в а и у-иоложенкях
Тем более становится непонятным, почему пиридин является
менее сильным основанием, чем пиперидин, на атоме азота
которого сосредоточена меныцая избыточная электронная плот-
ность (дипольный момент пиперидина значительно меньше и
равен 1,17 Д) Основная Причина, почему основность азота в
пиридине понижена, заключается в том, что азот в этом соеди-
нении находится й состоянии зр2-гибридизации. Согласно сооб-
ражениям, высказанным выше относительно углерода, неподе-
ленная пара электронов атома азота, ответственная за основные
свойства, более сильно притягивается к ядру атома азота, что
и приводит к снижению основности.
3 2. РЕАКЦИИ АЛЬДЕГИДОВ И КЕТОЙОВ
Альдольно-кротоновая конденсация. В альдольно-кротоновой
конденсации карбонильными компонентами могут быть любые
альдегиды и кетоны, а метиленовыми—-альдегиды и кетоны,
имеющие хотя бы один а-водородный атом Таким образом, ме-
тиленовыми компонентами обычно не могут быть такие карбо-
нильные соединения, как формальдегид, бензальдегид или три-
метилу ксусный (пивалиновый) альдегид.
В качестве катализаторов альдольно Кротоновых конденса-
ций обычно применяют водные растворы едких щелочей, реже
реакцию проводят в присутствии более слабых оснований —
Са(ОН)г, Ва(ОН)2, КНСОз, аминов В некоторых случаях кро-
тоновая конденсация катализируется минеральными кислота-
198
ми А льдольно-кротоновые конденсации являются обратимыми
реакциями.
Реакции формальдегида Как отмечено выше, в реакциях
альдольно-кротоновой конденсации в качестве карбонильного
компонента обычно используют формальдегид.
Как метиленовый компонент формальдегид может реагировать только в ис-
ключительных случаях Еще А М Бутлеровым было установлено что при дей-
ствии известковой воды на водный раствор формальдегида образуется смесь
изомерных гексоз Можно предположить, что на первой стадии реакции осно-
вание снимает в виде протона один из атомов водорода в формальдегиде
(принципиальная возможность отщепления аналогичного атома от других аль-
дегидов обсуждалась ранее}, генерируя чрезвычайно богатый энергией карб-
анион. который мгновенно реагирует либо с молекулой воды, регенерируя мо-
лекулу исходного форма тьдегида, либо с другой молекулой формальдегида как
с карбонильным компонентом, образуя гликолевый альдегид
О в
Ц -Нг0 Г Л Н-С-Н
н - с - н + -ОН < — > [н -с = oj с ~
о
II нго
"О'СН2-С-Н 7----» НО - СН - СНО + ип~
В образовавшемся гчнколевом альдегиде я-водородные атомы находятся
под влиянием двух электроноакцепторных групп и поэтому могут быть легко
отщеплены в виде протона даже менее сильным основанием, чем щелочь, на-
пример Са(ОН)2 или Ва(ОН}2
Далее гликолевьЫ альдегид конкурентно реагирует как метиленовый ком-
понент с молекулой формальдегида, давая глицериновый альдегид (16}, нлп
с другой молекулой гликолевого альдегида, давая тетрозу (17)
О +НО ;
fl -Н2О
НО-СЦа-С-Н
5-0
+СН2О
HQ-*ea— й—н ч —
“0-C1V- сн—с—н
+Н20
4-=^- ПОСНа—сйон—сно
(16)
НОСН2-СНОН - СНОН-СНО НОСН2-(СНОН)3-СО-СН2ОН
(17)
(18)
В результате дальнейших аналогичных превращений образуются гексочы,
в которых карбонильная группа может быть не только альдегидной, но н ке-
тонпой Например, Э Фишер выделил из реакционной массы акрозу (18).
199
Объяснить образование акроэы в рассматриваемой реакции можно, если
принять во внимание тот факт, что глицериновый альдегид в щелочной среде
может превращаться в дигидроксиацетощ
+НО Г 5- 5-"1 +Н„О
носн2— сн— сно<=£ носн2— с—с=о
он L но н -
НОСНд— (j!=c—ОН
н—о н
+но
НОСНо—С==с—ОН
г-о i
5- "Г +Н»О
НОСНз-С-СН^рн
о
По карбонильной активности формальдегид превосходит все
альдегиды, как алифатические, так и ароматические, поэтому
S прис5гтствии мягких основных катализаторов он легко реаги-
рует с алифатическими альдегидами, не давая возможности
госледним самокондеисироваться. В тех случаях, когда в реак-
цию вводят избыточное количество формальдегида, она не ос-
танавливается на стадии образования альдоля, в котором остав-
шийся в a-положении атом водорода еще подвижнее, чем в ис-
ходном альдегиде. Например, при взаимодействии формальде-
гида с ацетальдегидом (у которого атомы водорода в a-поло-
жении настолько подвижны, что могут быть сняты таким слабо-
основным агентом, как карбонат калия) с одной молекулой
ацетальдегида реагируют сразу три молекулы формальдегида,
образуя трнгидроксиальдегмд (19):
ЗН2С = О + СН3СНО^?(НОСН2)3С - сно
(19)
Если применять более сильный катализатор, например
Са(ОН)а, то реакция идет дальше и образуется пентаэритрит
(20), так как альдегид (19), не имеющий a-водородных атомов,
способен восстанавливаться четвертой молекулой формальдеги-
да (реакция Канниццаро):
f Нч /Н
(НОСН2)3С-С к -/=О - -+
^ОН
О 1
. - I'
(HOCHsbC—сн—о + н—с—он —>
—-> (НОСНг)4С + н— со ст
(20)
300
В более жестких условиях в присутствии силикагеля, моди-
фицированного щелочью при 300 °C, конденсация формальде-
гида с ацетальдегидом приводит к продукту кротоновой конден-
сации — акролеину, Эта реакция нашла применение в промыш-
ленности полимеров.
Нитрометан также реагирует с тремя молекулами формаль-
дегида, а циклогексанон — с четырьмя молекулами формаль-
дегида:
ЗСН2О + CH3NO2K;C>3 (НОСН2)3С - no2
нон2с
СН2ОН
Ацетон может реагировать с шестью молекулами формаль-
дегида с образованием соединения (21).
О
'I
(НОСН2)3С - С - С(СН2ОН)з (21)
Продукт взаимодействия ацетона с одной молекулой форм-
альдегида можно получить лишь в особых условиях, предотвра-
щающих вступление в реакцию второй молекулы формальде-
гида.
Для этого реакцию проводят в колбе с насадкой, наполненной стеклян-
ными бусами и соединенной с капельной воронкой и обратным холодильником.
В колбу помещают эквимольные количества ацетона и высококипящей карбо-
новой кислоты и вагревают на водяной бане. Из капельной воронки в насадку
вводят щелочной раствор рассчитанного количества формальдегида. Реакцион-
ная смесь затем поступает из васадкн в колбу, в которой щелочь нейтрализует-
ся карбоновой кислотой, что предотвращает дальнейшую конденсацию фор-
мальдегида с продуктам, образовавшимся на первой стадии реакции В данном
случае применение сильных минеральных кислот вместо карбоновых исклю-
чается, так как они катализируют реакции конденсации альдегидов и кетоноя,
В рассматриваемом примере это привело бы к образованию продукта кротоно-
вой конденсации как исходного ацетона, так и продукта его взаимодействия
с формальдегидом
При конденсация формальдегида с бутаноном-2 возможно
образование двух первичных продуктов (22) и (23), так как на
?о|
первой стадии реакции катализатор может отщепить протон
как от метильной, так и от метиленовой группы.
О
И
носн2 - сн2 - с - сн2 - сн3
(22)
О СН3
I) I
сн3- с - сн - СН2ОН
(23)
Предпочтительное отщепление протона от группы СН3 под-
тверждается следующими соображениями' а) атомы водорода
в метильной группе более подвижны и могут легче отщеплять-
ся в аиде протона, чем в метиленовой группе, так как послед-
няя связана с электронодонорной метильной группой, а это
приводит к упрочнению связей С—Н в группе СН2; б) при ата-
ке карбонильным компонентом метильной группы создается
меньше пространственных препятствий, чем при атаке груп-
пы CHj.
Возможность отщепления протона предпочтительно от мети-
леновой группы подтверждается только тем, что при этом обра-
зуется более энергетически выгодный енолят (24), в котором
при атомах, связанных кратной связью, в соответствии с пра-
вилом Зайцева, больше алкильных групп, чем в еноляте (25).
8-
сн3—с~сн—СНз
08-
(24)
8-
СН2—С—С‘Н2—СНз
8-0
(25)
Как было установлено экспериментально, при взаимодейст-
вии формальдегида с бутаноном-2 в щелочной среде решающим
является последнее соображение: образуется преимущественно
гидроксикетон (23).
По-видимому, различие в протонной подвижности атомов
водорода в метильной и метиленовой группах настолько незна-
чительно, что оно существенно ие влияет на направление реак-
ции. Стерические факторы в данном случае имеют подчиненное
значение, так как молекугла формальдегида весьма компактна.
Некоторые реакции конденсации с участием формальдегида
проводят в кислой среде. К ним относится реакция Прин-
са— присоединение формальдегида к обладающим слабыми
нуклеофильными свойствами алкенам:
Н2С = О + Н+-> [Н2С = О - Н «-* Н2С-ОН)
(26)
202
СН3~>СН = СНг + (26)
сн3-£н-сн2^снгон
Н70;
-н+
сн2 = сн - снг - сн2он СН3 - СИОН - снг- СН2ОН
Эту реакцию используют в промышленности. Так, по пеак
ции Принса из изобутилена и формальдегида получают изо
прен:
сн2оД^-(26)
(сн3)2с - сн2сн2он15^
(СН3)2С - сн2 - сн2
I х I
о-сн2 он
(СН3)2С - сн2- сн2
I I
о - сн2 - о - н
Н3РО4
*- (СН3)2С - сн2 - сн2 ------* сн2 = с-сн = сн2
I | -СН;О, |
О - СН2 - о -НгО СН3
Реакция Манн их а. Реакция Манниха, которую можно
отнести к реакциям конденсации, заключается в аминометили-
ровании метиленового компонента, проводимом обычно в кис-
лой среде:
I н+ I
RCO - С - + СН = О + Н - N - .-=»- RCO-C-CH-N-
(27) (28) (29)
(30)
Метиленовым компонентом (27) чаще всего служат кетоны,
хотя аналогичным образам могут реагировать альде: иды, слож-
ные эфиры, ацетиленовые углеводороды, диены, фенолы, неко-
торые ге!ерониклы. Отимальная СН-кислитиость (рХэ) мети-
ленового компонента должна быть равна 15—25. Карбониль-
ный компонент (28) — обычно формальдегид (наиболее реак-
203
ционноспособен), реже — ацетальдегид н бензальдегид. Частич-
ный положительный заряд на атоме углерода карбонильной
группы этого компонента должен быть выше, чем у метилено-
вого компонента. Третьим компонентом (29) наиболее, часто яв-
ляется вторичный амин, реже — первичный амин или аммиак.
Третичные алифатические амины в реакцию Манниха не всту-
пают.
Нуклеофильная реакционная способность амина должна
быть выше реакционной способности метиленового компонента;
в противном случае формальдегид будет предпочтительно реаги-
ровать с метиленовым компонентом по альдольно-кротоновому
типу. С наибольшими выходами реакция Манниха протекает
при использовании жирноароматических кетонов, формальдеги-
да и вторичных аминов, например;
н+
С6Н5СОСН3 + СН2О + NH(C2H5)2—* C6H5COCH2CH2N(C2H6)2
При использовании первичного амина или аммиака образо-
вавшийся продукт аминометилирования, например (31), реаги-
рует с еще одной молекулой метиленового компонента, образуя
аминокетон (32). В реакции с участием аммиака образуется в
основном аминокетон (33), а в качестве побочных продуктов —
соединения (34) и (35). При избытке аммиака увеличивается
выход аминокетона (34).
C6H5COCH2CH2NHC2H5 (C6H5COCH2CH2)2NC2Hs
(31) (32)
(C6H5COCH2CH2)3N
(33)
(C6HsCOCH2CH2)2NH
(34)
C6H5COCH2CH2NH2
(35)
Механизм реакции Манниха можно представить следующим
образом. На первой стадии реакции протонированный формаль-
дегид (26) реагирует с амином, образуя катион (36). Одновре-
менно кислота катализирует енолизацию метиленового компа-
цента, и образовавшийся при этом енол взаимодействует с ка-
тионом (36):
Г но
н+ > NH
Н2С = О----*(26)----*
। 1+
Н2С - N-
I
-нго
Н2С = N -
I
+
Н2С - N -
I
(36)
но
I I
RC = С -
RC - С С N -
+ I Н ।
О
Il I
RC - С
I
н
С N-
н I
Конденсация с фенолами. Реакции конденсации
формальдегида с фенолами используют в промышленности для
получения полимеров. Реакцию моЖно проводить как в щелоч-
ной (Na2CO3, NH3, NaOH), так и в кислой (НС1,-H->SO4) сре-
дах. В первом случае при избытке формальдегида образуются
линейные полимеры со свободными гидроксиметильными груп-
пами, например:
СН2ОН СН2ОН
С рассчитанным количеством формальдегида получают о-
и п-гидроксиметилфенолы, а также фенолы с двумя и тремя
гидроксиметильными группами;
Аналогичным образом реагируют крезолы и резорцин.
Механизм этих реакций можно представить следующим об-
разом. На первой стадии реакции щелочной катализатор отщеп-
205
ляет от метиленового компонента — фенола — протон, после
чего фенолят-ион реагирует с формальлеги юм как с карбониль-
ным компонентом:
Образовавшийся гидроксиметнлфенол далее либо реагиру-
ет с фенолят-яоном как с нуклеофилом, образуя гидроксифе-
нилметан, либо с еще одной молекулой формальдегида.
В присутствии небольшого количества разбавленной хлоро-
водородной кислоты первоначально образуются гндроксяметил-
фенолы, которые, взаимотействуя еще с .мной молекулой фе-
нола, дают изомерные ди (гидроксифенкл) метаны. Еще лучше
реакция идет с сухим лараформом и хлороводородной кис
лотой.
При избытке концентрированной хлороводородной кислоты
в образовавшемся i идрокевметилфеноле происходит замещение
одной группы ОН на CI и образуется п-хлорметнлфенол (37)
или о-хлор .метил фенол (38). При нагревании фенола с избыт-
ком формальдегида в присутствии концентрированной серной
кислоты образуются pa sbcгвленкые полимеры (39), в которых
отсутствуют свободные гидрсксиметильные группы.
Конденсация формальдегида с фенолом в кислой среде про-
текает по следующему механизму:
<г-комплекс
сг-Еймалекс
По аналогичной схеме в кислой среде с фенолом реагирует
и ацетон с образованием 2,2-ди (4-гидроксифеннл) пропана:
Полученный продукт при взаимодействии с хлорангидрида-
ми двухосновных ароматических кислот образует полимеры,
обладающие высокой термостойкостью, например:
207
'/ Реакции с использованием других альдегидов. Реакции кон-
денсации, в которых карбонильный и метиленовый компонен-
ты— различные альдегиды алифатического ряда, не имеют пре-
1аративиого значения, так как при этом образуются трудно-
разделимые смеси четырех продуктов конденсации.
На практике проводят либо самоконденсацию алифатическо-
го альдегида, либо в качестве карбонильного компонента ис-
пользуют такие альдегиды, у которых отсутствуют а-водород-
ные атомы. Однако и в последнем случае выход целевого про-
дукта не бывает высоким из-за параллельного протекания са-
моконденсации метиленового компонента.
Следует еще раз подчеркнуть, что в результате конденсации
новая углерод-углеродная связь образуется только между ато-
мом углерода, входящим в карбонильный компонент (40), и ато-
мом углерода, находящимся в a-положении к карбонильной
группе в метиленовом компоненте (41):
о О ОН R'
II II
R - СН2 - С - Н + R' - СН2 - С - Н—»R - СН2 - СН - СН - СНО
(40) (41)
Однако картина меняется при проведении конденсации с
^.^-непредельными карбонильными соединениями. Например,
при самоконденсации кротонового альдегида получается про-
дукт неразветвленного строения:
2СН3 - сн=сн - сно-*снэ - сн=сн - сн=сн - сн=сн - сно
Это означает, что при конденсации образовалась связь с
f-, а не с а-атомом углерода метиленового компонента. Это
объясняется двумя причинами. Во-первых, влияние электропо-
ткцепторной карбонильной группы на протонную подвижность
атомов водорода соседних метиленовых групп передается по
цепи связей СН = СН лишь с незначительным затуханием (яв-
ление винилогин), что можно обнаружить, сравнивая, напри-
мер, рЛ\ щавелевой (42) и малеиновой (43) кислсуг.
НООС - СООН НООС - СН=СН - СООН (цис/’
(42) 1,27 (43) 1,92
Вследствие этого в а,^-непредельных оксосоединениях ато-
мы водорода, находящиеся у "(-атома углерода, можно отще-
пить в виде протона Практически так же легко, ъ'ак и а-атом
водорода в предельных оксососдинениях.
Во-вторых, при отщеплении протона от "(-углеродного атома
кротонового альдегида образуется более энергетически выгод-
Й18
ный анион (44) <. более длинной цепью рассредоточения избы-
точной электронной плотности по сравнению с анионом (45),
образующимся при отщеплении протона от а-углеродного
атома.
Г гч. &* S- S-
СН4-СН=СН-С=О—> СН^С1^СН-(>=0
и н
(44)
гч S- 5-
СН3—ОН=С-С=О - - > СН,-СН=ОС=0
Н Н
(45)
Альдегиды, у «-углеродного атома которых нет атомов во-
дорода, в условиях щелочного катализа претерпевают реакцию
Канниццаро, например:
О О
II но- И
2(СН3)3С - С - (СН3)3С - С - О* + (СН3)3С - сн2он
Таким образом, в результате этой реакции одна молекула
альдегида окисляется до карбоновой кислоты, а вторая восста-
навливается до спирта.
Предполагают, что на первой стадии реакции анион ~ОН
атакует атом углерода карбонильной группы одной из участ-
вующих в реакции молекул альдегида, образуя анион, который
затем становится донором гидрнд-иона дли второй "олекулы
альдегида Реакция завершается образованием спирта, менее
диссоциированного, чем карбоновая кислота, и соли карбоно-
вой кислоты. Из рассмотренного механизма следует, что в ре-
зультате реакции окисляется та молекула альдегида, которая
была атакована анионом “ОН.
О”
(СН3)3С“СНО + НО’^(СН3)3С~СНОН
(СН3)зС-С ^С-С(С!Нэ)3—>
(Р "О ----------
Na+ |
[(СН3)3С-СН2СГ №* + НООС-С(СНз)з]
+ (CH3)3C-COONa
Если в реакции использовать смесь двух, не имеющих «-во-
дородных атомов, альдегидов (перекрестная реакция Канннц-
И—1425
209
царо), то окисляться преимущественно будет тот из них, у ко-
торого выше б+ на атоме углерода карбонильной группы, на-
пример:
(СН3)3С - СНО + СН2О±^(СН3)3С - сн2он + НСОО-
Прн конденсации Э'Лвйсгида, взятого в качестве карбониль-
ного компонента, с симметричным кетоном, например с ацето-
ном, возникают определенные трудности. Если просто нагревать
щелочной раствор зквимольной смеси обоих компонентов, то
сначала происходит преимущественно самоконденсацня альде-
гида с образованием соединения (46), а не конденсация альде-
гида с ацетоном с образованием соединения (47). Для получе-
ния соединения (47) в приготовленный щелочной раствор аце-
тона необходимо сразу же по каплям и при перемешивании
вводить альдегид. При этом в реакционной смеси постоянно
имеется избыток менее активного ацетона.
ОН R ОН О
It I It
RCH2 - СН - СН - СНО ЙСН2 - СН - сн2 - с - сн3
(46)
(47)
При конденсации в щелочной среде альдегидов различного
строения с несимметричными кетонами, например с бутано-
ном-2, могут в преобладающих количествах образовываться
Продукты конденсации как по а-метильной, так и по метилено-
вой группам. Из рассмотренных выше факторов (см. разд. 3.2)
в данном случае решающее влияние будут оказывать размер и
степень разветвленности радикала в альдегиде, т. е. направле-
ние реакции определяется стерическим фактором: альдегиды с
разветвленным радикалом преимущественно реагируют ио бо-
лее доступной а-метильной группе бут ан он а-2:
КарбоияльныЙ
компонент
СНз—СНО
RCH-CHO
RCH=CH—СНО
с$н5-сно
(СН,)ЭС-СНО
Реагирующие группы
в СНз—СН1— СО—СНЭ
СН,
С На н а-СНз; преобладает С На
СН2 и а-СНэ; преобладает а СН3-
ос-СНа
а-СН9
Однако при проведении реакции в присутствии в качестве
катализаторов минеральных кислот, которые сильно активи-
руют карбонильные компоненты протонированием, пространст-
венные препятствия практически не влияют На направление ре-
акции. Например, конденсация бутапона с бензальдегидом
токе сухого НС! дает кетон (48). Как было рассмотрено выше
910
карбонильная активность бензальдегида выше, чем активность
алифатических альдегидов, а поскольку он не имеет «-водород-
ных атомов, реакция протекает более однозначно и с высоки-
ми выходами.
Н3С G ОН О
1 11 /Г~1 !|
С6Н5 - СН = С - С - СН3 O2N -eV СН - СН2 - С - СН2 - СН3
(48) (49)
Для конденсаций с участием бензальдегида характерно, что
реакция не останавливается на альдольном присоединении,
а протекает дальше с образованием халкона— продукта крото-
новой конденсации. Лишь в единичных случаях эта закономер-
ность нарушается. Например, при взаимодействии л-нитробенз-
альдегида с бутаноном-2 получается устойчивый гидроксикетон
(49). Это дает право предполагать, что отщепление воды от
альдолей, образующихся с участием бензальдегида, в щелочной
среде начинается с вытеснения группы ОН, а завершается от-
щеплением протона.
При конденсации бензальдегида с избытком ацетофенона
реакция не останавливается на образовании халкона (50).
Вторая молекула ацетофенона, реагируя как метиленовый ком-
понент, присоединяется к активированной кратной связи соеди-
нения (50) (реакция Михаэля)..
0-
о+ /~\ о- 9
С6Н5 -СН = СН-С-СбН5 + СНг-С-СбН5 —> С6Н5 -СН(СН2С0С6Н5)2
(50)
Бензоиновая конденсация. Несмотря на то что
бензальдегид не имеет активированных атомов водорода в «-по-
ложении к карбонильной группе, ему свойственна особого типа
конденсация, катализируемая ионами “CN:
ОН О
~CN ] [|
2СеН5СНО -----* С6Н5 - СН - С - С6Н5
На первой стадии реакции анион ~CN атакует как нуклео-
фил атом углерода карбонильной группы В образовавшемся
аддукте (51) атом водорода в «-положении к группе CN обла-
дает протонной подвижностью, так как находится под влияни-
ем двух элекгроноакцеигорных групп: С5Н5 и CN. Он может
отщепиться в виде протона и затем присоединиться по месту
с наибольшей электронной плотностью — атому кислорода, об
ЭН
14'
разуя мезомериый анион (52), который реагирует с еще одной
молекулой бензальдегида как о карбонильным компонентом
Присоединение мезомерного аниона ко второй молек)ле бенз-
альдегида является лимитирующей стадией всей реакции Да-
лее атом водорода гидроксильной группы в продукте присоеди-
нения (53), обладающий достаточно высокой кислотностью, от-
щепляется в виде протона и присоединяется к несущему полный
отрицательный заряд атому кислорода, после чего реакция за-
вершается вытеснением иона “CN, играющего роль катализа-
тора, и образованием бензоина:
Подобным образом кроме самого бензальдегида реагируют
только его гомологи и алкокснпроизводные, например (54)
н (55).
Производные, содержащие электроноакцепторные гтшпы
(NO2, CN) или сильные электронодонорные группы [М(СН3)г,
ОН], например соединение (56), не вступают в бензоиновую
конденсацию.
Из приведенного выше механизма конденсации следует, чт<>
электроноакцепторные группы оказывают негативное влиянш
на третьей стадии реакции, так нах они снижают нуклеофиль-
ную реакционную способность образующегося аниона. Сильные
электронодонорные группы, снижая частичный положительный
заряд на атоме углерода карбонильной группы, затрудняют как
212
присоединение ~CN к молекуле альдегида на первой стадии,
так и атаку мезомерным анионом второй молекулы альдегида
на третьей стадии.
Разницу в поведении анисового альдегида (55) и п-гидрок-
сибензальдегида (56) в рассматриваемой реакции можно объяс-
нить следующим образом. Реакцию проводят в водной среде,
используя в качестве катализатора KCN* эта среда имеет ще-
лочную реакцию, и поэтому значительная часть л-гидрокси-
бензальдегида присутствует в виде аниона (57), что должно
снижать карбонильную активность альдегида.
Н0 \ /~СН0
(56)
о-/ V-сно
(57)
Реакции кетонов. Поскольку дефицит электронной плотно-
сти на атоме углерода карбонильной группы кетонов меньше,
чем у альдегидов, они не могут быть карбонильными компо-
нентами При конденсации с альдегидами, взятыми в качестве
метиленовых компонентов. Поэтому в данном разделе рассмот-
рены примеры реакций альдольно-кротоновой конденсации,
в которых и карбонильный, и метиленовый компоненты —
кетоны
Простейший представитель кетонов — ацетон — в зависимо-
сти от природы используемого катализатора, который может
быть как основным, так и кислотным, образует различные про-
дукты конденсации.
При взаимодействии двух молекул ацетона в мягких услови-
ях образуется диацетоновый спирт, однако равновесие этой ре-
акции сильно смещено влево, и количество диацетонового спир-
та в равновесной смеси не превышает 4%:
он о
2(СН3)2С = о|2~^*(СНз)2С - сн2 - с - сн3
Для увеличения выхода диацетонового спирта реакцию проводят в прибо-
ре Сокслета В средний сосуд прибора помещают патрон с Ва(ОН)2. а ниж-
нюю колбу заполняют ацетоном, затем колбу нагревают на водяной бане.
Спирт, образующийся в среднем сосуде, время от времени снфонируется вме-
сте с непрореагнровавшим ацетоном в нижнюю колбу и скапливается там, так
как температура кипения его на 100 ’С выше, чем температура кипения ацетона.
В присутствии более основного катализатора—карбида
кальция СаСа — образуется продукт кротоновой конденсации —
окись мезитила (58). Реакцию также проводят в приборе Сок-
слета.
(СНз^С = СН - СО - СН3 (58)
213
И, наконец, при действии на ацетон одним из наиболее
сильноосновных катализаторов—алкоголятом натрия — обра-
зуется изофорон (60) По видимому, в качестве промежуточ-
ного продукта в данном случае также образуется окись мези-
тила (58), которая затем реагирует с еще одной молекулой
ацетона как с метиленовым компонентом по реакции типа Ми-
хаэля. На последней стадии реакции промежуточный про-
дукт (59) претерпевает внутримолекулярную кротоновую кон-
денсацию:
> > V Г. t хсн2сосн;
(СН3)гС=СНСОСН3 + СН^С—СН3—> (СН3)гСх
СН-ССНз
О 5- ~
(58) (59)
+csw50H
------->-
-СКН5О~
Д^ЩСОСНз
—>(снэх<"
хснасосн3
Н2С—со
5^(СНХ
Н2С—с-СНд
(60)
В присутствии кислотных катализаторов в реакцию конден-
сации вступают три молекулы ацетона; при этом в зависимости
от природы кислоты образуется форон (61) или гомолог бен-
зола—мезнтилен (62):
< Нг3°4 ЗССНз^С == О — (rvj
-знго
(62)
* (СН3)2С = СН-Со-СН= CfCHsk
(61)
Если использовать современные представления о роли кислотных катали-
заторов в реакции конденсации карбонильных соединений, то эту реакцию
можно интерпретировать следующим образом Если предположить, что оки< г>
мезитнла реагирует с третьей молекулой ацетона в качестве метиленовот,
2Н
компонента, то на первой стадии должен образоваться енол (63), который
тем взаимодействует с Протонированной молекулой ацетона* ’ 3
СИ3 О
сн3- с = сн- с - сн3
СНз ОН
сн2 = с - сн = с - сн3
(63)
St
С-СП3 с-сн3
нс^'Лрн нет ^о--н5+
I* <5<- --->• II ----->
СН3-С^ С(СН3)г СНЯ-С Х(СНз)2 -Н;О,
нас нгс -и
СН3—С—ОН
\ Г2
J—(L хс— СНз
сн3—с
нс< ^снг . .
5^ II |
-нго сН-гС ^С-СН3
СП
Ароматизация сопровождается выигрышем энергии (125 кДж/моль)
По аналогичной схеме из ацетофенона можно получить 1,3,5-трифенилбензол.
СН-Кислотность кетонов сравнительно невысока, поэтому
некоторые кетоны вступают в реакции конденсации только в
присутствии более сильных, чем щелочь, оснований. Например,
циклопентанон образует продукты кротонового типа только в
присутствии C2H5ONa:
C2HsONa
СО----------
СО
СО
Напротив, дибензилкетон, у которого
дополнительно активированы фенильными
метиленовые группы
группами, легко кон-
215
денсируется с бензилом в присутствии щелочи, образуя произ-
водное циклопентадиенона:
О 0 0
« - " Л „ , । кон
С6Н5 СН2 - С - СН2С6Н5 + С6Н5 - С - С - С6Н5->
С6Н5, ,С6Н5
С6Н5~<Л-СбН5
со
у- и 6-Дикетоны в условиях кротоновой конденсации (в при-
сутствии щелочей) претерпевают внутримолекулярную цикли-
зацию. Характерно, что протон отщепляется при этом не от ме-
тильной, а от метиленовой группы в группировке CH^R:
О О
II II
сн3 - с - сн2 - сн2 - с - ch2r
Ацетонилацетон СН3СО (СН2)ЙСОСН3 в этих условиях не
вступает в такую внутримолекулярную конденсацию.
Альдольная конденсация двух молекул бутанона-2 протека
ет по-разному в зависимости от природы используемого ката-
лизатора, В присутствии щелочных катализаторов реакция идет
менее однозначно, так как сказываются невысокая карбониль-
ная активность кетона и возникающие стерические препятствия:
образуется смесь двух возможных альдолей:
снэ о
сн3 - СН2 - с- сн - С- сн, и
но сн3
сн3
(
сн3 - СН2 - с - сн2 - с - сн
I
он
2 - СН3
о
В кислой среде удается выделить только непредельный ке-
тон (64), поскольку кислотный катализатор значительно увели-
чивает карбонильную активность кетона, а образование енола
2(6
(65) энергетически более выгодно (по правилу Зайцева), чем
образование енола (66).
н3с СН3 ОН
СН3-СН2-С = С- СО-СН3 сн3-с = сн-сн3
<64) (65)
он
I
СН2=С-СН2-СН3
(66)
Реакция Кнёвенагеля, Реакция Кнёвенагеля отличается от
альдольно-кротоновой конденсации тем, что в качестве метиле-
нового компонента используют бифункциональные соединения,
в которых метиленовая группа одновременно связана с двумя
электроноакцепторными группами (COOR, "CN, COR, СООН,
арил). Наиболее часто применяют следующие метиленовые
компоненты (расположены по убыванию реакционной способ-
ности) :
СН,СО - СН, - COCH, > NC - СН2 - CN >
ацетилацетон малонодинитрил
> сн3со- СН2- СООС2Н5> NC- сн2~ соос2н5>
ацетоуксусный эфир циануксусный эфир
> не -йн2- соон> с2нбоос- сн2 - соосгн5>
циануксусная малоновый эфир
кислота
> НООС - СН2 - СООС2Н5 > НООС - сн2 - СООН >
этилводородмалокат малоновая кислота
>C6H5-CH2-CN
фенилацетонитрил
Реакционная способность метиленовых групп малонового
альдегида и формилацетона настолько высока, что эти соеди-
нения не могут быть выделены в свободном состоянии, так как
рни немедленно вступают в тримолекулярную кротоновую кон-
217
L
денсацию с образованием производных бензола. Например,
формилацетон образует триацетилбензол;
ЗСН5СО-СНг~СНО -----•
-знго
СН3СО
COCHj
СОСНз
Формил уксусная (З-оксопропа новая, малональдегидная) кис-
лота реагирует аналогичным образом с образованием тримезн-
новой кислоты:
’онс - сн2-СООН ----ъ-
-знго
ноос
соон
соон
В качестве карбонильных компонентов в реакции Кневена-
геля используют альдегиды и кетоны алифатического и арома-
тического рядов,
Кислотность атома водорода, оставшегося в метиленовой
группе после альдольного присоединения, высокая, поэтому
остановить реакцию на этой стадии не удается даже в мягких
условиях; происходит отщепление воды с образованием продук-
та кротонового типа:
С = 0 4- НгС
КС н
\ < 1
JC-C
Дополнительный энергетический выигрыш, сопровождающий
отщепление воды, обусловлен тем, что в образовавшемся про-
дукте связь С = С сопряжена с p-дикарбонильной системой,
имевшейся в метиленовом компоненте. Чем болыне 6+ на ато-
ме углерода в карбонильном компоненте, тем выше его реак-
ционная способность. По этой причине кетоны реагируют мег,
леннее альдегидов и с меньшими выходами, особенно с мало
новой кислотой и фенилацетонитрилом, На протекание реакциг
влияют и стерические факторы.
При взаимодействии кетонов с малоновой кислотой выходы
зависят от размеров и строения радикала R. Так, с ацетоном
выход продукта конденсации составляет 60%, с диэтилкето-
ном— 35%, а с циклогексаноном — 5%. В последнем случае в
318
качестве основного продукта образуется так называемая кис-
лота Мельдру.ма (67).
R2CO + СН2(СООН)2 -н^0 _с*- R2c = сн - соон
о 0
СхД
В отличие от реакций других альдегидов при взаимодейст-
вии формальдегида с малоновым эфиром первоначально обра-
зовавшийся продукт реагирует дальше с еше одной молекулой
малонового эфираг
СН2О + CH2(COOC2H5)2->CH2=C(COOC2Hb)2 CH^C00C?H-h
-> (С2Н5ООС)гСН - СНг - СН(СООСгН5)2
Такую специфичность поведения формальдегида можно объ-
яснить большей доступностью группы СН2 в первичном продук-
те реакции при атаке его анионом, образовавшимся из второй
молекулы малонового эфира.
Из-за повышенной СН-кислотности метиленового компонен-
та в реакции Киёвенагеля используют такие слабоосновные ка-
тализаторы, как пиридин, пиперидин и даже ацетат аммония.
Реакцию Киёвенагеля применяют в синтезе аф-непредель-
ных одноосновных кислот, так как часто прямо в процессе ре-
акции, Проводимой при нагревании, происходят гидролиз и де-
карбоксилирование продукта конденсации.
Многие метиленовые компоненты, используемые в реакции
Киёвенагеля, можно рассматривать как замещенные уксусные
кислоты с общей формулой л^СН2СООН, где группа X имеет
—/- или —М-эффект (например, NO2, CN, COR, СООН и Даже
СН = СН2). Под влиянием агой группы уменьшается проч-
ность связей С—Н метиленовой группы, а также связи С—С
между метиленовой и карбоксильной группами (энергии связей
С—Н и С—С в Предельных углеводородах соответственно рав-
ны 426 и 330 кДж/моль). Вследствие этого кислоты рассматри-
ваемого типа термически неустойчивы и при нагревании легко
теряют СО2. Чем больше —Л4-эффект группы X, тем при более
низкой температуре происходит декарбоксилирование. Темпе-
219
ратуры, при которых наблюдается декарбоксилирование неко-
торых кислот такого типа, приведены ниже (в °C):
HOOCCHj—CN 165 НООССНг—COCHj 100
НООССН,-СООН 140 HOOCCH^NOa 80
—/-Эффект в меныпей степени сказывается на термической
устойчивости подобных кислот. Как уксусная, так и трихлорук-
сусная кислоты устойчивы к нагреванию. Однако устойчивость
их солей различна. Ацетат натрия начинает терять СОг только
при плавлении (318 ^С), тогда как трихлорацетат натрия раз-
лагается уже при 50 °C. Для образования хлороформа из три-
хлоруксусной кислоты (-/-эффект атома галогена) достаточ-
но нагреть водный раствор ее солн:
н?о
С13С - COONa----*CHCl3 + NaHCO3
Есть основания предполагать, что кислоты типа ХСНгСООН А .
декарбоксилируются не по ионному механизму с промежуточ- ,
ным образованием кинетически независимой частицы (карб- }
анион), согласно которому скорость декарбоксилирования долж- I
на была бы зависеть от природы растворителя, а с промежу- |
точным образованием шестичленного переходного состояния с >!
синхронным перераспределением связей При образовании та- >
кого переходного состояния все атомы, между которыми проис- i
ходит перераспределение связей, должны находиться в одной
плоскости. Так, декарбоксилирование ацетоуксусной кислоты j
протекает по схеме:
Как видно, в качестве интермедиата образуется енол.
Принципиальная возможность образования шестичленного
переходного состояния была установлена при исследовании пи-
ролиза ацетатов:
о
II
—> снэ—с—он + сна=снт?
Кинетические измерения показали, что энергия активации
этой реакции составляет 145—210 кДж/моль, тогда как если бы
22Q
ома протекала по радикальному или ионному стадийному ме-
ханизму, энергия активации была бы равна 360 кДж/моль.
В пользу рассматриваемого механизма свидетельствуют сле-
дующие факты.
а) При декарбоксилировании аф-непредельиой кислоты
(68) одновременно- с выделением СОг происходит миграция
двойной связи и образуется алкеи (69), а не алкен (70), кото-
рый должен был бы образоваться в том случае, если бы де-
карбоксилирование протекало по анионному механизму.
RCH=CH - CHR' - СООН RCH2CH=CHR’ RCH=CHCH2R'
(68) (69) (70)
Согласно предлагаемой ниже схеме, действительно должна
происходить миграция кратной связи:
RCHo-CH^CHR’’
б) Известно, что камфоркарбоновая кислота (71), которая,
как и ацетоуксусная кислота, относится к р-океокислотам, не
декарбоксилируется даже при 300 °C. Это объясняется тем, что
в данном соединении образованию плоского шестичлениого
переходного состояния препятствует жестко фиксированный
нсплоский углеродный каркас [правило (запрет) Бредта о не-
способности существования мостиковых систем с двойной
связью в голове мостика]:
СООН
(71)
Есть основания утверждать, что по описанному механизму
декарбоксилируются и первичные продукты, полученные по ре-
акции Киёвенагеля:
с
НО—С''О-С=0
Ж Гл
ЗС==СН—СООН
к
Циангидриниый синтез. Циангидринный синтез также мож-
но рассматривать как реакцию конденсаций, з которой метиле-
новым компонентом служит циановодородная кислота HCN,
являющаяся СН-кислотой (рАа = 10,14):
С=0 + HCN+? НО - С - CN
1 I
Реакция обратима и катализируется веществами основного
характера (NaCM, К2СО3, аммиак, амины, щелочи). Минераль-
ные кислоты, напротив, снижают скорость реакции.
По-видимому, циангидрин образуется при взаимодействии
карбонильного соединения с ионом “CN, а не с молекулой
HCN, которая не взаимодействует даже с карбонильным компо-
нентом, активированным протоннрованнем. Реакция протекает
по схеме:
hcn + _онг^н2о + 'CN
6 + медленно I н?° I ,
>С=0 + "CN <~~ ~ ~~~^NC - С ~ 0’<=fc NC - С - ОН + 'ОЦ
I I
(72)
Анион (72) может отщеплять протон не только из воды,
в присутствии которой проводится реакция, и генерировать
“ОН, но, скорее, и из HCN, генерируя участвующий во второй
стадии анион ~CN.
В данном случае реакция ограничивается альдольным при-
соединением, поскольку в аддукте отсутствует подвижный атом
водорода, необходимый для образования воды. На скорость ре-
акции влияет б + на атоме углерода в карбонильном компо-
ненте. Альдегиды и кетоны, имеющие электроноакцепторные
заместители, реагируют легче незамещенных соединений, а та-
кие альдегиды, как диметнламннобензальдегяд, вообще не об-
разуют циангидрины.
Бензофенон также не реагирует с HCN, а смешанные жирно-
ароматнческне кетоны образуют циангидрины с низкими выхо-
дами. Возможно, е данном случае решающую роль играют сте-
рические факторы.
Конденсация с углеводородами. В качестве метиленовых
компонентов могут быть использованы углеводороды с повы-
шенной СН-кислотностью, в первую очередь ацетилен и его
гомологи (рАа-22). Причины появления кислотных свойств у
ацетилена были рассмотрены ранее.
222
Как показал А. Е. Фаворский, ацетилен в присутствии ще-
лочей способен реагировать с кетонами по альдольному типу:
ОН
кон |
RCOR' + CH = CH ----=* RR’C-C^CH
По-видимому, в данном случае с кетоном реагирует не сам
ацетилен, а ацетиленпд-нон. Варьируя количественное соотно-
шение участников реакции и Другие условия ее проведения,
можно получать продукт взаимодействия ацетилена как с од-
ной, так и с двумя молекулами карбонильного соединения. Ана-
логично реагирует и винилацетилен:
ОН
(СН3)2С = О + СН=С - СН = СН2^-(СН3)2С - с = с - сн = сн2
Альдегиды в этих условиях реагируют с плохими выходами,
так как в большей степени сказывается параллельно протекаю-
щая альдольно-кротоновая конденсация. Аналогичные вещества
на основе альдегидов удается получить в присутствии ацети-
ленида меди:
ОН
С и ьС 2 I
RCHO + СН^СН------>- R - СН - С=СН
Большое практическое значение приобрела разработанная
Реппе реакция с участием формальдегида. Образующийся при
этом бутиндиол (73) используют для синтеза тетрагидрофурана
и бутадиена.
снго ♦ снвсн-^-сн=с - сн2он £й4-носнгс=сснгон
(73)
В настоящее время конденсацию карбонильных соединений
предпочитают проводить не с ацетиленом, а с ацетиленидами
натрия, магния или кальция (в жидком аммиаке при —ЗО°С).
Реакцию можно осуществить, пропуская ацетилен через рас-
твор карбонильного соединения н эквимольного количества
амида натрия в жидком аммиаке.
В реакциях конденсации с карбонильными соединениями в
качестве метиленовых компонентов используют также цикло-
пентадиен, инден и флуорен. (Кислотность этих соединений
обусловлена причинами, обсужденными в начале гл. 5.) Мети-
ленов ая группа в этих углеводородах находится под влиянием
двух 'электроноакцепторных винильных групп, что обусловли-
223
вает повышенную СН-кислотность. Кроме того, при отщепле-
нии протона образуются стабилизированные сопряжением с
л-электронами анионы, обладающие, в соответствии с прави-
лом Хюккеля (число л- и р-электронов равно 4л + 2), присущей
ароматическим системам стабильностью (для циклопеит ад ие-
на «=1, а для индена н флуорена — соответственно 2 и 3).
Энергия сопряжения в циклопентадиенид-анионе равна
167 кДж/моль, в то время как для самого циклопентадиена
она составляет всего 12 кДж/моль, что близко к энергии соп-
ряжения в бутадиене. Поэтому получение циклопентадиенид-
аниона сопровождается большим энергетическим выигрышем.
В присутствии основных катализаторов рассматриваемые
углеводороды способны реагировать с карбонильными соедине-
ниями по кротоновому типу:
У = о + нгс( —*
/ 4 -нго
Различия в СН-кислотности вносят некоторую специфику
В Методы проведения реакций. Циклопентадиен легко реагиру-
ет кач- с альдегидами, так и с кетонами в присутствии щелочей;
так, при взаимодействии его с ацетоном образуется фульвен:
(СН,)гС = О+Нгс( J--------*- (СН3)гС = С П
-нго
Инден и флуорен реагируют аналогичным образом только
в присутствии более сильного основания — алкоголята натрия,
причем флуорен даже в этих условиях реагирует только с аль-
дегидами.
Фульвен имеет сравнительно большой дипольный момент (1,48. Д). Это
•ложно объяснить тем. что легко поляризуемые л-электроны семициклической
связи под влиянием электроне акцепторных вин ильных групп смещаются в пик-
лопентадиеновое кольцо:
Однако структура (74), в которой л-электроны се и ациклической связ'
полностью участвуют в образовании ароматической системы, а полный положг
тельный заряд рассредоточен в основном на атомах водорода метильных групп
не образуется: рассчитано, что энергия сопряжения кратных связей в фульвене
составляет 54 кДж/моль, что несколько больше, чем в диене, но явно меньше,
чем энергия сопряжения в ароматических системах.
Реакция Перкина. Эта реакция протекает При длительном
нагревании ароматических альдегидов с уксусным ангидридом
224
в присутствии ацетата натрия и приводит к образованию
аф-нспредельных кислот:
с6н5 - сно + (сн3со)2о нли КаС<Ч
—» С6Н5-СН=СН- СООН
Реакцию проводят в жестких условиях, что исключает воз-
можность выделения продуктов альдольного присоединения.
В данном случае метиленовым компонентом является ангидрид
карбоновой кислоты. Его СН-кислотность несколько выше кис-
лотности самой кислоты и сложного эфира, однако уступает
кетону, а тем более альдегиду. Карбонильным компонентом в
реакции Перкина могут быть бензальдегид и его производные,
имеющие различные заместители в ароматическом кольце.
Электроноакцепторные группы благоприятствуют протеканию
реакции, а электронодонорные — замедляют; диметиламино-
бензальдегид вообще не вступает в реакцию Перкина.
Алифатические альдегиды нс выдерживают жестких усло-
вий проведения реакции; они в основном полимеризуются, и
выход целевого продукта низок.
Таким образом, реакция Перкина как метод получения
«^-непредельных карбоновых кислот имеет более ограничен-
ное применение, чем реакция Кнёвенагеля, которая проходит в
более мягких условиях и допускает использование в качестве
карбонильных компонентов алифатических альдегидов и ке-
тонов.
В качестве катализатора сам Перкин применил ацетат нат-
рия. Вопрос о том, является ли он действительно катализато-
ром, а ангидрид—метиленовым компонентом, долго оставал-
ся дискуссионным. Перкин считал, что ангидрид является реа-
гентом, а соль — катализатором. Эту точку зрения ставил под
сомнение Виттиг, поскольку при замене ацетата бутиратом нат-
рия образуется смесь коричной и этилкоричной кислот:
С2Н5
С6Н5СН = СН - СООН С6Н5СН = С - СООН
Однако, как было потом показано, такой же результат по-
лучается, когда исходными продуктами служат ангидрид мас-
ляной кислоты и ацетат натрия. Кроме того, выяснилось, что
в условиях реакции Перкина существует равновесие, смещен-
ное в сторону ангидрида более высокомолекулярной кислоты’.
(СН3СО)2О + 2CH3CH2CH2COONa^(CH3CH2CH2CO)?O +
+ 2CH3COONa
15—1425
235
Окончательно предположение Перкина подтвердилось тог-
да, когда стало известно, что бензальдегид конденсируется с
уксусным ангидридом не только в присутствии ацетата натрия,
но еще легче я с большими выводами в присутствии карбона-
та калия и даже пиридина, в то время как ацетат натрия в
присутствии этих же реагентов с бензальдегидом не реагирует
(положительные результаты в этом случае могут быть до-
стигнуты лишь при значительно более высокой температу-
ре).
С точки зрения современных представлений о механизме ре-
акций конденсации низкая реакционная способность ацетат-анио-
на обусловлена тем, что полный отрицательный заряд на ато-
ме кислорода сильно увеличивает его + Л1-эффект, что снижает
6д- на атоме углерода карбонильной группы, а следовательно,
и протонную подвижность атомов водорода соседней метиль-
ной группы.
Реакция Кляйзена. Эта реакция заключается в конденса-
ции не имеющих «-водородных атомов ароматических альде-
гидов со сложными эфирами карбоновых кислот;
CjHjONa
CgHs - СНО + СН, “ соос2н5 ----------->
0-5’С
--->С6Нб ~ сн=сн - СООС2Н5
Так как СН-кислотность сложного эфира вследствие боль-
шого + Л1-эффекта этоксигруппы невысока, в качестве катали-
заторов используют сильноосновные агенты.
С высокими выходами продукт конденсации образуется При
действии металлического натрия в присутствии каталитических
количеств этилового спирта. Использование 20%-го раствора
C2H5ONa в спирте значительно уменьшает выход продукта.
Реакцию Кляйзена используют в препаративной практике
для синтеза «^-непредельных карбоновых кислот.
Метиленовыми компонентами могут служить эфиры как на-
сыщенных, так и а,^-непредельных карбоновых кислот, на-
пример:
СгН5ОМа
сн3о—е р—сно + сн3сн2соос2н5------------->
СН,
/Г^ ।
СН,0—(' ')—сн=ссоос,н,
J У- _/ £ □
СНО + СНдСН =СНСООС2Н5^^
о
Реакция Штоббе. Реакция заключается во взаимодействии
альдегидов и кетонов (насыщенных, а,^-ненасыщенных и аро-
матических, включая и пространственно затрудненные) с дн-
эгиловым эфиром янтарной кислоты:
1 Сгн5ОЫа
или
RR'C = О + С2Н5ООССН2СН2СООС2Н5
(СНЭ)3СОК
2 Н30 +
сн2соон
I
* RR'C = CCOOH
О?“
б-
сн—с—ос»н5
RR'C=O+ |
СН4—COOCgHs
~RR'C—СНСООС2Н5*
О ZCH2
5?^Сд-ОСгНз
RR'C--CHCOOCgHs
СТ ^CHg
о=с—осан5
~ггн80~
RR'C—— CHCOOCEHS
Оч ZCH2
с=о
(75)
CvuUjHg
- > КК'С=С-СН2— CW-1—>
СООН
—> RR'C-=-C -CHr~COOH
15*
227
В качестве катализатора используют сильное основание —
этокснд натрия или лучше трет-бутоксид калия в отсутствие
спирта, но в среде абсолютированного эфира. Выходы продук-
та конденсации высокие.
Реакция протекает с промежуточным образованием цикли-
ческого аниона, полученного с участием несущего полный от-
рицательный заряд атома кислорода с атомом углерода более
удаленной этоксикарбонильной группы; в качестве побочного
продукта образуется эфир параконовой кислоты '75) (см. с. 227).
Реакция Дарзана. Реакция заключается в конденсации аль-
дегидов и кетонов со сложными эфирами а-галогензамещенных
алифатических карбоновых кислот в присутствии спиртовых
растворов алкоголятов щелочных металлов. Наиболее эффек-
тивным катализатором является трет-бутоксид калия. Реакция
не останавливается на стадии образования хлоргидрина.
В присутствии сильного основания происходит дегидрогалоге-
нирование с образованием глицидного эфира:
, RONa,-lO°C
RR С = О + R"CH - СООСчН,; ---------- >
А,
R"
„ . 1 - ROH;-RO-
RR С - С - СООСЕН.-?
I I 2 *
О С(
R"
_____ t I
RR С - С - С00С3Н*
II
НО С1
-HCI
»RR'C - С - СООСгН
Реакция Дарзана имеет препаративное значение, так как
эфиры эпокснкарбоновых кислот не всегда можно получить
окислением эфиров а,fj-непредельных кислот по Прилежаеву.
3.3. РЕАКЦИИ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
Сложноэфирная конденсация. Сложноэфирной конденсацией
называют реакцию .между двумя молекулами сложного эфира
карбоновых кислот, одна из которых является карбонильным
(эфирным) компонентом (76), а вторая — метиленовым (77).
Реакцию обычно проводят при участии эквимольного колнче-
228
ства металлического натрия в присутствии каталитических ко
личеств этилового спирта. Реакция протекает по схеме:
О О
w II ,11
R - с -0С2Н5 + R СН2 - С - 0СгН5 + 2Na
(76)' (77)
С2Н5ОН (следы)
-0С2Н50Ка,-Н2
6-0 R* О 5‘
I: I II
-*R~ОС“С-ОС2Н5 Na+
О R
Il I
-*Я-С'СН-СООС2Н5
СНзсоон
-CH3COONa*'
Карбонильными компонентами в этой реакции могут быть
практически любые сложные эфиры одно- и двухосновных кис-
лот: наиболее типичные иэ них по убыванию карбонильной ак-
тивности располагаются в следующий ряд:
С2Н5ООССООС2Н5 > НСООС2Н5 > СО (ОС2Н6)^>
> С6Н5СООС2Н5> С2Н5ООС (СН2)пСООС2Н5>
> RCOOC2H5
В качестве метиленовых компонентов в описанных выше ус-
ловиях проведения сложноэфирной конденсации (конденсиру-
ющий агент — щелочной металл, следы спирта) используют
только такие сложные эфиры, у которых в a-положении к этою
сикарбонильной группе находится метильная нли метиленовая
группа.
Так как атом кислорода в алкоксигруппе сложного эфира
имеет +А1-эффект, атомы водорода в «-положении сложных
эфиров обладают меньшей протонной подвижностью, чем в аль-
дегидах и кетонах. Поэтому катализатором сложноэфирной
конденсации является более сильно оснбвный, чем щелочь,
агент — алкоголя? натрия, который первоначально генерирует-
ся при взаимодействии натрия со следами спирта:
С2Н5ОН + Na-*C2H5O* Na+ + 1/2H2
Установлена, что при полном отсутствии в реакционной сме-
си спирта, из которого должен получиться ион СзН^О", слож-
ноэфирная конденсация не проходит и из сложного эфира по-
лучается ацилоин (см. ниже).
Кроме натрия в качестве конденсирующего агента в слож-
ноэфирнон конденсации можно использовать и другие щелоч-
ные металлы.
Механизм реакции. Согласно современным представлениям,
реакция сложноэфирмой конденсации протекает в три стадии
(все стадии обратимы). На первой стадии алкоголят-ион, об-
разовавшийся при взаимодействии следов спирта с натрием,
отщепляет от метиленового компонента протон, причем образу-
ется стабилизированный сопряжением с карбонильной группой
мезомерный анион (78). Известно, что раствор натриевого
производного такого типа не проводит электрический ток. По-
этому есть основания предполагать, что оно существует в виде
тесной ионной пары, в которой катион металла координируется
по месту с наибольшей электронной плотностью — атому кис-
лорода .
X И О
,ч «
R-CH-C-OCaHj+C^jO Na+
Г 0е'
> * Л
R-CH-C-OC2H5 Na+ + C2H5OH
(78(
На второй стадий реакции, лимитирующей скорость всего
Процесса, анион (78) нуклеофильно атакует вторую молекулу
сложного эфира, которая является карбонильным (эфирным)
компонентом;
О
II
R - С - ОСгН5 + (7В)
R - С - СН-СООС2Н5
I
осгн5
(79)
Скорость реакции зависит от природы щелочного металла-
Чем больше атомный номер металла, тем выше скорость ре-
230
акции: Li < Na < К < Rb < Cs. Поэтому весьма вероятно,
что на этой стадии образуется промежуточное шестичленное
переходное состояние с участием иона металла, в котором про-
исходит синхронное перераспределение связей:
г-
О* <05-
м*
На скорость реакции влияют как электроотрицательность,
так и ионный радиус щелочного металла, Значения этих ве-
личин приведены ниже:
Металл Элекгроогрпца- гельностъ по Полинг* ИонлыД фа- кч Слепень ионно ciH евяан о-м. к,
Li },0 0,157 79
Na 0,9 0,192 82
К 0,8 0,236 84
Rb 0,8 0,253 84
В соответствии с этими данными, большая активность руби-
диевого производного метиленового компонента по сравнению
с литиевым определяется большей степенью ионности связи
О—М, что увеличивает нуклеофильную реакционную способ-
ность аниона, Возможно, на легкость образования шестичлсн-
ного переходного состояния влияет размер иона металла, кото-
рый увеличивается с увеличением атомной массы, так как он
координируется одновременно по двум атомам кислорода.
На третьей стадии реакции происходит отщепление моле-
кулы спирта от аниона (79). Атом водорода в а-положеиии
аниона (79) более подвижен, чем в исходном сложном эфире,
из-за влияния двух электроноакцепторных групп (группа
OCaHs имеет —/-эффект). Поэтому аналогично отщеплению
воды от первоначально образующегося продукта присоедине-
ния в реакции Кнёвенагсля в данном случае отщепляется мо-
лекула спирта. Последний немедленно реагирует с натрием,
генерируя катализатор — алкоголят-ион. В образовавшемся по-
сле отщепления спирта анноне (80) создаются еще большие
возможности для рассредоточения избыточной электронной
плотности ко допе сопряжения, что приводит к дополнитель-
ному выигрышу энер|ин. Кроме того, этот анион может коор-
£3{
S-О В' 05-
-Cjir3OH
(79)^=
S-
Линироваться с ионом металла по хелатному типу (формула
(81)] также с небольшим выигрышем энергии.
Na+=R—С' 1
5-6 05-
- Na*
(80) (81)
Таким образом, равновесная на всех трех стадиях реакция
смещается в сторону образования продукта конденсации вслед-
ствие того, что из участвующего на первой стадии реакции ал-
коголя т-нона образуется практически неднегоциированная мо-
лекула спирта, которая затем реагирует с металлическим нат-
рием, а из двух молекул сложного эфира образуется сравни-
тельно бедный энергией аннон, нс обладающий сильноосионны-
ми свойствами.
Подкисление реакционной массы уксусной кислотой превра-
щает аннон (80) в эфир jj-оксокислоты:
RCO - CHR' - СООС2Н5
Рассмотренный механизм позволяет объяснить, почему при
действии металлического натрия в присутствии следов этилово-
го спирта не удается осуществить сложноэфирную конденса-
цию этилового эфира изомасляной кислоты, в котором в «-по-
ложении к эгоксикарбоиильной группе имеется только одни
атом водорода. В данном случае й образовавшемся на второй
стадии реакция анионе (82) в «-положении уже нет активиро-
ванного атома водорода, ответственного за отщепление моле-
кулы спирта на заключительной стадии. Это исключает воз-
можность образования бедного энергией стабилизированного
рассредоточением отрицательного заряда аниона, и заряд ос-
тается сосредоточенным на атоме кислорода.
соосгн5
2(СН3)2СН - СООС2Н5 г==*(СН3)2СН - С - С(СН3)2
(82)
Однако осуществить сложноэфириую конденсацию эфира
изомасляной кислоты все-такн удается, если в качестве кон-
денсирующего агента использовать эквимольные количества
232
таких сильных оснований, как амид натрия или лучше трифе-
нилметилнатрий (C6Hs)3CNa. В этом случае отрыв протона от
метиленового компонента на первой стадии реакции происходит
необратимо, так как при этом образуется либо улетающий из
сферы реакции аммиак, либо практически недиссоциированный
углеводород — трифенмлметая. Вторая стадия реакции — обра-
зование аннона (82) — не отличается от приведенной выше.
Процесс может завершиться отщеплением алкоксильной груп-
пы катионом натрия с образованием (без последующего под-
кисления) молекулы р-оксокнслоты, а не натриевого производ-
ного:
О
(82) (СН3)2СН - С - С(СН3)2СООСгН5 + C2H5ONa
Таким образом, если при проведении сложноэфирной кон-
денсации в обычных условиях алкоголят натрия вытесняет мо-
лекулу спирта, основность которого невысока, то в рассмат-
риваемом случае более сильные основания H2N:~ и (С6Н5)3С:’*
вытесняют ион С2Н5О_, обладающий меньшими нуклеофиль-
ными и основными свойствами.
Некоторые примеры реакции сложноэфирной конденсации.
Сложноэфирная конденсация позволяет синтезировать разно-
образные ^-оксокислоты и продукты их дальнейших превраще-
ний. Наибольшие выходы получаются при самокондеисации ка-
кого-либо одного сложного эфира. Если же проводить реак-
цию, используя эквимольную смесь эфиров двух различных
карбоновых кислот, то образуется Трудноразд ели мая смесь
приблизительно равных количеств эфиров четырех р-оксокис-
лот. Например, прн проведении конденсации эквимольной сме-
си этилацетата и этилбутирата образуются следующие эфиры:
СН3-СО-СН2-СООСгН5
СН3- СН2- СН2- СО - СН2- COOCjHe
сн3 - сн2 - сн2 - со - сн - соос2н5
снгсн3
сн3-со-сн-соос2н5
I
снгсн3
233
Со сравнительно хорошими выходами эфиры оксокислот
получаются, если в качестве карбонильного компонента ис-
пользовать эфиры, у которых в «-положении нет активирован-
ных атомов водорода, например диэтилоксалат, этилбензоат и
этилформиат, и которые по карбонильной активности превос-
ходят метиленовый компонент. Однако я в этом случае часть
метиленового компонента самоконденсируется, что уменьшает
выход целевого продукта
При использовании диэтилоксалата образуется эфир, оксо-
группа в котором находится в «-положении к одной этокси-
карбонильной группе, но в ^-положении по отношению к дру-
гой:
С2Н6ООС - ^OOC2Hg\+ CHjj- соос2н5 —*>
-*-с2н5оос- со - сн2 - соос2н5
Исходя из этилформиата и этилацетата, получают эфир
фор мил уксус ной кислоты-
ООС2Н5-*ОНС - сн2 -соосан5
При использовании полных эфиров двухосновных кислот
получают эфиры циклических ^-оксокислот (реакция Дикма-
на). Например, из диэтилового эфира адипиновой кислоты об-
разуется этиловый эфир 2-оксоциклопентанкарбоновой кисло-
лоты:
Н2С---СН?
7 \
Н2С\ СН2 — соос2н5
СО0с2Н5
COOC2Hg
Аналогично реагируют ди этиловый эфир пимелиновой (С?)
кислоты и эфиры двухосновных кислот состава С13—С,5. Эфи-
ры кислот Cg—С(2 не дают удовлетворительных выходов про-
дукта конденсации
Диэтиловый эфир янтарной кислоты в условиях проведения
сложноэфирной конденсации образует циклический продукт
(83) с участием двух молекул этого эфира. Эфир глутаровой
234
кислоты, конденсируясь с днэтилоксалатом, образует соедине-
ние (84) с пятнчленным циклом.
С помощью реакции сложноэфирной конденсации можно по-
лучать также эфиры оксокислот с более удаленными друг от
друга функциональными группами, если в качестве метилено-
вого компонента использовать эфиры аф-непредельных кислот,
где активирующее влияние этоксикарбонильной группы с незна-
чительным затуханием передается на атомы водорода крайней
метильной группы (см. разд. 3,2):
RCOOC2H5 + СЦ^- СН~СН - СООС2Н6--->
—> RCO-СН2-'СН=СН - СООС2Н5
Ацилоиновая конденсация. Как уже отмечалось выше, ка-
тализатором сложноэфирной конденсации. авляется_ алкоголят-
~нон. Это лишний раз подтверждяеТСяТем. что при полном отсут-
ствии спирта металлический натрий в среде абсолютированного
эфира или бензола реагирует со сложными эфирами карбоно-
вых кислот с образованием ацилоинов, а не эфиров ^-оксокислот.
1 Na
2RCOOC2Hs ------>R-CO-CHOH-R
/2 НЭО+
По-видимому, реакция протекает по механизму, аналогично-
му механизму образования пинаконов при действии амальгами-
рованных магния или алюминия или механизму образования ме-
таллкетилов при действии натрия на кетоны.
235
На первой стадии реакции происходит окислительно-восста-
новительный процесс: два атома натрия отдают по одному
электрону, по всей вероятности, наиболее электроотрицатель-
ным атомам кислорода карбонильных групп, находящихся в
двух молекулах сложного эфира. Это приводит к гомолитиче-
скому разрыву кратных связей и образованию анион-радика-
лов, которые затем димеризуются:
Na+ 'О
CgHjO
Na4 О О’ Na4
R-C-C-R
С2НБО ОСаНд
При наличии еще двух атомов натрия реакция на этой ста-
дии не заканчивается. Эти атомы натрия также передают по
одному электрону электроотрицательным атомам кислорода
этоксигрупп, что влечет за собой гомолитический разрыв свя-
зен С—О и образование бирадикала, после чего происходит
образование связи С=С, При последующей обработке полу-
ченного продукта водой образуется сначала ендиол, который
сразу, в соответствии с правилом Эльтекова — Эрленмейера,
изомеризуется в ацилоин: "
О- Na + 1 о- Na +
R - С - ОСгНД 1 ' 1 2Na R' 1 С- 1
r- с-^с2н5! -2C2H5ONa R~ с-
О* Ка+ НО ОН 0- Na+
1 1 -н*+н+
R - С = С - R -------------*-
Rx z 0“ Na+
С 2Нг0
К ----*
С
ч0' Na +
О ОН
II I
R- С -СН-R
При использовании сильноразбавленных растворов эфиров
двухосновных кислот в результате ацилоиновой конденсации
образуются циклические продукты (В. Прелог):
С2Н5ООС(СН2)ПСООС2Н5
MNa
2.нг0
<сн2)п_2
Наибольшие выходы (до 70%) получают в том случае, ког-
да п = 3—5 и >13; при п — &—10 выходы достигают 50%.
В концентрированных растворах реакция идет преимуществен-
но межмолекулярно и образуются полимерные продукты.
230
1
Синтезы с участием ацетоуксусного эфира. Наиболее полно
изученным и широко используемым в синтетической практике
представителем функциональных производных р-оксокнслот яв-
ляется ацетоуксусный эфир, Он представляет собой не индиви-
дуальное соединение, а равновесную смесь двух таутомерных
форм—кетонной (84а) и енольной (846):
О О
II II
СПз - с - СН2 - С - ОС2Н5
ОН о
I II
^г.сн3 - С = сн-с-ос2н5
(84а) (93%)
(846) (7%)
В енольной форме гидроксильная группа образует внутри-
молекулярную водородную связь с атомом кислорода карбо-
нильной группы сложноэфирной группировки:
НС - С -ОС2Н5
нс-/ Ч
njC v
о- н
1-
| О наличии двух таутомерных форм свидетельствует
1 ИК-спектр ацетоуксусного эфира, в котором присутствуют поло-
| сы поглощения, характерные для кетогруппы (1715 см-1),
й группы СО сложноэфирной группировки (1740 см-'), группы
1 СО, связанной внутримолекулярной водородной связью
(1650 см'1), и 1руппы СО, сопряженной с двойной связью
С = С (1630 см-')
Наличие внутримолекулярной водородной связи и хелатной
структуры подтверждается еще и тем, что температура кипе-
ния енольной формы ацетоуксусного эфира ниже, чем кетон-
ной. Обычно спирты, молекулы которых образуют межмолеку-
лярные водородные связи, имеют температуры кипения не-
сколько выше, чем карбонильные соединения с таким же чис-
лом атомов углерода. Например, температура кипения изопро-
пилового спирта на 26°С выше, чем температура кипения аце-
тона.
Благодаря наличию внутримолекулярной водородной связи
енольная форма ацетоуксусного эфира менее полярна, чем ке-
237
сонная Содержание енольной формы в равновесной смеси уве-
личивается при растворении ацетоуксусного эфира в неполяр-
ных растворителях:
PsKTrnpm ель Г *од ер ж j и ие енольной фгн*г мы Содержание енольной фор мы %
Вода 0,4 Бензол 16,2
Метиловый спирт 6,9 Ди этиловый эфир 27,0
Ацетон 7,3 н-Гексая 46,4
Каждая из форм ацетоуксусного эфира выделена в инди-
видуальном виде. Кетонная форма (твердое кристаллическое
вещество} была получена при охлаждении жидким воздухом
раствора аиетоукеусного эфира в петролейном эфире. Еноль-
ная форма (низкокипящая фракция) выделена вакуумной пе-
регонкой в кварцевой посуде. В виде смеси цис- я транс -изоме-
ров енольная форма подучена также при разложении натрий-
ацетоуксусного эфира, предварительно охлажденного до низкой
температуры, хлороводородной кислотой.
Определить количеово енольной формы в смеси можно При
помощи брома, с которым избирательно реагирует только
енольная форма-
СО 0 ед
—> СНа-С-сн-Вг ф НВх
О
сн—соо<ед
сна-с^> Вг
й &
\тт
Учитывая, что одна из форм переходит в другую, реакцию
следует проводить достаточно-быстро Переход из одной фор-
мы в другую катализируется как щелочами, так и кислотами:
05-
СН3— С—СН—COOCsH3-~y
В 66- „ он
> сн3-с^сн-сооед ,^3=-
тЛ*
ОН
—у сн5--с--=он-сооед
(8S)
О -Н&э
СНз - с СН - СООС2Н5 —► (85)
-нго
н- он
НО"
0
11
сн3- с - сн2- соос2н5
ДО
0е- но нй
JJ Н+ I I
СН3 - G - сн2- соос2н5 сн3 - с - сн
соос2н5
нго
-н30*
6й
*сн3-с = ен -еоос2нд
6—н*+
^н
I 6-
сн3 - ё=сн
Н+ ( с-
- СООСгЙ& СНЭ - с - сн - Соос2н5
I +2
М
Н30*
о
II
---> сн3-с-сн-соос2н5
Известно, что у алифатических кетонов, например у ацетона, равновесие
кетон^еиол практически нацело смешено влево (содержание енола при ком-
натной температуре = 25-10_<%) По сравнению с кетонной. енольная форма
богаче энергией (на 54 кДж/моль). следовательно она менее устойчива, чем
кетоны а я.
Напротив, соединения, в которых кратная связь С = С енольной формы
является частью ароматической системы, например фенол, устойчивы практи-
чески только в енольной форме И а этом случае решающую роль играют энер-
гетические факторы Для перехода фенола в кетонн)ю форму требуется пре-
одолеть большую часть энергии сопряжения ароматической системы, равную
150 кДж/моль (от нее в кетонной форме сохраняется только энергия сопря-
жения оставшейся диеновой системы, равная 17 кДж/моль) Выигрыш энергии
(54 кДж/моль). связанный с переходом енола в кетонную форму, не может
компенсировать затрату энергии (134 кДж/моль).
Естественно, что с увеличением числа гидроксильных групп в молекуле
ароматического гид рок си соединения вероятность существования кетонной фор-
мы возрастает. Например, флороглюцин (86), у которого спектральным мето-
дом не удается обнз pj жить кетонную форму (87), образует с Рид рокси л ами-
ном трнокснм (88)
(88)
NOH
239
Ацетоуксусный эфир можно рассматривать как ацетон, в
котором один атом водорода замешен на электроновкцептор-
ную это кси карбо в ильную группу. Ацетоуксусный эфир образу-
ет енол легче, чем ацетон. Во-первых, атомы водорода в мети
леновой группе ацетоуксусного эфира находятся под влиянием
двух электроноакцепторных групп и поэтому имеют значитель-
но большую протонную подвижность, чем атомы водорода
в метильных группах ацетона (для ацетоуксусного эфира
рКа = 10,68, тогда как для ацетона p/Q -20,0). Поэтому этот
атом водорода легче отщепляется в виде протона и с большей
степенью вероятности присоединяется к атому кислорода кар-
бонильной группы, имеющему наибольшую электронную плот-
ность, образуя енол. Во-вторых, в еноле возникает более энер-
гетически выгодная система сопряженных кратных связей
С = С и 0=0, что влечет за собой уменьшение энергии си-
стемы И, наконец, дополнительный выигрыш энергии получа-
ется при образовании хелатной структуры енольной формы.
Таким образом чем бсмее сильны мн электроноакцепторцы ми свойствам.!
в соединениях тина CH3COCHj-*X обладает группа X. тем выше содержание
енольной формы в равновесной смеси Так как кетонная группа облапает бо-
лее сильными электроноакцеттОрными свойствами, чем с тожноэфирная. то ане
ти,[ацетон на 80% существует а енольной форме, а бензоил а щ.тон [89) н ди бен-
зо и тметан (90) существуют то «ько в ено тьных формах
СН
r - хс-с6н5 <еэ) & = СН3
1 II Ь
°х -° (90) В = С6Н5
н
Ацетоуксусному эфиру свойственны реакции, характерные
как для кетонов, так н для енолов Как кетон [см. формулу
(84а)] ацетоуксусный эфир реагирует с циановодородной кис-
лотой, гидросульфитом натрия, аммиаком, гидрокси ламином,
фенилгидразнном и мочевиной:
SO3Na CN
। . NaHSO3 HCN I
CH3 - C - СНгС00С2Н6 -----(84a) —*CH3 - C - CM2COOC2HS
। I
OH OH
NHJ I u
(84a) >GHj - C - CH2COOC2M5 —СПз - C - CH2C00C2H5
он г
«0
NHjOH CH3-C —CH2
(Й4а)---»• CHj - С - СН2СООС2Н5------N ' q ;
It -c2hsoh X /
NOH 0
HjNNHC(Hs
(84a) ------CH3 - С - CH2COOC2H5 ---------s-
11 -с2н5он
NNHCgHj
CH3 - C - CH2
----*- N \ / C = °
NCeHs
(H^CO
(84 a) ---*
-CjHjOH,
-HjO
CH3 - C - N
. / \
;С = О
О = C - NH
СНг-С = N
^H2C(
0 = C - N
CKj - C= N
< >-0H
HO - C - N
Реакции с гидрочсиламином, фенилгидразином и мочевиной
не останавливаются на замещении атома цчглорода карбониль-
ной группы. Далее отщепляется молекула спирта и образуются
соединения гетероциклического ряда — производные изоксазо-
ла, пиразола и пиримидина. В этих реакциях принимает учас-
тие не только карбонильная, но и этокснкарбонильная группа.
Как енол [см формулу (846)] ацетоуксусный эфир реаги-
рует с а цетил хлоридом, хлоридом фосфора(У), диазометаном,
N2O3 (содержащимся в азотистой кислоте), бромом (см.
выше):
С ( о С Н3
I PCls CHjt^ I
СН3-С=СНС00С2Н5 *—(846) --------► CKj - С = CHCOOC2Hs
CHjCOCI,
пиридин
OCOCH2
I
CHj - C = CHCOOC^Hg
16—1425
241
снсоосйн3
СНз-С^ N=o_______;
Й /о-№О -HNOa
н
СН3—C—C~COOC2HS
О №0
--—>
---У CH3-C-C-COOC2Hs
О N0H
С солями меди енольная форма ацетоуксусного эфира об-
разует внутрикомплексные еноляты:
Сц2+
2сн3 - с = сн - соос2н5 ---*
I -2Н+
он
С2Н5О - С — О О ~ С - СН3
/ L / \\
----* НС Си сн
\\ / \ /
Н3С - С- 0 о = с - ос2н5
Ион Fe3+ образует аналогичное соединение с тремя молеку-
лами ацетоуксусного эфира; оно имеет ярко-фиолетовую окра-
ску.
Несмотря на то что в ацетоуксусном эфире, представляю-
щем собой равновесную смесь двух таутомерных форм, содер-
жится лишь 7% енольной формы, в реакции с ацетилхлоридом,
хлоридом фосфора (V) и диазометаном, если их проводить без
охлаждения и продолжительное время, вступает практически
полностью весь взятый эфир. Это объясняется тем, что по ме-
ре вступления енола в реакцию в еще не прореагировавшей ча-
сти ацетоуксусного эфира постепенно восстанавливается равно-
весное соотношение таутомеров. Таким образом, весь ацетоук-
сусный эфир количественно реагирует с каждым из веществ,
которое избирательно взаимодействует только с какой-либо
одной из двух таутомерных форм.
Таким образом, двойственная реакционная способность са-
мого ацетоуксусного эфира определяется наличием в нем двух
взаимно переходящих друг в друга таутомеров.
При действии на ацетоуксусный эфиР металлическим натри-
ем, а также спиртовым раствором алкоголята натрия отщепля-
ется атом водорода метиленовой группы и образуется иатрий-
ацетоуксусный эфир, который также широко используется в
синтетической практике,
Натрнйацетоуксусный эфир представляет собой почти пол-
ностью ионизированное соединение (степень нонностн связи
242
С/—Na, вычисленная по Полню у по разности электроогрица-
тельностей атомов кислорода и натрия, составляет 82% )• Он
хорошо растворим в воде, и этот раствор проводит электриче-
ский ток, что также свидетельствует о солеобразном характере
этого соединения При электролизе спиртового раствора нат-
рийацетоуксусного эфира в анодном пространстве обнаружен
эфир (91), который может образоваться только в результате
потери электрона анионом натрийацетоуксусного эфира и по-
следующей димеризации образующихся радикалов.
[СН3СОСНСООС2Н5]- > [СН3СОСНСООС2Н5]----------->
СН3СО - СН - СООС2Н5
—> I
СН3СО-СН-СООС2Н5
(91)
В ИК-спектре натринацетоуксусного эфира (в отличие от
спектра ацетоуксусного эфира) в области поглощения карбо-
нильной группы имеется только одна полоса (1662 см-*), ко-
торую нельзя отнести к полосам поглощения ни кетонной
группы, ни группы СО сложноэфирной группировки, НИ группы
СО, сопряженной со связью С = С, цн группы СО, связанной
внутримолекулярной водородной связью. Поэтому можно ут-
верждать, что аниону ацетоуксусного эфира отвечает единст-
венная структура (92) с рассредоточенной избыточной элект-
ронной плотностью, а не какая-либо из структур (93) и (94)
или равновесная смесь их обеих.
5-0 05- О"
II 5- II I
СН3—ОС№=С-0C2Hg сн3—с=сн—COOCgHg
(92) (93)
II я
сн3- с—сн- соос2н3
(94)
Самому же натрийацетоуксусному эфиру правильнее при-
писывать структуру (95), согласно которой ион натрия коор-
динирован одновременно по двум атомам кислорода—местам
с наибольшей электронной плотностью, а нс по какому-либо
< 1ному из них или по атому углерода:
5-СН
СНз-f(„)
5-0 05-
Na+
243
Однако несмотря на то чю иатрнйацетоуксусному эфиру
отвечает единственная формула (95), при взаимодействии его
с различными реагентами и даже с одним реагентом в различ-
ных условиях могут предпочтительно образовываться как
С-производные кетонной формы ацетоуксусного эфира, так и
О-пронзводные енольной формы эфира, а также смесь этих
продуктов:
СН2СООС?Н5 СН3
I С1СН,СООСгН5 СНЭ1 I
СН3СОСНСООС2Н5 ------------(95> —-СН3СОСНСООС2Н5
(96%)
R- Aik, J RCOCI
С6Н5 I
COR C0R
I I
CH3COCHCOOC2H6 + CH3COC = cooc2H6
(основной продукт)
ОСООС2Н5
I
CH3C = CHCOOC2H6
С1СООСгН5 CHjOhSOa I
осн3
сн3с = СНСООС2Н5
ОСгН5
СН3С = СНСООС2Н5
СН(ОСгН5)э
-s-------—
-(95)-
осн2осн3
С!Снгоанэ |
------а- СН3С = СНСООС2Н5
Кинетические исследования реакции натрийацетоуксусного
эфира с алкилгалогенндамн а безводном этаноле, приводящей
к С-алкилпроизводным ацетоуксусного эфира, показали, что
она имеет второй порядок, аналогично реакциям гидролиза и
алкоголиза алкилгалогенидов. На этом основании можно ут-
верждать, что эта реакция относится к реакциям нуклеофиль-
ного замещения, протекающим по механизму 5^2, причем ани-
он натрийацетоуксусного эфира, подобно ионам ~CN н NOj-,
можно рассматривать как амбидентный нуклеофильный реа-
гент, в котором местом с наибольшей нуклеофильной реакци-
онной способностью является атом углерода метияяой группы,
а местом с наибольшей электронной плотностью — атом кисло-
рода карбонильной группы.
Дополнительным подтверждением того, что в данном случае
реакция протекает по механизму Sn-2, может служить тот
244
факт, что реакционная способность исходных алкилгалогени-
дов RX, как и в любой другой реакции нуклеофильного заме-
щения, зависит от строения R и уменьшается в ряду:
СН3Х > С2Н5Х > (СН3)?СНХ> (СН3)3СХ
трет-Алкилгалогеннды реагируют с трудом и предпочти-
тельно претерпевают реакцию элиминирования.
Принимая во внимание все сказанное выше, механизм взаи-
модействия алкилгалогенидов с натрийацетоуксусным эфиром
можно представить следующим образом:
4 / II
—> —С—СН-С-СН3 + Na+ + X'
СООС2Н5
Не исключено, однако, что эта реакция протекает с проме-
жуточным образованием шестичленного переходного состояния,
в котором происходит синхронное перераспределение связей:
8-СНСООС2Н6 CHCOOC2HS
сщ—► СН3—С + Na+ + X"
„ h rl II
В- СГ о
Na+
Реакции, завершающиеся образованием 0-производных
енольной формы ацетоуксусного эфира, протекают с субстра-
тами, способными реагировать по механизму SN1. Метилхлор-
метиловый и хлоругольный эфиры на первой стадии реакции
могут претерпевать гетеролитический распад с образованием
карбокатионов (96) и (97), стабилизированных рассредоточе-
нием положительного заряда за счет р-электронов атома кис-
лорода ( + М-эффект):
сн3—6--снг—> СН3-О^СН2
Cw)
О=С—б—СгН3 —> о=с=о—С2Н5
(97)
245
Эти карбокатионы, согласно правилу Корнблюма. должны
реагировать с анионом натрнйацетоукеусного эфира по Месту
с наибольшей электронной плотностью—атому кислорода,
давая О-производное енольной формы ацетоуксусного эфира
Гетеролиз диметилсульфата становится возможным потому,
что образующийся при этом анион (98) стабилизируется путем
рассредоточения избыточной электронной плотности по трем
атомам кислорода, а чрезвычайно активный карбокатион
+СНз в какой-то мере стабилизируется благодаря сольватации
его молекулами апротонного растворителя,
р OS--
Н s 'I
Х-^-0СНа —>• о'-=й-осн,
(98)
О-Производные могут образоваться в значительных коли-
чествах также в тех случаях, если в натриевом производном
моноалкнлированного ацетоуксусного эфира возникают прост-
ранственные затруднения, связанные с размером алкильной
группы. Большие группы экранируют нуклеофильный центр
аниона натрийацетоуксусного эфира, и он вынужден атаковать
субстрат атомом кислорода
Интересные результаты были получены И П Белецкой и А Л Курнем
Они установили, что если в реакции с натрниацетоуксусным эфиром использо-
вать субстраты, более реакционноспособные. чем а лк и л галогениды, например
тоэнлаты или диалкилсульфаты, в которых б-f- на атакуемом атоме углерода
больше (см разд 22), а в качестве ржтворнтеля вместо обычно применяемого
диэтилового эфира использовать растворители, оптимальные для проведения
реакций по механизму SN2 [диметилформамчд (ДМФА), димети.чсульфокенд
(ДМСО), тексаметнлтрвамидофосфат (ГМТАФ)}. то, вопреки априорным тео-
ретическим предположениям и правилу Корнблюча, в качестве основного полу-
чается не продукт С-алкилирования ацетоуксусного эфира, а Е изомер про-
дукта О-алкнлирования его енольной формы
(95) + ROS02-
сн3
RO.
С=С
Н3С 'Х^'СООС,Н,.
(99)
Направление реакции изменяется также при замене металла-противоиона
(натрий) на другие щелочные металлы Если при действии днметилсульфата
в ГМТАФ на натрийацетоуксусный эфир выход продукта (99) составляет 69%,
то при использовании цезиевого производного выход достигает 81 %, а литие
вого — 62%. Из соединения, в котором противоионом является нон серебра
(электроотрицательность ],9). образуется только П% продукта (99) (правда,
в этом случае реакцию проводили не в ГМТАФ, а в абсолютированном эфире)
24В
Полученные результаты с теоретических позиций реакций нуклеофильного
замещения можно интерпретировать следующим образом В абсолютированном
диэтиловом эфире натрийацетоуксусный эфир представляет собой конгломера?
тесных ионных пар, в которых оба атома кислорода карбонильных групп (На
которых сосредоточена избыточная электронная плотность), блокированы про-
тивоионом — катионом Металла [см формулу (96)]
При использовании таких яысокополярных растворителей, как ГМТАФ
или ДМСО (см гл 2). и которых избыточная электронная плотность сосредо-
точена на единственном атоме кислорода, молекулы растворителей способны
сольватировать катион Щелочного металла, тем самым ослабляя связь его
с анионом ацетоуксусного эфира Последний при этом Принимает наиболее
выгодную конформацию, по форме напоминающую букву W, в которой несущие
одноименный частичный заряд атомы кислорода карбонильных групп занимают
наиболее удаленное друг от друга положение
Чем ниже электроотрицательность металла-противоиона, тем выше степень
ионности связи его с анионом и тем легче происходит разъединение, поп-
вых пар
Кроме того, как это ин парадоксально, высокополярные апротонные рас-
творители типа ГМТАФ н ДМСО способствуют гетеролизу таких субстратов,
как тозилаты н алкилсульфаты, даже если онн содержат первичные алкильные
группы В отличие от алкил галогенидов эти субстраты склонны к гетеролизу
вне зависимости от строения органического радикала R, так как при этом
образуются анноны, в которых возможно рассредоточение избыточной элект-
ронной плотности равномерно но трем атомам кислорода («хорошая» уходя-
щая группа), что благоприятствует их стабилизации, а богатый энергией кар-
бокатион R+ стабилизируется сольватацией его молекулами растворителя, на-
пример
На заключительной стадии реакции карбокатион R+, в соответствии с пра-
вилом Корнблюма, атакует анион натрий ацетоуксусного эфира по месту с наи-
большей электронной плотностью
R0
НаС
XOOCaHs
Авторы рассматриваемой работы интерпретируют полученные нмн данные
с позиций введенного Пирсоном принципа JKMKO (жестких и мягких кислот
И Оснований)
К мягким основаниям Пирсон относит молекулы н анионы, в которых со-
держатся злектронодонорные атомы, обладающие высокой поляризуемостью
в низкой электроотрицательностью, эти атомы легко окисляются н связывают-
ся атомами со свободными орбиталями с низкой энергией. В жестких основа-
247
пяях, яапротнэ, имеются атомы с Низкой поляризуемостью. Которые трудно
окисляются и связываются атомами со свободными орбиталями с высокой
энергией
Согласно принципам ЖМКО, конкретные основания распределяются сле-
дующим образом
Мягкие основания RSR, RSH, _SCN, S2O?_, Вг“, R3P’, RsAs;, (ROJ»P:(
I", “CM. RNC, CO, СгН4, CeH6. H“, :R~
Промежуточные основания C5H5NH3, Nj”, Cl“ NOs“, SO3S-
Жесткие основания H2O, НО F~, РО?Л CHjCOO“. SO?’ CO?’, Cb,
NO-r, ROH, RO'T ROR, NHj, RNHs, H^NNH»
К мягким кислотам Пирсон относит частицы, содержащие электроноавдел-
торные атомы с рассредоточенным положительным зарядом, имеющие большой
размер к достаточно легко возбуждаемые внешние электроны К жестким ннс*
лотам относятся частицы, содержащие Электр оно акцепторные атомы с высо-
ким положительным зарядом, имеющие малый размер и не имеющие легко-
возбуждаемых внешних электронов
Согласно принципам ЖМКО, конкретные кислоты распределяются еле
дующим образом
Мягкие кислоты РР*Т Pd2+, С<?*, Hgf1*, Ag+, ВН* Ь. Вт?. 1+, Вг+, карбе-
ны, RjC*
Промежуточные кислоты: SOj, Fe2+, Сн’*, карбокатионы (кроме тре-
тичных}
Жесткие кислоты Na*, К*, Са1*, АР*, 50з, SOC12, Sn4+, Н+ X" (Х=ОН,
OR и др J
В соответствия с принципами JRMKO, при взаимодействии кислоты с о'•
ион а и нем повышенная стабилизация наступает в том случае, если оба реагент, г
откосятся либо к жестким, либо к мягким Иными словами при проведении
реакции более эффективно взаимодействуют орбитали, близкие по энергии
С этих позиций полученные н обсуждаемой работе результаты могут быть
истолкованы следующим образом
Амбидентный аниой патрийацетоуксуснаго эфира (Нуклеофильный реагент)
имеет два реакционных центра- мягкий — атом углерода группы СН и жен-
кин — атом кислорода карбонильной группы Его поведение как нуклеофила
Может изменяться в зависимости от строения субстрата (как уходящей груп-
пы, так и R), природы растворители и природы противоиона — металла.
Строение субстрата Реагирующие н качестве кислот субстраты по увели-
чению жесткости (способности генерировать жесткий карбокатион) распола-
гаются в ряд-
Rl < RBr < RCI < RF < ROSOjOR <
<R0S0a—снэ< ROSO2CH3
В этой же последовательности при прочих ранных условиях увеличивается
в продуктах реакции содержание О-про и заодно го — продукта Взаимодействия
с жестким основным центром Например, если В субстрате RX Р = СгН5. М+™
“К+, я растворитель—ГМТАФ, то количественное соотношение продуктов
реакции в зависимости от природы уходящей группы X изменяется следующим
образом-
Уходящая группа
OSOaCsHiCHs-rt
OSOjOCjHj
F, Cl
Вг
I
Выхед, %
К>ИЗВОДИ< ое С Производите
88 н
83 15
50 32
39 38
13 71
248
Строение остатка R в субстрате RX также влияет на соот-
ношение продуктов реакции, одиако только в том случае, когда
Х = На1, например бром. Содержание О-производного в этом
случае возрастает при переходе от первичных к вторичным ал-
килгалогеиидам, которые, как известно, способны реагировать
по механизму SN1 с промежуточным образованием карбокатио-
нов Однако тозилаты (Х = О5ОгСеН4СН3) даже первичных
спиртов по причинам, изложенным выше, способны претерпе-
вать гетеролиз, генерируя при этом достаточно жесткий кар-
бокатион Например, при реакциях калийацетоуксусного эф»-
ра с алкилбромидами и алкилтозилатами получены следующие
результаты.
Субстрат
Выход, %
О -Л рои э вод вое С-Пронзводиое
СНзВг*
СгН5Вг*
(СНзЬСНВг
С2Н$СН(СН3) Вг
CHsOSOjCe^CHs
CjHsOSC^Cs^CHj
(CH3hCHOSO2C6H,CH3
C2HSC1 [ (CH3) OSOjCJhCH»
14
39
69
78
89
88
84
86
42
38
31
22
7
11
16
14
* Образуется -акже дналивлпровзводное
Повышению содержания продукта О алкилирования способствует также
наличие в углеводородном радикале субстрата электроноакцепторных замести-
телей, например, соединения (100), (101) и даже (102), реагируя по жесткому
центру аниона ацетоуксусного эфира, образуют исключительно продукты 0-ал-
килирования Напротив, при наличии в углеводородном радикале легко поля-
ризуемой л связи как например, в соединении (103), замещение на 80% идет
по мягкому центру аниона ацетоукс\сного эфира — по атому углерода
f3coso2ch3 roch2ci roch2i ch2-chch2oso2ch3
(100) (101) (102) (103)
Природа растворителя При использовании неполярных или малополярных
растворителей натрийацегоуксусный эфир существует преимущественно в виде
ионных пар, причем ион натрия, являясь жесткой кислотой, координируется по
атомам кислорода карбонильных групп, которые представляют собой жесткие
основания [см формулу (95)] В этих условиях ион натрия экранирует кис-
лородные центры аниона, и реакция с мягкими кислотами — алкилгалогени-
дамн — протекает в основном по атому углерода — мягкому кислотному центру.
Если же использовать адротоппые полярные растворители (ДМФА, ДМСО
или ГМТАф), в которых атом кислорода является жестким основанием и на
нем сосредоточена большая избыточная электронная плотность, то их молеку-
лы будут сольватировать ион натрия, разъединять ионные пары и тем самым
благоприятствовать протеканию реакции по жесткому центру
Если в качестве субстрата RX использовать днэтилсульфат (CsHsOJaSO?,
а в качестве противоиона К+, то в зависимости от природы растворителя соот-
ношение О- и С-производных изменяется следующим образом.
249
Рагт.впрятель
ГМТАФ
ДМСО
Пиридин
Ацетон
Ацетонитрил
Днметиловый
эфир
Диэтнловый
эфир
Этиловый спирт
Д яом;а н
О Производив
83
70
63
38
32
18
1
8
1
Выдод. %
С-Произвол н ое
15
27
35
51
61
74
95
84
96
Природа противоиона. Согласно принципам ЖМКО, влияние природы ме-
талла — противоиона аниона ацетоуксусного эфира — на направление реакции
сводится к следующему, По кислотной жесткости катионы щелочных металлов
располагаются в ряд:
Li+ > Na+ > К+ > Rb+ > Cs+
Поэтому литий как более жесткая кислота сильнее блокирует жесткий
основной центр в анионе ацетоуксусного эфира и в большей степени препят-
ствует протекал ню реакции по атому кислорода,
Кетонное и кислотное расщепление ацетоуксусного эфира.
Реакция кетонного расщепления заключается н гидролизе и
последующем декарбоксил прозаики образовавшейся ацетоук-
сусной кислоты при нагревании. Реакцию проводят в присут-
ствии разбавленных водных растворов кислот или щелочей:
сн3 - С - СНг i соос2н5 н-?°-(Н+ или 0Н1 сн3- с - сн3 +
ф 'l нагревание
+ СО2 + С2Н5ОН **
Кетонному расщеплению могут подвергаться и продукты
предварительного алкилирования ацето; ксусного эфира.
Предполагают, что декарбоксилированию подвергается ке-
тонная, а не енольная форма оксокислоты. Известно, что
а,а-ди алкил ацетоуксусные кислоты (104), которые не могут
существовать в енольной форме; декарбоксилируются значи-
тельно легче, а 2-оксобутандиовая кислота (105), в которой
равновесие сильно смещено в сторону енольной формы,—-зна-
чительно труднее, чем ацетоуксусная кислота.
ОН
ch3cocrr'cooh НООССОСН2СООН-ХНООСС=СНСООН
(104)
(105)
250
По-видимому, декарбоксилирование происходит с промежу-
точным образованием шестичленного переходного состояния,
чему способствует возникновение водородной связи между ато-
мом водорода гидроксильной группы н атомом кислорода оксо-
группы. В качестве интермедиата образуется енол (106). Это
подтверждается тем, что если декарбоксилирование проводить в
присутствии иода или брома, которые способны в мягких ус-
ловиях избирательно реагировать только с енольной формой,
то образуется а-галогенкетон (107).
СН3—C=CRR/
ОН
-И*
СН3—С—CHRR'
I
О
(we)
CRR'
СН3—X
О X
(107)
При двукратном алкилировании натрий ацетоуксус но го эфи-
ра различными алкилгалогенидамн (за исключением третич-
ных) с последующим кетонным расщеплением продукта алки-
лирования можно получать различные метнлкетоны.
Реакция кислотного расщепления, проводимая обычно дей-
ствием спиртового раствора алкоголята натрия или концентри-
рованного раствора щелочи обратна реакции синтеза ацето-
уксусного эфира из этилацетата. И в данном случае оксокис-
лота реагирует в кетонной форме: диалкилацетоуксусный эфир
подвергается кислотному расщеплению значительно легче не-
замещенного ацетоуксусного эфира.
На первой стадии реакции происходит атака карбонильной
I руппы этоксид-ионом (на нем дефицит электронной плотно-
сти больше, чем на атоме углерода этоксикарбонильной груп-
пы):
С2Н5О
СИ3-С ' ,С~С-гОСгН5
> к
R О"
I II Сгн5о-
сн3—с—С—c-oc2h5^z~ : .±
О If
~сн3сооад^
OS-
S' il
RR'C—С-ОСгН5
L J
СгЙ50И . л,о
---RVCE-COOCiHs—RR'CH-COOH
2SI
При действии концентрированного раствора щелочи реак-
ция протекает необратимо, так как эфиры карбоновых кислот
в данном случае гидролизуются с образованием анионов
R2CHCOO , СН-кислотность которых мала, и, следовательно,
отщепление протона, необходимого для протекания реакции в
обратном направлении, происходить не может
Таким образом, алкилирование иатрийацетоукеусного эфи-
ра с последующим кислотным расщеплением может служить
методом получения различных карбоновых кислот. С ним ус-
пешно конкурирует метод Конрада, основанный на использо-
вании малонового эфира.
CjHjONs;
СН2(СООС2Н5)2 -^с0Н »[СН(С00С2Н^~ Na+
C2H5ONa;
~»RCH(COOCoH^k ;c^Ohl - [RC(COOC2H;)g] Na+
-*Rr'C(COOC2H5)2 Rr'C(COOH)2 ?аг?еаание>
-C02
—>(rr'c = C(OH)2] >RRfCHCOOH
Конденсация сложных эфиров с кетонами. При конденса-
ции сложных эфиров (карбонильные компоненты) с кетонами
(метиленовые компоненты) образуются р-дикетоны.
О О О й' О
Я t К » i.C,K<0 И 1 И »Г
R - С - ОС2Н5 + R - СН2 - С - R ---- С - СН - С - R
2.СНЭСООН
Карбонильная активность кетонов выше, чем активность
сложных эфиров. Поэтому проводить реакцию, вводя одновре-
менно эквимольные количества участников реакции и катали-
затор, не представляется возможным, так как в этом случае
кетон предпочтительно конденсируется по альдольно-Кротоно-
вому типу. При получении ацетилацетона из этилацетата и
ацетона во избежание получения изофорона и ацетоуксусного
эфира поступают следующим образом к приготовленному ал-
коголяту натрия прибавляют этилацетат и, пока он не успел
прореагировать сам с собой, быстро вводят ацетон. Ацетнлаце-
юн при этом образуется в виде натриевой соли, из которой его
>52
выделяют, подкисляя реакционную массу уксусной кислотой
СНэСООСгНь + СН3СОСН3~.С^°~ >СН3СОСН,СОСН3
2 СН^СООН
Прибавлять к этоксиду натрия реагенты в обратной после-
довательности нельзя, так как более реакционноспособный аце-
тон предпочтительно будет реагировать не с этилацетатом, а
сам с собой с образованием изофорона
Аналогичным образом из этилбензоата и ацетона получают
бензоилацетон (108; X = C6HsCO), а из этилформиата и ацето-
на — формилацетон (108, Х = СНО), который устойчив только
в виде соли, а в свободном состоянии сразу же тримсризуется.
Из диэтилоксалата и ацетона образуется этиловый эфир 2,4-дн-
оксопентановой кислоты (109),
СНЭ - СО - СН2 - X СН3 - СО - Cl^- СО - СООСгН.
(108) Х= С6Н5СО, СНО (109)
С несимметричными кетонами, например с бутаноном-2,
конденсация идет предпочтительно по метильной, а не по ме-
тиленовой группе,
СН3СООСгН6 + СН3СОСНгСН3—*СН3СОСНгСОСНгСНэ
Карбонильная активность этилацетата невелика, поэтому
решающее влияние на направление реакции, по-видимому, ока-
зывают пространственные факторы,
В качестве метиленового компонента при конденсации со
сложными эфирами помимо кетонов можно использовать угле-
водороды, имеющие активированные метиленовые группы
(циклопентадиен, инден, флуорен).
РЕКОМЕНДАТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
I Робертс Д, Каеерио М Основы органической химия В 2 кн Кн L Пер
с англ/Под ред А Н Несмеянова М Мир, 1978 842 с См с 503—
514, 527—529, 577-586
2 Моррисон Р, Бойд Р Органическая химия Пер с англ/Под ред
И К Коробнцнной М Мир, 1974 1132 С См с 810—827, 885—897
3 Беккер Г Введение а электронную теорию органических реакций Пер
с нем /Под Ред В М Потапова М • Мир, 1977 658 с См с 290—370
4 Терней П Современная органическая химия В 2 т Т 2 Пер с англ /Под
ред Н Н Суворова М Мир, 1981 651 с См с 69—76, 168—188
5 Кери Ф, Сандберг Р Углубленный к>рс органической химии В 2 кн Кн 2
Пер с англ /Под ред В М Потапова М Химия, 1981 455 с См с 38—63
6 Органикум ОбШ) й практикум по органической химик В 2 т, Т, 2: Пер
с нем М.: Мир, 1979 442 с. См с 127—170
253
7 Несмеянов А. Н., Несмеянов Н А. Начала органической химии. В 2 кн.
М.; Химии, 1974, Кн 1. «29 с. См с. 137—141. 185—189, 385—406. Ки. 2.
744 С См. с. 132—133.
8 . ФьюзОк Р Реакции органических соединений. Пер с англ./Под ред.
И Ф. Луценко. At.: Мир, 1966. 645 с. См. е 420—441
9 ВейаанО К.. Хильгетаг Г. Методы эксперимента в органической химии: Пер.
с нем./Под ред. И. Н. Суворова, М: Химия. 1968 944 с См. с. 801—
810.
10 Пирсон Р. Д. Зонгстад И //Усп химии 1969. Т. 38. С 1223.
ГЛАВА 4
СИНТЕЗЫ С УЧАСТИЕМ
МАГНИЙОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
4.1. ПОЛУЧЕНИЕ МА.ГНИИОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Магняйорга нм четкие соединения получают взаимодействием
металлического магния с алкилгалогенидами:
R-X + Mg ------* R-Mg-X
В большинстве случаев реакцию проводят в среде абсолю-
тированного эфира, реже — тетрагидрофурана или другого про-
стого эфира (анизол, ди-н-бутвловый эфир), а также диметнл-
анилина. Применение этик веществ позволяет в случае необ-
ходимости повысить температуру реакционной массы. Все эти
растворители — апротонные вещества, обладающие нуклео-
фильными свойствами. Реакцию можно Проводить также в бен-
золе или циклогексане и даже в отсутствие растворителей, но
при повышенных температурах и давлении.
Образовавшееся магнийорганическое соединение чрезвычай-
но чувствительно к действию кислорода воздуха и следов вла-
ги, поэтому оно может сохраняться только в абсолютирован-
ном растворителе (в запаянной ампуле); обычно его немедлен
но вводят в реакцию, не выделяя из реакционной массы.
Стружки магния, предварительно промытые эфиром, помещают под слои
эфира в трехгор.чую колбу, снабженную механической мешалкой, обратным
холодильником и капельной воронкой, из которой при перемешивании посте-
пенно прибавляют эфирный раствор алкн.тгалогенида. Реакция протекает е вы-
делением тепла, поэтому а.чкилгалогенид вводит со скоростью, поддерживаю-
щей спокойное кипение эфира. Для завершения реакции по окончании введения
всего алкилГалогенида реакционную массу некоторое время нагревают на водя-
ной бане или с помощью рефлектора
Легкость Протекания реакция с магнием зависит от при-
роды галогена и строения радикала в ал кил галогениде. Наи-
более реайциойНоспособиы алкилиоднды и -бромиды, им усту-
пают алкилхлориды, а алкнлфториды с магнием вообще не
реагируют,
С наибольшим выходом магиийорганические соединения
образуются из первичных алкилгалогенидов. Например, при
проведении реакции с н-пропилбромидом образуется 92% ал-
кнлмагннйбромида, а с изопропилбромидом выход снижается
до 83%. Если же действовать магнием на трет-бутнлбромид,
то в качестве основного продукта образуется не магнийорга-
ническое соединение, а смесь 2-метнлпропена и 2-метилпро-
пана:
(СН3)3СВг + Мд -----(СНз)гС = СН2 + (СН3)2СН - СН3
Склонность алкилгалогенидов к образованию алкенон вме-
сто магнийорганических соединений уменьшается в ряду:
R1 > RBr > RC1. Это подтверждается тем, что изопропйлбро-
мид, как было упомянуто выше, дает RMgX с выходом 83%,
а изопропилиодид — с выходом 60%. трет-Бутнлмагинйгалоге-
нид удается получить только из соответствующего хлорида.
При взаимодействии магния с аллилгалогенидом, в котором
атом галогена имеет повышенную реакционную способность,
в обычных условиях реакция идет дальше и образуется гекса-
диеН-1,5 (биаллил); задержать реакцию на стадии образования
аллнлмагнийхлорида можно только в том случае, если прибав-
лять к большому избытку магния разбавленный эфирный рас-
твор аллилхлорнда.
При действии магния на бутен-2-илхлорнд в обычных усло-
виях образуется смесь изомерных диенов:
СН3СН - СНСН2СН2СН - СНСНз CH3GH = СНСН2СНСН = СН2
СН3
СН2 ® сн - сн - сн - сн = сн2
I 1
СНз СН3
Вииил- и арнлгалогеннды менее реакционноспособны, чем
алкилгалогенйды. Винилбромид реагирует с магнием только в
растворе тетрагидрофурана (реакция Нормана), а при реак-
ции бромбензола обычно используют активацию иодом или
бромом. Особенно трудно реагируют с магнием зрилгалогеии-
355
ды, в которых атом углерода, связанный с галогеном, экрани-
рован заместителями, например броммезитилен (1),
СНз
Вг
Н3С СН3
Из тЯкйл сбедйненИй ЯрИлМа/нийбромиЛы удается получать
только при Проведении реакции «с сопровождением*: к избыт-
ку магния прибавляют смесь этого арилгалогенида с каким-
либо реакционноспособным бромидом или иодидом (например,
CgHstJr нлн СН31) Таким методом получают также пирндкл-
магиийбромнд из 3-бромпириднна'.
Вг
+ Мд
N
MgBv
N
Дигалогениды образуют бисмагнийгалогениды только в том
случае, если п>2’
ХСН2 ' (СН2)Л- СН2Х + 2Мд-*-ХМдСН2 - (СН2)п - СН2МдХ
1,2-Дибромэтан (n —0) и 1,3-ди бром np on ан {п -I) образу-
ют соответственно этилен и циклопропан-
В<СН2 - СН2Вг + Мд --СН2 = СМ2 + МдВг2
В<СН2 - СН2 - СН2Вг + мд
сн2
Н2С—СН2 + МдВг2
Первую реакцию используют Прн проведении реакции
«с сопровождением», так как образующийся при взаимодейст-
вии с магнием газообразный этилен удаляется из сферы реак
ции, не загрязняя основного продукта.
При взаимодействии 1,2,3-трибромпропанД с магнием полу
чается гексаднен-1,5, по-виднмому, через промежуточное обра
зование аллилбромнда
2Мд
2ВгСН2~СН-СН2Вг --------s* СН2 = СНСН2СН2СН = сн2
( ~2МдВгг
1,4-Дибромбензол и 1,4-днбромнафталин реагируют только
с одним атомом магния, в то время как на 1,4-дниодбенаола
можно без осложнений получить ди(магнийнод)производное
IMg Mgl
Механизм образования магнийорганических соединений еще
не полностью выяснен. Есть основания предполагать, что взаи-
модействие магния с алкилгалогенидами относится к ради-
кальным окислительно-восстановительным реакциям, в которых
магний как донор электронов окисляется до двухвалентного
состояния, а алкилгалогенид—-восстанавливается. Такая трак-
товка подтверждается тем, что при последующем разложении
образовавшегося продукта водой из алкилгалогенида в конеч-
ном итоге получается предельный углеводород
Реакция протекает на поверхности металтического магния поэтому по-
шедний можно активировать, нарушая оксидную пленку н создавая активные
центры метал та претварительным растиранием стружек в ступке или введением
небольших количеств галогена (обычно используют нот, реже — бром)
По-видимому, реакция начинается с переноса одною элект-
рона от атома магния к наиболее электроотрицательному ато-
му галогена. Это должно сопровождаться гомолитическим раз-
рывом связи углерод—галоген. Реакция завершается образо-
ванием ковалентной связи Mg—С
R - С - X
R - О-ьМдХ
R- С - МдХ
Предположение, что на первой стадии действительно про
исходит гомолитический разрыв связи х глерод—галоген, а не
синхронная передача атомом магния двух валентных элект-
ронов атомам углерода и галогена, подтверждается тем, что
оптически активные алкилгалогениды, в которых атом гало-
гена связан с асимметрическим атомом углерода, в процессе
реакции полностью рацемизуются В настоящее время полага-
ют, что нсспаренный электрон, оказавшийся в одном из углов
тетраэдра, в отличие От пары электронов неспособен закре-
пить конфигурацию образовавшегося радикала
Известно, что существует корреляция между энергией свя-
зи, претерпевающей гомолитический разрыв, и ее реакционной
способностью, зависящей от стабильности образующегося ра-
дикала. Известно также, что третичный алкильный радикал бо-
лее стабилен, чем вторичный и тем бодее первичный При про-
ведении гомолитических реакций в углеводородах гомолитиче-
ски разрывается та связь С—Н, энергия которой меньше и при
>7—1425
257
разрыве которой генерируется более стабильный радикал. Ни-
же приведены энергии диссоциации некоторых типов связей
С—Н (в кДж/моль);
СНзСНг— Н 410
(СН3)2СН—Н 390
(СНЭ)3С—Н 375
CHS=CHCHS—Н 320
CsHjCHz—Н 325
Можно предполагать, что аналогичная закономерность на-
блюдается и для различных типов связей С—X. Этим можно
объяснить повышенную реакционную способность аллилхло-
рида.
Различную реакционную способность имеющих одинаковое
строение алкмлхлоридов, -бромидов и -иодидов при взаимодей-
ствии с магнием также можно объяснить различной энергией
связей С—X; энергии этих связей приведены ниже
(в кДж/моль):
С—F 450 С—Вг 225
С—Ct 275 С— I 190
По-видимому, алкилфториды с магнием вообще не реагиру-
ют, потому что энергия связи С—F очень велика.
Арилгалогениды и особенно винилгалогениды реагируют с
магнием значительно труднее алкилгалогенидов. Это можно
также объяснить увеличением прочности связи С—X вследст-
вие наличия + А1-эффекта у галогена и —/-эффекта у винила
и арила. Например, энергия связи С—I в винилмодиде
(278 кДж/моль) больше, чем в этилиодиде, на 88 кДж/моль,
а дипольные моменты винилгалогенидов меньше, чем у соот-
ветствующих алкилгалогенидов (для иодидов соответственно
1,26 и 1,93 Д).
Образование при взаимодействии магния с 1,2-ди бром эта-
ном этилена, а с 1,3-дибромпропаном циклопропана можно
объяснять двояко. Так, нельзя полностью исключать, что в дан-
ном случае, как и при получении пинаконов, происходит синх-
ронный перенос обоих электронов от атома магния к атомам
галогена, гомолитический разрыв связей С—X и рекомбина-
ция образовавшегося бирадикала:
ВгсНг - снаВг
сн2- снг
сн2 = сн2
•-MgBr2L
Альтернативой может служить ступенчатый механизм, пред-
полагающий промежуточное образование магялйорганического
интермедиата и последующее элиминирование MgBra:
258
„ Mg
Вгсн2-сн2вг—s
- i-
BrMg-*-CH2 - СНг-^Вг
! ---^CH2‘CH2
J -MgBr2
Однако в этом случае труднее объяснить образование цик-
лопропана из 1,3-дибромпропана.
В заключение следует остановиться на активирующем дей-
ствии иода при проведении реакции магния с алкилгалогенида-
ми. Предполагают, что при взаимодействии иода с магнием
промежуточно образуется мононодид магния (2), который и
инициирует последующий гомолиз связи С—X в алкилгалоге-
ниде. Затем при взаимодействии образовавшегося.MgIX с маг-
нием регенерируется мононодид (2), a -MgX реагирует с R*,
образуя магнийорганическое соединение:
Mg 2RX
Мд + 12 ----► Мд12 ------s- [2Мд1] ----> 2[R•] + 2Мд1Х
(2)
MgiX + Mg ----*- [*МдХ] + [’Mgl]
[МдХ] + [R-] -*- R-Mg-X
4.2. СТРОЕНИЕ МАГНИИОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИИ
По шкале электроотрицательности элементов Полинга угле-
род — более электроотрицатель!1ый элемент, чем магний (2,5
и 1,2 соответственно). По этой причине связь углерод—магний
в магннйорганических соединениях поляризована так. что на
атоме углерода появляется избыточная электронная плотность.
Поэтому в соединениях RMgX радикал R имеет ^аннонондный
характер. По разности электроотрицательностей углеродами
магния вычислено, что степе!1ь ионности связи углерод—магний
в реактивах Гриньяра составляет 35%. Связь магний—галоген
из-за большей электроотрицательности галогена по сравнению
с углеродом приближается к ионной. Таким образом, на атоме
магния имеется значительный .дефицит электронной плотности,
что обуславливает, с одной стороны, способность молекулы
реактива Гриньяра координироваться атомом магния с молеку-
лами растворителей, обладающих нуклеофильными свойствами,
а с Другой — образрвывать димеры.
Рентгенографическим методом установлено, что молекула
реактива Гриньяра, выделенная в твердом состоянии из эфир-
ного раствора, представляет собой диэфпрат (3), имеющий
структуру неправильного тетраэдра, в центре которого находит-
ся атом магния (изображен диэфират этилмагнийбромида.
17
25»
молекула которого не имеет линейного строения, причем угол
между связями С—Mg и Mg—Вг равен 124°). Существенно,
что расстояния между атомом магния и атомами кислорода
молекул эфира весьма малы, что свидетельствует о прочности
этих донор но-акцепторных связей. Расстояния же между ато-
мами магния и галогена соседних молекул настолько велики,
что можно полностью исключить возможность образования
димера. Таким образом, в твердом состоянии реактив Гриньяра
представляет собой мономерный диэфират.
Однако в эфирных растворах магнийорганических соедине-
ний картина существенно меняется. Эбулиоскопическим мето-
дом Л. П, Терентьев установил, что реактив Гриньяра в эфир-
ных растворах имеет удвоенную молекулярную массу. Впослед-
ствии было подтверждено, что действительно значительная часть
растворенного в эфире реактива Гриньяра представляет собой
димер, причем степень ассоциации возрастает с увеличением
концентрации раствора:
Алкил м а г н нй га л огени д Концентрация^ моль/л Степень ассо цнацнн
CgHsMgCI 0.086 1,196 1,87 1,92
C2HsMgBr 0,035 0,249 1,00 1,37
CiHjMgl 0,055 0,204 1,00 1,36
Для выяснения структуры димеров важны следующие экспе-
риментальные факты.
1. Если косвенным путем получить полное магнийорганичес-
кое соединение, например (CiHgJjMg (реакцией диэтилртути с
магнием), и затем приготовить эфирный раствор эквимольный
смеси полученного соединения с безводным MgBr2, то реакцион-
ная способность этой смеси будет такой же, как и у CaHsMgBr.
2. Если смешать эквимольные количества (CjHgJjMg с
*MgBr2, то в большинстве случаев с течением времени метка
ад
Оказывается равномерно распределенной между (CjHshMg
и MgBr2.
Эти результаты позволяют сделать вывод, что в растворах
реактивов Гриньяра существуют равновесные смеси мономеров
и димеров (♦> “(6> различного строения:
•^—2^. НгМд + MgXj
(6)
Заметим, что раствор димера (6) обладает электропровод-
ностью, и при электролизе на катоде должно выделяться по-
ловинное от содержащегося в димере количество магния.
Димер (5} с мостиковым радикалом R может образоваться с
меньшей вероятностью, чем димеры (4} и (6), однако полно-
стью отрицать возможность его образования нет оснований,
поскольку на радикале R в реактиве Гриньяра также имеется
избыточная электронная плотность, хотя и меньшая, чем на
атоме галогена, которая обеспечивает взаимодействие его с
атомом магния соседней молекулы. О принципиальной возмож-
ности образования в качестве одной из возможных структур
димера (5) свидетельствует также и то, что для бериллий- и
алюминийоргапических соединений доказаны аналогичные
структуры с мостиковыми связями радикалов R.
В приведенной выше схеме не показаны молекулы сольвати-
рующего димер растворителя, например диэтилового эфира,
координирующегося атомами кислорода с атомом магния реак-
тива ГринЬяра.
Роль растворителя при приготовлении и последующем ис-
пользовании реактива Гриньяра велика. Частично перенося
положительный заряд с атома магния на атомы кислорода
(которые при этом приобретают оксониевый характер), апро-
тонные растворители (например, диэтиловый эфир), обладаю-
щие нуклеофильными свойствами, увеличивают степень ионности
261
связи С—Mg, тем самым повышая основность и нуклеофильную
реакционную способность реактива Гриньяра.
Основываясь на том факте, что при электролизе на катоде
выделяется только половинное количество магния, Л. П. Те-
рентьев предложил координационную формулу диэфирата
реактива Гриньяра, в котором координационное число одного
из атомов магния равно шести:
(С2Н5)2О -
O(OC2Hs)2
2-
Мд^-*
Известно, что основность и нуклеофильная реакционная спо-
собность анионов возрастают в ряду: НО~ < H2N~ < Н3С~
Чем правее в этом ряду находится анион, тем выше его основ-
ность. т. е. способность отщеплять от соединений в виде прото-
на подвижный атом водорода и связывать его в менее диссо-
циированное соединение. О последнем свидетельствуют значе-
ния рКа образующихся при этом веществ: 15 (Н2О}, 33 (NH3}
и 40 (СН4>-
Аналогичным образом изменяется и нуклеофильная реакци-
онная способность, т. е. способность к образованию ковалентной
связи с атомом углерода, имеющим дефицит электронной плот-
ности.
Вследствие того, что углеводородный радикал в магнийорга-
нических соединениях носит анионоидный характер, эти соеди-
нения являются сильными основаниями и сильными нуклео-
фильными реагентами и поэтому взаимодействуют со многими
органическими и неорганическими соединениями- С реактивами
Гриньяра не реагируют лишь предельные углеводороды, про-
стые эфиры, алкены с неактивированной кратной связью, тре-
тичные амины. *'
4.3. РЕАКЦИИ МАГНИЙОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИИ
4.3.1. Магиийорганические соединения как основания
Магннйорганические соединения, реагируя как основания, мо-
гут отщеплять в ниде протона подвижный атом водорода как
из органических, так и пз неорганических соединений.
2В2
Как правило, реакции такого типа протекают с высокой
скоростью, с выделением тепла н практически необратимо, тзк
как в результате образуются недиссоциированные предельные
углеводороды (рКа = 40). Эти реакции можно рассматривать
как реакции нейтрализации-
соединения с подвижным атомом водорода можно класси-
фицировать в зависимости от элемента, с которым связан водо-
род. Различают ОН-, NH- и СН-кислоты.
К ОН-кнслотам относятся, например, органические (рКа =
= 3—5) и неорганические (рКа< 1) кислоты, вода и спирты
(рКа= 15—20). Их реакции е магнийорганическими соединения-
ми приведены ниже:
УсООН + RMgX-------RH + R'CQOMgX
HOH + RMgX ----^*RH + Mg(OH)X
ROH + RMgX ----RH + R*OMgX
Реакции такого типа используют при синтезе индивидуаль-
ных предельных углеводородов в тех случаях, когда эти углево-
дороды менее доступны, чем соответствующие спирты и алкил-
галогениды. а также для введения в органическую молекулу
дейтерия (при взаимодействии с тяжелой водой).
Так же ведут себя сернистые аналоги кислородсодержащих
соединений, например’
R'sH + RMgX -—-э- RH + R'sMgX
Аналогично реагируют и NH-кислоты (аммиак, амиды и ими-
ды карбоновых кислот, первичные и вторичные амины), а так-
же некоторые гетероциклические азотсодержащие соединения,
например:
а
R'cONHj + RMgX ----RH + R'cONHMgX
RR<’NH + RMgX ----RH + R RNMgX
Первичные амины при охлаждении реагируют с одной мо-
лекулой реактива Гриньяра, однако при повышении темпера-
203
туры до 100 °C а реакцию вступает и вторая молекула магний-
органического соединения:
t RMgX r
RNH2 + RMgX -----RNHMgX ----------RN(MgX)2 + RH
-RH wo’C
В случае гетероциклических азотсодержащих соединений, у
которых атом водорода NH-группы, входящей в ароматическую
систему, обладает большой протонной подвижностью, в резуль-
тате реакции, как было установлено спектроскопическим мето-
дом, образуются мезомерные анионы без четкой фиксации маг-
ния по атому азота. Поэтому При последующей реакции пирро-
лидмагяийталогенида (7) образуется продукт замещения не по
атому азота, а а-изомер, в то время как из производного индо-
ла (8)—jj-изомер: у
(’) (s)
Магнийорганические соединения реагируют как основания
н с относительно сильными СН-кнслотами, например с ацети-
леном
НС = СН + 2RMgX -s- 2RH + XMg - С = С - МдХ
комплекс Иоцича
В определенных условиях ацетилен может реагировать с за-
мещением одного атома водорода, образуя этинилмагнийгало-
генид:
HC = CH + RMgX ----RH + НС 5 С - МдХ
Для этого раствор этнлмагнийбромида в тетрагидрофуране
добавляют к тетрагидрофурану, насыщенному ацетиленом. Обе
эти реакции, особенно первая, широко используют при__синтезе
дщоизводных ацетилена..
Аналогично реагируют алкилацетилены, циклопентадиен, ин-
ден н флуорен:
R - С =СН + RMgX
RH + RC = CMgX
СН - Н + RMgX
—еэ- rh +
СН - МдХ
J] + RMflX
CH - H
RH +
CH - MgX
СсО +ямвх —* rh+ OoO
CH CH
I I
H MgX
Реакции проходят до конца, так как образующиеся предель-
ные углеводороды практически недиссоциированы. Соединения
подобного типа можно получать только рассматриваемым спо-
собом.
Однако основность реактивов Гриньяра недостаточно вели-
ка, чтобы отщепить протон от ароматического ядра (рКа = 32—
35),
Реакции магнийорганических соединений с реагентами, име-
ющими подвижные атомы водорода, применяют для кодшдесд.-
венного определения подвижного водорода в органических сое-
динениях фметод Чугаева,— Церевитицова), Если использовать
метилмагнийиодид (или -бромид)','то при взаимодействии с
соединениями, имеющими подвижные атомы водорода, по объ-
ему выделившегося метана можно определить их количество
в молекуле исследуемого соединения:
ROH + Сн3МдХ -----5»- CHj + ROMgX
RNH2+CH3MgX ------^CH4 + RNHMgX
Реакцию проводят в лысококцпящем простом эфире — ани-
золе или диизопентиловом эфире. Диэтиловый эфир как раство-
ритель не применяют, так как вместе с образующимся метаном
в газометр будут поступать пары частично испаряющегося
эфира.
4.3.2. Магиийорганические соединения
как нуклеофильные реагенты
Замещение при насыщенном атоме углерода. Как уже отмеча-
лось выше (см. разд. 4.2), в молекуле реактива Гриньяра на
атоме углерода, непосредственно связанном с магнием, созда-
ется избыточная электронная плотность, вследствие чего эти
соединения способны к образованию ковалентной связи с ато-
мами углерода, имеющими дефицит электронной плотности.
ДО
Иными словами, реактивы Гриньяра могут быть нуклеофильны-
ми реагентами (нуклеофилами^ в реакциях нуклеофильного
замещения (см. гл.'2).
Реактивы Гриньяра могут взаимодействовать как нуклеофи-
лы с некоторыми алкнлгалогенидами (реакция Вюрца—Гринь-
яра):
R - MgX + R'- X --э* R - R' + МдХ2
Так, при действии метилмагнпйнодида на метилиоднд с
почти количественным выходом получается этан, однако в реак-
ции с 2-иодоктаном выход 2-метмлоктэяа составляет только
37%, причем реакция идет в более жестких условиях;
CH3Mgl + CH3-l ----5- СН3-СНз + Мд12
СН3Мд1 + СНзСН(СН2)5СН3 ---э- СН3-СН(СН2)5СНз
I I
1 СНз
Реакция н-бутилмагнийбромида с н-бутилбромидом практи-
чески не идет даже при длительном кипячении в октане, трет-
Бутилхлорид и реактив Гриньяра взаимодействуют с трудом,
в присутствии солей ртути при многочасовом кипячении в
ксилоле (выход 4—6%):
(СН3)3СС1 + RMgX ---5-(CH3>3C-R
Эту реакцию иногда используют при синтезе углеводородов
с четвертичным атомом углерода.
При взаимодействии реактивов Гриньяра с аллилхлоридом
или -бромидом, а также с бензилхлоридом или -бромидом с
хорошими выходами образуются соответственно алкены-1 и
алкилбензолы:
:СН2 = СН * СН2С1 + RMgX ---э- Сн2 = СН - CH2R
\&Н5 - СН2С1 < RMgX ---=► C6HS - CH2R
С препаративными выходами реактивы Гриньяра взаимо-
действ у юг-% также с .«-гадргенза мешенными простыми эфирами:
О - СН2 - СН3+ RMgX-* СН3 - СН - О - СН2 - СН3
Br R
266
Так как в большинстве случаев рассматриваемые реакции
проводят в среде диэтилового эфира — апротонного полярного
растворителя, то есть основания относить их к реакциям нук-
леофильного замещения атома галогена, протекающим по
одностадийному бимолекулярному механизму а.\2:
.5+ । ।
Nu" -i>C -*-Х—г NU---C---X—**Nti-C-+X
Возможность гетеролиза алкилгалогенида в этих условиях
исключается.
Трудность протекания реакции нуклеофильного замещения
галогена карбанионом реактива Гриньяра обусловлена следую-
щими причинами.
1, Магнийорганические соединения, будучи нуклеофильными
реагентами, не являются, однако, веществами, диссоциирован-
ными на ионы. Поэтому нуклеофильная реакционная способ-
ность этих реагентов ниже, чем у анионов _ОН, _SH и др. Как
уже отмечалось, степень ионности связи С—Mg в реактиве
Гриньяра составляет 35%. Правда, в эфирном растворе она
может повыситься из-за сольватации атома магния молекулами
эфира, отчего положительный заряд на атоме магния уменьша-
ется. частично переходя на атомы кислорода молекул эфира.
Это уменьшает электростатическое притяжение органического
радикала R к магнию и увеличивает его анионоидный характер.
Однако полного гетеролиза связи С—Mg с образованием кар-
баниона R:- все равно не происходит. Таким образом, более
корректно схему реакции можно изобразить так:
X - Мд - R - X—► XMfl - - R---C ---X
I, L м -
—*-ХМд + R-C- +Х
Нельзя полностью исключать возможность протекания реак-
ция через четырех членное переходное состояние:
MgX
Как было рассмотрено в разд. 4,2. реактив Гриньяра в эфир-
ных- растворах- существует в виде димера, поэтому не исключе-
но, что нуклеофильное замещение атома галогена осуществля-
ет'
ется через шестичленное переходное состояние* с синхронным
перераспределением связей, в образовании которого участвует
димер в одной из наиболее вероятных форм [(4) или (6)]:
I
Ь Ч~я * +№2х
»8
2. Скорость реакции нуклеофильного замещения атома га-
логена существенно зависит от размера органического радикала
R в молекуле реактива Гриньяра. Реакция протекает со срав-
нительно высокими выходами только я том случае, когда реак-
тив Гриньяра — метилмагнийгалогенид, в котором размер нук-
леофильной частицы 6-СН3 соизмерим с размерами таких
компактных нуклеофилов, как _ОН. ' SH, -CN.
3. Реакция нуклеофильного замещения атома галогена всег-
да осложняется тем, что с ней в большей или меньшей степени
конкурирует реакция отщепления галогеноводорода. Как было
рассмотрено выше, реактивы Гриньяра являются сильными
основаниями, способными отщеплять протон от молекулы суб-
страта—алкилгалогенида. Поэтому наряду с реакцией нукле-
офильного замещения 3n2, проходящей через переходное со-
стояние (9), протекает реакция элиминирования Е2, для кото-
рой переходное состояние с более удлиненной цепью
рассредоточения электронной плотности соответствует структуре
(10). Не исключено также, что при реакции элиминирования
реализуется шестичленное переходное состояние (11)
М1--С—х
н
(9)
н
Nu—Н—с—сн,—-X
Н
(«I
* В этом переходном состоянии мостиковые атомы галогена расположены вне
плоскости рисунка.
ИДО
^09
zc^
H2cv- H
x) + RH * MSKa
(11)
К реакции элиминирования наиболее склонны третичные
алкилгалогениды, в которых активированные атомы водорода
доступнее, чем атом углерода, связанный с атомом галогена.
По склонности к реакции отщепления алкилгалогенидгд распо-
лагаются в ряд:
(СН3)3С - ХХСНэЬСН - Х>С>4аСНг - X
Так, например, трет-бутилбромид и -иодид при взаимодейст-
вии с реактивами Гриньяра дают практически только изобути-
лен и RH.
Наиболее склонны к отщеплению галогеноводорода иодиды,
по-видимому, вследствие меныией энергии связи С—X:
(СН3)3С ~ 1 + RMgX-* (СН3)2С = СНг + R - Н
4. Существенное влияние на скорость реакции и выход про-
дукта замещения оказывают наличие и объем заместителей при
атакуемом атоме углерода. Реакционная способность алкилга-
логенидов н реакциях нуклеофильного замещения уменьшается
в последовательности, прямо противоположной склонности к
реакции элиминирования:
СН3Х > RCH2X >RR CHX>RRr R"CX
Высокая реакционная способность аллил- и бензилгалогени-
дов, а также а-галогензамещенных простых эфиров при взаи-
модействии с реактивами Гриньяра, по-видимому, обусловлена
теми же причинами, которые были рассмотрены в гл. 2. По этим
же причинам высокой реакционной способностью обладает и
2-хлорэтанол-1, в котором атакуемый атом углерода связан с
электроноакцепторной группой СНгОН (-/-эффект группы
ОН);
CICH2-CH2OH+RMgX—^*CICH2-CH2OMflX-^^-
-*RCH2 - CH2OMgX-*RCH2 - СНгОН
Последняя реакция имеет препаративное значение, так как
позволяет получать первичные спирты с углеродной цепью,
удлиненной на два атома углерода.
2вй
Следует заметить, что аллклхлорид реагирует с магнийорга-
иическими соединениями однозначно с образованием единствен-
ного алкена-1. Однако бутен-2-илхлорид образует смесь двух
изомерных алкенов:
СН3СН = СНСН2С1 + RMgX-^CH3CH = СНСН2К +
(12)
+ сн3снсн = сн2
СН3
(13)
Образование алкена (12) не требует пояснений. Образова-
ние же изомера (13) можно объяснить, исходя из следующих
соображений: л-электронцая плотность бутен-2-иЛХЛорида сме-
щена под влиянием сильного —/-эффекта галогена, и вследствие
Этого дефицит электронной плотности почти в равной степени
рассредоточивается на атомах С-1 и С-3. Если при взаимодей-
ствии реализуется переходное состояние (14), то образуется
алкен (13):
СН
Н СН,=СН”СН-СН.
i
MgX R
(14) (13)
Естественно, винил- и арил галогениды, у которых из-за
+ Л4- и —/-эффектов атома галогена и винильной (арильной)
группы заметно погашается положительный заряд на атакуемом
атоме углерода и связь С—X становится более прочной, в
обычных условиях не вступают в реакции нуклеофильного за-
мещения галогена с магнийорганическими соединениями. На-
пример, в 2,3-дибромпропене*1 происходит избирательное заме-
щение лишь одного атома брома, находящегося в аллильном
положении:
С4НЭ - MgBr + ВгСНг - С = CH2^*-C4Hg - СН2 “С - СН2
Вг
Вг
Реакции магнийорганических соединений с алкилгалогенида-
мн обусловливают появление побочных процессов, протекающих
при получении реактивов Гриньяра действием магния на алкил-
галогениды. Выходы магнийорганического соединения колеб-
270
лютея от 25 до 98% от теоретического, а иногда реакция вооб-
ще идет в другом направлении. В большинстве случаев пони-
жение выхода или неспособность алкнлгалогенида давать
магиийорганические соединения обусловлена протеканием одной
из двух побочных реакций.
Первая из них наблюдается в тех случаях, когда галоген в
исходном алкилгалогениде обладает повышенной реакционной
способностью. В этом случае образовавшийся аллилмагнийга-
логенид сразу же реагирует со второй молекулой аллилхлорида
по типу реакции Вюрца, в результате чего образуется гекса-
диен-1,5: '
2СЦг = СН - СН2С1 + Мд-»сн2 = СН-СН2 - СН2 - СН = СН2 + MgClj
г
Реакция с гомологами аллилхлорида идет аналогично, одна-
ко в результате образуется не индивидуальное вещество, а
смесь изомерных диеновых углеводородов (15) — (17) с изоли-
рованными кратными связями:
RCH = СН - СН2 - СН2 - СН = CHR (15)
RCH = сн - с^ - сн - сн = с^ (16)
R -
СН2 = СН - СН - СН - СН = СНг (17)
I I
R R
Образование структуры (16) легко объяснить, если допу-
стить, что реакция идет через шестнчленное переходное состоя-
ние (14). Появление изомера (17) можно объяснить, исходя из
следующих соображений. У гомологов (18) аллилмагнийгалоге-
нида я-электронная плотность вследствие + /-эффекта атома
магния смещена таким образом, что избыточная электронная
плотность появляется не только на атоме С-1, но и на атоме
С-3. Вследствие этого реализуется возможность внутримолеку-
лярного электростатического взаимодействия электроиодефи-
цитного атома магния с атомом С-3, приводящего к образова-
нию четырехчленного цикла (19).
ОН
R-CTr=CH-CHa-«-I>fgX к-нс^ск,
(13) цз)
271
Методом ЯМР-спектроскопии удалось доказать, что сам
а длил магний га логе вид действительно имеет структуру типа
(19) с эквивалентными протонами обеих метиленовых групп.
Таким образом, продукт (17) может образоваться через
переходное состояние (14), в котором магнийорганическое сое-
динение реагирует с атомом С-3, а не С-1.
Второй побочной реакцией, осложняющей получение алкил-
магнийгалогенидов и обусловленной наличием у реактивов
Гриньяра сильных основных свойств, является отщепление га-
логеноводородов от еще не прореагировавшего с магнием ал-
килгалогенида с образованием алкенов. Известно, что выходы
пропилена при реакциях магния с н-пропилбромидом, изопро-
дилбромилом и изопропилиодидом составляют соответственно
3. 17 и 40%. трст-Бутилбромид и соответствующий иодид при
взаимодействии с магнием практически нацело превращаются
в 2-метилпропен. Эту побочную реакцию можно объяснить тем,
что образовавшееся в первый момент магнийорганическое сое-
динение реагирует с еще не прореагировавшим с магнием
исходным а.пкилгалогенидом как сильное основание, отщепляя
протон, причем вытеснение иодид-иона на заключительной ста-
дии реакции элиминирования энергетически более выгодно, чем
вытеснение аниона хлора.
В простых эфирах дефицит электронной плотности на атоме
углерода, непосредственно связанном с атомом кислорода,
меньше, чем в алкялгалогенидах, поэтом)’ реактивы Гриньяра
очень медленно и лишь при температурах выше 200°С реагиру-
ют с некоторыми простыми эфирами. Фактически известны
лишь единичные случаи такого взаимодействия. Например, при
200—220 ЭС мегилмагнийбромид расщепляет связь О—СНэ в
анизоле (выход этана 85%):
CH3Mgl + СН3 - О - С6Н6-»СН3 - СН3 + CgHsOMgl
Естественно, вследствие ч-ЛЕэффекта атома кислорода связь
О—Аг при этом не разрывается. Повышенной реакционной
способностью обладают простые аллиловые эфиры вследствие
совместного влияния на атакуемый атом углерода двух элект-
роноакцепторных групп — винильной и алкоксильной.
Сравнительно легко реактивы Гриньяра взаимодействуют
как нуклеофилы с оксираном (20) и 1,2-элоксипропаном, кото-
рые также относятся к простым эфирам. Их повышенная реак-
ционная способность обусловлена большим угловым напряже-
нием трехчленного цикла.
RMgX + НгС^СНг^НСНг - СНг -ОМдХ^£ RCH2 - СНаОН
О
(20)
В качестве побочного продукта из оксирана (20) обра-
зуется вторичный спирт. По-видимому, в условиях реакции
оксиран частично изомеризуется в ацетальдегид. Эту изомери-
зацию можно представить себе следующим образом. Под
влиянием электроноакнеиторного атома кислорода атомы водо-
рода метиленовых групп становятся более подвижными, поэто-
му реактив Гриньяра может взаимодействовать с оксираном не
только как нуклеофил, но и как основание; происходящие при
этом превращения описываются следующей схемой:
н^н-н
+ 6-
XMg O—HC^MgX
& MgX
2Нэо\
Г
сн,-сн-к
3 1
оа
При взаимодействии реактива Гриньяра с 1,2-эпоксипропа-
ном образуется смесь спиртов с преобладанием вторичного, так
как реактив Гриньяра предпочтительнее атакует атом углерода
с большим дефицитом электронной плотности ( + /-эффект груп-
пы СНз):
RMgX + СНз**СН- СН2-*СИз - СН - СН2р-*СНз - СН - CHgR
\ / I I
О ОМдХ ОН
Пяти- и шестичленные кислородсодержащие циклические
соединения, практически свободные от углового напряжения,
в обычных условиях не взаимодействуют с реактивами Гринья-
ра. Поэтому тетрагидрофуран, наряду с диэтиловым эфиром,
можно использовать в качестве растворителя в реакциях с уча-
стием магнийорганических соединений.
По мере увеличения числа алкоксигрупп при одном атоме
углерода дефицит электронной плотности на нем возрастает, а
следовательно, увеличивается склонность соединений к реакци-
ям нуклеофильного замещения по механизму Sn2:
RCH2- О - C2Hs<HCH(OC2H5)2<RC(OC2Hs)3<C(OC2H5)^
Препаративное значение имеют реакции магнийорганичес-
ких соединений с ортоугольным (21) и ортомуравьиным (22)
18—1425 273
эфирами, из которых можно получать ортоэфиры и ацетали
соответственно:
С(ОС2Н5)4 + RMgX---^RC(OC2H5)3 + C2H5OMgX
(21)
НС(ОС2Н5)3 + RMgX-->RC Н (Ос2Н5)г + С2Н5ОМдХ
(22)
При избытке магнийорганического соединения замещение
алкоксигрупп в первоначально образовавшихся соединениях
идет дальше, но с возрастающей трудностью. Например, из Ор-
тоугольного эфира в жестких условиях с небольшим выходом
можно получить простой эфир, один из радикалов в котором —
третичный:
3RMgX + С(ОСаН5)4—>R3C - ОС2Н5 + ЗС2Н5ОМдХ
В более мягких условиях, используя рассчитанное количество
реактива Гриньяра, из ортоугольного эфира можно получить
ацеталь, который после гидролиза дает кетон.
Аналогично, из ортомуравьиНого эфира образуется простой
эфир, в котором один из радикалов — вторичный, хотя в мягких
условиях можно получить ацеталь, а после гидролиза послед-
него — альдегид;
RMgX + HC(OC2H5)3->RCH(OC2H5)£^R2CHOC2H5
|нзо +
RCHO
Магнийоргзнические соединения реагируют как нуклеофилы
и с веществами, у которых дефицит электронной плотности на-
ходится не на атоме углерода, а на атомах других элементов.
Например, при взаимодействии О-алкилгидроксиламина, у кото-
рого на атоме азота есть некоторый дефицит электронной
плотности, с избытком реактива Гриньяра наряду с другими
соединениями образуется (после гидролиза) первичный амин
(избыток реактива Гриньяра необходим потому, что он в пер-
вую очередь будет реагировать с группой NH2 как основание):
CH3ONH2 + 3RMgX ——— - > RN(M9X} MrNH
“UniUmQA, — П * "
Реакции с галогенидами металлов. В безводных галогени-
дах металлов, хотя они и не диссоциированы, на атоме метал-
ла существует значительный дефицит электронной плотности,
поэтому реактивы Гриньяра взаимодействуют с ними как нук-
леофилы, образуя металлорганические соединения:
3RMgX + А1С13 ----* R3AI + ЗМдХС!
RMgX + CdCI2 --э»- RCdCI+MgXCI
4RMgX + 2РЬС12 ------* R4Pb + Pb + 4MgXCi
Своеобразие протекания последней реакции, цо-видимому,
обусловлено тем, что валентные электроны атома свинца нахо-
дятся на наиболее удаленном (шестом) уровне и легко перерас-
пределяются:
2РЬ2+ РЬ° + РЬ4+
С галогенидами ртути и цинка реактивы Гриньяра взаимо-
действуют в две стадии:
ИдС1г RMgX
RMgX -------=- RHgCl -------=>• R2Hg
“MgXCI -MgXCI
ZnCI; RMgX
RMgX -------* RZnCI ---------R2Zn
-MgXCI “MgXCI
Вторая стадия протекает медленно из-за плохой раствори-
мости алкилртутьгалогенида в эфире. Если во вторую стадию
реакции ввести реактив Гриньяра с другим радикалом, то
получается несимметричное соединение ртути. Однако соеди-
нения такого типа неустойчивы и При нагревании симметризу-
ются:
2RHgCl
2R'MgX -------» 2RHgR' --------> R~Hg + R-’Hg
-2MgXCl z
Следует заметить, что реактивы Гриньяра взаимодействуют
с галогенидами только таких металлов, которые образуют
металлорганические соединения с меньшей, чем у магния, сте-
18‘ 275
пенью ионности связи углерод—металл. Степени ионности
некоторых таких связей приведены ниже (в %) г
С—Cs 55 C-Mg 35 С—Al 22
С—Rb 51 С—Zn 18
51 С—Cd 15
С—Д’а 47 С—Sn 12
С—1л 43 С—Pb 12
С—Са 43 C-Hg 9
Следовательно, с галогенидами таких металлов, как калнй,
натрий, литий и кальций, магнийорганические соединения не
реагируют.
Взаимодействие реактивов Гринвяра с галогенами. Пр к дей-
ствии на арилмагнийгалогениды брома или иода группы MgX
частично замещается на соответствующий галоген:
C6H5MgBr + 12-* С6Н51 + МдВг|
(выход 80%)
CgHjMgl + B^^CgHgBf + М д В г I
(выход 40%)
Однако в качестве побочного продукта этой реакции обра-
зуется бифенил. По-видимому, рассматриваемой реакции пред-
шествует взаимодействие галогена с эфиром с образованием
соединения (23), которое далее реагирует с фенилмагнийиоди-
дом, вызывая гетеролитический разрыв связи С—Mg. Образо-
вавшийся при этом феннлкагяон (24) может затем конкурент'
но реагировать как с анионом брома, образуя бромбензол, так
и с другой молекулой фенилмагнийбромида как с нуклеофилом;
Вгг + О(С2Н5)2 вг - 6(С2Н5)2 Вг" СбН^---------
* -мдвп,-(сгн5)2о
(23)
* 1сбН5]+-^С6Н5-Вг
(24)
C6H5Mfll
V
с6н5-с6н5
Действительно, если к готовому фенилмагнийиодиду добав-
лять эфирный раствор брома, в котором, как было показано,
Присутствует оксоний-катион, то бифенил образуется в качестве
основного продукта.
27в
Реакции нуклеофильного присоединения. Реактивы Гринья-
ра способны взаимодействовать как нуклеофилы с карбониль-
ными соединениями. Поскольку на атоме углерода в карбониль-
ном соединении имеется значительный дефицит электронной
плотности, обусловленный различием в электроотрицательно-
сти атомов углерода и кислорода и поляризуемостью кратной
связи, реактив Гриньяра легко атакует его как нуклеофил,
образуя новую углерод-углеродную связь. Так, при взаимодей-
ствии с формальдегидом и последующем гидролизе образуются
первичные спирты, с остальными альдегидами — вторичные, а с
кетонами — третичные спирты:
RMgX + Н2С = O->RCH2OMgX ~^^>RCH2OH
RMgX + R'CH = O-»RR'CHOMgX -^^RR'CHOH
RMgX + R'cor"—► RRR''C0MgX -^RR'R"COP
Эти реакции находят широкое применение в синтетической
практике, так как позволяют получать спирты разнообразного
строения.
Обычно при проведении этих реакций эфирный расто.-.р карбонильного со-
единения вносят по каплям при механическом перемешив.ччии в эфирный рас-
твор свежеприготовленного реактива Гриньяра с такой скоростью, чтобы эфир
спокойно кипел (реакции экзотермнчна). Образовавшийся а.ткоголят магния
после нагревания реакционной смеси разлагают подкислено!! водой. При син-
тезе третичных спиртов для разложения используют водный раствор хлорида
аммония, так как в присутствии минеральных кислот возможна дегидратация.
Чтобы избежать дегидратацию, не рекомендуется активировать реакцию
получения магнийорганического соединении иодом.
Проще всего было бы предположить, что взаимодействие
реактивов Гриньяра с карбонильными соединениями протекает
через образование четырехчленного переходного состояния:
.£!, S- .
О I Mjjx OMgX
Однако с помощью такой схемы не удается объяснить неко-
торые экспериментальные факты.
1, В присутствии безводного бромида магния реакции идут
с большими выходами и с меньшим количеством побочных
продуктов, чем в отсутствие бромида магния.
2. Выходы спиртов значительно увеличиваются при исполь-
зовании избыточного (лучше всего двойного) количества реак-
тива Гриньяра.
3. В случае использования реактивов Гриньяра е объемнеты-
277
г
ми группами R, имеющими хотя бы один атом водорода у
^-углеродного атома, наряду с реакцией нуклеофильного при-
соединения происходит восстановление карбонильного соедине-
ния.
4. Если использовать в реакции один из оптических антипо-
дов карбонильного соединения, имеющий в «-положении асим-
метрический атом углерода, то в результате взаимодействия
его с реактивом Гриньяра (приводящего к возникновению вто-
рого асимметрического центра) образуются неодинаковые
количества обоих возможных диастереомеров (эригро- и трео-
формы).
При проведении реакции карбонильное соединение постепен-
но вводят к заранее Приготовленному реактиву Грипьяра, и,
следовательно, в реакционной массе всегда имеется избыток
последнего, поэтому есть основания предполагать, что иа пер-
вой стадии реакции взаимодействует димер реактива Гриньяра
(см. разд. 4.2). С одной стороны, с атомом углерода карбо-
нильной группы реагирует как нуклеофил один из радикалов
R, а с другой — по атому кислорода этой же карбонильной
группы, на котором сосредоточена избыточная электронная
плотность, координируется атом магния, имеющий дефицит
электронной плотности. Это приводит к дополнительному уве-
личению положительного заряда на атакуемом атоме углерода
карбонильной группы.
Таким образом, димер реактива Гриньяра одновременно
выступает как нуклеофильный реагент и как кислота Льюкса,
образуя шестичленное переходное состояние.
Поскольку до настоящего времени не отдано предпочтения
ни одной из двух наиболее вероятных структур димера [(4) и
(6)], ниже приводятся оба возможных переходных состояния
(25) и (26) (мостиковые атомы галогена расположены вне
плоскости чертежа):
Air п *
С Л oMgU
У
W
tTTfl
о MgX
RMgX
Предполагаемый механизм взаимодействия реактивов
Гриньяра с карбонильными соединениями подтверждается ре-
зультатами кинетических измерений. Оказалось, что скорость
первой стадии реакции высока и имеет первый порядок по ке-
тону и второй порядок по димеру реактива Гриньяра. Однако
после того как половина магнийорганического соединения
вступит в реакцию, скорость реакции становится значительно
ниже первоначальной.
При реализации переходного состояния (25) должен обра-
I
зоваться алкоголят алкилмагния R—С—OMgR, который был
синтезирован и выделен в индивидуальном состоянии. Установ-
лено, что его реакционная способность при взаимодействии с
карбонильными соединениями значительно ниже, чем в случае
реактива Гриньяра. В этом нет ничего неожиданного, так как
известно, что алкоголяты магния уменьшают скорость нуклео-
фильного присоединения реактивов Гриньяра к карбонильным
соединениям.
При реализации переходного состояния (26) в результате
регенерируется мономер реактива Гриньяра. При уменьшении
его концентрации в эфирном растворе димеризация может и не
происходить (см. разд. 4.2), и последующее взаимодействие
мономера с карбонильным соединением может идти как три-
молекулярная реакция:
К
^C^-^MgX ------Ь К + RMgX
Ik /*- I
о J Lb o-Mgx
MgX
(27)
Для простоты далее все последующие переходные состоя-
ния будут изображаться формулой (27) с двумя молекулами
реактива Гриньяра, а не с димером, и без молекул диэтплового
эфира, сольватирующих реактив Гриньяра.
Предположение об образовании шестичленного переходного
состояния позволяет также объяснить тот факт, что взаимодей-
ствие реактивов Гриньяра с карбонильными соединениями про-
текает быстрее и с большими выходами, если до введения
карбонильного соединения к эфирному раствору реактива
Гриньяра добавить безводный бромид магния.
Являясь более сильной кислотой Льюиса, чем магнийорга-
ническое соединение, бромид магния прочно координируется по
атому кислорода карбонильной группы; при этом на атакуемом
атоме углерода возникает больший дефицит электронной плот-
ности. Молекула MgBr2 регенерируется после завершения одно-
279
го акта реакции, поэтому его можно использовать и не я
эквимолыгых количествах'
*"j? —)- >C-R + MjBr2
°> СВг о—VgBr
MgBr
Согласно рассмотренной выше схеме, предполагающей обра-
зование шестичленного переходного состояния, простейшие
альдегиды и кетоны (формальдегид, ацетальдегид, ацетон)
должны легко реагировать с магнийорганическими соединения-
ми любого строения. Однако для кетонов, имеющих разветвлен-
ные радикалы, возникают пространственные затруднения, осо-
бенно при взаямодействин с объемистыми реактивами Гринья-
ра. Этими затруднениями можно объяснить тот факт, что
пинаколпн (26) реагирует' нормально только с реактивами
Гриньяра типа RCHaMgX (где магний связан с первичным ато-
мом углерода) и совершенно не вступает в реакции с трет-
алкилмагнийгалогенндамп, а дн-трет-бутилкетон (29) вообще
не. реагирует с магнийорганическими соединениями.
(СНз)зС - СО - СН3 (СН3)зС - СО - С(СН3)3
(28) (29)
Вследствие этого третичные спирты с очень разветвленны-
ми радикалами, например (30) или (31), можно получать из
соответствующих кетонов только с помощью более активных
нуклеофилов — натрий- или литийорганических соединений, в
которых степень ионности связи углерод—-металл выше, чем у
магнийорганических соединений.
[(СН3)2СН -J3C - ОН [(СНз)зС -]3С - ОН
(30) (31)
Силькор аз ветвленные кетоны типа (32), имеющие в а-положении к ато-
му углерода карбонильной группы асимметрический атом углерода, реагируют
с магнийорганическими соединениями стсрсонаправленчо. В результате взаимо-
действия кетона (32) с RMgX в продукте реакции появляется второй асиммет-
рический агом углерода:
Хк * Хх , ,
ХС - С - R' + RMgX-> C-CRR'
v/| II v/l I
Y Z О Y Z OMgX
(32) X >Y >Z
Следовало бы ожидать, что оба диастереомера (эритро- и трео-формы)
будут образовываться в равных количествах, однако на самом деле преобла-
дает один из стереоизомеров. Объяснить этот экспериментальный факт можно,
предположив, что реакция протекает с промежуточным образованием шести-
членного переходного состояния (33):
Согласно правилу Крама, координация атома магния по атому кислорода
карбонильной группы максимально облегчена при такой конформации исходно-
го кетона, в которой заместители Y и Z создают .минимальные пространствен-
ные затруднения и не препятствуют образованию наиболее энергетически вы-
годного переходного состояния (33). В этом случае нуклеофильная атака на
тригональный атом углерода карбонильной группы со стороны более компакт-
ного заместителя Z энергетически будет более выгодна, чем со стороны заме-
стителя Y, и в результате реакции диастереомер (34) будет образовываться
в преобладающих количествах по сравнению с диастереомером (35).
(34)
Побочные реакции при взаимодействии реактивов Гринья-
ра с карбонильными соединениями. При взаимодействии реак-
тивов Гриньяра с карбонильными соединениями спирты с высо-
кими выходами удается получить лишь в тех случаях, когда
углеводородные радикалы у обоих участников реакции невелики
и имеют неразветвлеввое строение. В остальных случаях спирты
образуются с более низкими выходами вследствие протекания
побочных реакций, одна из которых может стать доминирую-
щей.
Известно несколько наиболее существенных побочных реак-
ций: восстановление карбонильного соединения до спирта, ено-
9ft Г
лизация кетона с последующей конденсацией, окисление образо-
вавшегося в результате реакции алкоголята магния избытком
карбонильного соединения, реакция Канниццаро.
Восстановление карбонильного соединения. Восстановление
кетона реактивом Гриньяра родственно реакции Мейервейиа—
Понндорфа — Верлея (восстановление кетонов алкоголятамн
алюминия):
3RR'C = 0 + A([OCH(CH3)2]35=t [RR'CHO]3AI + (СН3)2С = О
Равновесие этой реакции удается сместить отгонкой легко-
киляшего побочного продукта—ацетона. Алкоголят алюминия
является кислотой Льюиса, и реакция протекает через шести-
члеиное переходное состояние:
А
с -C(CHS)2
о) Со О-А1[сн(снз)2]2
4фн(сн3^г
r.
Rx
Гндридяый переход осуществляется легче, если используют-
ся алкоголяты вторичных спиртов. Естественно, алкоголяты
третичных спиртов, у которых нет а-водородных атомов, в эту
реакцию не вступают.
Аналогичный гидридный переход, Приводящий к восстанов-
лению карбонильного соединения до спирта, может происхо-
дить и при взаимодействии реактива Гриньяра с карбонильными
соединениями с той только разницей, что он осуществляется за
счет атомов водорода у ^-углеродного атома реактива Гриньяра-
СН
0J Сен
MffX
-си3сн=сн2^
r;>ch~oh
В
O-MgX
Как видно, в образовании шестичленного переходного со-
стояния участвует только одна молекула реактива Гриньяра.
-— - ’ч’иртицрскими данными. Установлено, чтр
реакция восстановления кетонов реактивом Гриньяра имеет
второй порядок (первый по каждому из участников реакции).
Такому направлению реакции благоприятствуют наличие в кар-
бонильном соединении объемистых и разветвленных радикалов,
ограничивающих возможность атаки атома углерода карбо-
нильной группы радикалом димера реактива Гриньяра, но
допускающих взаимодействие его с небольшим по размеру гид-
рид-ионом, а также большой объем радикала в реактиве
Гриньяра и наличие в нем у ^-углеродного атома хотя бы
одного атома водорода. Выходы продуктов восстановления,
образующихся при взаимодействии различных магнийорганичес-
ких соединений с диизопропилкетоном и бензофеноном (I и II,
соответственно), приведены ниже (в %):
I Г1
СНзСН2МгВг 21 2
СН3СН2СНгМйВг 60 58
(CH3)2CHMgBr 65 13
I if
(CHshCHCHiiMgBr 78 91
(CHshCClljMgBr — —
Гидридный переход происходит наиболее легко в том случае,
когда {J-углеродный атом в радикале — третичный, и не проис-
ходит; когда в радикале нет ни одного [}-водородного атома,
т. е. когда ^-углеродный атом является четвертичным.
Выход продукта восстановления можно снизить, если в реак-
ционную смесь предварительно ввести эквимольное количество
безводного бромида магния. Как было упомянуто выше, на ато-
ме магния в этой соли имеется больший, по сравнению с реак-
тивом Гриньяра, дефицит электронной плотности, так как атом
магния в этом соединении обеими валентностями связан с более
электроотрицательными, чем атом углерода, атомами брома.
Поэтому он более прочно, чем реактив Гриньяра, координирует-
ся по атому кислорода карбонильной группы, ограничивая воз-
можность гидрндного перехода от ^-углеродного атома радикала
реактива Гриньяра к атому углерода карбонильной группы
[формула (36)], и тем самым повышает выход продукта нук-
леофильного присоединения.
« д
оу рЗг
MgBr
(36)
283
Так, при реакции пропилмагннйбром.гда с дпизопропнлкето-
ном з отсутствие MgBr2 образуется 30% продукта присоедине-
ния и 60% побочного продукта восстановления, тогда как в
присутствии MgBr2 выход продукта присоединения увеличива-
ется более чем вдвое (65%), а выход продукта восстановления
снижается до 26%. Образование шестичленного переходного
состояния позволяет также обосновать тот факт, что при реак-
ции аллилмагнийхлорида с кетонами, имеющими разветвленные
радикалы, с хорошими выходами образуются не продукты вос-
становления, как в случае пропнлмагнийбромида, а нормальные
продукты нуклеофильного присоединения.
Кратная связь С = С в аллилмагнийхлориде поляризована в
направлении крайнего атома углерода, и поэтому при взаимо-
действии его с разветвленными карбонильными соединениями
при низких температурах более благоприятно образование пе-
реходного состояния с участием не димера, а мономера магний-
органического соединения, приводящего к получению нормаль-
ного продукта присоединения, а не продукта восстановления;
,/С СН
^| н
CIMgO сн2
Восстановление карбонильных соединений реактивами Гриньяра применя-
ют при проведении частичного асимметрического синтеза. Если использовать
в реакции Гриньяра несимметричные кетоны, то при их восстанов.’геиии обра-
зуются спирты с асимметрическим атомом углерода. Естественно, что при
этом получается рацемическая смесь обоих антиподов. Если же использовать
оптически активный реактив Гриньяра, например (37), то образуется не ра-
цемат, а смесь, содержащая небольшой избыток одного из Стереоизомеров.
Лучшие результаты были получены для кетонов, у которых один из радикалов
сильно разветвлен (например, для пинакотина). При действии же на пинано-
лин оптически активным реактивом Гриньяра (3S), отличающимся от преды-
дущего только на одпу метиленовую группу, образуется рацемическая смесь
антиподов.
С2Н5 - СН - СН2МдС1 С2н5 - СН - СН2 - СН2МдС1
I I
СН3 сн3
(37) (+)
(38) (+)
Этот экспериментальный факт можно интерпретировать с использованием
шестнчленного переходного комплекса, приведенного выше, для реакции вос-
становления.
В предшествующий гидридному переходу момент образования шестичлен-
ного переходного комплекса стереоизомер реактива Гриньяра (Зв), н котором
прр асимметрическом атоме углерода имеется способный к гидридному перехо-
ду р-атом водорода, может равновероятно атаковать атом углерода карбониль-
ной группы, находящийся в состоянии зр!-гибрндизации, с обеих сторон пло-
ской молекулы кетона:
R-CH3 , R'=CHaCH3, Ж-С(СН^
Однако при образовании переходного состояния (41) возникают значитель-
но большие, чем при образовании переходного состояния (39), пространствен-
ные затруднения, связанные с противостоянием двух объемистых трет-бутиль-
иой и этильной групп. По этой причине в образовавшемся продукте восстанов-
ления будет преобладать стереоизомер (40), а не его антипод (42).
Таким образом, гидридный переход от (J-углеродного атома (носителя
асимметрии), имеющего в этом положении единственный атом водорода, вле-
чет за собой появление оптически активного алкоголята, получающегося в ре-
зультате восстановления пинаколина.
Картина существенно меняется при использовании н качестве восстанови-
теля реактива Гриньяра (38). Казалось бы, при образовании переходного со-
стояния в данном случае должны были бы возникать еще большие пространст-
венные затруднения, так как в соединении (38) ^-углеродный атом связан с
более объемистым йтор-бутильным радикалом. Однако в данном случае у р-угле-
родного атома имеются два атома водорода, способных к гидридному перехо-
ду. Вследствие этого при атаке пннаколина соединением (38) как с одной, так
и с другой стороны плоской молекулы кетона возможно образование переход-
ных состояний, свободных от пространственных затруднений, в которых гид-
285
ридный переход осуществляется за счет одного из двух атомов водорода мети-
леновой группы:
Итак, при взаимодействии с кетонами реактивы Гриньяра
могут быть не только нуклеофильными реагентами, но и донора-
ми гидрнд-ионов, способными восстанавливать кетоны до спир-
тов. В некоторых случаях гидридный переход от радикала
реактива Гриньяра может осуществляться и при взаимодейст-
вии их с некоторыми галогенпроизводными.
Ранее было отмечено, что атом галогена в бензилхлориде
под влиянием имеющей —/-эффект фенильной группы стано-
вится подвижнее, н это соединение способно реагировать с
магнийорганическими соединениями по реакции типа реакции
Вюрца. Казалось бы, увеличение числа фенильных групп у
атакуемого атома углерода должно облегчать протекание
этой реакции, и трифенилхлорметан должен был бы легко реа-
гировать с реактивами Гриньяра с образованием 1,1,1-трифенил-
алкана:
(С6Н5)3С - Cl + R - MgX^ (С6Н5)3С - R + МдХС(
Однако оказалось, что при взаимодействии трифенилхлор-
метана с этилмагнийбромидом образуется не трифенилпропан,
а трифенилмеган и этилен. Это можно объяснить тем, что три-
феннлметильная группа создает значительные пространственные
препятствия для образования шестичленного переходного со-
стояния с участием димера реактива Гриньяра, одиако возмож-
ность перехода компактного гидрид-иона от ^-углеродного атома
магнийорганического соединения сохраняется:
л
(СвН6)э^ ---у (СеН5)зСН + СН2=СН2 + MgBrCl
сГ) усщ
MgBr
Таким образом, и в данном случае реактив Гриньяра явля-
ется донором гидрид-иона, способным восстановить галоген-
производное до углеводорода.
Однако некоторые исследователи считают, что в реакциях описываемого
типа, например при взаимодействии трифеннлхлорметана с этилмагнннброми-
дом, образуются радикалы, которые далее могут реагировать с эфиром, ис-
пользуемым я качестве растворителя, а радикал -С2НЙ, кроме того, может
претерпевать диспропорционирование:
(СеН5)3С - CI + С2Н5МдВг-> (С6Н5)3С- + -С2Н5 + МдВгС(
СН3 - СНг + СН3 - СНг '»СН3 - СНз + сн2 = сн2
Енолизация кетонов. Когда в молекуле реактива Гриньяра
у ^-углеродного атома нет ни одного атома водорода, способно-
го к гидридному переходу, а сам радикал достаточно велик,
магнийорганическое соединение действует как основание, от-
щепляя (как при реакциях конденсации) от карбонильного
соединения подвижный а-водородный атом. При этом в качест-
ве основного продукта образуется енолят (43), который может
реагировать со второй молекулой кетона по типу альдольной
конденсации, образуя после гидролиза продукта реакции р-гидр-
оксикарбоннльное соединение:
С^Н3)г ^на
(СН3)2СН-С Н -^(СН3)2СН-С=С(СН3)2 + снэ~с-снэ
Гсна-С(СНэ)з iMgBr СНЭ
MgBr ' (43)
с(сн3)2 сн
(СНз)гСН--С-<-Х сГсн(Сн3)212 1 г , . , Н,О*
К А —>(СН3)2СН-С-С—с(сн(сн3)2]г—>
(1 ) ( О II I I
МВ ° СНз 0М£Вг
—►(сн3)2сн-с-с(Сна)г-с[сн(сн3)г]г
о он
287
Если я «-положении по отношению к обеим группал! имеет-
ся еще один атом водорода, то при перегонке отщепляется вода
и образуется «,^-непредельный кетон. Енолят (43), выделенный
из реакционной массы, можно использовать как метиленовый
компонент в какой-либо другой реакции конденсации.
Большую склонность к еиолпзацни проявляют также жир-
коароматические кетоны с сильно экранированным атомом уг-
лерода карбонильной группы. Например, мезигилмегнлкетон
даже при взаимодействии с таким компактным реактивом
Гриньяра, как метилмагннйиодид, полностью енолизуется;
2,4,е-(СНз)3СвН2 - С - СН3 + СН3Мд| —>
к
о
—> 2 4,6-(CH3)3CGH2- С = СН2 + сн4
I
OMgl
Предположение, что взаимодействие енолов с карбонильными соединения-
ми может проходить через образование шестнчленного переходного состояния,
позволяет интерпретировать результат взаимодействия реактива Гриньяра, фе-
нилуксусной кислоты и бензальдегида:
2RMgX + С6Н5 - СН2 - СООН 4- СеНд - СНО _2Rj^
'*С6Н5-СН-СН-С6Н5
ХМдб СООМдХ
-^С6Н5-сН-СН-С6Н5
ОН СООН
Первая молекула реактива Гриньяра реагирует с фенилуксусной кислотой
как основание, образуя соль, в которой атомы водорода метиленовой группы
активированы двумя электроиоакиепторными группами. Если в реактиве
Гриньяра R —неопентил или изопропил, то вторая молекула его, реагируя как
основание, отщепляет от этой соли протон, образуя енолят (44), который, как
предполагают, через шестнчленное переходное состояние реагирует с бензаль-
дегидом сю альдольному типу с образованием гндроксикнслоты, имеющей два
асимметрических атома углерода:
СеН6—СН
Хм^о-сОн Г
MgX
—> XMgO-O=CH—С6н5
OMgX.
(41)
+ RH
сн-с0н5
CeH&-HC Oc-0MgX
Ъ d
MgX
СН-С6Н5
сен5—на чс—oMg-x
XMgO о
НгО+
---->.
4е ж
—** свн5-ан-сн-сен3
Полагали. что в результате pt:акции должна образоваться смесь равны!
количеств четырех стереоизомеров. Однако было установлено, что продукт
реэкдив содержал 76% рацемической смеси трео-изомеров н только 24% сме-
си эри тро-и зом еров:
( 'б^5 < :6н6 ад < :6Н5
1 । Unnr
п LUUM ПииЪ П nUULf н м UUUrt
н — — он но — — н н — — он но — — н
( ^6^5 ( ад < ад < 'бН5
эритро-изомеры трео^изомеры
Причина образования неодинаковых количеств диастереомеров может быть
объяснена различной степенью легкости образованна шестичленного переход-
ного состояния. Как показано ниже, енол может атаковать углерод карбониль-
ной группы бензальдегида с двух сторон. Переходное состояние (45) более
выгодно, чем (46), поскольку при его образования объемистые фенильные ра-
дикалы, находясь в троне-положении, не создают пространственных затрудне-
ний, и поэтому грео.изомеры образуются в значительно больших количествах.
ад.
Н /'он3
-> у*
Mg-X
CeHs jS'sHa
НЧ1
С н/ у омаХ
° ад
ilgX
(45)
Т. >СбН5
)Т С‘
ад^1 н
он
треп (76 %)
ад„
ч.*
н*^
адад
^^Хгоон
н
он
эритро (24%)
Побочное образование первичных и третичных спиртов. Ка-
залось бы, что взаимодействие реактивов Гриньяра, у которых
радикал не имеет в ^-положении способных к переходу в виде
гидрид-иона атомов водорода, с карбонильными соединениями,
не имеющими активированных а-водородных атомов, должно
протекать гладко, без образования побочных продуктов. Одна-
ко уже при взаимодействии фенилмагнийбромида с избытком
J9—(425 289
бензальдегида наряду с ожидаемым дифенилметанолом обра-
зуются также бензиловый спирт и трифенилметанол:
С6Н5МдВг 19С^НР>(С6Н5)2СНОН + С6Н5СН2ОН + (С6Н5)3СОН
По-видимому, реакция осложняется окислительно-восстано-
вительным процессом, аналогичным реакции Мейервейна —
Понндорфа.
На первой стадии реакции образуется нормальный продукт
нуклеофильного присоединения — алкоголят, который на второй
стадии реагирует с находящимся в избытке бензальдегидом,
восстанавливая его до бензилового, спирта, а затем образовав-
шийся одновременно бензофенон взаимодействует с еще не
прореагировавшим реактивом Гриньяра, образуя трифенилме-
танол.
Н
I СвН5
С6Н5-С *-ХМдВг
MgBr
(СвН5)2СНОН
(ед^с^сн-ад ♦
Q (й СвН5-СН^ОМ£Вг----> с6н5снгон
BrMg
CeHs
(C6Hs)Ec
МЙ'Вг , . Н3О+ f
h Гс.н5 WC-OMgBr --> (СЛ)1С-ОИ
Не исключено, что образование бензилового спирта проис-
ходит и по реакции, аналогичной реакции Канниццаро, которая
катализируется не только щелочными агентами, но и алкиголя-
тами металлов, например с алкоголятом алюминия.
Аналогичным образом можно объяснить и тот факт, что
при получении пектанола-1 из бутилмагнийбромида и формаль-
2ЭД
Дегида, взятого в избытке, наряду с основным продуктом обра-
зуется нонанол-5.
Н2С
hr* + *^вг
AfgBr 0M£Sr
.н
R—НС'^'СИа
f О "сн=ом«Вг
MgBr
l.RMgBr
2. Н3О+
R-CH—R
ОН
R= ОД
Избежать образования этих побочных продуктов можно,
прибавляя по каплям раствор карбонильного компонента в
эфирный раствор предварительно приготовленного магнийорга-
нического соединения,
Сопряженное присоединение. Альдегиды, имеющие кратную
связь, сопряженную с карбонильной группой, реагируют с маг-
нийорганическими соединениями, образуя (после гидролиза)
исключительно осф-непредельные вторичные спир.т_ы:
О ОМдВг ОН
R'CH = CH-CH-5^^R'CH = CH-CHR-^R'CH = CH-CHR
В отличие от них осф непредельные кетоны могут давать как
снирты, так и кетоны:
ОН О О
R'CH = CHCRR"4^S^R’CH - CHCR^5^^R'R"CHCH2CR
2,НгО 2.Нг0 z
Спирты образуются в результате обычного нуклеофильного
присоединения, а кетоны—в результате присоединения реакти-
ва Гриньяра к кратной углерод-углеродной связи. Количество
кетона возрастает с увеличением размера радикала R. Выходы
кетонов, образующихся при взаимодействии аф пепредельных
кетонов типа C6HsCH = CHCOR с C6HsMgBr и C2HaMgBr (I и
II, соответственно), приведены ниже (в %):
r г гг
СНз 12 60
С2Н5 40 70
СН(СН3)з 88 100
С(СНэ)з 100 100
19*
201
Известно. что в сопряженных а .^-непредельных карбониль-
ных соединениях л-электроны связи С = С смещаются в сторону
обладающей —М и —/-эффектами карбонильной группы.
Вследствие этого на атоме углерода в ^-положении к карбо-
нильной группе имеется дефицит электронной плотности, и
поэтому нуклеофильные реагенты, в частности реактивы
Гриньяра, могут атаковать в них не только атом углерода кар-
бонильной группы, но в р-атом углерода. Однако дефицит
электронной плотности на fj-атоме углерода несколько меньше,
чем на атоме углерода карбонильной группы.
Это можно подтвердить, сравнив кислотность щавелевой и малеиновой
кислот. Для щавелевой кислоты, в которой карбоксильные группы непосредст-
венно влияют друг на друга, рДа=1,27, а у ее винилога — малеиновой кисло-
ты, в которой карбоксильные группы разъединены виниленовой группой, кис-
лотность меньше (рЛ'а=1,92).
Этим можно объяснить, почему «, р-не предельные, альдегиды,
у которых дефицит электронной плотности на атоме углерода
карбонильной группы больше, чем па р-атоме углерода, реаги-
руют с магнийорганическими соединениями только по карбо-
нильной группе. У а,р-непредельных кетонов взаимодействию
реактива Гриньяра с атомом углерода карбонильной группы
препятствует экранирование этого атома радикалом R. Поэто-
му более выгодно присоединение реактива Гриньяра в поло-
жения 1,4 с образованием связи R—С-4:
СИ
Нг0
BrMgO ry
--> R-C=CH—CH—R'
_ OH R"
4-jr4’
---> R^C-CHr-CH-R1
6 R"
В данном случае в образовании переходного состояния
может участвовать только одна молекула реактива Гриньяра.
Из приведенной выше схемы следует, что наличие и объем
заместителя при атоме С-3 не должен был бы оказывать суще-
ственного влияния на направление реакции, в то время как
введение еще одного заместителя при атоме С-4 заметно сни-
жает выход продукта 1,4-присоединения.
Выходы продуктов 1,4-присоединения при взаимодействии
некоторых а.р-ненасыщенных карбонильных соединений с
C6H5MgBr и C2HEMgBr (I и II, соответственно) приведены ни-
же (в %):
1 11
С6Н5СИ=СНСОС5Н, 94 99
СвН5СН = с (CSH5) СОС6Нс 100 100
C6HSC(CHJ)=CHCOC6HS 44 41
(CSH5)!C=CIICOC6HS - 18
О промежуточном образовании шестнчленного переходного
состояния свидетельствует также и тот факт, что особенно
легко с образованием продуктов 1,4-присоединеиия реагируют
«.^-непредельные кетоны с жестко фиксированной структурой,
имеющей готовый фрагмент шестичленного переходного состоя-
ния, например кетон (47). В то же время такие кетоны, как
циклогексенон-3 (48) и изофорон (49), для которых исключена
возможность образования шестичленного переходного состоя-
ния, не образуют продуктов 1,4-присоединения, а реагируют
только по карбонильной группе.
Реакции с производными карбоновых кислот. Аналогично
карбонильной группе в альдегидах и кетонах, в производных
карбоновых кислот RCOY группа COY (Y—Hal, OCOR, OR,
NR2, ОМ) способна к присоединению реактивов Гриньяра.
Реакционная способность производных карбоновых кислот за-
висит от величины частичного положительного заряда на атоме
углерода карбонильной группы (которая в свою очередь зависит
от М- и /-эффектов группы Y) и уменьшается в ряду:
RC0Hai>(RC0)20 > RC00R>RC0NR2> RC00M
Наименьшей реакционной способностью обладают соли кар-
боновых кислот. Однако они также способны реагировать с
магннйорганическими соединениями. Об этом свидетельствует
тот факт, что при получении карбоновых кислот действием СОг
на RMgX (см. ниже) выходы целевого продукта невысоки,
если в предварительно приготовленный реактив Гриньяра про-
пускают газообразный СО2. В этом случае в реакционной смеси
все время имеется избыток RMgX, который конкурентно реаги-
рует как с СОг, так и с образовавшейся на первой стадии
2ЯЗ
реакции солью RCOOAlgX. Во избежание эгога рекомендуется
приготовленный эфирный раствор RMgX выливать на твердый
СО2 или быстро вносить в этот раствор кусочки твердого СО2
до появления инея на внешних стенках колбы-
Галогенангидриды и ангидриды кислот в реакциях е RMgX
превосходят по реакционной способности альдегиды п кетоны,
а сложные эфиры уступают им ( +Al-эффект алкоксигрупцы).
Меньшую активность зтокснкарбонильной группы по сравнению с карбо-
нильной группой альдегидов и кетонов в реакциях с метдллорганическими со-
единениями можно обнаружить, используя металлурга ннческие соединении,
менее реакционноспособные, чем мзгннйорганяческие соединения. Так, напри-
мер, при взаимодействии альдегидов или кетонов с эфирами ар бо-
новых кислот под действием металлического’ цинка (реакция Реформатского)
промежуточно образуется цинк органическое соединение (50), которое затем
реагирует с карбонильным соединением:
х 0 2пХ
I II I
RCH - СООС2Н5 + 2п + R' - С ~ R" —* RCH - СООС2Н5 +
(50)
О XZnO R
11 - 1
+ R' - С ~ r"-*rr'c - сн - соос2н6
нл0+
----->
но ?
' „ I 1
-* RR С - СН - СООС2Н5
Электроотрицательность цинка (1,6) несколько выше, чем магния (1,2),
а степень ионности связи Zn—С меньше (18%), чем связи Mg—С (35%), н,
следовательно, соединение (50) —менее реакционноспособный нуклеофил, чем
RMgX. Вследствие этого соединение (50) на второй стадии реакции предпочти-
тельно реагирует с карбонильным соединением, а не с группой COOCsHs Дру-
гой молекулы исходного соединения.
В настоящее время механизм реакции Реформатского дискутируется. По-
явились факты, свидетельствующие о том, что при действии цинка на эфир
«талогензамешенной кислоты образуется енолят, который затем реагирует
с карбонильным соединением через шестичленное переходное состояние:
Вг О °ZnBf
RCH - С - OC2H5-^*-RCH = с - ос2н5
ZsJir
>с—сн—С—OC2HS
*'1 1
OZnBr О
оси
Вероятно, что на первой стадий взаимодействия всех при-
веденных выше производных кислот с реактивом Гриньяра
происходит реакция нуклеофильного присоединения по карбо-
нильной группе:
0 ОМдХ
Rr - С - Y + RMgX —► RRC “ Y
(51)
В образовавшихся аддуктах (51) (как в ацеталях и орто-
эфирах) на центральном атоме углерода сохраняется, хотя и
меньший, чем в исходных соединениях, дефицит электронной
плотности. С самой кислотой, имеющей подвижный атом водо-
рода, реагируют две молекулы магнийорганического соедине-
ния: первая из них реагирует как основание, а вторая присое-
диняется по группе С = О:
RMgX + R’COOH—^R’COOMgX-^^RR’C(OMgX)2
В зависимости от природы группы Y аддукты (51) облада-
ют различной устойчивостью. Например, аддукт, полученный из
сложных эфиров, устойчив при температурах ниже 0°С (при
постоянном избытке в реакционной смеси сложного эфира).
При гидролизе такого аддукта образуется карбонильное сое-
динение:
ОМдХ
RR'C - OR,'-H^-[rR'C(OH)2] T^RR'C = °
Еще труднее задержаться на стадии нуклеофильного присое-
динения— получении аддукта (51)—в случае галогенангидри-
дов кислот. Поэтому, если требуется получить из галогенангид-
рида кислоты карбонильное соединение, используют кадмийор-
ганическое соединение, менее активное, чем RMgX:
RMgX + CdCl2 “T^rfRCdCI " Srr»R’C0R
”“gXGI ~UaCl2
Уже при комнатных температурах аддукты (51), получен-
ные из хлорангидридов (V==CI) и сложных эфиров (Y = OR")j
подобно ацеталям и ортоэфирам, способны вступать в реакции
нуклеофильного замещения по механизму SN2 со второй моле-
кулой реактива Гриньяра. Вытеснение в виде аниона группы Y
295
из данных соединений энергетически выгодно. В результате
реакции (после гидролиза) образуются третичные спирты:
ОМдХ
RR C - Y*^^7R2R C -OMgX-^R2R'COH
Аддукт (51). полученный из ангидридов кислот, реагирует
с еще двумя молекулами реактйва Гриньяра с образованием
третичных спиртов:
ОМдХ“| 1---
RR'q- RR'С(ОМдХ)2-ЖгП СОМдХ
L J 2 | HjO+
r2rcoh
При взаимодействии Лг,Л!-диалкидамидов или солей карбо-
новых кислот с реактивами Гриньяра реакция останавливается
на стадии нуклеофильного присоединения с образованием ад-
дукта (51}, Это объясняется тем, что вытеснение реактивом
Гриньяра на второй стадии реакции такого аннона, как, напри-
мер, _\(СНз)2, чрезвычайно энергетически невыгодно. Вследст-
вие этого диалкиламиды и соли карбоновых кислот иногда
используют как исходные вещества при синтезе альдегидов и
кетонов:
N(CH3)a
RR'C - ОМдХ-^Я-RR'C = О + HN(CH3)a + Мд(ОН)Х
ОМ
RR C - OMgX-^-RR'C =0 + МОН + Мд(ОН)Х
При взаимодействии реактивов Гриньяра с амидами сильно
разветвленных кислот образуются не продукты присоединения,
а нитрилы:
R R"R ‘'CCONH2+2RMgX^R'R’'R',,C - СМ + 2RH + (ХМд)2О
Возможно, что в данном случае нуклеофильное присоединение по группе
С = 0 не происходит из-за пространственных затруднений, создаваемых алкиль-
ными группами, а также из-за снижения дефицита электронной плотности на
атоме углерода карбонильной группы вследствие большого -}-М-эффект а груп-
пы NH:. Можно предположить, что в данной реакции амид реагирует в тауто-
мерной форме:
о Он
R'R"R"'CC - NH? ^'R”R"'CC =
* -2RH
OMgX
I
--► R’R”R"'CC = NMgX ——R'R"R"'C - CN
“(aM9j ju
На заключительной стадии реакции атом кислорода группы OMgX нук-
леофильно атакует пространственно сближенный с кр.и атом магнии группы
NMgX.
Рассмотрим взаимодействие реактивов Гриньяра с нитрила-
ми. Азот более электроотрицательный элемент, чем углерод,
поэтому связь C = N сильно поляризована. Так, дипольный мо-
мент этнламина CaHjNEE. в котором атом азота связан с ато-
мом углерода ординарной связью, равен 1,38 Д, а у ацетони-
трила CH3CN он равен 3,94 Д. Поэтому при взаимодействии
нитрилов с магнийорганическнми соединениями в первую оче-
редь происходит реакция нуклеофильного присоединения:
R'C-N + RMgX-*RR'C = N - MgX
Связь C=N менее поляризована, чем связь С = О, так как
азот менее электроотрицателен, чем кислород, поэтому вторая
молекула реактива Гриньяра к образовавшемуся аддукту обыч-
но не присоединяется. Таким образом, нитрилы, аналогично
алкиламидам кислот, могут служить исходными веществами
при синтезе кетонов.
Если группа CN связана с третичным атомом углерода, то
при действии реактива Гриньяра она может быть вытеснена в
виде аниона; при этом образуется углеводород с четвертичным
атомом углерода:
R’ R"
R” \n
+ RMgX
R' .R"
-> + Mg(CN)X
R" R
Эта реакция оказывается основной для нитрилов, у которых
в «-положении к группе CN находится амино- иди гидроксигруп-
па и отсутствуют «-водородные атомы, например в случае
циангидринов кетонов;
ОН ОМдХ ОМдХ
(СН3)аС - CN ^i(CH3)2C - CN-^.^(CHa)3C- R
297
Эта реакция не наблюдается для первичных и вторичных
нитрилов, для которых возможна нитрил-кетениминная таутоме-
рия;
RCH2- С = М ^=*г RCH = С = МН
При этом связь группы. СN с метиленовой (метинной) груп-
пой становится более прочной и уменьшается дефицит электрон-
ной плотности на входящем в нее атоме углерода. Это затруд-
няет нуклеофильное замещение группы CN в соединениях тако-
го типа. У а-алкилнитрилов, где подвижность а-водородного
атома снижена электронодонорной алкильной группой, наряду
с реакцией присоединения возможна, и реакция замещения
группы CN:
ММдХ
(СН3)2СН - С - РИАМэХ (CH3)2CH - C = N RMgX> (CH3)2CH - R
К реакциям нуклеофильного присоединения относится и
взаимодействие магнийорганических соединений с диоксидом
углерода, используемое для синтеза карбоновых кислот:
RMgX + СО2 --*- RCOOMgX-^^-RCOOH
Как отмечалось ранее, для предохранения полученной соли
магния от дальнейшего взаимодействия с избытком реактива
Гриньяра реакцию проводят при сильном охлаждении, вводя
в эфирный раствор магнийорганического соединения большой
избыток твердого СОг или выливая эфирный раствор реактива
Гриньяра на взятый в большом избытке твердый СОг.
Аналогичным образом реактивы Гриньяра взаимодействуют
с диоксидом серы с образованием сульфцновых кислот;
RMgX + SO2 --► RSOOMgX-^*RSOOH
Co сложными эфирами, обладающими значительной СН-кис-
лотностью, например с такими бифункциональными соединения-
ми, как малоновый и ацетоуксусный эфиры, реактивы Гринья-
ра взаимодействуют в первую очередь как основания:
С2Н5ООС - СН2 - COR + RMgX -*
---► RH + (С2Н5ООС - CHCOR)-+MgX
r = oc2h5,ch3
298
При избытке реактива Гриньяра идет со значительно мень-
шей скоростью реакция присоединении по карбонильным груп-
пам.
Атом водорода метинной группы в соединениях типа (52)
также обладает протонной подвижностью (—7-эффект фениль-
ной группы), поэтому реактивы Гриньяра и с ними взаимо-
действуют в первую очередь как основания с образованием ре-
активов Иванова (53):
О
Зхн— С—О Na
К
(52)
RMgX
-RH
Аг« СвНб,С0Н4С1; R=H, Aik, Ar,OCeH3
Реактивы Иванова можно вводить в реакцию с карбониль-
ными соединениями и 1,2-эпоксидами, в результате чего обра-
зуются соответствующие гидроксикарбоновые кислоты:
Аг 1.нгс-снг
I О /ВОх 1-(СН3)гС0
НОСН2СН2 - С - СООН ------------<53)
R
Аг
I
* (СН3)2С - С - СООН
НО R
Таким образом, реактивы Гриньяра как нуклеофильные
реагенты находят широкое применение в органическом синтезе.
Субстраты, обычно используемые в реакциях с RMgX, и обра-
зующиеся при этом продукты приведены ниже:
Субстрат
Реакции нукле
R'R"R'"C— Cl
СНг=СНСНгС1
С6Н5СН2Х
CtOCjHjN
HC(OCSH5)S
R'C(OCSH,)3
CHjONHj
Получаемые продукты
фильного замещения
RR'R''R'"C
CHS=CHCHSR
CdlsCHsR
НаО+
RiC(OC2Hs)s —н RjCO
нэо+
RCfOCsHsb —► RCOOH
НзО+
RCHtOCsHsh —- RCHO
ИзСНОСдНз
н8о+
RR'C(OC2H5)2 —h RR'CO
RiR'COCuHj
RNH2
299
CHsOCgHs RCHi
ObOH
MXn R-M
(M *• Zn, Al, Hg, Cd, Sn,
P, Si; n = 2—4)
X, (X - Вг, I) z RX
Реакции Нуклеофильного присоединения
CfljO
Н,С—CHS
RCHjOH
RCHjCHjOH
R'CHO
R' - HC-CHa
R'CHOHR
R'CHOHCHjR
R'R"CO
R'GN
R'CONR/
C<h
R'COX
(R'CO)jO
R'CQOR"
HCOX
HCOOR'
RR'R"C—OH
RR'CO
RR'CO
RCOOH
R,R'COH
RR'C=O
RjCHOH, rcho
4.3.3, Радикальные реакции
Движущей силой рассмотренных в предыдущих разделах дан-
ной главы реакций является наличие в реактиве Гриньяра на
атоме углерода, непосредственно связанном с атомом магния,
избыточной электронной плотности. Во всех этих реакциях
происходит гетеролитнческий разрыв связи углерод'—магний,
причем электронная пара этой связи переходит к атому углеро-
да. Однако существуют реакции, цри протекании которых связь
С—Mg разрывается гомолитнческн.
В первую очередь следует рассмотреть реакцию магнийор-
ганических соединений с кислородом, в результате которой об-
разуются пероксиды, а при избытке реактива Гриньяра — алко-
голяты, а затем спирты:
RMgX^R- О - ОМдХ-5^ 2R - ОМдХ-^2 2R - ОН
Аналогично, при реакции с серой получаются тиолы:
R - MgX*R - SMgX^S-R - SH
Формально считается, что в молекуле кислорода атомы свя-
заны между собой двойной связью. Однако методом ЭПР уста-
новлено, что газообразный кислород парамагнитен, и на этом
основании можно утверждать, что определенный вклад в
30(1
структуру молекулярного кислорода вносит бирадикал «О—О».
В таком случае гомолитический разрыв связи С—Mg под влия-
нием кислорода ноздуха можно представить себе следующим
образом
RMgX + О - О- -»{ro - О- +-Mgx|-*RO - OMgX
При избытке реактива Гриньяра образовавшийся пероксид,
легко претерпевая гомолиз связи 0—0 (энергия равна
150 кДж/моль), может вызвать разрыв связи С—Mg в другой
молекуле реактива Гриньяра:
R0 - OMgtf + RMgX~*2R0MgX2R0H
Возможно также, что ври избытке реактива Гриньяра про-
текает тримолекулярная реакция, минуя стадию образования
пероксида:
2RMgX + О - О—*2R0MgX
При получении реактива Гриньяра н диэтиловом эфире мож-
но не опасаться его последующего окисления: пары кипящего
эфира практически исключают контакт кислорода воздуха с
образовавшимся магнийорганическим соединением. Если же
используют более высококипящий простой эфир, то реакцию
алкилгалогенида с магнием следует проводить в токе инертного
газа.
Есть основания предполагать, что по радикальному меха-
низму протекают и открытые М. Карашем реакции магиийор-
ганических соединений в присутствии каталитических коли-
честв хлорида кобальта. Примеры таких реакций приведены
ниже.
Установлено, что в присутствии каталитических количеств
C0CI2 реактивы Гриньяра легко взаимодействуют с галогенпро-
иэ водны ми, в которых атом галогена обладает пониженной реак-
ционной способностью. Например, вниилбромпд в этих условиях
реагирует с фенилмапгийбромидом, давая стирол (50—70%);
в качестве побочного продукта получается бифенил (17%):
С6Н5МдВг + СН2 = СНВг СеН5СН - СН2 + С6Н5 - С6Н5
При реакции фенилмагнинбромцда с этилбромидом среди
прочих продуктов реакции обнаружены этан и этилен, которые
могут образоваться в результате диспропорционирования ради-
кала этила.
При взаимодействии реактивов Гриньяра с бензоплхлори-
дом в присутствии хлорида кобальта имеете ожидаемых про-
301
дуктов нуклеофильного присоединения или замещения образу-
ется дикетон —так называемый бензил:
2СеН5СОС| + 2CH3MgBr-22£!i с6Н5 - со - СО - C6HS +
+ СНз -СНз
При взаимодействии реактивов Гриньяра с кетонами в
присутствии СоС12 вместо продуктов нуклеофильного присоеди-
нения— третичных спиртов — образуются пинаконы:
НО ОН
2(С6Н5)2С = О + 2CH3MgX Cot?^ (С6Н5)2С - С(С6Н5)2 (90%)
-с2н6
Н3СЧ СНз Н3с, СНз Н3С^СН3
2 (Л=О + 2CH3MgBr СоС‘г » (У“К/ (80%)
~сгн6 }—' I I' (
н3с н3с н0 он СНз
Реакция стирилфенилкетона с реактивом Гриньяра в при-
сутствии СоС1г приводит к сдваиванию молекулы кетона с од-
новременным восстановлением кратной связи:
1.2СНзМдВг(СоС1г>
2,нг0
2С6Н5СН = СН - СО - С6Н5---------------*
-сгн6
СеН5СНСН2-СО-С6Н5
----> I (82%)
СеН5СНСН2- СО.-С6Н5
Протекание таких реакций нельзя объяснить, предполагая
гетеролнтический разрыв связи С—-Mg в магнийорганическнх
соединении*- Механизм этих реакций окончательно не доказан.
Принятый в настоящее время механизм, предложенный Карашем для
реакции фенилмагнийбромида с этилбромидом. основывается на предположе-
нии, что в качестве интермедиата образуется моиохлорид кобальта (возможно,
по формальной аналогии с моноиодидом магния -Mgl, образующимся при ак-
тивации магниевых стружек иодом при проведении синтеза Гриньяра):
С<'Н»-М1В' -_Sr[c«H5-c°ci]-,[;c6Hs]+ [cocg
302
Далее образовавшиеся радикальные частицы участвуют в ряде реакций
(СоС12 при этом не регенерируется):
C2H5Br + *СоС1 > ‘CjHg + CoCIBr 2-CgHg->CgH5 - CgHg
•С6Н5 + 'С2Н5^ CgHg - C2H5
СНзСН2СН2СН3<-2 С2Н5->СНз - CH3 + сн2 = сн2
Однако отсутствие прямых доказательств образования монохлорида ко-
бальта, а также существования неорганических соединений кобальта(1) застав-
ляет усомниться в правильности рассмотренного механизма.
Известно, что кобальт относится к переходным металлам с
переменной валентностью; в некоторых соединениях он двухва-
лентен (например, СоС12, CoS), а чаще — трехвалентен. Для
соединений кобальта (III) характерно образование комплексных
катионов и анионов с координационным числом 6. в которые
входят нейтральные молекулы или анионы, имеющие атомы с
неподеленными парами электронов, К таким соединениям отно-
сятся [Со (МНз)6]С1з, Na3[Co (NO2)3], [Со (NH3)4(H2O)2]2X
Х(5О4)з. Ka[Co(CN)6] и другие.
Прежде чем рассматривать роль хлорида кобальта в приве-
денных выше реакциях, целесообразно обсудить вопрос, как
взаимодействуют металлы с карбонильными соединениями и
некоторыми галогенпроизводными.
Известно, что в растворителях, не имеющих подвижных
атомов водорода, при отсутствии контакта с влагой и кислоро-
дом воздуха металлический натрий реагирует с кетонами, обра-
зуя кетилы натрия:
R2C = О + Na —> R2C - О" Na+
Эта реакция относится к окислительно-восстановительным,
и ее можно рассматривать, с одной стороны, как реакцию вос-
становления кетона металлом, а с другой стороны (что в дан-
ном случае более существенно) — как окисление металла кето-
ном. По-видимому, происходит одноэлектроннын перенос от
атома натрия (который при этом окисляется) к наиболее элект-
роотрицательному элементу — атому кислорода. Так как у
последнего не может быть более октета электронов, происходит
гомолитический разрыв связи С=О. один электрон полностью
отходит к атому углерода, а между атомами кислорода и нат-
рия образуется ионная связь; молекула кетона превращается в
аннон-радйкал. Присутствие несларенного электрона можно
обнаружить методом ЭПР: система кетон — натрий обладает
парамагнитными свойствами. О наличии неспареиного электро-
на свидетельствует также способность кетилов натрия мгновен-
W3
но реагировать с кислородом воздуха, молекулу которого, как
было упомянуто выше, можно рассматривать как бирадикал.
Одним из наиболее стабильных является кетил. полученный взаимодей-
ствием натрия с бензофеноном. Аналогично трнфенилметильному радикалу,
стабилизация свободного радикала в данном случае достигается рассредоточе-
нием неспаренного электрона, я котором участвуют л -электроны бензольных
колеи:
Аналогично протекает взаимодействие кетонов с некоторы-
ми двухвалентными металлами, например с магнием, и даже
с трехвалентными металлами. Однако магний может отдавать
не один, а два валентных электрона, и в результате реакции
образуются менее полярные, чем с натрием, связи О—Mg.
Неустойчивый бирадикал (54) сразу образует ковалентную
связь С—С, и при последующем гидролизе получается пинакон;
Действительно, при небольшом избытке магния при взаимо-
действии реактива Гриньяра с кетонами в качестве побочного
Продукта образуются пинаконы.
Следует заметить, что перенос электронов от атома металла
может Происходить не только к атому кислорода карбонильной
группы, но и к атому галогена в галогенпроизводных, электро-
отрицательность которого также высока;
R-X + M->R- + M + Х~
Так. отдавая электрон атому хлора в трифенилметилхлориде,
такие металлы, как ртуть, серебро и цинк, вызывают гомоли-
тический разрыв связи С—С1 с образованием радикала, стаби-
лизированного сопряжением неспаренлого электрона с л-элект-
ронами трех бензольных ядер.
Таким образом, есть основания предполагать, что в реакци-
ях магнийорганических соединений в Присутствии хлорида ко-
зой
бальта(П) происходит аналогичный перенос одного З^-эдектро-
на атома кобальта к атому кислорода карбонильной группы
или атому галогена с временным переходом кобальта из двух-
валентного состояния в трехвалентное, Этому переходу должны
способствовать молекулы эфира в Среде которого проводится
реакция. Молекулы эфира, имеющие на атоме кислорода непо-
деленные пары электронов, подобно воде и аммиаку, способны
участвовать в образовании комплексных катионов кобальта (П1).
Отдача одного электрона и переход кобальта в трехвалентное
состояние должны сопровождаться появлением неспаренного
электрона в органических реагентах к инициировать гомолити-
ческий разрыв связей.
Так, можно предположить, что при взаимодействии фсни,|магнийбромидз
с винилбромндом в присутствии СоС1; собственно реакции магнийорганического
соединения с вииилбромидом предшествует взаимодействие винилбромида
с хлоридом кобальта. В результате образуются винил-радикал и смешанный
галогенид кобальта (III), которые инициируют последующие реакции:
СН2 = СНВг + СоС12-*СН2 = СН + СоС12Вг
'Т*
С6Н5МдВг + СоС^Вг ->-СеН5 + МдВг2 + СоС12
С6Н5 - С6Н5 .с6Н5 СНг~СН>е^И5 - сн = сн2
Следует заметить, что, согласно предлагаемому механизму, хлорид кобаль-
та(11) регенерируется, и применение его в каталитических количествах стано-
вится обоснованным Аналогичным образом можно представить себе взаимо-
действие хлорида кобальта с бензоил хлоридом при участий реактива Гриньяра:
CoCij . С н Г = п
СбнбСОС<—-*с6н5с = Ос^ ?С6Н5 - СО - СО ~ С6Н5
* VV VI3
CH3MgBr + СоС13-*-СН3 + MgBrCl + CoCl2
2-СН3“*СН3 - СН3
Как видно, в данной реакции роль реактива Гриньяра сводится к регенера-
пни хлорида кобальта.
При взаимодействии с кетонами хлорид кобальта может отдавать элект-
рон атому кислорода карбонильной группы, в результате чего образуется алко-
20—1425 3Q?
голят кобальта(Ш). И в дайной реакции магнийорганическое соединение слу-
жит для регенерации хлорида кобальта(П):
2(СбН5)2СО'~—-*(СбН5)2С - С(С6Н5)2 ^Соа^2 СНз^ +
С12С00 0С0С12
+ (СбНб^С - С(С6Н5)г
BrMgO ОМдВг
2 СНз—*СНз - СНз
Остается рассмотреть последний из приведенных выше примеров — обра-
зование насыщенного дикетона нз стирилфеннлкетона. В исходном кетоне
в сопряжении с карбонильной группой находится кратная углерод-углеродная
связь, которая вместе с л-электронами бензольного кольца участвует в рас-
средоточении неспаренного электрона, появившегося на атоме углерода кар-
бонильной группы при взаимодействии с хлоридом кобальта. При последую-
щем взаимодействии двух радикальных частиц сначала образуется енолят "ко-
бальта(Ш), который затем реагирует с CH3MgBr, регенерируя СоС12:
(,О -СоС1,
Y "
QHS—СН^СН— С-С6Н5
Cf.Hf,—СН—СН-^-С CeHg
'yCT-CoCl-.
0-СоС12
сен5~сн—сн=с-с6н5
CeH5-CH-CH=C-CeHs
о-СоС12
2CHjMgBf
-CjHe,
-SCoClj
OMgBr
CeHr—CH—CH=C-CeH.
с6н5—сн—сн=<у—ед
OMgEr
НгО
едб-сн-сн£-с-ед3
с6н5— сн-сн3-с—С0Н5
о
Таким образом, можно предположить, что движущей силой
всех рассмотренных реакций с участием хлорида кобальта яв-
ляется способность кобальта (Ц) временно окисляться до трех-
валентного состояния под влиянием атома кислорода карбо-
нильной группы ила атома галогена некоторых алкилгалогени-
дов.
306
Здесь также уместно рассмотреть своеобразное взаимодейст-
вие реактивов Гриньяра с безводными галогенидами меди(П)
и серебра;
2R - MgX + 2CuCI2—*-R - R + 2МдХС| + 2СиС|
2R - МдХ + 2AgBr —R - R + 2МдХВг + 2Ад
Медь, как и кобальт, — металл с переменной валентностью,
что обусловлено переходом электрона с одного уровня на
Другой, Разница заключается только в том, что переход меди
из двухвалентного состояния в одновалентное связан с образо-
ванием более устойчивого, полностью достроенного до десяти
электронов 3(/-уровня. Тенденция к достройке Зй-уровня обус-
ловливает гомолитический разрыв одной из связей Си—CI, что
инициирует следующие превращения;
RMgX + CuCI2-*R- + MgXCI + -Си Ct
2R —R - R
Соли серебра склонны к распаду с выделением металличес-
кого серебра. По-видимому, в данном случае протекает ради-
кальная реакция (специальные исследования этой реакции не
проводились):
RMgX + AgBr-^R- + MgXBr + Ag
2R--R- R
РЕКОМЕНДАТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Робертс Д., Касерио М. Основы органической химии. В 2 кн. Кн, 1: Пер,
с англ./Под ред. А. Н. Несмеянова. М.: Мир, 1978. 842 с. См. с. 371—
397.
2, Несмеянов А. Н. Несмеянов Н. А. Начала органической химии. В 2 кн, Кн, 1,
М.: Химин, 1974. 623 с. См. с. 352—364,
3. Органикум. Практикум по органической химии, В 2 т, Т. 2: Пер, с нем. М.г
Мир, 1979. 442 с. См. с. 193—202.
4. Терней А. Современная органическая химия. В 2 т. Т. 2: Пер. с англ./Под
ред, Н, Н. Суворова. М.: Мир, 1981. 651 с. См. с. 235—243, 393—400.
5. Беккер Г_ Введение в электронную теорию органической химии: Пер. с нем./
Под ред. В. М. Потапова. М.: Мир, 1977. 658 с. См, с, 371—379.
6. Моррисон Р., Бойд Р. Органическая химия: Пер. с англ./Под ред. И. К. Ко-
робнцрной. М,; Мир, 1974. 1132 с. См. с. 112—114 493—497 598—599, 607 —
608, 649—650, 843—845.
7. Вейкфилд Б, Д,//Усп, химии, 1968, Т. 37, С. 36,
8. Сондерс У. Ионные реакции в алифатическом ряду: Пер. с англ./Под ред.
Ю. С. Шабарова. М.: Мир, 1967. 179 с. См. с. 157—175.
9, Фьюзон Р, Реакции органических соединений: Пер. с англ./Под ред,
И. Ф, Луценко. М.: Мир, 1966, 645 с. См. с. 391—410,
ГЛАВА 5
РЕАКЦИИ ЗАМЕЩЕНИЯ В АРОМАТИЧЕСКОМ ЯДРЕ
К ароматическим системам принято относить имеющие плоское
строение молекулы карбо- и гетероциклических соединений, а
также ионы, в которых имеется определенное число кратных
углерод-углеродных связей, находящихся в сопряжении друг
с другом или с р-электронами входящего в цикл гетероатома
(кислород, азот или сера).
Число находящихся в сопряжении л- и р-электронов, созда-
ющих ароматическую систему, определяется выведенной на ос-
новании квантово-механических расчетов формулой Хюккеля
(4п + 2, где п — простое целое число: 0, (, 2, 3 и т. д.). Это
является непременным условием принадлежности органического
вещества к ароматическим соединениям.
Сопряжение предусматривает боковое перекрывание р-Орби-
талей находящихся в состоянии ^-гибридизации атомов угле-
рода смежных виниленовых групп, что приводит к делокализа-
ции л-электронов. Важным следствием этого является сущест-
венное понижение энергии системы.
К наиболее распространенным ароматическим соединениям
относятся вещества, у которых п=1 и, следовательно, в сопря-
жении находятся шесть л- или л- и р-электронов, в первую
очередь бензол (1), фуран (2), пиррол (3), тиофен (4), а
также пиридин (5).
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)
Циклопентадиен (6) и циклогептатриен (7) не относятся
к ароматическим соединениям, так как у циклопентадиена
в сопряжении находятся только четыре, а не шесть л-электро-
нов, а в цикло:ептатриене группа СН2 препятствует образова-
нию замкнутой сопряженной системы из трех кратных связей.
Однако, если в циклопентадиене снять каким-либо сильным
основанием протон с метиленовой группы, то образовавшийся
при этом циклопентадиенид-анион можно отнести к аромати-
ческим системам, так как число электронов, находящихся в
сопряжении, становится равным шести:
+ RMgX ---> О + RH
Н-СН :СН +МдХ
В образовавшемся циклопентадиенид-анионе все группы СН
эквивалентны, что следует из приводимых резонансных струк-
тур:
Ароматическая система циклопентадиенид-аииона сущест-
вует и в диазоциклопентадиене (8):
Из циклогептатрнена ароматическая система также может
образоваться после удаления из него гидрид-иона действием
трифенилметил-катиона или бензил-катиона. В образовавшемся
катионе положительный заряд равномерно рассредоточен по
всем семи атомам углерода [см. также формулу (9)J:
Бромциклогептатриен (10) существует не как ковалентное
соединение, а как ионная пара, так как при вытеснении из него
бромид-иона образуется ароматическая структура тропилий-
катиона, что связано с выигрышем энергии. Интересно, что
циклогептатриенон (тропой) (11) имеет более высокий, чем. у
обычных кетонов, дипольный момент (4,3 Д). Это означает,
30U
что значительный вклад в структуру реально существующего
соединения вносит форма (12).
(10)
Не всё циклополиены с чередующимися кратными и орди-
нарными связями относятся к ароматическим соединениям.
Например, циклооктатетраеп (13) ие является ароматическим
соединением, так как. во-первых, количество л-электронов в нем
не соответствует требующемуся по формуле Хюккеля, а, во-
вторых, его молекула не имеет плоского строения. Вследствие
этого оказывается нарушенной копланарность кратных связей,
что исключает их сопряжение — боковое перекрывание орбита-
лей смежных виниленовых групп.
Кроме бензола, у которого в сопряжении находятся л-элект-
роны кратных связей С—С, к ароматическим системам с
относятся некоторые гетероциклические соединения, например
фуран, пиррол и тиофен, в которых кратные углерод-углерод-
ные связи находятся в сопряжении с неподелепными парами
д-электронов таких гетероатомов, как кислород (фуран), азот
(пиррол) и сера (тиофен). В этих соединениях гетероатом свя-
зан с двумя атомами углерода, находящимися в состоянии $р2-
гибридизации, вследствие чего возникает мезомерное взаимо-
действие его р электропов с сопряженными связями С = С.
В результате эти пары р-электронов гетвроатомов оказываются
включенными в характерный для моноциклических ароматичес-
ких систем секстет электронов.
Способность р-электронов гетероатома вступать в мезомер-
ное взаимодействие с л-электрона ми в рассматриваемых пяти-
Членных гетероциклах зависит от электроотрицательности гете-
роатома. Наиболее полно это взаимодействие реализуется в
тиофене (электроотрицательность серы, как и углерода, равна
2,5), а в меньшей степени — у фурана (электроотрицательность
кислорода равна 3,5). Вследствие этого энергии сопряжения в
тиофене (117 кДж/моль) и в бензоле (150 кДж/моль) близки,
и из всех ароматических пятичленных гетероциклов по свойст-
вам тиофен наиболее близок к бензолу. Напротив, у фурана
энергия сопряжения равна 92 кДж/моль. и поэтому в иекото-
310
рых реакциях он ведет себя скорее как диен, чем как аромати-
ческое соединение.
В отличие от бензола фуран, пиррол и тиофен имеют ди-
польные моменты 0,70, 1,80 и 0,55 Д соответственно. Положи-
тельный конец диполя — гетероатом, а отрицательный — оття-
нувшая на себя р-электроны гетероатома углеводородная часть
молекулы. Последнее можно утверждать на основании того,
что эти гетероциклы легче, чем бензол, реагируют с электро-
фильными реагентами. Дипольный момент пиррола несколько
завышен, по-видимому, потому, что его положительный конец
находится не на атоме азота, а на атоме водорода группы NH,
имеющем наименьшую электроотрицательность. Это можно под-
твердить тем, что при действии щелочей или реактива Гринья-
ра этот атом водорода замещается на атом металла или остаток
Mg-X.
Благодаря тому, что р-электроны гетероатома участвуют в
образовании ароматической системы, сами гетероатомы утрачи-
вают некоторые характерные для них свойства. Например,
фуран (14: Х = О) в отличие от тетр а гидрофур а на (15; Х = О)
не образует комплексные соли с SnCI4. Пиррол (14; X = NH)
в отличие от пирролидина (15; X = NH) не образует с алкнлга-
логеиидами соли четвертичных аммониевых оснований, а крайне
нестойкие соли образует только с сильными кислотами Льюи-
са. Наконец, тиофен (14; X = S) в отличие от тетрагидротио-
фена (15; X = S) не присоединяет кислород за счет неподелен-
ных пар электронов атома серы, т, е. не образует сульфон ти-
па (16).
О о о
X х SO2
(14) (15) (16)
К ароматическим соединениям с п = 1 относится азотсодер-
жащий аналог бензола— пиридин (5). В отличие от пиррола
у пиридина неподеленная пара электронов атома азота не уча-
ствует в образовании ароматической системы, и поэтому он
обладает основными свойствами. Пиридин имеет значительный
дипольный момент (2,1) Д). В отличие от пиррола отрицатель-
ным концом диполя является атом азота, так как азот более
электроотрицательный элемент, чем кислород. Это одна из
причин, по которой пиридин значительно труднее, чем бензол,
вступает в реакции с электрофильными реагентами.
Когда п в формуле Хюккеля равно двум, то в соответствую-
щих соединениях должно находиться в сопряжении 10 элект-
311
роной. К таким соединениям относятся нафталин (17), азулен
(18), индол (19) и хинолин (20),
(17) (18) (19) (20)
Углеводороды ароматического ряда в подавляющем боль-
шинстве случаев обладают высокой симметрией, и нх диполь-
ные моменты обычно равны нулю; исключение составляет азу-
лен (ц=),0 Д). Причина появления дипольного момента у
этого соединения заключается в том, что определенный вклад
вносит энергетически более выгодная резонансная структура
(21), в которой каждый из циклов представляет собой арома-
тическую систему.
К ароматическим соединениям, для которых д = 3, относят-
ся ферроцен (22), антрацен (23), фенантрен (24), карбазол
(25) и акридин (26),
(23) (24) (25) (26)
Если принять, что п в формуле Хюккеля равно нулю, то к
ароматическим соединениям следует отнести углеводороды ряда
циклопропена с единственной л-связью. Долгое время считали,
что соединения такого типа из-за большого углового напряже-
ния должны быть неустойчивыми ц синтезировать их невозмож-
на
но. Однако в настоящее вреден разработан ряд методов синтеза
циклопропенов, например:
CgHj С—С С5Н5 СдНч___С—С—-г н
+ С6М5* ь—-р—СаН5 Ef3
ад—cn2“Cn "Na ад—с—CN '
—> Сен6—Ст^С-ад 'BFsfCN)
ад—с
С6н5 - СеС - С6н5-> С6Н5-С = С-С6Н5^
4-
:СВг2 СВг2
* СБН5 - С^С CftHs
со
(27)
Высокий дипольный момент кетона (27), равный 5,08 Д,
дает основание предположить, что, как и для тропона, сущест-
венный вклад в данном случае вносит резонансная структура
(28):
•р-ад ;
(28)
Ароматические соединения и алкены с изолированными крат-
ными связями взаимодействуют с электрофильными реагентами,
причем как ароматические соединения, так и алкены, имеющие
легко поляризуемые пары полектронов, служат донорами
электронов при образовании связи С—X.
Однако между ароматическими соединениями и алкенами
существуют принципиальные различия. Вошервых, аромати*
ческие соединения проявляют склонность к замещению атомов
водорода на электрофильную группу, а алкены — к присоедине*
нию реагентов по кратной связи. Во-вторых, алкены реагируют
с большим числом окислителей (KMnO4, OsO4, НгО2, органичес-
кие пероксикислоты и др-), которые в ароматических соедине*
ниях могут окислять только боковые цепи, оставляя неизмен-
ным изоциклическое кольцо. (ПятичЛенные ароматические ге-
тероциклы значительно менее устойчивы к действию окислителя
по сравнению с бензолом, а шестичленные—наоборот,)
313
..-Единственным окислителем, оказывающим одинаковое дей-
ствие; как на алкены, так и на бензольное кольцо, является
озон, хотя и в данном случае бензольное кольцо все же расщеп-
ляется в несколько более жестких условиях.
5.1. ЭЛЕКТРОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ
5.1,1, Механизм реакции
При рассмотрении реакций нуклеофильного замещения в али-
фатическом ряду (см. гл. 2) было установлено, что в зависимо-
мости от строения реагирующего вещества и условий проведе-
ния такие реакции могут протекать по одному из двух или
одновременно по двум механизмам (Sn2 и SnI). Согласно
механизму Sn2, реакция протекает как одностадийный непре-
рывный процесс через образование переходного состояния, в
котором отрыв уходящей группы и образование новой связи с
заместителем происходят синхронно. Согласно механизму 1,
реакция протекает в две стадии через промежуточное образо-
вание карбокатиона (лимитирующее весь процесс замещения)
и последующее быстрое взаимодействие его с нуклеофильным
реагентом.
Аналогично, для реакций электрофильного замещения в аро-
матическом ряду также можно ожидать наличия двух альтер-
нативных механизмов.
Первый механизм предполагает одностадийный процесс, сог-
ласно которому присоединение электрофильного реагента и
отщепление протона происходят одновременно;
Аг-Н + Х+Д- ____>Гх - Аг---Н---А~| ___> Аг-Х + НА
Реакция протекает без нарушения ароматической структуры
и с сохранением 5р2-гибридизации атакуемого атома углерода.
В данном случае разрыв связи Аг—Н входит в стадию, опреде-
ляющую скорость всей реакции.
Второй механизм представляет собой двухстадийный про-
цесс, согласно которому первая стадия, лимитирующая скорость
всего процесса, заключается в присоединении электрофильного
реагента с образованием карбокатиона. При этом нарушается
ароматическая структура и атакуемый атом углерода временно
переходит в состояние $р3-гибридизации. На второй стадии
происходит отщепление протона, которое сопровождается вос-
становлением ароматической структуры и вследствие выигрыша
энергии осуществляется легко ц быстро;
Х+ + Аг - Н->Х - Аг Ar - Х + НА
314
Долгое время считали, что реакции электрофильного заме-
щения в ароматическом ядре представляют собой одностадий-
ный процесс, протекающий по первому механизму, так как при
этом не затрагивается ароматическая система, нарушение кото-
рой потребовало бы дополнительной затраты энергии, соизме-
римой с энергией сопряжения (150 кДж/моль).
Однако кинетический метод с использованием ароматических
соединений, меченных дейтерием и тритием, позволил одно-
значно установить, что большинство реакций электрофильного
замещения в ароматическом ядре протекает по двухстадийному
механизму. Если бы реакции протекали по первому механизму
в одну стадию или если бы вторая стадия второго механизма
лимитировала весь процесс, то при замене в реагирующем
ароматическом соединении водорода на дейтерий или третий
наблюдался бы изотопный эффект, т. е. произошло бы значи-
тельное уменьшение скорости реакции, (Известно, что вследст-
вие различия масс водорода, дейтерия и трития разрыв связи
С—Н происходит в 5—8 раз быстрее, чем связи С—D, и в
20—30 раз быстрее, чем связи С^Т).
Оказалось, что в таких реакциях электрофильного замеще-
ния, как нитрование бензола, толуола, нитробензола, нитрото-
луола, нафталина и других ароматических соединений, а также
бромирование бром бензола, изотопный эффект практически
отсутствует. Это позволяет однозначно считать, что названные
реакции протекают но двухстадийному механизму и, следова-
тельно, присоединение электрофильной частицы и отщепление
протона происходят неодновременно. При этом лимитирующей
стадией всего процесса является образование карбокатиона,
когда еще не затрагивается связь Аг—Н-
Однако некоторые реакции электрофильного замещения, на-
пример реакция сульфирования, протекают с изотопным эффек-
том, хотя чаще он бывает незначителен. При этом нельзя со-
ставить себе определенное представление о механизме реакции,
так как изотопный эффект может наблюдаться как в том
случае, когда реакция идет согласно первому, одностадийному,
механизму, так и в случае, когда скорость образования карбока-
тиона по второму механизму высока и соизмерима со скоростью
отщепления протона. Последнее может наблюдаться при реак-
циях ароматических соединений с повышенной основностью
или при проведении реакции с очень агрессивными электрофиль-
ными реагентами. В этом случае суммарная скорость процесса
будет зависеть как От первой, так и от второй стадий, и, следо-
вательно, при этом будет наблюдаться изотопный эффект.
В настоящее время считают, что большинство реакций
электрофильного замещения в ароматическом ряду протекает
как двухстадийный процесс, заключающийся в присоединении
электрофильной частицы за счет легко поляризуемых л-элект-
915
ровов бензольного кольца (образование л- и о-комплексов)
[(29) и (30) соответственно] и завершающийся отщеплением
протона от образовавшегося карбокатиона (о-комплекс) (30):
(20)
(30)
a-(j)
-----►
-НА
Образование л- и о-комплексов напоминает механизм реак-
ций присоединения по кратной связи алкенов (см. гл. 1). Раз-
личие наблюдается только на заключительной стадии реакции:
реакция с алкенами завершается присоединением противоиона,
а с ароматическими соединениями — отщеплением протона и
восстановлением ароматической структуры.
Первая стадия реакции — присоединение иона Х+ с образо-
ванием e-комплекса — идет с высокой энергией активации
(рис. 5.1) и лимитирует скорость всего процесса. Вторая ста-
дия реакции — отщепление протона от о-комплекса — протекает
с незначительной затратой энергии, причем для отщепления
D+ от о-комплекса, полученного из дейтерированного аромати-
ческого субстрата, требуется несколько большая энергия акти-
вации, чем для отщепления от о-комплекса, образованного
из недейтерированного ароматического соединения.
Образование л-комплексов. л-Комплексы — это координа-
ционные соединения, в которых донором электронов является
соединение (алкен или арен), имеющее легко поляризуемые
л-электроны, а акцептором электронов—галогены, галогеново-
дороды. сильные минеральные кислоты, кислоты Льюцса (на-
пример, галогениды алюминия), ионы меди(1), серебра, пал-
ладия^!), ллатины(П), комплексные соли гексахлороплатино-
вой(1У) кислоты и даже такие обедненные электронной плот-
ностью соединения, как тетранитрометап, тетрацианоэтилен,
тринитробензол и пикриновая кислота.
л-Комплексы — не классические химические соединения, в
которых электрофильная частица связана ковалентной связью
Рис, 5.1. Изменение потенциальной
энергии при реакциях электрофиль-
ного замещения в ароматическом
ряду:
/ — исходная система АгИ+Х+; 2 —
4-
о-комплекс АгНХ; 3 — система АгХ + Н+
Ei — энергия активации реакции образова-
ния о-комплекся; — энергия активации
реакции отщеплении Н+ or fy-комплекеа;
Ej — анергия отщепления D+ or tf-комплек-
са. полученного из полностью дейт^ри-
роязиного ароматического соединения
3(6
с каким-либо конкретным атомом реагирующего вещества. Боль-
шинство л-комплексов разлагается при нагревании или при
действии воды; при образовании л-комплекса с D2SO4 не наб-
людается даже изотопного обмена- Растворы их не проводят
электрический ток.
Однако л-комплексы, образующйеси из бесцветных компо-
нентов, часто окрашены и имеют собственные полосы поглоще-
ния в видимой или УФ-частях спектра. л-Комплексы, образо-
ванные из молекул с небольшим дипольным моментом, часто
бывают полярны,
Способность к образованию л-комплексов у алкенов и аро-
матических соединений возрастает с увеличением основности
(R=Alk):
CtCH - снсксн2 ~ снсоон<сн2 - CHCt<CH2 ~ сн2<
<сн2 ~ chr<ch2 - cr2~c6h6~rch - chr<c6h5ch3<
<1,4-(CH3)2C6H4<n-CH3OC6H4CH3<R2C = CHR<
<1,3-(CH3)2C6H4<1,3,5-(CH3)3CGH3<R2C = cr2
Из приведенного ряда следует, что чем в большей степени
л-электронная плотность локализована между находящимися
в состоянии $р2-гибридцзаиии атомами углерода, тем больше
склонность соединения к образованию л-комплексов,
л-Комплексы алкенов с солями металлов, например с нитра-
том серебра [формула (31)], построены так, что ион металла
находится па одинаковом и несколько увеличенном по сравне-
нию с длиной ковалентной связи расстоянии от обоих связанных
двойной связью атомов углерода алкена, Аналогичное строе-
ние имеют л-комплексы алкенов с бромоводородом [(32)],
-1+ р -1+
NOJ или No3 /С7=С\ Вг~
„ Ag J Ag L н J
(31) (32)
л-Комплексы, образуемые за счет л-элекТронов бензольного
кольца, по-видимому, имеют неплоское строение, так как в аро-
матических соединениях электронная плотность л-связей нахо-
дится вне плоскости бензольного кольца. Аксиальный комплекс
бензола с бромидом алюминия схематически можно изобразить
формулой (33), В этом комплексе атом алюминия, имеющий
дефицит электронной плотности и тенденцию к достройке внеш-
ней электронной оболочки до октсг|га, взаимодействует со всем
л-электронным облаком бензола, Атом алюминия находится на
равном расстоянии от всех шести атомов углерода, которые
317
сохраняют состояние .sy?2-гибридизации. Дипольный момент
бензола равен нулю, а бромида алюминия — всего 0,1Д, однако
окрашенный в желтый цвет л-комплекс, образованный этими
соединениями, имеет дипольный момент, равный 5,0 Д. Это
может служить доказательством смещения л-электронного обла-
ка бензола в направлении атома алюминия и сосредоточения
избыточной электронной плотности на наиболее электроотрица-
тельных атомах брома.
Вг 8-
В-
ХВг В-
(ЗЗ)
(34)
5-
H—CI
(35)
Подробно изучены устойчивые л-комплексы (34) беизрла
и его гомологов с тетрацианоэтиленом. Несмотря на наличие
двойной угле род-углеродной связи, тетрацианоэтилен —элект-
роноакцепторный агент, в котором л-электронная плотность
почтя полностью рассредоточена на атомах азота нитрильных
групп. Аналогичным электроноакцепторным агентом является и
тетрафторэтиден, который также вследствие дефицита элект-
ронной плотности на атомах углерода может образовывать
л-комплексы с алкенами и ароматическими соединениями.
Ароматические соединения способны также образовывать
устойчивые полярные л-комплексы (35) с галогеиоводородами.
Учитывая все эти факты, можно предположить, что первой
стадией взаимодействия ароматических соединений с электро-
фильными реагентами Хь при реакциях электрофильного заме-
щения является образование л-комллекса (29), который мед-
ленно, лимитируя скорость всей реакции, перегруппировывает-
ся в карбокатион (о-комплекс) (30).
Образование о-комплексов. В отличие от л-комплексов
о-комплексы — это катионы, при образовании которых реа-
гент Х+ образует ковалентную связь с одним из атомов углеро-
да бензольного кольца за счет его двух л-электронов. При этом
один из атомов углерода переходит из состояния sp2- в состоя-
ние зр3-гибридизации, в котором все четыре валентности его
находятся под углами, близкими к тетраэдрическому; тем са-
мым нарушается симметрия бензольного кольца. Группа X и
атом водорода при этом оказываются в плоскости, перпенди-
кулярной плоскости кольца:
с*
318
Оставшиеся четыре л-электрона бензольного кольца распре-
деляются между пятью атомами углерода, образуя структуру,
энергия сопряжения в которой только на 40 кДж/моль меньше,
чем у бензола, и равна НО кДж/моль. Таким образом, при об-
разовании о-комплексов требуется затрата энергии, которая
частично компенсируется за счет энергии, выделяющейся при
образовании связи С—X.
В настоящее время получены и выделены соединения, име-
ющие структуры, приписываемые о-комплексам; их строение
доказано спектральными методами. Спектры ПМР таких
комплексов имеют дополнительный сигнал, характерный для
протона, связанного с атакуемым атомом углерода.
Катионы, имеющие стр)тктуру о-комплекса, образуются при
смешивании зквимольных количеств ароматического соедине-
ния, хлорида алюминия и хлороводорода или ароматического
соединения, трифторида бора и фтороводорода. Получающиеся
вещества окрашены, их растворы хорошо проводят электричес-
кий ток, при электролизе выделяют на катоде органические
молекулы, плохо растворяются в Органических растворителях,
обладают достаточной устойчивостью и разлагаются только
при нагревании,
При использовании вместо хлороводорода хлородейтерия
атом водорода бензольного кольца обменивается на дейтерий.
Следует еще раз напомнить, что при действии на ароматическое
соединение только галогеноводородом или только кислотой
Льюиса получаются лишь лабильные л-комплексы.
По-видимому, при совместном действии галогеноводорода и
кислоты Льюиса (А1С13 или BF3) в реакционной смеси обра-
зуется очень сильная кислота Бренстеда (HA1CU или HBF4),
протон которой способен, нарушив ароматическую структуру,
образовать о-комплекс (36):
Х=Д1С14 или ВГ4
Устойчивость о-комплексов возрастает с увеличением основ-
ности ароматического компонента:
С6Н6<С6Н5СН3<1,4-(СНз)2С6Н4<1,3-(СНз)2С6Н4<
<1 Д5-(СН3)зСбНз
Продукт взаимодействия смеси HF и BF3 с толуолом устой-
чив только при —25 °C, однако при взаимодействии этих же
реагентов с мезитиленом (1,3,5-триметилбецзол) образуется
a-комплекс, устойчивый при комнатной температуре. По-види-
мому, стабилизация окрашенного в оранжевый цвет о-комплекса
319
(карбокатион) повышается вследствие дополнительного рассре-
доточения положительного заряда на атомах водорода метиль-
ных групп.
Соединение (37), имеющее структуру ^-комплекса, образует
в этих же условиях и антрацен, причем нарушение ароматичес-
кой структуры происходит только в среднем кольце, так как
электрофильный реагент атакует атом С-9, а боковые кольца
сохраняют ароматическую структуру.
Образование ковалентной связи между протоном и одним из
атомов углерода, входящего в ароматическую систему, при
возникновении ^-комплекса подтверждено спектром ПМР, по-
лученным при смешивании 9.)0-диметилантрацена с эквпмоль-
нымн количествами трнфторуксуснон кислоты и трифторида
бора. Между сигналами ароматических протонов и протонов
алкильных групп был обнаружен отсутствующий в нецротони-
рованном углеводороде пик в виде хорошо разрешенного квад-
руплета, в то время как пик протонов метильной группы рас-
щепился на дублет- Этот факт свидетельствует о присоединении
к атому С-9 протона, который вступает в спин-спиновое взаи-
модействие с протонами метильной группы, связанной с этим
же атомом углерода.
Электрофильной частицей, входящей в о-комплекс, может
быть не только протон. При действии па толуол этилфторида
в присутствии трифторида бора образуется желтая кристалли-
ческая соль (38) (при нагревании опа'разлагается с образова-
нием 1-метил-4-этилбензола), Наконец, при взаимодействии
гексаметил бензол а с хлоридом алюминия и мети л хлоридом по-
лучен устойчивый солеобразный продукт (39):
Н
BF4
(38)
| 4- + BF3
+ СН;!С1 + А1С1з—->
СНз
(39)
А1С1Г
320
Таким образом, чем активнее электрофильный агент и чем
в большей степени в ароматическом кольце субстрата сосредо-
точена л~электронная плотность, тем легче образуется и тем
более устойчив о-комплекс.
Ниже показано, что при проведении конкретных реакций
электрофильного замещения в качестве интермедиатов образу-
ются различные катионоидные частицы. Поэтому можнс ут-
верждать, что реакции электрофильного замещения в аромати-
ческом ядре проходят через стадию образования о-комплексов.
Отщепление протона от о-комплекса. Как следует из приве-
денной в начале разд. 5.2.1 схемы, реакции электрофильного
замещения атома водорода у ароматических соединений (в от-
личие от реакций алкенов) завершаются отщеплением от о-
комплексов протона и восстановлением ароматической структу-
ры. Отщепление протона обычно происходит под действием
обладающего основными свойствами аниона. Так как энергия
сопряжения бензольного кольца (150 кДж/моль) значительно
выше энергии сопряжения диеновой системы (15 кДж/моль),
отщепление протона от о-комплекса (энергия сопряжения
108 кДж/моль) и восстановление ароматической структуры
сопровождаются выигрышем энергии, равным 42 кДж/моль, в
то время как присоединение А- с образованием диеновой систе-
мы идет с затратой энергии, равной 93 кДж/моль.
Отсюда следует, что присоединение аниона к о-комплексу
(по аналогии с реакциями электрофильного присоединения в ря-
ду алкенов) энергетически невыгодно. Только исключительно
богатые энергией частицы (свободные атомы хлора и брома,
озон, карбены) способны давать с ароматическими соединения-
ми нейтральные продукты присоединения.
5,1,2. Ароматические субстраты
Бензол. Простейшим представителем ароматических субстратов
является бензол, в молекуле которого в сопряжении находятся
шесть л-электронов (в формуле Хюккеля л=1).
Все атомы углерода в бензоле находятся в состоянии sp2-
гибридизации, и поэтому молекула бензола представляет
собой правильный плоский шестиугольник. Оси негибридизован-
ных р-орбиталей каждого атома углерода, имеющих форму
симметричной гантели, направлены перпендикулярно плоскости
кольца, а боковое перекрывание орбитали каждого атома угле-
рода с орбиталями обоих соседних атомов в отличие от сопря-
женных диенов осуществляется в одинаковой степени вне плос-
кости молекулы (выше и ниже ее).
О том, что л-электроны бензола составляют единую систе-
му и их орбитали не перекрываются попарно, свидетельствует
тот факт, что длины всех связей С—С в бензоле одинаковы и
21—1425 321
равны 0,140 нм (длины связей С—С и С = С равны соответствен-
но 0,154 и 0,134 нм).
О полной выравненности всех связей С-—С в бензоле свиде-
тельствует также отсутствие изомеров у гомолога бензола —
о-ксилола. Если бы такая изомерия существовала, то при озо-
нировании каждого изомера получались бы различные смеси
продуктов реакции;
снз 1.30з
сн3 2.CH3COOH+Zn
2СН3-СО-СНО +ОНС-СНО
метилглиоксаль
глиоксаль
Снз |,зоэ
СН-, 2,CH3COOH+Zn
2 онс - сно + сн3 - со - со - сн3
глиоксаль биацетил
На самом же деле при озонировании реально существующе-
го ксилола образуются все три продукта (глиоксаль : метилгли-
оксаль : биаиетил = 3 : 2 : 1),
Из всего сказанного выше следует, что наиболее часто ис-
пользуемая формула Кекуле с чередующимися ординарными и
кратными связями условна и не полностью отражает истинное
строение молекулы бензола.
Полная выравненность всех связей С—С в бензоле сопро-
вождается значительным выигрышем энергии, повышением
химической устойчивости соединения и прочности кратных свя-
зей. Выигрыш энергии количественно можно определить тер-
мохимическим методом, сравнивая теплоты гидрирования
бензола и циклогексена:
Ni(Pt)
--------*
+ 210кДж/моль
+ 120 кДж/моль
Если бы в бензоле имелись три несопряженные кратные
связи, то при гидрировании должно было бы выделиться
120-3 = 360 кДж/моль энергии. Таким образом, бензол оказался
на 360—210=150 кДж/моль беднее энергией, чем соединение с
тремя двойными связями. Эту энергию принято называть
энергией сопряжения, или энергией резонанса,
322
Энергетический выигрыш при образовании ароматической
системы обусловливает повышенную устойчивость бензола по
сравнению с алкенами и сопряженными нециклическими полие-
нами к реакции присоединения по кратным связям, поскольку
при этом должна нарушиться ароматическая система.
В отличие от алкенов бензол на холоду не присоединяет к
кратным связям галогены. Эту реакцию можно провести только
в жестких условиях, при облучении; при этом образуется гекса-
хлоран:
+ 3Ct2
В отличие от алкенов, которые при комнатной температуре
обесцвечивают водный раствор перманганата, бензол ни при
каких условиях не реагирует с перманганатом, а окислить
бензольное кольцо удается либо при высоких температурах в
присутствии катализатора, либо применяя сильные окислители:
НС-СО
II >0
НС- СО
малеиновый
ангидрид
1,ЗО3
-------------> зоне - СНО
2,CH3COOH+Zn
В отличие от сопряженных диенов бензол не присоединяет
водород «в момент выделения». Присоединить 1 моль водорода
К бензолу удается только при действии натрия в жидком амми-
аке (реакция Берча), а присоединить одновременно 3 моль
водорода к бензолу можно только в присутствии катализатора:
Na+NH3
с2н5он
Дипольный момент бензола равен нулю, что свидетёлпсувует
о полной симметрии молекулы. Поэтому электрофильные реа-
2J* Ш
тенты при образовании л-комплекса взаимодействуют со
всей л-электронной системой, а ковалентная связь С—X при
образовании о-комплекса может образоваться равновероятно
с любым из шести атомов углерода.
Моноз вмещенные бензолы. При замещении одного атома во-
дорода в бензоле на какую-либо группу Y симметрия л-элект-
ронного облака нарушается, и электрофильная частица Х+
атакует в таких молекулах Предпочтительно места с наибольшей
электронной плотностью.
Нарушение л-электронной плотности наблюдается уже тогда,
когда молекула рассматриваемого соединения находится в
стационарном состоянии. Однако решающее влияние ца направ-
ление атаки электрофильной частицы оказывают динамические
эффекты, связанные с энергетической выгодностью образования
о-комплекса. Более энергетически выгодным будет такой о-ком-
плекс, в котором имеется максимальное число возможных мест
рассредоточения положительного заряда, привнесенного элект-
рофильной частицей Х+.
Как показано ниже, для большинства заместителей статичес-
кие и динамические эффекты действуют согласованно, что более
однозначно определяет наиболее вероятное место вхождения
электрофильной частицы. Если эти эффекты действуют несогла-
сованно, замещение происходит с про меж уточи ым образовани-
ем более выгодного о-комплекса, так как решающую роль в
этом случае играют динамические эффекты.
Статические эффекты. Индуктивный эффект. В зави-
симости от знака индуктивного эффекта группы Y перераспре-
деление электронной плотности бензольного кольца происходит
по-разному: •
^/-Эффект
-/-эффект
Группы с положительным индуктивным эффектом повышают
электронную плотность в любом положении бензольного кольца,
но преимущественно в орто- и пара-положениях- относительно
группы Y. Напротив, группы с отрицательным индуктивным эф-
фектом вызывают общее обеднение п-электронной плотности
бензольного кольца, причем в наибольшей степени это влияние
сказывается также в орто- и лара-положениях.
Меэомерный эффект. Заместитель Y непосредственно
связан с обладающим электроноакцепторными свойствами бен-
зольным кольцом, поэтому при оценке влияния заместителя на
324
реакционную способность ядра необходимо учитывать также
мезомерный эффект.
Положительный мезомерный эффект ( + 41 -эффект) — это
следствие взаимодействия л-электронов бензольного кольца с
неподеленнымн парами р-электронов атома заместителя, непос-
редственно связанного с бензольным кольцом. Отрицательный
мезомерный эффект (—41-эффект)—это следствие взаимодей-
ствия л-электронов бензольного кольца с л-электронами поля-
ризованной кратной связи заместителя, сопряженного с ним,
(Вопрос о сравнительной силе + 44- и —44-эффектов различных
заместителей был подробно рассмотрен в гл. 2 и 3.)
Аналогично индуктивному эффекту, мезомерный эффект в
зависимости от знака вызывает смещение л-электронной плот-
ности бензольного кольца, в результате чего происходит ее
перераспределение:
•г М-эффект
-М- эффект
Группы с положительным мезомерным эффектом повышают
электронную плотность бензольного кольца, причем преимуще-
ственно в орто- и пара-положениях, а группы с отрицательным
мезомерным эффектом уменьшают ее также преимущественно
в орто- и пара-пол ожени ях.
Некоторые заместители не обладают мезомерным эффектом.
Это относится к группам, в которых атом, непосредственно свя-
занный с бензольным кольцом, не имеет неподеленных пар
р-электронов и не находится в состоянии $р3-гибридизации.
Например, у групп СН3, СС13, +N(CH3)3 мезомерный эффект
Отсутствует.
Мезомерный эффект наблюдается только в тех случаях, если
неподеленные пары р-электронов, обусловливающие наличие
+ 41*эффекта, или л-элекТронная пара, обусловливающая —44-
эффект, находятся в сопряжении с л-электронами бензольного
кольца и не отделены от них метиленовой группой. Например,
заместители типа CH3CN, СНОСНО, CHjNOj обладают толь-
ко отрицательным индуктивным эффектом, а мезомерный эф-
фект их равен нулю; Группы СН2ОН, CH^NHj, несмотря на
наличие неподеленных пар р-электронов у атомов кислорода и
азОта, имеют только незначительный —/ эффект, а мезомерное
взаимодействие их с л-электронамн бензольного кольца отсут-
ствует.
325
На мезомерный эффект существенное влияние оказывает
копланзрность л-связей бензольного кольца и заместителя,
т. е. совпадение направления соответствующих орбиталей. Их
перекрывание затрудняется и, следовательно, —M-эффект за-
местителя снижается, если под влиянием находящихся в орто-
положениях заместителей группа Y вынуждена повернуться на
некоторый угол относительно плоскости бензольного кольца.
Более подробно этот вопрос рассмотрен ниже.
Таким образом, 1- и М-эффекты заместителей Y могут быть
вызваны следующими причинами.
+ /-Эффект: различная электроотрицательность атома угле-
рода и атома, непосредственно связанного с бензольным коль-
цом (Y=MgX, Li); различная электроотрицательность атомов
углерода и водорода в алкильных группах [Y —СН3, С(СН3)з].
-/-Эффект: различная электроотрицательность атома уг-
лерода и атома, непосредственно связанного с бензольным (
кольцом (Y —ОН, NH2, Cl); наличие 6+ на атоме, непосредст- ’
венно связанном с бензольным кольцом (Y = CHO. CN, СООН,
СС13); наличие полного положительного заряда на атоме, непос- >
редственно связанном с бензольным кольцом [Y=NO2, N(CH3h.
S(CH3)2],
-Ь/И-Эффект: наличие неподеленных пар электронов у ’
атомов, непосредственно связанных с бензольным кольцом
(У —NH2, ОН, О-); наличие в сопряжении с бензольным коль-
цом кратной углерод-углеродной связи (Y —СН = СН2, СбН5).
—м-Эффект: наличие у атома, непосредственно связанно-
го с бензольным кольцом, кратных связей с более электроотри-
цательным элементом (Y —СНО, CN, NO=).
Динамические эффекты. Существенное, а в некоторых слу-
чаях решающее влияние на направление электрофильного за-
мещения оказывает энергетическая выгодность образования в
момент реакции того или иного о-комплекса, т. е. динамические
факторы.
При взаимодействии монозамещецного бензола с электро-
фильной частицей последняя, хотя и с различной степенью
вероятности, может атаковать любой находящийся в орто-,
мета- или ларо-положении по отношению к заместителю атом
углерода бензольного кольца. (Атака электрофильной части-
цей атома углерода, непосредственно связанного с заместителем
У, в большинстве случаев це бывает успешной, так как на
заключительной стадии реакции должно было бы произойти не
депротонирование о-комплексз, а вытеснение более богатой
энергией частицы Y4.)
При атаке монозамещенного бензола частицей Х‘н в орто-
мета- пли лара-положение образуются о-комплексы, в которых
Положительный заряд может рассредоточиться за счет остав-
326
шихся л-связей:
Из всех возможных ((-комплексов более энергетически вы-
годны те, в которых возникает возможность дополнительного
рассредоточения положительного заряда за счет заместителя Y.
Энергия образования таких комплексов меньше, и поэтому
реакция предпочтительно протекает через это промежуточное
состояние.
Если заместитель обладает + /~эффектом (Y = CH3) или
+ Л1-эффектом (Y = C1), то атака электрофильной частицей
орто- или пара-положения более энергетически выгодна, так как
При образовании о-комплекса заместитель участвует в рассре-
доточении положительного заряда*, например:
HS+
5+1 5+-
я—С—я
Напротив, при образовании о-комплекса при атаке лета-
положения группа Y не участвует в рассредоточении положи-
тельного заряда, и заряд делокализуется только с участием
трех атомов углерода бензольного кольца.
В том случае, когда заместитель обладает —I- или —М-
эффектом, на атоме этой группы, непосредственно связанном
* Участие метильной группы в рассредоточении положительного заряда прояв-
ляется в появлении протонной подвижности атомов водорода.
327
с бензольным кольцом, имеется дефицит электронной плотности.
В данном случае более выгодно образование п-комплекса (40)
при атаке мета-положения, так как при этом [в отличие от
комплексов (41) и (42)] на соседних атомах не возникают
одноименные положительные заряды, что энергетически невы-
годно:
(40)
(42)
Как уже отмечалось выше, в тех случаях, когда статические
и динамические факторы действуют в противоположных направ-
лениях, т. е. заместитель обладает —/- и +Л1-эффектами (на-
пример, атомы галогенов, группы ОН и NH2), решающее влия-
ние на направление реакции электрофильного замещения
оказывают динамические факторы, и замещение преимущест-
венно происходит в орто- и пара-положения.
г/' Классификация заместителей. По влиянию на реакционную
способность бензольного кольца заместители обычно делят на
орнентанты I и II рода. К ориентантам I рода относят замести-
тели, которые облегчают вхождение электрофильного замести-
теля и ориентируют его преимущественно в орто- и пара-поло-
жения относительно группы Y. К ориентантам II рода относят
заместители, затрудняющие вхождение Второго заместителя и
направляющие его преимущественно в мета- положен не отно-
сительно группы Y.
Подобная классификация недостаточно совершенна. Ни к
одной из этих групп нельзя причислить такие заместители, как
галогены, которые затрудняют вхождение второго заместителя,
но ориентируют его в орто- и пара-положения, а также СН2С],
СНС]2 и СН2ОН, При наличии которых образуется смесь всех
трех изомеров («1:1:1).
Классификация становится более дифференцированной, если
при оценке влияния каждого заместителя принимать во внима-
ние оба эффекта (табл. 5.1). Согласно этой классификации, все
заместители Y можно разделить на две основные группы: 1) за-
местители, облегчающие протекание реакций электрофильного
замещения; 2) заместители, затрудняющие протекание реакций
электрофильного замещения. В пределах каждой группы заме-
стители подразделяют на типы. Заместители первой группы
делятся на два типа.
328,
Таблица 5.1. Классификация заместителей
Заместители Типы эффекта Влияние на скорость ре- акции а Преобладаю- щее огнен гируюис^с действие
Заместители I группы
Алкильные группы О~, ОН, OR, NH2> NHR, nr2, CsH5> CII = CII2 4-2 Ш=0) -1, +Л1 (4-М > -/) <+) (Н—Н) орто орто и пара и пара
Заместители П группы F. Cl. Вг, I. +O(CSH5)2 —-pH (-|-Л1 < —/) »N{CHSK СС1з —/ (Л1=0) NO2, CN СНО, COR, COOR, — I, —M СОХ CH2Cl, CHClz. CH?NO2, 4-/, —7 (JM-O) CH2OH (-) (-) орто мета мета Нет6 и пара
at-H — ускоряют; (+.+} —сильно ляют. Образуется смесь всех трех ускоряют: (—) —замедляют; ’ изомеров. сильно замед’
1. Заместители, обладающие +/-эффектом и не имеющие
M-эффекта; к ним относятся алкильные группы, например:
Н
Ф
О-Я S3
t
Я
g- HS*
C-HJ*
5- is*
Эти заместители направляют электрофильный агент преиму-
щественно в орто- и лара-положения и несколько облегчают его
вхождение, т- е. ускоряют реакцию замещения.
2. Заместители, обладающие незначительным —/-эффектом
и большим +Л1-эффектом (ОН, OR, NHj, NHR, NR3 и др.):
SSL
ОН
St
Эти заместители сильно ускоряют реакции электрофильного
замещения и ориентируют заместитель в орто- и пара-положе-
ния.
Заместители второй группы можно разделить на три типа.
329
1. Заместители, обладающие большим—/-эффектом и срав-
нительно небольшим +М-эффектом (F, С1, Вг, 1 и др.):
ss ci
Вследствие большого отрицательного индуктивного эффекта
атомы галогенов затрудняют протекание реакций электрофиль-
ного замещения, но направляют электрофильный реагент почти
исключительно в орто- и лард-положения.
2. Заместители, обладающие —7 и —М-эффектами (NO2.
CN, COR, СНО, COOR, COHal):
Эти заместители сильно затрудняют протекание реакций
электрофильного замещения и направляют заместитель преиму-
щественно в /тета-положение (хотя, несколько неожиданно, при
этом образуется завышенное количество opj'O-изомера).
3. Заместители, обладающие —/-эффектом (Л1-эффект равен
нулю) [1N (СН3)з, CHal3]:
N(CH3)3
Эти заместители сильно затрудняют протекание реакций
электрофильного замещения и направляю: заместитель наибо-
лее избирательно в лгетд-положение.
Кроме рассмотренных выше цяти типов заместителей имеют-
ся заместители смешанного действия, обладающие как так
и —/эффектами (М-эффект равен нулю). К ним относятся
CH2NC>2, СН2На], СН2ОН, СННа12. Эти заместители несколько
затрудняют протекание реакция электрофильного замещения,
а в результате реакций образуются смеси всех трех изомеров.
Заместители первой группы. 1. Заместители, имею-
щие ^/-эффект (М-эффект равен нулю). Положительный
индуктивный эффект алкильных групп обусловлен различием
электроотрицательности атомов углерода (2,5) и водорода (2, ]).
Вследствие этого о-связи С—Н в алкильных группах поляризо-
ваны, хотя и в незначительной степени, в сторону атома углеро-
330
да, на котором появляется избыточная электронная плотность:
56 + Н
U.
66+Н—>С —
t
56+ Н
Атомы углерода в бензольном кольце находятся в состоянии
5р2-гнбридизации, что обусловливает появление у фенильного
радикала электроноакцепторных свойств, т- е. небольшого
—/-эффекта (фенилуксусная кислота несколько сильнее уксус-
ной). О наличии —/-эффекта у фенильного радикала свидетель-
ствует также увеличение СН-кислотности соединений (уменьше-
ние рКа), полученных замещением в метане атомов водорода
на группы С6НБ; значения рКя приведены ниже:
СНз-Н 40 (С6Н5)2СН—Н 35
CeHsCH3— II 38 (С6Н5)3С-Н 33
Из приведенных данных следует, что под влиянием элект-
рон о акцепторных фенильных радикалов связи С—Н поляризу-
ются.
Взаимное влияние метильной группы и бензольного кольца
в толуоле проявляется, с одной стороны, не только в поляриза-
ции, но и в ослаблении связи С—Н метильной группы (энергия
связи СНз—Н составляет 450 кДж/моль, а для СбНБСН2—Н
она равна 350 кДж/моль), а с другой — в увеличении электрон-
ной плотности в орто- и лада-положениях бензольного кольца
и, следовательно, в повышении его реакционной способности в
реакциях электрофильного замещения. Перераспределение л-
электронной плотности в толуоле можно подтвердить наличием
у него небольшого дипольного момента (0,41 Д).
Увеличение числа метильных групп в ароматическом соеди-
нении увеличивает электронную плотность в бензольном коль-
це, и, следовательно, повышает его реакционную способность в
реакциях электрофильного замещения. Реакционная способность
метилбензолов увеличивается в ряду:
С6Н5СН3<1,2-(СН3)2СсН4’=1,4-(СН3)2С6Н4<1,3-(СН3)2С6Н4<
<1,2,4-(СН3)3С6Н3<1,3,5-(СН3)3С6Н3<(СН3)5С6Н
Как видно, реакционная способность мета-ксилола выше,
чем остальных изомерных ксилолов. Это объясняется тем, что
в лшта-изомере существует согласованное действие обеих ме-
тильных групп, в результате чего избыточная электронная плот-
ность сосредоточивается только на трех, а не на всех шести
331
атомах углерода бензольного кольца (как в орто- и пара-изо-
мерах):
В зависимости от строения алкильного радикала реакцион-
ная способность моноалкилбензолов уменьшается в ряду:
C6H5CH3>C6H5CH2CH3>C6H5CH(CH3)2>CgH5C(CH3)3
Так, соотношение скоростей нитрования толуола и трет-бу-
тилбензола составляет 100:64.
На реакционную способность моноалкилбензолов влияют два
основных фактора: электронодонорность и размер алкильной
группы.
По электронодонорности алкильные группы располагаются в
ряд:
(СНз)зС>(СН3)2СН>СНзСН2>СНз
Это можно подтвердить тем, что пивалиновая кислота
(рКа = 5,05) слабее уксусной (р/(а = 4,76).
Известно, что индуктивный эффект быстро затухает по цепи
о-связей. Однако девять атомов водорода трех метильных групп
в трет-бутильной группе, несмотря на большее удаление их от
бензольного кольца по сравнению с атомами водорода метиль-
ной группы, оказывают более сильное влияние на электронодо-
норные свойства трет-бутильной группы, чем три атома водоро-
да в метильной группе. В соответствии с этим при нитровании
трет-бути л бензол а образуются большие количества мета- и
пара-изомеров, чем при нитровании толуола (табл, 5.2).
Таблица 5,2. Выходы и соотношения изомеров продуктов нитрования
некоторых моноалкилбензолов
Исходное соединение Выкод ггнтрл- производного, % орто : пара арго : мета
орто мета | лара
Толуол 58,4 4,4 37,2 1,57 13.3
Этилбензол 45 0 6,5 48,5 0,93 6,9
Изопропилбензол ‘ 30 0 7,7 62,3 0,48 3,9
тре г - Б у т и л б ензо л 15 8 11,5 72,7 0,27 1,4
332
Таким образом, если принимать во внимание только один
это; фактор, то трст-бутилбензол должен быть более реакцион-
носпособен, чем толуол. Однако общую реакционную способ-
ность трет-бутилбензола сильно снижают пространственные
затруднения, создаваемые имеющей большой объем трет-бутиль-
ной группой при атаке электрофильным реагентом орто-положе-
ния. Об этом свидетельствуют уменьшение выхода орто-изоме-
ра, а также уменьшение соотношения орто-: пара- и орто-; ме-
та-изомеров по мере увеличения размера алкильной
(см. табл. 5.2). Помимо пространственных факторов
кий выход орга-изомера влияет п электростатическое
ние электрофильного агента от атомов водорода
групп трет-бутильного радикала.
Об изменениях в распределении л-электронной
бензольного кольца, происходящих под влиянием
групп, можно составить представление, сравнивая р/(а изомер-
ных крезолов и толуиловых кислот с рКа фенола и бензойной
кислоты (в воде, при 25°C):
группы
на невысо-
отталкпва-
метильных
плотности
алкильных
СеН5ОН 9,98 C6HSCOOH 4,18
о-СН3С5Н4ОН 10,28 о-СН3С6Н4СООН 3,91
м-СН3С5Н4ОН 10,08 и-СН3С3Н4СООН 4,27
п-СН3С6Н4ОН 10,14 п-СН-АП4СООН 4,37
Находясь в различных положениях относительно метильной
группы, карбоксильная и гидроксильная группы могут быть
индикаторами изменения электронной плотности на атомах уг-
лерода бензольного кольца. Возрастание р/(а означает повыше-
ние электронной плотности на связанном с группами ОН и
СООН атоме углерода и вследствие этого уменьшение кислот-
ности групп СООН и ОН. Соответственно, уменьшение рКа
означает появление дефицита электронной плотности и, следо-
вательно, увеличение кислотности Этих групп. Видно, что при-
сутствие метильных групп в любом положении бензольного
ядра несколько уменьшает кислотность Групп СООН п ОН. Это
влияние более заметно, если группа СН3 находится в орто-
или пара-положении.
С этой точки зрения пе может быть объяснена лишь повы-
шенная кислотность орго-толу иловой кислоты по сравнению с
бензойной кислотой. По-видимому, причина такого отклонения
заключается в нарушении копланарности бензольного кольца
и карбоксильной группы. Метильная группа, находящаяся в
непосредственной близости от карбоксильной группы, вынужда-
ет последнюю повернуться на некоторый угол относительно
плоскости бензольного кольца, что вызывает затруднения во
взаимодействии л-электронов карбонильной группы с л-электро-
нами бензольного кольца. По этой причине л-электроны бен-
зольного кольца в меньшей степени погашают заряд на атоме
333
углерода карбоксильной группы, в то время как —/-эффект
фенила сохраняется. Все это приводит к повышению кислотно-
сти, приближая орто-толуиловую кислоту по силе к муравьи-
ной кислоте (рХя = 3,77). Возможно, что на кислотность влияет
также электростатическое отталкивание пространственно близ-
ких протона карбоксильной группы и атомов водорода группы
СН3.
Естественно, что метильная группа в орто-крезоле не оказы-
вает аналогичного влияния, так как сравнительно небольшого
размера группа СН3 не нарушает взаимодействия р-электронов
компактной группы ОН с л-электронами бензольного кольца.
Более того, так как +/-эффект метильной группы проявляется в
наибольшей Степени в орто-положении, именно о-крезол обла-
дает наименьшей кислотностью по сравнению с остальными
изомерами.
2. Заместители, у которых —l-э ффект мень-
ше, чем -у Л/-э ф ф е к т. Как уже упоминалось выше, к тако-
му типу заместителей относятся группы ОН и OR, а также
NH2, NHR, NR2 и другие.
Отрицательный индуктивный эффект этих групп связан с
большей электроотрицательностью атомов кислорода и азота
по сравнению с атомом углерода. Алифатические соединения,
содержащие такие группы, полярны. Дипольные моменты не-
которых из них приведены ниже (в Д):
СНзОН 1,66 CHjNHj 1,32
С2Н5ОН 1,69 CjHjNHs 1,38
Отрицательный конец диполя в этих соединениях находится
на атоме кислорода или азота. Индуктивный эффект группы ОН
несколько больше, чем группы NH2.
О наличии —/-эффекта у метоксигруппы свидетельствует
несколько повышенная кислотность метоксиуксусной кислоты
(рА'а = 3,53) по сравнению с уксусной (рХа = 4,76).
Мезомерный эффект групп ОН и NH2 обусловлен наличием
не поделенных пар р-электронов у атомов кислорода и азота; он
проявляет себя только тогда, когда они непосредственно связа-
ны с атомом углерода, находящимся в состоянии з/Агибриднза-
ции, например с атомом углерода бензольного кольца.
Известно, что фенил обладает электроноакцепторными
свойствами, и именно это является причиной мезомерного взаи-
модействия р-электронов атома кислорода (или азота) с
л-электронами бензольного кольца. В результате этого взаимо-
действия общая электронная плотность бензольного кольца
(особенно в орто- и гшро-положениях) повышается, а группы
ОН и NH; в значительной степени утрачивают нуклеофильные
свойства.
334
Фенол и анилин полярны; их дипольные моменты равны
соответственно 1,69 и 1,52 Д; однако в отличие от спиртов и
аминов алифатического ряда отрицательный конец диполя сме-
щен к ароматическому кольцу. Группы ОН и NHa оказываются
обедненными электронами и, следовательно, легче отщепляют
протон (у метилового спирта рХя = 15.5, у фенола рА';1 =9,98)
У азотсодержащих групп +М-эффект выражен сильнее, чем
у соответствующих кислородсодержащих групп (NR2 > OR).
Наибольшим + Л1-эффектом из всех групп этого типа обладает
фенолят-ион, который способен реагировать даже с очень сла-
быми электрофильными частицами, например с СОг.
Об изменении в распределении электронной плотности бен-
зольного кольца можно судить, сравнивая р/(а изомерных ме-
токсифенолов и замещенных- бензойных кислот с рХа фенола и
бензойной кислоты (в воде, 25°С):
сйн$он 9.98 о-НОС6Н4СООН 3,46
о-СН3ОС6Н4ОН 9.98 п-НОС6Н4СООН 4 58
л-СН,ОС6Н4ОН 9,65 о-С6Н5ОС6Н4СООН 3.53
п-СН3ОС6Н4ОН 10.21 «-C6HSOCSH4COOH 3,95
С6Н6СООН 4,18 n-CsH6OC6H4COOH 4.52
о-СН3ОС6Н4СООН 4.09
,«-СНэОС5Н4СООН 4,09
п-СН3ОС6Н4СООН 4,47
Из приведенных данных видно, что наименьшей кислотно-
стью обладают пара-изомеры. Это объясняется тем, что + Al-
эффект передается но цепи сопряжения бензольного кольца
лишь с незначительным затуханием, в то время как —/-эффект
этих групп у пара-изомеров сказывается в наименьшей степени.
Положительный мезомерный эффект метоксигруппы практи-
чески не передается в мета-положение, и увеличение кислотно-
сти лета-изомеров замещенных фенола и бензойной кислоты
может быть отнесено за счет отрицательного индуктивного эф-
фекта.
Феноксигруппа имеет несколько больший —/ эффект, чем
метоксигруппа, видимо, вследствие того, что метильная группа
является электронодонорной, а фенильная — электроноакцеп-
торной.
Изменения кислотности, наблюдающиеся у орто-изомеров,
требуют специального рассмотрения. Кислотность группы ОН в
о-метоксифеноле (гваякол) такая же, как и в феноле. Это мож-
но объяснить тем, что в этом изомере в наибольшей степени
сказывается влияние -—/-эффекта группы ОСН3, который здесь
полностью компенсирует влияние +М-эффекта.
Более высокую кислотность салициловой кислоты по сравне-
нию с метоксибензойной кислотой можно объяснить взаимодей-
ствием групп ОН и СООН, в результате которого возникает
335
возможность образования водородной связи между атомом
водорода гидроксильной группы и атомом кислорода карбо-
нильной группы, что приводит к стабилизации аниона, образую-
щегося после вытеснения протона.
Отрицательный индуктивный эффект метокси- и диметил-
аминогрупп проявляется также при реакции металлирования.
При действии фениллития на анизол и диметилацилин замеша-
ются на металл только находящиеся в орто-положении атомы
водорода, которые имеют большую протонную подвижность
из-за —/-эффекта заместителя.
Однако объяснить повышенную кислотность ометоксибен-
зойной кислоты только одним —/-эффектом нельзя. По-видимо-
му, как и в случае о-толуиловой кислоты, здесь сказываются
пространственные затруднения, которые нарушают копланар-
ность л-электронов карбонильной группы и бензольного кольца
и затрудняют их мезомерное взаимодействие. Действие —/-эф-
фекта метоксигруппы и уменьшение мезомерного взаимодейст-
вия фенильной и карбоксильной групп приводят к тому, что
феноксибензойная кислота превосходит по силе даже муравьи-
ную.
Влияние вирильной и фенильной групп на л-электронную
плотность бензольного кольца аналогично влиянию групп ОН
и NH2: помимо +А1-эффекта они имеют (хотя и незначитель-
ный) —/-эффект, что следует из значений p/G соответствующих
кислот:
СНзСООН 4,76 СвН5СНгСООН 4,31
СН2=СНСООН 4.35
Реакционная способность бифенила несколько выше, чем в
случае бензола, и электрофильный реагент атакует его преиму-
щественно в пара- и орто-положения. Однако мезомерное взаи-
модействие л-электронов ароматических колец в бифениле
несколько затруднено из-за нарушения копданарности колец.
Вследствие взаимного отталкивания атомов водорода в положе-
ниях 2 и 2' кольца в бифениле расположены под углом ^45°,
а если в этих положениях находится метильные группы, угол
между плоскостями колец возрастает еше больше.
При образовании о-комплекса рассредоточение Положитель-
ного заряда с. участием обоих ароматических колец осложняет-
336
csi по двум причинам. Во-первых, образованию резонансных
структур (43) —(45), в которых оба кольца копланарны. пре-
пятствует взаимное отталкивание атомов водорода, находящих-
ся в положениях 2 и 2'. Во-вторых, при образовании этих струк-
тур нарушается ароматическая система второго кольца, что
связано с дополнительными энергетическими затратами.
(44)
(45)
Реакционная способность возрастает, если оба ароматичес-
ких кольца жестко зафиксировать в одной плоскости метиле-
новой группой. Так, флуорен (46) реагирует в 10 раз быстрее,
чем бензол.
(46)
СН = CHNO2
(47)
Таким образом, по реакционной способности бифенил, его
2,2'-диметильное производное н флуорен можно расположить в
ряд: 2,2'-диметилбифенил < бифенил < флуорен.
Для винильной группы отсутствуют отмеченные выше фак-
торы, осложняющие ее участие в рассредоточении положитель-
ного заряда в о-комилексе. Вследствие этого в орто- и пара-
положения нитруется не только стирол, но и коричная кислота,
которую можно рассматривать как винилог бензойной кислоты.
Даже (о-нитростирод (47), имеющий сильнейшую электроноак-
цепторную группу, нитруется в орто- или лара-положение.
Заместители второй группы. 1. Заместители, у кото-
рых— /-эффект больше, чем ч-АРэффект. По срав-
нению с группами ОН и NH; галогены обладают большим
—/-эффектом. Это видно из сравнения дипольных моментов,
22—1425 337
например, метилфторида, метанола и метиламина, а также зна-
чений рАа уксусной и галогенуксусных кислот:
я. Д Р«а
CHaF 1 ,81 СНзСООН 4,76
СНзОН 1.69 1СН2СООН 3,13
CH3NH2 1.32 BrCBjCOOH 2,87
С1СН2СООН 2,81
РСНгСООН 2,66
В арилгалогенидах наличие —/-эффекта приводит к возник-
новению дефицита электронной плотности бензольного кольца,
что сказывается в понижении их реакционной способности в
реакциях электрофильного замещения по сравнению с бензо-
лом. Под влиянием —/-эффекта в большей степени обедненны-
ми электронной плотностью должны оказаться орто- и пара-
положения и электрофильные реагенты должны атаковать мета-
положения, где дефицит электронной плотности меньше.
Однако кроме сильного —/-эффекта атомы галогенов обладают
также + Л4-эффектом, обусловленным наличием неподеленных
пар р-электронов. Этот эффект сравнительно невелик, но он
обнаруживается в галогенбензолах даже в стационарном состо-
янии молекулы, Это подтверждается уменьшением дипольных
моментов галогенбензолов по сравнению с соответствующими
алкнлгалогенидами:
и. д И. д
CSH5CI 1,56 С2Н6С1 2,00
С6НгВг 1,53 С2Н5Вг 2,01
H5I 1,30 CsHsI 1,93
Наличие мезомерного эффекта сказывается и на уменьшении
длины связи С—Hal (в CHgQ / = 0,177 нм, а в С6Н5С1 I —
= 0,170 нм). Из-за наличия + Л4-эффекта в арилгалогенидах
наблюдается сравнительная трудность замещения атомов гало-
генов, обусловленная упрочнением связи Аг—Hal. Несмотря на
небольшое значение, +М-эффект галогенов оказывает решаю-
щее влияние на направление вхождения заместителя при реак-
циях электрофильного замещения.
Электрофильный реагент может атаковать в галогенбензоле
opTo-t пара- и знета-положения, образуя три различных о-комп-
лекса:
Hal
(50)
538
Энергетически более выгодны комплексы (48) и (49), пос-
кольку в них в рассредоточении положительного заряда уча-
ствует атом галогена, который может предоставлять свои пе-
поделенные пары р-электронов, принимая па себя положитель-
ный заряд. Для о-комплексов (48) и (49) можно написать по
четыре резонансные структуры, а для о-комплекса (50) — толь-
ко три:
Hal Hal
В соответствии' с динамическими эффектами, электрофиль-
ное замещение в арилгалогенидах идет предпочтительно в орто-
и лара-положения.
Ориентирующая способность атомов галогенов хорошо вид-
на при сравнении выходов изомерных продуктов мононитрова-
ння:
ИСХОДНЫЙ галогенид Выход НИТрОПрОНЗВЮДнОГО. % орто : пара
0PTQ мета | пара
CSH5C1 29,3 0,9 69.5 0 43
СвНвВг 36,5 1,2 62,3 0’58
С6Н51 37,9 2,1 60,0 О’бЗ
Несмотря на то что орто положений два, а пара-положение
одно, при нитровании количество образующегося орто-изомера
обычно значительно меньше, чем «ара-изомера. По-видимому,
это следует приписать влиянию отрицательного индуктивного
эффекта, который в орто-положении ощущается более сильно,
чем в пара-положении. В пользу этого предположения говорят
и изменения соотношения орто- и пара-изомеров у различных
22* 339
арнлгалогенидов. —/-Эффект хлора больше, чем у иода, по-
этому при нитровании хлорбензола соотношение орто- и пара-
изомеров получается меньше, чем в случае иодбензола, хотя
увеличение размера заместителя должно было бы оказывать
обратное влияние.
Казалось бы, реакционная способность галогенбензолов
должна уменьшаться с уменьшением атомной массы галогена,
так как у самого электроотрицательного элемента — фтора —
наиболее сильный —/-эффект, а нелоделенные па ры р-элект-
роиов, ответственные за + Л1-эффект, поляризуемы в наимень-
шей степени. На самом же деле монотонного изменения реак-
ционной способности в реакциях электрофильного замещения
не наблюдается. Если за единицу принять реакционную спо-
собность бензола, то у галогенбензолов она будет характеризо-
ваться следующими значениями:
С6Н51 0,220 CsHsCl 0,033
CeHjF 0,160 CsHsBr 0,030
Наиболее реакционноспособны иод- и фторбензолы вследст-
вие совместного влияния индуктивного и мезомерного эффек-
тов. У иода наименьший —/-эффект, следовательно, он в мень-
шей мере оттягивает на себя л-электронную плотность бензоль-
ного кольца. Повышенную по сравнению с хлор- и бромбензо-
лами реакционную способность фторбензола можно объяснить
мезомерным эффектом, р-Электроны фтора, ответственные за
+ Л/-эффект, находятся на том же энергетическом уровне (вто-
ром), что и л-электроны бензольного кольца, и мезомерное вза-
имодействие их при образовании о-комплекса оказывается бо-
лее благоприятным, чем в случае хлора и брома. Соответствен-
но, включение 5р-электронов иода в сопряженную систему с
л-электронами бензольного кольца при образовании о-комп-
лекса наименее благоприятно.
Об изменениях в распределении электронной плотности
бензольного кольца под влиянием галогенов можно судить,
сравнивая р/(а изомерных галогенфенолов ХС6Н4ОН и гало-
генбензойных кислот ХСбН4СООН с р/<а фенола (9,98) и бен-
зойной кислоты (4,18). Значения р/Са галогенфенолов и гало-
генбензойных кислот приведены ниже:
рк, ХС.НЮН рка ХСвН(СООН
X орто мета пара орто мета пара
F 8,80 9,29 9,95 3,27 3,87 4,14
С1 8 48 9,02 9,38 2,94 3,83 3,98
Вг 8,44 9,03 9,38 2,85 3,81 3,97
I 8,51 9,06 9,31 2,86 3,85 3,93
Из приведенных данных видно, что все галогены обладают
сильным —/-эффектом, так как все галогенпроизводные фено-
340
ла и бензойной кислоты имеют большую кислотность, чём Не-
замещенные соединения. Увеличение кислотности в большей
степени наблюдается у производных фенола, чем у бензойной
кислоты (особенно это заметно для л/ега-производных, в слу-
чае которых на индуктивный эффект не накладывается мезо-
мерный). Наиболее сильно увеличивается кислотность у Орто-
изомеров; этот факт подтверждает то положение, что индуктив-
ный эффект быстро уменьшается по цепи. Подобно анизолу и
диметиланилину, в реакции с фниллитием фторбензол способен
обменивать орто-водородные атомы на литий, что является
следствием более сильного отрицательного индуктивного эф-
фекта в орто-положениях.
Из всех орто- и соответственно пара-галогенпроизводных
наименьшую кислотность имеют фторпронзводные. Возможно,
что здесь сказывается + М-эффект: неподеленные пары 2р-
электронов атома фтора легче вступают в мезомерное взаимо-
действие с л-электронами бензольного кольца, чем р-электро-
ны атомов остальных галогенов, находящиеся на более высо-
ких энергетических уровнях. Поэтому кислотность соответст-
вующих лйра-фторпропзводных практически равна кислотности
незамещенных фенола и бензойной кислоты. Вероятно, отри-
цательный индуктивный эффект удаленного на максимальное
расстояние фтора настолько уменьшается, что становится рав-
ным -+-Л1-эффекту.
2. Заместители, имеющие — /- и —Af-э ф ф е к т ы.
Ординарная ковалентная связь между атомами различной хи-
мической природы в большей или меньшей степени полярна,
причем отрицательный конец диполя находится на атоме более
электроотрицательного элемента, стоящего в Периодической
системе правее углерода. Если же в органическом соединении
атом углерода связан с атомами этих же элементов не орди-
нарной, а кратной связью, то вследствие большей поляризуе-
мости кратной связи дипольные моменты значительно выше,
например:
I*. д
СН3-СН^ОН 1,69
CHs-CH^NHs 1,38
СНз-СН=О
Cll3-C—N
И. Д
2,70
3,94
Аналогичное перераспределение электронной плотности на-
блюдается и в нитрогруппе. Более электроотрицательные атомы
кислорода оттягивают от азота основную часть электронной
плотности, В соответствии с правилом октета, азот не может
быть более чем четырехковалентным, поэтому считают, что оба
атома кислорода равноценны н связаны с атомом азота полу-
торными связями. Дипольный момент нитрометана равен
341
3,54 Д, причем отрицательным концом диполя является оба
атома кислорода.
Группы, имеющие —/- и —М-эффекты, обладают электроно-
акцепторными свойствами. В соединениях алифатического ря-
да это можно обнаружить гго повышению кислотности соседних
связей С—Н. По электроноакцепторной способности такие
группы можно расположить в ряд (см. гл. 3):
COOR<CN<COR<CHO<NO2
Эти группы проявляют сильный —/-эффект, а их поляризо-
ванные л-связи вступают в мезомерное взаимодействие с л-
электронами бензольного кольца, что приводит к уменьшению
его электронной плотности и, следовательно, к снижению ре-
акционной способности при взаимодействии с электрофильными
реагентами.
Уменьшение электронной плотности бензольного кольца под
влиянием таких электроноакцецторных групп можно проиллю-
стрировать увеличением дипольных моментов ароматических
соединений по сравнению с соответствующими соединениями
алифатического ряда:
|А. Д И- Д
C6HsNO2 3,97 CHsNOs 3,02
c(h5cn 3,90 CH3CN 3,44
CsH5C0CHj 2.93 CH,COCHa 2,71
С6Н5СПО 2,75 CHSCHO 2,70
C6H5COOC2HS 1,92 CH3COOC2HS 1,85
При введении групп с —I- и —М-эффектами наибольший де-
фицит электронной плотности возникает в орто- и пара-поло-
жениях. Поэтому электрофильный реагент предпочтительно
атакует мета-положение. Эту закономерность подтверждают
результаты нитрования ряда замещенных бензолов:
Исходное следи- пещи?! Выход нктропронзвоДИОГО, %
орто мета пара
c6h5no2 . 6,4 93,3 0,3
C6HSCN 17,0 81,0 2,0
C6H5CHO 19,0 72,0 9,0
C(H5COOC2HS 28,3 68,4 з,з
Как и следовало ожидать, основным продуктом нитрования
является лета-изомер; содержание пара-изомера очень неве-
лико. Однако обращает на себя внимание наблюдающееся во
всех случаях явно завышенное количество орто-изомера. Одним
из объяснений этой аномалии может быть следующее. Извест-
но, что в молекулах типа С6Н5У, в которых заместитель Y
имеет —/- и —М-эффекты, избыточная электронная плотность
342
сосредоточивается на атоме наиболее электроотрицательного
элемента, входящего в группу Y (например, в случае нитро-
группы на атомах кислорода).
Возможно, что при атаке таких молекул электрофильной
частицей наблюдается дополнительное электростатическое при-
тяжение этой частицы к несущему отрицательный заряд атому
группы Y, благоприятствующее образованию о-комплекса за
счет более близкого к заместителю Y орто-положения, напри-
мер:
Менее вероятно предположение, что рассматриваемые группы ускоряют
заключительный этап реакции — отщепление протона от о-комплекса. При этом
акцептор протона В- электростатически притягивается к положительно заря-
женному атому азота нитрогруппы, что облегчает отщепление протона. Нако-
нец. можно предположить возможность отщепления протона от о-комплекса
атомом кислорода нитрогруппы;
Оба эти предположения менее вероятны, так как стадия отщепления про-
тона от о-комплекса не лимитирует скорость всего процесса и. следовательно,
не может существенно влиять на выход орто-изомера.
Об изменениях в распределении электронной плотности бен-
зольного кольца под влиянием электроноакцепторных групп
можно составить себе представление, сравнивая рКа изомер-
ных производных фенола и бензойной кислоты с рКа фенола
(9,98) и бензойной кислоты (4,18):
рКа хеш (ОН рКа ХСаЩСООН
X орто мета пара орто мета пара
NOj 7,23 8,40 7,15 2,17 3,49 3,43
CN 1 8,61 7,98 3,60 3,55
СОСНз — 9,19 8,05
СНО 8,37 9,02 7,62
Как видно, заместители рассматриваемого типа вызывают
общее уменьшение электронной плотности бензольного кольца,
в наибольшей степени —в пара- и орто-положениях.
Следует отметить, что —М-эффект нитрогруппы оказывает
более сильное влияние на кислотность группы ОН, чем на кис-
лотность группы СООН.
343
о-Нитробензойная кислота значительно сильнее пара-изо-
мера. По-видимому, здесь в большей мере сказывается —/-эф-
фект.
Однако у о- и п-нитрофенолов разница в кислотности не так
велика; более того, орто-изомер имеет несколько меньшую кис-
лотность. Возможно, в данном случае в орто-изомере возможно
внутримолекулярное взаимодействие групп ОН и NO2 с обра-
зованием водородной связи, приводящее к псевдоароматичес-
кой системе;
О...Н
Й - О
II
О
Наличием внутримолекулярной водородной связи объясняют
также способность о нитрофенола (в отличие от лара-изомера)
перегоняться с водяным паром (он не образует межмолекуляр-
ных водородных связей).
Аналогичное внутримолекулярное взаимодействие групп
NO2 и СООН в о-ннтробензойяой кислоте не наблюдается, так
как в Этом соединении атом водорода группы СООН находится
На большем расстоянии от нитрогруппы, чем атом водорода
группы ОН в о-нитро феноле.
К заместителям рассматриваемого типа можно также отнести изоциано-
группу NC. По характеру действия на Л-электро иную плотность бензольного
кольца и по электроноакцепторной силе эта группа соизмерима с группой CN.
Это видно при сравнении дипольных моментов соответствующих соединений
(в Д):
C6H5NC 3,49 C6HSCM 3,97
n-CH3C6H4NC 3,98 n-CHsCsH^CN 4,40
Длина связи углерод—азот в группе NC близка к длине тройной связи
и равна 0.117 нм. (В нитриле длина связи C=N равна 0.116 нм; в пиридине
длина связи C=N составляет 0,137 нм. а длина связи С—N в аминах и дру-
гих соединениях равна 0,147 нм.)
Если учитывать только большую электроотрицательность азота по сравне-
нию с углеродом и более легкую поляризуемость кратных связей по сравнению
с ординарными, то следовало бы ожидать, что в нзоцианогруппе на атоме азо-
та сосредоточивается избыточная электронная плотность, н эта группа должна
обладать еще более электронодонорными свойствами, чем аминогруппа.
Несоответствие этих выводов с реальными свойствами нзоцианогруппы
имеет следующую причину. В этой группе углерод находится в том же валент-
ном состоянии, что и в карбенах, в которых он формально двухковалентен.
Особенностью карбенов является их чрезвычайно высокая химическая актив-
ность, обусловленная стремлением углерода достроить свою внешнюю элект-
ронную оболочку до октета.
Если изобразить изоцианогруппу формально с обозначением всех р-злект-
ронов, то можно прнйтн к заключению, что в данном случае углерод может
344
достроить свой электронный уровень до октета за счет неподеленной пары
р-электронов атома азота. В результате образуется биполярная структура,
в которой четырехковалентный атом азота несет полный положительный за-
ряд, а атом углерода (как в карбанионах) имеет неподеленную пару элект-
ронов:
•CV + -
-N=C: —>
Однако нуклеофильными и сильноосновными свойствами, характерными
для карбанионов, изоцианнды не обладают, так как у них атом углерода нахо-
дится в состоянии sp-гибридизацни (как в ацетилене) н к тому же как a HCN
связан кратной связью с более электроотрицательным атомом азота.
3. Заместители, имеющие —I-э ффе кт (М-эффект
равен нулю). В первую очередь к заместителям данного типа
относятся ониевые группы, в которых на атоме, непосредст-
венно связанном с бензольным кольцом, имеется полный поло-
жительный заряд, например:
jC6H5- N(CH3)3 NO3'
к таким заместителям относятся также трихлорметильная
группа СС13 я группы, полученные замещением всех атомов
водорода в метильной группе на какие-либо электроноакцеп-
торные заместители. У группы СС13 нет мезомерного эффекта,
так как в сопряжении с л-электронами бензольного кольца нет
ни неподеленных пар р-электронов, ни кратных связей, а +/-
эффект равен нулю из-за отсутствия связей С—Н. Неподелен-
ные пары электронов атомов хлора не находятся в сопряжении
с л-электронами бензольного кольца.
Эти заместители оттягивают на себя л-электронную плот-
ность бензольного кольца, причем наибольший дефицит элект-
ронной плотности создается в орто- и лара-положениях, поэто-
му в продуктах реакций электрофильного замещения преобла-
дают лгета-изомеры. Например, при мононитровании приведен-
ных ниже соединений выходы лета-изомеров составляют (в
%):
C6HSN(CH3)3 100 С6Н5С(СООСгН5)э 57
С6Н5СС13 64
Известны также заместители смешанного действия, облада-
ющие одновременно положительным и отрицательным индук-
тивными эффектами при отсутствии мезомерного эффекта.
К ним относятся; СН2На1, СН2СООС2Н5, СННа12,
СН(СООС2Н5)2, CH2NO2, CH2N(CH3)3, а также группы
СН2ОН, CH2NH?.
•И 5
г
4- /-Эффект этих групп обусловлен сопряжением связей
С—Н с л-электронами бензольного кольца, а —/-эффект — на-
личием электроноакцепторных групп у атома углерода, непо-
средственно связанного с бензольном кольцом. По силе -—/-
эффект может быть различным, что сказывается на выходах
лета-изомеров. Так, например, выходы лета-изомеров моно-
нитролроизводных приведенных ниже соединений составляют
(в i);
С6Н6СНз
С6Н5СН,Вг
СбН;;С Hi’ COO CjHs
C6HSCH2CI.
CeHjCHsF
Сила —/-эффекта
изменением p/G coon
лот:
СНзСООН
ВгСНгСООН
С2Н5ООССН2С
3
7
10
14
18
этих
СеН5СН(СООС2Н6)2
CSHSCHC1}
СеЖСН^Ог
CeH5CHsN(CH3)s NO3~
23
34
67
88
групп в основном коррелируется с
уксусных кис-
замещенных
4,76
2,89
2,86
С1СН2СООН
FCH2COOH
ChNCHsCOOH
2,86
2,57
1,68
—-/-Эффект быстро уменьшается При удлинении боковой
цепи. Это хорошо видно при сравнении выходов лшта-нитро-
производных следующих соединений (в %);
C611S-N(CHS)3 100
Cells—CHsN(CHs)s 88
C6HS— (CH2)sN(CH3)3 19
CsH3-(CHs)3N(CHsh 5
Cell5—NO2
C6Hs—CH^NOs
C6HS-(CHghNCh
93
67
13
Дизамещенные бензолы. Направление вхождения электро-
фильного реагента в молекулу монозамещенного бензола обыч-
но не строго однозначно. Еще менее однозначно протекают ре-
акции с ароматическими соединениями, в которых имеются два
заместителя. Для таких производных бензола можно говорить
талька о предпочтительном направлении вхождения электро-
фильного заместителя. В зависимости от типа заместителей и
их взаимного расположения различают согласованную и несо-
гласованную Ориентации.
Согласованная ориентация, когда оба имеющих-
ся заместителя благоприятствуют вхождению третьего замес-
тителя в одни и те же положения бензольного кольца, наблю-
дается в двух случаях.
1. Когда знаки мезомерпых эффектов заместителей совпа-
дают, а сами они находятся в жетя-положении по отношению
4JC
друг к другу, например:
В этом случае электрофильная атака направляется пред-
почтительно в указанные стрелками положения.
2. Когда знаки мезомерных эффектов заместителей проти-
воположны, но нх значения не равны нулю, и заместители за-
нимают орто- или пара-положение относительно Друг друга,
например:
При несогласованной ориентации предпочтитель-
ное направление замещения определяют знаки мезомерного
эффекта заместителей, а при совпадении знаков этих эффектов
у обоих заместителей — их относительные значения. Существу-
ют несколько вариантов несогласованной ориентации.
1. Если знаки мезомерных эффектов заместителей противо-
положны, а сами заместители занимают лгета-положение отно-
сительно друг друга, то направление замещения определяет за-
меститель с +М-эффектом, например:
2. Если у обоих заместителей знаки мезомерных эффектов
положительны, а они сами занимают орто- или лара-положение
относительно друг друга, то вопрос о предпочтительном на-
правлении замещения решает относительная сила заместите-
лей, например:
Ы(СНд)2
Как уже отмечалось, 4-М-эффект заместителя обусловлен
наличием и реакционной способностью неподеленных пар р-
347
электронов у атома, связанного с бензольным кольцом. Он вы-
ше у азотсодержащих групп, несколько меньше у кислородсо-
держащих групп и наименьший —- у атомов галогенов. По мере
возрастания мезомерного эффекта заместители можно распо-
ложить в ряд:
l<Br<Ct<F<0R<0H<NH2<NHR<NR2<0_
Даже в соединениях, у которых реакционная способность
неподеленных пар электронов атома азота снижена заменой
атома водорода на ацильную группу, замещение йдет все рав-
но предпочтительно в пара-положение относительно группы
NHCOCH3 [формула (51)). Только в том случае, если атом
азота связан с двумя электроноакцепторньгмн группами, напри-
мер ацильными, +М-эффект снижается настолько, что в соеди-
нении (52) замещение идет преимущественно в орто-положение
к метильной группе.
^^^ЫНСОСНз
ГТ
Ч'-/Х‘ОСН3
- ОС
(52)
(51)
Особо следует рассмотреть вопрос о заместителях, имеющих
+ /-эффект и не имеющих М-эффекта. Они меньше влияют на
ориентацию, чем любой заместитель с + М-эффектом. даже
атом галогена. Так, электрофильное замещение в о-хлортолуо-
ле преимущественно идет в пара-положение по отношению к
атому хлора. Однако в случае n-хлортолуола замещение идет
в основном в мета-псложение к атому хлора:
По-видимому, здесь оказывает влияние сильный индуктив-
ный эффект атома галогена, дезактивирующий орто-положе-
ния.
3. Если у обоих заместителей знаки мезомерных эффектов
отрицательны и сами они занимают орто- или пара-положение
относительно друг друга, то, во-первых, электрофильное заме-
щение осуществляется с чрезвычайной трудностью и, во-вто-
&48
рых, направление замещения определяется элёктроноакцептор-
ной способностью заместителей (см. гл. 3):
COOC2H5<CN<COCH3<CHO<NO2
Поэтому в п-нитробензонитриле замещение идет преимуще-
ственно в орто-положение к группе CN, так как орто-положе-
ния к ннтрогруппе дезактивированы сильнее:
Конденсированные ароматические углеводороды — нафта-
лин, антрацен. Нафталин и антрацен более реакционноспособ-
ны в реакциях электрофильного замещения, чем бензол. Кро-
ме того, в отличие от бензола они (подобно диенам) проявля-
ют тенденцию к реакциям присоединения.
Повышенная реакционная способность этих соединений
обусловлена энергетическими факторами. При определении
теплоты Сгорания нафталина обнаружено, что энергия сопря-
жения в нем составляет 254 кДж/моль, тогда как удвоенная
энергия сопряжения бензола равна 300 кДж/моль. Энергия
сопряжения антрацена (350 кДж/моль) еще больше отличается
от утроенной энергии сопряжения бензола (450 кДж/моль).
Если написать все резонансные структуры нафталина, то
можно заметить, что в двух из них одно из колец представля-
ет собой диен, а не ароматическую структуру:
5 4
Для антрацена можно написать уже четыре резонансные
структуры; как видно, ни в одной из них нет одновременно
трех ароматических ядер, а в двух структурах по два ядра
имеют строение диена:
С помощью рентгеноструктурного анализа показано, что
в отлнчие от бензола углерод-углеродные связи в нафталине
имеют рйзйуЮ длину: длина связи С-1—С-2 составляет 0,136 нМ,
а длина связи С-2—С-3 равна 0,142 нм. (Длина связи С—С в
бензоле составляет 0,140 нм, длина связи С = С в алкенах рав-
на 0,134 нм, а длина ординарной свя.зи С—С равна 0,154 нм.)
Можно утверждать, что углерод-углерод на я связь между «-
и fj-атомами углерода в нафталине имеет большую степень
кратности, чем в бензоле, что подтверждает правомерность
приведенных выше резонансных структур.
Тенденция нафталина и особенно антрацена к характерным
для сопряженных диенов реакциям 1,4-присоединения подтвер-
ждается тем, что при взаимодействии этих соединений с бро-
мом и хлором в мягких условиях в отсутствие катализаторов
образуются нестойкие, легко отщепляющие галогеноводород,
соединения:
Известно также, что нафталин, подобно сопряженным дие-
нам, способен присоединять водород «в момент выделения»
(при действии натрия в спирте), причем первая молекула его
присоединяется в положение 1,4 с образованием днгидронафта-
лина; антрацен широко используют в качестве диена в синтезе
Дильса — Альдера.
Диеновый характер нафталина и антрацена подтверждается
также тем, что они окисляются значительно легче, чем бензол:
350
Как было рассмотрено выше, при образовании о-комплексй
в процессе взаимодействия бензола с электрофильными ре-
агентами затрачивается энергия, равная разности энергий со-
пряжения бензола и диеновой системы (150—15=135 кДж/
/моль), без учета последующего выигрыша энергии, обуслов-
ленного рассредоточением положительного заряда. При взаи-
модействии нафталина с электрофильными реагентами, даже
если не принимать во внимание энергию сопряжения оставшей-
ся кратной связи с незатронутой ароматической системой со-
седнего кольца, энергетические затраты меньше (255—150 =
= 105 кДж/моль). Поэтому нафталин более реакционноспосо-
бен, чем бензол. Атака электрофильного реагента в нафталине
направляется преимущественно в сс-положение, что можно объ-
яснить динамическими факторами. Энергия активации реакции
меньше в том случае, если при рассредоточении положитель-
ного заряда в о-комплсксе не затрагивается ароматическая
система второго кольца. При атаке электрофилом а-углеродно-
го атома образуется о-комплекс, стабилизированный рассредо-
точением заряда без нарушения ароматической системы со-
седнего кольца. Напротив, при атаке 0-углеродного атома
рассредоточение положительного заряда сразу же повлечет за
собой нарушение ароматической системы соседнего кольца и
дополнительные энергетические затраты:
Вычислено, что энергия активации в данном случае на 12—
17 кДж/моль больше, чем при образовании о-комплекса за
счет а-углеродного атома,
В антрацене электрофильный реагент атакует исключитель-
но один атом: С-9 или С-10, так как в данном случае в обра-
зе 1
зовавшемся о-комплексе оба крайних кольца сохраняют арома-
тическую структуру. Следовательно, это будет связано с мень-
шими энергетическими затратами (350—150-2 = 50 кДж/моль).
Если же a-комплекс образовался бы за счет «-положения од-
ного из крайних колеи [формула (53)J, то сохранилась бы
только структура нафталина и энергетические затраты были
бы больше (350—255=95 кДж/.моль).
X Н
У «-замещенных нафталина, если заместитель обладает
электроноакцепторными свойствами (—/-эффект или —/- и
—М-эффекты), электрофильный реагент атакует одно из «-по-
ложений другого незамещенного кольца. Если же заместитель
обладает электронодонорными свойствами, то электрофильный
реагент атакует положение 4 этого же кольца. Следует отме-
тить, что орто-ориентация (вступление заместителя в положе-
ние 2) почти не наблюдается.
Простейшие ароматические гетероциклы. Пятичленные гете-
роциклы с одним гетероатомом. Относящиеся к этому типу
ароматические соединения, например фуран, пиррол и тиофен,
намного активнее бензола в реакциях электрофильного заме-
щения (особенно фуран и циррол). Как уже отмечалось в
разд. 5.1, эти гетероциклы имеют дипольные моменты (0,7, 1,8
и 0,55 И соответственно).
Положительным концом диполя являются гетероатомы, пе-
редающие для образования ароматической системы по одной
паре р-электронов, а отрицательным — углеводородная часть
гетероцикла. Поэтому ароматическое кольцо в этих соедине-
ниях имеет большую электронную плотность, чем бензол. По
реакционной способности к бензолу наиболее близок тиофен;
в этом отношении его можно сравнивать с нафталином и ант-
раценом. По реакционной способности пиррол и фуран превос-
ходят даже фенол и анилин.
Высокая реакционная способность фурана обусловлена тем,
что в нем свойства дненовой системы сохраняются в большей
степени, чем у других гетероциклов. Это объясняется большей
электроотрицательностью атома кислорода по сравнению с ато-
мами азота и серы: р-электроны кислорода проявляют мень-
шую тенденцию к сопряжению с л-электроиами диеновой сис-
темы, В частности, при нитровании фурана ацетилнитратом
352
промежуточно образуется продукт 1,4-врисоединения, который
можно выделить:
+ CH3COONO2
hno3(6m».lch соо_/ Л-NO; лиР.идин ,
(СН^СО^О снзСОО-Ч^г* 2-СНЛООН
Фуран реагирует как диен с малеиновым ангидридом, легко
полимеризуется под действием кислот н очень чувствителен к
действию окислителей.
Высокая реакционная способность пиррола имеет иные при-
чины. У пиррола наибольший дипольный момент, причем по-
ложительный заряд в нем находится даже не на гетероатоме,
а на связанном с ним атоме водорода, который приобретает
протонную подвижность. В этом отношении он похож на атом
водорода в молекулах фталимида и сукцинимида. Сказанное
можно подтвердить тем, что пиррол реагирует с металлическим
калием и даже с безводным гидроксидом калия с образовани-
ем соединения (54). В этом соединении избыточная электрон-
ная плотность еще в большей степени сосредоточена в гетеро-
циклическом кольце, что увеличивает его способность к реак-
циям электрофильного замещения.
К* (54)
В рассматриваемых гетероциклах электрофильный реагент
атакует предпочтительно «-положение по отношению к гетеро-
атому, так как при этом образуется более энергетически выгод-
ный о-комнлекс (55), в котором положительный заряд может
рассредоточиться в трех положениях, тогда как при атаке [3-
положения в о-комплсксе (56) положительный заряд может
рассредоточиться только в двух местах. Структура (57) обра-
зоваться ие может, так как это противоречит правилу октета.
ДО
X
нХ/° <57)
Пиридин. Если фуран, пиррол и тиофен можно рассматри-
вать как аналоги бензола, в котором группа СН=СН замене-
на на гетероатом, то пиридин — как аналог бензола, в котором
одна группа СН заменена на атом азота.
В пиридине связи С—С имеют длину 0,139 нм (в бензоле
0,140 нм), т. е. среднее значение между длинами ординарной
(0,154 нм) и двойной (0,134 нм) связен, а длина связи С—N
равна 0,134 нм, что также является средним значением между
длинами связей С—N (0,147 нм) и C = N (0,128 нм). В отли-
чие от бензола пиридин имеет значительный дипольный момент
(2,26 Д), причем л-электроны смещены к атому азота, так как
азот более электроотрицателен, чем углерод. Вследствие этого
(в отличие от пиррола) в пиридине избыточная электронная
плотность сосредоточивается на атоме азота и неподеленная
пара р-электронов атома азота нс участвует в образовании
ароматической системы. Так как при этом в орто- и пара-\юло-
женнях по отношению к гетероатому появляется дефицит
электронной плотности [формула (58)J, пиридин с трудом
вступает в реакции электрофильного замещения, напоминая
этим нитробензол.
,55+-
6S+ C~7N <58)
Реакции с участием пиридина протекают в жестких услови-
ях, и электрофильная частица атакует преимущественно ^-по-
ложение по отношению к атому азота. Например, бромирова-
ние пиридина бромом идет при высоких температурах (200—
300°С) с образованием ^-изомера.
Пассивность пиридина в реакциях электрофильного замеще-
ния обусловлена тем, что реакции этого типа обычно протека-
ют в сильнокислой среде, а у атома азота пиридина имеется
неподеленная пара р-электронов, не входящая в ароматическую
систему. Поэтому в условиях проведения реакций сначала про-
исходит протонироваиие атома азота с образованием солей пи-
ридиния, что приводит к еще большему уменьшению электрон-
ной плотности в ароматическом кольце.
Направить электрофильный реагент в а- и "(-положения
можно, предварительно превратив пиридин в /V-оксид. в кото-
ром избыточная электронная плотность находится не только на
атоме кислорода, но и в орто- и пара-положениях ароматичес-
354
кого кольца. Несмотря на то Что и в этом случае, как при про-
тонировании, на атоме азота возникает полный положительный
заряд, это не сопровождается дезактивацией ароматического
кольца, потому что заместитель О~ имеет значительный +Л1-
эффект. Для А-оксида пиридина возможны следующие резо-
нансные структуры с избыточной электронной плотностью в
орто- и пара-положениях:
После проведения реакции электрофильного замещения N-
бкеид можно восстановить и получить а- и ^-замещенные пи-
ридины,
5.1.3. Основные реакции
Приведенные ниже реакции электрофильного замещения ха-
рактерны не только для самого бензола, но и для его моно- и
дизамещенных, конденсированных ароматических систем (наф-
талин, антрацен), а также для гетероароматических соедине-
ний (фуран, пиррол, тиофен, пиридин и др.),
Протоиирование, Простейшим электрофильным реагентом, с
которым ароматические соединения способны образовывать о-
комплексы, является сольватированный протон. Бензол спосо-
бен растворяться з безводной серной кислоте и реагировать с
газообразным HF в присутствии BF3 или SbFs. В ПМР-спект-
рах таких систем обнаруживаются сигналы протонов диена,
а не ароматического соединения. На этом основании можно
утверждать, что при взаимодействии бензола с сильными про-
тонными кислотами образуются солеобразные соединения (59),
катионами которых является п-комплекс бензола с протоном.
HgSOn
BF3(SbF5)
(60)
BFJ
(59)
X=HSO41BF4,SbF6
Аналогичные о-комплексы образуются из толуола. Соедине-
ние (60) было получено встречным синтезом н показано, что
ПМР-спектры обоих соединений идентичны,
23* 355
Устойчивость солей типа (59) обусловлена тем, что анноны
BF4 и SbFe* обладают ничтожной основностью и неспособны
отщепить протон от о-комплекса.
Реакцию бензола с сильными кислотами используют для
получения термостойкого полимера — полифенила:
п-2
Механизм реакции можно представить себе следующим об
разом:
2FeCl3 + ЗН2О---► 2Fe(OH)3 + 6HCI
Способность бензола образовывать с сильными кислотами
о-комплексы позволяет заместить все атомы водорода в моле-
куле бензола на атомы дейтерия:
В реакции используют большой избыток D2SO«. Равновесие
каждой стадии смещено вправо, так как реакция протекает с
большим (максимальным из известных) изотопным эффектом;
fe(D+) : k (Н+) =9, т. е. протон отщепляется от о-комплекса в 9 раз
легче, чем D*. Образовавшийся в результате реакции полностью
дейтерированный бензол используют для изучения механизма
реакций электрофильного замещения в ароматическом ряду.
Таким образом, при взаимодействии с сильными минераль-
ными кислотами ароматические соединения реагируют как ос-
нования. Основность бензольного кольца возрастает с увеличе-
нием в нем электронной плотности, поэтому электронодонорные
ЗМ>
Заместители увеличивают скорость дейтеро-водородного обме-
на, а электроноакцепторные — замедляют.
Скорость дейтеро-водородного обмена в ароматических со-
единениях типа СвНдХ зависит от природы заместителя X и
расположения способных к обмену атомов водорода в арома-
тическом кольце относительно этого заместителя. Относитель-
ные скорости дейтеро-водородного обмена в орто-, мета- и па-
ра-положениях некоторых соединений такого типа приведены
ниже (за единицу принята скорость дейтеро-водородного обме-
на в незамещенном бензоле):
X орто мето пара
С6Н5О 6900 0,1 31 000
сн. 300 7,2 313
C6Hs (33 [ ,0 (43
F 0,136 1,79
C.I 0,035 — 0,161
Нитрование. Замещение атома водорода на нитрогруппу
удается осуществить практически во всех ароматических соеди-
нениях: в моно- и дизамещенных бензола и нафталина, в ант-
рацене, фенантрене и флуорене, в пятичленных ароматических
гетероциклических соединениях, в пиридине и хинолине.
В зависимости От реакционной способности ароматического
соединения нитрующие агенты и условия проведения реакции
могут быть различными. При проведения реакции можно варь-
ировать электрофильную силу и концентрацию нитрующих
агентов, температурный режим реакции и длительность ее про-
ведения, растворитель.
/ Электрофильной частицей X1 в большинстве реакций нит-
рования является катион нитрония NOs+. Обычно в качестве
нитрующего агента используют смесь азотной и серной кислот
(или олеума) — нитрующую смесь.
Нитроний-катион генерируется в нитрующей смеси:
HNO3 + 2H2SO4 NO2 + НэО++2HSO"4
Азотная кислота в серной кислоте диссоциирует на ионы
НО* и NO21 (это подтверждает, что понятие кислотности отно-
сительно). Здесь уместно говорить об «амфотерности» азотной
кислоты, значительно менее явной, чем амфотерность гидрок-
сидов цинка и алюминия.
По-видимому, диссоциации азотной кислоты предшествует
протонирование атома кислорода ее гидроксильной группы.
Есть основания утверждать, что в смеси 1 моль азотной кисло-
357
ты и 2 моль серной кислоты устанавливается равновесие:
н+
но - no2
н
± Н - О ~ N02 Н20 + О = N = О
Во-первых, при электролизе нитрующей смеси на катоде
обнаруживаются оксиды азота, что свидетельствует о наличии
азотсодержащей частицы с положительным зарядом. Во-вто-
рых, криоскопическим методом доказано существование в нит-
рующей смеси не трех, а четырех частиц: экспериментально
получена четырехкратная депрессия точки замерзания, В-тре-
тьих, электропроводность нитрующей смеси значительно выше,
чем электропроводность отдельных компонентов. В-четвертых,
получены и выделены в индивидуальном состоянии* соли нит-
рония O^N+ СЮ4- и BF4~, которые оказались сильными
нитрующими агентами. И, наконец, спектр комбинационного
рассеяния нитрующей смеси имеет полосу 1400 см-1, которая
есть и в спектрах приведенных выше солей.
Кроме солей нитрония к наиболее сильным нитрующим
агентам относятся оксид азота (V) и его комплексы с HaSOtH
BF3. Возможно, что активирующее действие серной кислоты
заключается в протонировании центрального атома кислорода
оксида'азота (V) с последующей диссоциацией образовавшего-
ся катиона на ннтроний-катион и молекулу азотной кислоты
N2O6 + н +
O2N — о — no2
н
+NO2 + HNO-,
Суммарное уравнение этой реакции имеет вид:
N2O5 + 3H2SO4 2NO2 + Н3О++ 3HSO4
Криоскопическим методом установлено присутствие в сме-
си оксида азота (V) (1 моль) и серной кислоты (3 моль) шести,
а не четырех частиц.
Трифторид бора, вероятно, также координируется атомом .
бора по центральному атому кислорода, что приводит к гене-
* Например, тетрафторборат нитрония получается при действии фтороводорода
и трифторнда бора на оксид азота(У):
N2O5 + 2HF + 2BF3 <—t 2O2N+ BF7+H2O
358
рированию ннтронпп-катиона:
02N - 0 - NO2 +—t +NO2 + ~BF3(NO3)
BF3
Димер диоксида азота N2O4 — слабый нитрующий агент; он
неспособен нитровать даже бензол. Однако в присутствии
H2SO4, AICI3 или BF3 он становится очень активным. Это
можно объяснить, предположив, что данный димер имеет
строение (61) и из пего после протонирования также генери-
руется нитроннв-катиош
O2N - О - N ' о + Н+
(61)
02М-О - М= ОNO2 + HNO2
I
н
Сильными нитрующими агентами являются также ацетил-
п алкилнитраты в присутствии концентрированной серной кис-
лоты:
C2H5ONO2 + 3H2SO4 +N02 + Н30+ + C2H5OSO3H + 2HSO4
В отсутствие серной кислоты эти агенты являются одними
из наиболее мягких нитрующих агентов; их недостаток — взры-
воопасность. Концентрированная азотная кислота менее актив-
на, чем нитрующая смесь. В данном случае нитроний-катион
может образоваться согласно уравнению:
HNO3 + 2HNO3 3> NO+2 + H3O++2NO“3
Существование подобного равновесия подтверждается тем,
что при добавлении к азотной кислоте нитратов щелочных ме-
таллов, смещающих равновесие влево, нитрующая способность
азотной кислоты уменьшается. Концентрированной азотной
кислотой нитруют, например, нафталин.
К еше более мягким нитрующим агентам относятся смесь
разбавленной азотной и концентрированной уксусной кислот,
ацетилннтрат, безводная азотная кислота в уксусном ангидри-
де или ледяной уксусной кислоте. Ацетил- и бензоцлнитратами
можно нитровать пятичленные гетероцикл!,1. Наконец, самым
мягким агентом, нитрующим производные бензола с двумя
сильными элсктроподонорпымн группами, является тетранитро-
метая а присутствии пиридина.
369
По уменьшению реакционной способности нитрующие агенты
можно расположить в ряд:
N2O5[H2SO4; BF3]>O2N+ Х-(Х = СЮ4, SbF6) SiF6)>
>02N+ ’BF3Cl>O2N+ “AICI4>N2O4 [BF3; ALCl3]>
>KNQ3 + H2SO4 (олеум)>НМО3 + H2SO4>HNO3 (конц.р
>N2O4>HNO3 [CH3COOH]>CH3COONO2[(CH3CO)2O]>
>C2H5ONO2>C(NO2)4 (пиридин)
Реакции получения нитропроизводных некоторых аромати-
ческих соединений и условия их проведения приведены ниже
(ароматические субстраты расположены в порядке уменьшения
их реакционной способности):
N02
снэ ОН пиридин СНз ОН
no2
GH3 N R2 ^О^иридии^ Нз N r2
/ [Г~\ CcHeCOONOj или С2Н5ОЫОг - [Г~
1 ? ...lHNO,1».Ll.11CH,COl2OL> О-no,
-10 + -15*С
NO;,
no2
HNO3 (КОНЦ.) HN°3+ one*M t_
или N?O4; 20 °C 4/\Z 90 °c
o2n no2
no2
o2n
HNO3 + HjSO«
---------;----
70 - 80 ’C
HNO3 + H2so4, 50 -c
--------------------->
HNO3 + олеум
50 - 60 ’C
V
HNO3 + олеум
140 - 150*C
СООСНз
hno3 + h2so,|
------------*
5- 15’С
СООСНз
' СООН
СООН
kno3+h2so4
НЫО3(конц.) +
+ олеум
120 - 145 ‘С
г
СОСНз
HNO3 + H-jSC^
СОСНз
NOj
HNO,(kohu.) +
+ H;S°4
95 ’С
HNO3 (безе.) +
+олеум
------------->
110’С
+NH3 HSO«
HNO3(kohii.) +
+H2S04
100 °C
KN03+ олеум
370 °C
N
Особое место занимает реакция нитрования фенола разбав-
ленной (20%-й) азотной кислотой, которую проводят при низ-
кой температуре; в более жестких условиях фенол полностью
осмоляется. В этих условиях, естественно, нет оснований пред-
полагать образование нитроний-катиона. Единого мнения о
механизме этой реакции нет. Одно из объяснений базируется
на предположении, что в азотной кислоте всегда имеется при-
месь азотистой кислоты, в результате протонировання которой
образуется нигрозоний, а не нитроний-катион:
H-O-N = O + H+ <=£ Н—О—N=0 » Н20 ++N = О
Н
Нитрозоний-катион нитроэирует фенол, а образовавшийся
продукт затем окисляется азотной кислотой до нитрофенола.
При этом регенерируется азотистая кислота.
Нитрующее действие разбавленной азотной кислоты припи-
сывают также присутствию в ней димера диоксида азота, при
протонированин которого образуется нитроний-катион.
Суммарный выход нитрофенолов не превышает 30% от тео-
ретического. Даже в этих мягких условиях из остальной части
фенола образуются смолообразные продукты окисления фено-
ла азотной кислотой, имеющие хиноидное строение. Сама азот-
ная кислота восстанавливается до азотистой, которая затем ге-
нерирует нитрозоний-катион. Вследствие этого полинитрофено-
лы нельзя получить непосредственно из фенола.
Для получения тринитрофенола (пикриновая кислота) ис-
пользуют следующий метод. Фенол предварительно сульфиру-
ют нагреванием с серной кислотой и полученную фенолди-
сульфокисдоту кипятят с концентрированной азотной кислотой.
При этом происходит электрофильное замещение обеих суль-
фогрупп и введение третьей нитрогруппы.
Анилин также очень легко окисляется, и его непосредствен-
но пронитровать не удается. В данном случае применяют так
называемую защиту аминогруппы: перед нитрованием ее аци-
лируют уксусным ангидридом или получают основание Шиффа
(действие бензальдегида), а по окончании реакции снимают
защиту гидролизом.
Сульфирование. Реакция сульфирования в отличие от боль-
шинства реакций электрофильного замещения в ароматическом
ряду обратима:
АгН + H2SO4 ArSO3H+H2O
В результате реакции выделяется вода, которая благопри-
ятствует смещению равновесия влево, поэтому в качестве суль-
8М
фирующего агента чаще всего используют олеум, моногидрат
или большой избыток концентрированной серной кислоты. При
проведении некоторых реакций образовавшуюся воду удаляют
азеотропной (толуол, ССЦ) или вакуумной перегонкой.
Сульфирование ароматических соединений можно осущест-
вить хлорсульфоновой кислотой, однако если количество этого
реагента превышает эквимольное, образуются сульфонилхлори-
ды ArSOiCI, а при недостатке реагента—сульфоны АгЭОгАг.
Реакция сульфох.торирования является одной из стадий синтеза сахарина
из толуола. При действии на толуол хлорсульфоновой кислоты образуется
смесь о- и п-толуолсульфо хлор и до в;
Необходимый для дальнейшего синтеза орто-изомер представляет собой
жидкость, и поэтому его легко отделить фильтрован Heit от твердого пара-изо-
мера. Дальнейшие превращения протекают по схеме:
NH3
СН3
so2nh2
[О]
/\COOH
^^'''SO2NH2
-Н20
Существенное влияние на направление реакции сульфиро-
вания оказывает температура. Например, сульфирование наф-
талина при температурах до 60°С дает а-изомср, а при 120—
]60°С — ^-изомер. Если а-нафта ли нсульфоки слоту нагреть с
моногидратом до 160 °C, то и.з нее также получается ^-изомер.
Как известно, «-положение в нафталине является более реак-
ционноспособным, так как при образовании п-комплекса поло-
жительный заряд может рассредоточиться без нарушения аро-
матической структуры второго кольца. Поэтому при кинетиче-
ском контроле, т. е. при проведении реакции в ограниченное
время и в мягких условиях, в преобладающих количествах об-
разуется а-изомер. Обратная реакция — десульфирование —
начинается с протоннрования молекулы сульфокислоты:
365
По причинам, изложенным выше, а-изомер протонируется,
а следовательно, и десульфируется также легче ^-изомера. По-
этому при проведении реакции в условиях термодинамического
контроля (длительное нагревание при повышенных температу-
рах) из первоначально образовавшегося а-изомера будет об-
разовываться более термодинамически устойчивый ^-изомер.
Реакция всегда сопровождается вхождением второй сульфо-
группы в незамещенное кольцо. Из а-изомера образуется смесь
1,5- и 1,6-дисульфокислот, а из ^-изомера— смесь 2,6- и 2,7-
дисульфокислот. В более жестких условиях удается ввести еще
две сульфогруппы, причем, в соответствии с правилом Армст-
ронга и Винна, эти группы не должны быть расположены от-
носительно друг друга в орто-, пара- и лери(1,8)-положениях.
Зависимость направления сульфирования от температуры
можно также проиллюстрировать на примере сульфирования
фенола. Если реакцию проводить при 20 °C, то образуется о-
фенолсульфокислота, а при 100 °C — лара-изомер. Повышение
температуры может привести к образованию продуктов даль-
нейшего сульфирования.
При сульфировании антрацена концентрированной H2SO4
образуется а-изомер, а при сульфировании разбавленной
H2SO4 при нагревании — ^-изомер.
На направление реакции влияют также катализаторы, осо-
бенно соли Hg2-;_. При сульфировании антрахинона в присутст-
вии каталитических количеств HgSOi сульфогруппа вступает в
«-положение, а в отсутствие катализатора—в ^-положение.
Наиболее вероятными электрофильными частицами в ре-
акции сульфирования являются молекула SO3 или ее протони-
рованная форма +ЗОгОН.
Так как электроотрицательность серы (2,5) меньше, чем
кислорода (3,5), то на атоме серы в SOs имеется большой де-
фицит электронной плотности. По этой причине SOs можно
рассматривать как электрофильный реагент. Он способен суль-
фировать ароматические соединения даже в апротонных раст-
ворителях в отсутствие серной кислоты. На этом основании
можно утверждать, что SO3 является не только сульфирующим
агентом, но и акцептором протона на заключительной стадии
реакции:
Образовавшийся при этом катион +SO2OH может быть ли-
бо донором протона с регенерацией SO3 и образованием суль-
фокислоты, лцбо электрофильной частицей, способной реаги-
ровать со второй молекулой бензола. Это подтверждается ки-
зсж
нетическими измерениями: рассматриваемая реакция имеет
третий порядок (первый по ароматическому соединению и вто-
рой по SO3).
При сульфировании олеумом серная кислота может прото-
нировать атом кислорода в SO3 еще до взаимодействия его с
бензолом, генерируя электрофильную частицу -SO2OH, по ак-
тивности соизмеримую с нитроний-катионом. Однако это пред-
положение менее вероятно, так как реакция сульфирования
протекает со значительным изотопным эффектом (5—6), нали-
чие которого легче объяснить, предполагая, что сг-комплекс об-
разуется за счет электронейтральной молекулы SO3, и отщеп-
ление протона От биполярного иона осуществить труднее, чем
от карбокатиона. В этом случае подход к о-комплексу акцеп-
тора протона затрудняется из-за возникающего между ним и
несущей полный отрицательный заряд группой SO3- электро-
статического отталкивания. Таким образом, отщепление про-
тона на завершающей стадии реакции в данном случае будет
происходить значительно медленнее, чем при проведении Дру-
гих реакций электрофильного замещения.
При сульфировании ароматических соединений разбавлен-
ной серной кислотой, в которой присутствие свободного SO3
маловероятно, предполагают, что сначала происходит протони-
рование серной кислоты, а после отщепления воды — образова-
ние электрофильной частицы +5ОгОН, которая и является
сульфирующим агентом:
О
II
н-о-5-о-н + н+<:
о
Реакции сульфирования некоторых ароматических соедине-
ний и условия их проведения приведены ниже (ароматические
субстраты расположены в порядке уменьшения их реакционной
способности):
О
X
SO3H
X = О, NH
367
на холоду
SO3H
308
НгЯОл{конц.), 20 ’С
---------------------->.
ияи SO3, ЮО’С
олеум (20% -й> HgSO4]
220 X
1. NaOH
2. Олеум
(15% -й)
200 X
К наиболее мягким сульфирующим агентам относятся комп-
лексы SOa с молекулами, способными быть донорами электро-
нов, например с диоксаном и пиридином. Чем нЫще основность
связывающих SOa соединений, тем мягче сульфирующее дейст-
вие комплексов. Эти комплексы используют при сульфировании
ацидофобных соединений, например фурана и пиррола, кото-
рые полимеризуются под действием протонных кислот и поэто-
34—1425
му не могут быть просульфированы серной кислотой:
Своеобразным методом, называемым «запеканием», сульфи-
руется в «ара-положение анилин. Этот метод заключается в
нагревании в течение нескольких часов при 180—190°С свеже-
приготовленной из эквпмольных количеств анилина и серной
кислоты соли анилина. Можно предположить, что продукт пер-
вой стадии реакции — сульфат анилина — при нагревании дис-
социирует подобно хлориду аммония, а образовавшийся при
этом свободный анилин затем сульфируется серной кислотой со
значительно большей скоростью, чем не успевшая продиссоци-
ировать соль:
+NH3
+ H2SO4 --->-
SQf
Сульфокислоты ароматического ряда ненамного уступают
по силе серной кислоте, поэтому образовавшуюся л-анилив-
сульфокислоту (сульфаниловую кислоту) обычно изображают
в виде внутренней соли (бетаина).
о-Анилинсульфокислоту, свободную от примеси других изо-
меров, получают из о-нитрохлорбензола:
2
Na2S.S
I.HNOj
70 X
м-Анилинсульфокислоту получают нагреванием анилина с
олеумом. На первой стадии реакции образуется соль анилина,
в которой группа +NH3 является-сильным мега-ориентантом.
370
Остальные ароматические соединения могут быть просуль-
фированы серной кислотой или олеумом различных концентра-
ций при соблюдении определенного температурного режима.
Из реакционной смеси образовавшиеся сульфокислоты вы-
деляют в виде натриевых солей, которые, в отличие от кальци-
евых и бариевых солей, плохо растворимы в воде.
Реакцию сульфирования широко применяют в синтетичес-
кой практике. Сульфогруппа может быть замещена на такие
нуклеофильные реагенту, как “ОН или “CN, сплавлением со-
лей сульфокислот с твердыми щелочами или с цианидом ка-
лия:
NaOH
-нго
SO3Na
NaOH (те.)
Сульфогруппу можно удалить нагреванием сульфокислоты
с разбавленной серной кислотой при 135—200 °C под давлени-
ем. Эту реакцию используют для временного блокирования оп-
ределенных положений бензольного кольца. Например, для по-
лучения 2,6-днбромфенола целесообразно сначала просульфи-
ровать фенол при 100°С, провести бромирование полученной
и-фенолсульфокислоты, а затем удалить сульфогруппу указан-
ным выше способом:
нгзо,.
нго
Сульфогруппу можно заменить на нитрогрулпу
концентрированной азотной кислоты. Эту реакцию
при получении пикриновой кислоты из фенола:
действием
используют
2Hgso^
Ido "с *
ЗНЫО3
^2Н2БСц”
24;
Предварительное введение в ароматическое ядро сульфо-
групп значительно снижает его способность окисляться при
дальнейшем воздействии концентрированной азотной кислоты.
Сульфокислоты используют для получения некоторых ле-
карственных препаратов, например белого стрептоцида (62),
дисульфана (63), норсульфазола (64) и др.
H2N-^y SO2NH2 H2N~^__/~SO2NH'~\_7~ sq2nh2
(62) <е3>
(64)
Галогенирование. Из реакций галогенирования (замещения
атома водорода в ароматическом ядре на атом галогена) пре-
паративное значение имеют хлорирование и бромирование.
При действии газообразного фтора на ароматическое соеди-
нение он присоединяется по кратным связям, при его избытке
разрушается образовавшееся первоначально вещество. ФтОр-
бензол может образоваться только в том случае, если действо-
вать газообразным фтором, разбавленным азотом, на раствор
бензола в пиридине при —15°С. Фторбензол предпочитают по-
лучать косвенным путем через диазосоединечПя (см. гл. 6).
Прямое иодирование ароматических соединений осложняет-
ся тем, что в качестве побочного продукта образуется сильный
восстановитель (HI), который способствует протеканию реак-
ции в обратном направлении;
Аг - Н + 12 Ar - I + HI
I
Для нейтрализации HI реакцию проводят в присутствии окис-
лителей (HNO3, HgO).
Для того чтобы генерировать электрофильную частицу из
молекул хлора или брома, их необходимо поляризовать. Этого
Можно достигнуть, используя катализаторы двух типов.
1. Кислоты Льюиса — безводные галогениды металлов
(обычно железа и алюминия). На атомах металлов в этих со-
лях имеется большой дефицит электронной плотности, а атомы
трехвалентных металлов склонны к достройке внешней элект-
ронной оболочки до октета. Взаимодействуя как электрофилы
372
С молекулой галогена, такие соли вызывают её поляризацию,
генерируя положительно заряженный атом галогена:
6 + 6 4. 6 —
Bf-Br + FeBr3-----> [Вг- -Br---FeBr3] ----* Br+[FeBr4]-
По степени активирующего действия кислоты Льюиса, ко-
торые иногда называют «переносчиками галогенов», распола-
гаются в ряд:
FeBr3>AIBr3>ZnBr2>SbBr3>CuBr2>PBr3
Иногда реакцию галогенирования проводят бромом в при-
сутствии железных стружек. В этом случае в первую очередь
происходит взаимодействие металла с галогеном с образова-
нием FeBr3. Таким способом генерируется весьма активная и
компактная электрофильная частица.
Наиболее активными галогенирующими агентами, в кото-
рых катион галогена имеется в явной форме, являются перхло-
раты хлора и брома, которые образуются при действии на со-
ответствующий галоген перхлоратом серебра, например:
Ад+С1О7+С1г ---* AgCI + CI+СЮд
Таким реагентом можно галогенировать лаже наименее ре-
акционноспособные субстраты.
При хлорировании и бромировании ароматических соедине-
ний в качестве активатора используют также иод, действие ко-
торого объясняют следующим образом:
Ч
С12 + 12 —► 2I+CI 1+ + С12 —ICI + CI+
Активирующее действие в рассматриваемой реакции оказы-
вают также полярные растворители, например диметилсульф-
оксид.
2. Катализаторы, обладающие нуклеофильными свойствами
(диоксан, вода). Эти соединения поляризуют молекулу галоге-
на, причем генерируется электрофильная частица с рассредо-
точенным положительным зарядом и поэтому менее активная,
обладающая к тому же значительными размерами:
X - X + Н2О-*-Х - - - X • -^он2
373
Некоторые ароматические субстраты, имеющие электроно-
донорные заместители, способны сами поляризовать молекулы
галогенов, и их можно Прогалогениронать, проводя реакцию в
отсутствие катализаторов в инертных растворителях (бензол,
ССЦ и др.). У этих ароматических соединений л-электронная
плотность бензольного кольца настолько повышена, что, сме-
щаясь в сторону одного из атомов галогена, она сама вызывает
поляризацию молекулы галогена с образованием о-комплекса
без участия «переносчиков галогена»:
Реакции бромирования некоторых ароматических соедине-
ний и условия их проведения приведены ниже (ароматические
субстраты расположены в порядке уменьшения их реакционной
способности):
374
В(а (1 моль), CgHj
378
Bf2, CCIt (илиСаНс)
50-60 eC
Br
(55%) (7-10%)
37fi
Вгг
50-60 °C
По увеличению активности бронирующие агенты н броми-
ды металлов можно расположить в следующие ряды:
Вг2, Н2О<Вг2, СН3СООН<Вг2, CS2<Br2, МВгп <Bi2, AgCIO4
CuBr2<SbBr3<ZnBr2<AlBr3<FeBr3
Наиболее легко галогенируются пятичленные гетероцик-
лы — фуран и пиррол. При действии на пиррол бромной воды
сразу получается тетрабромпиррол. При действии иода в при-
сутствии KI также получается тетраиодпроизводное. Менее ак-
тивен фуран. При действии диоксандибромида на фуран, ох-
лажденный до 0 °C, образуется монобромид, а при действии
хлора или брома в СС14 — а,а'-дигалогенид. Тиофен еще менее
реакционноспособен. Моногалогенпроизводное можно получить
при действии на тиофен сульфурилхлорида, рассчитанного ко-
личества брома в бензоле или иода в присутствии HgO.
Фенол и анилин бронируются очень легко (даже при ком-
натной температуре) бромной водой и образуют сразу трибро-
миды (активирующее действие воды рассмотрено выше).
Снизить реакционную способность аминогруппы в анилине
и ввести в молекулу меньшее число атомов брома удается, ес-
ли предварительно защитить аминогруппу действием уксусного
ангидрида. Замещение одного атома водорода на электроноак-
цепторную ацильную группу заметно снижает +М-эффект ато-
377
ма азота. После проведения реакции с галогенирующим аген-
том ацильную группу можно удалить гидролизом.
При взаимодействии фенола с бромом реакция не останав-
ливается на образовании трибромфенола. Из-за большого 4-Л1-
эффекта группы ОН еще одна молекула активированного бро-
ма атакует уже занятое лара-положение («мисо-атака»), и об-
разуется тетрабромциклогексадиенон (65). Строение этого
соединения было доказано превращением его при гидролизе в
уже известный 2,6-дибромбенэохинон (66).
ОН
Для получения изомерных моно- и дибромфенолов (за иск-
лючением п-бромфенола) предварительно защищают одно или
два положения сульфогруппами, а после бромирования удаля-
ют сульфогруппы нагреванием с перегретым водяным паром.
л-Бромфенол получают, используя мягкий бронирующий
агент — диоксандибромид, в котором электрофильная частица
имеет большой объем, что предохраняет орто-положения в фе-
ноле от бромирования.
Интересные результаты получаются при бромировании гвая-
кола (о-метоксифенол) (67); бромирование идет преимущест-
венно в лара-положение к группе ОН, так как +А1-эффект
этой группы больше, чем группы ОСН3. Картина меняется, ес-
ли бромировать ацилированный гваякол (68). В данном соеди-
нении + Л1-эффект метоксигруппы больше, чем в группе
СНзСОО, в которой атом кислорода, ответственный за + At-
эффект, связан с электроноакцепторной ацильной группой, и
бромирование идет в лара-положение к метоксигруппе.
У каждого ароматического кольца флуорена (69) наблюда-
ется несогласованная ориентация Находящимися в орто-поло-
жении друг к другу двумя электронодонорными заместителями;
*7?
метиленовой группы ( + /-эффект, Л1 = 0) и второго ароматиче-
ского кольца ( + Л1- и —/-эффекты). Так как на направление
реакции решающее влияние оказывает + Л1-эффект, то электро-
фил— бром — предпочтительно атакует атомы С-2 и С-7.
Особо следует подчеркнуть, что галогенирование бензаль-
дегида и ацетофенона проводят в присутствии А1С1з- Известно,
что эти субстраты в отсутствие А1С13 реагируют с галогенами
по радикальному механизму; из бензальдегида образуется га-
логенангидрид бензойной кислоты, а из ацетофенона — гало-
генацетофенон:
С6Н5СНО + Х2—> с6н5сох + нх
с6н5сосн3 + х2----*с6н5соснгх + нх
В заключение следует отметить, что пиридин бронируется
в исключительно жестких условиях, причем заместитель на-
правляется в jj-положение. Это можно объяснить следующим
образом. Несмотря на то что реакцию бромирования в отличие
от реакций нитрования и сульфирования проводят в отсутствие
протонных кислот и реакции электрофильного замещения не
предшествует протонирование атома азота и образование соли
пиридиния с дезактивированным ароматическим кольцом, все
равно и в данном случае наблюдается аналогичная дезактива-
ция.
Подобно диоксану и воде, пиридин, реагируя как основа-
ние, поляризует молекулу брома, образуя ионную пару, в ка-
тионе которой атом азота пиридина приобретает частичный по-
ложительный заряд, что также должно приводить к существен-
ному снижению его реакционной способности в последующей
реакции бромирования.
Алкилирование. Для алкилирования ароматических соеди-
нений можно использовать алкилгалогениды (реакция Фриде-
ля— Крафтса), алкены и спирты. Низшие алкены и спирты
доступны (алкены выделяют из газообразных продуктов кре-
кинга нефти, а спирты получают из монооксида углерода в
присутствии катализаторов или гидратацией алкенов при низ-
кой температуре), поэтому алкилирование бензола этими аген-
тами находит промышленное применение.
Алкилирование алкилгалогенидами. Алкилирование бензола
обычно проводят в присутствии каталитических количеств без-
37?
иодных галогенидов некоторых металлов
СбНб + RX ---*-C6H5R + НХ
По активности в реакции алкилирования галогениды метал-
лов можно расположить в ряд:
AIBr3>AICI3>FeCh>ZrCI4>BF3>ZnCI2>SnCI4
По-видимому, при проведении этой реакции (как и при вза-
имодействии с молекулой галогена) эти соли координируются
атомом металла, имеющим дефицит электронной плотности,
с атомом галогена алкилгалогенида, на котором сосредоточи-
вается избыточная электронная плотность. Такое взаимодейст-
вие сопровождается достройкой внешнего электронного уровня
металла до октета и образования ионной пары (71) с положи-
тельным зарядом на атоме углерода алкильной группы:
8 + б—
R - X + А1Х3^=: R - - - X - - - А1ХЭ<~^ [R+ А1Хд )
(70) (71)
Казалось бы, этому противоречит тот факт, что раствор эк-
вимольной смеси алкилгалогенида и галогенида алюминия в
инертных растворителях не проводит электрический ток. Одна-
ко о том, что взаимодействие алкилгалогенида с катализато-
ром не останавливается на сталии образования поляризованно-
го состояния (70), а приводит к ионной паре (71), свидетель-
ствует, во-первых, тот факт, что я-пропплбромид при действии
на него бромида алюминия в CS2 быстро изомеризуется в изо-
пропилбромид, и, во-вторых, то, что при алкилировании бензо-
ла «-пропил- и я-бутилгалогенидами в преобладающих количе-
ствах образуются изопропил- и етор-бутилбензолы, а при алки-
лировании бензола нзобутилхлоридои образуется исключитель-
но трет-бутилбензол:
снсн,сн,х
С6Н6 - » С6Н5 - СН(СН3)2 + С6Н5 - СН2СН2СН3
AiCi3
(65-60%) (20-35%)
с6н6 (СНзкснЕ-н.г£к^с£н5 - С(СН3)3
Промежуточное образование в ходе реакции комплексного
аниона А1Хс, являющегося акцептором протона при разложе-
нии о-комплекса на заключительной стадии реакции, доказано
методом меченых атомов. При реакции с RC1) содержащим ме-
ченый атом хлора, метка оказывается как в хлориде алюми-
ния, так и в выделившемся газообразном НС1, Меченый хлор
880
может появиться й хлориде алюминия Только в том случае,
если в реакционной смеси хотя бы на короткое время образу-
ется анион А1С]4“. Даже в отсутствие ароматического соедине-
ния при смешении алкилхлорида, содержащего меченый гало-
ген, с хлоридом алюминия, содержащим только обычный хлор,
при низких температурах метка переходит в хлорид алюминия.
11а основании всего сказанного можно утверждать, что рав-
новесие, приведенное ниже, действительно существует, но оно
сильно смещено влево. В присутствии ароматического субстра-
та R+ часто, предварительно успев изомеризоваться в более
устойчивый карбокатион, образует с ним о-комплекс и тем са-
мым способствует смещению равновесия вправо, в сторону об-
разования ионной пары.
КХ +А1Х3.--^ R+ А1Х;
На основании приведенных выше примеров реакций можно
утверждать, что еще до взаимодействия с ароматическим суб-
стратом входящий в ионную пару неустойчивый первичный
карбокатион (72) в результате гидридного сдвига может пе-
регруппироваться в более устойчивый, термодинамически бо-
лее выгодный карбокатион (73) с положительным зарядом на
вторичном атоме углерода, а карбокатион (73) .затем образует
с-комплекс с субстратом.
+ +
СН3 - СНг - СН2—»СНЭ -СН - СН3
(72) (73)
На соотношение нормального и изомеризованного продукта
алкилирования влияют два фактора: пространственные препят-
ствия, возникающие при образовании a-комплекса, и степень
основности ароматического субстрата.
Влияние пространственных факторов можно проиллюстри-
ровать на примере реакции алкилирования толуола н-пропил-
хлоридом в присутствии А1С1з, Входящий в ионную пару кар-
бокатион [С3Н7] \ атакуя в толуоле паря-положение, не встре-
чает пространственных затруднений и образует ц-комплекс с
большой скоростью, не успевая претерпеть изомеризацию. На-
против, при образовании о-комплекса за счет орто-положения
из-за пространственных затруднений, создаваемых метильной
группой толуола, скорость реакции уменьшается и, следова-
тельно, увеличивается вероятность предварительной изомериза-
ции алкилирующего карбокатиона. По этой причине в образу-
ющейся смеси изомеров лара-изомер содержит преимуществен-
но «-пропильную группу-, а ортю-нзомер —- изопропильную груп-
пу.
381
Влияние основности алкилируемого субстрата хорошо вид-
но на примере реакций алкилирования я-октилбромидом бен-
зола, толуола и мезитилена. Содержание в образующихся сме-
сях изомеров продуктов нормального строения составляет
10—30% для бензола, 68% для толуола и 88% для мезитилена.
Таким образом, несмотря на неблагоприятные пространствен-
ные факторы (экранирование незамещенных положений метиль-
ными группами), мезитилен, в котором имеется согласованное
влияние трех электронодонорных метильных групп, оказывает-
ся гораздо более реакционноспособным субстратом и реагиру-
ет с н-октилбромидом со скоростью, исключающей предвари-
тельную изомеризацию карбокатиона.
По алкилирующей способности алкилгалогениды располага-
ются в ряд: RF>RCl>RBr> RI.
По-видимому, такая закономерность связана с большей
электроотрицательностью атома фтора по сравнению с другими
галогенидами, а также большей легкостью образования хлори-
дом алюминия комплексного аниона за счет р-электронов фто-
ра, чем за счет находящихся на более высоких энергетических
уровнях р-электронов других галогенов.
С этих позиций можно объяснить следующие эксперимен-
тальные факты: в присутствии А1Вг3 метилбромид реагируете
бензолом в 200 раз быстрее, чем метилиодид; в присутствии
BF3 гексилфторид алкилирует бензол, а гексилбромид — нет.
Последний факт может быть связан также с большей устойчи-
востью аниона BF4~ по сравнению с ВЕзВг~.
Скорость реакции алкилирования зависит также от строе-
ния радикала в алкилгалогениде и увеличивается с возраста-
нием стабильности образующегося катиона. Реакционная спо-
собность алкилгалогенидов увеличивается в ряду:
CH3Br<CH3CH2Br<(CH3)2CHBr<(CH3)CBr<CH2 = СНСН2Вг =
*С6Н5СН2Вг<(С6Н5)3СВг
Избирательность реакции алкилирования невысока, посколь-
ку при взаимодействии хлорида алюминия с алкилгалогенидом
образуется активная электрофильная частица. Например, при
изопропилировании образуются смеси, содержащие приблизи-
тельно равные количества изомеров (в %):
арпш мета пзра
Толуол 37,8 28,4 33,8
Изопропилбензол 7,2* 43,0 49,8
* Заниженное количество орто-изо мер а можно объяснить пространственными
затруднениями, возникающими при образовании о-комплекса.
382
На завышенный выход .метп-изомера, образующегося вопре-
ки правилам ориентации, существенное влияние оказывает еще
одно обстоятельство.
В результате взаимодействуя алкилбензола с алкилгалоге-
нидом [уравнение (5.1)] в качестве побочного продукта обра-
зуется галогеноводород, который может протонировать образо-
вавшийся диалкилбензол, основность которого выше, чем у бен-
зола и алкилбензола.
С6Н5 - R + R'- X- С6Н4-R'+ НХ (5.1)
При протонировании получившихся в преобладающих коли-
чествах в соответствии с правилами ориентации орто- и пара-
изомеров образуются а-комплексы (74) и (75), в которых в
рассредоточении положительного заряда может принимать
участие только одна из двух алкильных групп независимо от
того, какое из незанятых положений ароматического кольца
атакует протон.
Протон может атаковать и занятое одной из алкильных
групп орто-положение (шгсо-атака) с образованием о-комплек-
сов, способных изомеризоваться в более термодинамически ус-
тойчивые .четд-нзомеры.
Так, при действии на о- и n-ксилолы комплексом HF-BFs
(HBF4), являющимся одной из самых сильных протонных кис-
лот, происходит частичная изомеризация с образованием л<-кси-
лол а.
С этих позиций становится понятным и тот эксперименталь-
ный факт, что при алкилировании бензола избытком метилхло-
рида в условиях кинетического контроля предпочтительно обра-
зуется 1,2,4-триметилбензол, а при длительном нагревании в
условиях термодинамического контроля — наиболее устойчивый
1,3,5-триметилбензол (мезитилен):
Согласно Приведенной выше схеме, в реакциях алкилирова-
ния ароматических соединений алкилгалогенидами галогениды
металлов непосредственного участия це принимают, и поэтому
их надо брать в каталитических количествах. Однако недавно
было установлено, что при использовании эквимольных коли-
честв галогенида алюминия выход продукта алкилирования
можно увеличить до 90%.
Реакция алкилирования — единственная реакция электро-
фильного замещения, в результате которой электронная плот-
ность ароматического кольца, а следовательно, и его основ-
ность увеличиваются. На этом основании можно предполо-
жить, что продукт алкилирования способен образовывать с
хлоридом алюминия более прочный л-комплекс, чем исходный
субстрат, и это препятствует дальнейшему участию А1С1з в ка-
честве катализатора реакции алкилирования исходного субст-
рата.
Алкилирование алкенами. В этом случае в качестве катали-
заторов используют галогениды различных металлов (Al, Fe,
Be, Ti, Zn и др.), а также минеральные кислоты, которые ио
активности можно расположить в ряд: HF>HgSO4>HsPO^.
Недостатками этого способа алкилирования является то,
что реакция сопровождается скелетной изомеризацией н поли-
меризацией алкена, а при использовании серной кислоты—
сульфированием ароматического соединения.
Предполагают, что в присутствии минеральных кислот На
первой стадии происходит протонирование исходного алкена
3W
с образованием карбокатиона:
4-
RCH - СН2 + Н+ —* RCH - СН3
Реакционная способность алкенов зависит от устойчивости
образующихся карбокатионов и увеличивается в ряду:
СН2 = CH2<RCH = CH2<R2c = сн2
В настоящее время считают, что продолжительность жизни
карбокатиона в концентрированной и водной серной кислоте
настолько велика, что до образования о-комплекса с арома-
тическим соединением он успевает претерпеть все свойственные
карбокатионам превращения (гидридный сдвиг, миграция карб-
аниона, отщепление протона).
При использовании в качестве катализатора кислот Льюиса
интермедиатом является ионная пара:
К~СН=СНг 4- А1С1а—> R—СН^СН8~-ДКЯЭ
Катион этой ионной пары, взаимодействуя с ароматическим
субстратом, образует продукт алкилирования, радикал кото-
рого имеет разветвленное строение.
Алкилирование спиртами. При этом в качестве катализато-
ров чаще всего используют фосфорную кислоту, хлорид алюми-
ния (при повышенных температурах), трифторид бора, реже —
серну о кислоту. При алкилировании в паровой фазе применя-
ют оксид алюминия.
С наибольшими выходами реагируют трет-бутиловый, алли-
ловый и бензиловый спирты, дифенил- и трифенилметанолы.
Труднее всего реагируют метиловый ц этиловый спирты. На
этом основании можно утверждать, что и в этом случае алки-
лирующим агентом является карбокатион и его образованию
предшествует протонирование атома кислорода гидроксильной
группы с последующим отщеплением воды или координация по
этому атому кислорода кислоты Льюиса;
R - 0 - Н + Н+-> R - О - Н
-н,0 R+
L Н J
R - О - Н +A[Cl3^R-O- Д[С13-* R+
И
£5—1425
385
Алкилирование первичными спиртами приводит к втор-ал-
килбензолу, поэтому не исключено, что в некоторых случаях в
качестве промежуточного продукта образуется алкен.
К реакциям алкилирования можно отнести и взаимодейст-
вие ароматического соединения с оксираном с образованием
p-арилэтилового спирта:
АгН + Н2С— СН2 1А1С'Э> Аг СН2СН2ОН
\ / 2.H3Oh
О
В лабораторных условиях реакции алкилирования имеют
ограниченное применение. Это объясняется следующими причи-
нами.
I. При проведении реакции не удается остановиться на ста-
дии образования продукта моноалкилирования, так как этот
продукт вследствие электронодонорных свойств алкильной
группы более реакционноспособен, чем исходный ароматичес-
кий субстрат. Для ограничения выхода полиалкилбензолов не-
обходим большой избыток ароматического субстрата или при-
сутствие катализатора, способного избирательно образовывать
я-комплекс с более основным продуктом реакции.
2. Реакция алкилирования обратима. Особенно легко в ус-
ловиях реакции дезалкилируется трет-бутилбензол. Эту реак-
цию используют в промышленности для получения кумола ал-
килированием бензола пропиленом. При этом из фракции, со-
держащей диизопропилбензол, удается дезалкилированием по-
лучить дополнительное количество кумола.
3. Полиалкилбензолы способны алкилировать бензол, на-
пример:
С2Н5
Ди- и триэтилбензолы
4. В процессе алкилирования возможно диспропорциониро-
вание продуктов реакции. Например, из моноэтилбензола об-
разуются диэтилбензол и бензол:
При этом первичная алкильная группа не изомеризуется.
Например, при диспропорционировании м-бутилбензода под
ДО
влиянием хлорида алюминия получается 1,3-ди-н-бутилбензол.
Однако вторичные и третичные алкильные группы могут изо-
меризоваться. Механизм реакции окончательно не установлен.
5. При алкилировании бензола первичными алкилгалогени-
дами (Сз и выше) не удается получить н преобладающих коли-
чествах н-адкилбеизолы.
б. При алкилировании монозамещенных бензолов образует-
ся смесь приблизительно равных количеств всех трех изомеров.
В лабораторных условиях реакцией алкилирования можно
получить с препаративными выходами дифенилметан и трифе-
нилхлорметан;
c6n5cn2ci +с6н6 —С»с6н5сн2с6н5
СС14 + ЗС6Н6 ±’3^ (С6Н6)3СС1
В последней реакции образовавшийся трифенилхлорметан
не способен алкилировать четвертую молекулу бензола*. Это
можно объяснить тем, что в трифенилметил-катионе положи-
тельный заряд сильно рассредоточен, а центральный атом угле-
рода экранирован фенильными группами.
6 +
Ацилирование. Ацилирование ароматических соединений по
Фриделю—-Крафтсу обычно осуществляют хлорангидридамц
или ангидридами карбоновых кислот в присутствии более чем
эквимольных количеств галогенидов алюминия (кислот Лью-
иса).
По аналогии с реакцией алкилирования эта реакция долж-
на была бы протекать по описанному выше механизму с обра-
зованием в качестве электрофильной частицы ацилий-катиона;
R - COCI + AICl3-> R - С -О AlCl7
* Тетр а фенил мет ан можно Ко л учить действием на трнфекилхлорметак фенил-
магнийбромидом.
25*
387
Однако некоторые факты заставляют подходить к такой ин-
терпретации механизма с осторожностью. Во-первых, если При
проведении алкилирования можно использовать каталитичес-
кие количества хлорида алюминйя, то для ацилирования даже
при использовании в качестве ацилирующего агента хлоран-
гидрида кислоты требуется более чем эквимольное количество
AICI3. Это может означать, что хлорид алюминия не высвобож-
дается при завершении реакции, а остается связанным в конеч-
ном продукте.
Во-вторых, ацилирование можно Проводить не только хлор-
ангидридами и самими карбоновыми кислотами (по аналогии
с алкилированием алкилгалогенидами и спиртами), ио и дру-
гими производными карбоновых кислот; при этом требуются
большие, чем эквимольные, количества хлорида алюминия.
По реакционной способности в реакции ацилирования не-
которые Производные кислот можно расположить в ряд:
RCOCl>(RCO)20>RCN>RCOOR'>RCOOH
У всех этих соединений присутствует группа, в которой име-
ется поляризованная кратная связь между атомом углерода и
атомом более электроотрицательного элемента — кислорода
или азота.
В-третьих, реакционная способность ацнлгалогенидов, со-
держащих различные галогены, изменяется в последовательно-
сти, обратной той, которая наблюдается у алкилгалогенидов:
RCOF<RCOCJ<RCOBr<RCOI
Эти факты дают основание предполагать, что существует
принципиальное различие в характере взаимодействия хлори-
да алюминия с алкилгалогенидами и ацнлгалогенидами.
В алкилгалогениде единственным местом с повышенной
электронной плотностью, по которому может координироваться
хлорид алюминия как кислота Льюиса, является атом галоге-
на. В ацилгалогениде таких мест два: атом галогена и атом
кислорода карбонильной группы.
Известно, что дипольный момент алкилгалогенида меньше,
чем у соответствующего карбонильного соединения. Например,
для СНзСНзО ц. = 2,00 Д, тогда как для СНзСНО ц = 2,75 Д.
Помимо того, что кислород более электроотрицателен, чем
хлор, кратная связь кислорода с углеродом в карбонильной
Группе более поляризуема, чем ординарная связь С—CI.
Таким образом, в группе COCi наибольшая избыточная
электронная плотность сосредоточена не на атоме хлора, а на
атоме кислорода, поэтому есть больше оснований предполагать,
388
что хлорид алюминия координируется не по атому хлора, а по
атому кислорода, образуя комплекс (76). Этот комплекс энер-
гетически выгоден, так как в нем имеется возможность допол-
нительного рассредоточения положительного заряда, возникаю-
щего на атоме углерода, в результате участия неподеленных
пар электронов атома хлора. Факт координации хлорида алю-
миния по атому кислорода ацнльиой группы подтверждается и
спектроскопическим методом. При образовании комплексов хло-
рида алюминия с ацилхлоридамн полоса поглощения в УФ-
спектре, как и при взаимодействии с кетонами, сдвигается в
более длинноволновую область.
0А1С13
R-C-CI (76)
Итак, если предположить, что комплекс хлорида алюминия
с ацетилхлоридом образуется за счет атома кислорода карбо-
нильной группы, а не атома галогена, то можно удовлетвори-
тельно объяснить все приведенные выше факты.
Прочная связь атома кислорода карбонильной группы с
хлоридом алюминия сохраняется не только при образовании
о-комплекса, но и в конечном продукте ацилирования. Поэтому
в реакции требуется как минимум эквнмольное количество хло-
рида алюминия при ацилировании галогенангидридами и более
чем двойное — при ацилировании другими производными кар-
боновых кислот.
Ацилирующая способность комплекса (76) зависит от поло-
жительного заряда на атоме углерода карбонильной группы.
Чем в большей степени он погашается при мезомерном взаимо-
действии с неподеленными ларами электронов связанных с ним
атомов, тем меньше его ацилирующая способность. Так как
мезомерное взаимодействие р-электронов атома кислорода
больше, чем галогенов, все кислородсодержащие функциональ-
ные производные кислот — менее сильные ацилирующие аген-
ты, чем хлорангидриды.
Из кислородсодержащих производных наиболее сильные
агенты — ангидриды, в которых атомы кислорода связаны с
электроноакцепторными группами. Сами кислоты слабее, так
как они частично диссоциированы на ионы. Кроме того, кисло-
та в первую очередь реагирует с хлоридом алюминия, образуя
соль (77), в которой еще в большей степени, чем в кислоте,
проявляется + М-эффект атома кислорода.
RCOOH + AICI3-*RCOO +А1С13 + HCl
(77)
38»
Если принять, что А1С1з координируется по атому кислоро-
да, станет понятным, почему фторангндриды кислот менее ак-
тивны, чем иодангндрпды. Неподеленные пары электронов ато-
ма фтора, как и л-электроны карбонильной группы, находятся
на 2р-уровне, и их мезомерное взаимодействие, приводящее к
уменьшению положительного заряда на атоме углерода, реали-
зуется более полно, чем взаимодействие 5р-электронов атома
иода.
В пользу предположения, что ацилирующим агентом в ре-
акции Фриделя — Крафтса является не ацилий-катион, соизме-
римый по размерам с нитроний-катионом, а более крупная час-
тица (76), включающая молекулу хлорида алюминия, свиде-
тельствует также следующий факт. Известно, что при ацили-
ровании трет-бутплбензола ацетилхлоридом получается 98,2%
пара-изомера, 1,8% мета-изомера и совершенно не образуется
орто-изомер, в то время как при нитровании этого соединения
все же образуется 16% орто-изомера. По-видимому, объемис-
тая грет-бутильная группа, экранируя орто-положения бензоль-
ного кольца, создает непреодолимые пространственные затруд-
нения для крупной ацилирующей частицы, оставляя их все-
таки доступными для компактного нитроний-катиона.
В отличие от реакции алкилирования ацилирование по Фри-
делю—Крафтсу находит широкое применение в лабораторной
синтетической практике. Это обусловлено следующими причи-
нами.
1. Ацилирование ароматического кольца протекает значи-
тельно более однозначно. Ацильная группа является электроно-
акцепторной и, следовательно, понижает реакционную способ-
ность ароматического соединения, поэтому диацилпроизводное
может образоваться только в более жестких условиях.
2. Ацилирование ароматического ядра, подобно нитрованию,
в подавляющем числе случаев идет необратимо.
3. Электрофильная реакционная способность ацилирующей
частицы меньше, чем у частицы, образующейся при взаимодей-
ствии хлорида алюминия с алкилгалогенидами, поэтому реак-
ция идет более селективно. При ацилировании моноалкилбен-
золов образуется преимущественно пара-изомер (>90%); если
пара-положение занято алкильной группой, ацилирование идет
в орто-положение. Монозамещенные бензолы с электроноакцеп-
торными группами не удается ацилировать с хорошим выхо-
дом.
Ацилирование по Фриделю—Крафтсу позволяет синтезиро-
вать соединения различных классов: жирноароматические и
ароматические кетоны, карбоновые кислоты, их эфиры и ами-
ды, оксокислоты, карбо- и гетероциклические соединения:
С6Н6 + RCOCI —ii C6H5COR (R = Aik, C6H5)
390
2С6Н6 + С0С12 С6Н5СОСвН5
С6Н6 + С0С12 CeH5COCI Ud С6Н5СООН
с6н6+ cicooc2h5-^!2Xc6h5cooc2h5
С6Н5 + CICONR2 -MS^C6H5CONR2
1.AICI3
2,Нг0
СОС6Н5
СООН
^со
Нг? \ + СвНв-Й^СвНвСОСНгСН2СООН
Н3С f 2-нг°
2 ^со
S-CH2COCI
AICI3
------->
Перегруппировка Фриса. Фенол обладает высокой реакци-
онной способностью и склонностью к смолообразованию, по-
этому получить с хорошими выходами моноацилированное про-
изводное фенола по Фриделю — Крафтсу не удается. Однако
этой цели можно достигнуть, если предварительно получить
О-ацнльное производное фенола и затем нагреть его с хлори-
дом алюминия:
ONa nC0CL^ (Q/-OCOR—'4RC0—
Миграция ацильной группы идет предпочтительно в пара-
положение. а если оно занято — то в орто-положение. Предпо-
391
лагают, что эта реакция протекает по межмолекулярному ме-
ханизму с промежуточным образованием ацилхлорида:
OCOR
AiCi3
OCOR + RCOCI-* RC
ОА1С1г + RCOCI
OCOR
А1С13
RCO
О AIC12 + RCOCI и т, д.
Действительно, если нагревать с хлоридом алюминия смесь
двух различных эфиров, у которых различны как ацильные,
так и арильные части молекул, то образуется смесь всех воз-
можных гидроксикетонов:
К реакции ацилирования по Фриделю — Крафтсу примыка-
ют еще пять именных реакций электрофильного замещения:
Реакции Гаттермана — Коха, Гаттермана, Губена — Геша,
ильсмайсра и Раймера — Тимана, позволяющие также ввести
в ароматическое соединение ацильную группу.
Реакция Гаттермана — Коха заключается во взаимодейст-
вии ароматического соединения со смесью хлороводорода и
монооксида углерода в присутствии хлорида алюминия.
С бензолом реакция идет при повышенном давлении. В резуль-
тате реакции образуются ароматические альдегиды:
АгН + НС1 + СОАг С НО
Прежде чем описывать механизм реакции, целесообразно рассмотреть
строение молекулы СО. Формально структурная формула СО с учетом элекг-
роков на внешнем уровне элементов н возможной валентности кислорода долж*
на была бы выглядеть так:
:С = 6;
Однако исходя из такой формулы невозможно объяснить, почему молеку-
ла СО имеет очень небольшой дипольный момент (0,1 Д; у формальдегида
ji=2,3 Д) и почему, несмотря на наличие только секстета электронов на внеш-
ней электронной оболочке атома .углерода, молекула СО химически сравни-
тельно инертна, а не ведет себя подобно карбену. Остается предположить, что
в молекуле СО достройка внешнего электронного уровня атома углерода до
октета осуществляется внутри самой молекулы за счет одной из иеподеленных
пар р-электронов атома кислорода:
. - ’О- - 4*
:с=о: —> :а=о
Прн таком подходе требуется разъяснить, почему такая молекула с раз-
деленными зарядами имеет небольшой дипольный момент и почему атом угле-
рода, несущий полный отрицательный заряд и неподеленную пару электронов,
не обладает ни основными свойствами, ни нуклеофильной реакционной способ-
ностью.
Дипольный момент молекулы СО Невелик, потому что при его оценке надо
учитывать, что л-электроны кратных связей должны быть поляризованы в сто-
рону более электроотрицательного атома кислорода,
Отсутствие основности и нуклеофильной реакционной способности атома
углерода можно объяснить тем, что он находится, как и в ацетилене, в со-
стоянии sp-гпбрндиэации. Если учитывать, что в отличие от ацетилена в СО
атом углерода связан с более электроотрицательным атомом кислорода, кис-
лотность связи С—И в случае присоединения протона к СО будет еще выше,
чем в ацетилене.
Предполагают, что рассматриваемая реакция начинается
со взаимодействия СО с НС( с образованием формилхлорида,
который устойчив только в виде комплекса с хлоридом алюми-
ния:
:С=О: + Н+ ^±:^Н-С = О^
0 ~| О-А1С13
н- С - Ci - С - CI
б +
Этот комплекс реагирует с ароматическими субстратами
аналогично ацилгалогеиидам в реакции Фриделя — Крафтса.
В отличие от формилхлорида формилфторид был выделен в
свободном состоянии. В присутствии BFs он способен формили-
ровать такие ароматические соединения, как толуол и мезити-
лен. Это может служить подтверждением правильности рас-
смотренного выше механизма реакции Гаттбрмана — Коха.
Реакция Гаттермана—Коха имеет ограниченное примене-
ние, Например, фенолы, эфиры фенолов и особенно ароматиче-
ские амины нельзя формнлнровать этим способом. По-видимо-
му, в условиях проведения реакции предпочтительно происхо-
3?3
дит не протонирование атома углерода в СО, основность кото-
рого, как было отмечено выше, невелика, а протонирование
атома кислорода фенола и тем более атома азота амина, что
должно дезактивировать субстрат.
+
Сб^5 - он + н+ ->с6Н5 - онг
Реакция Гаттермана. Согласно этому методу, ароматические
субстраты можно формилировать смесью HCN и НС1 в присут-
ствии ZnCb или А1С13:
HCN + HCl^t[CICH=NH]-^>CICH = NH . ZnCl2
—*-ArCH = NH . HCI-^ArCHO
При реакции с ароматическим соединением сначала обра-
зуется гидрохлорид имина, при гидролизе которого получается
альдегид.
Модификация метода, предложенная Адамсом, заключается
в замене высокотоксичного HCN цианидом цинка.
Реакционная способность электрофильной частицы, образу-
ющейся при реакции Гаттермана, меньше, чем реакционная
способность частицы, образующейся при реакции Гаттерма-
на— Коха, так как группа C = NH менее полярна, чем карбо-
нильная группа в ацилгалогенидах (из-за меньшей электроот-
рицательности атома азота по сравнению с атомом кислоро-
да).
В отличие от реакции Гаттермана— Коха таким методом
удается формилировать в ядро фенолы и их эфиры. Это можно
объяснить тем, что атом азота в HCN легче протонируется,
чем атом кислорода групп ОН и OR, и поэтому НС1 будет
предпочтительно взаимодействовать с HCN, а не с атомом
кислорода в субстрате.
Реакция Губена — Хеша заключается во взаимодействии
ароматических соединений с нитрилами и НС1. В некоторых
случаях в качестве катализатора рекомендуется использовать
хлорид цинка. Из нитрилов лучше других реагируют соедине-
ния типа ArCH2CN. В результате реакции образуются кетоны
(механизм реакции идентичен механизму, описанному выше):
NH-ZnCh NHHCI
RCN + HCI -^£ИСС1 ——►-ArCR -^4-ArCOR
Учитывая электронодонорные свойства алкильной группы R,
можно утверждать, что реакционная способность образовав-
ши
шейся в данном случае электрофильной частицы меньше, чем
в реакции Гаттермана, которую можно рассматривать как ча-
стный случай реакции Губена — Хеша.
t/Реакция Вильсмайера. Наиболее мягким формилирующим
агентом является диметилформамид, обычно используемый в
присутствии РОСИ:
АгН + HCON(CH3)2 РОС1з»АгСНО
Сравнительно невысокая электрофильная реакционная спо-
собность образующейся в этой реакции электрофильной части-
цы (78) обусловлена более ярко выраженным + ЛГ-эффектом
группы N(CH3)2 по сравнению с атомом хлора и тем, что
РОС1з— менее сильная кислота Льюиса, чем А1С1з-
О.РОС13
HC-N(CH3)2 (78)
Кроме диметилформамида в реакции могут быть использо-
ваны и другие диалкил- и алкиларилформамиды, а также ди-
алкиламиды других карбоновых кислот. В последнем случае
можно синтезировать и ароматические кетоны.
^Реакция Раймера — Тимана. К описанным выше реакциям
Примыкает еще одна реакция формилирования — взаимодейст-
вие фенолов с хлороформом в щелочной среде:
При этом в качестве электрофильной частицы генерируется
не катион, а нейтральный дихлоркарбен (79), в котором атом
углерода имеет незаполненный внешний электронный уровень.
Далее дихлоркарбен взаимодействует как электрофил с фенок-
сид-ионом. Образовавшийся анион (79а) претерпевает пере-
группировку, так как атом углерода, несущий полный отрица-
тельный заряд, обладает сильноосновными свойствами, и от-
щепление протона от кольца сопровождается выигрышем энер-
гии вследствие восстановления ароматической структуры.
Ж
Эта реакция пригодна для формилирования многих произ-
водных бензола с электронодонорными заместителями, но вы-
ходы продуктов формилирования ниже, чем при формилирова-
нии фенолов.
Реакции хлорметилироваиия и гидрокеиметилироваяия.
В качестве электрофильной частицы в реакциях электрофиль-
ного замещения в ароматическом ряду может быть использо-
ван формальдегид.
В среде хлороводородной кислоты в ароматическое соеди-
нение вводится хлорметнльиая группа, а в щелочной — гидрок-
симетильная группа:
AfCH2CI*g£i7 AfH +СН2О —>AfCH2OH
При проведении реакции в кислой среде сначала происхо-
дит протоннрованне атома кислорода карбонильной группы
формальдегида с образованием очень реакционноспособной
электрофильной частицы, которая далее реагирует с аромати-
ческим субстратом:
ОН—0-Н
Н2С-0—----------------->- \Н/\ .-н -~НдО ^ЬСНгС!
HjC—б—н £
В щелочной среде электрофильная реакционная способность
формальдегида определяется только наличием дефицита
электронной плотности на атоме углерода его карбонильной
группы, поэтому в реакцию гидроксиметнлнровання вступает
меныиее число ароматических соединений, чем в реакцию
хлорметилироваиия. Так, в реакцию хлорметилироваиия поми-
мо фенола и его эфиров вступают бензол и его гомологи и да-
же хлорбензол, тогда как реакцию гидроксиметнлироваиия
удается осуществить только в случае анилина и А\А^-диалкил-
анилинов, фенола и его эфиров.
При использовании в рассматриваемых реакциях фенола в
качестве ароматического субстрата не удается остановиться на
стадии образования монозамещенных хлорметнл- и гндрокси-
метилфенолов; в данном случае образуются фенол ©формальде-
гидные смолы.
Ввести в молекулу анилина хлорметильную группу не уда-
ется, по-видимому, потому, что в условиях проведения реакции
образуется соль анилина, которая не реагирует с электрофиль-
ными реагентами,
396
Реакция азосочетания. Несмотря на то что азосочетание —•
типичная реакция электрофильного замещения, ее целесообраз-
нее рассмотреть отдельно (см. гл. 6).
Реакция Кольбе - Шмитта - термическое карбоксилирова-
ние фенолятов щелочных металлов диоксидом, углерода:
Реакцию проводят в сравнительно жестких условиях: под
давлением при 90—130°С. Двух- и многоатомные фенолы, а
также амннофенолы реагируют с СО2 в щелочной среде.
Предполагают, что в реакции участвуют две молекулы фе-
нолята, одна из которых является акцептором протона при
разложении а-комплекса:
Эту реакцию используют для промышленного получения
салициловой, л-аминосалициловой, p-гидроксинафтойной и дру-
гих кислот.
В заключение следует еще раз отметить, что возможность
протекания той или иной реакции электрофильного .замещения
определяется, с одной стороны, активностью образующейся
электрофильной частицы, а с другой — основностью ароматиче-
ского субстрата, которая зависит от природы заместителя, не-
посредственно связанного с бензольным кольцом. По уменьше-
нию активности электрофильные частицы можно расположить
в следующий ряд:
t О • AICI3
+ N02, НаИ, AU+ > SO3> Н2С - О- Н > HCZ
O-AICI3 NH AiCI3 NH AICI3
II II ||
> RCZ > HCZ > RCZ
О • POCI3
> HCN(CH3)2>
Z = Hal, OCOR
6+ 6+
> CH2O>CO2
Ароматические субстраты и реакции, в которых они могут
участвовать, Приведены ниже:
О'
NR2 NHz < ОН OR i
R
С(
no2
к
нитрование, сульфирование, галогенирование
. о ।
реакция Фриделя - Крафтса >
реакция
Гаттермана - Коха
[ реакция Гаттермана
14 Г"
. реакция I
Губена - Хеша i
реакция Вильсмайера
| ) х л ормети пирование
гидроксиметилирование
азосочетание
*1
К
реакция Кольбе - Шмитта
5.2. НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ
В разд, 5.1 были рассмотрены реакции, в которых ароматичес-
кие соединения Предоставляют л-электроны для образования
ковалентной связи с реагентами Х+, обладающими электро-
фильными свойствами, а реакция завершается вытеснением
протона.
Однако некоторые ароматические соединения, п-электрон-
ная плотность которых сильно уменьшена электроноакцептор-
ньгми заместителями, могут взаимодействовать не с электро-
фильными, а с нуклеофильными реагентами :Nu~. В результа-
те такого взаимодействия из ароматического субстрата вытес-
няется анион (:Н“, На|“).
Замещение атома водорода. Наиболее известная реакция
такого типа — получение пикриновой кислоты из симметрично-
398
го триннтробензола:
Реакцию проводят действием на тринитробензол водного
раствора Na2CO3 в присутствии трикалийгексацианоферрата
(для окисления гидрид-иона, являющегося сильнейшим нуклео-
филом). В отсутствие KaFe(CN)e реакция энергетически невы-
годна, и равновесие смещается влево.
Сильно активированный тремя нитрогруппами атом водоро-
да может замещаться и на остаток пиперидина:
В ж-динитробензоле также удается (хотя и с большим тру-
дом) заместить атом водорода на группы ОН и NH2:
O2N
Окислителем образующегося гидрид-иона является взятый
в избытке л-динитробензол.
Даже нитробензол реагирует с концентрированным раство-
ром щелочи, образуя о-нитрофенол; поэтому сушить нитробен-
зол твердой щелочью не рекомендуется.
Таким образом, замещение атома водорода в ароматичес-
ких соединениях на нуклеофильные реагенты удается осущест-
вить только при наличии в этих соединениях сильных электро-
ноакцепторных групп, причем заместитель входит в орто- и
лара-положения по отношению к ним.
Сравнительно легко идут реакции нуклеофильного замеще-
ния атома водорода при действии гидроксиламина. В этом
случае в результате реакции выделяется не гидрид-ион, а бед-
ная энергией молекула воды. Гидрид-ион не отщепляется от
промежуточного соединения (80), а мигрирует к атому азота,
вытесняя группу "ОН, что приводит к образованию нестойкого
399
(81)
Пиридин (см. разд. 5.2.2) также проявляет склонность
реакциям нуклеофильного замещения а-атома водорода:'
(реакция Чичибабйна)
1.NaMH2, ЮО’С
г. нго
КОН. 320 °C,[OJ
Реакция Чичибабииа идет легко при нагревании пиридина
с амидом натрия. Наряду с 2-аминопнридином побочно обра-
зуются 4-амино- и 2,6-диаминопиридины. Предполагают, что
реакция протекает через обратимую стадию присоединения
амида натрия но кратной связи пиридина, однако образующий-
ся при этом промежуточный продукт легче теряет не гидрил-
ион, а амид-ион с образованием исходных веществ. Несмотря
на это, равновесие смещается вправо, так как образовавшийся
гидрид натрия снимает в виде протона один из ставших более
подвижным атомов водорода группы NH3, в результате чего
4ОТ
образуется удаляемый из сферы реакции молекулярный водо-.
род:
Для отщепления гидрид-иона от промежуточного продукта
можно использовать окислитель, например нитрат натрия. Так,
гидроксипиридин образуется при действии щелочи на пиридин
только в присутствии окислителя.
Реакция с бутил- или фениллигнем протекает аналогично
реакции Чичнбабина, При взаимодействии с бутиллитием вы-
деляется кристаллический продукт присоединения (строение
доказано), который при нагревании разлагается с выделением
гидрида лития:
Замещение атома галогена. Замещение атома хлора в хлор-
бензоле на гид роке и группу идет с большим трудом. Например,
в промышленности фенол получают нагреванием хлорбензола
со щелочью при 350—400СС под давлением или обработкой
хлорбензола перегретым водяным паром при 500°С в присут-
ствии солей .меди.
Инертность хлорбензола в реакциях нуклеофильного заме-
щения обусловлена наличием +Л1- и —/-эффектов как у фе-
нильного остатка, так и у атома хлора, В результате этих эф-
фектов частично погашается дефицит электронной плотности
на атакуемом нуклеофилом атоме углерода и связь С—С1 ста-
новится более прочной.
Активирующее действие 6'3 реакцию нуклеофильного заме-
щения галогена в галогенбензол^х оказывает порошкообразная
медь (реакция Ульмана). В присутствии меди (хотя и в жест-
1425 401
ких условиях) атом галогена может быть замещен на фенок-
сигруппу с образованием дифениловых эфиров:
R = Н (200 °C), СН3О (150 °C)
При наличии в ароматическом субстрате хотя бы одной
нитрогруппы нуклеофильное замещение атома галогена на
группы NH2, ОН, Na, SH идет в сравнительно мягких услови-
ях, например:
Ct
2
.NH*H*° >H2N
нагревание
В этом случае реакционная способность галогена повышает-
ся в результате увеличения дефицита электронной плотности
на атакуемом атоме углерода.
Еще легче на нуклеофильные реагенты замещается атом
хлора в 2,4-динитро-1-хлорбензоле, в котором наблюдается со-
гласованное влияние двух нитрогрупп;
X Условия реакции
ОН NaOH (води.), 100°С
NHNH2 HjNNH^ CH3COONa
NH2 NH3, 170 °C
X Условия реакции
I Nal, ДМФА
OCHs CH9OK
Наиболее легко атом галогена замещается в пикрилхлориде
[см. формулу (83)].
Протекание этих реакций по механизму SN1 можно пол-
ностью исключить. Известно, что гетеролиз связи С—Hal в
молекуле арилгалогенида с образованием катиона Аг+ и иона
Hal- требует очень большой затраты энергии. Присутствие в
субстрате нитрогрупп, способствующих фиксации положитель-
ного заряда на одном атоме углерода, а не его рассредоточе-
нию внутри карбокатиона, делает это допущение еще менее
вероятным.
Остается предположить, что рассматриваемые реакции про-
текают по механизму Sn2. Однако есть основания утверждать,
что в отличие от реакций нуклеофильного замещения в алифа-
4в?
тическом ряду в данном случае не наблюдается синхронного
разрыва связи С—Hal и образования связи С—Nu; на первой
стадии, вероятно, образуется анион — продукт присоединения
нуклеофила к реагирующей молекуле. Такие анионы имеют хи-
ноидную структуру, а следовательно, яркую окраску; в их
спектрах имеются характерные полосы поглощения в НК- н ви-
димой частях спектра. Так, при взаимодействии 2,4-динитро-!-
хлорбензола с метоксидом калия образуется окрашенный про-
межуточный продукт, В анионе (82) атомы кислорода обеих
нитрогрупп д равной мере участвуют в рассредоточении полно-
го отрицательного заряда и тем самым повышают стабильность
аниона и снижают энергию активации его образования В этом
анионе группы СНзО н С1 расположены в вершинах тетраэдра,
а связанный с ними атом углерода находится в состоянии sp3-
гибридизации:
Первая стадия нуклеофильного замещения атома галогена
(промежуточное образование аниона) протекает медленнее
второй стадии (отщепление аниона) и лимитирует скорость
всего процесса. Действительно, 2,4-динитро-1-фторбензол ре-
агирует с метоксидом натрия значительно быстрее, чем динит-
рохлорбензол. Если бы отрыв галогенид-иона от промежуточно
образовавшегося комплекса на второй стадии определял ско-
рость всего процесса, то динитрофторбензол должен был бы
быть менее реакционноспособным, поскольку энергия связи
С—F гораздо больше (450 кДж/моль), чем энергия связи
С—С| (275 кДж/моль), и, следовательно, вытеснение фторид-
иона энергетически менее выгодно, чем вытеснение хлорид-ио-
на. Более высокая реакционная способность динитрофторбензо-
ла объясняется большим —/-эффектом фтора по сравнению с
хлором. Поэтому на атакуемом нуклеофилом атоме бензольно-
го кольца дефицит электронной плотности выше у динитро-
фторбензола. Следовательно, отщепление галогенид-иона идет
быстрее и на суммарную скорость всего процесса влиять не мо-
жет.
Образование в качестве промежуточного продукта соли с
анионом типа (82) подтверждается следующими фактами.
Установлено (Майзенхаймер), что при действии метоксида нат-
рия в метиловом спирте на пикрилхлорид (83) образуется ус-
26* 403
тойчнвая соль, окрашенная в красный цвет, в состав которой
входят две метокснгруппы. Было показано, что атомы водоро-
да, связанные с бензольным кольцом, при этом на метокси-
группы не замещаются. Затем было установлено, что при об-
работке образовавшейся соли этиловым спиртом одна из
метоксигрупп замещается на этокснгруппу. Спектроскопичес-
ким методом было доказано, что полностью идентичная соль
может быть получена еще двумя способами: действием эток-
сида калия на 2,4,6-тринитроанизол (84) и действием метокси-
да калия на 2,4,6-триннтрофенетол (85). Полученная всеми
тремя способами соль при взаимодействии с кислотами образу-
ет равные количества тринитроаниэола и тринитрофенетола.
На основании этих данных был сделай вывод, что анион
образующейся стабильной окрашенной соли имеет следующее
строение:
Таким образом, есть основания считать, что аналогичные
структуры образуются в качестве интермедиатов и при реак-
циях нуклеофильного замещения атома галогена в ароматичес-
ком ряду.
О солеобразном характере получающихся промежуточных
соединений свидетельствует высокая электропроводность их
растворов. Например, высокую электропроводность имеют яр-
ко-окрашенные растворы 2,4-динитро- и 2,4,6-тринитротолуолов
н 1,3-динитробензола в жидком аммиаке. В случае тринитрото-
луола (88) аммиак, по-видимому, играет роль не только рас-
творителя, но и основания, отрывая один из достаточно по-
движных атомов водорода метильной группы. В случае динит-
404
робензола (87) можно предположить, что аммиак является не
только растворителем, но и нуклеофильным реагентом.
Кроме нитрогрупп активировать атом галогена в реакциях
нуклеофильного замещения могут и другие электроноакцептор-
ные группы, например CN или SO3H. Однако группа SO3H в
жестких условиях сама может замещаться на нуклеофильные
реагенты, например:
^X^SO3H
кон
--->
1.КОН (те.)
Менее сильное активирующее действие оказывает ацильная
группа. Известно, что в соединении (88) заменить атомы хло-
ра на группу NH2 удается только при длительном действии
концентрированного раствора NH«OH при 120 °C в автоклаве.
CI
СОСН3
CI
(88)
Замещение нитрогруппы. При наличии в ароматическом со-
единении двух или трех нитрогрупп одна из них может заме-
406
шаться на нуклеофильные реагенты:
В данном случае также необходимо увеличение дефицита
электронной плотности на атакуемом атоме углерода.
Интересным примером нуклеофильного замещения нитро группы является
реакция 2,5-динитро-м-ксилола с аммиаком;
СН3
При этом замешается нитрогруппа в положении 2. Это можно объяснить
следующим образом. Нуклеофильный реагент (аммиак) атакует тот атом угле-
рода, иа котором больше дефицит электронной плотности. Нитрогруппа, свя-
занная с атомом С-2, нследстние создаваемых метильными группами простран-
ственных затруднений выведена из плоскости бензольного кольца, что значи-
тельно снижает мезомерное взаимодействие кратной связи нитрогруцпы с
я-элекгронамн бензольного кольца, а следовательно, уменьшает частичный по-
ложительный заряд на атомах углерода, находящихся в орто- и ларп-положе-
ниях по отношению к ней. Разница в 6+, создаваемом нитрогруппами, настоль-
ко велика, что несмотря на экранирующее действие метильных групп атака
нуклеофильного реагента направляется на атом С-2, а не С-5.
На направление реакции существенное влияние оказывает также энерге-
тическая выгодность образующегося промежуточного аниона. Аннон (89). в ко-
тором метильные группы н нитрогруппа находятся в одной плоскости, должен
образовываться с большей энергией активации, чем анион (90), в котором не
возникают пространственные затруднения.
“O-N-Q-
(90)
40#
Замещение с перемещением. Прн проведении некоторых ре-
акций нуклеофильного замещения образуется не Один, а два
изомерных продукта, например:
Аналогичные результаты были получены и с меченым хлор-
бензолом. Метка приблизительно поровну распределилась меж-
ду атомом углерода, связанным с аминогруппой, и атомом уг-
лерода, находящимся в орго-положении по отношению к этому
атому углерода:
кынг
NH3 (жидк.)
Амнд калия, будучи сильным основанием, отщепляет из
«-положения бензольного кольца активированный атом водо-
рода в виде протона, а из образовавшегося аниона вытесняется
ион CI- и образуется чрезвычайно активная электронейтраль-
ная частица — дегидробензол (91). Не исключено, что отщеп-
ление протона и хлорид-иона происходит синхронно, Дегидро-
бензол мгновенно присоединяет нуклеофильный реагент, при-
чем нуклеофил с равной вероятностью может образовать кова-
лентную связь с любым из двух связанных тройной связью
атомов углерода. Реакция завершается отщеплением карбанио-
ном протона от аммиака и регенерацией амид-нона;
”NH2
(91)
Промежуточное образование дегидробензола было косвен- *
но подтверждено образованием триптицена (92) при действии Д
«г у
магния на о-бромфтор бензол в присутствии антрацена. Анало-
гично при действии лития на о-бромиодбензол образуется три-
фенилен (93).
С помощью меченого хлорбензола было показано, что при
действии даже более слабых основных агентов реакция проте-
кает через промежуточное образование дегндробензола, так
как при этом образуется значительное количество продукта
«замещения с перемещением»;
NaOH
340 °с
(58%) (42%)
Бром и иод, имеющие более слабые по сравнению с хлором
—7-эффекты, в меньшей степени активируют соседние атомы
водорода в бензольном кольце; поэтому при действии щелочи
на n-бром- и н-нодтолуолы выход .и-крезола, который получа-
408
ется только при промежуточном образовании дегидробензола,
мал:
X = Вг, I
(78,5%, X = Вг)
(97%, X - I)
(21,5%,X = Вг)
(3% X = I)
Реакции замещения диазогруппы иа
ные реагенты рассмотрены в гл, 6,
различные нуклеофиль-
РЕКОМЕНДАТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
I. Робертс Д„ Касерио М, Основы органической химии, В 2 кн. Кн. 2: Пер,
. с англ./Под ред. А. Н. Несмеянова. М.: Мир, 1978. 888 с. См. с. 182—
/ 254.
' 2. Моррисон Р. Бойд Р. Органическая химия; Пер. с ацгл./Под ред. И К. Ко-
робициной. м.: Мир, 1974 1132. См. с. 301—354, 363—367, 781—803.
3. Беккер Г. Введение в электронную теорию органических реакций: Пер.
с нем./Под ред. В. М. Потапова. М.: Мир, 1977, 658 с, См. с, 415—423,
478—530.
4, Терней А. Современная органическая химия. В 2 т. Т. 1: Пер. с анг.ч./Под
ред. Н. Н. Суворова. М.: Мир, 1981. 678 с. См. с. 558—640.
5, Кери Ф., Сандберг Р. Углубленный курс органической химии. В 2 кн.: Пер,
с англ./Под ред. В. М. Потапова. М.: Химия, 1981. Кн. 1. 519 с. См, с. 324—
370. Кн. 2. 455 с. См. с. 228—255.
6, Органикум. Общий практикум по органической химии В 2 т. Т 1: Пер,
с нем. М.: Мир, 1979. 453 с, См. с. 389—445.
7, Ингольд К. Теоретические основы органической химии.: Пер. с англ./Под
ред. И. П. Беленкой. М.: Мир, 1973. 1054 с. См. с. 228—342.
8. Современные проблемы физической органической химии: Пер. с англ./Под
ред. М. Е. Вольпина. М.: Мир, 1967. 559 с. См, с. 33—66, 444—493,
9. Фьюзон Р. Реакции органических соединений: Пер. с англ./Под ред,
И. Ф. Луценко, М.: Мир. 1966. 645 с, См. с, 17—42, 44—81, 86—102, 112—
123, 320—338.
10, Несмеянов А. Н. Несмеянов Н. А. Начала органической химии. В 2 кн.
Кн. 2. М.: Химия, 1974, 744 с. См, с. 9—16, 28—60 78—80 83—86 104—
109, 174—180, 213—218.
11, Вейганд К., Хилигетаг Г. Методы эксперимента в органической химии: Пер.
е нем./Под ред. Н, Н. Суворова, М.: Химия, 1968, 944 с. См. с, 142—145,
380—392, 561—563.
12. Бреслоу Р. Механизмы органических реакций: Пер. с англ./Под ред.
В. 14. Сеткиной. М.: Мир, 1968. 279 с. См, с. 168—199.
13. Сайкс П. Механизмы реакций в органической химии: Пер. с англ./Под ред.
Я. М. Варшавского. Мд Химия, 1977, 319 с. См. с, 138—175,
409
ДЛАВА б
восстановЛение нитросоединений.
Л ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ДИАЗОСОЕДИНЕНИЙ
\1. восстановление нитросоединений
i
Иа Яроматических нитросоединений в зависимости от среды и
химической прИРВДЬ1 применяемого реагента помимо аромати-
чргмлмт ямиипп можно получать различные продукты неполного
восстановлений нитрогруппы.
6.1.1. Восстано₽ленис в кнслой с₽едс
Пь восстаноВдении нитробензола в кислой среде возможно
образование аНилина’ нитрозобензола и А-феннлгидроксил-
амина. п__
Получение анилина- Продуктом полного восстановления ни-
тробензола в (<исл°й среде является анилин. Впервые он был
поручен Н Н Зининым восстановлением сероводородом:
г ы N02 + 3H2S-------> С6Н5 - NH2 + 2Н2О у 3S
bgrl5 -
В настоящее время анилин из нитробензола получают, ис-
,.,и г-паггъкэщие восстановители: NH4SH; Fe, Sn или Zn +
+ НС1 нН; H2NNH? [Ni Ренея].
Если в соедИНеНИИ пмеются две нитрогруппы, то с помо-
щью гидросул^Фида аммония можно осуществить восстановле-
на „„unj цнх (частичное, или парциальное восстановле-
и л g од, п и и и □ ч 1
ние):
O2N
nh2
N02 ми чн °2N
Г1* M 40 г»
В промышЛеННОСТИ для попучения анилина из нитробензола
кспочьзуют восстановление железом в хлороводородной кис-
лоте.’
С6Н5- N02 + 2Fe + 6HCl---->- С6Н5- NH2 + 2FeCl3 + 2H20
Ппи восстановлении металлами в хлороводородной кислоте
можно испольЗ°вать Л!!ШЬ часть полагающейся по стехио-
метрическому уРавяеиию НС1. поэтому есть основания утверж-
да ь что восс'гано8ление нитрогруппы начинается не с присо-
единения атоМаРного «в°Д°рода в момент выделения», а с не-
посредствен иоГ° °ДноэлектРонного переноса от атома металла
4|О
к наиболее электроотрицательному элементу—атому кислоро-
да нитрогруппы, а затем происходит перенос второго электро-
на к атому азота, в результате чего на нем погашается поло-
жительный заряд и появляется неподеленная пара электронов.
Образовавшаяся соль (1) может отщеплять протоны не только
от НС1, но и от молекулы воды с образованием геж-диола (2)
и хлорида (или гидроксида) металла. При отщеплении воды
из ге.и-диола (2) образуется нитрозобензол. Поскольку реак-
ция идет в кислой среде, не исключено, что отщепление воды
протекает через стадию лротонирования атома кислорода од-
ной из гидроксильных групп:
СеНй——>
О
С6На—у— о'
О"
гнс1 пли
2НгО и
----> c6h5-n-oh------------>
-МС12 идк |
-м(он)г ОН
(2)
S+ S+
Свн5-№О—и—CeHg-N=O
HgU “г!
Однако реакция не останавливается на стадии образования
ннтрозобензола. При избытке металла восстановление протека-
ет дальше по аналогичной схеме и приводит к тУ-фенилгидрок-
силамину, а затем к анилину:
СвН5-]ШЛм-----> [C6H6-N-O^-M ] [CeHs-N-O-
Н2О
>СеНЕ—NH—ОН > [С6НЕ—NH МОН]—>[CeHE—NH
» ЩО
—> CeH5NH2 ' - ‘ .
При большом избытке хлороводородной кислоты н качестве
побочного продукта могут образоваться п-хлоранилин и п-
аминофенол.
Таким образом, восстановление нитробензола до анилина
протекает через ряд стадий, причем в указанных условиях про-
411
межуточные продукты не удается получить в препаративных
количествах.
Методы получения и основные химические свойства проме-
жуточных продуктов восстановления нитробензола в кислой
среде рассмотрены ниже.
Получение нитрозобензола. Нитрозобензол из нитробензола
удается получить при действии пинка в водной среде, электро-
восстановлением или восстановлением пентакарбонилжелезом.
В препаративных количествах нитрозобензол получают
окислением анилина или .V-фенилгидроксиламнна. При окисле-
нии анилина используют Нг5О5 (кислота Каро), пербензойную
или перуксусную кислоты, дихромат натрия в серной кислоте
(0°С), а для окисления Лг-фенилгидроксиламина — дихромат
натрия в серной кислоте (О°C).
Нитрозогруппа является аналогом карбонильной Группы.
Так как электроотрицательность азота меньше, чем электроот-
рицательность кислорода, а кратная связь легче поляризуется,
чем ординарная, то на атоме азота в нитрозогруппе имеется
значительный дефицит электронной плотности, хотя и меньший,
чем иа атоме углерода в карбонильной группе. Поэтому нит-
розобензол (подобно карбонильным соединениям) способен
взаимодействовать с реактивами Гриньяра, например:
C6He№O + C6H5MgBr —(C6H5)2NOMgBr
Производные нитрозобензола, например л-нитрозодиметил-
анилнн, могут играть роль карбонильных компонентов в реак-
циях конденсации, например реагировать с а цетилацетоном и
фенилацетонитрнлом, являющимися метиленовыми компонента-
ми (реакция Кневенагеля)-.
<12
Нитрозобензол — вещество зелёного цвета, самопроизвольно
превращающееся в бесцветный димер. Связь между молекула-
ми в димере слабая; она разрывается при плавлении (68°С)
и при растворении, что можно обнаружить по появлению зе-
леной окраски.
Если принять во внимание, что связь N=O полярна (по-
добно связи С = О), естественно предположить, что строение
димера соответствует формуле (3).
5+ 3-
СеН6—N=9
p=N~-C6Hs O=N“CeHfi
(4)
Однако безоговорочно принять эту формулу не позволяют даянье, полу-
ченные прн рентгенографическом исследовании днмеров алифатических нитро-
зосоединений. Эти данные свидетельствуют о том, что и днмерах имеется крат-
ная связь азот—азот [формула (4)] и, следовательно, нм должна быть свой-
ственна цис-граяс-иэомерия. Однако для самого нитрозобензола известен лишь
один изомер.
Возможность образования димера (4) аргументируется наличием у атома
азота нитрозогруопы неподеленной пары электронов, хотя при этом игнори-
руется электростатическое отталкивание несущих частичный положительный
заряд атомов азота, возникающее в момент образования связи.
Формула (4) маловероятна, если принять во внимание следующие сообра-
жения. I) Известно, что энергия кратной связи азот —азот равна 420 кДж/моль.
Сомнительно, чтобы она могла полностью разорваться при таком мягком воз-
действии на димер, как нагревание до 70 гС или растворение. 2) Согласно фор-
муле (4), связи кислород—азот — семинолярные и, следовательно, иа обоих
атомах азота должен находиться полный положительный заряд, поэтому обра-
зование кратной ковалентной связи между ними маловероятно.
Учитывая сказанное, можно попытаться описать строение димера ннтро-
зосоединений формулой (5):
(5)
Получение /V-фенилгидроксиламина. /V-Фенилгидроксиламнн
из нитробензола можно получить только в слабокислой (близ-
кой к нейтральной) среде. В качестве восстановителя обычно
используют цинк в растворе хлорида аммония. Можно исполь-
зовать также амальгаму алюминия или сульфид аммония.
C6HsNO2 + 2Zn + 4NH4Cl-*C6HsNHOH + 2[Zn(NH3)2] Cl2 + H20
В сильнокислой среде /V-фенилгидроксиламин претерпевает
перегруппировку с образованием п-амннофенола (в растворе
413
серной кислоты) или л-хлор анилина (в хлороводородной кисло-
те) :
Cl vZ/ \/~NH0H HaS°4* HO—
Реакция протекает по следующему механизму:
Дальнейшая судьба карбокатиона зависит от того, какой
кислотой производилось подкисление. При использовании хло-
роводородной кислоты в растворе присутствует сравнительно
сильный нуклеофил — хлорид-ион, который более эффективно,
чем вода, атакует атом углерода бензольного кольца, и реак-
ция завершается миграцией протона к атому азота, что сопро-
вождается восстановлением энергетически выгодной аромати-
ческой структуры:
При взаимодействии карбокатиона с водой (нуклеофил) по-
бочно образуется п-аминофенол.
Если используют серную кислоту, то с гндросульфат-анио-
ном (слабый нуклеофил) вода конкурирует успешно, и поэтому
в качестве основного продукта получается л-амннофснол.
Если проводить перегруппировку в присутствии спирта, то
в соответствии с предложенным механизмом образуется п-фе-
414
петидин:
Если лара-положение я исходном арилгидроксиламине заня-
то и, следовательно, в продукте взаимодействия карбокатиона
с Нуклеофилом нет атома водорода, способного отщепиться в
виде протона на стадии восстановления ароматической струк-
туры, то хиноидная структура сохраняется и в конечном про-
дукте реакции. Например, при перегруппировке п-толнлгидрок-
силамина в присутствии хлороводородной кислоты образуются
соединения (6) и (7), гидролиз которых дает соответственно
кетоны (8) и (9):
NH NH О О
(С) (7) (8) (9)
В щелочной среде Лг-фенилгидроксиламин неустойчив, так
как щелочь катализирует его окисление кислородом воздуха.
Кроме того, в присутствии каталитических количеств порошко-
образной щелочи он может реагировать с менее восстановлен-
ным промежуточным продуктом — нитрозобензолом* — с обра-
зованием азоксибензола:
“О ОН
C6H5NHOH-%CGHsN=O-^e^[C6Hs-llj-^H-C6H5]->
НО ОН 0“
-Н+’ +Н+-МС6Н5 - N - Л - CSH5]-—>С6Н5 - N=N - C6HS
* Аналогичным образом jV-феии л гидроксил амин реагирует с углеродным ана-
логом нитрозобензола — бензальдегидом — с образованием нитрона;
9 он 0“ ОН
С6н5 - CH + NH - С6Н5->-[СбН5 - CH - NH - С6Н5] ->
ОН ОН 0“
[CSH5 - СН - Й - С6Н5] —->С6Н5 - CH = N - с6н5
-нго +
415
В щелочной среде Лг-фенил гидрокси л амин может отщеплять
две молекулы воды, образуя азобензол;
S +
С6Н5 - NHOH [С5Н5-N-ОН] -9^Н0Н>
—Н?0 —ОН
он
—>[С6Н5- N - NHCeH6]-► C6H5-№N-CsH5
—н^о
6.1.2. Восстановление в щелочной среде
Продуктами восстановления нитробензола в щелочной среде
являются азоксибензол, азобензол и гидразобензол.
Получение азоксибензола. Как было указано выше, азокси-
бензол можно получить при взаимодействии М-фенилгидрОкелл-
амина с нитрозобензолом. Существуют также препаративные
методы получения азоксибензола — восстановление нитробензо-
ла метоксидом натрия или метиловым спиртом в щелочном
растворе и окисление азобензола пероксидом водорода:
4C6H5NOa
-HCOONa,
-HjO
c6h5n = ncgh5
0 -
зсн3он,
NaOH
-3CHaO,
-3H?0
2CeH5NO2
Jk
Нгог
C6H5N r NC6H5
Так как энергия связи 0—0 в пероксиде водорода невелика
(126 кДж/моль), можно предположить, что реакция пероксида
водорода с азобензолом начинается с гомолиза этой связи с об-
разованием радикалов НО*, последующее соударение которых
может привести как к образованию исходной молекулы Н2О2,
так и к генерированию атомарного кислорода, который допол-
няет свою внешнюю электронную оболочку до октета за счет
неподеленной пары электронов одного из атомов азота азо-
группы;
но - ОН —► 2[Н0-] —► Н20 + [;0:]
+
C6HS - N = N - С6Н5 + .0 С6н5 - N - N - С6Н5
0“
Пй
Наличие в азоксибензоле несимметричной группировки (10),
в которой атом кислорода семиполярно связан с одним из ато-
мов азота, а не циклической группировки (10а), подтверждает-
ся тем. что у несимметричных азокснсоединений существуют
изомеры. Например, п-бромазоксибензол может существовать в
двух формах — (11) и (На), имеющих различные температуры
плавления (73 и 92 °C соответственно).
-N = N -
I
О”
(Ю)
(11) (11а)
Эти изомеры по-разному относятся к воздействию брома:
один из них реагирует с бромом так же. как бензол и азобен-
зол, а второй не реагирует с бромом. Есть основания предпо-
лагать, что в реакции с бромом инертен изомер (11). в котором
незамещенное бензольное кольцо пассивировано непосредствен-
но связанным с ним атомом азота, несущим полный положи-
тельный заряд, тогда как в изомере (Па) у атома азота, непо-
средственно связанного с бензольным кольцом, имеется непо-
деленная пара р-электронов (как в анилине), ответственная за
мезомерное взаимодействие с л-электронами бензольного коль-
ца и облегчающая протекание реакций электрофильного заме-
щения.
При длительном действии света изомер (11) перегруппировы- '
вается в 4-бром-2-гидроксиазобензол (12), т. е. кислород мигри-
рует к бензольному ядру, с котором не была связана /V-оксид-
ная группа. При действии кислот (перегруппировка Валлаха)
из обоих изомеров образуется 4-бром-4'-гидроксиазобензол (12а)
с гидроксигруппой в незамещенном бензольном кольце.
ОН
(12)
(12а)
Предполагают, что при облучении изомера (11), семиполярно связанный
атом кислорода взаимодействует с атомом углерода в орто-положении более
27—1425 417
ул а ле иного бензольного кольца (с промежуточным образованием пятнчлениого
переходного состояния):
При действии кислот возможно, что процесс начинается с двойного прото-
ннровання семиполярно' связанного атома кислорода с последующим отщепле-
нием воды; дальнейшие превращения описываются схемой
(13)
(15)
Для изомера (Па) вследствие большого — f-зффекта атома брома л-элек-
тронная плотность замещенного бензольного кольца значительно меньше*, и по-
явление положительного заряда на атоме азота после отшеплеиня воды, как
к в первом случае, будет вызывать смещение л-электронов незамещенного бен-
зольного кольца.
* Реакционная способность бромбензола в реакциях электрофильного замеще-
ния составляет лишь 0,03 от реакционной способности незамещенного бензола,
418
---► (15)—^(12а)
Описанный выше механизм можно считать лишь одним на возможных.
Двойное протоинрованне атома кислорода Лг-иксидной группы на первой ста-
дии реакции не доказано. Не объяснен также тот факт, что «метоксиазоксн-
бепзол, несмотря на -рЛЬэффект метоксигрупны, значительно превышающий
“/эффект, н кис-'шй среде перегруппировывается аналогичным образом, т. е.
оба изомера образуют одинаковый продукт: 4-п1Дрокси-4'-метоксназобен-
зол (16). Возможно, что при этом происходит протонирование атома кислоро-
да метоксигруппы [формула (17)], что должно приводить к дезактивации свя-
занного с ней бензольного кольца.
н0 vZ/ N = N—/ 0СНз (16)
(17)
Получение азобензола. Азобензол (18) получают восстанов-
лением нитробензола порошком железа или цинка, хлоридом
олова(II) в щелочном растворе, станнитом натрия, а также
алюмогидридом натрия в эфирном растворе:
2C6H5NO2 + 4Sn(ONa)2 -^С6Н5 - N = N - С6Н5 + Na2SnO3 +
+ 6NaOH (18)
Он может быть получен также при диспропорционировании
гидразобензола:
Н,
ад—im^TN-ад 200.3й0ос
И Ы -------------> 2адин2 + (16)
свН5-ня?.е>м-с0н5
и
Поскольку реакцию проводят в жестких условиях и молеку-
ла гидразобензола имеет симметричное строение, есть основа-
ния предполагать, что При этом происходит гомолитический
разрыв связей.
27« ' 419
Азобензол Может быть получен также нрн взаимодействии
нитрозобензола с анилином:
С6Н5 - N=0 + H2N - С6Н5 —*“[С6Н5 - N - ЙН2-С6Н5]
-ОН
CgH^-N~NH-C6Hs
т^(18)
"rljjU
Несимметричные производные азобензола, имеющие а одном
или обоих бензольных ядрах различные заместители, могут быть
получены также реакцией азосочетания (см, разд. 6.2,3) и вза-
имодействием замещенных тетрафторборатов диазония
XC6H4N2+ BF4 с дифенилцикком.
Так как в азобензоле имеется кратная связь N = N, ему
свойственна ^ис-граис-изомерия. При синтезе азобензола опи-
санными выше методами обычно получается транс-изомер
,(т. пл, + 68 °C), который на свету изомеризуется в более бога-
тый энергией цас-изомер (т. пл. +71 °C). цпс-Азобензол имеет
дипольный момент, равный 3,0 Д, а у транс-изомера дипольный
момент равен нулю.
Молекула транс-нзомера имеет плоское строение, вследствие
чего электроны связи N = N могут взаимодействовать с л-элек-
т рода ми бензольных колец:
В результате такого взаимодействия в транс-азобензоле дли-
на связи С—N (0,141 нм) несколько меньше длины ординарной
связи С—N (0,147 нм), а термостойкость его выше, чем термо-
стойкость азосоедивений алифатического ряда; азобензол не
распадается с выделением азота даже при нагревании до 300 °C.
В молекуле цас-изомера при образовании плоской структуры
возникают пространственные затруднения, и поэтому в этом
изомере бензольные ядра повернуты на 50° относительно плос-
кости, в которой находится азогруппа. Это ограничивает воз-
можность сопряжения связи N = N с л-электронами бензольных
колец, вследствие чего длина связи С—N в цис-азобензоле
(0,146 нм) близка к длине ординарной связи,
420
Азосоединення легко присоединяют водород при действий
амальгамы натрия или рассчитанного количества цинковой пы-
ли в растворе гидроксида натрия, а также алюмогидрида лития
в присутствии галогенидов меди, железа, титана, молибдена,
сурьмы. Действие более сильных восстановителей (HI, SnCl2,
NaHSO3), или каталитическое гидрирование приводят к полно-
му гидрогенолизу связи N=N с образованием двух молекул
анилина.
Получение гидразобензола. Гидразобензол (19) получают
восстановлением азобензола в мягких условиях, а также вос-
становлением нитробензола цинковой пылью в щелочной среде:
2 СеН5МО2 + 5 Zn + 5 NaOH + HgO-^CgHg - NH - NH - C6H6 +
(19)
+ 5NaHZnO2
Гидразобензол очень легко окисляется кислородом воздуха
даже при комнатной температуре. Особенно быстро реакция
протекает при продувании воздуха через суспензию гидразо-
бензола в водном растворе щелочи.
В кислой среде гидразобензол претерпевает внутримолеку-
лярную перегруппировку (бензидиновая перегруппировка), ко-
торая позволяет переходить от производных бензола к произ-
водным бифенила — бензидину (20) и 2,4'-диаминобифенялу
(21).
Перегруппировке не препятствует наличие электроноакцеп-
торных групп СООН и SO3H в лара-положениях исходного
гидразобензола. В ходе перегруппировки эти группы элимини-
руются. Если же в пара-положен и и по отношению к замести-
телю в одном из ядер находятся группы N(CH3)2, CHjCOO*1
или Hal, то они сохраняются и образуется преимущественно
производное 2,4'-диаминобифенила:
Наконец, если в одном из бензольных ядер в пара-положе-
нии находятся группы NH2 или CH3CONH, то образуется сое-
421
динение (22), а если группы СНз или СНзО — соединение (23).
Соединение (23) получается также и в том случае, если в пара-
положениях в обоих ядрах находятся группы СН3 и С1.
(22)
1(23)
Интересные результаты получены для таких производных гидразобензола,
у которых атомы азота дополнительно связаны ноли метиленовым и цепочками
различной длины [формула (24)]. Было показано, что бензидиновая перегруп-
пировка возможна для соединений, у которых число атомов углерода в подоб-
ной полнметиленовой цепочке составляет не менее десяти (л:>8), При л=1
образуется 1.3-ди(фениламино)пропан. при п = 2 — смесь производных дифе-
нилпна (25), семидниа (26) и 1.4-ди(фениламнно)бутана, при л = 4 — произ-
водное дифенила.
(24)п - 8
СН3-(СН2)П
NH .
СН2
(25) п = 2-4
(СН2)П
(26) п= 2
Бензидиновая перегруппировка протекает внутримолекуляр-
но; если перегруппировке подвергать смесь двух различных за-
мещенных гидразобензола, например (27) и (28). продукт пе-
рекрестного взаимодействия (29) не образуется.
Первой стадией бензидиновой перегруппировки является про-
топироваяие обоих атомов азота. Па основании кинетических
исследований было установлено, что реакция имеет первый по-
рядок по реагирующему гидразобензолу и второй — по кислоте.
Предполагают, что присоединение протонов происходит после-
довательно. причем стадией, лимитирующей скорость всего про-
422
цесса перегруппировки, является присоединение второго прото-
на к атому азота, основность которого значительно ослаблена
влиянием соседнего уже протонированного атома азота.
Соединения с четырехковалентным атомом азота имеют тет-
раэдрическую структуру, и угол между всеми четырьмя валент-
ностями равен 109°. Таким образом, дважды протонированный
гидразобензол имеет структуру (30). Оба бензольных кольца
из-за пространственных затруднении могут ориентироваться
только перпендикулярно плоскости чертежа в двух параллель-
ных плоскостях, расположенных друг от друга на расстоянии
(0,45 нм), не исключающем возможность взаимного перекрыва-
ния я-электронных облаков обоих бензольных колец.
(30)
Энергия связи N—N невелика (155 кДж/моль), а противо-
стояние двух положительных зарядов на атомах азота делает
ее еще более лабильной. Поскольку молекула гидразобензола
симметрична и обе ее половины равноценны, более вероятно,
что после протонирования обоих атомов азота связь N—N пре-
терпит гомолитический, а не гетеролитический разрыв. Тогда
л-электроны бензольных ядер примут участие в рассредоточе-
нии неспаренного электрона, и последний с приблизительно
равной вероятностью будет находиться как на атоме азота, так
и в орто- и пара-пол о же ниях обоих бензольных ядер.
Взаимодействие бензольных ядер за счет пара-, а не орто-
положений, возможно, обусловлено тем, что в них меньше ска-
зывается влияние —/-эффекта, обусловленного положительно
заряженными атомами азота. Перегруппировка завершается
отщеплением двух йротонов из пара-положений относительно
Согласно другой точке зрения, связь N—N разрывается гетеролитически,
При этом промежуточно должны образоваться дикатион н молекула ани-
лина, а новая углерод-углеродная связь возникает в результате электрофиль-
ной атаки дикатиона «ара-положенпя в молекуле анилина. Недостатком тако-
го объяснения механизма бензидиновой перегруппировки является отсутствие
веских аргументов в пользу гетеролитнческого разрыва связи N—N в симмет-
рично построенном протонированном гидразобензоле.
6.2. ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ДИАЗОСОЕДИНЕНИЙ
6.2.1. Взаимодействие аминов с азотистой кислотой
При взаимодействии аминов с азотистой кислотой образуются
различные продукты в зависимости от того, являются ли амины
первичными, вторичными или третичными, а также в зависимо-
сти от строения связанных с аминогруппой органических ради-
калов.
Первичные амины. Два первых члена гомологического ряда
первичных алифатических аминов — метил- и этиламины — при
взаимодействии с азотистой кислотой образуют соответствую-
щие спирты (без побочных продуктов), причем в результате
реакции выделяется молекула азота:
RNH2 + HONO ---► ROH + N2 + Н2О
Однако в этих же условиях из н-пропиламина образуется
преимущественно не первичный, а вторичный спирт (изопропи-
424
левый) и в качестве побочных продуктов — циклопропан и про-
пилен. Так как реакцию Зычно г доводят в растворе хлорово-
дородной кислоты, то получа- также изомерные алкилгадо-
гениды;
он
CH3CH2CH2NH2 NaN°2-HCI>H2°>CH3 . сн - СН3 +
(50%)
+ СН3СН2СН2ОН + Н2С—СН2 + СН3СН = СН2 + CH3CHCiCH3 +
(следы) сн2
+ СН3СН2СН2С1
При взаимодействии неопентиламина (32) с азотистой кис-
лотой происходит изомеризация углеродного скелета и преиму-
щественно образуется третичный пентиловый спирт. Первичные
амины алициклического ряда, например (33), претерпевают
перегруппировку Демьянова, сопровождающуюся сужением или
.расширением цикла. Первичные алкениламнны, например бу-
тен-3-иламин (34), образуют сложную смесь продуктов.
ОН
(CH3)3CCH2NH2 NaN0^HCI-H^ (СН3)2С - СН2СН3
(32)
М1, NaN0?HCI,H,0 )—\
•--Г— CH2NH2------*----+ ----------------сн2он
(33)
сн2 - снсн2сн2мн2 _N^HC1'H£°> СН2 = СНСН2СН2ОН +
(34) (45%)
+ сн2 ~ снснсн3+ Н2С — снсн2он + н2с - снон +
ОН СН2 Н2С-СН2
(21%) (15%) (12%)
+ сн3сн = снсн2он
(7%)
425
При действии азотистой кислоты на меченый ^-фенилэтил-
амин (35) образуется смесь двух изомеров, отличающихся по-
ложением меченого атома углерода:
С6Н5СНаСН2МН2 WaNQa НС1,Н?0, С6Н5СН2СН2ОН +
(35)
+ СбН5СН2СН2ОН
Незамещенные амиды карбоновых кислот аналогично пер-
вичным аминам при взаимодействии с азотистой кислотой пре-
вращаются в карбоновые кислоты:
NaNO-j HCI, Н,0
RCONHa----------1—1*. rcooh
В отличие от алифатических аминов первичные амины аро^
матического ряда, например анилин и его производные, содер-
жащие различные заместители в бензольном ядре, при взаимо-
действии с азотистой кислотой образуют не спирты, а соли
дггазония:
ХС6Н4МН2 NaNOgl НС1' нг°„ ХС6Н4М2 сГ
Вторичные амины. Вторичные амины как алифатического,
так и ароматического рядов, а также смешанные жирНоарома-
тические амины реагируют с азотистой кислотой более одно-
значно, чем первичные амины, образуя А-нитрозосоединения:
R2N-N=O Af2N-N = O ArRN-N = O
Аналогично реагируют и некоторые другие соединения, име-
ющие вторичную аминогруппу. Например, фенилгидроксиламин
при взаимодействии с азотистой кислотой образует А-нитрозо-
производное* (36), в котором атом водорода гидроксильной
группы находится под влиянием двух элекгроноакцепторных
групп и поэтому способен легко замещаться с образованием
* Это соединение («купферрон») испод ел уют для определения ионов меди.
426
соли хелатного строения (37);
ОН
CeHgNHOH HN% С5Н5 - N - №О-^С
(36)
N=O, /0^
----► C6H6-hk .Ъи N - C6H6
4 oz Ъ=>/
(37)
При действии азотистой кислоты на /V-алкиламиды, напри-
мер на /V-метилмочевину, также образуются А-нитрозосоедине-
ния (38). При этом нптрозируется более основная (-(-/-эффект
группы СНз) аминогруппа. Полученный продукт используют
для синтеза диазометана (ем. разд. 6.2.3).
ц„м гм миги NaNO2, НС!, Нг0 ,, , °
HgN - СО - NHCH3----J------L>. H2N - СО - NCH3
(36)
Третичные амины. Третичные амины алифатического и али-
циклического рядов образуют с азотистой кислотой малоустой-
чивые соли аммония R3NHNO2. Однако смешанные жирноаро-
матические третичные амины нитрозируготся в дара-положение
бензольного ядра:
N(CH2CH3)2
нмой
О = N
N(CH2CH3)2
Диалкилбензидамины окисляются азотистой кислотой с об-
разованием бензальдегида и диалкиламина:
C6H5CH2N(CH3)2 ---N°2 > С6Н5СНО + HN(CH3)2
-2NO,-H2O
Механизм реакции аминов с азотистой кислотой. Азотистая
кислота является более слабой кислотой, чем азотная. В азот-
ной кислоте на атоме азота имеется полный положительный
заряд, а в азотистой кислоте дефицит электронной плотности
на атоме азота даже меньше, чем на атоме углерода в карбо-
нильной группе. Поэтому в отсутствие сильных минеральных
кислот электрофильная реакционная способность азотистой кис-
лоты невысока. Увеличить ее можно, проводя реакции с амина-
ми в присутствии сильных минеральных кислот (чаще для этой
427
цели используют хлороводородную кислоту). При этом, по-ви-
днмому, происходят протонирование атома кислорода гидрок-
сильной группы, отщепление воды и генерирование нитрозоний-
катиона:
+
O=N-OH + H+==*O = N -ОН2^О= М+ + Н2О
Далее нитрозоний-катион взаимодействует с атомом кисло-
рода гидроксильной группы второй молекулы азотистой кисло-
ты, который имеет неподеленные пары электронов. После реге-
нерации протона образуется триоксид диазота:
0xN++:6-N = 0-*[0 = N-0-N = 0]---»0 = N-0 -N=O
I I 'H+
H H
По сравнению с самой азотистой кислотой дефицит элект-
ронной плотности на атомах азота в N2O3 больше, а избыточная
электронная плотность сосредоточена на крайних атомах кис-
лорода. Есть основания предполагать, что именно N2O3 реаги-
руют далее с аминами, так как кинетическими измерениями
было показано, что на 1 моль амина требуется 2 моль азотистой
кислоты,
С азотистой кислотой может реагировать только свободный
амин, а не его соль. Действительно, методом ИК-спектроскопии
показано, что даже в подкисленных растворах аминов сущест-
вует равновесие:
R - NH3 X'<±R - NH2 + НХ
Способность аминов реагировать с азотистой кислотой опре-
деляется наличием у атома азота аминогруппы неподеленной
пары электронов и хотя бы одного атома водорода, способного
впоследствии отщепиться в виде протона от атома азота.
Азотистая кислота, а точнее NiOg. выступает в этой реакции
как бифункциональный реагент, который не только электро-
фильно атакует атом азота и образует с ним ковалентную связь,
но и принимает протон, отщепляющийся в результате реакции.
Учитывая все сказанное выше, можно утверждать, что при
взаимодействии первичных и вторичных аминов с азотистой
кислотой реализуется шестичленное переходное состояние:
H<°>N
J л| —> №0 + HO-N~O
>N} Со
ДО
В концентрированных растворах азотистой кислоты лимити-
рующей стадией реакции является образование этого переход-
ного состояния, а в разбавленных — образование NjOg.
Аналогично происходит и взаимодействие с азотистой кислотой первичных
и вторичных нитросоеднЕтепий, Обладая сильными электроноакцепторными
свойствами, питрогрутта активирует п-водородные атомы (в нитрометане рА(;,
связи С—И составляет 10.2). Один из крайних атомов кислорода в NnO.-,, на
которых сосредоточена избыточная электронная плотность, может стать ак-
цептором протона, а оставшаяся на атоме углерода пара электронов может
использоваться для образования ковалентной связи с одним из атомов азота
NjOs. Не исключено, что с N3O3 нитросоедннення реагируют в аци форме (39):
Если яитросоединение нторичное. то в результате реакции образуется
псевдонитрол (40), а если первичное, то имеющий очень подвижный атом во-
дорода первичный продукт натрозирования перегруппировывается в нитроло-
вую кислоту (41].
—н+ +Н +
RR С - N = О R-CH-N=O--:-•
(40)
NO2
R - С = N - ОН
(41)
Итак, на первой стадии реакции как первичных, так и вто-
ричных аминов с азотистой кислотой происходит их нитрозиро-
ванне. У вторичных аминов реакция останавливается на этой
стадии, в то время как первичные алифатические и ароматиче-
ские амины претерпевают дальнейшие превращения, В молеку-
лах этих соединений у атома азота аминогруппы остается еще
один атом водорода. Будучи активирован электроноакцепторной
нитрозогруппой, он мигрирует в виде протона к атому кислоро-
да, т. е. к месту с наибольшей электронной плотностью, образуя
диазогидрат (42), Так как реакцию проводят в присутствии
сильной минеральной кислоты, то образовавшиеся диазогидра-
ты протонируются по атому кислорода, давая после отщепления
воды нитрены (43) и затем диазоний-катноны:
R- NH - №0 —R- N = N - ОН — R- N = N - Йн?—*
R= Aik, Аг (42) -н2°
-* R - N ~ N*-* R - N = N
(43)
До этой стадии механизмы взаимодействия алифатического
и ароматического аминов с азотистой кислотой совпадают. Од-
429
нако дальнейшие превращения алифатического и ароматическо-
го диазоний-катионов протекают по-разному.
Электронодонорная алкильная группа способствует распаду
алифатического диазоний-катиона с выделением стабильной,
бедной энергией молекулы азота и образованием карбокатиона,
например;
-I- +
СН3СН2 — N = N -* СН3СН2 + N2
Поэтому даже при очень низких температурах не удается
выделить соль алкандпазония.
Многообразие продуктов реакции первичных алифатических
аминов с азотистой кислотой (см. выше) обусловлено последу-
ющими превращениями как образовавшегося карбокатиона, так
и изомеризованного более стабильного карбокатиона. Каждый
из них может взаимодействовать с молекулой растворителя, на-
пример с водой (образуя спирт), с анионом кислоты (давая
алкилгалогениды) пли децротонироваться с образованием
алкена,
Так, образовавшийся в качестве интермедиата з реакции
н-пропплампна с азотистой кислотой карбокатион (44), в кото-
ром положительный заряд находится на первичном атоме угле-
рода. изомеризуется путем гидридного сдвига в более стабиль-
ный вторичный карбокатион (45). В катионе (45) положитель-
ный заряд дополнительно рассредоточен уже на шести, а не на
двух, как в первичном катионе, а-водородных атомах. Алкен в
данном случае может образоваться из обоих карбокатионов
путем депротонирования с участием молекулы воды:
СНз - СН2 - СН2 СН3 - СН - СН3 СН3 - СН = СН2
(44) (45) 'нз°
Неопентил-катион. первоначально образующийся при реак-
ции неопентиламина (32) с азотистой кислотой, не имеет спо-
собных к гидрндному сдвигу а-водородных атомов. Поэтому в
нем, аналогично тому, как это происходило при пинаколиновой
перегруппировке (см, разд. 2.2.1). происходит миграция одной
из метильных групп (в виде карбаниона). При этом образуется
более энергетически выгодный третичный карбокатион с боль-'
шим числом мест рассредоточения положительного заряда:
(СН3)3С-СН2 (СН3)2С - СН2 - СН3 .
Расширение цикла при реакции амина (33) с азотистой кис-
лотой, также протекающее вследствие миграции карбоаниона,
происходит потому, что в результате перегруппировки ДемьянО-
430
ва положительный заряд перемещается с пёрвйЧйогО атома
углерода на вторичный, и из менее устойчивого четырехчленно-
го цикла образуется свободный от углового напряжения пяти-
членный никл:
(33)^r-pH!
Многообразие продуктов реакции непредельного амина (34)
с азотистой кислотой обусловлено тем, чю в рассредоточении
положительного заряда в образовавшемся карбокатионе может
участвовать легко поляризуемая кратная углерод-углеродная
связь.
Наконец, при реакции меченого ^-фенилэтиламина (35) в
первоначально образовавшемся карбокатионе (46) в рассредо-
точении положительного заряда могут участвовать л-электроны
бензольного кольца с промежуточным образованием феноние-
вого катиона (47), имеющего строение о-комплекса, в котором
молекула воды может равновероятно атаковать как меченый,
так и немеченый атомы углерода боковой цепи:
Й* *
CHg 5+
(46) (47)
©С
В отличие от солей алкандиазония, которые немедленно раз-
лагаются с выделением молекулы азота и образованием карбо-
катиона, соли арендиазония сравнительно устойчивы. Например,
водные растворы бензолдиазония начинают медленно разла-
гаться лишь при комнатной температуре, а энергичное выделе-
ние азота происходит при нагревании раствора до 50—80 °C.
Большая устойчивость солей арендиазония обусловлена нали-
чием у фенильной группы —7- и +М-эффектов.
Так как при разложении дназоний-катиона молекула азота
уходит вместе с парой электронов, которой диазогруппа была
связана с арильным остатком, то увеличение у последнего элек-
троноакцепторных свойств должно увеличивать —/-эффект
арильного остатка и, следовательно, повышать устойчивость
соединения. Это видно при сравнении относительных скоростей
разложения различных хлоридов арендиазония (за 100 принята
скорость разложения хлорида бензолдиазония):
Изомер HOOCCSH«NH ClCeH,Ns+ О!НС«Н4Ма+
пара 10 0,20 0,50
орто 20 0,02 0,05
Мета 50 5,00 0,10
431
Из приведенных данных видно, что все соли арендиазония,
имеющие в ядре электроноакцепторные заместители, разлага-
ются со значительно меньшими скоростями по сравнению с
солью незамещенного бензолдиазония.
Следуя логике этих рассуждений, можно было бы ожидать,
что наличие в бензольном ядре сильных электронодонорных за-
местителей приведет к понижению устойчивости солей диазо-
ния. Относительные скорости разложения соответствующих хло-
ридов диазония приведены ниже (за 100 также принята скорость
разложения хлорида бензолдиазония):
Изочсф CH.C«H(N,+ CHjOGsHjNfT НОСЛьЫД-
пара 10 0,01 0,1
орто 500 — 1,0
мета 500 500 1000
Как видно, это предположение подтверждается не всегда.
Ч-М-Эффект фенила, обусловленный смещением л-электронов
бензольного кольца в сторону электроноакцепторной группы
N2+. приводит к увеличению кратности связи С—N (что затруд-
няет отщепление молекулы N2) и уменьшению кратности связи
N^N. Поэтому наличие в орто- и пяра-положениях в аромати-
ческом ядре заместителей с Ч-тИ-эффектом (ОСН3) и -р/-эффек-
том (СНз) должно приводить к упрочнению связи диазогруппы
с бензольным кольцом и, следовательно, к увеличению устой-
чивости соли диазония.
Результатом такого влияния электронодонорных заместите-
лей является увеличение в диазоний-катионах вклада резонанс-
ных структур (48) и (49), в которых связь N—N в диазогруппе
не тройная, а двойная:
(49)
Уменьшение кратности связи N—N в диазогруппе под влия-
нием электронодонорных заместителей подтверждается данны-
ми ИК'Спектров соответствующих катионов арендиазония:
Дйазоний-катиан
c6h5n2+
CH3CeH4N2+
СНзОСвН,^*
V*, см"1 Диазаиий'КЭ'гион V*, см“1
2290 HOCsH4Ns+ 2242
2272 Н2ЫС6НДЧ2+ 2176
2251 (CH3)2NCsH4N2+ 2160
* Следует- заметить. что численные значения v являются ско-
рее характеристикой совокупности аалентпых колебаний яс&-
го фрагмента С—N—N, з не связей N—N в группе NrK
432
Для сравнения можно привести характеристические частоты
двойной связи N = N в син- и антп-азобензолах (1511 и 1418 см-1
соответственно), а также связи N-—N в диазометане (2105 см-1),
в котором эту связь следует считать промежуточной между
двойной и тройной связями (см, разд. 6.3),
Резкое уменьшение стабильности всех мета-замещенных катионов бензол-
диазония, имеющих электронодонорные заместители, до сих пор не имеет удов-
летворительного объяснения. Возможно, это происходит потому, что замести-
тели такого типа увеличивают электронную плотность на всех атомах бензоль-
ного кольца, а не только в орто- и лара-положениях, и это увеличение
электронной плотности должно благоприятствовать выделению молекулы азо-
та, а при наличии заместителя в лета-положении по отношению к диазогруппе
исключается возможность образования хиноидных структур типа (48) и (49).
Устойчивость солей диазония зависит не только от особен^
ностей строения катиона диазония, но и от химической природы
и строения аниона соли диазония. При прочих равных условиях
наиболее устойчивы соли диазония, которые образованы с уча-
стием анионов сильных кислот (BF4_, FeCl4~), нуклеофильная
реакционная способность которых очень мала. Наименее устой-
чивы соли слабых кислот, анионы которых обладают значитель-
ной нуклеофильной реакционной способностью. Например, соль
(50) в природе не существует, так как цианид-анион нуклео-
фильно атакует диазогруппу, в результате чего образуется не-
нонизированное соединение с ковалентными связями:
C6H5-&N > CeH&-N-N~C^
(50)
6.2,2. Ароматические диазосоединения
Методы получения. Как было отмечено выше, скорость реакции
ароматических аминов с азотистой кислотой определяется ста-
дией образования шестичленного переходного состояния. Лег-
кость образования цикла в первую очередь зависит от нуклео-
фильной реакционной способности и основности атома азота
аминогруппы. Последняя в свою очередь в значительной степе-
ни зависит от характера заместителей в бензольном, ядре.
Заместители, у которых + М-эффект выше —/-эффекта
[N(CH3)2, ОСНз и Др.], сильно увеличивают реакционную спо-
собность неподеленной пары электронов атома азота амино-
группы и, следовательно, благоприятствуют протеканию реак-
ции диазотирования. В данном случае диазотирование можно
проводить мягкими диазотирующими агентами.
Напротив, заместители, имеющие —М- и —/-эффекты (NO2,
CN), понижают реакционную способность аминогруппы, м-Нит-
роанилин как основание в 90 раз слабее анилина (влияние
£8—1425 433
только —/-эффекта), а /i-нитроа цилин в 35 раз слабее, чем
.м-нитроанилин (совместное влияние —1- и —Af-эффектов),
Динитроанилины вообще не взаимодействуют с .азотистой кис-
лотой. Для получения диазосоединениц из таких аминов, содер-
жащих в ароматическом ядре электроноакцепторные замести-
тели, требуются более сильные нитрозирующие агенты, способ-
ные диссоциировать с образованием нитрозоний-катиона.
По электрофильной силе нитрозирующие агенты, используе-
мые в реакции диазотирования, располагаются в ряд:
>N = О С1Од > HOSO2ON = О > COCOON - 0 >
>H2ON = O > CIN=O > 0-N 0 - N = О>
>HON = O > GH;COON = O > ROM=O
Электрофильная сила приведенных соединений определяется
положительным зарядом на атоме азота нитрозогруппы. Для
нитрозирования слабоосновных аминов часто используют также
нитроэилсерную кислоту в нитрометане.
Существуют четыре основных метода получения солей ди-
азония из первичных ароматических аминов. Выбор одного из
них в каждом конкретном случае определяется химическими
особенностями заместителя в ароматическом ядре.
1) «Прямой» метод заключается в предварительном раство-
рении диазотируемого амина (1 моль) в минеральной кислоте
(3 моль) с последующим постепенным введением в него при
охлаждении до 0°С раствора нитрита натрия (1 моль). Метод
используют при диазотировании анилина, толуидинов, монога-
логен- и нитроанилинов, соли которых растворимы в воде.
При большом недостатке минеральной кислоты возможно
образование Триазена (51) (желтый осадок, который можно
разрушить добавлением кислоты):
+ +
С6Н5 - N = N + H2NC6Hb-*[C6FU- N=N-NH2- С6Н61 ‘ *
---» С6Н5 - N -N-NH - С6Н5
(51)
При нагревании триазенов с солью амина получается амино-
азобензол (52), Эту реакцию обычно проводят в среде анилина
в присутствии каталитических количеств анилинийхлорида.
Предполагают, что при нагревании происходит диссоциация
соли анилина, а образовавшийся хлороводород протонирует
триазен. Продукт протонирования затем распадается на анилин
и катион бензолдиазония, которые затем вступают в реакцию
азосочетаннн (см. разд. 6.2.2):
434
(51) С6н5 ~N = N- NH2- С6Н5-*С6Н5 - N = N +
+ C6H5-NH2 ----> = N—<Q>“NH2
(52)
Эта перегруппировка (в отличие от бензидиновой) протекает
межмолекулярно; если ее проводить в среде л-толуидина. а не
анилина, то наряду с n-аминоазобензолом образуется некоторое
количество бензолазотолундина.
(53) (54) <55)
2) «Обратный» метод заключается в постепенном введении
щелочного раствора диазотируемого амина и нитрита натрия в
охлажденный до О °C раствор минеральной кислоты, взятой в
избытке. Метод используют при диазотировании плохо раство-
римых в воде аминов, например антраниловой (53), сульфани-
ловой (54) и нафтионовой (55) кислот.
3) В том случае, когда основность аминогруппы сильно по-
нижена наличием в ядре двух или трех электроноакцепторных
групп (например, в дн- и тринитроанилинах), амин растворяют
в смеси концентрированных фосфорной и серной кислот и полу-
ченный раствор постепенно прибавляют к нитрознлеерной кис-
лоте, Слабоосновные амины можно также диазотировать, раст-
воряя амин в ледяной уксусной кислоте и добавляя к нему
раствор нитрозилсерной кислоты в серной кислоте.
4) Если основность аминогруппы повышена или амин раз-
лагается при действии минеральных кислот, то его соль раст-
воряют или суспендируют в воде или в каком-нибудь органи-
ческом растворителе и При охлаждении обрабатывают таким
мягким нитрозирующим агентом, как алкилнитрит RONO,
При диазотировании в водных растворах изомерных фени- \
лендиаминов—веществ более основных, чем анилин, — возни- у
кают обусловленные различными причинами затруднения. Если
использовать Прямой метод, то из р-фенилендиамина образует-
ся гетероциклическое соединение — бензотриазол (56). Его об-
28* 435
разевание объясняют следующим образом. Так как обе амино-
группы не могут одновременно взаимодействовать с нитрозиру-
Ющим агентом, то сначала образуется монодиазонневая соль,
в которой происходит внутримолекулярное взаимодействие ди-
азогруппы с непрореагировавшей аминогруппой, Приводящее к
образованию гетероцикла с тремя атомами азота:
лгФенилендиамин, в котором наблюдается согласован-
ная ориентация обеих аминогрупп, обладает большей основно-
стью, чем остальные два изомера, н поэтому в большей степени
склонен к азосочетанию (см. разд. 6.2.2). Монодиазонневая
соль, полученная из .и-фенилендиамина, предпочтительно всту-
пает в реакцию азосочетания с еще не прореагировавшей моле-
кулой диамина, а не со второй молекулой азотистой кислоты:
Для подавления этого нежелательного направления реакции
создают большой избыток минеральной кислоты.
\ Наконец, л-фенилендиамин, подобно гидрохинону, очень
< лепка окисляется в хинондиимин:
Если же все-таки надо продиаэотировать обе аминогруппы
у всех изомерных фенилендиаминов, то раствор диамина в ук-
сусной кислоте следует прибавлять к охлажденному раствору
нитрита натрия в концентрированной серной кислоте.
436
Реакции. Реакция азосочетания. Реакция азбсочетаниЯ явля-'
.ется примером реакции диазосоединений без выделения азота.
Соли диазония как электрофильные реагенты способны взаимо-
действовать с ароматическими соединениями, обладающими вы-
сокой основностью (амииы и фенолы), с анионами достаточно
сильных алифатических СН-кислот (анионы малонового и аце-
тоуксусного эфиров, алифатических нитросоединений), а также
с алкенами (бутадиеном-1,3, изобутиленом, виниловыми эфира-
ми и др.).
Электрофильная сила диазояий-катиона сравнительно невы-
сока, так как в рассредоточении положительного заряда в нем
участвуют л-электроны бензольного ядра ( + М-эффект фениль-
ной группы), в котором в орто- и дарй-положениях по отноше-
нию к группе Ns+ создается значительный дефицит электронной
плотности. По силе воздействия на бензольное кольцо диазо-
группа превосходит нитрогруппу и соизмерима с группой
(CHs)aN+- Это подтверждается тем, что в соли п-хлорбензол-
диазония, как и в полинитрохлорбензолах, возможно замещение
атома галогена на нуклеофильные реагенты по механизму 5N2
,(см. разд. 5.3.2), например:
N=C-S~+Cl—# V— N5N Х"—*N=C-S—у у— NENX"
X—/ -С1~ \—/
При этом методом ИК-спектроскопии было доказано проме-
жуточное образование переходного комплекса с хиноидной
.структурой:
Реакция азосочетаиия арендиазония с высокоосноввымн аро-
матическими субстратами является типичной реакцией электро-
фильного замещения, причем электрофильной частицей в дан-
ном случае является диазоний-катион:
(57) (58)
N=N-/ y-NfCHgJa
Такое представление о механизме реакции азосочетания под-
тверждается рядом экспериментальных фактов.
437
Установлено, что реакция ускоряется в тех случаях, когда
в диазокомпоненте (арендиазоний-катионе) (57) присутствует
одна или несколько электроноакцепторных групп, особенно в
орто- и пара -положениях, и, наоборот, наличие в диазокомпо-
ненте электронодонорных групп сильно замедляет реакцию.
Относительные скорости реакции азосочетання солей аренди-
азония, содержащих различные заместители в пара-положении,,
приведены ниже (за единицу принята скорость азосочетания
соли бензолдиазония):
O2NCSH4N2+ 1300 CH3CsH4Ns+ 0,64
-OsSCsH4N2+ 13 C1I3OCSH4N2+ 0,01
BrcaiAi1 13 . -
Диметил- и диметоксипроизводные диазотированного бензи-
дина (59) значительно менее реакционноспособны, чем незаме-
щенное соединение. Относительные скорости реакций азосоче-
тания этих соединений приведены ниже:
(59; R = Н) I
(59; R = СН3) 0,2
(59; I? = ОСН3) 0,1
(59) r= н, СН3, ОСНз '
В качестве азокомпонента (58) обычно используют арома-
тические соединения, имеющие одну или несколько сильных
электронодонорных групп [N (СНз)г, NHCHa], Фенолы реагиру-
ют только в слабощелочной среде, т, е, в условиях образования
фенолят-анионон. Из гомологов бензола только 1,3,5-триметил-
бензол (мезитилен) способен вступать в реакцию азосочетания
при взаимодействии с очень сильными электрофильными диазо-
соединениями.
Электрофильная реакционная способность диазокомпонентов
возрастает в ряду: бензолдиазоний < л-нитробензолдиазоний <
< 2,4-динитробензолдиазОний < 2,4,6-тринитробеизолдиазоний.
Чем выше эта реакционная способность, тем с большим числом
ароматических субстратов (азокомпонецты) р включая даже
слабоосновные, может прореагировать диазокомпонент:
Дказакомпонент
Бензолдиазоний
я-Нитробензолдиазонцй
2,4-Динитробензодциазоний
2,4,6-Тр и и нт робей зо д ди а зон ий
Азокомпанснт*
* f — 1,3|5-трнметоксиб&нзол (метиловый эфир флороглюцин^!; 1 ) J,3-диметот4си-.
бензол (метиловый эфир резорцина!; 1[[— меюкенб&нзол (анняол); IV — 1Д5-1ри->
мели л бензол (мезитял&н!; основность азоком|Сомеитов убывает в ряду: 1>И>
>Н1>IV. Знаки 4s я ~ оэяэчэк>т наличие и отсутствие реакции соответетпскно.
438
Наконец, в пользу рассмотренного выше ионного механизма
реакции азосочетания свидетельствует то, что в отличие от
большинства органических реакций она идет с высокой скоро-
стью даже на холоду, что в основном свойственно ионным ре-
акциям.
Может возникнуть вопрос, почему диазоний-катион атакует
азокомпонент крайним, а не четырехковалентным атомом азота,
на котором должна быть сосредоточена большая часть положи-
тельного заряда диазогруппы. Во-первых, на крайнем атоме
азота также имеется переданный по индукции от соседнего ато-
ма азота значительный дефицит электронной плотности; кроме
того, одной из резонансных структур диазоний-катнона являет-
ся форма (60) с секстетом электронов на крайнем атоме азота
(нитрен). Предполагают даже, что оба атома азота диазогруп-
пы несут приблизительно одинаковые положительные заряды,
4- +
Аг - N = N <->Аг - N = N;
(60)
Во-вторых, если предположить, что азокомпонент образует
связь с четырехковалентным атомом азота, то при этом должна
была бы образоваться чрезвычайно невыгодная биполярная
структура:
и
:№
Обычно диазоний-катион атакует пара-, а не орто-положение
азокомпонента. Возможно, что в орто-положениях в большей
степени сказывается —/-эффект заместителей типа N(CH3)2 и
ОСН3, а также их экранирующее действие.
Когда паря-положение азокомпонента занято группой СООН
или SO3H, При азосочетании эта группа может элиминировать-
ся, а если в этом положении находится группа СН3 или ОСН3,
сочетание идет в орто-положение. «-Нафтолы сочетаются в по-
ложение 4, а если оно занято — в положение 2. ^-Нафтолы со-
четаются только в положение 1. Если оно занято группами
СООН, SO3H и даже NHCH3 или Hal, то Эти группы замеща-
ются азогруппой. Если же в положении 1 находится метильная
группа, то азосочетание вообще не Происходит, так как в этом
случае диазоний-катион может ^атаковать только положение 3,
в результате чего образуется о-комплекс, для стабилизации ко-
торого потребовалось бы нарушение ароматической системы
соседнего кольца.
При образовании о-комплекса азокомпонент приобретает
плоскую хиноидную структуру, например (61). В том случае,
439
если в ней оба орто-положения хиноидного ядра заняты, напри-
мер метильными группами, образование о-комплекса затрудня-
ется. Этим объясняется тот факт, что Л\Л\2,6-тетраметиланилин
лишь с трудом вступает в реакцию азосочетания.
(611
Реакции азосочетания в большинстве случаев протекают с
изотопным эффектом. Это может.свидетельствовать о том, что
вторая стадия реакции — отщепление протона — идет со скоро-
стью, соизмеримой со скоростью первой стадии. Поэтому на про-
текание реакции азосочетания существенно влияет природа
основания, которое является акцептором протона, отщепляю-
щегося от о-комплекса на заключительной стадии реакции.
Реакцию азосочетания проводят в средах, близких к ней-
тральным, Если в качестве азокомпонента используют амины,
оптимальное значение pH находится в интервале 5—9. Значения
рН<5 неприемлемы, поскольку в этих условиях амины могут
образовывать соли, катионы которых не только не обладают
электронодонорными свойствами, но и сами могут быть элек-
трофильными частицами. При рН>10 сочетание проводить то-
же нельзя, так как в этих условиях из диазоний-катиона обра-
зуется диазотат-анион (62), неспособный к реакции азосочета-
ния (подробнее см. разд. 6.2.2).
2- 8-
СеН5—№=?г-=о (62)
Чаще всего сочетание аминов проводят в уксуснокислом или
нейтральном растворе.
л У фенолов интервал оптимальных значений pH уже и равен
у 9—10. Диазоний-катион сравнительно слабый электрофил, по-
этому он способен сочетаться только с фенолят-анионом, а не
< со слабодиссоциированной молекулой фенола.
Избирательность направления реакции в зависимости от pH
среды позволяет направлять диазоний-катион в различные по-
ложения относительно групп NH2 и ОН при сочетании с азоком-
понентом, содержащим одновременно обе эти группы. Напри-
мер, при сочетании соли бензолдиазония с д-диметиламинофе-
иолом можно получить два различных соединения. При pH = 6
образуется соединение (63), а при рН = 10 — соединение (64).
НО
(63)
N = NCeH5
(CH3)2N
N(CH3)2
(64)
N = NCeH5
ОН
440
Аналогично ведет себя 4-а мино-5-гидрокси на ф га. шн-2,7- ди-
сульфокислота (Аш-кислота) (65), которая при рН = 6образует
соединение (66), а при рН=10 — соединение (67):
При проведении азосочетания необходимо следить за тем,
чтобы количества компонентов были эквимольными, так как
последующее удаление примеси избыточного компонента за-
труднительно. , . .
Продукты реакции азосочетания—ярко-окрашенные соединения, исполь-
зуемые s качестве красителей (азокрасители). Если краситель содержит функ-
циональные группы, способные химически взаимодействовать с волокном, на-
пример сульфогруппы, то такой краситель наносят на ткань непосредственно
из водных растворов. К красителям такого тина относится, например, конго
красный (68), который получают сочетанием соли нафтионовой кислоты с ДН-
азотпрованпым бензидином. Он относятся к дисазокраснтелям, так как содер-
жит две азогруппы.
SO3Na
44}
К атому же типу красителей относится также кислотный сине-черный. по-
лучаемый сочетанием Аш-кислоты (в виде соли) с солью л-нитробензолди а ло-
ция и последующим сочетанием образовавшегося моноазокрасителя с солью
бензолдпазоння:
В том случае, когда краситель нерастворим в воде, его синтезируют непо-
средственно па ткани, предварительно пропитав ее водным раствором одного
из дэмиолеитов и затем поместив в охлажденный ло 0—5 “С раствор второго
компонента.
К красителям такого типа относятся краситель (69), полученный сочета-
нием (t-нафтола с солью л-ннтробензолдиазоння. и краситель (70), получаемый
сочетанием fi-нафтола С диазотированной сульфаниловой кислотой.
(69) Х= N02
(70) X = SO3H
При использовании красителя (69) окрашиваемую ткань пропитывают ще-
лочным раствором р-нафтола. а затем помещают в раствор соли диазотиро-
ванного л-нитроанилнна.
Некоторые азокрасители способны образовывать па волокне устойчивые
труднорастворнмые комплексы с нонамн тяжелых металлов. в основном с Сг14.
Такие красители наносят на ткань, предварительно обработанную содями хро-
ма (протравные, хромирующиеся азокрасители).
К красителям такого типа относятся: а) производные салициловой кисло-
ты и 8 гндрокснхинолина, при комплексообразовании которых с металлами не
происходит изменения цвета, например красители (71) н (72); б) красители
442
с комплексообразующими замсст|пелям11 (ОН, XHj плц СООН) в орго-полб-
Жениях к азогруппе, например J.paciiie.w (73) и (74),
"7
Нек1чорые азокрасители способны измерять цвет при определенном зна-
чении pH. и их ги’по.|ьзуют в аналитической химии в качестве индикаторов.
У HL'iitj 1ьзуеХ|Ых в качестве индикаторов азокрасителей в азокомпоненте uhic-
ются обладающие основными свойсшами аминогруппы. Переход в хиноидную
структуру происходит при подкислении, причем прогоннруется не атом азота
заместителя, а один цз а [ омов азота азогруппы, большая основное[Ь которого
обусловлена мезомерпым смешением электро иной цлотнос[|Г. Красители гелп-
антип (мепкювнй орэнжснь|й) (75) и конго красней (6&) используют в каче-
стве индикаторов .ацил оме грин; желтый цвет гели анти на (щелочная среда)
изменяется на красный (кислая грела), а красный цвет конго красного (ще-
лочная среда) —на синий цвет (кислая среда).
Азокрасители, у которых имеются об-тадающпе кислотными свойствами
гидроксигруппы, цапример красители (S9) и (70), имеют хиноидную структуру
в щелочной Среде;
Цветовые переходы в зависимости от pH среды у таких красителей выра-
жены более слабо, чем у |елиавт1|на п конго красного.
Продукты реакции азосочетания используют также для по-
лучения о- и п-аминофеполов и соответствующих фениленди-
аминов восстановительным расщеплением связи N = N в азо-
соединениях действием дихлорида олова или гидросульфита
натрия, например:
Соли диазония способны вступать в реакцию азосочетания
не только с ароматическими азокомпонентами, но и с анионами
сильных СН-кислот алифатического ряда (анионами малонового
и ацетоуксусного эфиров, эфира циануксусной кислоты, нит-
роалканов). Если в образовавшемся азосоединении сохраняет-
ся активированный атом водорода, то происходит изомеризация
этого соединения с образованием монофеннлгидразона эфира
дноксокислоты, например:
"СОСН3
сн—соос2н5
С0СН3 *н5
| +Н+
С6Н5-Ь1 = Ы-СН-СООС2Н5—>-
сосн3
---->- c6hsnh-n = c-cooc2h5
444
Азогруппа сохраняется в продукте азосочетания только в
том случае, когда активированный атом водорода в исходном
азокомпоненте связан с третичным атомом углерода, например
при сочетании соли бензолдиазония с 2-нитропропаном в слабо-
щелочной среде:
N°2
C6H5N2+ + (CH3)2CHNO2-^C6H5 - N = N - C(CH3)2
Если на натриевую соль продукта взаимодействия бензол-
диазония с нитроэтаном подействовать второй молекулой бен-
золдиазония. то образуется бнсдиазосоединенне:
N02
C6H5N2 CH3CH2NO2- н0^ c6hs - N н - n = с - сн3
n°2
----h C6H5 -N=N-C-N=N- CeH5
CH3
В нитрометане имеются три активированных атома водорода, поэтому при
сочетании его с бепзолдиазопием получается соединение, содержащее одно-
временно гидразоно- и азогруппы:
no2
С6н5- NH-N = C- N = N- С6н6
Превращение диазосоединений в кислой и щелочной средах.
Строение ароматических дпазосоединений существенно зависит
от pH среды. В кислой среде, в которой их обычно получают из
ароматических аминов, они представляют собой соли диазония.
Соли диазония — полностью диссоциированные соединения, не-
растворимые в эфире и других органических растворителях, но
хорошо растворимые в воде. Реитгеноструктурным методом
установлено, что атомы азота в диазоний-катионе расположены
линейно в плоскости бензольного кольца. Это свидетельствует
о том, что они находятся в состоянии sp-гибридизации. Хлорид-
ион соли диазония расположен по одну сторону плоскости бен-
зольного кольца на расстоянии 0.32 нм от диазониевой группы,
дрцчем, возможно по стеричееким Причинам, несколько ближе
к крайнему атому азота.
Соли диазония — твердые вещества, чувствительные к удару,
при нагревании взрывающиеся (особенно нитраты).
Водные растворы солей диазония с анионами сильных кис-
лот имеют нейтральную реакцию на лакмус, и, следовательно,
445
эти соединения можно рассматривать как соли сильного осно-
вания и сильной кислоты. Бензолгидразонийгидроксид (76) в
индивидуальном состоянии до сих пор выделен не был. В каче-
стве интермедиата он образуется при действии на разбавленный
водный раствор бензолдиазонийхлорида влажным оксидом се-
ребра:
C6H5N=N Cl" + АдОН -C6H5N=N "ОН + АдС1
(76)
В первый момент раствор приобретает сильнощелочную ре-
акцию и сохраняет высокую электропроводность. Однако при
стоянии щелочность и электропроводность раствора быстро
уменьшаются, что можно объяснить, по-видимому, тем, что
диазоний-катион начинает с измеримой скоростью реагировать
с ионом "ОН как с нуклеофилом с образованием диазогидрата
(77), в результате чего атомы азота переходят из состояния
sp- в состояние $р2-гибридизации [диазогидрат образуется так-
же в качестве интермедиата при взаимодействии аминов с азо-
тистой кислотой (см. разд. 6.2.1)]. Можно даже предположить,
что в первый момент образуется цкс-изомер диазогидрата, так
как анион _ОН должен координироваться одновременно по
крайнему атому азота диазогруппы и одному из электроноде-
фицитных орто-положений бензольного кольца.
(77)
Однако зафиксировать образование диазогидрата никаким
из современных методов исследования органических соединений
до сих пор не удавалось. Причина этого, по-видимому, заклю-
чается в том, что диазогидрат, который можно рассматривать
как гетеровинилог фенола, должен обладать, подобно фенолу
(РКа=9.98). некоторой ОН-кислотностью, поэтому его более
правильно называть диазокислотой. По этой причине он с го-
раздо большей скоростью, чем исходный диазонийхлорид (и
притом необратимо), должен немедленно реагировать со второй
молекулой AgOH как с основанием образуя диазотат серебра
(78). Учитывая, что электроотрицательность серебра составляет
1,9 и, следовательно, степень ионности связи О—Ag не дости-
446
тает 50%, диазотат серебра часто изображают в виде ковалент-
ного соединения (79).
S- 6-
CeH6—N==x— он + AgOH—>CeH5-NM,’--0 Ag+ + НгО
(78)
CGH5-N=N-OAg (79)
Можно предположить, что при взаимодействии 1 моль бен-
золди а зонпйхлорнда с 1 моль AgOH образуется диазотат ди-
азония (80):
СеН5 —N=N СГ + АдОН —------>- 1/2 [С6Н5-N=N ~(ON2-C6H5)]
- AgCI,
-j/2h2o (80)
Соединение аналогичного состава — так называемый диазо-
оксид (81)—было выделено, например, при диазотировании
n-хлоранилина. Это вещество разлагается при нагревании с вы-
делением 1 моль азота и образованием устойчивого диазоэфира
(82) и сочетается с аминами и фенолами (что свойственно
только диазоний-катиояу); это служит подтверждением того,
что оно является диазотатом диазония.
(82)
Из сказанного выше становится понятным, почему, действуя
на бензолдиазонийхлорпд зквпмо.тьным количеством влажного
оксида серебра, не удается выделить ни устойчивый диазоний-
гидроксид, ни диазогидрат. Диазогндрат не удается получить
и при действий на соль диазония эквимольного количества ще-
лочи. При этом протекают следующие реакции;
+ ЫаОН ЫаОН
C6H5N2Cr -------►" С6Н,-N = N-OH —- V
° ° г -ЫаСГ ь 5 -н20 1
---► C6H5-N = N-O Na+
447
Вторая реакция идет со значительно большей скоростью.
Об этом свидетельствуют результаты потенциометрического тит-
рования соли бензолдиазония 2 моль экв. щелочи: после введе-
ния 1 моль экв. щекочи не наблюдается скачка потенциала, как
это имеет место при титровании двухосновных кислот.
Диазотаты щелочных металлов в водных растворах диссо-
циируют на ионы. Они Представляют собой устойчивые, легко
выделяемые соединения, не способные вступать н реакции азо-
сочетания и разлагаться с выделением азота.
Еще в прошлом веке отмечали, что свойства диазотата нат-
рия существенно зависят от способа его получения. Если под-
щелачивание соли диазония проводить при охлаждении и сразу
же удалять выпавший осадок из реакционной смеси, то обра-
зуется соль, которую иногда называют «нормальным» дпазота-
том. в отличие от «изодиазотата». получаемого при нагревании
или длительном стоянии реакционной смеси. При нагревании
или при выдерживании раствора «нормального» диазотата при
комнатной температуре образуется более устойчивый «изоди-
азогат». «Нормальный» диаэотат существенно отличается от
«итодцазотата» химическими свойствами: в отличие от послед-
него он сочетается с фенолами и третичными диалкиларилами-
нами и разлагается с выделением азота.
Причины такого различия в химических свойствах «нормаль-
ного» диазотата и «изодиазотата» не выяснены до настоящего
времени. Еще в прошлом веке Л. Ганч утверждал, что «нор-
мальный» диазотат и «изодиазотат» являются геометрическими
изомерами: «нормальный» диазотат — ч«с(син)-1[зомером (83),
а «изодиазотат» — транс(анти)-изомер (84) (в то время счита-
ли, что связь О—Na ковалентная).
NaO'N = N4C6H5 NaO"N=N'C6Hii
(83) (84)
Однако до сих пор неясно, почему именно quc-изомер спо-
собен вступать в реакцию азосочетанпя, несмотря на то что
находящийся в нем в quc-положении фенил должен был бы
создавать пространственные затруднения при взаимодействии
с азокомпонентом.
Впоследствии А. Ганч установил, что имеющий, по его мне-
нию, ковалентное строение дназонитрнл (85). полученный дей-
ствием цианида калия на л-хлорбензолдпазонийхлорид, также
существует в двух изомерных формах,
Одни из изомеров, полученный в мягких условиях, имеет
температуру плавления -f-28°C. сочетается с фенолами и жир-
ноароматическимн аминами, образует осадок при взаимодейст-
вии с AgNOa. при действии порошкообразной меди выделяет
448
+№ N Cl“
N - N - CN
(85)
азот и образует бензонитрил. Ему была приписана син-струк-
тура. При стоянии этот изомер самопроизвольно переходит в
соединение е температурой плавления 4-160 °C, которое не реа-
гирует с AgNO3 и при гидролизе без выделения азота образует
ареиазокарбоновую кислоту:
CI
N = N - СООН
И в данном случае есть больше оснований считать, что полу-
чаемый в мягких условиях изомер не является геометрическим
quc-изомером, а представляет собой смесь диазонитрила с еще
ие успевшим превратиться в него диазонийцианидом. Только
анион последнего и может образовать с AgNO3 нерастворимый
в воде осадок AgCN, а катион — вступать в реакцию азосоче-
тания.
Взгляды Ганча вызывали в его Время и продолжают вызы-
вать возражения. Требуется объяснить, почему геометрические
изомеры столь кардинально отличаются друг от друга по хими-
ческим свойствам и устойчивости. В частности, остается без
ответа вопрос, почему цис-изомер, в котором, как и в онти-изо-
мере. оба атома азота ковалентно связаны с остальными частя-
ми молекулы, легче выделяет молекулу азота и почему он
способен сочетаться с фенолами и аминами, а транс-изомер —
нет. Предположение Ганча стало особенно скептически воспри-
ниматься после того, как было установлено, что из всех ионов
и молекул, содержащих диазогруппу, только диазоний-катион
способен разлагаться с выделением азота и вступать в реакцию
азосочетания.
Современник А. Ганча Э. Бамбергер предположил, что раз-
личие в свойствах диазотатов обусловлено не геометрической,
а структурной изомерией. Считая, что связь натрия с остальной
частью молекулы ковалентная, он приписал «нормальному ди-
азотату» структуру (86), а «изодиазотату»— структуру (87),
С6Н5 - № N - ONa
(86)
Na
f
С6Н5- N- № О
(87)
29—1421?
449
Но и это предположение представляется несостоятельным,
так как в настоящее время установлено, что связь с металлом
в дназотате натрия ионная, а анион имеет строение, показанное
в формуле (78), причем ион натрия координируется по месту с
наибольшей электронной плотностью — по атому кислорода.
Однако, подобно другим солям с амбидентными анионами, ди-
азотаты металлов как нуклеофилы способны по-разному взаи-
модействовать с алкилгалогенидами как субстратами (см.
разд. 2.1,1),
Так, при взаимодействии метилиодида с диазотатом натрия
образуется Лг-нитрозо-Лг-метиланилин (88). Реакция протекает
по одностадийному механизму SN2, и, следовательно, диазотат-
анион атакует электронодефицитный атом углерода в метил-
иодиде атомом азота, обладающим большей нуклеофильной ре-
акционной способностью:
Л
и
При взаимодействии же с диазотатом серебра реакция про-
текает по двухстадийному механизму Sn). На первой стадии
происходит отрыв ионом серебра иодид-иона из метилиодида с
образованием реакционноспособного карбокатиона +СНз, а на
завершающей реакцию стадии — взаимодействие карбокатиона
с диазотат-ационом, которое, в соответствии с правилом Корн-
блюма, идет по месту с наибольшей электронной плотностью —
по атому кислорода, что приводит к образованию диазоэфира;
СН31 + Ад+----* СНз С6Н5 - N - N - ОСН3
~Ад)
Нельзя также безоговорочно принять более позднее предполо-
жение Г. Цоллингера, который, признавая, что в реакции азо-
сочетания принимает участие не сам смм-диазотат, а легко по-
лучающийся из него диазоний-катион, не объясняет, почему из
cww-диазотата должен легче, чем из йнгц-изомера, образовы-
ваться диазоний-катион и каким путем, через какие интерме-
диаты это превращение происходит.
Подводя итоги всему высказанному выше, можно утверж-
дать, что скорее всего «нормальный» диазотат не является ин-
дивидуальным веществом и в нем помимо диазотата содержит-
ся некоторое количество не успевшего прореагировать со ще-
лочью диазоний-катиона, который вступает в реакцию азосоче-
тания и разлагается с выделением молекулы азота.
450
Остается дискуссионным также вопрос о возможности су-
ществования у имеющих ионное строение диазотатов щелочных
металлов геометрической цмс-травс-изомерии. По мнению
Б. А. Порай-Кошица, если даже принять полную выравненность
связей между двумя атомами азота и между атомом азота и
атомом кислорода, все равно кратность связи азот—азот равна
1,4, что приводит к ограничению свободного вращения вокруг
таких связей и к появлению у диазотатов геометрических изо-
меров. Однако приписывать наличию такой изомерии столь
различное химическое поведение «нормального» диазотата и
«изодиазотата» нет никаких оснований.
Таким образом, строение диазосоединений существенно за-
висит от pH среды. В кислой среде они представляют собой
соли диазония, а в щелочной — диазотаты металлов, и только
эти две формы можно в настоящий момент считать реально су-
ществующими: они были выделены и их строение доказано. Обе
формы при изменении pH среды способны переходить друг в
друга:
+ - PNaOH - +
C6H5N = NC1 ~ > С6Н5 - N = N - О Na
2HCI
Все остальные логически вероятные интермедиаты этих пе-
реходов— диазонийгидроксид и диазогидрат (диазокислота)-—
являются только гипотетическими.
Так как водные растворы бензолдиазонийхлорида имеют
нейтральную реакцию, то можно утверждать, что диазонийгидр-
оксид должен быть сильной щелочью и реагировать с кислота-
ми. Однако он является и псевдокислотой, так как в виде ко-
валентно построенного соединения способен реагировать со
щелочами;
CeH5-N = N он -!Ясбн5-й«мсг
C«H5-N--N-OH-^C6H5-N--N-O' N8 +
Диазогидрат должен был бы быть слабой кислотой, соизме-
римой по кислотности с фенолом и поэтому способной реаги-
ровать со щелочами. Однако он в то же время является и
псевдооснованием, так как способен реагировать с кислотами:
С6Н5 - N = N~ ОН С6Н5- N = N-O" Na+
1 HCI
* + + ci + -
[СеН5 - N = N - 0Н2-► СеН5 - N = N) —* С6Н5 - N Н N CI
-HgO "
?9* 451
Таким образом, наиболее вероятным интермедиатом при пе-
реходе соли диазония в диазотат и обратно является диазо-
гидрат:
С6Н5 - N = N IС6Н5 - N = N - ОН] С6Н5 - N = N - О'
-'ОН +Н+
Если допустить возможность реального существования этого
соединения, то ему (как и оксимам, азобензолу и 1,2-диалкил-
этиленам) должна быть свойственна цис-гра«с-изомерия, а так-
же прототропная таутомерия:
HO^N = N4c6H5
НО^ 14
С6Н5 - N- N- O- H ’+н > С6н5 - NH - N - О
Существование прототропной таутомерии подтверждается
тем, что при действии пероксида водорода на раствор соли -бен-
золдиазония был выделен JV-нитроанилии C6H6NHNO2.
Все реальные и гипотетические формы ароматических диазо-
соедииений и пути их взаимных переходов приведены ниже:
X" + н+
.---------[Аг - N - N - ОН2]<---
-НгО
j_ ▼ _ цп” + — _ НО“
Ar - N = N X — IAi -H=N ОН]—>IAr - N = N- ОН]----►
соль диазония
диазоний-
гидроксид
---> Аг - N = N - О* М+
диазотат
диазогидрат
(цис- и транс-)
д
-Н+, +Н+
[Аг - NH - N = 0]
Замещение диазогруппы. Существует большое число реакций
солей диазония, в результате которых группа N2 замещается
на различные другие группы или атомы. Эти реакции идут te
сравнительно мягких условиях; в значительной степени это
обусловлено тем, что они сопровождаются выделением бедной
4$2
анергией химически инертной молекулы азота. Некоторые ИЗ
этих реакций приведены ниже:
ArNjHSO;
H2a,5Q-fio °Cw Аг _ он
X----Ar-OR
Л HSCH2COOH + KSH A,eu
ArSCH2COOH«------------ ArN2 X------или '* *rSM
CjHjpCSSH
+ нагревание
A t N 2 BF4------------> А r F
(реакция Шимана)
, + - CuX, HX (води.) (реакция Зандмейера)
ArN2 X ----------------------------------------> ArX
Си, HX (води,), 50°C (реакция Гаттермана)
X = Cl, Br, CN, N02 и др.
H2so3
ArSO2H -4--------
Cu
+
Ki
---->- Ad
ArNO2
NaN02,Cu
ArN2 X-
NaNO2
Cu2O
ArN02
ArAs0(0Na)2
Na3AsO3
НгО, Cu
(реакция
Барта)
+ ArAsO(ONa),
A/N2 X- -------------
Ar2AsOONa
X = BF
ImArN2 Cl'pMXn
M'
(реакция Несмеянова)
M = Hg, Sb, Sn, Pb, Ti, As; M’’= Cu, 2n, Bi
ArN2 x
C6H5SbCL, Fe
-------------Ar(C6H5)SbCl3
453
ArN2 X*
Ar'H, NaOH, H,0
-----------------------------------у
(реакция Гемберга - Бахмана - Хея)
Аг - Аг'
ArN2 X-
RCH = CHR',
ацетон {ведн.),СцС1
(реакция Меервейна)
Аг Аг
I I
RC = CHR' + RCH = CR'
R = Н, Aik, AH R'= COOAIk, CN, CHO, COAlk, C6H5
В зависимости от типа и условий проведения реакции кова-
лентная связь С—N (углерод бензольного кольца и азот диазо-
группы) может претерпевать гетеролитический или гомолитиче-
ский разрыв. В первом случае электронная пара переходит к
атому азота; такие реакции можно рассматривать как реакции
нуклеофильного замещения диазогруппы. Гетеролитический раз-
рыв связи C—N происходит самопроизвольно при нагревания
соли диазония. При этом образуется чрезвычайно неустойчивый
реакционноспособный фенил-катион, в котором в отличие от
бензил-катиоиа отсутствует возможность рассредоточения поло-
жительного заряда. Реакции такого типа протекают по двух-
стадийному механизму SN1.
c6h5-n=n -------> [c5h5]+ + n2
Гомолитический разрыв связи С—N обычно происходит в
присутствии солей меди (I) или порошкообразной металличе-
ской меди. Медь относится к металлам с переменной валент-
ностью. Как металлическая, так и одновалентная медь способ-
ны быть донорами электрона; двухвалентная медь легко вос-
станавливается до одновалентной,так как при этом завершается
полное доукомплектование З^-электрониого уровня до десяти
электронов. Учитывая это, можно предположить, что гомолити-
ческому разрыву связи С—N в дназоний-катионе предшествует
передача одного электрона от атома меди к положительно за-
ряженному атому азота. При завершении реакции регенериру-
ется Си+, поэтому в реакциях такого типа используют катали-
тические количества солей меди(1):
C6H5-N==N + Cu+ ------>- -C6Hs + N2+Cu2+
С6н5+X-+ Cu2+ —h <ЧН5 -X + Cu+
<54
Существуют экспериментальные критерии, позволяющие су-
дить о характере разрыва связи С—N в диазоний-катноне при
реакциях замещения. Так, если проводить приведенные выше
реакции в присутствии нитробензола или ацетофенона, то по-
мимо основного продукта реакции побочно образуются произ-
водные бифенила. В случае гетеролитического разрыва образо-
вавшийся фенил-катион (как и любая другая электрофильная
частица) предпочтительно атакует лепь положение по отноше-
нию к нитрогруппе с образованием 3-нитробнфенила:
N02
В случае же гомолитического распада диазоний-катиона об-
разуются 4-нитробифенил и в меньшем количестве 2-нитроби-
фенил, так как в соответствующих переходных состояниях соз-
даются возможности для большего рассредоточения неспарен-
ного электрона, например:
Если происходит гомолитический разрыв связи С—N, то в
продуктах реакции обнаруживаются бифенил и азобензол. Би-
фенил образуется в результате димеризации двух фенил-ради-
калов, а азобензол — в результате взаимодействия феннл-ради-
кала с диазоний-катионом при участии соединений меди(1),
отдающей электрон катиору диазония:
2 • С6Н5 —h СбН5-СбН5
•СбНй + №N — СбН5 + Си4 C6Hs—N=N—С6Н5 + Си
Если реакцию проводят в ацетоне, то образуются бензол и
хлорацетон:
+СГ
*с6н5 + Н - СН2СОСН3--Н'СН2СОСН3) —> С1СН2СОСН3
-С6н6 -е
455
Можно утверждать, что реакции солей диазония с такими
реагентами, как Н2О, ROH, K.SH, C6HbOCSSH. HSCH2COOH,
а также реакция Шимана протекают с гетеролитическим разры-
вом связи С—N, а реакции Зандмейера, Гаттермана, Барта,
Несмеянова, Гомберга — Бахмана — Хея, Меервейна, а также
реакции с NaNOs и ArAsO(O,Na)2 — с гомолитическим разры-
вом этой связи. Механизм реакции с KI не выяснен; отсутствие
в данном случае медных катализаторов не может однозначно
свидетельствовать о гетеролизе диазоний-катиона, так как сам
иодид-ион может быть донором электрона, необходимого для
гомолитического разрыва связи С—N:
I"-----:1' + е
Следует остановиться несколько подробнее на некоторых из
приведенных выше реакций.
Для получения фенола гидролизом гидросульфата бензол-
диазония рекомендуется постепенно вводить раствор соли ди-
азония в избыточное количество Предварительно нагретой раз-
бавленной серной кислоты, а не просто нагревать смесь раство-
ров этих двух веществ. В противном случае побочно получается
продукт азосочетания образовавшегося фенола с еще не раз-
ложившейся солью диазония. что снижает выход фенола.
В данной реакции обычно не используют бензолдиазонийхлорид,
так как хлорид-ион будет конкурировать с водой на заключи-
тельной стадии реакции.
Обе реакции со спиртами протекают параллельно. Реакция,
приводящая к образованию эфира фенола, является реакцией
нуклеофильного замещения и протекает по механизму SN1;
С6н5 - N —У- [С6Н5]+ ---------С6Н5 - 0 - R —-У- C6H5-OR
н
Реакция, приводящая к ароматическому соединению, по-ви-
димому, идет через переходное состояние с переносом гидрид-
иона от а-атома углерода спирта, а не с переносом атома во-
дорода гидроксильной группы:
i-н + на
Это подтверждается тем, что замена диазогруппы на атом
водорода происходит при действии на соль диазония такими
456
J ё 6 </•! t>' .
апротонными реагентами, как диоксан и параформ; в последнем
случае выход бензола достигает 60— 70%.
+
c6h5-n—n + ch2o + h2o -------у. С6Н6 + НСООН + N2
В пользу приведенного выше механизма свидетельствует тот
факт, что выход продукта восстановления увеличивается, если
в пара- или, особенно, в орто-положении по отношению к ди-
азогруппе в субстрате находятся электроноакцепторные замес-
тители (NO2. Hal).
Направление реакции зависит также от строения группы R
в спирте. Выходы алкоксипроизводных при использовании раз-
личных спиртов составляют (в %): 93 —для СН3ОН, 60—для
СН3СН2ОН, 50 — для С3Н7ОН, 30 — для С6НцОН. Однако,
если реакцию с метиловым спиртом проводить не в подкислен-
ном минеральной кислотой растворе, а в ацетатном буфере,
анизол получается лишь в незначительном количестве, а основ-
ным продуктом является бензол (60%). Побочно образуются
также бифенил и бензиловый спирт.
Причина столь существенного изменения направления реак*
дни заключается в том, что в описанных условиях диазоний-ка-
тнон реагирует с ацетат-ионом как с нуклеофилом, а получив-
шееся ковалентное соединение может распадаться с выделением
азота только по радикальному, механизму:
CeHc - N=N + “ОСОСН3 ---У C6H5-N=N-O-COCH3 —>
---->- -сбн5 + сн3соо-
Образовавшийся при этом чрезвычайно реакционноспособ-
ный фенил-радикал отщепляет атом водорода из группы СН3
метилового спирта, образуя бензол и радикал -СНгОН. или
димеризуется, давая бифенил. Бензиловый спирт можно рас-
сматривать как продукт димеризации двух радикалов:
•с6н5 + -сн2-он ----->- с6н5-сн2он
Если учесть, что сам бензол более доступен, чем такие его
производные, как анилин и соль диазония. то на первый взгляд
может показаться, что реакция диазосоединений со спиртами,
в результате которой диазогруппа замещается на атом водоро-
да, не имеет препаративного значения. Однако использование
«7
этой реакции в качестве одной из стадий какого-либо синтеза
позволяет получать весьма труднодоступные вещества.
Например, получить симметричный 1,3,5-трибромбензол не-
посредственным бромированием бензола невозможно, так как
галогены ориентируют электрофильные реагенты в орто- и па-
ра-положения и сильно пассивируют ядро. Поэтому синтез это-
го вещества можно провести по схеме, заключительной стадией
которой является элиминирование диазогруппы:
Вг
Кроме спиртов, при действии которых в качестве побочных
продуктов образуются алкоксисоединения, для элиминирования
диазогруппы используют фосфорноватпстую кислоту. Предпо-
лагают, что эта реакция протекает по радикальному цепному
механизму.
Промежуточное образование фенил-катиона при проведении
реакции Шимана было доказано А. Н. Несмеяновым и Т.П, Тол-
стой. Если термическое разложение предварительно тщательно
высушенного тетрафторбората диазония проводить в присутст-
вии таких слабых нуклеофилов, как хлор- и бромбензол, то об-
разовавшийся на первой стадии чрезвычайно реакционноспособ-
ный фенил-катион заставит атомы галогена в этих соединениях
предоставить свои неподеленные пары р-электроцов для обра-
зования с ним ковалентной связи:
BF< v +
C6HS - X: ++СбН5 ------>- С6н5 - X - с6н5 bf;
X = С1, Вг
Однако попытки получить таким способом фторониевые со-
единения оказались безуспешными.
45S
Аналогично, проводя разложение тетра фторбората диазония
в присутствии дифенилового эфира, можно получить тетрафтор-
борат трифенилоксония: (CSHS)3O+BF4_.
Большое препаративное значение имеет реакция замены ди-
азогруппы на группу CN, позволяющая ввести в органическое
соединение еще один атом углерода. В известной степени она
является аналогом синтеза Кольбе, позволяющего получать
нитрилы алифатических кислот из алкилгалогенидов и цианида
калия. По причинам, обсужденным ранее (см. разд. 2.1),
в арилгалогенидах заменить атом галогена на нуклеофильные
реагенты, в том числе на группу CN, удается только в жестких
условиях, поэтому эта реакция, проводимая в сравнительно
мягких условиях, находит практическое применение при синте-
зе нитрилов ароматических кислот,
В результате реакции образуется нитрил ArCN, а не изо-
нитрил ArNC, что может служить доказательством гомолитиче-
ского разрыва связи С—N в диазоний-катионе. В противном
случае фенил-катион атаковал бы цианид-ион по месту с наи-
большей электронной плотностью, образуя изонитрил. Если же
реакция идет с промежуточным образованием радикалов, то
передачу электрона иону меди(П) на заключительной стадии
реакции легче осуществить от атома углерода, имеющего мень-
ший заряд, чем от атома азота;
•С6Н5 + :C=N; + Cu2+ ------>- C6H5CN + Cu+
Эти же аргументы позволяют утверждать, что получение нитро-
соединений также протекает по гомолитическому механизму.
Реакция А. Н. Несмеянова — разложение двойных солей ди-
азония в присутствии порошков металлов — имеет большое
препаративное значение, так как позволяет получать различные
элементорганические соединения. Впервые она была использо-
вана для получения смешанного ртутьорганического соединения
при действии порошка меди на двойную соль бензолдиазония:
IC6H5N2+ СГ] • HgCl2 + 2Cu ----> СеН5 ~ HgCl + N2 + 2CuCl
Наряду с основным продуктом реакции были обнаружены
углеводороды и продукты хлорирования растворителя, что ука-
зывало на гомолитический распад диазоний-катиона. Поскольку
медь в ряду активности металлов находится левее ртути, можно
предполагать, что она не только вызывает гомолитический рас-
459
пад диазоний-катнона, но и частично вытесняет ртуть из хло-
рида ртути (II);
+
C6H5-N=N + Cu° --------к -C6H5+Cu+ + N£
Cu0 + HgCl2 ---->- HgCl + CuCI
•C6H6 + *HgCl -->- C6H5-HgCI
Разложением двойных солей диазония в присутствии порош-
ков металлов были получены олово- и висмуторганическне со-
единения;
IC6H5nJ СГ]2 ' SnCU-^1^ (CeH5)2SПCl2 + 2N2 + 2SnCtz
. 98i
[C6H5N2+ СГ]3 • BiС13 (CeH5)3Bi + 3N2 + 2Вicl3
Однако не во всех реакциях подобного типа можно предпо-
лагать гомолитический распад диазоний-катиона, Например,
О. А. Реутов, изучая реакцию соли (89) в присутствии порошка
железа, пришел к выводу, что в данном случае диазоний-катион
распадается с образованием фенил-катиона. Такой вывод был
сделан на основании того, что при наличии в бензольном ядре
электроноакцепторных групп (NOZ, Cl) скорость реакция раз-
ложения двойных солей (90) значительно снижается:
ICfiHjNg Cl ] -C6H5SbCl4 (CgHjJjSbCt3 + N2 + FeCI2
(69)
[<Q^^+crJ
(90)
Реакция Гомберга — Бахмана — Хея является одним из не-
многих методов, позволяющих получать несимметричные про-
изводные бифенила, Арилнрование ароматических соединений
проводят действием водного раствора щелочи на хорошо пере-
мешиваемую смесь соли диазония с большим избытком арома-
тического соединения. По-видимому, собственно реакции арили-
рования предшествует переход соли диазония в растворимую
в органическом слое диазокнслоту, которая, подобно диазоаце-
тату в реакции со спиртом, претерпевает гомолитический разрыв
W
.Связи С—fJ: как бромбензол й толуол, Так и нитробензол ари-
лируются в ларя-положение.
В заключение следует остановиться на реакции арилирова-
ния алифатических ненасыщенных соединений с помощью солей
диазония но Меервейну. Акриловая кислота и ее нитрил, нитрил
коричной кислоты и даже стирол в присутствии солей меди(1)
(лучше всего в водном ацетоне) арилируются солями диазония,
например:
СеН5СН = С - CN
Cl
n2, - HCI
CoH5CH = CHCN
СеН5Ы*С1 + сн?-снс6н5-ь C6H5CH = CHC6H5 + N2 + HCl
По-видимому, как и во всех предыдущих реакциях, медь(1)
инициирует гомолитический разрыв связи С—N, а фенил-ради-
кал присоединяется по кратной связи так, чтобы образовался
радикал (91), в котором имеется больше мест рассредоточения
неопаренного электрона [см. формулу (92)]. Реакция может за-
вершиться либо отщеплением одного из атомов водорода, либо
Присоединением атома хлора, в обоих случаях с участием об-
разовавшегося на первой стадии иона Сц2+, который принимает
,один электрон.
CeHs- + CH2 = CHC6H5 —>-СеН5СН2-СН-С6Н5
(91)
| СГ, Си**
-HCl.-Cu* -Си*
С,Н8СН = CHCgHg CjH^CHj —CHCI—CgH5
< )Н н
(92)
С реакцией Меервейна конкурирует реакция Зандмейера,
приводящая в данном случае к хлорбензолу.
6.2.3. Алифатические диазосоединения
Ранее отмечалось (см. разд. 6.2.1), что при действии азотистой
кислоты на первичные амины невозможно остановить реакцию
на стадии образования соли диазония, так как алкильные труп-
пы обладают электронодонорными свойствами, что благоприят-
ствует распаду диазоний-катиона с выделением молекулы азота
и образованием карбокатиона.
Однако диазосоединения алифатического ряда все-таки мо-
гут существовать, если ие в виде солеобразных молекул, в ко-
торых отрицательный заряд сосредоточен на неорганическом
анионе, то в виде биполярных молекул, в которых отрицатель-
ный заряд рассредоточен между двумя атомами (углерода и
азота), ковалентно связанными с атомом азота, несущим пол-
ный положительный заряд.
Простейшим представителем диазосоединений алифатическо-
го ряда является диазометан CHjNs, для которого первоначаль-
но были предложены формулы (93) и (94). Хотя в формуле
(93) не нарушены валентности входящих в это соединение эле-
ментов, от нее пришлось отказаться, поскольку химические
свойства реального диазометана не отвечали свойствам такой
структуры, обещающей относительную химическую инертность.
Кроме того, диазометан имеет значительный дипольный момент
(1,4 Д)*. Формула (94) с пятиковалентным атомом азота ис-
ключается потому, что не отвечает требованиям квантовой ме-
ханики.
N=N CH2=N=N -
СНг
(93) (94)
* В настоящее время синтезированы диазирины — вещества с общей форму-
лой (96). Эти вещества бесцветны, не реагируют с разбавленными кислотами
и основаниями. Их получают взаимодействием кетонов, аммиака и хлорамина
NH2CI. По-внднмому, кетой сначала взаимодействует с более основным ам-
миаком с образованием нмина (95), который затем реагирует с хлорамином.
462
о
II
-Н* он
+н* 1
---NHg
№*-►01
1Г-
RaC=NH
(95}
п
“ шт
Чго
%
Установлено, что в диазометане длины связей углерод— азот
к азот — азат равны соответственна 0,132 и 0,112 нм, г. е. они
имеют средние значения между длинами связей С—N (0,147 нм)
и C = N (0,127 нм) н соответственно N = N (0,124 нм) н N=N
(0,109 нм). Таким образом, его строению должна отвечать фор-
мула (97),
CHa«=№N (97)
В любой из наиболее вероятных биполярных резонансных
структур диазометана положительный заряд находится на цент-
ральном атоме азота, а большая часть избыточной электронной
плотности из-за большей электроотрицательности атома азота
по сравнению с атомом углерода сосредоточена на крайнем
атоме азота. Об этом свидетельствует наличие у диазометана
дипольного момента.
+__ +
-;c,h2-n = n -ч—> ch2^N— n
Основными исходными веществами для получения диазоме-
тана являются мочевина (H2N)2CO, гуанидин (H2N)2C = NH и
этилкарбамат H2NCOOC2H5. Для получения диазометана эти
соединения сначала метилируют метялиодидом, а затем нитро-
зируют азотистой кислотой; при этом нитрозируется метилами-
ногруппа более основная, чем группа NH2, и образуются JV-ме-
тил-л-нитрозопроизводные. В последнее время для получения
диазометана используют Л^-метил-JV-нитрозамид л-толуолсуль-
фокислоты:
СН,
I
SOj-N-N = О
«3
При действии на У-метил-ДГ-нитрозопроизводные приведен-
ных выше соединений щелочью образуется диззометан (97).
например:
О СН3 Ыа+ "О СН,
II । NaOH । ।
с,н6о - С - N - N = О-^3-С2Н5О - C- N- N = o------------►»
* ° 2 5 I -сгн5осоонг
(99) ОН
Ма+
---->- [сн3- N- №0 -4-----СН3- №N-0- Na+] Na°H >
(99)----------------------(100)
---->- (97) + [н2О + Na2O ----Ь 2NaOH]
При действии щелочи на этил-ЛГ-метил-ЛГ-нитрозокарбамат
(98) гетеролитнчески разрывается связь С—N; это следует из
сопоставления энергий связей С—N. С—О и С = О (200. 290 и
630 кДж/моль соответственно), которые могут разорваться во
время реакции. Кроме того, вытеснение аниона соли (99) со-
провождается выигрышем энергии потому, что в рассредоточе-
нии избыточной электронной плотности б нем принимает уча-
стие электроноакцепториая нитрозогруппа. В результате обра-
зуется соль (100). Такая соль была выделена. Так как
группировка обладает электроноакцепторными свойства-
ми (зрй-гибридизацня). атомы водорода метильной группы
приобретают протонную подвижность и. так как реакция про-
водится в Щелочной среде, один из них на заключительной ста-
дии реакции способен отщепиться в виде протона.
Диазометан — газообразное вещество желтого цвета (т. кип.
—24°C); ядовит. В эфирных растворах он медленно разлага-
ется с выделением азота.
Устойчивость алифатических диазосоедкнений (как и аро-
матических) увеличивается при введении электроноакцепторных
групп, Если в диазометане один или оба атома водорода замес-
тить на электроноакцепторные группы, то это приведет к сме-
щению избыточной электронной плотности в сторону этих групп
и сделает более прочной связь диазогруппы с остальной частью
молекулы. Соединения такого типа и способы их получения при-
ведены ниже:
464
Соединение
CjHjOOC—CHN; (диазоуксусный эфир)
F3C—CHN? (трифтордиазоэтан)
СйНз—CHNf (фенилдиазометан)
(C6H5)2CN2 (дифенилдиазометан)
RCO—CHNa (диазокетоны)
(С2Н3ООС)2С1У2 (днадама,токовый эфир)
Способ получении
Действие HNO2 на эфир гли-
цина
Действие HNO2 на J -амино-
2,2, 2 -тр иф то рэтан
Окисление гидразона бензаль-
дегида HgO
Окисление гидразона бензофе-
нона IlgO
Действие дназометана на хлор-
ангидриды кислот
Действие Н;\’О2 на ам и нема-
ло новый эфир
Среди диазосоединений циклического ряда наиболее устой-
чив диазоцнклопентадиен (101), В этом соединении избыточная
электронная плотность смещена от крайнего атома азота на
атом углерода, так как в этом случае реализуется, в соответст-
вии с формулой ароматичности Хюккеля (4п + 2), энергетически
выгодная структура циклопентадиенид-аниона. Поэтому пра-
вильнее формулу диазоциклопентадиена изображать в виде бе-
таина (102). Эго соединение окрашено в красный цвет к вы-
держивает нагревание до 160 °C.
Q(>N=N [^>-N=N
(101) (102)
Дмазометан — чрезвычайно реакционноспособное вещество*
Так как в нем на атоме углерода имеется избыточная электрон-
ная плотность, он может реагировать и как сильное основание,
и как нуклеофильный реагент, а также быть донором карбенов.
Реакции диазометана как основания. Как известно, к соеди-
нениям, обладающим наибольшими оснбвными свойствами
(т. е. способностью отщеплять от соединений атом водорода в
виде протона и связывать его в недкссоциированное соедине-
ние), относятся вещества, имеющие избыточную электронную
плотность на атоме углерода, В первую очередь к ним следует
отнести металлорганическне соединения — соединения, в кото-
рых имеется ковалентная связь углерод —металл. Так как
электроотрицательность таких металлов, как Na и Li, равна
0,9—1,0, то степень ионности связи С—М составляет я;50%,
а избыточная электронная плотность находится на атоме угле-
рода. Соединения с оснбвными свойствами, присоединяя за счет
избыточной электронной плотности протон, образуют с ним
практически неднссоциированное соединение. Наиболее сильны-
ми основными свойствами обладают такие соединения, как бу-
тиллитнй и трифенидметилнатрий; несколько уступают нм маг-
нийорганические соединения.
30—U25
4&5
В диазометане на атоме углерода метиленовой группы име-
ется избыточная электронная плотность, но из-за того, что ос-
новная ее часть сосредоточена на более электроотрицательном
крайнем атоме азота, диазометан более слабое основание, чем
бутиллитий и трифенилметилнатрий. Он реагирует как основа-
ние с минеральными и карбоновыми кислотами, фенолами и
енолами, давая О-метильные производные. Первая стадия всех
этих реакций заключается в присоединении протона к атому
углерода и элиминировании молекулы азота, в результате чего
образуется карбокатион, который затем реагирует с соответст-
вующими анионами:
CH2N2 сн3 - n=n ——*сн3-^-*сн3 - X
-w2
X = Cl, RCOO С6Н5О
При взаимодействии +СН3 с образовавшимися после отщеп-
ления протона амбидентными анионами ацетилацетона (103) и
ацетоуксусного эфира (104) метилирование идет по атому кис-
лорода, тогда как при взаимодействии метилиодида е этими
анионами образуются продукты алкилирования по атому угле-
рода (см. гл. 3).
о о ”1 о осн3
II II +гн II I
сн3 - с - сн - с - СН3 сн3 - с - СН = С - сн3
(ЮЗ)
О ОСН-i
11 +сн 1
Сн3 - С - СН - СООС2Н6 _Z_4CH3 - с = сн - соос2н5
(104)
Таким путем с количественными выходами получают слож-
ные эфиры и метиловые эфиры фенолов в мягких условиях и,
главное, в нейтральной среде. Особое значение этот метод ме-
тилирования имеет для получения сложных эфиров простран-
ственно затрудненных и непредельных кислот.
Однако диазометан в обычных условиях неспособен мети-
лировать спирты с образованием простых эфиров. Эту реакцию
можно проводить только в присутствии каталитических коли-
честв кислот Льюиса (например, BF3), алкоксидов некоторых
металлов (например, Al (OCgHs)3J или некоторых кислот с комл-
496
лексными анионами, не имеющими большой нуклеофильной ре-
акционной способности (например, BFt_). В первых двух слу-
чаях диазометан протонируется только после предварительного
взаимодействия спирта с катализатором, обусловленного тен-
денцией атома бора и атома алюминия к достройке внешнего
электронного уровня до октета:
R-П-АИОГ..Н,)3 *‘(ОСА)з ROH —R - 0 - BF3
н Н
Следует отметить, что основность алифатических диазосое-
динений уменьшается в ряду:
CH2N2> С2Н5ООС - CHN2> RCO - CHN2> (CH3CO)2CN2
Реакции диазометана как нуклеофила. В качестве нуклео-
фильного реагента диазометан способен образовывать кова-
лентную связь с электронодефицитным атомом углерода кар-
бонильной группы.
Реакции с альдегидами и кетондми. При атаке диазомета-
ном атома углерода карбонильной группы образуется биполяр-
Далее в зависимости от условий проведения реакции и осо-
бенностей строения карбонильного соединения может образо-
ваться эпоксид или (после миграции гидрид-иона или карб-
аниона) карбонильное соединение, отличающееся от исходного
на группу СН2.
При взаимодействии альдегидов с диазометаном образуются
метилкетоны; если группа R альдегида содержит электроноак-
цепторныс заместители и, следовательно, гидридный сдвиг за-
труднен, то образуется эпоксид, например:
RCHO + CH2N£-RCOCH3
С13С - СНО + CHjN^CLjC - НС - СН2
О
467
При взаимодействии диазометана с ацетоном получаются
приблизительно равные количества метилэтилкетона и эпокси-
да. Из несимметричных кетонов могут образоваться два изо-
мерных кетона:
RCOR' + CH2N2*RCH2COR' + RCOCH2R'
Соотношение этих кетонов зависит от способности R и R'
мигрировать в виде аниона на заключительной стадии реакции.
По способности к миграции в виде аниона некоторые группы
можно расположить в ряд:
н“ > "СвНв> ‘СН3> "СН(СН3)2
Таким образом, при взаимодействии диазометана с ацето-
феноном преимущественно образуется бензилметилкетон, а не
фенилэтилкетон.
Реакция диазометана с циклическими кетонами приводит к
расширению цикла. Например, из циклогексанона получается
циклогептанон и в результате последующего взаимодействия
его с еще одной молекулой диазометана — циклооктанон. Кро-
ме кетонов образуются соответствующие эпоксиды:
Наконец, при взаимодействии диазометана с кетеном обра-
зуется циклобутавон. По-видимому, реакция не может задер-
жаться на стадии образования сильно напряженного циклопро-
панона, который должен был бы возникнуть при взаимодейст-
468
В'ИИ кетена с одной молекулой диазометана, и идет Дальше:
г 0“ о" 1
I + 6- 1 +
сн2 = с - Сн2 - N5N >СН2 = С-СН3 -»
-NP
сн2 = с =
Н2С - сн2
СО
снгмг
н,с - сн?
I I
н2с - с = о
Реакция с хлорангидридами кислот (реакция Арндт—Ай-
стерта). Аналогичным образом диазометан реагирует с хлоран-
гидридами карбоновых кислот. Однако от первоначально обра-
зовавшегося биполярного иона предпочтительно отщепляется
НС!, а не молекула азота, и образуется диазокетон:
О
I)
R - C-CI+CH2N2
О"
I +
R - С - СН - №N
I I
Cl н
о
T^Tr-c-chn2
Хлорангидрид необходимо вводить в эфирный раствор ди-
азометана, взятого в двухкратном избытке. В противном случае
хлороводород, выделившийся на первой стадии реакции, будет
реагировать с образовавшимся диазокетоном как с основанием,
образуя хлоркетон 1?С0СНгС].
При взаимодействии избыточного диазометана с НС1 обра-
зуются метилхлорид и азот, которые легко удаляются из реак-
ционной среды. В настоящее время для нейтрализации HCI
вместо избытка диазометана рекомендуют использовать три-
этиламин.
Диазокетоны при нагревании выше 100 °C в присутствии
оксида серебра претерпевают перегруппировку Вольфа, образуя
малоустойчивые кетены, из которых действием воды, спирта
или алкиламина получаются карбоновые кислоты (имеющие на
один атом углерода больше, чем исходный хлорангидрид),
сложные эфиры или А-алкиламиды. Если же исходить из хлор-
ангидридов двухосновных кислот, то таким способом можно
удлинить углеродную цепь сразу на два атома углерода. На-
пример, из ангидрида янтарной кислоты получается адипиновая
кислота.
С помощью меченых атомов было доказано, что после пере-
группировки меченый атом остается в карбоксильной группе:
. 1 Ад+
RCOCl + CH2N2 , u * RCHgCOOH
4в»
Механизм этой перегруппировки трактуется следующим об-
разом. Катализатор способствует отрыву молекулы азота от
диазокетона, в результате пего на атоме углерода, ранее свя-
занном с диазогруппой, остается секстет электронов. Последую-
щая достройка электронной оболочки до октета у этого атома
происходит в результате миграции группы R в виде аниона с
последующим смещением электронной плотностщ приводящим
к образованию кетена:
О
II - +
R - С - СН - №N
-N
О
II ..
R-C-СН
---* R - СН = С - О
В случае оптически активного диазокетона после перегруп-
пировки оптическая активность сохраняется. Следовательно, пе-
регруппировка происходит внутримолекулярно и мигрирует
именно анион, в котором сохраняется его конфигурация:
О
* Й - + Ад+ *
RR'R,TC- С - СН - N=N ----> RR'FV'C - СН = С = О
При проведении перегруппировки в водной или спиртовой
среде, а также в присутствии аммиака конечным продуктом
реакции являются соответственно кислота, сложный эфир или
амид:
-о Н -н+, он
но +н+ I
RCOCHNj—*RCH= C = 0-4.RCH = С - ОН—*RCH - С - ОН
‘ -Na +
I.R'OH
2. -Н+, +Н+
1. NH3
2. -Н+, +Н+
RCH2COOR'
rch2conh2
rch2cooh
Можно привести еще два интересных примера получения двазокетонов
и их перегруппировки:'
Ад*
Н2с- сн - COBr + c2h5oocchn2—»н2с - сн - с - cn2—->
СН2 СН2 о СООС2Н5
470
H2CCH - С = С = О С2Н5ОН> н2ССН - CH(COOC2HS)2
СН2 СООС2Н5 СН2
о-Амннофенолы могут существовать в двух таутомерных формах, поэтому
при действии азотистой кислоты образуется диазосоединенне, из которого-
после выделения азота получается кетен.
При проведении перегруппировки Вольфа могут получаться не только ке-
тены и затем удлиненные на группу СН^ кислоты н их производные, но н
a-.fi-непредельные кетоны, например:
RCO - С - CH2R'
+ N = N
Ag4
RCO - С - CH2R'
RGOCH = CHR'
В данном случае стабилизация происходит за счет гидридного сдвига от
соседнего атома углерода.
Нуклеофильное присоединение к активированным кратным
связям (1,3-диполярное присоединение). Диазометан как нук-
леофил может присоединяться к двойной связи С = С только
в том случае, если она поляризована под влиянием какой-либо
электроноакцепторной группы. В результате образуются произ-
водные гетероциклического соединения пиразолина. В качестве
примера приведена реакция с эфиром метакриловой кислоты:
СН2 = С - СООС2Н5 + CH2N2
сн3
--> Н2С - С - СООС2Н5
- НС NH
N
нгс - с - СООС2Н5
Н2С N
\л/
. N J
471
В отличие от соединений с изолированными двойными свя-
зями ацетилен, в котором атомы углерода находятся в состоя-
нии sp-гибрндизацин, что повышает их электроотрицательность,
легко реагирует с диазометаном, образуя пиразол:
НС = СН
ch2n2
НС = СН
I I
Н9С N
ч //
N
нс = Сн
I 1
НС NH
Реакции диазометана как донора карбенов. Диазометан при
нагревании в присутствии порошка меди (но в отсутствие
электрофильных агентов) или при облучении расщепляется с
выделением молекулы азота я образованием одной из наиболее
активных органических^частиц — карбена:
"CH2“N=N ------> £cH2J + N2
В первый момент карбен находится в возбужденном синглет-
ном состоянии, э котором оба валентных электрона, не участ-
вующих в образовании связей С—Н, имеют антипараллельные
спины и спарены. Они находятся на орбитали, имеющей в ос-
новном s-характер. Угол между связями С—Н меньше тетра-
эдрического н равен 103°, а одна из р-орбиталей вакантна. Из
этого состояния при столкновении, например, с молекулами
инертного газа карбен переходит в триплетное состояние, ха-
рактеризующееся меньшей энергией. Карбен в триплетном со-
стоянии представляет собой бирадикал, в котором каждый из
неспаренных электронов находится на одной из двух р-орбита-
лей. Он имеет линейное строение, подобно соединениям, в ко-
торых атомы углерода связаны тройной связью:
Н - С - Н
Карбены ® синглетном состоянии, взаимодействуя своей ва-
кантной р-орбиталью, способны к цис-присоединению к изоли-
рованной двойной связи с образованием трехчленных циклов.
По-видимому, даже в триплетном состоянии карбен облада-
ет высокой активностью. Так. внедряясь по связям С—Н пен-
тана. карбен вызывает гомолиз этих связей. При этом образу-
ется смесь трех углеводородов — н-гексана. 2-метил- и 3-метил-
пентанов.
Как известно, энергии диссоциации связей с водородом пер-
вичного. вторичного и третичного атомов углерода различны
(400, 393 и 372 кДж/моль соответственно). Наиболее легко
472
подвергается гомолизу связь Сгрег—Н. Однако в том случае,
когда радикал, вызывающий гомолиз связей С—Н. обладает
высокой активностью, указанное различие в энергиях диссоци-
ации не влияет на количественное соотношение продуктов реак-
ции, и оно определяется только числом атомов углерода каж-
дого типа. В случае н-пеитана выход н-гексана составляет
да50%, в случае 2-метилпентана— «33% и 3-метилпентана —
«17%.
Однако было показано, что легкость внедрения карбена по
связям С—Н у первичного, вторичного и третичного атомов
углерода неодинакова, и относительные скорости этих реакций
равны соответственно 1 : 1,2: 1,4.
Следует заметить, что по связи С—С карбены не внедряются.
При взаимодействии карбенов с циклопентаном образуется ме-
тилциклоиентан. продукт расширения кольца — циклогексан --
не был обнаружен. К реакциям такого же типа относится т?:
же образование гексафенилпропана при взаимодействии ди',
метана с трифенилметильным радикалом:
ch2n2 —г н - с - н 2<СбН5>зС> (С6Н5)3С - (ЗН2 - С(С6Нб)3
РЕКОМЕНДАТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Робертс Д., Касерио М. Основы органической химии. В 2 кн. Кн. 2: Пер.
с англ/Под ред А. Н. Несмеянова. М.: Мир 1978, 888 с. См. с. 267—273
276-297.
2. Моррисон Р,, Solid Р. Органическая химия: Пер. с англ/Под ред.
И. К. Коробициной. М.: Мир, 1974. 1132 с, См. с. 735—749.
3. Терней Л. Современная органическая химия. В 2 т. Т. 2: Пер. с англ./Под
ред. Н. Н. Суворова. М.: Мир, 1981. 651 с. См. с. 258—273.
4. Органикум. Практикум по органической химии. В 2т. Т- 2: Пер. с нем. Мл
Мир, 1979. 442 с. См.'с. 227—255.
5. Беккер Г, Введение в электронную теорию органических реакций: Пер. с
нем./Под ред. В. М. Потапова. М.: Мир. 1977. 658 с. См. с. 403—408,
519-521, 545-549.
6. Несмеянов А. Н. Несмеянов Н. А. Начала органической химии. В 2 кн,
Кн. 2. М.: Химия. 1974. 744 с, См. с. 67-74. 88-101,
7. Сойке П. Механизмы реакций в органической химии: Пер. с англ./Под ред.
Я. М. Варшавского. М.: Химия. 1977. 319 с. См. с. 150—154.
8. Фьюэон Р. Реакции органических соединений: Пер. с англ./Под ред.
И. Ф. Луценко, М.: Мир, 1966. 645 с. См. с. 465—476.
9. Белов Б. И., Козлов В. В.//Усп. химии, 1963. Т. 32. С. 121.
10. Доллингер Г. Химия азокрасителей: Пер. с нем./ПоД ред. Б. А. Порай-
Кашица. Л.: ГНТИХЛ. 1960. 363 с.
11. Порай-Коицщ Б. А. Азокрасители. Л.: Химия, 1972. 159 с,
12. Порай-Кошиц Б. А.//Учи. химии. 1970. Т. 39. С. 508,
13. Степанов Б. И, Введение в химию н технологию органических красителей,
М,: Химия, 1984. 592 с.
473
ГЛАВА 7
СВОЙСТВА И ПОЛУЧЕНИЕ КАРБО-
И ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
7.1. КАРБОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
7.1.1. Свойства карбоциклических соединений
К карбоциклическим соединениям, называемым также по.in ме-
тиленовыми углеводородами, относят такие органические ве-
щества, в которых все или часть входящих в их состав атомов
углерода образуют замкнутую цепь.
Наиболее распространены карбоциклические соединения с
пятью и шестью атомами углерода в цикле. Они отличаются
большой устойчивостью и, подобно алифатическим углеводоро-
дам, взаимодействуют лишь с ограниченным числом реагентов
по гомолитическому механизму без размыкания цикла. Напри-
мер, им свойственна реакция металелсиц — взаимодействие с
галогенами при облучении:
В отличие от алифатических углеводородов полиметилено-
вые углеводороды с меньшим числом атомов углерода в цикле,
-особенно трехчленные карбоциклические соединения, подобно
алкенам, в большей степени проявляют склонность к реакциям
присоединения, которые сопровождаются размыкавием кольца.
Так, циклопропан при облучении солнечным светом способен
присоединять одну молекулу брома:
Н2С^-СН2 + Вг2^ВгСН2 - сн2 - СН2Вг
СН2
В случае алкенов присоединение брома возможно и в тем-
ноте.
Циклопропан и его гомологи реагируют с бромоводородной
кислотой, причем присоединение идет в соответствии с прави-
лом Марковникова:
н о
ХС - СН2 + НВг—> ^с-сн,-сн3
х \ / I
СН2 Вг
474
Циклопропан и его гомологи реагируют с серной кислотой
и солями ртути(П):
Н2С - СН2 + H2SO4 —* СН3 - СН2 - СН2 - OSO3H
сн2
ROH
(СН3)2С - СН2 + (СН3СОО)2Нд -------*
\ / или Н,0
сн2
-*(СН3)2С - сн2- сн - сн3
I I
OR НдОСОСН3
Циклопропан в присутствии хлорида алюминия способен
алкилировать бензол, образуя н-пропилбензол (1)т тогда как
при алкилировании бензола пропиленом, который изомерен
циклопропану, образуется изопропилбензол (кумол).
СеИ6 + Н2С - СН2 ^2Ч»с6н5 - СН2 - СН2 - СН3
сн2 (1)
При пропускании циклопропана в токе водорода под нике-
лем происходит присоединение водорода, сопровождающееся
гидрогенолизом углерод-углеродной связи:
Н2С - СН2 + Н2 Ni| Вй°с> СН3 - СН2 - СН3
СН2
Однако в отличие от алкенов, которые способны присоеди-
нять водород при низких температурах (^40°С), эта реакция
идет только при на г резании.
В то же время существуют и такие реагенты, которые взаи-
модействуют с алкенами, но не взаимодействуют с циклопро-
паном. Так, сухие газообразные галогеноводороды не реагируют
с циклопропаном даже при нагревании до 300 °C; как было
упомянуто выще. бром в темноте не реагирует с циклопропа-
ном; циклопропан устойчив к действию озона и перманганата
калия на холоду.
В отличие от других карбоциклов циклопропан, пропущен-
ный над нагретыми твердыми катализаторами, изомеризуется:
Н,С - СН3
\/
сн2
А1203. ЮО’С
-----------------------> СН3 - СН - СН2
или Fe(Pt), 50-70°С
475
Подобно остальным поли метиленовым и алифатическим
углеводородам, циклопропан при действии хлора при облучении
рассеянным солнечным светом вступает в реакцию металепсии:
Н,С - СН2 + CU —* Н5С - CHCI + НCl
\/ ч /
сн2 сн2
Таким образом, по химическим свойствам циклопропан за-
нимает промежуточное положение между алканами и алкенами.
Циклобутан значительно менее реакционноспособен, чем
циклопропан, и ближе по свойствам к циклопентану и цикло-
гексану. Он не реагирует с размыканием цикла ни с галогена-
ми, ни с галогеноводороднымм кислотами. Однако прп пропус-
кании в токе водорода над никелем циклобутан также присое-
диняет водород, хотя при более высокой температуре:
Нас - сн2 + н22^Е1Ясн3 - сн2 - сн2 - сн3
нас - сн2
На основе изложенных выше экспериментальных фактов
А. Байер разработал теорию, получившую название теории на-
пряжения. Согласно этой теории, устойчивость карбоциклов
должна быть тем меньше, а следовательно, реакционная способ-
ность тем выше, чем больше при образовании цикла деформи-
руются (по сравнению с тетраэдрическим) валентные углы
атомов углерода, образующих цикл.
Мерой напряжения цикла, согласно этой теории, был принят
угол, на который отклоняются от тетраэдрического угла валент-
ные связи при замыкании цикла. Значения этих углов для раз-
личных циклов приведены ниже (в град):
Циклопропа)! 49
Циклобутан 19
Циклопентан 1
Таким образом, согласно теории Байера, наименее напря-
женным и, следовательно, наименее реакционноспособным и
наиболее устойчивым должен быть циклопентан.
О наличии или отсутствии напряжения в карбоциклах мож-
но судить, сравнивая их теплоты сгорания с теплотой сгорания
циклогексана, молекула которого свободна от напряжения. При
наличии напряжения в цикле его теплота сгорания выше, чем
в случае циклогексана. Теплоты сгорания Q некоторых карбо-
476
циклических соединений (в расчете на одну группу СНг), а так-
же соответствующие значения &Q (по сравнению с циклогек-
саном) приведены ниже:
Q. кДж/моль AQ, кДж/моль 0. кДж/моль AQ. кДж/иоль
Циклопропан 700 42 Циклогексан 658 0
Циклобутан 685 27 Циклогепт а я 660 2
Циклопентан 664 6 Циклоокт ап 663 4
Из приведенных данных видно, что для первых трех угле-
водородов теория Байера в основном подтвердилась. Однако
теплоты сгорания циклопропана и циклобутана (в расчете на
одну группу СНг) различаются не столь значительно, как это
можно было бы ожидать, сравнивая степень искажения валент-
ных углов.
В настоящее время объяснение этому найдено. Согласно
квантово-механическим расчетам, для циклопропана предпола-
гается особый тип углерод-углеродных связей (так называемые
«банановые связи»). Предполагают, что максимальная элект-
ронная плотность перекрывающихся связывающих орбиталей
атомов углерода в циклопропане находится не на прямой, сое-
диняющей центры их ядер, а за пределами треугольника, в вер-
шинах которого находятся ядра атомов углерода. Вследствие
этого при замыкании трехчленного цикла валентные углы
уменьшаются не до 60°, а только до 106°, что и придает цикло-
пропану сравнительную устойчивость. Учитывая это. молекулу
циклопропана правильнее изображать следующим образом:
Особый характер углерод-углеродной связи в циклопропане
подтверждается тем, что в этом соединении длина связи С—С
меньше, чем в предельных углеводородах, и составляет 0,1526 нм
(в алканах 0,154 нм).
С этих позиций повышенная реакционная способность цик-
лопропана при 'взаимодействии с электрофильными реагентами
объясняется не столько угловым напряжением, а тем, что из-за
особого характера связей в этом соединении находящиеся на
связывающих орбиталях электроны более доступны для элект-
рофильных реагентов,
477
Байер предполагал, что все циклические углеводороды име-
ют плоское строение, т. е. все атомы углерода лежат в одной
плоскости.
Однако, если бы циклогексан имел плоское строение, в нем
должно было бы появиться напряжение, обусловленное на этот
раз не уменьшением, а увеличением (по сравнению с тетраэд-
рическим) валентных углов у атомов углерода на 11° (в цикло-
гептане на 20°, в никлооктане на 26°). Такое напряжение долж-
но было бы возрастать с увеличением размера цикла.
Однако циклогексан и синтезированные позднее циклооктан
и другие более высокомолекулярные полиметиленовые углево-
дороды в основном ведут себя в реакциях подобно свободным
от напряжения предельным углеводородам. Отсутствие напря-
жения у циклогексана подтверждают термохимические данные:
теплоты сгорания циклогексана п и-гексана полностью совпа-
дают. Более того, в отличие от циклогексана наиболее устой-
чивый, согласно теории Байера, циклопентан способен в жест-
ких условиях в присутствии платины претерпевать реакцию
гидрогенолиза (Б. А. Казанский, А. Ф. Плата):
Н2С—СН™
/ \ н*'р*
н2с^ \Н2ь З00.с> СН3 -сн2-сна-сн2^сн3
сн2
Наличие некоторого напряжения в циклопентане подтверди-
ли и термохимические данные: в отличие от циклогексана цик-
лопентан имеет избыточную энергию.
Это несоответствие теоретических представлений экспери-
ментальным фактам побудило Г. Заксе, а впоследствии Э. Мора
модернизировать теорию Байера, сняв постулат последнего о
плоском строении циклоалканов с числом атомов углерода,
большим или равным шести. Они предположили, что при замы-
кании циклов валентные углы у всех атомов углерода остаются
тетраэдрическими, вследствие чего угловое напряжение исче-
зает, а циклы становятся неплоскими.
Согласно этим представлениям, циклогексан должен сущест-
вовать в нескольких свободных от напряжения различных кон-
формациях, что и было впоследствии подтверждено спектроско-
пическими методами.
Одна из таких конформаций (2) названа «креслом». В ней
имеется ось симметрии третьего порядка, причем по три атома
углерода (С-1, С-3 и С-5 и соответственно С-2, С-4 и С-6) на-
ходятся в двух параллельных плоскостях, отстоящих друг от
друга на 0,05 нм. Если представить себе, что атомы С-1, С-2,
478
С-4 и С-5 находятся в одной плоскости, то в этой конформации
атомы С-3 и С-6 находятся по разные стороны от нее.
Конформация (3), названная «ванной», или «лодкой», имеет
ось симметрии второго порядка. Если в данном случае предста-
вить себе, что атомы С-1, С-2, С-4 и С-5 находятся в одной
плоскости, то в этой конформации атомы С-3 и С-6 находятся
по одну сторону от нее.
Было установлено, что более энергетически выгодна конфор-
мация кресла, энергия которой более чем ва 25 кДж/моль
меньше энергии конформации ванвы. В обычных условиях цик-
логексан на 99% существует в конформации кресла.
Вычислено также, что для того чтобы зафиксировать моле-
кулу циклогексана в виде плоского цикла с деформированными
валентными углами, необходимо затратить значительную энер-
гию (125 кДж/моль).
Различие в энергиях двух конформаций циклогексана, а так-
же отмеченное выше наличие некоторого напряжения у цикло-
пентана не могли быть объяснены с позиций теории Байера —
Заксе — Мора из-за отсутствия у этих циклов углового напря-
жения. Стало очевидным, что напряжение в молекулах цикли-
ческих углеводородов может быть обусловлено какими-то дру-
гими причинами.
Ранее (см. гл. 1) было отмечено, что вследствие несколько
большей электроотрицательности атома углерода по сравнению
с атомом водорода на атомах водорода появляется небольшой
дефицит электронной плотности. Это приводит к тому, что ато-
мы водорода соседних метиленовых групп в алифатических
углеводородах стремятся занять наиболее удаленное друг от
друга положение. Так как в циклических углеводородах исклю-
чено свободное вращение метиленовых групп относительно свя-
зи С—С, то напряжение в циклах может возникать не только
вследствие деформации валентных углов, как в случае трех- и
четырехчленных циклов; оно может быть обусловлено также
взаимным отталкиванием атомов водорода в находящихся в
заслоненной конформации соседних метиленовых группах (так
называемое питцеровское, или торсионное, напряжение); взаим-
ным отталкиванием находящихся на близком расстоянии диа-
гональных атомов углерода (наблюдается только в циклобута-
не), а также отталкиванием направленных внутрь цикла «буш-
пр.итных» атомов водорода метиленовых групп, находящихся
479
напротив друг друга [наблюдается в конформации ванны цик-
логексана между атомами водорода, связанными с С-3 и С-6,
а также между атомами водорода аналогичных метиленовых
групп в углеводородах со средним размером цикла (С?—Сц)].
Торсионное напряжение наблюдается не только у трех- и че-
тырехчленных циклов, но и у циклопентана и у находящегося
в конформации ванны циклогексана.
Вследствие торсионного напряжения молекула циклобутана
не представляет собой плоский цикл, а существует в виде ос-
циллирующей, изогнутой под углом 25—30° структуры (4),
в которой расстояние между расположенными по диагонали
атомами углерода несколько меньше, чем в плоском цикле
(0,237 нм).
(4) (5) (6)
Установлено, что в молекуле реально существующего цикло-
пентана вследствие наличия торсионного напряжения какой-ли-
бо один из пяти атомов углерода всегда находится вне плоско-
сти, в которой находятся остальные четыре атома углерода
[формула (5) или (6)]; такая неплоская осциллирующая струк-
тура, называемая иногда «конвертом», на 17 иДж/моль беднее
энергией, чем плоская.
Конформация кресла в циклогексане свободна от торсион-
ного напряжения, в то время как в менее энергетически выгод-
ной конформации ванны атомы С-1 и С-2 и соответственно С-4
и С-5 попарно находятся в заслоненном положении, что обус-
ловливает торсионное Напряжение-
Напряжение, обусловленное отталкиванием диагональных
атомов углерода, наблюдается только в циклобутане. Установле-
но, что длина углерод-углеродной связи в циклобутане несколь-
ко больше (0,157 нм), чем в предельных углеводородах
(0,154 нм). На этом основании и было предположено, что несу-
щие одноименные частичные Отрицательные заряды диагональ-
ные атомы С-1 и С-3 и соответственно С-2 и С-4, находясь на
небольшом расстоянии (0,220 нм) друг ог друга, должны испы-
тывать взаимное отталкивание.
Третий вид напряжения имеется в циклических углеводоро-
дах, начиная с циклогексана, находящегося в конформации
ванны [формула (7)]. Один из атомов водорода у С-3 и один из
атомов водорода у С-6 направлены внутрь цикла (их называют
бушпритными, или интрааннулярными); расстояние между ни-
ми равно 0,183 нм (ван-дер-ваальсов радиус атома водорода
4W
0,24 им), и вследствие этого они испытывают взаимное оттал-
кивание.
Переходя из одной конформации в другую, циклогексан про-
межуточно образует не энергетически невыгодную плоскую
структуру, а твист-форму (8) (искаженная скошенная ванна),
в которой ослаблено как трансаннулярное (бушпритное), так и
торсионное напряжение. Энергия т-эист-конформации иа
6,2 кДж/моль меньше, чем энергия конформации ванны.
И игра аннулярное напряженке наблюдается и в полиметиле-
новых углеводородах со средним размером цикла. Например,
у циклононана и циклодекана имеется по шесть интрааннуляр-
ных атомов водорода, расположенных (по три) выше и ниже
плоскости кольца и находящихся на расстоянии 0,18—0,19 нм
друг от друга.
В молекуле циклогексана, принявшей конформацию кресла,
одна из оставшихся связей каждого атома углерода, называе-
мая аксиальной связью, направлена (вверх или вниз) прибли-
зительно перпендикулярно плоскости кольца (точнее, с откло-
нением на 7° во внешнюю сторону), а вторая связь, называе-
мая экваториальной, остается приблизительно в плоскости
кольца:
Одна кресловидная конформация переходит в другую (ин-
версия) при 25°С с частотой 100000 раз в секунду, преодоле-
вая энергетический барьер 44 кДж/моль. В результате инверсии
экваториальные связи становятся аксиальными, и наоборот.
Вследствие высокой частоты инверсии все 12 атомов водорода
в циклогексане эквивалентны и дают один сигнал в спектре
ЯМР. Разница начинает обнаруживаться только при темпера-
туре ниже —146 °C.
Размер цикла и связанное с ним наличие различных видов
напряжения влияют на реакционную способность некоторых
функциональных производных полиметиленовых углеводородов.
Например, циклобутанон и циклогексанон более активны в ре-
31-1425
4§1
акциях присоединения по карбонильной группе, чем ацетон,
а циклопентанон — менее активен.
Относительные скорости восстановления этих кетонов боро-
гидридом натрия в изопропиловом спирте при О “С приведены
ниже (за единицу принята скорость восстановления ацетона):
Циклобутанон 17,50
Циклопентанон 0,45
Циклогексанон 10,50
Повышенную реакционную способность циклобутанона по
сравнению с ацетоном можно объяснить уменьшением углового
напряжения при переходе карбонильного атома углерода из
состояния 5/7г-гибридизации (угол 120°) в состояние з/Ц-гибри-
дизации (угол 109°). Этот выигрыш с избытком компенсирует
увеличение торсионного напряжения, возникающего из-за за-
слонения атома кислорода гидроксильной группы атомами во-
дорода соседних метиленовых групп,
Этими соображениями нельзя объяснить повышенную реак-
ционную способность циклогексанона, так как роль углового
напряжения в данном случае незначительна. Объяснить повы-
шенную реакционную способность по сравнению с ацетоном в
данном случае можно следующим образом. В исходном цикло-
гексаноне имеется торсионное напряжение, так как атом кис-
лорода карбонильной группы находится в одной плоскости с
экваториальными атомами водорода соседних метиленовых
групп, что создает торсионное напряжение. В продукте же ре-
акции торсионное напряжение значительно уменьшается, так
как все метиленовые группы находятся в более выгодной ско-
шенной конформации, а гидроксильная группа занимает более
энергетически выгодное экваториальное положение.
Пониженную реакционную способность циклопентанона
можно объяснить тем, что в данном случае уменьшение валент-
ного угла от 120 до 109° не компенсирует возросшее торсионное
напряжение, возникающее в продукте реакции, в котором груп-
па ОН вынуждена находиться в заслоненном положении с ато-
мами водорода вицинальных метиленовых групп.
Молекула каждого монозамещенного циклогексана может
существовать в двух энергетически неравноценных конформа-
циях (9) и (10). В одной из них заместитель занимает аксиаль-
ное, а во второй — экваториальное положение. Конформация
(10) более энергетически выгодна, так как в ней испытываю-
щие взаимное отталкивание группа X и экваториальные атомы
водорода при С-2 и С-6 находятся на расстояниях, больших,
чем расстояние между группой X и аксиальными атомами во-
дорода при С-3 и С-5 в конформере (9). Иными словами, мень-
шая устойчивость аксиального конформера (9) обусловлена
48?
1,3-диаясиальным взаимодействием заместителя X с аксиаль-
ными атомами водорода.
Содержание конформера (10) в зависимости от размера и
природы заместителя X, вычисленное по разностям свободных
энергий, приведено ниже (в %):
CN 62 ОСНз 74 СНз 96
F 63 NO2 88 С2Н5 96
I 70 СООН 91 СН(СН3)2 98
Вг 71 NH» 92 С(СН3)з 100
С1 73
Моногалогенциклоалканам так же, как алкилгалогенидам,
свойственны реакции элиминирования. Как отмечалось ранее
(см. гл. 2), энергетически более выгодно транс-элиминирование,
в частности дегидрогалогенирование, причем в момент реакции
молекула алкилгалогенида находится в заторможенной конфор-
мации. При дегидрогалогенировании хлорциклогексана дейст-
вием оснований до циклогексена молекула субстрата должна
принять конформацию, в которой заместитель занимает акси-
альное положение, причем основание отщепляет в виде протона
аксиальный атом водорода соседней с атомом хлора метилено-
Если в молекуле кроме атома галогена имеется объемистая
алкильная группа в положении 4, цис- и транс-изомеры всту-
пают в реакцию дегидрогалогенирования с различной легко-
стью. В молекуле 4-трет-бутил-1-хлорциклогексана алкильная
группа всегда занимает экваториальное положение, поэтому
1{«с-изомер (11) этого соединения легко дегидрогалогенируется.
Напротив, дегидрогалогенирование трияс-нзомера (12) проте-
кает с большей энергией активации, так как в момент реакции
молекула субстрата должна принять энергетически менее вы-
31*
годную конформацию (13) с трет-бутнльнон группой в аксиаль-
ном положении.
У дизамещенных циклогексанов, как и у монозамещенных, су-
ществуют две альтернативные конформации кресла; при пере-
ходе из одной конформации в другую экваториальные и акси-
альные связи меняются местами.
Дизамещенные циклогексаны могут иметь как цис-, так и
транс-конфигурацию.
У цис-изомера ] ,2-дизамещенного циклогексана в обеих кон-
формациях кресла один из заместителей занимает аксиальное,
а второй — экваториальное положение. Если заместители иден-
тичны (Х = Х'), конформации (14) и (15) энергетически равно-
ценны. Если же заместители сильно отличаются по объему
[Х = СН3, Х'=С(СН3)3], энергетически более выгодна конформа-
ция (15), в которой более объемистый заместитель занимает
экваториальное положение, У транс-изомера i ,2-дизамещенного
циклогексана обе конформации энергетически неравноценны
даже в случае идентичности заместителей. В конформации (16)
оба заместителя занимают аксиальные положения, а в конфор-
мации (17), энергетически более выгодной, — экваториальные.
1,3-Дизамещенные циклогексана также могут иметь как
цис-, так и транс-конфигурацию. цис-Изомер имеет две энерге-
тически неравноценные конформации (18) и (19). Менее вы-
4М
годна конформация (18), так как в ней возникает 1,3-диакси-
альное взаимодействие заместителей. транс-Изомер, в случае
тождественности заместителей X, имеет две энергетически рав-
ноценные конформации (20) и (21).
У 1,4-дизамещенных наблюдается картина, аналогичная
1,2-дизамещенным; цис-изомер имеет две энергетически равно-
ценные конформации, а тра«с-изомер— энергетически неравно-
ценные конформации (22) и (23), из которых более выгодна
конформация (23), в которой оба заместителя занимают эква-
ториальное положение.
Таким образом, из всех возможных конформеров 1,2- и 1,4-
дизамещенных циклогексанов наиболее энергетически выгодны
транс- (е,е)-изомеры, а у 1,3-дизамещенных — цис-(е,с)-изомеры.
Направление некоторых реакций дизамещенных циклогекса-
нов зависит от конфигурации заместителей. Например, при дей-
ствии на цис- и трянс-2-хлорцнклогексанолы щелочи образуют-
ся различные продукты реакции: из цис-изомера — циклогекса-
нон, а из транс-изомера — эпоксид.
Известно, что при действии щелочи на вицинальные галоген-
алканолы образуются эпокснсоединення:
В случае хлорциклогексанола эпоксид образуется только из
транс-и зо мер а. Это объясняется следующим образом. Для того
чтобы состоялось нуклеофильное замещение атома галогена,
необходимо, чтобы в момент реакции как нуклеофил 0~, так и
уходящий атом хлора смогли занять аксиальные положения.
В этом случае на заключительной стадии реакции становится
возможной атака нуклеофила с тыла:
Что же касается цис-изомера, то в нем нуклеофил и уходя-
щая группа одновременно занять аксиальные положения не мо-
гут и замещение атома хлора может осуществиться только за
счет 1,2-гидридного сдвига занимающего аксиальное положение
атома водорода, чему содействует большой Ч-ЛТ-эффект атома
кислорода:
Таким образом, на реакцию образования эпоксидов из цик-
лических галогенциклогексанолов налагаются стереохимические
ограничения. Интересно отметить, что со щелочью реагирует
также и транс-4-хлорциклогексанол. Эта реакция является про-
стейшим примером трансаннулярного взаимодействия, в кото-
ром участвуют группы, связанные с наиболее удаленными друг
486
от Друга атомами углерода полиметиленового цикла;
Из схемы видно, что только в случае транс-изомера нуклео-
фил О” может атаковать с тыла атом углерода, связанный с
уходящей группой.
Для карбоциклов со средним размером кольца характерны
трансаннулярные реакции. Первой стадией этих реакций явля-
ется образование в молекуле реакционного центра — карбено-
идного, карбокатионного или радикального. Некоторые реакции
такого типа приведены ниже.
При термическом разложении диазоцнклодекана образуют-
ся преимущественно продукты трансаннулярного взаимодейст-
вия [(24) и (25)]:
Алифатические диазосоединения при нагревании или облу-
чении разлагаются с выделением азота и образованием в ка-
честве интермедиатов карбенов (см. гл. 6), которые обладают
487
высокой реакционной способностью и способны внедряться ПО
связям С—Н в предельных углеводородах.
В данном случае образующийся после отщепления азота
кэрбеноидный атом углерода может взаимодействовать с ин-
трааннулярными связями С—Н пространственно сближенных с
С-1 атомов С-5 и С-6, так как при этом образуются наименее
напряженные циклы.
Примером реакция, в которой промежуточно образуется
карбокатионный центр, является взаимодействие циклических
эпоксидов, например эпоксициклооктана, с муравьиной кисло-
той. Наряду с ожидаемым транс-циклооктандиолом-1,2 образу-
ются также продукты трансаннулярного взаимодействия; цис-
циклооктандиол-1,4 и циклооктенолы-3 и -4:
В настоящее время считают, что для эпоксициклооктана
наиболее вероятна конформация (26) («искаженная корона»),
и которой атомы С-2 и С-4 находятся на близком расстоянии,
достаточном для гидридного сдвига от С-4 к С-2. Происходя-
щие в ходе реакции превращения описываются схемой:
fSS
Циклооктеколы, по-яидимому, являются продуктами непол-
ной дегидратации циклооктандиола-1,4. Взаимное расположение
гидроксильных групп в продукте трансаннулярного взаимодей-
ствия доказано получением из него бициклического кетона:
Примером трансаннулярных реакций, протекающих по ра-
дикальному механизму, являются превращения средних циклов
в присутствии платинированного угля при 300 ₽ С (С. И, Хромов
и Е. С. Баленкова), Циклогексан в этих условиях дегидрирует-
ся, давая бензол. Для циклов большего размера возможна
трансаннулярная дегидроциклизация с участием ннтраанну-
лярных атомов водорода.
С2Н5
У циклононана и циклодекана имеется по шесть интраанну-
лярных атомов водорода (но три выше и ниже плоскости коль-
ца), находящихся друг от друга на расстоянии 0,18—0,19 нм.
Поэтому наиболее вероятно, что именно они принимают участие
в трансаннулярной дегидроциклизации;
Реакции трансаннулярной дегидроциклизации проводят в
жестких условиях. При этом первичные продукты этих реакций
подвергаются дальнейшим превращениям, образуя производ-
ные бензола или нафталина. Кроме того, параллельно с реак-
цией дегидроциклизации протекает гидрогенолиз (начиная с
циклооктана) с образованием соответствующих алканов (чем
больше размер цикла исходного циклоалкана, тем выше содер-
жание продукта гидрогенолиза в реакционной смеси).
Циклы большего размера, например циклопентадекан
Ci5H3O, в этих условиях образуют алифатические углеводоро-
ды — Продукты гидрогенолиза.
7.1.2. Синтез карбоциклических соединений
Существует очень .мало универсальных методов, позволяющих
получать полиметиленовые углеводороды с циклами любого
размера. Особенно это относится к наиболее напряженным
трех- и четырехчленным циклам, для синтеза которых сущест-
вуют специфические методы.
4W
Универсальные методы получения карбоциклов. 1) Взаимо-
действие натриймалонового эфира с дигалогенпроизводными:
2[СН(СООСгН5)2Г Na+ + Вг - (СН2)„ - Вг >
2CH3CH20N«
---->- (С2Н6ООС)2СН-(СН2)П-СН(СООС2Н6)2 --------->-
[<С2Н6ООС)2С - (СН2)„ - C(COOC2HS)2] 2Na+ ->-
нз0+
-гео* -4с2ньон
(28)
НООС - НС—СН * СООН
(СН2)П
На первой стадии реакции необходим избыток натриймало-
нового эфира, так как в противном случае при избытке алкого-
лята натрия возможно взаимодействие алкилгалогенида не с
двумя, а только с одной молекулой натриймалонового эфира,
в результате чего образуется цикл, в котором будет на один
атом углерода меньше.
Механизм первой стадии реакции был подробно рассмотрен
ранее (см. гл. 3). Она относится к реакциям нуклеофильного
замещения атома галогена, протекающим по механизму Sn2;
нуклеофилом в данном случае является амбидентный ион нат-
рмймалипового эфира.
Заслуживает рассмотрения одна из стадий реакции — взаи-
модействие соединения (27) с иодом. Поскольку энергия ейязи
I—I невелика (550 кДж/моль), можно предполагать, что на
первой стадии происходит диссоциация молекулы иода на ато-
мы, а последние, достраивая свою внешнюю электронную обо-
лочку до октета, становятся акцепторами электронов. По этой
191
причине продукт (27) из дианиона превращается в бирадикал,
стабилизированный сопряжением с я-электронами карбониль-
ных групп, из которого затем образуется карбоциклическое со-
единение (28). Последующий гидролиз и декарбоксилирование
приводят к дикарбоновой кислоте, а после восстановления — к
1,2-диметилциклоалканам.
<27)^ГЙ° “ С ’V *(СН2)п - с(- С - ОС2Н^2—>(28)
Для получения незамещенного циклоалкана можно подверг-
нуть электролизу соль двухоснонной кислоты, а затем про-
гидрировать кратную связь. Полагают, что реакция протекает
по следующему механизму. Водные растворы солей карбоно-
вых кислот практически нацело диссоциированы на ионы. При
электролизе анион рассматриваемой кислоты теряет два элек-
трона, а образовавшийся бирадикал разлагается с выделением
двух бедных энергией молекул СО2. Реакция завершается об-
разованием кратной углерод-углеродной связи за счет двух
неспаренных электронов:
0 0
-оос - НС - СН - С00'-^%. -о - с - НС - сн - с - о —*
, (анод) ” X / - -2СОг
1снг)л
. . нг
—> нс - СН------> НС = сн---------> н2с - снг
(СН2)П (CH2)n tN['pt] Ун2)п
Метод позволяет получать не только пяти- и шести-, но и
трех- и четырехчленные циклы.
2) Взаимодействие дибромалканов с цинком (метод Гус-
тавсона). Предполагают, что в качестве интермедиата образу-
ется цинкорганическое соединение:
в+ в-
ВгСН2 -(СН2)Л - СН2Вг-^ Вг - СН2 CH2*ZnBr Н2С - СН2
\7/ -ZnBrz £ \ / *
(СНг)п (СН2)Л
При п=1—5 целевой продукт образуется с препаративным
выходом.
492
3) Действие натриймэлоиового или иатрийацетоуксусного
эфира на избыток дигалогеналкана (метод Перкина):
।
BrCHE - (CH2)n - СН2Вг + [С2Н6ООС - СН - C00C2H5]'Na+—►
п = 0 - 4
~Bf * BrCH2 - (CH2)ff - СН2 - CH(C00C2Hs)2f^OHa „
---* (В г С Н2 - [С Н2)п - СН2 - C(COOC2H5)2]“Na+ ~ »
СН2 1 о+ ’ Й '
* (С2Н5ООС)2С^,\(СН2)п-------------------*
\/ 2. Нагревание;
СН2 -СОу -2CzH5OH
сн2
—* НООС-НС^^)(СН2)П
сн2
Эта реакция относится к реакциям нуклеофильного замеще-
ния галогена (о ее механизме см. гл. 3). Дигалогенпроизводное
может побочно реагировать с двумя молекулами натриевого
производного ji-дикарбонильного соединения, поэтому выход
циклических продуктов невысок. Лучшие результаты дает ис-
пользование в качестве исходного дигалогенида не днбромида,
а соответствующего бромхлорпроизводного (Н. Кижнер), в ко-
тором бром легче замещается на нуклеофильные реагенты. Это
позволяет на первой стадии реакции получать хлоралкилмало-
новый или -ацетоуксусный эфир, а циклизацию его проводить
в более жестких условиях.
Получение трех- и четырехчленных циклов. При синтезе
этих циклов требуется применение более энергичных агентов
(например, карбенов), или использование субстратов с ослаб-
ленными из-за наличия электроноакцепторных заместителей
кратными углерод-углеродными связями, или, наконец, более
энергичное воздействие на реагирующие вещества (сильное на-
гревание, облучение).
Общим методом получения таких циклов является действие
металлов (натрий, цинк или магний) на дигалогенпроизводные:
хсн2 - (СН2)П - сн2х л н2с - сн2
л = 1,2
483
При действии на дигалогениды металлическим натрием ре-
акция протекает по следующему механизму:
ВгСН3 - (СН2)„ - СН2Вг —> ВгСН2 - (СН2)П - СН2-^
* — NaBr
б+ 4-
ВгеСН2 - (СН2)„ - CHfNa^^ НаС - СН2
(СН2)„
По-видимому, аналогичным образом с промежуточным об-
разованием соответствующего магнийорганического соединения
малые циклы образуются при действии на дигалогенпроизвод-
ные магния. По аналогичной схеме получен циклобутан с ис-
пользованием амальгамы лития в диоксане или тетрагидрофу-
ране:
СН2 - CH2Br 2Li/Hg Н2С-СН2
। --------------------f [
CH2-CH2Br -2LiBr,-2Нд Н2С-СН2
Трехчленные циклы. Значительная часть методов синтеза
трехчленных циклов основана на реакциях циклоприсоединения
карбенов к алкенам. Карбены (см. гл. 1) в свою очередь могут
быть генерированы несколькими способами.
Карбены образуются при нагревании или облучении диазо-
метана (см. гл. 6) я эфирном растворе в присутствии порошка
меди в кварцевых трубках;
CH2N2 ----► :СН2 + N2
В реакции можно использовать не только диазометан, но и
диазоуксусный эфир. В этом случае генерируется замещенный
карбен:
N2CHCOOC2H5-!!4:CH - СООС2Н5 + N2
Карбены можно генерировать также термическим или фо-
тохимическим разложением кетенов:
СН2 = С = О —*- ;СН2 + СО
Известно, что сильное нагревание или облучение УФ-светом
обычно инициирует гомолитический разрыв ковалентных свя-
зей. Поэтому в рассматриваемом случае образование карбена,
по-видимому, является следствием полного разрыва кратной
углерод-углеродной связи.
494
Здесь имеет смысл рассмотреть строение молекулы монооксида углерода.
Поскольку кислород более электроотрицательный элемент, чем углерод,
а кратная связь С—О легко поляризуется, го можно было бы предполагать,
что молекула СО будет иметь большой дипольный момент. В формуле (29)
у атома углерода имеется только секстет электронов, поэтому можно было бы
предположит!., что монооксид углерода будет обладать высокой (соизмери-
мой с карбенами) реакционной способностью. И, наконец, учитывая, что на ато-
ме углерода имеется неподеленная пара электронов, можно было бы утвер-
ждать, что монооксид углерода будет сильным нуклеофилом.
Однако на самом деле дипольный момент СО очень мал и составляет все-
го 0,1 Л. (дипольный момент СН2О равен 2.70 Д), а как химический реагент
монооксид углерода обладает высокой устойчивостью и инертностью в хими-
ческих реакциях. Из этого можно сделать вывод, что формула (29) не соответ-
ствует строению реальной молекулы СО.
Л
:с=о: :с=о:
(29) (зо)
В данном случае, стремление атома углерода создать нз внешнем электрон-
ном уровне устойчивый октет электронов может, по-видимому, удовлетворить-
ся внутри самой молекулы за счет одной из неподеленных пар р-электронон
атома кислорода, входящего в эту же молекулу. Таким образом, молекуле
монооксида углерода должна соответствовать формула (30), изоэлектронная
инертной молекуле азота :N = N: и цизнид-анцоиу
Определить, на каком нз атомов в молекуле СО находится отрицательный
конец диполя, по-видимому^ не представляется возможным.
Карбены являются одними из наиболее энергичных химиче-
ских реагентов в органической химии. Теплота образования
карбена высока и составляет 330 кДж/моль. Несмотря на то
что карбен не имеет заряда, он является исключительно актив-
ной электрофильной частицей. Это обусловлено стремлением
атома углерода достроить свою электронную оболочку до ок-
тета. Донорами недостающих электронов могут быть алкены,
причем в результате реакции образуются углеводороды ряда
циклопропана:
—Э- >—,С<
сн3 сна
При реакции с. этиленом реакционную смесь необходимо
разбавлять инертным газом, который поглощает некоторую
часть избыточной энергии карбена, В противном случае обра-
зовавшийся циклопропан изомеризуется в термодинамически
более устойчивый пропен.
Если разложение диазоуксусного эфира проводить в при-
сутствии стирола, то образовавшийся в качестве интермедиата
495
карбен реагирует с винильной группой стирола с образовани-
ем трехчленного цикла:
С6Н5; сн = снг + :Снсоос2н5—»
С00С2Н5
(9%)
Карбен способен внедряться и по связям С—Н. Например,
если улавливать карбен циклогексеном, то помимо соединения
с трехчленным циклом образуются изомерные метилцяклогек-
сены:
+ :СН2
СН3
В предельных углеводородах внедрение карбена по связям
С—Н происходит неизбнрательно.
Реакция присоединения не разбавленных инертным газом
карбенов к алкенам протекает стереоспецифично; из транс-
алкенов образуются транс-изомеры циклопропанов, а из цис~
алкенов — ijt/c-изомеры, Это свидетельствует. о том, что реак-
ция является одностадийным процессом без промежуточного
образования бирадикала и что карбен представляет собой син-
глет, а не триплет.
Циклопропаны могут быть получены из дииодметака дейст-
вием медь-цинковой пары (реакция Симмонса — Смита), Пер-
воначально образовавшийся иодметилцинкиодид присоединяет-
ся к кратной связи алкена:
Сн212 + Zn-HCHg _ ZnI
>c=c<
6- 2 8+
>c—
H2C ZftI
Г
—+ Znl,
oil
Преимуществом этого метода является то, что циклопропа-
новое кольцо не изомеризуется далее в алкен, так как в дан-
4Й
ном случае в ходе реакции промежуточно не образуется бога-
тый энергией иодкарбен.
Кроме самих карбенов для получения трехчленных циклов
из алкенов можно использовать и более доступные дигалоген-
карбены. Последние могут быть генерированы действием трет-
бутоксида калия на хлороформ или бромоформ. С этими соеди-
нениями алкоголят весьма энергично взаимодействует как ос-
нование, отщепляя протон. Так как в реакционной среде при-
сутствуют ионы щелочного металла, то реакция завершается
отщеплением одного атома хлора в виде аниона с образовани-
ем дигалогенкарбена:
RO- + H-CCI,— :СС1з^-:СС1г
Таким образом, реакцию хлороформа с трет-бутокси дом ка-
лия можно отнести к реакциям а-элнминнрования.
Менее доступный трет-бутоксид калия можно заменить мет-
оксидом натрия, если в качестве исходного продукта использо-
вать эфир или соль трихлор уксусной кислоты:
CH3ONa CH3ONa
С13С-С00С2Н5-------------> :СС12 * ’ CI3C-COONa
3 г 5 -CH30C00C2Hs, d -NaCl,
-NaCl -СОг
При взаимодействии дибромкарбена с фенил ацетиленом об-
разуется дифенилциклопропенон:
С6Н5 - С=С - С6Н5 + :СВг2-СеН5 - С=С-С6Н5±2^
\ S
С В Го
-*свн5-с = с-свн5
со
С препаративным выходом протекают следующие реакции:
+ :СХ2 — *
Х = С1, Вг
С6Н5 - СН = СНг Т :СС12->СеН5 -
НС- снг
\ /
СС12
СН2 = СН - СН = СН2 + :СС12**СН2 = сн - НС-^СНг
СС12
32—1425 49?
Для синтеза
хлоркарбены:
СН2С12
трехчленных циклов используют также моно-
абс. эфир СН3СН = СНСН3
------ > :CHCI ---------------
-Lici. -с4н10
-*сн3 - НС - СН - СН3
3 \ / 3
CHCI
Соединения с трехчленными циклами могут быть также
получены каталитическим разложением пиразолинов (реакция
Кижнера), образующихся при взаимодействии аф-непредель-
ных альдегидов или кетонов с гидразином, при обработке у-
бромкетонов спиртовым раствором щелочи, а также из у-гало-
гензамещенных нитрилов кислот:
6+-
с6н5 - сн = ch-cho^n~n.^,c6h5 - СН = СН - СН = N - нн2-*
КОН, Pt
C6HS - нс - сн2 ———*с6н5- НС - сн2
HN СН г \н2
N
НО~ 8 * .—
ВгСн2СН2СН2- СОСНз-----ВгСН2СН2СН - сосн3~*
“ Н 2О
ыа+
------* Н2С - СН - СОСНз
-NaBr £ \ /
сн2
NaNH,
CICH2CH2CH2-CN -------->h2c-ch-cn
сн2
Четырехчленные циклы. К специфическим методам получе-
ния четырехчленных карбоциклон относятся реакции циклопри-
соединения алкенов к алкенам или алкинам, а также взаимо-
действие кетена с кетеном и диазометэном.
Реакции циклоприсоединения, приводящие к образованию
четырехчленных циклов, проводят при нагревании под давле-
нием паров реагирующих веществ или при облучении видимым
или ультрафиолетовым светом в присутствии ингибиторов ра-
49S
дикзльных процессов. В качестве примеров
следующие реакции:
Р2С CFo F2C — CF2
II + II —► ' '
F2C CF2 F2l cf2
можно привести
(95%) .
сн2= С = сн2
+
сн2 = с = Сн2
Н2С - с = сн2
I I +
н2с - с = сн2
сн2 = с - сн2
I I
н2с - с = сн2
(85%) (15%)
Н2С = с = о Н2С - с = о
-Ь __>. I 1
о = с = сн2 о = с-сн2
Первой реакцией подобного типа была
ризации коричной кислоты с образованием
ловых кислот:
реакция циклодиме-
изомерных труксил-
2С6Н5- СН = СН - СООН
с6н5- НС - сн - соон
л I I
С6Н5“ нс - сн - соон
ж с6н5 - нс - сн - соон
+ II.
Н00С-НС-СН-С6Н5
Если реакцию с алкенами, алленами и кетенами в указан-
ных условиях проводить в присутствии сопряженных дненов,
то вместо реакции Дильса — Альдера (1,4-присоединение) или
циклодимеризации каждого из них протекает межмолскуляр-
иая реакция 1,2-присоединения с образованием циклобутаново-
го кольца:
Сн2 = Сн - НС - СНо
CHa = CH-CH = CH2 + F2C = CF9 —► I I
F2C-CF2
(90%)
(31)
(32)
?2*
Аналогично протекают реакции в присутствии активирован-
ных алкенов и алкинов:
С6Н5-НС-СН2
с6н5 - сн = сн2 + с|2С = cf2— С1г' . '
сен6-с = сн
С6Н« - CiCH + Cl2C = CF3 —> I *
65 2 2 CI2C-CF2
сн2 = с - сн2
СН2 = СН-СЛ1 + СН2 = С = СН2 —> I I
2 h2c-ch-cn
Есть основания предполагать, что циклодимеризация алке-
нов протекает по радикальному механизму с промежуточным
образованием бирадикалов. Облучение или нагревание иници-
ирует гомолитический разрыв л-связи, энергия диссоциации
которой меньше, чем о-связи. Особенно склонна к гомолизу
л-связь в тетрафторэтилене, которая ослаблена электроноак-
цепторными атомами фтора. Последующие превращения описы-
ваются схемой:
2)С=(\—► +
✓С =С<
I I
-с-с-
-с- с-
1 I
I I
-с-с-
Доводы в пользу такого механизма были приведены в
разд. 1.1.2.
Аналогично можно объяснить и предпочтительное образова-
ние 1,2-днметиленциклобутана из аллена. В данном случае наи-
более выгодным будет промежуточное образование бирадикала
(33) с наибольшей делокализацией неспаренных электронов.
сн2-с==сн2
(•“ГЧ I w
По аналогичным причинам при взаимодействии циклопента-
диена с кетеном образуется изомер (34), а не (35), так как би-
радикал (37) в большей степени стабилизирован сопряжением
500
неспаренных электронов с кратными связями, чем другие воз-
можные бирадикалы (36), (38) и (39).
Исключением из общего правила является кетен. При его
циклодимеризации получается исключительно циклобутанди-
он-1,3 (40), образовавшийся по типу «голова к хвосту». При-
чиной этой аномалии, возможно, является то обстоятельство,
что на атомах кислорода карбонильной группы кетена сосредо-
точивается большая избыточная электронная плотность, и это
оказывает решающее влияние на взаимное расположение ре-
агирующих молекул в момент реакции.
Н2С - С = О
о - с - сн (40)
kJ — U к-*
На направление реакции влияют также пространственные
факторы. Известно, что тетрафенилбутатриен при облучении
солнечным светом димеризуется с образованием симметрично-
го аддукта (41), несмотря на то что в бирадикалах (42) и (43)
л-электроны бензольных колец и кратных углерод-углеродных
связей в равной степени участвуют в рассредоточении неспа-
ренных электронов. По-видимому, успешному замыканию че-
тырехчленного цикла в бирадикале (43) препятствуют имею-
щие большой объем фенильные группы.
fC6H5)2C - С - С - С(С6Н5)2
2(С6Н5)2С = С = С =С(С6Н5)2-*
I I
(С6Н5)гС = С-С = С(С6Н5)2
(С6Н5)2С = с - й = С(с6н5)г
(С6Н6)2С — С - й = C(CgH§)2
(41)
(^6^5)2^ = С = С - С(С6Н5)2
I
(С6н5)2с = С = С - 6(СвН5)2
(42)
(43)
501
Этими же причинами можно объяснить и тот факт, что
метиленмалоновый эфир димеризуется по типу «голова к хвос-
ту»; после декарбоксилирования образуется преимущественно
транс-циклобутандикарбоновая кислота:
(C2HSOOC)2C = СН2 (С2Н500С)2С - сн2
+ -----► I I —*
Н2С = С(СООС2Н5)2 Н2С - С(С00С2Н5)2
Н3О+ ноос - НС - сн2
----------:---> I I
-2COj, -4С2Н£ОН Н2С - СН - СООН
Взаимодействие кетена с диазометаном, В рас-
сматриваемой реакции диазометан, имеющий на атоме углеро-
да избыточную электронную плотность (см, разд. 6.2.3), реаги-
рует с кетеном как нуклеофил. Образующийся при этом цик-
лопроцанон, обладающий высокой реакционной способностью,
взаимодействует с еще одной молекулой диазометана:
, 0" о-
8 + снгыг у + а- т +
СН2 = С = 0--- СН2 - С - СН2 - N=N—-*СН2 = С - СН2—*
-иг
—*• н2с - с = о
\ /
сн2
снгмг
О”
н2с - с -
\ /
сн2
Н2С-СО
сн2—* I ।
Н2С—СН2
Цикланоны с большим числом атомов углерода в цикле (до
С6) также способны взаимодействовать с диазометаном, что
приводит к расширению цикла на один атом углерода, поэтому
этот метод не является специфическим для синтеза1 четырех-
членных карбоциклов.
Получение пятичленных циклов. Пятичленный цикл удается
замкнуть при проведении сложноэфирной конденсации с ис-
пользованием в качестве карбонильного (эфирного) компонен-
та диэтилоксалата, а в качестве метиленового компонента —
эфира глутаровой кислоты (синтез Дикмана — Компа):
СН2С00С2Н,
С00С2Н5 | с,н5о«а
I + СН2 ------»
СООС2Н5 | ксилоя
ch2cooc2hs
502
0 = С
I
о = с
х снсоос2н5
/СН2
ChGt?CC2ri5
Получение шестичленных циклов (диеновый синтез). Реак-
ции диенового синтеза (реакция Дильса — Альдера) и возмож-
ный механизм се протекания уже были подробно рассмотрены
ранее (см. разд. 1,3.2). Следует только отмстить, что шести-
членные карбоциклические структуры образуются лишь в тех
случаях, когда в диене имеются две, а в диенофиле одна угле-
род-углеродные связи.
В качестве диенов в реакции могут быть использованы:
1) сопряженные диены с открытой цепью, например бутади-
ен-1,3, пентадиен-1,3, 2,3-диметилбутадисн-1,3 и др.; в этом
случае образуются моноцикличсские соединения; 2) бицикли-
ческие диены, например 1,1'-бициклогсксенил (44) и lj'-бицик-
лопентенил (45); в данном случае вновь образовавшийся шес-
тичлеиный цикл оказывается сконденсированным с двумя уже
имевшимися циклами; 3) соединения с сопряженными семицик-
лическими кратными связями, например 1,2-диметилениикдоге-
ксан, 1,2-диметилснциклобутан; в данном случае образовавшееся
шестичленное кольцо оказывается сконденсированным с дру-
гим полиметиленовым циклом; 4) циклические диены, напри-
мер циклопентадиен, циклопентадисион, циклогексадиен-1,3; в
этих случаях образуются бициклические каркасные структуры;
5) некоторые ароматические соединения, способные к реакци-
ям 1,4-присоединения, например 9,10-диметилантрацен (сам
антрацен реагирует с трудом) ц 2,3-диалкилнафталины; при
этом образуются сложные структуры.
(44) (45)
По способности вступать в реакцию диенового синтеза с
малеиновым ангидридом диены можно расположить в ряд:
циклопентадиен > 9,10-диметилантрацен > 1,2.дцметиленцикло-
гексан > 1,1'-бицИклопентепил > 2-фенилбутадиеп-1,3 > 1,3-ди-
метилбутадисп-1,3 > 2-мстилбутадиен.1,3 > 2,3,4,5-тетрафенил-
циклопентадиенон > перхлорциклопентадиен.
Таким образом, наиболее реакционноспособными диенами
являются соединения с жестко фиксированной цисоидной кон-
фигурацией и электронодонорными алкильными Группами, а
наименее реакционноспособными — диены с электроноакцеп-
торными заместителями. Диены с жестко фиксированной
трансоидной конфигурацией в реакцию диенового синтеза не
вступают.
В качестве диенофилов используют соединения, в которых
имеются двойная или тройная углерод-углеродпая связь и хотя
503
бы одна электроноакцепторная группа; некоторые из них при-
ведены ниже:
Соединение
СН2=СН—R
R— CII-Cir-R
С«Н5—СН=СН—R
1^С=СВг
R— С=С— R
Заместит ель
NO2, СНО, СОСНз, COCsHs, СН, COCI, COOR',
СООН, ОСОСНз, Hal, CH;CN, CHjHal, СН2ОН
CN, СОСНз, COCSHB, COCI, COOR', СООН, Hal
Hal, СНО, СОСНз, COCeH5, CN, COOR, COOH
CN, COOH
COC6HS, COOR', COOH, CeH5, CF3
К диенофилам относятся также бензохинон, 1,4-нафтохи-
нон, 2,3-днцианобензохинон.
К наиболее активным диенофилам относятся малеиновый
ангидрид, ангидрид дицианомалоновой кислоты, ангидрид
этилентетракарбоновой кислоты и образующийся в качестве
интермедиата в ряде реакций дегидробензол (см. гл, 5),
Алкены и алкины, не содержащие элсктроноакцепторных
групп, с трудом реагируют в качестве диенофилов. Например,
ацетиле» взаимодействует с циклопентадиеном только при на-
гревании до 350°С и под давлением:
Некоторые алкены с электроноакцепторнымй группами не
могут быть диенофилами в реакции Дильса—Альдера, Напри-
мер, тетрафторэтилен, реагируя с циклопентадиеном, образует
смесь продуктов 1,2- и 1,4-присоединения (31) и (32), а с бу-
тадиеном—только продукт 1,2-присоединення:
СН2 = СН - СН = СН2 + F2C = CF2 —*-СН2 = СН - НС - СН2
F2c - CFj
Методы получения пяти- и шестичленных карбоциклов,
средних циклов и макроциклов рассмотрены ниже.
I) Декарбоксилирование кальциевых, бариевых и ториевых
солей двухосновных карбоновых кислот:
СН2 - СН, - СОО"
I ..2+ нагревание
I М --------------h
(СН2)П - СН2 - С ОСТ МС0-‘
Н,С—СО
7 \
н2с,^ сн2
(СНг)п
Реакцию осуществляют путем нагревания исходной соли с
одновременной отгонкой образующегося кетона. Модификаци-
ей метода является нагревание самих кислот, хорошо перемр-
504
шанных с тонконзмельченными оксидами марганца, торйя или
бария.
Предполагают, что промежуточно образуется шестичленное
переходное состояние с синхронным перераспределением свя-
зей, которое инициируется выделением бедной энергией моле-
кулы СОг:
'C"U). + + сог->мСОз]
м^-^со—снг ос—сна
Образовавшийся кетон далее может быть восстановлен до
углеводорода по реакции Кижнера — Вольфа:
н/>-ынг но ,
""•С = О ----—> = N - NH2 —р -> >н2 + Nj
/ -н20 [рч
Группа NHj в гидразоне связана с атомом азота, находящимся в состоя-
нии sp2-гибридизации, что придает ему большую электроотрицательность, по-
этому атомы водорода этой группы приобретают некоторую протонную по-
движность. На первой стадии щелочь отЩеп-тяет в виде протона один из таких
атомов водорода. Так как связь C = N поляризована в направлении атома азо-
та и на атоме углерода имеется недостаток электронной плотности, то в обра-
зовавшемся после отщепления протона анионе (46) возможен гидридный сдвиг,
приводящий к аниону (47). Далее яз этого аниона, возможно при участии пла-
тины, выделяется бедная энергией молекула азота, а оставшийся карбанион
вырывает протон от образовавшейся на первой стадии реакции воды, регене-
рируя взятую в каталитических количествах щелочь: .
- N - NH, ——>- = N - NH >- - N ~
2 -н,о 'Ч,
(46) (<?)
7 Н,0
---у. - Н -------h >СН? + НО-
Такая интерпретация механизма позволяет объяснить, каким образом
атомы водорода перемещаются от труппы NH2 к атому углерода и каким об-
разом из одинарной связи 1ч—N образуется тройная связь.
2) Внутримолекулярная конденсация сложных эфиров двух-
основных карбоновых кислот в присутствии оснований с обра-
зованием циклических p-оксоэфиров (реакция Дикмана):
СН, - СН, - СООС,Нк о ~ С'СН - соос,н<
£ £ £ О (сн3)„сн2- codCjHf, л =1.2 / \ > нгСх узн2 (СНг)„ 505
Кроме алкоголята натрия в качестве конденсирующего
агента могут быть использованы: Na, К, ROK, NaH, КН, KNHa,
NaNHa, Эта реакция является вариантом сложноэфирной кон-
денсации, механизм которой был рассмотрен в гл. 3.
С препаративными выходами реакция идет при использова-
нии сложных эфиров кислот состава С&— Се и С|3—С[5. Слож-
ные эфиры кислот состава Сэ—С12 реагируют с низкими выхо-
дами. Попытки получить таким методом продукты с трех- и
четырехчленным циклом не увенчались успехом.
3) Циклизация динитрилов под действием jV-ал кил анилидов
натрия с последующими гидролизом и декарбоксилированием
с образованием циклических кетонов (реакция Циглера):
гы Г-М NaN(CH3)C6Hs; t------------*----'
нагревание СН - C^N Na +
I ------------------ —> I —ь
CH2(CH2)„CN CH2(CH2)„CN
CH - CN
> H2C^ /С = NNa
(CH2)n
CH -COOH
H2C\ /C = 0
(СН2)Л
нагревание
-C02
(CH2)„
n = 1 - 29
Кроме /У-алкиланилида натрия в реакции можно использо-
вать соответствующие производные лития. Реакцию проводят
в эфирном растворе. Для уменьшения выхода побочно образу-
ющихся продуктов взаимодействия двух и более молекул ди-
нитрила последний рекомендуют вводить в реакционную смесь
по каплям. Гидролиз групп CN и ONNa в образовавшемся
после циклизации соединении проводят в сравнительно жест-
ких условиях.
4) Ацилоиновая конденсация:
CH2COOC2HS
(СН^СНгСООСгНв
$06
о = с—сн-он
1. Na, эфир (абс J
2. Н?О+
ссн^
Zn+HCI
о = С—CH2
У н2сх усн2
(СН2)Р
В качестве конденсирующего агента используют тонко
диспергированный в кипящем ксилоле натрий. Механизм аци-
лоиновой конденсации был подробно рассмотрен в гл. 3.
В данной реакции металлический натрий является донором
электронов, а в качестве интермедиатов образуются анион-ра-
дикалы. При проведении реакции необходимо избегать даже
небольших количеств спирта (в противном случае будет проте-
кать реакция сложноэфирной конденсации) и проводить реак-
цию в сильно разбавленных растворах исходного эфира в
инертных растворителях; в концентрированных растворах пре-
обладает межмолекулярная конденсация с образованием по-
лимеров. Реакцию проводят при энергичном перемешивании.
Если в исходном сложном эфире к =3—5 или >13, выходы до-
стигают 70%, а при и = 6—И) выходы составляют 40—50%.
5) Кротоновая конденсация дикстонов с достаточно удален-
ными Друг от друга карбонильными
СН2 - СО - СНгВ
группами:
О = С - С - R
/ %
н2сх zc-ch3
(СН2)П
(СН2)ПСОСН3
Ацетонилацетон не вступает в эту реакцию. Механизм кро-
тоновой конденсации был рассмотрен в гл. 3.
6) Циклополимеризация диенов. Эта реакция позволяет с
высокими выходами и избирательностью получать циклополие-
ны с определенным размером ко.ьца. В качестве катализато-
ра используют смесь триалкилалюминия с TiCl4 или СгС13. Та-
ким способом из бутадиена был получек циклододекатриен,
а из смеси бутадиена с этиленом — циклодекадиен:
ЗСН2 = СН - СН = СН2 --->-
2СН2 = СН - СН = СН£ + СН2 » СН2 —
507
7) Реакция Реппе (см. гл. 1), позволяющая получать цик-
лооктатетраен из ацетилена:
4НС=СН
Ni(CN}2, 60°С, давление
7.2. ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
Соединения, содержащие циклические фрагменты, в которые
кроме углерода входят атомы других элементов (кислорода,
серы, азота, реже — других элементов), принято относить к
гетероциклическим соединениям.
В данном разделе рассматриваются методы получения и
свойства только таких гетероциклических соединений, у кото-
рых суммарное количество л- и р-электронов гетероатома в
цикле отвечает формуле Хюккеля 4п + 2 (например, фуран, тио-
фен, пиррол, пиридин, хинолин и др.). (При таком подходе вне
рассмотрения здесь оказываются такие соединения, как капро-
лактам, сукцинимид, фталевый ангидрид, которые являются
функциональными производными различных классов соедине-
ний алифатического или ароматического ряда.)
7.2.1. Пятичленные гетероциклические соединения
с одним гетероатомом
К соединениям такого типа относятся фуран, тиофен и пиррол.
Существует общий метод синтеза таких гетероциклов, в кото-
ром исходным органическим субстратом является 0-дикарбо-
нильное соединение.
При действии на р-дикарбонильное соединение водоотнима-
ющего агента (ацетилхлорид, Р2О5 и др.) отщепляется вода и
образуется фурановый цикл. Предполагают, что в момент ре-
акции дикетон енолизуется, и реакция протекает по схеме:
НС—СН НС —СН
II II СН,СОС1 II II
-—-С с- —----------> -с с—
4--- I I -нго \ /
НО ОН о
При действии на р-дикарбонильные соединения Рг5з обра-
зуется тиофеновое кольцо:
Н2С —СН2 Н2С— сн2 нс—сн
I I P2Ss 4 I I _ . II II
-с с---—-с с- -с с-
II II II II I I
0 0 5 0 н5 ОН
608
На заключительной стадии реакций отщепляется йода, а йе
сероводород и образуется тиофен, а не фуран, так как кисло-
род более электроотрицателен, чем сера, и на связанном с
группой ОН атоме углерода дефицит электронной плотности
больше, чем на атоме углерода, связанном с группой SH,
а группа SH -—более сильный нуклеофил, чем ОН,
При действии на ^-дикарбонильные соединения аммиака,
по-видимому, через стадии образования альдегидаммиака и
имина образуется кольцо пиррола:
НгС —СН2 Н,С — СН, Н2С—СН3
II NH3 I I 2 II
_с с--------с------------------ с с-
II II ' но^ I и -н2о и |(
оо H2N О HN о
нс—сн
II II 4
— с с- --------->-
I ( ~*г<>
H?N ОН
НС—сн
NH
Переход иминогруппы в емаминную на стадии 3 является
примером прототропной таутомерии, аналогичной кето-еноль-
ной таутомерии; этот переход также катализируется кислота-
ми, Равновесие этого перехода сильно смещено влево:
R'
। 6- +н+
RCH2 - С = NH-e^r
-н*
A R' I
I I
R - СН - С - NH
ь I
Н J
<
¥ R'
6- ।
R - СН = С - ЫН2
Рассматриваемая реакция завершается отщеплением воды
(а не аммиака) с образованием пиррола (а не фурана) по тем
же причинам, по которым при действии на ^-дикарбонильное
соединение получается тиофен, а не фуран.
Кроме этого общего метода каждый из рассматриваемых
гетероциклов может быть синтезирован также специфическими
методами, В ароматический секстет рассматриваемых гетеро-
циклов входят четыре л-электрона двух кратных углерод-угле-
родных связей и два р-электрона гетероатома. В результате их
сопряжения и делокализации эти соединения в значительной
степени утрачивают как склонность диеновой системы к реак-
циям 1,4- и 1,2-присоединения, так и свойства, характерные
для этих же гетероатомов в насыщенных простых эфирах, ди-
од
Таблица 7.1. Некоторые характеристики пятичленных гетероциклов*
Соединение Длина связи, нм ЭьеР'*ня со- пряжения, кДж/молъ Дипольный момент, Д Электроотри- цательность гетсроатомэ
с=с I С—с
Бутадиен 0,135 0,146 17 0 ,—
Фуран 0 135 0.146 92 0 70 3 5
Пиррол 0.135 0 146 100 1,80 3 0
Тиофен 0,137 0,142 117 0,55 2.5
Бензол 0 ,139 150 0 —
* Для сравнения приведены соответствующие величины для бутадиена и бензоля.
алкилсульфидах и вторичных аминах. Так, атом кислорода в
фуране не проявляет склонности к образованию эфиратов, атом
серы в тиофене не способен присоединять атомарный кислород,
а азот пиррола утрачивает основные свойства, В то же время
у рассматриваемых гетероциклов появляется склонность к ре-
акциям электрофильного замещения, характерная для бензола
и его производных,
О наличии сопряжения р-электронов гетероатома с л-элект-
ронами диеновой системы, приводящей к их делокализации,
свидетельствуют энергии сопряжения в этих гетероциклах, ко-
торые увеличивается с уменьшением электроотрицательности
гетероатома (табл. 7.1). Из приведенных в табл. 7.1 данных
видно, что длины связей С = С и С—С в фуране и пирроле
равны длинам соответствующих связей бутадиена, и эти со-
единения сохраняют свойства диенов. Однако в случае тиофе-
на, для которого наблюдается наиболее полное сопряжение
р-электронов гетероатома с л-электронами диеновой системы,
различие в длинах связей С —С и С—С уменьшается.
Есть основания утверждать, что, поскольку гетероатом яв-
ляется донором двух р-элсктронов, положительный конец ди-
поля находится на нем, а диеновая часть молекулы обогаща-
ется электронами. Это является одной из причин большей ре-
акционной способности (по сравнению с бензолом) фурана,
пиррола и тиофена в реакциях электрофильного замещения.
Кроме того, так как у всех пятичленных ароматических гете-
роциклов энергия сопряжения меньше, чем у бензола, образо-
вание ими о-комплексов с электрофильными реагентами проис-
ходит легче.
Электрофильные реагенты атакуют в фуране, пирроле и ти-
офене преимущественно a-положение по отношению к гетеро-
атому; если же оба a-положения в исходном соединении заня-
ты, замещение идет в ^-положение.
Эту закономерность можно объяснить динамическими фак-
торами, т. е. энергетической выгодностью образования a-комп-
лекса. При атаке электрофильной частицей атома углерода в
510
a-положении образуется о-комплекс (48), в котором положи-
тельный заряд может делокализоваться в трех положениях,
в то время как при атаке ^-положения образуется комплекс
(49), в котором заряд может делокализоваться только в двух
положениях. Оставшаяся в нем пара л-электронов в делокали-
зации положительного заряда принимать участия не может,
поскольку в соответствующей резонансной структуре (50) у
атома азота нарушалось бы правило октета.
(49) (50)
Фуран и его производные. Методы получения. 1) Нагрева-
ние слизевой кислоты с последующим декарбоксилированием
промежуточно образующейся пирослизевой кислоты:
нагревание
НООС - СНОН - СНОН - СНОН - СНОН - СООН — “7 -Г
соон
2) Декарбонилирование образующегося при нагревании пен-
тоз фурфурола в присутствии катализаторов, содержащих Zn,
Fe, Cr, Al и другие металлы:
нагревание
HOCH. - СНОН - СНОН - СНОН - СНО ---------то:-к
СНО
катализатор
Химические свойства. Для фурана характерны следующие
реакции электрофильного замещения: нитрование [CHaCOONOj,
(СН3СО)2О, 5°C], сульфирование (CsHsN-SO31 диоксан,
100 °C), бромирование (Вг2) диоксан), хлорирование (С1г,
511
—40 °C), формилирование (1. HCI, HCN; 2. H2O; реакция Гат-
термана), ацилирование ангидридами кислот, азосочетанпе,
меркурирование [ (СН3СОО)гН§, 20 °C или HgCb, CH3COONa].
В результате этих реакций получают соответствующие
а-замещенные фураны. Реакцию мер курирования действием
HgCl2 используют для получения ацил- и иодзамещенных:
НдС1г
CH3COONa
СН3СОС(
СОСН3
Ввиду того, что р-электроны атома кислорода в фуране в
меньшей степени, чем р-электроны атомов азота и серы в пир-
роле и тиофене, сопряжены с л-электронами диеновой систе-
мы, некоторые из реакций электрофильного замещения проте-
кают своеобразно, через стадию промежуточного образования
продукта 1,4-присоединения, например:
Если бромирование проводить в присутствии метиловогр
спирта, то из реакционной смеси можно выделить бутенди аль:
н
сн3о
осн3
о
н
ОН ОН
I I
____5». сн3о - сн - сн = сн - сн - осн3
нэ°
онс- сн = сн- оно
Фурану как диену свойственны реакции циклоприсоедине-
ния с типичными диенофилами, например:
2-СН3ООС—С=С—СООСНз
НС—СО
II >
НС—СО
При окислении фурана образуется малеиновый ангидрид,
а при восстановлении — тетрагидрофуран:
н2,
Ni Ренея
20’0
О
V2°6
250 “С
О; +SnCl
В отличие от фурана, s котором неподеленные пары р-электронов атома
кислорода участвуют в образовании ароматической системы, тетрагндрофуран
обладает всеми свойствами простых эфиров; в частности, он способен образо-
вывать эфираты, предоставляя свои пары электронов кислотам Льюиса:
О - SnCl4
* •
Фуран чувствителен к действию минеральных протонных
кислот. Например, при обработке его серной кислотой проис-
ходит размыкание кольца. Поэтому нитрование и сульфирова-
ние фурана удается осуществить только апротонными электро-
фильными реагентами.
Из производных фурана наибольший практический и тео-
ретический интерес представляет фуральдегид-2 (фурфурол).
33—1435
Его обычно получают не формулированием фурана (реакция
Гаттермана), а гидролизом природных полисахаридов серной
кислотой.
По химическим свойствам фурфурол близок к бензальдеги-
ду. Для него характерны следующие реакции.
1) Реакция Канниццаро и перекрестная реакция Канницца-
ро, приводящие к образованию фурфурилового спирта:
На первой стадии реакции гидроксид-ион (как нуклеофил)
атакует атом углерода карбонильной группы, а далее образо-
вавшийся анион передает тидрид-ион второй молекуле альдеги-
да. При этом должны образоваться алкоголят фурфурилового
спирта (51) и пирослизевая кислота (52). Однако, так как
фурфуриловый спирт — менее диссоциированное соединение,
чем пирослизевая кислота, в конечном итоге образуется фур-
фуриловый спирт и соль пирослизевой кислоты;
В перекрестной реакции Канниццаро тидроксид-ион пред-
почтительно атакует молекулу формальдегида, карбонильная
514
1
активность которого выше и реакционный центр которого более
доступен. Это позволяет экономнее использовать фурфурол,
который более ценен, чем формальдегид.
2) Бензоиновая конденсация (о механизме ем. гл. 3). Об-
разующийся в результате этой реакции 2,2'-фуроин (53) далее
окисляется до 2,2’-фурнла (54), который затем подвергается
бензиловой (фуриловой) перегруппировке. Конечным продук-
том отих реакций является фуриловая кислота (55):
(55)
На первой стадии бензиловой перегруппировки, как и в ре-
акции Канниццаро, гндроксид-ион атакует один из карбониль-
ных атомов углерода 2.2'-фурила. Из-за отсутствия при нем
атома водорода в образовавшемся анионе (56) происходит
внутримолекулярная миграция фурил-аниона (а не гидрид-ио-
на) ко второму электронодефицитному атому углерода:
СООН
О ! О
0“
(56)
(55)
33*
515
3) Реакция Перкина (см. гл. 3):
(СН3С0)г0
------------------->
CHaCOONa или КгСО3
СН = СН - СОО"
О
н3о+
л
СН = СН - СООН
4) Реакция Киёвенагеля (см. гл. 3):
СНО + СН2(СООН)2
О
пиридин,
нагревание
-сог
СН =СН -СООН
о
5) Реакции конденсации (см. гл. 3).
6) Реакция с аммиаком. В отличие от простейших альдеги-
дов, образующих с аммиаком альдегидаммиаки и имины, фур-
фурол дает более сложный продукт:
3
Тиофен. Методы получения. 1) Пропускание ацетилена че-
рез нагретый пирит:
2НС=СН
FeS2, зоо°с
S
В более жестких условиях тиофен образуется при взаимо-
действии бутана, бутена и бутадиена с серой:
СН3СН2СН2СН3
---------
бОО-бОО'С
бОО-бОО-С
|~СН3СН2СН = СН2
S
ЬСН2 = снсн - сн2
2) Взаимодействие ацетилена
дородом:
или ацетальдегида с серово-
2HCSCH
НгБ, А1гО3
400-500°С
H.S, А1гО3
ЗОО’С
2СН3 - СНО
О
S
б»
Предполагают, что при реакции с ацетальдегидом ОТ еноль-
ной формы ацетальдегида отщепляется вода и с сероводоро-
дом, как и в первом случае, реагирует образовавшийся ацети-
лен,
Ди алкилтиофены можно получить следующим образом:
снгсоос2н5 „ ?
ПВ-О пр _ рр
2С1снэсоос?н5 > s; >-
2 2 s \ C,H,ONa
сн„соос_н,
£ t о
Н,0+, нагревание
—---------------->,
-2СгН50Н,-2С0г
Химические свойства, Вследствие того, что электроотрица-
тельности серы и углерода равны, тиофен по химическим свой-
ствам ближе к бензолу, чем другие пятичленные гетероцикли-
ческие соединения. Однако из-за несколько меньшей энергии
сопряжения и большей насыщенности диеновой части молеку-
лы электронной плотностью способность тиофена к реакциям
электрофильного замещения несколько выше, чем у бензола.
Тиофен более устойчив, чем фуран и пиррол, к действию
сильных минеральных кислот и поэтому может быть просуль-
фирован концентрированной серной кислотой.
Для тиофена характерны следующие реакции электрофиль-
ного замещения: нитрование [CH3COONO2 в (СН3СО)2О],
сульфирование (концентрированная H2SO4 на холоду), хлори-
рование (SO2C12), бромирование (Вг2 в бензоле или бромсук-
цинимид), иодирование (J2, HgO), алкилирование алкенами
(BF3, H2SO4, SfiCh, А1С13), ацилирование хлор ангидридами
или ангидридами кислот (ZnCl2, SnCl4), формилирование
диметилформамидом (РОС13; реакция Вильсмайёра), хлорме-
тилирование (СНаО, НС1), меркурирование [(CH3COO)2Hg
или HgCl2J, аминометилирование (СН2О, HNR2; реакция Ман-
ниха). В результате этих реакций образуются соответствующие
<х-монозамещенныс, а прц бромировании бромом в бензоле —
<х,а'-дибромтиофен.
Реакцию меркурцрования используют на практике при уда-
лении примеси тиофена из бензола.
Для тиофена реакции, характерные для диенов, свойствен-
ны в значительно меньшей степени, чем для фурана; однако он
S17
реагирует с Таким активным диенофилом, как динитрил аце-
тилендикарбоновой кислоты, а также с изатином (57).
Реакция с изатином является качественной реакцией на
присутствие тиофена в бензоле (сине-зеленое окрашивание).
Тиофен значительно устойчивее фурана и пиррола к дейст-
вию окислителей; он не окисляется даже перманганатом. Для
тиофена возможно как частичное, так и полное гидрирование
кратных связей:
н2, Pt/C
или MoS, 200°С,
давление
В отличие от исходного тнофена тетрагкдротиофегг легко окисляется даже
таким мягким окислителем, как пероксид водорода, с образованием сульфок-
сида:
Пиррол. Методы получения. 1) Пропускание смеси ацети-
лена н аммиака через нагретые стеклянные трубки:
,, нагревание Г/ \\
2НС=СН + NH, --------------// \\
J 300-400’С X /
NH
2) Сухая перегонка аммониевой соли слизевой кислоты:
NH4OOC(CHOH)4COONH4
нагревание
-2СОг, -NHj,
-4Нг0
NH
518
3) Взаимодействие смеси ацетилена и формальдегида с ам-
миаком:
нс=сн + 2н,с = о —Нносн2 - С=С - СН2ОН]---—\
* давление \'
4) Действие на сукцинимид цинком:
NH NH
Гомологи пиррола могут быть синтезированы конденсацией
а-амннокетонов с кетонами, содержащими активированную ме-
тиленовую группу (реакция Кнорра). Исходные аминокетоны
получают действием на кетоны азотистой кислоты и последую-
щим восстановлением, например:
о он
II , I HNO,
сн3 - С - СН2СООС2Н5 Снз - С = сн - СООС2Н5 —
о N = О
II I
Сн3 - с - сн ~ соос2н5
_н+ О NOH
+Н+ ,! Ч ГН]
— > СН3-С-С-СООС2Н5 —>-
о NHn
[| . | сн3соснгсоосгнй
сн3 - с - сн - СООС2Н5 ----------------
-2 Н2о
(58)
-н+, +н+
сн3- с—с - соос2н5
С2Н500С- НС^ с - сн3
XN''/
нэо+,
нагревание
-2СО?
NH
-2СгН5ОН
При взаимодействии амннокетоиа (58) с карбонильным со-
единением, приводящем к образованию гетероцикла (59), од-
518
повременно протекают две реакции: взаимодействие карбо-
нильной группы кетона с аминогруппой соединения (58) (ана-
логично образованию основания Шиффа) и взаимодействие
карбонильной группы соединения (58) с активированной мети-
леновой группой (аналогично реакции Кневенагеля).
Продукт конденсации (59) представляет собой диен (энер-
гия сопряжения ~17 кДж/моль), и поэтому он изомеризуется
в более выгодную ароматическую структуру пиррола (энергия
сопряжения 100 кДж/моль).
Варьируя исходные карбонильные соединения, таким спосо-
бом можно получать разнообразные гомологи пиррола.
Гомологи пиррола получают также конденсацией ацетоук-
сусного эфира, а-хлоркетонов и аммиака (реакция Ганча), на-
пример:
сн3 - СО - сн2 - СООС2Н5 + СН3 - СО - СН2С1 + 2NH3--*
,__хС00С,Н.
/Гп
—- сн3-< >-СН3 + NH4CI + 2H2O
NH
По-видимому, на первой стадии реакции аммиак действует
как основание, отщепляя протон от молекулы ацетоуксусного
эфира. Затем образовавшийся анион, реагируя как амбидент-
ный нуклеофил, замещает хлор в хлорацетоне, в результате
чего образуется 6-дикетон (60), который затем реагирует сеще
одной молекулой аммиака.
СН3СОСН2СООС2Н5Л1Х(СН3СОСНСООС2Н5)' +nh4—*•
, С00С2Н5
0+ J ‘ э
С1СН/ЗОСН- |
-------—*• сн3сосн2снсосн3
- NH4Cl
(60)
Химические свойства. По поведению в реакциях электро-
фильного замещения пиррол напоминает фенол: он формилиру-
ется действием хлороформа и щелочи (аналогично реакции
Раймера — Тимана для фенола), вступает в реакцию азосоче-
тания, карбоксилируется действием СО2 в присутствии щелочи
(аналогично реакции Кольбе — Шмитта), образует тетрабро-
мид при действии бромной воды.
Кроме того, для пиррола характерны следующие реакции
электрофильного замещения: нитрование (CH3COONO2 или
СбНэСОиЬЮа; —10-ь+5°C), сульфирование (CsHsN-SOa, ди-
620
оксан, 100°С), хлорирование (SChCls), иодирование (I2, KI),
формулирование [I. НО, HCN; 2, П2О (реакция Гаттермана)
и HCON(CH3)2, POCI3 (реакция Вильсмайера)], ацилирование
ангидридами кислот и действием RCN и НС1 (реакция Хеша).
В результате получают соответствующие tx-замещенные
пирролы. При хлорировании образуется смесь моно-, дн-, три-
и тетрахлорпирролов, а при бромировании И иодировании—
тетрагалогенпроизводные.
Пирролу, как и фурану, свойственны некоторые реакции,
характерные для диенов. При окислении пиррола образуется
имид малеиновой кислоты:
ЫН ' илкСгО3, (СН3С0)2О
o=\/=o
ЫН
Для пиррола возможно как частичное, так и полное гидри-
рование кратных связей с образованием соответственно пнр-
ролина (61) н пирролидина (62);
Hl, Р, 250 °C,
Zn, СН3СООН _—, или Н21 Аф 200 *с
NH ЫН или нг, Pi, сн.соон
(61)
(62)
Пирролидин в отличие от исходного пиррола обладает свойствами вторич-
ного алифатического амина. В частности, с алкилгалогенидами он образует
соли третичных аминов;
О + СН31
ЫН
Однако при взаимодействии с малеиновым ангидридом идет
не реакция Дильса — Альдера, а заместительное присоедине-
ние:
СО
+ ос Осо----
ЫН 0 ЫН со
Так ведут себя в диеновом синтезе диены с заместителями
в положениях 1 и 4,
А-Ацил- и Л’-а л кил пирролы способны вступать в реакцию
Дильса — Альдера;
В отличие от фурана и тиофена в пирроле гетероатом свя-
зан еще с одним атомом водорода, вследствие чего у пиррола
появляется ряд специфических реакций.
Так как р-электроны атома азота участвуют в образовании
ароматического секстета, атом водорода группы NH пиррола
приобретает протонную подвижность, По этой причине пиррол
способен реагировать с металлическим калием, безводным гид-
роксидом калия и трет-бутоксидом калия, амидами калия и
натрия и с магнийорганическими соединениями:
+ак—► к* + щ
Is
(63)
гм гл g А
О
NH
КОН или
knh2
- Н20 или
“NH3
(63)
Так как магний более электроотрицательный элемент, чем
щелочные металлы, степень ионности связи К+ с анионом в
соединении (63). выше, чем степень ионности связи +MgX с
анионом в аналогичном соединении. Однако спектроскопичес-
ким методом было показано, что при взаимодействии пиррола
с реактивами Гриньяра также образуется мезомерный анион
без четкой фиксации иона FMgX.
С металлическим натрием пиррол реагирует медленно, а с
твердым гидроксидом натрия он вообще не реагирует.
522
Металлические производные пиррола способны взаимодей-
ствовать с рядом реагентов:
СН3С0С1
NCOCH3
снз! /Г"Ь
(63) —* О
NCH3
Направление реакций галогепмагнневых производных пир-
рола зависит от температуры. При низких температурах обра-
зуются М-замещенные, а при нагревании — а-замещенные пир-
ролы:
нсоос2н5
N - СНО
<о°с
о JX0
v <0°С KI ГИ
NMgX N - СН3
NH
NH
<0’С CHjCOCI
Отмеченное выше сходство химических свойств пиррола и
фенола подтверждается еще и тем, что пиррол способен всту-
пать в реакцию поликонденсации с формальдегидом. Образую-
щийся при этом дипиррилметан (64) под действием FeCh окис-
523
ляется до соединения (65):
Соединение (65) образуется также при действии на пиррол
муравьиной кислоты и при взаимодействии пирролкарбальде-
гида (66) с пирролом
При нагревании пирролкарбальдегида с муравьиной кис-
лотой наряду с другими продуктами образуется порфин:
524
Порфины — устойчивые ароматические соединения, у кото-
рых в формуле Хюккеля (4п + 2) п=7.
Атомы водорода групп NH порфинов, как и в пирроле, об-
ладают протонной подвижностью, и поэтому при действии на
порфин MgO, iFeCh или (СНзСОО)гСп они способны заме-
шаться на ионы MgH, Fe2+ и Cu2F. Комплексы с Fe2+ входят
в состав гемоглобина, а комплексы с Mg2+— в состав хлоро-
филла.
В заключение следует привести реакцию, генетически свя-
зывающую три рассмотренных выше гетероцикла. Согласно ре-
акции Юрьева, фуран можно превратить в пиррол или тиофен
при пропускании смеси его паров с аммиаком или сероводоро-
дом над нагретым оксидом алюминия (~450°С):
NH3
Эти реакции протекают в жестких условиях, сопровождают-
ся обильным смолообразованием и из-за низких выходов це-
левых Продуктов не представляют практического интереса.
В последние годы разработан жидкофазный процесс взаимных
превращений фурана, тиофена и пиррола, протекающий с высо-
кими выходами при комнатной температуре.
Индол и его производные. Индол (67) можно рассматривать
как пиррол, сконденсированный с бензольным кольцом.
Методы получения. 1) Пропускание через нагретую трубку
с А120з паров анилина и ацетилена, разбавленных СО2 (выхо-
ды очень низки):
з (67)
2) Действие на JV-фор мил-о-тол ундин трет-бутокси дом ка-
525
лия или амидом натрия:
снг- н
NH-СНО
(сн^со-
-------5*
*(СН3)3СОН
сн2
6 +
NH - СНО
(СН3)ЭСОН
-(СН3)3СО*
(67)
Реакция относится к реакциям конденсации кротонового
типа (см. гл. 3). В данном случае столь сильное основание
Приходится использовать потому, что из-за + Д4-эффекта груп-
пы NHCHO протонная подвижность атомов водорода метиль-
ной группы толуидина еще ниже, чем в толуоле.
3) Восстановление о-нитрофенилацетальдегида:
-н? о
Зп, НС1
снэсоон
4) Конденсация о-нитротолуола с диэтилоксалатом:
О О
11 II
С2Н5О - С - С - ос2н5
с2н50“
-Ч^СН2СОСООС2Н5
HCi
гп
------
сн3соон
^.СН2СОСООН
^<no2
526
Первая стадия реакции является примером сложноэфирной
конденсации, где метиленовым компонентом является о-нитро-
толуол, СН-кислотность которого достаточно высока из-за на-
личия нитрогруппы.
5) Действие алкоголята на о-хлорвиниланилин:
Реакцию можно рассматривать как нуклеофильное замеще-
ние атома галогена. Однако в исходном соединении галоген
инертен в реакциях нуклеофильного замещения (см. гл. 2),
а аминогруппа — слабый нуклеофил. Поэтому реакцию прово-
дят в присутствии сильного основания, способного снять с
Группы Nl-h протон.
6) Восстановление изатина (57):
(57)
СНОН
-----(67)
Гомологи индола с алкильными группами в гетероцикличе-
ской части молекулы наиболее удобно синтезировать по методу
Фишера. Исходными веществами являются фенилгидразин и
карбонильное соединение (за исключением формальдегида и
ацетальдегида), например;
С 11 0
1 "
- мн2+ сн3 - с - сн3
ZnCi^ спирт
--------
илиНДэО.,
<< -О'
180-200 °C
При рассмотрении механизма этой реакции возникает ряд
вопросов; в какой момент происходит элиминирование одного
527
из атомов азота и какого именно, а также по каким причинам
образуется новая углерод-углеродная связь при замыкании
цикла?
В настоящее время наиболее вероятным считают приводи-
мый ниже механизм реакции:
RCOCH2H,^j>s CH2r'
-----* Г il + 1
NH2 - С - R
-н+, +н*
NHNH2
СН^
I
NHNH - С - R
I
OH
aCH2R'
NHN = C-R
(66)
CHFV
II —*•
C-R
(70)
На первой стадии образуется феиилгндразон (68). Синтез
индолов проводят в кислой среде, поэтому гидразон (68) мо-
528
жет перейти в еиаминную форму (69),. которая затеи подвер-
гается бензидиновой перегруппировке. (Механизм этой пере-
группировки, проводимой в присутствии минеральных кислот,
подробно рассмотрен в гл. 6.) Новая углерод-углеродная связь
может возникнуть только в результате перегруппировки за счет
орто-положенпя бензольного кольца; в результате образуется
продукт (70).
Далее происходят протонирование атома азота не связан-
ной с бензольным кольцом аминогруппы и нуклеофильная ата-
ка атомом азота второй аминогруппы атома углерода, непо-
средственно связанного группой ~\Н3, что завершается элими-
нированием молекулы аммиака. Протонирование именно атома
азота, не связанного с бензольным кольцом доказано с исполь-
зованием фенилгидразнна, содержащего меченый атом азота
C6H?NHNH£. Установлено, что при проведении синтеза с учас-
тием этого вещества метка оказывалась в молекуле гетероцик-
ла, а не в молекуле аммиака.
Предпочтительное протонирование не связанного с бензоль-
ным кольцом атома азота можно попытаться объяснить тем,
что цепь сопряжения его неподе^енной пары р-электронов с
л-электронами кратных углерод-углеродных связей короче, чем
в бензольном кольце (повышенная электронная плотность
только в одном положении, а в бензольном кольце — в трех),
и, следовательно, его основность выше.
Для синтеза индолов по Фишеру могут быть использованы
альдегиды и кетоны различного строения. Например, при ис-
пользовании циклогексанона получается производное карбазо-
ла (71), а при использовании метилэтилкетона — Преимущест-
венно 2,3-диметилиндол (72), а не 2-этилиндол, так как в со-
ответствии с правилом Зайцева енамин (73) термодинамически
более устойчив, чем енамин (74).
снсн3
с! 11
4XnH - NH - С - СН3
СН2
(ML 11
- NH - С - СН2СН3
(73)
34—1425
(74)
Кроме фенилгидразина в реакции могут быть использованы
его замешенные, у которых в бензольном кольце имеются труп*
пы СН3, NOs, Hai и другие. При этом требуется только, чтобы
хотя бы одно из орто-положений по отношению к гидразино-
группе было свободно. Электронодонорные группы, особенно в
ларо-положении, облегчают протекание реакции; соединения
с электроноакцепторными группами образуют индолы лишь с
низкими выходами. Это объясняют тем, что электронодонорные
группы увеличивают основность атомов азота и тем самым
облегчают их протонирование на первой стадии реакции.
Индол (67) и его гомологи могут быть синтезированы также
по методу Пени песку:
При использовании в качестве исходных веществ бензохи-
нона и ацетоуксусного эфира был получен 5-гидрокси-2-метнл-
индол:
NH- S*
«Н3 ( 2«' Oz/’Vo
СН3СОСНгСООСгН6---*-СН3 - с = сн - соос2н5 —-^-*-
н снсоос2н5 _н+ н снсоос2н5
/ н°-ъ /'"С - сн,
II 3
О NH
-н+
*н+
»
О ун2
но
снсоосгн5
ссоос2н5
н3о+,
нагревание
-С/ЦОН,
-СО2
~н2о
Гомологи индола могут Оыть получены также из М-ацил-о-толуидннов
и нз о-ннтробензилкетонов (см. методы получения индола). В первом случае
в качестве конденсирующего агента можно использовать менее сильное основа-
ние — этоксид натрия.
Химические свойства. По химическим свойствам индол на-
поминает пиррол, хотя он менее чувствителен к действию про-
тонных кислот. Например, действием серной кислоты (при ус-
ловии ее быстрой нейтрализации) можно выделить димер, ана-
логичный димеру пиррола (см. гл. 5).
В реакциях электрофильного замещения заместитель всту-
пает в более реакционноспособное гетероциклическое кольцо,
однако в отличие от пиррола электрофильная частица атакует
не «-положение по отношению к группе NH, а ^-положение.
Это можно объяснить динамическими факторами, т. е. энерге-
тической выгодностью образования п-комплекса. В том случае,
если электрофильный реагент Хн атакует p-положение, то в
образовавшемся о-комплексе (75) делокализация положитель-
ного заряда может произойти без нарушения ароматической
системы бензольного кольца, энергия сопряжения которого
150 кДж/моль. Если электрофильный реагент атакует «'поло-
жение, то в образовавшемся о-комплексе (76) рассредоточение
положительного заряда может осуществиться только с нару-
шением ароматической структуры бензольного кольца, что
энергетически невыгодно. х X
:NH +NH
В реакциях электрофильного замещения — бромирования
(Вгг, диокеан), формилирования (HCON(CH3) СбН5 + РОС13
(реакция Вильсмайера) и CHCl-f-NaOH (реакция Раймера —
Тимана)], ацилирования f (CH3COO)4Si, SnCl4. FeCl3], амино-
метилирования [СН2О +HN (СН3)г, Н? (реакция Манниха)],
азосочетания (ArN2Cl)—образуются соответствующие ^-заме-
щенные.
Существует принципиальная возможность направить элект-
рофильный заместитель в положение 5 индола (67). Для этого
используют специфическую способность гетероциклического
кольца присоединять водород «в момент выделения», в резуль-
тате чего ароматические свойства в этом кольце исчезают,
а основность группы NH увеличивается (ее +М-эффект стано-
вится равным + Л1-эффекту метиламиногруппы):
с2н5он,
Атом водорода в группе NH в индоле, как и в пирроле, об-
ладает протонной подвижностью. При взаимодействии со ще-
лочными металлами, алгоколятами и реактивами Гриньяра он
образует металлические производные, которые используют для
различных синтезов, например:
Кислородсодержащие производные индола. К ним относят-
ся: индоксил (77), оксиндол (78), диоксиндол (79) и изатин
(57). Они отличаются друг от друга положением и числом
кислородсодержащих групп в гетероциклическом кольце. Всем
им свойственна прототропная (кето-енольная или лактим-лак-
тамная) таутомерия:
NH
енольная форма кетоформа
енольная лактамная
форма форма
лактимная
форма
лактимная форма
лактамная форма
лактамная форма
(57)
лактимная форма
Индоксил и изатин являются промежуточными продуктами
при промышленном получении красителя—индиго.
Получение индоксила. В промышленности индоксил
(77) получают двумя способами.
1) Из анилина и соли хлоруксусяой кислоты:
CiGHjCOONe
NH
COONa NaNH
I —
180-2GP *C
(77)
(88)
533
На последней стадии реакции, по-видимому, происходит от-
щепление амидом натрии, являющимся сильнейшим основани-
ем, протона из орто-положения бензольного кольца и последу-
ющая нуклеофильная атака атома углерода карбоксильной
группы.
Вместо хлоруксусной кислоты может быть использована
смесь формальдегида и HCN; протекающая при этом реакция
представляет собой вариант реакции Манниха (см. гл. 3):
CHjO, HCN
NaOH
(80)
2) Из антраниловой и хлоруксусной кислот:
CICHjCOOH
a COONa
NHCHaCOOH
NaOH
COONa
NH2
H30+, нагревание
-со2
(77)
Индиго (83) получают пропусканием воздуха через щелоч-
ной раствор индоксила. Эта реакция является примером ради-
кальных цепных реакций. Известно, что кислород, часть моле-
кул которого представляет собой бирадикалы, может вызывать
в органических соединениях (даже просто при длительном сто-
янии при комнатной температуре) гомолиз ослабленных связей
С—Н н инициировать цепную реакцию. В индоксиле связи
С—Н метиленовой группы ослаблены потому, что она одновре-
менно связана с электроноакцепторной карбонильной группой
и более электроотрицательным, чем атом углерода, атомом азо-
та группы NH,
Окисление индоксила кислородом воздуха идет по схеме:
•0-0*
534
(83)
В образовавшемся димере (82) связи С—Н метинных групп
в еще большей степени ослаблены, чем в исходном индоксиле.
Взаимодействуя с кислородом, этот димер превращается в би-
радикал, из которого образуется индиго (83).
Как показал рентгенострукгурный анализ, в твердом крис-
таллическом состоянии молекулы индиго ассоциированы за
счет межмолекулярных водородных связей между атомом во-
дорода иминогруппы одной молекулы и группой С—О второй
молекулы.
Индиго относится к кубовым красителям. Сам краситель нерастворим у
в воде и поэтому не может быть непосредственно зафиксирован на ткани. Пе-
ред нанесением на ткань его предварительно восстанавливают дитионнтом
в щелочной среде до растворимого в воде белого индиго (84).
(84)
585
г
Предполагают, что реакция протекает следующим образом:
0 0 О
II II 2Н0- II
NaO - S - S - ONa ------- 2NaO - S - ОН + 2e
Последняя стадия реакции происходит потому, что водород в гидросуль-
фит-ноне <>б.д.чет большей протонной подвижностью, чем в группе ОН в бе-
лом индиго.
В таком виде краситель наносят на ткань. Затем он окисляется на ней
кислородом воздуха с регенерацией синего индиго в процессе сушки.
Получение изатина. Впервые изатин был получен еще в
прошлом веке окислением природного индиго азотной или хро-
мовой кислотой. В настоящее время существуют несколько ме-
тодов синтеза изатина (57).
1) Из о-нитрокоричной кислоты:
.-^.СН = снсоон
NaOH
(2)
-2HBr
Можно предположить, что на стадии 3 в пер ну ю очередь -ОН атакует как
нуклеофил один яз атомов углерода активированной карбоксильной группой
53«
тройной связи; последующие превращении идут по схеме;
2) Из анилина и хлоральгидрата:
Нг50,
1. СС1аСН(0Н)г
2- ын2он
-HCi, -нго
* (57)
На первой стадии в реакцию вводят гидроксил амин, так
как в противном случае возможно образование основания
Шиффа, а не нуклеофильное замещение одного из атомов га-
логена анилином.
Замыкание цикла под влиянием серной кислоты на заключительной стадии
можно представить следующим образом;
о--комплекс
«7
3) Из хлорангидрида о-нитробензойной кислоты:
Химические свойства. Изатин реагирует как карбонильное
соединение, образуя с гидроксиламином и гидразином соответ-
ственно оксим и гидразон, Причем в реакции принимает учас-
тие jj-карбонильная группа, активность которой выше (актив-
ность а-карбонильной группы снижена + Л1-эффектом группы
NH). По этой же причине При взаимодействии с индоксилом
реакция идет по jj-карбонильной группе.
Водород в группе NH, как и в индоле, обладает протонной
подвижностью, поэтому изатин может образовывать соли ще-
лочных металлов и серебра. Анионы этих солей представляют
собой амбидентные нуклеофилы и в зависимости от природы
катиона — металла (подобно диазотатам натрия и серебра;
см. разд. 6.2.2) могут замещать атом галогена в алкилгалоге-
нидах по механизмам SN2 (при M=iNa) и 3^1 (при M=Ag),
образуя производные различных таутомерных форм изатина:
СПД
М= Ag*
м*
При взаимодействии с PCI5 образуется производное лактим-
ной формы:
7.2.2. Шестичленные гетероциклические соединения
с одним гетероатомом
Пиридин и его производные. Пиридин и метилпиридины (пи-
колины) могут быть выделены в небольших количествах из
каменноугольной смолы.
Получение пиридина и его гомологов,, 1) Пропускание сме-
си ацетилена и HCN через нагретые стеклянные трубки;
2НС = СН + HCN 400"50-°°с>.
Возможно, что в таких жестких условиях в каждой из ре-
агирующих молекул происходит гомолитический разрыв одной
связи. Как отмечалось ранее (см. гл. 1), в аналогичных усло-
виях из трех молекул ацетилена можно получить бензол.
2) Нагревание альдегидов с аммиаком а присутствии ката-
лизаторов (реакция Чичибабина). Например, из ацетальдеги-
да и аммиака в этих условиях образуется смесь а- и ^-пико-
линов:
сн3
6СН3- СНО + 2NH3—► <\Z/N + СНз‘“'СЗ'Н
(86) (87)
Незамещенный пиридин получают нагреванием смеси аце-
тальдегида и формальдегида с аммиаком.
Механизм реакции образования пиколинов можно предста-
вить себе следующим образом. По-видимому, образованию пи-
ридииопого цикла с участием аммиака предшествует конденса-
ция трех молекул ацетальдегида, в которой аммиак участвует
53у
только в качестве основного катализатора (ем. гл. 3). Конден-
сация может протекать одновременно по двум направлениям:
СН3 - СН(СН2 - CHO)2t^-0 зсн3 - сно _гн£*-
(89)
—>- сн3 - сн = сн - сн = сн - сно
(88)
Соединение (88), реагируя далее с аммиаком, образует
имин (90), который затем циклизуется; в результате этой реак-
ции образуется а-пнколмн (86). Соединение (89), взаимодейст-
вуя с одной молекулой аммиака, образует моноимин, который,
реагируя в енамин-енольной форме (91) и отщепляя молекулу
воды, образует гетероциклическое кольцо; конечным продуктом
этой реакции является "(-пиколин (87).
-Л*, +Н*
------->
Выходы увеличиваются в присутствии оксида алюминия.
При нагревании акролеина с аммиаком в основном образу-
ется р-пиколин (92). И в данном случае, вероятно, реакция на-
чинайся с конденсации акролеина, однако из-за отсутствия
второго атома водорода в a-положении к карбонильной груп-
пе она останавливается на альдольном присоединении. На по-
640
следней стадии происходит изомеризация, обусловленная обра-
зованием энергетически более выгодной ароматической струк-
туры;
он сн,
1 II NH3
2СН2 = СН-СНО --► сн2 = сн - сн - С-СНО——*
СНОН
нс^ хс = сн-
II I
_ СНОН
НСХ ^С- сн,
’ I
н2с\ ^СН
+NH
-н+, +н+
-м\+н+
(92)
Используя различные гомологи ацетальдегида или акролеи-
на, а также их смеси, можно получать ди- и полиалкилпири-
дины.
3) Симметричные 2,4,6-тр нал кил пир идины получают по ре-
акции Ганча взаимодействием эфиров р-оксокислот с альдеги-
дами и аммиаком с последующим окислением образовавшегося
производного дигидропиридина.
Так, в результате взакмодействия ацетоуксусного эфира с
ацетальдегидом и аммиаком образуется коллидин (93):
сн3
сн3- СНО + 2СН3 - СО - СН2- СООС2Н5 + NH3_>
H3C'fj СН3
(93)
На первой стадии происходит конденсация ацетальдегида
с двумя молекулами ацетоуксусного эфира, причем роль кар-
бонильного компонента играет альдегид, метиленового — аце-
тоуксусный эфир, а катализатора — аммиак, который, являясь
слабым основанием, все же ..способен отщепить протон от аце-
тоуксусного эфира. Образовавшееся производное дигидропири-
641
дина (95) окисляется азотистой кислотой с образованием аро-
матической структуры; после гидролиза и декарбоксилирова-
ния получается коллидин:
СН3 - со - сн2 - соос2н8Л^сн3 - со - сн- соос2н5 nh4-*-
(94)
h4n+ -о соос2н8 он соос2н5
сн3сно I I II
-----►СН, - СН - СН - СОСН3——>СН3 - СН - СН - СОСН3—*
СООС2Н5
e+ I 1.(94)
—2-ен, - СН = С - СОСН,---►
-HjO * 4 2. -NH3
COOC2H5
I 4 5
СН3 - СН - сн -сосн3—►
СН - СОСН,
I 3
СООС2Н5
с2н8оос сн3
С2Н5ООС сн3
-Н20
с = с - он
сн3 - нс
СН - С = НН
СН - с - о
~Н*,+Н» СН3- нс'
'с = с - nh2
С2Н8ООС СН3
с2н5оос
сн3
-Нго
сгн5оос - с = с - сн3
сн3-нс; \н
С2Н6ООС - с = с - сн3
1 hno2
2 Нз—>• (93)
з.-сог
4. -2СгН50Н
(95)
4) Пиридин в смеси с его гомологами может быть получен
при пропускании смеси ацетилена и аммиака над оксидом
алюминия при 400—500 °C.
5) Алкил- и арилзамещенные пиридины можно получать
диеновым синтезом, используя в качестве диенофила нитрилы
542
или дидиаи:
10 (Г с
давление
1. 400*С,
давление
N =С-C=N -----*
2. -Н2
В качестве диенов обычно используют 2,3-диалкилбутадие-
ны н другие симметричные диены; использовать изопрен (96)
не имеет смысла, так как в этом случае образуется смесь изо-
мерных ди ал кил пиридинов (97) и (98).
СН3
СН2 = С-СН-СН2
<96) (97) (98)
Химические свойства. Пиридин весьма инертен к реакциям
электрофильного замещения и в этом отношении напоминает
нитробензол. Электрофильный заместитель направляется в
^-положение к гетероатому (см. гл. 5):
KN03, олеум (20%-й),
H,SO, Haso,
Г1----------------
370-С ИГО N
Fe,
200-300’С
Реакции алкилирования и ацилирования по Фриделю —
Крафтсу для пиридина не характерны.
Одной из причин пассивности пиридина в реакциях электро-
фильного замещения и ориентации заместителя в ^-положение
является то, что из-за большей электроотрицательности азота
по сравнению с углеродом и высокой поляризуемости л-связеЙ
электронная плотность в пиридине распределена неравномер-
но:
8+
Это подтверждает высокий дипольный момент пиридина
(2,26 Д).
Динамические факторы также не благоприятствуют вхож-
дению электрофильного заместителя в а- и у-положения. Резо-
нансные структуры (100) и (101) чрезвычайно энергетически
невыгодны, так как в структуре (100) на соседних атомах име-
ются полный и частичный положительные заряды, а в структу-
ре (101) л-электроны полностью отошли от более электроотри-
цательного атома азота.
(99) (ЮО) С*01)
Инертность пиридина в реакциях электрофильного замеще-
ния обусловлена и тем, что атом азота в нем обладает значи-
тельной основностью, так как его неподеленная пара электро-
нов не участвует в образовании ароматической системы и не
может рассредоточиться. Поэтому при действии протонных
агентов (нитрование, сульфирование) он образует соли пири-
диния (102), а с бромом — комплексы (ЮЗ), в которых атом
азота является донором электронов. Появление положительно-
го заряда на атоме азота приводит к еще большей дезактива-
ции ароматического кольца.
(102)
(ЮЗ)
544
Аналогичный комплекс пиридина с SO3, где атом азота пи-
ридина является донором электронов, используют как апро-
тонный сульфирующий агент, которым удается сульфировать
фуран и пиррол.
Следует, однако, отметить, что основность пиридина, в ко-
тором атом азота находится в состоянии хр2-гибридизации, не-
сколько меньше, чем основность пиперидина и других алифати-
ческих вторичных аминов.
Наличие дефицита электронной плотности в а- и '(-положе-
ниях вносит определенную специфику в поведение а- и f-ал-
килпирндинов. Так, метильная группа в а- и '(-пиколинах окис-
ляется легче, чем в толуоле:
а- и ^-Пиколины способны конденсироваться с алифатичес-
кими и ароматическими альдегидами, например:
СН3 + с6н5сно
N
N
сн = снс6н5
Реакция а-пиколина с ацетальдегидом является одной из
стадий синтеза алкалоида—конника:
сн3сно
Н+
CHsCHCH3
Na
с,н,°н
£ 3
СН2СН2СН3
Реакции конденсации катализируются кислотами (см. гл.З).
Кислота активирует карбонильный компонент, протонируя атом
кислорода карбонильной группы, а метиленовый компонент
?5-Ц25 545
(в случае карбонильных соединений) под влиянием кислот
енолизуется. В рассматриваемых реакциях а-пиколин как мети-
леновый компонент под влиянием кислоты переходит в ен-
аминную форму, в которой благодаря сильному + М-эффек-
ту атома азота л-электроны семициклической двойной свя-
зи сильно смещены к атому углерода метиленовой группы. По-
этому далее эта группа взаимодействует с протонированной
карбонильной группой второго компонента:
Поскольку в а- и "(-пиколинах метильная группа связана
с электронодефицитным атомом углерода ароматического
кольца, атомы водорода этой группы способны под влиянием
сильных оснований отщепляться в виде протона.
В образовавшемся анионе (105) неподеленная пара элект-
ронов рассредоточивается между метиленовой группой и ато-
мом азота.
C6HSU
-с6н9 J
СН2 Li*
Аналогичным образом а-пиколин реагирует с амидом нат-
рия:
NaNHz
-ы43
(105)
+СН31
-|-
N сн2сн3
Специфическими свойствами обладают также а- и ^-гидро-
кси- и -аминопроизводные пиридина.
а-Гидроксипиридин получают сплавлением соли а-пиридин-
сульфокислоты или самого пиридина с твердым гидроксидом
калия в присутствии окислителя при 400 °C, а аминопиридин —
М0
при взаимодействии пиридина с амидом натрия в ксилоле при
110°С (реакция Чичибабниа):
НгО
NHNa
-NaOH
Эти реакции относятся к реакциям нуклеофильного заме-
щения в ароматическом ряду.
Замещению водорода в «-положении в пиридине на нуклео-
фильный реагент благоприятствуют как статические (наличие
д+), так и динамические факторы. Резонансная структура
(106), в которой отрицательный заряд сосредоточен на более
электроотрицательном атоме азота, особенно устойчива.
(106)
Взаимное влияние аминогруппы и атома азота гетероцикли-
ческого кольца в а- и у-аминопиридинах, обусловленное силь-
ным + Л1-эффектом группы NH2 [см., например, формулу
(Ю7)], приводит к тому, что аминогруппа, как и в амидах
кислот, в значительной степени утрачивает основные свойства,
а у атома азота гетероциклического кольца в значительной
степени увеличиваются нуклеофильные и основные свойства.
Ip (io?)
35*
54?
Первое можно подтвердить тем, что аминогруппа в а-ами-
нопиридинах может быть продиазотирована только очень силь-
ными нитрозирующими агентами (нитрозилсерная кислота в
концентрированной HNO3), а также тем, что атомы водорода
в ней приобретают протонную подвижность:
Второе можно подтвердить тем, что а-аминопиридин при
взаимодействии с метилиодидом реагирует как нуклеофил и в
результате происходит метилирование атома азота гетероцик-
лического кольца:
Таким образом, можно утверждать, что а-аминопиридину
свойственна двойственная реакционная способность.
Можно было бы предположить, что а-аминопиридину свой-
ственна прототропная таутомерия, что можно подтвердить его
реакцией с малоновым эфиром:
N
сн/соосгн5)г
-2СгН5ОН
о
(108) (109)
Однако в ИК-слектрах а-аминопирядина, как и в спектрах
амидов кислот, не обнаружено полос поглощения, характерных
для формы (109). Поэтому в настоящее время предполагают,
что равновесие (108) «(109) очень сильно смещено влево и
методом ИК-спектроскопии обнаружить форму (109) невоз-
можно.
Б48
а- и '(-Гидроксипиридинам также свойственна двойственная
реакционная способность:
Первоначально идентичность УФ-спектров а- и у-гидрокси-
пйридинов со спектрами JV-метилпиридинов, которым отвечает
единственная структура, позволила предположить, что в отли-
чие От а- и у-аминопиридинов а- и у-гидроксипиридинам отве-
чают формулы (ПО) и (111), Однако впоследствии было пока-
зано, что реальным а- и у-гидрокеппиридинам несвойственны
реакции, характерные для карбонильной группы (они не ре-
агируют с фенилгидразином и не присоединяют реактивов
Гриньяра), а также для вторичной аминогруппы (они с трудом
реагируют с CHgl и не образуют солей четвертичных аммоние-
вых оснований). На этом основании соединение (НО) следует
скорее относить к амидам кислот, а соединение (111)—к ви-
нилогам амидов кислот, В обоих соединениях взаимное влия-
ние функциональных групп настолько велико, что обе они ут-
рачивают характерные для каждой из них свойства.
(ПО)
Пиридин легче, чем бензол, присоединяет водород ПО‘ крат-
ным связям (действием водорода в момент выделения), обра-
зуя пиперидин (П2), и более устойчив к действию окислителей.
Пиридиновое кольцо устойчиво к действию водных раство-
ров кислот и оснований, однако соли пиридиния, содержащие
549
электроноакцепторные группы, легко расщепляются щелочами:
CN
СН
НС'"' ^сн
“* II I
НС сн-он
т +
":N - CN
СН
НС"" ^СН
II I
нс сн = о
I
NH - CN
* НОСН = СН - СН = СН - СНО
глутаконовый альдегид
Хинолин и его производные. Хинолин представляет собой
гетероциклическое соединение, в котором пиридиновое кольцо
сконденсировано с бензольным.
Методы получения. Основным методом получения хинолина
является синтез Скраупа. Исходными продуктами служат ани-
лин и глицерин. В качестве дегидратирующего агента исполь-
зуют концентрированную серную кислоту, а в качестве окисли-
теля промежуточно образующегося дигидрохинолина — нитро-
бензол:
1.H2SO4
+ носн2- снон - СН2ОН ----------»
2- С6Н5МОг
N
(90%)
Реакция экзотермична; она инициируется нагреванием ре-
акционной смеси до начала кипения (при дальнейшем нагрева-
нии реакция может выйти из-под контроля).
По-видимому, на первой стадии реакции происходит прото-
пирование атома кислорода гидроксигруппы, связанной со
вторичным атомом углерода; последующая реакция протекает
согласно механизму SN1 и приводит к fj-гидроксипропионовому
550
альдегиду (113), который в присутствии серной кислоты де-
гидратируется с образованием акролеина;
он он2
СН,-СН - СН20Н
I I *
Т 3
сна - сн - сн2он
6н
4 —
сн2 - сн = сн - он ‘-!£Ж носн2 - сн2 - сно
он
(113)
я*
(ЦЗ)--> ГНй-СНй-СНО
♦Авь
—-> си2~сп-пю
Образование акролеина из глицерина можно подтвердить
тем, что анилин, взаимодействуя в аналогичных условиях с го-
товым акролеином, также образует хинолин (выход 70%).
Вопрос о том, почему на первой стадии реакции протонируется обладаю-
щий менее основными свойствами атом кислорода гилроксигруппы в положе-
нии 2 глицерина, остается дискуссионным. Возможно, что скорость рассмот-
ренной выше реакции, протекающей по механизму SN1 с промежуточным обра-
зованием вторичного карбокатиона, выше скорости бимолекулярной реакции,
протекающей по механизму SN2 и начинающейся с протонирования более ос-
новной первичной спиртовой группы, в результате которой должен образо-
ваться гидроксиацетон:
1 „ Н5О;
снгон
он о
| “Н\+н+ |!
--У > СНз—С-СН2ОН
Далее акролеин взаимодействует с анилином, образуя ос-
нование Шиффа (114), которое затем, по предположению
551
Скраупа, циклизуется.
С6Н5 - NH2 + ОНС - СН = СН2 -
0"
+ I
C6H6-NHa-CH-CH = CH2
он
i
csh5-nh-ch-ch = ch2
с6н5 - nh = сн - сн = сн2
(114)
Это предположение само по себе вполне законно, так как
л-электроны связи N = C в основании Шиффа смещены к атому
азота, который в условиях реакции может протонироваться.
Наличие полного положительного заряда на атоме азота долж-
но оказать влияние на сопряженную со связью N = C кратную
углерод-углеродную связь; в результате на атоме углерода
концевой метиленовой группы появляется частичный положи-
тельный заряд, и ои может электрофильно атаковать орго-по-
ложение бензольного кольца [см. формулу (115)].
(116)
(117)
Однако от этого предположения впоследствии пришлось от-
казаться. Было установлено, что если вместо акролеина в ре-
акцию вводить кротоновый альдегид СНзСН^=СНСНО, то об-
разуется не 'г-метилхннолин (лепидин) (116), а а-изомер— хи-
нальдин (117), На этом основании большая часть исследова-
телей считает, что на первой стадии реакции происходит нукле-
офильное присоединение анилина к активированной кратной
552
углерод-углеродной связи, и реакция протекает по схеме:
СН2=СН—С—н
0k* т
^^•NHa-CHa- СН=С-Н
Однако при этом не учитывается, что альдегиды легко
(иногда даже при О °C) реагируют с первичными аминами по
карбонильной группе с образованием оснований Шиффа
RCHO + H2N - R' -*- RCH = NR'+ H20
а аф-ненасыщенныс альдегиды при избытке амина реагируют
одновременно с замещением атома кислорода карбонильной
группы и присоединением по кратной связи.
О большей активности карбонильной группы по сравнению
с активированной кратной связью в реакции с нуклеофилами
свидетельствует тот факт, что при взаимодействии аф-непре-
дельных альдегидов с реактивами Гриньяра образуются исклю-
чительно продукты присоединения по карбонильной группе
ОН
1 яГмдХ |
RCH = CH-CHO ---------RCH = CH-CHtf
г. н,о
е
Принимая во внимание все сказанное выше, есть больше
оснований считать, что присоединению анилина по кратной
углерод-углеродной связи предшествует образование основания
Шиффа (114), которое затем само или в протонированной
форме реагирует с анилином;
или
(114) -^CH£’^CH^CH-NH-CeH5-^^\ (ft
™СеН5
п. I
NH
--снын» (118>
Реакция завершается окислением образовавшегося 1,2-ди-
гидрохинолина присутствующим в реакционной смеси нитро-
бензолом, причем последний количественно восстанавливается
до анилина, который затем также реагирует по описанному
механизму с образованием дополнительных количеств хино-
лина.
Метод Скраупа в модификации Деблера — Миллера исполь-
зуют для синтеза гомологов 2,3-диалкилхинолинов. Кроме ани-
лина в этой реакции использовали толуидины, нитроанилины и
другие амины, вместо глицерина — альдегид или смесь двух
альдегидов (которые в процессе реакции образуют продукт
кротоновой конденсации), а в качестве конденсирующего аген-
та не только серную кислоту, но и концентрированную хлоро-
водородную кислоту с хлоридом цинка. Например:
Согласно модификации Бейера, использовавшего смесь
альдегида и метилкетона, можно получать 2,4-дизамещенные
хинолины, например:
c6H5NH2
СН3СНО + СН3СОСН3 -----СН3СН = СНСОСН3 ----------»-
В этой реакции роль окислителя играет основание Шиффа,
которое восстанавливается до вторичного амина, что также до-
654
полвительно подтверждает его промежуточное образование.
При проведении синтеза можно использовать не только смеси
двух различных карбонильных соединений, но и готовые а,(5-
непредельныс альдегиды и кетоны.
Кроме анилина в реакции могут быть использованы его мо-
но- и днзамещенные. В реакцию не вступают только такие дп-
замещенные, у которых заместители находятся в обоих орто-
положениях относительно аминогруппы. Не реагируют или ре-
агируют с плохими выходами такие замещенные анилины, ко-
торые не выдерживают жестких условий проведения реакции и
либо разрушаются, либо гидролизуются серной кислотой (на-
пример, если в тшра-положении по отношению к аминогруппе
есть группы СОСНз, CN или ОСН3).
Примером получения описанным способом производного
хинолина с заместителем в бензольном ядре является синтез
8-гидроксихннолпна (оксин);
+ СН2 - СН - СН2
NH- I II
он ОН он он
---------
o-O,NC„H.OH
Z ь ч
Это соединение используют в аналитической химии, так как
оно способно образовывать с двух- и трехзарядными катионами
металлов нерастворимые комплексные соли (хелаты);
При проведении реакции с участием моно-лега-замешенных анилинов мо-
гут образоваться два изомерных хинолина. Направление реакции зависит ог
природы заместителя X. Если он является .чети-ор иен т антом, образуется
исключительно или предпочтительно изомер (W), а если орго-пара-ариентин-
том — изомер (120}.
X
N
(119)
Аналогично анилину реагируют нафтнламины. Из а-нафтиламнна полу-
чается соединение (121), а из ^-нафтнламина —-соединение (122).
(121)
Ароматические диамины реагируют с двумя молекулами глицерина и об-
разуют конденсированные гетероциклы с двумя атомами азота — фенантро-
лины.
В качестве окислителей в реакции Скраупа чаще всего ис-
пользуют нитросоединения с теми же заместителями, что и у
ароматического амина. В некоторых случаях окислителями слу-
жат .и-иитробензолсульфокислота, As^Os, FeCl3, SnCU Кроме
серной кислоты в качестве дегидратирующего средства исполь-
зуют фосфорную кислоту.
Конденсацией анилина, бензальдегида и пировиноградной кислоты полу-
чают 2-феннлхинолннкарбоновую-4 кислоту (лекарственный препарат атофан):
С6Н5СНО + СН3СОСООН —*^С6Н5СН = СНСОСООН Сбн5^г
СООН
I i.ceh5nh2,h
c6h5n = С - СН = СНС6Н5-----------*-
2. [О]
СООН
N С6НБ
Хинолин можно получить также конденсацией о-аминобснз-
альдегида с ацетальдегидом в присутствии гидроксида нат-
рия:
СНО
При этом параллельно протекают реакции кротоновой кон-
денсации и образования основания Шиффа.
Химические свойства. Хинолин относится к ароматическим
соединениям, и поэтому ему свойственны реакции электрофиль-
ного замещения. Так как пиридин, как отмечалось выше, зна-
558
чительно уступает по реакционной способности бензолу, элект-
рофильный заместитель входит в бензольное, а не в гетероцик-
лическое кольцо, например:
1 - сульфирование : 2 - нитрование
Хинолину, как и пиридину, свойственны реакции нуклео-
фильного замещения, в которых заместитель направляется в
положение 2:
R - С4Нд, С6Н5
а-Гидрокси- и а-аминохинолинам, как и соответствующим
производным пиридина, свойственна двойственная реакционная
способность, например:
В а-метнлхинолцне атомы водорода метильной группы име
ют протонную подвижность и для него характерны те же ре-
акции, что и для а-пиколина: он способен вступать в реакции
конденсации и в присутствии сильных оснований реагировать
с алкилгалогенндами.
Основность атома азота в хинолине несколько понижена по
сравнению с пиридином: его растворы в отличие от пиридина
не дают реакции на лакмус.
Так как в хинолине гетероциклическое кольцо обеднено
электронной плотностью, оно устойчивее к окислителям, чем
бензольное кольцо. При действии перманганата калия разры-
вается бензольное кольцо и образуется хинолиновая кислота:
КМпО4,н+ НООС
НООС
N
Напротив, гетероциклическое кольцо в большей степени
склонно к присоединению водорода; 1,2,3,4-тстрагкдрохннолин
можно получить, действуя на хинолин водородом->в момент
выделения:
СгН50Н, Na
или Sn, HCI
N NH
Дека гидрохинолин и 5,6,7.8-тетрагидрохинолин можно полу-
чить, используя гетерогенные катализаторы;
нг, Ni (Pd) Pt, 30Q°C
200’С ' -ЗНг
N NH N
Пиран и его производные. В данном разделе рассмотрены
отдельные представители щестичленных кислородсодержащих
гетероциклов, дигидропиран, ос- и "f-пираны, а- и -/-пироны.
Дигидропиран. Дпгидропиран легко получается при пропус-
кании тетрагидрофурфурилового спирта над нагретым оксидом
алюминия:
Для него характерны реакции присоединения по двойной свя-
зи. Дигидропираны используют для защиты гидроксильной
группы в полифункциональных соединениях при проведении
Б58
реакций окисления, а также при взаимодействии, например,
гидроксикарбонилъных соединений с такими реагентами, кото-
рые могут побочно реагировать с гидроксигруппой как с ОН*
кислотой, отщепляя от нее протон (например, с магнийоргани-
ческими соединениями). При защите гидроксигруппы атом во-
дорода в ней замещается на тетрагидропиранильный остаток
(R):
Полученное соединение достаточно устойчиво к действию
оснований, однако при действии водных растворов минераль-
ных кислот гидролизуется с регенерацией гидроксильной груп-
пы.
Производные дигидропирана могут быть получены диено-
вым синтезом. В качестве диенов можно использовать соедине-
ния, у которых углерод-углеродная кратная связь сопряжена
со связью С=О, например акролеин, кротоновый альдегид,
винилметилкетон.
РЕКОМЕНДАТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Робертс Д., Касерио М. Основы органической химии, В 2 кн.: Пер. с англ./
Под ред. А. Н. Несмеянова, М.: Мир. 3978. Кн. 1. 842 с. См. с. 117—145.
Кн, 2. 888 с. См. с. 367—417.
2. Моррисон Р., Бойд Р. Органическая химия: Пер. с англ./Под ред. И. К. Ко-
робициной. Мд Мир, 1974. 1132 с, См. с. 264—300, 1014—1036.
3. Несмеянов А, Н.: Несмеянов Н. А. Начала органической химии. В 2 кн. М.7
Химия, 1974. Кн. 1. 623 с. См. с. 491—544. Кн. 2, 744 с. См. с. 255—342.
4. Гауптман 3., Графе Ю., Ремане X. Органическая химия- Пер, с жм./Под
ред. В. М. Потапова. М.: Химия, 1979. 832 с. См. с. 204—219, 548—609.
5. Фьюзон Р. Реакции органических соединениЙ7 Пер. с англ./Под ред.
И. Ф. Луценко. М.: Мир, 1966. 645 с. См. с. 595—617.
6. .Левина Р. Л., Скварченко В. Р., Шабаров Ю. С. Практические работы ио
органической химии. Вып. V. М.: Изд. МГУ, 1978. 245 с. См. с. 3—140.
7. Илиел Э., Аллинжер Н., Энжиал С., Моррисон Г. Конформационный анализ:
Пер. с англ./Под ред. А. А. Ахрена. М.: Мнр, 1969. 592 с. См. с. 51—75,
235—275.
Отсканировал Семенюченко Владимир
chem_vova@mail.univ.kiev.ua
vova2002@ m ai I. ru
Учебное пособие
АГРОНОМОВ Александр Евгеньевич
ИЗБРАННЫЕ
ГЛАВЫ
ОРГАНИЧЕСКОЙ
ХИМИИ
Редактор М. Н. Пастушенко
Художественный редактор X, К. Федоров
Технические редакторы С. Ю Титова,
Л. Н. Богданова
Корректоры М. А. Ивлиева, Л. В. Лазуткина
И5 № 2600
Сдано в набор 10.05.89. Подписано В печать 20.08.90. Формат
60X8871S. Бум. офс. Jfe 2. Гарнитура «Литературная*. Печать
офсетная. Уел. печ. л. 34,30, Уел. кр.-отт. 34,30. Уч.-над. л.
33,08. Тираж 15 800 эка. Заказ 1425. Цена 1 р, 40 к.
Ордена «Знак Почета* издательство «Химия», 107076, Моск-
ва, Стромынка, 21, корн. 2.
Московская типография № 11 Государственного комитета
СССР по печати. 113(05, Москва, Нагатинская ул., д. 1.