Синтез хлороформа. Реакции нуклеофильного замещения и элиминирования галогеналканов

ион галогена отойдет.

Реакционная способность. При рассмотрении реакционной способности галогеналканов в реакциях нуклеофильного замещения следует изучать влияние двух факторов: пространственного (стерического) и электронного. В случае бимолекулярного нуклеофильного замещения наиболее важную роль играет стерический фактор. По мере увеличения числа и объема заместителей у атома углерода - реакционного центра возможность достижения активированного комплекса уменьшается. Это могут быть как алифатические, так и ароматические заместители или те и другие.

В SN2-реакциях реакционная способность уменьшается в ряду:

СН3–Х > RСН2–Х > R1R2СН–Х > R1R2R3С–Х

Мономолекулярное нуклеофильное замещение

Третичные алкилгалогениды реагируют по механизму SN1 (мономолекулярное нуклеофильное замещение).

Cтадии процесса. Реакция протекает в две стадии. Первая стадия - гетеролитический разрыв связи углерод-галоген - медленная.

Вторая стадия - образовавшийся карбокатион практически мгновенно взаимодействует с нуклеофилом – молекулой воды.

В отличие от механизма SN2 разрыв связи С-Х и образование новой связи С-Nu протекает не одновременно, а последовательно.

Энергетическая диаграмма реакции изображает изменение потенциальной энергии в ходе двух стадийного мономолекулярного замещения.

Рис.2.4. График изменения потенциальной энергии в ходе мономолекулярного нуклеофильного замещения. SN1-двухстадийный последовательный процесс.

Скорость реакции. В медленной стадии, определяющей скорость реакции, принимает участие только одна молекула, поэтому механизм называют мономолекулярным замещением. Скорость реакции зависит от концентрации галогеналкана и определяется по формуле V = K[R-Hal].

Концентрация нуклеофильного реагента. Низкая концентрация нуклеофила способствует SN1-реакции.

Перегруппировка. В медленной стадии реакции образуется карбокатион - частица, способная к перегруппировке. Галогеналканы могут реагировать по механизму SN1 через стадию перегруппировки первоначально образующегося карбокатиона: если в результате 1,2-сдвига отрицательно заряженной частицы образуется более устойчивый карбокатион, то происходит перегруппировка.

Перегруппировка считается признаком SN1-механизма.

Растворитель. Переходное состояние SN1-реакции более полярно, чем исходное состояние. Увеличение полярности растворителя способствует большей сольватации переходного состояния по сравнению с сольватацией исходного соединения. Это приводит к росту скорости реакции.

При проведении SN1-реакции используют протонные растворители с высокой диэлектрической проницаемостью, способные образовывать водородные связи.

Рис.2.5. Влияние полярности растворителя на скорость реакции мономолекулярного нуклеофильного замещения

В растворителе, имеющем высокую диэлектрическую проницаемость, легче протекает ионизация галогеналкана, но, в отличие от апротонных растворителей, в протонном сольватируется не только карбокатион, но и ион галогена, образуя с ним водородные связи.

Сольватация сопровождается выделением значительного количества энергии, которая может быть затрачена на ионизацию новых исходных молекул, что приводит к ускорению реакции.

Сольватация нуклеофила не влияет на скорость реакции, так как даже стабилизированный сольватацией нуклеофил быстро реагирует с карбокатионом.

Стереохимия. В карбокатионе, образующемся в медленной стадии, связи sp2 -гибридизованного атома углерода расположены в одной плоскости. Если SN1-замещение протекает у хирального атома углерода, то образующийся плоский карбокатион становится ахиральным.

Последующая атака нуклеофильного реагента происходит с одинаковой вероятностью и с той и с другой стороны плоского карбокатиона. Следовательно, половина образующихся молекул будет иметь ту же конфигурацию, что и исходное соединение, а половина - будет его зеркальным изображением, т.е. образуется эквимолекулярная смесь энантиомеров - рацемат. Такая реакция приводит к оптически неактивному продукту.

В том случае, если уходящий галогенид-ион не успевает отойти от реакционного центра, он затрудняет атаку нуклеофила со своей стороны. Это приводит к образованию большего количества изомера с конфигурацией, противоположной конфигурации исходного соединения. Тогда имеет место частичная рацемизация.

Реакционная способность. Главным фактором, определяющим реакционную способность в SN1-реакции, является электронный фактор - устойчивость образующегося в медленной стадии реакции карбокатиона. Чем устойчивее карбокатион, тем легче он образуется, тем быстрее протекает замещение.

2.1.3. Сравнение реакций SN 1 и SN 2

Каждый из этих механизмов в чистом виде встречается очень редко. Реакционная способность в SN2-реакции уменьшается при переходе от СН3-Х к первичным RCH2-X, для вторичных - она гораздо меньше и появляется значительный вклад SN1-реакций. При переходе от вторичных к третичным галогеналканам реакционная способность в SN1-реакции резко возрастает.

Изменяя условия протекания реакций, можно направить процесс преимущественно по тому или иному механизму.

Таблица 2.2

Влияние условий реакции на относительное значение двух механизмов

Механизм

Растворитель

Сила нуклеофила

Концентрация

нуклеофила

SN1

Протонный

Более слабый

Меньшая

SN2

Апротонный

Более сильный

Бульшая

2.2. Реакции отщепления (элиминирование)

В ходе реакции элиминирования от молекулы галогеналкана отщепляются два фрагмента: ион галогена (уходящая группа) от Сa и протон - от соседнего атома углерода Сb. Такой тип реакций называется b-элиминированием.

2.2.1. Бимолекулярное отщепление Е2

Реакция отщепления галогеноводорода от первичных галогеналканов протекает по бимолекулярному механизму Е2.

Механизм Е2. Основание НО– атакует водород (рис.2.6.а) при Сb, подает ему пару электронов и начинает образовывать с ним связь, связь Сb-Н ослабевает, пара электронов, связывавшая углерод и водород, освобождается и атакует атом галогена с тыла., одновременно растягивается связь Сa -Br (процесс согласованный). Возникает активированный комплекс: атомы углерода Сa и Сb переходят из sp3-гибридного состояния в состояние, близкое к sp2-состоянию, освобождающаяся пара электронов затрачивается на образование p-связи (рис.2.6.б) . Затем связи углерод- водород и углерод-галоген разрываются, атомы углерода переходят в sp2-состояние, образуется p-связь (рис.2.6.в).

Рис.2.6. Механизм реакции бимолекулярного элиминирования; а – антикомпланарное расположение связей Сa—Br и Сb—H, б – переходное состояние, в – конечные продукты.

Энергетическая диаграмма реакции изображена на следующем графике:

Рис.2.7. График изменения потенциальной энергии в ходе Е2.

Связи, разрывающиеся в активированном комплексе, должны быть в транс-положении друг к другу. Такая геометрия позволяет электронной паре, освобождающейся при связывании протона с основанием, атаковать с тыла атом углерода Сa и вытеснять галоген. Копланарность двух связей субстрата: Сa -Br и Сb -Н, которые разрываются в активированном комплексе, обеспечивает максимальное перекрывание р-орбиталей, то есть способствует процессу образования p-связи. Такая комбинация условий называется стереоэлектронным требованием.

Ниже эта реакция изображена в проекциях Ньюмена.

Реакция, в результате которой из данного стереоизомерного соединения получается в качестве продукта только один стереоизомер, называется стереоспецифической реакцией.

Cкорость реакции зависит от концентрации галогеналкана и основания и определяется по формуле V= K[R-Br] [O–].

Направление элиминирования - правило Зайцева: основным продуктом реакции отщепления от галогеналканов с двумя не эквивалентными Сb является наиболее устойчивый (наиболее алкилированный) алкен.

Основным продуктом реакции элиминирования 2-хлорбутана является транс-2-бутен (соотношение цис- и транс-изомеров 1:6). Активированный комплекс, возникающий при образовании транс-изомера, менее пространственно затруднен и более устойчив, и, следовательно, скорее образуется, чем активированный комплекс, ведущий к цис-изомеру.

Реакционная способность галогеналканов в реакциях Е2 изменяется в ряду:

Такое увеличение реакционной способности галогеналканов при переходе от первичных к третичным обусловлено увеличением устойчивости образующихся алкенов.

2.2.2. Мономолекулярное отщепление Е1

Третичные галогеналканы реагируют по мономолекулярному механизму.

Механизм. Реакция протекает в две последовательные стадии. Первая стадия аналогична первой стадии мономолекулярного нуклеофильного замещения:

Во второй стадии основание атакует водород при Сb - атоме.

Реакционная способность галогеналканов увеличивается при переходе от первичных к третичным. Это обусловлено увеличением устойчивости карбокатионов, образующихся в медленной стадии.

2.2.3. Сравнение реакций нуклеофильного замещения и элиминирования

В реакциях замещения донор электронной пары отдает свою пару электронов атому углерода Сa, связанному с галогеном - в этом случае он является нуклеофилом. Тот же донор электронов может отдавать свою электронную пару атому водорода, связанному с Сb - в этом случае он является основанием в реакциях элиминирования.

Реакции элиминирования и нуклеофильного замещения в этом случае являются конкурирующими. При переходе от первичных ко вторичным и далее третичным галогеналканам элиминирование происходит все в большей степени.

Cильные основания в большей степени способствуют элиминированию. Выход продуктов элиминирования увеличивается за счет продуктов замещения также с повышением температуры.

2.3. Методы синтеза галогеналканов

2.3.1. Галогенирование алканов

2.3.2. Присоединение галогенводородов к олефинам

2.3.3. Замещение гидроксильной группы спиртов на галоген

действием галогенводородов:

или

галогенидов фосфора:

или хлористым тионилом:

Список литературы

Агрономов А.Е., Шабаров Ю.С. Лабораторные работы в органическом практикуме. Изд. 2-е, М., Химия, 1974, с. 83

Губен И. Методы органической химии. Том III, выпуск 3, М., ОНТИ, 1935,437

Кацнельсон М. М. Приготовление синтетических химико-фармацевти-ческих препаратов. Л., Госхимиздат, 1933,132.

Препаративная органическая химия. Изд. 2-е, М., Гохимиздат, 1964,188.

Швицер Ю. Производство химико-фармацевтических и технохимичес-ких препаратов. М.-Л., ОНТИ, 1934, 106.

Шабаров Ю.С. Органическая химия: В 2-х кн. - М.: Химия, 1994.- 848 с.

ПетровА.А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. - М.: Высш. шк., 1973. - 623 с.

Моррисон Р., Бойд. Органическая химия. - М.: Мир, 1974. - 1132 с.

Терней А. Современная органическая химия: В 2 т. - М.: Мир, 1981. - Т.1 - 670 с; Т.2 - 615 с.

Робертс Дж., Кассерио М. Основы органической химии: В 2 т. - 2-е изд. -М.: Мир, 1978. - Т.1 - 842 с; Т.2 - 888 с.

Веселовская Т.К., Мачинская И.В., Пржиялговская Н.М. Вопросы и задачи по органической химии. - М.: Высш. шк., 1977. - 230 с.

В. Ф. Травень. Органическая химия. Том 1. – М.: Академкнига, 2004, - 708 с.