основы химии КАРБАНИОНОВ
И 3 Д А Т.Е л ь;с т в о
«М И Р»
FUNDAMENTALS OF CARBANION CHEMISTRY
BY DONALD J. CRAM Department of Chemistry University of California Los Angeles, California
1965 ACADEMIC PRESS.NEW YORK AND LONDON
Д. КРАМ
ОСНОВЫ химии КАРБАНИОНОВ
Перевод с английского
манд, хим. наук Э. Л. СЕРЕБРЯКОВА, канд. хим. наук В. А. СМИТА
Под редакцией
доктора хим. наук
И. IT. БЕЛЕЦКОЙ
1967
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» МОСКВА
УДК 547.1:541
Книга известного американского химика Д. Крама посвящена химии карбанионов — вопросу, представляющему большой интерес для теоретической органической химии, поскольку промежуточное образование таких ионов играет существенную роль в кинетике и механизме органических реакций, многие из которых приобрели важное препаративное значение.
Ценность книги состоит в том, что она обобщает обширные исследования самого автора, работы которого по стереохимии карбанионных реакций являются фундаментальным вкладом в- эту область, и содержит ряд неопубликованных ранее данных американских авторов.
Книга предназначена для химиков-органиков — научных работников, аспирантов, преподавателей и студентов старших курсов химических вузов.
Редакция литературы по химии
Инд. 2-5-3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Имя выдающегося американского химика Дональда Крама хорошо известно химикам-органикам. Его работы по стереохимии карбанионов выполнены в стиле лучших образцов исследований классических органических школ и являются фундаментальным вкладом в органическую химию.
Современный этап развития химии знаменуется пристальным вниманием к всестороннему исследованию механизмов органических реакций и прежде всего к изучению промежуточно образующихся в них частиц и соединений. Такими частицами в гетеро-литических реакциях являются карбониевые ионы и карбанионы. Однако если карбониевым ионам посвящены обширные обзоры, то работы в области карбанионов до последнего времени оставались для широкого круга химиков сравнительно мало известными.
Книга Крама восполняет этот пробел; по сути дела она является первой монографией, посвященной химии карбанионов. Создание такой книги — задача чрезвычайно актуальная и сложная, так как в последние годы накоплен обширный материал по образованию, свойствам и превращениям карбанионов.
В настоящее время очевидно, что химия отрицательно заряженного углерода представляет собой важную и обширную область химии, ибо многие органические реакции протекают через промежуточное образование карбанионов в свободном или скрытом виде (криптокарбанионы). Некоторые карбанионные процессы уже сейчас приобрели большое практическое значение и нет сомнения в том, что область их применения будет расширяться и в дальнейшем.
Великолепно написана первая глава книги, посвященная одному из принципиальных и важных вопросов теоретической органической химии — кислотности углеводородов. Автору удалось систематизировать большой материал по определению констант равновесий ряда процессов, протекающих по карбанионному механизму, и констант скоростей катализируемого основаниями изотопного обмена различных углеводородов. Это позволило ему создать наиболее полную шкалу кислотности углеводородов, названную им в честь химиков, изучавших эти процессы, шкалой МСЭД.
Интересы автора в основном сосредоточены на стереохимических аспектах изучения карбанионов, что в значительной степени определило как достоинства, так и недостатки книги. Естественно, что главы по стереохимии карбанионов, которая в основном изучена школой Крама, написаны так, как это вряд ли мог бы сделать кто-нибудь другой, кроме автора книги.
6
Предисловие
Очень важно, что все карбанионные процессы, их механизм и стереохимия, независимо от того, в каких системах они происходят (будь то разрыв С — Н- или С — С-связей, изомеризация ненасыщенных соединений, реакции металлоорганических соединений или различные типы молекулярных перегруппировок), рассмотрены автором с единой точки зрения, в основу которой положена концепция ионных пар. Это дало возможность не только хорошо систематизировать материал, но и проследить общность во влиянии различных факторов (структуры, растворителя, катализатора) в, казалось бы, различных по характеру процессах. Все это придает книге законченность и цельность. Однако такое изложение имеет и свою теневую сторону, так как автор, давая иногда собственную трактовку механизмов реакций, не останавливается на возможности альтернативных механизмов, рассматриваемых в литературе. Это прежде всего относится к механизмам перегруппировок, например перегруппировки Виттига.
Естественно, что ни от какой, даже самой обширной монографии, нельзя требовать полного охвата материала. Однако в книге, посвященной основам химии карбанионов, хотелось бы видеть] отражение работ по реакциям образования, различным типам превращений и физико-химическим свойствам карбанионов.
Прежде всего в книге недостаточное отражение нашла реакция металлирования, которая рассматривается лишь в связи с установлением термодинамической кислотности углеводородов. На деле именно этой реакции принадлежит основная роль в получении карбанионов. На ее примере изучено также влияние различных факторов на стабильность образующихся карбанионов. Аналогия между этой реакцией и катализируемым основаниями изотопным обменом позволила отнести последний к карбанионным процессам, для которых в большинстве случаев именно образование карбанионов, а не последующее электрофильное замещение является лимитирующей стадией. Благодаря такой аналогии оба эти типа реакций могут быть отнесены к замещению, получившему название протофильное.
Недостаточное освещение в книге нашли работы Георга Виттига, которого по праву можно было бы назвать одним из основоположников химии карбанионов, или, как он сам назвал эту область,— анионохимии.
Однако все эти недостатки не умаляют большой ценности книги и заслуг ее создателя. Можно с уверенностью сказать, что задача, которую поставил перед собой автор — стимулировать интерес к этой новой области химии — будет полностью выполнена.
И. Белецкая
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА
Углубление наших знаний о механизме органических реакций приводит к естественному выводу о том, что многие из, казалось бы, совершенно различных реакций протекают через образование промежуточных продуктов одного и того же характера.
Изучение образования, свойств и превращений промежуточных продуктов является узловой точкой работ, посвященных связи между строением и реакционной способностью, и составляет значительную часть предмета органической химии. Из четырех основных реакционных промежуточных продуктов (карбониевые ионы, карбанионы, углеродные радикалы и карбены) литературный материал, относящийся к карбониевым ионам и радикалам, собран и обобщен в ряде обзоров. Химия карбенов в основном получила свое развитие с 50-х годов этого столетия и имеет несколько более узкое значение, чем химия других промежуточных продуктов. Хотя участие карбанионов как промежуточных продуктов в органических реакциях уже давно не вызывает сомнения, обзоров по карбанионам очень мало. В современных учебниках по органической химии разделы, посвященные карбанионам, занимают крайне малое место. Также по непонятным причинам только немногие физикохимики лишь недавно обратили свое внимание на карбанионы.
Цель настоящей монографии — стимулировать интерес к этой области химии. Оригинальная литература, посвященная этому вопросу, весьма обширна, особенно с 1959 г., и хотя в будущем, безусловно, можно будет лучше обобщить весь этот материал, но основные проблемы можно выделить уже сейчас. В настоящей книге мы рассмотрим эти проблемы, подведем основные итоги их изучения и укажем пути подхода к решению этих проблем в будущем.
Монография построена следующим образом. В гл. I рассмотрена зависимость термодинамической и кинетической кислотности С — Н-кислот от природы среды и строения молекулы, что должно ввести читателя в курс рассматриваемого в книге материала. В гл. II описаны различные варианты стабилизации карбанионов за счет наличия заместителей. В гл. III обсуждается стереохимия реакций металлоорганических веществ и реакций обмена водород—дейтерий, а в следующей (IV) главе в более общем виде рассмотрена стереохимия карбанионов. В гл. V обсуждаются
8
Предисловие автора
анионные перегруппировки в ненасыщенных системах, а в гл. VI — другие перегруппировки.
В ряде случаев пришлось ограничить широту охвата материала. Так, общая химия металлоорганических соединений и илидов слишком обширна для того, чтобы охватить ее всю в этой книге. Поэтому включены лишь те данные, которые являются, по мнению автора, существенными для химии карбанионов.
Одно из ограничений этой книги связано с тем, что развиваемые в ней теоретические представления основаны на качественных и часто отрывочных данных. Однако необходимость развития этих представлений диктуется тем, что накоплено много фактов, требующих обобщения, а также тем, что необходимо сформулировать основные проблемы. Кроме того, развитие новой области всегда стимулирует создание гипотез, и в этом отношении химия карбанионов не является исключением.
Я очень признателен моим коллегам, активно работающим в химии карбанионов. Доктора А. Стрейтвизер (мл.), Дж. Робертс, А. Никон, Ф. Анет, Ф. Бордуэлл, X. Валборски, Е. Стейнер, К. Ритчи, Р. Десси, С. Ила, М. Уайтинг и Д. Эпплквист внесли ряд полезных предложений; доктора А. Стрейтвизер (мл.), Р. Десси, Дж. Робертс, Е. Стейнер, К. Ритчи и Ф. Анет любезно предоставили возможность использовать полученные ими результаты до их опубликования.
Дональд Крам Лос-Анжелос, Калифорния, май 1965
ГЛАВА I
С—Н-кислоты
Карбанионы, по-видимому, проще всего рассматривать как сопряжейные основания соответствующих С — Н-кислот*, которые можно определить как органические вещества, способные под действием основания отдавать протон этому основанию с разрывом С — Н-связи. Это определение основано на рассмотрении одной из наиболее важных химических реакций — отщепления протона от углеродного атома. Поскольку известны реакции отщепления протонов от насыщенных углеводородов и так как большинство органических веществ содержит С — Н-связи, то все эти вещества являются потенциальными С — Н-кислотами. Удобство данного определения в том, что оно позволяет классифицировать самые разнообразные органические соединения по их кислотности, которая, в свою очередь, связана с основностью соответствующих сопряженных оснований, а следовательно, с устойчивостью карбанионов.
Кислотность С — Н-кислот можно рассматривать в термодинамическом и кинетическом аспектах. Термодинамическая кислотность определяется положением равновесия между кислотами и сопряженными основаниями, кинетическая кислотность — скоростью отщепления протона от кислот под действием оснований. Теория кислот и оснований была развита в основном в применении к кислородсодержащим кислотам (О — Н-кислотам) и основаниям. Скорости переноса протона в этом случае настолько велики, что их удалось измерить только в 50—60-х годах с применением новейшей техники. Поэтому понятие кинетической кислотности чаще всего применяется для случая С — Н-кислот, поскольку скорость, с которой они отдают протон основанию, часто может быть легко измерена.
В первых разделах настоящей главы рассмотрена термодинамическая и кинетическая кислотность С — Н-кислот и их взаимосвязь, в последующих — их зависимость от строения соединения и от среды.
* Термин «С — Н-кислота» принят для обозначения соединений любого класса, в принципе способных к диссоциации с разрывом С — Н-связи (carbon acid). Аналогично будут применяться термины «О — Н-кпслота» (oxygen acid) и «N — Н-кислота» (nitrogen acid).— Прим, перев.
10
Гл. I. С — П-кислоты,
ШКАЛА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ КИСЛОТНОСТИ
В классической работе Конанта и Виланда [1] ряд слабых С — Н-кислот был размещен в шкале кислотности, которая была расширена и уточнена впоследствии Мак-Ивеном [2]. Несмотря на все недостатки, шкала Мак-Ивена сохранила свое значение до сих пор и послужила отправной точкой для других исследователей.
В этих работах изучалось равновесие калиевых или натриевых солей С — Н-кислот, полученных в эфирной среде, с другими С — Н-кислотами. Константы равновесия между двумя солями и двумя кислотами определяли колориметрически по разнице в окраске двух солей. Чаще всего изменение окраски происходило очень быстро, но иногда, особенно в случае натриевых солей слабых С — Н-кислот, требовались недели для установления равновесия. Авторы предположили, что пара С — Н-кислот различается на две единицы рАа в том случае, если при реакции соли с кислотой в условиях отсутствия избытка последней металлирование протекает на 90% (по визуальному определению). Если же при использовании пятикратного избытка кислоты перенос протона, оцениваемый по изменению окраски в условиях равновесия, происходит на 90%, то считается, что эта пара различается на 0,4 единицы рАа.
Уравнение (1) относится к равновесию реакции металлирования, а уравнения (2) и (3) — к диссоциации двух солей С — Н-кислот. Авторы предположили, что К и К', константы равновесия для реакции (2) и (3), примерно равны, поскольку ранее было показано [За], что в растворе пиридина электропроводность солей ряда производных триарилметана различной кислотности примерно одинакова. Приняв эти допущения и используя обычное определение для рАа, можно написать уравнения (4) и (5), причем последнее связывает разницу в величине рАа для пары кислот с визуальным изменением окраски при установлении равновесия реакции металлирования. Недавно было показано [36], что при комнатной температуре в растворе тетрагидрофурана натриевая и цезиевая соли флуорена существуют в виде неразделенных ионных нар со сложным спектром в видимой и ультрафиолетовой областях. В то же время литиевая соль при 25° или натриевая при —80° существует в основном в виде разъединенных молекулами растворителя ионных пар, имеющих те же спектры в видимой области, как и неразделенные ионные пары, но заметно отличающихся по УФ-спектрам. Измерения электропроводности показали, что при этом имеется лишь незначительное количество сполна диссоциированного вещества. Из этих данных следует, что изменение окраски, которое было использовано Мак-Ивеном для установления шкалы кислотности, связано с образованием ионных
Шкала термодинамической кислотности
11
пар, а не диссоциированных ионов, и, следовательно, правильнее применять при этом уравнение (5).
Эфир, N2
(1)	RH + R'M с RM + R'H
К
(2)	R'M R'“+M+
(3)
(4)	рКа-рКа
(5)	pKa-VKa
К'
RM R"+M+
=-ig l«l+ig152L a g [RH]+‘g [R H] I . [RM] . [R'M] ДЛЯ Равновесия
= lg [RH] +lg [R'H] J
Были сравнены между собой различные пары С — Н-кислот, причем, перекрестную проверку проводили сопоставлением разницы в величине рКа для наборов С — Н-кислот, отличающихся друг от друга на одну или две единицы рКа. Дополнительной, хотя и грубой проверкой правильности шкалы явились данные по реакции карбонизации. При этом положение равновесия между двумя С — Н-кислотами и соответствующими солями металлов оценивалось по соотношению количества карбоновых кислот, образующихся при карбонизации равновесной смеси, причем принималось, что отношение количеств двух выделенных кислот соответствует отношению концентраций двух солей в равновесии. Иначе говоря, авторы предполагали, что к2 и к3 > ki и k-i в уравнении (6).
(6)	RH + R'M	RM + R'H
h-1
СО2 I &2 GO2 I Лз
R'COOM RCOOM <	-	-j
Выходы 40 — 70%
Использование совокупности этих методов дало возможность получить согласующиеся данные относительно различия в величине рКа для С — Н-кислот.
Эти два метода позволили связать рКа различных С — Н-кислот между собой, а с помощью третьего метода удалось их связать с рКа О — Н-кислот. Углы вращения бензольных растворов ментола и ментилата натрия сильно различаются и легко определимы. С помощью поляриметрии удалось определить положение равновесия [уравнение (7) 1 между ментилатом натрия и различными С — Н- и О — Н-кислотами, с одной стороны, и ментолом
12
Гл. I. С — И-кислоты
и натриевыми солями С - Н- и О - Н-кислот, с другой.
(7)	|	+ROH(RH) -2^2» |	| +ROH(RNa)
X|/xONa
Таким способом удалось связать между собой кислотность О — Н- иС — Н-кислот (а также некоторых N — Н-кислот) и построить общую шкалу от метанола до кумола. Для рКа метанола принято значение 16 [4]. Мак-Ивен [2] специально указал, что для кислот с рКа 18—37 приведенные значения являются минимальными из-за допущений, сделанных при колориметрическом определении. В табл. 1 приведены структуры и найденные Мак-Ивеном рКа для кислот.
Другая шкала термодинамической кислотности была разработана Стрейтвизером с сотрудниками [5]. Эти авторы измеряли константы равновесия между циклогексиламидом лития или цезия и С — Н-кислотой, с одной стороны, и циклогексиламином и литиевой или цезиевой солью С — Н-кислоты, с другой, в растворе циклогексиламина [уравнение (8)]*
- + к - +
(8)	RH + if-C6HnNHM RM+if-C6H11NH2
Концентрации окрашенных солей С — Н-кислот определяли спектроскопически. Значения рКа С — Н-кислот устанавливали по отношению к 9-фенилфлуорену, для которого по данным Лэнгфорда и Барвелла [6] рКа в водном тетраметиленсульфоне (сульфолане) равно 18,5. Спектры солей С — Н-кислот при переходе от литиевой соли к соли цезия для всех изученных веществ за исключением ди- и трифенилметана изменяются очень незначительно (сдвиг на 0—10 ммк в сторону коротких волн). Эта нечувствительность спектров к природе катиона надежно указывает на то, что ковалентная связь в этих солях между углеродом и металлом осуществляется в очень слабой степени. В табл. 2 приведены значения $Ка.
Четыре вещества, а именно флуорен, п-бифенилдифенилметан, трифенилметан и дифенил метан, имеются в обеих шкалах. Различие в значениях рКа в этих шкалах для флуорена составляет две, а для других — менее одной единицы. Такая близость значений поразительна, особенно если учесть, что для составления этих шкал использовали разные основания, растворители и стандартные вещества.
* Для обозначения цикло- в настоящей книге всюду используется ц.
Шкала термодинамической кислотности
13
Шкала кислотности по Мак-Ивену
Таблица 1
Соединение		Соединение	Р^а
СН3ОН	16	СвН5С = сн	21
	16,5	со	21
н			
СвН5СН2ОН	18	(C6H5)2NH	23
С2н5он	18	н н	
(СвН5)2СНОН	18		25
(СН3)2С1ЮП	18	1 IUI 1	
(СвП5)3СОН	19		
(СН3)3СОН	19	\/ \М	
С2Н5(СН3)2СОН	19	CeHsNH2	27
		n-CH3C6H4NH2	27
/\		n-CH3OCeH4NH2	27
Х|/ХОН	19	/\/\/\ НМ 1	29
			
С6Н5СОСН3 свн5 н	19	С6н5 н	
		У\/\/Ч	29
rtn	21	II 1	
\/			31
(z-CiqHj Н		n-CeH5CeH4(CeH5)2CH	
		(СвН5)3СН	32,5
	21	а-С10Н7(СвН5)2СН	34
П0/ч1		(СвН5)2СН2	35
Ч/		(СвН5)2С=СНСН3	36
		СвН5(СН3)2СН	37
Недостаток этих шкал состоит в том, что они совершенно не распространяются на насыщенные углеводороды. Решение этой проблемы наталкивается на серьезные экспериментальные трудности. Были изучены два метода подхода к этому вопросу. Один из них, разработанный Эпплквистом и О’ Брайеном [7а], состоит в измерении константы равновесия между различными алкил-, алкенил- и ариллитиевыми производными и подходящими иодида-
14
Гл. 1. С — И-кислоты
Таблица 2
Шкала кислотности по Стрейтвизеру
Соединение
Р*а
Соединение
Р*а
18,5
19,4
20,0
22,6
22,9
Н Н
(СвН5)2С—сн=снсвн5 н свн5
\/\/\/
СНз СН3 н
п-свн5свн4с(свн5)2
(СвН5)3СН (СвН5)2СН2
23,2
26,5
29,0
31,2
32,5
34,1
ми в эфире и в смесях эфир — пентан [уравнение (9)].
(9)
RLi + R'I 7^ RI + R'Li ^яабл=
Следует отметить, что значение констант равновесия очень мало меняется (примерно в три раза) при изменении состава растворителя. Хотя состояние и способ агрегации молекул, вероятно, могут оказывать влияние на 7ГНабл, но ряд факторов указывает на незначительность этого эффекта. К ним относятся: 1) хотя ско
Шкала термодинамической кислотности
15
рость установления равновесия очень сильно зависит от растворителя, величина 7£Набл меняется при этом очень мало; 2) значение 7Гнабл остается неизменным при 13,7-кратном изменении общей концентрации RLi для случая равновесия этил- и пропил литиевых производных; 3) при определении А’дабл из равновесия пропил-лития и смеси йодистого этила и йодистого изобутила получены значения, близкие к 7ГНабл> определенным для равновесия каждой из этих двух систем отдельно. Значения А^абл приведены в табл. 3.
Таблица 3
Константы равновесия при —70° для реакции ^наб л
RLi + R'I— Zt RI + R'Li
R'	R	Растворитель	
		эфир	40% эфира — 60% пентана
сн2=сн	свн5	258±11	—
с6н5	ч-с3н5	9,55±0,46	—
	с2н5	—	333±23
с2н5	н-С3Н7	2,38±0,20	2,56±0,10
«-C3H7	(СН3)2СНСН2	5,11±0,28»	5,45±6,22
(СН3)2СНСН2	(СН3)3ССН2	7,49±0,28б	—
(СН3)2СНСН2	Ц-С4Н7	—	35,3±3,5
(СН3)3ССН2	Ч-С4Н7	—	5,10±0,11
4-C4H7	t|-C5II9	—	5,82±1,22
а В пентане при — 23°, Кнабл = 7,77±0,22.
б В пентане при — 23°, -Кнабл = 21,59±1,47.
Для сопоставления авторы [7а 1 перешли от 7Гнабл к константам равновесия, отнесенным к стандартному иодиду, в качестве которого они избрали подпетый фенил. В табл. 4 приведены логарифмы рассчитанных таким образом констант Яф.
Другой подход к проблеме кислотности очень слабых С — Н-кислот был использован Сэлинджером и Десси [76, в], которые определяли приблизительные константы равновесия для реакций различных диалкил-, диалкенил- и диарилмагниевых и ртутных производных друг с другом в тетрагидрофуране при 25° В табл. 5 приведены относительные значения констант равновесия этих реакций и их логарифмы, а также значения —1g К<р, взятые из табл. 4.
16
Гл. I. С — Н-кислоты
Таблица 4
Значения 1g где Кф— константа равновесия реакции RLi+C6H5I RI+C6H5Li
R		R	18
сн2=сн	—2,41	(СН3)2СНСН2	4,6
с6н5	0,00	(СН3)3ССН2	5,5
^СзН5	0,98	Ч-С4Н7	6,1
с2н5	3,5		6,9
н-С3Н7	3,9		
Последние две колонки табл. 5 позволяют сравнить между собой результаты, полученные при использовании двух разных методов (Эпплквиста и Десси) для решения проблемы определения относительной стабильности анионов, образующихся из слабых С — Н-кислот. В шкале Десси для этильной и фенильной групп Alg К = —4, а в шкале Эпплквиста эта величина равна —3,5. В обоих шкалах для циклопропильной и фенильной групп
Таблица 5
Относительные значения логарифмов констант равновесия для реакции перераспределения углеводородный остаток —металл в тетрагидрофуране при 25° в сравнении с —1g Кф из табл. 4
к
RMg- + R'Hg— T^R'Mg—l-RIIg—
R	Относительные значения		Значения -18
	К	1g к	
(СН3)2СН	~10“б	-6	—
с2н5	— 10-4	—4	—3,5
сн3	10-2	—2	—
ц-С3Н3	0,13	-0,9	-1,0
сн2=сн	0,30	—0,5	2,4
свн5	1,0	0	0
сн2=сн—сн2	1,70	0,2	—
СвН5СН2	3,70	0,4	—
Корреляция термодинамической и кинетической кислотности
17
AlgK ~ — 1. Близость этих двух наборов значений Alg К позволяет предполагать возможность такого же соответствия для значений Alg К и Др/Са соответствующих С — Н-кислот. Все величины AlgAT в обоих шкалах кажутся вполне приемлемыми, за исключением значения 2,4 для винильной группы в сравнении с фенильной в шкале Эпплквиста. Соответствующая величина в шкале Десси равна —0,5, и это значение кажется гораздо более вероятным.
Вышеприведенные данные являются в настоящее время наилучшими количественными характеристиками, пригодными для сопоставления устойчивости и строения карбанионов высокой реакционной способности.
КОРРЕЛЯЦИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ И КИНЕТИЧЕСКОЙ КИСЛОТНОСТИ
Скорость отрыва протона от углерода (кинетическая кислотность) может быть измерена несколько легче, чем константы равновесия. Для этого наиболее широко используется метод катализируемого основанием изотопного обмена между С — Н-кислотой и О — Н- или N — Н-кислотами в какой-либо среде. Для многих более сильных С — Н-кислот образование карбаниона является лимитирующей стадией, как, например, при бромировании кетонов, нитроалканов и подобных соединений. В этом случае скорость образования аниона определяют по легко измеряемой скорости исчезновения брома.
Возникает вопрос о том, как связаны между собой кинетическая и термодинамическая кислотности, и этот вопрос рассмотрен в настоящем разделе.
Связь между термодинамической и кинетической кислотностью была гораздо подробнее изучена для О — Н-кислот, чем для С — Н-кислот. Согласно уравнению Бренстеда [уравнение (10)], существует линейная зависимость между 1g kA (константа скорости кинетического процесса переноса протона) и lg/f4 (КА — константа диссоциации кислоты). Параметры аа и GA являются константами, характеристичными для данного рода реакций; а — положительна и меньше единицы [8], если кА и КА измерены в одной и той же системе растворитель — основание.
(Ю)	lg kA = аа 1g КА + 1g Ga
Хорошая линейная зависимость по Бренстеду наблюдается лишь для случая О — Н-кислот близкой структуры при изменении рКа в пределах нескольких единиц. Различие в стерических факторах (стерические препятствия для сольватации и резонанса) и резонансных эффектах для разных кислот не позволяет 2-539
18
Гл. I. С — И-кислоты
нанести на одну и ту же прямую Бренстеда данные для широкого круга О —Н-кислот [81. Можно ожидать, что эти ограничения для применимости уравнения Бренстеда к О — Н-кислотам окажутся еще более серьезными для С — Н-кислот, поскольку в последнем случае имеется большая возможность для структурных вариаций.
Наиболее исчерпывающая попытка корреляции термодинамической и кинетической кислотности С — Н-кислот была предпринята Пирсоном и Диллоном [9]. Эти авторы собрали и сопоставили
данные, относящиеся к взаимосвязи между кЛ и Ка для переноса протона от С — Н-кислот к воде при 25° [уравнение (11)1 для случая веществ, кислотность которых определялась наличием по меньшей мере одного (обычно нескольких) ацидифицирующего заместителя.
।	Л I	Л1
(И)	-с-н + н2о х -с- + н3о+ ка=£-
I	Л-1 I	1
Было изучено влияние следующих заместителей: карбонильная группа кетонов, карбэтокси-, нитро-, галоген-, циан- и трифторметильная группы, а также фенил, метил и водород. Найденные значения Ка (константы равновесия диссоциации) лежат в пределах 10-20—10-5, а значения kt (скорость диссоциации) — в пределах I—Ю”10. Эти данные приведены в табл. 6.
Зависимость 1g к} от —1g Ка для этих соединений представляет прямую линию с наклоном 0,6 [91 (рис. 1). Из графика видно, что
Таблица 6
Константы скорости и равновесия С—Н-кислот в воде при 25°
Номер	Соединение	Kaa	Л1, сек-1	fe-i, л • л/оль-1 • сек-1
1	CH2(NO2)2	2,7-10-4	0,83	3,1-103
2	ch3coch2cocf3	2-10-5	1,5-10-2	7,5-102
3	ch3coch2no2	8,0-10-6	3,7-10-2	3,8-103
4	c2h5oocch2no2	1,5-10-e	6,3-Ю-з	4,1-Ю3
5	COCH2COCF3	8,0-10-7	1,0-10-2	1,2-104
				
6	C6H5COCH2COCF3	l,5.10-7	8,3-10-3	5,5-104
7	CH3COCHBrCOCH3	МО"7	2,3-10-2	1,7-105
8	c2h5no2	2,5-10-9	3,7-10-8	1,5-101
9	CH3COCH2COCH3	1,0-10-9	1,7-10-2	1,7-107
10	CH3NO2	6,1-10-11	4,3-10-8	6,8-102
И	<^cooc2h5	3,0.10-и	2,3-Ю-з	8,3-107
	0			
12	CH3COCH2COOC2H5	2,1-10-n	1,2-Ю-з	5,8-107
13	CH3COCH(CH3)COCH3	1,0-10-u	8,3-10’5	8,3-106
14	CH2(CN)2 z\'	6,5-10-12	1,5-10-2	2,3-10»
15	^J__COOC2H5	3,0-10-12	9,7-10-e	3,3-106
	II			
	0			
16	CH3COCH(C2H5)COOC2H5	2.IO-13	7,5-10-6	3,8-107
17	CH2(COOC2H5)2	5-10-14	2,5-10*5	5-108
18	CH3COCHC12	10-15	7,3-10-7	6,7-108
19	C2H5CH(COOC2H5)2	10-15	3,3-10-7	3,3-108
20	CH3COCH2C1	3-10-17	5,5-10-8	1,7-109
21	CH3COCH3	Ю-20	4,7-10-ю	5-10Ю
а Суммарные константы диссоциации без у«ета содержания енола.
2
20
Гл. I. С Н-кислоты.
корреляция довольно груба и имеется значительный разброс. Простые нитросоединения, а также замещенные нитросоединения и трифторметильные дикетоны, если учесть их кислотность, поразительно медленно ионизируются. В карбанионах этих С — 11-кислот заряд в значительной степени локализовав на более электроотрицательных атомах. В результате этого и отрыв и присоединение протона по углероду протекает медленнее, чем в случае С — Н-кислот, в карбанионах которых заряд в большей степени сосредоточен на углероде. С другой стороны, цианпроизводные ионизируются быстрее, а соответствующие карбанионы быстрее присоединяют протон, чем этого следовало ожидать из величины константы диссоциации. В этом случае, вероятно, заряд менее делокализован, чем в случае карбанионов, стабилизируемых карбонильными заместителями, а именно значения, полученные для карбоксилсодержащих производных, определяют положение прямой линии.
Скорости диссоциации некоторых более слабых С — Н-кислот были оценены по скорости обмена водород — дейтерий, катализируемого основаниями [9]. При этом предполагали, что величина отношения &н2о/&он- для этих соединений такая же, как для ацетона. Тогда, если учесть данные рис. 1, можно оценить значения Ка для этих С — Н-кислот (табл. 7).
Таблица 1
Константы скорости и равновесия слабых С—Н-кислот в воде при 25°
Соединение	к а	Л1, сек-1
CH3SO2CH3	10-23	3,3-10-8
СН3СООН	10-24	3,3-10-»
CHoCN	10-25	6,7-10-ю
ch3conh2	10-25	3,3-10-8
Суммируя вышеприведенные данные, можно расположить заместители в ряд по их способности ацидифицировать С — Н-связь: NO2 > СО > SO2 > СООН > COOR > CN ~ CONH2 > X >
>> Н > R. Этот ряд отличается от нижеследующего ряда, характеризующего способность заместителей ацидифицировать О — Н-связь: SO2 > NO2 > СООН cs CN > СО > X [9].
Величина ацидифицирующего действия нескольких заместителей у одного и того же атома углерода не является аддитивной, причем отклонение от аддитивности наибольшее для самого силь
Корреляция термо ди намической и кинетической кислотности 21
ного заместителя — нитрогруппы. Вероятная причина этого — невозможность копланарного расположения всех атомов в анионе (по стерическим причинам). Соответствующие данные приведены в табл. 8.
Таблица 8
Влияние нескольких заместителей на кислотность С—Н-связи [9]
Соединение	p'fa	Соединение	
ch3no2	11	CH3COCH3	20
CH2(NO2)2	4	CH2(COCH3)2	9
CH(NO2)3	0	CH(COCH3)3	6
CH3SO2CII3	23	CH3CN	25
C1I2(SO2CII3)2	14	CH2(CN)2	12
CH(SO2CH3)3	0	CH(CN)3	0
В табл. 6 приведены также рассчитанные величины констант скорости для реакции второго порядка (fc-i) — реакции карбаниона с ионом гидроксония. Для самой слабой кислоты, ацетона (рАд = 20), константа скорости рекомбинации равна 5 • 1010 л • моль'1 - сек'1, а для более сильных кислот эта величина уменьшается. Приведенная величина для ацетона лежит в области величин скоростей рекомбинации ионов, определяемых скоростью диффузии, 1 • 1011 л-моль"1 -сек"1 [10] и близка по значению к измеренным Эйгеном 111 J константам скорости переноса протона от положительно заряженных кислот к отрицательно заряженным основаниям.
Вышеприведенные данные показывают, что линейная корреляция между термодинамической и кинетической кислотностью типа уравнения, связывающего логарифм константы скорости с изменением свободной энергии, если и соблюдается, то плохо для С — Н-кислот с рКа от 4 до 20. Согласно Беллу [86], корреляция для С — Н-, О — Н- и N — Н-кислот полностью отсутствует. Так, четыре кислоты, приведенные в табл. 9, имеют близкие рКа в воде (9—10), но их скорости диссоциации различаются примерно в 108 раз.
Другие интересные данные по корреляции между константЬй скорости и константой равновесия С — Н-кислот были получены Десси с сотрудниками [12]. Эти авторы измеряли скорость обмена водород — дейтерий для реакций циклопентадиена, ацетофенона, фенил ацетилена и флуорена с тяжелой водой, катализируемых 1 М раствором триэтиламина в диметилформамиде. Константы
22
Гл. I. С — Н-кислоты
Таблица 9
Сравнение р/<„ н констант скорости диссоциации (Ztj) С — Н-. О- Н- и N — Н-кислот [8о]
Кислота	ряо	ig
Нитрометан	10,2	-7,4
Бензоилацетон	9,6	-2,1
Ион триметиламмония	9,8	+ 1,1
Борная кислота	9,1	+ 1,0
скорости были исправлены с учетом статистического фактора (разделены на число атомов водорода, способных к обмену) и были рассчитаны относительные константы скоростей (по отношению к константе скорости фенил ацетилена).
Для рКа циклопентадиена принято значение 14—15 [12] на том основании, что метилат натрия способен металлировать циклопентадиен в растворе метанола, а фенолят натрия не способен. Металлирование (или по крайней мере образование карбаниона) оцределяли по карбоксилированию соли с образованием циклопентадиенкарбоновой кислоты. Эта величина рКа в сочетании с рЯ, определенными Мак-Ивеном (см. предыдущий раздел), послужили основанием для корреляции, показанной в табл. 10 [12]. В третьей графе таблицы приведены данные, полученные Шатенштей-ном и сотрудниками [13], изучавшими скорость обмена большого числа органических соединений с жидким дейтерированным аммиаком. Для корреляции в этом случае были избраны инден, флуорен, трифенилметан и дифенилметан. Соответствующие данные приведены в табл. 10.
Зависимость 1g к от рКа представляет собой прямую линию с наклоном около 0,4, согласно результатам обеих групп авторов [121. Кинетические данные для ацетофенона в жидком аммиаке не были включены в рассмотрение, поскольку в этом случае возможно образование имина, что, по-видимому, обусловливает меньшее, чем ожидалось, значение константы скорости.
Вполне возможно, что упомянутая линейная корреляция отражает постоянство величины скорости рекомбинации различных карбанионов с протоном при наличии одной и той же среды — донора протонов, причем эта величина контролируется скоростью диффузии. Действительно, если в уравнении (12) значение fc-j постоянно, то Ка = константа х A‘i, и тогда очевидна цричина линейности. Тот факт, что наклон кривой отличается от
Корреляция термодинамической и кинетической кислотности 23
Таблица 10
Корреляция кинетической и термодинамической кислотности [121
Соединение	ркаа	k, сек-1	
		при 44° в (CH3)2NCHO 6	при 120° в ND3 в
Циклопентадиеп	14—15	1,1-10-2	—
Ацетофенон	19	2,2-10-4	4-Ю-з
Фенилацетилен	21	6,6-10-5	—
Инден	21	—	4-10-1
Флуорен	25	2,2-10-6	2-10-2
Трифенил метан	33	—	2-10-7
Дифенилметан	35	—	7-Ю-з
а Мак-Ивен [2а] и Мортон [26].
6 1Мв (C2H8)SN [12].
в Шатенштейн [13].
единицы, можно объяснить тем, что Ка и измеряли не в одной и той же среде.
I	I
(12)	— С — Н + :В 7^ — С- + НВ Ка = к^к^
I	fe-i i
Для того чтобы скорость рекомбинации стабилизированного резонансом карбаниона с протоном контролировалась скоростью диффузии, необходимо, чтобы донор протона являлся более сильной кислотой, чем образующаяся С — Н-кислота 114]. Это условие должно выполняться для всех соединений (кроме циклопентадиена), изученных Десси, но его нельзя применять для соединений, изученных Шатенштейном. Согласно шкале Мак-Ивена [146], для аммиака рЯа равно 36, что сравнимо с рКа для дифе-нилметана.
Другой метод корреляции разработан Стрейтвизером [15]. Он принял, что для плоской молекулы ненасыщенного углеводорода, содержащего С — Н-связи, ацидифицированные ненасыщенной системой, термодинамическая кислотность пропорциональна разнице в энергиях л-делокализации (&Еп) между карбанионом 1(£'л)а{_] и исходным углеводородом [(£л)ан.1 [уравнение (13)]. Он далее предположил, что 1) применима простая теория молекулярных орбиталей (МО); 2) величина 0 (резонансный интеграл) в уравнении (13) является варьируемым параметром, но одним
24
Гл. 1. С — Yt-кислопил
и тем же при переходе от одной системы к другой; 3) энергии н-связей С — Ни сольватации близки для всех рассматриваемых систем; 4) величины напряжения для каждого углеводорода и соответствующего аниона сравнимы.
(13)	— (^л)а^ (^л)ан- = 2ct-j- AMJS,
где а — кулоновский интеграл теории МО, 0 — резонансный интеграл теории МО.
Уравнение (14) связывает рКа углеводородов с рассчитываемой ДМ/, причем а — отрезок, отсекаемый по оси абсцисс, а b — наклон прямой, определяемый эмпирически.
(14)	pKi = a-\-b^Mt
Для трех плоских С — Н-кислот — толуола, флуорена и индена — зависимость рКа (значения Мак-Ивена) [2] от рассчитанных значений ДМ представляет прямую линию. Определенные из этого графика величины наклона прямой (6) и отрезка (а), отсекаемого по оси абсцисс, позволили написать уравнение
(15)	р7Са = 48 —15,5АМ
Величина а = 48 для отсекаемого отрезка может считаться как рКа для метана, поскольку все рассматриваемые вещества являются производными метана, а для него ДМ = 0. Используя эти значения а я b и величины ДМ, которые могут быть рассчитаны для других плоских углеводородов, можно оценить величину р/£а для других плоских углеводородов. Эти данные приведены в табл. И, где также указаны экспериментальные величины в тех случаях, когда они имелись. Данные для рЯа (эксп.) для цикло-гептатриена взяты из работы Добена и Рифи [16], а для циклопентадиена — из работы Десси и сотрудников [12].
Недавно Стрейтвизер и сотрудники [17] измерили скорость обмена между циклогексиламином (растворитель) и дейтерированными арилметанами, катализируемого циклогексил амид ом лития. Они также рассчитали значения ДМ/ в уравнении (16) для того, чтобы установить наличие корреляции между ДМ/ и найденными скоростями изотопного обмена. Для четырех соединений, приведенных в табл. 12, была найдена линейная корреляция типа уравнения (17), где к0 — константа скорости обмена дейтерированного толуола, а к[ — константы скоростей обмена для других углеводородов при 49,9°.
(16)	Д£л (ArCH2D) = Ел (АгСЫг) — £л (АгН) = 2а + ДМ / р,
(17)	Iglki/k^a + bbMt
М124-АгСН2 — D
49,9°
->
NHD-|-ArCH2 —Н
Таблица 11 рКа для плоских углеводородов, рассчитанные на основании энергий делокализации, вычисленных по теории МО
Соединение	дм	р/<а (эксп.)	рКа (вычисл.)
Н	2,411	—	11
	2,225	—	14
	2,115	-11	15
х /ч	2,000	-15	17
н	1,964	—	18
н\хн ОС/	1,747	21	—
26
Гл. I. С — Н-кислоты.
П родолжение табл. 11
Соединение	дм	рКа (экон.)	р/<а (вычпсл.)
и\/н ^\/\/\ IJU 1 Ч/ н\<^н о	1,523	25	—
	1,110	36	31
Н 1 н-с—н Qi	0,721	37	—
сн4	0,000	—	~48
Таблица 12
Реакционная способность анионов арилметанов
Аг в АгСЩО	fei/feoa	ДМ£
Фенил	1,0	0,721
2-Нафтил	7,4	0,744
З-Фенантрил	14	0,754
2-Антрацил	31	0,769
а /<о для СбНбСНоГ).
Для того чтобы можно было сопоставить кинетическую кислотность очень слабых и гораздо более сильных С — Н-кислот, Стрейт визер и сотрудники [18] измерили скорость обмена водород — тритий между рядом углеводородов и циклогексиламином, катализируемого циклогексиламидом лития или цезия. В табл. 13 приведены относительные скорости обмена для разных углеводородов, причем за единицу принята скорость обмена для бензола-/
Корреляция термодинамической и кинетической кислотности 27
Таблица 13
Скорость обмена между тритированными углеводородами и цик.югексилампном. ката.шзпруемого циклогекси^амндом лития пли цезия (за единицу принята скорость обмена для бензола-2)
Соединение	LiNHCeHn-u		CsNHC6Hii-u	
	25°	50°	25°	50°
Трифенилме-	1,2-105	—	—	—
та н-а-£				
Дифенилметан-а-/	2,9-104	—		—
Толуол-а-/	1,1-102	—	—	—
Бензол-/	1,0	—	—	—
Кумола/	—	0,84	1,34	—
Толуол-3-/	—	0,54	0,57	—
Толуол-4-/	—	0,46	0,48	—
2-Фени лб у та н- 2-/	—	0,31	0,39	0,43
Тришицен-а-/	—	—	0,24	—
Толуол-2-/	—	0,12	0,20	—
Циклопропан-/	—	—	—	10 -3 а
Циклобутан-/	—	—	—	Ю-6 а
Циклогексан-/	—		—	1,1-10-8
а Частное сообщение А. Стройгвизера, данные.
предварительные
Данные табл. 13 позволяют выявить ряд интересных закономерностей [18]. Переход от иона цезия к иону лития очень мало влияет на скорость обмена (уместно вспомнить, что УФ-спектры литиевых и цезиевых солей С — Н-кислот очень сходны [5]). Если пренебречь различием в природе катионов и разницей температур в 25°, то в целом скорость обмена изменяется в 1013 раз, причем в данном ряду кинетическая кислотность будет наименьшей для циклогексана и наибольшей — для трифенилметана. Введение двух метильных групп в молекулу толуола (переход к кумолу) снижает скорость обмена примерно в 102 раз. Скорость обмена трифенилметана в 5-105 раз превышает скорость обмена для трип-тицена. Поскольку бензольные кольца в анионе триптицена не могут принимать участия в делокализации заряда (из-за ограничений, связанных с наличием бициклической системы), то ациди-фицирующее действие фенильного остатка на а-водородный атом, по-видимому, следует связывать с индуктивным эффектом 118].
В шкале кислотности Мак-Ивена [2а] ДрАа для пары кумол — трифенилметан составляет 4,5. Если распространить соответствие
28
Гл. 7. С — \\-кислоты
между шкалой Мак-Ивена и Стрейтвизера до кумола, то тогда в шкале последнего кумол будет иметь рКа около 37. Далее, поскольку увеличение на 4,5 в величине рКа приводит к уменьшению приблизительно в 105 раз относительной скорости обмена, то, следовательно, увеличению на 1 единицу рКа должно соответствовать уменьшение относительной скорости обмена несколько большее, чем в 10 раз. Если принять, что это отношение справедливо для всей области от трифенилметана до циклогексана, то тогда по шкале Стрейтвизера бензол должен иметь рКа около 37, а циклогексан — 45. Используя данные по равновесию, полученные Эпплквистом[7] для оценки различия в рКа между бензолом и циклопентаном, получим, что АрЛ'д около 7 и, следовательно, для циклопентана рКа = 44 по шкале Стрейтвизера. Близкие значения для рКа циклогексана и циклопентана, полученные двумя разными методами, указывают на достоверность общего хода рассуждений. Применение таких же методов к данным для насыщенных углеводородов, полученным Стрейтвизером, Эпплквистом и Десси,
Таблица 14
Шкала рйГа Мак-Ивена — Стрейтвизера — Эпплквиста — Десси (МСЭД)
Соединен	Р*а	Соединение	рко
Флуораден	И	Этилен 6	36,5
Цикл о пента диен	15	Бензол	37
9-Фенил фл уорен	18,5	Кумол (а-положение)	37
Инден	18,5	Триптицен (а-поло-	38
Фенилацетилен	18,5	жепие)	
Флуорен	22,9	Циклопропан	39
Ацетилен а	25	Метан	40
1, 3, З-Трифенилпро-	26,5	Этан	42
пен		Циклобутан	43
Трифенилметан	32,5	Неопентан	44
Толуол (а-положе-	35	Пропан (втор-поло-	44
ние)		жение)	
Пропен (а-положе-	35,5	Циклопентан	44
ние)		Циклогексан	45
Циклогептатриен	36		
а По данным Вудинга и Хиггинсона [146], приведенным к шкала МСЭД.
6 С. Миллер и В. Ли [J. Am. Chem. Soc., 81, 6313 (1959)] для верхнего предела значений рКа для 1,2-дигалоидэти ленов дают величину 34—36.
Кинетическая кислотность слабых С — Н-кислот
29
приводит к набору величин рКа, для которого характерна внутренняя согласованность. Это дает возможность составить следующую объединенную шкалу значений рКа (табл. 14; в качестве стандарта выбран 9-фенилфлуорен с рКа — 18,5), которая в дальнейшем будет называться шкалой Мак-Ивена — Стрейтвизера — Эпплквиста — Десси (МСЭД). Несомненно, что последующая работа приведет к модификации этой шкалы, особенно в ее верхней части.
По шкале МСЭД для метана рКа = 40. Существует еще два .значения рКа для метана. Пирсон и Диллон [9], рассматривая влияние на величину рКа последовательного замещения водородов в метане на нитро-, ацетил-, сульфо- или циангруппу, дают для метана рКа = 40. С другой стороны, Бэлл [86] уточнил аргу ментацию, выдвинутую Шварценбахом [19], который предположил справедливость уравнения (18)
<18)
Это уравнение основано на предположении, что энергии всех связей равны. Если же сделать поправку на различие в энергии связей [86] и принять для аммиака рКа = 35 [86 ], то тогда для метана значение рКа будет равно примерно 58.
КИНЕТИЧЕСКАЯ КИСЛОТНОСТЬ
СЛАБЫХ С - Н-КИСЛОТ
Принципиально новые данные Шатенштейна и сотрудников 120] по изотопному обмену между дейтерированным аммиаком и насыщенными и ненасыщенными углеводородами, катализируемому амидом калия, привели к представлению о том, что даже насыщенные углеводороды могут рассматриваться как кислоты. В табл. 15 приведены данные по обмену для изопентана, гексана,
Таблица 15
Обмен водород—дейтерий насыщенных углеводородов с дейтерированным жидким аммиаком при 120°
Углеводород	Концентрация	Время, час	Количество обмениваемых протонов
Изопентан	1,0	330	3,3
н-Гептан	1,0	500	3,0
Циклопентан	3,0	1300	3,4
Циклогексан	0,8	180	0,7
30
Гл. I. С — Н-кислоты,
циклопентана и циклогексана [21]. Из-за ограниченной растворимости углеводородов необходимо было проводить эти реакции в гетерогенных условиях. Тем не менее полученные результаты показывают, что насыщенные углеводороды могут вести себя как доноры протонов, а кислотная подвижность, по-видимому, зависит от степени замещения у данного атома углерода другими радикалами. Последний вывод подтверждается результатами опыта, проведенного в условиях нагревания при 120° в течение 100 час в 1 н. растворе амида калия в жидком аммиаке. При этом изобутан, содержащий дейтерий в метильных группах, теряет 50% дейтерия, но обмен совершенно не происходит, если дейтерий содержался у метинового атома углерода исходного изобутана. Очевидно, что метильные водороды более «кислые», чем метино-вые, а из данных табл. 15 следует, что метильные водороды также более «кислы», чем метиленовые.
Молекулярный водород является на много порядков более «кислым» (кинетически), чем любой из вышеупомянутых насыщенных углеводородов [22]. Так, в системе жидкий аммиак —амид калия при —53° растворенный газообразный дейтерий образует HD со скоростью к = 81 л-моль"1-сек"1. Эта величина сравнима со скоростью превращения параводород — ортоводород, которое, по-видимому, протекает по анионному механизму. При 50° скорость этого превращения в системе жидкий аммиак — амид калия в 1014 раз выше, чем в системе вода — едкое кали [22].
Хотя желательно получить дополнительные экспериментальные данные, однако и на основе уже имеющихся можно написать следующий ряд убывающей кинетической кислотности: Н2 > > СН4 > СН3СН3 > (СН?)6 > (СНз)зСН (метиновый водород). Этот ряд соответствует тому, что можно было предсказать из сравнения электронодонорных свойств С — С- и С — Н-связей. Устойчивость карбанионов, коррелирующая с кислотностью С — Н-кислот, по-видимому, снижается при последовательном замещении атомов водорода при карбанионе на алкильные группы. Как и следовало ожидать, этот порядок устойчивости обратен тому, который наблюдается для карбониевых ионов.
В дальнейших исследованиях Шатенштейн и сотрудники [21д, 23] примерно оценили относительные скорости обмена водород — дейтерий между системой дейтерированный аммиак — амид калия и различными углеводородами, причем в их числе были и циклопропановые производные. Условия опытов и полученные результаты приведены в табл. 16.
Эти данные позволяют построить следующий ряд кислотности различных атомов водорода (помеченных кружком). Положение некоторых водородов в этом ряду установлено недостаточно достоверно, так как относительную кислотность определяли на осно
Кинетическая кислотность слабых С — Н-кислот
31
вании сравнения числа обмениваемых протонов (табл. 16) с числом атомов водорода разных типов в молекуле. Тем не менее можно
все же сделать следующие надежные выводы: 1. Циклопропановые водороды являются более «кислыми», чем водороды соответствующих ациклических углеводородов. 2. Арильные или винильные
Таблица 16
Результаты обмена водород—дейтерий между углеводородами н жидким дейтерированным аммиаком, катализируемого амидом калия
	Количество обмениваемых протонов				
Углеводород	при 25°			при	120°
	0,05 М а, 6 час	1,0 ма, 8 час	1,0 м а, 240 час	1,0 М а, 6 час	1,0 М а, 200 час
					
СН3					
1 сн3—сн-сн2—сн3	—	—	0	—	2
н2с. 1 )СН—сп2 — сн3 Н2С/	—	0,3	4	5	6
сн3					
1 СН3—CH-C6ns	—	—	6	—	12
Н2СХ 1 )СН-С6Н5 НгС7		10	10	—	—
Н2СЧ I >СН-СН = СН2 н2С/	2	8	8	—	—
Н2С —СН-СН2 —сн3 1 1 Н2С—сн2	—	—	—	0,1	2
а Молчопость KND2.
-32
Гл. I. С — l-1-кислоты
группы увеличивают кислотность водородов циклопропанового кольца. 3. Кислотность водородов кольца в ал кил циклопропанах сравнима с кислотностью водорода кольца в алкилбензолах. 4. Фенильный заместитель у второго атома углерода в алканах увеличивает кислотность водородов и в первом и во втором положениях, но во втором заметно больше, чем в первом. 5. Водороды циклобутанового кольца сравнимы по кислотности с водородами соответствующих ациклических углеводородов.
Повышенная кислотность водородов циклопропанового кольца по сравнению с водородами ациклических аналогов, вероятно, связана с большим .s-характером С — Н-связи в циклопропановом кольце [24] (sp2>28 - s сигма-связи). А чем больше s-характер орбитали, занятой двумя электронами карбаниона, тем более устойчив анион, поскольку заряд ядра меньше экранируется в случае 2s-орбитали по сравнению с 2р-орбиталью (см. гл. II).
Ценные сведения можно также получить из сравнения скоростей обмена этилена, пропилена, изобутилена, триметилэтиле-на и тетраметилэтилена с жидким дейтерированным аммиаком, катализируемого амидом калия [216, 25]. Обмен пяти водородов в пропилене протекает очень быстро в сравнении с обменом шестого атома водорода или атомов водородов в этилене. Эти результаты показывают, что аллильные водороды обмениваются гораздо быстрее, чем винильные водороды, и что в случае пропилена обмен концевых атомов водорода протекает в результате ряда перегруппировок:
СН2 = СИ — СН3 + KND2 - >
ND3
-> {СН2 = СН —СН2  > СН2—СН = СН2}---->
knd2 ch2=ch-ch2d-------*
ND3
—> {СН2 = СН — CHD < > СН2 — СИ = С11О}->
knd2
—> {СН2 = СН—CHD2 + CH2D —CH = CHD} --> и т. д.
Замена винильного атома водорода пропилена на метильную группу снижает скорость обмена аллильных водородов, причем этот эффект повышается при увеличении числа метильных групп. Те же самые выводы относительно сравнения кислотности аллильных водородов с винильными, циклопропановых водородов с алкеновыми и влияния метильных групп были получены Мортоном с сотрудниками по данным металлирования и карбоксилирования [26].
Кроме того, следующие две элегантно поставленные серии опытов очень ярко иллюстрируют вывод о том, что винильные водороды в результате аллильных перегруппировок могут так же
Кинетическая кислотность слабых С 1\-кислот
33
легко обмениваться, как и аллильные. Так, при 120° за 100 час лишь 7 из 16 атомов водорода в соединении I обмениваются в системе жидкий дейтерированный аммиак — амид калия [21в, 27].
<JH3 @с=с—с(н^—с—сн3 с® I
(кружками отмечены обмени-
ваемые атом'ы Н)
В то же время такие углеводороды, как гексен-1, циклогексен и пропилциклогексен, способны к обмену всех атомов водорода в условиях, при которых насыщенные углеводороды не затрагиваются (например, 1,0 и. раствор амида калия в жидком дейтерированном аммиаке при 100°) [28, 21в, 21г, 26а].
Вопрос о кислотности аллильных водородов будет обсужден в гл. IV в разделе «Аллильные перегруппировки».
Двумя группами исследователей была изучена скорость обмена дейтерия в ароматическом кольце в условиях катализа основаниями. Полученные группой Шатенштейна [29] константы скорости (сект1) для обмена в 0,02 н. растворе амида калия в жидком аммиаке при 25° приведены ниже:
3,0-10“4
Обмен в молекуле нафталина протекает почти в 10 раз быстрее для a-положения и почти в 4 раза быстрее для p-положения по сравнению с бензолом. Обмен всех трех типов водородов в бифениле протекает со скоростью, близкой к обмену Р-водородов в нафталине.
Вторая группа исследователей [30] изучила скорость обмена трития в различном положении в полиядерных ароматических соединениях. Показано, что существует почти линейная корреляция между логарифмом относительной константы скорости (по сравне-3-539
34
Гл. I. С — Н-кислоты,
нию с фенилом) и суммой обратных расстояний карбанионного центра от других л-углеродных атомов в молекуле (Х1/г). Соответствующие данные приведены в табл. 17.
Таблица 17
Скорость обмена тритированных ароматических углеводородов в системе цнклогсксилампн — циклогексиламид калия при 49,9° |30]
Арил-f
fe- 10-5,
• МОЛ ь~1 • ССК-1
2 1/г
Фенил-£
2-Нафтпл-г
1-Пафтил-г 1-Аптрацил-/
9-Фепантрил-г
2-ПиреншМ 1-Пиренил-/
4-Пиренил-г
9-Антрацил-г
2,3
10,5 а
15,9 а
34
50 а
61
75
97
143
3,655 4,932 5,321 6,308 6,599 6,513 6,918 7,165
6,988
а Рассчитано из скорости обмена дейтеропроизводных, принимая = 1,4.
Эти авторы [301 интерпретируют найденную корреляцию как результат стабилизации арильного аниона за счет электроноакцепторного влияния л-углеродных атомов (индуктивный эффект). Они полагают, что резонанс карбанион — карбен не имеет существенного значения в данном случае, так как было найдено, что скорость обмена в положении 3 для бифенила больше, чем в положении 4 (/cd =14,4-10~5и 8,6-10"5 л-моль'1-сек'1 при 49,9° соответственно). Если бы было существенно наличие такого резонанса, то относительная скорость обмена для этого примера должна была бы быть обратной.
в сравнении с
Введение метильной группы в кольцо снижает скорость обмена дейтерия ароматического кольца [30, 31]. Относительные скоро-
Кинетическая кислотность слабых С — Н-кислот
35
сти обмена дейтерия в 0,2 н. растворе амида калия в жидком аммиаке при 25° приведены под формулами
Относительные скорости
58	120	105
258
СН3
CH3Z YXCH3 D
СН3
СН3 сн«чА/°
D/X^XCH3
сн3
Относительные скорости
Полученные значения, по-видимому, можно связать с электронодонорными свойствами метильных групп с учетом их способности создавать стерические препятствия, затрудняющие сольватацию образующихся карбанионов.
Подтверждение этим данным по относительным скоростям обмена арильных водородов (или их изотопов) можно найти в работе Стрейтвизера и Лоулера [30], которые для системы циклогексил амин — циклогексиламид калия при 49,9° нашли, что относительная скорость обмена водорода (или его изотопов) в метать Агард-положении толуола по сравнению с бензолом уменьшается в 1,9 и 2,0 раза соответственно [30]. Эти данные можно сравнить с данными Шатенштейна и сотрудников (2,1 и 2,5 соответственно [31]).
Три группы авторов изучали скорость катализируемого основанием обмена изотопов водорода в a-положении фенилзамещенных алканов [32—34]. Толуол, этилбензол и кумол явились общими объектами для всех трех работ, о-, м- и тг-ксилолы — для двух из них [33, 34], а высшие метилированные гомологи бензола были изучены лишь одной из групп [34]. Группа Шатенштейна работала с системой жидкий аммиак — амид калия (0,02 н.), группа Стрейтвизера — с системой циклогексиламин — циклогексиламид калия (0,06 н.), а группа Шрисхейма — с системой диметилсульфоксид — znpezn-бутилат калия (0,60 н.). В табл. 18 приведены константы скоростей для каждой системы растворитель — основание, отнесенные к константе скорости для толуола.
3*
36
Гл. I. С — 11-кислоты
Таблица 18
Относительные скорости обмена изотопов водорода в а-положении арилалканов (на один атом водорода)
Соединение	NH3-NH2K при 10° а	Н-СбН11NH2— U-CeHjiNHK при 50° б	СII3SOCH3— 'iHpcin-CjlIjjOK при 30° в
С0Н5СН(СН3)2	0,029	0,008	0,023
С6Н5СН2СН3	0,14	0,116	0,22
С6Н5СН3	1	1	1
ж-СН3С6Н4СП3	0,67	0,60	0,51
п-СН3С6Н4СН3	0,25	0,31	0,033
о-СН3С6Н4СН3	—	0,60	1,4
а Шатенштейн и сотрудники [32].
6 Стрейтвизер и сотрудники [33].
в Хофман и сотрудники [34].
Качественно соответствие вполне удовлетворительно, если учесть возможные осложнения (см. гл. III). Ряд убывающих констант скоростей С6Н5СН3 > С6Н5СН2СН3 > С6Н5СН(СН3)2 вполне соответствует ожидаемому, если исходить из представлений об электронодонорном характере метильной группы. Влияние метильной группы в леетпа-положении бензольного кольца менее ощутимо, чем в а-положении, но этот эффект меньше, чем можно было ожидать, если исходить из того, что непосредственный индуктивный эффект, стерическое препятствие для резонанса и сольватации должны быть заметно больше при замещении в а-положение, чем в мета-. Наиболее удивительным фактом является наблюдение, что метильный заместитель в тшра-положении оказывает большее замедляющее влияние на скорость, чем в а-положении, причем это справедливо лишь для систем с диметилсульфоксидом в качестве растворителя, в то время как в системе с циклогексил-амином налицо обратный эффект (заместитель в а-положении в 2,7 раза больше затрудняет обмен по сравнению с заместителем в шгра-положении). Из этих фактов можно сделать вывод о том, что скорость обмена, вероятно, не определяется только скоростью ионизации, поскольку к~Л может быть больше, чем к2 в уравнении (19).
I	,;i I	1)В
—С—Н + :В 7> —С-...НВ-* I	fc-i I	ft2
I	I
—>	—C-	DB —> —C—D + :B
Кинетическая кислотность слабых С — 11-кислот
37
Поскольку к{, несомненно, имеет меньшее значение, чем к_{ или к2, и приблизительно применимо условие стационарности, то &Набл — kik2/(k-i + к2). Если k-i > к2, то &Набл — к2к{/к-{ ~ к2К, где К = к^к_х. Следовательно, величина наблюдаемой константы скорости зависит от константы равновесия и константы скорости процесса, протекающего без образования или разрыва ковалентной связи.
Для катализируемых основаниями реакций обмена водород — дейтерий некоторых С — Н-кислот были получены очень низкие или даже отрицательные значения изотопного эффекта водород — дейтерий [35а], что было использовано как свидетельство того, что k-i к2. Тогда изотопный эффект будет определяться лишь к2 и К, которые близки к единице или имеют незначительную отрицательную величину. Изотопный эффект для обмена водород — дейтерий в толуоле в системе циклогексил амин — циклогексиламид лития составляет Ац /со > Ю [336, 35в]. Однако для толуола в системе диметил сульфоксид — трет-бутилат калия эта величина — 0,6 [35г]. Из этих данных можно сделать вывод, что в растворе амина к2 > к-{ и изотопный эффект определяется величиной к{, а в случае диметил сульфоксида изотопный эффект определяется Кк2. Иначе говоря, скорость обмена в растворе амина соответствует скорости диссоциации С — Н-кислоты, а в диметил сульфоксиде скорость диссоциации превышает скорость обмена. Аналогичным образом слабый изотопный эффект для обмена а-водо-рода тиофена в системе диметилсульфоксид — mpem-бутилат лития (7cD//cT — 1,3) указывает на то, что для этой системы также fc-i > к2 [356].
Скорость обмена для толуола и его 13 замещенных производных в циклогексиламине [336] хорошо соответствует уравнению Гаммета с р = 4,0. Столь высокое значение указывает на большую степень разделения заряда в переходном состоянии.
В табл. 19 приведены данные по обмену а-водородов (константы скорости на один атом водорода относительно толуола) для большого числа других алкилбензолов в системе диметилсульфоксид — mpem-бутилат калия [34]. В применявшихся условиях (0,6 М mpem-бутилата калия при 30е) mpem-бутилбензол в течение 334 час, а бензол за 100 час (при 50°) не вступили в реакцию обмена.
Из этих данных наиболее неожиданной оказалась большая скорость обмена для о-ксилола, чем для толуола. Хотя причиной этого может служить относительная величина к~{ и к2 [уравнение [19]), возможны также другие объяснения [34]. Вероятно, что для о-ксилола при образовании переходного состояния уменьшается стерическая напряженность и, более того, за счет водород-
38
Гл. I. С — II-кислоты,
Таблица 19
Относительные скорости обмена бензильных водородов алкилбензолов в тритированном диметилсульфоксиде в присутствии 0,6 М mpem-бутилата калия при 30° [34]
Соединение	^соединение^^толуол
Толуол	1,00
о-Ксилол	1,40
.и-Ксилол	0,51
п-Ксилол	0,033
Этилбензол	0,22
Кумол	0,023
«греш7Бутилбепзол	0,00
1,2,4-Триметилбензол	0,26
1,3,5-Триметилбензол	0,22
1,2,3-Триметилбензол	1,12
1,2,4,5-Тетраметилбензол	0,018
1,2,3,5-Тетраметилбензол	0,12
1,2,3,4-Тетраметилбензол	0,46
Пентаметилбензол	0,056
Гексаметилбеизол	0,010
о-Этилтолуол	0,51
.н-Этилтолуол	0,24
л-Этилтолуол	0,026
«-Цимол	0,023
п-трет-Б ути л толуол	0,033
ной связи С — Н •• • С, возможно, происходит стабилизация переходного состояния. Известно, что карбанионы способны к образованию прочных водородных связей [361. В этом случае переходное состояние будет представлять собой неплоский гетероцикл с Н-мостиком. Атом водорода будет находиться над плоскостью углеродного скелета на оси, перпендикулярной к плоскости и рассекающей пополам линию, связывающую два метильных атома углерода.
Аддитивность влияния метильных заместителей видна из данных для высших метилбензолов [34]. Параметры, характеризующие влияние заместителя, можно определить из уравнения (20). Если влияние аддитивно, то тогда применимо уравнение (21) для 1,3,5-триметилбензола и уравнение (22) для 1,2,3,4-тетраметил-
Кинетическая кислотность слабых С — 11-кислот
39
бензола.
(20)	/о = (^0-КСИЛОЛ^ толуол^»
hl (\и-ксилол/^толуол)»
fn = 1П (^'п-КСИЛОЛ/^толуол)’
(21)	1П 1,3,5-трпметилбензол/^толуол) 2/.и»
(22)	In (/q ,2,3,4-тетраметилбснзол/^толуол) ^,5 (/o-|-/.U“f-/n)-(-0,5 (2/о । /.и)*
Применение этого принципа позволило рассчитать значения относительной скорости для высших метилбензолов, примерно совпадающие с наблюдаемыми (табл. 20).
Таблица 20
Рассчитанные п наблюдаемые относительные скорости водородного обмена в высших метилбензолах [34]
Углеводород	ь	/ь углеводород7 толуол	
	рассчитанное	наблюдаемое
1,2,3-Триметилбензол	1,13	1,12
1,2,4-Триметилбепзол	0,26	0,26
1,3,5-Трнметилбензол	0,26	0,22
1,2,3,4-Тетраметилбензол	0,51	0,46
1,2,3,5-Тетраметилбепзол	0,20	0,12
1,2,4,5-Тетраметплбеизол	0,024	0,018
Пеитаметплбензол	0,12	0,056
Гексаметилбензол	0,017	0,010
Интересно также сравнить относительное влияние заместителя (метил-, этил-, изопропил- и тпретп-бутил-) на скорость обмена м- и тг-алкилзамещенных толуолов. В табл. 21, где приведены относительные значения констант для п- и л«-этилтолуолов и п-цимола, помимо наблюдаемых величин, даны также значения, исправленные с учетом наличия обмена двух типов водородных атомов. При этом было сделано допущение, что метильный заместитель оказывает на другую метильную группу и на все другие алкильные группы один и тот же эффект.
Эти данные показывают, что в шгра-положении метил-, этил-, изопропил- и ттгрет-бутил- обладают примерно одинаковым индуктивным эффектом, но в жеттш-положении этильный заместитель оказывает вдвое более сильное замедляющее действие по сравнению с метильной группой.
40
Гл. Г. С — П-кислоты
Таблица 21
Изменение влияния индуктивного эффекта на скорость водородного обмена по а-углероду в зависимости от природы алкильного заместителя [34]
Углеводород	Ь	/ ь углеводород' толуол
Толуол	1
п-Ксилол	0,033
-Этилтолуол	0,026 (0,041)а
п-Цимол	0,023 (0,03)а
n-nipem-Ь у тил толуол	0,033
лг-Ксилол	0,51
м-Этилтолуол	0,25 (0,33)а
а В скобках даны значения, исправленные с учетом наличия двух типов обмениваемых атомов водорода.
ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ НА КИНЕТИЧЕСКУЮ
И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКУЮ КИСЛОТНОСТЬ С - Н-КИСЛОТ
В предыдущих разделах основное внимание было уделено зависимости термодинамической и кинетической кислотности от строения С — Н-кислот. Поскольку энергия сольватации, связанная с процессом образования карбаниона при разрыве ковалентной углерод-водородной связи, достаточно велика, то можно предполагать, что скорость образования и рекомбинации карбанионов должна очень сильно зависеть и от характера растворителя и от заряда основания, применяемого в качестве катализатора. В настоящем разделе рассмотрено влияние внешней среды на активность катализатора и устойчивость карбаниона.
Для С — Н-кислот и получаемых из них карбанионов можно применять следующие четыре типа качественно различных растворителей: полярные растворители — доноры протонов, например вода и низшие спирты и полиолы (метанол, этиленгликоль); неполярные растворители — доноры протонов, например бутанол, анилин и им подобные вещества; полярные растворители, не являющиеся донорами протонов, например диметилсульфоксид, сульфолан и диметилформамид; неполярные растворители, не являющиеся донорами протонов, например тетрагидрофуран, эфир, диоксан, бензол или циклогексан. Это подразделение несколько условно, поскольку в соответствующих случаях можно наблюдать непрерывное изменение свойств.
Влияние среды
Для получения карбанионов из С — Н-кислот обычно используют два типа оснований. Из электронейтральных оснований чаще всего применяют аммиак, трипропиламин, пиридин и анилин. Можно использовать также разнообразные производные металлов и четвертичные аммониевые основания: гидроокиси, алкоголяты, феноляты и ацетаты металлов; алкил-, арил- и бензилметаллы; гидриды металлов; амиды металлов; четвертичные аммониевые основания. В большинстве указанных оснований связи в высокой степени ионизированы, поэтому эти основания будут рассматриваться как заряженные.
Активность каждого типа оснований должна сильно меняться в зависимости от растворителя, как и стабильность карбаниона. Систематических исследований по влиянию природы основания и растворителя на кислотность С — Н-кислот немного, но и ив имеющихся данных можно видеть, что такой подход очень плодотворен. Ниже будет дано несколько примеров.
Вероятно, ярче всего проявляется зависимость скорости образования карбанионов от природы среды при сравнении спиртов и диметилсульфоксида. Высокая активность алкоголятов металлов в диметил сульфоксиде была впервые отмечена на примере реакции расщепления соединения II в присутствии оснований 1371. Замена тпретп-бутилового спирта на диметилсульфоксид при применении в качестве основания тпре/п-бутилата калия привела к такому ускорению процесса, что оказалось возможным снизить температуру до 100—150° без уменьшения скорости реакции. В лгрелг-бутиловом спирте скорость расщепления очень мало изменялась при переходе от алкоголята калия к алкоголяту натрия и лития. В диметилсульфоксиде активность этих трех алкоголятов различалась настолько, что при применении /пр^лг-бутилата калия реакция протекала на несколько порядков быстрее, чем с тр^лг-бутилатом натрия, а последний также оказался гораздо более эффективным катализатором, чем /п/эет-бутилат лития.
СН3 ОН
I	I
с2н5—с------с—сн3
^6^5 С6В5 п
сн3
I +
—► с,н5—С“ м +
2 I с6н5
+ МОС(СН3)3
с—сн3 I с6н5
ROH
Точно такой же эффект наблюдается и для ряда других катализируемых основаниями реакций, лимитирующей стадией которых является расщепление С — Н- и С — G-связей. Так, напри
42
Гл. I. С — Н-кислоты
мер, реакция Кижнера — Вольфа может быть проведена при комнатной температуре путем медленного прибавления гидразона к раствору mpem-бутилата калия в диметилсульфоксиде [38]. Также при комнатной температуре бромбензол реагирует с трет-бутилатом калия в диметилсульфоксиде, образуя фенол и трет-бутоксибензол [39]. Расщепление окисей аминов по Коупу в диметилсульфоксиде проходит на несколько порядков быстрее, чем в воде [40]. В такой же степени ускоряются аллильная перегруппировка алкенов под действием оснований при переходе от системы трелг-бутилат калия — дпредп-бутиловый спирт к системе трет-бутилат калия — диметилсульфоксид [41], а также расщепление неенолизующихся кетонов 142а I и реакции 1,2-отщепления, катализируемые основаниями [426].
Описанный эффект был тщательно исследован путем изучения кинетики рацемизации оптически активного 2-метил-З-фенилпро-пионитрила (III) [39, 43]. В условиях опыта константы скорости рацемизации (Лрац) и скорости обмена (/собм) оказались равными, что с очевидностью указывало на образование в качестве промежуточного продукта симметричного карбаниона. Для случая метилата калия в метаноле наблюдается реакция почти строго первого порядка (1,09) вплоть до 0,6 М концентрации основания, и при этом скорость реакции не меняется при замене метилата калия на метилат натрия или тетраметил аммония. Прибавление 0,353 М йодистого калия к 0,260 М раствору метилата натрия в метаноле также не изменяет скорости процесса. Аналогичные результаты были получены для случая этиленгликоля и смесей диметилсульфоксид — метанол при низких концентрациях основания (0,01 М и менее). В этих условиях можно предполагать, что метилат калия полностью диссоциирован и каталитически активной частицей является метилат-анион. Высокие значения диэлектрических констант для этих трех растворителей (е = 34, 35 и 49 для метанола, этиленгликоля и диметилсульфоксида соответственно при температуре около 20°) делают вероятным такое предположение. При применении в качестве растворителя третп-бутилового спирта, а в качестве катализатора — mpcm-бутилата калия — изменение концентрации основания от 0,01 до 0,44 М дало увеличение константы скорости только в 2,5 раза. В этом случае из-за низкой диэлектрической проницаемости (8 — 11 при температуре около 20°) основание, очевидно, находится в виде агрегированных ионных пар.
СН3
С6113С112 —*С —И
I С ~ X (III)
Влияние среды,
43
Значение констант скоростей для катализируемой основаниями рацемизации в различных растворителях по отношению к
Содержание (CH3)2SO в СН3ОН, мол.%
Р и с. 2. Зависимость — 1g к2 (л-молъ~1 -сек"1) от содержания (мол.%) дпметилсульфоксида в метаноле для катализируемой метилат-анионом рацемизации 2-метил-З-фенилпроппонитрила при 25°.
константе скорости для случая использования метилата калия в метаноле при 25° приведены в табл. 22.
Таблица 22
Относительные скорости рацемизации 2-метил-З-фенплпропионитрнла (III) с алкоголятами калия при 25°
Растворитель, вес.%
"в растворителе^в метаноле
100% НОСН2СН2ОН
100% сн3оп“
75% СН3ОП — 25% (CH3)2SO
50% СН3ОН — 50% (CH3)2SO
24% СНоОП — 76% (CH3)2SO
10% СН3ОИ — 90% (CH3)2SO
3% СН3ОН — 97% (CH3)2SO
1,5% СН3ОН — 98,5% (CH3)2SO 2% СН3ОН — 98% (CII2)4SO2
(СН3)3СОН, 0,01 М в Н2О
(СН3)3СОН, <0,003 М в Н2О
0,32 1,0 3,2-101
1,6-102 4,9-103
1,3-105 1,4-Ю6
5,0-107 7,8-101
1,4-Ю6 4,2-Ю6
44
Гл. I. С — П-кислоты,
На рис. 2 показана зависимость логарифма константы скорости реакции второго порядка от содержания диметилсульфоксида в метаноле. Из этих данных следует, что скорость образования карбаниона может быть увеличена примерно в 108 раз при переходе от чистого метанола к диметилсульфоксиду, содержащему 1,5 вес. % метанола.
Интересна форма кривой на рис. 2. Хотя зависимость почти линейна от 35 до 80 мол. % диметил сульфоксида, при более низких и более высоких концентрациях наклон кривой гораздо круче. Это указывает на существование по крайней мере двух типов влияния растворителя, одного при низкой и другого при высокой концентрации диметилсульфоксида. Равновесие типа, соответствующего уравнению (23), безусловно существует, и оно устанавливается гораздо быстрее, чем протоны отщепляются от углеродного атома. Из двух возможных форм оснований комплекс А, вероятно, энергетически выгоднее.
(23)	СН3б- НОСН3 + (CH3)2SO ^-7 >
CH3O-S(CH3)2 4-СН3ОН
А
lR-H сн3 о-н
R...H-O —СН3 а- а+ з-
А*
в
Переходные состояния для реакции разрыва С — Н-связи под действием этих двух форм основания обозначены как Аф и Переходное состояние устойчивее, чем Аф, поскольку в В+ возникает прочная водородная связь между метанолом и диметилсульфоксидом, а при образовании Аф прочная водородная связь между метилатом и метанолом заменяется на две более слабые водородные связи между молекулами метанола. Поскольку А и В все время находятся в равновесии, то основное состояние для обоих процессов одно и то же. По мере добавления к среде диметилсульфоксида скорость все более возрастает, поскольку с повышением концентрации В увеличивается степень протекания реакции через переходное состояние Вф. При концентрации около 35 мол. % диметилсульфоксида реакция целиком протекает через В-'4, несмотря на то что большая часть основания находится в форме А.
При увеличении концентрации диметилсульфоксида с 35 до 80 мол. % энергия основного состояния постепенно увеличивается,
Влияние среды
поскольку повышается концентрация В. При концентрации выше 80 мол. % резкий крутой подъем кривой связан с уменьшением концентрации метанола и со способностью диметилсульфоксида к ассоциации с молекулами метанола по уравнению (24):
(24)	СН3О HOClI3 + 2(CH3)oSO
।_____________________Z_।
Л
-2 СН3О S(CII3)2+(C1I3)2S —> о	посп3
о I—________	----------1
в
В чистом диметплсульфоксиде все основание находится в форме В и скорость очень велика. Эта гипотеза является упрощением, поскольку весьма важное значение имеют вторичные эффекты сольватации А и В. Но, с другой стороны, эти вторичные эффекты будут влиять в том же направлении, как и первичные, изображенные в формулах А, В, А+ и В^, поэтому ради простоты их можно опустить.
Другие интересные закономерности можно видеть в табл. 22. Так, в системе этиленгликоль — гликолят калия константа скорости составляет всего 1/3 от константы скорости для системы метанол — метилат калия. При переходе к mpcm-бутиловому спирту с трет-бутилатом калия константа скорости увеличивается примерно в 106 раз по сравнению с системой метанол — метилат калия. Этот последний эффект, по-видимому, является результатом более сильной сольватации метилат-аниона в метаноле по сравнению с сольватацией лгрелг-бутилата калия в трет-бутило-вом спирте. Согласно современным представлениям, при образовании переходного состояния для отрыва протона заряженным основанием осуществляется выравнивание заряда, причем компенсируется энергия сольватации. Для случая тетраметиленсуль-фона (сульфолана), содержащего 2 мол.% метанола, скорость увеличивается по сравнению с системой метанол—метилат калия примерно в 105 раз. Вероятно, в данном случае действуют, хотя и менее сильно, те же факторы, что и описанные выше для диметилсульфоксида. Различие между этими двумя растворителями, вероятно, связано с большей способностью диметилсульфоксида образовывать водородную связь с оксигруппой. В результате этого диметиЛсульфоксид лучше связывает молекулы метанола и меньше сольватирует метилат-анион.
Лэнгфорд и Барвелл [44] нашли, что изменение коэффициента активности гидроксильного иона в сульфолане (5 мол. % воды)
46
Гл. I. С — Il-ки слоты
является основной причиной удивительного увеличения основности (6 Н- единиц [45]) в 0,01 М растворе гидроокиси фенилтриметил-аммония в смесях, содержащих сульфолан, по сравнению с водой. Вероятно, аналогичные эффекты имеют место в диметилсульфоксиде и сульфолане.
В другой работе изучалась скорость рацемации и обмена 1-фенилметоксиэтана-1-й в системе диметилсульфоксид — трет-бутилат калия [46]. В этом растворителе скорость изотопного обмена и скорость рацемизации оказались одинаковыми (АОбм/рац =- 1). Кинетический порядок реакции равен примерно по отношению к основанию в пределах изменения концентрации трелг-бутилата калия от 0,05 до 0,23 М. Это наблюдение согласуется с механизмом, по которому ттфетп-бутилат калия в диметилсульфоксиде находится главным образом в виде ионной пары, в то время как активной формой основания является диссоциированный mpezn-бутилат-анион. Иначе говоря, в уравнении (25) k_r kt и k3 > k2.
-+
(25)	(CH3)3COR (CH3)3CO- + K+
fe-i
Л2 [ R*-H
R-	R"
Эта интерпретация подтверждается тем фактом, что если к 0,0537 М раствору тпрстп-бутилата калия в диметилсульфоксиде добавить иодистый калий до концентрации 0,49 М, то скорость снижается в 22 раза. Кроме того, скорость реакции с дпредп-бутила-том калия примерно в 102 раз больше, чем с лгрелг-бутилатом натрия.
В растворах ?прелг-бутилаткалия--0,9Млгрс7П-бутиловый спирт в диметилсульфоксиде скорость рацемизации в 10г>—107 раз больше, чем для растворов в трсиг-бутиловом спирте. Поскольку в трет-бутиловом спирте А*обм/^рац~2—5, то при сравнении скоростей изотопного обмена получилась бы разница примерно в 106 раз. Итак, скорость изотопного обмена, катализируемого раствором трет-бутилат калия — 0,9 М mpezn-бутиловый спирт в диметилсульфоксиде, примерно в 1013 раз больше скорости, наблюдаемой для системы метанол — метилат калия.
Такому значительному увеличению кинетической активности алкокси-анионов в диметилсульфоксиде по сравнению с гидроксилсодержащими растворителями соответствует изменение и термодинамических характеристик. Функцию Н- [471 [см. уравнение (26) ] можно определить как свойство среды отнимать протон от слабой кислоты в условиях равновесия.
J	/НА
Влияние среды
47
В уравнении (26) р/^нд равна рКа кислоты НА, ян+ — активность Н+, а /а- и /на — коэффициенты активности для А" и НА соответственно.
С помощью перекрывающегося набора слабых индикаторных кислот (замещенные анилины и дифениламины), охватывающего значения рКа от 12,2 до 18,4, функция Н- была определена для
Рис. 3. Зависимость — lg k2 (л-моль-1*сен-1) от функции Н_ для катализируемой метилат-анионом рацемизации З-метпл-З-фепилпроппонитрпла при 25°
0,025 М растворов метилата натрия в различных смесях метанол — диметилсульфоксид. При этом были получены значения от 12,2 для чистого метанола до 19,4 для смеси 95 мол.% диметилсульфоксида — 5 мол.?о метанола. График зависимости Н- от содержания (мол.%) метанола напоминает кривую зависимости lg/с для рацемизации оптически активного 2-метил-3-фенилпропионитрила (III) от содержания (мол.%) метанола в диметилсульфоксиде (рис. 2). Зависимость lg к от Н_ (рис. 3) почти линейна (наклон 0,87) и охватывает область изменения скоростей примерно в 106 раз и изменение Н_ на 7 единиц.
Можно сравнить два общих механизма катализируемой основаниями реакции рацемизации по их соответствию с закономерностью, представленной на рис. 3. Оба механизма требуют промежуточного образования карбаниона и различаются лишь по относительной величине и к2 в уравне
48
Гл. I. С — Н-кислоты
ниях (27) и (28).
I	Й1 ।	*2 I	и 1 I
(27)	— *С —11-1 :1’>	— *С-	НВ —(.-...НВ -> — С — II
I	...
Оптически активен!
<28)
Оптически	Рацегат	Рацемат
активен .	__ ,	Ь~2
* па б л — * 1 7Т.	। 1. \
В соответствии с первым механизмом к{ к2 и в равновесной стадии образуется асимметрично сольватированный карбанион, а последующая стадия рацемизации (/с2) определяет скорость процесса. В этом случае уравнение (28) превращается в уравнение (29). Для другого механизма к2 > к_^ и первоначально образующийся карбанион сразу превращается в рацемический продукт и тогда уравнение (28) превращается в уравнение (30).
<29)
(30)
/._____ki
наол—
/с р = А. А' 9,
^набл — ^1
Закономерность, представленная на рис. 3, подразумевает, что свободные энергии переходного состояния для лимитирующей стадии и анионной формы индикаторной кислоты одинаковым образом реагируют на изменение растворителя от чистого метанола до диметилсульфоксида. Исходя из вышесказанного, можно следующим образом представить себе переходные состояния для лимитирующих стадий обоих механизмов вместе с анионными
формами индикаторных кислот:
Переходное состояние для первого механизма	k2)
| . НОСН3“| __ __Изменение растворителя
I ’НОСН3 СН3ОН—»-(CH3)2SO
Водородные связи образуются рвутся
Анионная форма индикаторной кислоты НОСНз"!
Изменение растворителя
НОСНз_ СН3ОН —* (CH3)2SO
Две пары электронов азота образуют водородные связи
Переходное состояние для
второго механизма
18-	8-
—С - н - осн3
Изменение растворителя СН3ОН —► (CH3)2SO
Рвете
Влияние среды
49
В соответствии с первым механизмом для образования переходного состояния нужен разрыв только водородной связи, в то время как по второму механизму требуется разрыв ковалентной связи. Очевидно, что структура переходного состояния для первого механизма больше напоминает структуру анионной формы индикаторной кислоты и, следовательно, представленная на рис. 3 корреляция указывает на большую обоснованность первого из обсуждаемых механизмов для рацемизации или обмена.
Данные, полученные другим путем [48], указывают на резкое увеличение значений Н- при уменьшении содержания метанола в диметилсульфоксиде ниже 5 мол.%. Стейнер и Гилберт [48] получали растворы натриевой и калиевой солей диметилсульфоксида [49] (димсилнатрий [50] и димсилкалий) в диметилсульфоксиде и титровали затем растворы доноров протонов в диметилсульфоксиде, используя в качестве индикатора трифенилметан, анион которого имеет глубокую окраску. Эта методика ранее применялась другими авторами [50] для превращения спиртов и других слабых кислот в соответствующие натриевые соли в диметилсульфоксиде. При применении димсилнатрия [50] были получены хорошие значения точек эквивалентности для всех случаев, кроме глицерина (табл. 23). Из этого факта следует, что рКа диметилсульфоксида > рКа трифенилметана рКа титруемых слабых кислот.
Аналогичные результаты были получены в случае димсил-калия для слабых С — Н-кислот, карбоновых кислот и фенола. Однако для воды и простых спиртов окраска трифенилметильного аниона появлялась уже после прибавления 0,33—0,64 г-экв дим-силкалия [481.
Если те же спирты титровать трифенилметильными производными металлов в растворе тетрагидрофурана, то в случае натриевой соли конец титрования (появление окраски трифенилметильного аниона) наблюдается после прибавления примерно 1 г-экв основания, а для калиевой и цезиевой солей — после прибавления 0,85 и 0,50 г-экв соответственно. Из этого можно сделать вывод, что описанные выше наблюдения характерны не только для растворов в диметилсульфоксиде.
Полученные данные позволяют предполагать, что собственная кислотность воды и спиртов сравнима с кислотностью трифенилметана. Это заключение резко расходится с общепринятыми значениями рКа: для простых спиртов 16—19 [51] и для трифенилметана 32,5 [2а, 5]. Объяснение состоит в том, что основность кислородсодержащих анионов гидроксильных соединений резко снижается в присутствии гидроксилсодержащих соединений за счет водородной связи, а в случае металлкатионов — также за счет неполной диссоциации и агрегации. Эти эффекты уменьшаются 4-539
50
Гл. I. С — Н-кислоты,
Таблица 23
Точки эквивалентности при титровании кислот димсилнатрием пли дпмсилкалием с индикатором (трпфепплмстан)
Кислота	Лит. а Р«а	Количество, необходимое для появления окрашенного (С6Н5)3С-, г-экв	
		NaCH2SOCH3 6	KCH2SOCH3 в
Бензойная кислота	4,2			1,01
Уксусная кислота	4,8	1,03	—
Фенол	9,9	1,02	0,99
Форманилид	—	—	1,00
Глицерин	—	1,56	1,00
1-Метоксипропанол-2	—	—	0,54
Вода	15,7	1,00	0,64
Этанол	18	—	0,31
н-Бута но л	—	0,98	0,45
mpem-Бутиловый спирт	19	1,06	0,33
Циклопентадиен	16	0,99	0,97
Инден	21	0,98	0,98
Дифениламин	23	0,99	1,00
Анилин	27	<0,01	<0,01
Трифепилметап	33	—	—
а Даннер [51а], Стернс и Виланд [516] и Хайн и Хайн [51в].
6 Прайс и Уайтинг [50].
в Стейнер и Гилберт [48].
в диметилсульфоксиде при очень малых концентрациях спиртов и при использовании катионов, которые обеспечивают наибольшие константы ионизации для соответствующих алкоголятов (цезий или калий).
Ледвит и Мак-Фарлейн [52] приготовляли раствор димсилна-трия и димсилкалия прямым растворением металлов в диметилсульфоксиде. Образующуюся при этом гидроокись удаляли фильтрованием, а диметилсульфид отгоняли. Полученный раствор был использован для измерения констант равновесия между диметилсульфоксидом и пг^етп-бутиловым спиртом и соответствующими калиевыми солями. Эти авторы нашли, что кислотность трифенил-метана в 8-103 раз выше, чем диметил сульфоксида, что сравнимо со значением 1,3-103, найденным Стейнером и Гилбертом [48]. Далее, Ледвит и Мак-Фарлейн [52] установили, что кислотность тпретп-бутилового спирта в 830 раз выше, чем трифенилметана для 10-2—10-3 М концентрации тпреттг-бутилового спирта, хотя, по
Влияние, среды
51
Стейнеру и Гилберту [48], для таких концентраций кислотности трифенилметана и тпретп-бутилового спирта сравнимы. Стейнер и Гилберт получали димсилкалий из амида калия, а при этом не образуются едкое кали и метилмеркаптид калия, присутствием которых в растворах в диметилсульфоксиде можно объяснить низкие значения кислотности тпретп-бутилового спирта, полученные Ледвитом и Мак-Фарлейном [52].
Стейнер и Гилберт [53а], продолжая свои прежние работы, построили еще три новых шкалы кислотности с использованием в качестве растворителя смесей вода — диметилсульфоксид, метанол — диметилсульфоксид и самого диметилсульфоксида. Все три системы построены по отношению к стандарту, в качестве которого взят разбавленный водный раствор. Для верхней части каждой шкалы в качестве индикатора применяли калиевые основания. Эти три шкалы можно связать друг с другом, если сделать естественное предположение, что рКа трифенилметана одно и то же в чистом диметил сульфоксиде, в диметилсульфоксиде, содержащем 0,11 вес. % воды, и диметилсульфоксиде, содержащем 0,02 вес. % метанола. Шкалы совпадают в пределах 0,5 единиц рК в интервале 12 единиц рК. В целом они охватывают интервал в 18 единиц рК, поэтому очень удобны для сравнения кислотностей многих С — Н-кислот и других кислот. В табл. 24 приведены данные, относящиеся к этим шкалам.
В этих трех системах растворителей диэлектрическая проницаемость довольно велика, и соли кислот, вероятно, диссоциированы. По-видимому, именно этим, а также высокой степенью делокализации заряда в анионах объясняется близость значений рКа для разных растворителей. Однако значения рКа для более слабых С — Н-кислот (дифенилметан, трифенилметан и бифенилди-фенилметан) на 5,6 ± 0,3 единицы рКа ниже, чем по шкале Стрейтвизера (см. табл. 2). Это различие может быть отнесено за счет того, что диэлектрическая проницаемость для циклогексил амина гораздо меньше, чем для диметилсульфоксида, воды и метанола, и что соли С — Н-кислот в циклогексиламине находятся в виде ионных пар.
Относительная кислотность диметилсульфоксида и трифенилметана была определена еще и третьим методом [49]. Равновесную смесь димсилнатрия и трифенилметана в диметилсульфоксиде разлагали прибавлением тяжелой воды и по количеству дейтерия, вошедшего в трифенилметан, рассчитали относительную кислотность этих двух веществ. Было найдено, что К (диметилсульфок-(трифенилметан) равно 21.
Однако, по данным Ритчи [54], этот метод не дает надежных результатов, так как в момент разложения солей С — Н-кислот в диметилсульфоксиде О — Н-кислотами перенос протона между
4*
Таблица 24
Шкалы кислотности в смесях вода — диметилсульфоксид, метанол—диметилсульфоксид и в диметилсульфоксиде
Кислота			
	H2O-(CH3)2SO	GH3OH-(GH3)2SO	(CH3)2SO
(CH3)2SO	—	—	31,3
(СвН5)2СН2	—	—	28,6
СНз ИГА	—	27,7	—
4-CeH5CeH4CH2CeH5			27,2		
(СвН5)3СН	27,2	27,2	27,2
н н ГЛП	—	27,1	—
Ч/V^ 4-СвН5СвН4СН(СвН5)2			25,3		
Свн5 н лип	24,3	24,2	24,2
Ч/v^ (4-СвИ5СвН4)3СН	—	22,8	—
н н аал	20,5	20,5	20,5
HUI 1 \/ xz 4-NO2CeH4NH2	18,4	18,5	18,6
Н\/Н СО	—	18,2	—
2,4-(NO2)2CeH3NH2	15,0	14,5	14,7
2,4-(NO2)2CeH3NHC6H5	13,8	13,2	—
Влияние среды,
53
диметил сульфоксидом и карбанионом протекает со скоростью, сравнимой со скоростью переноса протона между карбанионом и прибавленной О — Н-кислотой. Следовательно, конечный изотопный состав выделенной С — Н-кислоты не отражает равновесного состава смеси.
В одной из серий опытов [54] был прибавлен 1 же трифенилметана к 2 экв димсилнатрия в диметилсульфоксиде. К образующейся смеси добавляли большой избыток различных дейтерированных кислот и анализировали выделяемый трифенилметан на содержание дейтерия. В табл. 25 приведены соответствующие результаты. Ритчи интерпретирует эти и другие данные как указание на то, что скорость переноса протона между С — Н-кислотами и карбанионами, а также между О — Н-кислотами и карбанионами в диметилсульфоксиде определяется скоростью диффузии.
Таблица 25
Изотопный состав трифенилметана, полученного при прибавлении различных дейтерированных кислот к трифенилметилнатрию в дпметилсульфоксиде
Прибавленная кислота	(СбНб)8СН, %	(С6Нб)зСП, %
D2O (большой избыток)	46	49
CD3NO2 (9 экв)	15	85
CD3NO2 (9 экв) — С6Н5ОН (6 экв)	44	55
CD3NO2 (9 экв) — n-CH3C6H4SO3II (4 экв)	57	43
Другой потенциальный источник трудностей при интерпретации данных, полученных при разложении равновесной смеси, связан с тем, что скорость переноса протонов может лимитироваться скоростью смешения реагентов. Как только первая порция прибавленной дейтерированной кислоты попадает в щелочной раствор, сразу же образуется дейтерированный трифенилметан. Однако нейтрализация прошла еще не полностью, и перенос протонов и дейтеронов между трифенилметаном, дейтерированным трифенилметаном и диметилсульфоксидом, с одной стороны, и три-фенилметилнатрием и димсилнатрием, с другой, продолжается до тех пор, пока достаточное количество прибавленной сильной кислоты не распределится равномерно по объему для полной нейтрализации сильных оснований.
Пример явлений такого типа наблюдался в следующих опытах [55]. Раствор трет-бутилата калия в тпретп-бутиловом спирте вызывает быструю рацемизацию С — Н-кислоты IV благодаря
54
Гл. I. С — Н-кислоты
образованию карбаниона [56]. Эта реакция вполне закономерна, так как для тпретп-бутилового спирта рКа приблизительно 19, а для С — Н-кислоты IV р7£а около 21 [56]. Прибавление 0,34 М раствора третп-бутилата калия в дпредп-бутиловом спирте к раствору 0,1 М триметилуксусной кислоты и 0,2 М IV в mpem-бути-ловом спирте с обычным перемешиванием приводит к 70 %-ной рацемизации соединения IV (триметилацетат натрия не вызывает рацемизации IV). При этом общее количество прибавленного основания составляло менее половины необходимого для нейтрализации имевшейся карбоновой кислоты. Во втором опыте 0,1 М раствор трет-бутилата калия в тредп-бутиловом спирте был прибавлен к хорошо перемешиваемому раствору 0,1 М IV и 0,1 М уксусной кислоты в тпретп-бутиловом спирте. И в этом случае было прибавлено менее половины основания, необходимого для нейтрализации присутствующей карбоновой кислоты, однако выделенное соединение IV не претерпело рацемизации.
IV
Очевидно, что в первом опыте локальная концентрация основания превышала локальную концентрацию кислоты, что вызывало рацемизацию. Во втором опыте растворы были достаточно разбавлены и тщательно перемешаны, что исключало возможность рацемизации.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Conant J. В., Wheland G. W., J. Am Chem. Soc., 54, 1212 (1932).
2.	a) McEwen W. K., J. Am. Chem. Soc., 58, 1124 (1936); б) Mor-t о n A. A., Chem. Rev., 35, 1 (1944).
3.	a) Ziegler K., Wollschitt H., Ann., 479, 123 (1930); б) H o-g e n - E s c h T., S mi d J., J. Am. Chem. Soc., 87, 669 (1965).
4.	U n m a c k A., Z. Physik. Chem., 133, 45 (1928).
5.	Streitwieser A., Jr., Brauman J. I., Hammons J. H., Pudjaatmaka A. H., J. Am. Chem. Soc., 87, 384 (1965).
6.	Langford С. H., Burwell R. L., Jr., J. Am. Chem. Soc. 82, 1503 (1960).
7.	a) A pplequi st D. E., O’Brien D. F., J. Am. Chem. Soc., 85, 743 (1963); 6) S a 1 i n g e r R. M., Dessy R. E., Tetrahedron Letters, 11, 729 (1963); в) D e s s у R. E., частное сообщение.
8.	a) L e f f 1 e r J. E., G r u n w a 1 d E., Rates and Equilibria of Organic Reactions, Wiley, New York, 1963, p. 235; б) В e 1 1 R. P., The Proton in Chemistry, Cornell Univ. Press, Ithaca, New York, 1959, pp. 87, 144, 159 163.
9.	Pearson R. G., Dillon R. L., J. Am. Chem. Soc., 75, 2439 (1953). 10. О n s a g e r L., J. Chem. Phys., 2, 999 (1934).
Литература
55
И. Eigen М., Angew. Chem. (Intern. Ed. Engl.), 3, 8 (1964).
12.	D e s s у R. E., О к u z u m i Y., Chen A., J. Am. Chem. Soc., 84, 2899 (1962).
13.	a) III а т e н ш т e й н А. И., ДАН СССР, 60, 1029 (1949); Shaten-s h t e i n A. I., Advan. Phys. Org. Chem., 1, 161, (1963).
14.	a) Eigen M., Angew. Chem. (Intern. Ed. Engl.), 3, 18 (1964); 6) W o-oding N. S., H i g g i n s о n W. C., J., Chem. Soc., 1952, 774.
15.	Streitwieser A., Jr., Tetrahedron Letters, 6, 23 (1960).
16.	D a u b e n H. J., Jr., R i f i M. R., J. Am. Chem. Soc., 85, 3042 (1963).
17.	a) Streitwieser A., Jr., Langworthy W. C., J. Am. Chem. Soc., 85, 1757 (1963); 6) Streitwieser A., Landworthy W. C., Brauman J. L, ibid, 85, 1761 (1963).
18.	Streitwieser A., Jr., Caldwell R. A., Granger M. R., J. Am. Chem. Soc., 86, 3578 (1964).
19.	Schwarzenbach G., Z. Physik. Chem., 176A, 133 (1936).
20.	Шатенштейн А. И., Advan. Phys. Org. Chem., 1, 153—201 (1963).
21.	а) Д ы x н о H. M., Шатенштейн А. И., ЖФХ, 28, 14 (1954); б) Ш а т e н ш т e й н А. И., Васильева Л. H., ДАН СССР, 94, 115 (1954); в) Шатенштейн А. И., Васильева Л. Н., Д ы х-н о Н. М., Израилевич Е. A., ibid., 85, 381 (1952); ^Шатен-штейн А. И., Дыхно Н.М., Васильева Л. Н., Ф айву ш М., ibid., 85, 381 (1952); д) Шатенштейн А. И.,Яковлева Е.А., Рихтер М. И., Лукина М. Ю., Казанский Б. А., Изв. АН СССР, Отд. хим. наук, 1959, 1805; е)Ш атенштейиА. И., Advan. Phys. Org. Chem., 1, 175 (1963).
22.	a) W i 1 m a r t h W. K., Dayton J. C., Flournoy J. M., J. Am. Chem. Soc., 75, 4549 (1953); 6) W i 1 mart h W.K., Dayton J. C., ibid., 75, 4553 (1953); в) Flournoy J. M., Wilmarth W. K., ibid., 83, 2257 (1961).
23.	Шатенштейн А. И., Advan. Phys. Org. Chem., 1, 176 (1963).
24.	а) Ингрехем Л., в книге «Пространственные эффекты в органической химии», под ред. Ньюмена, ИЛ. М., 1960, стр. 486. б) С о u 1-s о n С. A., Moffitt W. Е., J. Chem. Phys., 15, 151 (1947); в) W а 1 s h A. D., Trans. Faraday Soc., 45, 179 (1949).
25.	Шатенштейн А. И., Advan. Phys. Org. Chem., 1, 178 (1963).
26.	a) M о r t о n А. А., В г о w n M. L., J. Am. Chem. Soc., 69, 160 (1947);
6)	Morton A.A.,Marsh F. D.,Coombs R.D.,Lyons A. L., Penner S.E., Ramsden H.E.,Baker V.B.,Little E. L., L e t s i n g e r R. L., ibid., 72, 3875 (1950); в) L a m p h e r E. J., Redman L. M., Morton A. A., J. Org. Chem., 23, 1370 (1958).
27.	а) Шатенштейн А. И., Васильева Л. H., Дыхно H. M., ЖФХ, 28, 193 (1954); б) Шатенштейн А. И., Advan. Phys. Org. Chem., 1, 181 (1963).
28.	а) Шатенштейн А. И., Израилевич E. А., ДАН СССР, 108, 294 (1956); 6) S h a t e n s h t e i n A. I., Advan. Phys. Org. Chem., 1, 179 (1963).
29.	а) Шатенштейн А. И., Израилевич E. А., ЖФХ, 28, 3 (1954); б) Ю ригина E. H., Алиханов П. П., Израиле-в и ч E. А., Маночкина П. Н., Шатенште й'н А. И., ЖФХ, 34, 587 (1960); в) Шатенштейн А. И., Advan. Phys. Org. Chem., 1, 182 (1963).
30.	Streitwieser A., Jr., Lawler R. G., J. Am. Chem. Soc., 85, 2854 (1963).
31.	а) Шатенштейн А. И., Израилевич E. А., Ж OX, 32, 1930 (1962); б) Шатенштейн А. И., Tetrahedron, 18, 95 (1962); в) Ш a-тенштейн А. И., Advan. Phys. Org. Chem., 1, 184 (1963).
56
Гл. I. С — Н-иислоягы
32.	а) Д ы х н о Н. М., Шатенштейн А. И., ЖФХ, 28, И (1954): б) Шатенштейн А. И., Израилевич Е. А., ЖФХ, 32 2711 (1958); в) Шатенштейн А. И., Васильева Л. Н.. Д ы х н о Н. М., Израилевич Е. А., ДАН СССР, 85, 381 (1952): г) Шатенштейн А. И., Advan. Phys. Org. Chem., 1, 183 (1963): д) Шатенштейн А. И., Шапиро И. О., Якушин Ф. С., Исаева Г. Г., Раннева Ю. И., Кинетика и катализ, 5, 752 (1964).
33.	a) S trei twieser A., Jr., Van Sickle D. E., J. Am. Chem. Soc., 84, 249 (1962); 6) Streit wieser A., Jr., Koch H. F ibid., 86, 404 (1964).
34.	Hofmann J. E., Muller R. J., Schriesheim A., J. Am Chem. Soc., 85, 3002 (1963).
35.	a) С r a m D. J.,Scott D. A., Nielsen W. D., J. Am. Chem. Soc., 83, 3696 (1961); б) Шатенштейн А. И., Шапиро И. О., Якушин Ф. С., Исаева Г. Г., Раннева Ю. И., Кинетика и катализ, 5, 752 (1964); в) Streitwieser A., Langworthy W. С., V a n Sickle D. Е., J. Am. Chem. Soc., 84, 251 (1962); г) Hofmann J. Е., Schriesheim A., Nichols R. E.. частное сообщение.
36.	F e r s t a n d i g L. L., J. Am. Chem. Soc., 84, 3553 (1962).
37.	С r a m D. J., Mateos J. L., Hauck F., Langemann A., Kopecky K. R., Nielsen W. D., A 1 1 i n g e r J., J. Am. Chem. Soc., 81, 5774 (1959).
38.	Cram D.	J., S a	h у u n M. R. V.,	J.	Am. Chem. Soc., 84, 1734 (1962).
39.	С r a m D.	J., R i	c k b о г n В., К	n о	x G. R., J. Am. Chem. Soc., 82,
6412 (1960).
40.	Sahyun	M. R.	V., Cram D.	J.,	J. Am. Chem., 85, 1263 (1963).
41.	a) S c h r i	e s h e i	m A., Ro w e	C.	A., Jr., J. Am. Chem. Soc., 84,
3161 (1962); б) С r a m D. J., U у e d a R. T., ibid., 86, 5466 (1964).
42.	a) G a s s m a n P. G., Z a 1 a r F. V., Chem. Eng. News, 42, 44 (April 20, 1964); 6) W a 1 1 a с e T. J., H о f m a n n J.E.,S chri eshei m A., J. Am. Chem. Soc., 85, 2739 (1963).
43.	G r a m D. J., R i c k b о г n В., К i n g s b u г у G. A., H a b e r f >-eld P., J. Am. Chem. Soc., 83, 3678 (1961).
44.	L a n g f о r d С. H., Burwell R. L., Jr., J. Am. Chem. Soc., 82, 1503 (1960).
45.	Paul M. A., Long F. A., Chem. Rev., 57, 1 (1957).
46.	Cram D. J., Kingsbury C. A., Rickborn B., J. Am. Chem. Soc., 3688 (1961).
47.	Stewart R., O’ Donnell J. P.,Cram D.J., Rickborn B., Tetrahedron, 18, 317 (1962).
48.	Steiner E. C.. Gilbert J. M., J. Am. Chem. Soc., 85, 3054 (1963).
49.	Corey E. J., Chay kovsky M., J. Am. Chem. Soc., 84, 866 (1962).
50.	Price G. G., W h i t i n g M. C., Chem. and Ind. (London), p. 775 (1963).
51.	a) D a n n e r P. S., J. Am. Chem. Soc., 44, 2832 (1922); 6) Stearns R. S., W h e 1 a n d G. W., ibid., 69, 6025 (1947); в) H i n e J., H i n e M., ibid., 74, 5266 (1952).
52.	Ledwi th A., McFarlane N., Proc. Chem. Soc., p. 108 (1964).
53.	a) Steiner E. C., G i 1 b e r t J. M., J. Am. Chem. Soc., 87,382(1965); 6) S t e i n e r E. C., G i 1 b e r t J. M., ibid., 87 (1965).
54.	R i t c h i e C. D., J. Am. Chem. Soc., 86, 4488 (1964).
55.	С r a m D. J., Goss er L., неопубликованная работа.
56.	G г a m D. J., G о s s e r L., J. Am. Chem. Soc., 85, 3890 (1963).
ГЛАВА II
Строение карбанионов и механизм их стабилизации
Представления о строении карбанионов, не стабилизованных наличием заместителей, основаны на аналогиях со строением аммиака или аминов. Аммиак является изоэлектронным аналогом метил-аниона, и из того факта, что молекула аммиака построена в виде пирамиды [1], можно предполагать, что метил-анион также имеет пирамидальное строение, причем в этом случае, как и для аммиака, предполагается очень высокая скорость инверсии одной пирамидальной структуры в другую. При таком строении непо-деленная пара электронов и отрицательный заряд карбаниона занимают $р3-орбиталь, имеющую на 25% 2$-характер. В альтернативной структуре для метил-аниона неподеленная электронная пара и отрицательный заряд занимают р-орбиталь, а три атома водорода и атом углерода лежат в одной плоскости, причем связи образуются за счет перекрывания $р2-$-орбиталей. В третьей структуре гибридизации орбиталей углерода не происходит, и С — Н-связи образованы за счет р-орбиталей углерода, а пара электронов занимает 25-орбиталь. Из этих трех возможных структур наиболее вероятна структура, характеризующаяся $р3-гибри-дизацией, и, следовательно, для насыщенного карбаниона следует принять пирамидальную конфигурацию.
н	н	н	и
HZ	ХН
Сондерс и Ямада [2], изящно применив метод ЯМР, измерили скорость инверсии дибензилметиламина, а также скорость переноса протона от сопряженной кислоты к свободному амину при 25° в растворе водной соляной кислоты различной концентрации. Константа скорости для инверсии амина составляет 2 ± 1 • 105 сек'1, в то время как константа скорости переноса протона для 0,35 М раствора хлоргидрата амина в 2 н. соляной кислоте равна 6 ± 3-108 л-моль'1-сек'1. Полученные данные четко показывают, что процесс отщепления протона от соли с образованием амина и обратная протонизация протекают без инверсии. Эти результаты
58 Гл. II. Строение карбанионов и механизм их стабилизации
соответствуют данным по изучению стереохимии катализируемого основанием обмена водород — дейтерий (см. гл. III) и заставляют предполагать возможность такой же закономерности для € — Н-кислот и карбанионов в соответствующих системах.
Большинство карбанионов стабилизировано наличием заместителей или тем, что неподеленная пара электронов занимает орбиталь с очень высокой степенью 25-характера. В этой главе рассмотрено строение и механизм стабилизации карбанионов. Ниже будут обсуждены следующие типы стабилизации; влияние 5-характера орбитали, эффекты сопряжения, индуктивные эффекты, эффекты гомосопряжения, эффект ароматизации, эффект «отрицательной» гиперконъюгации и эффекты перекрывания d-орбиталей.
ВЛИЯНИЕ « ХАРАКТЕРА ОРБИТАЛИ
В гл. I обсуждались результаты исследований, установивших следующий порядок понижения термодинамической и кинетической кислотности: СН=СН > СН2 = СН2 > (СН2)3 > СН3СН3. В табл. 26 для этих четырех соединений указаны гибридизация атома углерода, образующего С — Н-связи, процент «-характера орбиталей атома углерода, осуществляющих С — Н-связь, и оценки величины рКа. По кинетической кислотности ацетилен близок к фенилацетилену [3], имеющему рКа = 21 по шкале Мак-Ивена [4а] и 18,5 по шкале МСЭД [4] (см. табл. 14, гл. I). Однако величина рКа ацетилена лежит между значениями для флуорена и анилина [36], что соответствует примерно 25 единицам рКа по шкале МСЭД.
Таблица 26
Корреляция между «-характером орбиталей атома углерода, осуществляющих С — Н-связи, и приблизительным значением кислотности вещества
Соединение	Гибридизация связи	s-Характер, %	P^a
нс = сн	sp	50	25
Н2С = СН2 сн2	sp2	33	36,5
Н2С—СН2	Sp2,2S	30	39
СН3—СН3	sp3	25	42
Гибридизация экзо-связи в циклопропане была определена путем вычислений, основанных на ряде физических данных [5].
Влияние s-характера орбитали
№
На рис. 4 по оси ординат отложена степень s-характера орбиталей атома углерода, осуществляющих С — Н-связи, а по оси абсцисс — рКа соответствующей С — Н-кислоты. Из рисунка видно, что существует линейная зависимость между этими величинами, причем чем больше s-характер С — Н-связи, тем сильнее С — Н-кислота. Это связано с тем, что электроны 2э-орбитали
Рис. 4. Зависимость приблизительных значении рКа от степени s-характера С — Н-связи.
ближе к ядру, чем электроны 2р-орбитали, и поэтому устойчивость карбанионов будет тем выше, чем выше 2s-xapaKTep занимаемой орбитали [5в, б].
Увеличение s-характера С — Н-связи может произойти, если другие связи этого углеродного атома входят в состав циклической системы, уменьшающей угол С — С — С. Кроме уже упомянутых в гл. I, имеется еще ряд исследований по кислотности напряженных циклических систем. Так, было найдено, что атом водорода, помеченный кружком, в соединениях I [7а], II [7в] и III [76] вступает в реакцию обмена водород — дейтерий, катализируемого основанием [7а], а также в реакцию металлирования [76,в]. Степень s-характера для экзо-циклической орбитали у углеродных атомов С-1 и С-2 в трициклическом углеводороде IV была рассчитана из констант спин-спинового взаимодействия 13С — Н
60 Гл. II. Строение карбанионов и механизм их стабилизации
в спектрах ядерного магнитного резонанса и составляла 40 и 29% соответственно [8]. Из этих данных следует, что если исходить из корреляции, представленной на рис. 4, то значения рКа для этих атомов соответственно равны приблизительно 32 и 39. Таким же методом для С-1 в соединении III было определено, что величина s-характера связи составляет 44%; следовательно (см. рис. 4), рКа для этого вещества около 29. В качественном соответствии с теорией, помеченный кружком водород в соединении III в условиях обмена водород — дейтерий под действием тпре^г-бутилата калия обменивается с mpem-бутиловым спиртом примерно в 104 раз быстрее, чем водород в соединении IV.
рКа-29 Ш
Результаты систематического изучения скоростей катализируемого триэтил амином обмена водород — дейтерий между D2O и рядом циклических кетонов в растворе диметилформамида представлены в табл. 27 [9]. Кислотность этих соединений в основном обеспечивается наличием карбонильной группы, но приведенные данные качественно коррелируют также с величиной s-характера С — Н-связи. Так, для цикланонов можно написать следующий ряд снижения скорости обмена: циклобутанон > циклопентанон > > циклогексанон > циклогептанон > дипропилкетон. Аналогично для фенил циклоалкил кетонов: циклопропил > циклобутил > циклопентил > циклогексил. Однако сложность стерических эффектов делает эту интерпретацию не очень надежной, особенно если учесть незначительный характер различия в скоростях.
Следующее исследование подтверждает возможность значительного погашения действия стерического фактора [10] в подобных случаях. Была измерена скорость нейтрализации нитроциклоалканов гидр окси л-ионом при 0° в смеси диоксан — вода (50 50) и найдены следующие значения скорости по отношению к скорости реакции для 3-нитропентана: нитроциклопропан 1; нитроцикло-
Влияние s-характера орбитали
61
Таблица 27
Относительные скорости обмена водород—дейтерий между D2O (5 М) и циклическими кетонами в диметилформамиде при 40° в присутствии триэтиламина (1 М) [9]
Кетон
Относительная скорость а
Кетон
Относительная скорость
Дипропилкетон Циклогептанон Циклогексанон Циклопентанон Циклобутанон
1
2,4
12
85
290
Изобутирофенон
Циклогексилфенилкетон Циклопентилфенилкетон Циклобутилфенилкетон Циклопропилфенилкетон
1
0,7
4,1
12
14
а Исправлены с учетом статистических факторов в тех случаях, где это необходимо .
бутан 96; нитроциклопентан 27; нитроциклогексан 7,5; нитроциклогептан 13,5; нитроциклооктан 10. В этом случае наименее кислым из всех соединений оказался нитроциклопропан, несмотря на то что величина s-характера связи для него наибольшая. Из этих данных следует, что в отсутствие сильно ацидифицирую-щих заместителей s-характер связи является надежным критерием для установления относительной кислотности С — Н-кислот, но при наличии подобных заместителей возникают более сильные эффекты, оказывающие решающее влияние на кислотность вещества. Возможно, что р-орбитали нитрогрупп перекрываются с орбиталью, занимаемой неподеленной парой электронов, в той степени, которая соответствует степени р-характера орбитали этой пары. Следовательно, влияние степени s-характера орбитали и эффекта делокализации заряда не аддитивны при стабилизации карбаниона.
Карбанионы, стабилизированные за счет s-орбитального эффекта, должны иметь пирамидальное строение (для случая третичного атома углерода), и скорость их инверсии снижается, если они входят в состав трехчленных циклов, вероятно, так же, как это наблюдалось для аналогов этиленимина [И]. Наличие элек-трон-делокализующих заместителей у аминогруппы этиленимина увеличивает скорость инверсии [11], и, вероятно, то же самое относится к их аналогам — карбанионам. Этот эффект будет подробнее рассмотрен в гл. III.
62
Гл. II.' Строение карбанионов и механизм их стабилизации
ЭФФЕКТ СОПРЯЖЕНИЯ
Можно предполагать, что гибридизация для карбанионов, стабилизированных заместителями, способными к делокализации заряда с участием более электроотрицательных элементов, должна приближаться к типу sp2-p, или тригональному. Такая конфигурация позволяет обеспечить максимальное перекрывание р-орби-тали углерода и орбиталей заместителя и локализовать отрицательный заряд в основном на гетероатоме. Для карбанионов, содержащих циан-, нитро- или карбонильную группу, наиболее вероятна плоская или почти плоская конфигурация, во всяком случае для ациклических систем.
Их _ уО	II	0-
/С — N7	<----> ^C = N; Анион нитрометана
н7 +хо- н7 + чо
Их	/а
/С = С7 н7	о
Ацетил-анион
Нх -;С—C=N <--->
н7
н
\C=C=N Ацетонитрил-анион
Искажение плоской конфигурации вследствие влияния стери-ческих или сольватационных факторов или эффектов, вызванных напряжением цикла, способно полностью снять эффект сопряжения, но лишь для крайнего случая, когда угол между плоскостью карбаниона и плоскостью карбонильной или нитр.огруппы составляет 90°.
Сасс и сотрудники [12] изучили кристаллическую структуру трицианометида аммония и дицианометилида пиридиния. Анион трицианометида имеет почти плоскую тригональную конфигурацию с углом 119,5° для связей С — С — С, причем центральный углеродный атом на 0,13 А выходит из плоскости, в которой лежат три атома азота. Угол между каждой группой С — С == N и ее
Дицианометилид пиридиния
Ион трицианометида
Эффект сопряжения
Ж
проекцией на эту плоскость составляет 3°. В дицианометилиде пиридиния кольцо пиридина и соседний атом углерода лежат в одной плоскости, а связи С — С — С боковой цепи образуют угол 119°. Атомы азота обоих цианогрупп на 0,13 А выведены из плоскости цикла.	*
Хороший пример ослабления кислотных свойств С — Н-кисло-ты из-за стерической затрудненности резонанса для соответствующего сопряженного основания приведен в работе Бартлета и Вудса [13]. Эти авторы нашли, что изображенный ниже бициклический дикетон является гораздо более слабой кислотой, чем соответствующий аналог с открытой цепью.
Бициклический 0-дикетон, очень слабая С—Н-кислота
Циклический 0-дикетон, довольно сильная С—Н- кислота
В случае бициклического дикетона пара электронов в карбанионе у мостикового углеродного атома зафиксирована на одной из $р3-орбиталей, которая неспособна обеспечить существенное перекрывание с р-орбиталями карбонильной группы вследствие большого угла между ними.
В случае углеводородных заместителей, способных к сопряжению с карбанионами, таких, как винильная, этинильная или фенильная группы, вопрос с гибридизацией менее ясен. Эффект делокализации благоприятен для образования плоской структуры карбаниона, но влияние s-характера орбитали, несимметричная сольватация или образование ионных пар, а также пространственные факторы могут деформировать плоскую структуру карбаниона.
Симметричные свойства аллил-аниона в отсутствие иона противоположного заряда предполагают равномерное распределение заряда по обоим концам цепи и наличие молекулярной орбитали, охватывающей область выше и ниже плоскости аниона. Несимметричное распределение заместителей может нарушить эту равномерность. Распределение заряда в отсутствие катиона для случая пропинил(или алленил)-аниона менее очевидно. В той степени, в которой заряд будет сосредоточен на менее замещенном конце молекулы, анион будет неплоским, поскольку аллен сам по себе неплоский. В случае, если заряд в основном локализован на более замещенном конце, этот углеродный атом будет стремиться при-

Гл. II. Строение карбанионов и механизм их стабилизации
нять пирамидальную конфигурацию, и анион в целом снова не будет плоским. Возможно, что истинная структура аниона будет промежуточной между этими двумя крайними структурами. Менее замещенный конец молекулы, вероятно, несет большую часть заряда, поскольку при этом электронная пара сможет занять орбиталь с большим s-характером. Полное сосредоточение заряда на более замещенном конце привело бы к пирамидальной конфигурации, при которой пара электронов занимает орбиталь, имеющую на 25% s-характер. Напротив, полное сосредоточение заряда за менее замещенном конце позволило бы паре электронов занять орбиталь, имеющую на 33% s-характер.
Аллил- анион
или
н\_	z нх
С—С=С—Н	С=С=С. ИЛИ 'С— С=С
W	W	>Н н^'
Две крайние структуры пропинил-
Промежуточная
аниона
структура
Плотности л-электронов в различных положениях в бензил-литии, дифенилметиллитии и трифенилметиллитии были рассчитаны по данным ЯМР-спектроскопии [14]. Спектры, а следовательно, и распределение заряда для трифенилметилнатрия и трифе-нилметиллития в тетрагидрофуране почти одинаковы, причем в последнем случае спектр мало изменялся при замене растворителя тетрагидрофурана на гексаметилфосфоамид и диметилсульфоксид. Следовательно, трифенилметильные металлоорганические соединения должны быть практически полностью ионизированы, хотя и не диссоциированы.
Распределение заряда для разных положений приведено в табл. 28. Эти данные находятся в качественном соответствии с результатами расчета для ионов по методу молекулярных орбиталей для самосогласованного поля.
Оказалось, что для бензиллития лишь 38% заряда сконцентрировано в а-положении, а для двух других веществ это значение еще меньше. Низкая концентрация заряда в ориго-положении. вероятно, объясняется электростатическим отталкиванием, связанным с близостью ориго-положений в наиболее вероятной кон-
Индуктивные эффекты
65
Таблица 28
Распределение заряда в фенилзамещенных производных метил лития (величины даны в долях заряда электрона) [14]
Соединение	Положение			
	а	орто	мета	пара
CeH5CH2Li	0,38	0,12	0,10	0,18
(С6Н5)2СНЫ	0,08	0,08	0,07	0,16
(С6Н5)3СЫ	0,13	0,00	0,08	0,13
формации (пропеллер). В иа/ш-положении величина заряда значительно больше, чем в о/)тпо-положении, а в случае трифенилме-тиллития даже лгедтш-положение богаче зарядом, чем о/?тпо-поло-жение. Тот факт, что 62% заряда сосредоточено в ядре, заставляет предполагать, что а-углерод в бензиллитии обладает конфигурацией, промежуточной между плоской и пирамидальной, и что скорость инверсии необычайно велика.
Системы типа циклогептатриенид-аниона [15] являются, вероятно, плоскими или почти плоскими, хотя данных по этому вопросу еще нет.
ИНДУКТИВНЫЕ ЭФФЕКТЫ
В этом разделе не будет проводиться разграничений между индуктивным эффектом, эффектом поля и электростатическим эффектом, за исключением тех случаев, когда они будут необходимы. Обычно эти эффекты будут рассматриваться вместе как индуктивный эффект.
Из обычных заместителей только четвертичная аммониевая группа и фтор относятся к разряду заместителей, стабилизирующих карбанион за счет чисто индуктивного эффекта. Хотя попытки определить кислотность а-водородов четвертичной аммониевой системы часто приводят к реакциям замещения, элиминирования или перегруппировки, однако для иодида тетраметиламмония такие данные имеются. Оказалось, что это соединение металлируется фениллитием [16а], но не бензилнатрием [166]. Очевидно, что эта соль аммония является более сильной кислотой, чем бензол. Отсутствие же реакции с бензилнатрием может быть результатом очень медленного протекания переноса протонов. Водородный обмен иодида тетраметиламмония происходит при нагрева-5-539
66
Гл. II. Строение карбанионов и механизм их стабилизации
нии с D20 при 83° в присутствии 0,31 М NaOD с константой скорости К = 9,4-10-10 сек"1 [17]. Обмен (СН3)4 NOD в игреиг-С4Н9ОВ при 50° и концентрации 0,3 М протекает со скоростью около 10"7 с^кг1, т. е. примерно на два порядка медленнее, чем отщепление протона от З-фенилбутена-1 [18]. Совокупность этих данных заставляет предполагать, что рКа иона тетраметиламмония сравнима с рКа трифенилметана, т. е. близка к 33 единицам по шкале МСЭД (см. табл. 14, гл. I).
Для трифторметана было найдено [19] рКа около 31 по шкале МСЭД [4а], но возможно, что эта величина несколько завышена в свете более точных данных Стрейтвизера [46] (см. ниже в этой главе). Следовательно, три атома фтора в трифторметане оказывают большее ацидифицирующее влияние на углерод, чем наличие формального заряда у тетраалкиламмониевой группы.
Пока нет данных по конфигурации карбанионов, стабилизация которых обеспечивается лишь индуктивным эффектом. Если в илиде триметиламмония неподеленная электронная пара занимает р-орбиталь, то возможно, что заряды несколько дальше друг от друга, чем в том случае, когда электроны находятся на sp3-орбитали. Если же электронная пара находится на s-орбитали, то заряды будут ближе друг к другу. Следовательно, существует вероятность того, что электронная пара занимает орбиталь, имеющую даже больший s-характер, чем 5р3-орбиталь.
Некоторые экспериментальные данные говорят в пользу этой возможности. Углы связей А — N — А в соединениях типа :NA3 уменьшаются по мере увеличения электроотрицательности заместителя А [66]. Так, например, угол С — N — Св триметиламине равен 109°, угол Н — N — Н в аммиаке 106°46', а угол F —N — F в трехфтористом азоте 102°30' Эти данные заставляют предполагать, что повышение электроотрицательности заместителя при водит к увеличению s-характера орбитали центрального атома, в результате чего растет s-характер орбитали, занимаемой непо-деленной парой электронов [66]. Что же касается о-связей, то для них увеличивается р-характер по мере оттягивания электронов заместителями, поскольку р-орбитали более вытянуты, чем s-орбитали. По вопросу о том, каким образом комбинируется действие этих эффектов, уменьшающее энергию илида триметиламмония или трифторметил-аниона, можно только делать предположения.
Индуктивный эффект может проявляться в системе, для которой пирамидальная конфигурация карбаниона закрепляется наличием мостиковой системы триптицена [20]. По шкале кислотности МСЭД (табл. 14, гл. I) для трифенилметана рКа = 32,5, для триптицена 38 и для метана 40. Из-за жестко закрепленной ориентации орбиталей в случае аниона триптицена эффект делокализа
Индуктивные эффекты
67
ции заряда может быть выражен лишь очень слабо. Следовательно, индуктивное влияние трех фенильных групп в триптицене достаточно велико, чтобы вызвать изменение кислотности приблизительно на 2 единицы по шкале МСЭД. Эксперимент также показывает, что и в случае трифенилметана вклад индуктивного эффекта фенильных групп в увеличение кислотности за счет наличия этих групп достаточно велик [20].
На примере системы [1, п 1-парациклофанов [21] были получены результаты, имеющие прямое отношение к вопросу об относительном вкладе индуктивного и резонансного эффектов фенильной группы в устойчивость карбанионов [211. В табл. 29 приве-
Таблица 29
Относительные скорости обмена водород—дейтерий между шреш-бутиловым спиртом-d и соединениями V и VI при 195° в присутствип шреш-бутилата калия
Соединение
(л-С2Н5С6Н4)2С@
V
т —12 т = 11 т = 10
т — 9
т = 8
Относительная скорость
1
2
2,3
0,2
0,06
0,002
дены данные по относительной скорости обмена водород — дейтерий между веществами V и VI и игреиг-бутиловым спиртом-d в присутствии игреиг-бутилата калия. В условиях реакции обмен происходит почти исключительно по бензгидрильному положению. По мере уменьшения числа т угол между связями 0 уменьшается, и карбанион выводится из сопряжения с бензольными кольцами, причем для случая VI при т = 8, вероятно, почти полностью. Однако при этом увеличивается s-характер С — Н-связей, что должно способствовать повышению кислотности вещества. Снижение скорости обмена примерно на три порядка при переходе от
5*
68
Гл. II. Строение карбанионов и механизм их стабилизации
m = 12 к т = 8 отражает наложение этих двух эффектов. Очевидно, что именно индуктивный эффект фенильных групп играет главную роль в том, что это различие в кинетической кислотности меньше, чем могло бы быть.
Влияние большинства групп, стабилизирующих карбанионы, складывается из суммы разных электронных эффектов, чаще всего индуктивного эффекта и эффекта сопряжения. Попытки разделить эти эффекты сводятся к использованию констант заместителя по Гаммету ом и оп [22]. Ряд авторов, особенно Тафт и сотрудники (23а, б], Кон и Джонс [23в 1, работали в этом направлении. Последние авторы опирались на значения констант заместителей (от), полученных из величин рКа ряда мета- и пара-замещенных фенолов в воде при 25°. Параметр ой был разделен на резонансную (ой) и индуктивную (оу) компоненты с использованием допущений, представленных в уравнениях (1) и (2).
(П
(2)	<*7 = °^
Как обычно, чем выше положительное значение о", тем больше стабилизация аниона заместителем. Заместители, о? и ой и отношение ойп/оуп приведены в табл. 30.'
Таблица 30
Относительный вклад индуктивного и резонансного эффектов в способность заместителя увеличивать кислотность фенолов в воде при 25° [23в]
Заместитель	On		°Rn	°In	°Rn/°In
СН3О	-0,13	0,12	—	—	—
СО7	0,24	-0,02	—	—	—
Вг	0,25	0,40	—	—	—
SOj	0,40	0,28	0,21	0,19	1,1
conh2	0,61	0,28	0,42	0,19	2,2
co2c2H5	0,64	0,37	0,39	0,25	1,6
N(CH3)J	0,77	0,85	—	—	—
сосн3	0,84	0,33	0,62	0,22	2,8
CN	0,88	0,59	0,48	0,40	1,2
сно	1,04	0,48	0,72	0,32	2,3
no2	1,24	0,69	0,78	0,46	1,7
SO2CH3[45a]	0,98	0,70	0,51	0,47	1,1
SOCH3[456]	0,73	0,53	0,38	0,35	1,1
SO2CF3[46]	1,36	0,92	0,75	0,61	1,2
Индуктивные эффекты
69
Отношение вв.п1в1п для групп, способных к сопряжению (CONH2, СООС2Н5, СОСНз, CN, СНО и NO2), колеблется от 1,2 для цианогруппы до 2,8 для ацетильной группы. Если бы константы о вычисляли из значений рКа для замещенных толуолов или определяли в растворителе, не образующем водородных связей, то наблюдалось бы иное отношение вкладов индуктивного и резонансного эффектов. В приведенных данных весьма интересно то, что индуктивный эффект вносит вполне ощутимый вклад в суммарный эффект заместителя даже для случая групп, которые способны наилучшим образом вступать в сопряжение с отрицательным зарядом. То же самое наблюдалось для фенильной группы в трифенилметане [20].
Очень интересен пример, показывающий отсутствие аддитивно-’ сти в действии индуктивного эффекта и эффекта сопряжения. Оказалось, что все четыре а-водородных атома л-метилбензальфто-рида обмениваются с тре/п-бутиловым спиртом-d в присутствии zzipem-бутилата калия примерно с одной и той же скоростью [24]. Если бы эти два эффекта были независимы, то обмен по углероду, связанному с двумя атомами фтора и с арильной группой, должен был бы протекать гораздо быстрее, чем по другому а-углероду. Вероятно, в дифторметильном анионе индуктивный эффект двух атомов фтора увеличивает ^-характер связи С—F (за счет />-орбита-ли атома углерода) и пара электронов и заряд аниона занимают орбиталь с необычно высоким процентом s-характера. Такая орбиталь будет обладать пониженной способностью к перекрыванию с л-электронами соседнего бензольного кольца, в результате чего действие индуктивного эффекта и эффекта делокализации на стабилизацию этого аниона не сможет проявиться в полной мере.
Ряд кинетических исследований по скорости изотопного обмена, катализируемого основанием, дают возможность глубже понять индуктивный эффект и его взаимосвязь с эффектами сопряжения. Десси и сотрудники [3] изучили скорость изотопного обмена между рядом монозамещенных ацетиленов и D2O (5 М) в диметилформ-амиде в присутствии триэтиламина (1 М). Относительные значения скоростей приведены в табл. 31.
Водород как заместитель сравним с фенилом, несмотря на электроноакцепторный индуктивный эффект фенильной группы. Это говорит о незначительной величине действующего в обратном направлении эффекта сопряжения, стремящегося рассредоточить положительный заряд по бензольному кольцу. Близость кинетической кислотности ацетилена и фенилацетилена резко контрастирует с различием почти в 6 единиц рКа для их термодинамической кислотности по шкале МСЭД.
/ S— С=С—н —* 4-/	\=С = С—н
70
Гл. II. Строение карбанионов и механизм их стабилизации
Таблица 31
Относительные скорости изотопного обмена между монозамещенными ацетиленами и 5 М D2O в диметплформамиде в присутствии 1 Jf трпэтпламина при 40° [3]
Заместитель	Относительная скорость	Заместитель	Относительная скорость
свн5	1,0	o-CF3CeH4	3,5
н	0,73	jw-CF3C6H4	5,2
С4Н9	0,058	n-CF3C6H4	3,3
СН3О	2,0	.м-С1С6Н4	28
(C6H5)3Si	68	п-С1С6Н4	4,8
o-FCeH4	4,7	n-BrCeH4	2,1
Ae-FC6H4	7,7	n-CH3OC6H4	1,0
n-FC6H4	1,5	n-HC=CC6H4	13,8
Ни для одного случая из приведенных в табл. 31 п-заместите-лей делокализация отрицательного заряда не сводится к простому эффекту сопряжения, поэтому величина этого эффекта достаточно неопределенна. Тот факт, что n-метоксифенильная группа действует так же, как фенильная, указывает на то, что электронодонорные свойства метоксигруппы почти сводят на нет тот дополнительный индуктивный эффект, которым она обладает. Такой же вывод можно сделать из наблюдения, что метоксигруппа, находящаяся непосредственно у тройной связи, увеличивает скорость обмена в сравнении с самим ацетиленом примерно в три раза. Сравнение относительных скоростей для м- и п-галогенфе-нилацетиленов также показывает, что эффект сопряжения электронных пар атомов галогена налагается на их индуктивный эффект, причем последний фактор является более существенным. И данные эксперимента и теория позволяют исключить эффект сопряжения между арильным остатком и отрицательным зарядом ацетиленид-иона. К тому же выводу пришли и другие исследователи [25]. Замедление скорости обмена в 13 раз при переходе от водорода к бутилу также вполне понятно, если исходить из электронодонорного индуктивного эффекта алкильных групп. Эти сравнения скоростей осложняются отсутствием тождества между найденными константами изотопного обмена и скоростями ионизации С — Н-связей (см. гл. I и III).
Шатенштейн и сотрудники [26а, б], а также Робертс и сотрудники [26в] изучили обмен дейтерия в орто-, мета- и пара-иопо-
Индуктивные эффекты
71
жениях монозамещенных производных бензола с жидким аммиаком, катализируемый амидом калия. Относительные значения скоростей обмена по сравнению с самим бензолом, исправленные с учетом статистического фактора, приведены в табл. 32 вместе со значениями для 07 [23а].
Таблица 32
Скорости обмена водород —дейтерий (катализатор — амид калия) между жидким аммиаком и о-, м- и п-дейтеропроизводными монозамещенных бензолов относительно скорости обмена дейтеробензола (исправленной с учетом статистического фактора) [26а]
Заместитель	Положение			
	орто		пара	
СН3	0,2	0,4	0,4	—0,05
Н	1	1	1	0,00
(CH3)2N	1,4	0,2	0,07	0,1
С6Н5	4,7	3,3	2,9	0,1
С6Н5 (CH3)N	33	2,9	1,3	—
СН3О	5-102	1	0,5	0,25
Свн5о	2-104	50	4	0,38
CF3	105	104	104	0,41
F	106	Юз	102	0,52
Хотя величина скорости обмена изменяется на семь порядков, график Oj— логарифм скорости обмена дейтерия (в орпго-положе-нии к заместителю) представляет собой прямую линию [26]. Эта линейная корреляция типа уравнения, связывающего логарифм константы скорости с изменением свободной энергии, дает основание предполагать, что кинетическая кислотность в орпго-поло-жении к заместителю определяется в основном индуктивным эффектом. По-видимому, другие факторы играют важную роль для случая обмена дейтерия в мета- или пара-положении по отношению к заместителю. Так, например, если в пара-положении к дейтерию находится трифторметильная группа, то обмен протекает в 102 раз быстрее по сравнению с n-фторзаместителем, хотя индуктивный эффект фтора, стабилизирующий карбанион, больше на 0,1 а2. Это сравнение в совокупности с другими данными табл. 32 позволяет предполагать, что эффекты сопряжения налагаются па индуктивный эффект и их роль возрастает по мере удаления заместителя от места образования карбаниона. Так, например,
72
Гл. II. Строение карбанионов и механизм их стабилизации
для метоксигруппы сг7 = 0,25, поэтому скорость обмена в пара-положении должна была бы возрасти по крайней мере в 10 раз, если бы действовал лишь индуктивный эффект, но на деле метоксигруппа в пара-положении снижает скорость обмена в 2 раза. Резонансный эффект типа, показанного на схеме для анизола, по-видимому, ответствен за снижение кислотности дейтерия в пара-положении.
СН3О— / —D *
•» СН3б=/__/—D
Аналогичные опыты были поставлены Робертсом с сотрудниками [26в], которые показали определяющее влияние индуктивных эффектов функциональных групп на скорость реакции.
Прекрасный пример совместного действия индуктивного эффекта и эффекта сопряжения на величину кинетической кислотности можно видеть при изучении легкости обмена водород — дейтерий для хинальдина [27]. При нагревании хинальдина с различными дейтерированными спиртами до 120° происходит обмен по метильной группе даже в отсутствие оснований. Скорость этого обмена неплохо коррелирует с кислотностью изучаемых спиртов (определенной индикаторным методом) относительно кислотности пропанола-2 [28]. В табл. 33 приведены соответствующие данные.
Таблица 33
Скорости обмена метильных атомов водорода хинальдина с различными дейтерированными ] спиртами при 120° [27]
Спирт	к/ка	h • 1 О7, сек-1
(СН3)2СНОН (D)	1	7
С2Н5ОН (D)	12,5	20
Н2О	15	—
СН3ОН (D)	20	30
НО(СН2)3ОН	150	—
hconh2	162	—
(D) НОСН2СН2ОН (D)	540	90
НОСН2СНОНСН2ОН	2200	—
С(СН2ОН)4	5500	—
а К = [А~]/[НА] [U30-C3H7O-] для спирта в изо-C3H7OH, Ко — для самого U30-C3H7OH.
Эффекты гомосопряжения
73
Тот факт, что со спиртами наблюдается большая скорость обмена, чем с аммиаком, предполагает механизм обмена, включающий образование ионной пары перед расщеплением С — Н-связи [29].
Особым случаем проявления эффекта, возможно имеющего индуктивный характер, является пример повышенной кислотности ферроцена, который металлируется и даже бис-мета л лируется в ядро под действием бутиллития в тех условиях, когда бензол не вступает в реакцию [301
ЭФФЕКТЫ ГОМОСОПРЯЖЕНИЯ
Повышенная кинетическая кислотность метильных групп таких соединений, как этилбензол или 1,1,1-трифенилэтан, в сравнении с насыщенными алканами может служить примером роли гомосопряжения в стабилизации карбанионов [31]. Так, например, атомы водорода метильной группы этилбензола претерпевают полный обмен при нагревании с дейтерированным аммиаком при 120° в течение 50 час в присутствии 0,7 М амида калия (дейтерированного). В аналогичных условиях гептан обменивает менее половины своих метильных атомов водорода после нагревания в течение 500 час. Несмотря на плохую растворимость, 1,1,1-трифенилэтан обменивает свои метильные водороды гораздо быстрее, чем тп/эелг-бутилбензол.
Хотя нет оснований сомневаться в том, что 0-арильная группа ацидифицирует углеводороды, природа этого эффекта не ясна. Индуктивный эффект резко уменьшается с увеличением расстояния, но в случае 0-положения его значение может быть еще достаточно велико, чтобы объяснить наблюдаемый результат. Альтернативное объяснение состоит в том, что имеет место эффект гомосопряжения и что соседняя арильная группа участвует в удале-
74
Гл. I. Строение карбанионов и механизм их стабилизации
нии протона. Если такой механизм применим, то должен возникать «фенанион» и как результат — продукты перегруппировки. Однако продукты перегруппировки не были обнаружены. Перегруппировки типа представленной ниже обсуждены в гл. VI.
н <:В
(С„Н5)2С—сн2	—*•
с6н5
1,1,1-Трифенил этан
Фенанион
D
(Сбн5)2с—сн2с6н5
1,1,2-Трифеннлэтав-1-4
Фенильная группа также оказывает некоторое ацидифицирую-щее влияние на метильные водороды в анизоле, диметиланилине и дифенилметиламине [32]. Относительные скорости обмена между этими соединениями, дейтерированными по метильной группе, и аммиаком под действием амида калия приведены ниже наряду с данными по обмену для толуола. К сожалению, сравнить эти результаты с данными для насыщенных аналогов не удается. Индуктивный эффект О — С- и N — С-связей, вероятно, играет главную роль в увеличении подвижности протона, но фенильная группа также оказывает свое влияние и, по-видимому, многими способами: эффектом гомосопряжения, индуктивным эффектом и путем оттягивания электронов кислорода и азота в бензольное кольцо.
CD3 CD3 C6II5 CD3
20	1	2
6 —CDo
Резонансно-стабилизированная структура анизол-аниона
Аналогичный пример гомосопряжения был найден при образовании гомоенолятного аниона в процессе рацемизации оптически активного камфенилона (VII), а также при его дейтерировании обработкой mpem-бутилатом калия в mpem-бутиловом спирте-d при 185° [33]. Оба процесса протекают с одинаковой скоростью, а этот факт требует постулирования в качестве промежуточной
Эффекты ароматизации
75
стадии гомоенолятного иона, в гл. III.
Стереохимия реакции обсуждена
Оптически активный
Рацемический VII, дейтерированный в положение 6
Возможно, что в пользу гомосопряжения говорит также наблюдение, что ди-лпрет-бутилкетон вступает в реакцию обмена водород — дейтерий при обработке mpem-бутиловым спиртом-d в присутствии 1 М бутилата калия при 230° [34].
ЭФФЕКТЫ АРОМАТИЗАЦИИ
Одним из достижений теории молекулярных орбиталей является предсказание, что из числа моноциклических полностью сопряженных плоских полиолефинов особенно устойчивыми будут те, которые обладают (4 п }-2) л-электронами (п = 0,1,2,3 и т. д.), поскольку в этих случаях полностью заполняются связывающие молекулярные орбитали и выигрывается значительная энергия за счет делокализации электронов [35]. Наименьшие карбоцикли
Ци^пооктатет-раен-дианион
Циклононатет* раен-анион
Циклобута-диен-дцанион
Циклопента-диен-а.ннон
рКа~15 [3]
рКа~36 [15а,4б]
76 Гл. II. Строение карбанионов и механизм их стабилизации
ческие ненасыщенные анионы, для которых выполняется требование (4п + 2),— это циклобутадиен-Дианион, циклопентадиеп-анион, цикл ооктатетраен-дианион и цикл ононатетраен-анион. Вследствие предполагаемой устойчивости этих анионов их сопряженные С — Н-кислоты должны иметь значительно меньшие величины рКа, чем их ациклические аналоги. С другой стороны, кислотность циклогептатриена должна быть сравнимой с кислотностью гептатриенов. Тот факт, что разница между значениями рКа для циклопентадиена и циклогептатриена примерно составляет 21, говорит о качественном совпадении теории и эксперимента.
Инден и флуорен, анионы которых изоэлектронны с нафталином и антраценом (или фенантреном), соответственно также обладают повышенной кислотностью, но в меньшей степени, чем циклопентадиен [46], причем значения рКа снижаются примерно на 3,5 единицы на каждую бензогруппу.
рКа~22,9 [46]
рКа ~ 18,5 [46]
Циклооктатетраен-дианион был получен при обработке цикло-октатетраена щелочными металлами в эфире или жидком аммиаке [36]. Карбоксилирование этих солей дает дикислоты, чем устанавливается факт образования соли.
Дикалиевая соль была выделена в кристаллическом состоянии [37], и спектр ядерного магнитного резонанса этой и дилитиевой солей были сняты в растворе тетрагидрофурана. В спектрах обеих солей имеется единственный острый пик, незначительно смещенный от резонансного сигнала самого циклооктатетраена. Рассмотрение равновесия между циклооктатетраеном, его дианионом и радикал-анионом показывает, что наиболее вероятна структура дианиона. В соединениях типа нафталина равновесие сдвинуто в сторону радикал-анионов [38].
Циклоокта-тетраен
Острый пик при т. 4,3 м.д.
Радикал-анион
Эти наблюдения согласуются только с плоской и существенно роматической структурой дианиона, содержащей 10 (п = 2 в ормуле 4п-]-2) электронов.
Эффекты ароматизации
77
Соли циклононатетраенид-аниона были синтезированы двумя методами [39]. По первому способу [39а] дикалиевую соль цикло-октатетраена обрабатывали хлороформом в тетрагидрофуране; при этом образовалось соединение VIII, которое после обработки калием или литием в тетрагидрофуране дало желаемые соли. В ЯМР-спектре калиевой соли имеется единственный острый пик при т 2,96 м. д., а в спектре литиевой соли —пик при т 3,15 м. д. (в тетрагидрофуране). Эти данные указывают на то, что здесь также мы имеем дело с плоским и ароматическим кольцом [39а].
По второму способу получения соли [396] соединение VIII синтезируют по реакции циклооктатетраена с хлористым метиленом и метиллитием; затем VIII превращают в соль обработкой литием.
VIII	Циклононатетраснид
калия или лития
Циклононатетраенид тетраэтил аммония был получен при действии хлористого тетраэтиламмония на литиевую соль. В ЯМР-спектре литиевой соли имеется узкий сигнал при т 3,28 м. д., а в спектре четвертичной аммониевой соли — при т 3,18 м. д. Авторами был сделан вывод о том, что анион имеет плоскую структуру с осью симметрии девятого порядка [396]. Литиевая соль не обменивает электроны с циклооктатетраеном, но образует циклопен-тадиенид лития при обработке циклопентадиеном. Эти опыты показывают, что циклопентадиен — более сильная кислота, чем циклононатетраен.
Другим примером устойчивости системы (4п + 2) электронов является устойчивый дианион пенталена [40]. Дигидропентален под действием бутиллития дает дилитийпенталенид, устойчивую белую соль, в ЯМР-спектре которой имеется триплет с центром при т 4,27 м. д. (2 протона) и дублет с центром при т 5,02 м. д. (4 протона). Такой спектр характеризует эту соль как плоскую псевдоароматическую структуру.
2C4H9Li
Дигидропентален
(сн2)4о
Пенталенид лития
78 Гл. II. Строение карбанионов и механизм их стабилизации
ЭФФЕКТ «ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ» ГИПЕРКОНЪЮГАЦИИ
Поскольку карбониевые ионы стабилизируются за счет гиперконъюгации с участием С — Н-связей, можно предположить, что карбанионы могут стабилизироваться за счет «отрицательной гиперконъюгации» с участием С — F- или С — О-связей. В ранних работах Робертса и сотрудников [41а] содержатся данные, указывающие на то, что трифторметильная группа в большей степени оттягивает электроны из пара-положения, чем из мета-положения, для бензойной кислоты и анилиний-иона. Эти авторы, а также другие [416] получили значения оЛ1 = 0,41, ап = 0,53, cQ = 0,49 и сГц = 0,65. Способность трифторметильной группы к сопряжению была истолкована ими с привлечением представленных ниже резонансных структур с разорванными связями:
Если принять [23в], что применимы уравнения (1) и (2), то тогда акп/а/п = 0,65, следовательно, эффект сопряжения в общем электронном эффекте трифторметильной группы играет несколько меньшую роль, чем в случае других сильных электроноакцепторных групп, но тем не менее величина этого эффекта сопряжения вполне заметна (см. табл. 30).
Шеппард [41в] подробно изучил влияние заместителей, содержащих фтор, и нашел, что = 0,52, а (Уп = 0,67 для перфторизопропильной группы в случае равновесия анилиний-ион — анилин. Эти значения не слишком отличаются от значений для трифторметильной группы и показывают, что перфторизопропильная группа обладает некоторой способностью к сопряжению. Это может быть также истолковано с помощью следующих резонансных структур, в том числе и структур с разорванными связями:
Эффект «отрицательной» гиперконъюгации
7!)
Хайну [42] удалось скоррелировать многочисленные данные на основании представлений о резонансе с участием структур типа «двойная связь — разорванная связь», которые лучше всего рассмотреть на примере резонансных структур для CF4 и С(ОСН3)4:
F	F	ОСН3	ОСН3
I	- I	I	- I +
F —С —F < > F G=F+	СН3О —С —ОСН3 < -> СН3О С = ОСНЯ
II	I	I
F	Кит. д.	ОСН3	ОСН3 и т. д.
Подтверждение этим представлениям можно найти в величинах теплот горения и теплот реакции, констант равновесия для гало-генметанов и при сравнении констант скоростей гидролиза моно-, ди- и триэтоксиалканов.
По-видимому, наиболее убедительные данные в пользу значительной роли эффекта «отрицательной» гиперконъюгации в стабилизации карбанионов можно найти в работе Андреадеса [19], изучавшего обмен водород — дейтерий между моногидрофторуглеродами (IX—XII) и метанолом-O-d в присутствии метилата натрия. При этом удачно оказалось, что скорость элиминирования меньше, чем скорость обмена. В табл. 34 приведены данные по скоростям реакции обмена.
Таблица 34
Относительные скорости обмена водород — дейтерий между метанолом-O-d и моногидрофторуглеродами при—29° в присутствии метилата натрия [19]
Соединен	Количество эквивалентных резонансных структур аниона	Относительная скорость	
CF3-H (IX)	0	1,0	28
CF3 (CF2)5CF2—Н (X)	2	6	27
(CF3)2CF —Н (XI)	6	2-105	18
(CF3)3C — II (XII)	9	109	11
а По шкале Стрейтвизера.
Столь резкие различия в скоростях при. переходе от первичных к третичным фторуглеродам, по-видимому, в основном объясняются порядком устойчивости фторуглеродных карбанионов: третичный > вторичный > первичный. Эти данные показывают, что девять атомов фтора в 0-положении несравненно сильнее стабилизи-
80 Гл. II. Строение карбанионов и механизм их стабилизации
руют карбанион, чем три атома фтора в а-положении. Этот эффект может быть хорошо объяснен с использованием представлений о стабилизации карбанионов за счет «отрицательной» гиперконъюгации. Чем больше число атомов фтора в p-положении, тем больше число возможных эквивалентных резонансных структур и тем больше стабилизован карбанион. Если описывать индуктивный эффект с учетом вклада в структуру резонансного гибрида резонансных структур с разорванными связями, то тогда индуктивный эффект, передающийся из p-положения, совпадет по смыслу с эффектом гиперконъюгации.
9 эквивалентных 9 эквивалентных структур	структур
Величины рКа для соединений IX—XII были получены следующим образом [19]. Поскольку соединение XII способно к обмену водород — дейтерий при 80° в этаноле-O-d, то для него принято рКа ~ 11 [43]. Скорость обмена 9-тритийфлуорена в системе метилат натрия — метанол в 200 раз выше, чем скорость обмена соединения X. Был построен график зависимости 1g к от рКа для флуорена (рКа ~ 25) [4а] и флуорадена (р/Га ~ 11) [43], и величины рКа для соединений IX, X и XI были получены из этого графика. Если применить шкалу Стрейтвизера [46], то для IX и X получается^значение рКа около 28 и 27, а для XI — около 18. Этитданные приведены в табл. 34.
Возникает вопрос о типе гибридизации углерода в карбанионах, образующихся из соединений X—XII. Стремление заряда занять орбиталь, обладающую возможно большим s-характером, увеличивает вероятность пирамидальной структуры для карбаниона. Неясно, какой из типов гибридизации орбиталей углерода (электроны на р- или $р3-орбиталях) обеспечит наилучшее перекрывание с С — F-связью. Стерическое отталкивание между группами, связанными с карбанионом, благоприятствует плоской конфигурации последнего.
d-ОРБИТАЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ
Ряд экспериментальных данных указывает на то, что карбанионы могут стабилизироваться за счет перекрывания орбиталей
d-Орбитальные эффекты
81
неподеленной электронной пары и Зй-орбиталей соседнего элемента второго периода. Но обычно этот эффект трудно распознать из-за наличия значительного стабилизирующего индуктивного эффекта. Ниже сначала будет обсуждаться способ подхода к проблеме разделения этих эффектов, а затем вкратце рассмотрены результаты применения теории молекулярных орбиталей к проблеме зависимости d-орбитальной стабилизации карбаниона за счет сульфоновой группы от угла и состояния гибридизации связей. Затем будут рассмотрены экспериментальные данные.
Один из возможных подходов к разделению d-орбитального и индуктивного эффектов лучше всего представлен в работе Дёринга и Гофмана [17], измеривших параметры активации и скорости катализируемой OD" реакции обмена между D2O и ионами тетраметиламмония, тетраметил фосфония и триметилсульфония. Результаты приведены в табл. 35.
Таблица 35
Относительные скорости и параметры активации обмена между D2O и ионами аммония, фосфония и сульфонил, катализируемой OD [17]
Ион	Относительная скорость при 62°	дн^’ ккал/моль	Дв^» энтр. ед.	Длина связи с-х, А
(CH3)4N+	1	32,2±0,6	—15±2	1,47
(СН3)4Р+	2,4-106	25,6±0,2	+4±1	1,87
(CII3)3S+	2,0-107	22,4±0,5	-1±2	1,81
Эти результаты четко демонстрируют сильное стабилизирующее влияние d-орбитального эффекта на устойчивость переходного состояния при образовании карбаниона. Сравнение скоростей обмена для аммония и фосфония показывает, что для последнего реакция идет на 6 порядков быстрее, а теплота активации в этом случае на 6,6 ккал!моль меньше. В то же время стабилизирующий карбанион индуктивный эффект (электростатический) должен быть гораздо сильнее для иона аммония, чем для иона фосфония, поскольку С — P-связь на 27% длиннее, чем С — N-связь, а кулоновские взаимодействия очень быстро уменьшаются с увеличением расстояния. В отсутствие индуктивного эффекта разница в теплотах активации для этих двух ионов должна была бы быть заметно больше, чем 6,6 ккал!моль. Очевидно, что разница в скоростях и энтальпиях активации связана с эффектом стабилизации карбаниона за счет d-орбитального эффекта [17].
6-539
82
Гл. II. Строение карбанионов и механизм их стабилизации
Большое различие в скоростях обмена между ионами аммония и фосфония вполне понятно, если учесть такое же большое различие в теплоте и энтропии активации для этой пары (см. табл. 35). Формальный заряд исходного вещества прочно связывает и ориентирует молекулы растворителя. В переходном состоянии, по-видимому, С — Н-связь почти полностью разрывается. В случае иона аммония в переходном состоянии возникает заряд, в результате чего молекулы растворителя еще сильнее ориентируются и связываются, и энтропия поэтому велика и отрицательна. В случае иона фосфония переходное состояние частично диполярно, частично ковалентно благодаря наличию d-орбитального эффекта. Вследствие этого при образовании переходного состояния происходят относительно небольшие изменения в ориентации И связывании растворителя, и изменение энтропии мало и положительно. Как и следует ожидать, случай иона сульфония напоминает случай иона фосфония, и изменение энтропии близко к нулю [17].
1+1	-	1+ X
—N—С— 4- OD —>- —N—С"
II	I
Н	н—OD
Исходное	Диполярное пере-
состояние	ходное состояние
—Р—С— + OD
I I н
Менее диполярное переходное состояние
Второй пример [44] выявления стабилизирующего карбанион действия Зй-орбитального эффекта можно найти при сравнении скоростей обмена тритий — водород соединений XIII и XIV со спиртами в присутствии алкоголята калия.
S-C2H5
С6Н5 —cz
I XS-C2H5 т
XIII
Относительная скорость 108
с6н5-с/ т
о—с2н5
О — С2Н5
XIV
Относительная скорость 1
Две тиогруппы настолько сильнее повышают кислотность С — Н-кислоты, чем две алкоксигруппы, что обмен в случае соединения XIII протекает на шесть порядков быстрее, чем для XIV. Если бы не большой индуктивный эффект кислородных атомов, то это различие было бы еще значительнее.
d-Орбитальные эффекты
83
Аналогично Тарбелл и Ловет [446] нашли, что аллилгексил-сульфид изомеризуется в гексилпропенилсульфид в таких условиях (78°, 3,7 М раствор этилата натрия в этаноле), когда аллилгексиловый эфир не изменяется.
В работе Бордуэлла и Купера [45] продемонстрирован второй возможный подход к проблеме установления влияния d-орбитального эффекта. Эти авторы измеряли рКа п- и ле-метилсульфонил-и метилсульфинилбензойных кислот и фенолов. Фенокси-анион относится к заместителям, вызывающим сильное сопряжение, карбоксилат-анион не является таковым. Сравнение разности констант оп (по Гаммету) для фенолов и бензойных кислот было использовано как мера способности к сопряжению для метилсульфонильных и метилсульфинильных групп. Эти данные приведены ниже:
СООН
I /Ч
ОН
СООН
До = 0,26
0<-S->0 I сн3
0=0,72
:S—> О I сн3
0=0,73
До=0,25
о=0,48'
В табл. 30 были приведены значения (Ткп/сг7п (отношение вклада резонансного и индуктивного эффектов в величину значений о для пара-замещенных фенолов). Из этих данных видно, что для четырех групп, содержащих атомы со свободными Зй-орбиталями, сульфинил (CH3SO) [456], сульфонил (CH3SO2) [45а], трифтор-метилсульфонил (CF3SO2) [46] и сульфонат (O3S) [23в], это отношение составляет 1,1 —1,2. Это значит, что вклад индуктивного и d-орбитального эффектов в кислотность фенолов для всех четырех групп примерно одинаков.
Отношение Од и о/ оказалось равным единице для констант заместителей ряда соединений общей формулы XV [47]. Это также говорит о том, что d-орбитальный и индуктивный эффекты глубоко связаны друг с другом. Другие данные в пользу участия валентных внешних орбиталей атома серы приведены в обзоре [48].
X —	SO2 —У- он
XV (X = NH2, он, ОСН3, СН3 и NO2)
Характер связи с участием Зd-opбитaлeй элементов типа фосфора или серы и неподеленных пар электронов атомов, образу
6*
84 Гл. II. Строение карбанионов и механизм их стабилизации
ющих сг-связи с этими элементами, вызвал повышенный теоретический интерес [49]. Особенно существенны вопросы, связанные, во-первых, с конформационными условиями, без выполнения которых невозможно проявление d-орбитального эффекта заместителей, стабилизирующих карбанион, и, во-вторых, с конфигурационными требованиями к атому углерода, которые должны соблюдаться для проявления такого d-орбитального эффекта.
Кох и Моффит [496] на основании расчетов по методу молекулярных орбиталей нашли, что наилучшее перекрывание между 2р-орбиталями атома углерода, связанного с сульфогрупйой, и Зd-opбитaлями атома серы осуществляется в случае двух конформаций, представленных ниже (тип I и тип II). Липскомб и сотрудники [49г] определили кристаллическую структуру соединения XVI и установили, что оно обладает конформацией типа II. Гибридизация для атома азота была промежуточной между sp2 и sp3, составляя sp2’23, и длина S — N-связи равнялась 1,62 А (для одинарной S —- N-связи рассчитано 1,74 А). Угол между связями для С — N — С составляет 113°, для С — N — S — 119°, для N — S — N — 113° и для О — S — О — 120°. Эти же авторы [49г] провели расчеты по методу Л КАО-МО на модели XVI, в которой метильные группы были замещены на атомы фтора (XVII), при сохранении гибридизации атома азота и общей конформации молекулы. Эта конформация типа II была сравнена с конформацией типа I, в которой была сохранена та же гибридизация по азоту, а группы F2N повернуты на 90° вокруг N — S-связи. Различие в суммарной орбитальной энергии показало, что конформация типа II является более устойчивой, и эта устойчивость обеспечивается d-орбитальными взаимодействиями. В случае конформации типа I конкуренция между неподеленной парой электронов на азоте и неподеленной парой на кислороде за взаимодействие с d-орбиталью больше, чем для конформации типа II.
Тип II
F2NSO2NF2
XVII
d-Орбиталъные эффекты,
85
Однако остается открытым вопрос о том, насколько приемлема модель молекулы XVI, полученная для кристаллической решетки, для сульфонилкарбаниона в растворе. Еще более неясно, имеют ли расчеты, сделанные для XVII, какое-либо отношение к вопросу о конфигурации и конформации сульфонилкарбаниона в растворе. Заряд на карбанионе приводит к электростатическому отталкиванию между неподеленной парой электронов карбаниона и частичными отрицательными зарядами атомов кислорода. Это отталкивание минимально при пирамидальной гибридизации по углероду и конформации типа II. Для случая нейтральных молекул XVI и XVII этого отталкивания не существует. Энергия сольватации сульфонилкарбанионов в полярных растворителях велика, что должно сказываться и на конформации и на конфигурации молекулы. Этот эффект отсутствует для кристалла соединения XVI и не учитывается в расчетах, сделанных для XVII.
Конформация и конфигурация сульфонилкарбаниона с минимальным электростатическим отталкиванием
Более прямые экспериментальные доказательства по конфигурации и конформации карбанионов, стабилизированных d-орбитальным эффектом, могут быть получены из сравнения кислотности ациклических С — Н-кислот и циклических С — Н-кислот с ограниченной подвижностью. Дёринг и Леви [50] сравнили кислотность ациклического (XVIII) и бициклического (XIX) трисульфонилметанов.
С2Н5—|О2
C2H5SO2—с—н
C2H5SO2 XVIII
XIX
р^а = 3,30
К сожалению, рКа для соединения XVIII не удалось определить, но было найдено, что это ациклическое соединение является более сильной кислотой, чем бициклический сульфон (XIX).
86 Гл. II. Строение карбанионов и механизм их стабилизации
Этот результат показывает, что гибкая структура ациклического карбаниона делает его более устойчивым в сравнении с бициклическим аналогом. Для бициклического аниона закреплены конфигурация и конформация, для которых электростатические отталкивания диполей максимальны, в то время как ациклический аналог может принять конфигурацию и конформацию, сводящие к минимуму эти отталкивания. Описанный эксперимент проливает свет на вопрос о том, какая из конфигураций сульфонилкарбаниона более устойчива — пирамидальная или планарная. Очевидно, что для ответа на этот вопрос необходимо определять сначала конформацию.
В другой работе Циммерман и Тьягараджан [51] металлировали смесь (1 : 1) сульфонов XX и XXI с помощью фениллития, фенилнатрия или фенилкалия, взятых в количестве менее 1 экв. Образующуюся смесь затем разлагали D2O и по относительному количеству дейтерия в выделенных сульфонах XX и XXI рассчитывали константы равновесия (К) уравнения (3).
уСН2	СНз
(3) CeH6SO2-C\ | +CeH5SO2-C^ СН2	- СНз
XX &з D2O
/СНз
CeHgSOjj—С\^
А сн’
Ь1	СН2	СНз
—> СбНбЗО2-С\ |	+C6H5SO2-C^
V	- сн2	1 СНз
/14 D2O
сн2
CeH6SO2-c/ | Асн*
XXI
Для случая фениллития К = 1,4 ± 0,4- К сожалению, этот метод определения констант равновесия не вполне достоверен, поскольку в применении к трифенилметану и диметилсульфоксиду [52] он привел к ошибочным результатам [53] (см. гл. I). Осложнение, по-видимому, может состоять в том, что при разложении перенос протонов и дейтеронов между обеими С—Н-кислотами и сопряженными им основаниями происходит быстрее, чем равномерное распределение D2O в среде. Это возникает в результате того, что и к2 сравнимы по величине с А3 и А4.
Кори с сотрудниками [54] сравнили значения рКа для ряда ациклических и циклических фенольных сульфонов. В соединении XXII сульфонильная группа не закреплена и может принять конформацию с самой низкой энергией, которой, согласно расчетам Липскомба [49г], должна оказаться конформация типа II. В соединении XXIII наличие цикла жестко закрепляет кон-
d-Орбитальные эффекты
87
pKfl = 7,72	рКа=7,81
рКа= 7,68 (испр.)
рКа=8,13
рКа = 7,87 (испр.)
Сравнение рКа соединений XXV и XXVI показывает, что введение двух метильных групп в .мепга-положения и-цианофено-ла увеличивает рКа на 0,26, т. е. по 0,13 на каждую метильную группу. Если в величину рКа соединения XXIII ввести поправку на индуктивный эффект ле-метиленовой группы, вычтя 0,13, то получается приведенное значение рКа = 7,68, очень близкое к значению 7,72 для XXII. Следовательно, закрепление конформации типа I для XXIII, по-видимому, не влияет на способность d-орбиталей атома серы стабилизировать отрицательный заряд в сравнении с подвижной системой, способной принять конформацию типа II.
Аналогично, если в значение рКа для соединения XXIV внести поправку на присутствие двух ле-метильных групп, то получится приведенное значение рКа 7,87, близкое к величине 7,68, указанной для XXIII. Для соединения XXIV стерически наиболее выгодна конформация типа II, а для жесткой системы XXIII закреплена конформация типа I. Тем не менее приведенное значение рКа для последнего соединения выше, чем для первого, т. е. их кислотность в малой степени зависит от конформации.
Для фенолов XXII—XXIV осуществляется перекрывание орбиталей 2р и 3d в анионе фенола, и вопрос о гибридизации углерода не возникает. В ряду циклических дисульфонилметанов, представленных в табл. 36 [54], изменения величин рКа при
88 Гл. II. Строение карбанионов и механизм их стабилизации
изменении размера кольца могут быть лучше всего объяснены с помощью электростатического и сольватационного эффектов. Ациклический диметилсульфонилметан имеет рКа 12,5, и его ани-
Таблица 36
Влияние размера цикла на величину рКа циклических дисульфонплметанов (в воде при 25°) [54]
Соединение
(CH3SO2)2CH2
Число атомов в цикле
Р^а
13,9
12,61
11,75
10,99
12,50
он, вероятно, принимает конфигурацию и конформацию, представленную структурой XXVII, для которой минимальны электростатическое и стерические отталкивания. Это означает, что образуется пирамидальный карбанион. В случае пятичленного циклического сульфона в соответствующем карбанионе с жестко закрепленной конформацией, вероятно, возникает слабая электростатическая движущая сила, вызывающая появление тригональной конфигурации. Большие электростатические отталкивания в XXVIII по сравнению с XXVII приводят к тому, что из этих двух кислот более сильной оказывается XXVII. В анионе шестичленного циклического сульфона электростатические отталкивания вновь сведены к минимуму благодаря пирамидальной структуре карбаниона, но закрепленная наличием цикла конформация не столь благоприятна, как в ациклическом соединении. Однако поскольку в цикле сульфозаместители закреплены тыльными сторонами друг к другу, что не имеет места в ациклическом соединении, то в XXIX стерических препятствий для сольватации меньше, чем в XXVII. В результате рКа шестичленного циклического и ациклического сульфонов близки по величине. По мере увеличения цикла более длинная цепь допускает такие конформации для пирамидальных карбанионов, которые становятся все более выгодными электростатически, и кислотность возрастает. Причина того,
d-Орбиталъные эффекты
89
что семи- и восьмичленные циклические соединения являются более сильными кислотами, чем ациклические, состоит в том, что в анионах, образующихся из циклических соединений, заместители закреплены по отношению друг к другу тыльными сторонами так же, как в XXIX, и лучше сольватируются, чем в случае ациклических молекул.
XXV11 ($/>3-гибри-дйзация С”)
Н I
O^S\ /-WO сн2—сн2
XXVIII ($р2-гибри-дизация С")
XXIX (5/>3-гибри-дизация С”)
Данные, относящиеся к вышеприведенному объяснению, были получены Бреслоу и Мохачи [55]. Эти авторы синтезировали соединения XXX—XXXIII, измерили величины рКа и обнаружили интересное изменение в относительной кислотности для циклических и нециклических соединений. Если карбанион генерируется в a-положении к карбэтоксигруппе, то более кислым является циклическое соединение (XXXIII > XXXII по кислотности}, но в отсутствие карбэтокси-группы справедливо обратное отношение (XXX > XXXI). Карбанион в a-положении к карбэтоксигруппе занимает р-орбиталь из-за перекрывания с р-орби-талями карбонильной группы. В этой конфигурации изменения в электростатическое отталкивании при изменении конформации невелики. Соединение XXXIII является более сильной кислотой, чем XXXII, поскольку в циклическом анионе с тыльным закреплением заместителей меньше препятствий сольватации, чем в ациклическом. В анионе XXX изменения конформации происходят для атома с $р3-гибридизацией, и способность системы принять наилучшую конформацию делает ее более выгодной с электростатической точки зрения. В результате XXX является более сильной кислотой, чем XXXI, в которой утрачено это*
*90
Гл. II. Строение карбанионов и механизм их стабилизации
преимущество
из-за наличия циклической системы.
C6H5SO2
>СН2
C6H5SO/
XXX ptfa = ll,5
C6HoSO2.
)СНСООС2Н5
C6H5SO2Z
XXXII р7Са=4,60
I II \иг
XXXI
Р*а>13
\ /^2
|	|| СНСООС2Н5
хххш
рАга = 3,35
На первый взгляд аномальными казались данные тех же авторов [561 о сравнимой кислотности соединений XXXIV и XXXV. Эти результаты основаны на опытах по металлированию с последующим конкурентным разложением, аналогичных тем опытам, которые привели к спорным выводам и в другом случае [521 (см. обсуждение в гл. I), поэтому они не могут считаться вполне достоверными.
CeH5SO2
>н2 ceH5sz
XXXIV	XXXV
На основании всех вышеперечисленных фактов можно сделать следующие выводы, касающиеся взаимосвязи конформации, конфигурации и стабильности а-сульфонилкарбаниона. 1. Если пара неподеленных электронов карбаниона занимает р-орбиталь, то утойчивость карбаниона по сравнению с сопряженной кислотой мало зависит от конформации. 2. Если пара электронов карбаниона занимает орбиталь $р3, то устойчивость его по сравнению с сопряженной кислотой резко зависит от конформации, причем предпочтительнее будет конформация с минимальной величиной электростатического отталкивания. 3. Если ограничения моно-циклической системы приводят к такой конформации карбаниона, которая электростатически неблагоприятна для пирамидальной конфигурации, то карбанион принимает плоскую конфигурацию. 4. Карбанион у головы моста в бициклической системе закреплен в пирамидальной конфигурации, но так как возникающая при
d-Орбитальные эффекты	91
этом конформация электростатически невыгодна, карбанион дестабилизирован по сравнению с аналогичным ациклическим соединением. 5. Ациклический карбанион принимает пирамидальную конфигурацию и ту конформацию, в которой электростатическое отталкивание минимально. В такой конфигурации s-характер орбитали, занимаемой неподеленной парой электронов карбаниона, максимален. 6. В циклических карбанионах пространственные препятствия для сольватации меньше, чем в ациклических карбанионах. 7. В случае карбанионов, стабилизированных за счет Зй-орбитального эффекта, стабилизация в меньшей степени зависит от конфигурации и конформации, чем от электростатического и сольватационного эффектов.
Дополнительные данные, имеющие прямое отношение к вопросу о конфигурации а-сульфонилкарбанионов, получены при использовании в качестве модели N-метансульфонилазиридина (XXXVI) [57]. Спектры ЯМР (60 Мгц) N-метансульфонилазиридина (XXXVI) и N-фенилазиридина (XXXVII) в сероуглероде были сравнены в интервале температур от —80 до +25°. Протоны азиридинового цикла XXXVI дали узкий сигнал при 25°. Ниже —30° начинается уширение этой полосы и при —40° она расщепляется на две полосы. При еще более низких температурах появляется характерный спектр А252-типа, который обнаруживается для алкилазиридинов при комнатной температуре [11]. Константа скорости для процесса инверсии по азоту в XXXVI при —40° составляет, согласно расчету, примерно 30 сект1. При использовании в качестве растворителя хлористого винила в спектре соединения XXXVI не появляется новых полос при температуре в пределах от —80 до —160° [57].
.. zCH2	.. /СН2	/СН2
CH3SO2N< I	C6H5N ( I	^C6HnN< I
XCH2	XCH2	XCH2
XXXVI, 77=—40 ±2°	XXXVII, 77 = —40 ±2° XXXVIII, 7’c = 95°
k 30 сек-1	k 40	k 51 сек-1
Tc — температура расщепления полос
Спектр вещества XXXVII также зависит от температуры, как и спектр XXXVI. Температура расщепления полос оказалась близкой к —40°, и константа скорости инверсии по расчету составляет 40 сек-1 при этой температуре. Боттини и Робертс [11] путем сравнения установили, что константа скорости инверсии для N-циклогексилазиридина (XXXVIII) при 95° равна 51 сект1.
Другие авторы [58] нашли, что N-метансульфонилазиридин (XXXVI) дает все еще узкий сигнал протонов кольца при —37°. Эти спектры были сняты в дихлорметане и дейтероацетоне при
92
Гл. II. Строение карбанионов и механизм их стабилизации
40 Мгц. Более того, для соединения XXXVII тоже обнаружен единственный сигнал (очевидно, узкой формы) для метиленовых протонов при снижении температуры до —77°, который в метанольном растворе при —60° расщепился на две полосы [11].
Карбонильные соединения XXXIX, XL и XLI также были изучены в растворе хлористого винила (в растворе соединения XLI присутствовал толуол) [57]. Как и следовало ожидать, для разных заместителей был установлен следующий ряд снижения способности стабилизировать промежуточное состояние для инверсии по азоту азиридинового кольца: СН3СО > СН3ОСО > >(CH3)2NCO. Для всех этих карбонилсодержащих соединений скорости инверсии гораздо выше, чем в случае сульфонильной или фенильной групп.
О
II /СН2
СН3 —С —N< I сн2
XXXIX, уширение линии при температуре ниже —120°
О
II 7сн2
СН3ОС—N( I сн2
XL, Тс = — 85 ±5° к 5 сек-1
О II / сн2 (CH3)2N-C-N< I сн2
XLI, Тс=— 75 ± 5° к 20 сект1
В другой работе [59] были определены приблизительные температуры расщепления и скорости инверсии для соединений XLII—XLVI в растворе дейтерохлороформа и для XLVII в растворе хлористого метилена.
ZCH2 CeH5SO2-N< |
ХСН2
XLII, Гс = — 30± 1°
к 36 сект1
/СН2 n-CH3C6H4 — SO2 — N< |
ХСН2
XLIII, Тс=— 30 ±2° k ^35,5 сек~'
сн2
CeH5 — SO-N( I ЧСН2
XLIV, Тс = 0± 5° k ste 79 сек-1
CH2 c6h5-s-n( I хсн2
2,4-(NO2)2C6H5 —S —N
с6н5 I C6H5-PO-N
XLV, Tc = —11 ± 1° k 71 сек'1
XLVI, Tc=-18 + 1°
k 63
XLVII, Tc = —108 ±2° k 48 сек~^
Эти данные показывают, что скорость инверсии определяется взаимным наложением различных эффектов. Стерические факторы стремятся увеличить скорость инверсии [И], но из того факта, что фенилсульфонильная и метилсульфонильная группы имеют почти одинаковые скорости, очевидно, что этот эффект не очень существен. Индуктивный эффект должен снижать скорость инверсии, поскольку чем больше электроноакцепторные свойства заместителя у азота, тем больше р-характер связи азот — замести
d-Орбитальные эффекты
93
тель и тем больше s-характер орбитали, занимаемой неподеленной парой электронов азота, которая в переходном состоянии инверсии должна перейти на р-орбиталь. Для тех заместителей, которые содержат атомы с неподеленными парами электронов, соединенные непосредственно с атомом азота, скорость инверсии должна также снижаться за счет электростатического ингибирования процесса, В основном состоянии электронные пары находятся в транс-поло-жении друг к другу, в то время как в переходном состоянии они должны сблизиться. Эффект перекрывания орбиталей, либо р-р, либо p-d, должен увеличивать скорость инверсии, поскольку это перекрывание возрастает с уменьшением s-характера орбитали, занимаемой неподеленной парой электронов [49г].
Для серусодержащих групп влияние на скорость инверсии уменьшается в следующем порядке: C6H5SO2 > C6H5S > C6H5SO. Интересно, однако, что скорости инверсии азиридинов с такими заместителями очень близки по величине. Этот ряд не соответствует ряду суммарной электроноакцепторности заместителя (измеренному по о), для которого C6H5SO2 > C6H5SO > C6H5S. Последний ряд отражает и индуктивный эффект и эффект перекрывания орбиталей, каждый из которых оказывает противоположное влияние на скорость инверсии. Более того, неподеленная пара электронов атома серы в C6H5S и C6H5SO создает электростатические препятствия для инверсии, которые отсутствуют в C6H5SO2. Наблюдаемые значения являются результатом совместного действия этих противоположных факторов.
Более наглядны данные о том, что, хотя (С6Н5)2РО и C6H5SO оказывают примерно одинаковое ацидифицирующее действие на связанные с ними группы R2C — Н [60], (СбН5)2РО повышает скорость инверсии азиридина на несколько порядков по сравнению с C6H5SO. Возможно, что это связано с тем, что у атома серы в C6H5SO имеется неподеленная пара электронов, а у фосфора в (С6Н5)2РО — нет. В этих примерах электростатическое торможение инверсии в меньшей степени, чем в других случаях, подавляется индуктивным эффектом и эффектом перекрывания орбиталей.
Интересный набор сравнений скоростей водородного обмена циклических и ациклических С — Н-кислот в присутствии оснований был сделан Оаэ и сотрудниками [61].
Установлено, что в трет-бутиловом спирте под действием mpem-бутилата калия при 138° бициклическое соединение XLVIII вступает в обмен примерно в 103 раз быстрее, чем ациклический XLIX. Эти данные показывают, что пирамидальный карбанион стабилизируется тремя соседними атомами серы по крайней мере в той же степени, как таким же образом замещенный незакрепленный карбанион, способный принять наиболее устойчивую конфи-
94
Гл. II. Строение карбанионов и механизм их стабилизации
гурацию. Этот результат противоречит данным Дёринга и Леви [50], которые нашли, что бициклический сульфон XIX — более слабая кислота, чем ациклический аналог XVIII. Это расхождение объясняется наличием большого электростатического эффекта в карбанионах сульфонов и его отсутствием для сульфидных карбанионов. Большая скорость в случае бициклической сульфидной системы XLVIII по сравнению с XLIX, вероятно, частично связана со стерической предпочтительностью сольватации переходного состояния при удалении протона. Оаэ и сотрудники [44а] ввели понятие о специальном ацидифицирующем эффекте, присущем лишь бициклическим системам, который состоит в образовании связей между атомами серы за счет Зр — Зб/-орбиталей и возможен благодаря жестко закрепленной сближенности трех меркаптогрупп.
сн3
XLVI1I
Относительная скорость 103
C2H5S\ C2H5S—С—Н c2H5sZ
XLIX
Относительная скорость 1
Аналогичный эффект был использован при объяснении того, почему в случае пятичленного цикла вещества L скорость обмена выше, чем для ациклического аналога (LI) или высших циклических аналогов LII и LIII [44а].
С2Н5—</ м т
I.
Относительная скорость 19
/SC2H5 с2н5—<Z
| XSC2H5
LI
Относительная
скорость 1
Т
LII Относительная скорость 1,55
Т
LIII
Относительная, скорость 5,37
ЛИТЕРАТУРА
1.	а) К i п с a i (1 J. F., Н е n г i q u е s F. С., Jr., J. Am. Chem. Soc., 62r 1472 (1940); 6) G о r d у W., S m i t h W. V., T r a m b a r i 1 1 о R. F., «Microwave Spectroscopy», Wiley, New York, 1953.
2.	Saunders M., Yamada F., J. Am. Chem. Soc., 85, 1882 (1963).
3.	a) D e s s у R. E., О k u z u m i Y., C h e n A., J. Am. Chem. Soc., 84,. 2899 (1962); 6) W о о d i n g N. S., H i g g i n s о n W. С. E., J. Chem. Soc., 1952, 774.
Литература
9f>
4.	a) McEwen W. К., J. Am. Chem. Soc., 58, 1124 (1936); 6) S t rei t-wieser A., Jr., Brauman J. I., H a m m о n s J. II., P u d-jaatmaka A. H., ibid., 87, 384 (1965); в) A p p 1 e q u i s t D. E., O’Brien D. F., ibid., 85, 743 (1963); r) Salinger R. M., D e s-sy R. E., Tetrahedron Letters, 11, 729 (1963); д) D e s s у R. E., частное сообщение.
5.	a) Kilpatrick J.E.,Spitzer R.,J. Chem. Phys., 14, 463 (1946); 6) Coulson C. A., Moffitt W. E., ibid., 15, 151 (1947); в) Walsh A. D., Trans. Faraday Soc., 45, 179 (1949).
6.	а)	С о u 1 s о n C. A.,	Moffitt	W.	E., Phil.	Mag., 7,	40, 1	(1949);
б)	В e n t H. A., Chem. Rev., 61,	275	(1961).
7.	a)	Wiberg К. В., В	a r n e s R.	K.,	Albin	J., J. Am. Chem. Soc.,
79, 4994 (1957); б) С	1 о s s G. L., С	1 о s s L.	E., ibid.,	85, 99	(1963);.
в) Mein w aid J., Swithenbank C., Lewis A., ibid.. 85, 1880 (1963).
8.	С 1 о s s G. L., Gloss L. E., J. Am. Chem. Soc., 85, 2022 (1963).
9.	Schechter H., Cullis M. J., Dessy R. E., Okuzumi Y.^ Chen A., J. Am. Chem. Soc., 84, 2905 (1962).
10.	Stone H., Flanagan P. W. K., Traynham F. G., Schechter H., Abstr. Papers Presented before Am. Chem. Soc. at Atlantic City, September, 1956, p. 82—90.
И. а) В о t t i n i A.T.,Roberts J.D.,J. Am. Chem. Soc., 78, 5126 (1956) _ 6) Bottini A. T., Roberts J. D., ibid., 80, 5203 (1958).
12.	Bugg C., Desiderato R., Sass R. L., J. Am. Chem. Soc., 86, 3157 (1964).
13.	Bartlett P. D., W о о d s G. F., J. Am. Chem. Soc., 62, 2933 (1940).
14.	S a n d e 1 V. R., F r e e d m a n H. H., J. Am. Chem. Soc., 85, 2328-(1963).
15.	a) D a u b e n H. J., Jr., Rifi M. R., J. Am. Chem. Soc., 85, 3042 (1963); 6) vonE. Doering W., Gaspar P. P., ibid., 85, 3043 (1963).
16.	a) Wittig G., Wetterling M. H., Ann., 557, 193 (1947); 6) S c h 1 e n к W., H о 1 t z J., Ber., 50, 274 (1917).
17.	Doering W. von E., Hoffmann A. K., J. Am. Chem. Soc., 77,. 521 (1955).
18.	С r a m D. J., U у e d a R. T., J. Am. Chem. Soc., 86, 5466 (1964).
19.	Andre a des S., J. Am. Chem. Soc., 86, 2003 (1964).
20.	Streitwieser A., Jr., Caldwell R. A., Granger M. R., J. Am. Chem. Soc., 86, 3578 (1964).
21.	С r a m D. J., S i n g e r L. A., J. Am. Chem. Soc., 85, 1084 (1963).
22.	J affe H. H., Chem. Rev., 53, 191 (1953).
23.	a) T a f t R. W., Jr., Lewis I. C., J. Am. Chem. Soc., 80, 2436 (1958);. 6) Taft R. W., Price E., Fox I. R.. Lewis I. C., Andersen	К. K., D a v i	s G. T., ibid.,	85,	709 (1963); в) С о h n L. A.,	J	o-
nes	W. M., J. Am. Chem. Soc.,	85,	3397, 3402 (1963).
24.	С	r a m	D. J., L о r	a n d J. P.,	неопубликованные данные.
25.	C	h a r	m a n II. В.,	V i n a r d D.	R.,	К r e e v о у M., J. Am.	Chem.
Soc., 84, 347 (1962).
26.	а) Шатенштейн А. И., Advan. Phys. Org. Chem., 1, 187 (1963); б) Шатенштейн А. И., Израилевич E. А., Ж0Х, 32, 1930 (1962) и содержащиеся там ссылки; в) Н а 1 1 G. Н., Р i с с о-1 i п i R., Roberts J. D., J. Am. Chem. Soc., 77, 4540 (1955).
27.	а) Ш а т e н ш т e й н А. И., Advan. Phys. Org. Chem., 1, 169 (1963); Шатенштейн А. И., Звягинцева E. H., ДАН СССР,. 117, 852 (1957).
28.	H i n e J., Hine M., J. Am. Chem. Soc., 74, 5268 (1952).
96 Гл. II. Строение карбанионов и механизм их стабилизации
29.	Gordy W., Stanford S. С., J. Chem. Phys., 8, 170 (1940); 9, 204 (1941).
30.	a) Benkeser R. A., Goggin D., S ch roll G., J. Am. Chem. Soc., 76, 4025 (1954); б) Несмеянов A. H., Перевалова Э. Г., Головня P. В., Несмеянова О. А., ДАН СССР, 97, 459 (1954); в) М а у о D. W., Shaw Р. D., Rausch М., Chem. and Ind. (London), 1957, 1388; г) Benkeser R. A., Bach J. L., J. Am. Chem. Soc., 86, 890 (1964).
31.	а) Шатенштейн А. И., Advan. Phys. Org. Chem., 1, 185 (1963); б) Шатенштейн А. И., Израилевич E. А., ЖФХ, 32, 2711 (1958); в) Шатенштейн А. И., Израилевич E. A., ЖОХ, 28, 2939 (1958).
32.	а) Шатенштейн А. И., Advan. Phys. Org. Chem., 1,186 (1963); б) Шатенштейн А. И., Раннева Ю. И., Коваленко T. Т., ЖОХ, 32, 967 (1962) и цитированная там литература.
33.	N i с к о n A., L a m b е г t J. L., J. Am. Chem. Soc., 84, 4604 (1962).
34.	Cram D. J., Smith R. О., неопубликованные данные.
35.	Стрейтвизер А., «Теория молекулярных орбит в органической химии», ИЛ, Москва, 1965.
36.	a) R е р р е W., Schlichting Р., Klager К., Т о е р е 1 Т., Ann., 560, 1 (1948); б) Соре A. C.,Hochstein F. A., J. Am. Chem. Soc., 72, 2515 (1950).
37.	Katz T. J., J. Am. Chem. Soc., 82, 3784, 3785 (1960).
38.	a)H oi jtink G. J., D e Boer E., van der Meij P. H., W e i j-land W. P., Rec. Trav. Chim., 75, 487 (1956); 6) Hush N. S., Blackledge J., J. Chem. Phys., 23, 514 (1955).
39.	a) К a t z T. J. G a r r a t t P. J., J. Am. Chem. Soc., 85, 2852 (1963); 6) La Lancette E. A., Benson R. E., ibid., 85, 2853 (1963).
40.	Katz T. J., Rosenberger M., J. Am. Chem. Soc., 84, 865 (1962). 41. a) Roberts J. D., Webb R. L., McElhill E. A., J. Am. Chem. Soc., 72, 408 (1950); 6) S h e p p a r d W. A., ibid., 84, 3072 (1962); в) Sheppard W. H., частное сообщение.
42. Hine J., J. Am. Chem. Soc., 85, 3239 (1963).
43. Rapoport H., Smolinsky G., J. Am. Chem. Soc., 82, 934 (1960). 44. a)	О	a e S.,	T a g	a k i W., О h n	о	A., Tetrahedron, 20, 417, 427 (1964);
6)	Tarbell	D. S., L о v e t	t	W. E.,	J.	Am. Chem. Soc., 78,	2259
(1956).
45.	а)	В	о r d w	e 1 1	F. G., Cooper	G. D.,	J.	Am. Chem. Soc., 74,	1058
(1952); б)	В о r	d w e 1 1 F. G.,	В	о u t a	n	P. J., J. Am. Chem.	Soc.,
79, 717 (1957).
46.	Sheppard W. A., J. Am. Chem. Soc., 85, 1314 (1963).
47.	Meyers C. Y., Cremonini В., M a i о 1 i L., J. Am. Chem. Soc., 86, 2944 (1964).
48.	Ci lento G., Chem. Rev., 60, 146 (1960).
49.	a) К i m b a 1 1 G. E., J. Chem. Phys., 8, 188 (1940); б) К о c h H. P., Moffitt W. E., Trans. Faraday Soc., 47, 7 (1951); в) С r a i g D. P., Maccoll A., Nyholm R. S.,Orgel L. E.,Sutton L. E., J. Chem. Soc., 1954, 332; r) J a f f ё H. H., J. Phys Chem., 58, 185 (1954); д) J о r d a n T., Smith H. W., Lohr L. L., Jr., Lip-c s о m b W. N., J. Am. Chem. Soc., 85, 846 (1963); e) С r u i c k -shank D. W. J., J. Chem. Soc., 1961, 5486.
50.	D о e r i n g W. v о n E., Levy L. K., J. Am. Chem. Soc., 77, 509 (1955).
51.	Z i m m e r m a n H. E., Thyagarajan B. S., J. Am. Chem. Soc., 82, 2505 (1960).
52.	Corey E. J., Chaykovsky M., J. Am. Chem. Soc., 84, 866 (1962).
Литература
97
53.	a) S t е i п е г Е. С., G i 1 b е г t J. M.,J. Am. Chem. Soc., 85, 3054 (1963);
6)	Ritchie C. D., ibid., 86, 4488 (1964).
54.	С о г e у E. J., К о n i g H., Lowry T. H., Tetrahedron Letters, 12, 515 (1962).
55.	В r e s 1 о w R., M о h a c s i E., J. Am. Chem. Soc., 83, 4100 (1961).
56.	В r e s 1 о w R., Mohacsi E., J. Am. Chem. Soc., 84, 684 (1962).
57.	A n e t F. A. L., 0 s у a n у J. M., частное сообщение.
58.	T г а у 1 о г Т. G., Chem. and Ind (London), 1963, 649.
59.	A n e t F. A. L., T г e p к a R. D., Cram D. J., неопубликованные данные.
60.	a) С r a m D. J., P a r t о s R. D., J. Am. Chem. Soc., 85, 1093 (1963);
б)	С r a m D. J., P i n e S. H., ibid., 85, 1096 (1963).
61.	Oae S., T agaki W., О h n о A., J. Am. Chem. Soc., 83, 5036 (1961).
7-539
ГЛАВА ill
Стереохимия реакций замещения для С—Н-кислот и металлоорганических соединений
Применение стереохимических методов позволило получить много данных о составе и структуре переходных состояний. Особенно плодотворным оказалось исследование реакций замещения по асимметрическому атому углерода. Изучение стереохимии реакций замещения, протекающих с участием карбониевых ионов и радикалов, явилось предметом многочисленных работ, начатых еще до 1930 г. Аналогичные исследования реакций карбанионов были начаты в 1936 г. с изучения относительных скоростей реакций рацемизации и замещения для С — Н-кислот. Уилсон и сотрудники [1а, в] установили, что скорости обмена водород — дейтерий и рацемизации оптически активного 2-метил-1-фенил-бутанона-1 (I) в системе диоксан — D2O — NaOD равны. Такое же совпадение скоростей наблюдали для оптически активной дейтерированной кислоты II при нагревании ее с водным раствором едкого натра [1 г, д]. Эти результаты были объяснены тем, что реакция протекает через стадию отрыва протона под действием основания (лимитирующая стадия) с последующим дейтерированием [1 а, б] (или протонизацией [1г, д]) симметричного аниона по кислороду [1а] или углероду [1г, д]. В параллельном исследовании [16] было найдено, что катализируемое ацетат-ионом бромирование и рацемизация кетона I протекают с одинаковой скоростью. И в этом случае в качестве промежуточного продукта также рассматривается симметричный карбанион, который может подвергаться атаке с обеих сторон с равной вероятностью.
СН3	С0Н5
С6Н5 —С—*С—Н	НООС—*С — D
II I	I
О С2Н5	П-С6Н4СН3
I	II
Впервые стереоспецифичность в реакции замещения с участием металлоорганического реагента была обнаружена Летсингером [2]. Обработка оптически активного 2-октилиодида влгор-бутилли-тием при —70° дала 2-октиллитий, который после карбонизации
С — Н-кислоты, образующие симметричные карбанионы
99
превратился в 2-метилоктановую кислоту. В этой последовательности реакций наблюдалась на 80% рацемизация и на 20% сохранение конфигурации. Реакции проводили в смеси гексан — эфир (94 6), причем добавление эфира было необходимо для стадии металлирования. Если литийорганическое производное перед карбонизацией выдерживать при 0°, то в результате карбонизации образуется рацемическая кислота. Вопрос о возможном участии карбаниона в реакциях этого типа будет обсужден ниже.
Оказалось, что некоторые сообщения об образовании карбанионов, сохраняющих свою конфигурацию [3], недостоверны [41. Первые данные о возможности стереоспецифического образования и реакций карбанионов появились в 1955 г. [51; с тех пор накопилось немало таких фактов и предложена теория, объясняющая эти результаты. Все это будет изложено ниже.
Первый раздел настоящей главы посвящен стереохимии плоских карбанионов, образующихся при катализируемой основанием реакции обмена водород — дейтерий в С — Н-кислотах. Во втором разделе обсуждается стереохимия систем, образующих несимметричные карбанионы в реакциях изотопного обмена. В третьем разделе рассматривается особый случай карбанионов (образующихся при отрыве протона), входящих в состав трехчленного цикла. В четвертом разделе обсуждаются уникальные свойства симметрии карбанионов, стабилизированных гомосопряжением. В пятом разделе описана стереохимия реакций замещения в ряду металлоорганических соединений.
С — Н-КИСЛОТЫ, ОБРАЗУЮЩИЕ СИММЕТРИЧНЫЕ ИЛИ ПОЧТИ СИММЕТРИЧНЫЕ КАРБАНИОНЫ
В гл. II обсуждались всевозможные конфигурации трехзаме--щенных карбанионов — от sp^p до sp3 — в зависимости от природы заместителя. В настоящем разделе будет рассмотрено стереохимическое поведение карбанионов с предполагаемой плоской или почти плоской конфигурацией. К их числу относятся карбанионы^ стабилизированные циан-, нитро-, арил- или карбонилсодержащими группами, а также карбанионы, стабилизация которых обусловлена возникновением ароматической л-электронной системы.
Простейший метод изучения стереохимии карбанионов состоит в сравнении относительных скоростей катализируемых основаниями реакций рацемизации и водородного обмена для оптически активных С — Н-кислот. Найдено, что максимальная величина удельного вращения практически одинакова для дейтерированных и недейтерированных С —Н-кислот. Поэтому не возникает проблемы определения конфигурации и величины удельного вра
7*-
100	Г л. III. Стереохимия реакций замещения для С — Н-кислот
щения исходных веществ и продуктов реакции.
I	:в |
— *С — H(D) + B — D(H) -> —С —D(H) + B —H(D)
I	I
Возможны четыре крайних случая для отношения /собм (константа скорости изотопного обмена) и Л?рац (константа скорости рацемизации):
^обм/^рац —> °°, стереохимия —> 100% сохранения конфигурации
^обм/^рац —> 1» стереохимия —> 100% рацемизации
^обм/^рац —> 0,5, стереохимия —> 100% обращения конфигурации
А'обм/^рац —> 0, стереохимия —> 100% изорацемизации
Если обмен протекает с полным сохранением конфигурации, то отношение &Обм/&рац стремится к бесконечности. Если обмен протекает с полной рацемизацией, то, следовательно, каждый карбанион равновероятно атакуется с обеих сторон и &Обм/%ац стремится к единице. Если обмен идет с полным обращением конфигурации, то карбанион атакуется с тыльной стороны с образованием продуктов с обращенной конфигурацией. Поскольку при этом образуется также оптически активное вещество с тем же по величине, но с обратным знаком вращения по сравнению с исходным веществом, то, следовательно, обмен протекает вдвое медленнее рацемизации и &Обм/^рац стремится к 0,5. Если рацемизация не сопровождается обменом, тоЛ:0бм/^рац стремится к нулю. Последнее условие может быть выполнено одним из двух способов.
1. Перенос протона основанием с фронтальной стороны асимметричной С — Н-кислоты на тыльную может протекать в присутствии внешних доноров протона, кислотность которых достаточно велика, чтобы обеспечить захват свободного карбаниона, как только он образуется. Подобный процесс является внутримолекулярным переносом протона и его принято называть изорацемизацией,.
2. Реакцию можно проводить в отсутствие кислот достаточной силы, чтобы передать протон карбаниону, даже если он образуется в свободном состоянии. В таком случае водород, первоначально связанный с С — Н-кислотой, образует ассоциат с карбанионом и возникает рацемат без изотопного обмена. Такой процесс включает межмолекулярный перенос протона и сходен с обычной реакцией рацемизации. Примеры этих процессов описаны ниже.
Механизм сохранения конфигурации
Наличие такого механизма легко устанавливается экспериментально по величине отношения &Обм/Лрац, которая должна быть больше единицы. Установлено три различных механизма для
С — Н-кислоты, образующие симметричные карбанионы
101
реакций с сохранением конфигурации. Первый с /Собм/^рац от 1 до 150 наблюдается при реакции изотопного обмена оптически активного соединения III либо с аммиаком, либо с первичными или
Таблица 37
Рацемизация и сохранение конфигурации для реакций изотопного обмена, катализируемых основанием
Номер опыта	Растворитель	Основание		Температура, °C	^обм^рац
		природа	концентрация, M		
1		NH3	0,8	200	>50
2	(СН2)4О	NH3	0,3	145	148
3	(СН2)4О	NH3	4	25	— 2
4	(СН2)4О	c3h7nh2	0,5	145	>56
5	(СН2)4О	(C3H7)2NH	0,6	145	>9
6	(CH3)2SO	NH3	0,2	25	1,0
7	90% СвН6-10% СвН5ОН	CeH5OK	0,1	75	18
8	90% СвНв-10% С6Н5ОН	C6H5ON(CH3)4	0,05	75	1,0
9	mpem-C4HgOH	(C3h7)3n	0,5	200	>6
10	mpem-C4H9OH	mpem-C4H9OK	0,024	25	1,0
вторичными аминами [6]. В табл. 37 приведены результаты этих опытов (№ 1—6).
Ш (рКа~21)
В растворителях с низкой диэлектрической проницаемостью типа тпретп-бутилового спирта или тетрагидрофурана и при использовании оснований — доноров протонов — типа аммиака, про-пиламина или дипропиламина величина А:Обм/^рац значительно превышает единицу (опыты № 1—5). В присутствии значительных концентраций аммиака (опыт № 3) или при использовании растворителя, способствующего диссоциации ионных пар (диметилсульфоксид) отношение &Обм/^рац близко или равно единице. Механизм, объясняющий эти результаты, изображен на рис. 5.
Как видно из рис. 5, сохранение конфигурации наблюдается, если к2 и fc-i > к3. Иначе говоря, вращение иона аммония внутри
102 Гл. III. Стереохимия реакций замещения для С — АГ-кислот,
ионной пары и превращение ионной пары в ковалентное соединение протекают быстрее, чем диссоциация ионной пары. В тетрагидрофуране или тпретп-бутиловом спирте, мало способствующих диссоциации, эти условия выполняются. Большая концентрация аммиака в тетрагидрофуране естественно должна приводить к увеличению скорости диссоциации ионной пары, увеличению скорости
Н	Н	Н
I	+1	4-1
H-N-н	H-N-H	H-N-D
i	I
Диссоциированные Продукт с сохранением ионы	конфигурации-
Р и с. 5. Сохранение конфигурации за счет вращения иона аммония внутри ионной пары.
реакции и снижению значений /сОбм/^рац- Более высокая диэлектрическая проницаемость диметилсульфоксида приводит к тому, что диссоциация ионной пары протекает быстрее, чем вращение иона аммония внутри ионной пары (/с3 > &2), вследствие чего происходит симметризация карбаниона и /сОбм/^рац приближается к единице (опыт № 6, табл. 37).
Опыт № 7, в котором в качестве основного растворителя применяли систему фенолят калия — фенол в бензоле, служит примером второго типа механизма с сохранением конфигурации; в этом случае /сОбм/&рац = 18. Этот результат может быть объяснен схемой, аналогичной рис. 5, с той лишь разницей, что вместо иона аммония следует представить ион калия, сольватированный молекулами фенола (см. рис. 6). И снова к2 и k_i > к3. Иначе говоря, скорости вращения иона калия с лигандами и превращения ион ной пары в ковалентное состояние превышают скорость диссоциации. Тот факт, что переход от фенолята калия к феноляту
С — Н-кислоты, образующие симметричные карбанионы
103
тетраметиламмония уменьшает величину ^обм/Лрац до единицы подтверждает представленную схему механизма, который основан на способности катиона металла к образованию координационных соединений.
Опыт № 9 (табл. 37) является примером третьего механизма.
В этом опыте в качестве основного растворителя использовали
L* -/C-D+OC6H5	Z=
Н *-1
: + I
К----ОСбН5
yDOC6H5 с7‘ у । ’••К;--ОС6Н5
Н
Ион калия и лиганды
С’ + К+
Диссоциированные ионы |с6н5он
/С-Н + Н-С^
w ,.НОС6Н5
-2— с .. у
I •К”-ос6нл D
А.,
Рацемический продукт обмена
Оптически активный продукт обмена
Рис. 6. Сохранение конфигурации за счет вращения иона калия с лигандами внутри ионной пары.
смесь тпретп-бутиловый спирт — трипропиламин и k0QM/kpan> 6 Хотя трипропиламин, вероятно, многократно отрывает дейтерий от субстрата, но образующаяся ионная пара с водородной связью, по-видимому, превращается в неизмененный исходный продукт, что эквивалентно отсутствию всякой реакции. Иная и гораздо более реакционноспособная форма основания также безусловно присутствует, но в гораздо меньшей концентрации. Небольшое равновесное количество тпретп-бутилата трипропиламмония, отрывая дейтерий от соединения III, образует новую ионную пару три-пропиламмоний — карбанид, который превращается в продукт обмена с сохранением конфигурации. В этом механизме (см. рис. 7) к2 и > к3.
Правдоподобность такой интерпретации подтверждается тем, что замена основания — трипропиламина на трет-бутилат
104 Гл. Ill. Стереохимия реакций замещения для С — ^1-кислот
калия — увеличивает степень обмена, сопровождающегося рацемизацией (&обм/^рац= 1; опыт № 10, табл. 37). В этом опыте значения рКа растворителя (трет- бутилов ого спирта) и субстрата близки (— 19 и—21 соответственно), вследствие чего скорость переноса протона меньше, чем нужно для того, чтобы захват карбаниона происходил быстрее, чем его симметризация, по крайней мере для среды с низкой диэлектрической проницаемостью. Для механизмов, представленных на рис. 5—7, АрЛ'д между донором протона
™(с3н7)3
с—D+:
Х OR k-
HN(C3H7)3
C----DOR
I

If ♦	*3 If
C- + H-N(C3H7)3*-2-	(?"•• HN(C3H7)3
Диссоциированные ионы
*4
^с-н+н-с^* *с-н
Рацемический Оптически активный продукт обме- продукт обмена на
Рис. 7. Сохранение конфигурации при использовании алкоголята три-пропиламмония в качестве основания.
(ион аммония или фенол) и сопряженной кислотой акцептора протонов (С — Н-кислотой) составляет около 9. По-видимому, это различие достаточно для обеспечения чрезвычайно высокой скорости переноса протона к карбаниону.
Эти механизмы реакций, протекающих с сохранением конфигурации, по-видимому, справедливы лишь для растворителей с низкой диэлектрической проницаемостью. Во всех случаях стереоспецифические механизмы, зависящие от образования ионных пар, конкурируют с нестереоспецифическими механизмами, зависящими от диссоциации ионных пар. Скорость последнего процесса в растворителях с низкой диэлектрической проницаемостью меньше, чем в растворителях с высокой диэлектрической проницаемостью. Тот же эффект должен препятствовать атаке протона с тыльной стороны карбаниона внутри ионной пары. Это приводит к образованию ионов, разделенных продуктом реакции (product-
С — Н-кислоты, образующие симметричные карбанионы
105
separated ions), причем в растворителях с низкой диэлектрической проницаемостью скорость этой реакции должна быть сравнима со скоростью обычной диссоциации ионной пары, которая протекает медленнее, чем перестройка ионной пары и ее превращение в ковалентный продукт.
М:*..
ROH,«”C’””HOR I
Сольватированная ионная вара
Н
---> RO Н-С^ M+,,,,OR
Ионы, разделенные продуктом реакции
> ^С—H + MOR + ROH Ионная пара
Механизм рацемизации
Если ^обм/^рац = 1, то это указывает на механизм реакции с рацемизацией. В принципе соответствующая комбинация обращения и сохранения конфигурации или сохранения конфигурации и изорацемизации может привести к тому, что отношение ^обм/^рац будет близко к единице. Примеры последней комбинации крайне редки и будут рассмотрены в следующих разделах. В большинстве случаев механизмы реакций с рацемизацией могут быть опознаны по их дискретному характеру. Значения &Обм/^рац, близкие к единице, наблюдаются для самых различных условий, что предполагает слишком невероятную степень совпадения для того, чтобы при этом могли с равной скоростью осуществляться два соревнующихся стереоспецифических механизма.
Возможен ряд механизмов для реакции рацемизации, и большая их часть была обнаружена экспериментально. Если карбанион плоский и симметричный, то любой процесс, ведущий к симметризации аниона, сопровождается рацемизацией. В табл. 37 приведены три типа условий, приводящих к рацемизации при использовании флуорена (III) в качестве субстрата. 1. Как нейтральное, так и анионное основание в диссоциирующем, но не гидроксильном растворителе дает Лобм/Лрац = 1- Так, например, для системы III с аммиаком в диметилсульфоксиде наблюдается полная рацемизация (опыт № 6). В этой среде либо активными основаниями являются диссоциированные ионы, либо в случае образования ионных пар диссоциация протекает быстрее, чем образование оптически активного продукта обмена. 2. Использование четвертичного аммониевого основания в недиссоциирующем растворителе дает значение fco6M//cpau= 1. В опыте № 8 фенолят тетраметиламмония в смеси бензол — фенол приводит к полной
106 Г л. III. Стереохимия реакций замещения для С — Н-кислот
рацемизации. И в этом случае продолжительность жизни карбаниона такова, что он попадает в симметричную сольватирующую оболочку. 3. В недиссоциирующем растворителе, в котором доноры протона не обладают достаточной кислотностью, чтобы захват карбаниона произошел быстрее, чем его симметризация, также наблюдается рацемизация. Примером может служить опыт № 10, проведенный в системе тпретп-бутилат калия — трет-бу-тиловый спирт.
Сравнение поведения флуоренов III и IV позволяет установить зависимость стереохимического поведения карбанионов от продолжительности их жизни. В системе тетрагидрофуран — пропиламин отношение Л?Обм/&рац для соединения III равно > 56 (опыт № 4). Разница АрКа для соединения III и иона пропил аммония, согласно оценке, близка к И. Эта величина достаточно велика для того, чтобы захват протона карбанионом протекал со скоростью, значительно превышающей скорость процесса симметризации. В той же среде и при использовании того же основания для соединения IV &Обм/&рац = 1 [7]. Для данного случая Ap7fa между соединением IV и ионом пропиламмония составляет около 8. Если же заменить н-пропиламин на анилин в том же растворителе, то &обм/^рац= 6. Разница рКа между соединением IV и ионом анилиния примерно равна 14. Очевидно, что для этой среды с низкой диэлектрической проницаемостью &рКа должно быть > 10 для того, чтобы скорость захвата протона была достаточно велика для обеспечения сохранения конфигурации.
Другой тип механизма рацемизации наблюдается для амбидентных карбанионов. Для соединений V — VIII с самыми различ-
ено
I С6Н5 —С —*С —н II I О с6н5
V
СН3
(CH3)2N—с — *с-н
II I
О с6н5 VII
сн3
(C2H5)2N —С —*С —Н
II I
о сн2с6н5
VI
СН3
(СН3)3С —со —с —*с-н
II I
О С6Н5
VIII
С — Н-кислоты, образующие симметричные карбанионы
107
а
c/V + в
£
Оптически активен
Оптически активен,	Рацемат,
обмена нет	обмена нет
а I
а
Оптически ак- ч С а тивный продукт! hq/ обмена )	।
с
Оптически активный продукт обмена
Симметричный, обмена нет
k2
а
D0/CVb I С
Симметричный продукт обмена
Рацемический продукт обмена
Рис. 8. Механизм рацемизации для карбонил содержащих соединений.
ными растворителями и основаниями &Обм/^рац = 1 в дейтерированной среде [7, 8]. Во всех этих системах заряд карбаниона в основном концентрируется на более электроотрицательном атоме кислорода карбонильной группы, и захват протона происходит безусловно быстрее по кислороду, чем по углероду [9].
Последующие реакции водородного обмена енольных форм этих соединений, катализируемые основанием, вероятно, проте-
108 Гл. Ill. Стереохимия реакций замещения для С — И-кислот
кают гораздо быстрее, чем превращение енолов в термодинамически более устойчивые кетоны. Таутомеры енолов симметричны, продолжительность их жизни достаточно велика для того, чтобы и их окружение стало симметричным, и в результате величина ^обм/^рац близка к единице. На рис. 8 представлен этот механизм при условии, что k2 > fc-i, а к5 > к3. Если бы к3 > к5, то к0^м/крац должно было бы быть меньше единицы, в результате чего должна была бы произойти изорацемизация, что ни для одного из названных кетонов не наблюдалось. Если бы к± и к-i > к2, то &обм/&рац было бы больше единицы и в результате происходил бы обмен с сохранением конфигурации.
Возникает вопрос, обладают ли бензильные анионы двойственным характером по отношению к донорам протонов. Для того чтобы выяснить это, Рассел [10] обрабатывал 2-фенил-2-пропил-калий различными дейтеросодержащими кислотами и изучал распределение дейтерия в молекуле образующегося кумола. Отношение степени вхождения дейтерия в бензильное положение к степени вхождения дейтерия в пара-положение кольца составляет: для D2O в эфире > 500; для CH3COOD в эфире 65; для DC1 в эфире 4,5; для DC1 в диметоксиэтане > 500. Дейтерирование в пара-положение происходит в большей степени, чем в орто-положение. Хотя хорошо было бы иметь такие же сведения и для других подобных систем, но и из имеющихся данных уже можно сделать вывод, что карбанион реагирует преимущественно таким образом, что восстанавливается ароматический характер системы.
В системах, карбанионы которых пирамидальны и быстро инвертируются, механизмы рацемизации могут быть иными. Эти случаи обсуждены ниже.
С — Н-кислоты, образующие симметричные карбанионы
109
Механизм обращения конфигурации
Если значения &Обм/^рац лежат между 0,5 и 1,то это указывает на одну из двух возможностей. Это может быть результатом, во-первых, одновременно протекающих инверсии и рацемизации или сохранения конфигурации или, во-вторых, одновременного протекания в соответствующих пропорциях изорацемизации и сохранения конфигурации или рацемизации. В растворителях, являющихся донорами протонов и способствующих диссоциации, таких, как метанол или этиленгликоль, наблюдается одновременно инверсия и рацемизация для ряда систем. В растворителях, не способствующих диссоциации, таких, как тпретп-бутиловый спирт или тетрагидрофуран, происходят одновременно изорацемизация и сохранение конфигурации или рацемизация. Процесс первого типа обсуждается в этом разделе, а реакции второго типа рассмотрены в следующем разделе.
В табл. 38 приведены результаты опытов по обмену водород — дейтерий, катализируемому основанием для соединений III, IX [И] и X [12] в растворе метанола или этиленгликоля. Значения ^обм/^рац изменяются в пределах от 0,65 до 0,94. Этот результат
Таблица 38
Обращение конфигурации и рацемизация при обмене водород —дейтерий
Соединение	Номер опыта	Растворитель	Основание	Температура, °C	^обм^рац
D СН3	1	СН3ОН	(C3H7)3N	75	0,65
	2	СН3ОН	CH3OK	25	0,69
О—(X	3	СН3ОН—25% Н2о	(C3H7)3N	75	0,78
in	4	(СН2ОН)2	(C2h5)3n	50	0,94
С2Н5	5	СН3ОН	(C3h7)3n	50	0,84
N = С —*С —D(H) 1 СвН5 IX	6	(СН2ОН)2	KHCO3	25	0,87
с2н5	7	СН3ОН	CH3OK	120	0,80
1 F3C —*С —D(H) 1 Свн5 X	8	СН3ОН	CH3OLi	120	0,65
110 Гл. III. Стереохимия реакций замещения для С — П-кислот
в целом мало меняется в зависимости то того, какое основание — третичные амины, карбонат или метилат калия или метилат лития — применяют в качестве катализатора. На рис. 9 представлена интерпретация этих данных.
Согласно этой схеме, при отщеплении дейтерия от углерода под действием амина или алкокси-аниона одновременно происходит сольватация образующегося карбаниона с противоположной
*	- k.
^С-D + ROH + :NR4(OR) / 3 *->
1/
ROH----C----HOR
Симметрично сольватированный анион
ROH----C"..-DNR3(DOR)
Ассиметрично сольватированный анион
4
RO Н—DNR3(DOR)
Продукт обмена с обращенной конфигурацией
/С-Н + Н—
Рацемический продукт обмена
Рис. 9. Конкурентные механизмы обращения конфигурации и рацемизации.
стороны за счет образования водородной связи с молекулой растворителя. В результате образовавшийся плоский карбанион связан с тыльной стороны водородной связью с молекулой растворителя, а с фронтальной — или с ионом триалкилдейтероаммония, или с дейтерированной молекулой растворителя. В соответствии с этим захват дейтерия может произойти только с фронтальной стороны, где он первоначально находился, что приводит к неизмененному исходному продукту, в то время как захват протона может произойти лишь с тыльной стороны, что даст продукт обмена с обращенной конфигурацией. Переход от асимметрично сольватированного аниона к симметрично сольватированному за счет повторной сольватации молекулой растворителя приводит в результате к рацемическому продукту обмена.
Метанол и этиленгликоль способствуют диссоциации соответствующих алкоголятов лития и калия [13]. Поэтому можно ожидать, что эти растворители будут вызывать процесс диссоциации ионной пары, в результате которого асимметрично сольватирован
С — Н-кислоты, образующие симметричные карбанионы
111
ный анион (в качестве основания — амин) превращается либо в продукт с обращенной конфигурацией, либо в симметрично сольватированный карбанион. Значения Лобм/^рац больше 0,5, но меньше единицы; это указывает на то, что к2 = к3. Поскольку превращение в продукт с обращенной конфигурацией эквивалентно образованию снова исходного продукта, то = fc-i, если в качестве основания используют алкоголят. Когда в качестве основания применяют третичный амин, то, вероятно, k-i > к2, но это безусловно нелегко доказать.
Кажется невероятным, чтобы в растворителях, способствующих диссоциации, таких, как метанол или этиленгликоль, конкурировали механизмы с сохранением и обращением конфигурации, поскольку в таких случаях никогда не наблюдалось в чистом виде сохранения конфигурации.
Для этих растворителей разница в кислотности для среды и С — Н-кислоты (Др/Га — 5) меньше, чем требуется для того, чтобы обеспечить сохранение конфигурации в растворителях с низкой диэлектрической проницаемостью. Это различие в значении Д рЛа, необходимое для обеспечения стереоспецифичности, может быть связано в большей степени с различием в скоростях для конкурентных реакций рацемизации, чем для стадий связывания протона.
Механизм изорацемизации
Значения кобм/кр&ц < 0,5 указывают на наличие механизма, при котором рацемизация происходит быстрее, чем обмен. Появление такого механизма не удивительно в том случае, когда оптически активная дейтерийсодержащая С — Н-кислота обрабатывается основанием типа трипропиламина, не являющимся донором протонов, и в отсутствие других источников протонов. Так, например, если нагревать флуорен III при 145° с 0,5 М раствором триэтиламина в сухом тетрагидрофуране, то кобм/крац составляет 0,23. Вероятно, присутствие случайных следов влаги может объяснить то, что обмен, хотя и в небольшой степени, все-таки происходит. Помимо этой влаги, единственными кислотами, достаточно сильными, чтобы протонировать карбанион, являются другие молекулы той же С — Н-кислоты или ионы дейтерированного триэтиламмония. Возможно, что генерируются ионные пары три-метиламмоний — карбанид, которые обычно снова образуют исходное вещество. Однако иногда диссоциация ионной пары проходит
Ь с	с b
+	C‘-DN(C2H5)3^ C’«*DN(C2H5)3—C^C-D+:N(C2H5)3
а	i I	I	a
a	a
Изорацемизация при водородном обмене
Таблица 39
Соединение	Номер опыта	Среда	Основание	^обм^рац
D , СИ, °’N\^X^\X4^-C0N(CH3>J ОТ Yj	1	(СН2)4 О—1,5 М mpem-C4H9OH—10~4 М (C3H7)3NHI	(C3H7)3N	0,1
	2	(СН2)4 0—1,5 М тргт-С4Н8ОН —10-4 м h-(C4H9)4NI	(C3H7)3N	0,1
IV				
с2н5 ।	3	mpem-C4H9OH	(C3h7)3n	0,2
N = С —*С —D |	4	(СН2)4 0 —1,5 М mpem-C4H9OH	(C3h7)3n	0,05
С6Н5				0,09
IX	5	(СН2)4 0—1,5 М mpem-C4H9OH— 0,1 М (h-C4H9)4NI	(C3h7)3n	
	6	(СН2)4 0—1,5 М mpem-C4H9OH — 0,1 М (C3H7)3NHI	(C3H7)3N	0,19
сн3	7	(СН2)4 0 — 1,1 М трет-О^ОЪ	mpem-C4H9OK	0,52
1 N = С — *С — Н	8	С6Н6 —1,1 М mpe/n-C4H9OD	mpem-C4H9OK	0,51
С (СбН5)з XI	9	(СН2)6 —0,5 М mpem-Ci^QD	mpem-C4H9OK	0,50
С — Н-кислоты, образующие симметричные карбанионы
113
в достаточной степени, так что карбанион может «вывернуться», и тогда захват протона от иона триэтиламмония происходит с тыльной стороны карбаниона. Иными словами, > к2.
Этот опыт, проведенный в отсутствие источников протонов, дает мало сведений об истинном характере процесса рацемизации, который может протекать за счет либо диссоциации ионной пары, либо реакции перестройки ионной пары. Для реакции перестройки ионной пары предложен термин «изорацемизацияъ; это явление обнаружено в опытах с соединениями IV [7], IX [И] и XI [14]. В табл. 39 приведены соответствующие данные.
Опыт № 1 с дейтерированным флуореном IV и № 6 с дейтеронитрилом IX были проведены в тетрагидрофуране, содержащем 1,5 М тпретп-бутилового спирта, в присутствии иодида трипропил-аммония и трипропиламина в качестве основания. Для &Обм/&рац были получены соответственно величины 0,1 и 0,19. В опыте № 2 и 5 вместо иодида дейтерированного трипропиламмония использовали иодид тетрабутиламмония, что оказало незначительное влияние на величину &Обм/&рац- В опытах № 4 и 3 дейтерированный нитрил IX рацемизовался под действием трипропиламина в тетрагидрофуране, содержащем 1,5 М тпретп-бутилового спирта, или в тпретп-бутиловом спирте, и для Лобм/^рац были получены значения 0,05 и 0,2 соответственно.
Рацемизация, безусловно, протекает через образование ионной пары дейтерированный трипропиламмоний — карбанид. Рацемизация и образование ковалентного продукта в этом случае проходят быстрее, чем диссоциация или реакция с соответствующими изотопными молекулами среды — иодидом трипропиламмония или дпретп-бутиловым спиртом. Скорость обмена дейтерированного иодида трипропиламмония с тпретп-бутиловыми спиртом в присутствии трипропиламина, безусловно, достаточно велика, чтобы не допустить накопления каких-либо дейтерированных солей. Скорость обмена протонов между аммиаком и аммониевыми ионами в воде при 25° составляет 109 л• моль"1 • сек"1 Рассматриваемая реакция носит тот же характер.
В опытах № 7—9 нитрил XI обрабатывали тпретп-бутилатом калия в тетрагидрофуране, бензоле или циклогексане, содержавших значительное количество 7npe7n-C4H9OD, и при этом были получены значения &обм/^рац — 0,50—0,52. Снова, по-видимому, проявляется общий механизм изорацемизации, уже описанный выше.
Общий механизм изорацемизации представлен на рис. 10. Полученные данные согласуются с этой схемой, лишь если к-^ и >
к3. Иначе говоря, рацемизация ионной пары и превращение ее в ковалентное соединение протекает быстрее, чем обмен катиона ионной пары на аналогичный изотопсодержащий катион среды. Если 8-539
114 Гл. III. Стереохимия реакций замещения для С— 11-кислот
же происходит такой обмен катионов, то он идет непосредственно между двумя ионными парами или путем диссоциации ионных пар. Если поставить опыт в условиях опыта № 2 (табл. 39), только увеличив концентрацию иодида тетрабутиламмония с 10"4 до 0,03 М, то скорость обмена заметно возрастет и /сОбм/&рац = 1 [71. Это заставляет предположить, что обмен происходит в основном
с
/C-D + :B
Ионная пара с сохраненной конфигурацией, обмена нет
Рацемическая ионная пара, обмен прошел
b
С^ч*
/C-D + :B
DB
Продукт с обращенной конфигурацией, обмена нет
Ионная пара с обращенной конфигурацией, обмена нет
I -С-Н
I
Рацемический продукт обмена
Р и с. 10. Общий механизм изорацемизации.
за счет обмена катионами между ионными парами. Однако, поскольку обмен идет в некоторой степени и в отсутствие добавленных солей, этот факт свидетельствует о том, что частично обмен может происходить по механизму, включающему диссоциацию ионной пары.
Возможны два других механизма изорацемизации. Согласно первому, может произойти простой поворот карбаниона на 180° относительно иона противоположного заряда вокруг любой оси, лежащей в плоскости карбаниона. Согласно второму, вращение происходит так, что водородная связь между двумя ионами не разрушается полностью, вследствие чего получается тот же результат, что и по первому механизму, но обеспечивается большая специфичность. По этому механизму, который можно назвать механизмом «связанного переноса» (conducted-tour mechanism), атом дейтерия или водорода, ранее связанный с углеродом, образует водородную или даже ковалентную связь с кислородом или азотом, причем возникают таутомеры, являющиеся промежуточными продуктами в реакции. Эти промежуточные продукты симметричны и образуют исходное рацемическое вещество без изотопного обмена. Иначе говоря, под действием основного катализатора происходит «связанный перенос» атомов водорода или дейте-
b
a£>
^C-C=N + :b
1Г
D
a<rC-C=N+:B ±~ b'
a^C-.C=Nj
DB
DB
b. :
^c— c=nJ
a^
ь^ Л
a<C.-C.=r;NZ
I DB
J DB b^c—C=N^
R= CON(CH3)2
Рис. 11. Механизм
«связанного переноса» в процессе и юрацемпзации.
8*
116 Гл, III. Стереохимия реакций замещения для С — }1-кислот
рия с одной стороны молекулы на другую и, следовательно, с одной водородной связи на другую, но при этом они не попадают вереду. Хотя внешние изотопсодержащие молекулы также могут образовывать водородную связь с электронодонорными центрами в процессе «связанного переноса», однако реакция по этим центрам не происходит, поскольку при этом должно было бы произойти разделение заряда. Разделения заряда не происходит, но он будет нейтрализоваться (в случае третичного амина в качестве основания) за счет перемещения протона на любую из сторон карбаниона. В известном смысле во время «связанного переноса» отрицательный заряд частично перемещается вслед за положительным с одной стороны карбаниона на другую. Эти рассуждения также хорошо применимы к нитрилам типа X и XI или к системе нитро-флуорена IV, что и показано на рис. 11.
Подтверждение механизма «связанного переноса» для флуореновой системы IV можно видеть в том факте, что превращение соединения XII в ароматический таутомер под действием раствора трипропиламина в дейтерированном триэтилкарбиноле-O-d, содержащем 0,1 М йодистого трипропиламмония, идет на 97% внутримолекулярно [16]. Применимость этого механизма к системам типа IX и XI следует из того факта, что ацетилен (C6H5)2CDC=CC6H5 (XIII) в системе диметилсульфоксид — метанол — иодистый триэтилендиаммоний изомеризуется в алленовый таутомер (С6Н5)2С = С = CDC6H5 на 88% внутримолекулярно. Эти и им подобные миграции аллильного протона под действием оснований рассмотрены в гл. V.
С6Н5 С6Н5
(с6н5)2с—н
(c3h7)3n, (C2H5)3COD, (C3H7)3NDI, 65°
н с(сн3)2соос2н5
XII
С(СН3)2СООС2Н5
Влияние строения на механизм
Весьма псучительно сравнение поведения двух флуореновых систем III и IV и нитрила IX в недиссоциирующих растворителях (см. табл. 40) [6, 7, 11]. В тетрагидрофуране в присутствии про-пиламина в качестве основания для флуоренамида (III) (опыт № 1) наблюдается высокая степень сохранения конфигурации (&обм/&рац>56), в то время как для нитрофлуоренамида (IV) и нитрила IX (опыт №4и 6) рацемизация происходит нацело (Аббм/Лрац = !)•
С — Н-кислоты, образующие симметричные карбанионы 117
Таблица 40
Конкуренция между механизмами нзорацемизацнн и сохранения конфигурации
Соединение			Номер опыта	Среда	Основание	^обм^рац
	XCH3		1	(CH2)4O	c3h7nh2	>56
D			2	90% СвН6-10%	С6Н6ОК	18
		/CON(CH3)2		свн5он		
1			3	тирет-С4Н9ОН	(C8H7)8N	>6
111						
Dx	CH3		4	(СН2)4О	С.зН7КН2	1,0
Y T		/CON(CH3)2	5	(СН2)4О-1,5 М	(CsH7)3N	0,1
	—c			mpem-C^gOH		
	IV					
C2H5			6	(СН2)4О	c8h7nh2	1,0
N = C-*C-D I			7	90% СвНв-10% свн6он	свнбок	0,76
CeHs			8	(СН2)4О—1,5 М	(C3H7)aN	0,05
	IX			mpem-C4H9OH		
В системе 90% бензола — 10% фенола — фенолят калия для флуоренамида III наблюдается высокая степень сохранения конфигурации (/сОбм/^рац = 18) (опыт № 2), в то время как для нитрила IX А:Обм/^рац = 0,76 (опыт № 7). Последняя величина, вероятно, является результатом наложения изорацемизации и обычной рацемизации (или сохранения конфигурации). В системе тп^етп-бутиловый спирт — трипропил амин флуоренамид (III) реагирует с сохранением конфигурации (А’обм/^рац > 6, опыт № 3), в то время как в системе тетрагидрофуран — 1,5 М трет-бутало-вый спирт — трипропиламин нитрофлуоренамид (IV) реагирует с изорацемизацией (/сОбм/^Рац = 0,1, опыт № 5); аналогично ведет себя нитрил IX (А:Обм/^рац = 0,05, опыт № 8).
Очевидно, что для флуоренамида характерен механизм с сохранением конфигурации, а для нитрофлуоренамида и нитрила — механизм изорацемизации. В свете высказанных выше соображений вероятно, что в ионной паре, образующейся в флуоренамидной системе, в катионе которой имеются доноры протона, вращение катиона осуществляется скорее, чем вращение аниона (опыт № 1 и 2, табл. 40). В соответствующих ионных парах, образующихся из систем с нитрофлуоренамидом или нитрилом, вращение катиона
118 Гл. III. Стереохимия реакций замещения для С — Н-кислот
и аниона происходит со сравнимой скоростью, что и дает полную или почти полную рацемизацию (опыт № 4, 6 и 7). В случае же ионных пар, катионы которых не содержат доноров протонов, вращение анионов нитрофлуоренамидной и нитрильной систем протекает быстрее, чем иные конкурирующие процессы, в то время как для анионов флуоренамида это вращение не происходит.
ь
^Sc-C-N +:NH>
3
+NI-LD <--
bK	2
Рацемический продукт обмена
НХ
a^C-C=N + NH2D -----
b
Рис. 12. Одновременное вращение аниона п катиона в ионной паре.
На рис. 12 представлен случай одновременного вращения аниона и катиона в ионной паре аммоний — цианкарбанид (для нитрила IX и аммиака в тетрагидрофуране ЛОбм/^рац = 1,2) [И].
Представленные данные и их интерпретация показывают, что в недиссоциирующих растворителях циан- и нитрогруппы как стабилизирующие карбанионгруппы вызывают изорацемизацию по механизму «связанного переноса», в то время как амидная группа способствует сохранению конфигурации, по крайней мере в тех случаях, когда она связана с флуореновым циклом. Причина такого различия неясна.
СИСТЕМЫ, ОБРАЗУЮЩИЕ НЕСИММЕТРИЧНЫЕ КАРБАНИОНЫ
В предыдущем разделе были рассмотрены стереохимические свойства внутренне плоских симметричных карбанионов. Асимметрия возникала в этих случаях либо за счет образования ионных пар, либо вследствие асимметричной сольватации. Во всех случаях карбанионы стабилизировались группами, способными перераспределять заряд, в некоторых случаях с участием большой ненасыщенной системы.
Системы, образующие несимметричные карбанионы •
119
В настоящем разделе будет рассмотрено поведение карбанионов, стабилизированных функциональными группами, связанными с элементами второго периода. Подобные функциональные группы стабилизируют заряд за счет индуктивного и d-орбиталь-ного эффектов (см. гл. II). Тот факт, что свойства этих карбанионов отличаются от свойств карбанионов, стабилизированных в основном за счет делокализации путем взаимодействия с ^-орбиталями, и является основанием для того, чтобы вынести рассмотрение этих систем в отдельный раздел.
Первое указание на то, что карбанионы, стабилизированные группами, связанными с элементами второго периода, отличаются от вышеописанных карбанионов, заключалось в следующем. Оказалось, что под действием основания обмен водород — дейтерий для оптически активного 2-октилфенилсульфона протекает с высокой степенью сохранения конфигурации даже при использовании растворителей с высокой диэлектрической проницаемостью, которые ранее квалифицировались как растворители, вызывающие рацемизацию или обращение конфигурации [17]. В последующей работе были тщательно измерены величины &Обм/&рац для метанола, смеси диметилсульфоксида и метанола, этиленгликоля, трет-бутилового спирта [18], а также смеси 67% этанола и 33% воды [19]. Затем было определено отношение &Обм/йрац для метанола [20]. Величина этого отношения скоростей сильно изменяется от 10 для смеси диметилсульфоксид — метанол или метанола до 1980 в дпретп-бутиловом спирте в некоторых условиях [18].
Исследованы также семь других систем, содержащих 2-октиль-ный остаток, соединенный с различными группами, стабилизирующими карбанион и связанными с атомами серы [21] или фосфора [21а, 21в, 22]. Эти результаты и данные, полученные для 2-октил-фенилсульфоновой системы, приведены в табл. 41. В опытах № 1—7 (система сульфона) отношение АОбм/^рац меняется почти в 200 раз при изменении растворителя и основания. Сравнение опытов № 2 и 3 показывает, что в тпретп-бутиловом спирте замена трет-бутилата калия на гидроокись тетраметиламмония вызывает уменьшение Аобм/^рац в 7—30 раз. Сравнение опытов № 2, 6 и 7 показывает, что замена тпретп-бутилового спирта метанолом или смесью метанол — диметилсульфоксид уменьшает /собм//срац в 14—100 раз.
Для систем, образующих плоские карбанионы (рассмотренные выше), подобные изменения основания и растворителя снижают значения &обм/^рац до единицы или ниже. При использовании сульфона минимальное значение этой величины равно 10. Очевидно, что то влияние растворителя и основания, которое было отмечено для плоских карбанионов, проявляется и для сульфонилсодержа-
120 Гл, III. Стереохимия реакций замещения для С — Щ-кислот
Таблица 41
Величина &Обм/^рац Для 2-октпльного остатка, соединенного с функциональными группами, связанными с атомами серы и фосфора.
| Номер опыта!	Соединение а	Растворитель	Основание	Температура, °C	S’ rt Ю 0 ле
1	hr*-so2-c6h5	/?z,pe/?i-C4IIgOD	mpe/n-C4H9OK	25	73—
					1200
2	DR*-SO2-CeH5	??гр^л/г-С4Н9ОН	nipe/n-C4H9OK	25	139—
					1980
3	DR*—SO2 -CeH5	mpem-C4H9OH	(CH3)4NOH	25	22-64
4	HR*—SO2—C6HS	(CH2OD)2	doch2ch2ok	100	25
5	DR*-SO2-CeH5	(CH2OH)2	HOCH2CH2OK	100	32
6	DR*—SO2—CeH5	CH3OH	CH3OK	100	10
7	DR*-SO2-C6H5	(CH3)2SO — CH3OK	CH3OK	25	10
8	HR* —SO2 —N(CH3)CeH5	7npem-C4H9OD	mpe/n-C4H9OK.	25	-19
9	DR*—SO2—N(CH3)CeH5	mpe?n-C4H9OH	mpe/n-C4H9OK	25	-37
10	DR*-SO2-N(CH3)CeH5	(CH2OH)2	HOCH2CH2OK	100	-17
11	DR*-SO2-N(CH3)C6H5	(CH3)2SO—CH3OH	CH3OK	25	-34
12	HR*—SO2 — OCH3	mpem-C4H9OD	7?ipe/n-C4H9OK	25	^28
13	HR* —PO2KC6H5	mpem-C4H9OD	mpem-C4H9OK	225	-17
14	DR* —SO—CeH5	mpem-Qt^QH.	mp^m-C4H9OK	60	-2,4
15	DR* —SO—CeH5	(CH3)2SO— CH3OH	CH3OK	60	-1,0
16	DR*—SO3K	mpem-C4H9OH	mpe/n-C4H9OK	146	1,6
17	DR*—SO3K	mp<?m-C4H9OD	mpe?n-C4H9OK	146	U
18	HR*-PO(C6H5)2	/npem-C4H9OD	/7ipem-C4H9OK	100	3,3
19	DR*-PO(C6H5)2	?npe/n-C4H9OH	mpe/n-C4H9OK	100	3,4
20	HR*—PO(CeH5)2	(CH2OD)2	DOCH2CH2OK	175	1,2
21	DR* —PO(C6H5)2	(CH2OH)2	HOCH2CH2OK	175	1,4
22	DR*-PO(CeH5)2	CH3OH	CH3OK	75	1,1
23	DR*—PO(C6H5)2	(CH3)2SO — CH3OH	CH3OK	75	1,0
24	HR* —PO(OC6H5)2	mpe/n-C4H9OD	/npe/n-C4H9OK	100	1,2
СН3
а HR*=H—*С-С6Н1з-н;
СН3
I
DR*=D—*С—С6Н1з-н.
щих карбанионов, но влияние собственной асимметрии карбанионов перекрывает эти эффекты.
Восемь представленных в табл. 41 систем можно разделить на две группы: системы, подобные сульфонам, для которых /^обм/^рац = Ю, и системы, для которых Аобм/^рац близко к единице.
Системы, образующие несимметричные карбанионы
121
Незначительная степень стереоспецифичности, наблюдаемая для последней группы, по-видимому, связана с образованием ионной пары или с эффектом растворителя, и, по-видимому, эти эффекты существенно менее важны, чем ранее обсуждавшиеся эффекты для случая симметричных карбанионов. Действительно не удалось найти примеров обмена с полным обращением конфигурации. Отсюда можно заключить, что свойства симметрии всех этих карбанионов несколько отличаются от свойств обсуждавшихся ранее симметричных карбанионов, но для одного из классов это различие выражено в большей степени, чем для другого.
О
Аг — S —
О
R О
Аг—N —S—
О
О
t
RO — S —
I
О
о
Аг —Р -
I
КО
+-
О	О
Т +- t
Аг —S— КО—S —
О
О	О
t	t
Ar—Р	RO—Р —
I	I
Ar	RO
Функциональные группы, вызывающие асимметрию в карбанионах
Функциональные группы, не вызывающие в заметной степени асимметрии в карбанионах
Сравнение особенностей строения этих двух классов функциональных групп показывает, что асимметрия вызывается группами, содержащими два незамещенных атома кислорода при атоме элемента второго периода, и не вызывается группами, содержащими один или три незамещенных атома кислорода при атоме элемента второго периода. Наличие или отсутствие формального отрицательного заряда, по-видимому, не имеет существенного значения.
Если сульфонилсодержащий карбанион образуется не за счет разрыва С — Н- или С — D-связи, а за счет разрыва С — С-связи [23], то получается тот же результат. При декарбоксилировании или расщеплении алкоксипроизводных под действием оснований образуется 2-октилфенилсульфон 98—100%-ной оптической чистоты, независимо от природы применяемого основания или растворителя. Этот результат наблюдался в третп-бутиловом спирте, этиленгликоле, метаноле и воде с соответствующими калиевыми основаниями, а также в смеси диметилсульфоксид — метанол с метилатом калия или гидроокисью тетраметиламмония. Хотя относительная конфигурация исходных веществ и продуктов
122 Гл. III. Стереохимия реакций замещения для С — Н-кислот,
реакции не была определена, можно с уверенностью утверждать, что реакция прошла с сохранением конфигурации по аналогии с реакцией отщепления протона.
+ НВ
СИ, ,1
—>- сбн5—so2—с—н
СбН13-«
СО2 + :В
СН.З б'Л	9нз
С6Н5—SO2—С^-рС(СН3)2 + нв —► с6н5—so2—-с— Н + (СН3)2СО + :В
С6Н13-я	С6Н|3-«
Еще два эксперимента имеют прямое отношение к вопросу о конфигурации аниона сульфона [24]. Сравнение значений ^обм/^рац Для сульфонов XIV и XV в смеси этанол — вода (2 1) показывает, что эти величины мало отличаются друг от друга. Следовательно, стерический эффект, по крайней мере на данной степени структурного усложнения, оказывает лишь незначительное влияние на стереоспецифичность реакции обмена. Второй эксперимент состоит в том, что при нагревании оптически активной кислоты XVI при 150—180° в смеси этанол—вода она декарбоксилируется с образованием рацемического соединения XVII.
СН3
I С6Н5 —SO2 —*С—Н
I н-С6Н13
XIV
Г ^обм/^рац=42
сн3
С6Н5 —SO2 —*С —Н I
С(СН3)3
XV
^обм/^рац = 59
К сожалению, ни для кислоты XVI, ни для продукта реакции XVII не была доказана их оптическая устойчивость в условиях этого опыта, и поэтому выводы на основании полученных данных следует делать с осторожностью. Известно, что при 180° рацемизация соли XVI через стадию образования бирадикала протекает быстрее, чем декарбоксилирование. Следует также обратить внимание на известную реакцию рацемизации соединения XVIII по схеме радикального распада и рекомбинации (наряду с ионным расщеплением) [25].
Совокупность всех этих данных заставляет предположить, что карбанионы, стабилизированные функциональными группами, связанными с атомами серы и фосфора, являются асимметричными, по крайней мере в тех случаях, когда они не входят в состав
Системы, образующие несимметричные карбанионы
123
циклов. Если функциональная группа содержит два незамещенных атома кислорода, то скорость рацемизации аниона невелика
XVI Оптически активен
150- 180°
Этанол-вода
Резонансный гибрид
СН3 ОМ
С О	'____I r u	50\
С2Н5 С	С Сбн5
обн5 qh5
XVIII
по сравнению со скоростью присоединения протона и для всех систем растворитель — основание наблюдается высокая степень сохранения конфигурации. Если это условие не выполняется, то скорость рацемизации аниона велика по сравнению со скоростью присоединения протона.
В гл. II было показано, что для осуществления перекрывания d-орбиталей элементов второго периода и орбиталей пары электронов карбаниона, конформационные и конфигурационные требования значительно менее существенны, чем электростатические и сольватационные требования. В общем виде возможны два объяснения асимметрии этих карбанионов, исходя из электростатики [23]. Согласно первому, предполагают, что карбанионы имеют пирамидальное строение, и наличие у соседнего атома двух отрицательно заряженных атомов кислорода создает электростатический барьер для инверсии, достаточно значительный, чтобы уменьшить скорость рацемизации карбаниона, вследствие чего процесс присоединения протона становится более быстрым процессом. Наличие же одного или трех отрицательно заряженных атомов кислорода у функциональной группы в первую очередь создает меньшую электростатическую движущую силу для образования пирамидальной конфигурации карбаниона, а так-
124 Гл. III. Стереохимия реакций замещения для С — Н-кислот
же меньший электростатический барьер
(см. рис. 13).
для его инверсии
Конформация и гибридизация с минимальным электростатическим отталкиванием
Возможные переходные состояния для инверсии пирамидального карбаниона; величина зарядов сравнима с величиной заряда основного состояния
Конформация и гибридизация с минимальным электростатическим отталкиванием
Переходное состояние с минимумом электростатического отталкивания, мало отличающееся по электростатике от основного состояния
д-
О
Одна из трех конформаций и гибридизация с минимальным электростатическим отталкиванием
Одно из трех переходных состояний с минимальным электростатическим отталкиванием, не очень сильно отличающееся по электростатике от основного состояния
Р и с. 13. Пирамидальные карбанионы, стабилизированные функциональными группами, связанными с элементами второго периода.
Согласно второму объяснению, предполагают, что карбанион имеет тригональное строение и асимметричен в случае систем, содержащих два эквивалентных отрицательно заряженных атома кислорода. Асимметрия возникает за счет конформации, причем и для образования карбаниона и для реакций с ним образуется
Системы, образующие несимметричные карбанионы
125
именно конформация с минимальным электростатическим отталкиванием. Оба фактора — электростатический и стерическии — препятствуют вращению карбаниона, которое привело бы к симметричной конформации, вследствие чего присоединение протона происходит быстрее, чем рацемизация. В тех системах, которые содержат либо один, либо три незамещенных атома кислорода, исчезает электростатическая движущая сила для образования карбаниона в асимметричной конформации. Если имеется лишь один атом кислорода, то даже если и образовался сначала асимметричный карбанион, можно ожидать, что электростатический барьер для его вращения и образования симметричной конформации будет невелик и вращение будет происходить быстрее, чем захват протона (см. рис. 14).
Асимметричная конформация, уменьшающая электростатическое отталкивание в переходном состоянии для образования карбаниона и реакции присоединения к нему
Симметричные конформации, уменьшающие электростатическое отталкивание в переходном состоянии для образова-/ ния карбаниона и реакции присоединения к нему
Р п с. 14. Тригональные карбанионы, стабилизированные функциональными группами, связанными с элементами второго периода.
Пока не имеется данных, позволяющих различать эти два механизма. То, что отношение АОбм/^рац при обмене примерно одинаково, даже если н-гексильную группу в карбанионе заменить на тпретп-бутильную (ср. XIV и XV), можно трактовать с точки зрения любого из этих механизмов. Если карбанион пирамидален, то скорость инверсии должна увеличиваться за счет влияния эффекта «В-напряжения», но одновременно и уменьшаться за счет препятствия к сольватации с тыльной стороны, и эти два эффекта могут уравновешивать друг друга. Если карбанион три-гонален, то стерические препятствия для вращения должны быть значительнее для трет-бутильной группы по сравнению с н-гексильной группой, но этот эффект невелик.
Если проверка покажет, что кислота XVI декарбоксилируется с полной рацемизацией, тогда оба механизма могут с равным успехом применяться. Вследствие наличия пятичленного цикла возни-
126 Гл. III. Стереохимия реакций замещения для С — И-кислот
кает конформация переходного состояния, которая электростатически неблагоприятна. Если карбанион пирамидален, то электростатическое затруднение препятствия для инверсии пирамиды будет невелико в этой жесткой конформации, и скорость рацемизации карбаниона должна быть выше, чем скорость присоединения протона. Если карбанион плоский, то это приводит к возникновению симметричной конформации, в результате чего также образуется рацемический продукт.
СПЕЦИАЛЬНЫЙ СЛУЧАЙ КАРБАНИОНОВ, ВХОДЯЩИХ В СОСТАВ ТРЕХЧЛЕННЫХ ЦИКЛОВ
Изучение N-этилениминовой системы методом ЯМР показывает, что скорость инверсии неподеленной пары электронов азота очень сильно уменьшается, если включить азот в состав трехчленного цикла [26]. Если к азоту присоединить ненасыщенные группы, то скорость инверсии возрастает, по-видимому, вследствие того, что плоское переходное состояние стабилизируется относительно неплоского основного состояния делокализацией пары электронов азота за счет сопряжения с ненасыщенной системой. Далее, растворители, способные образовывать водородную связь, такие, как вода или спирты, значительно уменьшают частоту инверсии амина, что указывает на то, что водородная связь стремится закрепить конфигурацию неподеленной электронной пары азота.
Более медленная инверсия этилениминов по сравнению с их аналогами с открытой цепью обусловлена наличием сильного углового напряжения в трехчленном цикле. Переходное состояние для инверсии аммиака имеет $р2-гибридизацию атома азота с углом Н — N — Н в 120°. Включение азота в трехчленный цикл уменьшает величину угла с 109 до 60°. В переходном состоянии для инверсии этиленимина величина угла уменьшается с 120 до 60°. Отсюда следует, что в этом случае угловое напряжение в переходном состоянии инверсии будет значительно больше, чем в основном. В результате этого возрастает энергия активации для инверсии азота в трехчленном цикле, и инверсия протекает медленнее, чем в случае открытых систем, где этот эффект отсутствует [27].
Показано, что эти же эффекты действуют в случае карбанионон [28а], изоэлектронных аминам. Хотя для ациклического нитрила
СН3	С6Н5 С6П5
*1	\ /
С6Н5 —СН2 —С —С = N	С
I	/I*
н	сп2—С—С = N
А
XIX	XX
Карбанионы, с гомосопряжением
127
XIX в системе метанол-0-d — метилат калия Аобм/^рац ~ 1 122], это отношение для циклического нитрила XX равно 8,080 128]. Из этих данных можно сделать вывод, что карбанион, образующийся из ациклического нитрила, становится плоским и симметричным за счет делокализации электронной пары с участием атома азота. Как было показано выше, протонизация по азоту может протекать быстрее, чем по углероду. Карбанион, образующийся из циклического нитрила XX, по-видимому, сохраняет свой пирамидальный характер, при этом скорость его инверсии меньше скорости присоединения протона. В системе диметилсульфоксид — метилат калия А:Обм/^рац ~ 60 [286].
КАРБАНИОНЫ С ГОМОСОПРЯЖЕНИЕМ
Установлено, что оптически активный камфенилон XXI в условиях основного катализа вступает в реакцию обмена водород — дейтерий (константа скорости &Обм) с той же скоростью, с которой протекает рацемизация (константа скорости &рац) [29]. Факт осуществления этих двух реакций указывает на промежуточное образование карбаниона, а поскольку Лобм/^рац — 1» то оба процесса протекают через общий симметричный гомоенолятный анион XXII, который можно рассматривать как мостиковый анион с участием резонансных ионов с разомкнутым мостиком.
XXI	XXII
Оптически активный
Симметричный
/npe/n-C4H9OD
Рацемический дейтеросодержащий продукт
Справедливость этой интерпретации была подтверждена при изучении стереохимии гидролиза 1-ацетоксинортрициклена (XXIII) в 6-дейтеронорборнанон-2 (XXIV) под действием дейтерированного спирта, содержащего основание [30]. Показано, что дейтерий входит в молекулу исключительно с экзо-стороны (стереоспеци-фичность>95%) в следующих системах: дпредп-бутиловый спирт-г/— тпрет-бутилат калия; третп-бутиловый спирт-d — гидроокись
128 Гл. III. Стереохимия реакций замещения для С — И-кислот
тетраметиламмония-0-d; метанол-0-d — метилат калия или диметилсульфоксид — метанол-0-d (1:1) — метилат калия. Следовательно, в этой полициклической системе электрофильное замещение протекает с очень высокой степенью обращения конфигурации, причем пространственное течение реакции не изменяется при изменении природы растворителя или основания. Карбонильная группа достаточно сильно связана с фронтальной стороной
ОСОСН3
XXIII
KOR DOR
карбаниона, что и направляет атаку протона с тыльной стороны. Этот результат подразумевает, что отрыв протона основанием от соединения XXI должен в основном протекать с экзо-стороны, причем карбонильная группа должна способствовать этому процессу.
В противоположность этим стереохимическим данным обработка спирта XXV дейтеросерной кислотой в смеси дейтероуксусная кислота — тяжелая вода привела к образованию соединения XXVI, т. е. в этом случае атом дейтерия входит в молекулу исключительно с энЗо-стороны (стереоспецифичность > 90%) [30]. В этой реакции электрофильное замещение протекает с высокой степенью сохранения конфигурации. Вполне возможно, что промежуточным продуктом в этом случае является сопряженная кислота спирта XXV, что обеспечивает возможность внутримолекулярной электрофильной атаки по а,0-связи.
Де Пюи и Брейтбейл [31 ] установили, что стереохимия изомеризации 1{ие-1-метил-2-фенилциклопропанола (XXVII) в 4-фенил-бутанон-2 (XXVIII) различна в кислом и основном растворах. Они нашли, что под действием оснований реакция, по-видимому, протекает с обращением конфигурации, а под действием кислот — с сохранением конфигурации. В последующей работе Никона
Стереохимия замещения в металлоорганических соединениях
129
и сотрудников [30] этот вывод был подтвержден на примере соединения XXV. Таким образом, эти две стереоспецифичные реакции расщепления не являются присущими лишь полициклической системе типа XXV, но, по-видимому, вообще характерны для трехчленных цикланолов.
ОН
СН3
NaOD, D2O, диоксан --------------------> или DC1, D2O, диоксан
XXVII
Н	О
*l	II
С6Н5 —с—сн2—с—сн3
D
XXVIII
СвЩ7
СТЕРЕОХИМИЯ РЕАКЦИЙ ЗАМЕЩЕНИЯ В МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ
Долгое время не удавалось изучить стереохимию реакций замещения в металлоорганических соединениях, потому что все попытки получить оптически активное металлоорганическое соединение, содержащее металл непосредственно у асимметрического центра, приводили к образованию рацематов [32]. Многие из интересных металлоорганических соединений очень реакционноспособны и не могут быть выделены, а следовательно, и их стереохимию изучить трудно. Поэтому их необходимо быстро получать и немедленно вводить в реакцию. Вследствие этого удавалось установить лишь общий стереохимический ход получения и превращения этих веществ, а о стереохимии каждой индивидуальной реакции долгое время ничего нельзя было сказать.
Летсингеру [2] впервые удалось получить оптически активный 2-октиллитий при металлировании 2-октилиодида, что и явилось первым примером получения оптически активного металлоорганического соединения, содержащего металл у единственного асимметрического атома углерода. Это соединение полностью раце-мизуется при нагревании до 0°, что предполагает промежуточное образование карбаниона. При —70° последовательное сочетание стадий металлирования и карбонизации приводит к продукту со стереохимией, соответствующей сохранению конфигурации на 20%. В принципе этот результат может соответствовать либо двойному обращению конфигурации, либо двойному ее сохране-
СНз	СН3
С6Н13-*СН —14-С2Н5—(2Н —Li Пентан~Э1^
-70°
СН3	СН3
*1 СО2 *1
—> С6Н13-СН —Li------С6Н13 —CH —GOOLi
-70°
9-539
130 Гл. Ill. Стереохимия реакций замещения для С — И-кислот
нию. Однако недавно было показано, что обе стадии протекают с сохранением конфигурации.
Ртутьорганические соединения могут быть выделены и с ними легче проводить операции, поэтому они являются более подходящими субстратами для стереохимических работ. Однако та особенность, благодаря которой с ними удобно работать, а именно ковалентный характер связи углерод — металл, делает проблематичным возможность получения из них карбанионов.
В последующих разделах будет сначала обсуждена стереохимия насыщенных ртутьорганических соединений, а затем насыщенных литий- и магнийалкилов. В третьем разделе рассмотрены винильные и близкие им металлоорганические соединения.
Ртутьорганические соединения
В первых работах по стереохимии ртутьорганических соединений рассматривались системы, в которых, помимо одного асимметрического атома углерода, связанного с ртутью, имелись также и другие асимметрические центры [33—35]. Хотя эффекты участия соседних групп и асимметрической индукции, возможно, затруднили выяснение стереохимического поведения этих соединений, тем более показательно, что все три группы авторов пришли к выводу, что реакции электрофильного замещения для ртутьорганических веществ протекают с сохранением конфигурации. Этот вывод был подтвержден позднее другими исследователями на более простых системах.
В настоящем разделе будут рассмотрены лишь те из ранних работ, которые посвящены реакции электрофильного замещения атома ртути, связанного с углеродом, находящимся у «головы» моста. Уинстейн и Трейлор [35в] установили, что ди-4-камфил-ртуть под действием хлорида ртути (II) или смеси уксусная кисло та — хлорная кислота вступает в реакцию электрофильного замещения по углероду, находящемуся у «головы» моста; аналогично реагирует иодистая 4-камфилртуть с анионом 1у. Эти реакции замещения могут протекать и протекают лишь с сохранением конфигурации, поскольку наличие жесткой системы закрепляет пирамидальную конфигурацию углерода. Эти мостиковые производные по своей реакционной способности занимают промежуточное положение между неофильным и бутильным аналогами. Все три реакции имеют первый порядок по электрофилу и ртутьорганическо му производному. Описаны также радикальные реакции замещения, но их можно отличить от реакций электрофильного замещения [35в].
Для таких реакций электрофильного замещения были предложены те же механизмы, которые были выдвинуты ранее [35а, б]
Стереохимия замещения в металлоорганических соединениях 131
для реакций, не включающих образования карбаниона. В случае электрофилов типа хлорида ртути (II) или аниона 1з предположе-
(1)Н2ОСОСН3 (2) L1C1
н
"Hg—1 + !3
Диоксан (влажный)
но образование циклического переходного состояния для реакций замещения (одностадийный процесс SEi или электрофильное замещение по внутреннему механизму), а для электрофилов типа протонизованной уксусной кислоты предположено образование нециклического переходного состояния (SE2 или бимолекулярное электрофильное замещение).
С1
I
.А
V
R
Циклические переходные состояния
Нециклическое переходное состояние
Сравнительно недавно описано разделение гидроокиси втор-бутилртути с помощью производных миндальной кислоты [36а, б, 37а, в] и ее превращение по реакции анионного обмена в различные оптически активные соли втпо/э-бутилртути. Обе группы авторов тем или иным методом изучили стереохимию реакции и установили относительную конфигурацию исходных веществ и продуктов реакций, образующихся в результате атаки различных электрофилов по асимметрическому атому углерода во втор-бу-тильной группе. В пределах ошибки эксперимента реакции электрофильного замещения протекают с полным сохранением конфигурации по углероду, и все имеющиеся данные свидетельствуют в пользу механизма, не требующего промежуточного образования
9*
132 Гл. III. Стереохимия реакций замещения для С — Н-кислот
карбанионов. Ниже перечислены реакции (1—5), стереохимия которых была изучена.
СН3	СН3
*1	Пиоипин *1
(1)	C2II5 — CH— Hg — ВгД-Вг2---> С2Н5 — СИ — Вг (Дженсен и сотр.
[37а, в])
СН3 СН3	СН3
ГЛ тт * L т т тт *1 т т ГЛ тт . тт тт Этанол ИЛИ тг *1
(2)	С2Н5 — СИ — 11g — CH C2H5 + HgBr2------> C2Hg— СН— HgBr
ацетон
Оптически активный диастереомер	(Дженсен и сотр. [37а, г];
Чармен и сотр. [366])
СН3
♦I 3
(3)	C2HS-CH-Hg-Br + Mg
сн3 СНз
-> С2Н5- СН-Hg-СН- С2Н5 + MgBr2+ Hg
(Дженсен и Лаидгребе [37е])
СН3	СН3 СН3
(4)	C2H5-CH-Hg-X + C2H5-CH-Hg-C’H-C2H5 2^°^ Hg—радиоактивный Оптически неактивен
ИЗОТОП
СН3	СИ3 СН3
С2Н5 — СН—Hg— Х-]-С2Н5 — СН — Hg-*СН — С2Н5 (Чармен и сотр. [36в])
Скорость исчезновения оптической активности бромистой втор-бутилртути (ацетата, нитрата) такая же, как скорость обмена радиоактивной ртути на обычный изотоп. «Использованная» бромистая emop-бутилртуть содержит лишь одну треть исходной активности.
СН3	СН3
*1	* CoHrOH	*'	*
(5)	С2Н5 —СН —Hg —X + HgX2 —L2—> С2Н5 —СН —Hg—X + HgX2
(Хьюз и сотр. [36г])
В параллельной серии работ Реутов с сотрудниками [38] расщепил соли 5-метил-2-гексилртути и enwp-бутилртути в виде этил-тартратов [38а] и нашел, что реакции (7) и (8) протекают с пол
Стереохимия замещения в металлоорганических соединениях
133
ным сохранением конфигурации [386].
СН3 СН3
(6)	(СН3)2СНСН2СН2—CH —Hg—CH —CH2CH2CH(CH3)2+HgBr2 Сг“-он> сн3
-> 2(СН3)2СНСН2СН2—CH—Hg—Вг
JНз а	</Н* |СН®	С2Н5ОН
) (CH3)2CHCH2CH2-CH-Hg- Br+(CH3)2CHCH2CH2-CH-Hg-CH-CH2CH2CH(CH3)2 ;	>
СНз	СНз СНз
_I	*1*1*
7I(CH3)2CHCH2CH2CH-Hg-Br4-(CH3)2CHCH2CH2-CH-Hg-CH-CH2CH2CH(CH3)2
(8) (CH3)2CHCH2CH2-CH-Hg-X + HgX2---->
СН3
----> (СН3)2СНСН2СН2 —CH —Hg —X + HgX2
Возможность осуществления и SE2 и SEi (некарбанионного) механизмов была показана кинетическими методами группой Хьюза — Ингольда [36], подтвердившими данные, опубликованные в ранних работах Уинстейна и Трейлора [356, в]. Так, было найдено, что реакции типа (2) бимолекулярны и их скорость увеличивается с увеличением ионного характера атакующего электрофила в следующем порядке: Hg(NO3)2 > Hg(OCOCH3)2 >> HgBr2> >*LiHgBr3. Считают, что эта закономерность свидетельствует о механизме SE2, поскольку если бы атакующий реагент должен был бы обеспечивать своей потенциально анионной компонентой одновременную нуклеофильную атаку по удаляемому атому ртути, то ряд реакционноспособности этих агентов должен был бы быть обратным. Согласно механизму SEi, в промежуточном состоянии для разрыва связи углерод — ртуть атакующий реагент должен быть связан с уходящей группой. Изучение реакций типа (4) и (5) привело к выводу, что SE 2-механизм также применим для этих случаев. Переходные состояния для двух последних реакций имеют, по-видимому, существенно более полярный характер, чем исходные структуры [36в, г].
5£2-механизм:
Е 4- — С—Hg—х
Открытое переходное состояние
—Е 4- HgX
134 Гл. III. Стереохимия реакций замещения для С — Н-кислот
S^-механизм (некарбанионный)
—С—Е + HgXNu
Циклическое переходное состояние
Установлено, что обмен атомов ртути между алкил ртутью и солями радиоактивной ртути [реакция (5) ] катализируется анионами, способными образовывать сильную координационную связь с ртутью. Эффективности этих анионов уменьшаются в ряду: I' > Вт- > С1“ > СН3СОО“. Кинетически удалось выделить два каталитических процесса — один с участием одного дополнительного аниона, другой — с участием двух. В обоих случаях показано, что реакция протекает как бимолекулярная (не считая катализатора) и с сохранением конфигурации по углероду. Эти результаты были истолкованы как примеры осуществления механизма SEi [36д] (некарбанионный вариант). Переходные состояния для этих двух реакций замещения представлены ниже.
Переходное состояние для катализа с участием одного аниона
Переходное состояние для катализа с участием двух анионов
В другой работе Хьюз и Фольгер [36е] изучали влияние природы радикала R на скорость реакции обмена ртути в растворе *
этанола между RHgX и HgX2, где X — бром или ацетат. В условиях, благоприятствующих механизму SE2, были получены следующие значения относительных скоростей обмена для различных алкильных групп: втпор-бутил 1; неопентил 5,5; этил 7; метил 17. Отношение скоростей обмена для R = СН3 и R = СН2С(СН3)3 (/ссн3/^сн2с(сн3)з) зависит от механизма реакции и равно 3 для механизма SE2, 33 для механизма SEi с участием одного аниона и 108 для механизма с участием двух анионов. Эти результаты авторы
Стереохимия замещения в металлоорганических соединениях 135
объясняют с точки зрения степени стерической компрессии в образующемся переходном состоянии. Они полагают, что полярные факторы либо вовсе не важны, либо не играют существенной роли в данном случае, поскольку атом углерода, по которому происходит замещение, в переходном состоянии или вообще не несет заряда, или этот заряд невелик.
Аллилртутные соединения реагируют с хлористым водородом в эфире или в этилацетате, по-видимому, по механизму SE i' (внутримолекулярное электрофильное замещение с перегруппировкой), а с хлорной кислотой в уксусной кислоте по механизму Sf2' (бимолекулярное электрофильное замещение с перегруппировкой) [39]. Бромистая кротилртуть реагирует с хлористым водородом примерно в 107 раз быстрее, чем ее н-бутильный аналог, и продуктом реакции является бутен-1 (> 99%). Столь большая скорость в сочетании с почти исключительным образованием продукта перегруппировки указывает на синхронный механизм SE i' Реакция бромистой кротилртути со смесью уксусной и хлорной кислоты также приводит почти исключительно к бутену-1 (> 98,9%).
СНз\ Л\ с=с у/	^СН-г—HgBr
СН3СН2СН=СН2
Бутен-1
Переходное состояние для механизма SEi
Бромистая кротилртуть
СН3СООН2
СН3СН2СН=СН2
Переходное состояние для механизма 5^2
Литий- и магнийорганические соединения
Доступность простых оптически активных ртутьорганических соединений делает возможным получение оптически активных магний- или литийорганических соединений. Куртин и Кель [40] действием на оптически активную ди-втор-бутилртуть [36а, б;
136 Гл. III. Стереохимия реакций замещения для С \\-кислот
37а, в] рацемическим 2-октиллитием в пентане при температурах ниже 0° с последующей карбонизацией получили 2-метилбутано-вую кислоту. В зависимости от времени выдерживания реакционной смеси перед карбонизацией и от температуры реакции суммарный стереохимический результат этих двух реакций (обмен металла и карбонизация) сильно изменялся (степень сохранения конфигурации от 13 до 83%). Чем меньше продолжительность реакции и чем ниже температура, тем более стереоспецифично проходит превращение. При использовании в качестве растворителя смеси 94% пентана — 6% эфира получается сполна рацемическая кислота. Замена 2-октиллития на тп/?стп-бутиллитий приводила к чрезмерному замедлению реакции обмена металла, что обусловлено, вероятно, стерическими причинами.
Образовавшийся оптически активный emop-бутиллитий, по-видимому, рацемизуется с заметной скоростью при —8°. Этот факт в сочетании с наблюдением, что эфир способствует образованию рацемата, указывает на то, что рацемизация протекает через стадию ионизации металлоорганического соединения до ионной пары литий — карбанид с потерей конфигурационной устойчивости.
С1Ь СН3	СН3
*|	*1	|	Пентан
С2Н5 - СИ - Hg - СИ - С2Н5.1- С6Н13—СИ - Li от1з^+^-
СПз	СНз
—> С2Н5—СП — Li  ° С0±» С2Н5 —СН-СООН
2) Н3О+
Уинстейн и Трейлор [35в ] получили 4-камфпллитий металлированием 4-хлоркамфана и нашли, что это мостиковое литийоргани-ческое соединение вступает в обычные реакции с двуокисью углерода, иодом или хлоридом ртути(П), давая нормальные продукты. В случае этих реакций карбанионное промежуточное состояние с неизбежностью имеет жесткую пирамидальную конфигурацию, что, однако, не мешает протеканию реакций.
(^"0 ^R“X
R—С1	R—Li -^С°2> R—СООН
(2)Н3О+
Li 1г R-Cl-^R-Li-^R-I
Li HgCl2
R — Cl—^R — Li-^R —Hg—Cl
Стереохимия замещения в металлоорганических соединениях
137
Склонность циклопропильного аниона к сохранению конфигурации в тех случаях, когда он является промежуточным состоянием в реакциях обмена водород — дейтерий [281 уже обсуждалась в этой главе. Полагая, что циклопропиллитиевые производные также должны сохранять свою конфигурацию, Эпплквист и Петерсон [41] изучили поведение цис- и тране-2-метилциклопропил-лития. Эти литийорганические соединения были приготовлены путем обмена цис- и транс-2-метилциклопропилбромидов с изо-пропиллитием в среде переменного состава — от чистого пентана до смеси, содержащей 66% эфира и 34% пентана, и при температурах, изменявшихся от —70 до +32°. Эти металлоорганические-соединения превращались затем в соответствующие кислоты (карбонизацией) или бромиды (бромированием).
Преобладающий
изомер
Преобладающий изомер
ifuc-Бромид дает только ifuc-кислоту, а тране-бромид — только транс-кислоту (94% пентана — 6% эфира); это свидетельствует о том, что как обмен, так и реакция карбонизации протекают в высшей степени стереоспецифично. Однако бромирование любого из изомерных литийорганических соединений приводит к смеси цис- и транс-2-метилциклопропилбромидов, причем их относительные количества зависят от температуры, при которой проводится реакция обмена, природы растворителя, а также от того,.
138 Гл. III. Стереохимия реакций замещения для С — ЪГкислот
какой из исходных изомеров был взят для реакции. Однако изменение времени выдерживания после окончания реакции обмена даже в 100 раз не приводило к изменению в составе продуктов реакции. Следовательно, цис- и тране-циклопропиллитиевые производные образуются стереоспецифично с сохранением конфигурации, они не превращаются друг в друга в применяемых условиях, и реакция карбонизации протекает стереоспецифично с сохранением конфигурации. С другой стороны, бромирование протекает как с сохранением конфигурации (электрофильный механизм), так и нестереоспецифично (возможно, по радикальному механизму).
Впервые оптическая устойчивость оптически активных металлоорганических производных циклопропана была изучена Валь-борским и Импастато [42а]. Они получили оптически активный бромид XXIX [42г] и связали его конфигурацию с конфигурацией углеводорода XXXI, иодида XXXII и карбоновой кислоты XXXIII [42г, д, ж]. Обработка оптически активного «бромида XXIX бутиллитием в различных растворителях дала оптически активное циклопропиллитиевое производное XXX. Это вещество вводили в реакцию протонирования под действием метанола, а также карбоксилировали, бромировали и иодировали, причем подробно изучалось пространственное течение и стереоспецифичность каждой из этих двустадийных реакций (обмен металла и образование устойчивого продукта) [42ж]. Общий стереохимический результат для каждой, пары реакций следующий: металлирование и протонирование — 79—100% сохранения конфигурации (минимальные значения); металлирование и карбонизация — 1004 сохранения конфигурации; металлирование и иодирование — 100% сохранения конфигурации; металлирование и бромирование — 95% сохранения конфигурации. В реакции металлирования — протонирования варьировали состав растворителя от смеси гексан — диметоксиэтан до эфира и смеси эфир — бензол—гексан, изменяли продолжительность реакции (от 10 до 30 мин) и температуру (от 0 до 35°), однако это не оказывало существенного влияния на стерический ход реакции. Для реакции карбонизации вариация растворителя от эфира до тетрагидрофурана, а также изменение продолжительности реакции (от 10 до 30 мин) и температуры (от —8 до 4-28°) не оказывало влияния на стереохимический результат реакции. Следовательно, металлоорганические производные циклопропанов можно получить и ввести в реакцию электрофильного замещения с практически полной стереоспецифичностью и с суммарным сохранением конфигурации. Очевидно, что каждая отдельная стадия также должна протекать с сохранением конфигурации. Металлоорганические производные циклопропана не обнаруживают тенденции к рацемизации в разных
Стереохимия замещения в металлоорганических соединениях
139
растворителях при комнатной температуре [42ж].
XXIX
XXXII	XXXIII
Высокая стереоспецифичность этих четырех реакций совместима с механизмом SE2 или SEi (некарбанионный вариант) [42ж]. Она в равной степени совместима с механизмом, включающим образование литий-карбанидной ионной пары, причем оптическая устойчивость циклопропильного аниона объясняется значительной величиной барьера для его инверсии. Помимо внутренне присущей этому циклическому карбаниону тенденции к пирамидальной структуре, существенно также то, что его инверсия в ионной паре должна приводить к разделению зарядов, что требует значительной энергии активации в растворителях с низкой диэлектрической проницаемостью. Можно ожидать, что даже в форме низкомолекулярного полимера [43] превращение циклопропил-лития после ионизации в ковалентное состояние будет протекать быстрее, чем инверсия и перестройка полимера.
Получен также оптически активный реактив Гриньяра для той же циклической системы (XXXIV) [42в, з]. Обработка оптически активного бромида XXIX магнием в тетрагидрофуране и карбонизация образующегося реактива Гриньяра привели к образованию смеси углеводорода XXXI и кислоты XXXIII, причем каждая из этих двухступенчатых реакций протекали на 56% с сохранением конфигурации. Нестереоспецифичность, по-видимому, связана со стадией образования реактива Гриньяра. Если получать этот же реактив Гриньяра обработкой оптически активного литиевого производного XXX безводным бромидом магния, то после карбонизации образуется кислота с полным сохранением конфигурации.
140 Гл, III. Стереохимия реакций замещения для С— И-кислот
XXIX
C^HgL! Эфир
С6Н5Х/С6Н5 Mg а /\ГНз (I) соа (СН2)4О	1	(2)Н3О+
MgBr XXXIV
Н	СООН
XXXI	XXXIII
56% сохранения 56% сохранения конфигурации конфигурации
СбНзч /СвН. ХСН,
(1) MgBr
(2) (СН3ОСН2)2
MgBr XXXIV
XXXIII 100% сохранения конфигурации
XXX
Робертс и сотрудники [44], используя метод ЯМР, пришли к выводу, что бромистые циклопропилмагний и 2,2-диметилцикло-пропилмагний (XXXV) конфигурационно устойчивы (по шкале времени ЯМР) в растворе эфира до 175° и, может быть, при более высокой температуре. Аналогично бромистый 3,3-диметилцикло-бутилмагний (XXXVI) конфигурационно устойчив (по шкале времени ЯМР) в эфире при 125° и, возможно, при более высокой температуре. В отличие от этих вторичных циклических магний-органических соединений бромистый и хлористый 3,3-диметил-бутилмагний (XXXVII и XXXVIII) претерпевают быструю инверсию в эфирном растворе при комнатной температуре, причем эта инверсия протекает быстрее в случае хлорида, который становится конфигурационно устойчивым (по шкале времени ЯМР) при температуре ниже —70°. Порядок этой реакции выше первого, поскольку с разбавлением скорость ее заметно уменьшается. Диалкилмагниевый аналог (XXXIX) оказался конфигурационно устойчивым (по шкале времени ЯМР) лишь ниже 30°. Энергия активации для инверсии диалкилмагниевого производного (XXXIX) составляет 20 ккал/моль, а для хлорида XXXVIII — 11 ккал/моль. Скорость инверсии хлорида XXXVIII снижается при изменении растворителя в следующем порядке: диэтиловый эфир > тетрагидрофуран > диметоксиэтан.
XXXV
Н
MgBr СН3
XXXVI
Стереохимия замещения в металлоорганических соединениях
141
Н	Н
I	I
<СН3)3ССН2—С — MgBr (СН3)3ССН2 — С — MgCl
I	I
н	н
XXXVII	XXXVIII
II
I (СН3)3ССН2—с—
I н XXXIX
Mg
2
Конформационная устойчивость по шкале времени ЯМР означает, что инверсия протекает медленнее, чем дважды в секунду. Для сравнения укажем, что с помощью обычных методов можно наблюдать инверсию лишь в тех случаях, когда ее скорость в 103 меньше.
С помощью этого же метода Робертс и сотрудники [441 сравнили конфигурационную устойчивость в эфирном растворе алкил-производных лития, магния, алюминия и ртути (XL, XXXIX, XLI и XLII). Литиевое производное претерпевает быструю инвер
Н (СН3)3ССН2—J—Li
Н
XL
II
(СН3)3ССН2-С-
II
XLI
Н
(СН3)3ССН2—С — н
Hg
2
XLII
сию выше 0°, а магниевое производное — выше 30°. Для алюминиевого производного (XLI) не наблюдалось никаких признаков инверсии до 147°, а для ртутного производного (XLII) —до 163°
По имеющимся данным можно составить следующий ряд уменьшения скорости инверсии с уменьшением ионного характера связи углерод — металл: С — Li > С — Mg > С — А1 > С — Hg [45]. Скорость инверсии больше для первичных производных, чем для вторичных, и для циклобутила больше, чем для циклопропила. Эти обобщения вполне соответствуют тому, что можно было бы ожидать на основании данных по легкости образования карбанионов из металлоорганических соединений и легкости инверсии этих карбанионов внутри ионных пар.
Реутов [46] установил, что оптически активное ртутьпроиз-водное (XLIII) может быть превращено в оптически активное магнийпроизводное (XLIV), которое в свою очередь превращается в оптически активную кислоту XLV. Очевидно, что вторичное магниевое производное образуется, по крайней мере частично, по стереоспецифической реакции обмена и сохраняет, по крайней мере частично, свою конфигурацию в процессе реакции и также при превращении в кислоту XLV. Относительная конфигурация исходных веществ и продуктов реакции не была определена, так же как и степень стереоспецифичности каждой из двух электро-
142	Г л. III. Стереохимия реакций замещения для С — Н-кислот
фильных реакций замещения. сп3 -
_ (СН3)2СНСН2СН*С н — J 2 Hg XLIII
СН3
(СН3)2СНСН2СН2СН — MgBr XLIV
сн3 (СН3)2СНСН2СН*СН—СООН XLV
Стереохимия винильных металлоорганических соединений
Проблема стереохимии ненасыщенных металлоорганических соединений сводится в основном к изучению вопросов конфигурационной устойчивости, стерическоГо протекания реакции получения этих веществ и реакций цис- и тране-виниллитиевых производных.
Впервые проблемы стереохимии виниллитиевых соединений были изучены одновременно Куртином и Харрисом [47а] и Брауде и Колсом [48]. Первая группа авторов нашла, что цис- и транс-XLVI, а также цис- и транс-XLVII могут быть превращены в соответствующие литийпроизводные (реакция обмена брома на литий). Эти производные вступают в реакцию электрофильного замещения, давая продукты с высокой суммарной степенью сохранения конфигурации двойной связи. Брауде и Колс [48] обнаружили,
и-С1С6Н4 Вг
Хс=с/
ceH5Z	хс6н5
и-С1С6Н4 CgHg
Xc=cZ
Вг
tyuc-XLVI
znpawc-XLVI
Н	Вг
С6н5	Хс6н5
Н СвН5
Xc=cZ
Вг
ipzc-XLVII
тпранс-XLVII
что при реакции ifuc-пропенилбромида с литием в эфире образуется металлоорганическое соединение, которое, реагируя с карбонильными соединениями, дает продукты конденсации с ifuc-конфигу-рацией двойной связи.
Немного позднее Драйдинг и Пратт [49] при обработке цис-и транс-2-бромбутена-2 литием в эфире, а затем углекислотой
С тереохимия замещения в металлоорганических соединениях 143
получили карбоновые кислоты. Суммарная степень сохранений конфигурации для двух реакций (образование виниллития и его превращение) достигает 70—90%. Бордуэл и Лэндис [50] получили металлоорганические производные действием на цис- и транс-2-бромбутены-2 лития в эфире или бутиллития и затем ввели их в реакцию электрофильного замещения с п-толилдисульфидом. Судя по стереохимии продуктов реакции, обе стадии (образование и превращение металлоорганического производного) протекают на 75—85% с сохранением конфигурации винильного углерода независимо от способа получения литиевого производного. Если выдержать литийпроизводное, полученное из 1{ш?-бромида, в течение 2 час при —40° в эфирном растворе, то никаких изменений в суммарном стереохимическом результате не наблюдается.
Несмеянов и сотрудники [51 ] установили, что цис-i, 2-дифенил-виниллитий легко изомеризуется в тпрянс-изомер при температуре выше —40° в смеси бензол — эфир, а, согласно Куртину с сотрудниками [52], цис- и тп/шнс-2-тг-хлорфенил-1,2-дифенилвиниллитий в эфирном растворе при температуре 0° превращаются друг в друга с заметной скоростью. Данные Несмеянова с сотрудниками снимают любые возможные сомнения относительно конфигурации литийорганического производного, образующегося из ipze-бром-стильбена. Если тпрянс-1,2-дифени л винил литий образовывался бы как первичный продукт, то вряд ли он изомеризовался бы затем в tyuc-изомер, ибо пг/шне-изомер должен быть во много раз термодинамически более выгоден. Хотя с самого начала было мало оснований сомневаться, что каждая из отдельных стадий образования и реакций этих винильных металлоорганических производных протекает с сохранением конфигурации, однако данные советских ученых являются новым и очень убедительным аргументом в пользу этого представления.
Куртин и сотрудники [40, 53] изучили конфигурационную устойчивость цис- и тране-виниллитиевых производных в зависимости от их структуры и природы растворителя. Они нашли,что цис- и т/шне-пропениллитий, полученные из соответствующих бромидов в эфирном растворе конфигурационно устойчивы при нагревании до кипения эфира в течение 1 час [53 ]. В противополож-
Н	Н	Н	Li
Xc=cZ	\=с/
СН3	Li	СН3	Н
t/uc-Пропениллитий тпранс-Пропениллитий
ность этому цие-стильбениллитий неустойчив [51]. Для изучения влияния растворителя ifuc-стильбениллитий был получен из соот
144 Гл. III. Стереохимия реакций замещения для С — Н-кислот
ветствующего ртутьпроизводного [51 ] по реакции обмена ртуть — литий в различных растворителях. Через 30 мин металлоорганическое производное обрабатывали либо углекислотой, либо бензофеноном и выясняли структуру образующихся продуктов. Оказалось, что в смесях эфир — бензол (3 : 1) при —54° или бензол — пентан (1 1) при 2° образуются исключительно продукты с if реконфигурацией. Следовательно, виниллитиевое производное оказывается конфигурационно устойчивым. В тетрагидрофуране при —45° или в растворе эфир — бензол (1 1) при 3° образуются исключительно продукты с трбше-конфигурацией, откуда следу--ет, что ifue-виниллитиевое производное почти полностью изомеризуется в т/хше-изомер. В смеси бензол — пентан (1 1) с добавкой 0,5—1,1% эфира при 3° образуются продукты, содержащие 71—89% цuc-изомера. В бензоле при 27° в смеси содержится лишь 29% ifuc-изомера. Аналогичные исследования в случае цис-и тррре-2-п-хлорфенил-1,2-дифенилвиниллития привели к тем же результатам [40].
Куртин и сотрудники [40, 53] сделали следующие выводы. 1. Арилвиниллитиевые производные изомеризуются гораздо легче, чем алкилвиниллитиевые соединения. 2. Скорость изомеризации арилвиниллитиевых производных заметно изменяется с изменением полярности растворителя, а именно уменьшается в ряду: тетрагидрофуран > эфир — бензол (3 : 1) > углеводороды. 3. Изменение содержания натрия (до 2,3%) в применяемом литии не оказывает влияния на стерическое протекание реакции получения металлоорганического производного. Авторы [40] предполагают, что изомеризация арилвиниллитиевых производных протекает путем ионизации частично ковалентной углерод-литиевой связи, причем винильный анион изомеризуется через стадию образования линейного переходного состояния или промежуточного продукта с высокой степенью делокализации заряда с участием бензольного кольца, а последующее присоединение лития приводит к образованию продукта изомеризации
(Аг’)Н^ Li
С=С
Аг/	\дг
(Аг')Н	(Аг')Н Аг
> \=cZ
Аг/	X <	Аг/ \Li
Анионное переходное со-стояние или промежуточный продукт
Определение конфигурации виниллитиевых производных проводили по данным спектров [54]. Аллингер и Герман [54а], используя ИК-спектры, приписали конфигурацию цис- и транс-нзоме-
Стереохимия замещения в металлоорганических соединена	145
рам пропениллития, однако их аргументация была подвергнута серьезной критике [546]. Сейферт и Воган [546] подтвердили методом ЯМР предложенную ранее конфигурацию, а также нашли, что цис- и транс-изомеры пропенилтриметилолова вступают в реакцию обмена металла с бутиллитием. в эфире без изменения конфигурации.
Конфигурационная устойчивость виниллитиевых производных, по-видимому, связана с устойчивостью соответствующих винильных анионов. Данные относительно устойчивости этих анионов можно почерпнуть из изучения катализируемого основанием обмена водород — дейтерий по винильному атому углерода. Миллер и Ли [55] установили, что tyizc-дибромэтилен под действием метилат-аниона обменивает водород на дейтерий с метанолом-0-d в 25 раз быстрее, чем протекает реакция отщепления с образованием бромацетилена. Далее, цис- и тране-1,2-дихлорэтилены при температурах 3—70° вступают в реакцию водородного обмена с тяжелой водой (катализатор дейтерокси-ион) без изомеризации. На основании кинетических данных авторы рассчитали, что нижний предел энергии активации для изомеризации 1,2-дигалоген-винил-анионов лежит в области 25—35 ккал/моль в применявшейся системе растворителей. Следовательно, эти винильные карбанионы обладают значительной конфигурационной устойчивостью.
Для определения конфигурационной устойчивости винильных анионов стильбенового ряда была изучена катализируемая трет-бутилатом калия реакция обмена цис- и транс-стильбенов с трет-бутиловым спиртом-d при 146° [50]. Установлено, что обмен винильного водорода для ^нс-изомера протекает в 103 раз быстрее, чем изомеризация, примерно в 10 раз быстрее, чем обмен винильного водорода в транс-изомере, и почти в 102 раз быстрее, чем обмен по арильной группе в любом из изомеров (на каждый водород, способный к обмену). Эти данные свидетельствуют о том, что различные анионы или ионные пары образуются при обмене двух изомерных стильбенов. В принципе существует две возможности. Согласно первой, в переходном состоянии образуются цис- и транс-винильные анионы. Согласно второму предположению, переходные состояния представляют собой для обоих изомеров ионные пары, имеющие одинаковые анион и катион и отличающиеся лишь тем, что в одной из них ион калия находится с той стороны алленового аниона, где находится фенильная группа, а в другой — со стороны, занятой водородом. Это предположение кажется вполне вероятным в свете того факта, что энантиомерные ионные пары возникают как переходные состояния при катализируемом основаниями обмене водород — дейтерий для соединений типа 2-фенилбутана в сравнимых условиях (см. пер-
10—539
146 Гл. Ill. Стереохимия реакций замещения для С — }1-кислот
вую часть этой главы).
Н\ 9
С6Н5
Анион цис-стильбена
К+
Ионная пара из цис-стильбена
/С"СЛ
С6н/
Аннон /npuwc-стидьбена
к+
Ионная пара из транс-стильбена
Куртин с сотрудниками 157], используя метод ЯМР, изучили изменение скорости инверсии по азоту для соединения XLVIII в зависимости от природы заместителя (СН3, Н, СООС2Н5). В целом скорость изменяется в 30 раз, причем медленнее всего происходит инверсия в случае X = СН3 и быстрее всего для X -= СООС2Н5. Константа реакции р = 1,5 ± 0,5, что указывает на среднюю чувствительность скорости реакции к природе заместителя, а также на то, что переходное состояние реакции стабилизируется электроноакцепторными группами.
л-СН^ОСбН^ч^ /С6Н4Х-я c=n;
л-СНзОСбН^
XL VIII
Аг'\ /Х ,C=N.
Аг
XLIX
Куртин и сбтрудники [57 ] показали также, что скорость инверсии соединений типа XLIX снижается в 104 раз при переходе от X = С6Н5 к X = СН3 и еще по крайней мере в 104— 105 раз, если перейти от X — СН3 к X = С1 или СН3О. Очевидно, что фенильная группа стабилизирует переходное состояние для инверсии за счет делокализации электронов. Индуктивный эффект хлор-или метоксигрупп должен дестабилизировать переходное состояние для инверсии. Чем сильнее электроноакцепторный индуктивный эффект заместителя X, тем больше возрастает степень р-характера связи N — X за счет электронов азота и тем больше возрастает s-характер орбиты, занятой парой электронов на азоте. Поскольку для инверсии электронная пара в переходном состоянии должна перейти на р-орбиту, то этот индуктивный эффект увеличивает энергию активации и уменьшает скорость.
Литература
147
В случае хлор- и метоксигрупп электростатическое ингибирование инверсии также приводит, по-видимому, к снижению скорости инверсии, поскольку каждый из заместителей имеет неспарен-пые электроны и устойчивость переходного состояния будет ниже за счет того, что электроны азота и заместителя в переходном состоянии будут более сближены, чем в основном состоянии.
ЛИТЕРАТУРА
1.	a) Wilson С. L., Chem. Soc., 1936,1550; б) Н s u S. К., W i 1 s о nС. L., ibid., 1936, 623; в) Hsu S. К., Ingold С. К., Wilson С. L., ibid., 1938, 78; г) Ives D. J. G., Wilks G. С., ibid., 1938, 1455; д) Ives D. J. G., ibid., 1938, 81.
2.	L e t s i n g e г R. L., J. Am. Chem. Soc., 72, 4842 (1950).
3.	a)	Kuhn R., Albrecht H.,	Ber., 60, 1297 (1927); 6) S h r i	n e r	R. L.,
Young J. H., J. Am. Chem.	Soc., 52, 3332 (1930); в) W a 1	1 i s	E. S.,
Adams F. H., ibid., 55, 3838 (1933).
4.	a)	Kornblum N., Patton J. T., W о о d m a n J.	B.,	J. Am.
Chem. Soc., 70, 746 (1948);	6) Wittig G., V i d a 1	F.,	Boh-
nert E., Ber., 83, 359 (1950).
5.	С г a m D. J., A ] 1 i n g e r J., L a n g e m a n n A., Chem. and Ind., 1955 919.
6.	a) С r a m D. J., Gosser L., J. Am. Chem. Soc., 85, 3890 (1963); б) С r a m D. J., Gosser L., ibid., 86, 5445 (1964).
7.	С г a m D. J., G о s s e г L., J. Am. Chem. Soc., 86, 2950 (1964).
8.	С г a m D. J., Kingsbury С. A., H a b e г f i e 1 d P., J. Am. Chem. Soc., 83, 3678 (1961).
9.	Eigen M., Angew. Chem. (Intern. Ed. Engl.), 3, 1 (1963).
10.	Russell G. A., J. Am. Chem. Soc., 81, 2017 (1959).
11.	Cram D. J., Gosser L., J. Am. Chem. Soc., 86, 5457 (1964).
12.	C r a m D. J., W i n g г о v e A. S., J. Am. Chem. Soc., 86, 5490 (1964).
13.	Cram D. J., Rickborn B., Kingsbury С. A., H ab e r field P., J. Am. Chem. Soc., 83, 3678 (1961).
14.	С г a m D. J., Fischer H. P., неопубликованные данные.
15.	a) Emerson M. T., Grunwald E., К г о m h о u t R. A.
! J. Chem. Phys., 33, 547 (1960); 6) Grunwald E., Karabatsos P. J., К г о m h о u t R. A., P u r 1 e e E. L., ibid., 33, 556 (1960).
16j Cram D. J., Willey F., Fischer H. P., Scott D. A. J Am Chem. Soc., 86, 5510 (1964).
17.	С r a m D. J., N i e 1 s e n W. D., R i c k b о r n B., J. Am. Chem Soc 82, 6415 (1960).
18.	С г a m D. J., S с о t t D. A., N i e 1 s e n W. D., J. Am. Chem. Soc 83, 3696 (1961).
19.	С о г e у E. J., Kaiser E. T., J. Am. Chem. Soc., 83,490 (1961).
20.	G о e г i n g H. L., T о w n s D. L., Dittmer B., J. Org. Chem 27 736 (1962).	’	’
21.	a) С r a m D. J., P a г t о s R. D., P i n e S. H., J a g e r H., J. Am. Chem. Soc., 84, 1742 (1962); б) С r a m D. J., P i n e S. H. ibid. 85 1096 (1963); в) С r a m D. J., T г e p k a R. D., J a n i a k P.’st ’ ibid., 86, 2731 (1964).
22.	С г a m D. J., Part os R. D., J. Am. Chem. Soc., 85, 1093 (1963).
23.	a) C r a m D. J., W i n g г о v e A. S., J. Am. Chem. Soc., 84, 1496 (1962); б) С г a m D. J., W i n g г о v e A. S., ibid., 85, 1100 (1963).
10*
148 Гл. III. Стереохимия реакций замещения для С — И-кислот
24.	С о г е у Е. J., К о n i g Н., Lowry Т. Н., Tetrahedron Letters, 12. 515 (1962).
25.	Cram D. J., L a nge m a nn A.,L wowski W., Kopecky K. R., J. Am. Chem. Soc., 81, 5760 (1959).
26.	В о t t i n i Л.Т., Roberts J. IL, J. Am. Chem. Soc., 78, 5126 (1956); ibid., 80, 5203 (1958).
27.	Kincaid J. F., H e n r i q u e s F. C., Jr., J. Am. Chem. Soc., 62, 1474 (1940).
28.	a) W a 1 b о r s к у H. M., Youssef A. A., Motes J. М., J. Am. Chem. Soc., 84, 2465 (1962); 6) Walborsky H. M., частное сообще ние.
29.	Nick on A., L amber J. L., J. Am. Chem. Soc., 84, 4604 (1962).
30.	N i с к о n A., Hammons J. H., Lambert J. L., Williams R. O., J. Am. Chem. Soc., 85, 3713 (1963).
31.	DePuy С. H., Breitbeil F. W., J. Am. Chem. Soc., 85, 2176 (1963).
32.	a) Prichard R. H., Kenyon J., J. Chem. Soc., 99, 65 (1911); 6) S c h w a г t z A. M., Johnson J. R., J. Am. Chem. Soc., 53. 1063 (1931); в) Porter C. W., ibid., 57, 1436 (1935); r) Tarbell D. S., W e i s s M., ibid., 61, 1203 (1939); д) Z i e g 1 e r K.. We n z A., Ber., 83, 354 (1950); e) Wittig G., Vidal F., В о h n e r t E., ibid., 83, 359 (1950); см. также ж) Roberts G., Shop pee C. W., J. Chem. Soc., 1954, 3418; з) G о e r i n g H. L., M с C a r-r о n F. H., J. Am. Chem. Soc., 80, 2287 (1958).
33.	W r i gh t G. F., Can. J. Cheyi., 30, 268 (1952).
34.	а) Несмеянов A. H., Реутов О. А., Поддубная С. С., ДАН СССР, 88, 479 (1953); б) Р е у т о в О. А., Белецкая И. П., М арда л ей швил и Е. Л., ДАН СССР, 116, 617 (1957).
35.	a) W i n s t е i n S., Traylor Т. G., Garner С. S., J. Am. Chem. Soc., 77, 3741 (1955); б) W i n s t е i n S., T г а у 1 о r T. G., ibid., 77, 3747 (1955); в) W i n s t e i n S., T г а у 1 о r T. G., ibid., 78, 2597 (1956).
36.	a) C h a r m a n H. В., H u g h e s E. D., Ingold С. K.,, Chem. and Ind., 1958, 1517; 6) Charman H. B., Hughes E, D., Ingold С. K., J. Chem. Soc., 1959, 2523, 2530; в) C h a r m a n H. B., Hughes E. D., I ngold С. K., Thorpe F. G., ibid., 1960. 1121; г) H u g h e s E. D., I n g о 1 d С. К., T h о r p e F. G., Vol-ger H. C., ibid., 1961, 1133; д) Charman II. В., H u g h e s E- D., Ingold C. K.,Vol g e r'H. C., ibid., 1961, 1142; e) H u g h e s jj&.D.. V olger H. C., ibid., 1961, 2359.
37.	a) J e n s e n F. R., W h i p p 1 e L. D., W e d e g a e r t n e r D. Landgrebe J. A., J. Am. Chem. Soc., 81, 1262 (1959); 6) J e n s e n F. R., Gale L. H., ibid., 81, 1261 (1959); в) Jensen F. R., Whipple J.D.,WedergaertnerD.K.,Landgrebe J.A., ibid., 82, 2466 (1960); r) Jensen F. R., ibid., 82, 2469 (1960), д) J e n s e n F. R., G ale L. H., ibid, 82, 145, 148 (1930); e) J en-s e n F. R., La ndgrebe A., ibid., 82, 1004 (1960).
38.	a) P e у т о в О. А., Углова Э. У., Изв. АН СССР, Отд. хим. наук, 1959, 757; б) Р е у т о в О. А., У г л о в а Э. У., ibid., 1960, 1691; в) Р е у т о в О. А., Карпов Т. П., Углова Э. У., Малья-нов В. A., Tetrahedron Letters, 19, 6 (1960); г) Р е у т о в О. А., Angew. Chem., 72, 198 (1960); д) Р е у т о в О. A., Record Chem. Progr. (Kresge-Hooker Sci. Lib.), 22, 1 (1961).
39.	Sleezer P. D., Winstein S., Young W. G., J. Am. Chem. Soc., 85, 1890 (1963).
Литература
149
40.	а) С и г t i n D. Y., Koehl W. J., Jr., Chem. and Ind., 1960, 262; б) C u r t i n D. Y., Koehl W. J., Jr., J. Am. Chem. Soc., 84, 1967 (1962).
41.	Applequist D. E., Peterson A. H., J. Am. Chem. Soc., 83, 862 (1961).
42.	a) W a 1 b о r s к у H. M., I m р a s t a t о F. J., J. Am. Chem. Soc., 81, 5835 (1959); 6) W a 1 b о r s к у H. M., Young А. Е., ibid., 83, 2595 (1961); в) Walborsk у Н. М., Record Chem. Progr. (Kreskge Hooker Sci. Lib.), 23, 75 (1962); r) Wa I b о r sk у H. M., В a r a shL., Young A. E., I m p a s t a t о F. J., J. Am. Chem. Soc., 83, 2517 (1961); д) W a 1 b о г s к у H. M., P i t t C. G., ibid., 84, 4831 (1962); ejlmpastato F. J., Walborsky H. M., ibid., 84, 4838 (1962); ж) Walborsky H. M., Im pasta to F. J., Young A. E., ibid., 86, 3283 (1964); з) Walborsky H. M., Young A. E., ibid., 86, 3288 (1964).
43.	a)B town T. L.,D i ckerh 6of D. W., В a f u s D. A., J. Am. Chem. Soc., 84, 1371 (1962); 6) Weiner M. A., West R., ibid., 85, 485 (1963); в) E astha m J. F., Gibson J. W., ibid., 85,2171 (1963).
44.	a) W h i t e s i d e s G. M., Kaplan F., Roberts J. D., J. Am. Chem. Soc., 85, 2167 (1963); 6) Roberts J. D., W h i t e s i-desG. M., Witanowski M., частное сообщение; в) How-den M. E., Ph. D. Thesis, California Institute of Technology, 1962.
45.	а) Рохов Ю., Хёрд Д., JI ьюис P., Химия металлоорганических соединений, ИЛ, М., 1963; б) Hinze J., J a f f ё Н. Н., J. Ат. Chem. Soc., 84, 540 (1962).
46.	Р е у т о в О. A., Bull. Soc. Chim. France, 1963, 1383.
47.	a) C u r t i n D. Y., Harris E. E., J. Am. Chem. Soc., 73, 2716 (1951); б) C u r t i n D. Y., Harris E. E., ibid., 73, 4519 (1951); в) C u r-t i n D. Y., Johnson H. W., Jr., Steiner E. C., ibid., 77, 4566 (1955).
48.	В r a u d e E. A., Coles J. A., J. Chem. Soc., 1951, 2078, 2085.
49.	D r e i d i n g A. S., Pratt R. J., J. Am. Chem. Soc., 76, 1902 (1954).
50.	В о r d w e I 1 F. G., Landis P. S., J. Am. Chem. Soc., 79, 1593 (1957).
51.	а) Несмеянов A. H., Борисов A. E., Волькенау H.A., Изд. АН СССР, Отд. хим. наук, 1954, 992; б) Несмеянов А. Н., Борисов А. Е., Tetrahedron, 1, 158 (1957).
52.	С u г t i n D. Y., Johnson H. W., Jr., Steiner E. C., J. Am. Chem. Soc., 77, 4566 (1955).
53.	C u r t i n D. Y., Crump J. W., J. Am. Chem. Soc., 80, 1922 (1958).
54.	a) A 1 1 i n g e r N. L., Herman n R. B., J. Org. Chem., 26, 1040 (1961); 6) Sey forth D., Vaughan L. G., J. Am. Chem. Soc., 86, 883 (1964).
55.	M i 1 1 e r S. I., L e e W. G., J. Am. Chem. Soc., 81, 6316 (1959).
56.	H u n t e r D. H., Cram D. J., J. Am. Chem. Soc., 86, 5478 (1964).
57.	a) C u r t i n D. Y., H a u s s e r J. W., J. Am. Chem. Soc., 83, 3474 (1961); б) C u r t i n D. Y., M с С a r t у C. G., Tetrahedron Letters, 26, 1269 (1962).
ГЛАВА IV
Стереохимия карбанионов, возникающих в процессе электрофильного замещения различных групп
В гл. III были рассмотрены реакции обмена водород — дейтерий, катализируемые основаниями. Эти реакции можно классифицировать либо как частный случай кислотно-основного равновесия, либо как электрофильное замещение при насыщенном атоме углерода, т. е. как реакции типа S Е (S — substitution, Е — electrophilic). Последнее определение удобно в тех случаях, когда результаты обмена водород — дейтерий сравнивают с результатами, наблюдаемыми при образовании и исчезновении карбанионов в ходе каких-либо иных реакций. В наиболее общем виде семейство реакций SЕ описывается уравнением (1), в котором L — некая уходящая группа, а Е — электрофильный агент.
(1)
—С—Е + L	Реакция SE
Это уравнение показывает лишь конечный результат реакции. Символически оно означает, что исходная С — L-связь и возникающая С — Е-связь осуществляются одними и теми же электронами. Таким образом, уравнение (1) в одинаковой степени относится как к реакциям, протекающим с промежуточным образованием карбаниона, так и к процессам, при которых разрыв старой и возникновение новой связи происходят в одном переходном состоянии.
—С“+ L
(2)
Мономолекулярное электрофильное замещение при насыщенном атоме углерода (механизм £#1)
Электрофильное замещение при насыщенном атоме углерода
151
Первый из этих механизмов иногда обозначается как S£1 (мономолекуляркое электрофильное замещение), а второй — как Sе2 (бимолекулярное электрофильное замещение). Схематически эти механизмы выражаются уравнениями (2) и (3).
(3)
Е + —С—L ——С—Е + L
Бимолекулярное электрофильное замещение при насыщенном атоме углерода (механизм SE2)
В реакциях кислотно-основного равновесия (см. гл. III) водород или дейтерий играют роль уходящей группы, а доноры протонов или дейтеронов являются электрофильными агентами. Эти реакции следует отнести к типу 5£1, поскольку они протекают с образованием карбаниона в качестве промежуточного продукта. В настоящей главе будут рассмотрены стереохимические закономерности реакций электрофильного замещения. В первом разделе разбираются такие реакции 5Б1, в которых роль уходящей группы играет атом углерода, а электрофильными агентами являются доноры протонов или дейтеронов. Во втором разделе рассматриваются реакции с участием других уходящих групп. В последнем, третьем разделе проводится сравнение стереохимических особенностей карбанионов и положительных карбониевых ионов.
ЭЛЕКТРОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ ПРИ НАСЫЩЕННОМ АТОМЕ УГЛЕРОДА.
АТОМ УГЛЕРОДА В РОЛИ УХОДЯЩЕЙ ГРУППЫ
Если в роли уходящей группы при реакции электрофильного замещения выступает один из атомов углерода, то структурное разнообразие таких групп позволяет использовать для генерации карбанионов большое число различных реакций. Многие специфические эффекты, связанные с конкретными структурными особенностями той или иной уходящей группы, делают стереохимию реакций электрофильного замещения сложной и интересной. Благоприятным обстоятельством является то, что многие закономерности поведения карбанионов, наблюдаемые при реакциях дей-теро-водородного обмена (см. гл. III), обнаруживаются также и при таких реакциях, когда карбанион образуется в результате разрыва С — С-связи.
Гл. IV. Стереохимия карбанионов
Образование карбанионов при разрыве связи углерод — углерод (обзор реакций)
Известен ряд катализируемых основаниями реакций, при которых разрыв С — С-связи приводит к образованию карбаниона. К этой категории относятся реакция ретроальдольного распада, реакции, обратные реакциям Михаэля («ретромихаэлевский распад») и Клайзена, а также реакция ионного декарбоксилирования. Расщеплению кетонов с помощью амида натрия посвящен обзор Бергстрома и Фернелиуса 11].
Пространственные закономерности реакции были успешно выяснены [2] на приведенных ниже примерах [см. уравнения (4) — (14)]. Во всех этих примерах продуктом реакции является 2-фенилбутан. Особенно ценны такие реакции, условия проведения которых (природа основания и температура) не вызывают изменения конфигурации образовавшегося продукта. Реакции (4) —(14) перечисляются в порядке возрастания жесткости экспериментальных условий (температуры)» необходимых для полноты их протекания. Поскольку основания, получаемые из амидов, сильнее оснований, получаемых из спиртов, то при взаимодействии пер-
СН3	сн3
R = С2Н5—С	QH5—С—Н
с6н5	С6н5
(4)
2-Феаилбутан
К c6h5nch3
(5)
. Г к
(6) R—(р—-С2Н5 + C6H5NCH3 СН3
(7)
он
♦ I
R—С—СН3
СН3
(8)	R—C=N	•
К
C6H5NCH3—>- 1P-c£nK	R—н
<^з
c6h5n—с=ы
Электрофильное замещение при насыщенном атоме углерода
153-
вых с исходными спиртами [реакции (4) — (7), (11) и (12)] образование алкоголятов в качестве промежуточного продукта происходит, по-видимому, с количественным выходом. В целом получающийся ряд соответствует постепенному уменьшению размера уходящей группы. Это обстоятельство наводит на мысль о тэм, что ослабление стерического сжатия является одной ив движущих сил при подобного рода анионных расщеплениях.
• II	5	*4 вн •	]'
(9)	R—<—NH2 + C6H5NCH3—Kj-C—NH2	R—Н + CeH5N—С—NH,
СН3— N —СбН5	О
.5	« Лг
(10)	R—с—С6Н6 + C6H5NCH3 —*• R-j-C—CeH5	R—Н 1- C,H5N—jj—CjHt
СН3— N—CeHe	О
. ?Н	К	ВН *
(11)	R—СН—С6Н5 + CeHsNCH3 —•- TtyCH-CeHj-52*- R—Н + CeH5CHO
. Т" к Л* .
(12)	R—CH—СН3 + CeH5NCH3 —*- Rj-CH-CH3R—Н Н СНаСНО
(13)
Н
• I
R—сн?—сн-с—С6Н5
о
+ к
c6h5nch3
RjCH2-Qh-с— с6н5
R—Н + СН2=СН—с—СвЩ о
(14)
—СвН5
Свн5
Все перечисленные здесь реакции протекают с сохранением конфигурации, однако в некоторых случаях для полноты превращения приходится применять такие условия, в которых происходит частичная рацемизация первоначально образовавшегося продукта. В условиях, не вызывающих рацемизации продукта реакции (действие алкоголятов калия в спиртах), удалось осуществить только реакции (4) — (7) и (10) — (12).
Аналогичным образом можно получить 1-фенилметоксиэтан в условиях, не приводящих к его рацемизации [реакции (15);
154
Гл. IV. Стереохимия карбанионов
и (16)] [3]. Подобные условия удалось также подобрать для получения 1-дейтерофенилэтана [реакция (17)] [4] и 1-диметиламино-фенилэтана [реакция (18)1 [5].
<рН3 R = СН3О—С
СвН.
СН,
*1 ’
сн3о—с—н
с6н5
1- Фенилметоксиэтан
ОН	Го К
* I	ROK * п	рПо
<15) R—С—СН3 < '*• R-j-C—СН3 I	I
С6Н5	с6н5
о - + Го к	о
, .	* II	ROK * *1	оОН *	||
<16)	R—С—С6Н5 « '*	С6Н5 -—R—Н + ROC—С6Н5
OR
Н OD
<:псн,-^с—с—сн3
II
Н5С6 сн3
--t
ROK
?СбК Сн"_!'гсг?_си-
I I
Н5С6 сн3
ROD
D
J
СН3—С—Н + (СН3)2СО
с6н5
1- Дейтерофенил-этан
Н3С ОН
<18) (ch3),n-A:—с—сн3
II н5св сн3
н3с Гб к
* I п (CH3)2N—с^-с—сн3
Н5Св сн3
ROH
сн3
I
—- (CH3)2N-Aj:—н + (сн3)2со с6н5
1-Димегиламинофенил-этан
Попытка получить 2-фенилбутан при катализируемом основаниями декарбоксилировании в условиях, не изменяющих оптической активности образующегося продукта, не увенчалась успехом [1]. Однако 2-циан-2-фенилбутановая кислота таким способом была превращена в 2-фенилбутиронитрил [уравнение (19)] [6].
В отсутствие основания реакция не протекала, но если в реакционной смеси появлялся избыток основания, то первоначально возникавший оптически активный продукт подвергался рацеми-
Электрофильное замещение при насыщенном атоме углерода
155
нации. Наилучшие результаты были получены при проведении реакции в присутствии 0,2 же основания, если опыт прекращали прежде, чем среда становилась щелочной. В этих условиях полнота превращения достигала 70%. Подобным же образом удалось сохранить конфигурацию продукта реакции при проведении реакций (20) и (21) [7].
(19)
CN
С—СООН
с6н5
_+	CN
ROK	J
С2Н5—С—COOK
свн5
CN
— н> с2н5—с—н + со2
С6н5
(20)
CN	-+
* I	ROK
C6HSCH2—-С—СООН < >~.
сн3
CN с6н5сн2-А:—сбок сн3
2-Фенилбутиронитрил
RQH
CN
—С5Н5СН2—С—Н + СО2
СН3
2- Метил- 3-фенил-
(21)
NC ОН
.1 I
с6н5сн2—с—с—сн3
н3с сн3
ROK
CN ,1
С6Н5СН2—С—Н + (СН3)2СО
сн3
Для выяснения стереохимических закономерностей реакции эти превращения пригодны в тех случаях, когда известны максимальная величина оптического вращения и относительные конфигурации исходных веществ и конечных продуктов. Поскольку все исходные вещества получаются из соответствующих кислот без изменения конфигурации, задача сводится к определению максимального оптического вращения и относительных конфигураций этих кислот и продуктов реакций расщепления.
Максимальная величина оптического вращения перечисленных ниже кислот (I, III, V, VII, IX и XI) была определена путем повторного исчерпывающего расщепления рацематов [2—7], причем обычно выделяли оба энантиомера. Для определения соответствующей характеристики продуктов расщепления (И, IV, VI, VIII, X и XII) был осуществлен их встречный синтез из веществ с известной величиной [аЬ при помощи реакций, не вызывающих
156
Гл. IV. Стереохимия карбанионов
рацемизации при асимметрическом центре 12—7]. Для трех пар указанных выше веществ (I — II, III — IV и¥ — VI) относитель-
СН3 I с2н5—*с—соон I С6Н5
СНз
С2Н5—*С—Н I С6н5
СНз	СН3
сн3о—*с—соон СН3О —*с —н I	I
С6Н5	С6Н5
III	IV
н	н
СН3—*С—СООН СН3—*С—D
С6Н5	4н5
V	VI
СНз	СН3
(CH3)2N—*С—СООН (CH3)2N—*С — н
С6Н5	С6Н5
VII	VIII
CN	CN
С2Н5—*С—СООН С2Н5—*С —Н
С6Н5	С6Н5
IX	X
CN	CN
I	I
С6Н5СН2-*С-СООНСвН5СН2-*С-Н
I	I
сн3	СН3
XI	XII
ные конфигурации были установлены на основании ряда взаимных превращений, пространственные закономерности протекания которых известны [2—4, 8]. Конфигурация следующей пары веществ (VII — VIII) была определена методом сравнения знаков и величин их оптического вращения со знаками и величинами оптического вращения аналогичных соединений с известной конфигурацией [5]. Прямого доказательства относительных конфигураций веществ двух последних пар (IX — X) [6] и (XI — XII) |7] проведено не было. Однако характер результатов, получаемых при реакциях расщепления (см. ниже) не дает никаких оснований сомневаться в правильности относительных конфигураций, при писываемых соединениям этих пар.
Пространственные закономерности реакций расщепления
Впервые стереоспецифический характер реакции был обнаружен на примере расщепления в щелочной среде нескольких спиртов и одного кетона, приводящего к 2-фенилбутану [9]. В зависимости от условий реакция может протекать либо с предпочтительным сохранением конфигурации (до 93%; рацемизация — 7%), либо с заметным обращением конфигурации (до 51%; рацемизация — 49%). Более поздние исследования показали, что эти и другие, им подобные, реакции расщепления характеризуются
Электрофильное замещение при насыщен ном атоме углерода 157
следующими предельными значениями оптической чистоты конечного продукта: при предпочтительном сохранении конфигурации — 99% 110], при рацемизации — 100% [11] и в случае предпочтительного обращения конфигурации — 65% (35% рацемизации) [4]*.
Стереохимия реакции расщепления третичных и вторичных спиртов, а также некоторых кетонов необычайно чувствительна к природе растворителя. В этом можно убедиться, рассматривая табл. 42 [12]. В ней представлены результаты опытов, проводившихся в весьма различных условиях. Так, температуру изменяли в интервале от 72 до 237°, концентрации исходного спирта и основного катализатора колебались от 0,1 до 2 молъ!л, а значения рКа электрофильного реагента — от 16 до 27. Несмотря на это, очевидно существование связи между пространственной направленностью реакции и диэлектрической проницаемостью растворителя. Растворители с низкой диэлектрической проницаемостью, в которых существование диссоциирующих ионных пар маловероятно, способствуют сохранению конфигурации. Растворители же с высокой диэлектрической проницаемостью, в которых существование диссоциирующих ионных пар возможно, благоприятствуют образованию продукта с обращенной конфигурацией. Кроме того, пространственная направленность реакции может быть приближенно скоррелирована с молярностью доноров протона в среде. Чем меньше концентрация донора, тем больше отношение констант скорости образования продуктов с исходной и с обращенной конфигурацией (Лсохэ/^обэащ)-
Концентрация доноров протонов в растворителях с низкой диэлектрической проницаемостью, по-видимому, не существенна для протекания реакции с сохранением конфигурации. Например, расщепление 2,3-дифенил-3-метилпентанола-2 действием трет-бу-тилата калия в тпр^дп-бутиловом спирте при 150° протекает с сохранением конфигурации на 95%, тогда как в 0,4 М растворе этилен-гликолята калия в диэтиленгликоле при 150° реакция приводит
* В английском тексте книги употребляются выражения net retention и net inversion, что можно было бы перевести как «кажущаяся (пли видимая) степень сохранения (или обращения) исходной конфигурации». Истинная степень сохранения (или обращения) исходной конфигурации всегда больше кажущейся, так как часть данного оптического антипода находится в виде рацемической смеси с другим антиподом. Истинную степень сохранения (или обращения) исходной конфигурации можно рассчитать по формуле 1
т=п + у (100 — п), где п — кажущаяся степень сохранения (или обращения) исходной конфигурации.
Все приводимые здесь и далее значения оптической чистоты продуктов соответствуют кажущейся степени сохранения (или обращения) исходной конфигурации.— Прим, перев.
158
Гл. IV. Стереохимия карбанионов
к продукту, в котором исходная конфигурация сохраняется на 91%. Хотя в одном из этих опытов молярная концентрация донора протонов примерно в 20 раз меньше, чем в другом, последнее обстоятельство мало сказывается на пространственной направленности реакции [31.
Таблица 42
Зависимость между диэлектрической проницаемостью среды и скоростями образования конечных продуктов с исходной или обращенной конфигурацией при реакции расщепления
СН3 ОН	СН3
II	кв	I
с2н5—*с-С —СН3------> С2Н5-*С-Н
II	нв	I
СбЩ С2н5	CflHs
Растворитель	°г е с	Концентрация донора протонов (ВН), М	%охр/%бращ
свн6	2020	1	28
ch3nhc6h5	620	7	17
mpem-CiHgOH	Ц19	10	17
Бутанол-2	1920	10	12
Бутанол-1	1825	10	6
С2Н5ОН	2720	19	4
Этилендиамип	1618	63	Ь5
СН3ОН	3418	28	1,2
(НОСН2СН2)2О	3520	16	0,56
Этиленгликоль	3520	29	0,35
Глицерин	4620	30	0,33
В растворителях, способствующих сохранению конфигурации, замена катиона калия в основании на натрий или литий не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на пространственную направленность реакции расщепления. Замена же на четвертичный ион аммония приводит к тому, что вместо предпочтительного сохранения конфигурации наблюдается почти полная рацемизация (см. табл. 43). Следовательно, механизм сохранения конфигурации зависит каким-то образом от присутствия катиона металла. Наоборот, механизм обращения конфигурации не зависит, по-видимому, от природы катиона, поскольку при проведении реакции в диэтиленгликоле стереохимия расщепления примерно оди-
Электрофильное замещение при насыщенном атоме углерода 159
какова как в случае калиевых оснований, так и в случае оснований с четвертичным аммониевым катионом (см. табл. 43) [10, 11].
Таблица 43
Зависимость пространственной направленности реакции
расщепления от природы	катиона	основного катализатора
сн3 он		СН3
1	1 С2Н5—*С	С—R | )	Основание ВН	1 --з> С2Н5-*С-Н 1
С6Н5 С6Н5		CeHs
R	Растворитель	Основ	Пространственная направленность a
сн3	Диоксан, 7np^-C4H9OH	ирет-С4НдОК	Сохранение (96%)
сн3	Диоксан, znpezn-C4H9OH	mpem-C4H9OLi	Сохранение (95%)
сн3	znpezn-C4H9OH	mpem-C4HgOK.	Сохранение (84%)
сн3	znpezn-C4H9OH	C6H5CH2N(CH3)3OH	Рацемизация (100%)
СвН5	znpem-C4H9OH	mpem-C4HgOK	Сохранение (90%)
СвН5	znpezn-C4H9OH	(CH3)4NOH	Рацемизация (100%)
СеН5	Диэтиленгликоль	O(CH2CH2OK)2	Обращение (16%)
свн5	Диэтиленгликоль	(CH3)4NOH	Обращение (20%)
а Сохранение или обращение конфигурации.
Применение в качестве растворителя диметилсульфоксида с небольшой добавкой спирта (действует в роли электрофильного агента) и в качестве основания — тпр^тп-бутилата калия в случае расщепления четырех указанных ниже соединений приводит к полной рацемизации [5, 11].
СН3 ОН
С2Н5—*С — С—сн3
С6н5 tells
сн3 он
I I
СН3О —*с — с—сн3
С6н5 С6н3
сн3 он
I I с2н5—с*—с—сн3
I I
С6Н5СН3
сн3 он
I I
(CH3)2N—*С— С —сн3
I I
С6Н5 сн3
Первое из них рацемизуется на 100 % при использовании растворов тпретп-бутилата калия, натрия или лития в диметилсульфоксиде, однако при этом скорость реакции уменьшается в ряду:
160
Гл. IV. Стереохимия карбанионов
трет-С4Н9ОК > mpem-C/(H;(ONa > 7претп-С4Н9ОЫ [И]. Диметилсульфоксид обладает высокой диэлектрической проницаемостью (4920°) ИЗ], но является слабым донором протонов (величина рА'д диметил сульфоксида равна 36 по шкале Стрейтви.ера [14] и 31 по шкале Стейнера). Следовательно, он не проявляет ни свойств растворителей, способствующих сохранению конфигурации (малая диэлектрическая проницаемость), ни свойств растворителей, способствующих обращению конфигурации (большая диэлектрическая проницаемость, высокое содержание донора протонов). Наблюдаемая зависимость скорости расщепления от природы катиона металла, возможно, отражает разницу в константах диссоциации трех тп^етп-бутилатов в диметилсульфоксиде (см. гл. I).
Смешивая в определенной пропорции диметилсульфоксид и какой-либо способствующий сохранению конфигурации протонный растворитель, можно направить реакцию в сторону обращения конфигурации; правда, степень обращения невелика (см. табл. 44)
Таблица 44
Образование продуктов с обращенной конфигурацией при проведении реакции в смеси растворителей, один из которых способствует сохранению конфигурации, а другой —рацемизации
сн3 он	сн3 1	1	ROK	1 С2Н5-*С	С —СН3 ——> с2н5-*с-н |	|	ROH	| С6Н5 С6Н5	С6Н5		
Растворитель	Основание	Пространственная направленность a
70 мол.% mpem-C4H9OH + 4-30 мол.% (CH3)2SO (CH3)2SO СН3СН2СН2ОН 80 мол.% СН3СН2СН2ОН + 4-20 мол.% (CH3)2SO (CH3)2SO	/npe/n-C4H9OLi mpezn-C4H9OLi трет-С 4H9OLi CH3CH2CH2OLi CH3CH2CH2OLi CH3CH2CH2OLi	Сохранение (85%) Обращение (2%) Рацемизация (103%) Сохранение (13%) Обращение (14%) Рацемизация (100%)
а Сохранение или обращение конфигурации.
Электрофилъное замещение при насыщенном атоме углерода 161
115а]. Из этих опытов видно, что для реализации механизма, приводящего к обращению конфигурации, необходимы большая концентрация донора протонов и высокая диэлектрическая проницаемость.
Гассман и Залар [156] обнаружили, что превращение нортри-цикланона в бицикло-[3,1,0 ]-гексан-3-карбоновую кислоту под действием тп/?етп-бутилата калия в диметилсульфоксиде протекает практически с полным сохранением конфигурации. Они считают, что сохранение конфигурации объясняется либо промежуточным образованием циклопропильных анионов, либо синхронностью разрыва углерод-углеродной и возникновения углерод-водородной связей в одном и том же переходном состоянии. В обоих случаях протонодонорная группа оказывается с фронтальной стороны формирующегося карбаниона в результате атаки аниона диметилсульфоксида на карбонильную группу нортрицикла-нона.
Нортрицикланон
CD3SOCD3 трет-С4Н9ОК
Одна или две стадии
Бицикло-[3,1,0]-гексан-3-карбоновая кислота
Аналогичным образом происходит взаимодействие оптически активного 1,2-дифенил-2-метилбутанона-1 (0,16 моль/л) с трет-бутилатом калия (0,21 моль 1л) в диметилсульфоксиде при 25°, приводящее к 2-фенилбутану с выходом 54% [15 в]. В этом случае конфигурация сохраняется на 48%. Если вместо трет-бутм-лата калия в этой реакции используют в качестве основания дим-силнатрий, то выход 2-фенилбутана составляет всего 2%, хотя 1 1 -539
162
Гл. IV. Стереохимия карбанионов
исходный продукт не удается получить обратно. При проведении реакции в диметилсульфоксиде, содержащем трет-бутиловый спирт (0,42 моль/л) и трет-бутил&т калия (0,51 молъ/л), тот же оптически активный кетон (0,25 моль!л) при 25° превращается в 2-фенилбутан с выходом 74%. При этом конфигурация сохраняется на 40%. Очевидно, здесь имеет место конкуренция между механизмом, ведущим к рацемизации, и механизмом, приводящим к продукту с исходной конфигурацией. Тот факт, что расщепление кетонов в диметилсульфоксиде дает несколько различные результаты, нежели расщепление спиртов, можно объяснить образованием какого-то аддукта между кетоном и диметилсульфоксидом в случае расщепления кетона. При этом перед фронтальной стороной формирующегося карбаниона оказывается протонодонорная группировка, более кислая, чем диметилсульфоксид.
Можно представить себе следующую возможную последовательность реакций:
сн3 .1 3 ..
С2Н5—С------G— С6Н5
с6н5
1,2-Дифенил-2-метил-
бутанон-1
CH2SOCH3. —>-
сн3
|Д
с,н5—с—L
I
с6н5
с С6Н5 ►
CH2SOCH3
О
<^з
—с2н5—с“	^н2со сбн5
С6Н5 SOCH3
<^Нз
---С2Н5—С—Н + CH3SOCHCOC6H5
СбН5
2- Фенилбутан
Показано 110], что пространственная направленность реакций расщепления лишь в небольшой степени зависит от первичной структуры уходящей группы и не зависит от ее конфигурации. В табл. 45 приведены данные, иллюстрирующие это положение, которое в равной степени справедливо для растворителей, способствующих как сохранению, так и обращению конфигурации. Тот факт, что стереохимия реакции расщепления обычно не зависит от природы уходящей группы, может быть истолкован как результат большого структурного сходства промежуточных соединений,
Электрофильное замещение при насыщенном атоме углерода 163
Таблица 45
Отсутствие зависимости стереохимии расщепления от структуры и конфигурации уходящей группы
с2н5—с,
СвНо
QH.3
5^ с2н5—с—н
С6Н}
Растворитель и электрофильный агент	Заместители в уходящей группе		Пространственная направленность а
		ь	
Диоксан (растворитель) + трет-С4Н9ОН (электрофильный агент)	снь сн3 СН3 и свн5 С6Н5	сн3 С2н5 Свн5 свн5 н znpem-C4H8O	Сохранение (95%) Сохранение (96%) Сохранение (96%) Сохранение (82%) Сохранение (81%) Сохранение (74%)
Этиленгликоль или диэтиленгликоль (растворители и электрофильные агенты одновременно)	сн, сн3 сн3 н с6н5 Свн5	СН3 С2Н5 с6н5 свн5 Н О(СН2СН2О)2Н	Обращение (52%) Обращение (48%) Обращение (55%) Обращение (42%) Обращение (41%) Обращение (38%)
а Сохранение или обращение конфигурации.
фигурирующих в механизмах сохранения и обращения конфигураций. Эти промежуточные соединения лишь незначительно отличаются друг от друга даже тогда, когда различия в структуре уходящих групп значительны, и совсем не отличаются, если уходящие группы различаются только своей конфигурацией. Чем больше эффективный объем уходящей группы, тем выше стереоспецифичность реакции как в случае сохранения, так и в случае обращения конфигураций.
11*
164
Гл. IV. Стереохимия карбанионов
В табл. 46 показано, как на стереохимию расщепления влияет заместитель, связанный с тем атомом углерода, при котором происходит замещение. Заместителями являются (CH3)2N [5], С2Н5 [11], СН3О [11] и Н [4]. В среде тпретп-бутилового спирта (растворитель, способствующий сохранению конфигурации) стереоспецифичность реакции снижается по мере уменьшения эффективного
Таблица 46
Влияние заместителя, находящегося при центре замещения, на стереохимию реакции расщепления
СН3 ОК	СНо
I I	ROH |
а —*С — С----СН3 ------> а —*С—Н
I	I	I
С6Н5 СН3(СеН5)	С6Н5
Растворитель	Заместитель а	Пространственная направленность а
	(CH3)2N	Сохранение (98%)
	с2н5	Сохранение (90%)
	СН3О	Сохранение (84%)
	н	Сохранение (—71%)
(CH3)2SO4-znpezn-C4H9OH	(CH3)2N	Рацемизация (99%)
	СгН5	Рацемизация (100%)
	СН3О	Рацемизация (100%)
Этиленгликоль	(CH3)2N	Обращение (34%)
	С2н5	Обращение (52%)
	СП3О	Обращение (41%)
Диэтиленглпколь	н	Обращение (—51%)
а Сохранение или обращение конфигурации.
объема заместителя, однако это снижение происходит плавно, и даже в случае наименьшего заместителя стереоспецифичность достаточно высока. В среде диметилсульфоксида, независимо от природы заместителя, образуется рацемический продукт. При использовании в качестве растворителя этиленгликоля или диэтиленгликоля во всех случаях наблюдается обращение конфигурации. Во всех трех случаях природа заместителя оказывает влияние лишь на количественную сторону процесса, но не изменяет его пространственной направленности.
Электрофильное замещение при насыщенном аЬпоме углерода
165
Реакции расщепления, проводимые в дейтерированном и недей-терированном трет- бути ловом спирте и этиленгликоле, обнаруживают те же стереохимические закономерности (см. табл. 47)
Таблица 47
Отсутствие влияния изотопного эффекта на пространственную направленность реакции расщепления
сн3 ОК	сн3
I I	ROH(D)	|
С2Н5 —*С----С —СН3--------> С2Н5 —*С —H(D)
I I	I
С6н5 С6Н5	С6Н5
Растворитель
mpem-C4H9OD (СН2ОН)2 (CH2OD)2
Пространственная направленность а
Сохранение (87%)
Сохранение (88%)
Обращение (63%)
Обращение (65%)
а Сохранение или обращение конфигурации.
141. Не наблюдается никакого изотопного эффекта в отношении пространственной направленности. Если бы один из трех конкурирующих механизмов включал такое переходное состояние, в котором разрыв С — С-связи и образование С — Н-связи происходили бы синхронно, а остальные механизмы содержали бы по два различных переходных состояния для каждого из этих актов, то данные табл. 47 казались бы в высшей степени невероятными.
Возникает вопрос, нс может ли уходящая группа сама служить источником протонов в тех случаях, когда образующееся карбонильное соединение содержит в a-положении к карбонилу атомы водорода. Для того чтобы ответить на этот вопрос, раствор 3,4-диметил-4-фенилгексанола-3 в бензоле титровали фенилкали-ем до полного превращения спирта в алкоголят калия. Последовавшая за этим реакция расщепления прошла в основном с сохранением конфигурации (на 73%), из чего следует, что образующий ся из уходящей группы бутанон-2 действует, по-видимому, как
166
Гл. IV. Стереохимия карбанионов
источник протонов [11].
СН3 ОК+	СН3
|	|	В’отсутствие	|
с2п5-*с—с—с2н5	R0H—> С2Н5-*С-Н+СН2=С-С2Н8
Свн5 СНз	^вН5 -ОК+
Сохранение конфигурации (73%)
СН3 ОК+	СН3
|	|	ДиоксанЦ-	|
С2Н5—*С-----С — С6н5 --------------> С2Н5 — *С — Н + (СвН5)2СО
I I 0 014-диэтиленгликоль	°	. t \ о
А ГТ А тт	(°’4 МОЛЪ/л)	I
^би5	^6415
Сохранение конфигурации (99%)
Та же реакция, проведенная в бензоле, содержащем трет-бутиловый спирт (0,8 молъ/л), оказалась более стереоспецифичной: конфигурация сохранилась на 93% [12]. Отдельным опытом было показано, что 2-фенил-2-бутилкалий при взаимодействии с бутаноном-2 образует 2-фенилбутан [2]. Поскольку при отщеплении уходящей группы в виде бензофенона (т. е. при отсутствии подвижных атомов водорода) конфигурация сохраняется на 99% [16], то ясно, что механизм сохранения конфигурации не зависит от наличия потенциальных протонодонорных группировок в исходной молекуле.	,
Происхождение электрофильного агента было установлено при расщеплении 3-метил-2,3-дифенилпентанола-2 до 2-фенилбутана и ацетофенона в дейтерированном тпрглг-бутиловом спирте или в дейтерированном этиленгликоле [4]. Образующийся ацетофенон в качестве донора протонов может конкурировать с растворителем. Результаты определения дейтерия в 2-фенилбутане показали, что в роли электрофильного агента выступает почти исключительно спиртовая среда, а не ацетофенон. Это наблюдение в равной степени справедливо для случая как сохранения, так и обращения конфигурации. Тем самым однозначно решается вопрос об источнике протонов.
СН3 ОК	СН3
|	|	mpem-GiHqOD	|
С2н5-*С — С-СН3 (G—G2H5-*C-D+CH3COGeH5
।	।	ИЛИ ^CiH.2'-'U/2	|
C6H5 c6H5	c6H5
В /пре/п-С4НзОО — сохранение конфигурации (88%), в (CH2OD)2 — обращение конфигурации (65%)
Электрофильное замещение при насыщенном атоме углерода 167
Другие опыты были проведены с системами, в которых потенциальными донорами протонов являются амино- или гидроксильные группы, связанные с атомом углерода, при котором происходит замещение [5]. Данные, приведенные в табл. 48, показывают,
Таблица 48
Влияние внутримолекулярной протонодонорной группировки на пространственную направленность реакции расщепления
а ОК	а
I I ROH	।
сн3 — *С--С — СНз——сн3 - *с—н
I	I	I
С6Н3 сн3	С6Н5
Растворитель	Температура, °C	Заместитель a	Пространственная направленность a
/пре/п-С4Н9ОН	141	OH	Сохранение (50%)
(CH3)2SO, mpem-C4H9OH	100	OH	Рацемизация (100%)
(СН2ОН)2	210	OH	Сохранение (41%)
mpem-C4H9OH	142	nh2	Обращение (15%)
mpem-C4H9OH	193	nh2	Сохранение (16%)
(CH3)2SO, znpem-C4H9OH	15	nh2	Рацемизация (100%)
а Сохранение или обращение конфигурации.
что при использовании в качестве растворителя диметилсульфоксида обычно наблюдается 100%-ная рацемизация. Однако результаты, полученные при проведении реакции в тпретп-бутиловом спирте или в этиленгликоле, кажутся необычными. Если с атомом углерода, при котором происходит замещение, связана гидроксильная группа, то сохранение конфигурации имеет место как в тпретп-бутиловом спирте, так и в этиленгликоле примерно в одинаковой степени (40—50%). Если же с центром, при котором происходит замещение, связана аминогруппа, то достаточно одного лишь повышения температуры, чтобы пространственная направленность реакции изменилась и вместо продукта с обращенной конфигурацией (оптический выход 15%) стал преобладать продукт с исходной конфигурацией (оптический выход 16%). В случае других систем температура обычно не играет такой важной роли. Изучить поведение аминоспирта в этиленгликоле не удается из-за наличия побочных реакций.
Очевидно, что амино- или гидроксильная группа, находящаяся при центре замещения, играет роль внутримолекулярного источ
168
Гл. IV. Стереохимия карбанионов
ника протонов. Если гидроксильная группа является лигандом в окружающей ион калия сфере или если водород этой группы связан с анионным центром алкоголята, то это значит, что с фронтальной стороны центра, при котором происходит замещение, находится внутримолекулярный источник протонов. Поэтому здесь мож но ожидать предпочтительного сохранения конфигурации.
У аминогруппы имеются два атома водорода, из которых один находится с фронтальной, а другой — с тыльной стороны атома углерода, при котором происходит замещение. Следовательно, здесь должно существовать весьма чувствительное к условиям опыта равновесие между механизмами сохранения и обращения конфигурации.
Карбанионы как промежуточные продукты при реакциях расщепления
Приведенные в предыдущем разделе многочисленные экспериментальные данные могут быть объяснены исключительно при допущении существования механизмов, связанных с образованием в качестве дискретных промежуточных продуктов карбанионов или ионных пар, содержащих карбанионы. Здесь следует обратить внимание на следующие важные факты, связанные с каждым из трех типов пространственного протекания реакции.
Механизм сохранения конфигурации. Растворители с низкой диэлектрической проницаемостью (в которых способность ионных пар к диссоциации невелика) способствуют сохранению конфигурации; наряду с большим количеством продукта с исходной конфигурацией образуется немного рацемического продукта. Пространственная направленность мало зависит от концентрации, изотопного состава и кислотности электрофильного агента в широком интервале значений р#а. Стереохимия реакции совершенно не зависит от конфигурации уходящей группы и лишь незначительно — от ее первичной структуры. Степень сохранения конфигурации не изменяется существенным образом, если катионом в основании является ион одного из щелочных металлов. Однако если катионом служит четвертичный аммониевый ион, то вместо сохранения конфигурации имеет место полная рацемизация. Природа заместителей, которые не стабилизируют карбанион и кото
Электрофильное замещение при насыщенном атоме углерода
169
рые связаны с будущим центром карбаниона, также оказывает лишь небольшое влияние на степень сохранения конфигурации. Если уходящая группа может служить донором протонов, то конфигурация сохраняется даже при отсутствии в реакционной среде иных источников протонов. Однако если в среде имеются другие доноры протонов, то в роли электрофильных агентов выступают именно они. В случае когда с атомом углерода, при котором происходит замещение, связаны протонодонорные группировки, стереохимический результат реакции будет зависеть от числа доступных протонов и их ориентации.
Механизм рацемизации. Диметилсульфоксид — растворитель, не дающий протонов (рКа 31) [14], но обладающий высокой диэлектрической проницаемостью (е = 4920°),— вызывает рацемизацию почти во всех случаях. Исключение представляют кетоны, расщепляющиеся по особому механизму. Полная рацемизация наблюдается также в растворителях с низкой диэлектрической проницаемостью, если расщепление проходит под действием четвертичных аммониевых оснований.
Механизм обращения конфигурации. Растворители с высокой диэлектрической проницаемостью, являющиеся хорошими донорами протонов, способствуют в умеренной степени обращению конфигурации; наряду с продуктами с обращенной конфигурацией получаются рацемические смеси. При смешивании диметилсульфоксида с определенным количеством протонного растворителя, способствующего сохранению конфигурации, наблюдается образование небольшого количества продукта с обращенной конфигурацией. Стереохимия реакции совершенно не зависит от конфигурации уходящей группы и лишь второстепенным образом зависит от ее первичной структуры. Природа катиона основания тоже не оказывает существенного влияния на пространственную направленность реакции, которая мало изменяется при переходе от ионов щелочных металлов к четвертичному иону аммония. Степень обращения исходной конфигурации незначительно изменяется также и в тех случаях, когда изменяется природа заместителя, хотя и связанного с центром замещения, но не способного стабилизировать карбанион (таким заместителем является, например, метоксильная группа). Если же с атомом углерода, при котором происходит замещение, связана гидроксильная группа, то сохранение конфигурации наблюдается даже в тех растворителях, которые обычно способствуют ее обращению.
Механизм, удовлетворительно объясняющий вышеизложенные факты [И], представлен на рис. 15. Согласно этой схеме, анион алкоголята существует в двух формах: в виде одного из компонентов сольватированной неразделившейся ионной пары и в виде свободного иона (или в виде одного из компонентов ионной пары,
170
Гл. IV. Стереохимия карбанионов
разделенной молекулами растворителя); между обеими формами имеется равновесие. Если катион М+ является ионом щелочного металла, то находящиеся в среде доноры протонов (НВ) связываются с ним как лиганды. В растворителях, не благоприятствующих диссоциации, распад неразделившейся ионной пары происходит таким образом, что образуется новая пара: ион металла — ион С — Н-кислоты; эта пара сольватирована с фронтальной стороны
Н---В
Неразделенная ионная пара
Свободный ион или ионная пара, разделенная молекулами растворителя

5*1 нв	_ Д
вн...--------------- ВН---С----С
Асимметричная
ионная пара
Симметрично сольватированный карбанион
Асимметрично сольватированный карбанион
Сохранение конфигурации
^с-н + н-с^
Рацемизация
Обращение конфигурации
Рис. 15. Механизм реакции электрофильного замещения при насыщенном атоме углерода для случая разрыва С — С-связи.
одновременно и молекулами протонодонорного агента и только что оторвавшейся (но не отошедшей) уходящей группой. Образовавшийся комплекс может либо претерпевать распад до конечного продукта, либо диссоциировать с образованием симметрично сольватированного свободного карбаниона. В первом случае получается продукт с исходной конфигурацией, во втором при распаде свободного карбаниона образуется рацемат. Если же пара ион металла — ион С — Н-кислоты сольватирована молекулами протонодонорного агента со стороны, противоположной той, на которой находится ион металла, то протонирование с этой стороны будет подавлено, поскольку в результате такого протонирования
Электрофильное замещение при насыщенном атоме углерода
171
должна была бы образоваться ионная пара, разделенная продуктом реакции. В среде с низкой диэлектрической проницаемостью разделение зарядов в подобной ионной паре требует большой затраты энергии. Таким образом, для того чтобы «сработал» механизм сохранения конфигурации, необходимо, чтобы катион металла удерживал доноры протонов как лиганды и чтобы вращение катиона металла вместе со связанными с ним лигандами происходило быстрее, чем диссоциация ионной пары. Замена иона металла на четвертичный ион аммония увеличивает время жизни ионной пары, что способствует ее диссоциации и приводит к образованию рацемического продукта.
В растворителях с высокой диэлектрической проницаемостью свободный анион алкоголята (или ион алкоголята, отделенный от противоиона молекулами растворителя) распадается с образованием карбаниона, сольватированного с фронтальной стороны молекулой, возникающей из уходящей группы, а с тыльной стороны — молекулами растворителя. Если растворитель является донором протонов, то протонирование карбаниона происходит с тыльной стороны, в то время как фронтальная сторона карбаниона экранирована уходящей группой. В результате образуется продукт с обращенной конфигурацией. С этим процессом конкурирует процесс вытеснения уходящей группы с фронтальной стороны карбаниона молекулой растворителя, приводящий к симметрично сольватированному иону и, следовательно, к образованию рацемата.
При использовании в качестве растворителя диметилсульфоксида свободный анион алкоголята (или ионная пара, разделенная молекулой растворителя) распадается с образованием карбаниона, тыльная сторона которого сольватирована молекулой диметилсульфоксида, а фронтальная — уходящей группой. Время жизни образовавшегося комплекса такова, что он успевает превратиться в симметрично сольватированный карбанион. Поэтому в диметилсульфоксиде происходит рацемизация.
Скорость протонизации карбанионов должна быть чрезвычайно велика. Разница между значениями рКа конечных продуктов (С — Н-кислот) и протонодонорных агентов составляет, по-видимому, 10—20.
Сходство между этими механизмами и механизмом катализируемого основаниями дейтеро-водородного обмена (см. гл. III) очевидно. При реакции обмена дейтерий — водород сохранение конфигурации также характерно для растворителей с низкой диэлектрической проницаемостью. Один из возможных механизмов сохранения исходной конфигурации в случае обмена дейтерий — водород зависит от способности входящего в ионную пару катиона металла вращаться вместе со связанными с ним лиганда
172
Гл. IV. Стереохимия карбанионов
ми со скоростью, превышающей скорость диссоциации ионной пары. Замена катиона металла на четвертичный аммониевый ион и в этом случае вызывает полную рацемизацию. Обмен дейтерий — водород в протонных растворителях с высокой диэлектрической проницаемостью происходит с обращением конфигурации. Механизм обращения конфигурации сводится к несимметричной сольватации свободного карбаниона. Рацемизация при обмене дейтерий — водород наблюдается в тех случаях, когда растворителем служит диметилсульфоксид. По-видимому, и здесь карбанион сольватируется молекулами диметилсульфоксида с тыльной стороны, и его время жизни достаточно велико, чтобы он успел превратиться в симметрично сольватированный ион и далее — в рацемический продукт. Итак, параллелизм между реакциями, в которых роль уходящей группы играет атом водорода или атом углерода соответственно, выражается в сходстве экспериментальных условий и обусловленных ими стереохимических результатов. Такое поразительное сходство делает весьма правдоподобным рассмотренный выше механизм.
Конкуренция между анионным и свободнорадикальным разрывом С — С-связи
Конкуренция между анионным и свободнорадикальным разрывом С — С-связи [16] наблюдается в том случае, если уходящей группой является бензофенон. При титровании оптически чистого 2-метил-1,1,2-трифенилбутанола-1 (XIII) раствором фенилли-тия в сухом бензоле и последующем нагревании до 60° с выходом 35% была получена смесь (+)- и мезо-3,4-диметил-3,4-дифенилгек-сана (XIV); наряду с этим был выделен рацемизовавшийся исходный продукт (выход 24%). В другом опыте спирт XIII нагревали в смеси диоксана и тпретп-бутилового спирта в присутствии трет-бутилата лития. В начальной фазе реакции появлялась зеленая окраска, затем реакционная смесь желтела и обесцвечивалась. Были выделены следующие продукты: 2-фенилбутан (25%), углеводород XIV (61%), бензофенон (66%) и бензгидрол (27%). Дополнительно было показано, что тетрафенилэтиленгликоль в идентичных условиях претерпевает разрыв с образованием бензгидрола и бензофенона. Полученные результаты можно объяснить с помощью схемы, представленной на рис. 16.
Как видно из этой схемы, алкоголят, соответствующий спирту XIII, способен претерпевать два типа разрывов: необратимый анионный и обратимый гомолитический. Эти механизмы конкурируют между собой. При гомолитическом разрыве получаются 2-фенил-2-бутильный радикал и кетил бензофенона; образованием последнего и обусловлена наблюдаемая вначале окраска. 2-Фенил-
Электрофильное замещение при насыщенном атоме углерода
173
2-бутильный радикал теряет исходную конфигурацию, и его рекомбинация с кетилом дает рацемический исходный алкоголят. В результате димеризации 2-фенил-2-бутильного радикала образуется смесь рацемической и .мезо-форм углеводорода XIV, а димеризация кетила дает соль тетрафенилэтиленгликоля. Последний претерпевает гетеролитическое расщепление на бензгидрол и бензофе-
м
<|Н3
С2Н5—-С----
СбН5
ом
I С—С6Н5
Сбн5
Гомолиз
<j:H3 с2н-с- +
свн6
с с«н, Свн5
Алкоголят Х111
Анионный разрыв
сн3 ом
I II
С2Н5—С— С6Н5
с6н5 С6н5
Димеризация
с2н5~с------С—С2Н5
С6н5	С6Н5
(i)- и мезо-XIV
Димери-
Хзация + НВ
H<j> (ом
С6Н5—с--------с—С6Н,
СвН5	с$н5
СН3
С6нз-^С—н +
С6Н5
он
с6н5—с—н
С6н5
Рис. 16. Конкуренция между анионным и свободнорадикальным разрывом С — С-связи.
нон. Таким образом, гомолитический разрыв исходного алкоголята конкурирует с анионным расщеплением, приводящим к 2-фенилбутану и бензофенону.
Как и следовало ожидать, оптическая активность образующегося при анионном разрыве 2-фепилбутана сравнительно невелика вследствие обратимости гомолитического разрыва С — С-связи. Оптическую чистоту 2-фенилбутана определяли как функцию времени при нагревании спирта XIII в диоксане, содержащем диэтиленгликоль (0,1 молъ!л) и гликолят калия (0,05 молъ/л); опыт проводили при температуре 91 °. В начальной фазе реакции оптическая чистота образующегося 2-фенилбутана составляла 94% (продукт имел ту же конфигурацию, что и исходный спирт), тогда как к концу реакции оптическая чистота 2-фенилбутана снижалась до 81%. При построении графика зависимости оптической чистоты от продолжительности реакции была получена кривая, экстра
174
Гл. IV. Стереохимия карбанионов
полиция которой до момента t = 0 дала величину, соответствующую оптически чистому 2-фенилбутану [16]. Эти данные говорят о рацемизации исходного вещества, конкурирующей с реакцией анионного расщепления. Показано [17], что скорость димеризации 2-фенил-2-бутильного радикала больше, чем скорость отрыва атома водорода от 2-фенилбутана при столкновении последнего с 2-фенил-2-бутильным радикалом. Относительные скорости этих конкурирующих процессов можно оценить на основании выхода соответствующих продуктов. Скорость рекомбинации двух 2-фенил-2-бутильных радикалов должна быть примерно того же порядка, что и скорость рекомбинации 2-фенил-2-бутильного радикала с кетилом бензофенона. Соотношение скоростей гетеролитического и гомолитического расщепления С — С-связи в указанной среде составляет 1,8.
Основание	^гет/^гом
трет-С4Н9ОК	2,2
	1,6
7npewi-C4H9OLi	0,05
В результате другой серии опытов было установлено, что при расщеплении спирта XIII под действием оснований в диоксане соотношение констант скоростей анионного и свободнорадикального разрыва (/сгет/^гом) изменяется примерно в 40 раз при переходе от т/?^т-бутилата калия к mpem-бутилату лития [16]. Это изменение можно объяснить различием в степени ковалентности связи О — М в исходном алкоголяте. Степень ковалентности уменьшается ’в такой последовательности: Li > Na > К. При гетер о литическом расщеплении разрываются как С — С-связь, так и О — М-связь. В случае же гомолитического разрыва разрывается только С — С-связь. Следовательно, чем более ковалентной является связь О — М, тем медленнее будет происходить анионное расщепление и тем вероятнее будет гомолитический разрыв С — С-связи.
При действии на оптически чистый спирт XIII гликолята калия в диэтиленгликоле в течение времени, достаточного для полного завершения реакции, были получены оптически чистый исходный спирт (6%) и 2-фенилбутан с обращенной конфигурацией (степень оптической чистоты 36%). По-видимому, в среде диэтиленгликоля не происходит регенерации исходного спирта из соответствующих свободных радикалов. Возможно, в этом случае 2-фенил-2-бутильный радикал взаимодействует с молекулами гликолята калия, отрывая от них атом водорода и превращаясь в рацемический 2-фенилбутан [16]. Степень оптической чистоты получающегося 2-фенилбутана была бы значительно выше 36%, если бы не имелось альтернативного пути его образования за счет
Электрофильное замещение при насыщенном атоме углерода 175
этого нестереоспецифического свободнорадикального процесса.
<|Н3	СН3
С2Н5—С-	KOCHR -----► С.,н5—С—II	КО—CHR
С6Н, Ъ	С6Н5
Аналогичная конкуренция между анионным и гомолитическим разрывом наблюдалась в случае спирта XV; спирт XVI оказался способным лишь к гомолитическому распаду [16]. Неспособность спирта XVI к гетеролитическому разрыву объясняется, очевидно, тем, что 2-циклогексил-2-бутильный анион чрезвычайно неустойчив по сравнению с соответствующим свободным радикалом.
СН3О ОН	СН3 ОН
сн3-А — i-C6H5 С2н5-С — С—свн5
II	II
СбЩ С6Н5	ч-С6Нц С6Н5
XV	XVI
Важным условием свободнорадикального разрыва является наличие двух фенилов в уходящей группе, поскольку приложение критериев образования свободных радикалов (появление окраски, рацемизация исходного продукта, образование продуктов свободнорадикальной димеризации) к другим рассмотренным в этой главе системам дало отрицательный результат. По-видимому, гомолитический разрыв облегчается в тех случаях, когда возможно образование относительно устойчивого кетила бензофенона.
ЭЛЕКТРОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ
ПРИ НАСЫЩЕННОМ АТОМЕ УГЛЕРОДА.
ДРУГИЕ УХОДЯЩИЕ ГРУППЫ
В предыдущем разделе мы рассмотрели стереохимию карбанионов, образующихся прп разрыве С — С-связи. В настоящем разделе обсуждаются такие реакции SE, при которых разрываются С — N- или С — О-связи. В заключение будет проведено сравнение четырех типов уходящих групп (Н, С, N и О).
Азот в роли уходящей группы
Изучение реакций, в которых роль уходящей группы играет азот, удобно проводить на примере реакции Кижнера — Вольфа, заключительная стадия которой состоит, по-видимому, в отщепле
176
Гл. IV. Стереохимия карбанионов
нии молекулы азота от аниона RN“, приводящем к образованию карбаниона; последний протонируется за счет растворителя [18]. Возможность такого разрыва на поздней стадии реакции Кижпера — Вольфа подтверждается двумя следующими аналогиями. Во-первых, при действии оснований на арилсульфонгидразиды, обычно приводящем к отщеплению молекулы азота и образованию альдегида (реакция МакФедайна — Стивенса) [19], в некоторых случаях образуются ароматические углеводороды [20]. Во-вторых, арилгидразины легко окисляются с образованием ароматических углеводородов [21].
Восстановление по Кижнеру — Вольфу:
R—C=N—N—Н :В ► R—С—N—N—Н + НВ  ►
I	I
R	R
—> R —СН —N = N —Н+:В —> R —СН —N = N4-HB I	I
R	R
—> R — CH + N24-HB R — CH2 + N2 + :B I	I
R	R
Реакция МакФедайна — Стивенса:
H
К г*
Аг— С— N—NH—SO2Ar i ’.В—► Аг—С—N=N—Н + НВ + HO2SAr
О	О
Окисление арилгидразинов:
Аг — NH — NH2+[O]	Аг —N=N —П + Н2О
Аг — N = N — Н+;В	Аг —N —N-f-HB —> Аг —H + N2-p-:B
Чтобы проверить, насколько далеко идут эти аналогии, были приготовлены оптически активные 2-фенил-2-бутилгидразин (XVIII), соответствующий ему сульфонамид (XVIII) и сульфонамид 2-фенил-2-бутиламина (XIX) [22]. Для всех этих соединений опре-
Электрофильное замещение при насыщенном атоме углерода
177
делены максимальные значения оптического вращения и их конфигурации относительно 2-фенилбутана. При действии щелочного перйодата калия или щелочного раствора брома на гидразин XVII образуется 2-фенилбутан; тот же углеводород получается при действии оснований на сульфонамид XVIII или при взаимодействии амина XIX с основанием и гидроксиламин-О-сульфоно-вой кислотой [22].
R*~C2H5 —*С
с6н5
Ts—SO2C6H4CH3-n
R* —NH —NH2+[OJ " XVII
R*--NH —NHTs + B-XVIII
R* — N — NH2-| В
Ts
B-	-	* HB
—> R*—N = N — H —»R* —N —N~> R~ —> R* —H
Алкилдиимид
XIX
(R* —N(Na)Ts-J NH2OSO3)
Na-соль XIX
Когда три реакции были проведены в максимально близких условиях (оптически активные исходные вещества растворяли в смеси 90% воды и 10% спирта, содержащей едкое кали в концентрации 1,7 моль 1л), полученный 2-фенилбутан во всех случаях имел, в пределах ошибки опыта, одну и ту же степень оптической чистоты. Реакция протекала с предпочтительным сохранением конфигурации (степень оптической чистоты 32 ± 6%). Во многих других средах превращение соединений XVII и XVIII в 2-фенилбутан также происходило с одинаковой стереоспецифичностью (т. е. с одинаковой пространственной направленностью и с образованием продуктов с одинаковой степенью оптической чистоты). Были изучены следующие растворители: mpem-бутиловый спирт, этанол, метанол, вода и диметилсульфоксид. Стереохимический результат варьирует от сохранения исходной конфигурации (оптическая чистота 79 ± 2%) до 100%-ной рацемизации. Эти данные говорят о том, что во всех трех реакциях образуется по крайней мере один общий промежуточный продукт, который может далее превращаться как в оптически активный, так и в рацемический продукт. Таким промежуточным продуктом является алкилдиимид [23]. Механизм образования алкилдиимида напоми-12-539
178
Гл. IV. Стереохимия карбанионов
нает механизм образования самого диимида в качестве проме жуточного продукта при окислении гидразина или в реакциях элиминирования [24 ].
В случае как прямого расщепления сульфонамида XVIII так и окислительного расщепления гидразина XVII было обнару ж ено, что реакция, приводящая к образованию полностью рацемического 2-фенилбутана, не катализируется основаниями. По-видимому, при этой реакции происходит гомолитический разрыв алкилдиимида по любому из дгГух изображенных ниже механизмов:
R* — N = N — Н —> R* — N2-+H-
Внутри сольватной ячейки
R--HN2H	— > В —H-(-N2
Внутри сольватной ячейки
Во всех изученных растворителях (кроме воды) эту реакцию удается подавить путем добавления достаточного количества основания, и тогда начинают преобладать стереоспецифические реакции анионного расщепления, которые катализируются основаниями [23]. Все рассматриваемые ниже реакции проводили в присутствии такого количества основания, при котором реакция гомолитического разрыва подавлялась (исключения будут оговорены).
Как и в случае разрыва С — С-связи, наблюдается приблизительная корреляция между диэлектрической проницаемостью среды и пространственной направленностью реакции электрофильного замещения с азотом в качестве уходящей группы (см. табл. 49). Результаты варьируют от преимущественного сохранения конфигурации (78% в mpem-бутиловом спирте) до умеренной инверсии (32% в воде). Однако в целом для реакций электрофильного замещения с азотом в качестве уходящей группы характерна тенденция к сохранению конфигурации. Так, диметилсульфоксид и метанол в этом случае способствуют сохранению конфигурации, тогда как в случае анионного разрыва С — С-связи первый вызывает рацемизацию, а второй — обращение конфигурации. Склонность алкилдиимида распадаться без изменения конфигурации связана, по-видимому, с наличием кислотного протона в са мой уходящей группе, что способствует протеканию реакции по механизму сохранения конфигурации (см. ниже).
На рис. 17 показаны механизмы, объясняющие стереохимию реакции расщепления алкилдиимида. В растворителях с низкой диэлектрической постоянной ионная пара является активной формой основания, и с фронтальной стороны карбаниона, возникаю-
Таблица 49
Связь между пространственной направленностью катализируемого основаниями гетеролиза С — N-связи и диэлектрической проницаемостью растворителя
сн3
R* = C2Hs-*A I С6Н5
Номер I опыта 1	Исходные вещества	Растворитель	e'c	Пространственная направленность a
1	R*NHNHTs + mpem-C4H9OK	mpem-C4H9OH	Ц19	Сохранение (78%)
2	R*NHNH2 + KIO3+mpem-C4H9OH	mpem-C4H9OH	Ц19	Сохранение (80%)
3	R*NHNH2 +12 + mpem-C4H9OK	mpem-C4H9OH	Ц19	Сохранение (78%)
4	R*NHNHTs + h-C4H9OK	h-C4H9OH	1825	Сохранение (68%)
5	R*NHNHTs + C2H5OK	C2H5OH	2720	Сохранение (60%)
6	r*nhnh2+KI O3+C2H5OK	C2HSOH	2720	Сохранение (55%)
7	R*NHNHTs + CH3OK	CH3OH	341®	Сохранение (44%)
8	R*NHNH2 + KIO3+CH3OK	CH3OH	3418	Сохранение (42%)
9	R*NHNHTs-f-mpem-C4HeOK	(CH3)2SO	4920	Сохранение (44%)
10	R*NHNH24-KIO3 + mpem-C4H9OK	(CH3)2SO	4920	Сохранение (39%)
11	R*NHNHTs4-KOH	H2o	8020	Обращение (5%)
12	r*nhnh2+kio3+koh	H2o	8020	Обращение (32%)
13	r*nhnh2+Br2+KOH	H2o	8020	Обращение (33%)
а Сохранение или обращение конфигурации.
12*
180
Гл, IV. Стереохимия карбанионов
щего в результате отрыва молекулы азота, находятся по меньшей мере две молекулы протонодонорного агента. В растворителях с большей диэлектрической проницаемостью (например, в метаноле или в диметилсульфоксиде) активной формой основания является свободный анион. Этот анион отрывает протон от диимидной
Механизм сохранения конфигурации: R I + Н-	HOR
< л/Z н
K'C-N=N—Н	OR -----► С" M--OR
✓	1 N2
Алкилдиимид	Сольватированная
ионная пара
Л 4	Рацеми-
	► ческий	Х-Н I-------------------продукт	/
Симметрично	Продукт с
сольватированный	исходной
карбанион	конфигурацией
Механизм обращения конфигурации.
C-N=N—Н
OR
ROH---C7”-N2
Асимметрично сольватированный карбанион
ROH — -C-—HOR
Рацемический продукт
Н-С
Симметрично сольватированный карбанион
Продукт с обращенной конфигурацией
Рис. 17. Механизм реакции электрофильного замещенпя при насыщенном атоме углерода для случая разрыва С — N-связи.
группы, в результате чего с фронтальной стороны карбаниона, возникающего при отщеплении азота, оказывается молекула спирта. Энергия активации, необходимая для образования карбаниона, очень невелика, и для разрыва С — N-связи достаточно слабой сольватации с тыльной стороны карбаниона (возможно, что такая сольватация вообще не нужна). Поэтому фронтальная атака на карбанион является предпочтительной вследствие благоприятной ориентации протонодонорных агентов с фронтальной стороны. Предпочтительное обращение конфигурации при проведении реак
Электрофильное замещение при насыщенном атоме углерода 181
ции в воде можно объяснить хаотической ориентацией гидроксильных групп с тыльной стороны карбаниона. Благодаря такой хаотической ориентации статистическая вероятность протонирования с тыльной стороны увеличивается, поскольку фронтальная сторона карбаниона в течение некоторого момента экранирована отщепившейся молекулой азота.
Сравнение результатов опытов 11 —13 в табл. 49 показывает, что при использовании в качестве растворителя воды степень обращения конфигурации зависит от природы исходного продукта и проводимой с ним реакции и неодинакова для окисления гидразина XVII и для расщепления тозилгидразина XVIII. Еще более аномальные результаты получаются при увеличении концентрации едкого кали с 0,3 молъ!л (в опытах 11 — 13) до 9,7 молъ/л. В сильнощелочной среде окисление гидразина XVIII йодатом калия протекает преимущественно с обращением конфигурации (степень оптической чистоты 12%), тогда как при окислении бромом конфигурация сохраняется (степень оптической чистоты 77%); при расщеплении же тозилгидразина XVIII исходная конфигурация сохраняется на 70%. Как видно из этих данных, в одной и той же среде могут действовать два стереоспецифических механизма, один из которых приводит к обращению, а другой — к сохранению конфигурации.
Этим интересным результатам можно дать следующее рациональное объяснение. В водной среде тозилгидразин XVIII может претерпевать реакцию как 1,2-, так и 1,1-элиминирования. Из них первая протекает предпочтительно при низких, а вторая — при высоких концентрациях основания. При 1,2-элиминировании образуется алкиддиимид, подвижный водород которого находится на расстоянии нескольких связей от центра замещения; в водной среде разложение алкилдиимида будет происходить предпочтительно (но в незначительной степени) с обращением конфигура-
НН	Н
II	| _	+
R* — N — N — Ts-f-KOH 7^ R*—N —N —Ts + K+H2O
XVIII	Сопряженное
основание |-TsH	|-Ts-
R* —N = N —Н	H
Алкилдиимид	r__n = m
н2о|кон	+
Н—R*	Алкилазамин
Обращение конфи-	н2о I кон
гурации (32%)	R*—н
Сохранение конфигурации (70%)
182
Гл. IV. Стереохимия карбанионов
ции. При 1,1-элиминировании образуется алкилазамин, у которого подвижный водород находится значительно ближе к центру замещения, вследствие чего даже в водной среде (где вероятность протонирования с тыльной стороны больше, чем в других растворителях) конфигурация сохраняется в значительной степени. Обращение конфигурации при окислении гидразина XVII йодатом калия свидетельствует о том, что в этом случае промежуточным продуктом является алкилдиимид, тогда как сохранение конфигурации при окислении соединения XVII бромом свидетельствует об образовании алкилазамина, по-видимому, за счет 1,1-элиминирования НВг от R*NHNHBr.
Нетрудно заметить некоторую аналогию между образованием алкилазаминов как промежуточных продуктов в рассмотренном случае и превращением соединений XX и XXI в углеводород XXII [25], а также другими реакциями, для которых было постулировано образование алкилазаминов [25а — в]
[О] N
(GeH5CH2)2NNH2 I	+ - -n2
*в (	> (ьвн51Л12)2
(G6H5CH2)2NNHSO2Ar •—>J	Азамин	XXII
Кислород в роли уходящей группы
Число реакций электрофильного замещения у насыщенного атома углерода, протекающих с разрывом С — О-связи, невелико. Для исследования стереохимии такого замещения были изучены две реакции, каждая из которых приводит к образованию 2-фенилбутана (II) [261. Первая из них — расщепление 2-бензил-окси-2-фенилбутана (XXIII) под действием очень сильных осно-
*
<jH3	сн3
+ SB—- C2H5-Az—Н + НВ С6Н5СНО
г	N	I
СбН5	н	С6Н5
XXIII	II
сн3	сн3
С2Н5-*С — 0Н+2М--ьНВ	С2Н5—*С—Н + МОН-ЬМВ
Свн5	свн5
XXIV	II
СН3	СН3
С2Н5—*С—ОСН3+2М- +нв —> С2Н6—*С—Н 4-МОСН3+МВ
свн5	С6н5
XXV	п
Электрофильное замещение при насыщенном атоме углерода
183
ваний. Вторая — гидрирование 2-фенилбутанола-2 (XXIV) или 2-метокси-2-фенилбутана (XXV) при действии щелочных металлов в присутствии протонодонорных агентов. Как и в предыдущих случаях, для всех трех исходных соединений были определены относительные конфигурации [3, 8] и найдены максимальные величины оптического вращения [27, 28].
К сожалению, для расщепления эфира понадобились такие жесткие условия (действие N-метиланилида калия в N-метилани-
+ к * s i I н :	’•к-“-о=с-
‘N—	А
।	Асимметрично
Сольватирован- сольватированная ная ионная^пара^/ионная пара ।	Рацеми- м
—NH----C---HN---------► ческий
|	продукт /
Симметрично	Продукт с
сольватирован-	исходной
ный ион	конфигурацией
Рис. 18. Механизм реакции «электрофильного замещения при насыщенном атоме углерода для случая разрыва С — О-связи.
лине при 180°), при которых образующийся 2-фенилбутан раце-мизовался. Показано, что реакция протекает с предпочтительным сохранением конфигурации (по меньшей мере на 29%). Чтобы по возможности избежать рацемизации, через реакционную смесь продували ток азота, который увлекал с собой образующийся углеводород. Однако несомненно, что в процессе такого выделения рацемизация в той или иной степени все же происходила. Объяснение полученного результата дано на рис. 18. Связь между этой реакцией и катализируемой основаниями перегруппировкой простых эфиров (перегруппировка Виттига) будет рассмотрена в гл. VI.
Механизм реакции состоит в одновременном отщеплении протона из a-положения бензилового эфира под действием основания и разрыве С — О-связи; основание в этом случае действует в виде сольватированной ионной пары. Образовавшаяся асимметрично сольватированная ионная пара распадается в результате протонирования с фронтальной стороны карбаниона. Протонирование
184
Гл. IV. Стереохимия карбанионов
карбаниона с тыльной стороны приводило бы к возникновению ионной пары, разделенной продуктом реакции. Низкая диэлектри ческая проницаемость N-метиланилина делает этот процесс энергетически невыгодным по сравнению с фронтальным протонирова нием, которое не требует разделения зарядов. По мере диссоциации ионных пар образуются симметрично сольватированные кар банионы, превращающиеся далее в рацемический продукт.
Таблица 50
Пространственная направленность восстановительного расщепления 2-фенилбутанола-2 и 2-метокси-2-фенил^утана
Субстрат	Растворитель	Металл	Пространственная направленность а
сн3	шрб?/п-С4Н9ОН	К	Обращение (21%)
С2Н5 —*с-он	изо-С3Н7ОН	К	Обращение (22%)
с6п5	н-С4Н9ОН	К	Обращение (19%)
	с2н5он	к	Обращение (18%)
	гнреш-С4Н9ОН	Li	Сохранение (9%)
	«-С4Н9ОН	Li	Сохранение (9%)
сн3	/нрет-С4Н9ОН	К	Обращение (31%)
С2Н5-4-ОСН3' 1	н-С4Н9ОН	К	Обращение (14%)
с6н5			
а Обращение или сохранение конфигурации.
В табл. 50 приведены результаты восстановительного расщеп ления бензилового спирта XXIV и соответствующего ему эфира XXV при действии металлического калия или лития в различных спиртах. Хотя эти реакции кажутся гетерогенными, однако более чем вероятно, что началу реакции предшествует растворение металла. Из данных табл. 50 видно, что гидрирование 2-фенилбутано-ла-2 под действием калия в четырех различных спиртах протекает с обращением конфигурации (степень оптической чистоты 18— 22%), тогда как при действии лития в двух спиртах исходная конфигурация частично сохраняется (степень оптической чистоты в обоих случаях равна 9%). Гидрирование 2-метокси-2-фенилбутана (XXV) под действием калия в щретп-бутиловом и в я-бутило-вом спиртах тоже протекает с обращением конфигурации, но в этом случае степень обращения сильнее зависит от природы спирта. Литием эфир XXV не восстанавливается.
Электрофильное замещение при насыщенном атоме углерода
185
Механизм восстановления при помощи растворенных металлов еще недостаточно ясен [29], чтобы можно было говорить о стереохимических закономерностях этой реакции. По-видимому, в начале реакции внешний электрон растворенного металла переносится к бензольному кольцу, благодаря чему образуется анион
К- +
2 : HOR
Сольватированный промежуточный
Растворенный калий
Продукт с обращенной конфигурацией
продукт
ROH. _	.К.. _
: •*/.•• : -or
К 1 "-HOR
Сдвоенная ионная пара
Рацемический продукт
ROH’*-Cr--*HOR
Симметрично сольватированный карбанион
Р и с. 19. Механизм восстановительного расщепления 2-фенилбутанола-2 и 2-метокси-2-фенилбутана до 2-фенилбутана.
радикал. Последний в свою очередь претерпевает гомолитический разрыв бензильной связи вследствие взаимодействия со вторым электроном. В результате этого разрыва образуются карбанион и молекула щелочи или алкоголята, а следовательно, два отрицательных заряда. В целом отрицательный заряд сконцентрирован преимущественно с фронтальной стороны карбаниона. Два катиона металла находятся, по-видимому, по разные стороны карбаниона, так как при таком расположении отталкивание зарядов минимально. Восстановление калием протекает с предпочтительным
186
Гл. IV. Стереохимия карбанионов
обращением конфигурации. Ион калия с его сольватной оболочкой ориентирует протонодонорные агенты с тыльной стороны карбаниона, а образующаяся молекула алкоголята или едкого кали ориентирует протонодонорные агенты с фронтальной стороны. Если протонирование карбаниона происходит с тыльной стороны, то образуются (в виде ионных пар) две молекулы алкоголята или едкого кали. Если бы протонирование происходило с фронтальной стороны, то при этом образовывалась бы одна простая ионная пара и одна ионная пара, разделенная продуктом реакции; в растворителях с низкой диэлектрической проницаемостью такой процесс энергетически невыгоден. Поэтому в растворителях с низкой диэлектрической постоянной восстановительное расщепление С — О-связи протекает преимущественно с обращением конфигурации. Вышеизложенные рассуждения схематически представлены на рис. 19.
Частичное сохранение конфигурации при восстановлении 2-фенилбутанола-2 литием в тех же условиях, при которых восстановление калием дает продукт с обращенной конфигурацией, говорит о том, что уходящая гидроксильная группа может служить источником протонов. Гидроокись лития должна быть лучшим донором протонов, нежели едкое кали.
Связь между природой уходящих групп и закономерностями реакций электрофильного замещения
Теперь можно сравнить пространственную направленность реакций 5^1 при различных типах уходящих групп. В качестве уходящих групп при образовании 2-фенил-2-бутильного аниона служили дейтерий, углерод, азот и кислород, а доноры протонов играли роль электрофильных агентов. В mpem-бутиловом спирте катализируемый основаниями разрыв С — D-связи протекал с сохранением исходной конфигурации на 87% [30], разрыв С — С-связи — с сохранением конфигурации примерно на 95%, а разрыв С — N-связи — с сохранением конфигурации примерно на 80%. Разрыв С — О-связи, осуществленный в среде N-метилани-лина, происходил с сохранением конфигурации по меньшей мере на 29%. Эти результаты можно объяснить наличием с фронтальной стороны карбаниона иона щелочного металла (являющегося катионом основания) вместе со связанными с ним лигандами; этот квазикомплексный катион способен вращаться и протонировать карбанион с фронтальной стороны, поскольку окружающие ион металла лиганды являются протонодонорными агентами. В среде диметилсульфоксида разрыв как С — D-связи [30], так и С — С-связи протекает с полной рацемизацией. Этот результат свидетельствует о том, что катализатором здесь является свободный
Электрофильное замещение при насыщенном атоме углерода
187
анион основания. Образующийся карбанион сольватируется и с фронтальной, и с тыльной стороны, и такой симметрично сольватированный карбанион превращается далее в рацемический конечный продукт. В этом же растворителе разрыв С — N-связи происходит с предпочтительным сохранением конфигурации, так как содержащийся в уходящей группе подвижный водород способен протонировать карбанион с фронтальной стороны. При использовании в качестве растворителей этиленгликоля, метанола или воды разрыв С — D- [30] и С — С-связей происходит с обращением конфигурации на 33—65% (то же наблюдается при разрыве С — N-связи в воде). В этих ионизирующих растворителях катализатором является свободный анион основания, фронтальная сторона карбаниона экранирована уходящей группой, а тыльная сторона карбаниона связана с молекулами растворителя водородной связью. Протонирование карбаниона с тыльной стороны приводит к обращению конфигурации. Во всех случаях имеет место конкуренция между стереоспецифическими механизмами и ^механизмом рацемизации. В последнем случае время жизни карбаниона таково, что он успевает превратиться в симметрично сольватированный комплекс.
*
g-7-D
-DB
:В
О-рН * \*> Rj-C—R'
R'
-RjCO -НВ
-НВ
-N,
-С6Н5СНО
-НВ
ТНз
R = С2Н5— С
С6Н5
R-R-Н + -В
Интересно также сравнить образование 2-фенилбутиронитрила при разрыве С — D- [31] и С — С-связей [6]. В растворителях, не способствующих диссоциации (например, в тпретп-бутиловом спирте), нитрил образуется при декарбоксилировании аммониевой соли 2-циан-2-фенилмасляной кислоты с частичным сохранением конфигурации (10%) [6]. Катализируемый аммиаком обмен дейтерий — водород также протекает с предпочтительным сохранением конфигурации [31]. Механизм обоих превращений включает стадию образования ионной пары аммоний — карбанид; скорость превращения этой пары в конечный продукт превышает скорость ее диссоциации. При проведении обеих реакций в диметилсульфо
188
Гл. IV. Стереохимия карбанионов
ксиде происходит полная рацемизация. В этом растворителе диссоциация ионной пары происходит быстрее, чем протонирование, и поэтому карбанион сольватируется симметрично, что приводит к рацемизации. В среде этиленгликоля в присутствии любого основания декарбоксилирование протекает с предпочтительным обращением исходной конфигурации (12%); сравнимый результат получается и в случае обмена дейтерий — водород. В этом растворителе разрыв С — С-связи претерпевает анион карбоновой кислоты; образующийся карбанион с тыльной стороны связан водородной связью с растворителем, а с фронтальной стороны экранирован уходящей группой. В результате преобладающим процессом становится инверсия. В случае дейтеро-водородного обмена основанием служит свободный анион гликолята, и образующийся карбанион с фронтальной стороны связан водородной связью с уходящей группой, а с тыльной стороны — с растворителем. Присоединение дейтерия с фронтальной стороны дает исходный продукт, а протонировапие с тыльной стороны — продукт с обращенной конфигурацией.
N	N
III	III
С	С
I	I
С2Н5 — *С — СОО-М+ + НВ -> С2Н5 —*С —Н + МВ+СО2
С6Н5	свн5
N	N
III	III
с	с
I	I
С2Н5 — *С — D+zB + HB -> С2Н5 — *С — H+.-B + DB
СбП5	с6н5
Рассматривая всю совокупность данных по реакциям электрофильного замещения, нельзя не отметить поразительного сходства далеких, казалось бы, реакций. Хотя число изученных реакций, растворителей и оснований очень велико, все полученные результаты могут быть рационально объяснены с помощью ограниченного числа концепций. Сюда относятся представление об асимметричной ионной паре и асимметричной сольватации, представление о вращении катионов и анионов внутри ионной пары, представления об эффекте экранирования, о внутримолекулярных источниках протонов, о диссоциации ионных пар и об очень высоких скоростях протонирования. Эти концепции лежат в основе наблюдаемых аналогий и делают их понятными.
Сравнение карбониевых ионов и карбанионов	189
СРАВНЕНИЕ СТЕРЕОХИМИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПОВЕДЕНИЯ КАРБОНИЕВЫХ ИОНОВ (КАРБОКАТИОНОВ) И КАРБАНИОНОВ
В 1935 г. Хьюз и Ингольд [32] высказали предположение, что реакции мономолекулярного нуклеофильного и электрофильного замещения при насыщенном атоме углерода (реакции 5^1 иХ£1) могут протекать с сохранением конфигурации. С того времени было проведено большое число исследований, которые убедительно показали, что реакции 5л-1, протекающие с промежуточным образованием карбониевого иона, могут происходить с сохранением [33] или обращением [34] конфигурации или же с полной рацемизацией [35]. Установлено, что внутри ионной пары, содержащей карбониевый ион, возможно вращение как катиона, так и аниона и что скорость превращения ионной пары в ковалентные продукты может намного превышать скорость ее диссоциации [36]. То же оказалось справедливым и для ионных пар, содержащих карбанион [31, 37].
Как видно из схем на рис. 20, стереохимические свойства карбониевых ионов и карбанионов во многом одинаковы. Сходство пространственных закономерностей, которым подчиняются эти две разноименно заряженные формы углеродного атома, является весьма примечательным.
Механизм сохранения конфигурации
Имеет место в случае сложных уходящих групп, содержащих нуклеофильные атомы; например, разложение хДорсульфитов в малополярных растворителях
Алкилхлор- Асимметричная Продукт с сульфит ионная пара исходной конфигурацией
Р н с. 20. Сравнение стереохимических закономерностей повеления карбониевых ионов и карбанионов (см. продолжения на стр. 190 и 191).
6’^1. Имеет место в случае сложных уходящих групп, содержащих электрофильные атомы; например, анионное расщепление алкоголятов в малополярных растворителях
Сольватированный алкоголят металла
Асимметричная ионная пара
Продукт с исходной конфигурацией
Механизм рацемизации
£^1. Имеет место в сильнополярных растворителях с относительно низкой нуклеофильностью; в таких растворителях время жизни карбониевого иона достаточно велико, чтобы произошло взаимодействие с нуклеофильным агентом из внешней среды
SOH г /	% (например,
НСООН)
Алкилгалоге-ниды, тозила-ты и т.д.
••OS I Н
Симметрично сольватированный карбониевый ион
^с—os so—с**
/	X
Рацемический продукт
Имеет место в апротонных растворителях с высокой диэлектрической проницаемостью; в таких растворителях время жизни карбаниона достаточно велико, чтобы произошло взаимодействие с электрофильным агентом из внешней среды
^С-С- (СНз)250> (CH3)2S--C-—s(ch3)2
Z ’Х-' I	I I I
О О
Анион	Симметрично
алкоголята	сольватированный
карбанион
НВ
^с—н
/
Рацемический продукт
Механизм обращения конфигурации
SN1. Имеет место в сильнополярных растворителях с большой нуклеофильностью; в таких растворителях неустойчивый карбониевый ион реагирует с нуклеофильным агентом из внешней среды
ч
••••С ••••X"
н
п> soH
V. X	*
/
Алкилгало-гениды, тозила ты и т.д.
Асимметричная ионная пара
----* SO-C^ \
Продукт с обращенной конфигурацией
Литература
191
Имеет место в сильнополярных растворителях с большой электрофильностью; в таких растворителях неустойчивый карбанион реагирует с электрофильным агентом из внешней среды
ОХ
*с* (L _нв_>
/kJ ।
Анион алкоголята
V
I
Асимметрично сольватированный карбанион
Н-С^ \
Продукт с обращенной конфигурацией
Вращение внутри ионной пары
Примеры из химии карбониевых ионов
НС6Н4С1-л ч . х ?.....°~с\
С6Н5 C6H4NO2-n
Вращение карбоксил а г-аниона внутри пары происходит быстрее, чем сольволиз ионной пары в смеси ацетон — вода (9 : 1) [36в]
Н С6Н4С1-л
С....С1
С«н9
Вращение карбониевого иона внутри пары происходит быстрее, чем реакция изотопного обмена с радиоактивным хлором или ацетолиз [36а)
Примеры из химии карбанионов
н
Вращение иона аммония внутри пары в случае системы 2-(М,1\т-диметилацс-тамидо)-9-метил-флуорена в трет-бу-тиловом спирте происходит быстрее, чем ее диссоциация [37] (см. гл. III).
\/_ +
C--"D-N(C3H7)3
Вращение карбаниона внутри пары в случае системы 2-фенилбутиронит-рила в /п^стп-бутиловом спирте происходит быстрее, чем обмен дейтерий-водород [31] (см. гл. III).
Рис. 20 (Продолжение).
ЛИТЕРАТУРА
1.	Bergstrom F. W., Fernelius W. С., Chem. Rev., 20, 450 (1937)•
2.	Cram D. J., Langemann A., A 11 i n g e г J.,KopeckyK,R.-J. Am. Chem. Soc., 81, 5740 (1959).
3.	Cram D. J., Kopeck у К. R., Hauck F., Langemann A., J. Am. Chem. Soc., 81, 5754 (1959).
4.	С r a m D. J., R i c k b о r n B., J. Am. Chem. Soc., 83, 2178 (1961).
5.	Cram D. J.,G a s t о n L. K.. J a g e r H., J.Am. Chem. Soc., 83,2183 (1961).
6.	С	r	a	m	D.	J.,	H a b	e r	f i e 1 d	P.,	J. Am. Chem. Soc., 83, 2354 (1961).
7.	С	r	a	m	D.	J.,	H a b	e r	f i e 1 d	P.,	J. Am. Chem. Soc., 83, 2364 (1961).
8.	С	r	a	m	D.	J.,	A 1 1	i n	g e r J., J.	Am. Chem. Soc., 76, 4516 (1954).
9.	С	r	a	m	D.	J.,	A 1 1	i n	g e r J.,	La	ngemann A., Chem. and Ind.
(London), 1955, 919.
10.	Ста m D. J.. H а и c k F., К о p e с k у К. R., N i e 1 s e n W. D J. Am. Chem. Soc., 81, 57G7 (1959).
11.	Cram D. J., Mateos J. L., Hauck F., Langemann A., Kopecky K. R., Nielsen W. D., Allinger J., J. Am. Chem. Soc., 81, 5774 (1959).
192
Гл, IV. Стереохимия карбанионов
12vCram D. J., Langemann А., II а и с к F.. J. Am. Chem. Soc., 81, 5750 (1959).
13.	a) S с h 1 a f е г II. L., S с h a f f е г n i с h t W., Angew. Chem., 72, 618 1960); 6) Parker A. J., Quart. Bev. (L ondon), 16, 163 (1962).
14.	a)	S	t r e i t w i e s e г	А.,	В г a и m a n J. I., Hammons J. H.,
Pudjaatmaka	A.	H., J. Am. Chem. Soc., 87,	384 (1965);
6)	Steiner E.C., Gilbert J. M., J. Am. Chem. Soc., 87, 382 (1965).
15.	a)	С	r a m D. J., N i e 1 s e	n W. D., J. Am. Chem. Soc., 83,	2174 (1961);
6)	G a s s m a n P.	G.,	Z a 1 a r F. V., Tetrahedron	Letters, 44,
3251 (1964); в) С r a m D. L, Fi escher H. P., неопубл, данные.
16.	С r a m D. J., Langemann A., Lwowski W., Kopec-k у K. R., J. Am. Chem. Soc., 81, 5760 (1959).
17.	E 1 i e 1 E. L., W i 1 к e n P. H., Lang F. T., W i 1 e n S. H., J. Am. Chem. Soc., 80, 3303 (1958).
18.	a) Seibert W., Chem. Ber.., 80, 494 (1947); 6) S e i b e r t W., Chem. Ber., 81, 266 (1948); в) S у m a n t H. H., Harnsberger H. F., Butler T. J., В a r i e W. P., J. Am. Chem. Soc., 74, 2724 (1952).
19.	M c F a d у e n J. S., S t e v e n s T. S., J. Chem. Soc., 1936, 584.
20.	E sea les R., Ber., 18, 893 (1885).
21.	К a 1 b L., G г о s s O., Ber., 59, 727 (1926).
22.	N i с к о n A., S i n z A., J. Am. Chem. Soc., 82, 753 (1960).
23.	Cram D. J., В r a d s h a w J. S., J. Am. Chem. Soc., 85, 1108 (1963).
24.	a) H и n i g S., M и 1 1 e r H. R., T h i e r W., Tetrahedron Letters, 1961, 353; б) С о г e у E. J.,Mock W. L., P a s t о D. J., Tetrahedron Letters, 1961, 347; в) Aylward F., Savistova M., Chem. and Ind. (London), 1961, 404, 433; r) van Tamelen E. E. et al. J. Am. Chem. Soc., 83, 3725 (1961).
25.	a) Kenner J., К n i g h t E. C., Ber., 69, 341 (1936); 6) Capri-n о L. A., J. Am. Chem. Soc., 79, 4427 (1957); в) C a r t e r P., S t e-vens T. S., J. Chem. Soc., 1961, 1743.
26.	Cram D. J., К i n g s b и г у C. A., L a n g e m a n n A., J. Am. Chem. Soc., 81, 5785 (1959).
27.	С r a m D. J., J. Am. Chem. Soc., 74, 2150 (1952).
28.	a) Zeiss H. H., J. Am. Chem. Soc., 75, 2391, 3154 (1953); 6) Davies А., К e n у о n J., S a 1 о m e L., J. Chem. Soc., 1957, 3148.
29.	В i r c h A. J., Quart. Rev. (London), 4, 69 (1950).
30.	Cram D. J., Kingsbury C. A., Rickborn B., J. Am. Chem. Soc., 83, 3688 (1961).
31.	Cram D. J., Gosser L., J. Am. Chem. Soc.. 86, 5457 (1964).
32.	Hughes E. D., Ingold С. K., J. Chem. Soc., 1935, 244.
33.	a) G r a m D. J., J. Am. Chem. Sot., 75, 332 (1953) и цитируемые в этой работе ссылки; б) В о о z е г С. Е., Lewis Е. S., J. Am. Chem. Soc., 75, 3154 (1953).
34.	a) Kenyon J., Р h i 1 1 i р s H., Pittman V. P., J. Chem. Soc., 1935, 1072; 6) Z e i s s H. H., J. Am. Chem. Soc., 75, 3154 (1953); в) Streit wieser А., в книге «Solvolytic Displacement Reactions», McGraw-Hill, New York, 1962, p. 59.
35.	a)	A r c u s C. L., В a 1	f e	M. P., К e n у о n J., J. Chem.	Soc.. 1938,
485; б) В a 1 f e M. P.,	E v a n s А. А., К e n у о n J,N and i K. N.,
J. Chem. Soc., 1946, 803.
36.	a)	W i n s t e i n S., G a	1 1	J. S., H о j о M., S m i t h S., J.	Am. Chem.
Soc., 82, 1010 (19601;	6)	Illiceto A., Fava A., M	uzzuca-
t о U., Rossetto U., J. Am Chem. Soc., 83, 2729 (1961); d) Goering H. L., В г о d у R. G., L e v у J. F., J. Am. Chem. Soc., 85, 3059 (1963).
37	Cram D. J., G о s s e r L., J. Am. Chem. Soc., 86, 2950 (1964).
ГЛАВА V
Изомеризация ненасыщенных систем (перенос протона)
В химии ненасыщенных соединений наблюдается значительное сходство между перегруппировками карбониевых ионов, свободных углеродных радикалов и карбанионов. Это сходство проистекает из способности винильных, этинильных и арильных групп участвовать в делокализации положительного или отрицательного заряда или неспаренного электрона на соседнем с ними атоме углерода. В отличие от большинства катионных и свободнорадикальных перегруппировок ненасыщенных систем, соответствующие анионные перегруппировки в большинстве случаев сводятся к простейшему перемещению двойной связи и атома водорода, не затрагивающему скелета молекулы. В настоящей главе будут рассмотрены перегруппировки, катализируемые основаниями и протекающие с промежуточным образованием карбанионов. Остальные перегруппировки анионов обсуждаются в гл. VI.
Рассматриваемые в настоящей главе перегруппировки могут быть схематически представлены уравнениями (1), (2) и (3). Все три типа перегруппировок катализируются основаниями и протекают с образованием амбидентных или полидентных анионов в качестве промежуточных продуктов. Проводимый здесь анализ должен ответить на следующие важные вопросы: 1. В каких условиях эти перегруппировки протекают как внутримолекулярные и в какой степени? 2. Существует ли цис-транс-изомерия аллильных анионов? 3. Как алкильные заместители влияют на скорость аллильной перегруппировки простых алкенов? 4. Каково влияние заместителей на равновесие между двумя изомерными олефинами? 5. От каких особенностей строения и ближайшего окружения зависит соотношение путей распада (collapse ratio) амбидентных или
М I I I	III	III
(1) — С=с—С—	4. :В	—С—С—С—	+ НВ ^ZZZ:	— С—С=С~	+ :В
Н	’	Н
13—539
194
Гл. V. Изомеризация ненасыщенных систем
полидентных анионов? Ответы на эти вопросы интересны не только сами по себе, но еще и потому, что они проливают свет на взаимодействие амбидентных или полидентных ионов не только с донорами протонов, но и с другими электрофильными агентами.
ВНУТРИМОЛЕКУЛЯРНЫЕ АЛЛИЛЬНЫЕ ПЕРЕГРУППИРОВКИ
На основании низких или отрицательных значений величины изотопного эффекта при катализируемом основаниями обмене водород — дейтерий в карбоновых кислотах [1а], на основании соотношения между скоростью и равновесием диссоциации карбоновых кислот [16] (см. гл. I), а также исходя из результатов стереохимических исследований [2] было высказано предположение, что при определенных условиях в системе, описываемой уравнением (4), будет иметь место соотношение к-{ > к2. Из этого предположения следует, что в случае образования аллильного карбаниона протонирование последнего с противоположного конца исходной аллильной системы может происходить быстрее, чем изотопный обмен. Действительно, изомеризация 3-фенилбуте-на 1 (I) в олефин (II) под действием mpem-бутилата калия в трет-бутиловом спирте-d протекает на 54% как внутримолекулярная перегруппировка [3]. В последнее время стал известен ряд примеров катализируемого основаниями внутримолекулярного переноса водорода [4].
I	|	|	|
(4)	—С- Н + :В^± —С-...НВ—> —C-...DB —> — С —D-|-:B
I	fe-l I	DB |	|
Углеводород I представляет собой удобную модель для изучения катализируемой основаниями аллильной миграции протона. Эта миграция происходит в сравнительно мягких условиях, что позволяет использовать для ее изучения различные растворители и основания. Равновесие между сопряженными (II и III) и несопряженными (I) компонентами аллильной системы сильно смещено в сторону сопряженных продуктов. Образующиеся продукты в условиях перегруппировки не способны к обмену водород — дейтерий. Поскольку исходный углеводород содержит асимметрический атом, то можно одновременно следить и за ходом перегруп
Внутримолекулярные аллильные перегруппировки
195
пировки и за стереохимией простого обмена. Наконец, термодинамически более устойчивый изомер II значительно преобладает в смеси продуктов.
с6н5
|	:В С6ньх	zH	С6ньх	уСН3
СН3—СН — СН = СН2-^	>С = С< + >С = С<
СН/	\СН3 СН/	хн
I	II	III
В табл. 51 показано, как соотношение между продуктами, образующимися в результате межмолекулярного и внутримолекулярного протонирования, зависит от природы растворителя и основания и от положения изотопной метки (в субстрате или в растворителе). В случае изомеризации углеводорода I в углеводород II в зависимости от названных факторов это соотношение может изменяться примерно в 20 раз [5]. Внутримолекулярный перенос протона в наиболее заметной степени происходит в недиссоциирующих растворителях в присутствии алкоголятов щелочных металлов. При замене иона калия на четвертичный ион аммония внутримолекулярный перенос протона происходит несколько мед-
Таблица 51
Внутримолекулярное протонирование при катализируемой основаниями изомеризации З-фенилбутена-1 (I)
в /цис-2-фенилбутен-2 (II)
Субстрат	Растворитель	Основание	Число атомов D в молекуле II	Внутримолекулярное протониро-вание
				Межмолекулярное протонирование
1-Л	(CH3OCH2)2 ~F wpe?zi-C4HgOD a	mpem-C4H9OK	0,506	1,0
I-d	(СН3ОСН2)2 + пгре/п-С4Н9ОН a	mpe/n-C4H9OK	0,17	0,2
1-Д	mpem-C4H9OD	?npe,n-C4H9OK	0,49	1,0
l-d	mpem-C4H9OH	mpe,n-C4H9OK	0,23	0,3
l-h	mpem-C4H9OD	(CH3)4NOD	0,55	0,8
l-d	mpem-C4H9OH	(CH3)4NOH	0,06	0,06
l-h	(CH2OD)2	doch2ch2ok	0,69в	0,45
l-d	(CH2OH)2	HOCH2CH2OK	0,12	0,14
l-d	91% (CH3)2SO + 9% CH3OH	CH3OK	0,32	0,47
а Концентрация спирта в смеси равна 5 люль/л.
6 тпранс-2-Фенилбутен-2 содержал 0,51 атома 1). в транс-2-Фенилбутен-2 содержал 0,67 атома D.
13*
196
Гл. V. Изомеризация ненасыщенных систем,
леннее. Разница между результатами, полученными при проведении изомеризации в смеси диметилового эфира этиленгликоля с mpem-бутиловым спиртом и в чистом mpem-бутиловом спирте, не очень велика. В этиленгликоле, сильно диссоциирующем растворителе, внутримолекулярное протонирование происходит в меньшей степени, но это уменьшение незначительно. Смесь диметилсульфоксида с метанолом дает наибольший выход продуктов внутримолекулярного переноса водорода, наблюдаемый при работе с дейтерированным субстратом. В двух системах (диметиловый эфир этиленгликоля — mpem-бутиловый спирт — rnpem-бутилат калия и этиленгликоль-О-с?2 — одно замещенный гликолят-0-d калия) соотношение продуктов межмолекулярного и внутримолекулярного протонирования определяли для обоих геометрических изомеров 2-фенилбутена-2; установлено, что внутримолекулярное протонирование транс-изомера (III) происходит практически в той же степени, что и внутримолекулярное протонирование 1{ис-изо-мера (II). При анализе данных табл. 51 бросается в глаза, что соотношение продуктов внутримолекулярного и межмолекулярного протонирования зависит в первую очередь от исходного положения дейтерия. В средах, содержащих дейтерий, это соотношение в 3—10 раз больше, чем в тех случаях, когда дейтерий находится в молекуле субстрата (см. табл. 51).
Эти факты не могут быть объяснены ни одним из двух общих механизмов. Согласно первому механизму, каждый из двух полюсов аллильного аниона связан водородной связью с одной гидроксильной группой, причем у «бензильного полюса» находится уходящая группа, а у «метиленового полюса» — молекула спирта из внешней среды (см. приведенную ниже формулу А). При таком механизме должно происходить только межмолекулярное протонирование аллильного аниона. Согласно второму механизму, ухо-дящая^группа связывается водородной связью с обоими полюсами аллильного карбаниона с одной стороны плоскости, проходящей через три атома этого мезомерного аниона, а молекула раствори-теля^таким же образом; связывается с ними с другой стороны этой плоскости (см. формулу Б). Этот механизм предсказывает, что содержание дейтерия в конечном продукте не будет зависеть от того, находится ли метка в растворителе или в субстрате.
Н I
HOR ’ DOR А
Внутримолекулярные аллильные перегруппировки
197
Наиболее правдоподобным представляется механизм, согласно которому уходящая группа связывается водородной связью с обоими полюсами аллильного карбаниона одновременно. С точки зрения геометрии, для реализации такой связи необходимо, чтобы гибридизация анионных полюсов была промежуточной между sp2 и sp3, а валентный угол С — С — Св мезомерном карбанионе составлял несколько меньше 120 Л Образующийся дискретный промежуточный продукт может либо сразу превращаться в продукт перегруппировки, либо обменивать уходящую группу на молекулу спирта из внешней среды (за счет разрыва старых и образования новых водородных связей). В первом случае прямой распад промежуточного продукта приводит к продукту внутримолекулярного протонирования. Во втором случае в промежуточный продукт попадает изотоп водорода, отличный от того, который находился в уходящей группе. Распад получающегося при этом «вторичного» промежуточного продукта с новой изотопной меткой (который так же, как и первый, представляет собой аллильный карбанион, связанный двумя водородными связями с гидроксилсодержащей молекулой) приводит к продукту межмолекулярного протонирования. Наличие или отсутствие окруженного лигандами катиона металла, по-видимому, не имеет большого значения для реализации внутримолекулярного механизма.
Еще большую сложность с точки зрения механизма изомеризации представляет согласование стереохимии реакции обмена водород — дейтерий в соединении I с результатами перегруппировки. Хотя скорость первого из этих процессов примерно в 20 раз меньше скорости изомеризации, удалось определить соотношение между скоростью изотопного обмена (константа скорости Лобм) и скоростью рацемизации З-фенилбутена-1 (константа скорости &рац) В двух системах растворитель — основание. В системе трет-бутилат калия — трет-бутиловый спирт величина &Обм/^рац > Ю, и поэтому изотопный обмен характеризуется высокой степенью сохранения конфигурации. В системе этиленгликоль — этилен-гликолят калия АОбм/^рац — 0,7, и обмен протекает с обращением конфигурации (см. гл. II). Таким образом, наблюдается та же зависимость стереохимии обмена водород — дейтерий от природы растворителя, что и в случае 2-фенилбутана или 1-фенилметокси-этана [6].
Пространственные закономерности обмена водород — дейтерий и закономерности карбанионной аллильной перегруппировки могут быть связаны в одно целое с помощью механизма, представленного на рис. 21. Согласно этой схеме, основание в виде ионной пары (в растворителях, не способствующих диссоциации) или свободного аниона (в растворителях, облегчающих диссоциацию) отрывает протон от бензильного атома углерода, в результате
198
Гл. V. Изомеризация ненасыщенных систем
чего в одну стадию образуется карбанион, связанный водородными связями с одной и той же гидроксильной группой как со стороны «бензильного», так и со стороны «метиленового» полюса карбаниона. Если основанием является ионная пара и, следовательно, в разрыве С — Н-связи принимает участие и катион металла
R
СНз
Н^С—СН=СН2 + RO сбн5
(-)-ЬЛ
СН3 D^C-CH=CH2 + RO сбн5
(-)-I-d
О
Снз..Н Н _ СН3 ,СН9-Н
I •*	•• 1 -RO. \	•
^С.. - ,.СХ ---► /С=с\
СбН^-с^ н С6Н5 Н
н	П-Л
+ROD
-ROH
l+ROD. -ROH
Сохранение кон- Обращение кон
фигурации
фигурации ----1 —RO I
сн3 ZCH2—D с^н5 \
п-</
НзсЧ
D--C—СН=СН2
НдСб^
(+)-!-</
Рис. 21. Механизм катализируемых основаниями реакций обмена водород — дейтерий и аллильной изомеризации.
(как при проведении реакции в тпр^тп-бутиловом спирте), то обмен водород — дейтерий происходит с фронтальной стороны карбаниона; при распаде промежуточного продукта на исходные вещества получается олефин с сохраненной конфигурацией. Процесс обмена состоит во вращении катиона металла вместе со связанными с ним лигандами внутри ионной пары и в распаде промежуточного продукта на исходные компоненты. В среде с низкой диэлектрической проницаемостью оба эти акта происходят быстрее, чем диссоциация ионной пары. В растворителе, способствующем диссоциации (например, в этиленгликоле), асимметрично сольватиро
Внутримолекулярные аллильные перегруппировки
199
ванный анион вступает в обмен с растворителем и превращается в сольватированный комплекс, содержащий другой изотоп водорода и имеющий конфигурацию, обратную исходной. Распад последнего на исходные компоненты дает продукт изотопного обмена с обращенной конфигурацией.
Степень внутримолекулярного протонирования не зависит, по-видимому, от таких факторов, как кислотность растворителя, концентрация протонодорных агентов (наблюдаемые здесь изменения очень незначительны), способность растворителя облегчать диссоциацию или природа основания. Такие моменты, как существование аллильного аниона в виде ионной пары или в диссоциированном состоянии, а также координация катиона ионной пары с молекулами растворителя играют второстепенную роль даже по сравнению с изотопными эффектами. Эти результаты резко отличаются от тех, которые были получены при изучении стереохимии катализируемого основаниями обмена дейтерий — водород при асимметрическом углеродном атоме. Пространственная направленность реакции изотопного обмена мало зависела от положения изотопной метки (в субстрате или в системе растворитель — основание), но сильно зависела от других факторов. В отличие от стереохимии обмена водород — дейтерий внутримолекулярный перенос протона в большой степени зависит от водородной связи.
Шризхейм и сотрудники [4а] обнаружили, что дейтерированный пентен-1 изомеризуется в дейтерированный пентен-2 при 55° в диметилсульфоксиде, содержащем mpem-бутилат калия (0,43 моль/л) и mpem-бутиловый спирт (0,43 моль 1л). Скорость изомеризации была примерно в 16 раз больше скорости изотопного обмена. Степень внутримолекулярного протонирования, наблюдаемая при этой перегруппировке, больше, чем в случае З-фенилбутена-1 (I), что может быть объяснено как иным соотношением значений рКа для углеводорода и для среды, так и иной концентрацией донора протонов. По шкале МСЭД (см. табл. 14, гл. I) компонентам реакции соответствуют следующие величины рКа: диметилсульфоксид ~ 36, пентен-1~38, гпр^тп-бутиловый спирт (в диметилсульфоксиде, содержащем спирт и соответствующий алкоголят в концентрации 0,4 моль!л) — 25. В диметилсульфоксиде активной формой основания служит, по-видимому, свободный анион алкоголята. Отрыв дейтерия от дейтерированного пентена-1 приводит к образованию карбаниона, связанного водородной связью с ттгр^тп-бутиловым спиртом-d, поскольку последний является гораздо более кислым, чем диметилсульфоксид. Протонирование карбаниона молекулой спирта происходит, по-видимому, чрезвычайно быстро (АрЛд для пары пентен-1 — mpem-бутиловый спирт составляет ~ 13), а концентрация немеченного тпр^тп-бутилового спирта в среде не настолько велика, чтобы последний принимал заметное участие в межмо-
200
Гл. V. Изомеризация ненасыщенных систем
лекулярном протонировании. Реакция между анионом пентена-1 и диметилсульфоксидом должна протекать значительно медленнее, чем реакция между этим анионом и спиртом, поскольку для пары пентен-1 — диметилсульфоксид ДрАГа составляет ~ 2.
D2C=CD—CD2—C2D5 “I- RO ->-
OR
—cd3cd=cdc2d5
Величина pKa З-фенилбутена-1 должна быть равна приблизительно 34, а значения рКа спиртов, указанных в табл. 51, составляют 16—19. Хотя величина АрКа для пары углеводород — протонодонорный агент достаточно велика, чтобы протонирование происходило быстро, концентрация протонодонорного агента в подобном случае очень высока. Вследствие этого будет наблюдаться конкуренция между внутримолекулярным и межмолекулярным протонированием. Уменьшение концентрации метанола в диметилсульфоксиде (см. последнюю графу в табл. 51) должно, по всей вероятности, увеличить степень внутримолекулярного протонирования.
В системах, где имеется много центров водородной связи, степень внутримолекулярного протонирования зависит, по-видимому, от устойчивости ионных пар. Дёринг и Гаспар [46] установили, что в системе диметилсульфоксид — триэтилкарбинол — три-этилкарбинолят калия изотопный обмен и изомеризация 1,1-дидейтероциклогептатриена протекают лишь с незначительным внутримолекулярным протонированием. Однако в системе триэтилкарбинол — триэтилкарбинолят калия внутримолекулярная изомеризация происходила в 12 раз быстрее, чем межмолекулярная [46]. В отличие от простых аллильных систем циклогептатриено-вый анион имеет семь центров водородной связи, а молекула спирта может вступать в водородную связь лишь с двумя (максимум с тремя) такими центрами одновременно. В недиссоциирующем растворителе — триэтилкарбиноле — ион калия в ионной паре может находиться в поле не более чем двух соседних центров делокализации заряда. В соответствующем промежуточном продукте протонирование должно происходить только при этих центрах, потому что если бы протонирование происходило при каком-либо удаленном центре, то это означало бы разделение зарядов в растворителе с низкой диэлектрической проницаемостью. Таким образом, в указанных условиях будет наблюдаться внутримоле-
Внутримолекулярные аллильные перегруппировки
201
кулярное протонирование. В диметилсульфоксиде (растворитель с высокой диэлектрической проницаемостью) промежуточным продуктом является, по-видимому, свободный карбанион. В нем все семь центров водородной связи становятся эквивалентными, и поэтому преобладающим процессом будет межмолекулярное протонирование. Хаотический характер распределения дейтерия в продукте, получаемом в триэтилкарбиноле, свидетельствует о том, что ион калия и связанный с ним дейтеросодержащий лиганд перемещаются вдоль цикла быстрее, чем происходит протонирование карбаниона.
Одна или несколько ионных пар
Внутримолекулярное протонирование
Продукт (один или несколько) и ионная пара
Межмолекулярное протонирование
Н
Ионная пара, разделенная продуктом реакции (одна или несколько)
Один или несколько
анионов
Межмолекулярное протонирование
Анион и один или несколько продуктов
Миронов, Соболев и Елизарова [4д] обнаружили, что 5-дей-тероциклопентадиен при нагревании до 60° превращается в смесь исходного продукта с 1- и 2-дейтероциклопентадиенами в соотношении 1 1 : 1, и при этом не образуется сколько-нибудь заметных количеств недейтерированного или дидейтерированного циклопентадиена. Этот результат говорит о наличии внутримолекулярного равновесного процесса, при котором протон или его изотоп беспорядочно перемещается вдоль системы л-связей циклопента-
202
Гл. V. Изомеризация ненасыщенных систем
диенового аниона; межмолекулярный перенос протона при этом незначителен.
5-Дейтеро-циклопента-диен
1-Дейтероциклопента-диен
2-Дейтеро-циклопента-диен
Аналогичное наблюдение сделал Рот [4е ], проводивший опыты с дейтерированными циклопентадиеном и инденом как в жидкой, так и в паровой фазе. На основании этих опытов Рот заключил, что изомеризация обоих углеводородов протекает внутримолекулярно. МакЛин и Хайнс [4ж] установили, что 5-метилциклопен-тадиен'претерпевает подобную перегруппировку при комнатной температуре в среде четыреххлористого углерода или в индивидуальном гомогенном состоянии. При проведении этой перегруппировки в диметиловом эфире этиленгликоля, содержащем окись дейтерия, в продуктах изомеризации не было обнаружено дейтерия. Скорость изомеризации чрезвычайно резко возрастала при добавлении оснований.
5-Метилцикло-	1-Метилцикло- 2-Метилцикло-
пентадиен
пентадиен пентадиен
Бергсон и Уэйдлер [4в] установили, что оптически активный 1-метилинден под действием триэтиламина в пиридине перегруппировывается в 3-метилинден, причем скорость изомеризации и скорость рацемизации одинаковы. При проведении реакции
(c2h5)3n Пиридин, D2O
1-Метилинден
З-Метилинден
Внутримолекулярные аллильные перегруппировки	203
в присутствии окиси дейтерия (на 1 моль исходного углеводорода было взято 5 молей D2O) конечный продукт содержал незначительное количество дейтерия. Этот факт означает, что в указанных условиях реакция протекает путем внутримолекулярного протонирования.
Эти же авторы показали, что в системе триэтилендиамин (основание) — пиридин (растворитель) .оптически активный З-метил-1-третп-бутилинден превращается в 1-метил-З-тпретп-бутил инден с весьма высокой стереоспецифичностью. Сходный результат был получен и при замене тпретп-бутильной группы на изопропильную. С помощью этих изящных опытов было обнаружено явление асимметрической 1,3-индукции и было доказано, что лишь одна сторона системы л-электронов участвует в переносе протона. Промежуточным продуктом при таком переносе, несомненно, является пара анион С — Н-кислоты — третичный ион аммония.
В среде диметилсульфоксида в присутствии третичных аминов, играющих роль основания, оптически активный З-метил-1-изопро-пилинден рацемизуется и изомеризуется с одинаковой скоростью. Этот результат означает, что диссоциация образующейся ионной пары происходит быстрее, чем перенос протона. В системе трет-бутиловый спирт — тпретп-бутилат калия скорость рацемизации была примерно в 10 раз больше скорости изомеризации.
С(СН3)3
n(ch2ch2)3n
Пиридин
3-Метил -1-трет-бутилинден
1 -Метил- 3-трет-
бутилинден
Величина рКа для инденовой системы, по-видимому, равна примерно 20, а для тпретп-бутилового спирта — 19. Вследствие этого протонирование будет происходить медленнее, чем диссоциация. Присоединение протона к аллильному карбаниону происходит, по всей вероятности, с наименее экранированной стороны, и поэтому рацемизация протекает быстрее, чем изомеризация.
Эти примеры катализируемого основаниями внутримолекулярного переноса аллильного протона имеют аналогию с некоторыми ферментативными реакциями. Судя по числу известных случаев, внутримолекулярный перенос аллильного протона в биологических
204
Гл. V. Изомеризация ненасыщенных систем
системах представляет собой довольно общее явление.
СН3—С = СН—СН2—ОР2О6Н
СН3
> СН2=С — СН2 — СН2—ОР2О6Н
р	*	|	4	<5	0
сн3
Включение трития составляет
2% от теоретически возможного
СН3 О	СН3 О
I	II	TjO	|	||
СН2=С—СН2—С — SKoA g	-> СН3—С = СН—С — SKoA
Фермент
Тритий не включается
Наблюдаемая конкуренция между внутримолекулярным и межмолекулярным механизмами аллильного 1,3-переноса протона напоминает подобное явление в химии аллильных карбониевых ионов, когда 1,3-перенос хлора может протекать внутримолекулярно или межмолекулярно [8]. При ацетолизе а, а-димети л аллил хлорида скорость его изомеризации в у, у-диметилаллил хлорид (протекающей по внутримолекулярному механизму) имеет тот же порядок величины, что и скорость сольволиза. Для объяснения этого результата аллильному хлориду была приписана мостиковая структура (см. формулу В), геометрия которой напоминает геометрию рассмотренного выше аллильного аниона, находящегося в комплексе с протонодонорной молекулой (см. формулу Г).
Классическое доказательство существования бимолекулярного механизма прототропии было получено при сравнении скоростей
Внутримолекулярные аллильные перегруппировки
205
элементарных процессов, из которых складывается катализируемая этилат-анионом метиленазометиновая перегруппировка (IVV), в этаноле-O-d или в смеси диоксан — этанол-0-d [91. Равенство трех констант скоростей — начальной константы скорости изомеризации (&Изом), начальной скорости включения дейтерия в систему в целом (&обм) и константы скорости исчезновения оптической активности (/срац) — было истолковано как указание на то, что в ходе перегруппировки не образуется промежуточных продуктов типа карбаниона, а для объяснения переноса протона был предложен «бимолекулярный механизм» [9]. При изомеризации анилов IVa, IV6 и IVb соблюдается соотношение /сизом — = Лрац [10], а при изомеризации анила IVb &изом = &рац = ^обм [10, 11]
R R"	R R"
I	I	С2Н5О	|	|
R'-C-N = C-R"'	R'-C^N-C-R'"
Н	D
IV	V
Система	R	R'	R"	R'"
а	свн5	СН3	с6н5	п-С1С6Н4
б	С6Н5	сн3	С6Н5	с6н5
в	п-С6Н5С6Н4	с6н5	с6н5	II
Бимолекулярный (одностадийный) механизм прототропии:
—С—N=C—  ► —С—N—С—  ► —C=N—С— Н	D—В	В-Н D-В	В—Н	£
Переходное состояние
Однако повторное изучение метиленазометиновой перегруппировки показало, что в действительности она протекает с промежуточным образованием карбанионов и что реакция напоминает рассмотренную выше аллильную анионную перегруппировку [12а]. Для изомеризации (V -> VI) константа равновесия A’vi/v = = 1,2. Перегруппировку соединения V в VI проводили под действием этиленгликолята калия в смеси этиленгликоля-O-d с диоксаном (1 1) при 100°. После того как изомеризация оптически активного соединения V в VI прошла на 8%, возвратившийся
206
Гл. V. Изомеризация ненасыщенных систем
из реакционной смеси исходный продукт практически не содержал ни рацемического вещества, ни продуктов изотопного обмена. Этот результат не противоречит равенству Лизом = Арац = &обм Для системы V -> VI и согласуется с данными, полученными Инголь-дом и сотрудниками [10] в случае систем IVa, IV6 и IVb.
С6Н5 С6Н4С1-п	СбНб С6П4С1-п
II	II
СН3 - *С—N = С — С6Н4С1-п —> СН3—С = N—С — С6Н4С1-п I	I
н	н
V	VI
В тех же условиях была проведена изомеризация соединения VI -> V. После того как эта изомеризация прошла на 10% и было выделено исходное соединение VI, оказалось, что последнее более чем на 95% состоит из продукта изотопного обмена при бензгид-рильном атоме углерода. Ту же изомеризацию проводили в системе тпретп-бутилат калия — тпретп-бутиловый спирт-d при 75°. После того как она прошла на 2,5%, возвратившийся исходный материал (VI) содержал 38% продукта изотопного обмена при бензгидрильном атоме углерода. Из данных последнего опыта было вычислено соотношение ^обм/^изом == 19, где &обм — константа скорости включения дейтерия только в исходный продукт. Данные опыта в среде диоксан — этиленгликоль показывают, что и в этом случае /Собм/^изом > Ю. Если бы изомеризация V VI происходила целиком по межмолекулярному механизму, то полученные величины равнялись бы соотношению констант скоростей превращения промежуточного карбаниона соответственно в VI или V (ка1къ]. Если же изомеризация протекает частично путем внутримолекулярного протонирования, то величина этого соотношения путей распада должна увеличиваться.
с6н5 С6Н4С1-Й А*. VI-rf
VI-й	СН3—С—N—С—С6Н4С1-/г	V-d
Поскольку числовое значение этого соотношения путей распада велико, неудивительно, что, несмотря на промежуточное образование карбаниона, в случае изомеризации V -> VI соблюдается равенство Л1130М = &рац = ^обм- Большое сходство рассматриваемой системы с системами, изученными Ингольдом и сотрудниками [10], позволяет утверждать, что в общих случаях перегруппировка протекает с образованием карбаниона. Тогда установленные этими авторами соотношения /Сизом == ^рац И ^изом ~~ ^рац ~~ ^обм означают,
Внутримолекулярные аллильные перегруппировки
207
что соотношение путей распада промежуточного продукта благоприятствует образованию конечного продукта изомеризации (как это имело место при изомеризации V -> VI).
Ценная информация была получена при изучении специально синтезированного анила VII [12а]. При распаде соответствующего карбаниона затрагивается преимущественно асимметрический центр во входящем в азометиленовую систему остатке а-фенилэтил-амина. При температуре 100° константа равновесия A’viii/vii равнялась 14,9. После того как изомеризация оптически активного соединения VII в системе игретп-бутилат калия — игретп-бутиловый спирт-d при 75° прошла на 17%, был проведен анализ возвратившегося исходного материала. Последний состоял на 57% из продукта изотопного обмена и лишь на 3% — из продукта рацемизации. В конечном продукте изомеризации (VIII) доля молекул, содержащих в метиленовом звене один атом дейтерия, составила 62%. Если константу скорости рацемизации исходного продукта обозначить через /Срац (&рац — константа скорости потери оптической активности как за счет рацемизации, так и за счет изомеризации), а константу скорости включения дейтерия только в исходный продукт через /^общ, то /собщ/^рац = 28 и /^общ/7сИзом 4,7. Количество исходного продукта, регенерирующегося при распаде карбаниона (при проведении изомеризации на 17%), не настолько велико, чтобы существенно изменить эту величину.
СНз—с—n=ch—с(сн3)3
н
VII-А трет- С
с6н5
СН3—С—N=CH—С(СН3)3
D	—
с6н5
СН3— С—N—СН—С(СН3)3 V----------*
Азйаллйльный анион
|/npe/n-C4HgOD
с6н5
| О о
сн3—C=N—СН—С(СН3)3
Н (D)
VII -d
VIII-A и VIII-d
Величина отношения Аобм/^изом близка к такому отношению констант скоростей распада промежуточно образующегося карбаниона соответственно на соединения VII или на VIII (А:^/А:ь)? когда образование соединения VII происходит со 100%-ным изотопным обменом. Степень внутримолекулярного протонирования при превращении соединения VII в VIII, вычисленная по степени изотопного обмена в конечном продукте (VIII), составляет минимум 38%. Если принять во внимание тот изотопный обмен, кото
208	Гл. V. Изомеризация ненасыщенных систем
рый соединение VII претерпевает до изомеризации, то степень внутримолекулярного протонирования составит примерно 50%. Внося поправку на этот эффект в отношение констант скоростей распада, получим: (к'а + к'с)1к'ъ « 7 (см. формулировку для определения констант скоростей).
Изучена также изомеризация оптически активного соединения VII-Л в VIII в среде диметилсульфоксида-й6, содержащего мета-нол-0-d (3,1 моль/л) и метилат калия (0,30 моль/л), при температуре 25°
СН3
Vll-Л + :В^=±: С6Н5—С—N—СН— С(СН3)3 + НВ —* VII-d kc	-
kb
“вЕГ VI1I rf
В двух опытах изомеризация была проведена на 14 и 23%. Возвратившийся исходный продукт (VII) содержал соответственно 17 и 29% дейтерированной формы (VII-d) и 18 и 33% рацемического продукта. На основании этих данных были вычислены соответственно отношения к'0бМ/кИ30ы, равные 1,24 и 1,3, а также отношения ^обм/^рац, равные0,91 и 0,84. Когда изомеризация была проведена на 23%, то выделенный продукт VIII на 80% состоял из монодейтеропроизводного, содержащего дейтерий в метиленовой группе. С учетом предшествующего изомеризации изотопного обмена доля продуктов, образующихся путем внутримолекулярного протонирования, составляет примерно 25%, а /Собм/^изом = 1,6. Если эту же изомеризацию (в той же среде при 75°) провести на 25%, то /Собм/^изом = 1,4 и /Собм/^рац = 0,90. При проведении изомеризации (при 75°) на 14% продукт реакции (VIII) содержал 84% монодейтеропроизводного, содержащего дейтерий в метиленовой группе. При более высокой температуре степень внутримолекулярного протонирования заметно снижается. Контрольные опыты, проведенные в условиях двух последних опытов, привели к соединению VIII, не содержащему сколько-нибудь заметного количества продукта с дейтерием в метиленовой группе. Таким образом, пространственная направленность изотопного обмена у соединения VII изменяется при переходе от тпретп-бутилового спирта к системе диметилсульфоксид — метанол; в первом случае наблюдается высокая степень сохранения конфигурации, во втором — рацемизация. При этом отношение констант скоростей распада промежуточного карбаниона увеличивается примерно в 4 раза (в сторону образования соединения VIII).
Во всех растворителях отношение констант скоростей распада карбаниона, образующегося при реакции VII VIII, таково,
Внутримолекулярные аллильные перегруппировки
209
что протонирование последнего происходит преимущественно по бензильному атому углерода. Вследствие этого константа скорости потери оптической активности (/срац), константа скорости изомеризации (/сизом) и константа скорости изотопного обмена в системе в целом (Лобм) заметно отличаются друг от друга по величине. В тпретп-бутиловом спирте (растворитель, не способствующий диссоциации) /собм/^рац = 28; эта величина свидетельствует о том, что изотопный обмен у соединения VII происходит с высокой степенью сохранения конфигурации. В том же растворителе в случае 3-фенилбутена-1 (I) /Собм/^рац > Ю5. Степень внутримолекулярного протонирования при изомеризации VII-> VIII (—50%) близка к той, которая наблюдается при изомеризации З-фенилбутена-1 (I).
Приведенные факты убедительно свидетельствуют об образовании карбанионов в качестве промежуточных продуктов при изомеризации, рацемизации и изотопном обмене, и поэтому представление о бимолекулярном механизме прототропии [10] является необоснованным.
Джекобс и Денкнер [13] обнаружили, что некоторые арилаце-тилены при действии щелочной окиси алюминия изомеризуются в аллены. Эта перегруппировка напоминает перегруппировку аллильных систем с той лишь разницей, что *гри атома углерода, участвующие в переносе протона, расположены линейно, и расстояние между анионными полюсами поэтому больше, чем в аллильной системе. Несмотря на это отличие, изомеризация 1,3,3-трифе-нилпропина (IX) в трифенилаллен (X) под действием алкоголятов калия в О-дейтерированных спиртах протекает примерно с такой
Таблица 52
Степень внутримолекулярного протонирования при катализируемой основаниями перегруппировке 1,3,3-трифенплпропн-на (IX) в трифенилаллен (X) при 30°
Субстрат	Растворитель	Основание	Степень внутримолекулярного протонирования, %
1Х-/г	znpem-CJIgOD	mpezn-C4H9OK	22
IX-cZ	CH3OH	СН3ОК	19
IX-d	(CH3)2SO +	N(CH2CH2)3N	88
	4-mpem-C4H9OH (1,6 моль]л)		
IX-d	(CH3)2SO + CH3OH (3,9 моль}л)	N(CH2CH2)3N	88
IX-rf	(CH3)2SO + CH3OH (3,9 моль/л) а	N(CH2CH2)3N	85
IX-d	(СН3)28О4-СН3ОН (3,9 моль/л) а	(Ch2)4nh	58
а Раствор содержал М(СН2СНг)з^Ш в концентрации 0,14 моль/л.
14-539
210
Гл. V. Изомеризация ненасыщенных систем
же степенью внутримолекулярного протонирования, как и в случае изомеризации З-фенилбутена-1 (см. табл. 52) [14].
На основании рассмотренных в гл. II опытов по изомеризации — рацемизации нитрила XI [15] можно было бы предположить, что изомеризация арилацетиленовой системы должна в той или иной степени протекать по «внутримолекулярному» механизму. Эта внутримолекулярная рацемизация в присутствии внешнего донора протонов была интерпретирована как протекающая по механизму направленного связанного перемещения протона («conducted tour mechanism»), который частично заключается в том, что сначала происходит внутримолекулярный перенос протона от углерода к азоту, а затем — обратно от азота к углероду-
Щел. AI2O3
Аг —СН2—С == С —С6Н5-------> Аг —СН = С = СН —С6Н5
Н
I
С2Н5—*С — С = N
с6н5
(C3H7)3N -------->
XI (оптически активная форма)
(C3H7)3N
с2н5
С6Н5 —С—С = N
Н
(C3H7)3N <--------
c2H5
С6Н5—G = G = N4 ХН
XI (рацемат)
Высокая степень внутримолекулярного протонирования при проведении реакции IX -> X в условиях изомеризации — рацемизации XI (а именно в системе трипропиламин — m/jem-бутиловый спирт) является веским доказательством наличия такого механизма направленного связанного переноса протона. На рис. 22 показан механизм, предлагаемый для объяснения изомеризации IX -> -> X.
Все рассмотренные здесь примеры катализируемой основаниями изомеризации происходят с 1,3-миграцией протона. Примером перегруппировки, протекающей с 1,5-переносом протона, может служить катализируемое основаниями превращение хиноидной структуры (XII) в ароматическую структуру (XIII) [14]. Образование бензольной системы из кросс-сопряженного триена является здесь фактором, существенно облегчающим перегруппировку. Эту перегруппировку удобно проводить в системе трипропиламин — триэтилкарбинол при 75°, что позволяет, с точки зрения кинетической кислотности, сравнить ее с изотопным обменом
Внутримолекулярные аллильные перегруппировки
211
В Н
н\
С6Н5</С~С=С-С6Н5 + :В с6н5
IX
В
•D.
С6Н5^
5 'С—С=С-С6Н5
Г* Т-I W N__________'	°	0
СЛ
<-с6н5
L6H5--C=C=C	+ ;В
С6Н5<	С6Н5
Х-</
Продукт межмолекулярного протонирования
С6Н8^ /Н
^С=С=СК + :В
Сб“5 хл СбН5 л-Л
Продукт внутримолекулярного протонирования
Рис. 22. Внутримолекулярный перенос протона при ацетилен-алленовой Перегруппировке.
в нитрофлуорене (XIV), поскольку величина рАа в этом случае равна 18 [15].
ЩСвх /СбН'
Н
D
ПЛк I
:В
п-в'
Н/ХС(СН3)2
СООСН3
XII
Н3С—С—СН3
СООСН3
Х:11-Д
н3с—с—сн3
соосп3
XIIW
В табл. 53 представлены результаты перегруппировки соединения XII под действием ряда оснований в различных дейтерированных растворителях [14]. Общий характер этих резуль-14*
212
Гл. V. Изомеризация ненасыщенных систем
Таблица 53
Степень внутримолекулярного протонирования при катализируемой основаниями перегруппировке трпена (XII) в трпарилметан (XIII), протекающей с 1,5-миграцией протона
Номер опыта	Растворитель	Основание	Температура, °C	Степень внутримолекулярного протонирования, %	^внутримол ^межмол.
1	DOCH2CH2OD	DOCH2CH2OK	55	17	0,20
2	(СН2)4О-Ю% d2o	DONa	25	34	0,51
3	(CD3)2SO —10% CH3OD	CH3OK	25	40	0,67
4	CII3OD	CH3ONa	25	47	0,88
5	mp^/n-C^gOD	mpem-C4H9OK	25	50	1,0
6	(C2H5)3COD	(C3H7)3N	75	98	49
7	(C2H5)3COD a	(C3H7)3N	75	97	32
8	(C2H5)3COD 6	(C3H7)3N	75	98	49
а Раствор содержал	в концентрации 0,1 моль/л.
6 Раствор содержал (СзН7)зВ1Ч1 в концентрации 0,1 моль/л.
татов примерно такой же, как и в случае 1,3-переноса протона при перегруппировке З-фенилбутена-1 (см. табл. 51). При использовании в качестве катализаторов алкоголятов щелочных металлов смена растворителей в последовательности: этиленгликоль — тетрагидрофуран + 10% воды — диметилсульфоксид +10% метанола — метанол — m/jem-бутиловый спирт (см. опыты № 1—5 в табл. 53) не вызывала резкого изменения степени внутримолекулярного протонирования, которая постепенно возрастала с 17 до 50%. Отношение констант скоростей внутримолекулярного и межмолекулярного протонирования (^внутримол/^межмол) при переходе от этиленгликоля (опыт № 1) к m/j^m-бутиловому спирту (опыт № 5) увеличивается в 5 раз. Резкое возрастание степени внутримолекулярного протонирования (98%) происходит в системе трипропиламин — триэтилкарбинол (опыт № 6). При проведении реакции в присутствии йодистого тетрабутиламмония (0,1 моль /л) или йодистого трипропил аммония (0,1 моль/л) отношение констант скоростей внутримолекулярного и межмолекулярного протонирования оказалось одинаковым в обоих случаях с точностью до ошибки опыта (^внутримол/^межмол = 50). Таким образом, при переходе от системы m/jem-бутиловый спирт — т/?ет-бутилат калия к системе триэтилкарбинол — трипропиламин соотношение констант скоростей (^внутримол/^межмол) возрастает примерно в 50 раз. Это
Внутримолекулярные аллильные перегруппировки
213
увеличение степени внутримолекулярного протонирования, несомненно, связано с изменением типа заряда основания, а не с незначительным изменением природы растворителя.
Можно предположить, что внутримолекулярное протонирование при подобной 1,5-перегруппировке происходит либо вследствие двух последовательных 1,3-перегруппировок, либо вследствие менее специфического 1,5-переноса протона молекулой основания. Первый из путей предполагает наличие двух стадий 1,3-
:N(C3h7)3
СбН5^с /	V/H ROD г
С6Н5< \ /ж (c3H7)3NDI
Рис. 23. Механизм внутримолекулярного 1,5-переноса протона, в присутствии трипропилампна в качестве катализатора [Н = С(СН3)2СООСН3].
водородного связывания или ковалентного промежуточного продукта, в котором два атома водорода находились бы в орто-поло-жении к образующемуся бензольному кольцу. Второй вероятный путь может быть прослежен с помощью метода радиоактивной метки.
На рис. 23 дано схематическое объяснение того факта, что перегруппировка XII -> XIII под действием f трипропиламина в триэтилкарбиноле-O-d протекает почти целиком путем внутримолекулярного протонирования (йвнутримол/&межмол ~ 50). В случае прямого 1,5-сдвига или в случае образования ковалентного промежуточного продукта указанные принципы остаются справедливыми. В механизме, представленном на рис. 23, промежуточными продуктами являются две ионные пары с водородными связями. Хотя в карбанионе, бесспорно, имеется несколько центров водородной связи, присоединения иона дейтерия по этим центрам не происходит, поскольку такое присоединение приводило бы к ионной паре, разделенной продуктом реакции в растворителе с низкой диэлектрической проницаемостью. Отрыв протона от трипропиламмониевой группы приводит к образованию двух ней
214
Гл. V. Изомеризация ненасыщенных систем
тральных молекул. Разница в величинах рКа для соединения XII и для иона трипропиламмония составляет примерно 8, а следовательно, протонирование должно происходить быстрее, чем диссоциация ионной пары.
Хотя диэлектрическая проницаемость системы трет-бутпло-вый спирт — mpem-бутилат калия тоже невелика, ион калия в этой системе имеет в качестве лигандов как уходящую группу, так и дейтерированную молекулу растворителя; простое вращение иона калия вместе со связанными с ним лигандами приводит к тому, что дейтерированная гидроксильная группа приобретает положение, благоприятное для взаимодействия с карбанионом. В результате этого степень внутримолекулярного протонирования уменьшается. Еще более низкая степень внутримолекулярного протонирования, наблюдаемая в метаноле или этиленгликоле, объясняется, по-видимому, наличием свободного аниона основания-катализатора, в результате чего молекулы растворителя связываются водородными связями с достаточно удаленными друг от друга центрами, и протонирование начинает конкурировать с присоединением иона дейтерия. Другим фактором, понижающим степень внутримолекулярного протонирования при использовании в качестве оснований ионов алкоголятов или соответствующих ионных пар, является близость значений рКа для исходного вещества и для протонодонорного агента. При небольшом различии в значении рКа время жизни карбаниона, по-видимому, увеличивается, и поэтому молекула растворителя успевает занять место уходящей группы.
Высокая степень внутримолекулярного протонирования, наблюдаемая при перегруппировке соединения XII под действием трипропиламина, является ценным свидетельством в пользу протекания изомеризации нитрофлуорена (XIV) по механизму связанного переноса протона [15]. Показанная на рис. 23 перегруппировка соединения XII происходит с разных сторон бензильного аниона, и это превращение соответствует половине процесса изорацемизации системы XIV (см. гл. III). Если бы в действительности перегруппировка происходила только с одной стороны ароматического ядра, то изомеризация под действием трипропиламина протекала бы строго стереоспецифично и служила бы примером высокоспецифичной асимметрической 1,5-индукции.
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ АЛЛИЛЬНЫХ АНИОНОВ
Известно, что аллильные катионы [16] и аллильные свободные радикалы [17] обладают геометрической устойчивостью. С другой стороны, хотя устойчивость конфигурации аллильных металлоорганических соединений изучалась рядом исследователей [18],
Геометрическая устойчивость аллильных анионов
215
цис — тпранс-изомерии аллильных карбанионов, образующихся при разрыве С — Н-связи, посвящена всего одна работа [19]. В этой работе изучали катализируемые тпретп-бутилатом калия изомеризацию и обмен водород — дейтерий у цис- и транс-а-метилстильбенов (цис-XN и транс-W) и у а-бензилстирола (XVI). Определяли скорости изотопного обмена для каждого олефина, а также скорости превращения любых двух олефинов в равновесную смесь и содержание всех трех олефинов в этой смеси. В результате этих опытов были получены следующие данные. 1. цис- и транс-Олефины (цис-W и транс-W) превращаются друг в друга с промежуточным образованием а-бензилстирола (XVI), но не образуются друг из друга прямым путем в сколько-нибудь заметной степени. 2. В реакциях изомеризации и изотопного обмена промежуточными продуктами являются цис- и транс-аллильные анионы, сохраняющие в ходе процесса свою геометрическую конфигурацию. 3. Распад г^шг-аллильного аниона на цис-W и XVI характеризуется фактором 6,5 (в пользу цис-W), а распад тпранс-аллильного аниона на транс-W и XVI — фактором 8,8 (в пользу транс-W), 4. При 75° равновесная смесь трех олефинов в тpem-бутиловом спирте содержит 19,5% цис-W, 78,5% транс-W и 2% XVI. 5. При кинетически контролируемой изомеризации соединения XVI образуется смесь цис-W и транс-W (1 : 11). 6. Степень внутримолекулярного протонирования при превращении а-бензилстирола в цис-XN равна 55%, а при превращении в транс-W она составляет 36%.
цис-W	цис-Карбанион
сн3\ хсбн5 с=с c6h5Z \1
пгранс - Карбанион
. :В X
нв	с—СН2—С6Н5
С6Н5'/
XVI
СН^
нв	с—сн2—СбН5
C6H5Z
транс- XV
С геометрической стабильностью аллильных анионов тесно связан другой интересный вопрос, касающийся связи между кинетически и термодинамически контролируемыми соотношениями между цис- и тпранс-изомерами при перегруппировке аллильных карбанионов. Имеется достаточно данных, показывающих, что при кинетически контролируемом процессе предпочтительно образуются изомеры с tfizc-расположением двух соседних атомов водо
216
Гл. V. Изомеризация ненасыщенных систем
рода [20]. Ниже приведены соответствующие примеры.
СН3СН2СН = СН2
КОСН2СН = СН2
Na на ai2o3	Преобладающий
гн / \гп изомер [20а] U1J3
трет-СЩэОК ^\ _ /^ Преобладающий пП/ \лп изомер [206, в],
rch2ch=cii2
трет-С4Н9ОК ----------> в (СНз)23О
Н /Н хс=сх
В7 хсн3
Преобладающий изомер [20г, е, ж]
Шризхейм и Роу [20е ] провели детальный кинетический анализ этого эффекта на примере изомеризации алкенов-1 в алкены-2. Отношения концентраций 1{шг-алкенов-2 к концентрациям транс-алкенов-2, полученных при изомеризации алкенов-1 в системе диметилсульфоксид — тпрет-бутилат калия при 55°, были экстраполированы до момента времени t = 0. Полученные соотношения отражают результат кинетического контроля, тогда как экстраполяция до момента t = оо дает соотношения, соответствующие термодинамическому контролю образования продуктов. В табл. 54 сравниваются результаты, полученные при экстраполяции экспериментально найденных соотношений до Z 0 и до t = оо.
Таблица 54
Сравнение соотношений цис- и шранс-алкенов-2, образующихся при катализируемой основаниями изомеризации алкенов-1, соответствующих кинетически (t —> 0) и термодинамически (t -> оо) контролируемым процессам [20е]
Исходный олефин	{цис / транс)	{цис / транс) 1-+°°	{цис/транс)q
			{цис/транс)
СН2 = СН —СН2СН3		0,25	190
СН2 = СИ — СН2СН2СН3	10,8	0,23	47
СН2 = СН —СН2СН (СН3)2	3,2	0,23	14
СН2 = СН —СН2 —С (СН3)3	0,25	<0,001	>250
Во всех случаях кинетически контролируемый процесс способствует образованию термодинамически неустойчивого изомера. Однако это обобщение не распространяется на изомеризацию сс-бензилстирола в цис- и транс-метилстильбены [19] или на
Геометрическая устойчивость аллильных анионов
217
изомеризацию 1Ч,М-диметилаллиламина в N, N-диметил пропени л-амин [20д].
Уайтинг и сотрудники [20ж] обнаружили, что в системе этилон-диамин — 2-аминоэтиламид лития при 25° транс-октен-3 первоначально изомеризуется с образованием практически одного лишь ^ис-октена-2. В тех же условиях ^ш?-октен-3 первоначально превращается почти исключительно в т/?анс-октен-4.
Н\ СН2 —С3Н7 LiNHCH2CH2NH2 r_r/_____________________________>
г rr / \п	в NH2(CH2)2NH2
тпранс-Октен-З
Н\	/Н
С = С
С2Щ	ХСН2 —С3Н7
с3н7х
^С —Н
СН2—Cz
с2щ Хн
Чис-Октен-4
Н
С—С3Н7
linhch2ch2nh2 в NH2(CH2)2NH2
транс-0 кт ен-4
ifuc-Октен-З
Для объяснения предпочтительного образования термодинамически неустойчивых изомеров в случае кинетически контролируемого процесса Прайс и Снайдер [20д ] предположили, что здесь определяющим фактором является конформация основного состояния. По их мнению, исходный олефин вступает в реакцию преимущественно в той конформации, у которой p-углеродный атом и связанные с ним атомы водорода занимают цисоидное положение по отношению к двойной связи (при такой ориентации л-электроны двойной связи взаимодействуют с двумя атомами водорода при 0-углеродном атоме). Например, предпочтительная конформация бутена-1 в основном состоянии будет иметь следующий вид:
Другое возможное объяснение сводится к оценке равновесия между эффектом заслонения (eclipsing effect) и пространственным торможением сольватации в переходном состоянии, соответствующем отрыву протона. Эти два стерических эффекта действуют в противоположном направлении. Обычно чем больше внутренняя компрессия молекулы за счет взаимного заслонения не при
218
Гл. V. Изомеризация ненасыщенных систем
нимающих участия в реакции частей, тем легче ее активный центр взаимодействует с атакующими реагентами или сольватируется молекулами полярного растворителя. Если же внутренняя компрессия молекулы невелика, а не принимающие участия в реакции фрагменты рассредоточены в пространстве, то активный центр молекулы менее доступен для атакующих реагентов и для сольватации. В случае перегруппировок, приводящих к ^izc-олефинам, сольватация карбаниона и иона металла в переходном состоянии может иметь больший стерический эффект, чем несвязные взаимодействия между углеводородными частями молекулы.
ВЛИЯНИЕ ПРИРОДЫ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ НА СКОРОСТЬ АЛЛИЛЬНОЙ ПЕРЕГРУППИРОВКИ АЛКЕНОВ
Шризхейм и сотрудники [21 ] измеряли скорость изомеризации ряда алкенов-1 под действием mpem-бутилата калия в диметилсульфоксиде при 55° (изомеризацию проводили на 30—50%). Хотя образующиеся на ранней стадии продукты часто способны к дальнейшим превращениям, в избранных авторами условиях скорости этих вторичных процессов были настолько малы, что не мешали следить за ходом первоначальной аллильной перегруппировки. Олефины с глубинным расположением и с большей степенью замещения двойной связи оказались более устойчивыми, чем исходные алкены-1 (исключение составляют олефины с большой стерической компрессией). Относительные скорости изомеризации приведены в табл. 55. При сравнении скоростей вносили поправку, учитывающую число атомов водорода, находящихся при а-углеродном атоме и способных уходить в виде протона.
В пределах ошибки опыта кинетические данные, полученные для четырех групп алкенов-1, согласуются с уравнением (1). Расположение алкильных замесителей в ряду не связано с положением алкильного заместителя в аллильной системе.
/	\	/	к^	\	/	к*	\
(1) = = = \ 7	I	О	тСНз	I	I	°	г.СНз	I	I	°	г.СНз	I
\	К1	/	\	лп	/	\	ЧП	/
= /lg2AY.\=fig fcR g j fccH3 ;средн
Дивинилметан и аллилбензол изомеризуются примерно в 106 раз быстрее, чем бутен-1, а метильная группа увеличивает кислотность атомов водорода при а-углеродном атоме примерно в 60— 100 раз. По своей способности ускорять изомеризацию заместители могут быть расположены в следующий ряд (разница в ско-
Влияние природы углеводородных заместителей
219
Таблица 55
Влияние природы углеводородных заместителей на относительные скорости изомеризации алкенов-1 в системе диметилсульфоксид — mpem-бутилат калия при 55° [216]
Заместитель R	Типы алкенов			
	группа I Н Н 1 1 СН2=С-C-R А	группа II СН3Н 1 1 ch2=c-c-r 1 н	группа III Н СНз ch2=c-c-r 1 н	группа IV R Н 1 1 СН2=С-С-СНз н
сн3	1	1	1	1
н	—	—	4,13	6,5
С2Н5	0,57	0,43	0,54	0,58
С3Н7	0,55	0,50	—	—
Ы50-СЗН7	0,17	0,12	0,15	—
т реш-С4Нд	0,0074	0,0085	—	—
сн2=сн	20-105	—	—	—
С6н5	9,4-105	—	—	—
ростях изомеризации первого и последнего членов ряда составляет около 107):
СН2 = СН С6Н5 > Н СН3 > С2Н5 > С3Н7 > изо-С3Н7 mpem-C^Ig
На рис. 24 показан график зависимости средних значений lg кп//сснз от величины константы Тафта о*, которая характеризует
Рис. 24. Зависимость средних] значений lg (k/kQ) для скоростей изомеризации алкенов от константы Тафта а*.
220
Гл. V. Изомеризация ненасыщенных систем
полярный эффект группы [22]. Хотя точки, соответствующие водороду, метилу, этилу и н-пропилу, хорошо укладываются на одной прямой, точки, соответствующие изопропильной и трет-бутильной группам, лежат заметно ниже этой прямой, причем величина отклонения возрастает с увеличением объема заместителя. На этом графике легко проследить влияние двух стери-ческих эффектов. Первый из них препятствует достижению копла-нарного переходного состояния при образовании аниона, а второй — сольватации аниона.
В другой работе Шризхейма и сотрудников [23] были измерены скорости изомеризации метиленциклоалканов в системе диметилсульфоксид — тпретп-бутилат калия при 55°. В табл. 56 приведе-
Таблица 56
Относительные скорости (с учетом числа подвижных атомов водорода) катализируемой основаниями изомеризации метиленциклоалканов в метилциклоалкены в диметилсульфоксиде [23]
Соединение	Относительная скорость	+ дн+, ккал/люл	AS+ , энтр. ед.
<^^>=сн2	1070	13,3	—27,3
(^/=СН,	454	13,3	—17,0
<^у>=СН2	1	27,1	0,7
^^=сн2	5,8	19,7	—18,0
^^==сн2	17	16,8	—25,4
СН3СН,Ч 3 “>с=сн2 СЩеН/	35	—	—
сн3сн2сн=сн2	385	16,6	—22,3
Влияние природы углеводородных .т мести мелей
221
ны относительные скорости изомеризации (скорость изомеризации метиленциклогексана принята за 1), а также параметры активации.
Для сравнения в таблицу включены данные по изомеризации двух ациклических терминальных алкенов [21]. Были измерены также константы скорости катализируемого основаниями бромирования соответствующих циклоалканонов при 0°. Линейность графика 1g Лизом (ось ординат) — 1g &бром (ось абсцисс), построенного для циклов различной величины, была истолкована как доказательство того, что для обоих реакций лимитирующей стадией является отрыв протона основанием и что в каждой паре олефин — кетон отрыв протона как от алкена, так и от кетона регулируется одним и тем же стереоэлектронным эффектом.
Скорость изомеризации максимальна в случае метиленциклобутана и минимальна в случае метилепциклогексана; разница в скоростях изомеризации этих соединений составляет примерно 103. Было высказано предположение, что эта разница отражает особенности переходного состояния при отрыве протона, которое по своему характеру является в значительной степени карбанионным и в котором три атома углерода аллильной системы и связанные с ними заместители стремятся принять плоскую конфигурацию. При такой конфигурации делокализация электронов максимальна, и переходное состояние стабилизируется [24]. В случае циклобутильной и циклопентильной систем разница в геометрии между основным состоянием молекулы и соответствующим переходным состоянием сводится лишь к тому, что в последнем исчезает несвязное взаимодействие между двумя соседними метиленовыми группами в цикле. Последний эффект, по-видимому, особенно важен при изомеризации метиленциклобутана и является основным фактором, ускоряющим изомеризацию. Эффект углового напряжения должен был бы замедлять изомеризацию циклобутильной системы по сравнению с циклопентильной, так как введение дополнительного £р2-гибридизованного атома углерода в четырехчленный цикл создает большее угловое напряжение, чем в случае пятичленного цикла [25]. Однако, хотя угловое напряжение, безусловно, Играет некоторую роль, эта роль не первостепенна. В основе остальных факторов, влияющих на скорость изомеризации перечисленных в табл. 56 соединений, лежит баланс эффектов несвязного взаимодействия водородных атомов (эффект заслонения) и углового напряжения.
Разница в энтальпиях активации может превышать 10 ккал/ /моль, а разница в энтропиях активации доходит до 28 энтр. ед. при сравнении отдельных метиленциклоалканов. При изомеризации метиленциклобутана очень малая величина энтальпии активации до некоторой степени компенсируется большой отрицатель
222
Гл. V. Изомеризация ненасыщенных систем
ной энтропией активации. Последняя указывает на «жесткое» переходное состояние с высокоупорядоченным расположением растворителя и основания. Все остальные системы по величине Д5+ гораздо ближе к метиленциклобутану, чем к метиленциклогексану, для которого Д5+^ 0. В переходном состоянии, соответствующем этому олефину, аллильный анион, по-видимому, выражен слабо, делокализация заряда сравнительно невелика и молекулы растворителя связаны не так прочно.
РАВНОВЕСИЕ МЕЖДУ ИЗОМЕРНЫМИ ОЛЕФИНАМИ
Проблема равновесия между изомерными олефинами исторически возникла раньше, чем другие рассматриваемые в этой книге проблемы. История ее изучения тесно связана с развитием современной теории таутомерии [26].
При равновесной изомеризации пяти изомерных 2-метилпенте-нов под действием трет-бутилата калия в диметилсульфоксиде при 55° образуется смесь, состав которой близок к тому, который может быть предсказан на основании термодинамических данных (см. табл. 57) [21а]. Эти данные, основанные на обобщении боль-
Таблица 57
Состав равновесной смеси 2-метнлпентенов в дпметилсульфоксиде при 55° 121а]
Олефин	Содержание в смеси, %	
	найдено	вычислено
сн2=с—сн2сн2сн3	11,3	11,0
1 сн3 СН3—С = СН—СН2СН3	80,0	80
СН3 н		
сн3—сн—с=с—сн3	7,2	5,5
сн3 н СН3—СН—С = С — сн3 1	1	1	1,2	1,8
1	1	1 сн3 н н сн3—сн—сн2—сн=сн2	0,3	1,0
СН3		
Равновесие между изомерными олефинами
223
шого экспериментального материала, указывают на то, что последовательное замещение атомов водорода в этилене алкильными радикалами (линейными или малоразветвленными) приводит к образованию структур, превосходящих по устойчивости соответствующие им менее замещенные изомеры. Эта общая закономерность не может быть объяснена только положительным индукционным эффектом алкильных групп и электроноакцепторным эффектом винильной группы. В случае тпретп-бутильной и подобных ей групп эти эффекты перекрываются пространственным эффектом, и обобщение может потерять свою справедливость, особенно в случае tyzzc-изомеров.
В этом отношении поучительны данные, приведенные в табл. 57 (теоретический расчет процентного содержания олефинов в смеси, по-видимому, более надежен для компонентов, присутствующих в небольших количествах). В равновесной смеси концентрации 2-метилпентена-2, 2-метилпентена-1 и 4-метилпентена-1 относятся соответственно как 80 10 1. Каждое дополнительное замещение этиленового водорода алкильной группой увеличивает относительную устойчивость изомера в 5—10 раз.
Еще сильнее влияет на равновесие эффект сопряжения двойной связи с винильной или арильной группой. Например, в равновесной смеси пропенилбензола и аллилбензола концентрация первого больше концентрации второго в 103—104 раз [27а, б]; соотношение концентраций пентадиена-1,3 и пентадиена-1,4 в равновесной смеси при 25° составляет 600 1 [27в, г]. Однако если двойная связь входит в циклическую систему, то эффект сопряжения сочетается с возникающими здесь конформационными эффектами, и поэтому оценить важность первого не всегда легко 127д].
Влияние сопряжения на равновесие соединений, содержащих наряду с олефиновой связью карбонильную или нитрильную группу, было подробно изучено Коном, Линстедом и сотрудниками [28].
С2Н5СН2СН = СНСОО-	С2Н5СН = СНСН2СОО-
С2Н5СП2СП = С11СООС2Н3 Р' С2Н5СН = СПСН2СООС2Н5
СН3СН2С = СНСОСН3	СН3СН=С —СН2СОСН3
А2н5	С2н5
(CH3)2CHCH = CHCN	(CH3)2C=CHCH2CN
Они исследовали системы указанного выше типа и обнаружили следующие закономерности. 1. Если у-положение в ненасыщенных кислотах, сложных эфирах, кетонах или нитрилах не замещено,
224
Гл, V. Изомеризация ненасыщенных систем
то равновесие между а,0- и 0^-ненасыщенными соединениями сильно сдвинуто в сторону сопряженного изомера, независимо от замещения в 0-положении. 2. Введение алкильных групп (особенно метила) в у-положение смещает равновесие в сторону несопряженного изомера, который в ряде случаев становится преобладающим изомером в смеси. 3. Замещение атома водорода в у-положении на арильную группу делает 0,у-изомер во много раз более устойчивым, чем а,0-изомер. 4. Наличие алкильных групп (особенно метила) в а-положении способствует преобладанию а,0-изомера. Эти обобщения являются отражением суперпозиции индукционного эффекта алкильных групп и эффекта сопряжения ненасыщенных групп, от соотношения которых зависит устойчивость изомеров. Если сопоставить силу влияния этих эффектов, то получится следующая (сильно упрощенная) последовательность: сопряжение с арильной или винильной группой > сопряжение с карбонилом или циангруппой — индукционный эффект алкильной группы. Судя по немногочисленным пока данным [29а], нитрогруппа по своему влиянию на равновесие напоминает карбонильную или циангруппу.
Эффект сопряжения групп, обладающих неподеленной парой электронов (например, в случае аминов или простых эфиров), способствует значительному преобладанию винильной формы над аллильной, хотя в большинстве случаев определить константы равновесия для таких систем не удается [206, в, д, 296].
СН2=СН —СН2 —А—	{СН3-СН = СН — А— <-> СН3—СН —СН = А —}
Предпочтительный изомер
Особенно интересно влияние на равновесие олефинов функциональных групп, содержащих атомы второго периода периодической системы элементов. В табл. 58 представлены данные, полученные О’Коннором и сотрудниками [30] при изучении равновесия между аллильными и винильными сульфидами, сульфоксидами и сульфонами.
Данные, приведенные в табл. 58, показывают, что замещение атома водорода при С3 на алкильную группу увеличивает константу равновесия в 40—100 раз. Подобный эффект уже наблюдался в рассмотренном выше случае равновесия между олефинами. Из данных таблицы также следует, что по своей способности стабилизировать винильную форму (по сравнению с аллильной формой) заместители располагаются в следующий ряд: CH3S > > CH3SO > CH3SO2. При переходе от одного крайнего члена ряда к другому величина константы равновесия может измениться в 200 раз.
Равновесие между изомерными олефинами
225
Таблица 58
Состав равновесных смесей ненасыщенных сульфидов, сульфоксидов и сульфонов
к
RCH2 — СН2 СН — X RCH = СН — СН2—X
3	2	1 Основание 3	2	1
Винильная	Аллильная
форма	форма
R	X	к
н	SCH3	<0,01
н	SOCH3	0,25
н	SO2CH3	0,80
С3Н7	SCH3	0,5
С3Н7	SOCH3	24
сн3	SOCH3	32
С3Н7	SO2CH3	>99
Природа алкильного заместителя R (метил или н-пропил) не оказывает существенного влияния на К в случае изомеризации сульфоксидов и, по-видимому, во всех остальных случаях. В системах, где R — н-пропильная группа, величина константы равновесия, по существу, характеризует относительную способность групп X — СН2 и X стабилизировать систему путем взаимодействия с двойной углерод-углеродной связью. Эффект стабилизации, связанный с делокализацией электронной пары атома серы за счет взаимодействия с двойной связью, должен ослабевать в последовательности CH3S > CH3SO > CH3SO2. Однако, хотя этот эффект, бесспорно, имеет место, с его помощью не удается объяснить, почему по своей способности стабилизировать соответствующие олефины CH3SOCH2 > CH3SO и CH3SO2CH2 > CH3SO2. Этот факт нельзя также объяснить перекрыванием р-орбиталей двойной связи с d-орбиталями атома серы, поскольку такое перекрывание должно в случае каждой пары делать более устойчивой винильную, а не аллильную форму, тогда как на деле наблюдается обратное.
Основным фактором, отвечающим за наблюдаемый порядок устойчивости, является, по-видимому, индукционный эффект. По своей электроноакцепторной способности CH3SO2 > CH3SO > > CH3S; кроме того, внутри каждой пары X > ХСН2. Точно так же, как электронодонорный индукционный эффект алкильных групп стабилизирует двойную связь, оттягивание электронов 15-539
226
Г л. V. Изомеризация ненасыщенных систем
электроотрицательными группами должно вызывать дестабилизацию этой связи [ЗОв]. Группы с сильной электроноакцепторной способностью имеют тенденцию к образованию связей с теми атомами углерода, у которых р-характер выражен наиболее отчетливо, поскольку р-орбитали растянуты сильнее, чем s-орбитали. Винильная группа обладает $р2-гибридизованными связями, а аллильная группа содержит $р3-гибридизованный углерод, т. е. имеет более четко выраженный р-характер. Поэтому индукционный эффект будет, по всей вероятности, иметь решающее значение для равновесия между аллильной и винильной формами этих олефинов и преобладать над эффектом взаимодействия л-электро-нов двойной связи с неподеленной парой электронов гетероатома.
СООТНОШЕНИЕ КОНСТАНТ СКОРОСТЕЙ ИЗОМЕРИЗАЦИИ АЛЛИЛЬНЫХ КАРБАНИОНОВ
Детальная интерпретация кинетических данных по изомери зации олефинов не всегда достоверна вследствие того, что в большинстве случаев отрыв протона (с образованием карбаниона) является обратимым процессом. Об этом уже говорилось в гл. III. Часто экспериментально наблюдаемые константы скорости отрыва протона оказываются сложными величинами, поскольку протонирование возникающего карбаниона (с образованием исходного продукта) происходит очень быстро и может конкурировать с другими реакциями карбаниона. Если процесс аллильной перегруппировки обобщить в виде уравнения (2), то нетрудно представить себе такое положение, когда величина Ar_i сравнима с величиной к-2 или даже превосходит последнюю. В таком случае для понимания механизма перегруппировки необходимо знать соотношение констант скоростей распада промежуточно образую щегося карбаниона соответственно на конечный и на исходный продукт, т. е. соотношение к-21к-^ В тех случаях, когда относительные величины k-i и к_2 неизвестны, приходится предпола-
—С—С=С— + :В
Н
k । X 2
набл. k~2
Соотношение констант скоростей изомеризации
227
гать, что k-2 > k-i или что соотношение к-21(к-\ + &-г) остается постоянным для нескольких сравниваемых систем. Поэтому вопрос о том, какие факторы влияют на соотношение констант скоростей распада карбаниона и каким образом эти факторы могут быть определены, имеет первостепенное значение.
В течение ряда лет все представления о соотношении констант скоростей распада без труда укладывались в рамки правила Хьюза — Ингольда [31], которое гласит [32]: «Если протон переносится от кислоты на мезомерный анион слабо ионизированных таутомеров, которые заметно отличаются друг от друга по устойчивости, то тот таутомер, который образуется быстрее, является термодинамически менее устойчивым. Именно этот таутомер легко теряет протон под действием оснований». Это обобщение особенно справедливо для тех случаев, когда ненасыщенный карбанион стабилизируется за счет оттягивания заряда на расположенную рядом электроотрицательную группу. Например [32], при подкислении металлических солей фенилнитрометана вначале образуется неустойчивый аци-нитро-таутомер, который затем изомеризуется в более устойчивую нитро-форму. Аци-форма, представляющая собой О — Н-кислоту, является более кислой, чем нитроформа (С — Н-кислота), и легче теряет протон.
Соль фенилнитрометана
Быстро	'
------► C6H5CH=N Аци-форма
Х)Н
Х°
Медленно	'
------► СеН5СН2—N	Нитро-форма
При подкислении натриевой соли этилового эфира циклопентилмалоновой кислоты бензойной кислотой в смеси эфира и петролейного эфира первоначально образуется преимущественно термодинамически невыгодный несопряженный изомер [33].
-С(СООС2Н5)2
С6Н5СООН^
Н(СООС2Н5)2
Na
Первоначально образующийся изомер
+ <ч^/>=С(СООС2Я5)?
Устойчивый изомер
15*
228
Гл. V. Изомеризация ненасыщенных систем
Правило Хьюза — Ингольда, по-видимому, применимо и к циклогексадиеновой системе [27д]. Равновесная смесь циклогексадиенов, получающаяся под действием трет- амилата калия в трет-амиловом спирте, содержит в 2,2 раза больше сопряженного 1,3-изомера, чем несопряженного 1,4-изомера. При использовании тпретп-амилового спирта-d и проведении изомеризации 1,4-диена в 1,3-диен (или, наоборот, 1,3-диена в 1,4-диен) лишь на несколько процентов соотношение концентраций монодейтерированных 1,4-и 1,3-диенов равняется 8. Поскольку соотношение концентраций монодейтерированных продуктов не зависит от строения исходного диена, это свидетельствует о том, что промежуточным продуктом при изомеризации является общий аллильный карбанион. При протонировании этого карбаниона менее устойчивый изомер образуется в 8 раз скорее, чем более устойчивый. Таким образом,	- 8 и kjk2 = 0,05.
1,4-Циклогексадиен, менее устойчивый изомер
1,3-Циклогек-садиен, более устойчивый изомер
Правило Хьюза — Ингольда соблюдается также и в ряду стероидов [34].
На рис. 25 показаны три возможных профиля условной диаграммы «энергия активации — координата реакции» для образования и изомеризации аллильных и родственных им карбанионов. Первый профиль (кривая а) характерен для всех многочисленных случаев, подчиняющихся правилу Хьюза—Ингольда. Второй профиль (кривая б) характерен для тех случаев, когда аллильный анион изомеризуется предпочтительно с образованием термодинамически более устойчивого изомера, но при этом менее устойчивый изомер по-прежнему остается кинетически более кислым. Иначе говоря, кривая б иллюстрирует отклонение от первой части правила, но не от второй. Третий профиль (кривая в) соответствует предпочтительной изомеризации аллильного аниона в сторону термодинамически более устойчивого изомера, который является к тому же и кинетически более кислым. Третья диаграмма соответствует случаю, когда нарушаются обе части правила Хьюза — Ингольда.
Известен ряд случаев, когда изомеризация протекает в соответствии с энергетическим профилехм б. Один из них — катализируемое основаниями превращение З-фенилбутена-1 (I) в 2-фенилбу-
Соотношение констант скоростей изомеризаци
229
тен-2 (II).
сбн5
CHj—с—СН=СН2
н I
В положении равновесия в системе трет-бутиловый спирт — mpem-бутилат калия при 75° концентрация соединения II настолько велика по сравнению с концентрацией соединения I, что их
Рис. 25. Условные диаграммы «энергия активации — координата реакции» для образования и изомеризации аллильных и подобных им анионов.
соотношение трудно вычислить с точностью [35]. Во многих дейтерированных растворителях и при использовании различных оснований при изомеризации I II скорость включения дейтерия в концевую метильную группу соединения II была примерно в 20 раз больше скорости его включения в бензильное положение исходного соединения I [5]. Таким образом, аллильный анион превращается преимущественно в термодинамически наиболее устой
230
Гл. V. Изомеризация ненасыщенных систем
чивый изомер, что характеризуется соотношением к-2/к_^ « 20. Этот результат находится в прямом противоречии с первой частью правила Хьюза — Ингольда. Сравнение констант скорости изомеризации соединения I с константами скорости изотопного обмена в соединении II показывает, что соотношение к^1к2 есть величина порядка 101—102. Это означает, что менее устойчивый изомер легче теряет протон, и тем самым вторая часть правила сохраняет свою силу. Поскольку К = к^к-21к2к-^^о величина К должна иметь очень высокий порядок (— 103—104).
В отличие от системы фенил бутена (I и II) изомеризация соединений VII и VIII под действием тпре/п-бутилата калия в трет-бутиловом спирте происходит по-иному [12]. Величина константы равновесия для системы VII ^VIII равна примерно 15. Соотношение Zc-i/A;_2^7; таким образом, соотношение констант скоростей распада азааллильного аниона благоприятствует образованию термодинамически неустойчивого изомера. Скорость изотопного обмена в соединении VII (по бензильному положению) оказалась больше, чем скорость изотопного обмена в соединении VIII, и к^к2 > 1. Иначе говоря, эта азааллильная система целиком подчиняется правилу Хьюза — Ингольда.
С6Н5	t с6н5
I	I	*2
СН3—С—N—СН—С(СН3)3	СНа—С—N—СН—с(СН3)д
|	*-1	i	*-2
н
VII	Азааллильный анион
сбн5
СН3—С =N—СН2—С(СНа)3
УШ
Другим примером протекания реакции в соответствии с энергетическим профилем б (рис. 25) является изомеризация соединения XVI в цис- и транс-XV и обратная реакция, имеющие место в системе дпредп-бутиловый спирт — дпргяг-бутилат калия [19]. Содержание компонентов в равновесной смеси при 75° указано в скобках под соответствующими формулами.
Комбинируя данные по кинетике изомеризации с термодинамическими данными и с данными по кинетике обмена водород — дейтерий, удалось вычислить следующие соотношения констант скоростей (обозначение констант скоростей такое же, как и на вышеприведенной схеме):
^ = 4,5; ф^- = 8,8; -^-=1,5;
к2	к_^
Соотношение констант изомеризациии
231
Как цис-. так и дпранс-анион протежируются с предпочтительным образованием более устойчивого изомера, но термодинамичес-
XVI (2%)
транс - Анион
транс- XV (79%)
цис - Анион
н
цис-ХУ (19%)

ки наименее устойчивый изомер (XVI) под действием основания отщепляет протон быстрее, чем более устойчивые изомеры (цис-и транс-XV).
Примером системы, поведение которой описывается энергетическим профилем в (рис. 25), является поведение четырех изомер
232
Гл. V. Изомеризация ненасыщенных систем
ных олефинов (XVII — XX) [36]. Под действием дпрет-бутилата калия в трет-бу™ловом спирте при 40° эти четыре олефина образуют равновесную смесь, состав которой указан в скобках под соответствующими формулами.
Величины исходных констант скорости изомеризации каждого из олефинов уменьшаются в следующем порядке: &xvin > ^xvii > > kxix > кхх- Этот порядок реакционной способности хорошо коррелируется с той последовательностью, в которой уменьшается устойчивость четырех аллильных анионов (Д > Е > Ж > 3); об устойчивости аниона можно судить по числу и силе имеющихся в нем пространственных 1,3-взаимодействий, оказывающих дестабилизирующее действие. Изомер XX, являющийся термодинамически наименее выгодным, имеет наименьшую скорость изомеризации.
Скорости, с которыми соединения XVII и XVIII изомеризуются друг в друга, намного больше, чем скорости их превращения в соединения XX и XIX. При проведении изомеризации в трет-бутиловом спирте-d изотопный обмен в бензильном положении соединения XVII происходит гораздо быстрее, чем его изомеризация в соединение XVIII. Соотношение констант скоростей распада (за вычетом внутримолекулярного протонирования), вычисленное на основании экспериментальных данных, к-г1к2 > 30. Таким образом, аллильный анион Д быстрее протонируется по тому положению, после насыщения которого образуется термодинамически наиболее устойчивый изомер (XVII). Это означает, что ни одно из положений правила Хьюза — Ингольда здесь не соблюдается.
ЛИТЕРАТУРА
1.	a) Cram D. J., S с о t t D. A., Nielsen W. 1)., J. Am. Chem. Soc., 83, 3696 (1961); 6) Stewart R., O’Donnell J. P Cram D. J., Rickborn B., Tetrahedron, 18, 917 (1962).
2.	C r a m D. J., G о s s e r L., J. Am. Chem. Soc., 85, 3890 (1963).
3.	С г a m D. J., U у e d a R. T., J. Am. Chem. Soc., 84, 4358 (1962).
4.	a) В a n k S., R о w e C. A., Jr., Schriesheim A., J. Am. Chem. Soc., 85, 2115 (1963); 6) Doering W., Gaspar P. P., J. Am. Chem. Soc., 85, 3043 (1963); в) Bergson G., W e i d 1 e r A. M.. Acta Chem. Scand., 17, 862, 1798, 2691, 2724 (1963); г) В a t e s R. B.. Garnighan R. H., Staples С. E., J. Am. Chem. Soc., 85, 3032 (1963); д) Миронов В. А., Соболев E. В., Елизарова A. Н., Tetrahedron, 19, 1939 (1963); е) Roth W. R., Tetrahedron Letters, № 17, 1009, 1964; ж) McLean S., H a у n e s P Tetrahedron Letters, № 34, 2385, 1964.
5.	С r a m D. J.( Uyeda R. T., J. Am. Chem. Soc., 86, 5466 (1964).
6.	C r a m D. J., К i n g s b u г у C. A., Rickborn В., J. Am. Chem. Soc., 83, 3688 (1961).
7.	a) К a w a h a r a F. S., T a 1 a 1 а у P., J. Biol. Chem., 235, PC 1 (1960); 6)Agranof f B. W., E g g e r e r H., Henning U., L у n e n F., J. Biol. Chem., 235, 326 (1960); в) Rilling H. C.. Coon M. J., J. Biol. Chem., 235, 3087 (1960).
Литература
233
8.	Y о u n g W. G., Wi nst ei n S., Goeri ng H. L., J. Am. Chem. Soc., 73, 1958 (1951).
9.	И и г о л ь д К. К., Механизм реакций и строение органических соединений, ИЛ, М., 1959.
К), a) Ingold С. К., Wilson С. L., J. Chem. Soc., 1933, 1493; б) I п-g о 1 d С. К., W i 1 s о п С. L., J. Chem. Soc., 1934, 93; в) Н s u S. К., Ingold С. К., Wilson С. L., J. Chem. Soc., 1935, 1774.
11.	О s s о г i о R. P., H u g h e s E. D., J. Chem. Soc., 1952, 426.
12.	а) С г a m D. J., Guthrie R. D., J. Am. Chem. Soc., 87, 397 (1965);
6)	Cram D. J., Guthrie R. D., неопубликованные данные.
13.	J acobs T. L., D a n k n e r D., J. Org. Chem., 22, 1424 (1957).
14.	Cram D. J., Willey F., Fischer H. P.,Scott D.A., J. Am. Chem. Soc., 86, 5370 (1964).
15.	С r a m D. J., G о s s e r L., J. Am. Chem. Soc., 86, 2950 (1964).
16.	a) Young W. G., S h a r m a n S. H., W i n s t e i n S., J. Am. Chem. Soc., 82, 1376 (1960); 6) Brewster J. H., Bayer H. 0., J. Org. Chem., 29, 105 (1964).
17.	W a 1 l i n g С., T h a 1 e r W., J. Am. Chem. Soc., 83, 3877 (1961).
18.	a) D e Wolfe R. H., Y о u n g W. G., Chem. Rev., 56, 753 (1956); 6)Sleezer P. D., Winstein S., Young W. G., J. Am. Chem. Soc., 85, 1890 (1963); в) L a m p h e r E. J., J. Am. Chem. Soc.„ 79, 5578 (1957); r) Haag W. 0., Pines H., J. Am. Chem. Soc., 82, 387 (1960).
19.	H u n t e r D. H., С r a m D. J., J. Am. Chem. Soc., 86, 5478 (1964).
20.	a) H a a g W. О., P i n e s H., J. Am. Chem. Soc., 83, 1701 (1961); б) P г о s s e r T. J., J. Am. Chem. Soc., 83, 1701 (1961); в) Price С. C., Snyder W. H., J. Am. Chem. Soc., 83, 1773 (1961); r) Schriesheim A., Hofmann J. E., RoweC. A., Jr., J. Am. Chem. Soc., 83, 3731 (1961); д) P r i с e C.C.,Sny der W. H., Tetrahedron Letters, 1962, №2, 69; в этой работе упоминается об исключении из данного правила; е) Schriesheim A., Rowe С. А., Jr., Tetrahedron letters, 1962, № 10, 405; ж) Carr М. D., Clark J. R. P., Whiting M. C., Proc. Chem. Soc., 1963, 333; e) Nichols P. L., Herb S. F., Riemenschneider R. W., J. Am. Chem. Soc., 73, 247 (1951).
21.	a) S c h r i e s h e i m A., Rowe C. A., Jr., J. Am. Chem. Soc., 84,. 3161 (1962); 6) Schriesheim A., Rowe C. A., Jr., N a s-1 u n d L., J. Am. Chem. Soc., 85, 2111 (1963).
22.	Тафт P. В., в книге «Пространственные эффекты в органической химии» под. ред. Ньюмена, гл. 13, ИЛ, М., 1960.
23.	S с h г ie s h е i m A., Muller R. J., R о w e C. A., Jr., J. Chem. Soc., 85, 3164 (1962).
24.	Corey E. J., J. Am. Chem. Soc., 76, 175 (1954).
25.	В г о w n H. С., В r e w s t e r J. H., Shechter H., J. Am. Chem. Soc., 76, 467 (1954).
26.	Ингольд К. К., Механизм реакций и строение органических соединений, гл. X, ИЛ, М., 1959.
27.	а) С a t с h р о 1 е A. G., Hughes Е. D., Ingold С. К., J. Chem. Soc., 1948, 8; б) Р a u 1 i n g L., Nature of the Chemical Bond, Cornell Univ. Press, Ithaca, New York, 1960, p. 196; в) К i 1 p a t r i c k J. E., Beckett C. W., Prosen E. J., Pitzer K. S., Rossi-ц i F. D., J. Res. Natl. Bui. Std., 42, 225 (1949); г) С о n a n t J. B., Kistiakowsky G. B., Chem. Rev., 20, 181 (1937); д) Bates R. B., Carnighan R. H., Staples С. E., J. Am. Chem. Soc., 85, 3030 (1963).
234	Гл. V. Изомеризация ненасыщенных систем
28.	а) В а к е г J. W., Tautomerism, Routledge, London, 1934, Chap. 9; б) Ингольд К. К., Механизм реакций и строение органических соединений, ИЛ, М., 1959.
29.	a) Baskov Yu. V., Urbanski Т., Witanowski М., S t е-faniak L., Tetrahedron, 20, 1519 (1964); б) T a г b e 1 1 D. S., Lovett W. E., J. Am. Chem. Soc., 78, 2259 (1956).
30.	a) O’Connor D. E., Lyness W. I., J. Am. Chem. Soc., 85, 3044 (1963); 6) O’Connor D. E., В г о a d d u s C. D., J. Am. Chem. Soc., 86, 2267 (1964); в) O’Connor D. E., Lyness W. I., J. Am. Chem. Soc., 86, 3840 (1964).
31.	C a t c h p о 1 e A. G., H ughes E. D., Ingold С. K., J. Chem. Soc., 1948, 11.
32.	И п г о л ь д К. К., Механизм реакций и строение органических соединений, ИЛ, М., 1959.
33.	Н u g h	W.	Е.,	К о n С.	A. R., J. Chem. Soc., 1930, 775.
34.	М а 1 h о t г	a S. К., R i	n gold Н. J., J. Am. Chem.	Soc., 85, 1538
(1963).
35.	Cram	D.	J.,	Uyeda	R. T., неопубликованные данные.
36.	Cram	D.	J.,	Ela S.	W., неопубликованные данные.
ГЛАВА VI
Молекулярные перегруппировки
Перегруппировки карбанионов встречаются в органической химии реже, чем перегруппировки карбониевых ионов (карбокатионов). Положительно заряженный атом углерода является ненасыщенным, и поэтому обнаруживает сильное сродство к любой находящейся вблизи от него группе с неподеленной парой электронов. Азот, кислород, сера и галогены, обладающие неподелен-ными парами электронов, относятся к числу элементов, часто фигурирующих в органической химии. Вследствие этого они нередко принимают участие в перегруппировках, протекающих с образованием карбониевого иона. Естественно предположить, что элементы, которым для застройки внешней электронной оболочки не хватает пары электронов (например, бор или алюминий), будут активно участвовать в перегруппировках карбанионов. Однако исследования, основанные на этом предположении, еще только начинаются [1]. К настоящему времени известны примеры перегруппировок циклизации—дециклизации, протекающих как по катионному или свободнорадикальному, так и по анионному механизму; сюда относятся, в особенности, перегруппировки трех-и четырехчленных циклов. Перегруппировки карбониевых ионов, связанные с 1,2-миграцией насыщенных алкильных групп, находят некоторую аналогию в химии карбанионов, где 1,2-перегруппировки тоже известны. Хотя между способностью карбониевых ионов и карбанионов вступать в перегруппировки имеется известный параллелизм, в целом число примеров карбанионных перегруппировок очень мало по сравнению с огромным материалом, накопленным при изучении перегруппировок карбониевых ионов.
В настоящей главе рассматриваются три группы анионных перегруппировок: перегруппировки циклизации — дециклизации, 1,2-перегруппировки и перегруппировки, включающие стадию 1,3-элиминирования.
ПЕРЕГРУППИРОВКИ ЦИКЛИЗАЦИИ - ДЕЦИКЛИЗАЦИИ
Существует ряд перегруппировок, протекающих, по-видимому, с промежуточным образованием карбанионов, которые схематически могут быть представлены уравнением (1). Известные
236
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
примеры ограничиваются случаями, когда п = 1 или 2; при больших значениях п перегруппировка не происходит. Движущей силой таких перегруппировок является, по-видимому, тенденция к устранению углового напряжения, а в некоторых системах — образование карбанионов, которые стабилизированы либо благодаря сопряжению с ненасыщенными группами, либо благодаря замещению водорода на алкильные группы. Реакции замыкания цикла происходят только в случае благоприятного влияния заместителей. Сопряжение карбаниона с трехчленным циклом, по-видимому, в известной степени стабилизирует циклическую форму аниона (при п = 1).
(СН2)Пч1 !
(1) I С—С—
(СН2)П I —с—
(Снг)пх| !
I / С-С-— С '
It
(СН2)„ I I
|	\с=с-
—с—
Е (СН2)П I I
->	| хс=с—
— с—
По сути дела, эти перегруппировки представляют собой реакции электрофильного замещения, которые начинаются с образования карбаниона и заканчиваются присоединением электрофильного агента. К настоящему времени изучено поведение двух типов заместителей, играющих роль уходящих групп в реакциях циклизации — дециклизации, а именно азота и ионов металла. В качестве электрофильных агентов использовали протонодонорные агенты, карбонильные соединения и галогены. Ниже будет рассмотрено поведение азота и ионов металлов в качестве уходящей группы.
Азот в роли уходящей группы
Уравнения (2) — (6) описывают реакции, которые потенциально являются реакциями, проходящими с промежуточным образованием алкилдиимидов. Последние в присутствии сильных оснований образуют, по-видимому, карбанионы. В отсутствие оснований или в присутствии слабого основания алкилдиимиды распадаются также термическим путем, возможно, по радикальному механизму внутри сольватной ячейки (radical cage mechanism). Для заведомого получения алкилдиимидов использовали реакции, описываемые уравнениями (3) и (4) [2].
Перегруппировки циклизации — дециклизации
237
Восстановление формилциклопропана [3] или метилциклопро-пилкетона [4] по методу Кижнера — Вольфа [уравнение (2)] протекает без перегруппировки и дает соответственно метил-и этилциклопропаны. Однако циклопропилкарбонильные соединения, содержащие в p-положении арильные группы, частично претерпевают перегруппировку при восстановлении по методу Кижнера — Вольфа [5а]. В условиях реакции Никона — Синца [уравнение (5)] [6] n-толуолсульфонамид, полученный из цикло-пропилкарбиниламина, превращается в бутен-1 [56]. При проведении реакции (6) с циклопропилкарбиниламином [56] и с цикло-пропилметилкарбиниламином [5в] образуются соответственно бутен-1 и пентен-2.
Н—С"	н—с—н
I	I	:в । нв ।
(3)	_С — NHNH2-t-[O]-> —С —N = N-H——С'-------------> —С —Н
'	।	2	I	-N2	।	.
(4)
Н
II	:в |
— С — N — NH — SO2Ar-> — С —N = N —Н
— С —Н
I -	+	- I	:в
(5)	— С—N — SO2Ar + H3N — О — SO3 -> —С —N—SO2Ar------>
I	I I
nh2
I	:в । нв |
— с — N = N — Н---> — С------* —С —Н
I	I	I
н
I nhf2 II	;в |	;в
(6)	—с—NH2----С —N —NH —F-----> — С —N = N —Н->
Данные других опытов проливают свет на механизм разложения алкилдиимидов. Обработка циннамиламина дифторамином дает исключительно продукт перегруппировки — аллилбензол [5в]. В этом случае перегруппировка происходит несмотря на то,
238
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
что ее конечным продуктом является термодинамически неустойчивый изомер. Реакция с дифторамином не требует присутствия сильного основания, и разложение алкилдиимида, возможно, происходит без промежуточного образования карбаниона. Термическое разложение алкилдиимида может приводить к продукту перегруппировки по механизму согласованного циклического переноса электронов или благодаря свободнорадикальному распаду внутри сольватной ячейки. В связи с последней возможностью следует заметить, что при проведении реакции (4) с оптически активным бензолсульфонатом 2-(2-фенил)бутилгидразина в отсутствие основания образуется рацемический 2-фенилбутан, вероятно, в результате свободнорадикального распада внутри сольватной ячейки. В присутствии же основания реакция протекает отчасти по стереоспецифическому анионному механизму. Направление и степень превращения существенно зависят от условий проведения реакции [2] (см. гл. IV). Циклопропилкарбинильный радикал и родственные ему частицы иногда перегруппировываются, а иногда нет в зависимости от метода их генерации и от окружения [7].
СН2 I I )СН —с
nh2nh2 СН2ч I
——> I	) СН — СН - N
NaOH ст.! /
R
СН2 |
N—II —> | )СИ — СН2 СН/
R = H или СНз
сн2ч
I	,СН —СН2—N = N —Н
СН2.	nh2nh2
I ;сн—сно —
I /	NaOH
СвЩ-СН/	свн5-сн
сн2х	сн2.
| \СН — СН3 4-	| Хсн = сн2
СвН5-СН/	,сн2
с6н5/
СН2,	NaOH
/СН—СН2 — NHSO2CeH4CH3-n + H2NOSO3Na --->
сн2.	сн2ч
—> I )СП—СН2—N = N — Н —> I ХСН = СН2 СН/	СН3
R	R
СН2. |	сн2х I
|	>СН—СН —NH2-|-NHF2 —> I	)СН—СН —N = N —Н —»
СН/	СН/
R = H или СН3 R СН2 | —> | ХСН = СН СНз
Перегруппировки циклизации — де циклизации
239
С6Н5—СН=СН—СН2—NH2 -Ь NHF2--►
—► С6Н5—СН2—СН—СН2
*ГНз Т
С2Н5—С----N—NH—SO2Ar —► R—N=N—Н —►[R-N2h] —* R—Н
I	Радикалы в Рацемат
СбН5	сольватной
ячейке
R—н Оптически активный продукт
По всей вероятности, алкилдиимиды могут распадаться по различным механизмам, и в тех случаях, когда реакции (2) — (6) действительно протекают с промежуточным образованием карбанионов, судьба последних зависит от особенностей их окружения и от времени жизни. Для окончательного уяснения механизма этих реакций необходимы дальнейшие исследования.
Ионы металлов в роли уходящей группы
При получении и изучении свойств и реакций некоторых металлоорганических соединений были обнаружены интересные примеры перегруппировки циклизации — дециклизации. Робертс и Мазур [8а] установили, что продукты, получаемые при использовании в реакции Гриньяра циклопропил карбонил бромида, обладают аллилкарбинильной структурой. Позднее методом ЯМР было показано, что свежеприготовленный образец соответствующего реактива Гриньяра состоит не мёнее чем на 99% из продукта перегруппировки [86 ].
СН2ч	Mg СН2
| >СН — СН2Вг ——	I	)СН —СН2 —MgBr->
сн/	э*и₽ Он/	2 ё
СН2	CeHsNCO СН2х
I ХСН=СН2---------* | хсн=сн2
СН2 —MgBr	СН2—С—NHCeHb
о
240
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
Обратимый характер перегруппировки циклизации — деци-клизации был доказан Робертсом и сотрудниками [8]. Исходным продуктом служил меченный С14 или дейтерием аллилкарбинил-бромид, из которого далее получали реактив Гриньяра. Последний затем либо окисляли, либо обрабатывали двуокисью углерода. Хотя в результате этих превращений были получены только ациклические продукты, распределение метки по цепи таково, что нет никакого сомнения в том, что реактив Гриньяра перегруппировывается в циклический продукт раньше, чем происходит его превращение в конечные продукты.
Mg
СН2 = СН —СН2—GD2Br —->
*	&	& Эфир
О2
—> СН2 = СН — СН2 — CD2 — MgBr-> сн2 = сн —сн2 —cd2oh
D2G. it
I ;сн—CH2MgBr
НгС/Ц
о2
СН2 —СН—CD2—СН2 —MgBr-----> сн2 = сн — сн2—СН2ОН
Полупериод установления равновесия между изомерными ациклическими формами реактива Гриньяра при + 27° равнялся 30 час, а при +55°—40 лич, что соответствует энергии активации порядка 23 ккал!моль [86].
Поскольку в концевой метиленовой группе не оказалось даже следов метки, то, следовательно, эта перегруппировка протекает без промежуточного образования неклассического бициклобутанового иона. Такой результат отличается от результатов параллельно проводившихся опытов по химии карбониевых ионов [8г], где было показано, что катион бициклобутония является дискретным промежуточным продуктом при сольволизе таких соединений, как тозилаты циклопропилкарбинола или аллилкарбинола. Мостиковая анионная структура должна содержать четыре делокализованных электрона, тогда как у мостикового катиона их только два. Это согласуется с правилом Хюккеля (4п + 2), согласно которому в ненасыщенной циклической системе возможна делокализация для двух электронов (п = 0), но не для четырех.
Н
С
Н2С;.......*..сн2
*‘сн2
Катион бицикло-
бутония
Анион бициклобутана
Перегруппировки циклизации — дециклизации
241
В другой серии опытов Робертс и сотрудники [8в ] приготовили из циклопропилкарбинилбромида раствор реактива Гриньяра в диметиловом эфире (при —24°) и обрабатывали отбираемые пробы отфильтрованного раствора бензойной кислотой. При этом получалась смесь метилциклопропана и бутена-1, причем содержание первого в смеси с течением времени уменьшалось от 45% (в начале опыта) до следовых концентраций (спустя 48 час). Измерив скорость исчезновения бромистого циклопропилкарбинилмагния, авторы рассчитали, что «период полураспада» циклической формы реактива Гриньяра (т. е. время, за которое половина исходного маг-нийорганического соединения перегруппировывается в ациклическую форму) составляет 126 мин и свободная энергия активации при —24° равна 19 ккал/молъ. При перераспределении метки в бромистом аллилкарбинилмагнии стадией, лимитирующей общую скорость процесса, является образование бромистого циклопропилкарбинилмагния; свободная энергия активации для этого процесса при —14° равна 25 ккал!моль [8в]. На основании этих данных константа равновесия между бромистым циклопропилкар-бинилмагнием и бромистым аллилкарбинилмагнием при —24° должна быть 8-10"6. Иначе говоря, равновесие сильно сдвинуто в сторону ациклической формы реактива Гриньяра.
СН2	Mg СН2ч
| >СН —СН2Вг ——> | /СН—CH2MgBr сн/ 2 ЭФ“Р сн/ 2 ё
СвНбСООН --------->
СН2.
I )СН—сн3 сн/
Mg Эфир
СН2х
^1 хсн=сн2
CH2MgBr
с6нбсоон
сн2ч
| хсн = сн2
СНз
При действии на раствор циклопропилкарбинилбромида в диметиловом эфире (—24°) или в диэтиловом эфире (+ 35°) металлическим магнием в присутствии следов трифторуксусной или бензойной кислоты образуются одновременно метилциклопропан и бутен-1. В диметиловом эфире содержание первого составляло примерно 55%, второго — 45%. В диэтиловом эфире при более высокой температуре смесь углеводородов содержала 32% циклического продукта и 68% ациклического. При проведении аналогичных опытов с аллилкарбинилбромидом были получены бутен-1 и следы метилциклопропана. Поскольку взаимное превращение циклической и ациклической форм магнийорганического соединения друг в друга происходит гораздо медленнее, чем протонирование, состав получаемой при этих опытах смеси углеводородов должен соответствовать первоначальному содержанию циклической и аци-
16-539
242
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
клической форм в реактиве Гриньяра. Как видно из опытов, и в том и в другом растворителе циклический бромид превращается непосредственно в обе формы магнийорганического соединения. Поскольку соотношение концентраций этих форм изменяется с температурой, энергия активации для каждого из двух, процессов различна. Если вместо циклопропилкарбинилбромида в реакцию ввести соответствующий иодид или хлорид, то содержание метилциклопропана в смеси углеводородов значительно уменьшается.
СН СН СН2
Mg
Эфир
СН СН сн2
^ \ ^ \ / \ л
СН2 СН СН2 MgBr
It
СН	СН — сн2
S \ / \ /
СН2 СН сн2
MgBr
tt
BrMg СН СН — СН,
\ / \ / \ /
СН2 СН сн2
с2нбон
СН СН СН3 \ // \ / СН2 СН сн2
(77%)
СН СН — сн2 ^ \ / \ / сн2 сн2 сн2
(10%)
СН СН — сн2
/ \ / \ /
СН3 СН сн2
цис и транс (13%)
Реактив Гриньяра, приготовленный из 1-бромгексадиена-3,5 в диэтиловом эфире, при обработке двуокисью углерода не образует циклических продуктов. Однако при действии на него кислородом или этанолом получаются заметные количества циклических продуктов [9]. По-видимому, в этой более сопряженной системе наличие дополнительной винильной группы стабилизирует циклические формы магнийорганических соединений, в результате чего равновесная парциальная концентрация последних в реактиве Гриньяра достаточно высока.
Весьма интересно поведение реактива Гриньяра, полученного из у,у-дифенилаллилкарбинилбромида [9]. Опыты по введению дейтериевой метки и по улавливанию изомерных форм путем протонирования, аналогичные опытам с бромистым аллилкарби-нилмагнием [86], показали, что при 25° равновесное распределение метки между а- и p-положениями достигается через 5 час. При действии протонодонорных агентов на находящийся в состоя
Перегруппировки циклизации — дециклизации
243
нии равновесия реактив Гриньяра образуется в основном аци-
Эфир
(С6Н5)2С = СН — СН2—CD2 — MgBr —(С6Н5)2С = СН —CD2 —CH2MgBj
клический продукт. Доказано, что небольшое количество циклического углеводорода образуется еще до прибавления протонодонорного агента. При реакции реактива Гриньяра с дейтерированными протонодонорными агентами (донорами дейтеронов) получается не содержащий дейтерия циклический продукт. Взаимодействие этого реактива Гриньяра с кислородом воздуха приводит к образованию значительного количества циклического спирта. Очевидно, содержание циклического и ациклического спиртов в продукте реакции является отражением состава равновесной смеси, хотя методом ЯМР не удалось обнаружить циклической формы магнийорганического соединения в реактиве Гриньяра. В отсутствие двух фенильных групп циклических продуктов не образуется.
СН2	ЧгТшп СН2'
। хсн=с(с6н5)2 214 |
СН2—MgBr	сн2
сн2.	сн2х
| \СН = С(СвН5)24- | )СН-СН(СвН5)2
сп3	сн2/
80 - 86 %	4—10%
Работая с литийорганическими соединениями, Ленсбери и сотрудники [10] выяснили, что хотя получение циклопропилкарби-ниллития возможно, последний перегруппировывается в аллилкар-биниллитий со скоростью, зависящей от концентрации эфира в среде. При использовании в качестве электрофильных агентов бензальдегида, бензофенона или бензоил хлорида соотношение нормального и ациклического продуктов примерно одинаково; в смеси гексана и этилового эфира (9 1) степень перегруппировки является простой функцией времени. Ациклическая форма литийорганического соединения более устойчива в эфире, а в тетрагидрфуране преобладает циклическая форма*. Приготовленный из соответствующего иодида циклопропилкарбинилли-тий-а, a-d2 при реакции с бензальдегидом превращается в циклопро-пилкарбинилфенилкарбинол без какого-либо перераспределения
* Из работы [106] нельзя сделать вывода, что в растворе тетрагпдро-фурана преобладает циклическая форма.— Прим, перев.
16*
244
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
метки.
СН2ч	Гексан — эфир (9:1)
I	/ СН — СН21 + emop-CzHgLi ------->
СН/
|СП2	сн2
—> { I	ЧСП — CH,Li	I	ЧСН = СН2
|СП/ “	CH2Li
свн6сно свн5сно
СН2.	СН2\
| ^сн—сн2—сн—с6н5	| хсн = сн2
СН2	I	СН2-СН(ОН)-СвН5
Робертс и Меркер [11] действовали на метиловый эфир цикло-пропилдифенилкарбинола сплавом натрий — калий в этиловом эфире и образовавшееся металлоорганическое соединение (темнокрасного цвета) обрабатывали водой или двуокисью углерода. Полученные при этом продукты имели то же строение, что и исходный эфир. Однако если к металлоорганическому соединению в эфирном растворе добавляли сначала бромистый литий или бромистый магний и лишь затем проводили протонирование или карбонизацию, то в результате получался только ациклический продукт перегруппировки.
СН2\
Ан/
с6н5
СН — С — осн3 I с6н5
Na-К
Эфир
со2
свн5
СН—А— соон
Авн5
LiBr или MgBr
СН2 I
I хсн=с-свн5
СН2—СООН(Н)
СО2
(или Н2О)
с6н5
СН2. I
I хсн=с-свн5
CH2Li(MgBr)
с6н5
СН—С — н I С6н5
Если смесь бензилциклопропана и тпр^пг-бутилата калия в сполна дейтерированном диметилсульфоксиде оставить на 20 час при 20°, то происходит полное замещение бензильных водородов бензилциклопропана на дейтерий; циклопропановое кольцо при
СН2ч	тирет-СЩяОК СН2
I ;сн—сн2—g6h5+(gd3)2so———---------> | ;сн—cd2—с6н5
СИ /	2 b о I \ d/z 20°, 20 час СН2/	Z &
этом полностью сохраняется. Эти результаты согласуются с представлением о том, что связь углерод — калий является ионной
Перегруппировки циклизации — дециклизации
245
и что сопряженная циклическая форма ионной пары более устойчива, чем несопряженная ациклическая форма ионной пары. Однако связи углерод — магний или углерод — литий имеют достаточно ковалентный характер для того, чтобы сделать несопряженную ациклическую форму металлоорганического соединения более устойчивым из изомеров.
Равновесие между ациклическими и циклическими формами металлоорганических соединений имеет место также и в системах, содержащих четырехчленное кольцо [12]. Из 5-хлоргексена-1 были получены сначала ртутьорганическое, а затем литийорганическое соединение. Последнее разлагали водой и продукты реакции анализировали. После кипячения раствора литийорганического соединения в циклогексане с обратным холодильником был выделен З-метилпентен-1 (>99%). В другой серии опытов использовали магнийорганическое соединение, получаемое непосредственно из 5-хлоргексена-1. Раствор реактива Гриньяра в тетрагидрофуране кипятили с обратным холодильником и от него периодически отбирали аликвоты, которые разлагали водой. При этом образовалась смесь гексена-1 с 3-мети л пентеном-1; содержание последнего с течением времени возрастало все медленнее и, наконец, достигало 20%. Очевидно, металлоорганическое соединение постепенно протонировалось за счет отрыва протона от растворителя. Реакция 5-хлоргексена-1 с натрием в углеводородных раствори-
СН2 —СН
(Ь2—сн—м
СН3 нао
^СН2	^СН2
СН2 —сн	(1) Mg	СН2 —СН	м
I	------> I	—*
СН2 —СН —Cl <2)HgGl2 СН2 —СН —HgCl
I	I
сн3	СНз
5-Х лоргексен-1
ZCH2 —М	ул12
СН2 —СН	____М —СН2 СН
^н2—сн 4 сн2—<^н сн3	хсн3
Н2О
✓с,1г
сн3 сн in2—сн хсн3
З-Метилпентен-1
1Н2-СН2
чсн3
Гексен-1
246
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
телях приводила к смеси двух олефинов, в которой преобладал З-метилпентен-1. По-видимому, и в этом случае металлоорганическое соединение отрывало протоны от растворителя со скоростью, сравнимой со скоростью перегруппировки.
При действии на циклобутилкарбинилхлорид натрием в тетрадекане получается смесь олефинов, содержащая пентен-1 и метил-циклобутан в пропорции 7 : 1. В данном случае протонирование происходит в результате реакции металлоорганического соединения с исходным хлоридом (реакция Е2). Взаимодействие этого же хлорида с литием в бензоле приводит к смеси пентена-1 и метилциклобутана в соотношении 13 : 1. Наконец, при реакции циклобу-тилкарбинилхлорида с магнием в тетрагидрофуране при 65° содержание пентена-1 в смеси олефинов превышает 99,8% (после того как спустя некоторое время реакционную смесь обрабатывают протонодонорным агентом). Однако с течением времени количество продукта перегруппировки возрастает. Это означает, что сначала образуется «нормальное» металлоорганическое соединение и лишь затем происходит перегруппировка.
ZCH2M СН2—СН сн2~сн2
вн
/СН3
СН2—СН сн2—сн2
ZH2 СН2 —СН
< сн2—СН2М
вн
СН2 —СН
СН2 —СН3
Как видно из вышеприведенных результатов, циклобутилметильные металлоорганические соединения могут образовываться и перегруппировываться в ациклические изомеры. Эта перегруппировка конкурирует с протонированием металлоорганического соединения; источниками протонов служат находящиеся в среде вещества (в частности, сам растворитель). Если же протонирование без добавления сильных протонодонорных агентов не идет, то перегруппировка происходит практически полностью.
В отличие от своих низших гомологов, циклопентилметил-и циклогексилметилхлориды при действии натрия не образуют ациклических алкенов. По-видимому, необходимым для перегруппировки стимулом является устранение углового напряжения [126].
1,2- Перегруппировки
247
1,2-ПЕРЕГРУППИРОВКИ
Известен ряд 1,2-перегруппировок, в основе которых лежит образование карбаниона. Эти перегруппировки во многом напоминают те 1,2-сдвиги, которые часто встречаются в химии карбо-ниевых ионов. И в том и в другом случае с перегруппировкой обычно конкурируют реакции замещения, элиминирования или фрагментации. В перегруппировках, проходящих с участием карбо-ниевых ионов, в роли уходящей группы могут выступать галогены, азот, кислород или углерод, хотя в некоторых случаях перегруппировка начинается с присоединения протона к алкенам. При перегруппировках с промежуточным образованием карбанионов наиболее типичными уходящими группами являются водород или металлы, хотя некоторые перегруппировки начинаются с присоединения отрицательно заряженного иона к карбонильной группе. В настоящем разделе будут последовательно рассмотрены перегруппировки Стивенса и Виттига, а также арильная и бензиловая перегруппировки.
Перегруппировка Стивенса и родственные ей превращения
Перегруппировка Стивенса [13] заключается в перемещении алкильной группы от четвертичного аммониевого азота к соседнему с ним карбанионному центру. Реакция начинается с отрыва протона от углеродного атома, обычно одновременно активируемого четвертичной аммониевой и карбонильной группами. Однако фенильная группа тоже может служить активатором [14]. Аналогичная перегруппировка наблюдается у сульфониевых солей [136].
Обычно мигрирующими группами [13] являются аллил, 1-фе-нилэтил, бензгидрил, 9-флуоренил, 3-фенилпропаргил или фенацил, хотя метильная группа тоже способна мигрировать к достаточно основному центру [14]. Электроотрицательные группы, расположенные в мета- или пара-положениях перемещающейся бензильной группы, ускоряют перегруппировку [136, 15] в следующем порядке: NO2 > I, Br, Cl > СН3, Н > ОСН3. Заместители в пара-положении фенацильной группы, активирующей потенциальный карбанионный центр, влияют на скорость перегруппировки в обратной последовательности: СН3О > СН3 > Н, С1, Вг, I > NO2, т. е. наибольшую активацию вызывают наиболее электроположительные группы [13в]. Таким образом, перегруппировка облегчается при оттягивании электронов с мигрирующего атома углерода и при локализации электронов на том атоме углерода, к которому переносится мигрирующая группа.
248
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
Совместная перегруппировка двух соединений, обладающих примерно одинаковой скоростью изомеризации, не приводит к образованию «гибридных» продуктов [15]; последние не были обнаружены даже в опытах с использованием радиоактивного углерода в качестве метки [16]. При проведении перегруппировки оптически активной соли диметил-(1'-фенил)этилфенациламмония, где в качестве мигрирующей группы выступает асимметричная а-фенилэтильная группа, реакция протекает с сохранением оптической активности на 97% [17] и без изменения исходной конфигурации а-фенилэтильной группы [18].
СН3 Н	СН,
। ।	он\ I -
СН3—+N — СН—СОС6Н5	Z± СН3—+N—СН —сосвн5 —>
СвН5-(!*-Н	С6Н5-*С-Н
СНз	СН3
СН3
СН3—N—СН—СОС6Н5
C6H5—*С—Н I СН3
Под действием амида натрия в бензоле или в жидком аммиаке бромистый диметилаллилбензиламмоний претерпевает одновременно две конкурирующие друг с другом перегруппировки; в первой из них бензильная группа переносится к а-углеродному, а во второй — к у-углеродному атому аллильного остатка [19]. В бензоле при 80° соотношение продуктов 1,2- и 1,4-сдвига составляло примерно 1,4. В жидком аммиаке при —33° 1,2-перегруппировка протекала гораздо быстрее, чем 1,4-перегруппировка [196]. При обработке бромистого триэтилаллиламмония амидом натрия в жидком аммиаке при — 33, 0 и 65° соотношение продуктов 1,2- и 1,4-миграции этильной группы равнялось соответственно 1:1, 1:2 и 1 : 25 [19 г].
СН3 Н	СН3
|	|	ОН“	|	_	Медленно
СН3—+N —СН—СОС6Н5 t > СН3—+N—СН—СОСвН5 ,,	~»
С6Н5- СН2	СвН5—СН2
СНз СН3—А—СН—сосвн5 свн5~сн?
1,2-Перегруппировки
249
СН3 Н	СН3Ы
I I	CeH5Li	|	-
СН3—+N — СН—С6Н5------> СН3—+N—СН—СвН5 —>
<^Н3	СН3
СН3
—» СН3—N—СН—СвН5 СН3
Н
+ 1 :В + ~
СН3— S—СН— СОС6Н5	СН3—S —СН—сосвн5 —»
свн5-сн2	свн5—сн2
СН3—S—СН—СОС6Н5 свн5—сн2
сн3
СН3—N—СН2—СН=СН2
с6н5сн2
Бромистый аллил-бснзилдиметиламмоний
NaNH2
С6Н6 или NH3
СН
СН3	СН3
-> СН3—N—СН—СН = СН2 + СН3—N—СН=СН—СН2
(!н2с6н5	<1н2свн5
Продукт 1,2-перегруппировки
Продукт 1,4-перегруппировки
При реакции оптически активного соединения I с амидом натрия образуются продукты 1,2-сдвига (II) и 1,4-сдвига (III) [196]. Степень сохранения конфигурации а-фенилэтильного остатка в соединении II превышает 90%, а в соединении III она равна примерно 80% в бензоле и 72% в жидком аммиаке. Этот результат говорит о том, что обе перегруппировки протекают с промежуточным образованием недиссоциирующей интимной ионной пары. Вращение анионной и катионной частей этой ионной пары относительно друг друга происходит со скоростью, сравнимой со скоростью распада ионной пары. Подобное положение уже наблюдалось у ионных пар, возникающих при отрыве протона от С — 11-кислот (см. гл. III и V), где также имеет место вращение катио
250
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
нов и анионов внутри ионной пары.
СН3
СН3—N-----СН
 I Г \
С6Н5—СН	,сн
сн3 сн^
<fH3
СН3—N—СН2—СН=СН2
с6н5-сн
сн3
I
Ионная пара
СН3	СНз
—> СН3—N—СН—СН = СН2 + СН3—N—СН=СН—СН2
С6Н5-*СН	СвН5-*СН
Ан3	СН3
II	III
Продукт 1,2-перегруп- Продукт 1,4-перегруппировки, 90% сохранения пировки, 70—80% конфигурации	сохранения конфигурации
Рассмотренная выше 1,4-перегруппировка близка по характеру к перегруппировке Соммле — Маузера [20]. Последняя состоит в том, что при взаимодействии солей бензилтриметиламмония с амидом натрия в жидком аммиаке образуется о-метилбензилди-метиламин. Если оба ордпо-положения в бензильной группе четвертичного аммония уже заняты метилами, то продукт перегруппировки не способен к ароматизации и в результате получаются соединения типа IV [21а]. При нагревании эти соединения снова перегруппировываются в ароматические вещества; например, соединение IV превращается в V [21].
N(CH3)2I
СН2 СН3
NaNH2
NH3 *
N(CH3)2
СН2 СНз
1 ^-Перегруппировки
251
СН2	СН3
^/СНг^СНЖ ^x/CH2N(CH3)2
CH2N(CH3)2I
НзС\А/СНз
ч/ I сн3
сн2
II |хсн»
сн3
IV
Нагревание ---------->
CH2CH2N(CH3)2
СНз^Д/СНз
СН3
Если превратить соединение IV в соответствующую четвертичную аммониевую соль, а последнюю обработать амидом натрия в жидком аммиаке, то в результате образуется соединение VI [21].
СН2 СНз\/\/СНз iv _ Д	|| |xch2n(ch3)3i
СН3
NaNH2
NH3
СН3
I сн3
/СН,
^ЩСН^Г хсн2/
I Н
СН3
сн3
С[чА/сн»
I |xCH2N(CH3)2
I 2 сн3
VI
Соответствующим образом построенные сульфонивые соли тоже вступают в перегруппировку Соммле — Хаузера под действием
252
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
оснований [21 б, в].
СН3
СП2 СН3
NaNH2
СН3 ^X/CH2SCH3
СН3—S+—сн3
CH2SCH3
В качестве первого промежуточного продукта при перегруппировке Соммле — Хаузера был постулирован метилен-илидный биполярный ион. Однако при попытке уловить это соединение в виде его аддукта с бензофеноном был получен только продукт присоединения бензофенона по бензильному положению [22].
(CH3)3NI
+ (СвН5)2СО
1) NaNH2 ------->
2) Н2О
(СНз)зМ
СН —СН(С6Н5)2
А <1н
Изучение влияния заместителей на легкость перегруппировки [23] показало, что заместители, стабилизирующие карбанион (например, фенил [23а] или циклопропил и винил [236]) более активно способствуют перемещению несущего их углеродного атома в ортпо-положение бензильной группы, чем такие заместители, как метил или водород. Более того, главным продуктом перегруп-
СН3О	СН2— N(CH3)2Br
СН2
N(CH3)2
VII
VIII
1 ^-Перегруппировки
253
пировки соединения VII является VIII, из чего следует, что направление перегруппировки может определяться прежде всего стадией отрыва протона.
Представляется весьма привлекательным механизм перегруппировки Соммле — Хаузера, предполагающий промежуточное образование ионной пары. Такой механизм способен объяснить почти все примеры этой перегруппировки, а также связывает ее с перегруппировкой Стивенса.
>C=N<
пара
Вращение аниона
Согласно этому механизму, анион образующейся ионной пары успевает совершить частичный поворот до того, как произойдет распад ионной пары на ковалентные продукты. Если этот механизм правилен, то образование соединения VIII из VII должно происходить с промежуточным образованием ионной пары А.
СН2 +N(CH3)2
Перегруппировка Виттига
Перегруппировка Виттига [24] заключается в том, что при действии на простые бензиловые или аллиловые [206] эфиры сильными основаниями (например, фенил литием или амидом натрия)
254
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
происходит 1,2-сдвиг и образуется алкоголят, который при подкислении реакционной смеси превращается в спирт [24]. Изучение способности различных групп к миграции, проведенное на ряде простых эфиров флуоренола-9 в системе тетрагидрофуран — фенил-литий [24в] дало такую последовательность: аллил, бензил > > метил, этил, и-нитрофенил > фенил [24г].
CeH5Li -	н2о
С6Н5СН2—О-----> С6Н5СН—О	С6Н5—СН —OLi--->
<Lh3	Li СН3 СН3
—> свн5—СН—ОН
сн3
Na+
NaNH2	-	Эфир
сн2=сн—сн2—о-----------> сн2=сн—сн—о-------->
сн2=сн—сн2	сн2=сн—сн2
сн2=сн—сн—он
сн2=сн—сн2
H OR
ГНТ(
III II1^ ч/
R ОН
В другой работе, посвященной изучению миграционной способности различных групп, Хаузер и Кантор [206] металлировали ряд бензиловых эфиров амидом калия в жидком аммиаке, выделяли металлоорганические соединения (калиевые соли С — 11-кислот) и подвергали последние перегруппировке путем кипячения их суспензии в эфире. При этом по легкости миграции алкильные группы расположились в следующем порядке: бензил > втор-бутил > неопентил, фенил. Наконец, Куртин [25], изучая перегруппировку ряда простых эфиров бензгидрола (дезиловых эфиров) под действием спиртового раствора едкого кали, установил, что по своей способности к миграции группы образуют следующий ряд: бензгидрил > бензил, п-нитрофенил > фенил.
Стивенс и сотрудники [26] установили, что как кротиловый, так и а-метилаллиловый эфиры флуоренола-9 дают в качестве основного продукта перегруппировки 9-кротилфлуоренол-9. В первом случае имеет место 1,2-перегруппировка, а во вто-
1 ^-Перегруппировки
255.
ром — 1,4-перегруппировка.
СН3СН = СНСН2О Н
СН3СН = СН — СП2 ОН

кон
--->
9-Флуоренил-кротиловый эфир
9-Кротил-флуоренол-9
кон
СН3
СН2 = СН —СН —О н
ZxX/\
\/
9-Флуоренил-а-метилаллиловый эфир
Перегруппировка бензилового эфира циклопропилкарбинола под действием метиллития в тетрагидрофуране приводит в основном к циклопропилкарбинилфенилкарбинолу. При этой перегруппировке раскрытие кольца в циклопропильной группе происходит не более чем на 6—10% [27а].
При нагревании оптически активного эфира IX с N-метилани-лидом калия в N-метиланилине происходит расщепление эфира с образованием 2-фенилбутана; степень сохранения конфигурации у последнего не меньше 29 %. Этот стереохимический результат напоминает результаты других реакций анионного расщепления^
С6Н5— СН2—О*
С2н — С—СН3 + KN—СбН5
СбН5	СН3
IX
с6н5сн—о к+ I, с2н—с—сн3
С6Н5
сн3
HN-С6Н5
2п5 у С6Н5
Н
J
С2Н5— с—СН3 + С6Н5СНО
с6н5
Неразделенная ионная пара
256
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
протекающих с промежуточным образованием ионных пар; при этих реакциях входящий в ионную пару карбанион реагирует о находящимися в реакционной среде протонодонорными агентами (см. гл. IV).
Было высказано предположение, что подобные реакции расщепления и реакция Виттига протекают с промежуточным образованием таких ионных пар. В тех случаях, когда электрофильным агентом является протон, происходит расщепление. Если же электрофильным агентом служит карбонильная группа, то образуется продукт перегруппировки Виттига*.
Убедительное доказательство такого механизма элиминирования — присоединения с участием ионной пары было получено Шоллькопфом и сотрудниками [29]. Расщепление оптически активного эфира X с помощью бутиллития в ряде растворителей при различных температурах приводит к образованию спирта XI, который рацемизован на 67—82%. Что касается той части продукта, которая сохранила оптическую активность, то она имела ту же конфигурацию, что и исходный эфир. Контрольными опытами было показано, что наблюдаемая рацемизация происходит только в ходе перегруппировки.
C2Rj-CH2-o
z->tt	__р TJ С4Н9Ы
—у““Ч>н5 -----
Н
X
Li СбН5—СН—О
сн3 с с2н5 н
С6Н5—СН=6
Li —>
СН3 с—с2н5 н Частично рацем зуется
С6Н5— СН—OLi СН3—С2Н5 н
С6Н—СН—он
- сн3— с—С2Н5
н XI
Смесь рацемата и продукта с сохранившейся исходной конфигурацией
* Виттиг относил открытую им перегруппировку, а также перегруппировки Стивенса и Соммле к катионотропным и считал, что это подтверждается наблюдаемым влиянием заместителей. Однако если предположить, что эти перегруппировки совершаются в результате фрагментации с образованием ионных пар, как это делает Крам, то их следует считать анионотропными. В таком случае влияние заместителей связано не с облегчением электрофильной атаки по анионному центру, а со стабилизацией образующегося карбаниона, то есть лимитирующей стадией является не образование новой С — С-связи, а разрыв старой О — С- или N — С-связи.— Прим. ред.
1,2-П ере группировки
257
Если эфиры XII и XIII в смеси тетрагидрофурана и эфира подвергнуть совместной перегруппировке при —56°, то количество «гибридного» продукта свидетельствует о том, что реакция протекает по межмолекулярному механизму всего на 7%. В тех же условиях оптически активный эфир X перегруппировывается примерно с 80 %-ной рацемизацией; остальные 20% продукта имеют ту же конфигурацию, что и исходный эфир [29в].
n-D€cH4CH2 —О
СН3-С-С2Н5 I н
XII
СвН5СН2 —О сн3—d—н
I н
XIII
Ленсбери и Паттисон (276] независимым путем доказали, что перегруппировка Виттига происходит по механизму диссоциации — рекомбинации. При изомеризации дибензилового эфира под действием метиллития в бензилфенилкарбинол • в качестве побочного продукта образуется метилфенилкарбинол. Если в качестве растворителя для проведения этой реакции использовать смесь эфира с тетрагидрофураном (1 1), то выход метилфенилкарбино-ла составляет 3%. Если же реакцию проводить в смеси тетрагидрофурана с диметоксиэтаном (1 1), то выход метилфенилкарби-нола повышается до 25%. Очевидно, что эта реакция протекает с промежуточным образованием бензальдегида.
С перегруппировкой Виттига сходна термическая перегруппировка окисей аминов в производные гидроксиламина (перегруппировка Мейзенгеймера), протекающая примерно с 60—80 %-ной рацемизацией [29г, д]. Введение в арильную группу электроноакцепторных заместителей повышает скорость реакции, а введение электронодонорных заместителей — снижает. Для перегруппировки Мейзенгеймера также был постулирован механизм элиминирования— присоединения. Вначале предполагалось, что реакция представляет собой гетеролитический распад [29г], но позднее был предложен другой механизм, заключающийся в гомолитическом разрыве молекулы и рекомбинации образующихся радикалов внутри сольватной ячейки.
(CH3)2N —О	(CH3)2N~O
|	Нагревание	_
С„Н5-С*-Н-------------> С6Н5 —С—Н
I	I
D	D
Ионная пара 17—539
(CH3)2N-O C6HS—(L н
D
Рацемат (80%)
258
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
1,2-Миграция арильной группы
Анионная 1,2-миграция фенильной группы наблюдается либо непосредственно при получении металлоорганических соединений некоторых арильных систем, либо при нагревании этих металлоорганических соединений. Эта перегруппировка была почти одновременно обнаружена Гровенстайном [30а] и Циммерманом и Смен-товским [31а]. Вначале они показали [30а, 31а], что при действии на 2,2,2-трифенилэтилхлорид металлическим натрием в диоксане или в смеси изооктана с эфиром образуется 1,1,2-трифенилэтил-натрий, протонирование которого приводит к 1,1,2-трифенилэта-ну, а карбонизация — к 2,2,3-трифенилпропановой кислоте.
-	ROH
(CeH5)3C — СН2С1 + Na -> (С6Н5)2С —СН2СвН5-> (С6Н5)2СНСН2СвН5
2,2,2-Трифенилэтилхлорид Na+	1,1,2-Трифенилэтан
Ь
(С6Н5)2С-СН2С6П5
СООН
2,2,3-Трифенилпропановая кислота
Позднее [306, 316] вместо натрия был использован литий, и реакцию (или сходные с ней реакции) проводили при низкой температуре. В этих условиях образующееся металлоорганическое соединение имело то же строение, что и исходный галогенид, что было доказано его протонированием или карбоксилированием соответственно в углеводород или кислоту «нормального» строения. Гровенстайн и Уильямс [306] работали с 2,2,2-трифе-нилэтилхлоридом, а Циммерман и Цвейг [316] — с 2,2-дифенил-пропилхлоридом. Полученные литийорганические соединения при повышении температуры перегруппировывались (в результате 1,2-миграции фенила) в изомерные литийорганические соединения, что было доказано опытами по протонированию и карбоксилированию. В интервале температур от —65 до —30° 2,2,2-трифенил-этиллитий в тетрагидрофуране достаточно устойчив, но уже при 0е он легко перегруппировывается в изомерное литийорганическое соединение [306]. 2,2-Дифенилпропиллитий может быть получен в эфире при 0° и перегруппировывается в 1,2-дифенилизопропил-литий при температуре около 35° [316].
Легкость миграции фенильной группы в этих системах сильно зависит от природы применяемого металла. При использовании 2,2,2-трифенилэтилхлорида в качестве исходного продукта все попытки получить из него соответствующее калий- или натрий-
1,2-Перегруппировки
259
(С6Н5)3С —C1I2C1
2,2,2-Трифеиил-этилхлорид
L1, (СН2)4О
-65°
вн
(С6Н5)3С —СН2 —Li -> (СвП5)3С -СН3
2,2,2-Трифенил-этиллитий
(С6Н5)2 —С —СН2С1
2,2-Дифенил про-пилхлорид
СО2 ------> (СвН5)3ССН2
Li+	ioOH
_	вн
(CeH5)2C-CH2CeH5 —> (С„Н5)2СНСН2СвН5
1,1,2-Трифенилэтиллитий |с°2 (СвН5)2С-СН2С6Н5
соон
СНз
Li, эфир	|	ВН
---(С6Н5)2С—СН2—Li
2,2-Дифенилпро-пиллитип
со2
35°-------> (С6Н5)2С—СН2СООН
СН3 (С6Н5)С-СН3
СНз
СНз
CeH5-J-CH2C6H5
СНз
свн5сн- сн2свн5
1,2-Д ифенилизопропиллитпй
со2
СН3
С6Н5-А-СН2С6Н5 (кюн
органическое соединение неизменно приводили к продуктам перегруппировки [306]. В случае 2,2-дифенилпропилхлорида соответствующее симметричное магнийорганическое соединение (полученное через ртутьорганическое производное) не могло быть перегруппировано, в то время как попытки получить 2,2-дифе-нилпропилкалий (тоже через ртутьорганическое производное) привели лишь к его изомеру [316]. Только в случае литийоргани-
17*
260
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
ческих соединений удается сначала получить «нормальные» производные, а затем осуществить их перегруппировку. Тенденция к перегруппировке убывает по ряду RK « RNa > RLi > R2Mg, т. е. параллельно ослаблению ионного характера связи углерод — металл. Такая корреляция указывает на карбанионный механизм перегруппировки.
При нагревании 2-фенил-2-п-толилпропиллития в эфире фенильная группа мигрировала примерно в И раз быстрее, чем п-толиль-ная [316]. Если учесть, что при свободнорадикальных перегруппировках подобных систем миграционная способность фенильной и n-толильной групп примерно одинакова [32], то вышеназванный факт говорит об анионном характере перегруппировки. Фенил в качестве мигрирующей группы лучше стабилизирует отрицательный заряд, чем п-толил.
СН3
I	Li
n-ClI3CeH4 —С —СН2С1 ---——>
I	Эфир, 0°
с6н5
СНз	СНз
I	СО2	I
—> 71-СН3Св114-С — СН2Тл ---> п-СН3СвН4 — С —СН2СООН
С6н5	свн5
35°
СНз п-СН3С6Н4 — с — СН2С6Н5
Li+ +
СН3
СвН5—А — СН2СвН4СН3-п
Li+
СН3
и-СН3СвН4—С—СН2СвП5
I
со2	СООН
>	И частей
сн3 +
СвН5—А—СН2С6Н4С Н3->1 Аоон
1 часть
Внутримолекулярный характер анионной 1,2-миграции фенильной группы был доказан при проведении перегруппировки 2,2,2-трифенилэтиллития»в тетрагидрофуране в присутствии меченого фениллития и карбонизации продукта перегруппировки [306]. Полученная таким образом 2,2,3-трифенилпропановая кислота содержала < 0,05% радиоактивной метки.
Перечисленные данные являются убедительным доказательством анионного механизма 1,2-перегруппировки. Для объясне-
1,2-Перегру ппировки
261
ния этого механизма можно предложить две общих схемы. Согласно первой из них, арил в качестве соседней группы либо вытесняет литий, либо мигрирует к свободному анионному центру, образуя «этиленовый фенанион» (который может быть дискретным промежуточным продуктом или формой переходного состояния). Как известно из химии карбониевых ионов, аналогичным образом построенный фенониевый ион служит дискретным промежуточным продуктом при некоторых перегруппировках [33]. В результате перестройки фенаниона конечным продуктом анионной 1,2-перегруппировки является более устойчивое бензильное металлоорганическое соединение. Согласно второй схеме, перегруппировка происходит путем внутримолекулярного элиминирования — присоединения; при этом компоненты удерживаются вместе, будучи лигандами иона металла внутри ионной пары. Сделать выбор между двумя этими схемами на основании экспериментальных данных пока не удалось.
Механизм 1
Фенанпин как промежуточный продукт или переходное состояние
Механизм 2
Фенониевый ион (дискретный промежуточный продукт) [33]
II	\	/	I
-С—гс-  > с=с —> — с-с —
I^Vi	/	X	II
с"^м м с‘н’
Ионная пара с олефином в качестве лиганда при ионе металла
Гровенстайн и Вентуорс [ЗОв] показали, что в определенных системах перегруппировка может происходить только по л^еяслю-лекулярному механизму элиминирования — присоединения. При действии на 2,2,3-трифенилпропилхлорид литием в тетрагидро
262
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
фуране при —65° образуется «нормальное» литийорганическое соединение — 2,2,3-трифенилпропиллитий (доказано методом карбонизации). При нагревании до 0° в присутствии меченого бензиллития это соединение перегруппировывается в 1,1,3-трифенилпропиллитий, который после карбонизации превращается в 2,2,4-трифе-нилбутановую кислоту; наряду с этим получается фенилуксусная кислота. Распределение радиоактивной метки в обеих кислотах примерно таково, каким оно должно было бы быть при протекании перегруппировки целиком по межмолекулярному механизму.
с6н5
I	(СН2)4О
С6Н5С112 - С - CH2Li CeII5*CH2Li --
с6н5
2,2,3-Трифенилпропиллитий
-> {(С6Н5)2С -СН2 + С6Н5*СН2Ы ->
Li+
СО2 {(C6II5)2C-CH2--CH2*C6H5 + CeH5*CH2Li}----->
-> (С6Н5)2С - СН2 - СН2*С6Н5 + С6Н5*СН2СООН
СООН
2,2,4-Трифенилбутановая кислота
В связи с перегруппировкой 2,2,2-трифенилэтиллития возникает ряд вопросов, на которые еще не найдено ответа. 1. Участвует ли фенил в разрыве С — Li-связи или же перегруппировка проходит с образованием в качестве дискретного промежуточного продукта аниона с зарядом на первичном атоме углерода? 2. В какой степени перегруппировка зависит от влияния стерических факторов и в какой — от тенденции к делокализации заряда? 3. Какова пространственная направленность перегруппировки? 4. Как влияют заместители при Са и Ср на движущую силу перегруппировки? 5. Как влияют растворители на ход перегруппировки? 6. Может ли эта перегруппировка происходить тогда, когда карбанион генерируется иным методом? Подобного же рода вопросы стояли в свое время при изучении 1,2-миграции арильных групп, протекающей с участием карбониевого иона [341; сейчас на большинство этих вопросов уже получен ответ.
Бензиловая перегруппировка и родственные ей превращения
Хотя перегруппировка бензиловой кислоты протекает без промежуточного образования карбаниона, она тем не менее является примером анионной перегруппировки и поэтому будет здесь рас-
1,2-Перегруппировки
263
смотрена. В большинстве случаев этой перегруппировки [35] наблюдается 1,2-миграция арильной группы, хотя известны существенные отклонения от этой закономерности. Ниже приведены характерные примеры бензиловой перегруппировки [361:
СН2СООН
С = О
I с=о
I сн2соон
1) кон
2) Н3О+
/Р NH-Cf )С=О NH-с/ ^0
СН2СООН
НО —С—соон
СН2СООН
1) кон ------>
2) н3о+
он
.NH— С — СООН
0 = С< I
XNH—CL
Х0
Механизм [37 ], лучше всего связывающий между собой и объясняющий многочисленные примеры бензиловой перегруппировки, предполагает, что вначале происходит быстрое и обратимое присоединение иона гидроксила к одной из карбонильных групп, за которым следует миграция арила к относительно бедному электронами соседнему атому углерода [уравнение (7) ]; эта миграция является стадией, лимитирующей общую скорость процесса. Быстрый перенос протона, приводящий к конечному продукту, происходит обычно при растворении спиртов или карбоновых кислот в гидроксилсодержащих растворителях.
Перегруппировка протекает как реакция первого порядка относительно иона гидроксила и относительно субстрата [38]. В воде, обогащенной О18, бензил вступает в катализируемую основанием реакцию изотопного обмена, и скорость вхождения О18 в карбонильные группы бензила намного выше скорости перегруппировки [39]. Перегруппировка бензила в бензилат натрия при 50° в смеси диоксан — окись дейтерия (2 1) протекает почти вдвое быстрее, чем в смеси диоксан — вода (2 1) [40]. Это разли
264
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
чие в скоростях объясняется большей основностью дейтероксиль-ного иона в окиси дейтерия по сравнению с основностью гидроксильного иона в воде. Дёринг и Урбан [41] обнаружили, что
О о
(7) С6Н5—С—С—С6Н5 + ОН' '< К 1
Быстро
С6Н5—с—с—он
k
Медленно
С6Н
о	он
I	I
С6Н5—С—СООН	С6Н5—С—СОО'
СбН5	с6н6
бензил реагирует с метилатом натрия или с трет-бутилатом калия нормально, образуя соответствующие сложные эфиры бензиловой кислоты, но что реакция с этилатом натрия сильно осложняется вследствие переноса гидридного иона от этилат-аниона на карбонильную группу бензила.
Электроноакцепторные заместители в метпа- или в тшра-поло-жениях бензила повышают, а электронодонорные заместители понижают скорость перегруппировки бензилов [42]. Эти заместители влияют и на основное, и на переходное состояние, в частности, благодаря тому обстоятельству, что лимитирующей стадии перегруппировки предшествует равновесная стадия присоедине ния аниона основания к карбонильной группе [см. уравнение (7)]. Экспериментально определяемая константа скорости перегруппировки (&эксп) связана с константой равновесия (К) и константой скорости лимитирующей стадии (к) при помощи уравнения (8).
(8)	^’эксн
Если соответствующее лимитирующей стадии переходное состояние по своему строению мало отличается от аддукта бензила с гидроксильным ионом, то электроотрицательные заместители должны стабилизировать это переходное состояние, ибо последнее несет отрицательный заряд [43]. Меньшая скорость перегруппировки ортпо-замещенных бензилов по сравнению с соответствующими тшра-замещенными соединениями [42] обусловлена большим стерическим сжатием в необходимом для перегруппировки переходном состоянии и связанным с этим повышением энергии активации.
С помощью изотопной метки удалось определить, какая из двух арильных групп в несимметрично замещенном бензиле мигрирует легче [44] [см. уравнение (9)]. Как и следовало ожидать на осно-
1,2-Перегруппировки
26.S
вании сказанного выше о влиянии заместителей на скорость пере группировки, арильные группы с более электроноакцепторными группами мигрировали быстрее. График, выражающий связь меж ду логарифмом соотношения продуктов миграции мета- и пара-монозамещенных бензилов и константой Гаммета (о) для соответ ствующих заместителей, представляет собой прямую линию, угол наклона которой к оси абсцисс дает значение константы реакции р = 1,43 [35]. Эта величина сравнима с величиной р = 1,45, найденной для реакции 2,4-динитрофениларильных эфиров с метилатом калия, при которой образуются арилметиловые эфиры [451 [см. уравнение (10)].
(9)
ОН
Продукт миграции замещенного фенила
Продукт миграции фенила
NO2
Перегруппировки типа бензиловой часто наблюдаются при добавлении арильных магнийорганических соединений к бензилу или к замещенным бензилам [35]. Вероятность таких перегруппировок особенно велика в тех случаях, когда металлоорганическое соединение обладает большим эффективным объемом, поскольку
266
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
стерическое сжатие может быть уменьшено при образовании продукта, соответствующего миграции менее объемистой арильной группы.
О О
ОН Ar —С — 1	II II Ar —С — ( О II • С—Аг	1) Эфир	
		2 —Аг' + Ar"MgX О он II 1 Аг — С — С — Аг'	2) Н3О+'> ОН О 1 II Аг —С — С —Аг'' 1
1 Аг"		Аг"	1 Аг' Продукт перегруппировки
Аналогичное превращение претерпевают иногда под действием оснований и а-арилбензоины [25а, 35, 46]. Например, Куртин и Лесковиц [25а] обнаружили, что при действии щелочи на соединение XIV образуются вещество XV и продукты его расщепления. Многочисленные примеры этой перегруппировки и аналогичных ей превращений рассмотрены в работе Селмана и Истхэма [35].
ОН О
I II	ОН-
С6Н5-С —С-С6Н5------->
СН(С6Н5)2
XIV он I
(С6И5)2СН - С - С(С6Н5)2 + (С6Н5)2СНСООН + (С6Н5)2СНО 11
о XV
При рассмотрении материала по бензиловой перегруппировке и близким ей превращениям возникает вопрос о конкретном характере стадии, определяющей общую скорость процесса. Например,
Аг—с----С—Аг
М ••••Аг
Ионная пара — возможный промежуточный продукт при перегруппировке третичных кетолов
Фенанион — возможный промежуточный продукт при бензиловой перегруппировке
Перегруппировки с 1,3-элиминированием
267
по крайней мере в тех случаях, когда реакция проводится в непро-тонизирующих растворителях, существует вероятность того, что промежуточным продуктом служит ионная пара. Другой возможностью при такой арильной 1,2-перегруппировке является образование в некоторых случаях фенанионов как дискретных промежуточных продуктов.
ПЕРЕГРУППИРОВКИ, ВКЛЮЧАЮЩИЕ СТАДИЮ 1,3-ЭЛИМИНИРОВАНИЯ
Известен ряд катализируемых основаниями перегруппировок, при которых в качестве нестойкого промежуточного продукта образуются соединения с трехчленным циклом. В ряде случаев эти продукты невозможно выделить. Во второй стадии реакции этот продукт распадается с образованием конечного продукта перегруппировки. В упрощенном виде схема таких перегруппировок может быть представлена уравнением (И).
Конечные продукты ___перегруппировки (трехчленный цикл раскрыт)
Движущая сила стадии, приводящей к образованию трехчленного цикла, заключается, с одной стороны, в высокой нуклеофильности карбаниона, а с другой — в близости центра, способного претерпевать реакцию нуклеофильного замещения. Первая стадия этих перегруппировок напоминает давно известную реакцию получения циклопропанов по схеме 1,3-элиминирования. Примером такой реакции может служить превращение кетолактона XVI в циклопропановое производное XVII [471.
XVI
(1) mpem-C4H9OK II / X , .—с6н5—с—сн—СН—(СН2)2—СООН
(2)Н3О+	65
XVII
К превращениям, включающим стадию 1,3-элиминирования, относятся перегруппировки Фаворского, Небера, Рамберга — Бекланда и ряд других, которые будут обсуждены ниже.
11 ерегруппировка Фаворского
Хотя перегруппировке Фаворского посвящены два обзора [48], уместно еще раз остановиться на ее основных закономерностях, так как со времени опубликования этих обзоров появился ряд
268
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
новых принципиально важных работ: кроме того, перегруппировка Фаворского служит прототипом других, менее изученных перегруппировок, о которых говорится в данном разделе.
Перегруппировка Фаворского состоит в превращении а-гало-генкетонов в имеющие иной скелет карбоновые кислоты или их производные, протекающем под действием нуклеофильных оснований (ОН, OR, NHR2). Соответствующим образом построенные а,а-дигалогенкетоны обычно в условиях перегруппировки превращаются в ненасыщенные кислоты или в их производные.
II
/С\ /Вг
^2^С(СН3)2 сн3о^ н
СН3О^
СН3ООС—С(СН3)3
ноос—с=сн2
Образование промежуточного продукта с трехчленным циклом подтверждается следующими опытами. При действии едкого натра на 1-хлор-3-фенилпропанон-2 или на 1-хлор-1-фенилпропанон-2 образуется один и тот же продукт —3-фенилпропановая кислота. Образование одного и того же продукта из разных исходных соединений говорит об образовании общего для обоих реакций промежуточного продукта. Таким продуктом является фенилциклопропанон, который может быть получен из обоих исходных соединений в результате реакции 1,3-элиминирования [49].
С6и5—СН2 нсП н
1-Хлор-З-фенил-процанон^-2
О
X II
СЧ /с\
С6Н5—СН	сн2
нО)Н 1-Хлор-1-фенил-пропанон-2
Фенцлциклопропанон
|н2о
С6Н5СН2СН2СООН 3»Фенилпропановая кислота
Перегруппировки с 1,3-элиминированием
269
Изящное доказательство наличия «симметризующей» стадии в механизме перегруппировки было представлено Лофтфилдом 150]. Он показал, что перегруппировка 2-хлорциклогексанона под действием этилата натрия в этаноле протекает как реакция первого порядка относительно субстрата и относительно иона алкоголята. При действии на 2-хлорциклогексанон-1,2-С14 (метка распределена поровну между углеродными атомами 1 и 2) менее чем одним эквивалентом изоамилата натрия в изоамиловом спирте были получены изоамиловый эфир циклопентанкарбоновой кислоты и исходный хлоркетон. Распределение изотопной метки в последнем осталось без изменения, а в полученном сложном эфире распределение метки оказалось следующим: 50% в карбоксиле, 25 % — на а-углеродном атоме в цикле и еще 25% — на двух 0-углерод-ных атомах в цикле.
Очевидно, что до перегруппировки не происходит никакой миграции галогена. В противном случае в непрореагировавшем хлоркетоне часть радиоактивности попала бы из положения 2 в положение 6. Кроме того, результаты опыта свидетельствуют о том, что в промежуточном продукте атомы 2 и 6 циклогексановой системы должны быть равноценны. Этому требованию удовлетворяет система циклопропанона и ее образование типично для большой группы катализируемых основаниями реакций 1,3-элиминирования, приводящих к трехчленным циклам. Раскрытие постулируемого циклопропанового промежуточного продукта, приводящее к кислотам и их производным, согласуется с известными данными по реакционной способности циклопропанонов [51].
Расщепление этого кетона, как и расщепление других кетонов под действием оснований, должно происходить таким образом, что промежуточно образующийся карбанион является наиболее устойчивым (см. гл. IV). Как явствует из приведенных выше примеров, продукты перегруппировки Фаворского отвечают этому общему положению. Таким образом, нормальное протекание перегруппировки происходит, по всей вероятности, по «циклопропаноновому» механизму.
Еще более прямым доказательством промежуточного образования циклопропанонов при перегруппировке Фаворского является улавливание таких продуктов и превращение их в удобные для выделения производные без затрагивания трехчленного цикла.
270
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
Бреслоу и сотрудники [52] действовали триэтиламином в хлористом метилене при 25° либо на один чистый диастереомер, либо на смесь диастереомеров а,а'-дибромдибензилкетона. Продуктом
HOR ---►
н ь
а—С—С—COOR
а b
а — заместитель, в большей степени стабилизирующий карбанион, нежели Ь.
превращения оказался дифенилциклопропенон. Аналогичные реакции были проведены с другими алифатическими и циклическими дибромкетонами.
Ряд работ посвящен детальному изучению механизмов замыкания и размыкания трехчленного цикла в процессе перегруппировки Фаворского. Сторк и Боровиц [53] синтезировали два диастереомерных кетона (XVIIIa и XVIII6) и установили их конфигурацию. При действии сухого фенилкарбинолята натрия в эфире диастереомер XVIIIa превращался в кислоту XIXa, практически свободную от примеси кислоты XIX6. В тех же условиях диастереомер XVIII6 перегруппировывался в кислоту XIX6, почти
Перегруппировки с 1,3-элиминированием
271
не содержащую примеси XIXa. Этот стереохимический результат говорит о том, что при образовании промежуточного циклопропанона связанный с хлором атом углерода претерпевает обращение конфигурации.
XVIIIa
(OCgHgCHsONa, эфир (2)Н2О	*
XV1II6
(1)СбН5СН2ОЫа, эфир (2)Н2О	>
Хауз и Гилмор [54а] изучали перегруппировку соединения XVIIIa под действием метилата натрия в 1,2-диметоксиэтане и получили смесь метилового эфира кислоты XIXa (95%) и метилового эфира кислоты XIX6 (5%). Их результат сходен с результатом предыдущего опыта; следовательно, реакция в основном протекает с инверсией при несущем атом хлора асимметрическом атоме углерода. Однако в системе метанол — метилат натрия перегруппировка соединения XVIIIa дает с выходом 52% метиловый эфир кислоты XIX6 (т. е. продукт с неизмененной конфигурацией при С* — С1), тогда как выход метилового эфира кислоты XIXa составляет только 41%. Изучение других систем также показало, что степень стереоспецифичности перегруппировки Фаворского зависит от полярности растворителя [546]. Отсутствие стереоспецифичности может быть связано (хотя бы частично) с тем, что перегруппировке предшествует изомеризация а-галогенкетона [55].
Некоторые исследователи [56] считают возможным, что при перегруппировке Фаворского и некоторых конкурирующих с ней реакциях образуется не простая циклопропановая система (см. выше), а промежуточный продукт, в котором сильно делокализованы либо заряд [56а, б, в], либо связи [56г], либо, как в планарном резонансном гибриде XX, и то и другое одновременно. Поскольку такой промежуточный продукт обладает плоскостью симметрии, то (если не рассматривать возможность асимметричной сольватации) он не способен к стереоспецифическим превращениям. Резонансные формы Г, Д и Е подразумевают, что Са — О пли Са — Са1-связи имеют скорее л-, нежели п-характер.
Для полного выяснения деталей механизма перегруппировки Фаворского необходимы дальнейшие исследования. Помимо вопро-*
са о стереохимии замыкания цикла при С — С1, имеется еще ряд неясных моментов. Во-первых, является ли карбанион истинным
272
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
промежуточным продуктом на стадии 1,3-элиминирования или же отщепление протона и разрыв С — Cl-связи происходят в одном и том же переходном состоянии? И если последнее предположение верно, то какова будет стереохимия при центре С — Н? Во-вторых, какова стереохимия раскрытия трехчленного цикла при Са на второй стадии перегруппировки? Хотя работы Никона и сотрудников [57 ] по гомокетонизации в какой-то мере подсказывают ответ
на эти вопросы, не следует забывать, что родство между гомокето-низацией и перегруппировкой Фаворского весьма отдаленное, и поэтому из их сравнения нельзя делать определенных выводов.
К перегруппировке Фаворского близка катализируемая основаниями циклизация соединения XXI в спиродиенон XXII, который в свою очередь легко раскрывает трехчленный цикл [58]. При действии на фенольный бромид XXI тпретп-бутилата калпя в тпретп-бутиловом спирте образование соединения XXII было доказано спектроскопически. Выделить спиродиенон XXII удалось путем пропускания раствора соединения XXI в эфире через окись* алюминия с адсорбированным на ней едким кали. Осторожное упаривание эфирного элюата дало соединение XXII. Оно легко реагирует с гидроксильным или алкоголят-ионами и превращается в спирт или простой эфир, соответствующий раскрытию трехчленного цикла (XXIII).
XXII	XX1I1
R = H или СН3
Перегруппировки с 1,3-элиминированием
273
Перегруппировка Небера
При действии оснований на тозилаты оксимов последние после обработки реакционной смеси водой превращаются в а-аминоке-тоны [59]. Это превращение получило название перегруппировки Небера; недавно опубликован подробный обзор [60], посвященный этой перегруппировке.
Перегруппировка протекает успешно только в случае систем, строение которых может быть представлено формулой XXIV [61а]. Если в молекуле кетоксима имеются две неравноценные
а-метиленовые группы, то реакция идет в том направлении, при котором на аминогруппу заменяется один из более кислых водо
родов; при этом неважно, находится ли тозилоксигруппа в цис-
1) NaOC2H5, НОС2Н5
2) H3O+CI- “>
R —СН2—С—R
или в тпранс-положении к соответствующему метиленовому звену [59, 61, 62].
NH3C1
R —СН — С — R'
II О XXIV
При изучении реакции Небера были выделены два типа промежуточных продуктов: азиридины XXV [61а] и XXVI [59а] или азирин XXVII [616]. Промежуточные продукты XXV и XXI представляют собой аддукты азирина XXVII с подходящим протонодонорным агентом, что подтверждается превращением XXVI в XXVII под действием карбоната натрия [616]
ОС2Н5
NaOC2H5	|
п-С1С6Н4 — СН2— С — С6Н4С1-п ——и-С1С6Н4 — СН — С — С6Н4С1-п
||	НОС2Н5	у
N	"N
OTs	Н
XXV
TsCl -------> Пиридин
Ма2СОз
XXVI
н
_/№2
> O2N—СН — С — СНз \ z
N
XXVII
1/4 18-539
274
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
Единственным примером, на основании которого можно судить о стереохимии реакции у карбанионного центра, является получение а-аминокетона с экваториальной аминогруппой при перегруппировке соединения XXVIII [60]
\/\/ II N — OTs
XXVIII
Перегруппировка ---------------->
Небера
Этот результат ничего не говорит о том, образуется ли карбанион в качестве дискретного промежуточного продукта при этой перегруппировке, и если да, то какова его стереохимическая судьба. Даже рассматриваемая в целом стереохимия электрофильного замещения при а-углеродном атоме остается невыясненной в случае перегруппировки Небера.
Стадия циклизации при перегруппировке Небера сочетает в себе, по-видимому, особенности катализируемого основаниями 1,3-элиминирования с особенностями накладывающейся на этот процесс реакции 1,2-присоединения. Неспецифический, с точки зрения стереохимии, характер реакции наводит на мысль о том, что циклическая система азирина в соединении XXVII не образуется прямо. Возможно, первым промежуточным продуктом является винилнитрен, который на второй стадии перегруппировки превращается в азирин. Последний в свою очередь переходит в азиридин в результате реакции присоединения.
в>Н
—СН^-С— --------► | —СН==С— <*-*- —сн—с—
rll л	I	I	II
Kn-^-OTs	k	Ns	№
(Без определенной	Винилнитрен
конфигурации) В	О
нв I н2о II —Н С—-С---------—сн—с—
N	NH2
Н
Азирин
Азиридин а-Аминокетон
Дополнительным подтверждением этого механизма является получение 2-фенилазирина при пиролизе а-азидостирола [63],
П ерегруппировки с 1,3-элиминированием
275
протекающее, по-видимому, с промежуточным образованием винил-нитрена. Хотя предполагается, что здесь промежуточный продукт находится в триплетном состоянии, никаких экспериментальных оснований для этого нет.
Нагревание
< с€н5—С=СН2 -------СбН5—с-сн2>
<	-N-	-N J
Винилнитрен (в триплетном состоянии)
сг-Азидостирол
2-Фенилазирин
Известен ряд реакций, родственных перегруппировке Небера [64], которые, возможно, протекают с промежуточным образованием азиринов. При действии бромистого фенилмагния на оксим XXIX образуется азиридин XXX [64а]. Баумгартен и сотрудники [646, в] обнаружили, что Х,Х-дихлор-втор-алкиламины (XXXI) при обработке метилатом натрия превращаются в а-амино-кетоны (XXXII). Смит [64г], Парсел [64д] и Морроу [64е] изучали катализируемую основаниями перегруппировку иодметилатов диметилгидразонов в а-аминокетоны. В случае соединения XXXIII были выделены оба типа промежуточных продуктов, образующихся при перегруппировке Небера [64д].
CeH5MgBr
CeH5—С—СН2СН3--------->
С6Н5 —С— сн —сн3 \ / N
CeH5MgBr ------->
XXIX
с6н5
I с6н5—с—сн—сн3
XNZ
MgBr
н2о ---->
с6н5
С6Н5 —с —сн —сн3
XN н
XXX
NaOCH3
R — СН — СН3-------*
nci2
XXXI
R — С — СН2
СН3ОН
18*
276
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
ОСН3
I	н20
—> R — С — СН2-----> R — с — CH2NH2
\nZ	о
н
XXXII
С6Н5 —С —СН(СН3)2
II
N4 + xN(CH3)2
--h
(СНз)2СНОК	(СН3)2СНОН
---------> CeH5 —С —С(СН3)2------------>
Ч / N
XXXIII
ОСН(СН3)2
I
С6Н5 —С - С(СН3)2
N н
н2О ---->
НС1
СбН5 —С—С(СН3)2
II I о nh2
XXXIV
Реакция Рамберга — Бекланда
Интересным примером катализируемой основаниями реакции 1,3-элиминирования является превращение а-бромсульфонов в алкены [65 ]
Вг
CH3CH2SO2CHCH2CH3 + 3KOH —> CH3CH = CHCH2CH3 + KBr + K2SO3 + 2H2O
Механизм этой реакции изучали Бордуэлл и сотрудники [66].
Они установили [66а], что скорость отщепления хлор-иона от хлор метилсульфона и ему подобных соединений в разбавлен-ном^растворе едкого натра в смеси диоксана (40%) и воды при 50° соответствовала порядку реакции относительно сульфона и относительно основания. Авторы предложили следующий механизм перегруппировки а-хлорэтилэтилсульфона
ySO2< XI	Б	/SO?s Гс1
СН3—сн	СН— СН3 + ОН <БысТр0> сНд—СН	СН—СН3 + Н2О ^,JJleHHg.
н
а- Хлорэтилэтил-
сульфон
—>- сн3—сн—сн—сн3 -ыстро>
Эписульфон
СН3—СН=СН—СН3 79% цас-Бутен-2 21% Я*/>ЯЯС-Бу.Т£Н;=,2
Перегруппировки с 1,3-элиминированием
277
Хотя выделить эписульфон при этой катализируемой основаниями реакции не удалось, он был получен при реакции диазоэтана с сернистым ангидридом [666]. i^uc-Изомер эписульфона был выделен в чистом виде: при его нагревании был получен чистый цис-бутен-2. Нагревание смеси транс- и цис-эписульфонов (78 : 22) дало смесь транс- и 1{ис-бутенов-2 того же состава (78 22). При разложении ^мс-эписульфона под действием дейтероокиси натрия в окиси дейтерия был получен не содержащий дейтерия 1{ис-бутен-2 (100%-ной чистоты), тогда как при действии на цис-эписульфон пгрепг-бутилата калия в пгретп-бутиловом спирте-d 90% полученного бутена-2 содержало метку в положениях 2 и 3, а содержание цис- и тпранс-изомеров в олефине равнялось соответственно 19 и 81%. Иначе говоря, в системе пгрепг-бутиловый спирт-d — игреиг-бутилат калия ^мс-эписульфон вступает в реакции изотопного обмена и изомеризации раньше, чем происходит отщепление SO2 и образование алкена. Обратное положение наблюдается при проведении реакции в системе окись дейтерия — дейтероокись натрия. Наконец, бутен-2, полученный из а-хлор-этилэтилсульфона под действием окиси дейтерия и дейтероокиси натрия на 98% состоял из продукта дейтерирования в положениях 2 и 3; содержание в нем ^мс-изомера составляло 78%.
2CH3CHN2 + SO 2 -Эфйр >
Н'-	Н'. 'СНл
СНз^с-С^СН3 + СН3^сх-СЧн' s	у
°2	О2
Эписульфон	транс-Эписульфок
Нагревание
СНз^^С’ЧСНз
Нагревание
сна
Из этих результатов можно сделать следующие выводы [666]. 1. Обратимое образование карбаниона из а-хлорсульфона происходит быстрее, чем замыкание цикла. 2. Реакция Рамберга — Бекланда протекает с промежуточным образованием эписульфона. 3. Распад эписульфона до алкена происходит стереоспецифично. 4. пгранс-Эписульфоны более устойчивы, чем их z^uc-изомеры. 5. В алифатическом ряду при кинетически контролируемом процессе преимущественно образуются термодинамически менее устойчивые 1{ш?-эписульфоны.
Последний вывод особенно интересен и напоминает закономерность, наблюдаемую при изомеризации алкенов-1 в алкены с глубинным расположением двойной связи под действием трет-1/2 18 -539
278
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
бутилата калия в диметилсульфоксиде (см. гл. V), когда в условиях кинетического контроля предпочтительно образуются термодинамически менее устойчивые 1{ис-изомеры [67]. Бордуэлл и сотрудники [666] предполагают, что при сближении а-углеродных атомов сульфона на расстояние, соответствующее переходному состоянию для замыкания эписульфонового цикла, силы притяжения (лондоновские силы) между двумя метильными группами превышают обычно наблюдаемые силы отталкивания. Другое объяснение состоит в том, что внутренняя компрессия в переходном состоянии, возникающем при образовании tyuc-изомера, больше, чем в переходном состоянии, соответствующем транс-изомеру, и поэтому сольватация в первом случае пространственно менее затруднена. При реакциях такого типа стерический эффект, связанный с сольватацией, может быть важнее, чем «внутренние» пространственные эффекты (см. гл. V).
ОН"
'Г
4- Н2О 4 CH2=N—Н —СН2О 4 NH3
С реакцией Рамберга — Бекланда сходна катализируемая основаниями реакция превращения хлорметансульфонамида в формальдегид (с образованием хлорида и сульфита) [68]. Реакция, по-видимому, протекает по механизму 1,3-элиминирования.
Образование и превращения а-лактамов
Упомянем также ряд катализируемых основаниями реакций 1,3-элиминирования, приводящих к а-лактамам [69, 70]. Баумгартен и сотрудники [69а, в] сумели получить а-лактам XXXV при действии mpcm-бутилата калия на соединения XXXVI или XXXVII. При использовании оптически активного соединения XXXVII был получен оптически активный а-лактам. При действии
Л^1
Сбн5—СН N — ^е/и-С4Н9О Н С(СН3)3
Н
XXXVI	XXXV
XXXV11
XXXVII!
Литература
279
различных нуклеофильных реагентов (HNu) в этом а-лактаме раскрывается цикл и образуются производные амида (XXXVIII).
Шихан и Ленгайл [70а] аналогичным образом получили а-лактам XXXIX и изучили его реакции с нуклеофильными агентами. Кроме того, они обнаружили, что при нагревании раствора соединения XXXIX в эфире этот а-лактам претерпевает как раскрытие цикла, так и реакцию расщепления
/С. >c.i	d	с изн,
(СН^зС—СН3  ► (СНз)3С—N —СН3  1 (СН3)3С—^С—СН3
(СН^СО^Н СН3	сн3	Н Nu
XXXIX
^Нагревай!
(ОНд)3С—NH— С—С=СН2 + (СН3)2С=О 4- (СН3)3С—№С О
Более наглядным примером реакции расщепления а-лактамов служит получение циклогексанона и тпретп-бутилизоцианида из амида XL [706]. В качестве промежуточного продукта при этом превращении образуется, вероятно, изомерный а-лактаму оксиран ХЫ.
XL
а-Лактам
трет - С4Н9ОК
Эфир
ЛИТЕРАТУРА
(СН3)3С— №С
1.	a) Matteson D. S., W а 1 d b i 1 1 i g J. О., J. Am. Chem. Soc., 85, 1019 (1963); б) P a s t 0 D. J., J. Am. Chem. Soc., 86, 3039 (1964); в) M a t t e s 0 n D. S., W a 1 d b i 1 1 i g J. 0., J. Am. Chem. Soc.; 86, 3778 (1964).
18*
280
Гл, VI. Молекулярные перегруппировки
2.	С г a m D. J., В г a d s h a w J. S., J. Am. Chem. Soc., 85, 1108 (1963).
3.	R e n к E., Shafer P. R., Graham W. H., Mazur R. H., Roberts J. D., J. Am. Chem. Soc., 83, 1987 (1961).
4.	Pomerantz P., Fookson A.,Mears T. W., R о t h b erg S., Howard F. L., J. Res. Natl. Bur. Std., 52, 59 (1954).
5.	a) Bumgardner C. L., Freeman J. P., Tetrahedron Letters, 1964, 737; 6) Bumgardner C. L., Martin K. J., Freeman J. P., J. Am. Chem. Soc., 85, 97 (1963); в) Bumgardner C. L., Freeman J. P., J. Am. Chem. Soc., 86, 2233 (1964).
6.	a)	N i с к о n A., S i n z A.,	J. Am. Chem. Soc., 82,	753 (1960); 6) N i-
c к о n A.,	Hill A. S.,	J. Am. Chem. Soc., 86,	1152 (1964).
7.	a)	Breslow	R., в книге	«Molecular Rearrangements», Wiley (Interscience), New	York, Vol. 1,	pp. 291—293; б) H u у s	e r E. S., Talia-
ferro I. D., J. Org. Chem., 28, 3442 (1963).
8.	a) R о b e r t s J. D., Mazur R. H., J. Am. Chem. Soc., 73, 2509 (1951); 6) S i 1 v e r M. S., S h a f e r P. R., Nordlander J. E., Ruchardt C.,^Roberts J. D., J. Am. Chem. Soc., 82, 2646 (1960); в) P a t e 1 D. J., H a m i 1 t о n C. L., R о b e r t s J. D., неопубликованные данные; г) S e r v i s K. L., R о b e r t s J. D., J. Am. Chem. Soc., 86, 3773 (1964).
9.	H о w d e n M. E., Ph. D. Thesis, California Institute of Technology, Pasadena, California, 1962.
10.	a) L a n s b u г у P. T., P a t t i s о n V. A., J. Am. Chem. Soc., 85, 1886 (1963); 6) Lansbury P. T., Pattison V. A., Clement W. H., S i d 1 e r J. D., 86, 2247 (1964).
11.	Roberts J. D., Maercker A. F., неопубликованные данные.
12.	a) Hill E. A., Richey H. G., Jr., Rees T. C., J. Org. Chem., 28, 2161 (1963); 6) Richey H. G., Jr., Hill E. A., J. Org. Chem., 29, 421 (1964).
13.	a) S t e v e n s T. S., С r e i g h t о n Е/ M., Gordon A. B., Mac-Nicol M., J. Chem. Soc., 1928, 3193; б) T h о m s о n T., Sle-v e n s T. S., J. Chem. Soc., 1932, 55; в) Dun n J. L., Stevens T. S., J. Chem. Soc., 1934, 1926.
14.	a) Wittig G., Mangold R., Felletschin G., Ann., 580, 116 (1948); 6) Wittig G., Angew. Chem., 63, 15 (1951); 66, 10 (1954).
15.	S t e v e n s T. S., J. Chem. Soc., 1930, 2170.
16.	J о h n s t о n e R. A. W., Stevens T. S., J. Chem. Soc., 1955, 4487.
17.	Campbell A., Houston A. H. J., К e n у о n J., J. Chem. Soc., 1947, 93.
18.	Brewster J. H., Kline M. W., J. Am. Chem. Soc., 74, 5179 (1952).
19.	a) T h о m s о n T., S t e v e n s T. S., J. Chem. Soc., 1932, 1932.
6)	Jenny E. F., Druery J., Angew. Chem. (Intern. Ed. Engl.), 1, 155 (1962); в) Hellmann H., Osterr. Chemiker. Z., 62, 315 (1961); r) Hellmann H., Scheytt G. M., Ann., 654, 39 (1962).
20.	a) Sommelet M., Compt. Rend. Acad. Sci., 205, 56 (1937); б) H a u-s e r C. R., Kantor S. W., J. Am. Chem. Soc., 73, 1437, 4122 (1951); в) Wittig G., Lohman L., Happe W., Ann., 557, 205 (1947).
21.	a) Hauser C. R., V a n E e n a m D. N., J. Am. Chem. Soc., 79, 5512, 6080,6274,6277 (1957); 6) Hauser C. R., Kantor S. W., Brasen W. R., J. Am. Chem. Soc., 75, 2660 (1953); в) Johnson A. W., LaCount R. B., J. Am. Chem. Soc., 83, 417 (1961).
22.	Puterbaugh W. H., Hauser C. R., J. Am. Chem. Soc., 86, 1105, 1108, 1394 (1964).
Литература
281
23.	a) Beard W. G., Hauser C. R., J. Org. Chem., 25, 334 (I960); 6) Bumgardner C. L., J. Am. Chem. Soc., 85, 73 (1963); в) В e a r d W. G., Jr., Hauser C. R., J. Org. Chem., 26, 371 (1961).
24.	a) Wittig	G.,	Lohman	L.,	Ann.,	550,	260	(1942);
6)	Wittig	G., Happe	W.,	Ann.,	557,	205	(1947);
в)	Wittig G., Doser H., Lorenz L., Ann., 562, 192 (1949); r) W i t t i g G., Angew. Chem., 66, 10 (1954).
25.	a) Curtin D. Y., Lesko witz S., J. Am. Chem. Soc., 73, 2633 (1951); б) C u r t i n D. Y., P г о о p s W. R., J. Am. Chem. Soc., 76, 494 (1954).
26.	Cast J., S t e v e n s T. S., H о 1 m e s J., J. Chem. Soc., 1960, 3521.
27.	a) L a n s b u г у P. T., P a t t i s о n V. A., J. Am. Chem. Soc., 84, 4295 (1962); 6)Lansbury P. T., Pattison V. A., J. Org. Chem., 27, 1933 (1962).
28.	С r a m D. J., К i n g s b u г у C. A., Langemann A., J. Am. Chem. Soc., 81, 5785 (1959).
29.	a) Schollkopf U., Fabian W., Ann., 642, 1 (1961); 6) Scholl-k о p f U., Walter D., Angew. Chem., 73, 545 (1961); в) Schollkopf U., Angew. Chem. (Intern. Ed. Engl.), 1, 126 (1962); r) Schollkopf U., Angew. Chem. (Intern. Ed. Engl.), 2, 161 (1963); д) Schollkopf U., P a t s c h M., Schafer H., Tetrahedron Letters, № 36, 2515, 1964.
30.	a) G г о v e n s t e i n E., Jr., J. Am. Chem. Soc., 79, 4985 (1957); 6) Grovenstein E., Jr., W i 1 1 i a m s L. P., J. Am. Chem. Soc., 83, 412, 2537 (1961); в) Grovenstein E., Jr., Wentworth G., J. Am. Chem. Soc.,_85, 3305 (1963); r) Grovenstein E., Jr., Rogers L. C., J. Am. Chem. Soc., 86, 854 (1964).
31.	a) Z i m m e r m a n H. E., Smentowski F. J., J. Am. Chem. Soc., 79, 5455 (1957); 6) Z i m m e r m a n H. E., Zweig A., J. Am. Chem. Soc., 83, 1196 (1961).
32.	a) К h a r a s c h M. S., Posh kus A. C., F о n о A., N u d e n-b e r g W., J. Org. Chem., 16, 1458 (1951); 6) U г г у W. H., N u cola i a e s N., J. Am. Chem. Soc., 74, 5163 (1952).
33.	a) Cram D. J., J. Am. Chem. Soc., 71, 3863 (1949); б) С r a m D. J., J. Am. Chem. Soc., 86, 3767 (1964).
34.	К p а м Д. Дж., в книге «Пространственные эффекты в органической химии» под ред. Ньюмена, гл. 5, ИЛ, М., 1960.
35.	S е 1 m a n S., Е a s t h a m J. F., Quart. Rev. (London), 14, 221 (1961).
36.	a) Liebig J., Ann., 25, 27 (1838); 6) N i e t z k i R., Ber., 23, 3136 (1890); в) W a 1 1 о c h O., Ann., 437, 148 (1924); r) Scheuing G., Ber., 56, 252 (1923).
37.	Ingold С. K., Ann. Rep., 25, 124 (1928).
38.	a) W e s t h e i m e r F. H., J. Am. Chem. Soc., 58, 2209 (1936); 6) Wes-t h e i m e r F. H., J. Org. Chem., 1, 1339 (1936).
39.	R о b e r t s I., U г e у H. C., J. Am. Chem. Soc., 60, 880 (1938).
40.	Hine J., H a w о r t h H. W., J. Am. Chem. Soc., 80, 2274 (1958).
41.	Doering W. von E., Urban R. S., J. Am. Chem. Soc., 78, 5938 (1956).
42.	а)	В 1 a n k s m a	J.	H., Zaayer W. H., Res. Trav. Chim.	67, 883
(1938); б) P f e	i 1	E., Geissler G., J acqueman W.,	L о m-
k e r F., Ber., 89, 1210 (1956).
43.	a)	Hammond	G.,	J. Am. Chem. Soc., 77, 334 (1955); 6)	Eastham J. F.,	N a	t i о n s R. G., Collins C. J., J. Org.	Chem.,
23, 1764 (1958).
44.	a) Roberts J. D., Smith D. R., Lee С. C., J. Am. Chem. Soc., 73, 619 (1951); б) С о 1 1 i n s C. J., N eville О. K., J. Am. Chem.
282
Гл. VI. Молекулярные перегруппировки
Soc., 73, 2471 (1951); в) С 1 а г к М. Т., Н е n d 1 е у Е. G., N е-ville О. К., J. Am. Chem. Soc., 77, 3280 (1955); г) О t t D. G., Smith G. G., J. Am. Chem. Soc., 77, 2325 (1955).
45.	0 g a t a Y., О к a n о M., J. Am. Chem. Soc., 71, 3212 (1949).
46.	E a s t h a m J. F., H u f f а к e г J. E., R aaen V. F., Collins C. J., J. Am. Chem. Soc., 78, 4323 (1956).
47.	Yates P., Anderson C. D., J. Am. Chem. Soc., 85, 2937 (1963).
48.	a) J acquier R., Bull. Soc. Chim. France, [5], 17, D35 (1950);
б)	К e и д e А. С., в книге «Органические реакции», сб. И, ИЛ, М., 1965.
49.	М с Р h е е W. D., К 1 i n g s b е г g Е., J. Am. Chem. Soc., 66, 1132 (1944).
50.	a) L о f t f i e 1 d R. B., J. Am. Chem. Soc., 72, 632 (1950); 6) Loft-field R. B., J. Am. Chem. Soc., 73, 4707 (1951); в) L о f t f i-e 1 d R. B., S c h a a d L., J. Am. Chem. Soc., 76, 35 (1954).
51.	a) Lipp P., Buchkremer J., Seeles H., Ann., 499, 1 (1932); б) К e n d e A. S., Ph. D. Thesis, Harvard University, Cambridge, Massachusetts, 1956.
52.	В reslow R., Posner J., Krebs A., J. Am. Chem. Soc., 85, 234 (1963).
53.	Stork G., В о г о w i t z I., Am. Chem. Soc., 82, 4307 (1960).
54.	a) H о u s e H. O., Gilmore W. F., J. Am. Chem. Soc., 83, 3980 (1961); б) H о u s e H. 0., Gilmore W. F., J. Am. Chem. Soc., 83, 3972 (1961).
55.	W e n d 1 e r N. L., Graber R. P., H a z e n G. G., Tetrahedron, 3, 144 (1958).
56.	a) Aston J. G., Newkirk J. D., J. Am. Chem. Soc., 73, 3900 (1951); 6) Sacks A. A., Aston J. G., J. Am. Chem. Soc., 73, 3902 (1951); в) В u r r J. G., Dewar M. J. S., J. Chem. Soc., 1954, 1201; r) Fort A. W., J. Am. Chem. Soc., 84, 2620, 2625 (1962).
57.	a) N ickon A., Hammons J. H., Lambert J. L., Williams R. O., J. Am. Chem. Soc., 85, 3713 (1963); 6) N i с k о n A., Lambert J. L., J. Am. Chem. Soc., 84, 4604 (1962).
58.	В a i г d R., W i n s t e i n S., J. Am. Chem. Soc., 85, 567 (1963).
59.	a) N e b e г P. W., Friedolshei m A., Ann., 449, 109 (1926);
6)	Neber P. W., U b e г A., Ann., 467, 52 (1928); в) N e b e r P. W., В u г g a r d A., Ann., 493, 281 (1932); r) Neber P. W., Huh G., Ann., 515, 283 (1935); д) Neber P. W., В u r g a r d A., T h i e r W., Ann., 526, 277 (1936).
60.	O’Brien C., Chem. Rev., 64, 81 (1964).
61.	a)	Hatch M. J., С г a m D. J.,	J.	Am. Chem. Soc.,	75, 38 (1953);
б)	С г a m D. J., Hatch M. J.,	J. Am. Chem.	Soc., 75, 33
(1953).
62.	a)	House H. O., Berkowitz	W.	F., J. Org. Chem.,	28, 307 (1963);
б)	H о u s e H. 0., Berkowitz	W. F., J. Org. Chem., 28, 2271
(1963).
63.	a) S m о 1 i n s k у G., J. Am. Chem. Soc., 83, 4483 (1961); 6) Smolin-s k у G., J. Org. Chem., 27, 3557 (1962).
64.	a) Campbell K. N., Campbell В. К., M с К e n n a J. F., Chaput E. P., J. Org. Chem., 8,	103 (1943); 6) Baumgar-
ten H. E., Bower F. A., J. Am. Chem. Soc., 76, 4561 (1954); в) В a u m g a r t e n H. E., Dirks J. E., Peterson J. M., Wolf D. C., J. Am. Chem. Soc., 82, 4422 (1960); r) Smith P. A. S., Most E. E., J. Org. Chem., 22, 358 (1957); д) P a r c e 1 1 R. F., Chem. and Ind. (London), 1963, 1396; e) M о г г о w D. F., But-le r M. E., J. Heterocyclic Chem., 1, 53 (1964).
Литература
283
65.	R amberg L., Backland B., Arkiv Kemi Mineral GeoL, 13A, № 27 (1940).
66.	а) В о r d w e 1 1 F. G., Cooper G. D., J. Am. Chem. Soc., 73, 5187 (1951); 6) N e u r i e t e r N. P., В ordwell F. G., J. Am. Chem. Soc., 85, 1209 (1963); в) Paquette L. A., J. Am. Chem. Soc., 86, 4085 (1964).
67.	Schriesheim A., R owe C. A„, Jr., Tetrahedron Letters, № 10, 405, 1962.
68.	Johnson T. B., D о u g 1 a s s I. B., J. Am. Chem. Soc., 63, 1571 (1941).
69.	a) В a u m g a r t e n H. E., J. Am. Chem. Soc., 84, 4975 (1962); 6) Baumgarten H. E., Z e у R. L., Krolls U., J. Am. Chem. Soc., 83, 4469 (1961); в) Baumgarten H. E., F u e г h о 1 z e r J.F., Clark R. D., Thompson R. D., J. Am. Chem. Soc., 85, 3303 (1963).
70.	a) S h e e h a n J. C., L e n g у e 1 I., J. Am. Chem. Soc., 86, 1356 (1964); 6) S h e e h a n J. C., L e n g у e 1 I.. J. Am. Chem. Soc., 86, 746 (1964).
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
а-Азидостирол 274
Азиридины, скорость инверсии 91,92
Азирины 273, 274, 275
Алкилазамин 182
Алкилвиниллитиевые соединения 144
Алкилдиимид 176, 177, 180, 236, 237, 239
Алкилдиимиды, термическое разложение 238, 239
Алкилхлорсульфит 189
Алленовые анионы 193
Аллил-анион 64
Аллилбензилдиметиламмоний бромистый 249
Аллилбензол 237
Аллилгексиловый эфир 83
Аллилгексилсульфид 83
Аллилкарбинилбромид 240, 241
Аллилкарбинилмагний бромистый 241, 243
Аллилсульфиды 225
Аллилсульфоксиды 225
Аллилсульфоны 225
Аллильные анионы
геометрическая устойчивость 214— 218
сравнение с аллильными катионами 215
— — радикалами 214
цис и транс 215
Аллильные хлориды мостиковые 204
Аммиак
гибридизация 57
дейтерированный 23, 29, 31
в диметилсульфоксиде 105
рХа 29
растворители для изотопного обмена 29, 30
трет- Аммоний — карбанид ионная пара 203
трет- Аммоний — цианкарбанид ионная пара 118
Анизол 72, 74
Анилин 13, 41, 50
Анионы асимметрично сольватированные 110, 198, 199 вращение в ионной паре 118
Аренсульфонгидразид 176
Арил винил литиевые соединения 144
Арилгидразины 176
Арильная группа, 1,2-миграция 258—262
Ацетамид 21
N-Ацетилазирпдин 92
Ацетил-анион 62
Ацетплацетон 19, 21
Ацетилен 28, 58
рКа 58
1-Ацетоксинортрпциклен 127
Ацетон 19, 21
Ацетонитрил 21
анион 62
Ацетоуксусный эфир 19
Ацетофенон 13, 21, 23
Бензгидрол 172
Бензил 263, 264
Бензиллитий 64, 65
Бензилметиловый эфир 254
Бензилнатрий 65
Бензиловая кислота 262
Бензиловая перегруппировка 262—
265
2-Бензилокси-2-фенилбутап 182
Бензилтриметиламмоний подистый 251
Бензилфенилкарбпнол 257
Беизилциклопропан 244
Бензильные анионы 108
Бензоилацетон 22
Бензойная кислота 50
Бензол 28, 33, 37, 40, 158
меченный тритием 26, 27
Бензофенон 172, 173, 252
Предметный указатель
285
кетил 172, 173
Бензофлуорены 14
Биполярные ионы 272
Бифенил 34
анион 34
п-Бифенил дифенил метан 12, 13, 51, 52
Бициклобутановый ион 240
Бициклобутония ион 240
Бициклобутония катион 240
Б пцикл о- [3,1,0 ]-гексап-3-карбоновая кислота 161
Бромбензол 42 2-Бромбутан 132 2-Бромбутены-2, цис и транс 142
и сл.
1-Бромгексадиен-3,5 242
Бромирование карбанионов 17 литийорганических соединений 137 мсталлорганических соединений 132
циклоалканов 221
а-Бромстпльбены, цис и транс 142
Бутанон-2 165, 166
Бутен-1 135, 220, 237, 241
2-Бутениллитий 143
Бутены-2, цис и транс 276, 277 тпрегп-Бутилбензол 37, 38, 73 мрст-Бутилизоцианид 279
Бути л литий 73, 77, 96, 143, 145
Бутиловый спирт
вторичный 158
нормальный 50
третичный 13, 41, 50, 119, 158
<?тор-Бутилртуть бромистая 132 л-лпре/п-Бутилтолуол 38, 40
Винил нитрены 274, 275
Впнилциклопропан 31
Виттига перегруппировка 183, 253,
• 257
Вольфа — Кижнера реакция 42, 175, 176, 237
Гексаметилбензол 38, 39
Гексен-1 33, 245
Гексил пропенил сульфид 83
Гептан 29, 73
Гибридизация
азота в бис-диметиламиносульфо-не 84
влияние напряжения кольца 62 сульфонилкарбанионов 85, 86, 87, 88
19-539
углерода тригональная 62 1-Гидроперфторгептан 79 2-Гидроперфторпропан 79 Гиперконъюгацпя «отрицательная» 78, 79, 90
Гликоль 72
Глицерин 49, 50, 72, 158
Гомоенолят-анион 74, 75, 127
Гриньяра реактивы окисление 243 оптически активные 139 перегруппировки 240, 241 и сл.
1-Дейтерофенилэтан 154
Дейтероциклопентадиены 201, 202
Декарбоксилирования реакции сравнение с Н —D обменом 188 циклических сульфоновых кислот 123
Диаллпловый эфир 254
Дпбепзил 182 1,4-Дибензилгидразин 182 Дибензиловый эфир 257 1,1-Дибензил-2-7г-тозилсульфонил-гидразин 182 а,а-Дибромдпбензилкетон 270 Дибромэтилены, цис и транс 145 Ди-треги-бутилкетон 75 Ди-втпор-бутплртуть 132, 135 Дигпдропентален 77
1,1-	Дидейтероциклогептатриен 200
Ди-4-камфилртуть 130
Р-Дикетоны бициклических кислот 63
Т^Т^-Диметплаллиламин 217 бис-V ,4-Диметила л лил ртуть 142 а, а-Диметплаллил хлорид 204 3-Д иметил амино-2,3-диметил-3-фе-нилбутанол-2 159
З-Диметиламино-2-метил-З-фенил-бутанол-2 153
2-Диметиламино-2-фенилпропановая кислота 156
1-Диметилампнофенилэтан 154
Диметиланилин 74
2-Диметплацетамидо-9-метил-7-нит-рофлуорен 106, 112, ИЗ, 117, 211
2-Диметилацетамидо-9-метилфлуорен 109, 117
трис-Ъ, З-Д иметил бути л алюминий 141
3, З-Д иметилбутил литий 141
3,3-Диметилбутилмагний бромистый 140
3,3-Диметилбутилмагний хлористый 140
286
Предметный указатель
2,5-Диметилгексановая кислота 142 Диметил гидразон метиодид, перегруппировка 275
3,4-Диметил-3,4-дифенплгексан 172
1,4-Диметилпентнлмагнпй бромистый 142
N, N-Диметплпропениламин 217
Диметилсульфоксид 35, 37, 40, 41, 43, 44, 45, 46, 47, 49, 51, 52, 160, 177, 199, 200, 222 как растворитель для шкал кислотности 50, 51
\>Ка 51, 52
Диметилсульфон 21
Днметилсульфонилметан 21, 88 анион 88
3,5-Диметил-4-сульфонилфенол 87
3,4-Диметил-4-фенил гексанол-3 152, 158, 165
2,3-Дпметил-3-фенплпентанол-2 152, 159
Дпметилформамид 40, 61, 70
3,3-Диметилциклобутилмагний бромистый 140
2,2-Диметилциклопрош1Лмагний бромистый 140
Димсилкалпй 49, 52
Димсилпатрий 49, 50 2,4-Динитроанплпн 52 Динитрометан 19, 21 2,4-Дпнптрофениларпловые эфиры 265
Диоксан 40
Дипропилкетон 61
у,у-Дифенплаллилкарбппилбромид 242
Дифениламин 13, 50
Дифенплбутены 231 1,2-Дифенилвиниллитий 143 Дифенилметан 12, 13, 14, 22, 27, 52 меченный тритием 27
Дифенилметиламин 74
2,3-Дифенил-2-метплбутанол-1 166
1,2-Дифепил-2-метилбутанон-1 161
Дпфенилметиллитий 64, 65
2,3-Дифенил-3-метилпентанол-2 159, 160, 165, 166
2,2-Дпфенилметилциклопропилбро-мид 137, 139, 140
2,2-Д ифенилметилцик л опропплли-тий 139, 140
2,2-Дифенилметилциклопропплмаг-ний бромистый 140
2,3-Дифенил-3-метоксибутанол-2 159 1,2-Дифенилпропанон-1 106
2,2-Дифенилпропиллитий 258, 259
2,2-Дифенилпропилхлорид 258, 259
Дифепилсульфонилкарбэтоксикарбен 90
Дифенилсульфонилметан 90
Дифенплфосфинокспазиридин 92
Дифенилциклопроненон 270
Дпфторамип 237
Дихлорацетон 19 1,2-Дихлорэтилены 145 Дицианометан 18, 21
Дицианометилид пиридиния, кристаллическая структура 62 и сл.
Диэлектрическая проницаемость влияние на стереохимию 157, 158, 178, 179
дпметилсульфоксида 160
среды 51, 104, 105
Диэтиленгликоль 158
N, N-Д иэтил-2-метил-З-фенилпро-пиоамид 106
Изобутан 30
Изобутилен 32
Изобутирофеноп 61
Изомеризация
алкенов-1 216, 217, 218, 219
аллильных анионов 193
5-дейтероциклопентадиепа 201 5-метилциклопентадпена 202 олефинов 219, 221 и сл.
Изопентан 29, 31
Изорацемизация 100
2-диметилацетамидо-9-метил-7-нитрофлуорена 112
конкуренция с сохранением конфигурации 117
метнл-7-иптрофлуорен 112
механизм 111, ИЗ, 114, 210
механизм связанного переноса 114, 116
нитрофлуорена 214
определение ИЗ
2-трифенилметилпропионитрпла
112, ИЗ
2-фенилбутпронитрила 112, ИЗ флуореновой системы 115
Изотопные эффекты
водорода 36, 37
отрицательные 37, 194
растворителя 37
в реакциях расщепления 165
толуола 37
Инден 22, 23, 25, 28, 50, 52, 76
Индуктивный эффект 65—73
алкильных групп 39
Предметный указатель
287
тпретп-бутильной группы 39 влияние на величину угла между связями 66
— на гибридизацию 66
— на равновесие олефинов 224 диметиламиногруппы 71 и длина связи 81
изменение с положением 39, 73 изопропильной группы 39 конкуренция с эффектом сопряжения 69
метильных групп 36, 39, 71 ----аддитивность 38 и сл. метоксигруппы 71
отношение к эффекту отрицательной гиперконъюгации 80
разделение с d-орбитальными эффектами 81, 83
— с резонансными эффектами 68 тетраметиламмония 81 тетраметилфосфония 81 триметилсульфония 81 трифторметильной группы 71 фенильной группы 27, 67, 68, 71 феноксигруппы 71 фтор-группы 66, 71 четвертичного азота 65 и сл. этильной группы 39
Ионные пары
в 1,2-арильной перегруппировке 261
асимметричные 170, 190
в бензиловой перегруппировке 266 вращение аниона ИЗ, 117, 198 — аниона и катиона 118, 249 и сл. — ионов аммония 101, 102, 191 — карбаниона 114, 191 — карбоксилат-ионов 191 — катиона 102, 103, 118, 198 неразделенная 170
в перегруппировке Виттига 255, 256
— Соммле — Хаузера 253
— триен — бензол 213
разделенная молекулой растворителя 10, 170
— продуктом реакции 186
в реакции виниллития 143 и сл.
— металлирования и протонирования 139
— расщепления 256 сольватированная 180, 183, из стильбенов 146
Ионный характер связи 244, 260
С — металл 141 Ионы
металлов как уходящие группы 239-246
разделенные продуктом реакции 104, 105, 170, 186, 201, 213
4-Камфениллитий 136
Камфенилон 74, 127
4-Камфилртуть иодистая 130
Карбанионы
амбидентные 106, 108
асимметрия 110—125
винильные, конфигурационная устойчивость 145
вращение внутри ионной пары 117, 118
время жизни 106
гибридизация 57, 80
с гомосопряжением 127—129
конфигурация бензильного аниона 108
— стабилизация индуктивным эффектом 119—126
—	— эффектом сопряжения 62— 65
—	сульфонилкарбанионов 84, 85-конформация, стабилизация функциональными группами,связанными с элементами второго периода 124, 125
—	сульфонилкарбаниоиа 123
несимметричные 118—126 образование при разрыве С — G-связи 152—156
—	из С — Н -кислот 40, 41
в 1,2-перегруппировке 247—267
в 1,3-перегруппировке 267—279
в перегруппировке циклизации — дециклизации 235—246
пирамидальные 124
плоские 110
как промежуточные соединения в перегруппировке метиленазометина 206
— — — циклизации — дециклизации 235
— — в реакциях расщепления 168—172
резонанс с карбеном 34
симметризация 99, 105, 106, 121
сольватированные асимметрично 111, 170, 172, 180
— симметрично 170, 190
как сопряженные основания 9
сравнение с карбониевыми ионами 189—191
19*
288
Предметный указатель
стабилизация 84, 85
—	влияние растворителей 41
—	— s-характера орбиталей 58— 61
—	индукционным эффектом 58, 65—73
—	механизм 57
— функциональными группами 11 — 126
— эффектом ароматизации 58, 75—77
— — гомосопряжения 58, 73—75
— — отрицательной конъюгации 78—80
стереохимия 99, 100 и сл.
тригональные 125
Карбониевый ион, сравнение с карбанионом 189—191
Карбонизация
перегруппированных металлоорганических соединений 240
солей С — Н-кислот 11
— циклооктатетраен-дианиона
76
—	цпклопентадиена 22
Катион
влияние природы па основность соли С — Н-кислоты 49 и сл.
вращение внутри ионной пары 198 оснований, влияние природы на 5^1-реакцию 157, 158
Катионы
металлов 174
мостиковые 240
Кислотность
арильных водородов 35
бициклических 0-дикетонов 63
кинетическая аллильного водорода 32
—	антрацилов-/ 34
—	арилметанов 26
—	ароматических водородов 33 и сл.
—	бензола 33
—	бензола-/ 27
—	бифенила 34
—	тпретп-бутилбензола 38
—	п-тпретп-бутилтолуола 38, 40
—	винилциклопропана 31
—	винильных водородов 32
—	влияние растворителей 35, 36 и сл.
—	а-водородов 36
—	гексаметилбензола 38, 39
—	гексена-1 33
—	н-гептана 29
—	дипропилкетона 61
—	дифенилметаиа-/ 27
—	изобутирофепона 61
—	изопентана 29, 31
—	изотопный эффект водорода 37
—	корреляция с термодинамической кислотностью 17—29
—	ксилолов 36, 38, 40
—	кумола 36, 38
—	кумола-/ 27
—	2-метилантрацена 26
—	2-метилнафталина 26
—	З-метилфенаптрена 26
—	нафталина 33
—	нафтилов-/ 34
—	определение 9
—	[1,я]-парацйклофанов 67
—	пентаметилбензола 38, 39
—	пирепилов-/ 34
—	пропилена 32
—	пропилциклогексена 33
—	таутомеров 227
—	тетраметиламмоний гидроокиси 66
—	тетраметилбензолов 38, 39
—	толуола 26, 36, 38, 40
—	— меченного 27
—	тримстилбензолов 38, 39
—	триптицена-а-/ 27
—	трифенилметана-а-/ 27
—	9-фенантрила-/ 34
—	2-фенилбутана-2-/ 27
—	фенилциклопропана 31
—	ферроцена 73
—	циклических кетонов 60, 61
—	циклобутана-/ 27
—	циклобутанона 61
—	циклобутилфенилкетона 61
—	циклогексана 29
—	циклогексана-/ 27
—	циклогексанона 61
—	циклогексена 33
—	циклогексилфенилкетона 61
—	циклопентана 29
—	циклопентанона 61
—	циклопентилфенилкетона 61
—	циклопропана-/ 27
—	циклопропановых водородов 31 и сл.
—	циклопропнлфенилкетона 61
—	и-цимола 38, 40
—	этилбензола 37, 38
—	этилтолуолов 38
—	этилциклобутана 31
—	этилциклопропана 31
s-орбитальные эффекты 32
Предметный указатель
289
мостиковых сульфонов 86 напряженных систем 60 насыщенных углеводородов 13, 14
и сл.
нитроциклоалканов 60 и сл.
совместное действие индукционного эффекта и эффекта сопряжения 72
спиртов 49 термодинамическая, определение 9 — сравнение с кинетической кислотностью 17—29
—	шкалы 10—17
шкала Десси 15, 16
—	в диметилсульфоксиде 50 и сл.
— МакИвена 10 и сл., 13, 27 и сл., 56, 58
— МСЭД 28, 58, 66, 199
—	в различных растворителях 51, 52
— Стейнера 50, 51, 160
— Стрейтвизера 12, 14, 28, 80, 160
— Эпплквиста 13 и сл., 16
N — Н-Кислоты 9, 12, 21, 22
О — Н-Кислоты 11 исл., 17, 18, 21,22
С — Н-Кислоты определение 9 соли 10, 12, 51 53 сравнение с другими кислотами И и сл.
Конфигурация пропиллитиевых соединений 145
Конфигурационная устойчивость виниллитиевых соединений 142 влияние растворителей 140 т р ис-3,3-диме тилбутпла люми-ния 141
3,3-диметилбутиллития 141
3,3-диметилбутплмагния бромистого и хлористого 140
б:/с-3,3-диметплбутил ртути 141
2,2-диметилцикл опропилмагния бромистого 140
металлоорганического соединения с открытой цепью 140
пропениллития 143
1,3,3-триметилцикл обутилмагния бромистого 140
функция ионного характера связи 141
цик л опропилмета лл оорганических соединений 140
Кристаллическая структура бис-диметиламиносульфона 84, 85 дицианометил п да пиридиния 62 и сл.
трицианометида аммония 62 и сл.
Кротилртуть бромистая 135 9-Кротилфлуоренол-9 254, 255 Ксантан 12, 52 Ксилолы 35, 38, 40 Кумол 13, 28, 35, 38 Кумол-а-г 27
а-Лактамы, образование и превращения 278, 279
Литий — карбанид ионная пара 136
Литийорганические соединения оптически активные 135 и сл. перегруппировки 243 и сл.
Магнийорганические соединения, оптически активные 135 и сл., 139 МакФадайна — Стивенса реакция 176
Мейзенгеймера перегруппировка 257 Ментилат натрия, вращение 11, 12 Ментол 11, 12, 13 Металлирование
при винильном атоме углерода 142 стереоспецифичность 98 и сл.
4-хлоркамфана 136 циклопентадиена 22 циклопропилфенилсульфона 86 Металлоорганические соединения изомеризация 239, 240 карбонизация 240 окисление 240 стереохимия замещения 129—147
Метан 26,
рКа 24, 29
Метанол 13, 40, 42, 72, 158
N-Метансульфонилазиридин 91
Метил-анион, гибридизация 57 2-Метилантрацен 26 9-Метилантрацен 52 о-Метилбензилдиметилампн 251 2-Метилбутановая кислота 136 1-Метил-3-77грегп-бутилинден 203 З-Метил-1-трет-бутилинден 203 5-Метил-2-гексилртути соли 132 и сл. 2-Метил-1,2-дифенилбутанол-1 153 2-Метил-1,2-дифепилбутанон-1 153 Метиленазометин, перегруппировка 205, 206, 208, 209
Метпленцпклоалканы, изомеризация 220
Метиленциклобутан 220 Метиленциклогексан 220 Метиленциклогептан 220
290
Предметный указатель
Метиленциклооктан 220
Метпленциклопентан 220
З-Метил-1 -изопропилинден 200
Метилиндены 202 2-Метплнафталпн 26 2-Метплоктановая кислота 99 Метил пентены 222, 223 а-Метилстпльбены, цис и транс 216, 231
Метплсульфинилбеизойная кислота 83
Метилсульфинилфенол 83
Метплсульфопилбензойная кислота 83
Метилсульфонплфенол 83 2-Метил-1,1,2-трифенилбутанол-1 123, 152, 173
З-Метил-1,1,3-трифенилпентан 153
З-Метилфенантрен 26
2-Метил-2-фенилбутановая кислота 156
2-Метил-3-фенилбутанол-2 153 2-Метил-1-фенилбутанон-1 98 2-Метил-2-фенилбутирамид 153 2-Метил-2-фенилбутиронитрил 152 4-Метил-4-фенил гексанон-1 153 Метилфенилкарбпнол 257 З-Метил-З-фепилпентанол-2 153 2-Метил-З-фенилпроппонитрпл 42, 43, 47, 127, 155
2-Метил-2-фенилсульфонил октановая кислота 122
г{ис-1-Метил-2-фенилциклопропанол 128
Мети л циклобутан 246
Метилциклопентадиены 202
Метилциклопропан 236, 241 2-Метилциклопропилбромиды, цис и транс 137, 138
2-Метилциклопропиллитий, цис п транс 137, 138
3-Метокси-2,3-дифенилбутанол-2 153 3-Метокси-2,3-дифенилбутанон-1 153 1-Метоксппропанол-2 50 2-Метоксп-1,1,2-трифенилпропанол-1 175
2-Метокси-1-фенилбутан 183, 184 2-Метоксп-2-фенилпропановая кислота 156
Михаэля реакция 152
Молекулярных орбиталей метод расчета 23 и сл. теория 75 и сл.
Моногидрофторуглероды, обмен Н — D 79
Нафталин, обмен Н — D 33
Небера перегруппировка 273—276 Неопентан 28
Никона — Синца реакция 237 4-Нитроанплпн 52 Нитроацетон 19 Нитрометан 19, 21, 22 анион 62
З-Нитропептан 60
Нитроциклоалканы 60 и сл.
Нитроциклобутан 60
Нитроциклогексап 61 Нитроциклогептан 61 Нитроциклооктан 61 Нитроциклопентан 61 Нитроциклопропан 60 Нортрицикланон 161
Обмен водород — дейтерий азометиновой системы 207 активации параметры 81 алкильные заместители, влияние па скорость обмена 38 и сл.
аллильные водороды 32 анизола 74 ацетилена 69 ацетиленов замещенных 70 бензолы монозамещенные 70, 71
и сл.
трстп-бутилбензола 73 тпретп-бутилметилфенилацетата 106 при винильном атоме углерода 145 влияние диэлектрической проницаемости среды 104
— растворителей на стереохимию 44 и сл., 119
1-гидроперфторгептана 79 2-гидроперфторпропана 79 дибромэтилепов 145 диметиланилина 74 2-диметиламидо-9-дейтеро-9-метил-флуорен 101
2-диметилацетамидо-9-метил-7-ни-тр оф л уорена 106, 112, ИЗ
2-дпметилацетамидо-9-мстилфлуо-репа 109
2,2-диметил-З-фенил сул ьфонил-бутана 122 1,2-дифенилпропанона-1 106 в диметилформампде 69 М,]У-диэтпл-2-метнл-3-фенилпро-пиоамнда 106
камфепилона 74, 127 2-метил-1-фенилбутаноиа-1 98 2-метил-З-фенилпропионитрила 126 механизм обращения конфигурации 109—111, 197, 198
Предметный указатель
291
— рацемизации 105—108
— связанного переноса 114, 116
— сохранения конфигурации 100, 101, 102 и сл. 198
моногидрофторуглеродов 79 2-октпл фенилсульфона 119, 120, 122
ортотиоэфиров 93, 94 [1,п]-парациклофана 67 перегруппировки циклизации — дегидроциклизации 244
сравнение с реакциями декарбоксилирования 187
— — расщепления 171 стереохимия 197, 198 и сл. стильбенов 145 теплота активации 81 тетраметиламмониевой соли 81 тетраметилфосфониевой соли 81 тиоацеталей 82 тиокеталей 94 толуола 74 триметилсульфонпя 81 2-трифенилметплпропионптрила 112, 113
1,1,1-трифенилэтана 73 трпфторметана 79 тприс-(трифторметил)метана 79 фенилацетилена 69 2-фенилбутиронитрила 109, 112,
ИЗ
фенил-7г-толилуксусной кислоты 98 2-фенпл-1,1,1-трифторбутана 109 хинальдина 72
1 -циан-2,2-дифенил цикл опр опана 126
циклических кетонов 60, 61
энтропия активации 81 этилбензола 73
Обращение конфигурации аллильной системы 197, 198 влияние катиона основания 157, 158
— растворителей 109, 111
восстановительное расщепление спиртов 184, 185
— — эфиров 184, 185
зависимость от рКа 111 механизм 109—111 при реакциях расщепления 156— 168
— — 1-ацетоксинортрицпкланона 127
в 5д-1-реакциях 190
в 5^1-реакциях 191
в перегруппировке Фаворского 271
природа растворителей 119, 157, 171
Октены, цис и транс 217
2-Октплподид 98, 129
2-Октиллитий 98, 129, 136
2-Октилфенплсульфон 119, 120
Орбитали, влияние «-характера 59 и сл.
с?-Орбптали 80, 83
(/-Орбитальные эффекты 80—94 конфигурационные требования 84, 88 и сл.
конформации 84
конформационные требования 84, 86, 87, 88
разделение с индукционными эффектами 81, 83
расчет методом МО 84
скорости инверсии азиридина 91, 92, 93
р-Орбптальные эффекты 32
«-Орбитальные эффекты 32
Ортоводород 30
Отщепления реакции стереохимия 187 — влияние растворителя 179
Параводород 30
[ 1, п ]-Парациклофаны 67
Пентален 77
дианион 77
Пенталенид лития 77
Пентаметилбензол 38, 39
Пентены 199, 237, 246
Перегруппировки
арил как мигрирующая группа 247
Виттига, см. Впттига перегруппировка
внутримолекулярные 194—214 — алкенов 42
— аллильные 32 и сл., 194 и сл.
— ацетилен — аллен 116, 211
— влияние растворителей 200
— с 1,2-миграцией арильной группы 260
— триен — бензол 212 катализ основаниями 209 кетолов 266 молекулярные 235—279
— с 1,2-элпмпнированпем 247—267
— с 1,3-элиминированием 267— 279
Небера, см. Небера перегруппировка окисей аминов 257
292
Предметный указатель
Рамберга — Бекланда, см. Рам-берга — Бекланда перегруппировка
сложных эфиров 254 и сл.
Сомм ле — Хаузера, см. Соммле — Хаузера перегруппировка Стивенса, см. Стивенса перегруппировка термические 250
Фаворского, см. Фаворского перегруппировка хиноидной структуры в ароматическую 210, 211, 215
циклизации — дециклизации 235— 246
Перенос протона внутримолекулярный
аллильный анион как промежуточный продукт 196
в биологических системах 203 и сл.
влияние растворителей 195 диффузионный контроль скорости 21, 22, 53
изотопный эффект 194, 195, 196 катализ основаниями 194, 195 механизм 195, 196
в перегруппировке ацетилен — аллен 209, 210
в рацемизации нитрила 210 и сл. стереоспецифичность 203
Переходные состояния, циклическое и нециклическое 131 я-Перфторизопропиланилин 78 Пиридин 41
Пиррол 13
рКа
аммиака 23, 29 анилина 13, 50, 58 ацетамида 21 ацетилацетона 19 ацетилена 28, 58 ацетонитрила 21 ацетоуксусного эфира 19 ацетофенона 13, 23 бензоилацетона 22 бензойной кислоты 50 бензола 28
бензофлуоренов 14 п-бифенилилдифенилметана 52 борной кислоты 22 н-бутилового спирта 50
трem-бутилового спирта 13, 199 воды 50
1-гидроперфторгептана 80 2-гидроперфторпропана 80 глицерина 50
2-дпметплацетамидо-9-метил-7-ни-тр оф л уорена 106
3,5-днметпл-4-метил сульфонил фенол а 87
диметилсульфоксида 52, 160, 199 диметллсульфопа 21 диметилсульфонилметапа 21, 88 2,4-динитроанилина 52 динитрометана 19, 21 дифениламина 13, 50 дифенилметана 12, 13, 14, 23, 52 дифенилсульфонилкарбэтокспмета-
на 90
дифенплсульфонилметана 90 дихлорацетона 19 дицианметана 19, 21
индена 23, 25, 28, 50, 52, 76 ксаптана 13, 52
кумола 12, 13, 28
ментола 12, 13
метана 24, 26, 28, 67 9-метилантрацена 52 я-метилсульфонилфенола 87 1-метоксипропанола-2 50 неопентана 28 4-нптроанилина 52 нитроацетопа 19 нитрометана 19, 21, 22 нитроэтана 19 определение 10 исл.
пентена-1 199
пиррола 13 пропана 28 пропена 28 тетраметил аммония гидроокиси 65
и сл.
толуола 13, 26, 28 триацетилметана 21 триметиламмоний-иона 22 1,3,3-триметилциклопропена 60 тринитрометана 21 трипропиламмоний-иона 104 триптицена 28, 67 трифенилметана 12, 13, 14, 23, 28, 50, 52, 67
1,3,3-трифенилпропена 28 трифторметана 66, 79 трифторметиланилина 78 7п/шс-(трифторметил)метапа 79 трицпанметана 21 трициклических систем 60 уксусной кислоты 21, 50 фенилацетилена 13, 23, 28 9-фенилфлуорена 12, 13, 14, 28 фенола 50
фенолов замещенных 68
Предметный указатель
29Я
флуорена 12, 13, 23, 26, 28, 52, 76, 80
форманилпда 50
4-циан-3,5-диметплфенола 87
п-цианфенола 87
циклических сульфонов 88, 90
циклобутана 28
циклогексана 28
циклогептатриена 26, 28, 75, 76 циклопентадиена 22, 23, 28, 50, 76 циклопентана 28
циклопропана 28
циклопропеновых систем 60
этана 28
этанола 50
этилена 28
Пропан 28
Пропанол-2 72
Пропенил литий 143, 145
Пропенилтриметилолово 145
Пропилен 28, 32
Пропилциклогексеп 33
Пропинил-анион 63 и сл.
Прототропия, бимолекулярный механизм 204, 205
Равновесие олефинов 222 и сл., 224
Радикалы
внутри сольватной оболочки 238
димеризация 173
отщепление алкоголятамп 174
и реакции анионного расщепления 172 и сл.
Рамберга — Бекланда перегруппировка 276—279
Растворители, классификация 40
Расщепления реакции
влияние заместителей на стереохимию 164
— температуры 167
восстановительное 184
изотопный эффект 165
кетонов 42
механизм 169, 170
С — С-связи 152—172
скорость 158
спиртов 42
стереоспецифичность 156 и сл., 164 стереохимические эффекты смесей растворителей 160
сравнение гомолитического и гете-ролитического 172
Рацемизация
вследствие нейтрализации 53 и сл.
камфенилона 74 и сл.
кинетика 42, 43
— влияние растворителей 42, 43г 44
2-метил-1-фенилбутанона-1 98 механизмы 105—108
— азот как уходящая группа 179, 180
— восстановительного расщепления спиртов и эфиров 184, 185-
—карбонилсодержащих	соедине-
ний 107
— в реакциях расщепления 156 п сл., 173
— — — влияние растворителей 158
— сравнение уходящих групп 186, 187
обратимое расщепление 173 растворители 118, 157, 160, 189 б'^Ьреакции 189, 190
S л-1-реакции 189, 190
фенил-я-толилуксусной кислоты 98
б’я-Реакции
сравнение с S^l-реакциями 188—190
— определение 150, 151
SE2 131, 133, 134, 135, 151
Se2' 135
SEi 131, 133, 134, 135, 161, 165 и сл.
механизм обращения 169, 170
— рацемизации 169
— сохранения конфигурации 168 и сл.
при насыщенном атоме углерода 150
переходные состояния 131, 133, 134, 135
электрофилы 150
Ртутьорганические соединения 245 введение лития 135 и сл. реакции обмена 133 и сл.
— радикального замещения 131 — электрофильного замещения 131 п сл.
— — — стереохимия 130—135
Связанного переноса механизм 114,. 115, 118,-210
Сохранение конфигурации аллильной системы 197, 198 влияние природы катиона 159 и диэлектрическая проницаемость-среды 104 конкуренция с изорацемизацией
117
294
Предметный указатель
в перегруппировке Виттига 257 в растворе в диметилсульфоксиде 160, 161
в реакции декарбоксилирования 122, 155
— карбонизации металлоорганических соединений 136, 139, 140 — металлирования 98 и сл., 135 и сл., 137, 138 и сл., 142
— протонирования металлоорганических соединений 137, 138 и сл.
— расщепления 156—168
— — 1-ацетоксинортрициклена127
— SE1 190
— Se2 131
— — замещение при винпльном атоме углерода 142, 143
— — — ртутьорганпческих соединений 131 и сл.
— — обмена 100, 105, 119, 145
— — образования реагентов Гриньяра 139
— SEi 131
— 5^1 189
Стереохимия винилметаллооргаппческих соединений 142
Виттига перегруппировки 256 влияние уходящей группы 171 и сл. восстановительного расщепления сложных эфиров 182, 183, 184 — — спиртов 182, 183 — — реакции 157, 168, 172 декарбоксилирования 112 и диэлектрическая проницаемость растворителя 157
замещения С — Н-кислот 96 замещенных металлоорганических соединений 96 и сл., 129
— ртутьорганических соединений 130
карбонизации 129, 136, 141 металлирования 129, 136, 142 — циклопропилгалогенидов 137 и сл.
— циклопропилметаллоорганпче-ских соединений 137 и сл.
обмена Н — D 120, 121, 195, 196, 197
образования эписульфона 277 1,2-перегруппировки 248, 249 1,4-перегруппировки 249 и сл. перегруппировки Стивенса 248 лерегруппировки Фаворского 270 и сл.
протоппрования циклопропил-металлоорганических соединений 137 и сл.
расщепления 1-ацетоксинортри-циклеиа 127
реакции Небера 274
5^-реакций 176, 177—180
—	влияние растворителя 161
—	— температуры 152
—	при насыщенном атоме углерода 131
—	эффекты заместителей 150
реакций гомолитического расщепления 173, 174
Стерические препятствия резонансу 21, 36, 62, 67 сольватации 278
Стерические эффекты
в изомеризации алкенов-1 216, 217, 218 и сл.
— олефинов 218
в образовании эписульфонов 277
в перегруппировке кетолов 266 реакции расщепления 152 и сл., 164
на скорость инверсии азиридина 91, 92
сольватации 278
угловое напряжение 221
уходящей группы 162, 163
эффект заслонения в изомеризации олефинов 217
Стивенса перегруппировка 247—250
Стильбенил-апион 146
цис-Стильбепиллитий 143 и сл.
Стильбены 145
Сольватная ячейка 178, 257
Соммле — Хаузера перегруппировка 250—253
а-Сульфонплкарбанионы конфигурация 90, 91 конформация 90 и сл. симметрия 123
устойчивость 84, 85, 86, 88 и сл., 90 и сл.
Сульфоны
металлирование 86
конформация 84, 86 и сл., 88
Тетрабутпламмонийиодид 113, 114
Тетрагпдрофуран 40
Тетраметиламмонпй гидроокись 66
Тетраметиламмоний-пон 81, 82
Тетраметиламмонпй фенолят 105
Тетраметилбензолы 38, 39
Предметный указатель
295
Тетраметиленсульфоп( сульфолан) 12, 40, 45, 46
Тетраметплфосфоний-ион 81, 82
Тетраметплэтилен 32
Тетрафенилэтпленгликоль 172, 173
Толуол 13, 24, 26, 28, 35, 37
меченный тритием 27
Триацетплметан 21
Трпиодид-ион 131
Триметпламин 66
Триметиламмоний — карбанпд ион-
ная пара 111
Триметил аммония илид 66
Триметиламмония-ион 22
Триметилбензолы 38, 39
Триметилсульфоний-ион 81
Триметилсульфонилметан 21
Триметплэтилен 32
Три нитромета и 21
Трипропиламин 41, 103, 111, ИЗ,
117, 212, 213
Трипропиламмоний иодистый 113
Трипропиламмоний — карбанид
ионная пара 103, 112, 113
Трипропиламмония	трет -б утилит
103
Триптицен 28, 66 и сл.
Триптицен-а-г 27
Трисульфонилметаны 85 и сл.
9-Тритийфлуорен 80
Трифенилаллеп 209
2,2,4-Трифенилбутаповая кислота 262
Трифенилметан 12, 13, 14, 23, 28, 49,
51, 52, 53
рКа 51, 66
Трифенплметан-сН 27
Трифепплметиллитий 64, 65
Трифенилметилнатрий 53
Трифенилметилпропионитрил 112
1,3,3-Трифенилпропан 209
2,2,3-Трпфенилпропановая кислота 258, 260
1,3,3-Трифенилпропен 28
1,1,3-Трифенилпропил литий 262
2,2,3-Трифенилпропилхлорид 261
Трифенилэтаны 73, 74
2,2,2-Трифенилэтиллитий 259, 260,
262
1,1,2-Трифепилэтилнатрий 258
2,2,2-Трпфенилэтилхлорпд 258, 259
Трпфторметан 66, 79 п-Трифторметиланилин 78 лприс-Трифторметилметан 79
Трицианометан 21
Трицианометид-ион 62 и сл.
Триэтилаллиламмоний бромистый 248
Триэтиламин 61
Триэтилкарбинол 200
Триэтилендиамин 203
Уксусная кислота 21, 50
Уходящие группы
азот 175, 176, 178, 180, 236—239
влияние на пространственную направленность реакции 162
ионы металлов в перегруппировке 239-246
кислород 182—186
конфигурация 162, 163
в 5^-реакциях 50
сравнение между собой 186—188
углерод 151
Фаворского перегруппировка 267— 272
Фенанион 74, 261, 266 2-Фенилазирин 274, 275
Фенилацетилен 13, 22, 23, 28, 58 2-Фенилбутан 152, 154, 156, 160, 166, 173, 174, 177, 178, 182, 183, 185, 197, 238, 255 меченый 27, 265, 266
2-Фенплбута нол-2 183, 184 4-Фенилбутанол-2 128
З-Фенилбутен-1 177, 200, 209, 210, 228 2-Фенилбутен-2 195, 228 2-Фенил-2-бутиламин 176 2-Фенил-2-бутилгидразин 176, 179, 238
2-Фенил-2-бутилгидразинсульфона-мид 176
2-Фенил-2-бутилкалий 166 2-Фенил-2-бутил-радикал 173, 174 2-Фепилбутиронитрил 109, 112, 113, 117, 155, 210
Фенилвипилкетон 153 1-Фенилметоксиметан-1-с? 46 1-Фенилметоксиэтан 153, 154, 197 Фенилнитрометап 227
З-Фенилпропановая кислота 268 2-Фенил-2-пропилкалий 108 а-Фенилстирол 153
Фенилсульфенилазиридин 92
Фенилсульфпнилазиридин 92
Фенилсульфонилазиридин 92
Фенилтриметиламмония гидроокись 46
2-Фенил-1,1,1-трифторбутан 109
Фенил-п-толуолуксусная кислота 98 9-Фенилфлуорен 12, 13, 14, 28 Фенилциклопропан 31
Фепилциклопропанон 268
296
Предметный указатель
Фенол 50
Фенониевый ион 261
Флуораден 25, 28, 80
Флуорен 12, 13, 22, 23, 26, 28, 52
Флуорениды щелочных металлов 10 9-Флуоренил, эфиры 254, 255
Формамид 72
Форманилид 50
Н_-Функция 46, 47
Хинальдин 72, 73 5-Хлоргексеп-1 245 4-Хлоркамфан 136 Хлорметансульфонамид 278 2-я-Хлорфенил-1,2-дифенилвинпл-лнтий, цис и транс 143, 144
я-Хлорфенил-1,2-дифенилэтплены, цис и транс 142
1-Хлор-1-фенилпропанон-2 268 1-Хлор-3-фенилпропанон-2 268 2-Хлорциклогексанон 269 а-Хлорэтилэтилсульфон 276, 277
Х'олестенон 204
Хьюза — Ингольда правило 227, 228
Хюккеля правило 75, 240
З-Циан-2,З-диметпл-4-фенплбута нол-2 155
4-Циан-3,5-диметилфенол 87
1-Циан-2,2-дифенилциклопропан 126
2-Цнан-2-метил-3-фенплпропановая кислота 155
п-Цианфенол 87
2-Циан-2-фенилбутановая кислота!54
Циклические кетоны 60, 61
Циклические сульфоны 87, 88, 90 и сл.
Цикл обута диен-дианион 75, 76
Циклобутан 28
Циклобутан-£ 27
Циклобутанон 60, 61
Циклобутилкарбинилхлорид 246
Циклобутилфенилкетон 61
Циклогексадиены 61, 228
Циклогексан 28, 29, 30, 40
Циклогексан-^ 27
Циклогексанон 60, 61
Циклогексен 33
N-Циклогексилазиридин 91
Циклогекспламид калия 34, 35
Циклогексиламид лития 12, 27
Циклогекспламид цезпя 12, 26, 27 Циклогексиламин 13, 24, 34, 35, 37 2-Цикл огексил-2-бутил
анион 175 радикал 175
2-Циклогексил-1,1-дифенил-2-метил-бутанол-1 175
Цпклогексилфенилкетон 61
Циклогептаион 60, 61
Циклогептатриен 24, 26, 28, 75, 76
Циклогептатриенил-анион 201
Циклононатетраен-анион 75, 76 соли 77
Цпклононатетраенид лития 77
Циклононатетраенид триэтиламмо-ния 77
Циклононатриенид калия 77
Циклооктатетраен 76, 77
дианион 75, 76
соли 76, 77
Циклопентадиен 22, 23, 28, 50, 77
анион 75, 78
изомеризация 201 и сл.
?Ка 76
Циклопентадиенид лития 77
Цпклопептадиенкарбоновая кислота 22
Циклопентан 29, 30
Циклопентанкарбоновая кислота, изоамиловый эфир 269
Циклопентанон 60, 61
Циклопентилмалоновая кислота, эти-
ловый эфир 227
Циклопентилфенилкетон 61
Циклопропан 58, 59, 236
Циклопропан-г 27
Циклопропаноны 268, 269
Циклопропепоны 270
Циклопропил-анионы 127, 161
Циклопропил дифенил метил метило-
вый эфир 244
Циклопропилкарбипилампн 237
Циклопропилкарбинплбензпловый эфир 255
Циклопропилкарбипилбромид 238, 241, 242
Циклопропилкарбиниллитий 243
Циклопропилкарбинил-раднкал 238
Циклопропилкарбинилфенилкарби-нол 243, 255
Цпклопропилмагний бромистый 140
Циклопропилметилкарбиниламин 237
Циклопропилфенилкетон 61
Циклопропилфепплсульфон 86
п-Цимол 38, 40
Цнннамиламин 237
Четыреххлористый углерод 79
П редметный указатель
297
Электростатическое ингибирование вращения карбанионов 125 инверсии 93, 146 обращения карбанионов 125
Энергия активации изомеризации циклизации — дециклизации 241 координаты 229 обращения диалкилмагниевых соединений 140
перегруппировки металлоорганических соединений 240
Эписульфоны 276, 277
Этан 28, 58, 59
Этанол 50, 72, 158
Этилен 28, 32, 58, 59
Этиленгликоль 40, 42, 72, 158
Этилендиамин 158
Этилбензол 35, 38, 73 2-Этилбутен-1 220 Этилтолуолы 38, 40 Эти л циклобутан 31 Этилциклопропан 31, 236 Эфир 40
Эффект
заслонения 221
«отрицательной» гиперконъюгации 78—80
перекрывания орбиталей 93 поля 65
Эффекты ароматизации 75—77 гомосопряжения 62 заместителей 93 — алкильной группы на устойчивость карбанионов 218 и сл.
—	альдегидной группы 68
—	ацетамидной группы 68
—	ацетильной группы 68
—	ацидифирующая способность 20
—	б ром-группы 68
—	mpem-бутильной группы 39
— замещенных фенилацетиленов 69
— в изомеризации алкенов-1 218, 219
—	изопропильной группы 39
—	карбоксигруппы 68
—	карбэтоксигруппы 68
—	на кислотность 17—20
—	метильной группы 38 и сл.
—	метилсульфинильной группы 68
—	метилсульфонильной группы 68
—	метоксигруппы 68
—	нитрогруппы 68
—	в перегруппировке Виттига 254, 257
—	— бензиловой кислоты 264
—	— Мейзенгеймера 257
—	— Соммле — Хаузера 252
—	— Стивенса 247
—	на скорости изотопного обмена ацетилена 70
—	— инверсии азиридина 93
—	— — имина 146
—	— обмена фенилацетилена 70
—	на стереохимию 164
—	сульфонатной группы 68
—	фенилсульфенильной группы 93
—	фенилсульфинильной группы 93
—	фенилсульфонильной группы 93
—	циаигруппы 68
—этильной группы 39
Ядериый магнитный резонанс 64
в изучении структуры реактивов Гриньяра 239
литийпенталенида 77
в перегруппировке металлоорга-
нических соединений 239
солей ароматических С — Н-кис-
лот 76, 77
шкала времени 129
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие	5
Предисловие автора	7
Глава I. С — Н-ки слоты	9
Шкала термодинамической кислотности	10
Корреляция термодинамической и кинетической кислотности	17
Кинетическая кислотность слабых С	—	Н-кислот	29
Влияние среды на кинетическую и термодинамическую кислотность С — Н-кислот	40
Литература	54
Глава II. Строение карбанионов и механизм их стабилизации 57
Влияние s-характера орбитали	58
Эффект сопряжения	62
Индуктивные эффекты	65
Эффекты гомосопряжения	73
Эффекты ароматизации	75
Эффект «отрицательной» гиперконъюгации	78
«Z-Орбитальные эффекты	80
Литература	94
Глава III. Стереохимия реакций замещения для С — Н-кислот и металлоорганических соединений	98
С — Н-кислоты, образующие симметричные или почти симметричные карбанионы .	99
Механизм сохранения конфигурации	100
Механизм рацемизации .	105
Механизм обращения конфигурации	109
Механизм изорацемизации	111
Влияние строения на механизм	118
Системы, образующие несимметричные карбанионы	118
Специальный случай карбанионов, входящих в состав трехчленных циклов	126
Карбанионы с гомосопряжением	127
Стереохимия реакций замещения в металлоорганических соединениях	129
Содержание
29<J
Ртутьорганическпе соединения	130
Литий- и магнийорганические соединения	135
Стереохимия винпльных металлоорганических соединений 142
Литература	147
Глава IV Стереохимия карбанионов, возникающих в процессе электрофильного замещения различных групп,	150
Электрофильное замещение при насыщенном атоме углерода. Атом углерода в роли уходящей	группы	151
Образование карбанионов при разрыве связи углерод — углерод (обзор реакций)	152
Пространственные закономерности	реакций расщепления 156
Карбанионы как промежуточные продукты при реакциях расщепления	168
Конкуренция между анионным и свободнорадикальным разрывом С — С-связи	172
Электрофильное замещение при насыщенном атоме углерода. Другие уходящие группы	175
Азот в-роли уходящей группы	175
Кислород в роли уходящей группы	182
Связь между природой уходящих групп и закономерностями реакций электрофильного	замещения	186
Сравнение стереохимических закономерностей поведения карбониевых ионов (карбокатионов) и карбанионов	189
Литература	191
Глава V Изомеризация ненасыщенных систем (перенос протона)	193
Внутримолекулярные аллильные перегруппировки	194
Геометрическая устойчивость аллильных анионов	214
Влияние природы углеводородных заместителей на скорость аллильной перегруппировки алкенов	218
Равновесие между изомерными олефпнами	222
Соотношение констант скоростей изомеризации аллильных карбанионов	226
Литература	232
Глава VI. Молекулярные перегруппировки	235
Перегруппировки циклизации — дециклизации	235
Азот в роли уходящей группы	236
300
Содержание
Ионы металлов в роли уходящей группы	239
1,2-Перегруппировки	247
Перегруппировка Стивенса и родственные ей превращения 247
Перегруппировка Виттига	253
1,2-Миграция арильной группы	258
Бензиловая перегруппировка и родственные ей превращения	262
Перегруппировки, включающие стадию 1,3-элимпнирова-ния	267
Перегруппировка Фаворского	267
Перегруппировка Небера	273
Реакция Рамберга — Бекланда	276
Образование и превращения а-лактамов	278
Литература	279
Предметный указатель	284
д. КРАМ
Основы химии карбанионов
Редактор Г. Б. Шкляева Художник И. А. Литвишко Художественный редактор Е. И. Бескова Технический редактор Т. А. Мирошина Корректор В. И. Киселева
Сдано в производство 21/IX 1966 г. Подписано к печати 24/1 1967 г. Бумага 60 X 901/16 = 9,38 бум. л. 18,75 усл. печ. л. Уч.-изд. л. 18,46.
Изд. № 3/3593. Цена 1 р. 45 к. Зак. 539. (Темплан из-ва «Мир» 1967 г,, пор. № 78)
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» Москва, 1-й Рижский пер., 2
Московская типография № 16 Главполиграфпрома Комитета по печати при Совете Министров СССР.
Москва, Трехпрудный пер., 9