Модуль 2

МОДУЛЬ 2
Алкены – СnH2n
E,Z-изомеры
R3
R4
R2
Если старший заместитель из пары R1, R2 и старший заместитель из
R1 пары R3, R4 находятся по одну сторону от плоскости -связи, то это
Z-изомер, в противном случае - Е-изомер. Старшинство заместителей
определяется по Кану-Ингольду-Прелогу.
1
2
Методы синтеза алкенов
основание
NaOEt
+
Cl
OEt
2
1
1 - продукт элиминирования
2 - продукт замещения
Увеличение силы основания и повышение температуры реакции увеличивает
выход 1 за счет снижения выхода 2
NaOH
Cl EtOH
>
>
Правило Зайцева:
В реакции элиминирования в большей степени образуется
более замещенный алкен
Транс-изомера обычно образуется больше, чем цис-изомера вследствие большей
термодинамической выгодности первого.
3
НО!
Для протекания реакции элиминирования, как правило, необходима такая
конформация молекулы, в которой уходящие группы находятся в одной
плоскости и связи направлены в противоположные стороны
(антиперипланарное расположение).
H
Br
H
Ph
H
Br
H
H
H
Ph
NaOEt
Ph
Ph
Br
диастереомеры
Br
Br
H
H
H
Ph
H
NaOEt
H
H
Ph
Ph
Br
Ph
диастереомеры дают
разные продукты! (конфигурационный
контроль реакции)
4
Правило Гофмана:
При термолизе четвертичных аммонийных оснований преимущественно
образуются менее замещенные алкены.
t
N
>
-N(CH3)3
HO-
2. Дегидратация спиртов
OSO3H
t
H2SO4
I2
t
OH
KHSO4, t
(Al2O3, 400o)
>
H+
t
>
5
+
H
<
OH
+
- H+
H+
OH2
- H2O
A
B
A, B - карбокатионы, В - устойчивее, чем А
Превращение А в В – катионоидная перегруппировка, происходит всегда,
когда существует возможность образования более устойчивого катиона из
менее устойчивого!
Ряд устойчивости карбокатионов: третичный > вторичного >> первичного
Причина устойчивости алкильных карбокатионов – гиперконьюгация –
сопряжение связывающей орбитали сигма-связи С-Н с вакантной р-орбиталью,
приводящее к уменьшению величины заряда на катионном центре за счет
перераспределения заряда на атомы водорода (делокализация заряда).
6
Гиперконьюгация
7
Другой, еще более эффективный способ стабилизации карбокатионного
центра – р-  -сопряжение и р-n-сопряжение (донорный мезомерный эффект
заместителя)
р- сопряжение
-система как мезомерный донор электронов
H2 C
H
C
CH2
H2C
H
C
CH2
аллильный катион
CH2
CH2
CH2
бензильный катион
CH2
8
p-n-сопряжение
гетероатом с неподеленной парой электронов - сильный мезомерный донор
O
O
A
B
более значимая структура В - у каждого атома октет электронов
Перегруппировки карбокатионов
OH2
H
H
CH2
CH3
- H2O
H
H
H
А
миграция атома водорода с парой электронов, образующих связь С-Н,
к карбокатионному центру - гидридный сдвиг
Первичные алкильные катионы (например, А) настолько неустойчивы, что не
образуются вовсе. В данном случае гидридный сдвиг происходит одновременно
с отщеплением молекулы воды.
CH3
OH2
H
H
H
синхронный процесс
миграция
метильной группы
OH
H+
-H+
- H2O
вторичный
катион
третичный
катион
>
9
10
OH
H+
этот процесс не идет неустойчивый первичный катион!
- H2O
H+
OH2
- H+
H
миграция связи С-С
гибридизация sp2,
валентный угол ~ 90o
гидридный
сдвиг
этот процесс не идет неустойчивый, хотя
и третичный катион!
11
3. Дегалоидирование
Zn
Cl или Mg
цис-элиминирование
(син-элиминирование)
Cl
H
H Cl
Cl
мезоформа
H
Zn
Zn
H Cl
Cl
d,l-форма
12
4. Восстановление алкинов
H2
Pd/BaSO2
"отравленный
катализатор"
цис-изомер
Na NH3 (ж.)
2NH3
+e
-2NH2более устойчивый
транс-дианион
транс-изомер
5. Крекинг алканов (смесь продуктов)
CnH2n+2
500-700o
алюмосиликаты
алканы + алкены
13
Свойства алкенов
Электрофил – частица, способная принять пару электронов
(кислота Льюиса)
Нуклеофил – частица, способная отдать пару электронов
(основание Льюиса)
14
Возможность взаимодействия алкена с электрофилом
15
Невозможность взаимодействия алкена с электрофилом
(запрет по симметрии)
16
Реакции электрофильного присоединения
а. Галогеноводороды
X
HX
H
продукт присоединения
(по правилу Марковникова)
XH+
H+
H
H
вторичный катион
неустойчивый первичный катион
(не образуется)
Правило Марковникова:
Электрофильное присоединение к алкенам происходит через стадию
образования более устойчивого катиона
17
E
переходное состояние (активированный комплекс)
промежуточный продукт (катион)
энергия
активации
продукт присоединения
координата реакции
Первая стадия – присоединение протона, является лимитирующей,
поэтому реакционная способность изменяется в следующем ряду:
HI > HBr > HCl > HF
Более замещенная кратная связь (большее число донорных алкильных заместителей)
более реакционноспособна по отношению к электрофилу, поскольку, к тому же,
образует более устойчивый (более замещенный) катион.
<
<
<
<
вторичный
катион
третичный
катион
<
18
Серная кислота
H2SO4
OSO3H
HSO4-
кислый
алкилсульфат
вода
+ 
-
H OH
- +

спирты RO H
с алкенами не реагируют (нет протонов)
Реакция происходит в присутствии сильных кислот,
например, серной
R
ROH
H+
ROH
O
R = Н, алкил
Н+ - катализатор (не расходуется!)
OR
H
- H+
19
б. Галогены (Br2, Cl2)
Br
Br2
H
H
Br2
H
Br
H
-комплекс
H
Br
H
H
Br
H
H
Br
H
-Brбромониевый
катион
поляризация
связи Br-Br
H
Br
большой размер атома брома
H позволяет ему эффективно
координироваться с обоими
атомами углерода
бромониевый
катион
20
Стереоспецифическое электрофильное транс-присоединение
брома к алкену (цис-бутену-2)
H
Br
H
Br
Br
H
H
H
H
Br
Br
-
Br
H
H
Br
энантиомеры,
образуются в равных
количествах (рацемат)
H
Brнуклеофильная атака
равновероятна по
двум направлениям
Br
H
H
Br
H
Br
d,l-форма
Br
21
Br
Br2
Br
HH
H
Br
H
H
H
Br
Br
-
Br
H
Br
Br
H
H
H
Br
H
H
Br
Br-
нуклеофильная атака
равновероятна по
двум направлениям
Br
мезоформа
22
Br
Br2
Br
+
Br
Br2
H2O
Br
d,l-форма (рацемат)
H2O
OH
OH
+
Br
-H
+
Br
Br
d,l-форма (рацемат), трео-форма
Аналогично происходит реакция с хлором. С иодом алкены не реагируют,
реакция с фтором происходит со взрывом, продукт электрофильного
присоединения выделить невозможно
23
в. Другие электрофилы типа А+Б-
H
Br CN
HO Br
NO Cl
H
-
+ 
-  +
+ 
+  - H
A B
+ - Hg(OCOCH )
3 2
I N3
A
A
A
H
H
-B
B
B
рацемат (трео-форма)
B-
H
+  -
A
A B
-B-
H
+
-
H
H
H
A
A
H
H
H
+
H
H
B-
H
B
B
рацемат (эритро-форма)
24
В случае несимметричных алкенов присоединение происходит по правилу
Марковникова
+  -
A B
-
-B
A
B
A
A
B-
A
1
A
2
Структура 1 более значима,чем 2 положительный заряд на вторичном атоме
углерода. Поэтому присоединение
нуклеофила идет по этому положению.
Ацетоксимеркурирование
CH3 CO2 H = AcOH
Hg(OAc)2
HgOAc
HgOAc
+
AcOH
H3O+
OAc
AcOH
-H
1.NaBH4
OH
2. HO-
25
Hg(OAc)2
OCH3
NaBH4
OCH3
HgOAc
CH3OH
CH3OH
H+
Преимущества ацетоксимеркурирования по сравнению с кислотно-катализирумым
присоединением воды (спиртов) – реакция происходит по тому же направлению,
но без образования карбокатионов, способных, в частности, перегруппировываться, и вступать в другие реакции. Реакция происходит стереоселективно.
26
г. Взаимодействие алкенов с алканами
H+
H
+
+
H+ = AlCl3, BF3, H2SO4, HF
и т.д.
д. Реакция Принса
H
OH
OH
H2O
H
OH
H+
CH2O
CH2O
OH
- H+
H3O+
OCH2 OH
O
O
устойчивый
катион!
27
е. Синтез Реппе
H
CO, H2
H2C
CH2
Co2+, t, p
H
O
O
Реакции окисления
Цис-гидроксилирование
CH2 KMnO4
CH2
HO-
CH2
O
O
Mn
CH2
O-
O
H2C
H2C
O
O HO
Mn
O- - H2O
O
MnO2
KMnO4
HOOH OH
цис-гликоль (мезоформа)
OH
OH
гликоль
HO
H
H
OH
OsO4
H
H2O2
28
H
H
OH
H
OH
цис-гидроксилирование
(направление атаки реагента
равновероятно "сверху и снизу")
R2
+ R1CO2H
O
R3
R2
KMnO4
R1
+
H
d,l-форма (рацемат)
OsO4
R3 H2O2, NaIO4
Cr6+, H+
Эпоксидирование
O2 / Ag
или RCO3H
R2
O
O
эпоксид
(оксиран)
+ O
R1
H
R3
29
транс -гидроксилирование
OH
O
RCO3H
H3O+
OH
HCO3H
d,l-форма
(HCO2H + H2O2 / H2O)
Озонолиз
R2
R1
O3
O
O
O
R3
R1
O
O
R3
R2
O
R2
O
R1
R3
O
R3
O
озонид
R1
мольозонид
Zn
H2O
H2O
H2O2
O
O
R1CHO + R
2
R2
R3
восстановительное
расщепление
R1CO2H + R
2
окислительное
расщепление
R3
30
Реакции восстановления
1. Каталитическое гидрирование
а. Гетерогенный катализ
H2
RCH=CHR1
катализатор
RCH2CH2R1
катализатор = Pt, Pd, Ni-Ренея
H2
цис-присоединение, мезоформа
Pt
б. Гомогенный катализ
RhCl3 + PPh3
(Ph3P)3RhCl катализатор Уилкинсона
условия гидрирования - комнатная температура, атмосферное давление
цис-присоединение
скорость гидрирования: менее замещенные алкены
селективно гидрируются быстрее более замещенных
31
в. Диимид
N2H4
R1
R
H2O2 / Cu2+
или никель Ренея
R1
R
диимид
(NH)2
N2H4
или никель Ренея
H
H
R1
R1
R
R
цис-присоединение мезоформа
32
Герберт Браун, нобелевская премия, 1950 г.
г. Гидроборирование
NaBH4
BF3.OEt2
B2H6
BH3
присоединение воды
"против правила Марковникова"
H2O2
H
-
B
BH
+
RCO2H
3B
BH2
триалкилборан
+ B(OCOR)3
O
H
HO-
2
BH3
3
OH
O
R
H
цис-присоединение "водорода"
33
Радикальные реакции алкенов
Br
BrH
BrH
R
Br
только HBr!
ROOH
RO
ROOH
RO + HBr
Br•
C•
H
Br
ROH + Br•
цепной радикальный процесс
BrH
Br
- Br•-
вторичный радикал
CCl4
RO
Cl
CCl3
34
Радикальное замещение по аллильному положению
Cl2
Cl
300o
Cl
N
O
O
аллильное хлорирование цепной радикальный процесс
N-хлорсукцинимид
t
Cl2
Cl
2Cl
Cl
Cl2
Cl
-HCl
CH2
аллильный
радикал
-Cl
Cl
хлористый
аллил
SR
35
O2
RSH
OOH
RO
NH3, O2
катализатор
CN
акрилонитрил
окислительный
аммонолиз
Изомеризация алкенов
500o
Al2O3
более замещенные алкены более устойчивы
h
транс -изомер более устойчив
36
Полимеризация алкенов
1. Гетеролитическая (катионная и анионнная)
катионная полимеризация
H+
n
полиизобутилен
Полимеризация идет «голова к хвосту»
37
анионная полимеризация
Bu
CN
Bu
CN
CN
Bu
CN
устойчивый анион
+
Li 
Bu
C
N
Bu
n
CN
CN
CN
делокализация
заряда
38
2. Радикальная полимеризация
H2C
CH2
H2 H2
C C
F2C
CF2
F2 F2
C C
H2 H
C C
Cl
полиэтилен
n
n
n
тефлон
поливинилхлорид
Cl
инициаторы полимеризации - источник радикалов:
O
NC
O
Ph
Ph
O
перекись
бензоила
N
N
O
CN
азобисизобутиронитрил
39
3. Координационная полимеризация
AlEt3 + TiCl4 + H+
HML3
катализаторы Циглера-Натта (нобелевская премия, 1963)
HML3

-
ML3
n
+
L3M
ML3
n
n
атактические полимеры
изотактические полимеры
синдиотактические полимеры
n
40
Качественные реакции (алканы, циклоалканы, алкены)
нет эффекта
Br2 / H2O (бромная вода)
обесцвечивание (медленно)
обесцвечивание (быстро)
нет эффекта
KMnO4 / HO-, H2O
нет эффекта
обесцвечивание,
выпадение бурого осадка MnO2
41
Диены
H2C
сопряженный
диен
изолированный
диен
C
CH2
кумулированный
диен
Методы получения
а. 1,3-диены
1. Синтез бутадиена по Лебедеву
EtOH
MgO-ZnO
400-500o
2. Синтез Реппе
H2
CH2O
Cu+
HO
OH Ni
OH H3PO4
(CH2)4
t
OH
NaPO3
O
t
тетрагидрофуран (ТГФ)
42
3. Реакция Принса
O
OCH2+
CH2O
-H+
H+
O
OH
2
4.
Cu+
H2
NH4Cl
Pd/BaSO4
H+
t
Al2O3/Cr2O3/CuO
t
5. Дегидрирование
Аллен – синтез и гидратация
Br
Br2
Br Br2
Br
EtO-
Br
Br
300o
Br
CH2
аллен
CH2
OH3+
C+
CH3
H2O
более устойчивый катион!!!
H
C+
HH
O
Zn
43
Сопряженные диены (1,3-диены)
сопряжение затрудняет вращение
вокруг одинарной связи С-С
s-транс-изомер
s-цис-изомер
44
Электрофильное присоединение к сопряженным диенам
E
E+
E+
E
E
аллильный катион
не образуется
Nu-
Nu-
E
E
Nu
Nu
1,2-присоединение
1,4-присоединение
энергия активации
обратной реакции
энергия активации
прямой реакции
исходные
соединения
продукты
термодинамического
контроля
(1,4-присоединение)
продукты
кинетического
контроля
(1,2-присоединение)
45
Присоединение брома
Br
Br
Br
80%
Br
Br
Br2
Br2
t < 0o
t = 40o
20%
Br
Br
Br
20%
80%
40o
Присоединение HBr
HBr
Б
Br
HBr
катион А устойчивее, чем Б!
А
Br
-
кинетический контроль
BrBr
термодинамический контроль
46
Радикальное присоединение происходит преимущественно по типу 1,4-присоединения
(термодинамический контроль)
Восстановление
H2
Pd
восстановление только одной связи невозможно
(результат сопряжения - изолированная кратная связь
восстанавливается легче сопряженной)
Na NH3 (ж.)
транс-изомера больше, чем цис-, изолированные
кратные связи в этих условиях не восстанавливаются
Синхронные процессы. Реакция Дильса-Альдера
Отто Дильс
Курт Альдер
Нобелевская премия, 1950 г.
+
диен
диенофил
47
Процесс контролируется орбитальной симметрией
48
Невозможность димеризации этилена
реакция не происходит закрепленная s-транс-конформация диена
Синхронные процессы происходят с высокой стереоселективностью
d,l-форма
мезоформа
В случае взаимодействия ВЗМО диена с НСМО алкена (наиболее
распространенный вариант), донорные заместители в диене и акцепторные
в алкене ускоряют реакцию.
В случае акцепторно-замещенного диена и донорно-замещенного алкена
реализуется взаимодействие НСМО диен и ВЗМО алкена.
В реакцию могут вступать гетеродиены и гетеродиенофилы.
При этом гетеродиенофилы менее реакционноспособны, чем обычные алкены:
+
O
O
O
O
диен
O
+
O
диенофил
N
+
N
N
N
+
C
CN
49
50
Алкины могут выступать в качестве диенофилов;
диины и енины не могут выступать в качестве диенов (не достигается требуемая
для реакции s-цис-конформация)
O
O
+
не могут выступать в роли диена
Полимеризация диенов (анионная, радикальная, координационная)
Радикальная полимеризация
R
R
R
R
изопрен
R
менее устойчив, не образуется
R
более устойчивый радикал
51
R
+
R
R
Z-изомер - гуттаперча
n
Е-изомер - каучук (катализатор Циглера-Натта)
52
Вулканизация
Sn
Sn
n
S8
n
Sn
n
Sn
n
резина, эбонит
Анионная полимеризация
+
Na
Ph
стирол
n
Ph
бутадиен-стирольный каучук ("буна-S")
Терпены
53
+
лимонен
O
OH
карен
пинен
ментол
камфора
54
Алкины CnH2n-2
Методы получения
1. Гидролиз карбидов
CaC2
H2O
HC
2. Крекинг
CH
Mg2C3
O2
CH4
+ H2O
1400
o
O2
C2H6
1200
H2O
+ H2O
o
3. Синтез из элементов (Бертло)
C + H2
äóãà
4. Из алкенов
X2
R1CH=CHR2
EtOR1CH-CHR2
X
X
t
R1
R2 + диен
55
5. Из дигалогенидов
X
X
EtO-, t
R1
(NaNH2)
R1
Свойства
1. СН-кислотность (ацетилениды)
CH3MgI
HC
C MgI
HC
HC
- CH4
CH + NaOH
CH
HC
NaNH2
-NH3
HC
C Na
C Na + H2O
кислотность: CH4 << NH3 < HC
CH << H2O
Реактив Толленса – качественная реакция на терминальные алкины
[Cu+]
HC
C Cu
R
CH
Ag(NH3)2OH
HC
C Ag
56
Реакции ацетиленидов как метод построения углеводородного скелета
HC
C
RX
R
CH
NaNH2
HC
C
R1X
R1
R
O
1.
2. H2O
R
R
1
R
RX, RX1 - первичные
(вторичные) алкилгалогениды
HO
реакция Фаворского
ряд активности: RI > RBr > RCl
Реакции электрофильного присоединения
X
H
R
R1
CH
R
CH
HX
R
CH2
винильный
катион
XR
CH2
Низкая устойчивость винильного катиона – результат
отсутствия факторов, стабилизирующих его
вакантная sp2-гибридная орбиталь
вакантная р-орбиталь
120o
R
R
sp
sp2
X
X
R
CH
HX
H+
-
X
R
CH2
малоустойчивый
катион
HX = галогеноводород
R
R
CH3
X
XR
CH2
X
X
R
CH3
CH3
устойчивый
катион
57
58
Низкая устойчивость винильного катиона - причина меньшей реакционной
способности алкинов по сравнению с алкенами к электрофильному присоединению
Следовательно:
а. Первая стадия присоединения НХ к алкинам происходит медленнее, чем вторая.
б. При наличии в составе молекулы несопряженных двойной и тройной
углерод-углеродных связей электрофильное присоединение происходит в
первую очередь по двойной связи.
HX (1моль)
X
X
HX (1моль)
образование сопряженной
диеновой системы
Присоединение HBr против правила Марковникова
HBr
R
R
R
Br
59
R
R
Br2
Br
R
Br Br
Br2
R
R
Br
R
Br Br
Реакция Кучерова (синтез кетонов)
OH
H3 O+
R
Hg2+
R
O
R
присоединение воды по правилу Марковникова
Присоединение воды «против правила Марковникова (синтез альдегидов)
HBR2
R1
R1
R=
BR2 H2O2
HO-
O
OH
R1
R1
60
Другие электрофилы
R1CO2H
OCOCH3
OCOCH3
2+
Hg
OH
H2O
HO-
n
виниловый
эфир
SR
n
поливинилацетат
SR
RSH
RSH
BF3
R
AsCl3
Cl
AsCl2
поливиниловый
спирт
HCN
CuCl2/NH3
люизит
ROt,p
CN
акрилонитрил
CO + EtOH
Ni(CO)4
OEt
OR
единственый пример
нуклеофильного присоединения
к алкинам (виниловые эфиры)
O
Реппе
этилакрилат
61
Реакции восстановления
Na
H2
Pd/BaSO2
NH3 (ж.)
транс-изомер
H2 Pt
H2 Ni/ZnCl2
цис-изомер
1. HBR2
2. RCO2H
«Полимеризация»
3
C
400o
Ph3PNi(CO)2
мезитилен
62
циклооктатетраен
4
Ni(CN)2
AlCl3
гексаметилбензол Дьюара
AlEt3+TiCl4
2 R
Cu+
NH4Cl
R
R
Cu+ NH3/O2
R
R
H2
Pd/BaSO4
R
R
63
R
Cu+
R
C
C
Cu
R
NaOCl
R1
0o
R
C
C
Cl
R1
Ходкевич
Ацетилен-алленовая перегруппировка
R
EtONa, t
или NaNH2 (0.1 M), t
R
C
NaNH2 (изб.)
t
В обоих направлениях реакция идет
в условиях термодинамического контроля интернальный алкен термодинамически выгоднее
терминального, солеобразование же сдвигает
равновесие в сторону соли - ацетиленида!
R
64
Ароматические соединения
1825 г. Фарадей открыл бензол
1865 г. Кекуле предложил современную структуру бензола
H2
3 C2H4
3 C2H6 + Q1
Pt
H2
+ Q2
Pt
Q1 - Q2 = 36.5 ккал/моль - энергия сопряжения
1. O3
2. Zn/H2O
O
2
O
O
O
O
1. O3
2. Zn/H2O
+
O
O
+ 2
O
65
2
1. O3
2. Zn/H2O
O
O
O
+ 2
O
O + 3
O
Молекулярные орбитали бензола
66
67
Правило Хюкеля:
Ароматическими являются циклические, плоские, сопряженные - системы,
содержащие 4n+2 электрона.
Циклические, плоские, сопряженные - системы, содержащие 4n электрона,
называются антиароматическими.
Бензол – ароматическое соединение с n = 1 (6 -электронов)
H
H
10 -электронов
неароматическое соединение
(не может быть плоским!)
10 -электронов
ароматическое соединение
(гомоароматика)
Циклобутадиен - плоская сопряженная система с 4 -электронами антиароматическая структура (бирадикал)
68
Br
EtO-
O
O
O
EtO-
2 C2H2
-240 oC
h
-263 oC
аргон
O
А
высокий дипольный момент (структура А - ароматическая)
Ph
Ph
Ph
OH
Ph
HClO4
- H2O
Ph
ClO4Ph
69
- H+
циклопентадиен неароматическое
соединение
O
циклопентадиенильный
анион - ароматическое
соединение (6 -электронов)
O
тропон - высокий дипольный момент
плоский циклопентадиенильный
катион - антиароматическое
соединение (4 -электронов)
70
_
+
азулен - высокий дипольный момент
циклооктатетраен - был бы антиароматическим, если бы был плоским,
но он не плоский, устойчивое соединение, неароматика
2+
6 -электронов
- 2e
+ 2e
2-
10 -электронов
71
Гетероароматичность
Полициклические ароматические соединения
нафталин
антрацен
фенантрен
72
бензо[b]пирен
гелицен 24 -электрона (4n), но ароматическое
соединение - две независимые -системы
аннулен[14]
аннулен[18]
73
Методы получения
1. Выделение из каменноугольной смолы после коксования угля
2. Прямая перегонка нефти или крекинг нефти (нефтепродуктов)
Pt, 300o
или Cr2O3/Al2O3, t
3. Синтез из алкинов
C2H2
R
C
400o
R
(PPh3)2Ni(CO)2
R
R
Реппе
R
R
R
R
R
AlEt3/TiCl4
Циглер
R
R
R
74
R
O
Pt
H2SO4
+
R
R
R
Реакции ароматического электрофильного замещения
E+
E+
E+
-комплекс
H
E
H
E
-комплекс
E
H
H
E
Nu
H
Nu-
E
+
H
E
-H+
E
-комплекс
E
E
промежуточный продукт ( -комплекс)
-комплекс
-комплес
координата реакции
75
76
Протонирование (дейтерообмен)
D2SO4
PhH
C6D6
PhD
реакция неселективная
Галоидирование
AlCl3
Cl2
Cl
Cl
Cl+ AlCl4 -
AlCl3
электрофил
H
Cl
Cl+
PhH
- AlCl4-
Fe
-HAlCl4
HCl + AlCl3 катализатор (не расходуется, берут
HAlCl4
PhH
PhCl
0.1 М)
X2
Fe
X2
PhX X = Cl, Br
FeX3 катализатор (кислота Льюиса)
PhH
I2/HNO3
или ICl
PhI
77
Алкилирование
(реакция Фриделя-Крафтса)
PhH
CH3Cl
PhCH3
AlCl3
+
H3C Cl
толуол AlCl3 катализатор, используется 0.1 М
AlCl3 электрофил
Cl
PhH
H
AlCl3
H
Cl
AlCl3
- AlCl4-
Катион (электрофил) можно генерировать и по-другому:
OH
H+
H+
или
OH
лимитирующая
стадия
OH
PhH
Ph
H+
H3O+
t
Реакция обратима
лимитирующая стадия - распад -комплекса
Кинетический изотопный эффект
H
C6H6
E+
- H+
D
C6D6
E
PhE
E
KH/KD <1
E+
-D
+
C6D5E
лимитирующая стадия распад -комплекса
78
79
Ацилирование
(реакция Фриделя-Крафтса)
O
AlCl3
RCOCl
R
H
PhH
Cl AlCl3
R
электрофил
O
RCOCl
PhCOR
HAlCl4
O
O
Ph
R
PhCOR
HCl + AlCl3
O
O
AlCl3
R
H2O
AlCl3 катализатор, но его требуется 1 моль
O
O
AlCl3
AlCl3
-HAlCl4
H HCOCl не существует!
R
AlCl4-
COR
AlCl3
R
O
R
O
AlCl3
R
R
RCO2AlCl3электрофил
При ацилировании ангидридами карбоновых кислот 1 моль AlCl3 расходуется на
образование электрофила, и ещё один моль связывается в комплекс с продуктом
реакции - кетоном. Общий расход катализатора - 2 моля.
80
PhH
RCO2H
PhCOR
HF
PhCOR
Zn/Hg
H3O+
O
O
PhH
POCl3, PCl3, ZnCl2
PhCH2R
Клеменсен
O
RCO2H
1. N2H4
PhCOR
2. HO-
синтез н-алкилбензолов
Кижнер-Вольф
O
O
Zn/Hg
PhH
AlCl3
Ph
CO2-AlCl2 H3O+
O
Zn/Hg
H3O+
Pt, t
HF
Ph
CO2H
81
Синтез ароматических альдегидов (реакция формилирования)
Гаттерман
CO, HCl
PhH
AlCl3, CuCl
PhCHO
CO + HCl
AlCl3
[HCOCl]
Гаттерман-Кох
PhH HCN, HCl
ZnCl2
PhCH=NH
H3O+
PhCHO
HCl
HCN
ZnCl2
NH
HC
Cl
Реакция хлорметилирования
CH2O
H+
CH2OH
электрофил
PhH
CH2O
HCl
ZnCl2
PhCH2OH
LiAlH4
Cl-
H+
PhCH2
PhCH2Cl
PhCH3
селективный синтез
толуола
82
Взаимодействие с альдегидами
OH
H+
RCHO
электрофил
R
H
PhH
OH
RCHO
H+
Ph
H+
PhH
R -H2O
Ph
R -H+
Ph
R
Ph
Cl
PhCl
Cl
CCl3CHO
H2 SO4
ДДТ
CCl3
1,5-3 млн. человек в год
погибает от малярии
83
Сульфирование, сульфохлорирование
OO
H
S
O
H2SO4/SO3
PhSO3 H
PhH
t
± H+
электрофил SO3
PhH
HSO3 Cl
t
H3O+
t
PhH
реакция обратима, вторая стадия - лимитирующая,
присутствует кинетический изотопный эффект
PhSO2Cl
SO2Cl2
AlCl3
Нитрование
O
HO
N
H2SO4
OPhH
-H2O
NO2+ электрофил
HNO3
H2SO4
NO2+BF4-
PhNO2
84
Реакция замещенных производных бензола с электрофилами
X
X
X
H орто-
H
H
X
X
X
X
E
E
E
пара-
E+
E
E
H
H
E
X
X
X
H
мета-
E
H
H
H
E
E
Выводы:
85
1. В случае электрофильной атаки в орто- и пара-положения положительный заряд
оказывается на атоме углерода, связанном с имеющимся в кольце заместителе.
При атаке в мета-положение заряд на этот атом углерода не попадает.
2. Донорные заместители стабилизируют сигма-комплексы, образующиеся в
результате электрофильной атаки в орто- и пара-положения. Акцепторные
заместители напротив – в наибольшей степени дестабилизируют сигма-комплексы,
образующиеся в результате атаки в орто- и пара-положения.
3. Предпочтительными направлениями электрофильной атаки в случае
донорно-замещенных производных бензола являются орто- и пара-. В случае
акцеторного заместителя атака преимущественно происходит в мета-положение.
4. Донорные заместители повышают реакционную способность замещенных
бензолов, акцепторные заместители – снижают.
Донорные заместители – алкил (индуктивный эффект), фенил, гетероатомы,
несущие неподеленную пару электронов (мезомерный эффект).
орто-пара-ориентанты
заместители "первого рода":алкил, арил, OH, OR, NH2, NR2 , NHCOR, галоген
X
X
E
E
H
Ph
H
E
E
H
H
мета-ориентанты
заместители "второго рода": CN, CO2H, CO2R, CHO, NO2, SO3H, NR3+
Заместители «первого рода» активируют кольцо к реакциям электрофильного
замещения (за исключением галогенов) по сравнению с бензолом.
Заместители «второго рода» кольцо дезактивируют.
При наличии более одного заместителя, обладающих разным и несогласованным
действием, направление реакции определяется донорным заместителем.
В случае нескольких донорных заместителей направление реакции определяется
заместителем с большим эффектом.
Пара-замещение обычно преобладает над орто-замещением, и тем в большей
степени, чем больше объем заместителя и/или электрофила (стерический фактор)
86
87
CH3
CH3
CH3
NO2
NO2
E+
E
NO2
>
согласованное влияние
заместителей
E
Cl
Cl
согласованное влияние
заместителей
E+
HO3S
HO3S
E
OH
OH
OH
E+
CF3
OH
E
E
>>
+
CF3
CF3
CF3
E
несогласованное влияние заместителей
88
E+
E
стерический фактор
OCH3
OCH3
E+
OCH3
>
E
NHCOCH3
E
NHCOCH3
NHCOCH3
E+
>>
NO2
NO2
E
E
NO2
89
Реакции электрофильного замещения, которые могут протекать только
с ароматическими субстратами, не менее реакционно-способными, чем хлорбензол:
1. Реакции Фриделя-Крафтса (алкилирование, ацилирование)
2. Реакции с карбокатионами, генерируемыми тем или иным способом
3. Реакция хлорметилирования
4. Реакции формилирования (Гаттермана и Гаттермана-Коха)
5. Кислотно-катализируемые реакции с альдегидами
Реакции нитрования, сульфирования, хлорирования и бромирования
могут происходить с практически любыми ароматическими субстратами
Выводы:
1. Практически сложно провести селективно реакцию алкилирования
(реакционная способность продукта выше, чем у исходного бензола).
2. Реакции ацилирования и формилирования могут приводить только к продуктам
монозамещения (реакционная способность продукта гораздо ниже, чем у
исходного бензола).
Реакции электрофильного замещения, протекающие только с очень активными
ароматическими субстратами:
OH
OH
HO-
CHCl3
PhOH
HO-
Реймер-Тимман
CHO
CHCl2
HO-
CHCl3
90
CCl2 дихлоркарбен - электрофил
OH
PhOH
1. POCl3 / ДМФА
-
2. HO , H2O
O
N
Вильсмайер-Хаак
OHC
POCl3
C
H
ДМФА
O
Cl2OP
N
C
H
O
Cl2OP
N
C
H
электрофил
OPOCl2
PhOH
POCl3 / ДМФА
N
N
- OPOCl2-
H2O
HOOHC
OH
91
OH
N
HO
Ph
PhN2+
N
PhOH
N
CO2, p,t
HOКольбе-Шмидт
азосочетание
Ph
CO2-
N
Ph
N
N
соль фенилдиазония
Обратимость реакции алкилирования
PhH
CH3Cl
AlCl3
PhCH3
CH3Cl
t
+
AlCl3
AlCl3
кинетический
контроль
термодинамический
контроль
92
H
PhCH3
CH3Cl
+
AlCl3
H
H
H
H
H
H
H
H
H
самый устойчивый -комплекс
93
Использование защитных групп в электрофильном ароматическом замещении
PhCH3
CH3COCl
>
AlCl3
COCH3
COCH3
OH H+
H3 O+ t
CH3COCl
AlCl3
практически
единственный
изомер
COCH3
единственный
изомер
94
PhCH3
HNO3
CH3COCl
NO2
NO2
SO3 H2SO4
AlCl3
+
H2SO4
H3O+
t
HNO3
HO3S
практически
единственный
изомер
H2SO4
HO3S
NO2
единственный
изомер
95
Электрофильное замещение в ряду нафталина
H
E
H
E
H
E
атака в -положение
менее значимые
резонансные структуры
E+
H
H
атака в -положение
E
E
менее значимые
резонансные структуры
Более устойчивый сигма-комплекс образуется при атаке в альфа-положение.
Если реакция необратима, то основным является продукт замещения в альфаположении. Если реакция обратима и проводится в условиях термодинамического
контроля, образуется продукт замещения в бета-положение.
96
H
дестабилизирующее
взаимодействие в случае -атаки
X
O
O
CH3COCl
AlCl3
CS2
CH3COCl
AlCl3
PhNO2
HNO3
NO2
H2SO4 100o
SO3 H
SO3H
+
H
160o
97
Br
H
Br2
Br
Br
H
Br
1,4-присоединение
Реакции восстановления
PhH
H
Br-
t
-HBr
H
Br
H2
Pt (Pd)
98
Восстановление по Берчу
X
X
X
EtOH
-EtO-
Na
NH3 (жид.)
EtOH
H
H
X
X
H
или
H
H
H
H
X = акцептор
Na
NH3 (жид.)
EtOH
H
X
EtOH
-EtO-
или
+e
или
H
H
X
X
Na
NH3 (жид.)
EtOH
Х = донор
X
X
X
Na
99
Na
NH3 (жид.)
EtOH
NH3 (жид.)
EtOH
X = акцептор
Х = донор
Реакции окисления
O
O
O
O2
KMnO4
V2O5
HO-, t
малеиновый
ангидрид
X
O
O
X
O2
O2
V2O5
(Cr6+,H+,t)
V2O5
(Cr6+,H+,t)
O
фталевый
ангидрид
Х = донор
Х = акцептор
X=H
CO2H
CO2H
X
O
O
H2O
CO2H
CO2H
O
100
Свойства алкилбензолов
Cl
Cl
Cl
Cl2
Ph
R h
Ph
Ph
R
R
Ph
R R =H
PhCCl3
устойчивый
бензильный
радикал
R
PhCH2Cl
HOH2O
PhCHCl2
Ca(OH)2
H2O
PhCCl3
H2SO4
H2O, t
R
R
R
PhCH2OH
PhCHO
PhCO2H
PhCH2R
MnO4-
HO , t
(O2, Co2+)
(H2Cr2O7)
PhCO2H
101
CO2H
CO2H
O2
O2
Co2+
Co2+
CO2H
CO2H
O2
O2
Co2+
Co2+
O
O2
Co2+
102
Кумольный способ получения фенола и ацетона
OOH
H+
O2
Co2+
кумол
O
Ph
O
OH2
Ph
H2O PhO
OH H+
-H+
- H2O
гидроперекись
кумила
H
PhO
OH
OH
OH
O
-H+
- PhOH
фенол
1. уротропин
ацетон
Соммле
2. H3O+
MnO2
PhCH2Cl
H2O
ДМСО
N
O
PhCHO
CrO2Cl2
Этар
S
PhCH3
ДМСО
N
N
N
уротропин
NH3
CH2O