Реакции нуклеофильного замещения, нуклеофильного присоединения. Реакция электрофильного присоединения включает несколько стадий Для углеводородов характерны реакции нуклеофильного присоединения
В силу более высокой электроотрицательности атома углерода, в состоянии sp-гибридизации, по сравнеению с атомом углерода в состоянии sp 2 гибридизации, алкины, в отличии от алкенов могут вступать в реакции нуеклеофильного присоединения.
Реакциями нуклеофильного присоединения (реакции тип Аd N ) называют реакции присоединения, в скоростьлимитирующей стадии которых атакующей частицей является нуклеофил.
Примером нуклеофильного присоединения является присоединение спиртов к алкинам в присуствии щелочи (реакция Фаворского , 1887г.):
Механизм реакции нуклеофильного присоединения к тройной связи включает следующие стадии:
1. На первой стадии по кислотно-основной реакции образуется алкоголят-анион или алкоксид-ион, являющийся сильным основанием:
2. На второй стадии алкоксид-ион присоединяется к алкину. Эта стадия является скоростьлимитирующей. Причем, если алкин несиммеитричный, то присоединение протекает в соответствии с правилом Марковникова, а именно: анион, будучи нуклеофильной частицей, присоединяется к наименее гидрогенизированному атому углерода:
3. На третьей стадии образовавшийся карбанион отщепляет протон от другой молекулы спирта, что приводит к образованию эфира и регенерации алкоголят-аниона:
Образовавшийся виниловый эфир может присоединить еще одну молекулу спирта. При этом образуется соединение называемое ацеталем:
Винилирование.
Реакция образование виниловых эфиров из ацетилена и спиртов является примером так называемых реакций вининилирования. К числу этих реакций относятся:
1. Присоединение к ацетилену хлористого водорода:
2. Присоединение к ацетилену синильной кислоты в присутствии солей меди:
3. Присоединение к ацетилену уксусной кислоты в присутствии фосфорной кислоты:
Гидрирование
В условиях гетерогенного катализа алкины присоединяют водород аналогично алкенам:
Первая стадия гидрирования более экзотермична (протекает с большим выделением тепла), чем вторая, что обусловлено большим запасом энергии в ацетилене, чем в этилене:
В качестве гетерогенных катализаторов, как и при гидрировании алкенов, используют платину, палладий, никель. Причем гидрирование алкена протекает значительно быстрее, чем гидрирование алкина. Чтобы замедлить процесс гидрирования алкена применяют так назывваемые «отравленные» катализаторы. Замедление скорости гидрирования алкена достигается за счет добавки оксида или ацетата свинца к палладию. Гидрирование на палладие с добавкой солей свинца приводит к образованию цис -олефина. Гидрирование действием металлического натрия в жидком аммиаке приводит к образованию транс- олефина.
Окисление.
Алкины подобно алкенам окисляются по месту тройной связи. Окисление идет в жестких условиях с полным разрывом тройной связи и образованием карбоновых кислот. Аналогично исчерпывающему окислению олефинов. В качестве окислителей применяют перманганат калия при нагревании или озон:
Следует отметить, что при окислении терминальных алкенов и алкинов одним из продуктов окисления является углекислый газ. Его выделение можно наблюдать визуально и тем самым можно отличить терминальные от внутренних ненасыщенных соединений. При окислении последних выделение углекислого газа не будет наблюдаться.
Полимеризация.
Ацетиленовые углеводороды способны к полимеризации в нескольких направлениях:
1. Циклотримеризация ацетиленовых углеводородов, с использованием активированного угля (по Зелинскому ) или комплексного катализатора из дикарбонила никеля и фосфорорганического соединения (по Реппе ). В частности из ацетилена получается бензол:
В присутствии цианида никеля ацетилен претерпевает циклотетрамеризацию:
В присутствии солей меди происходит линейная олигомеризация ацетилена с образованием винилацетилена и дивинилацетилена:
Кроме всего того, алкины способны к полимеризации с образованием сопряженных полиенов:
Реакции замещения.
Металлирование
При действии очень сильных оснований алкины, имеющие концевую тройную связь, полностью ионизируются и образуют соли, которые называются ацетиленидами. Ацетилен реагирует как более сильная кислота и вытесняет более слабую кислоту из ее соли:
Ацетилениды тяжелых металлов, в частности меди серебра, ртути, являются взрывчатыми веществами.
Алкинид-анионы (или ионы), входящие в состав ацетиленидов являются сильными нуклеофилами. Это свойство нашло применение в органическом синтезе для получения гомологов ацетилена с использованием галогенналкилов.
Имеем реагент НХ, который распадается
Атакует нуклеофильная частица, образуя анион.
Затем идет быстрое присоединение к аниону положительно-заряженной частицы Н + , образуется продукт реакции.
Электроноакцепторные заместители, оттягивая на себя электронную плотность, увеличивают атома углерода и скорость протекания реакции. Поэтому хлоруксусный альдегид активнее чем уксусный.
|
У кетонов, в отличии от альдегидов, с кетонной группой связаны два радикала, понижающие активность молекулы. Поэтому кетоны обладают меньшей активностью, чем альдегиды. Арилы еще более сильные электронодоноры, поэтому ароматические альдегиды и кетоны менее активны, чем алифатические. Карбонильные соединения можно расположить в ряд по уменьшению активности:
На реакционную способоность карбонильной группы влияет и размер радикала, так как при большом размере R затрудняется доступ реагента к атому углерода:
На основе механизма приведем примеры реакций нуклеофильного присоединения:
Присоединение водорода. Из альдегидов получаются первичные спирты, а из кетонов – вторичные:
Присоединение цианводорода (НСN). При этом получаются циангидрины (гидроксинитрилы):
Присоединение гидросульфита натрия (NаНSО 3), при этом получаются гидросульфитные соединения:
Эти вещества легко разлагаются при нагревании с разбавленными кислотами с выделением в чистом виде альдегидов и кетонов.
Присоединение магнийорганических соединений (МОС) (Реактив Гриньяра):
Вывод: из муравьиного альдегида и любого МОС получаются первичные спирты , из других альдегидов и любого МОС – вторичные спирты , а из кетонов и любого МОС – третичные спирты . Для того, чтобы получить, например, бутанол-1 – первичный спирт СН 3 – СН 2 – СН 2 – СН 2 ОН , необходимо взять муравьиный альдегид и СН 3 – СН 2 – СН 2 – MgJ .
Давайте подумаем, что может произойти с этой молекулой в водном растворе. Сперва дадим этой молекуле верное название. Самая длинная цепь состоит из трех атомов, корень названия - «проп». Итак, три атома в самой длинной цепи, значит «проп». Все связи одинарные, значит это пропан. Подпишу: пропан. Из трех атомов углерода основной цепи второй соединен с метильной группой и, кроме того, с атомом брома. Это означает «2-бром». Я запишу: «2-бром-2-метил». Хотя нет, так не пойдет. Неаккуратно вышло, мне нужно больше места. Итак, это вещество будет называться следующим образом. Давайте запишем: 2-бром-2-метилпропан. Как это вещество реагирует с водой? В этом случае вода является нуклеофилом. Здесь есть эти электронные пары. Кроме того, у атома кислорода высокая электроотрицательность. Нуклеофильные свойства не так сильны, как у гидроксид-аниона, который был в реакциях Sn2, но они все же есть. Это слабый нуклеофил. Вода - это слабый нуклеофил. Ее тянет к положительно заряженным ядрам атомов, ведь у атома кислорода есть частичный отрицательный заряд из-за его электроотрицательности. А здесь - частичный положительный заряд. Пусть это и не полноценный заряд, а всего лишь частичный, все равно это означает желание отдать электрон. Это слабый нуклеофил. Слабый нуклеофил. Будет еще несколько роликов об этом типе реакций и я объясню, когда идут реакции этого типа, а когда - реакции типа Sn2. Но, давайте вернемся к нашему примеру. В молекуле есть атом брома. У него высокая электроотрицательность и он становится стабильным, получая отрицательный заряд. Наличие заряда ухудшает стабильность. Но у него при этом будет 8 валентных электронов. Медленно и постепенно атом брома оттягивает на себя электронную плотность от углерода. Он подтягивает электроны к себе, благодаря своей электроотрицательности. Посмотрите на его валентные электроны. Один из них образует связь с атомом углерода. А вот и второй электрон этой связи. Плюс еще 6 валентных электронов. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. 7 валентных электронов. Представьте, что бром оттягивает на себя электрон атома углерода. Давайте я покажу для наглядности. Этот электрон окажется здесь. Он притянется на это место. Повторюсь, это медленный процесс, но он возможен. И, так как процесс медленный, возникает равновесие. В ходе этой внутримолекулярной реакции возникает равновесие. Что же тут получится? Атом углерода, метильная группа позади него, метильная группа впереди и также еще одна группа сверху. А бром отщепился. Нарисую его здесь. Связь разорвана. Вот его исходные валентные электроны: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Еще один электрон принадлежал атому углерода, но бром забрал его с собой. В результате, естественно, возник отрицательный заряд. Углерод, лишившись электрона, получает положительный заряд. Теперь добавим сюда атом кислорода. Хотя, нет, не кислород, добавим молекулу воды. Вот молекула воды. Нарисую молекулу воды. Пусть она и слабый нуклеофил, но углерод очень нуждается в электроне. Это третичный карбокатион, который довольно устойчив. Иначе ничего бы не получилось. Если бы этот атом был первичным или вообще не был бы связан с другими, превращение в карбокатион было бы крайне сложным. Однако он третичный и устойчивый, разве что заряд все портит. Ему нужен электрон. И этот электрон он позаимствует у молекулы воды. Вода отдаст один электрон, например, вот этот, поделившись с атомом углерода. Нуклеофил притягивается к положительно заряженному ядру углерода. И, что же дальше? На этой стадии реакция существенно ускоряется. Слева довольно стабильная ситуация, потому и равновесие. Но теперь реакция ускоряется и стрелка идет в одну сторону. Вот так. Получается что-то такое. Вот исходный атом углерода с заместителями. Вот метильная группа позади и еще одна впереди него. В дело вступает вода. Вот кислород и два водорода. У атома кислорода есть свои электроны, которые я покажу разным цветом. Вот электроны. Один из электронов этой пары отдан углероду. Теперь он находится здесь. Возникает связь. Электронная пара образовала связь. Вода имела нейтральный заряд, но, отдав один из своих электронов, она приобретает положительный заряд, при этом превращаясь в катион. Заряд положительный. И в этот момент другая молекула воды или даже бром могут забрать один из атомов водорода. При этом электрон вернется к кислороду. Лучше я нарисую это. Например, есть другая молекула воды. Их много. Вот другая молекула воды. Изображу ее здесь. Эта молекула вступает в реакцию. Все происходит одновременно. Кислород отдает один из электронов атому водорода. Одновременно с этим электрон от водорода возвращается к прежнему владельцу. Так кислород возвращает электрон. Что получится в результате? Вновь рисуем исходную молекулу. Давайте изобразим исходную молекулу. Метильная группа сзади, метильная группа спереди и еще одна сверху. И, конечно, не забываем про кислород с одним атомом водорода, потому что связь со вторым разорвана. А вот бромид-анион и его 8 валентных электронов. И еще ион гидроксония. Этот атом кислорода отдал электрон водороду, образовав связь с этим атомом. Валентные электроны этого атома кислорода будут выглядеть так. Эти два: раз, два. Еще один электрон участвует в связи с углеродом. Покажу другим цветом. Этот электрон оказывается вот здесь. Еще один тоже в составе связи, вот этой. Сейчас объясню. В составе связи с атомом водорода. Это связь с атомом водорода, но это не водородная связь. Надеюсь вы поняли. Один из валентных электронов теперь в составе связи. Вот еще один валентный электрон. Вот этот электрон связи с атомом водорода. Теперь он здесь. И еще один вернулся от атома водорода, вот он. У него вновь 6 валентных электронов. Пересчитаем: 1, 2, 3, 4, 5, 6. Вот так взаимодействует 2-бром-2-метилпропан со слабым нуклеофилом. Я еще расскажу о разных нуклеофилах. Что же получилось в результате? Самая длинная цепь - 3 атома. Корнем названия по-прежнему будет «проп». О гидроксильной группе мы еще не говорили, но само ее наличие означает, что перед нами спирт. В названиях спиртов используется суффикс «анол». Теперь запишем это название - пропанол. Пропанол. Необходимо указать, при каком атоме располагается гидроксильная группа. Это пропанол-2. Хорошо. Пропанол-2. Не забываем также про наличие метильной группы. Это 2-метилпропанол-2. Механизм протекания этой реакции называется Sn1. Думаю, вы понимаете, почему Sn1, а не Sn2. Я это запишу. Реакция Sn1. S означает «замещение». Подпишу опять. n означает «нуклеофильное», как мы уже знаем. Нуклеофильное. В реакции участвовал слабый нуклеофил, а именно вода. Цифра 1 означает, что самая медленная. То есть лимитирующая, стадия этого механизма идет с участием всего лишь одного из реагентов. На самой первой лимитирующей стадии, бром отнимает электрон у углерода. Вода в этом не участвует. Скорость реакции Sn2 определяют оба реагента, а здесь только один. Поэтому и называется Sn1. До встречи! Subtitles by the Amara.org community
Реакции нуклеофильного присоединения - реакции присоединения, в которых атаку на начальной стадии осуществляет нуклеофил - частица, заряженная отрицательно или имеющая свободную электронную пару.
На конечной стадии образующийся карбанион подвергается электрофильной атаке .
Несмотря на общность механизма различают реакции присоединения по связи углерод-углерод и углерод-гетероатом.
Реакции нуклеофильного присоединения более распространены для тройных, чем для двойных связей.
Реакции нуклеофильного присоединения по связи углерод-углерод
Нуклеофильное присоединение по кратной связи обычно двухстадийный процесс Ad N 2 - реакция бимолекулярного нуклеофильного присоединения:
Нуклеофильное присоединение по связи С=C встречается достаточно редко, и, как правило, если в соединении имеются электроноакцепторные заместители. Наибольшее значение имеет в этом классе реакция Михаэля:
Присоединение по тройной связи аналогично присоединению по связи С=C:
Реакции нуклеофильного присоединения по связи углерод-гетероатом Нуклеофильное присоединение по кратной связи углерод-гетероатом имеет механизм Ad N 2
Как правило, лимитирующей стадией процесса является нуклеофильная атака, электрофильное присоединение происходит быстро .
Иногда продукты присоединения вступают в реакцию отщепления, тем самым совокупно давая реакцию замещения:
Hуклеофильное присоединение по связи С=O очень распространено, что имеет большое практическое, промышленное и лабораторное значение.
Ацилирование ненасыщенных кетонов
Данный метод включает обработку субстрата альдегидом и цианид-ионом в полярном апротонном растворителе, таком, как ДМФ или Me 2 SO. Этот метод применим к a,b-ненасыщенным кетоном, сложным эфирам и нитрилам .
Конденсация сложных эфиров с кетонами
При конденсации сложных эфиров с кетонами выход?-дикетона невысок, около 40%, это объясняется побочной реакцией самоконденсации сложного эфира .
Гидролиз нитросоединений (Реакция Нефа)
Реакция Нефа - реакция кислотного гидролиза нитросоединений с образованием карбонильных соединений. Открыта в 1892 г. российским химиком М.И. Коноваловым и Дж. Нефом в 1894 г. Реакция Нефа заключается в гидролизе ацильных форм нитросоединений (нитроновых кислот), и поэтому в неё могут вступать первичные и вторичные алифатические и алициклические нитросоединения.
Реакция Нефа позволяет получить дикарбонильные соединения с выходом до 80-85 %. Для этого реакция проводится при pH=1, так как в менее кислой среде нитроновые кислоты изомеризуются обратно в нитросоединение со снижением конверсии нитросоединения, а в более кислой - повышается образование побочных продуктов. Данную реакцию проводят при t=0-5 0 C .
Взаимодействие кетонов с хлорангидридами в присутствии пиперидина
Хлорангидриды легко восстанавливаются до первичных спиртов под действием алюмогидрида лития. Но если енамин, полученный из кетона под действием пиперидина, вводить в реакцию с хлорангидридами, то после гидролиза первоначально полученной соли образуются b-дикетоны .
Для альдегидов и кетонов наиболее характерны реакции нуклеофильного присоединения A N .
Общее описание механизма нуклеофильного присоединения A N
Легкость нуклеофильной атаки по атому углерода карбонильной группы альдегида или кетона зависит от величины частичного
положительного заряда на атоме углерода, его пространственной доступности и кислотно-основных свойств среды.
С учетом электронных эффектов групп, связанных с карбонильным атомом углерода, величина частичного положительного заряда δ+ на нем в альдегидах и кетонах убывает в следующем ряду:
Пространственная доступность карбонильного атома углерода уменьшается при замене водорода более объемистыми органиче- скими радикалами, поэтому альдегиды более реакционноспособны, чем кетоны.
Общая схема реакций нуклеофильного присоединения A N к карбонильной группе включает нуклеофильную атаку по карбонильному атому углерода, за которой следует присоединение электрофила к атому кислорода.
В кислой среде активность карбонильной группы, как правило, увеличивается, поскольку вследствие протонирования атома кислорода на атоме углерода возникает положительный заряд. Кислотный катализ используют обычно тогда, когда атакующий нуклеофил обладает низкой активностью.
По приведенному выше механизму осуществляется ряд важных реакций альдегидов и кетонов.
Многие свойственные альдегидам и кетонам реакции протекают в условиях организма, эти реакции представлены в последующих разделах учебника. В настоящей главе будут рассмотрены наиболее важные реакции альдегидов и кетонов, которые в обзорном виде приведены на схеме 5.2.
Присоединение спиртов. Спирты при взаимодействии с альдегидами легко образуют полуацетали. Полуацетали обычно не выделяют из-за их неустойчивости. При избытке спирта в кислой среде полуацетали превращаются в ацетали.
Применение кислотного катализатора при превращении полуацеталя в ацеталь становится понятным из приведенного ниже механизма реакции. Центральное место в нем занимает образование карбо- катиона (I), стабилизированного за счет участия неподеленной пары электронов соседнего атома кислорода (+M-эффект группы С 2 Н 5 О).
Реакции образования полуацеталей и ацеталей обратимы, поэтому ацетали и полуацетали легко гидролизуются избытком воды в кислой среде. В щелочной среде полуацетали устойчивы, так как алкоксидион является более трудно уходящей группой, чем гидроксид-ион.
Образование ацеталей часто используется как временная защита альдегидной группы.
Присоединение воды. Присоединение воды к карбонильной группе - гидратация - обратимая реакция. Степень гидратации альдегида или кетона в водном растворе зависит от строения субстрата.
Продукт гидратации, как правило, в свободном виде выделить с помощью перегонки не удается, так как он разлагается на исходные компоненты. Формальдегид в водном растворе гидратирован более чем на 99,9%, ацетальдегид - приблизительно наполовину, ацетон практически не гидратирован.
Формальдегид (муравьиный альдегид) обладает способностью свертывать белки. Его 40% водный раствор, называемый формалином, применяется в медицине как дезинфицирующее средство и консервант анатомических препаратов.
Трихлороуксусный альдегид (хлораль) гидратирован полностью. Электроноакцепторная трихлорометильная группа настолько стабилизирует хлоральгидрат, что это кристаллическое вещество отщепляет воду только при перегонке в присутствии дегидратирующих веществ - серной кислоты и др.
В основе фармакологического эффекта хлоральгидрата СС1зСН(ОН)2 лежит специфическое действие на организм альдегидной группы, обусловливающее дезинфицирующие свойства. Атомы галогена усиливают ее действие, а гидратация карбонильной группы снижает токсичность вещества в целом.
Присоединение аминов и их производных. Амины и другие азотсодержащие соединения общей формулы NH2X (X = R, NHR) реагируют с альдегидами и кетонами в две стадии. Сначала образуются продукты нуклеофильного присоединения, которые затем вследствие неустойчивости отщепляют воду. В связи с этим данный процесс в целом классифицируют как реакцию присоединения-отщепления.
В случае первичных аминов получаются замещенные имины (их называют также основаниями Шиффа).
Имины - промежуточные продукты многих ферментативных процессов. Получение иминов проходит через стадию образования аминоспиртов, которые бывают относительно устойчивы, например при взаимодействии формальдегида с α-аминокислотами (см. 12.1.4).
Имины являются промежуточными продуктами получения аминов из альдегидов и кетонов путем восстановительного аминирования. Этот общий способ заключается в восстановлении смеси карбонильного соединения с аммиаком (или амином). Процесс протекает по схеме присоединения-отщепления с образованием имина, который затем восстанавливается в амин.
При взаимодействии альдегидов и кетонов с производными гидразина получаются гидразоны. Эту реакцию можно использовать для выделения альдегидов и кетонов из смесей и их хроматографической идентификации.
Основания Шиффа и другие подобные соединения легко гидролизуются водными растворами минеральных кислот с образованием исходных продуктов.
В большинстве случаев для реакций альдегидов и кетонов с азотистыми основаниями необходим кислотный катализ, ускоряющий дегидратацию продукта присоединения. Однако если слишком повысить кислотность среды, то реакция замедлится в результате превращения азотистого основания в нереакционноспособную сопряженную кислоту XNH3+.
Реакции полимеризации. Эти реакции свойственны в основном альдегидам. При нагревании с минеральными кислотами полимеры альдегидов распадаются на исходные продукты.
Образование полимеров можно рассматривать как результат нуклеофильной атаки атомом кислорода одной молекулы альдегида карбонильного атома углерода другой молекулы. Так, при стоянии формалина выпадает в виде белого осадка полимер формальдегида - параформ.