Классификация механизмов органических реакций по характеру разрыва и образования химических связей.

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ТЕОРИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Часть I. Механизмы реакций органических соединений

 

Текст лекций

 

 

 

 

Санкт-Петербург

УДК 547.1.544 + 547.127

 

Целинский И.В. Количественная теория органических реакций. Часть I. Механизмы реакций органических соединений: текст лекций/ И.В.Целинский, С.Ф.Мельникова - СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2010- 51с.

 

В данном учебном пособии излагаются основные принципы классификации механизмов органических реакций, рассматриваются главные типы гомолитических и гетеролитических процессов, синхронных реакций и перегруппировок, их механизмы, а также стереохимические аспекты реакций замещения и элиминирования.

Предназначено для студентов 3-курса по специальности 24.07.01-«Химическая тех-­ нология органических соединений азота» и 24.04.02-«Химическая технология синтетических био­логически активных веществ», а также для аспирантов и научных сотрудников, специализирующихся в области физической органической химии и химической технологии органических веществ.

 

Ил.2 табл.

 

 

Рецезенты

1. СПб Гос­университет кино и телевидения,

Л.Л.Кузнецов, д-р. хим. наук, профессор кафедры

общей, органической и физической химии

2. Б.М.Ласкин, д-р техн.наук, профессор, начальник

на­уч­­­но-исследовательского комплекса «Экология

промышленная безопасность «РНЦ «Прикладная химия»

 

 

Утверждено на заседании учебно-методической комиссии факультета тонкого органического и микробиологического синтеза 2010 г.

 

Рекомендовано к изданию РИС’о СПбГТИ (ТУ)

 

ВВЕДЕНИЕ

Количественная теория органических реакций опирается, прежде всего, на знание механизмов химических реакций и факторов, определяющих реакционную способ­ность, прежде всего структурных (электронные, стереоэлектронные и сте­рические эф­фекты) и эффектов среды (клеточный эффект, специфическая и не­специфическая соль­ватация). Разобраться во множестве химических превращений органических ве­ществ помогает классификация их механизмов, которая проводится по двум основ­ным прин­ципам: по характеру разрыва и образования химических связей (гомолити­ческие, Гете­ролитические реакции, процессы одноэлектронного переноса) и по типу превраще­ний субстрата (реакции присоединения, замещения, элими­нирования, фрагментации). Отдельный тип органических реакций представляют синхронные, пери­циклические и электроциклические реакции, а также сигматропные перегруп­пировки.

Органические реакции различаются также по типу активации. Большинство неката­­ли­­ти­ческих реакций, скорость которых увеличивается с температурой, отно­сятся к числу термически активируемых*. В последнее время широкое распростра­нение полу­чили реакции, активируемые действием микроволнового облучения, в основе которого также лежит термическая активация. Отдельную группу пред­ставляют т.н. соно­хими­чес­кие реакции, активируемые ультразвуком, однако этот метод активации исполь­зуется гораздо реже, чем термическая активация.

Принципиально отличными от приведенных выше являются фотохимические реак­ции, активируемые ультрафиолетовым облучением, и радиохимические реакции, про­текающие под действием ионизирующего излучения. В таких реакциях органи­ческие молекулы, поглощая квант электромагнитного излучения или сталкиваясь с эле­ментар­ной частицей, переходят в электронно-возбужденное состояние или распа­даются на фрагменты, реакционная способность которых принципиально отличается от молекул в основном электронном состоянии. Такие реакции лишь вскользь упоми­наются в данном учебном пособии.

 

 

 

*Каталитическая активация органических реакций подробно рассмотрена в учебном пособии «Кислотно-основные свойства органических соединений азота» авторов И.В.Целинский и И.В.Шугалей, СПб; СПбГТИ(ТУ), 2006.-57 с.

Классификация механизмов органических реакций по характеру разрыва и образования химических связей.

По данному принципу реакции подразделяются на гомолитические (или свободно­радикальные), гетеролитические, или ионные, и реакции одноэлектронного переноса (или окислительно-восстановительные).

1.1 Гомолитические реакции

Элементарной стадией свободно-радикальных (гомолитических) реакций является гомолитический разрыв ковалентной связи, так что каждый из двух образовавшихся фрагментов несет неспаренный электрон, либо обратный процесс рекомбинации двух свободных радикалов, либо взаимодействие свободного радикала с нейтральной моле­кулой или ионом. В соответствии с этим различают следующие типы гомолитических реакций:

1.1.1 Гомолитическая диссоциация (распад молекулы на радикалы)

Молекулы органических соединений, имеющие в своем составе слабые ковалентные сигма-связи (с энергией диссоциации до 150-170 кДж/моль), такие как связи N-N, N-O, O-O, N-Cl (Br) и другие, при нагревании (обозначаемом знаком Δ) диссоциируют с образованием свободных радикалов, например, перекись бензоила образует два бензоильных радикала

 

 

а диметилнитрамин – диоксид азота и диметиламинильный радикал

 

 

Возможен также согласованный распад двух сигма-связей, как в случае терми­ческой диссоциации инициатора свободно-радикальной полимеризации – азобис-изо-бутиро­нитрила

1.1.2 Соединение свободных радикалов друг с другом (рекомбинация радикалов)

Это процесс, обратный предыдущему - например, одна из стадий радикального нитрования алканов

 

 

1.1.3 Гомолитическое замещение имеет место, когда один свободный радикал вытес­няет другой из нейтральной молекулы, например, при образовании арилалкилсульфи­дов из дисульфидов:

 

или путем вытеснения трифторметильным радикалом метильного из тетраметил­силана:

 

1.1.4 Гомолитическое присоединение свободных радикалов к нейтральным молекулам, чаще всего к олефинам:

 

 

Такие реакции представляют собой, в частности, стадии инициирования и продолже­ния цепи свободнорадикальной полимеризации алкенов.

1.1.5 Гомолитическое расщепление радикалов приводит к образованию нейтральной молекулы и нового, более низкомолекулярного радикала (или атома). Например, этоксильный радикал может распадаться по двум направлениям:

 

Бензоильный радикал распадается с выделением диоксида углерода:

 

1.1.6 Диспропорционирование радикалов. Передача атома (чаще всего водорода) или группы от одного свободного радикала к другому приводит к образованию двух нейт­ральных молекул, например:

 

1.1.7 Изомеризация радикалов, приводящая к образованию более стабильного свободного радикала:

 

Свободный радикал (А), обладая незаполненной электронной оболочкой и проявляя в силу этого электрофильный* характер, стабилизируется за счет трех электро­но­донор­ных метильных групп при образовании трет.-бутильного радикала (В). Это является дви­­жущей си­лой изомеризации

 

1.2 Гетеролитические, или ионные реакции.

Гетеролитические процессы протекают с участием ионов, т.е. частиц, несущих элект­ри­­ческий заряд, образующихся при гетеролизе ковалентной связи. При этом пара элект­ро­нов сигма-связи переходит к аниону (отрицательно заряженной частице), а катион, т.е. положительно заряженная частица в случае элементов II периода останется с неза­пол­­ненной 6-электронной оболочкой. Например, трет.-бромистый бутил спонтанно дис­со­циирует с образованием бромид-аниона и трет.-бутильного катиона.

 

Ионы, обладая электрическим зарядом, являются активными промежуточными час­ти­цами во многих химических реакциях. Ионы могут образовываться в процессе кислот­но-основных превращений (ионизация кислот, протонирование оснований и т.д.):

 

 

 

1.2.1 Карбокатионы

Весьма распространенным процессом в органической химии является образо­вание карбокатионов (или карбениевых ионов) с положительным зарядом, локали­зован­ным на атоме углерода. Карбокатионы в большинстве случаев являются весь­ма активными промежуточными продуктами (интермедиатами) и легко вступают в дальнейшие гете­ро­литические процессы.

Образование карбокатионов возможно в результате спонтанной диссоциации алкил-

___________________________________________________________________________

*Понятие электрофильности и нуклеофильности см. далее в разделе “Гетеролические и ионные реакции” (стр.14)

 

 

и аралкилгалогенидов, протекающей в среде полярных (т.н. ионизирующих) раство­рителей

 

 

Такие реакции называются процессами сольволиза. Карбокатионы, будучи электроно-дефицитными частицами, стабилизируются за счет положительного индукционного (передаваемого по простым сигма-связям) или мезомерного (передаваемого по системе сопряженных кратных связей) эффектов электронодонорных групп

Заметим, что при образовании карбокатионов меняется гибридизация карбениевого центра от sp³ (тетраэдрической) в исходном соединений до sp² (плоской тригональной) в катионе, что способствует стабилизации этих ионов.

Карбокатионы могут образовываться также под действием на исходные спирты (или их производные) кислот Бренстеда (т.е. протонных кислот):

либо действием на алкил(аралкил)галогениды кислот Льюиса (т.е. апротонных кислот):

 

 

1.2.2 Катионы с зарядом на гетероатоме.

Важную роль в органической химии играют катионы, положительно заряженным цент­ром которых являются атомы азота, кислорода, серы и галогенов. Аммониевые катионы образуются при протонировании аминов (иминов) и различных азотистых оснований. Наличие неподеленной пары электронов (НПЭ) на атоме азота обуслав­ли­вает достаточ­но высокую основность аминов*

Ароматические амины и азотистые гетероциклы (пиррол, пиразол, имидазол, триа­зо­лы, тетразол, пиридин, пиразин, пиримидин и т.д.), хотя и являются более слабыми ос­нова­ниями, чем аммиак и алкиламины, также способны протонироваться под действием сильных кислот:

 

Ионы иммония образуются при протонировании алкил(арил, аралкил, гетерил) иминов:

 

 

Четвертичные аммониевые катионы образуются при алкилировании триалкилами­нов галогеналканами, например,

 

Ионы гидроксония и алкилгидроксония (H₃O⁺ и ROH₂⁺) генерируются при прото­ни­­ровании воды и спиртов:

 

а ионы триалкилоксония - при алкилировании гидроксониевых солей диазометаном или алкилгалогенидами в присутствии кислот Льюиса

__________________________________________________________________________________

*Подробнее эти вопросы рассмотрены в учебном пособии «Кислотно-основные свойства органи­ческих соединений азота» авторов И.В.Целинский и И.В.Шугалей; СПб, СПбГТИ (ТУ), 2006.-57с

 

Ион гидросульфония образуется при протонировании серного ангидрида:

Ионы галогенония (Cl⁺, Br⁺, I⁺) возникают при гетеролизе связи Hgl-Hgl в молекулах галогенов, протекающем обычно под действием кислот Бренстеда или Льюиса:

 

Ионы нитрозония (NO⁺) и нитрония (NO₂⁺) образуются в результате дегидратации протонированных под действием сильных кислот, соответственно, азотистой и азот­ной кислот

 

а ион диазония (R-N⁺≡N, обычно арил- или гетарилдиазония) генерируются путем дегидратации диазогидратов - таутомерной формы нитрозоаминов:

 

1.2.3 Карбанионы.

Важными промежуточными частицами в органических реакциях являются карб­анионы, R₃C^-, т.е. частицы с отрицательным зарядом, образовавшиеся после отрыва протона основанием от исходной т.н. CH-кислоты.

Простые углеводороды являются нейтральными соединениями и практически не прояв­ляют кислотных свойств даже при действии очень сильных оснований, за исключением ацетилена и его производных (рК_а 23-25), циклопентадиена

индена флуорена

 

и их аналогов.

Кислотность ацетиленов обусловлена повышенной электроотрицательностью sp -гиб­ридизированного атома углерода, т.е. его способностью удерживать отрица­тель­ный за­ряд аниона. Такой же эффект при наличии более электроотрицательного атома азота у тройной связи в молекуле синильной кислоты (H-C≡N) приводит к сущест­венному уси­лению кислотности (рКа 9.3).

Кислотность циклопентадиена, индена, флуорена и их производных приписывается эффекту ароматизации соответствующих карбанионов. Согласно правилу Хюккеля, аро­ма­тическими считаются циклические соединения, содержащие систему сопря­женных кратных связей с (4n+2) π–электронами, где n=0,1,2,3 и т.д. Классическим аромати­чес­ким соединением является бензол, в молекуле которого имеется 6π-электронов на трех сопряженных кратных связях. При этом все шесть связей С-С молекулы бензола оди­наковы, что свидетельствует о делокализации π-электронов в цикле. Такая делока­ли­зация электронов стабилизирует молекулу бензола примерно на 150 кДж/моль.

Анионы циклопентадиена, индена и флуорена являются изоэлектронными ана­логами, соответственно, бензола (6π-электронов), нафталина (10π-электронов) и ант­рацена (14π-электронов) и также стабилизированы сопряжением (резонансом).

Карбанионы могут стабилизироваться также за счет эффекта полярного сопря­жения при наличии у реакционного центра таких –М (обладающих отрицательным мезомер­ным эффектом) заместителей, как нитро-, циано-, сульфонильная, карбо­ниль­ная, карб­алкоксильная и другие группы, которые называются ацидифицирующими (т.е. придаю­щими молекуле кислотные свойства) заместителями:

(Обоюдоострыми стрелками на этой схеме обозначаются т.н. крайние, или предельные резонансные (мезомерные) структуры, описывающие возможное распределение отрицательного заряда аниона).

 

 

Наиболее мощным –М - эффектом среди этих заместителей обладает нитрогруппа. Введение второго и третьего –М - заместителя существенно усиливает ацидифици­рую­щий эффект за счет расширения области делокализации отрицательного заряда карб­аниона:

 

Значения рКа ди- и тризамещенных –М-группами производных метана приведены ниже: CH₂(NO₂)₂ 3.6; CH(NO₂)₃ 0.1; (CH₃CO)₂CH₂ 9.0; (CH₃CO)₃CH 5.8; CH₂(CN)₂ 11.2; CH(CN)₃ -5.1; CH(NO₂)₂CN -6.2.

Менее эффективно ацидифицируют углеводороды электроноакцепторные замес­тители, такие как галогены, действующие по механизму индукционного эффекта, т.е. путем по­ляризации простых σ -связей, например:

Cl₃CH, pKa 15.5; C₆F₅H, pKa 25.8; F₃CH, pKa 26.5; (CF₃)₃CH, pKa 11.0.

1.2.4 Реакции ионов.

1.2.4.1 Перегруппировка ионов с образованием более стабильных изомеров.

Наиболее хорошо изучены часто встречающиеся и имеющие важное практическое

при­менение перегруппировки карбокатионов. Обычно они катализируются кис­лотами Бренстеда или Льюиса и включают первичный акт присоединения протона к молекуле алкана с образованием карбониевого катиона с пятикоординационным атомом углерода:

 

 

На следующей стадии при отщеплении молекулы водорода образуется трехкоорди­наци­онный катион (ион карбения), который перегруппировывается в более ста­бильный катион:

 

Третичный бутильный катион более стабилен, чем вторичный бутильный, за счет элект­ро­но­донорного эффекта метильных групп, частично нейтрализующих положи­тель­ный заряд катиона. Такие изменения углеродного скелета с участием карбо­кати­она называются перегруппировками Вагнера-Меервейна.

Возможны также перегруппировки без изменения скелета, например,

 

превращение первичного пропильного катиона в более стабильный вторичный путем т.н. 1,2-гидрид­ного сдвига, т.е. перемещения атома водорода с двумя электронами

Перегруппировки с участием карбанионов встречаются значительно реже в связи с необходимостью делокализации четырех электронов в переходном состоянии (ПС) вместо двух в случае карбокатионов:

Известны 1,2-сдвиги арильных групп, например, в реакции 1,1,1-трифенил-2-хлор­этана с натрием, протекающие с промежуточным образованием карбаниона:

Карбанион Б стабилизирован делокализацией отрицательного заряда на двух фениль­ных группах, что обеспечивает движущую силу процесса.

В перегруппировке Стивенса происходит 1,2-сдвиг алкильной группы от атомов азота или серы к атому углерода карбаниона:

1.2.4.2 Распад иона на более простой ион и молекулу.

Одним из вариантов стабилизации карбокатионов является отщепление протона с образованием алкенов:

Алкокси-анионы, например, анионы β, β-динитроспиртов или анион ацетонциан­гид­­рина, легко расщепляются в щелочной среде на более термодинамически стабиль­ные анионы 1,1-динитроалканов или цианид-анион с выделением карбонильного сое­дине­ния (реакция ретро-Анри)

1.2.4.3 Присоединение ионов к нейтральным молекулам.

Такие реакции характерны как для катионов (электрофильное присоединение), так и для анионов (нуклеофильное присоединение) и протекают с участием непредельных соединений, содержащих связи С=С, С=N, С=O и т.д., и соединений с малыми карбо- и гетероциклами (циклопропан, азиридин, оксиран, оксетан). Например, гало­генирование алкенов:

 

Кислотно-катализируемая гидратация алкенов:

Присоединение карбокатионов к алкенам:

:

 

 

Реакция Михаэля:

 

Электрофильное присоединение к кратным связям

Реакции раскрытия циклов

 

1.2.4.4 Замещение ионами других ионов в нейтральных молекулах.

Это широко распространенный тип реакций в органической химии. Подобные про­цессы протекают в рядах насыщенных алифатических, непредельных, ароматических и гете­ро­циклических соединений с участием катионов, анионов и нейтральных сое­динений, генерирующих ионы при действии катализаторов либо спонтанно.

Например, нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода:

 

Электрофильное замещение в ароматических соединениях:

 

Нуклеофильное замещение в ароматическом ряду

1.2.4.5 Рекомбинация с ионом противоположного знака.

Сюда относятся процессы, обратные реакциям гетеролиза ковалентной связи, например, нейтрализация Бренстедовских кислот основаниями:

а также процесс, обратный сольволизу алкилгалогенидов:

Взаимодействие неорганических катионов с анионами приводит к образованию нейтральных молекул:

1.2.5 Нуклеофильные и электрофильные реагенты и реакции.

Гетеролитические реакции и реагенты подразделяются на нуклеофильные и элект­­ро­­фильные. Химические связи в этих реакциях образуются таким образом, что од­на частица является носителем пары электронов, а другая имеет свободную или осво­бож­дающуюся в ходе реакции орбиталь для образования ковалентной связи. Носитель пары электронов, отдающий ее для образования связи с субстратом, назы­вается нуклеофиль­ным реагентом, или нуклеофилом, а частица, предоставляющая свободную орбиталь для образования ковалентной связи – электрофильным реагентом, или электрофилом.

Например, в реакции замещения

 

этоксильный анион (реагент) является нуклеофилом, а метилиодид (субстрат) – электрофилом.

В реакции ароматического нитрования нитроний-ион (реагент) является электро­филом, а бензол (субстрат)- нуклеофилом.

 

Нуклеофильными реагентами могут быть:

- Анионы: Н ^¯ (гидрид), ОН ^¯ (гидроксид), RO ^¯ (алкоксид), ArO ^¯ (арилоксид или фено­лят), HOO ^¯ (гидропероксид), RCOO ^¯ (ацилоксид или карбоксилат), HS ^¯ (гид­ро­сульфид), RS ^¯ (ал­килтиолат), RC(O)S ^¯ (тиокарбоксилат), ArS ^¯ (тиофенолят), NH₂ ^¯ (амид), R₂N ^¯ (ди­ал­­киламид), N₃ ^¯ (азид), CN ^¯ (цианид), NCO ^¯ (цианат), SCN ^¯ (тиоцианат), F ^¯ (фторид), Cl ^¯ (хлорид), I ^¯ (иодид), NO₂ ^¯ (нитрит), NO₃ ^¯ (нитрат) и другие, в том числе карбани­оны: R₂C¯NO₂ (нитронат), CH₃C(O)CH₂^¯(ацетонат), ¯CH₂C≡N (анион ацето­нит­ри­ла), (CH₃CO)₂CH¯(ацетилацетонат), Cl₃C^¯(трихлорметид), Ar₂CH^¯ (бенз­гид­рильный анион), RC(NO₂)₂¯(гем-динитроалкильный анион или 1,1-динитро­карб­ани­он), Ar₃C^¯ (три­арил­­­ме­тиль­ный анион), RC≡C^¯ (ацетиленид-анион), C^¯≡N (цианид-анион),

(цик­­­лопентадиенил-анион),¯CH(CN)₂ (анион малононитрила), (C₂H₅OCO)₂CH^¯ (ди­этил­малонат-ион) и т.д.

Нейтральные молекулы, имеющие атомы с неподеленными парами электронов: вода (H₂O), спирты (ROH), фенолы (ArOH), аммиак (NH₃), амины (R₃N), гидразины (RNHNH₂), гидроксиламины (RNHOH), фосфин (PH₃).

Положительно заряженные (или нейтральные) реагенты, принимающие в ходе реак­ции электронную пару для образования ковалентной связи с субстратом, как сказано выше, называются электрофилами.

К ним относятся:

- катионы H⁺ (гидроний), Cl⁺ (хлороний), Br⁺ (бромоний), NO⁺ (нитрозоний), NO₂⁺ (нитроний), ArN⁺≡N (арилдиазоний), HSO₃⁺ (гидросульфоний), катионы металлов (Ag⁺,Hg²⁺ и др.),

- карбокатионы R₃C⁺(триалкилкарбениевый ион* или триалкилкарбокатион), Ar₃C⁺ (три­­арилкарбениевый ион), C₆H₅CH₂⁺ (бензил-катион), CH₂=CHCH₂⁺ (аллил-катион),

⁺CH₂OH (гидроксиметил-катион), ⁺CH₂Cl (хлорметил-катион), R₂N-CH₂⁺ (карбений-иммониевый ион), R-C⁺ =O (ацилий-катион).

- кислоты Льюиса: BF₃, AlCl₃, ZnCl₂, SnCl₄, TiCl₄, SbF₅ и т.д.

- нейтральные молекулы, образующие катионы при гетеролизе, например,

 

- молекулы с кратными полярными связями

 

способные образовывать новую связь за счет пары электронов субстрата.

 

______________________________________________________________________

*Логичнее было бы назвать этот ион и аналогичные катионы карбониевыми ионами (подобно аммонии­евым, оксониевым, сульфониевым ионам), однако это название закреплено за пятикоор­дини­рованным углеродным катионом (например, CH₅⁺-ион метония), в отличие от трехкоординированных карбениевых ионов.

 

Разделение гетеролитических реакций на нуклеофильные и электрофильные в значительной мере условно, т.к. в бимолекулярной гетеролитической реакции участ­вуют как нуклеофильный, так и электрофильный компоненты. Например, в рас­смотренной выше реакции нитрования бензола NO₂⁺ является электрофилом, а C₆H₆-нуклеофилом.

 

Однако в синтетической химии реагирующие вещества условно делят на реагенты и субстраты, причем субстратами чаще всего считается нейт­ральная молекула или частица с большей молекулярной массой (или большим коли­чеством атомов). Реагенты часто являются неорганическими соединениями, поэтому в приведенной выше реакции NO₂⁺ считается реагентом, а C₆H₆ –субстратом, и реакция считается процессом электрофильного замещения.

В нуклео­филь­ной же реакции субстрат подвергается действию нуклеофильного реагента.