Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
Предисловие
Предлагаемый читателю учебник Р. Морр исона и Р. Бойда, несомненно, хорошая, интересная и по-настоящему необходимая книга. Особое достоинство этой книги состоит в том, что авторы приводят такой объем материала, который может быть усвоен студентом при первом чтении. Именно этим данный учебник выгодно отличается от многих других, которые либо близки к монографиям, либо настолько пересыщены фактами, что скорее должны служить справочными изданиями.
Авторы знакомят нас на современном уровне с общими закономерностями й положениями органической химии, с логикой этой науки. Фундамент книги составляет тщательно отобранный фактический материал, обсуждение которого выявляет основные теоретические положения органической химии, проходящие красной нитью через весь учебник.
Уже в самом начале изложения органической химии подробно рассматриваются проблемы стереохимии, что, естественно, позволяет студентам намного глубже и лучше понять строение и реакционную способность органических соединений.
Много внимания уделено спектральным методам исследования, прежде всего ИК- и ПМР-спектроскопии. Студента с первых шагов приучают активно пользоваться этими важнейшими методами установления структуры.
Неотъемлемой частью учебника являются задачи и упражнения. Они необходимы не только для проверки приобретенных знаний, но главным образом для их активного применения—выбора рационального метода синтеза, установления строения. Многие фактические данные, которые в других учебниках даются в основном тексте, приведены здесь в задачах. Большинство задач основано на реальных исследованиях. Показательна в этом отношении последняя задача в гл. 37, в которой на основании известных химических и спектральных данных предлагается установить структуру инсулина.
В учебнике не нашли отражения вопросы исторического развития органической химии, но при современном стремительном росте науки это вряд ли можно поставить авторам в упрек. Некоторое забвение работ русских и советских ученых, столь типичное для большинства западных учебников, мы попытались устранить подстрочными примечаниями.
Обширный список литературы для углубленного изучения органической химии несколько изменен: приведены лишь те английские монографии и обзорные статьи, которые переведены на русский язык. Дополнительно указаны учебники, монографии и обзорные статьи советских авторов, а также некоторые другие переводные издания.
Предлагаемый советскому читателю учебник, отличающийся высоким научным уровнем, строгостью и логичностью изложения, а также педагогичностью, уже выдержал испытание временем и завоевал заслуженную популярность в университетах стран Западной Европы и Америки. Он, безусловно, привлечет внимание самых широких кругов преподавателей и студентов высших учебных заведений нашей страны.
И. Коробицына
Предисловие авторов
Новое издание учебника обычно преследует цель его улучшения. Для этого бывает необходимо его перестроить, переработать излагаемый материал, исправить ошибки (как фактические, так и связанные с интерпретацией фактов) и, что особенно важно, привести его в соответствие с современным уровнем науки. Все это мы попытались сделать. В то же время мы старались придерживаться нашей первоначальной цели: написать учебник для студента, предложить ему в доступной форме такой объем материала, какой он может усвоить при первом чтении.
Мы сохранили основное построение первого издания: по классам с разделением на алифатические и ароматические соединения. Такое построение представляется рациональным, поскольку оно дает возможность студенту познакомиться поочередно с каждым типом структур. Кроме того, оно логично, поскольку зависимость свойств вещества от его строения, а следовательно, от принадлежности к определенному классу, является основой органической химии. Так, при изучении алканов студент естественно знакомится с реакциями свободнорадикального замещения, при изучении алкенов — с реакциями электрофильного и свободнорадикального присоединения, при изучении аренов — с реакциями электрофильного замещения в ароматическом ряду.
Поскольку альдегиды и кетоны рассматриваются здесь раньше, чем в предыдущем издании, то химии карбонильных соединений посвящены две главы: сначала обсуждены синтез и простое нуклеофильное присоединение, а затем — химия карбанионов.
В гл. 13, после того как студент уже начал понемногу ориентироваться в этом непривычном для него мире органической химии, его знакомят с некоторыми методами установления строения органических соединений: масс-, УФ-, ИК-, ЯМР- и ЭПР-спектроскопией. Основное внимание уделено ИК- и ПМР- спектрам, которые являются «рабочими лошадками» в лаборатории органической химии; из этих двух методов более подробно обсуждается метод ПМР. В последующих главах при рассмотрении каждого нового класса соединений приведены характерные для него спектры, которые сопоставляются со спектрами других классов соединений.
В последующих главах учебника студент учится применять знания, полученные в гл. 13, решая задачи. В книге приведено для ознакомления и интерпретации более 100 ПМР- и ПК-спектров; около 70 задач основано на спектральных данных. Студент должен научиться использовать эти спектры не только для непосредственной идентификации неизвестного соединения, но также для обнаружения реакционноспособных интермедиатов, оценки скоростей реакций и положения равновесия и особенно в конформационном
анализе. (Для классов соединений, спектры которых не приведены, предложено больше чисто химических задач.)
Стереохимические представления вводятся гораздо раньше, чем в первом издании, и в дальнейшем широко используются. Основные положения стереохимии даны в двух небольших главах (гл. 3 и 7). Мы обнаружили, что студент охотно осваивает стереохимические представления на этой стадии изучения органической химии, поскольку они позволяют представить себе молекулы органических соединений и придают более реальный характер всем тем символам, с которыми его учат обращаться.
Широко и на современном уровне обсуждается конформационный анализ. Студенту дано больше возможностей использовать конформационный анализ наряду с другими методами, в частности рассчитать относительные количества конформеров по данным дипольных моментов и на основании ПМР-спектров.
В учебник дополнительно включены некоторые теоретические представления, ряд новых реакций и методик; большее внимание уделено таким вопросам, как постулат Ингольда — Хэммонда и ему подобные концепции, связь между реакционной способностью и селективностью, влияние полярных факторов на свободнорадикальные реакции, применение кинетических методов, изотопные эффекты и использование изотопных меток, химия метиленов и дегидробензола, использование апротонных растворителей, синтетическое использование гидроборирования и реакции Виттига.
Семь лет назад в предисловии к первому изданию нам пришлось доказывать необходимость изложения теоретических представлений органической химии начинающим студентам. То, как была принята эта книга, и характер других учебников, появившихся с тех пор, ясно показали, что большинство преподавателей уже не задается вопросом, надо ли учить теорию, а спрашивает, как лучше ее учить.
Как и в первом издании, теоретические представления вводятся, как только в них появляется необходимость, и затем регулярно используются.
Главный упор мы делаем на задачи (их более 1400), позволяющие студенту лучше усвоить изложенный материал. Например, конформационный анализ, такие понятия, как метилен, изотопная метка, вводятся в гл. 4, ароматичность — в гл. 10, спектральные методы —- в гл. 13. В гл. 33 студент использует данные ПМР-спектров для конформационного анализа углеводов. В гл. 35 при помощи дейтериевой метки и ПМР-спектров он определяет ориентацию электрофильного замещения в небензоидном полициклическом углеводороде. В гл. 36 на основании данных масс-, ИК- и ПМР-спектров студент интерпретирует фотохимическое генерирование метилена из полиядерного углеводорода. На этой стадии обучения он уже в состоянии все это делать.
Р. Моррисон
Р. Бойд
Строение и свойства
Органическая химия
Органическая химия — это химия соединений углерода.
Название «органическая» вводит в заблуждение; оно сохранилось с тех дней» когда химические соединения в зависимости от источника их получения де* лили на два класса — неорганические и органические. К неорганическим соединениям относили вещества, полученные из минералов, а к органическим — соединения растительного и животного происхождения, т. е. вещества, образующиеся в живых организмах. И действительно, вплоть до 1850 г. многие химики не сомневались в том, что органические соединения могут образовываться только в живых организмах и, следовательно, их нельзя синтезировать из неорганических веществ.
Соединения, полученные из живых организмов, роднило то, что все они содержали углерод. Даже после того, как выяснилось, что их совсем не обязательно получать из живых организмов, а можно синтезировать в лаборатории, оказалось удобным сохранить название органические, чтобы охарактеризовать эти и подобные им соединения. Такое разделение веществ на органические и неорганические сохранилось и до наших дней.
В настоящее время, несмотря на то что многие соединения углерода все еще удобнее выделять из растений или животных, большинство из них получают синтетически. В качестве сырья используют иногда такие неорганические соединения, как карбонаты или цианиды, но чаще органические соединения синтезируют из других органических соединений. Существует два огромных природных источника, из которых можно получить простейшие органические соединения: нефть и уголь. (Оба источника являются органическими в старом смысле этого слова, поскольку и уголь и нефть представляют собой продукты разложения растительных и животных организмов.) Эти простейшие органические соединения используются как строительный материал при синтезе более сложных соединений. Что же характерно для соединений углерода, что заставляет рассматривать их отдельно от соединений остальных ста с лишним элементов периодической системы? На этот вопрос, вероятно, можно ответить так: число соединений углерода чрезвычайно велико, и их молекулы могут быть очень большими по размеру и сложными по строению.
Число соединений углерода во много раз больше числа соединений, не содержащих углерода. Органические соединения разделены на классы, которые не имеют аналогий среди неорганических соединений.
Известны органические молекулы, содержащие тысячи атомов, но даже в относительно небольших молекулах расположение атомов может быть очень сложным. Одна из основных проблем органической химии — определение расположения атомов в молекулах, т. е. установление строения соединения.
Существует много путей разрушения этих сложных молекул или их перестройки с образованием новых молекул; существует много различных путей присоединения атомов к этим молекулам или замещения одних атомов на другие. Значительная часть органической химии посвящена выяснению вопроса, что это за реакции, как они протекают и как их можно использовать для синтеза требуемых соединений.
Каковы же особенности углерода, позволяющие ему образовывать столь большое число соединений? Атомы углерода могут соединяться друг с другом так, как не могут соединяться атомы никакого другого элемента. Атомы углерода могут образовывать цепи из тысяч атомов или кольца любого размера; цепи и кольца могут иметь разветвления и перекрестные связи. Углеродные атомы, участвующие в образовании этих цепей и колец, могут быть связаны с другими атомами, в основном с водородом, а также с фтором, хлором, бромом, иодом, кислородом, азотом, серой, фосфором и многими другими (в качестве примеров можно привести целлюлозу, стр. 978, хлорофилл, стр. 1015, и окситоцин, стр. 1047).
Определенное расположение атомов соответствует конкретному соединению, и каждое соединение имеет свои характерные химические и физические свойства. В настоящее время известно около миллиона соединений углерода, и каждый год синтезируются еще тысячи новых. Не удивительно, что изучение химии этих соединений составляет специальную область.
Органическая химия имеет огромное значение для технологии; это химия красителей и лекарственных препаратов, бумаги и чернил, красок и пластиков, бензина и резин; это химия продуктов питания и одежды, которую мы носим. Органическая химия лежит в основе медицины и биологии: живые организмы, кроме воды, состоят в основном из органических соединений, и биологические процессы в конечном счете являются предметом органической химии.
Теория строения
Основой органической химии является теория строения. Эта теория позволила объединить и систематизировать миллионы фактов о сотнях тысяч индивидуальных соединений. Именно эта теория лучше всего может объяснить эти факты.
Теория строения представляет ряд положений о том, каким образом атомы образуют молекулы. Она имеет дело с порядком связи атомов друг с другом и с электронами, которые удерживают эти атомы вместе. Она связана с формой и размером молекул, образуемых этими атомами, и с тем, как распределены электроны между ними.
Л1олекулу обычно изображают при помощи формулы или модели, а иногда несколькими формулами или моделями. Ядра атомов обозначают буквами или деревянными шариками, а связывающие их электроны — линиями или деревянными палочками. Эти грубые картинки или модели полезны только в том случае, если понимать, что они обозначают. Интерпретация таких моделей с точки зрения теории строения дает большую информацию о соединении, молекула которого изображена: как его синтезировать; какие можно ожидать
I Строение и свойства ^ ^ физические свойства — температуры плавления и кипения, удельный вес, растворимость и даже окрашено ли оно; какие для него характерны химические ■свойства — соединения, с которыми оно будет реагировать, образующиеся продукты, будет оно реагировать быстро или медленно. Все это можно узнать о неизвестном соединении только на основании его структурной формулы.
Представление о химической связи до 1926 г.
Рассмотрение структуры молекулы всегда следует начинать с описания химических связей, т. е. сил, которые удерживают атомы в молекуле.
Сначала будут рассмотрены химические связи с точки зрения теории, имевшейся к 1926 г., а затем современные представления. Появление квантовой механики в 1926 г. привело к резкому изменению представлений о том, как образуются молекулы. Для удобства до сих пор применяют старые, более простые обозначения и изображения, хотя и то и другое дается в современной интерпретации.
В 1916 г. было описано два типа химической связи: ионная связь (В. Кос- сель, Германия) и ковалентная связь (Г. Н. Льюис, Калифорнийский университет). И Коссель, и Льюис основывали свои представления на следующей концепции атома.
Положительно заряженное ядро окружено электронами, расположенными на концентрических оболочках или энергетических уровнях. На каждом уровне максимально может находиться определенное число электронов: два на первом, восемь на втором, восемь или восемнадцать на третьем и т. д. Наиболее стабильны соединения, в которых внешняя оболочка заполнена, как в инертных газах. И ионная и ковалентная связи возникают вследствие стремления атомов к образованию такой стабильной конфигурации электронов.
2 Li—^L^ ч-е*2 Li—^L^ ч-е*F) 2 8 F + e*ГF) 2 8 F + e*ГИонная связь возникает в результате переноса электрона, как, например, при образовании фторида лития. Атом лития имеет два электрона на первом уровне и один электрон на внешней, или валентной, оболочке; потеря одного электрона приводит к тому, что у лития остается заполненный внешний слой с двумя электронами. Атом фтора имеет два электрона на первом уровне и семь электронов на внешней, или валентной, оболочке; присоединение одного электрона приводит к образованию у фтора заполненной внешней оболочки из восьми электронов. Фторид лития образуется в результате перехода одного электрона от лития к фтору, вследствие чего литий приобретает положительный заряд, а фтор — отрицательный. Электростатическое притяжение между противоположно заряженными ионами называется ионной связью. Такая ионная связь характерна для солей металлов (электроположительных элементов), находящихся в левой части периодической системы, с неметаллами (электроотрицательные элементы), расположенными в дальней правой части периодической системы.
2 Li—^L^ ч-е*
2 Li—^L^ ч-е*
F) 2 8 F + e*Г
F) 2 8 F + e*Г
Ковалентная связь образуется в результате обобществления электронов, как, например, в случае молекулы водорода. Каждый атом водорода имеет один электрон; при обобществлении электронов каждый из водородов может заполнить свою оболочку до двух электронов. Два атома фтора, каждый из ко-
торых имеет семь валентных электронов, может заполнить свою оболочку до октета за счет совместного пользования парой электронов. Аналогично можно представить образование HF, Н2О, NH3, СН4 и CF4. Здесь связующей силой также является электростатическое притяжение, в данном случае между каждым электроном и двумя ядрами
Н- + -Н —> Н:Н :F- + F: —> г^Ъ
Н + F: —> H:F:
Н 2Н- + О: —> Н:О:
Н 3H-+-N: —> H:N: Н
н 4Н- + С- > Н.С.Н
Н
:F:
4:F- + -С- —» :F:C:F:“:F:“
Ковалентная связь характерна для соединений углерода; именно эта связь имеет основное значение в химии органических соединений.
Квантовая механика
В 1926 г. Э. Шредингер (Цюрихский университет) предложил квантовомеханическую теорию в форме, наиболее пригодной для химиков. Он вывел математические выражения для описания движения электрона в зависимости от его энергии. Эти математические выражения называются волновыми уравнениями, поскольку в основе их лежит представление о том, что электрон проявляет свойства не только частицы, но и волны.
Эти волновые уравнения настолько сложны, что их нельзя точно решить. Поэтому необходимо было разработать методы получения приближенных решений, называемых волновыми функциями. Природа уравнений такова, что, чем ниже величина энергии, даваемая волновой функцией, тем более правильной будет волновая функция. Несмотря на приблизительный характер этих решений, квантовая механика дает ответы, настолько хорошо соответствующие фактам, что в настоящее время она принята как наиболее плодотворный подход к пониманию структуры атомов и молекул.
«Волновая механика показывает нам, что происходит; на наиболее глубоком возможном уровне... она определила концепции химика-экспериментатора — образное восприятие тех, кто творчески подходит к наблюдаемым фактам; она показала, как объединить и единообразно объяснить эти факты и как можно обнаружить их скрытую связь, друг с другом» (К- А. Коулсон, Лондон, 1951 г.).
Атомные орбитали
Волновое уравнение не может точно ответить на вопрос о нахождении электрона в любой определенный момент времени или о скорости его движе- ия; оно не позволяет нарисовать точную орбиту около ядра. Вместо
этого оно дает вероятность нахождения электрона в любой определенной точке.
Элемент пространства, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью. Существуют различные типы орбиталей, имеющих различные размеры и формы и расположенных определенным образом около ядер атомов. Тип орбитали, занимаемой электроном, зависит от его энергии. Именно формы этих орбиталей и их расположение относительно друг друга представляют особый интерес, поскольку они определяют (или, более точно, удобно считать, что они определяют) пространственное расположение атомов в молекуле и даже помогают установить ее химические свойства.
Удобно изображать электрон размазанным в виде облака. Можно рассматривать это облако как неясную фотографию быстро движущегося электрона. ■Форма облака — это форма орбитали. Облако неоднородно, и плотность его
Рис. 1.1. Атомная s-орбиталь (ядро находится в центре).Рис. 1.1. Атомная s-орбиталь (ядро находится в центре).
Рис. 1.1. Атомная s-орбиталь (ядро находится в центре).
Рис. 1.1. Атомная s-орбиталь (ядро находится в центре).
наибольшая в тех областях, где наиболее вероятно нахождение электрона т. е. в тех областях, где средний отрицательный заряд, или электронная плотность, наибольшие. Такое электронное облако показывает распределение заряда.
Рассмотрим формы некоторых атомных орбиталей. Орбиталь с наиболее низким энергетическим уровнем называется ls-орбиталью. Она представляет собой сферу, в центре которой находится ядро атома (рис. 1.1). Орбиталь не имеет определенной границы, поскольку существует, хотя и очень малая, вероятность найти электрон на значительном расстоянии от ядра или даже у другого атома! Однако вероятность очень быстро уменьшается за пределами определенного расстояния от ядра, так что распределение заряда достаточно хорошо представлено электронным облаком на рис. 1.1, а. Для простоты можно даже представить орбиталь, как на рис. 1.1, б, где сплошные линии ограничивают область, в которой электрон находится большую часть времени (95%).
Затем следует 2х-орбиталь, обладающая более высокой энергией. Она также имеет форму сферы, в центре которой находится ядро атома. Она, естественно, больше ls-орбитали: большая энергия (меньшая стабильность) является следствием большего среднего расстояния между электроном и ядром, в результате чего уменьшается электростатическое притяжение. (Рассматривается работа, которую следует затратить, чтобы оторвать электрон от противоположно заряженного ядра.)
Далее следуют три орбитали с равной энергией, которые называются 2р-орбиталями (рис. 1.2). Каждая 2р-орбиталь имеет форму гантели. Она
состоит из двух частей, между которыми расположено атомное ядро. Ось каждой 2р-орбитали перпендикулярна осям двух других р-орбиталей. Эти орбитали называются 2рх, ‘2рм и 2pz, где х, у иг — соответствующие оси.
Рис. 1.2. Атомные р-орбитали. Оси взаимно перпендикулярны.
а — поперечный разрез двух частей одной орбитали; б — приблизительная форма орбитали в виде пары искаженных эллипсоидов; в — изображение в виде пары иесоприкасающихся сфер.
Электронная конфигурация.
Принцип запрета Паули
Существует ряд правил, определяющих распределение электронов в атоме, т. е. электронную конфигурацию атома.
Наиболее важным из этих правил является принцип Паули (принцип исключения или запрета): данную электронную орбиталь могут занимать только два электрона и только при условии, что они обладают противоположными спинами. Такие электроны с противоположно направленными спинами называются спаренными. Электроны с одинаково направленными спинами стремятся удалиться друг от друга на максимально возможное расстояние.
ннНе©2i2ри00ОООBe©©ОоОВ©©0оОС©©00ОN©©О00О©©©00F00©©0NeО©©©©Не©2i2ри00ОООBe©©ОоОВ©©0оОС©©00ОN©©О00О©©©00F00©©0NeО©©©©наиболеенаиболееважнойважнойизиз1$О1$ОЭта тенденция являетсяЭта тенденция являетсявсех факторов, определяющихвсех факторов, определяющих
н
н
Не
©
2i
2р
и
0
0
О
О
О
Be
©
©
О
о
О
В
©
©
0
о
О
С
©
©
0
0
О
N
©
©
О
0
0
О
©
©
©
0
0
F
0
0
©
©
0
Ne
О
©
©
©
©
Не
©
2i
2р
и
0
0
О
О
О
Be
©
©
О
о
О
В
©
©
0
о
О
С
©
©
0
0
О
N
©
©
О
0
0
О
©
©
©
0
0
F
0
0
©
©
0
Ne
О
©
©
©
©
наиболее
наиболее
важной
важной
из
из
1$
О
1$
О
Эта тенденция является
Эта тенденция является
всех факторов, определяющих
всех факторов, определяющих
Таблица 1.1
Электронные конфигурации
формы и свойства молекул.
Принцип запрета, предложенный в 1925 г- Вольфгангом Паули, мл. (Институт теоретической физики, Гамбург, Германия), был назван краеугольным камнем химии.
Электронные конфигурации первых десяти элементов периодической системы представлены в табл. 1.1. Из данных таблицы очевидно, что заполнение орбитали начинается после того, как заполнены орбитали с низшей энергией (например, 2s после 1s, 2р после 2s). Пара электронов не занимает орбитали до тех пор, пока орбитали равной энергии не будут заняты каждая одним электроном (например, 2р-орбитали). Is-Электроны образуют первый двухэлектронный уровень, a 2s- и 2р-электроны — второй восьмиэлектронный уровень. Для последующих элементов существует третий уровень, содержащий Зз-эр- битали, Зр-орбитали и т. д.
Задача 1.1. а) Напишите электронные конфигурации восьми элементов третьего периода периодической системы, б) Какая связь между электронной конфигурацией и положением элемента в периодической системе? в) Какая связь между электронной конфигурацией и химическими свойствами элементов?
Молекулярные орбитали
В молекулах, так же как и в изолированных атомах, электроны занимают орбитали в соответствии почти с теми же правилами. Считают, что эти молекулярные орбитали имеют в центре несколько ядер, причем, возможно, они охватывают всю молекулу; распределение ядер и электронов является обычным распределением, возникающим в наиболее устойчивой молекуле.
Чтобы можно было использовать довольно сложные математические уравнения для расчетов, обычно делают два упрощающих допущения: а) каждая пара электронов в основном локализована около двух ядер, и б) форма этих локализованных орбиталей и их расположение относительно друг друга связаны простой зависимостью с формами и расположением атомных орбиталей составляющих атомов.
Идею локализованных молекулярных орбиталей (их можно также называть орбиталями связи) нельзя назвать плохой, поскольку математически этот метод приближения удобен для большинства (хотя и не для всех) молекул. Кроме того, эта идея находится в соответствии с классической химической концепцией связи как силы, действующей между двумя атомами и достаточно независимой от остальной части молекулы; вряд ли может быть случайностью, что эта концепция удивительно хорошо работала в течение сотни лет. Важно и то, что для некоторых молекул (например, бензола, гл. 10), для которых неприменимы классические формулы, также непригоден и метод локализованных молекулярных орбиталей. (Даже эти случаи можно рассмотреть с помощью довольно простых изменений классических формул —изменений, которые аналогичны методу математического приближения.)
В следующем разделе показано, что второе допущение о взаимозависимости между атомными и молекулярными орбиталями особенно важно. Оно оказалось настолько удобным, что в ряде случаев, чтобы сохранить это допущение, были предложены атомные орбитали различных типов.
Ковалентная связь
Теперь рассмотрим образование молекулы. Для удобства можно представить этот процесс как соединение отдельных атомов, хотя в действительности большинство молекул образуется иным путем. Модели молекул обычно делают из деревянных или пластмассовых шариков, которые обозначают различные атомы; положение отверстий или зажимов показывает, как их соединять. Таким же образом можно представить воображаемые модели молекул из воображаемых атомов; положение атомных орбиталей — некоторые из них воображаемые — покажет, как соединить их вместе.
Для образования ковалентной связи необходимо, чтобы орбиталь одного атома перекрывалась с орбиталью другого; каждая орбиталь должна иметь один электрон. При этом происходит объединение двух атомных орбиталей с образованием одной орбитали связи, которая занята обоими электронами. Два электрона, занимающие орбиталь связи, должны иметь противоположные спины, т. е. должны быть спаренными. Каждый электрон находится на общей орбитали, и его можно рассматривать как принадлежащий обоим атомным ядрам.
Такое расположение электронов и ядер обладает наименьшей энергией, т. е. более устойчиво, чем расположение в изолированных атомах; в результате образование связи происходит с выделением энергии. Количество энергии (на 1 моль), выделяющееся при образовании связи (или необходимое для разрушения связи), называется энергией диссоциации связи. Для данной пары атомов, чем больше перекрывание атомных орбиталей, тем прочнее связь.
Чем же определяется прочность ковалентной связи? Увеличением электростатического притяжения. У изолированных атомов каждый электрон притягивается (и притягивает) одно положительно заряженное ядро; в молекуле каждый электрон притягивается двумя положительными ядрами.
Именно концепция «перекрывания» дает нам воображаемый мост между атомными орбиталями и орбиталями связи. Перекрывание атомных орбита- лей означает, что орбиталь связи занимает то же самое пространство, какое занимали обе атомные орбитали. Следовательно, электрон от одного атома может в какой-то степени остаться на своей собственной орбитали, благоприятной по отношению к «своему» ядру, и в то же время занять аналогичное благоприятное положение по отношению ко второму ядру; то же самое, конечно, справедливо и для другого электрона.
Принцип максимального перекрывания, впервые высказанный Лайнусом Полингом в 1931 г. (Калифорнийский технологический институт), по своему значению для понимания структуры молекул мало уступает принципу запрета Паули.
В качестве первого примера рассмотрим образование молекулы водорода Н, из атомов водорода. Каждый водородный атом имеет один электрон, который занимает ls-орбиталь. Как уже говорилось, эта ls-орбиталь имеет форму шара с атомным ядром в центре. Для образования связи два ядра должны быть сближены настолько, чтобы могло произойти перекрывание атомных орбиталей (рис. 1.3). Для водорода система наиболее стабильна в том случае, когда расстояние между ядрами составляет 0,74 А (7,4-1 (С2 нм); это расстояние называется длиной связи. При этом расстоянии стабилизующий эффект перекрывания точно уравновешен отталкиванием между одинаково заряжен-
гг
г
г
Рис. 1.3. Образование связи в молекуле водорода Н2.
а — отдельные s-орбитали; б — перекрывание s-орбиталей; в и г —. орбитали 0-связи.
ними ядрами. Образовавшаяся молекула водорода на 104 ккал/моль (434,83-103 Дж/моль) беднее энергией, чем оба водородных атома, из которых она образовалась. Длина водород-водородной связи равна 0,74 А (7,4-10~2 нм), и ее прочность составляет 104 ккал (434,83-103 Дж).
Форма этой орбитали связи приблизительно такая, которую следует ожидать в результате слияния двух s-орбиталей. Как показано на рис. 1.3, она имеет форму сосиски с длинной осью вдоль линии, соединяющей ядра. Орбиталь обладает цилиндрической симметрией относительно этой оси, т. е. поперечное сечение имеет форму круга. Такие орбитали связи называются <5-орбиталями, а сами связи—о-связями. Можно рассматривать молекулу водорода как два ядра, находящиеся в одном сосискообразном электронном облаке. Облако обладает наибольшей плотностью в области между ядрами, где притяжение отрицательного заряда двумя положительно заряженными ядрами наибольшее.
Размер молекулы водорода, т. е. ее объем с вероятностью 95%, значительно меньше размера одного атома водорода. На первый взгляд это удивительно, хотя в действительности следовало ожидать такого сжатия электронного облака. Сильное притяжение электронов двумя ядрами придает молекуле большую устойчивость по сравнению с изолированными атомами водорода; это должно означать, что электроны расположены теснее, ближе, чем в атомах.
Теперь рассмотрим образование молекулы фтора F2 из двух атомов фтора. Как видно из табл. 1.1 электронных конфигураций, атом фтора имеет два электрона на ls-орбитали, два электрона на 25-орбитали и по два электрона на каждой из двух 2р-орбиталей. На третьей 2р-орбитали находится единст-
венный неспаренный электрон, который может участвовать в образовании связи. Перекрывание этой р-орбитали с аналогичной р-орбиталью другого атома фтора приводит к спариванию электронов и образованию связи (рис. 1.4). Заряд электрона сконцентрирован между двумя ядрами, так что часть каждой из перекрывающихся орбиталей, находящаяся за плоскостью рисунка, сжимается до сравнительно небольшого объема. Хотя связь фтор — фтор образуется в результате перекрывания атомных орбиталей другого типа, она имеет такую же форму, как и связь водород — водород, и обладает цилиндрической симметрией относительно линии, связывающей ядра; ее также обозначают как о-связь. Длина связи фтор—фтор равна 1,42 А (14,2- 1О2 нм) и прочность составляет около 37 ккал (154,91 • 103 Дж).
в
Рис. 1.4. Образование связи в молекуле фтора F2.
а — отдельные р-орбитали; б — перекрывание #-орбиталей; в — орбитали а-связи.
Из приведенных примеров видно, что ковалентная связь образуется в результате перекрывания двух атомных орбиталей с образованием орбитали связи, занимаемой парой электронов. Каждая ковалентная связь, характеризуется своей длиной и прочностью.
Ковалентная связь; угол связи. Гибридные орбитали
Рассмотрим одну из простейших органических молекул — молекулу метана СН4.
Углерод (табл. 1.1) имеет неспаренный электрон на кгждсй из двухр-ор- биталей
is 2s 2р
с ©© о о о
На основании этого следовало бы ожидать, что он будет образовывать с двумя атомами водорода соединение СН2. Но в метане углерод соединен с четырьмя атомами водорода. Образование связи представляет собой энергетически выгодный процесс, и имеется тенденция к образованию максимально возможного числа связей — даже если это приводит к орбиталям связей, мало похожим на атомные орбитали, о которых говорилось выше. Если применять наш метод мысленного построения молекул к соединениям углерода, то предварительно его следует изменить. Необходимо придумать воображаемый тип атома углерода, который связан с четырьмя водородными атомами. Про такой атом углерода говорят, что он находится в определенном валентном состоянии.
Чтобы получить такой четырехвалентный атом углерода, следует мысленно проделать следующее. Сначала «перемещают» один из двух 25-электронов на свободную р-орбиталь
Is ^^Р Один «лыипрон
■*> жеремещен:
„— четыре неспаренных.
С о О О О О электрона,
В результате образуется четыре неспаренных электрона, которые необходимы для образования связей с четырьмя атомами водорода. Теперь можно ожидать, что углерод образует три связи одного типа, используя р-орбитали, и одну связь другого типа, используя s-орбиталь. Это опять противоречит фактам: известно, что четыре связи в метане эквивалентны.
Далее проводят гибридизацию орбиталей. Математически рассчитаны различные комбинации s- и р-орбиталей, и найдены смешанные (гибридные) орбитали с наибольшей степенью направленности. Чем больше атомная орбиталь сконцентрирована в направлении связи, тем больше перекрывание и тем прочнее связь, которую она может образовать. Расчеты приводят к трем очень важным результатам: а) «лучшая» гибридная орбиталь имеет значительно более направленный характер, чем s- или р-орбиталь; б) четыре лучшие орбитали точно эквивалентны друг другу; в) эти орбитали направлены к углам правильного тетраэдра — расположение, при котором орбитали максимально удалены друг от друга (вспомните принцип запрета Паули). Угол между двумя орбиталями тетраэдрический и равен 109,5° (1,911 рад) (рис. 1.5).
1^ 2тТр
с О О О О О
'у—' s^- еибриЭизащиг
Issp1
С о о о О О
Эти гибридные орбитали называют 8р3-орбиталями, поскольку они возникают при гибридизации одной s- и трех р-орбиталей. Они имеют форму, представленную на рис. 1.5, а; для удобства незначительная часть, находящаяся за плоскостью рисунка, не приведена, а часть перед плоскостью рисунка представлена в виде шара.
Используя тетраэдрический атом углерода (или spP-гибридизованный углерод), построим молекулу метана. Здесь возникает особенно важный вопрос об угле связи. Для максимального перекрывания 5р3-орбиталей углерода и s-орбиталей водородов четыре водородных ядра должны лежать на осях sp3-
орбиталей, т. е. они должны находиться в углах тетраэдра (рис. 1.6). Следовательно, угол между двумя любыми связями углерод — водород должен быть тетраэдрическим, равным 109,5° (1,911 рад).
вв
в
в
Рис. 1.5. Атомные гибридные 5р3-орбитали.
а — поперечный разрез и примерная форма одной орбитали. Сильно направлена вдоль одной Госи; б — изображение в виде сферы (маленькая часть за плоскостью рисунка не представлена); в — четыре орбитали, оси которых направлены к углам тетраэдра.
Экспериментальные данные подтверждают расчет: метан имеет тетраэдрическую структуру. Все связи углерод — водород имеют одинаковую длину 1,09 А (10,9-10~2 нм); угол между двумя любыми связями тетраэдрический и равен 109,5° (1,911 рад). Для разрыва одной из связей метана требуется 102 ккал/моль (417,05-10s Дж/моль).
Таким образом, ковалентные связи могут быть охарактеризованы не только длиной связи и энергией диссоциации, но также и углом между связями. Эти углы связей могут быть соответствующим образом связаны с расположением атомных орбиталей (включая и гибридные орбитали), участвующих в
образовании связи; они подчиняются принципу запрета Паули, и при этом наблюдается тенденция к максимально возможному удалению неспаренных электронов друг от друга.
Рис. 1.6. Образование связи в молекуле метана СН4.
а — тетраэдрические $р3>орбитали; б — предполагаемая^форма^ядра Н расположены так. что возможно максимальное перекрывание; в — форма и размеры.
В отличие от ионной связи, прочность которой одинакова по всем направлениям, ковалентная связь является направленной. На основании этого становится понятным, почему химия ковалентной связи в столь значительной степени связана с размерами и формой молекулы.
Ниже будет приведено построение других гибридных орбиталей. Имеется три типа воображаемых углеродных атомов: тетраэдрический (др3-гибридизо- ванный), тригональный ^р2-гибридизованный) и дигональный (зр-гибридизо- ванный).
Задача 1.2. Исходя из принципа максимального разделения орбиталей, предложите геометрическую форму для а) трех эквивалентных $р2-орбиталей и б) двух эквивалентных sp-орбиталеи (проверьте ваши ответы в разд. 2.23 и 8-2).
1.10. Неподеленные пары электронов
Рассмотрим теперь аммиак NH3. В молекуле аммиака азот находится в валентном состоянии, аналогичном описанному для углерода: четыре sp3- гибридизованные орбитали направлены к углам тетраэдра.
Ir 2sIp
N 00 О О 0
I1 sp3- гибридизация
Issp3
N ©0 0 0 0
Но азот (табл. 1.1) имеет только три неспаренных электрона; каждый из них занимает одну 5р3-орбиталь. Перекрывание каждой из этих орбиталей с s-орбиталью водорода приводит к образованию молекулы аммиака (рис. 1.7). Четвертая 5р3-орбиталь азота занята парой электронов.
Для максимального перекрывания орбиталей и, следовательно, максимально прочной связи атомы водорода должны находиться в трех углах тетраэдра; четвертый угол занят свободной парой электронов. Если рассматривать только атомные ядра, то следует ожидать, что молекула аммиака будет иметь форму трехгранной пирамиды с азотом в вершине и атомами водорода в углах основания. Каждый угол связи должен быть тетраэдрическим и равным 109,5° (1,911 рад).
<6
Рис. 1.7. Образование связей в молекуле аммиака NH3.
а — тетраэдрические $р8~орбигали; б — предполагаемая форма с изображением свободной пары: ядра водорода расположены так, что возможно максимальное перекрывание; в — форма и размеры.
Экспериментально установлено, что молекула аммиака имеет форму пира миды, предсказанную квантовомеханическим расчетом. Углы между связями составляют 107° (1,867 рад), т. е. немного меньше, чем предсказываемые; предполагают, что свободная пара электронов занимает большее пространство, чем любой из атомов водорода, и, следовательно, стремится немного исказить валентные углы. Длина связи азот — водород составляет 1,01 А (10,1 • 10~2 нм); для разрушения одной из связей аммиака требуется 103 ккал/моль (431,24• 103 Дж/моль).
Орбиталь, занимаемая свободной электронной парой, представляет область высокой электронной плотности. Эта область является донором электронов для электроноакцепторных атомов и молекул и, следовательно, обусловливает основные свойства аммиака (разд. 1.19).
Задача 1.3. Какую форму имеет ион аммония NH,?
И наконец, рассмотрим молекулу воды Н2О. Положение аналогично описанному для аммиака с тем лишь отличием, что кислород имеет два неспаренных электрона и, следовательно, образует связи только с двумя атомами во-
Рис. 1.8. Образование связей в молекуле воды Н2О.Рис. 1.8. Образование связей в молекуле воды Н2О.
Рис. 1.8. Образование связей в молекуле воды Н2О.
Рис. 1.8. Образование связей в молекуле воды Н2О.
а — тетраэдрические $р3-орбитали; б — предполагаемая форма с изображением свободной пары электронов: ядра водорода расположены так, что возможно максимальное перекрывание; в — форма и размеры.
дорода, которые занимают два угла тетраэдра. Два других угла заняты свободными электронными парами (рис. 1.8).
I* 2$2/,
о 0 G 0 0 0
-£—। spS-гибридизация
Irsp1
о G G О О 0
Экспериментально показано, что угол связи Н—О—Н равен 105° (1, 732 рад), т. е. меньше, чем рассчитанный тетраэдрический, и даже меньше, чем угол связи в аммиаке. В молекуле воды имеются две объемистые свободные электронные пары, которые как бы сжимают валентные углы. Длина связи кислород — водород равна 0,96 А (9,6-10-2 нм); для разрыва одной из связей воды требуется 118 ккал/моль (494,04-103 Дж/моль).
Наличие двух свободных пар электронов обусловливает основные свойства воды, хотя и более слабые, чем у аммиака (разд. 1.19).
Внутримолекулярные силы
Следует помнить, что использованный в предыдущих разделах метод мысленного построения молекул является искусственным. Существуют другие, также искусственные методы, использующие различные воображаемые
или физические модели. Приведенный выше метод, как казалось до сих пор, приносит наибольшую пользу химикам-органикам. Используя три «типа» углерода (sp3-, sp2- и sp-гибридизованный), можно построить тысячи органических молекул.
Однако реальная структура молекулы является результатом комбинации сил отталкивания и притяжения, которые связаны с зарядом и спином электрона.
Силы отталкивания. Электроны стремятся к максимально возможному удалению, друг от друга, поскольку они имеют одинаковый заряд и одинаковый спин, если они не спарены (принцип запрета Паули).
Силы притяжения. Электроны притягиваются атомными ядрами, поскольку они имеют противоположные заряды и, следовательно, стремятся занять пространство между двумя ядрами. Противоположные спины (хотя, вероятно, не благоприятствуют) позволяют двум электронам занимать одну и ту же область.
В метане, например, расположение восьми электронов связей таково, что каждый занимает область около двух ядер (орбиталь связи) и, кроме своего партнера, максимально возможно удален от других электронов. Можно нарисовать каждый электрон, занимающий, вероятно, неохотно вследствие их одинаковых зарядов одну орбиталь с электроном, имеющим противоположный спин, но находящуюся в максимальном удалении от всех других электронов.
Полярность связей
Ковалентные связи, кроме уже описанных свойств, характеризуются еще одним свойством — полярностью. Два атома, связанные ковалентной связью, имеют общие электроны; их ядра удерживаются одним и тем же электронным облаком. Но в большинстве случаев два ядра владеют электронами не в равной степени; плотность электронного облака вокруг одного ядра больше, чем вокруг другого. Таким образом, один конец связи является относительно отрицательным, а другой — относительно положительным, т. е. существуют отрицательный и положительный полюсы. Про такую связь говорят, что она полярна или обладает полярностью.
Для обозначения полярности используют символы 6 ф и 6—, которые показывают частичные положительный и отрицательный заряды, например:
с+ 6— с— 6—
Н—F . О , , N ,
V \н+ V 1>Н
6+
полярные связи
Можно ожидать, что ковалентная связь будет полярной, если связанные атомы по-разному притягивают электроны, т. е. отличаются по своей электроотрицательности. Чем больше различие в электроотрицательности, тем более полярной должна быть связь.
Большинство электроотрицательных элементов расположено в верхнем правом углу периодической системы. Из элементов, имеющих значение в органической химии, наибольшую электроотрицательность имеет фтор; остальные элементы по своей электроотрицательности располагаются в следующем порядке: кислород, азот и хлор, бром и, наконец, углерод. Водород мало отличается от углерода; нельзя даже точно сказать, является он более или менее электроотрицательным.
Ряд электроотрицательности: F>O>C1, N>Br>C, Н
Полярность связей непосредственно связана также с химическими и физическими свойствами соединений. Полярность связи определяет тип реакции, которая может произойти по этой связи, и даже влияет на реакционную способность соседних связей. Полярность связей может привести к полярности молекул и, таким образом, сильно повлиять на температуры плавления и кипения и растворимость.
Полярность молекул
Молекула полярна, если центр отрицательного заряда не совпадает с центром положительного. Такая молекула является диполем-, два равных по величине и противоположных по знаку заряда разделены в пространстве.
Диполь обычно обозначают символом ч—>- , где стрелка направлена от положительного конца диполя к отрицательному. Молекула обладает дипольным моментом, который равен величине заряда е, умноженной на расстояние d между центрами зарядов:
р - е X d ед. Дебая, эл.-ст. ед. А Д
Дипольные моменты молекул можно измерить; некоторые найденные величины приведены в табл. 1.2. Величины дипольных моментов служат мерой относительной полярности различных молекул.
Таблица 1.2
Дипольные моменты
[Д (3,3 -lO-зо
Кл-м)]
н2
0
HF
1,75
сн4
0
о2
0
11,0
1,84
СН3С1
1,86
м2
0
NH3
1,46
СС14
0
С12
0
NF3
0,24
со2
0
Вг2
0
BF3
0
Несомненно, что молекулы полярны, если только связи в ней полярны. Мы будем рассматривать полярность связи, потому что полярность молекулы можно представить как сумму полярностей отдельных связей.
Такие молекулы, как Н2, О2, N2, С12, имеют дипольный момент, равный нулю, т. е. они неполярны. Два одинаковых атома в любой из приведенных молекул имеют, конечно, одну и ту же электроотрицательность и в равной степени владеют электронами; заряд е равен нулю и, следовательно, дипольный момент тоже равен нулю.
Молекула типа HF обладает большим дипольным моментом 1,75 Д (5,78-10'30 Кл-м). Хотя молекула фтористого водорода мала, электроотрицательный фтор сильно притягивает электроны; хотя расстояние d мало, заряд е велик, и, следовательно, дипольный момент р, тоже большой.
У метана и четыреххлористого углерода СО» дипольные моменты равны нулю. Индивидуальные связи, по крайней мере в четыреххлористом углероде, полярны; однако вследствие симметричности тетраэдрического расположения они компенсируют друг друга (рис. 1.9). В хлористом метиле СН3С1 полярность связи углерод — хлор не компенсируется и дипольный момент хлористого метила равен 1,86 Д (6,14-10~30 Кл-м). Таким образом, полярность молекул зависит не только от полярности индивидуальных связей, но также и от их направления, т. е. от формы молекулы.
Дипольный момент аммиака равен 1,46 Д (4,82-10~30 Кл-м). Его можно рассматривать как суммарный дипольный момент {векторная сумма) трех моментов индивидуальных связей, имеющих направление, показанное наДипольный момент аммиака равен 1,46 Д (4,82-10~30 Кл-м). Его можно рассматривать как суммарный дипольный момент {векторная сумма) трех моментов индивидуальных связей, имеющих направление, показанное наД = 1,75ДД = 1,75Дметанметан^етырехыористый углерод^етырехыористый углерод^ = 1,86Д^ = 1,86ДХлористый метилХлористый метилфтористый водородфтористый водородРис. 1.9. Дипольные моменты некоторых молекул. Полярность связей и молекул.Рис. 1.9. Дипольные моменты некоторых молекул. Полярность связей и молекул.рисунке. Аналогично можно рассматривать ный 1,84 Д (6,07-10~30 Кл-м).рисунке. Аналогично можно рассматривать ный 1,84 Д (6,07-10~30 Кл-м).дипольный момент воды, рав-дипольный момент воды, рав-Дипольные моменты, предполагаемые только на основании, моментов связейДипольные моменты, предполагаемые только на основании, моментов связейвоЗавоЗа
Дипольный момент аммиака равен 1,46 Д (4,82-10~30 Кл-м). Его можно рассматривать как суммарный дипольный момент {векторная сумма) трех моментов индивидуальных связей, имеющих направление, показанное на
Дипольный момент аммиака равен 1,46 Д (4,82-10~30 Кл-м). Его можно рассматривать как суммарный дипольный момент {векторная сумма) трех моментов индивидуальных связей, имеющих направление, показанное на
Д = 1,75Д
Д = 1,75Д
метан
метан
^етырехыористый углерод
^етырехыористый углерод
^ = 1,86Д
^ = 1,86Д
Хлористый метил
Хлористый метил
фтористый водород
фтористый водород
Рис. 1.9. Дипольные моменты некоторых молекул. Полярность связей и молекул.
Рис. 1.9. Дипольные моменты некоторых молекул. Полярность связей и молекул.
рисунке. Аналогично можно рассматривать ный 1,84 Д (6,07-10~30 Кл-м).
рисунке. Аналогично можно рассматривать ный 1,84 Д (6,07-10~30 Кл-м).
дипольный момент воды, рав-
дипольный момент воды, рав-
Дипольные моменты, предполагаемые только на основании, моментов связей
Дипольные моменты, предполагаемые только на основании, моментов связей
воЗа
воЗа
Какой же дипольный момент следует ожидать для трехфтористого азота NF3, который, как и аммиак, имеет пирамидальную структуру? Фтор — наиболее электроотрицательный элемент, и он, конечно, сильно оттягивает электроны от азота; поэтому связи азот — фтор должны быть сильно полярными и их векторная сумма должна быть большой — значительно больше, чем для аммиака с его не очень полярными N—Н-связями.
зпре^фшористый мотзпре^фшористый мотБольшой дипольный момент, предполагаемый на основании моментов связейБольшой дипольный момент, предполагаемый на основании моментов связей
зпре^фшористый мот
зпре^фшористый мот
Большой дипольный момент, предполагаемый на основании моментов связей
Большой дипольный момент, предполагаемый на основании моментов связей
Что же дает эксперимент? Дипольный момент трехфтористого азота равен только 0,24 Д (0,79-IO"30 Кл-м). Он значительно меньше дипольного момента аммиака.
Как же объяснить этот факт? В приведенном выше рассмотрении не учитывалась неподеленная пара электронов. В NF3 (как и в NH3) эта пара занимает зр3-орбиталь и ее вклад в дипольный момент должен иметь противоположное направление по сравнению с суммарным моментом связей азот — фтор (рис. 1.10); эти моменты противоположного знака, очевидно, имеют примерно одну и ту же величину, и в результате наблюдается небольшой дипольный момент, направление которого неизвестно. В аммиаке дипольный момент, вероятно, определяется в основном этой свободной электронной парой, причем он увеличен за счет суммы моментов связей. Аналогичным образом неподеленные пары электронов должны давать вклад в дипольные моменты воды и, конечно, любых других молекул, в которых они имеются.
На основании значений дипольных моментов можно получить ценную информацию о строении молекул. Например, можно исключить любую структуру четыреххлористого углерода, приводящую к полярной молекуле, только на основании величины дипольного момента. Таким образом, дипольный
аммиакаммиак
аммиак
аммиак
Рис. 1.10. Дипольные моменты некоторых молекул. Вклад неподеленной пары электронов. Дипольный момент NF3, обусловленный неподеленной парой электронов, имеет направление, противоположное направлению суммарного вектора моментов связей.
момент подтверждает тетраэдрическую структуру четыреххлористого углерода (хотя и не доказывает, поскольку возможны и другие структуры, которые также дадут неполярную молекулу).
Задача 1.4. Какие из двух указанных ниже возможных структур СС14 также должны были бы иметь дипольный момент, равный нулю? а) Углерод расположен в центре квадрата, по углам которого находятся атомы хлора, б) Углерод расположен в вершине четырехгранной пирамиды, а атомы хлора — в углах основания.
Задача 1.5. Хотя связи углерод — кислород и бор — фтор должны быть полярными, дипольный момент соединений СО2 и BF3 равен нулю. Предложите расположение атомов для каждого соединения, обусловливающее нулевой дипольный момент.
Для большинства соединений дипольный момент никогда не измерялся. Полярность этих соединений можно предсказать исходя из их строения. Полярность связей определяется по электроотрицательности атомов; если известны углы между связями, то можно определить полярность молекулы, учитывая также неспаренные пары электронов.
Строение и физические свойства
В предыдущем разделе обсуждалось одно из физических свойств соединений — дипольный момент. Представляют интерес также другие физические свойства, такие, как температура плавления, температура кипения или растворимость в каком-нибудь растворителе. Физические свойства нового соединения являются ключом для установления его строения. И наоборот, знание строения соединения часто позволяет предсказать его физические свойства.
При попытках синтеза нового соединения следует составить план проведения реакций, позволяющих из имеющегося соединения получить необходимое вещество. Кроме того, следует предложить метод отделения этого вещества от всех других соединений, содержащихся в реакционной смеси: непрореагировавших исходных веществ, растворителя, катализатора, побочных продуктов. Обычно выделение и очистка вещества требуют гораздо
больше времени и усилий, чем его получение. Легкость выделения вещества с помощью перегонки зависит от его температуры кипения и температур кипения примесей; выделение кристаллизацией зависит от его растворимости в различных растворителях и растворимости примесей. И успех часто зависит от правильного предсказания физических свойств соединения.
Мы видели, что существует два крайних типа химической связи: ионные связи, образующиеся при переносе электрона, и ковалентные связи, образующиеся за счет общей пары электронов. Физические свойства соединения в значительной степени зависят от типа связи атомов в молекуле.
Температура плавления
В кристаллическом твердом веществе частицы, являющиеся структурными единицами, — ионы или молекулы — расположены в определенном симметричном порядке; существует геометрический шаблон, повторяющийся в кристалле.
Рис. 1.11. Плавление ионного кристалла. Структурными единицами являются ионы.
Плавление представляет собой процесс изменения упорядоченного расположения частиц в кристаллической решетке в более беспорядочное расположение, характерное для жидкости (рис. 1.11 и 1.12). Плавление происходит
Рис. 1.12. Плавление неионного соединения. Структурными единицами являются молекулы.
при той температуре, когда тепловая энергия частиц достаточно велика, чтобы преодолеть силы внутри кристалла, удерживающие частицы в определенном положении.
Ионное соединение образует кристаллы, в которых структурными единицами являются ионы. Твердый хлористый натрий, например, построен из регулярно чередующихся положительно заряженных ионов натрия и отрицательно заряженных ионов хлора. Каждый положительно заряженный ион окружен отрицательно заряженными ионами, находящимися от него на равном расстоянии: по одному с каждой стороны, по одному сверху и снизу, по одному спереди и сзади. Аналогично каждый отрицательно заря-
женный ион окружен шестью положительными ионами. Нет ничего, что можно было бы, строго говоря, назвать молекулой хлористого натрия. Какой-то определенный ион натрия не «принадлежит» какому-то определенному иону хлора; он в равной мере притягивается шестью ионами хлора. Кристалл представляет собой исключительно прочную жесткую структуру, поскольку электростатические силы, удерживающие каждый ион в определенном положении, велики. Эти значительные межионные силы можно преодолеть только при очень высокой температуре; хлористый натрий плавится при 801 °C.
Кристаллы других ионных соединений аналогичны кристаллам хлористого натрия, поскольку они имеют ионную кристаллическую решетку, хотя точное геометрическое расположение может быть иным. Эти ионные соединения также плавятся при очень высокой температуре. Многие соединения содержат как ионные, так и ковалентные связи. Например, нитрат калия KNO3 состоит из ионов К+ и NO3; в ионе NO3 азот и кислород связаны ковалентными связями. Физические свойства таких соединений в основном определяются ионными связями; физические свойства нитрата калия аналогичны свойствам хлористого натрия.
Неионные соединения, т. е. соединения, в которых атомы связаны ковалентными связями, образуют кристаллы, в которых структурными единицами являются молекулы. Для того чтобы вещество расплавилось, необходимо преодолеть силы, удерживающие эти молекулы вместе. Как правило, эти межмолекулярные силы очень слабы по сравнению с силами, которые удерживают вместе ионы. Чтобы расплавить хлористый натрий, необходима энергия разрыва ионных связей между Na+ и СВ. Чтобы расплавить метан СН4, нет необходимости сообщать системе энергию разрыва ковалентных связей углерод — водород, а необходима только энергия отрыва молекул метана друг от друга. В противоположность хлористому натрию метан плавится при —183 °C.
Межмолекулярные силы
Какие же силы удерживают нейтральные молекулы друг около друга? Эти силы, так же как и межионные Тилы, по своей природе являются, по- видимому, электростатическими; происходит притяжение положительного и отрицательного зарядов. Существует два типа межмолекулярных сил: диполь-дипольное взаимодействие и вандерваальсовы силы.
Диполь-дипольное взаимодействие представляет собой притяжение положительного конца одной полярной молекулы отрицательным концом другой. Например, в хлористом водороде относительно положительный водород одной молекулы притягивается относительно отрицательным хлором другой
В результате диполь-дипольного взаимодействия полярные молекулы притягиваются друг к другу сильнее, чем неполярные молекулы, имеющие примерно такой же молекулярный вес; это различие межмолекулярных сил находит отражение в физических свойствах рассматриваемых соединений (в разд. 15.5 обсуждается наиболее сильное диполь-дипольное взаимодействие — водородная связь).
В неполярном соединении также должны существовать межмолекулярные силы, поскольку даже такие соединения могут быть твердыми. Такие силы называются вандерваальсовыми силами. Существование таких сил объяс-
ыяется при помощи квантовомеханических расчетов. Грубо их можно представить следующим образом. Среднее распределение заряда, например, в молекуле метана симметрично, так что в результате суммарный дипольный момент равен нулю. Однако электроны движутся, и в какой-то момент времени их распределение изменяется и возникает небольшой диполь. Этот кратковременный диполь будет влиять на распределение электронов в соседней молекуле метана. Отрицательный конец диполя стремится оттолкнуть электроны, а положительный — притянуть; таким образом, диполь индуцирует противоположно ориентированный диполь в соседней молекуле.
(+- + - + - + - +)
(-+— + - +
Несмотря на то что эти моментальные и наведенные диполи постоянно меняются, между молекулами все же возникает притяжение. Эти вандер- ваальсовы силы действуют на очень небольшом расстоянии и только между соприкасающимися молекулами, т. е. между поверхностями молекул. Зависимость между вандерваальсовыми силами и величиной поверхности молекул (разд. 4.14) помогает понять влияние размера и формы молекулы на физические свойства.
По отношению к другим атомам, с которыми он не связан (в другой молекуле или в другой части той же молекулы), каждый атом имеет эффективный «размер», называемый его вандерваальсовым радиусом. По мере сближения двух несвязанных атомов притяжение между ними постепенно возрастает и достигает максимума, когда они почти «касаются» друг друга, т. е. расстояние между ядрами равно сумме ваидерваальсовых радиусов. Далее, если атомы сблизить больше, то очень быстро вандерваальсово притяжение сменяется вандерваальсовым отталкиванием. Таким образом, несвязанные атомы стремятся сблизиться до расстояния, равного сумме их ваидерваальсовых радиусов, но сильно сопротивляются дальнейшему сжатию-
Вандерваальсовы силы притяжения и отталкивания имеют значение для понимания строения молекул.
Температура кипения
Хотя в жидкости частицы менее упорядочены и их движение свободнее, чем в кристалле, каждая частица притягивается рядом других частиц. Кипение представляет собой процесс вырывания из жидкости отдельных
Рис. 1.13. Кипение ионного соединения. Структурными единицами являются ионы и ионные пары.
частиц или пар противоположно заряженных ионов (рис. 1.13 и 1.14). Это происходит, когда достигается температура, при которой тепловая энергия частиц достаточно велика, чтобы преодолеть когезионные силы, удерживающие их в жидкости.
В жидком состоянии ионные соединения существуют в виде ионов. Каждый ион сильно удерживается несколькими противоположно заряженными ионами. И в этом случае нельзя говорить собственно о молекуле. Для Того чтобы вырвать пару противоположно заряженных ионов из жидкости, требуется большое количество энергии; поэтому кипение происходит только при очень высоких температурах. Например, температура кипения хлористого натрия 1413 сС. В газообразном состоянии имеется ионная пара, которую можно рассматривать как молекулу хлористого натрия.
Рис. 1.14. Кипение неионного соединения. Структурными единицами являются молеРис. 1.14. Кипение неионного соединения. Структурными единицами являются молеВ жидком состоянии частицей неионного соединения является молекула. Слабые межмолекулярные силы — диполь-дипольное взаимодействие и вандерваальсовы силы — легче преодолеваются, чем значительные межионные силы в случае ионных соединений, и кипение происходит при значитель-
Рис. 1.14. Кипение неионного соединения. Структурными единицами являются моле
Рис. 1.14. Кипение неионного соединения. Структурными единицами являются моле
кулы.
но более низкой температуре. Неполярный метан кипит при —161,5 °C, а полярный аммиак — при —33 °C; даже очень полярная вода имеет относительно низкую температуру кипения 100 °C.
Растворимость
При растворении твердого вещества или жидкости структурные единицы — ноны или молекулы — отделяются друг от друга, и пространство между ними заполняется растворителем. При растворении, так же как и ири плавлении и кипении, необходимо сообщить энергию, чтобы преодолеть межионные или межмолекулярные силы. Откуда же берется необходимая энергия? Энергия, необходимая для разрыва связей между частицами, освобождается в результате образования связей между частицами растворяемого вещества и молекулами растворителя: одни силы притяжения заменяются другими.
Для преодоления электростатических сил, удерживающих ионную решетку, необходима большая энергия. Как правило, только вода и некоторые сильнополярные растворители хорошо растворяют ионные соединения. Какого же типа связи образуются между ионами и растворителем типа воды? Молекула воды сильно полярна; она имеет положительный и отрицательный концы. Стедовательно, существует электростатическое притяжение между положительным ионом и отрицательным концом молекулы воды и между отрицательным ионом и положительным концом молекулы воды. Такие взаимодействия называются ион-дипольными взаимодействиями. Каждая ион-дипольная связь относительно слаба, но в сумме они дают достаточно энергии для разрушения межионных сил в кристалле. В растворе каждый ион окружен груп-
22 Строение и свойства | 1 пой молекул растворителя, и говорят, что он сольватирован; если растворителем служит вода, то говорят, что ион гидратирован. В растворе, так же как в твердой и жидкой фазах, частицей вещества, такого, как хлористый натрий, является ион, хотя в данном случае это будет сольватированный ион (рис. 1.15).
Вода — прекрасный растворитель для ионных соединений частично вследствие ее полярности: она сильно сольватирует ион. Кроме того, вода обладает хорошими изолирующими свойствами (имеет высокую диэлектрическую проницаемость), которые уменьшают притяжение между противоположно заряженными ионами, если они сольватированы. Наконец, вода содержит гидроксильную группу —ОН. Жидкости, содержащие водород, связанный с кислородом или азотом, обладают необычно большой сольватирующей способностью; особая роль водорода обсуждается в разд. 15.5.
Рис. 1.15. Ион-дипольные взаимодействия: сольватированные катион и анион.
Растворимость неионных соединений определяется главным образом их полярностью. Неполярные или малополярные вещества растворяются в неполярных или малополярных растворителях; а сильнополярные вещества — в сильнополярных растворителях. «Подобное растворяется в подобном» — это правило очень полезно. Метан растворяется в четыреххлористом углероде, потому что силы, связывающие молекулы метана друг с другом и молекулы четыреххлористого углерода друг с другом, заменяются очень похожими силами, связывающими молекулы метана с молекулами четыреххлористого углерода.
Ни метан, ни четыреххлористый углерод нерастворимы в воде. Сильнополярные молекулы воды связаны друг с другом очень сильными диполь- дипольными взаимодействиями; между молекулами воды, с одной стороны, и молекулами метана или четыреххлористого углерода, с другой, возможны только очень слабые силы притяжения.
Напротив, сильнополярное органическое соединение—метиловый спирт СН3ОН — хорошо растворимо в воде. Диполь-дипольные взаимодействия между молекулами воды и между молекулами метилового спирта могут быть легко заменены очень похожими взаимодействиями между различными молекулами метилового спирта и воды.
Кислоты и основания
Переходя от физических свойств к химическим, кратко рассмотрим проблему, которая является фундаментальной для понимания органической химии: кислотность и основность.
Существует несколько определений терминов кислота и основание, причем каждое из этих определений соответствует конкретному подходу к рассмотрению свойств кислотности или основности. Вероятно, удобно рас-
сматривать кислоты и основания с двух точек зрения, каждая из которых будет зависеть от обсуждаемой проблемы.
Согласно Бренстеду—Лоури, кислоты представляют, собой вещества, отдающие протон, а основания — вещества, присоединяющие протон. При растворении серной кислоты в воде кислота H2SO4 отдает протон (ядро водорода) основанию Н2О с образованием новой кислоты Н3О+ и нового основания HSO4. Когда хлористый водород реагирует с аммиаком, кислота НС1 отдает протон основанию NH3 с образованием новой кислоты NHt и нового основания Ch.
H2SO4
+ н2о ^=
± Н3О+
+
hso;
более
более
более
более
сильная
сильное
слабая
слабое
кислота
основание
кислота
основание
НС1
+ NH3 3=
=t nh;
4-
Cl-
более
более
более
более
сильная
сильное
слабая
слабое
кислота
основание
кислота
основание
Согласно Бренстеду — Лоури, сила кислоты зависит от ее стремления отдать протон, а сила основания — от его стремления связать протон. Серная кислота и хлористый водород представляют собой сильные кислоты, поскольку они очень легко отдают протон; напротив, бисульфат-ион HSO4 и хлорид-ион должны быть обязательно слабыми основаниями, поскольку они имеют слабую тенденцию удерживать протон. В каждой из описанных реакций равновесие сдвинуто в сторону образования более слабой кислоты и более слабого основания.
Если смешать водные растворы H2SO4 и NaOH, то кислота Н3О+ (ион гидроксония) отдает протон основанию ОН’ с образованием новой кислоты Н2О и нового основания Н2О. Если смешать водные растворы NH4Cl и NaOH, то кислота NHt (ион аммония) отдает протон основанию ОН" и образуется новая кислота Н2О и новое основание NH3.
Н3О^
+ ОН” ^=
=ь Нао
+ н2о
более
более
более
более
сильная
сильное
слабая
слабое
кислота
основание
кислота
основание
NHt
+ ОН" ^
=к НаО
4- NH3
более
более
более
более
сильная
сильное
слабая
слабое
кислота
основание
кислота
основание
В каждом случае сильное основание, гидроксил-ион, связывает протон с образованием слабой кислоты Н2О. Если расположить эти кислоты в порядке уменьшения их силы, то сила соответствующих (сопряженных) оснований будет изменяться в обратном порядке.
Сила кислот: H2SO4 > HgO1" > NH^ > Н2О
НС1
Сила оснований: HSO^ < Н2О / NH-, <^ ОН
Cl-
Подобно воде, многие органические соединения, содержащие кислород, могут вести себя как основания и связывать протон; этиловый спирт и диэтиловый эфир, например, образуют оксониевые ионы I и II. Для удобства
структуру I называют протонированным спиртом, а структуру II — протонированным эфиром.
+
С2НБОН + H2SO4 ч=ь С2НЬОН + HSO7"н
этиловыйI
спирт„„
гоксониевый ион,
протонированныйэтиловый спирт
(С2Н6)2О: + НО диэтиловый эфир(С2Н6)2О: + НО диэтиловый эфир: (С2Н6)20:Н + 0-IIоксониевый ион, протонированный диэтиловый эфир: (С2Н6)20:Н + 0-IIоксониевый ион, протонированный диэтиловый эфир
(С2Н6)2О: + НО диэтиловый эфир
(С2Н6)2О: + НО диэтиловый эфир
: (С2Н6)20:Н + 0-
II
оксониевый ион, протонированный диэтиловый эфир
: (С2Н6)20:Н + 0-
II
оксониевый ион, протонированный диэтиловый эфир
Согласно Льюису, основание — это вещество, которое может предоставить свободную электронную пару для образования ковалентной связи, а кислота — вещество, которое может принять электронную пару с образованием ковалентной связи. Таким образом, кислота является акцептором пары электронов, а основание — донором. Это наиболее общая и фундаментальная концепция кислот и оснований, включающая все остальные.
Протон является кислотой, поскольку ему не хватает электронов и требуется электронная пара для образования устойчивой электронной оболочки. Ион гидроксила, аммиак и вода являются основаниями, поскольку они имеют электронную пару, способную к образованию связи. В трехфтористом боре BF3 бор имеет только шесть электронов на внешнем слое и, следовательно, стремится присоединить еще пару электронов для заполнения октета. Трехфтористый бор представляет собой кислоту и реагирует с такими основаниями, как аммиак или диэтиловый эфир. Хлористый алюминий А1С13 также кислота. В хлориде олова SnCl4 олово имеет октет электронов, но может принимать еще пары электронов (например, SnCl|~) и поэтому тоже рассматривается как кислота.
кислота основание
FI tF—В:О(С2Н5)2FFI tF—В:О(С2Н5)2FF
F
I t
F—В:О(С2Н5)2
F
F
I t
F—В:О(С2Н5)2
F
F—В + :О(С2Н5)2
F
кислота основание
В этих формулах бору приписывается отрицательный заряд, потому что он имеет один дополнительный электрон (из общей пары с азотом или кислородом) по сравнению с зарядом ядра; соответственно азот или кислород несут положительный заряд.
Кислотно-основная концепция Льюиса имеет большое значение для понимания органической химии. Для ясности при рассмотрении этого типа кислот или оснований часто используют термины кислота Льюиса (или основание Льюиса) или иногда кислота (или основание) по Льюису.
Химические свойства, так же как и физические, зависят от строения молекулы. Какие же особенности строения молекулы позволяют предполагать кислотные или основные свойства соединения? В настоящей главе
сделана попытка ответить на этот вопрос в общем виде, хотя к нему будем возвращаться еще не один раз.
Согласно Бренстеду — Лоури, для того чтобы быть кислотой, соединение, конечно, должно иметь водород. Степень кислотности определяется главным образом характером атома, с которым связан водород, и, в частности, способностью этого атома удерживать электронную пару после ухода иона водорода. Эта способность удерживать электронную пару, по- видимому, зависит от различных факторов, и в том числе от электроотрицательности атомов и их размера. Таким образом, в периодах таблицы Менделеева кислотность возрастает с увеличением электроотрицательности:
Кислотность: Н—СН3 < Н—NH2 < Н—ОН < Н—F
Н—SH<H—Cl
В группах кислотность возрастает с увеличением размеров атома:
Кислотность: Н—F < Н—Cl < Н—Вг < Н—I
Н—ОН < Н—SH < Н—SeH
Для органических соединений можно ожидать значительной кислотности по Лоури — Бренстеду для соединений, содержащих группы О—Н, N—Н и S—Н.''
Согласно Льюису, для того чтобы быть кислотой, молекула должна быть электронодефицитной, в частности, содержать атом, имеющий только секстет электронов.
Задача 1.6. Предскажите относительную кислотность следующих соединений: а) метилового спирта (СН3ОН) и метиламина (CH3NH2); б) метилового спирта (СН3ОН) и тиометанола (CH3SH); в) Н3О+ и NНе
задача 1.7. Какое соединение из каждой пары будет более сильной кислотой: а) Н3О+ или Н2О; б) МН, или МН3; в) H2S или HS~; г) Н2О или ОН-? Какая зависимость существует между зарядом и кислотностью?
Для того чтобы быть основанием в соответствии с теорией Бренстеда — Лоури или Льюиса, молекула должна иметь электронную пару для образования связи. Наличие этих свободных электронов определяется в основном атомом, несущим эту пару: его электроотрицательностью, размером и зарядом. Влияние этих факторов, конечно, противоположно влиянию в случае кислотности; чем сильнее атом удерживает электронную пару, тем менее доступна она для образования связи.
Задача 1.8. Расположите в ряд по увеличению основности следующие соединения: a) F-, ОН-, NH?, СН^; б) HF, Н2О, NH3; в) С1~, Н" SH"; г) F-, СГ, Br-, I-; д) ОН", SH" SeH-. " ’
Задача 1.9. Предскажите относительную основность фтористого метила (CH3F), метилового спирта (СН3ОН) и метиламина (CH3NH2). '
Задача 1.10. Расположите следующие соединения в порядке увеличения их основности: а) Н3О+, Н2О, ОН-; б) NH3, NH2; в) H2S, HS-, S2-. Какая зависимость существует между зарядом и основностью? '
Кислотность и основность, так же как и другие химические свойства, зависят от строения молекул. Большая' часть этой книги посвящена изучению этой зависимости.
Изомерия
Прежде чем начинать систематическое изучение различных классов органических соединений, следует обратить внимание еще на одну концепцию, которая иллюстрирует фундаментальное значение строения молекулы: концепцию изомерии.
Этиловый спирт — жидкость с т. кип. 78 °C. Анализ (методами, которые будут описаны в разд. 2.28) показывает, что он содержит углерод, водород и кислород в соотношении 2С : 6Н : 10. Путем измерения плотности его паров установили молекулярный вес, равный 46. Таким образом, молекулярная формула этилового спирта должна быть СгНвО. Этиловый спирт — очень реакционноспособное соединение. Например, если бросить кусочек металлического натрия в пробирку с этиловым спиртом, то натрий растворяется и наблюдается энергичное выделение газа; выделяется водород и остается соединение, имеющее формулу C2H6ONa. Этиловый спирт реагирует с подистоводородной кислотой с образованием воды и соединения, имеющего формулу С2Н51.
Диметиловый эфир — газ с т. кип. —24 °C. Это соединение резко отличается от этилового спирта не только по своим физическим, но и по химическим свойствам. Оно не реагирует с металлическим натрием. Как и этиловый спирт, диметиловый эфир реагирует с иодистоводородной кислотой, но при этом образуется соединение, имеющее формулу СН31. Анализ диметилового эфира показывает, что углерод, водород и кислород содержатся в нем в том же соотношении, что и в этиловом спирте, а именно 2С : 6Н : 10. Его молекулярный вес такой же, как и этилового спирта, и равен 46. Таким образом, диметиловый эфир имеет ту же самую молекулярную формулу С2НвО.
Таким образом, существуют два вещества — этиловый спирт и диметиловый эфир — с одинаковой молекулярной формулой СгН6О, но с различными свойствами. Как же объяснить существование этих двух соединений? Ответ: строение их молекул различно. Этиловому спирту можно приписать формулу I, а диметиловому эфиру — формулу II. Как будет показано ниже, различие в физических и химических свойствах этих двух соединений легко объяснить исходя из различного строения их молекул.
НННН
но—С—С—нн—с—о—с—н
IIII
н нНН
и
этиловый спиртдиметиловый эфир
Соединения, имеющие одинаковую молекулярную формулу, но различные свойства, называются изомерами (от греческих слов isos — равный и meros — часть). Они содержат одинаковое число одних и тех же атомов, но эти атомы по-разному связаны друг с другом. Изомеры — это отличающиеся друг от друга соединения, потому что они имеют различное строение молекул.
Неодинаковое строение молекул приводит к различным свойствам; именно различие в свойствах свидетельствует о том, что имеются различные соединения. В некоторых случаях различие в строении, а следовательно, и в свойствах настолько велико, что изомеры относятся к разным классам органических соединений, как, например, этиловый спирт и диметиловый эфир. В других случаях различие строения настолько незначительно, что
его можно описать только с помощью пространственных моделей. Известны другие типы изомерии, которые попадают между этими двумя крайними случаями.
ЗАДАЧИ
1. Какие из приведенных ниже соединений будут ионными и какие неионными? Нарисуйте электронную структуру каждого соединения (разд. 1.3), указывая только валент
ные электроны.
КВгг)MgCl2
H2Sд)СН2С12
IC1е)NaOCl
РН3к) NF3
SiCl4л) CaSO4
NH4C1м) СН3ОН
2. Нарисуйте электронную структуру (разд. 1.3) каждого соединения, считая их полностью ковалентными. Считайте, что каждый атом (кроме, конечно, водорода) имеет
полный октет электронов и что два атома могут иметь не только одну общую пару элект
ронов.
а) Н2О2
б) N2
в) H2SO г) SO42'
4
д) СО2
е) Н2СО3 ж) НОМО2 з) NO3
HONO
HCN
этиловый спирт (разд. 1.20)
м) диметиловый эфир (разд.1.20)
н) QH. о) С2Н4
п) С2Н2
р) СН2О
Какую форму следует ожидать для молекул приведенных ниже соединений?
Н3О+ _г) H2S
метил-ион СН3д) диметиловыйэфир
амид-ион NH2е) (CH3)3N
а) Согласно одному из приближений, молекула воды образуется за счет перекрывания s-орбиталей атомов водорода с двумя из трех р-орбиталей кислорода. Какой угол связи Н—О—Н следует ожидать? Как он согласуется с экспериментально най денной величиной? б) Если применить тот же подход к NH3, то какую форму молекулы можно ожидать? Каковы углы связей? Как они согласуются с экспериментальными величин ами? в) Какую орбиталь занимает свободная электронная пара NH3? г) Если принять, что NF3 имеет такую же электронную конфигурацию, как и NH3 (б), каковы будут диполь ные моменты NH3 и NF3? Соответствует ли это предсказание экспериментальным д энным? д) Если основность зависит от наличия свободной электронной пары, то какой п од- ход — этот или другой, включающий $р3-гибридные орбитали (разд. 1-10),—лучше объясняет основность NH3? (Сопоставьте форму и положение рассматриваемых орбиталей.) 5. Для многих комплексных ионов, например Co(NH3)|+, связи центрального атома можно изобразить, используя шесть эквивалентных spsd2 (или й^р^-гибридных орбиталей. Исходя из максимального разделения орбиталей, предложите геометрию этих комплексов.
Хотя молекула НС1 11,27 А (12,7-10~^ нм)] имеет большую длину, чем HF [0,92 А (9,2-10-2 нм)], ее дипольный момент меньше [1,03 Д (3,40-Ю-80 Кл-м) по сравнению с 1,75 Д (5,77-Ю-30 Кл-м)]. Как объяснить этот факт?
Укажите направление дипольного момента, если он имеется, для следующих соединений:
НВгг)СН2С12ж) диметиловыйэфир
IC1д)СНС13з) (CH3)3N
12е)СН3ОНи) CF2C12
Что можно сказать о строении ацетилацетоната лития (высокая температура плавления, нерастворим в хлороформе) и ацетилацетоната бериллия (т. пл. 108 °C, т. кип. 270 5С, растворим в хлороформе) на основании сравнения их свойств?
Перепишите следующие уравнения и укажите, какие из указанных соединений являются кислотами и какие основаниями согласно Бренстеду — Лоури. Обозначьте более сильные и более слабые (как в разд. 1.19) основание и кислоту.
НС1 (води.) + NaHGO3 (водн.) -^=7* Н2СО3 + NaCl;
NaOH (води.) + NaHCO3 (водн.) .^—^ Na2CO3 + Н2О;
NH3 (водн.) + HNO3 (водн.) .*—* NH4NO3 (води.);
NaCN (води.) 4- НОН <-*". HCN (водн.) + NaOH (водн.);
NaH + Н2О> Н2 + NaOH;
СаС2 + Н2О> Са(ОН)3 + С^.
карбидацетилен
кальция_
Что является кислотой по Бренстеду — Лоури а) в водном растворе НС1 и б) в бензольном растворе НС1 (не ионизует)? в) Какой раствор проявляет свойства более сильной кислоты?
11. Объясните, почему почти каждое органическое соединение, содержащее кислород, растворяется в концентрированной холодной серной кислоте с образованием раствора, из которого при разбавлении водой оно выделяется обратно.
О ЗАДАЧАХ ДЛЯ ПРОВЕРКИ
Задачи являются необходимой частью обучения потому, что, во-первых, они направляют обучение в нужную сторону и, во-вторых, после изучения соответствующей главы они позволяют установить, насколько хорошо усвоен материал.
Сначала решите все задачи, которые сможете; для решения остальных вам следует обратиться за помощью. В каждом разделе задачи расположены в порядке увеличения их трудности. Первые задачи позволяют потренироваться в написании формул, названии соединений и использовании реакций, которые больше всего необходимы студентам. Последние задачи в каждой главе представляют реальные проблемы, решаемые химиками; они позволяют проверить вашу способность использовать полученные знания.
Правильность решения многих задач можно проверить в конце книги в разделе «Ответы на задачи», а также используя предметный указатель.
Метан
ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ.
ПЕРЕХОДНОЕ СОСТОЯНИЕ
Углеводороды
Некоторые органические соединения содержат только два элемента — водород и углерод, и поэтому называются углеводородами. В зависимости от строения углеводороды делятся на два основных класса — алифатические и ароматические. Алифатические углеводороды в свою очередь можно разделить на несколько классов: алканы, алкены, алкины и их циклические аналоги (циклоалканы, циклоалкены и циклоалкины). Эти классы соединений будут рассмотрены в указанном порядке.
Углеводороды
АлифатическиеАроматические
Алканы Алкены Алкины Циклические алифатические
Простейшим представителем ряда алканов и, конечно, одним из простейших органических соединений является метан СН4. Это соединение будет рассмотрено очень подробно, поскольку почти все, что мы узнаем о его свойствах, можно распространить с незначительными изменениями на любой другой алкан.
Строение метана
Как уже говорилось в разд. 1.9, каждый из четырех атомов водорода связан с атомом углерода ковалентной связью, т. е. за счет общей электронной пары. Если углерод связан с четырьмя другими атомами, его связывающие орбитали ($р3-орбитали, образующиеся в результате гибридизации одной s- и трех р-орбиталей) направлены к углам тетраэдра (рис. 2.1, а). При таком тетраэдрическом расположении орбитали максимально удалены друг от друга. Для того чтобы перекрывание каждой из этих орбиталей со сферической орбиталью атома водорода было наиболее эффективно и образовывалась наиболее прочная связь, необходимо, чтобы ядро каждого атома водорода располагалось в углу такого тетраэдра (рис. 2.1, 6).
Тетраэдрическая структура метана доказана методом дифракции элект - ронов (рис. 2.1, в) — методом, который позволяет установить расположение атомов в таких простых молекулах. Ниже будут рассмотрены некоторые данные, на основании которых химики приняли тетраэдрическое строение
атома углерода гораздо раньше, чем стали известны квантовая механика и метод дифракции электронов.
В формуле метана черточкой обычно обозначают каждую пару электронов, общую для углерода и водорода (I). В тех случаях, когда хотят сконцентрировать внимание на индивидуальной паре электронов, ее иногда
Рис. 2.1. Молекула метана.
а — тетраэдрические sp'-орбитали; 6 — предполагаемая форма: ядра водорода расположены так, что возможно максимальное перекрывание; в — форма и размеры.
нН:С:ННнН:С:ННшшннобозначают двумя точками (II). И наконец, если рассматривается реальная форма молекулы, то используется простое изображение в трех измерениях (Ш). '
н
Н:С:НН
н
Н:С:НН
ш
ш
н
н
н
Iн-с—н
Iн
Физические свойства
Как уже обсуждалось в разд. 1.15, структурной единицей неионного вещества — твердого, жидкого или газообразного — является молекула. Поскольку молекула метана обладает высокой симметрией, полярности отдельных связей С—Н компенсируют друг друга; в результате сама молекула неполярна.
Взаимодействие между такими неполярными молекулами ограничивается вандерваальсовыми силами; для таких небольших молекул эти силы взаимодействия несравнимы с очень большими силами взаимодействия между, например, ионами натрия и хлора. Не удивительно, что эти силы
притяжения легко преодолеть за счет тепловой энергии, так что метан кипит и плавится при очень низких температурах: т. пл. —183 °C, т. кип. —161,5 °C. (Сравните с соответствующими константами для хлористого натрия: т. пл. 801 °C, т. кип. 1413 °C.) Вследствие этого метан — газ при обычной температуре.
Метан — бесцветный газ, в жидком состоянии его плотность меньше плотности воды (уд. вес. 0,4). В соответствии с правилом «подобное растворяется в подобном» он очень плохо растворим в воде, но хорошо растворим в органических жидкостях, таких, как бензин, эфир и спирт. Физические свойства метана сходны со свойствами других членов ряда алканов.
Источники
Метан является конечным продуктом анаэробного («бескислородного») разложения растений, т. е. продуктом разрушения очень сложных молекул. В природном газе содержится до 97 метана. Опасный рудничный газ в угольных шахтах и болотный газ, булькающий на поверхности болот, — это тоже метан.
Чистый метан можно отделить от других компонентов природного газа (в основном других алканов) фракционной перегонкой. Однако большая его часть используется в качестве топлива без очистки.
Согласно одной из теорий возникновения жизни, жизнь возникла тогда, когда Земля была окружена атмосферой метана, воды, аммиака и водорода. Под действием энергии — излучение Солнца, электрические разряды — произошел распад этих простых молекул до реакционноспособных фрагментов (свободных радикалов, разд. 2.12); в результате взаимодействия этих фрагментов друг с другом образовались большие молекулы, превратившиеся затем в очень сложные органические соединения, из которых построены все живые организмы.
Доказательство того, что это могло быть именно так, было получено в 1953 г. лауреатом Нобелевской премии Гарольдом Ури и его студентом Стэнли Миллером в Чикагском университете. Они показали, что под действием электрического разряда смесь метана, воды, аммиака и водорода превращается в большое число органических соединений, включая аминокислоты, которые являются строительными кирпичиками для белков — «материи жизни» (гл. 37). (Может быть, поэтому изучение органической химии мы начинаем с метана и его превращения в свободные радикалы.)
Метан, образующийся в результате распада живых организмов, может быть именно тем веществом, из которого в конечном счете построен организм.
Реакции
Алканы иногда называют парафинами. Это название (от латинского ратит affinis — малое сродство) указывает на незначительную реакционную способность этих углеводородов. При обычных условиях это название очень подходит к метану: он инертен по отношению к кислотам (соляная или серная), основаниям (едкий натр или едкое кали), окислителям (перманганат калия или бихромат натрия), восстановителям (хлорид олова(П) или метал-
лический натрий]. Однако в очень жестких условиях метан окисляется кислородом, галогенами и даже водой.
РЕАКЦИИ МЕТАНА
Окисление
пламя
СН4 + 2Оа > СО2 + 2Н2О + тепло (213 ккал/моль) Горение
1500 °с
6СН4 + О2 > 2НС=СН + 2СО + ЮН2 (разд. 8.5)
ацетилен
850 °с
СН4 + Н2О -^т> СО + ЗН2
Галогенирование
нх нх нх нх
Х2 + х2 "Г х2 + х2 +
СН4 > СН3Х >- СН2Х2 > СНХ3 >- СН4 (нагревание или освещение)
Реакционная способность галогенов: F2>Cl2>Br2 О12)
не реагирует
Окисление. Теплота сгорания
При сгорании органических соединений образуются двуокись углерода и вода; в определенных условиях эта реакция используется для определения углерода и водорода в органических соединениях (разд. 2.28).
Горение метана — основная реакция, происходящая при сгорании природного газа. Наиболее важным результатом реакции является не образование двуокиси углерода и воды, а выделение тепла.
Горение углеводородов происходит только при высоких температурах, которые возникают, например, в пламени или создаются искрой. Если реакция началась, то выделяющегося тепла достаточно для поддержания высокой температуры и продолжения горения. Количество тепла, выделяющееся при сгорании 1 моля углеводорода до двуокиси углерода и воды, называется теплотой сгорания; для метана эта величина составляет 213 ккал (891,79-103 Дж).
Частичное окисление метана или каталитическая реакция с водой при высоких температурах позволяет получать из метана, кроме тепла, ряд очень важных продуктов: водород, используемый для производства аммиака; смесь окиси углерода и водорода, используемую для синтеза метилового спирта и оксоспиртов (разд. 15.6); ацетилен (разд. 8.5), служащий исходным веществом для получения многих органических соединений.
Окисление галогенами представляет особый интерес, в частности, потому, что это наиболее изученная реакция метана; эта реакция в различных аспектах обсуждается в данной главе.
Хлорирование: реакция замещения
При освещении ультрафиолетовым светом или при температуре 250— 400 °C смесь метана и хлора бурно реагирует с образованием хлористого водорода и соединения, имеющего формулу СН3С1. Происходит хлорирование метана, а продукт реакции СН3С1 называется хлорметаном или хлористым метилом (СН3 = метил).
Хлорирование представляет собой типичный пример большой группы органических реакций, называемых реакциями замещения. Атом хлора
замещает атом водорода в метане, а атом водорода связывается вторым атомом хлора.
н
н
нагревание или освещение|
н—с—н + С1—С1
н
*- Н—С—С1 + Н—С1 i
метайхлор
хлористый хлористый метилводород
(хлорметаи)
Хлористый метил может подвергнуться дальнейшему замещению с образованием еще одной молекулы хлористого водорода и СН2С12, дихлорме- .тана, или хлористого метилена (СН2 = метилен).
Нн
|нагревание или освещение [
Н—С—С1 + С1—С1► Н— С—С1 + НС1
НС1
хлористыйметилен(дихлорметан)
Хлорирование может продолжаться дальше аналогичным путем с образованием СНС13 (трихлорметана, или хлороформа) и далее СС14 (miznpa- хлорметана, или четыреххлористого углерода). Оба эти вещества уже известны: хлороформ находит применение как анестезирующее вещество, а *четыреххлористый углерод используется как невоспламеняющийся растворитель, для чистки и в некоторых случаях при тушении пожаров.
HCIНС1НС1 НС1
С12+ ci2 + ci2 +С12+
СН4 >- СН3С1 >- СН2С12 >- СНС13 >- СС14 (нагревание или освещение)
метан хлористый хлористый хлороформ четырех- метил метиленхлористый
углерод
Контроль за реакцией хлорирования
Хлорирование метана может привести к любому из четырех соединений $ зависимости от того, на какой стадии реакция была остановлена. Можно ли контролировать реакцию так, чтобы основным продуктом был хлористый метил? Иными словами, можно ли остановить реакцию на первой стадии монохлорирования?
Первое предположение (наивное и неверное): реакцию можно остановить на стадии монохлорирования, применив 1 моль хлора на 1 моль метала. Но что же при этом происходит? В начале реакции только метан реагирует с хлором и, следовательно, происходит только первая стадия хлорирования. Эта реакция приводит к хлористому метилу, так что в процессе реакции метан исчезает и вместо него появляется хлористый метил. По мере увеличения количества хлористого метила он начинает конкурировать с метаном в реакции хлорирования.
Как только концентрация хлористого метила превысит концентрацию метана, хлор будет преимущественно реагировать с хлористым метилом, а не с метаном, и вторая стадия реакции становится более важной, чем первая. «Образуется большое количество хлористого метилена, который аналогичным путем хлорируется до хлороформа, а хлороформ хлорируется дальше до четыреххлористого углерода. Продукт реакции представляет собой смесь
всех четырех хлорированных метанов вместе с непрореагировавшим метаном.
Однако, используя большой избыток метана, можно направить реакцию почти полностью в сторону монохлорирования. В этом случае даже в конце реакции количество непрореагировавшего метана значительно превышает количество хлористого метила. Хлор легче атакует метан, чем хлористый метил, и, таким образом, преобладает монохлорирование.
Благодаря большому различию в температурах кипения избыток метана (т. кип. —161,5 °C) можно отделить от хлористого метила (т. кип. —24 °C) и использовать для повторного хлорирования. Хотя в каждом цикле степень превращения метана в хлористый метил низка, выход хлористого метила в расчете на израсходованный хлор достаточно высок.
Использование большого избытка одного из реагентов — общий метод в органической химии, если необходимо для данного исходного вещества ограничиться только одним направлением реакции из нескольких возможных.
Реакции с другими галогенами: галогенирование
Метан реагирует с бромом также при высоких температурах или при освещении ультрафиолетовым светом с образованием соответствующих бромметанов: бромистого метила, бромистого метилена, бромоформа и четырехбромистого углерода.
НВгНВгНВг НВг
Вг2 + Вг2 + Вг2 + Вг2 +
СН4 »- СН3Вг >- СН^Гз > СНВга > СВг4 ^нагревание или освещение)
метан бромистыйбромистыйбромоформ четырех-
метилметиленбромистый
углерод
Бромирование протекает немного медленнее, чем хлорирование.
С иодом метан не реагирует совсем. С фтором реакция протекает настолько бурно, что даже в темноте и при комнатной температуре ее следует проводить очень осторожно: реагирующие вещества, разбавленные инертным газом, смешивают при пониженном давлении.
Следовательно, реакционная способность галогенов уменьшается в следующем порядке:
Реакционная способность галогенов: Р2>С12>Вг2 О 12)
Такой же порядок изменения реакционной способности галогенов сохраняется в реакциях с другими алканами и с большинством органических соединений. Изменение реакционной способности настолько велико, что обычно используют только хлорирование и бромирование.
Относительная реакционная способность
При изучении органической химии всегда представляет интерес от но- сительная реакционная способность. Мы будем сравнивать реакционную способность различных реагентов по отношению к одному и тому же о рга- ническому соединению, реакционную способность различных органичес ких соединений к одному и тому же реагенту и даже реакционную способн ость различных частей органической молекулы по отношению к одному и тому же реагенту.
Следует понимать, что при сравнении реакционной способности сравниваются скорости реакции. Если говорят, что хлор более реакционноспособен, чем бром, по отношению к метану, то это означает, что в одних и тех же условиях (концентрация, температура и т. д.) хлор реагирует с метаном быстрее, чем с бромом. Согласно другой точке зрения, реакция с бромом должна проводиться при более жестких условиях (большей концентрации или более высокой температуре), чтобы скорость ее была такой же, как реакции с хлором. Если говорят, что метан не реагирует с иодом, то, значит, реакция протекает настолько медленно, что ее нельзя обнаружить.
Важно не только знать, какова реакционная способность, но и уметь ее объяснить. Для того чтобы выяснить, какие факторы заставляют одну реакцию протекать быстрее другой, рассмотрим более подробно различную реакционную способность галогенов по отношению к метану. Однако прежде следует подробнее познакомиться с самой реакцией.
Механизм реакции
Важно знать не только то, что происходит при химической реакции, но также и то, как происходит, т. е. знать не только факты, но и теорию.
Например, известно, что метан и хлор при освещении или нагревании реагируют с образованием хлористого метила и хлористого водорода. Как же молекула метана превращается в молекулу хлористого метила? Происходит ли это превращение в одну или несколько стадий, и, если так, то какие это стадии? Какова роль освещения или нагревания?
Ответ на подобные вопросы, т. е. детальное описание химической реакции по стадиям, называется механизмом. Это только гипотеза; она предлагается для объяснения фактов. С появлением большего числа фактов механизм должен объяснить и эти фактЬ! или же быть изменен так, чтобы их объяснить; иногда следует отбросить старый механизм и предложить новый.
Обычно трудно сказать, что механизм доказан. Однако если механизм удовлетворительно объясняет большое число фактов, если предсказания, сделанные на основе механизма, подтверждаются, если механизм находится в соответствии с механизмами других родственных реакций, то говорят, что механизм реакции установлен, и он становится частью теории органической химии.
Почему механизмы реакций представляют интерес? Как важная часть теории органической химии они помогают построить основу, на которую нанизываются получаемые факты. Понимание механизма помогает увидеть основу в сложном и беспорядочном множестве органических реакций. При этом становится очевидным, что многие реакции, явно не связанные между собой, протекают по аналогичным или одним и тем же механизмам; таким образом, многое из того, что известно для одной реакции, может быть применено для ряда других новых реакций.
Зная, как протекает реакция, можно изменять условия (не произвольно и ошибочно, а логично), чтобы увеличить выход необходимого продукта или даже для того, чтобы полностью изменить направление реакции и получить совершенно иной продукт. Чем лучше изучена и понята реакция, тем больше возможностей ее контролировать.
Механизм хлорирования. Свободные радикалы
Механизм хлорирования метана имеет смысл рассмотреть подробно. Бромирование протекает по тому же механизму, что и хлорирование, и для других алканов так же, как для метана; этот механизм справедлив и для
многих других соединений, не алканов, но содержащих в молекулах остатки алканов. Окисление (горение) и другие реакции алканов протекают по аналогичным механизмам. И наконец, что наиболее важно, этот механизм иллюстрирует общие принципы, которые можно применить для большого круга органических реакций. Изучение доказательств, подтверждающих механизм, позволяет иногда узнать, как химик обнаруживает, что же происходит в процессе реакции.
Необходимо объяснить следующие факты: а) метан и хлор не реагируют в темноте при комнатной температуре; б) реакция легко протекает в темноте при температурах выше 250 °C или в) при освещении ультрафиолетовым светом при комнатной температуре; г) если реакция инициируется светом, то на каждый фотон света, поглощенный системой, образуется большое количество (несколько тысяч) молекул хлористого метила; д) присутствие небольшого количества кислорода замедляет реакцию на некоторое время, а затем реакция протекает нормально, причем длительность этого периода зависит от количества присутствующего кислорода.
Общепринятый механизм, который наиболее удовлетворительно объясняет все эти факты, представлен следующими уравнениями:
(1)(2)(3)(1)(2)(3)нагревание или освещение
(1)
(2)
(3)
(1)
(2)
(3)
С12*• 2СЬ
С1- + сн4 >• НС1 + сн3-
СН3- + С18 >- СН3С1 + Cl-
затем (2), (3), (2), (3) и т. д.
На первой стадии происходит разрушение молекулы хлора с образованием двух атомов хлора; для разрыва связи требуется затрата энергии [в данном случае 58 ккал/моль (242,83-103 Дж/моль)]. Энергия берется за счет нагревания или освещения.
Энергия + :С1:С1: —> :С1-+ С1:
Расщепление связи хлор — хлор происходит таким образом, что каждый атом хлора сохраняет один электрон из пары, за счет которой была образована ковалентная связь. Этот неспаренный электронке имеет партнера со спином противоположного направления, как все другие электроны атома хлора (разд. 1.6). Атом или группа, имеющие нечетный (неспаренный) электрон, называется свободным радикалом. При написании свободного радикала обычно пишут точку для обозначения неспаренного электрона, так же как пишут знак плюс или минус при обозначении иона.
Что же происходит далее с образовавшимся радикалом хлора? Подобно большинству свободных радикалов, он очень реакционноспособен, так как стремится присоединить еще один электрон для заполнения октета; с другой точки зрения при разрушении молекулы хлора энергия сообщается каждому атому хлора, и эта богатая энергией частица стремится отдать энергию при образовании новой химической связи.
Чтобы образовать новую связь, т. е. прореагировать, атом хлора должен столкнуться с другим атомом или молекулой. Какие столкновения наиболее вероятны? Очевидно столкновения с теми частицами, которые находятся в большой концентрации: молекулами хлора и молекулами метана. Столкновение с другим атомом хлора маловероятно, поскольку концентрация этих очень реакционноспособных частиц в любой момент времени очень мала. Из наиболее вероятных столкновений столкновение с молекулой хлора не
вызывает изменения, поскольку, хотя реакция и может происходить, но в результате один атом хлора обменивается на другой.
-гч-УьСтолкновение возможно,
ЛгУ +-“-т.1- -„ ио безрезультатно
Столкновение с молекулой метана возможно, и оно приводит к образованию нового радикала. Атом хлора вырывает атом водорода с его электроном и образует с ним молекулу хлористого водорода
Ни«
а"Столкновение возможно;
Н:С:Н + -С1; —> Н:С1: + Н:С* в результате образуется
Н ”" Н твыи радикал
метанметизплыьг
радикал
Теперь уже метильная группа остается с неспаренным электроном; атом углерода имеет только семь электронов в валентном слое. Один свободный радикал, атом хлора, исчез, и вместо него образовался новый метильный радикал СН3-. Это стадия (2) механизма.
Что же дальше происходит с метильным радикалом? Как и радикал хлора, он очень реакционноспособен и по той же самой причине: он стремится заполнить свой октет и потерять энергию, образовав новую связь. И опять возможны столкновения с молекулами метана и хлора и маловероятны столкновения с атомами хлора или метильными радикалами, которых очень мало. Столкновение с молекулой метана приводит только к замене одного метильного радикала на другой
Столкновение возможно, но безрезультатноСтолкновение возможно, но безрезультатноНННН
Столкновение возможно, но безрезультатно
Столкновение возможно, но безрезультатно
Н:С;Н + -С:Н > Н.С- + Н:С:Н
ННН Н
Столкновение метильного радикала с молекулой хлора является наиболее важным. Метильный радикал отрывает атом хлора с одним из связывающих электронов и образует молекулу хлористого метила
Н.. ..Н:С- + :d:d:Н‘ 'метильныйрадикалН.. ..Н:С- + :d:d:Н‘ 'метильныйрадикалН .H:C:d: + :d*Н “ хлористый метилН .H:C:d: + :d*Н “ хлористый метилСтолкновение возможно, в результате образуется новый радикалСтолкновение возможно, в результате образуется новый радикал
Н.. ..
Н:С- + :d:d:
Н‘ '
метильныйрадикал
Н.. ..
Н:С- + :d:d:
Н‘ '
метильныйрадикал
Н .
H:C:d: + :d*
Н “ хлористый метил
Н .
H:C:d: + :d*
Н “ хлористый метил
Столкновение возможно, в результате образуется новый радикал
Столкновение возможно, в результате образуется новый радикал
Кроме того, образуется атом хлора. Это стадия (3) реакции.
И вновь исчезновение одной реакционноспособной частицы сопровождается появлением другой. Новый атом хлора атакует метан с образованием метильного радикала, который далее атакует молекулу хлора с образованием атома хлора, и так повторяется снова и снова. Каждая стадия приводит не только к появлению новой реакционноспособной частицы, но и к молекуле получаемого вещества: хлористого метила или хлористого водорода.
Этот процесс однако, не может продолжаться бесконечно. Как уже говорилось выше, соединение двух короткоживующих, присутствующих в незначительных количествах частиц маловероятно; столкновение этих частиц не часто, но все же пр оисходит, и когда оно происходит, обрывается опре-
деленная стадия реакции. Реакционноспособные частицы исчезают, но не регенерируются.
:д- + О: —> :С1:д:
СН3. + СН3 —> СН3:СН3
СН3- + С1: —» СН3:С1:
Теперь ясно, как предложенный механизм объясняет факты (а) — (г), приведенные на стр. 46: освещение или нагревание необходимо для разрушения молекулы хлора и появления первых атомов хлора; каждый образовавшийся атом может привести к получению большого числа молекул хлористого метила.
Цепные реакции
Хлорирование метана представляет пример цепной реакции, т. е. реакции, включающей ряд стадий, каждая из которых генерирует реакционноспособную частицу, вызывающую следующую стадию. Хотя цепные реакции очень разнообразны, все они имеют определенные характерные особенности.
Первой стадией цепной реакции является стадия инициирования цепи; при этом поглощается энергия и образуется реакционноспособная частица [в данном примере это разрыв молекулы хлора на атомы, стадия (1)].
Существует одна или несколько стадий роста цепи, на каждой из которых происходит исчезновение одной реакционноспособной частицы и появление другой; в данном случае это реакция атомов хлора с метаном [стадия (2)] и метильных радикалов с хлором [стадия (3)].
(1)(2)(3)(4)или(5)или(6)(1)(2)(3)(4)или(5)или(6)нагревание или освещениеС12*" 2СЬ Инициирование цепинагревание или освещениеС12*" 2СЬ Инициирование цепиСЬ + СН4 >- НС1 + СН3-СЬ + СН4 >- НС1 + СН3-сн3. + С12 >■ СН3С1 + СЬсн3. + С12 >■ СН3С1 + СЬРост цепиРост цепизатем (2), (3), (2), (3) и т. д., показатем (2), (3), (2), (3) и т. д., покаСЬ + СЬ > С12СЬ + СЬ > С12снз. + сн3. —► сн3сн3снз. + сн3. —► сн3сн3сн3- + СЬ9- СН3С1сн3- + СЬ9- СН3С1Обрыв цепиОбрыв цепи
(1)
(2)
(3)
(4)
или
(5)
или
(6)
(1)
(2)
(3)
(4)
или
(5)
или
(6)
нагревание или освещение
С12*" 2СЬ Инициирование цепи
нагревание или освещение
С12*" 2СЬ Инициирование цепи
СЬ + СН4 >- НС1 + СН3-
СЬ + СН4 >- НС1 + СН3-
сн3. + С12 >■ СН3С1 + СЬ
сн3. + С12 >■ СН3С1 + СЬ
Рост цепи
Рост цепи
затем (2), (3), (2), (3) и т. д., пока
затем (2), (3), (2), (3) и т. д., пока
СЬ + СЬ > С12
СЬ + СЬ > С12
снз. + сн3. —► сн3сн3
снз. + сн3. —► сн3сн3
сн3- + СЬ9- СН3С1
сн3- + СЬ9- СН3С1
Обрыв цепи
Обрыв цепи
Наконец, существуют стадии обрыва цепи, когда реакционноспособные частицы исчезают, но не генерируются; в случае хлорирования метана это возможно при соединении двух реакционноспособных частиц [стадии (4), (5) или (6)] или их адсорбции на поверхности реакционного сосуда.
При определенных условиях на каждый квант (фотон) поглощенного света образуется около 10 000 молекул хлористого метила. Фотон разрывает связь в одной молекуле хлора с образованием двух атомов хлора, каждый из которых начинает цепь. В среднем каждая цепь состоит из 5000 повторений цикла, прежде чем она наконец обрывается.
Ингибиторы
Теперь рассмотрим, каким образом исходя из предложенного механизма хлорирования объяснить факт (д) (стр. 46), что небольшое количество кислорода замедляет реакцию на некоторый период времени, продолжитель-
ность которого зависит от количества кислорода, после чего реакция протекает нормально?
Считают, что кислород реагирует с метильным радикалом с образованием нового свободного радикала
СН3. + О2 »- СНЯ—О—О-
Радикал СН3ОО- значительно менее реакционноспособен, чем радикал СН3-, и не может продолжать цепь, как метильный. Соединяясь с метильным радикалом, молекула кислорода обрывает цепь и таким образом препятствует образованию тысяч молекул хлористого метила; это, конечно, очень сильно замедляет реакцию. После того как все имеющиеся молекулы кислорода соединятся с метильными радикалами, реакция может протекать с нормальной скоростью.
Вещество, которое замедляет или останавливает реакцию, даже присутствуя в небольших количествах, называется ингибитором. Период времени, в течение которого продолжается ингибирование и после которого реакция протекает нормально, называется периодом ингибирования. Ингибирование относительно небольшим количеством добавленного вещества характерно для цепных реакций любого типа и часто является одним из признаков, позволяющих предложить цепной характер реакции. Трудно иначе объяснить, каким еще образом несколько молекул могут препятствовать реакции большого числа молекул. (Кислород часто используют для ингибирования свободнорадикальных реакций.)
Проверка механизма хлорирования
Каким путем можно проверить этот механизм хлорирования метана? Суть предложенного механизма заключается в образовании реакционноспособных атомов хлора. Любой метод, приводящий к генерации атомов хлора, должен вызвать реакцию.
Известно (задача 17, стр. 72), что тетраэтилсвинец [(С2Н5)4РЫ распадается только при 140 °C с образованием металлического свинца и свобод- аых этильных радикалов
меч:
(CgH^b > Pb + 4СаН6.
Было высказано предположение, что метильные радикалы атакуют молекулы хлора с образованием хлористого метила и атомов хлора. Можно ожидать, что этильные радикалы реагируют аналогичным образом с образованием хлористого этила и атомов хлора
С2НГ + :О:О:С2НГ + :О:О:C2H5:d: + -О:Хлористый этилC2H5:d: + -О:Хлористый этил
С2НГ + :О:О:
С2НГ + :О:О:
C2H5:d: + -О:
Хлористый этил
C2H5:d: + -О:
Хлористый этил
Образовавшиеся атомы хлора (а их требуется совсем немного) способны начать цепи.
Можно предсказать, следовательно, что смесь метана и хлора, содержащая небольшое количество тетраэтилсвинца, будет реагировать уже при температуре 140 °C, а не при 250 °C. Это предположение оказалось правильным, причем для начала реакции оказалось достаточным всего 0,02% тетраэтилсвинца.
СН4 + С12
0,02% (С2НВ)4РЬ
140 °C
CHgCl+HCl
Этот факт не только еще раз подтверждает предложенный механизм,
но, очевидно, имеет и практическое тетраэтилсвинца позволяет проводить виях, чем обычно.(Дополнительное доказательство химии — орудия химика, которое на вать, — будет дано в разд. 7.9.)но, очевидно, имеет и практическое тетраэтилсвинца позволяет проводить виях, чем обычно.(Дополнительное доказательство химии — орудия химика, которое на вать, — будет дано в разд. 7.9.)значение, поскольку использование хлорирование в более мягких усло-механизма путем изучения стерео- данном этапе еще нельзя нспользо-значение, поскольку использование хлорирование в более мягких усло-механизма путем изучения стерео- данном этапе еще нельзя нспользо-
но, очевидно, имеет и практическое тетраэтилсвинца позволяет проводить виях, чем обычно.
(Дополнительное доказательство химии — орудия химика, которое на вать, — будет дано в разд. 7.9.)
но, очевидно, имеет и практическое тетраэтилсвинца позволяет проводить виях, чем обычно.
(Дополнительное доказательство химии — орудия химика, которое на вать, — будет дано в разд. 7.9.)
значение, поскольку использование хлорирование в более мягких усло-
механизма путем изучения стерео- данном этапе еще нельзя нспользо-
значение, поскольку использование хлорирование в более мягких усло-
механизма путем изучения стерео- данном этапе еще нельзя нспользо-
Энергия диссоциации связей
При рассмотрении хлорирования метана речь шла пока главным образом об участвующих в реакции частицах (молекулах и атомах) и тех изменениях, которым они подвергаются. Однако, как и в каждой реакции, важно учитывать также происходящее в ходе реакции изменение энергии, поскольку это изменение в значительной степени определяет, насколько быстро протекает реакция и вообще будет ли она происходить.
Таблица 2.1
Энергии диссоциации связей [ккал/моль (4,187-10® Дж/моль))
А:В-*А* + -В ДН = энергия диссоциации связи или D(A—В)
н—н
104
СН3—Н
102
Н—F
135
F—F
37
СН3—F
108
Н—С1
103
С1—С1
58
СН3-С1
81
Н—Вг
87
Вг—Вг
46
СН3—Вг
67
Н—I
71
I—I
36
сдн
53
СН3-Н
102
СН3—СН3
84 СН3—С1
81 СН3—Вг67
с,н6-н
97
С2НБ—СН3
82 С2НБ—С1
83 С2Н6—Вг65
н-С3Н7—Н
97
н-С3Н7—СН3
79 я-С3Н7—С1
77
«зо-С3Н7—Н
94
изо-С3Н7—СН3
75 «зо-С3Н7—С1
73 изо-СД,—Вг59
mpem-C4He—Н
91
mpem-C4H8—СН3
74 трет-С4Не—С1
75
Н2С=СН—Н
104—122 Н2С=СН—СН3
109 Н2С=СН—С1
104
Н2С==СНСН2—Н
77
Н2С=СНСНа—СН3
62 Н2С=СНСН2—С1
60 Н2С=СНСН2—Вг 47
СвН6-Н
102
СвН6—СН3
89 СвН5—С1
86 СвН5—Вг71
С,Н6СН3-Н
78
СвНБСН2—-сн3
63 СвНБСН2С1
68 С6НБСН2-Вг 51
Для разрыва молекул хлора на атомы требуется нагревание или освещение. Энергия, необходимая для разрыва связи, эквивалентна количеству энергии, выделяющемуся при рекомбинации двух атомов хлора в молекулу. Количество энергии, затрачиваемое для разрыва связи или выделяющееся при образовании связи, называется энергией диссоциации связи (D). Эта величина характерна для каждой связи. Для связи О—С1 она составляет 58 ккал/моль (242,83-103 Дж/моль). В табл. 2 приведены энергии диссоциации, измеренные для ряда связей. Эти энергии меняются в широких пределах, от непрочных связей I—I [36 ккал/моль (150,72-103 Дж/моль)] до очень прочных, например Н—F [135 ккал/моль (565,22-103 Дж/моль)]. Хотя по мере совершенствования экспериментальных методов численные значения могут изменяться, общая тенденция ясна.
Не следует путать понятие энергии диссоциации связи (D) с другой характеристикой прочности связи, называемой энергией связи (Е). Если, например, взять метан и разрушать последовательно четыре углерод-водородные
связи, то можно видеть, что их энергии диссоциации [ккал/моль (4.187Х х 103 Дж/моль)] различны
СН4СН3СН2СНСН4СН3СН2СНсн3 + н.СН2 + Н. СН + Н. С + Н.сн3 + н.СН2 + Н. СН + Н. С + Н.D (СНз—Н) = 102
СН4
СН3
СН2
СН
СН4
СН3
СН2
СН
сн3 + н.
СН2 + Н. СН + Н. С + Н.
сн3 + н.
СН2 + Н. СН + Н. С + Н.
Р(СН2—Н)= 105
О(СН—Н) = 108
D(C-H) = 83
В то же время энергия связи углерод — водород в метане Е (С—Н) — это просто средняя величина:
СН4 у С + 4Н« ДЯ = 398 ккал/моль,Е (С—Н) = 398/4 = 99,5 ккал/моль
Обычно более полезны энергии диссоциации связей.
Теплота реакции
На основании энергии диссоциации связей можно рассчитать изменения энергии, происходящие в ходе большого числа реакций. При превращении метана в хлористый метил разрываются две связи (СН8—Н и С1—С1), на что требуется 102 + 58 = 160 ккал/моль (669,89-103 Дж/моль). В то же время образуются две новые связи (СН3—С1 и Н—С1), при этом выделяется 81 + 103 = 184 ккал/моль (770,33-103 Дж/моль). В результате
СН3—Н + С1—С1 *- СН3—С1 + Н—С1
1025881103
160184ДЯ =—24 ккал
выделяется 24 ккал (100,48-103 Дж) на каждую молекулу метана, превращенную в хлористый метил, т. е. это экзотермическая реакция.
Когда происходит выделение тепла, содержание тепла (энтальпия Д) самих молекул должно понижаться; изменение теплосодержания (АД), следовательно, имеет отрицательный знак. (В случае эндотермической реакции, когда тепло поглощается, увеличение теплосодержания молекул обозначается положительным значением АД.)
Задача 2.1. Рассчитайте ДЯ для реакции метана с а) бромом, б) иодом и в) фтором.
Вычисленное значение —24 ккал (100,48-103 Дж) представляет собой суммарное значение АД для всей реакции. Более наглядным является расчет величин АД [ккал (4,187-Ю3 Дж)1 для каждой стадии, приведенный ниже:
(1)
С1—С1 ♦- 2СЬДЯ = +58 ккал
(58)
(2)
СЬ + СН3—Н > сн3. + Н—С1ДЯ = —1 ккал
(102)(103)
(3)
СН3. + Cl—С1 >■ СН3—Cl + С1.ДЯ = —23 ккал
(58)(81)
Ясно, почему эта реакция, хотя и экзотермическая, происходит (без освещения) только при высоких температурах. Стадия инициирования цепи, без которой реакция не может начаться, сильно эндотермична и происходит (с заметной скоростью) только при высокой температуре. Как только образовались атомы хлора, две экзотермичные стадии роста цепи легко происходят
многократно до тех пор, пока цепь не оборвется. Расщепление молекулы хлора — это тот барьер, который необходимо преодолеть, прежде чем начнутся относительно легкие стадии.
Задача 2.2. Рассчитайте ДЯ для соответствующих стадий реакции метана с а) бромом, б) иодом и в) фтором.
До сих пор было принято, что экзотермическая реакция протекает легко, т. е. достаточно быстро при обычных температурах, в то время как эндотермические реакции происходят труднее, очень медленно, за исключением очень высоких температур. Это принятое соотношение между АД и скоростью реакции служит полезным эмпирическим правилом в тех случаях, когда другие данные недоступны; однако такое соотношение совсем не обязательно и существует много исключений из этого правила. Ниже будет рассмотрена другая энергетическая характеристика, энергия активации, которая связана более строгой зависимостью со скоростью реакции.
Энергия активации
Для того чтобы понять, что же в действительности происходит в ходе химической реакции, рассмотрим более подробно конкретный пример — атаку молекулы метана атомами хлора'
СЬ + СН3—Н > Н—С1 + СН3. ДЯ = — 1 ккал (—4,187.10s Дж)
(103)£акт = 4 ккал (16,7510» Дж)
Это относительно простая реакция: она происходит в газовой фазе и, таким образом, не осложняется присутствием растворителя; в данном случае происходит взаимодействие одного атома с простейшей органической молекулой. Несмотря на это, можно вывести основные положения, которые применимы к любой реакции.
Что же необходимо для того, чтобы произошла эта реакция?
Во-первых, должны столкнуться атом хлора и молекула метана. Поскольку силы химического взаимодействия проявляются на очень малых расстояниях, то связь хлор — водород может образоваться лишь при условии, что атомы находятся очень близко.
Во-вторых, это столкновение должно быть эффективным, т. е. при этом должно выделиться некоторое минимальное количество энергии. Можно было бы ожидать, что количество освобождающейся при образовании связи Н—С1 энергии, равное 103 ккал/моль (431,24-103 Дж/моль), будет достаточно, чтобы разрушить менее прочную [102 ккал (427,05-103 Дж)[ связь СН8—Н, однако это не так. Разрыв и образование связи, очевидно, не являются совершенно синхронными процессами, и энергия, освобождающаяся в результате одного процесса, не полностью используется в другом. Для того чтобы реакция прошла, оказалось, требуется еще 4 ккал/моль (16,75-103 Дж/моль).
Минимальное количество энергии, получаемое при столкновении, которое необходимо для осуществления реакции, называется энергией активации £,кт. Источником этой энергии служит кинетическая энергия движущихся частиц. Большинство столкновений дает меньше энергии, чем это минимальное количество, и поэтому безрезультатно: сталкивающиеся частицы просто разлетаются в разные стороны. Только жесткие столкновения между частицами, одна из которых или обе движутся необычно быстро, обладают
достаточной энергией, чтобы вызвать реакцию. В данном примере при 275 °C приблизительно одно столкновение из 40 дает достаточно энергии.
В-третьих, помимо того, что столкновения должны сообщать достаточное количество энергии, они еще должны происходить, когда частицы ориентированы соответствующим образом. В момент столкновения молекула метана должна быть повернута таким образом, чтобы подставить атом водорода под полную силу удара. В данном примере только одно столкновение из восьми имеет нужную ориентацию.
В общем случае для химической реакции требуется столкновение молекул, обладающих достаточной энергией (EaKT) и соответствующей ориентацией. Энергия активации существует почти для каждой реакции с разрывом связей, даже для экзотермической реакции, в которой в результате образования связей освобождается больше энергии, чем требуется для разрыва связей.
В отличие от реакции с хлором атака метана атомами брома — эндотермическая реакция, АЯ = 15 ккал (62,80-103 Дж).
Вг- + СН3—Н >■ Н—Вг + СН,-ДЯ = 15 ккал (62,80■103 Дж)
(87)Еакт=18 ккал (75,36-103 Дж)
Разрыв связи СН3—Н требует, как и в предыдущем случае, 102 ккал/моль (427,05-103 Дж/моль), но при образовании связи Н—Вг освобождается только 87 ккал (364,21 • 103 Дж). Даже если бы вся эта энергия расходовалась для разрыва связи, то по крайней мере еще 15 ккал (62,80-103 Дж) необходимо было бы получить из столкновений. Другими словами, ЕвкТ эндотермической реакции должна быть по крайней мере такой же, как ^H. Энергия активации данной реакции [18 ккал (75,36-103 Дж)1 на самом деле немного больше, чем А Я, что в общем справедливо.
Течение реакции: изменение энергии
Эти изменения энергии хорошо видны на рис. 2.2 и 2.3. Ход реакции представлен горизонтальным перемещением от исходных веществ слева к конечным веществам справа. Потенциальная энергия (т. е. вся энергия, кроме кинетической) на любой стадии реакции указывается высотой кривой.
Рассмотрим ход реакции на рис. 2.2. Исходной точкой служит уровень потенциальной энергии молекулы метана и атома хлора. Эти частицы движутся и, следовательно, кроме потенциальной энергии, обладают еще кинетической. Точное значение кинетической энергии различно для каждой пары частиц, поскольку одни движутся быстрее других. Они сталкиваются, и кинетическая энергия превращается в потенциальную. Повышение потенциальной энергии приводит к тому, что начинается реакция и энергия системы возрастает. Если произошло превращение достаточного количества кинетической энергии, то достигается вершина энергетического барьера, т. е. максимум потенциальной энергии, а затем она начинает уменьшаться.
При этом потенциальная энергия превращается обратно в кинетическую до тех пор, пока не достигается уровень потенциальной энергии образующихся в результате реакции веществ. Потенциальная энергия продуктов реакции меньше потенциальной энергии исходных веществ, и конечный энергетический уровень ниже исходного. Этому суммарному уменьшению потенциальной энергии должно соответствовать увеличение кинетической энергии. Новые частицы разлетаются в разные стороны, и, поскольку они движутся быстрее, чем частицы, из которых они образовались, наблюдается повышение температуры. Тепло отдается окружающему пространству.
Рис. 2.3. Изменение потенциальной энергии в процессе реакции (эндотермическая реакция).Рис. 2.3. Изменение потенциальной энергии в процессе реакции (эндотермическая реакция).
Рис. 2.3. Изменение потенциальной энергии в процессе реакции (эндотермическая реакция).
Рис. 2.3. Изменение потенциальной энергии в процессе реакции (эндотермическая реакция).
Реакция с бромом, приведенная на рис. 2.3, протекает в основном по тому же пути. Однако в этом случае потенциальная энергия продуктов реакции больше, чем исходных веществ, так что конечный энергетический уровень выше исходного. Поскольку в данном случае новые частицы обладают меньшей кинетической энергией, чем частицы, из которых они образовались, и, следовательно, движутся медленнее, то наблюдается понижение температуры и тепло необходимо брать из окружающего пространства.
В каждой из этих реакций происходит большое число столкновений, энергия которых недостаточна для достижения вершины энергетического барьера. Эти столкновения безрезультатны, и энергия системы остается без
Рис. 2.2. Изменение потенциальной энергии в процессе реакции (экзотермическая реакция).
изменений. Многие столкновения, хотя и дают достаточное количество энергии, но происходят тогда, когда молекулы не ориентированы соответствующим образом. Энергия системы возрастает, но реакция не протекает по нужному направлению.
Разность между уровнями обеих впадин на кривой рис. 2.3 — это, конечно, ДЯ; различие между энергетическим уровнем исходных веществ и вершиной энергетического барьера характеризует £акт. Рассматриваются только эти различия, а не абсолютное значение энергии на любой стадии реакции. Даже не учитываются относительные уровни реагирующих веществ при реакциях с хлором и бромом. Необходимо только знать, что в реакции с хлором подъем составляет 4 ккал (16,75-103 Дж) и конечный уровень на 1 ккал (4,187-103 Дж) ниже, чем исходный; при реакции с бромом подъем составляет 18 ккал (75,36-103 Дж) и конечный уровень на 15 ккал (62,80-103 Дж) выше исходного.
Скорость реакции определяется высотой подъема (Еакт), а не разностью между исходным и конечным уровнями (ДЯ). При переходе к более низкому уровню конечных веществ высота подъема может быть очень большой, но может быть и незначительной или даже совсем отсутствовать. При переходе к более высокому конечному уровню энергетический барьер не может быть ниже этого уровня, т. е. для эндотермической реакции Еакт должна быть по крайней мере такой же, как Mi.
Энергетические диаграммы, приведенные на рис. 2.2 и 2.3, дают представление не только о рассматриваемой реакции, но и об обратной реакции. Рассмотрим обратную реакцию, т. е. пройдем справа налево, например, на рис. 2.2. Реакция
СН3. + Н—О ► СН3—Н + СЬДЯ = 1 ккал (4,187-103 Дж)
(102)£акт = 5 ккал (20,93-103 Дж)
имеет энергию активации 5 ккал (20,93-10s Дж), поскольку в этом случае подъем происходит с более низкого уровня. Это, конечно, эндотермическая реакция, причем АД = 1 ккал (4,187-103 Дж).
Рис. 2.4. Измеиеиие потенциальной энергии в процессе реакции (простая диссоциация).
Аналогичное рассмотрение рис. 2.3 показывает, что реакция
СН3. + Н—Вг *■ СН3—Н + Вг-ДЯ = —15 ккал (-62,80-103 Дж)
(102)£акТ = 3 ккал (12,56-103 Дж)
имеет энергию активации 3 ккал (12,56-103 Дж) и является экзотермичной, АН = —15 ккал (—62,80-103 Дж).
В реакциях, аналогичных расщеплению молекулы хлора на атомы Cl—С1 »- а. + СЬДЯ = 58 ккал (242,83-103 Дж)
£акт=58 ккал (242,83-103 Дж)
связь разрывается, но новых связей не образуется. В обратной реакции при соединении атомов хлора
СЬ +сь >- Cl—С1ДЯ*—58 ккал (—242,83-103 Дж)
£акт *■ 9
не происходит разрыва связей и, следовательно, можно ожидать, что она будет протекать очень легко, вообще без энергии активации. Считается, что это в общем правильно для реакций соединения двух свободных радикалов.
Если на кривой изменения потенциальной энергии реакции соединения атомов хлора в молекулу максимум отсутствует, а имеется только плавный спуск, то для разрыва молекулы хлора на атомы на кривой должен быть только подъем, как показано на рис. 2.4. Энергия активации для разрыва молекулы хлора, следовательно, равна АД, т. е. 58 ккал (242,83-103 Дж). Полагают, что такое равенство £акт и АД обычно соблюдается при диссоциации молекул на радикалы.
Скорость реакции
Химическая реакция происходит в результате столкновения частиц, имеющих достаточную энергию и соответствующую ориентацию. Скорость реакции определяется, следовательно, скоростью, с которой происходят эти эффективные столкновения, числом эффективных столкновений, происходящих в течение каждой секунды в каждом миллилитре реакционного пространства, т. е. скорость можно выразить как произведение этих факторов. (Число, выражающее вероятность того, что сталкивающиеся частицы будут иметь соответственную ориентацию, обычно называется фактором вероятности.) Все, что влияет на любой из этих факторов, будет влиять и на скорость реакции.
Число эффективных Общее число столкновений = столкновенийв 1 мл в 1 св 1 мл в 1 сСкорость = Частота столкновений хЧисло эффективных Общее число столкновений = столкновенийв 1 мл в 1 св 1 мл в 1 сСкорость = Частота столкновений хЧисло столкновений, X имеющих достаточную энергиюЧисло столкновений, X имеющих достаточную энергиюЧисло столкиовений, X имеющих нужную ориентациюЧисло столкиовений, X имеющих нужную ориентациюЭнергетический фактор хЭнергетический фактор хФактор вероятности (фактор ориентации)Фактор вероятности (фактор ориентации)
Число эффективных Общее число столкновений = столкновений
в 1 мл в 1 св 1 мл в 1 с
Скорость = Частота столкновений х
Число эффективных Общее число столкновений = столкновений
в 1 мл в 1 св 1 мл в 1 с
Скорость = Частота столкновений х
Число столкновений, X имеющих достаточную энергию
Число столкновений, X имеющих достаточную энергию
Число столкиовений, X имеющих нужную ориентацию
Число столкиовений, X имеющих нужную ориентацию
Энергетический фактор х
Энергетический фактор х
Фактор вероятности (фактор ориентации)
Фактор вероятности (фактор ориентации)
Частота столкновений зависит от следующих факторов: а) как близко находятся частицы, т. е. от концентрации или давления; б) насколько они велики; в) как быстро они движутся, что в свою очередь зависит от их веса и температуры.
Можно изменить концентрацию и температуру и, таким образом, изменить скорость. Увеличение концентрации может вызывать увеличение скорости, что происходит, конечно, вследствие увеличения частоты столкновений. Повышение температуры увеличивает частоту столкиовений, а также энергетический фактор, и этот последний эффект настолько велик, что влияние температуры на частоту столкновений сравнительно не важно.
Величина и вес частиц характерны для каждой реакции и их нельзя изменить. Хотя они меняются в широких пределах от реакции к реакции, это изменение незначительно влияет на частоту столкновений. Больший вес делает частицу менее подвижной при данной температуре и, следовательно, уменьшает частоту столкновений. Более тяжелая частица, однако, обычно больше по величине, а большие размеры приводят к большей частоте столкновений. Эти два фактора, таким образом, компенсируют друг друга.
Фактор вероятности зависит от геометрии частиц и от характера происходящей реакции. Для родственных реакций он меняется незначительно.
Кинетическая энергия движущихся частиц не является единственным источником энергии, необходимой для реакции; энергия может быть также получена, например, из колебаний различных атомов внутри "самой молекулы. Таким образом, фактор вероят иости должен учитывать не только те атомы в молекуле, которые участвуют в столкно вении, но также н Изменения других атомов во время столкновения.
Несомненно важнейшим фактором, определяющим скорость, является энергетический фактор, т. е. число столкновений, имеющих достаточную энергию. Этот фактор зависит от температуры, которую можно контролировать, и от энергии активации, которая характерна для каждой реакции.
При данной температуре молекулы определенного соединения имеют среднюю скорость, и система характеризуется средней кинетической энергией; таким образом, температура является мерой этой средней кинетической энергии. Но отдельные молекулы движутся с различной скоростью: одни быстрее, а другие медленнее, чем со средней скоростью. Распределение скоростей показано на рис. 2.5. Число молекул с определенной скоростью наибольшее для скоростей, близких к средней, и уменьшается по мере того, как скорость увеличивается или уменьшается по сравнению со средней.
Распределение энергий столкновений, как и следовало ожидать, описывается аналсгичной кривой (рис. 2.6). Обозначим столкновения с определенной энергией £акт вертикальной линией. Число столкновений с энергией, равной или большей £акт, обозначено заштрихованной областью под. кривой справа от вертикальной линии. Часть общего числа столкновений, имеющих этот минимум энергии £акт, является частью всей заштрихованной области. Ясно, что, чем больше величина £акт, тем меньше число столкновений, обладающих этой энергией.
Рис. 2.5. Статистическое распределение молекул по их кинетической энергии.Рис. 2.5. Статистическое распределение молекул по их кинетической энергии.Рис. 2.6. Зависимость кинетической анергии от числа столкновений.Рис. 2.6. Зависимость кинетической анергии от числа столкновений.
Рис. 2.5. Статистическое распределение молекул по их кинетической энергии.
Рис. 2.5. Статистическое распределение молекул по их кинетической энергии.
Рис. 2.6. Зависимость кинетической анергии от числа столкновений.
Рис. 2.6. Зависимость кинетической анергии от числа столкновений.
Точнее соотношение между энергией активации и числом столкновений с такой энергией межно выразить следующим уравнением:
eE№sIRT _ ЧИС1ПО столкновений с энергией, большей £акт
где е = 2,718 (основание натурального логарифма), R = 1,986 (газовая постоянная) и Т — абсолютная температура. Эта экспоненциальная зависимость важна потому, что она показывает, как небольшое различие в £акт сильно влияет на число столкновений с достаточной энергией и, следовательно, на скорость реакции. Например, при 275 °C из каждого миллиона столкновений 10 С00 дают достаточно энергии, если £акт = 5 ккал (20,93- 10s Дж); 100, если £акт = 10 ккал (41,87-103 Дж), и только одно, если £акт — 15 ккал (62,80- 10s Дж). Это означает, что (при прочих равных условиях) реакция, для которой £акт = 5 ккал (20,93-103 Дж), будет идти в 100 раз быстрее, чем реакции, для которой £акт = 10 ккал (41,87-103 Дж), и в 10 000 раз быстрее, чем реакция, для которой £акт = 15 ккал (62,80-103 Дж).
До сих пор система рассматривалась при одной температуре. При повышении температуры, конечно, увеличивается средняя кинетическая энергия и средняя скорость, и, следовательно, вся кривая сдвигается вправо, как показано на рис. 2.7. Для данной энергии активации, следовательно, повышение температуры вызывает увеличение числа столкновений с достаточной энергией, а следовательно, и скорости реакции.
Экспоненциальная зависимость в этом случае снова свидетельствует о значительном изменении скорости при небольшом изменении температуры. Например, повышение температуры с 250 до 300 °C (что составляет всего 10% повышения абсолютной температуры) вызывает увеличение ско-
рости на 50%, если £акт = 5 ккал (20,93-103 Дж), вдвое, если Еакт = 10 ккал (41,87-103 Дж), и втрое, если £акт = 15 ккал (62,80-103 Дж). Как показывает этот пример, чем больше Еакт, тем больше влияние изменения температуры; это следует из соотношения e—E№,RT. На самом деле, именно из соотношения между скоростью реакции и температурой определяют £акт для реакции: измеряют скорость реакции при различных температурах и из полученных данных рассчитывают £акт.
Рассмотрены факторы, определяющие скорость реакции. Для ускорения какой-либо реакции может быть использован любой из этих факторов: например, можно или повысить температуру, или увеличить концентрацию реагентов, или даже (методы будут рассмотрены ниже) понизить £акт.
Рис. 2.7. Изменение энергии столкновений с изменением температуры.Рис. 2.7. Изменение энергии столкновений с изменением температуры.
Рис. 2.7. Изменение энергии столкновений с изменением температуры.
Рис. 2.7. Изменение энергии столкновений с изменением температуры.
Непосредственный интерес представляет, однако, относительная реакционная способность. Рассмотрим, как на основании скоростей реакции можно объяснить, почему одна реакция протекает быстрее другой, хотя условия проведения обеих реакций одинаковы.
Относительные скорости реакции
Скорость реакции можно выразить как произведение трех факторов:
Скорость = Частотау Энергетический у Фактор
столкновений х факторх вероятности
Две реакции могут протекать с различными скоростями вследствие того, что один или все эти факторы будут различными. Для того чтобы объяснить различие в скоростях, сначала необходимо определить, какой же из этих факторов неодинаков для рассматриваемых реакций.
а. + сн3—н —*- н—а + сн3-а. + сн3—н —*- н—а + сн3-Вг. + СН3—Н ► Н—Вг + СН3.Вг. + СН3—Н ► Н—Вг + СН3.В качестве примера сравним реакционную способность атомов хлора и брома по отношению к метану, т. е. скорости двух реакций в одних и тех же условиях:
а. + сн3—н —*- н—а + сн3-
а. + сн3—н —*- н—а + сн3-
Вг. + СН3—Н ► Н—Вг + СН3.
Вг. + СН3—Н ► Н—Вг + СН3.
Ы1 =— 1 ккал (4,187-Ю3 Дж), £акт = 4 ккал (16,75-103 Дж) ДЯ = 15 ккал (62,80-103 Дж), £aKT= 18 ккал (75,36-103 Дж)
Если температура и концентрация одинаковы (сравнение проводится при одинаковых условиях), то любое изменение частоты столкновений обусловлено
различием в весе или величине частиц. Атом брома тяжелее и больше атома хлора; как уже говорилось, изменения этих двух свойств компенсируют друг друга. И действительно, частота столкновений в реакциях хлора и брома отличается всего на несколько процентов. Это обычно справедливо для одной и той же температуры и концентрации: две очень близкие реакции мало различаются по частоте столкновений. Следовательно, различие в частоте столкновений не может быть причиной значительного различия в реакционной способности.
Природа фактора вероятности малопонятна. Поскольку рассматриваемые реакции совершенно аналогичны, то можно ожидать, что факторы вероятности для обеих реакций будут аналогичными. Эксперимент подтвердил, что это действительно так: независимо от того, участвуют в реакции атомы хлора или брома, примерно одно из восьми столкновений с метаном имеет соответствующую ориентацию. В общем случае, когда речь идет об очень близких реакциях, можно считать, что различия в факторе вероятности не могут вызвать большого различия в реакционной способности.
Осталось рассмотреть энергетический фактор. При данной температуре число столкновений, обладающих требуемой для реакции энергией, зависит от того, насколько велика эта энергия, т. е. зависит от Еакт. В данном примере Еакт равна 4 ккал (16,75-103 Дж) для реакции с атомом хлора и 18 ккал (75,36-103 Дж) для реакции с атомом брома. Как уже было показано, различия в £акт такого порядка приводят к колоссальным различиям в энергетическом факторе и, следовательцо, в скорости. При 275 °C из каждых 10 млн. столкновений в случае атома хлора 250 тыс. имеют достаточную энергию, а в случае атома брома — только одно. Только вследствие различия в Еат реакционная способность атома хлора по отношению к метану в 250 000 раз больше, чем атома брома.
Таким образом, неодинаковые реакционные способности обусловлены различиями в Еакт; во многих случаях эти различия в Еакт можно объяснить отличием в строении молекул. Следует понимать, что это можно делать только в случае весьма близких реакций, для которых различия в частоте столкновений и факторе вероятности сравнительно незначительны.
Реакционная способность галогенов по отношению к метану
Вернемся к реакции метана с галогенами и попытаемся объяснить изменение реакционной способности в ряду Р2 > С12 > Вг2 > 12 и особенно тот факт, что иод не реагирует с метаном.
Из данных табл. 2.1, в которой приведены энергии диссоциации связей, можно рассчитать для каждого галогена АД [ккал (4,187-103 Дж)] для каждой из трех стадий галогенирования:
X = F
С1
Вг
I
(1)
ха —
-*- 2Х-
37
58
46
36
(2)
х- + сн, —
-^ нх + сн3.
—33
—1
15
31
(3)
СНз* + Х2 —
—> сн3х + X-
—71
—23
—21
—17
Поскольку Еакт измерена только для некоторых из приведенных реакций, посмотрим, какие предварительные выводы можно сделать, используя только значения АД.
Стадия (1) представляет просто диссоциацию молекул на атомы, поэтому можно принять (разд. 2.19 и рис. 2.4), что АД в этом случае равна Еакт. Хлор имеет наибольшую Еакт и должен диссоциировать медленнее
других; для иода Еакт наименьшая, и он должен диссоциировать наиболее быстро. Однако это не согласуется с наблюдаемым изменением реакционной способности. Таким образом, диссоциация галогенов на атомы не может быть (кроме, возможно, фтора) стадией, определяющей реакционную способность.
Стадия (3) — атака галогена метильным радикалом — экзотермична для всех галогенов, и значения МЧ почти одинаковы для хлора, брома и иода. В этих реакциях £акт может быть очень небольшой, и, по-видимому, это действительно так: возможно, менее 1 ккал (4,187- 103 Дж). Установлено, что даже иод легко реагирует с метильными радикалами, полученными другим путем, например, при нагревании тетраметилсвинца. Действительно, иод иногда используется как «ловушка» или «акцептор» свободных радикалов при изучении механизмов реакций. Следовательно, стадия (3) не может определять наблюдаемые реакционные способности.
Остается стадия (2) — отщепление водорода от метана атомом галогена. Здесь наблюдается большой разброс в величинах АН от сильно экзотермической реакции с атомом фтора до сильно эндотермической реакции с атомом иода. Эндотермическая реакция с атомом брома должна иметь £аКТ, по крайней мере равную 15 ккал (62,80-103 Дж); на самом деле £акт = = 18 ккал (75,36-10® Дж). Экзотермическая реакция с атомом хлора может иметь небольшую Еакт; она действительно равна 4 ккал (16,75-10® Дж). При данной температуре, следовательно, число столкновений с достаточной энергией для метана значительно больше с атомами хлора, чем с атомами брома. Точнее, при 275 °C это одно столкновение из 40 для хлора и одно из 10 млн. для брома.
Атом брома в среднем сталкивается со многими молекулами метана, прежде чем ему удается отщепить водород; атом хлора сталкивается с относительно небольшим числом молекул. Во время своих длительных поисков подходящей молекулы метана атом брома может встретиться с другой малораспространенной частицей (другим атомом галогена или метильным радикалом) или адсорбироваться на стенках сосуда; следовательно, цепь будет короче, чем при хлорировании. Эксперимент подтвердил, что средняя длина цепи при хлорировании несколько тысяч циклов, а при бромировании меньше 100. Хотя атомы брома при данной температуре образуются быстрее, чем атомы хлора, вследствие меньшей £акт стадии (1) бромирование происходит медленнее, чем хлорирование, вследствие более короткой длины цепи.
Для эндотермической реакции атома иода с метаном Еакт не может быть меньше 31 ккал (129,79-103 Дж), а вероятно, она еще больше. Даже для этого минимального значения 31 ккал (129,79-103 Дж) атом иода должен столкнуться с огромным числом молекул метана (1012 при 275 °C) прежде, чем произойдет реакция. В действительности атомы иода не живут так долго — они рекомбинируются с образованием молекул иода, поэтому реакция протекает с незначительной скоростью. Атомы иода легко образуются, но они не могут отщепить водород от молекулы метана, и поэтому реакция иодирования не идет.
Для сильно экзотермической реакции атомов фтора с метаном нельзя предсказать £акт, но вряд ли она будет больше, чем для реакции атомов хлора с метаном. По-видимому, она немного меньше (около 1 ккал (4,187-Ю3 Дж)|, что допускает еще более длинные цепи. Вследствие удивительной непрочности связи фтор — фтор атомы фтора образуются быстрее, чем атомы хлора; таким образом, при фторировании должны быть не только более длинные цепи, но и их должно быть больше. В целом реакция очень экзотермична, АН = —104 ккал (435,43-10® Дж), и трудность отвода выделяющегося тепла является одной из причин, затрудняющих контроль реакции фторирования.
Из двух стадий, продолжающих цепь, стадия (2) протекает труднее, чем стадия (3) (рис. 2.8). Образовавшиеся метильные радикалы легко реагируют с любым из галогенов, и скорость реакции в целом лимитируется скоростью образования метильных радикалов. Фторирование происходит быстро, потому что атомы фтора быстро отщепляют атомы водорода от метана; Еакт равна всего 1 ккал (4,187-103 Дж). Иодирование не происходит, потому что атомы иода неспособны отщеплять атомы водорода от метана; Еакт составляет более 31 ккал (129,79-103 Дж).
> Значения Еам для стадии (2) изменяются параллельно с изменением Д//. Поскольку в каждом случае происходит разрыв одной и той же связи СН3—Н, различия в Д/7 отражают различия энергии диссоциации связей
ДИ рему< -—►•
Рис. 2.8. Изменение потенциальной энергии для реакции хлорирования метана. Образование радикала происходит с трудом.
галоген — галоген. В конечном счете, реакционная способность галогена по отношению к метану, по-видимому, зависит от прочности связи, которую образует галоген с водородом.
Еще один вопрос требует разъяснения. Уже говорилось о том, что Еакт, равная 31 ккал (129,79-103 Дж), слишком велика для того, чтобы реакция между атомом иода и метаном шла с заметной скоростью; даже для первой стадии в любой реакции галогенирования требуется большая Еакт. Различие в следующем: поскольку галогенирование представляет собой цепную реакцию, диссоциация каждой молекулы галогена приводит к возникновению многих молекул метил галогенида; следовательно, даже если диссоциация протекает очень медленно, реакция в целом может протекать быстро. Атака метана атомами иода является стадией роста цепи, и если она происходит медленно, то и скорость реакции в целом должна быть медленной; при этих условиях стадия обрыва цели (т. е. соединение двух атомов иода) становится настолько важной, что реально уже не существует цепи.
Строение метильного радикала. $р2-Гибридизация
Значительная часть этой главы посвящена образованию и реакциям метильного радикала СН3-. Что же представляет собой эта частица? Какова ее форма? Как распределены электроны и где находится неспаренный электрон?
Ответы на эти вопросы применимы не только для данного простого радикала, но и для любых свободных радикалов, даже сложных, которые будут рассмотрены ниже. Под формой, естественно, подразумевается пространственное строение, или стереохимия, свободных радикалов. Расположение неспаренного электрона связано со стабилизацией свободных радикалов заместителями.
Так же как и в случае метаиа, рассмотрим сначала электронную конфигурацию углерода
lr 2jIplr 2jIp
lr 2jIp
lr 2jIp
Чтобы получить более двух неспаренных электронов для образования связей, переместим 2з-электрон на свободную 2р-орбиталь
1s1s2s 2р2s 2р
1s
1s
2s 2р
2s 2р
с ©с ©О О О ОО О О ООдин электрон перемещен четыре неспаренных электрона
с ©
с ©
О О О О
О О О О
Можно ожидать, что углерод образует три связи, используя три р-ор- битали. Но если вместо этого происходит гибридизация 2з-орбитали и двух р-орбиталей
Is 2s 2р
С © О О О О
I1 Ер2-ги6ридцзация
issp2 2р
С © О О О О
то образуются три гибридные орбитали со значительно большей пространственной направленностью, чем у любой из s- или р-орбиталей; вследствие большего перекрывания эти гибридные орбитали могут образовывать более прочные связи. Они эквивалентны друг другу. Каждая из них имеет форму, представленную на рис. 2.9; для удобства небольшая часть, находящаяся за плоскостью рисунка, не приводится, а часть, находящаяся перед плоскостью рисунка, представлена в виде сферы.
Эти гибридные орбитали называются 5р8-орбиталями, поскольку считают, что они образуются в результате комбинации одной s-орбитали и двух р-орбиталей. Они расположены в плоскости, в которой находится ядро атома углерода, и направлены к углам правильного треугольника; угол между каждой парой 8р2-орбиталей составляет 120° (2,094 рад). При таком тригональном (направленном по трем углам) расположении гибридные орбитали максимально удалены друг от друга. Так же как взаимное отталкивание орбиталей приводит к четырем тетраэдрическим связям, так и в данном случае оно приводит к трем тригональным связям.
Если расположить атом углерода и три атома водорода метильного радикала так, чтобы было возможно максимальное перекрывание орбиталей, то получается структура, приведенная на рис. 2.10. Она плоская; атом углерода находится в центре треугольника, а три атома водорода — по его углам. Каждый угол связи равен 120° (2,094 рад).
Где же находится неспаренный электрон? При образовании зр2-орбита- лей атом углерода использовал только две из трех /7-орбиталей. Оставшаяся р-орбиталь состоит из двух равных частей, одна из которых лежит над пло-
ббвв
б
б
в
в
Рис. 2.9. Атомные $р2-гибридные орбитали.
а — поперечный разрез и приблизительная фирма одной орбитали. Сильно ориентирована вдоль одной оси; б — изображение в виде сферы (небольшая часть за Плоскостью рисунка не представлена);
в — три орбитали, оси которых направлены к углам правильного треугольника.
скостью трех зр2-орбиталей, а другая — под плоскостью (рис. 2.11); она занята неспаренным электроном.
Возможна не только эта электронная конфигурация метильного радикала: альтернативный подход приведет к пирамидальной молекуле, такой,
ЖДр2 ’‘^-120°'^
Рис. 2.11. Метильный радикал: неспаренный электрон занимает р-орбиталь сверху и снизу плоскости о-связей.Рис. 2.11. Метильный радикал: неспаренный электрон занимает р-орбиталь сверху и снизу плоскости о-связей.Рис. 2.10. Метильный радикал: показаны только о-связи.
Рис. 2.11. Метильный радикал: неспаренный электрон занимает р-орбиталь сверху и снизу плоскости о-связей.
Рис. 2.11. Метильный радикал: неспаренный электрон занимает р-орбиталь сверху и снизу плоскости о-связей.
как аммиак, с тем отличием, что четвертая р-орбиталь содержит неспаренный электрон, а не электронную пару (разд. 1.10). Квантовомеханические расчеты не позволяют сделать четкого выбора между двумя конфигурациями. Спектральные исследования показали, что метильный радикал действительно плоский или почти плоский. Углерод имеет тригональную или почти тригональную структуру; неспаренный электрон занимает р-орбиталь или по крайней мере орбиталь, имеющую в основном р-характер.
Задача 2.3. а) Предложите электронную конфигурацию для объяснения того, что BF3— плоская тригональная молекула (задача 1.5, стр. 27), в то время как NH3 имеет пирамидальную структуру.
Кроме свободных радикалов, будут еще рассмотрены два типа реакционноспособных частиц: карбониевые ионы и карбанионы. Предложите электронную конфигурацию и, исходя из нее, предскажите форму метильного карбониевого иона СН3 и метильного карбаниона СН3.
Переходное состояние
Из сказанного выше очевидно, что концепция £акт должна быть ключом к пониманию реакционной способности. Чтобы ее можно было использовать, необходимо рассмотреть концепцию переходного состояния.
Переходное состояние
Конечные вещества
Ход реакции-—*•
Рис. 2.12. Изменение потенциальной энергии в процессе реакции: энергия переходного состояния соответствует максимуму на кривой.
Химическая реакция представляет собой непрерывный процесс, заключающийся в постепенном переходе от исходных веществ к конечным. Расположение атомов в промежуточной структуре рассматривают так, как если бы это была реальная молекула. Такая промежуточная структура называется переходным состоянием; свободная энергия переходного состояния соответствует вершине энергетического барьера на диаграмме (рис. 2.12).
Таким образом, последовательность реакции следующая: Исходные вещества ► Переходное состояние >■ Конечные вещества
ДЯ представляет собой разность между свободными энергиями исходных и конечных веществ, а £акт — разность между свободными энергиями исходных веществ и переходного состояния.
Концепция переходного состояния полезна по следующей причине: строение переходного состояния можно анализировать так, как если бы это была реальная молекула, и можно попытаться оценить его устойчивость.
Любой фактор, стабилизующий переходное состояние по сравнению с исходными веществами, стремится понизить энергию активации, т. е. любой фактор, уменьшающий величину энергетического барьера больше, чем потенциальную энергию исходных веществ, понижает общий барьер, который необходимо преодолеть в ходе реакции. Устойчивость переходного состояния будет основой, явно или неявно, почти любого обсуждения реакционной способности в этом учебнике.
Но переходное состояние является только временным расположением атомов, которое по своей природе, будучи состоянием с наивысшей потенциальной энергией, не может быть выделено и исследовано. Как же можно установить его строение? В качестве примера рассмотрим переходное состояние при отщеплении атома водорода от метана атомом галогена.
Можно определенно сказать, что связь углерод — водород растянута, но не разорвана совсем, а связь водород — галоген начала образовываться, но еще не образовалась полностью. Это условие можно представить следующим образом:
исходные веществаисходные вещества- НI б* 6- Н—С—Н—X- НI б* 6- Н—С—Н—Xпереходное состояниепереходное состояниеНI► н—с- + Н—ХIнконечныевеществаНI► н—с- + Н—ХIнконечныевещества
исходные вещества
исходные вещества
- Н
I б* 6- Н—С—Н—X
- Н
I б* 6- Н—С—Н—X
переходное состояние
переходное состояние
Н
I► н—с- + Н—Х
Iн
конечныевещества
Н
I► н—с- + Н—Х
Iн
конечныевещества
Пунктирные линии обозначают частично разорвавшиеся или частично образовавшиеся связи.
Что же можно сказать о форме метильной группы в этом переходном состоянии? В исходном веществе, где метил связан с водородом, углерод является тетраэдрическим ($р3-гибридизованным); в конечном веществе, когда метил потерял водород, углерод имеет тригональную структуру (зр2-гибриди- зация). В переходном состоянии, когда связь углерод — водород частично разорвана, гибридизация углерода представляет собой нечто среднее между sp3 и sp2. Метильная группа частично, но не полностью уплощена; углы между связями больше 109,5° (1,911 рад), но меньше 120° (2,094 рад).
исходное вещество, тетраэдрический углеродисходное вещество, тетраэдрический углеродпереходное состояние, углерод становится тригональнымпереходное состояние, углерод становится тригональнымконечное вещество, тригональный углеродконечное вещество, тригональный углерод
исходное вещество, тетраэдрический углерод
исходное вещество, тетраэдрический углерод
переходное состояние, углерод становится тригональным
переходное состояние, углерод становится тригональным
конечное вещество, тригональный углерод
конечное вещество, тригональный углерод
Наконец, где же неспаренный электрон? В исходных веществах он находится на хлоре, а в конечных — на метильной группе; в переходном состоянии он находится в совместном владении этих двух групп (доля каждого атома обозначена знаком 6-). Метильная группа частично получила неспаренный электрон, который она имеет в конечном продукте, и в такой же степени приобрела некоторый характер свободного радикала, в который она превращается.
Таким образом, довольно просто нарисована картина переходного состояния, которая показывает разрыв и образование связи, пространственное расположение атомов и распределение электронов.
(Это определенное переходное состояние является промежуточным между исходным и конечными веществами не только во времени, но также и по строению. Не все переходные состояния промежуточны по строению:
как показано на стр. 450, исходное и конечное вещества в SN2-peaKUHH являются тетраэдрическими, тогда как промежуточное состояние содержит пятивалентный углерод.)
В разд. 2.20 скорости реакций рассматривались с точки зрения теории столкновений. Альтернативным, более широко используемым подходом является теория переходного состояния (или термодинамическая теория) скоростей реакций. Считают, что существует равновесие между исходными веществами и переходным состоянием, и это равновесие рассматривают как истинное равновесие обратимой реакции (разд. 18-11). Энергия активации (£акт) и фактор вероятности заменяются соответственно теплотой (энтальпией) активации (Л//*) и энтропией активации (AS*), которые вместе составляют свободную энергию активации (AF*)
^F* = ДЯ* — 7 AS*
Чем меньше (менее положительна) А//* н больше (более положительна) AS*, тем меньше будет АД* и тем быстрее протекает реакция.
Энтропия характеризует, грубо говоря, беспорядочность системы; равновесие стремится сместиться в сторону, где меньше ограничений для атомов и молекул. Энтропия активации, следовате'льно, служит мерой относительной беспорядочности исходных веществ и переходного состояния: чем меньше ограничения, накладываемые на расположение атомов в переходном состоянии, по сравнению с исходными веществами, тем быстрее будет протекать реакция. В общем видно, что фактор вероятности и энтропия активации измеряют в значительной степени одно и то же. Низкий фактор вероятности означает, что для столкновения требуется определенная ориентация атомов. Другими словами, неблагоприятная (низкая) энтропия активации означает, что в переходном состоянии существуют довольно жесткие ограничения для расположения атомов.
Реакционная способность и переходное состояние
При отщеплении водорода от метана атомом галогена переходное состояние отличается от исходных веществ; это различие — именно то, на что обращают внимание, — заключается главным образом в сходстве переходного состояния и конечных веществ. Это справедливо для реакций, в которых образуются свободные радикалы (или карбониевые ионы, или карбанионы) .
Но насколько данное переходное состояние похоже на конечные вещества? Насколько произошел разрыв одной и образование другой связи? Насколько плоской стала метильная группа и в какой степени ей принадлежит неспаренный электрон?
На подобные вопросы можно ответить лишь относительно. Для аналогичных реакций чем больше £акт, тем позднее в процессе реакции достигается переходное состояние. Из теоретических рассмотрений, подтверждающих этот постулат, следует упомянуть только следующий: различие в распределении электронов, которое называют различием в строении, соответствует различию в энергии: чем больше различие в строении, тем больше различие в энергии. Если £акт высока, переходное состояние сильно отличается от исходных веществ по энергии и, по-видимому, по электронному строению; если £акт низка, переходное состояние незначительно отличается от исходных соединений по энергии и, вероятно, также по электронному строению (рис. 2.13).
Установлено, что этот постулат очень полезен для интерпретации экспериментальных результатов; однако он не может объяснить зависимости между реакционной способностью и селективностью (разд. 4.30).
Отщепление водорода сильно реакционноспособным атомом хлора имеет низкую £акт. Согласно постулату, переходное состояние достигается довольно рано, когда связь углерод — водород только слегка растянута.
Атомы и электроны еще распределены в основном так же, как в исходных веществах; атом углерода еще почти тетраэдрический. Метильная группа еще не приобрела характера свободного радикала.
Отщепление водорода менее реакционноспособным атомом брома, напротив, имеет очень высокую £акт. Переходное состояние достигается только после того, как реакция пройдет в значительной степени и когда связь углерод — водород уже почти разорвана. Переходное состояние близко к конечным веществам по своей геометрии и распределению электронов, и углерод уже имеет почти тригональную структуру. Метильная группа приобрела уже значительный характер свободного радикала.
Ход реакции «-Ход реакции «-Рис. 2.13. Изменение потенциальной энергии в процессе реакции: реакционная способность и образование переходного состояния.Для реакции, протекающей с трудом, переходное состояние достигается поздно и соответствует конеч - ным веществам. Для реакции, протекающей легко, переходное состояние достигается рано и соответствует исходным веществам.Рис. 2.13. Изменение потенциальной энергии в процессе реакции: реакционная способность и образование переходного состояния.Для реакции, протекающей с трудом, переходное состояние достигается поздно и соответствует конеч - ным веществам. Для реакции, протекающей легко, переходное состояние достигается рано и соответствует исходным веществам.А—В—С Переходное состояние, достигаемое поздноА—В—С Переходное состояние, достигаемое поздно
Ход реакции «-
Ход реакции «-
Рис. 2.13. Изменение потенциальной энергии в процессе реакции: реакционная способность и образование переходного состояния.
Для реакции, протекающей с трудом, переходное состояние достигается поздно и соответствует конеч - ным веществам. Для реакции, протекающей легко, переходное состояние достигается рано и соответствует исходным веществам.
Рис. 2.13. Изменение потенциальной энергии в процессе реакции: реакционная способность и образование переходного состояния.
Для реакции, протекающей с трудом, переходное состояние достигается поздно и соответствует конеч - ным веществам. Для реакции, протекающей легко, переходное состояние достигается рано и соответствует исходным веществам.
А—В—С Переходное состояние, достигаемое поздно
А—В—С Переходное состояние, достигаемое поздно
Таким образом, при шпаке реагентом, с высокой реакционной способностью переходное состояние стремится соответствовать исходному веществу, при атаке мало реакционноспособным реагентом переходное состояние стремится соответствовать конечному веществу.
Молекулярная формула: ее фундаментальное значение
В данной главе рассматривается строение метана, т. е. то, каким образом атомы удерживаются вместе, образуя молекулу метана. Предварительно необходимо знать, какого типа эти атомы и сколько их участвует в образовании молекулы; известно, что метан имеет формулу СН4. Прежде чем написать структурную формулу соединения, необходимо знать его молекулярную формулу.
Основная часть этой главы была посвящена реакции замещения водорода в метане на хлор. Но сначала надо знать, что это действительно за- 5*
мещение и что каждая стадия реакции приводит к веществу, которое содержит на один водород меньше и на один хлор больше, чем исходное соединение; следует знать, что метан последовательно превращается в СН3С1, СН2С12, СНС13 и СС14. Прежде чем обсуждать реакции органических соединений, должны быть известны молекулярные формулы получаемых соединений.
Рассмотрим, что следует знать для определения молекулярной формулы ■соединения. Необходимо провести следующее:
качественный элементный анализ, т. е. определить, атомы каких элементов входят в состав молекулы;
количественный элементный анализ, т. е. определить относительное количество каждого из атомов и установить эмпирическую формулу;
определение молекулярного веса, которое (вместе с эмпирической формулой.) указывает на истинное количество различных атомов, т. е. дает молекулярную формулу.
Многое из этого должно быть знакомо студентам из предыдущих курсов химии. Здесь внимание будет сконцентрировано на применении этих принципов к органическому анализу.
Качественный элементный анализ:
углерод, водород и галоген
Наличие углерода и водорода в соединении определяется сожжением: нагреванием с окисью меди, в результате которого углерод превращается в двуокись углерода, а водород — в воду. (Как можно идентифицировать каждый из этих продуктов?)
нагревание
(С, Н) + СиО> Си + СО2 + Н2О
Определение галогена в органическом соединении заключается в сплавлении образца с натрием — обработке горячим расплавленным натрием, в результате которой ковалентно связанный галоген превращается в галогенид натрия. (Как можно идентифицировать ион галогена?)
нагревание(С,Н, X) + Na > Na+X"
Сплавление с натрием используется для превращения других ковалентно связанных элементов в неорганические иоиы: N в CN~ и S в S^, в частности, как описано в разд. 10.21. (Более простой метод определения галогена в некоторых органических соединениях описан в разд. 14.22.)
Используя эти методы, можно показать, что метан содержит углерод и водород, а хлористый метил — углерод, водород и хлор.
Дополнительные исследования показали, что в этих соединениях нет других элементов, кроме, возможно, кислорода, для которого не существует простого химического метода определения; наличие или отсутствие кислорода можно показать только количественным анализом.
Задача 2.4. Качественный анализ этилового спирта показал наличие только углерода и водорода; количественный анализ дал 52,1% углерода и 13,1% водорода, а) Почему следует считать, что этиловый спирт содержит кислород? б) Каково содержание кислорода в спирте?
Количественный элементный анализ: углерод, водород и галоген
Если известно, какие элементы входят в состав соединения, то дальше следует определить их соотношение. Для этого необходимо провести в основном такой же анализ, как и раньше, но только количественный. Чтобы определить относительные количества углерода и водорода в метане, например, необходимо полностью окислить точно измеренное количество метана и взвесить образующиеся двуокись углерода и воду.
При количественном сожжении взвешенный образец органического соединения помещают в трубку для сожжения, наполненную окисью меди, и нагревают до 600—800 °C; за этой трубкой находится трубка с осушающим агентом (обычно с ангидроном, перхлоратом магния) и трубка с сильным основанием (обычно с аскаритом или асбестом, пропитанным едким натром). Образующаяся вода поглощается осушающим агентом, а двуокись углерода — основанием; привес каждой трубки — это вес образовавшихся продуктов.
Например, образец метана весом 9,67 мг дает 26,53 мг СО2 и 21,56 мг Н2О. Только часть из двуокиси углерода, равная С/СО2 = 12,01/44,01, приходится на углерод и только часть воды, равная 2Н/Н2О = 2,016/18,02, приходится на водород. Следовательно,
вес С = 26,53-12,01/44,01вес С (в образце) = 7,24 мгвес С = 26,53-12,01/44,01вес С (в образце) = 7,24 мгвес Н = 21,56-2,016/18,02вес Н (в образце) = 2,41 мгвес Н = 21,56-2,016/18,02вес Н (в образце) = 2,41 мг
вес С = 26,53-12,01/44,01
вес С (в образце) = 7,24 мг
вес С = 26,53-12,01/44,01
вес С (в образце) = 7,24 мг
вес Н = 21,56-2,016/18,02
вес Н (в образце) = 2,41 мг
вес Н = 21,56-2,016/18,02
вес Н (в образце) = 2,41 мг
и процентный состав
С (%) = 7,24/9,67-100С (%) (в образце) = 74,9С (%) = 7,24/9,67-100С (%) (в образце) = 74,9Н (%) = 2,41/9,67-100Н (%) (в образце) =24,9Н (%) = 2,41/9,67-100Н (%) (в образце) =24,9
С (%) = 7,24/9,67-100
С (%) (в образце) = 74,9
С (%) = 7,24/9,67-100
С (%) (в образце) = 74,9
Н (%) = 2,41/9,67-100
Н (%) (в образце) =24,9
Н (%) = 2,41/9,67-100
Н (%) (в образце) =24,9
Поскольку содержание углерода и водорода в сумме дает 100% в пределах ошибки определения, кислород (или любой другой элемент) должен отсутствовать.
В количественном, как и в качественном анализе, ковалентно связанный галоген должен быть превращен в ион галогена. Органическое соединение нагревают а) в бомбе с перекисью натрия или б) в запаянной трубке с азотной кислотой (метод Кариуса). Ион галогена, образующийся при этом, превращают в галогенид серебра, который можно взвесить.
Задача 2-5. При нагревании 7,36 мг хлористого метила в бомбе с перекисью натрия выделившийся хлорид-ион образовал 20,68 мг хлористого серебра, а) Каково процентное содержание хлора? б) Какое процентное содержание хлора должно быть в соединении с формулой СН3С1? Какое количество хлористого серебра должно получиться в) из 7,36 мг хлористого метилена, г) из 7,36 мг хлороформа и д) из 7,36 мг четыреххлористого углерода?
(Другие количественные методы определения будут рассмотрены ниже: анализ азота и серы в разд. 10.22; определение метоксильной группы в разд. 17.12; эквивалент нейтрализации в разд. 18 20; эквивалент омыления в разд. 20.27.)
Эмпирическая формула
Зная процентный состав соединения, можно рассчитать его эмпирическую формулу — простейшую формулу, отражающую относительное содержание различных атомов в молекуле. Например, согласно количественному анали-
зу, в 100 г (взято для удобства) метана содержится 74,9 г углерода и 24,9 г водорода. Деление каждой величины на соответствующий атомный вес дает количество грамм-атомов каждого элемента:
74,9для С: ■ 12 Q] =6,24 г-атома
24,9для Н: ~Роо8~ = 24,7 г-атома
Поскольку грамм-атом одного элемента содержит такое же количество атомов, как и грамм-атом любого другого элемента, то известно теперь относительное число атомов углерода и водорода в метане: С6 24Н24 7. Сокращение полученных чисел так, чтобы получить простейшие отношения целых чисел, дает эмпирическую формулу метана СН4.
С = 6,24/6,24 = 1,Н = 24,7/6,24 = 3,96 (приблизительно 4)
Задача 2.6. Рассчитайте процентный состав и затем эмпирическую формулу следующих соединений: а) При сожжении 3,02 мг образца соединения образовалось 8,86 мг двуокиси углерода и 5,43 мг воды, б) При сожжении 8,23 мг образца соединения образовалось 9,26 мг двуокиси углерода и 3,94 мг воды. Диализ 5,32 мг образца того же соединения по методу Кариуса дал 13,49 мг хлористого серебра.
Определение молекулярного веса: метод определения плотности пара.
Молекулярная формула
Теперь уже известны атомы, из которых состоит молекула и их количество. Это находит свое отражение в эмпирической формуле.
Но это еще не все. Молекула метана, например, в соответствии с ее эмпирической формулой может содержать один атом углерода и четыре атома водорода, или два атома углерода и восемь атомов водорода, или любое другое число, кратное СН4. Необходимо определить молекулярную формулу ■— формулу, показывающую истинное число различных атомов в молекуле.
Для установления молекулярной формулы необходимо определить молекулярный вес. Из курса общей химии известно несколько методов определения. Поскольку рассматриваемые соединения представляют собой летучие жидкости, то лучше использовать метод определения плотности пара (метод Дюма или метод Мейера). Измеряется объем известного количества газа при определенных температуре и давлении и из этих данных рассчитывается вес газа, занимающего объем 22,4 л при нормальных условиях 10 °C и 760 мм рт. ст. (10,13-104 Па)]; этот вес и является молекулярным весом.
Например, найдено, что 0,309 г метана занимают 488 мл при 23 °C и 737 мм рт. ст. (9,83-104 Па). При нормальных условиях 0,309 г будут занимать объем
273737
273 4- 23 Х 760" Х 488 = 436 мл
и вес 22 400 мл метана будет
X 0,309= 15,9 гX 0,309= 15,9 г43643622-4)0
X 0,309= 15,9 г
X 0,309= 15,9 г
436
436
Определение показывает, что молекулярный вес метана составляет около 15,9. Из возможных молекулярных формул формула СН4 (молекулярный вес 16,04) ближе к истине, чем С2Н8 (молекулярный вес 32,08) или любая другая. В данном случае эмпирическая и молекулярная формулы совпадают.
Рассмотрим другой пример: этан имеет эмпирическую формулу СН3. Определение плотности пара дает молекулярный вес около 30. Из возможных молекулярных формул единственно правильной должна быть С2Нв, молекулярный вес 30,07.
Определение молекулярного веса криоскопическим методом описано в разд. 10.23, а масс-спектрометрическим методом — наиболее точным из всех известных методов — в разд. 13.2.
Задача 2.7. Количественный элементный анализ дал эмпирическую формулу СН. Найдено, что 0,265 г этого соединения занимают объем 105 мл при 99 °C и 733 мм рт. ст. (9,77-104 Па). Определите: а) молекулярный вес, б) молекулярную формулу и в) правильный молекулярный вес-
Задача 2.8. При сожжении 5,17 мг образца соединения образовалось 10,32 мг двуокиси углерода и 4,23 мг воды. 0,156 г этого соединения занимают объем 53 мл при 100 °C и 760 мм рт. ст. (10,13-104 Па). Какова молекулярная формула этого соединения?
ЗАДАЧИ
1. Рассчитайте процентный состав соединений А, Б и В на основании следующих данных элементного анализа:
Вес образца, мг
Вес СОг, мг
Вес Н2О, мг
BecJAgCI, мг
А 4,37
15,02
2,48
—
Б 5,95
13,97
2,39
7,55
В 4,02
9,14
3,71
—
Каков процентный состав следующих соединений:
а) С3Н,С1в) С4Н8О2д) CH,ONg
б) С2Н6Ог) C6H8O^2Sе) C6HgNCl
а) 85,6% С,
14,4% Н
г) 29,8% С,
6,3% Н,
44,0% С1
б) 92,2% С,
7,8% Н
д) 48,7% С,
13,6% Н,
37,8% N
в) 40,0% С,
6,7% Н
е) 25,2% С,
2,8% Н,
49,6% С1
Рассчитайте эмпирические формулы соединений, если известен нх процентный состав.
Помните, что кислород непосредственно не определяется.
Качественный анализ папаверина, одного из алкалоидов опиума, показал наличие углерода, водорода и азота. Количественный анализ привел к следующим данным: 70,8% С, 6,2% Н и 4,1% N. Рассчитайте эмпирическую формулу папаверина.
Метиловый оранжевый, кислотно-основной индикатор, представляет натриевую соль кислоты, которая содержит углерод, водород, азот, серу и кислород. Количественный анализ дал 51,4% углерода, 4,3% водорода, 12,8% азота, 9,8% серы и 7,0% натрия- Какова эмпирическая формула метилового оранжевого?
Сожжение 6,51 мг соединения дало 20,47 мг двуокиси углерода и 8,36 мг воды. При 100°C и 760 мм рт. ст. (10,13-104 Па) 0,284 г соединения занимают объем 100 мл. Рассчитайте: а) процентный состав, б) эмпирическую формулу и в) молекулярную формулу соединения.
Анализ жидкого соединения дал 40,0% углерода и 6,7% водорода. При 200 °C и 760 мм рт. ст. (10,13-104 Па) 10 мг соединения занимают объем 6,47 мл. Какова молекулярная формула соединения^
Соединение с той же эмпирической формулой, что и в задаче 7, представляет собой газ при комнатной температуре; 10 мг его занимают объем 8,15 мл при 25 °C и 760 мм рт. ст. (10,13-104 Па). Какова его молекулярная формула?
Анализ индиго, важного красителя, дает следующие цифры: 73,3% углерода, 3,8% водорода и 10,7% азота. Определение молекулярного веса дало величину в пределах 250—275. Какова молекулярная формула индиго?
Анализ газа дал следующие результаты: 82,7% углерода и 17,3% водорода. Стеклянная бомба, наполнеииая газом при 22 °C и 739 мм рт. ст. (9,85-104 Па), весит 195,10 г. Вес эвакуированного сосуда равен 194,52 г; сосуд, наполненный водой, весит 444,50 г. Рассчитайте молекулярную формулу соединения.
Гормон инсулин содержит 3,4% серы, а) Каков минимальный молекулярный вес инсулина? б) Молекулярный вес инсулина равен 5743; сколько атомов серы, по всей вероятности, имеется в молекуле?
Рассчитайте ДЯ следующих реакций:
а—г) Н, + X, »- 2НХ, где X = F, Cl, Вг, I;
QH. + Вг, >- QHjBr + НВг;
С,НЬСН3 + Вт, > С^СН^г + НВт;
Н,С=СНСН3 + Вг, »- Н2С=СНСН2Вг + НВг.
Реакции (д), (е) и (ж) протекают по свободнорадикальному механизму, как и галогенирование метана. Рассчитайте ДЯ каждой стадии в этих трех реакциях.
Возможный механизм хлорирования метана включает следующие стадии:
С1, > 2СЬ
СР + СН4 #- СН3С1 + Н.
Н- + С1, > НС1 + СБ
и затем (2), (3), (2), (3) и т. д.
а) Рассчитайте ДЯ каждой стадии, б) Почему этот механизм кажется менее вероятным, чем принятый и приведенный в разд. 2.12? (Дополнительные данные, свидетельствующие против этого альтернативного механизма, будут даны в разд. 7.9J
а) Свободные метильные радикалы реагируют с метаном по следующей схеме:
СН3. + СЦ, —> сн4 + сн3.(1)
Исходя из данных прочностей связей, участвующих в реакции, покажите, почему происходит написаииая выше реакция, а не реакция (2)?
СНВ- + СН4 •—> СН3—СН3 + Н-(2)
б) Реакция (1) имеет £акт, равную 13 ккал (54,43-103 Дж). В разд. 2.12 она была приведена как возможная (но не дающая результата) на основании вероятности столкновений. Насколько вероятна реакция (1) в смеси СН4 и С12 (50 : 50)? (См. разд. 2.22 и 2.20.) 15. Бромирование метана замедляется при добавлении довольно большого количества НВг. а) Предложите возможное объяснение этому факту (см. разд. 2.19). б) Объясните, почему НО ие влияет таким же образом на хлорирование? в) Любая реакция замедляется по мере расходования реагентов и уменьшения их концентрации. Как объяснить тот факт, что бромирование метана замедляется очень сильно — сильнее, чем, например, хлорирование метана?
Смесь Н, и С12 ие реагирует в темноте при комнатной температуре. При высоких температурах или при освещении светом (с длиной волны, поглощаемой хлором) происходит бурная реакция и образуется НО. Фотохимическая реакция приводит к образованию миллиона молекул НС1 на каждый поглощенный фотон. Присутствие небольшого количества кислорода сильно замедляет реакцию, а) Предложите возможный механизм для объяснения этих фактов. 6) Объясните, почему смесь Н2 и 12 не ведет себя так же (иодистый водород на самом деле образуется, но по другому механизму).
Ток паров тетраметилсвиица (СН3)4РЬ пропускают через кварцевую трубку, нагреваемую в одном месте; в месте нагревания появляется металлическое зеркало и из трубки выделяется газ—этан. Трубку нагревают ближе металлического зеркала свинца, продолжая пропускать тетраметилсвииец; в месте нагревания появляется новое зеркало, а старое зеркало исчезает и из трубки выходит тетраметилсвииец. Подобные эксперименты, проведенные Паиетом в Берлинском университете, считают первым доказательством существования короткоживущих свободных радикалов, аналогичных метилу, а) Как эти экспериментальные результаты можно объяснить с точки зрения образования промежуточных свободных радикалов? б) Чем дальше от металлического зеркала нагревалась трубка, тем медленнее исчезало старое зеркало. Объясните.
Стереохимия. /
Стереохимия и стереоизомерия
В основе органической химии как науки лежит связь между строением молекул и их свойствами. Область химии, изучающая пространственное строение молекул, называется стереохимией (от греческого слова stereos — пространственный).
Одним из аспектов стереохимии является стереоизомерия. Напомним, что изомерами называются различные соединения, имеющие одинаковую молекулярную формулу. Изомеры, отличающиеся друг от друга только расположением атомов в пространстве (но имеющие один и тот же порядок связи атомов), называются стереоизомерами.
Существуют пары стереоизомеров, настолько мало отличающиеся по строению и, следовательно, по свойствам, что из всех физических свойств у них различно только одно, которое можно измерить специальным прибором, с помощью поляризованного света. Использование этих стереоизомеров — один из наиболее чувствительных методов изучения механизмов органических реакций. Обычно для исследования берут один из этих изомеров, но не потому, что он отличается от обычных соединений в стереохимическом отношении; использование такого изомера позволяет обнаружить то, что нельзя увидеть на обычных соединениях. Несмотря на большое сходство, один изомер из пары стереоизомеров может служить питательной средой для бактерий, обладать свойствами антибиотика или сильного стимулятора сердечной деятельности, в то время как второй изомер неактивен.
В настоящей главе показано, как предсказать существование таких изомеров, называемых энантиомерами, как изобразить их и обозначить и, в общем виде, как сравнивать их свойства. В следующих главах используется весь материал, приведенный в этой главе, но постепенно от обсуждения вопроса, что представляют собой эти стереоизомеры, мы перейдем к тому, как они образуются, как ведут себя в химических реакциях и как их можно использовать.
В разд. 5.5 и 5.6 и гл. 7 рассматривается другой тип стереоизомеров — диастереомеры. В разд. 4.32 и гл. 7 начинается изучение химии стереоизомеров, т. е. реакций, в которых они служат исходными или конечными веществами (или и теми и другими). В разд. 4.3—4.7 и гл. 9 даны основы конформационного анализа, которые используются в дальнейшем изложении.
Число стереоизомеров и тетраэдрический атом углерода
В предыдущих разделах рассматривались только метан и несколько продуктов его замещения; все эти соединения необходимы для того, чтобы начать изучение стереохимии. Любое, даже очень сложное, соединение, в кото-
^ Стереохимия. / | 3 ром имеется атом углерода, связанный с четырьмя другими атомами, можно рассматривать как производное метана; кроме того, все, что известно о форме молекулы метана, можно применить к значительно более сложным молекулам.
Данные дифракции электронов, дифракции рентгеновских лучей и спектроскопии показывают, что, если атом углерода связан с четырьмя другими атомами, его связи направлены к углам тетраэдра. Еще в 1874 г., за много лет до того, как стало возможным прямое определение строения молекул, Вант-Гофф, будучи студентом Утрехтского университета, предположил, что атом углерода имеет тетраэдрическое строение. Его предположение было основано на данных о числе изомеров.
Независимо от природы атома Y существует только одно вещество с формулой CH3Y. Хлорирование метана приводит только к одному соединению с формулой СН3С1; бромирование также дает лишь одно вещество с формулой СН3Вг. Аналогично известно только одно соединение CH3F и только одно соединение СН31. То же самое справедливо и для случая, когда Y представляет собой не атом, а группу атомов (если только эта группа не настолько сложна, что сама проявляет изомерию); существует только одно вещество СН3ОН, лишь одно СН3СООН и только одно CH3SO3H.
На основании этих данных можно предположить, что все атомы водорода в метане эквивалентны, так что замещение любого из них приводит к одному и тому же продукту. Если бы атомы водорода в метане были неэквивалентны, то замещение одного из них приводило бы к веществу, отличному от продукта замещения другого атома водорода, и образовывались бы изомерные продукты замещения.
Как же расположить атомы в метане так, чтобы четыре атома водорода были эквивалентны? Существует три таких расположения: плоское (I), когда атом углерода находится в центре прямоугольника (или квадрата), а атомы водорода в его углах; пирамидальное (II), когда атом углерода находится в вершине пирамиды и атомы водорода в углах квадратного основания, и тетраэдрическое (III), когда атом углерода находится в центре тетраэдра, а атомы водорода в его углах.
Как же установить, что каждое из этих расположений может привести только к одному веществу с формулой CH3Y? Для ответа на подобные вопросы следует использовать молекулярные модели. (Чтобы получить структуры I и II, для которых не подходят углы связей обычных молекулярных моделей, можно использовать шарики из пластилина и палочки.) Строят две идентичные модели I. В одной модели на атом Y заменен верхний правый атом водорода, который можно представить шариком другого цвета, а в другой модели заменен правый нижний атом водорода. Далее смотрят, одинаковы ли эти модели, т. е. можно ли какими-либо манипуляциями, кроме разрыва и образования связей, совместить их. Если две модели совместимы, то они представляют две молекулы одного и того же соединения; если модели несовместимы, то они представляют молекулы различных соединений, которые, поскольку они имеют одинаковые молекулярные формулы, обозначаются как
изомеры (стр. 36). Независимо от того, какой атом водорода замещается в структуре I (или II, или III), получается одно и то же соединение. При любом другом расположении атомов, кроме этих трех, при замещении образуется больше одной структуры.
Когда речь идет о соединениях формулы CH3Y, данные о числе изомеров ограничивают выбор структуры метана только одной из этих трех возможностей.
Задача 3.1. Сколько изомеров возможно для соединения с формулой CH3Y, если бы метан имел строение пирамиды, в основании которой лежал бы прямоугольник? Каковы эти изомеры? (Если вы затрудняетесь ответить на этот вопрос сейчас, то ответьте на него после изучения разд- 3.7.)
Для любого атома Y и для любого атома Z было найдено только одно вещество с формулой CH2YZ. Галогенирование метана, например, дает только одно соединение с формулой СН2С12, одно соединение СН2Вг2 и одно соединение СН2С1Вг.
Из трех возможных структур метана только одна — тетраэдрическая — соответствует этим данным.
Задача 3.2. Сколько изомеров с формулой CH2YZ следовало бы ожидать для каждой из следующих структур метана: а) структуры I с атомом углерода в центре прямоугольника; б) структуры 1 с атомом углерода в центре квадрата; в) структуры II; г) структуры III?
Таким образом, только тетраэдрическая структура метана согласуется с данными о числе изомеров. Правда, это отрицательное доказательство, поскольку возможно, что существуют изомеры, которые не были выделены или обнаруж ены из-за недостаточно высокого уровня эксперимента. Но, как уже говорил ось выше, любое соединение, содержащее углерод, связанный с четырьмя другими атомами, можно рассматривать как производное метана; при си нтезе сотен тысяч соединений такого типа число получаемых изомер ов всегда соответствовало концепции тетраэдрического атома углерода.
Имеется еще дополнительное положительное доказательство тетраэдрического строения углеродного атома, а именно существование изомеров, энантиомеров, которые были предсказаны для соединений с формулой CWXYZ. Именно существование энантиомеров подтвердило теорию Вант- Гоффа о тетраэдрическом строении атома углерода. Чтобы понять, что же предста вляют собой энантиомеры, необходимо сначала познакомиться со свойством, называемым оптической активностью.
Оптическая активность.
Плоскополяризованный свет
Св ет обладает определенными свойствами, которые лучше всего объяснять с точки зрения волновой теории света: свет представляет собой волну, электро магнитные колебания которой происходят в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения света. Существует бесчисленное множество плоскостей, проходящих через линию распространения света, и для обычно го света колебания совершаются во всех плоскостях. На рис. 3.1 пред- ставле на схема электромагнитных колебаний луча обычного света, которые происходят в плосксстях, перпендикулярных линии распространения света
(линии между глазом наблюдателя и бумагой). Плоскополяризованный свет — это свет, колебания которого совершаются только в одной из возможных плоскостей. Обычный свет превращают в плоскополяризованный, пропуская его через пластинки, сделанные из материала, называемого поляроидом, или через кристаллы кальцита (особая кристаллическая форма СаСО3), расположенные таким образом, что они образуют так называемую призму Николя.
Оптически активным веществом является вещество, которое вращает плоскость поляризованного света. Когда луч такого света, колебания которого происходили в определенной плоскости, выходит из оптически активного вещества, то его колебания уже совершаются в другой плоскости.
<1 ^<1 ^Рис. 3.1. Схематическое изображение обычного (а} и плоскополярнзованного (6) света. Свет распространяется перпендикулярно плоскости рисунка; колебания происходят в плоскости рисунка.Рис. 3.1. Схематическое изображение обычного (а} и плоскополярнзованного (6) света. Свет распространяется перпендикулярно плоскости рисунка; колебания происходят в плоскости рисунка.Поляриметр
<1 ^
<1 ^
Рис. 3.1. Схематическое изображение обычного (а} и плоскополярнзованного (6) света. Свет распространяется перпендикулярно плоскости рисунка; колебания происходят в плоскости рисунка.
Рис. 3.1. Схематическое изображение обычного (а} и плоскополярнзованного (6) света. Свет распространяется перпендикулярно плоскости рисунка; колебания происходят в плоскости рисунка.
Как же можно обнаружить вращение плоскости поляризации света, т. е. проявление оптической активности? Обнаружить и измерить оптическую активность можно с помощью прибора, называемого поляриметром. Схема этого прибора представлена на рис. 3.2. Он состоит из источника света и двух поляроидов или призм Николя; между ними помещается трубка с исследуемым веществом. Призмы Николя расположены таким образом, что свет проходит
Рис. 3.2. Схема поляриметр а.1 — источник света; 2 — поляризатор; 3 — трубка с веществом; 4 — анализатор; 5 — глаз наблюда - теля. Сплошными н пунктирными стрелками обозначено направление плоскости поляризации соответственно до и после прохождения света через оптически активное вещество, а—угол вращения.Рис. 3.2. Схема поляриметр а.1 — источник света; 2 — поляризатор; 3 — трубка с веществом; 4 — анализатор; 5 — глаз наблюда - теля. Сплошными н пунктирными стрелками обозначено направление плоскости поляризации соответственно до и после прохождения света через оптически активное вещество, а—угол вращения.через одну из них (поляризатор}, затем через трубку, затем через вторую призму (анализатор} и наконец попадает в глаз наблюдателя. Если трубка пустая, то максимум света проходит через систему, когда две призмы рас-
Рис. 3.2. Схема поляриметр а.
1 — источник света; 2 — поляризатор; 3 — трубка с веществом; 4 — анализатор; 5 — глаз наблюда - теля. Сплошными н пунктирными стрелками обозначено направление плоскости поляризации соответственно до и после прохождения света через оптически активное вещество, а—угол вращения.
Рис. 3.2. Схема поляриметр а.
1 — источник света; 2 — поляризатор; 3 — трубка с веществом; 4 — анализатор; 5 — глаз наблюда - теля. Сплошными н пунктирными стрелками обозначено направление плоскости поляризации соответственно до и после прохождения света через оптически активное вещество, а—угол вращения.
положены таким образом, что они пропускают свет, колебания которого совершаются в одной и той же плоскости. Если поворачивать вторую призму, то интенсивность света уменьшается и достигает минимума, когда призма расположена перпендикулярно своему первоначальному положению.
Расположим призмы таким образом, чтобы их плоскости поляризации были ориентированы одинаково, т. е. чтобы проходило максимальное коли-
чество света. (На практике легче определить минимум, чем максимум; принцип остается тем же.) Поместим исследуемый образец в трубку. Если вещество не вращает плоскости поляризации, то сохраняется максимальное пропускание света; говорят, что вещество оптически неактивно. Если же вещество вращает плоскость поляризации, то плоскость поляризации света, выходящего из трубки, уже не будет совпадать с плоскостью поляризации второй призмы; т. е. чтобы получить максимум пропускания света, вторую призму необходимо повернуть для совмещения ее плоскости с этой новой плоскостью; в этом случае говорят, что вещество оптически активно. Если вращение плоскости поляризации и, следовательно, вращение второй призмы совершается вправо (по часовой стрелке), то вещество является правовращающим; если вращение происходит влево (против часовой стрелки), вещество является левовращающим.
Можно определить не только сам факт вращения плоскости поляризации и его направление, но также и величину вращения. Величина вращения характеризуется числом градусов, на которые поворачивают анализатор для получения максимума прохождения света. Обозначения (+) и (—) используются для обозначения правого и левого вращения соответственно.
Молочная кислота (стр. 79), выделенная из работающей мышцы, вращает плоскость поляризации вправо и известна как правовращающая молочная кислота, или (+)-молочная кислота. 2-Метилбутанол-1, полученный из сивушного масла (побочного продукта ферментативного брожения крахмала), вращает плоскость поляризации влево и известен как левовращающий 2-ме- тилбутанол-1 или (—)-2-метилбутанол-1.
Удельное вращение
Оптическое вращение создается отдельными молекулами оптически активного соединения, и величина вращения зависит от числа молекул, которые свет встречает при прохождении через трубку с веществом.
В трубке длиной 20 см свет встретит в 2 раза больше молекул, чем в трубке длиной 10 см, и вращение будет вдвое больше. Если активное соединение находится в растворе, то число молекул, взаимодействующих со светом, будет зависеть от концентрации. При заданной длине трубки свет будет взаимодействовать с в 2 раза большим числом молекул в растворе 2 г вещества в 100 мл растворителя, чем в растворе 1 г вещества в 100 мл растворителя, и вращение будет вдвое больше. При определенной длине трубки и концентрации величина вращения, так же как и направление, будут характерными для каждого индивидуального оптически активного соединения.
Удельное вращение — это величина вращения, наблюдаемая в трубке длиной 1 дм для раствора, содержащего 1 г исследуемого вещества в 1 мл. Его обычно рассчитывают из наблюдаемого вращения в трубке любой длины и при различных концентрациях по формуле
Удельное вращение =Удельное вращение =Наблюдаемое вращение (в градусах)Длина трубки (в дм) X г/мл
Удельное вращение =
Удельное вращение =
где d. — плотность чистой жидкости или концентрация раствора.
Удельное вращение представляет собой такое же свойство соединения, как температуры плавления и кипения, плотность или показатель преломления. Удельное вращение 2-метилбутанола-1, выделенного из сивушного мае-
ла I«]d = —5,756° (0,100 рад), где 20 обозначает температуру, a D — длину волны света, при которой производится измерения ID-линия натрия, 5893 А (589,3 нм)].
Задача 3.3. Концентрация раствора холестерина в хлороформе равна 6,15 г в 100 мл раствора. а) При измерении вращения в трубке длиной 5 см получили вращение —1,2° (0,021 рад). Рассчитайте удельное вращение холестерина, б) Какое вращение будет наблюдаться для этого же раствора в трубке длиной 10 см? в) Какое вращение будет наблюдаться, если 10 мл этого раствора разбавить до объема 20 мл и измерения проводить в трубке 5 см?
Задача 3-4. Образец чистой жидкости в трубке длиной 10 см имеет вращение + 45° (0,785 рад). Как определить, что удельное вращение [а] действительно равно +45q (0,785 рад), а не —315° (5,497 рад), +405° (7,067 рад) или +765° (13,349 рад)?
Открытие энантиомерии
Явление оптической активности было открыто в 1815 г. физиком Жаном Батистом Био в Коллеж де Франс.
В 1848 г. в Высшей школе (Ecole Normale) в Париже химик Луи Пастер сделал ряд наблюдений, позднее приведших его к предположению, которое легло в основу стереохимии. Пастер, в те времена еще молодой человек, пришел в Высшую школу из Королевского колледжа в Безансоне (где он получил степень бакалавра с оценкой удовлетворительно по химии) и только что получил степень доктора наук. Он проводил опыты по кристаллографии и, повторяя более ранние работы по изучению солей винной кислоты, заметил то, чего никто ранее не замечал: оптически неактивный натрийаммонийтартрат существовал в виде двух типов кристаллов, которые были зеркальными изображениями друг друга. Используя увеличительное стекло и пинцет, он осторожно и тщательно разделил смесь на две части — правоориентированные и левоориентированные кристаллы, так же как разделяют левые и правые перчатки, лежащие вместе в одной коробке. Исходная смесь была оптически неактивной, но водные растворы каждой группы кристаллов оказались оптически активными'. Удельное вращение двух растворов было совершенно одинаковым по величине, но разным по знаку, т. е. один раствор вращал плоскость поляризованного света вправо, а другой раствор — на такое же число градусов влево. Остальные свойства обоих веществ были совершенно идентичны.
Поскольку различное оптическое вращение наблюдалось для растворов, Пастер сделал вывод, что это характеризует молекулы, а не кристаллы. Он предположил, что молекулы, образующие две группы «зеркальных» кристаллов, являются зеркальными изображениями друг друга. Пастер предположил существование изомеров, строение которых отличается только тем, что они являются зеркальными изображениями друг друга, и свойства которых отличаются только направлением вращения плоскости поляризованного света.
Вант-Гоффу оставалось только указать на то, что тетраэдрический атом углерода объясняет как отсутствие изомеров для соединений формулы CHgY и CH2XY, так и существование зеркальных изомеров (энантиомеров), аналогичных пастеровским винным кислотам.
Энантиомерия и тетраэдрический атом углерода
Теперь необходимо убедиться в том, что зеркальные изомеры действительно существуют. Исходя из реального тетраэдрического строения атома углерода, построим модель соединения CWXYZ, используя шарики различ-
кого цвета для обозначения различных атомов или групп W, X, Y и Z. Представим, что модель находится перед зеркалом, и соберем вторую модель, которая является зеркальным изображением первой. Таким образом, имеются две модели, которые выглядят примерно так:
и обозначают
не совмещаются: изомеруне совмещаются: изомеру
не совмещаются: изомеру
не совмещаются: изомеру
Совместимы ли эти две модели? Нет. Мы можем их вращать и перемещать в пространстве (не допуская разрыва связей); при этом можно совместить только две группы, а две другие не совместятся. Модели не совмещаются и, следовательно, представляют собой два изомера, имеющих формулу CWXYZ.
Зеркальные изомеры существуют реально и, кроме винной кислоты, известны тысячи таких соединений. Здесь приведены две изомерные молочные кислоты и два 2-метилбутанола-1, две хлор иодметансульфокислоты и два emo/7-бутилхлорида.
х/юриовметансулъфокислмпах/юриовметансулъфокислмпавтор- бутилхлоридвтор- бутилхлорид
х/юриовметансулъфокислмпа
х/юриовметансулъфокислмпа
втор- бутилхлорид
втор- бутилхлорид
Как видно из приведенных формул, структуры каждой пары являются зеркальными изображениями; при помощи моделей можно показать, что они несовместимы и поэтому представляют изомеры. (На самом деле это уже проверено, поскольку модели, сделанные для CWXYZ, могут обозначать любую из них.)
В данном случае нет необходимости знать химические свойства этих соединений или даже какую структуру обозначает определенный набор букв (—СООН или СН2ОН); можно только сказать, одинаковы или различны атомы или группы и можно или нельзя совместить модель с ее зеркальным изображением. Даже два изотопа одного элемента, например протий (обычный водород) и дейтерий (тяжелый водород), достаточно различаются, чтобы вызвать определенную изомерию.
а - евйтперозтилбвнзол
Следует помнить, что все предметы имеют зеркальное изображение, включая и все молекулы. Большинство молекул, однако, совместимо с их зеркальными изображениями, как, например, хлорбромметан, и не проявляет зеркальной изомерии.
хлорбромметон, зеркальные изображения совместимы: пет изомериихлорбромметон, зеркальные изображения совместимы: пет изомерии
хлорбромметон, зеркальные изображения совместимы: пет изомерии
хлорбромметон, зеркальные изображения совместимы: пет изомерии
Зеркальные изомеры называются энантиомерами. Поскольку энантиомеры отличаются друг от друга только распределением атомов в пространстве, то они принадлежат к классу стереоизомеров. В разд. 5.6 и гл. 7 будут рассмотрены стереоизомеры, которые не являются зеркальными изомерами друг друга; такие изомеры называются диастереомерами. Таким образом, любые два стереоизомера можно классифицировать как энантиомеры или диастереомеры в зависимости от того, являются ли они зеркальными изображениями друг друга.
Несовместимость зеркальных изомеров, которая приводит к существованию энантиомеров, также обусловливает их оптическую активность; поэтому энантиомеры часто называют оптическими изомерами (одним из типов). В книге этот термин не используется, поскольку ему трудно дать определение (на деле его часто употребляют без определения), и польза от него сомнительна.
Энантиомерия и оптическая активность
Большинство соединений не вращает плоскости поляризованного света. Почему же некоторые соединения ее вращают? Определенного класса оптически активных соединений не существует; оптически активные вещества имеются во всех классах органических соединений. Чтобы выяснить, какие же структурные особенности обусловливают оптическую активность, рассмотрим подробнее, что происходит, когда луч поляризованного света проходит через образец одного чистого соединения.
Когда луч поляризованного света проходит через отдельную молекулу, почти в каждом случае плоскость его поляризации незначительно поворачивается вследствие взаимодействия с заряженными частями молекулы; направление и величина вращения изменяются в зависимости от ориентации определенной молекулы по отношению к лучу. У большинства соединений из-за
беспорядочной ориентации большого числа молекул, входящих в состав даже минимального количества чистого соединения, для каждой молекулы, которую встречает луч, существует другая (идентичная) молекула, ориентированная как зеркальное изображение первой, которая компенсирует ее эффект. В результате вращения не наблюдается, т. е. вещество оптически неактивно. Таким образом, отсутствие оптической активности — свойство не отдельных молекул, а следствие беспорядочного распределения молекул, которые могут служить зеркальными изображениями друг друга.
Следовательно, для отсутствия оптической активности необходимо, чтобы одна молекула соединения была зеркальным изображением другой. Но в случае соединения CWXYZ (разд. 3.7) имеют дело с молекулой, чье зеркальное изображение является не другой идентичной молекулой, а молекулой отличного изомерного соединения. В чистом образце одного энантиомера ни одна молекула не может быть зеркальным изображением другой; вращения отдельных молекул не компенсируют друг друга, и в результате наблюдается оптическая активность. Таким образом, несовместимость зеркальных изображений, обусловливающая энантиомерию, ответственна и за оптическую активность.
Предсказание энантиомерии. Диссимметрия
Молекулы, несовместимые с их зеркальными изображениями, называются диссимметричными.
Диссимметрия — необходимое и достаточное условие для существования энантиомерии. Другими словами: соединение, молекулы которого диссимметричны, может существовать в виде энантиомеров-, соединение, молекулы которого не диссимметричны, не может существовать в виде энантиомеров.
Когда говорят, что молекула и ее зеркальное изображение совместимы, то подразумевают, что если мысленно взять зеркальное изображение, то его можно совместить всеми точками с молекулой. Для того чтобы решить, является ли молекула диссимметричной, строят модели молекулы и ее зеркального изображения и выясняют, можно ли их совместить. Это наиболее надежный путь, поскольку при правильном обращении с моделями он приводит к правильному ответу. Этот прием будет использоваться ниже, пока читатель твердо не усвоит сущность явления. Вообще же построение моделей незаменимо при изучении новых типов соединений.
После того как будет достаточно хорошо усвоено обращение с моделями, можно нарисовать их изображения и мысленно попытаться совместить уже их. Некоторые из них несовместимы, как, например, приведенные ниже:
зеркала
х/юриодметансульфокислота,зеркальные изображения не совместимы: энантиомеры
Эти молекулы диссимметричны, отсюда следует, что хлор иодметансуль- фокислота может существовать в виде энантиомеров, структуры которых приведены выше. •
Для некоторых соединений зеркальные изображения их молекул совместимы, например:
зеркалозеркалохлористый изопропил. Зеркальные изображения совместимы: нет энантиомеровхлористый изопропил. Зеркальные изображения совместимы: нет энантиомеров
зеркало
зеркало
хлористый изопропил. Зеркальные изображения совместимы: нет энантиомеров
хлористый изопропил. Зеркальные изображения совместимы: нет энантиомеров
Эти молекулы не диссимметричны, и мы действительно знаем, что хлористый изопропил не может существовать в виде энантиомеров.
«Я называю любую геометрическую фигуру или любую группу точек хиральной и говорю, что она обладает хиральностью, если ее зеркальное изображение не может быть совмещено с ней» (Лорд Кельвин, 1893 г.).
В 1964 г. Кан, Ингольд и Прелог (см. стр. 88) предложили использовать термины «хиральный» и «хиральность» в смысле, данном Кельвином как синонимы слов «диссимметричный» и «диссимметрия». К сожалению, эти последние термины приняты уже довольно широко. Кроме того, термин «хиральность» использовался совершенно в другом смысле, а именно в смысле «спиральности» определенной молекулы (Кан, Ингольд, Прелог использовали термин «хиральность» для обозначения наличия спиральности. Они ставили вопрос: «Имеет лн данная перчатка хиральность?», а ие: «Какую хиральность — левую или правую — имеет эта перчатка?»)
Независимо от терминологии, несовместимость зеркального изображения с оригиналом является необходимым и достаточным условием для энантиомерии; это также необходимое, но не достаточное условие для появления оптической активности разд. 3-13).
Асимметрический атом углерода
Все до сих пор рассмотренные диссимметричные молекулы принадлежат к типу CWXYZ, т. е. в каждой молекуле имеется атом углерода (С*), связанный с четырьмя различными группами.
НIс2н5—с*—сн2онсн32-метилбутанол-1НIс2н5—с*—сн2онсн32-метилбутанол-1нIсн3—с*—соононмолочная кислотанIсн3—с*—соононмолочная кислотаНс2н5-с*-сн3С1Нс2н5-с*-сн3С1взлор-б^пилхлоридвзлор-б^пилхлорид_ н@-с*-сн3D_ н@-с*-сн3Dа-дейтероэтилбензола-дейтероэтилбензол
Н
Iс2н5—с*—сн2онсн3
2-метилбутанол-1
Н
Iс2н5—с*—сн2онсн3
2-метилбутанол-1
н
Iсн3—с*—соон
он
молочная кислота
н
Iсн3—с*—соон
он
молочная кислота
Нс2н5-с*-сн3С1
Нс2н5-с*-сн3С1
взлор-б^пилхлорид
взлор-б^пилхлорид
_ н
@-с*-сн3
D
_ н
@-с*-сн3
D
а-дейтероэтилбензол
а-дейтероэтилбензол
Атом, углерода, связанный с четырьмя различными группами, называется асимметрическим атомом углерода.
Многие, но не все, молекулы, содержащие асимметрический атом углерода, диссимметричны. Многие, но не все, диссимметричные молекулы содержат асимметрический атом углерода. Существуют молекулы, в которых имеются асимметрические атомы углерода и которые все же не являются диссимметричными (разд. 7.7). В то же время существуют диссимметричные молекулы, не содержащие асимметрического атома углерода (например, задача 15, стр. 262).
Таким образом, наличие или отсутствие асимметрического атома углерода не является критерием диссимметрии. Однако большинство диссимметричных молекул, рассматриваемых в этой книге, содержат асимметрический атом углерода, и полезно научиться выявлять такие атомы; если асимметрический атом найден, то следует выяснить, диссимметрична ли молекула и, еле-
довательно, может ли данное соединение существовать в виде энантиомеров. В разд. 7.7 будет показано, как распознавать молекулы, которые могут не быть диссимметричными, несмотря на наличие асимметрических атомов углерода; такие молекулы содержат более одного асимметрического атома.
После ознакомления с моделями и их изображениями можно перейти к более простым изображениям молекул с асимметрическим атомом углерода, которые можно нарисовать значительно быстрее. Однако к этому методу необходимо подходить с особой осторожностью и строго соблюдать правила его использования. Рисуют крест и у четырех концов помещают четыре группы, которые связаны с асимметрическим углеродом. Подразумевается, что асимметрический атом находится в точке пересечения линий. Принято, что такое изображение соответствует определенной структуре: горизонтальная линия соответствует связям, направленным от плоскости бумаги к наблюдателю, а вертикальная линия — связям, идущим за плоскость бумаги.
Чтобы проверить, совместимы ли эти два плоских изображения трехмерных объектов, следует соблюдать определенную последовательность в работе и придерживаться определенных правил. Во-первых, эти изображения используются только для молекул с асимметрическим атомом углерода. Во- вторых, после того как нарисовано первое изображение, рисуется второе, зеркальное изображение. (Произвольное написание этих формул может привести к совершенно неправильным выводам о числе изомеров.) В-третьих, мысленно можно перемещать эти формулы на бумаге или вращать их, но нельзя вынимать из плоскости бумаги. Этот метод очень удобен, если его правильно использовать, но он малонагляден, и поэтому в сомнительных случаях лучше использовать модели или их изображения.
Энантиомеры
Изомеры, которые являются зеркальными изображениями друг друга называют энантиомерами (от греческого enantio — противоположный). В качестве примера можно привести две различные молочные кислоты, модели которых рассмотрены в разд. 3.7. Энантиомерами являются также и два 2-метилбутанола-1, два втор-бутилхлорида ит. д. Как сравнивают свойства энантиомеров?
Энантиомерам присущи одинаковые физические свойства, за исключением направления вращения плоскости поляризованного света. Например, два 2-метилбутанола-1 имеют одинаковые температуры плавления, температуры кипения, плотности, показатели преломления и любые другие физические константы, которые можно измерить кроме одной: один энантиомер вращает плоскость поляризации света вправо, а другой — влево (табл. 3.1) Этот факт не удивителен, поскольку взаимодействие обоих типов молекул с
их окружением должно быть одним и тем же. Только направление вращения различно; величина вращения одна и та же, однако удельное вращение одного энантиомера +5,756° (0,100 рад), а другого —5,756° (—0,100 рад). Вполне понятно, что эти молекулы, поскольку они столь похожи, вращают плоскость поляризации на один и тот же угол. Молекулы являются зеркальными изображениями друг друга, и то же самое можно сказать об их свойствах: зеркальным изображением движения по часовой стрелке является равное по величине движение против часовой стрелки.
Таблица 3.1
Физические свойства энантиомеров 2-метилбутанола-1
Свойство
(+)-Изомер
(—)-Изомер
Удельное вращение Температура кипения Плотность
Показатель преломления
+5,756°
128,9 °C
0,8193
1,4107
—5,756° 128,9 °C
0,8193
1,4107
Энантиомеры имеют одинаковые химические свойства и отличаются лишь реакционной способностью по отношению к оптически активным реагентам. Обе молочные кислоты не только являются кислотами, но и кислотами одинаковой силы, т. е. будучи растворенными в воде в одинаковой концентрации, обе ионизуют в одинаковой степени. Оба 2-метилбутанола-1 не только образуют одни и те же продукты — ажамыпри действии концентрированной горячей серной кислоты, бромистые алкилы при действии НВг, сложные .эфиры при действии уксусной кислоты, но и образуют их с одинаковой скоростью. Это вполне понятно, поскольку реакционная способность атомов, подвергающихся атаке в каждом случае, зависит от одних и тех же комбинаций заместителей. Реагент, подходящий к любому типу молекул, встречает одинаковое окружение, если не учитывать того, что одно окружение представляет зеркальное изображение другого.
В случае оптически активного реагента влияния, оказываемые на реагент при атаке обоих энантиомеров, не одинаковы и скорости реакций различны, иногда настолько, что реакция с одним из изомеров не протекает совсем. В биологических системах такая стереоспецифичность является правилом, а не исключением, поскольку все важные катализаторы (ферменты) и большинство соединений, получаемых с их помощью, оптически активны. Сахар (+)-глюкоза играет исключительно важную роль в животном метаболизме (разд. 33.3); этот же сахар служит основой многотоннажного ферментативного производства (разд. 15.6). В то же время (—)-глюкоза не является ни продуктом метаболизма животных, ни продуктом ферментации дрожжей. Грибок Penucllium glaucum, внесенный в смесь энантиомерных винных кислот, уничтожает только (+)-изомер и не затрагивает (—)-винную кислоту. Гормональная активность (—)-адреналина во много раз больше, чем активность его энантиомера; только один из изомеров хлоромицетина обладает свойствами антибиотика. (+)-Эфедр ин не только не активен как лекарственный препарат, но даже мешает действию своего энантиомера. Среди аминокислот только один антипод аспарагина и один антипод лейцина обладают сладким в кусом, и только один изомер глутаминовой кислоты улучшает вкус пищи.
Рассмотрим как грубую аналогию правую и левую руки, с одинаковой силой (энантиомеры) забивающие гвоздь (оптически неактивный реагент) и завинчивающие правоориентированный винт (оптически активный реагент).
Забивание гвоздя требует усилий одних и тех же групп мускулов как на правой, так и на левой руках, и поэтому эту операцию можно производить с одинаковой скоростью обеими руками. При ввинчивании винта правой и левой рукой используются различные группы мускулов: например, правый большой палец толкает, в то время как левый тянет.
Теперь рассмотрим реакционную способность энантиомеров, используя представление о переходном состоянии (разд. 2.24).
Сначала рассмотрим реакции двух энантиомеров с оптически неактивным веществом. Реагирующие вещества в обоих случаях имеют одинаковую энергию: один энантиомер и реагент и другой энантиомер и тот же самый реагент. Два переходных состояния реакции представляют собой зеркальные изображения (они энантиомерны) и поэтому обладают одинаковой энергией. Следовательно, различия в энергиях между исходными веществами и переходным состоянием (£акт) одинаковы, и скорости "реакций также одинаковы.
Затем обратимся к реакциям двух энантиомеров с оптически активным реагентом. И здесь исходные вещества обладают одинаковой энергией. Однако переходные состояния уже не являются зеркальными изображениями друг друга (они диастереомерны) и, следовательно, обладают различной энергией; £акт различны, и то же самое можно сказать о скоростях реакции.
Рацемическая модификация
Совокупность равных количеств энантиомеров называется рацемической модификацией. Рацемическая модификация оптически неактивна; в смеси энантиомеров вращение, вызываемое молекулой одного изомера, компенси- руетс.я равным н противоположным по знаку вращением, вызываемым молекулой другого энантиомера.
Для обозначения рацемата используется символ (±), например (±)- молочная кислота или (±)-2-метилбутанол-1.
Полезно сравнить рацемическую модификацию с соединением, молекулы которого совместимы с их зеркальными изображениями, т. е. с недиссимметричным соединением. Оба они оптически неактивны по одной и той же причине. Вследствие беспорядочного распределения большого числа молекул для каждой взаимодействующей со светом молекулы существует вторая молекула, являющаяся зеркальным изображением первой, расположенная так, что она компенсирует эффект первой молекулы. В рацемической модификации оказывается, что эта вторая молекула изомерна первой; для недиссимметричного соединения это не изомер, а другая идентичная молекула, лишь расположенная зеркально по отношению к первой (разд. 3.8).
(Для оптически активного соединения, не загрязненного энантиомером, такая компенсация вращения невозможна, поскольку ни одна из молекул не может служить зеркальным изображением другой независимо от того, насколько беспорядочно распределение.)
Задача 3.5. Для того чтобы подтвердить положения трех предыдущих разделов, постр ойте модели: а) пары энантиомеров, например CHClBrl; б) пары идентичных недиссимметричных молекул, например СН2С1Вг; в) пары идентичных диссимметричных молекул, например CHClBrl. г) Какие пары представляют зеркальные изображения?
Большое практическое значение имеет одно следствие идентичности большинства физических свойств энантиомеров. Их нельзя разделить обычными методами: фракционной перегонкой, потому что температуры кипения их одинаковы; фракционной кристаллизацией, поскольку растворимость их в данном растворителе одинакова (если растворитель не является оптически
активным); хроматографией, потому что они удерживаются с одинаковой силой на данном адсорбенте (если он оптически неактивен). Поэтому разделение рацемической модификации на энантиомеры, или расщепление, требует специального подхода (разд. 7.10).
Впервые расщепление было осуществлено Пастером при помощи увеличительного стекла и пинцета (разд. 3.6). Но этот метод не всегда можно использовать, потому что рацемические модификации редко образуют смеси кристаллов, которые представляют зеркальные изображения. Действительно, даже иатрийаммонийтартрат не образует таких кристаллов, если кристаллизуется при температуре выше 28 °C. В какой-то мере открытию, сделанному Пастером, способствовал прохладный парижский климат и, конечно, доступность винной кислоты, которую он получал от виноделов Франции.
Обычно используют другой метод расщепления, также открытый Пастером н заключающийся в использовании оптически активного реагента; этот метод описан в разд. 7.10.
Пастер, известный своими работами в области бактериологии и медицины, был также талантливым химиком, и его открытия только в химии создали бы ему славу выдающегося ученого.
Оптическая активность: более подробное рассмотрение
В разд. 3.8 было показано, что оптическая активность, как и энантиомерия, возникает вследствие и только вследствие молекулярной диссимметрии, т. е. несовместимости определенных молекул с их зеркальными изображениями. Всякий раз, когда наблюдается (молекулярная) оптическая активность, можно сказать, что имеют дело с диссимметричными молекулами.
Правильно ли обратное утверждение? Всегда ли, когда имеются диссимметричные молекулы, т. е. соединения, существующие в виде энантиомеров, должна наблюдаться оптическая активность? Нет. Было показано, что смесь энантиомеров 50 : 50 оптически неактивна. Чтобы наблюдалась оптическая активность, изучаемое вещество должно содержать избыток одного энантиомера, причем достаточный избыток, чтобы суммарное оптическое вращение можно было определить с помощью имеющегося поляриметра.
Кроме того, этот избыток одного из энантиомеров должен существовать достаточно долго, чтобы можно было измерить оптическую активность. Если энантиомеры легко превращаются друг в друга, то прежде чем удастся измерить оптическую активность, создаваемую одним из энантиомеров, он превратится в равновесную смесь, которая, поскольку энантиомеры имеют одинаковую устойчивость, должна быть смесью 50 : 50 и оптически неактивной.
Даже если соблюдаются все эти условия, величина и, следовательно, возможность определения оптического вращения зависят от строения определенной рассматриваемой молекулы. Например, в соединении I четыре группы, связанные с асимметрическим атомом углерода, отличаются только длиной цепи.
СН2СН3
СН3СН2СП2СН2СН2СН2—С—СН2СН2СН2СН3
СН2СНаСН3
Iэтил-я-пропил-я-бутил-я-гексилметан
Было рассчитано, что вращение этого соединения должно быть 0,00001° (17,45х ХЮ-® рад)—значительно ниже возможностей определения с помощью существующих поляриметров. В 1965 г. оба чистых энантиомера I были получены (задача 19, стр. 1036); показано, что каждый из них оптически неактивен.
На данном этапе не рассматривались скорости превращения энантиомеров д руг в друга. Почти все обсуждаемые в данной книге диссимметричные моле кулы принадлежат к одному из двух экстремальных классов, которые
легко различить: а) молекулы, аналогичные описанным в настоящей главе, дйссимметрия которых обусловлена асимметрическими атомами углерода; здесь взаимное превращение энантиомеров (конфигурационных энантиомеров) настолько медленно, из-за того что требуется разрыв связи, что можно совсем не касаться вопроса о взаимопревращении; б) молекулы, энантиомерные формы которых (конформационные энантиомеры) взаимопревращаются вследствие вращения вокруг простых связей; в данном случае взаимное превращение происходит настолько быстро, что обычно можно даже не ставить вопроса о существовании энантиомеров.
Конфигурация
Расположение атомов, характеризующее определенный стереоизомер, называется конфигурацией.
Используя тест совместимости, пришли, например, к выводу, что существуют два стереоизомерных втор-бутилхлорида; их конфигурации представлены формулами I и II. Предположим, что получены образцы двух соединений, имеющих формулу С2Н5СНС1СН3 (методы приведены в разд. 7.10). Один из них вращает плоскость поляризованного света вправо, а другой — влево; их помещают в сосуды и на сосудах делают соответствующие надписи: (+)- и (—)-втор-бутилхлорид.
втор-бутилхяорид
Были собраны две модели, представляющие две конфигурации этого хлорида, и выделены два изомерных соединения, имеющих соответствующие формулы. Теперь возникает вопрос, какую же конфигурацию имеет каждый изомер? Какую конфигурацию имеет (+)-изомер, I или II? Как определить, какую структурную формулу (I или II) нужно написать на каждом сосуде? Иначе говоря, как приписать ту или иную конфигурацию?
До 1949 г. на вопрос о конфигурации нельзя было ответить в абсолютном смысле ни для одного оптически активного соединения. В 1949 г. Бийо, директор лаборатории Бант-Гоффа в Утрехтском университете (разд. 3.2), сообщил об определении действительного пространственного расположения атомов в оптически активном соединении особым методом рентгеноструктурного анализа (методом аномального рассеяния). Этим соединением была (+)-вин- ная кислота — та же кислота, на примере которой ровно 100 лет назад Пастер открыл оптическую изомерию. До 1949 г. были установлены связи между конфигурацией (+)-винной кислоты и конфигурациями сотен оптически активных соединений (методами, которые будут рассмотрены в разд. 7.4 и 31.6); теперь, когда известна абсолютная конфигурация (+)-винной кислоты, сразу же стали известны и абсолютные конфигурации других соединенний {Для вто/?-бутилхлорида, например, установлено, что (—)-изомер имеет конфигурацию I, а (+)-изомер — конфигурацию II.]
Обозначения конфигурации: R и S
Возникает следующая проблема; как же обозначить определенную конфигурацию каким-то более простым, более удобным способом, чтобы каждый раз не рисовать ее структуру? Для этой цели наиболее широко используют
символы R и S. Эта система обозначений предложена Р. Каном (Химическое общество, Лондон), К. Ингольдом (Университетский колледж, Лондон) и В. Прелогом (Федеральная высшая техническая школа, Цюрих).
Согласно этой системе, сначала определяют старшинство, или последовательность, заместителей, т. е. четырех атомов или групп, связанных с асимметрическим атомом углерода, исходя из правила старшинства (разд. 3.16).
Например, в случае CHClBrI с асимметрическим атомом углерода связаны четыре различных атома, и старшинство их зависит только от атомного номера, причем, чем больше атомный номер, тем старше заместитель. Таким образом, в порядке уменьшения их старшинства атомы располагаются в следующем порядке: I > Br > Cl > Н.
хлорбромиоЗтетан
Затем молекулу располагают, так, чтобы младшая группа была направлена от наблюдателя, и рассматривают расположение оставшихся групп. Если старшинство этих групп уменьшается по часовой стрелке, то конфигурацию обозначают символом R (от латинского rectus — правый); если же старшинство этих групп уменьшается против часовой стрелки, то конфигурацию обозначают символом S (от латинского sinister — левый).
Таким образом, конфигурации I и II выглядят следующим образом:
и обозначаются соответственно символами R и S.
Полное название оптически активного соединения отражает и конфигурацию и направление вращения, как, например, (S)-( +)-етор-бутилхлорид. Рацемическую модификацию можно обозначить символом R.S, например (R ,8)-втор-бутилхлорид.
(Обозначение соединений с несколькими асимметрическими атомами углерода обсуждается в разд. 3.17.)
Конечно, нельзя путать направление оптического вращения соединения (такого же физического свойства реального вещества, как температура кипения или плавления) с направлением нашего взгляда, когда мы мысленно располагаем молекулу каким-то определенным условным образом. Пока для определенного соединения экспериментально не установлена связь между конфигурацией и знаком вращения, нельзя сказать, знак (-р) или (—) соответствует (R)- или (S)-конфигурации.
Правила старшинства
Для простоты изучения и для удобства приведены только основные правила. Сначала студент должен изучить правило 1, а с другими он познакомится по мере необходимости.
Правило старшинства 1. Если с асимметрическим атомом углерода связаны четыре различных атома, то старшинство зависит от атомного номера, причем более старшим будет атом с большим атомным номером. Если два атома являются изотопами одного элемента, то преимущество имеет атом с большим массовым числом. Например, в хлориодметансульфокислоте атомы, согласно их старшинству, располагаются в следующей последовательности: I > Cl > S > Н; в а-дейтероэтилбромиде — Вг > С > D > Н.
С1н
Н—С—SOgHН3С—С—Вг
ID
хлориодметансульфо-а-дейтероэтил-
кислотабромид
Задача 3.6. Соберите модели, а затем нарисуйте эти модели и проекционные формулы, энантиомеров: а) хлориодметансульфокислоты и б) а-дейтероэтилбромида. Обозначьте конфигурацию каждого символом В илн S.
Правило старшинства 2. Если относительное старшинство групп нельзя определить с помощью правила 1, то необходимо провести аналогичное сравнение для следующих атомов в группах (и так далее, если необходимо, двигаясь дальше от асимметрического атома углерода). Иначе говоря, если асимметрический атом углерода связан с одинаковыми атомами, то следует сравнить заместители, связанные с каждым из этих первых атомов. Например, рассмотрим втод-бутилхлорид, в котором с асимметрическим атомом углерода связаны два углеродных атома. В СН3-группе следующими атомами являются Н, Н и Н; в С2Н5-группе — С, Н, Н.
нIсн3—сн2—с—сн3
С1етод-бутилхлорид
Поскольку углерод имеет больший атомный номер, чем водород, то С2Н5 старше. Таким образом, во emop-бутилхлориде заместители, согласно своему старшинству, располагаются следующим образом: С1 > С2Н6 > > сн3 > н.
В З-хлор-2-метилпентане атомы С, С и Н изопропильной группы старше С, Н и Н этильной группы и полная последовательность заместителей будет следующей: С1 > изопропил > этил > Н.
СН3 НСН3 Н
IIII
СН3—СН—С—СН2—СН3СН3—СН—С—СН2С1
II
С1С1
З-хлор-2-метилпентан1,2-дихлор-З-метилпентан
В 1,2-дихлор-З-метилпентане группа СН2С1 старше (Cl, Н, Н) изопропильной (С, С, Н). Хлор имеет больший атомный номер, чем углерод, и то, что имеется два атома углерода и только один С1, не имеет значения. (Один больший номер значит больше, чем два или три меньших.)
Задача 3.7. Расположите по старшинству следующие алкильные группы: СН3, перви ч- ный алкил, вторичный алкил, третичный алкил.
■Задача 3.8. Напишите проекционные формулы и обозначьте символами R или S энантиомеры (если они есть) следующих соединений:
2-хлорпентана СН3СН2СН2СНС1СН3,
З-хлор-2-метилпентана СН3СН2СНС1СН(СН3)СН3,
З-хлор-З-метилпентана СН3СН2С(СН3)С1СН2СН3,
1-хлор-2-метилбутана СН8СН2СН(СН3)СН2С1,
3-хлоргексана СН3СН2СН2СНС1СН2СН3.
Правило старшинства 3. Атом, связанный двойной или тройной связью, считается соответственно за два или три атома. Таким образом.
=А равен=А равен/АХА/АХА/А н =А равен ^-А/А н =А равен ^-А/Ано реальный < старше = АХА/Ано реальный < старше = АХА
=А равен
=А равен
/А
ХА
/А
ХА
/А н =А равен ^-А
/А н =А равен ^-А
/А
но реальный < старше = АХА
/А
но реальный < старше = АХА
Нс=он—с—онСН2ОНглицериновыйальдегидНс=он—с—онСН2ОНглицериновыйальдегид
Н
с=о
н—с—он
СН2ОНглицериновыйальдегид
Н
с=о
н—с—он
СН2ОНглицериновыйальдегид
Например, в глицериновом альдегиде ОН-группа является старшей;
СНО (О, О, Н) старше СН2ОН (О, Н, Н). Полная последовательность заместителей будет —ОН > —СНО > —СН2ОН > —Н.
нн
II
—С=О равна —С—О
О
Фенильная группа С6Н5 рассматривается в виде одной из структур Ке- куле:
В 1-амино-2-метил-1-фенилпропане, например, фенильная группа (С, С, С) старше изопропильной (С, С, Н), но младше, чем N, который имеет больший атомный номер. Последовательность будет NH2 > С6Н5 > С3Н7 > Н.
Н
^5^-С-СН(СН3)2
nh2
[Согласно правилу, оба атома кратной связи удваиваются (или утраиваются), так что С=О становится С—О. Это более простое, но менее точное
О С
правило достаточно для рассматриваемых примеров.]
Задача 3.9. Напишите формулы и обозначьте энантиомеры (если они есть) для следующих соединений:
З-хлорпентена-1,
3-хлор-4-метилпентена-1,
яблочной кислоты НООССН2СНОНСООН,
С6Н5СН(СН3)МН2,
метилэтил-н-пропилизопропилметаиа,
миндальной кислоты С6Н6СНОНСООН,
алаиина СН3СН(МН2)СООН.
3.17. Обозначение конфигурации соединений с несколькими асимметрическими атомами
Существуют соединения с несколькими асимметрическими атомами (например, в гл. 33 будут рассмотрены соединения с пятью асимметрическими атомами углерода). Вопрос об их обозначении не представляет проблемы: обозначают конфигурацию каждого асимметрического атома углерода и, используя нумерацию, указывают, к какому атому относится каждое обозначение.
Рассмотрим, например, 2,3-дихлорпентаны (разд. 7.6). Каждый асимметрический атом углерода, С-2 и С-3, рассматривается по порядку без учета существования другого центра, аналогично примерам, приведенным в разд. 3.15. Согласно правилам старшинства (разд. 3.16), для С-2 получают последовательность Cl > СН3СН2СНС1 > СН3 > Н, а для С-3 — С1 > СН3СНС1> > СН3СН2 > Н. (Почему СН3СНС1 —«старше», чем СН3СН2—?)
сн3сн2—сн—сн—сн3I IС1 С1
2,3-дих лорпентан
При рассмотрении модели определенного стереоизомера сначала концентрируют внимание на С-2 (игнорируя С-3), а затем на С-3 (игнорируя С-2). Стереоизомер I (стр. 216) обозначают как (2S, 35)-2,3-дихлорпентан, а другие изомеры — как (2R, 3R), (2S, 3R) и (2R, 3S).
Рассмотрим таким же образом 2,3-дихлорбутан (разд. 7.7). В этом случае два асимметрических атома углерода эквивалентны, и нет необходимости их нумеровать.
СН3—СН—СН—сн3
I I
С1 С1
2,3-дихлорбутан
Энантиомеры V и VI (стр. 219) обозначаются как (S, 5)-и (R, Р)-2,3-дихлорбу- таны соответственно. Стереоизомер VII можно, конечно, обозначить как (R, S)- или (S, R)-2,3-дихлорбутан; отсутствие нумерации у префиксов подчеркивает эквивалентность двух обозначений. (Стереоизомер VII называют также .мезо-2,3-дихлорбутаном, и это обозначение лучше, чем любое из предыдущих.)
ЗАДАЧИ
Что означают следующие термины:
а) оптическая активность,
к) зеркальные молекулы,
б) поляриметр.
л) энантиомеры,
в) правовращающий,
м) диастереомеры.
г) левовращающий,
н) рацемическая модификация
д) удельное вращение.
о) конфигурация.
е) диссимметрия.
п) R, '
ж) диссимметричная молекула,
P) S,
з) асимметрический атом углерода,
с) +,
и) совместимый,
т) —?
2. а) Какое условие является необходимым и достаточным для проявления энантиомерии? б) Что является необходимым, но не достаточным условием для проявления оптической активности? в) Какие условия должны соблюдаться для наблюдения оптической активности? г) Как вы определите, исходя из формулы, может ли соединение существовать в виде энантиомеров? д) Какие ограничения (если они имеются) должны соблюдаться при использовании плоских формул в вопросе (г)? е) При использовании моделей в
вопросе (г)? ж) Как вы определите, какую конфигурацию— R или S — следует приписать молекуле?'
Сравните следующие данные для правовращающего и левовращающего изомеров втор-бутилового спирта СН3СН2СНОНСН8:
скорость реакции с НВг,ИК-спектр,ЯМР-спектр,адсорбцию на окиси алюминия, л) время удерживания при газожид-скорость реакции с НВг,ИК-спектр,ЯМР-спектр,адсорбцию на окиси алюминия, л) время удерживания при газожид-температуру кипения,
скорость реакции с НВг,
ИК-спектр,
ЯМР-спектр,
адсорбцию на окиси алюминия, л) время удерживания при газожид-
скорость реакции с НВг,
ИК-спектр,
ЯМР-спектр,
адсорбцию на окиси алюминия, л) время удерживания при газожид-
температуру плавления,
удельный вес,
удельное вращение,
костной хроматографии, м) обозначение R или S-костной хроматографии, м) обозначение R или S-показатель преломления,
костной хроматографии, м) обозначение R или S-
костной хроматографии, м) обозначение R или S-
растворимость в 100 г воды,
Какие из нижеприведенных объектов диссимметричны? а) Гвоздь, винт, ножницы, нож, ложка, катушка проволоки; б) перчатка, туфель, носок, свитер, жакет, шарф, завязанный вокруг вашей шен; в) детский кубик, резиновый мяч, пирамида Хеопса, спираль (стр. 1058), двойная спираль (стр. 1064); г) баскетбольный мяч, футбольный мяч, теннисная ракетка, бейсбольная бита, ствол ружья, ствол винтовки; д) ваша рука, ваша нога, ваше ухо, ваш нос, вы сами.
Считая, что ваши руки одинаковой силы и ловкости, какие нз следующих операций вы сможете производить с одинаковой скоростью и эффективностью обеими руками? а) Завинчивать винт, пилить доску, сверлить дыру; б) открывать дверь, открывать бутылку молока, открывать банку с кофе, открывать кран с горячей водой; в) ставить свок> подпись, чинить карандаш, кидать мяч, здороваться, переворачивать страницы.
44
4
4
Алканы
свободнорадикальное замещение
Классификация органических соединений
В основе органической химии лежит теория строения. Все органические соединения можно разделить на классы по их строению. Одновременно такое разделение позволяет классифицировать соединения по их физическим и химическим свойствам. Таким образом, определенная совокупность свойств будет характерной для определенного строения.
Внутри класса свойства могут меняться. Все соединения, относящиеся к определенному классу, например, реагируют с каким-то реагентом, но одни реагируют быстрее, а другие медленнее. И для одного соединения свойства могут изменяться, причем реакционная способность одной части молекулы будет больше, чем другой. Эти изменения в свойствах соответствуют изменениям в строении.
ГГри рассмотрении какого-либо класса органических соединений сначала следует выяснить, какое строение и какие свойства характеризуют данный класс, а затем — как изменяются строение и свойства внутри класса. Необходимо не просто запомнить эти факты, но всякий раз, когда это возможно, постараться понять свойства, исходя из строения, и понять, как изменения в строении соединений влияют на их свойства.
После того как довольно подробно был рассмотрен метан, можно обратиться к более сложным представителям класса алканов. Эти углеводороды были отнесены к тому же ряду, что и метан, на основании их строения, и в целом их свойства те же, что и метана. Однако благодаря большим размерам и большей сложности этих соединений появляются некоторые новые аспекты для рассмотрения их свойств.
Строение этана
Этан QHg является следующим по величине после метана алканом. Если соединить атомы этой молекулы ковалентными связями, следуя правилу о существовании одной связи (одна пара электронов) для каждого атома водорода и четырех связей (четыре пары электронов) для каждого атома углерода, то получается структура
НН¥ ¥
Н:С:С:НН-С-С-Н
ЙНА А
даан
Каждый атом углерода связан с тремя атомами водорода и другим атомом углерода.
Поскольку каждый углеродный атом связан с четырьмя другими атомами, его связывающие орбитали ($р3-орбитали) направлены к вершинам тетраэдра. Как и в случае метана, связи углерод — водород возникают благодаря перекрыванию этих $р3-орбиталей с s-орбиталями водородов. Углерод-углеродная связь возникает в результате перекрывания двух з/Аорбиталей.
Распределение электронов обеих связей — углерод-водородной и углерод-углеродной — одинаково и имеет цилиндрическую симметрию относительно линии, связывающей атомные ядра (рис. 4.1); благодаря такому сходству по форме связи имеют одинаковое название — a-связи (сигма-связи).
Рис. 4.1. Молекула этана. Простая связь углерод — углерод: о-связь.Рис. 4.1. Молекула этана. Простая связь углерод — углерод: о-связь.Рнс. 4.2. Молекула этана: форма и размеры.Рнс. 4.2. Молекула этана: форма и размеры.
Рис. 4.1. Молекула этана. Простая связь углерод — углерод: о-связь.
Рис. 4.1. Молекула этана. Простая связь углерод — углерод: о-связь.
Рнс. 4.2. Молекула этана: форма и размеры.
Рнс. 4.2. Молекула этана: форма и размеры.
В этане углы и длины углерод-водородных связей должны быть такими же, как в метане, т. е. приблизительно 109,5° (1,911 рад) и 1,09 А (10,9 х х 10~2 нм) соответственно. Такая структура этана полностью подтверждена методом дифракции электронов и спектральными исследованиями; соответствующие измерения дали следующие значения для молекулы этана (рис. 4.2): углы связей 109,5° (1,911 рад); длина связи С—Н 1,10 А (11,0-10~2 нм) и длина связи С—С 1,54 А (15,4-10~2 нм). Аналогичные исследования показали, что эти величины с небольшими отклонениями характерны для углов связей и длин связей углерод — водород и углерод — углерод в алканах.
Свободное вращение вокруг простой углеродуглеродной связи. Конформации.
Торсионное напряжение
Приведенные выше значения углов и длин связей не ограничивают нас одним-единственным расположением атомов в молекуле этана, поскольку не определено отношение между атомами водорода, связанными с одним атомом углерода, и атомами водорода, связанными с другим. Возможно расположение типа I, в котором атомы водорода находятся точно друг за другом, и расположение типа II, когда атомы водорода, связанные с одним углеродным атомом, расположены между атомами водорода, связанными с другим атомом углерода, т. е. заторможены, а также неопределенное число промежуточных расположений. Какое же из них отвечает истинному строению этана? Все.
заслоненная конформациязаторможенная конформациязаслоненная конформациязаторможенная конформация
заслоненная конформациязаторможенная конформация
заслоненная конформациязаторможенная конформация
о-Связь между атомами углерода имеет цилиндрическую симметрию относительно линии, связывающей два ядра углерода; перекрывание и, следовательно, прочность связи должны быть одинаковыми для всех этих расположений. Если различные расположения атомов в молекуле не отличаются по энергии, то молекула не ограничена каким-либо одним расположением, а может свободно изменяться из одного в другое. Поскольку такой переход происходит в результате вращения вокруг углерод-углеродной связи, то говорят, что существует свободное вращение вокруг простой углерод-углеродной связи.
ttзаслоненнаяконформациязаслоненнаяконформацияН НН Н
t
t
заслоненная
конформация
заслоненная
конформация
Н Н
Н Н
заторможенная конформациязаторможенная конформация
заторможенная конформация
заторможенная конформация
заторможеннаяконформация
Угол поворота. —>•
Рис. 4.3. Зависимость потенциальной энергии этана от угла поворота вокруг простой углерод-углеродной связи.
Различные расположения атомов, которые могут взаимно превращаться друг в друга путем вращения вокруг простых углерод-углеродных связей, называются конформациями. Конформация I называется заслоненной, а конформация II—заторможенной (промежуточные конформации носят название скошенных).
Для изображения различных конформаций очень удобны так называемые проекции Ньюмена (по имени М. С. Ньюмена, Университет штата Огайо, который впервые предложил их использование).
Однако некоторые физические свойства свидетельствуют о том, что вращение вокруг простой углерод-углеродной связи не совсем свободно: существует энергетический барьер около 3 ккал/моль (12,56-I03 Дж/моль). Потенциальная энергия молекулы минимальна для заторможенной конформации; эта энергия возрастает при вращении и достигает максимума для заслоненной конформации (рис. 4.3). Большая часть молекул этана,естественно, существу-
ет в виде наиболее устойчивой заторможенной конформации; другими словами, любая молекула большую часть времени находится в наиболее устойчивой конформации.
Насколько свободно вращение в молекулах этана для перехода из одной заторможенной конформации в другую? Барьер в 3 ккал (12,56-103 Дж) не является очень высоким; даже при комнатной температуре энергия столкновений достаточно велика, чтобы происходило быстрое взаимопревращение между заторможенными конформациями. Для большинства практических целей можно считать, что вокруг простой углерод-углеродной связи существует свободное вращение.
Природа вращательного барьера в этане непонятна или, что не совсем то же самое, нелегко объяснима- Этот барьер слишком велик, чтобы быть вызванным только вандер- ваальсовыми силами (разд. 1.16): атомы водорода, связанные с различными углеродными атомами, хотя и находятся ближе в заслоненной конформации, чем в заторможенной, но не настолько велики, чтобы вызвать значительные стерические препятствия. Считают, что такой барьер возникает в какой-то мере из-за взаимодействия электронных облаков углерод-водородных связей. Квантовомеханические расчеты показали, что такой барьер может существовать, и, таким образом, «отсутствие понимания» равнозначно трудности перевода математических данных на язык физики. Как и орбитали связей в метане, две труппы, орбиталей в этане стремятся расположиться максимально далеко друг от друга, т, е. находиться в заторможенной конформации.
Энергия, необходимая для вращения вокруг углерод-углеродной связи в этане, называется торсионной энергией. Говорят, что относительная неустойчивость заслоненной конформации или любой промежуточной скошенной конформации возникает вследствие торсионного напряжения.
При замене атомов водорода в этане на другие атомы или группы атомов возникают иные факторы, влияющие на относительную устойчивость конформеров: вандерваальсовы силы, диполь-дипольные взаимодействия, водородная связь. Но тенденция орбиталей связей соседних атомов углерода находиться в заторможенной конформации остается, и любое отклонение от заторможенной конформации приводит к появлению торсионного напряжения.
Пропан и бутаны
Следующий член ряда пропан С3Н8. Исходя из того, что водород образует одну связь, а углерод — четыре, для пропана можно написать структуру I-
пропанIпропанI
пропан
I
пропан
I
В данном случае вращение возможно вокруг двух связей углерод — углерод, и оно довольно свободно. Хотя метильная группа значительно больше водорода, барьер вращения[3,3 ккал/моль (13,82-103 Дж/моль)] лишь
немного больше, чем в этане. Очевидно, и здесь все еще нет значительных стерических препятствий в заслоненной конформации, и барьер вращения возникает главным образом благодаря тому же самому фактору, что и в этане: торсионному напряжению.
Для бутана С4Н10 уже возможны две структуры — II и III. В соединении II имеется цепь из четырех углеродных атомов, а в структуре III — из трех атомов углерода с разветвлением.
н н н нн н н
н—с—с:—с—с—нн—с—с—с—н
Н Н НННН
н-бутанН—С—Н
ИН
изобутан
III
Без сомнения, эти формулы представляют различные структуры, поскольку ни перемещением, ни вращением вокруг углерод-углеродных связей эти структуры нельзя совместить. В структуре с прямой цепью (II) каждый атом углерода связан по крайней мере с двумя атомами водорода, тогда как в разветвленной структуре (III) один из атомов углерода связан только с одним атомом водорода; можно заметить, что в разветвленной структуре (III) один атом углерода связан с тремя углеродными атомами, тогда как в структуре с прямой цепью (II) ни один из атомов углерода не связан больше чем с двумя другими углеродными атомами.
Таблица 4.1
Физические свойства изомерных бутанов
Изомер
Т. кип-, СС
Т. пл., СС
Уд. вес при
—20 °C
Растворимость в 100 мл спирта, мл
н-Бутан
0
—138
0,622
1813
Изобутан
—12
—159
0,604
1320
В соответствии с предсказанным были получены два соединения с одной и той же формулой С4Н10. Эти два вещества несомненно являются различными соединениями, поскольку они имеют различные физические и химические свойства (табл. 4.1); например, одно из них кипит при О °C, а другое — при —12 °C.
Установлено, что бутан с т. кип. О °C имеет прямую цепь, а бутан с т. кип. —12 °C — разветвленную цепь. Чтобы различать два изомера, бутан с прямой цепью называют я-бутаном (нормальным бутаном), а бутан с разветвленной цепью — изобутаном.
Задача 4.1. а) Не учитывая стереоизомеров, напишите структурные формулы всех возможных монохлорпроизводных н-бутана; изобутана, б) Какие из них (если такие есть) могут существовать в виде стереоизомеров? в) Сколько фракций можно было бы собрать при тщательной перегонке смеси всех монохлорпроизводных н-бутана; изобутана? г) Можно ли установить структуры изомерных бутанов на основании этих данных?
Задача 4.2. Ответьте на вопросы задачи 4.1 для случая дихлорпроизводных н-бутана и изобутана. (Вернитесь к этому вопросу после изучения гл. 7-)
Конформации н-бутана. Вандерваальсово отталкивание
Рассмотрим подробнее молекулу н-бутана и конформации, в виде которых он существует. Если рассматривать молекулу вдоль связи С2—С3, то
н шн шскошенные конформации(гош. -панформа циа)
н ш
н ш
н-бутан
Угол поворота- —»-Угол поворота- —»-Рис. 4.4. Зависимость потенциальной энергии н-бутана от угла поворота вокруг связи?С2 Cs.Рис. 4.4. Зависимость потенциальной энергии н-бутана от угла поворота вокруг связи?С2 Cs.получается молекула, аналогичная этану, только у каждого атома углерода один из водородов заменен на метильную группу. Как и в случае этана, торсионная энергия заторможенных конформаций меньше, и, следовательно,.
Угол поворота- —»-
Угол поворота- —»-
Рис. 4.4. Зависимость потенциальной энергии н-бутана от угла поворота вокруг связи?
С2 Cs.
Рис. 4.4. Зависимость потенциальной энергии н-бутана от угла поворота вокруг связи?
С2 Cs.
они более устойчивы, чем заслоненные. Но благодаря наличию метильных групп появляются два новых аспекта для рассмотрения: во-первых, существует несколько различных заторможенных конформаций, и, во-вторых, кроме торсионного напряжения, появляются другие факторы, влияющие на конформационную устойчивость.
Существует антн-конформация (I), в которой метильные группы максимально удалены друг от друга [двугранный угол равен 180° (3,141 рад)]. Существуют две скошенные, или гош-конформации (II и III), в которых метильные группы образуют угол 60° (1,047 рад); они представляют несовместимые зеркальные изображения друг друга (постройте модели и убедитесь, что это так).
Установлено, что анти-конформация более устойчива [на 0,9 ккал/моль (3,77-10s Дж/моль)[, чем скошенная (рис. 4.4). В обеих конформациях тор-
сионное напряжение отсутствует. Но в скошенной конформации метильные группы находятся рядом, т. е. ближе, чем сумма их вандерваальсовых радиусов; при этих условиях вандерваальсовы силы являются силами отталкивания (разд. 1.16) и повышают энергию конформации. Говорят, что имеется вандерваальсово отталкивание (или пространственное отталкивание) между метильными группами и что молекула менее устойчива благодаря вандер- ваальсову напряжению (или пространственному напряжению).
Вандерваальсовы силы могут влиять не только на относительную устойчивость различных заторможенных конформаций, но также и на высоту энергетических барьеров между ними. Энергетический максимум, достигаемый, когда две метильные группы расположены одна за другой, а не за атомами водорода, представляет собой максимальный вращательный барьер; найдено, что он равен 4,4—6,1 ккал/моль (18,42-10®—25,54-103 Дж/моль).
Конформационные изомеры
Существует несколько различных заторможенных конформаций н-бу- тана, каждой из которых соответствует энергетический минимум, отделенный от других энергетическими максимумами. Различные конформации, соответствующие энергетическим минимумам, называются конформационными изомерами, или конформерами. Поскольку конформационные изомеры отличаются друг от друга только ориентацией атомов в пространстве, они принадлежат к общему классу, называемому стереоизомерами. Как и любые другие стереоизомеры, пара конформеров может быть или не быть зеркальным изображением друг друга (разд. 3.7).
н-Бутан существует в виде трех конформационных изомеров: одного анти й двух скошенных. Скошенные конформеры (II и III) являются зеркальными изображениями друг друга, и, следовательно, они (конформационные) энантиомеры (разд. 3.2). Конформеры I и II (или I и III) не будут зеркальными изображениями друг друга, и, следовательно, они (конформационные) диастереомеры.
Барьер вращения в н-бутане немного выше, чем в этане; тем не менее он достаточно низок для того, чтобы при обычных температурах легко и быстро происходило взаимопревращение конформеров. Существует равновесие, которое сдвинуто в сторону более устойчивого анти-конформера; содержание двух скошенных конформеров — зеркальных изомеров, имеющих одинаковую устойчивость, конечно, одинаково. Иначе говоря, любая молекула большую часть времени находится в анти-конформации, а меньшую часть времени поровну находится в каждой из двух скошенных конформаций. Эти изомеры нельзя разделить вследствие их быстрого взаимопревращения.
Задача 4.3. Расчеты и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что двугранный угол между метильными группами в скошенной конформации н-бутана в действительности немного больше 60° (1,047 рад). Как вы это объясните?
Задача 4.4. Учитывая только вращение вокруг указанной связи, нарисуйте кривую изменения потенциальной энергии в зависимости от угла поворота (как на рис. 4.4) для следующих соединений: a) (СН3)2СН—СН(СН3)2; б) (СН3)2СН—СН2СН3; в) (СН3)3С—С(СН3)3. г) Сравните величины различных энергетических барьеров друг с другом и с приведенными на рис. 4.4. д) Сколько конформеров существует для каждого соединения; отметьте пары (конформационных) энантиомеров? е) Для каждого соединения укажите относительное содержание различных конформеров.
Легкое взаимопревращение характерно почти для всех конформационных изомеров, и это свойство отличает их от стереоизомеров, рассмотренных в гл. 3. Различие в легкости взаимного превращения возникает вследствие
различий в высоте энергетического барьера, разделяющего стереоизомеры, которые в свою очередь обусловлены различной природой барьеров. Согласно определению, взаимное превращение конформационных изомеров происходит вследствие вращения вокруг простых связей; вращательный барьер в большинстве случаев очень низок, и такое превращение происходит легко и быстро. Другой тип стереоизомеров — конфигурационные изомеры, или инверсионные изомеры; они отличаются друг от друга конфигурацией асимметрического атома углерода. В этом случае превращение одного изомера в другой происходит в результате разрыва ковалентной связи, энергетический барьер которой очень высок: 50 ккал/моль (209,34-103 Дж/моль) или больше (разд. 2.16). Взаимопревращение происходит с трудом и, если нет специальных условий для его осуществления, очень медленно.
Взаимное превращение стереоизомеров имеет большое практическое значение, потому что оно ограничивает возможность их выделения. Стереоизомеры, с трудом превращающиеся друг в друга, можно разделить (специальными методами разделения энантиомеров) и изучить в индивидуальном виде; помимо других свойств, можно измерить их оптическую активность. Изомеры, легко превращающиеся друг в друга, нельзя разделить, и поэтому исследовать индивидуальные изомеры невозможно; оптической активности не наблюдается, поскольку любые диссимметричные молекулы присутствуют в виде нерасщепляемых рацемических модификаций.
Общий подход к изучению стереоизомеров включает два этапа: сначала проверяют совместимость возможных изомерных структур и затем возможность их взаимного превращения. При этом лучше использовать модели. Строят модели двух молекул и без какого-либо вращения вокруг простых связей пытаются совместить их: если их нельзя совместить, то, следовательно, они представляют изомеры. Затем в результате свободного вращения вокруг про- стых связей получают различные конформеры и снова пытаются совместить их; если и теперь они не совмещаются, то, следовательно, их нельзя превратить друг в друга и они являются конфигурационными изомерами; если же их можно совместить после вращения, то они взаимопревращаемы и представляют конформационные изомеры.
При рассмотрении тех аспектов стереохимии, которые связаны с выделением стереоизомеров, т. е. числа изомеров или оптической активности, или при исследовании реакции одного стереоизомера можно не учитывать существования легко взаимопревращаемых изомеров, т. е. большинства конформационных изомеров. Для удобства при обсуждении и решении задач в данной книге используется следующее «основное правило»:термины «стереоизомеры^, «энантиомеры» и «диастереомеры», если не оговорено, относятся только к конфигурационным изомерам, в том числе и к геометрическим изомерам (разд. 5.6), и не включают конформационные изомеры. Последние обозначаются как «конформационные изомеры», «конформеры», «конформационные энантиомеры» и «конформационные диастереомеры».
Четкой границы между легко и трудно взаимопревращаемыми стереоизомерами не существует. Взаимное превращение конфигурационных изомеров происходит с трудом; в то же время взаимное превращение конформационных изомеров не обязательно происходит легко. В зависимости от размеров и природы заместителей барьер вращения вокруг простых связей может быть очень различным — от очень низкого, как, например, в этане, до высокого, сравнимого с энергией разрыва ковалентной связи. Такие конформационные изомеры существуют, и их можно легко разделить, хранить н исследовать; исследование таких изомеров (атропоизомеров) составило большой и очень важный раздел стереохимии, который в данном учебнике, посвященном изложению основ органической химии, к сожалению, нельзя рассмотреть. Существуют другие конформационные изомеры, которые можно выделить, но ие при обычных температурах, а при более низких, когда средняя энергия столкновений мала. В этой книге рассматриваются конформационные изомеры, для которых барьеры вращения низки; при классификации стерео-
изомеров на конфигурационные и конформационные можно считать, если не оговорено, что их в то же время классифицируют как трудно и легко взаимопревращаемые.
Задача 4.5. Кристаллизацией при низких температурах, когда энергия столкновений мала, были выделены две изомерные формы сильно пространственно затрудненного СНВг2—СНВг2. а) Нарисуйте формулу (или формулы) (ньюменовские проекции), соответствующие каждой выделенной форме, б) Какая из них (или обе формы, выделенные при низкой температуре) будет оптически активной? Объясните.
Конформационный анализ.
Диполъ-дипольные взаимодействия
Только что было сказано, что для многих практических целей можно игнорировать существование конформационных изомеров. Почему же-тогда необходимо познакомиться с такими понятиями, как конформации и конформационные изомеры?
Свойства соединения зависят от строения его молекул и, в частности, от их формы. При вращении вокруг простых связей происходит изменение формы молекулы. «Соединение» редко представляет собой совокупность идентичных неизменяющихся молекул. Скорее, если речь идет о форме, это набор различных молекул; кроме того, в разные моменты времени любая индивидуальная молекула, вероятно, будет иметь различную форму.
Если преобладает одна форма молекулы — одна конформация, физические свойства соединения отражают эту предпочтительную конформацию. Если же имеется несколько конформаций, то это отразится и на физических свойствах: некоторые свойства, например дипольные моменты или большинство ЯМР-спектров, представляют среднее свойств ряда индивидуальных конформаций; другие свойства, например ИК-спектры или некоторые низкотемпературные ЯМР-спектры, представляют сумму свойств различных конформаций. В любом случае конформация, присутствующая в большем количестве, дает больший вклад и индивидуально и как вклад в среднее. Относительное содержание каждой конформации, т. е. период времени, в течение которого молекула находится в определенной конформации, зависит от их относительной устойчивости.
Химические свойства также зависят от относительной устойчивости конформаций реагирующих молекул или конформаций переходных состояний, через которые протекают реакции. В некоторых случаях устойчивость конформации только изменяет реакционную способность или ориентацию; однако в других реакциях она может быть контролирующим фактором.
Для понимания физических и химических свойств соединения необходимо знать, на основе каких факторов можно оценивать относительную устойчивость конформаций.
Уже известны два фактора, влияющие на конформационную устойчивость: торсионное напряжение и вандерваальсовы силы. Еще один фактор, который необходимо учитывать, это диполь-дипольное взаимодействие.
В разд. 1.16 вандерваальсовы силы и диполь-дипольные взаимодействия рассматривались как два типа сил, действующих между молекулами; вследствие стремления системы к стабилизации расстояния между молекулами и их взаимное расположение в среднем таковы, что обе эти силы являются силами притяжения. Вандерваальсовы силы могут действовать между различными частями одной и той же молекулы; в данном случае вследствие больших ограничений для относительного расположения взаимодействующих атомов это могут быть как силы отталкивания, так и силы притяжения, и, следовательно, они могут либо стабилизовать, либо дестабилизовать конформацию.
Диполь-дипольные взаимодействия могут также возникать между различными частями одной и той же молекулы и, следовательно, стабилизовать или дестабилизовать ту или иную конформацию. Они стабилизуют конформации, в которых противоположно заряженные части сближены, и дестаби- лизуют конформации, в которых сближены одинаково заряженные части.
Например, предпочтительной конформацией 1,2-дибромэтана будет анти- конформация (I). Существуют доказательства, что эта предпочтительность возникает не только благодаря вандерваальсовым силам отталкивания между большими атомами брома, но также и благодаря тенденции отрицательных (Вг) концов диполей располагаться на максимальном расстоянии друг от друга. (В действительности для аналогичного 1,2-дихлорэтана, по-види- мому вследствие меньших размеров атомов хлора, вандерваальсово отталкивание благоприятствует скошенной конформации и лишь диполь-дипольное отталкивание делает пн/тш-конформацию более устойчивой. Это происходит только в газовой фазе, где отсутствует растворитель, ослабляющий диполь- дипольные взаимодействия.)
Задача 4.6. а) Каким должен быть дипольный момент для инти-конформации 1,2-дихлорэтана СН2С1—СН2С1? б) Измеренный при 32 °C в газовой фазе дипольный момент 1,2-дихлорэтана равен 1,12 Д (3,70-10~30 Кл-м). Что можно сказать о конформационном составе соединения на основании этого одного факта? в) Из моментов связей было определено, что скошенная конформация 1,2-дихлорэтана должна иметь дипольный момент, равный примерно 3,2 Д (10,56-10—30 Кл-м). Что вы можете сказать, не стараясь быть точными, о конформационном составе соединения при 32 °C? (Сравните задачу 16, стр. 141.) Для жидкого соединения дипольный момент меньше. Как должен измениться конформационный состав?
Высшие алканы. Гомологический ряд
Из рассмотрения молекулярных формул приведенных алканов видно, что бутан содержит на один атом углерода и два атома водорода больше, чем пропан, который в свою очередь содержит на один атом углерода и два водорода больше, чем этан, и т. д. Ряд соединений, в котором каждый член отличается от предыдущего на постоянную структурную единицу, называется гомологическим рядом, а члены этого ряда — гомологами. Ряд алканов образует гомологический ряд, причем структурной единицей, на которую отличаются два соседних члена ряда, будет метиленовая группа СН2. В каждом из этих алканов число атомов водорода на два больше, чем удвоенное число у глеродных атомов, так что можно написать общую формулу для членов этого ряда СпНал+г. В следующих главах будет показано, что каждый гомологический ряд характеризуется своей формулой.
В соответствии с общей формулой алканов следующий член ряда, пентан, имеет формулу С6Н12, затем гексан С6Н14, гептан С7Н16 и т. д. С увеличением числа атомов углерода возрастает число их возможных расположений. Если рассмотреть ряд алканов, то число изомеров последующих гомо-
логов увеличивается с удивительной скоростью. Существует три изомерных пентана, 5 гексанов, 9 гептанов, 75 деканов (С10); для эйкозана с 20 атомами углерода возможно 366 319 изомерных структур. Углеродные скелеты изомерных пентанов и гексанов приведены ниже.
ПентаныПентаныС—с—С—С—Сн-пентан,т. кип. 36 °CС—С—С—С—С—Ст. кип. 69 °CС—с—С—С—Сн-пентан,т. кип. 36 °CС—С—С—С—С—Ст. кип. 69 °CС—С—С—СС изопентан, т. кип. 28 °CГексаны С—С,—С,—С,—С,Iст. кип. 60 °CС—С—С—СС изопентан, т. кип. 28 °CГексаны С—С,—С,—С,—С,Iст. кип. 60 °CСIС—С—ССIС—С—Снеопентан,т. кип. 9,5°Cнеопентан,т. кип. 9,5°CС—С—С—С—СIст. кип. 63 °CС—С—С—С—СIст. кип. 63 °C
Пентаны
Пентаны
С—с—С—С—С
н-пентан,т. кип. 36 °C
С—С—С—С—С—С
т. кип. 69 °C
С—с—С—С—С
н-пентан,т. кип. 36 °C
С—С—С—С—С—С
т. кип. 69 °C
С—С—С—С
С изопентан, т. кип. 28 °C
Гексаны С—С,—С,—С,—С,
Iс
т. кип. 60 °C
С—С—С—С
С изопентан, т. кип. 28 °C
Гексаны С—С,—С,—С,—С,
Iс
т. кип. 60 °C
С
IС—С—С
С
IС—С—С
неопентан,т. кип. 9,5°C
неопентан,т. кип. 9,5°C
С—С—С—С—СIс
т. кип. 63 °C
С—С—С—С—СIс
т. кип. 63 °C
СIс—с—с—ссСIс—с—с—ссС—с—с—сС—с—с—с
С
Iс—с—с—сс
С
Iс—с—с—сс
С—с—с—с
С—с—с—с
т. кип. 50 °Cт. кип. 50 °Cт. кип. 58 °Cт. кип. 58 °C
т. кип. 50 °C
т. кип. 50 °C
т. кип. 58 °C
т. кип. 58 °C
Необходимо поупражняться в написании возможных изомерных структур, соответствующих одной молекулярной формуле. Большую пользу принесут молекулярные модели, поскольку с их помощью можно показать, что многие структуры, которые на бумаге кажутся различными, на самом деле идентичны.
Задача 4.7. Не учитывая стереоизомеров, напишите структурные формулы: а) девяти изомерных гептанов (С,Н16); 6) восьми изомерных хлорпентанов (С5НИС1); в) девяти изомерных дибромбутанов (С4Н8Вг2).
Номенклатура
Названия метан, этан, пропан, бутан и пентан используются для алканов, содержащих соответственно один, два, три, четыре и пять атомов углерода. В табл. 4.2 приведены названия многих высших алканов. Названия алканов, кроме первых четырех членов ряда, строятся на основе греческого слова, обозначающего число атомов углерода в алкане, с добавлением окончания -ан; так, пентан в случае пяти, гексан для шести, гептан для семи, октан для восьми и т. д.
Студент должен запомнить названия по крайней мере десяти первых алканов. Одновременно он узнает названия первых десяти алкенов, алкинов, спиртов и т. д., поскольку названия многих классов соединений производятся от названий алканов. Сравните, например, названия пропан, пропен и пропин для соответственно алкана, алкена и алкина, содержащих три атома углерода.
Но почти каждый алкан может иметь ряд изомерных структур, и для каждой должно быть собственное название. Для обозначения изомерных бутанов и пентанов используются различные приставки: н-бутан и изобутан; я-пентан, изопентан и неопентан. Но существует 5 гексанов, 9 гептанов и 75 деканов; трудно было бы различать и еще труднее запомнить различные приставки для каждого изомера. Очевидно, необходим какой-то систематический метод построения названий.
Таблица 4.2
Названия алканов
Формула
Название
Формула
Название
сн4
Метан
С9Н20
Нонан
С2Н6
Этан
С10Н22
Декан
СзН8
Пропан
С11Н24
Ундекан
G4H10
Бутан
^12^26
Додекан
О5Н12
Пентаи
С14Н30
Тетрадекан
С6нм
Гексан
^16^34
Гексадекан
С?Н16
Гептан
CigHgg
Октадекан
^8^18
Октан
С20Н42
Эйкозан
По мере развития органической химии было предложено несколько различных систем для построения названий почти каждого класса органических соединений; каждая новая система предлагалась, когда используемую ранее уже нельзя было применить для множества новых более сложных органических соединений. Существует несколько систем, с которыми необходимо познакомиться. Даже если бы мы могли ограничиться только одной системой, необходимо все же понимать названия, используемые другими химиками; отсюда и следует необходимость знакомства с различными номенклатурами органических соединений. Но сначала следует познакомиться с названиями определенных групп, встречающихся в органической химии.
Алкильные группы
В неорганической химии оказалось удобным дать названия определенным группам атомов, которые составляют только часть молекулы и встречаются во многих других молекулах как отдельная единица. Например, группу NH^ называют аммонием, NO3 — нитратом, SO^ — сульфитом и т. п.
Аналогично даны названия определенным группам, которые постоянно встречаются как структурные единицы в органических молекулах. Хлорме- тан СН3С1 иначе называют хлористым метилом. Группу СН3 всегда называют метилом, причем СН3Вг — это бромистый метил, СН31 — иодистый метил и СН3ОН — метиловый спирт. Аналогично группа С2НБ называется этилом, С3Н7 — пропилом, С4Не — бутилом и т. п.
Названия этих групп получаются заменой окончания -ан в названии соответствующего алкана на -ил. Такие группы известны под названием алкильных групп. Общая формула алкильных групп СпН2п+1, поскольку они содержат на один атом водорода меньше, чем исходный алкан СпН2п+2.
И в случае алкильных групп возникает проблема изомерии. Существует только один хлористый метил или хлористый этил и соответственно только одна метильная группа или одна этильная группа. Однако возможны два хлористых пропила (I и II) и, следовательно, две пропильные группы.
Н Н Н
I I I
Н—С—С—С—С1
н н нхлористый н-пропил
I '
н н н
I I Iн—с—с—с—н
I I I
Н С1 нхлористый изопропил
II
сн3сн2сн2—сн3сн2сн2—я-пролиля-пролилОбе эти группы содержат цепь пропана, но отличаются местом присоединения хлора; они называются «пропил и изопропил. Можно различить два хлорида по названиям хлористый н-пропил и хлористый изопропил; также различаются два бромистых пропила, иодистых пропила, два спирта и т. д.
сн3сн2сн2—
сн3сн2сн2—
я-пролил
я-пролил
CH3CHCH3
Iизопропил
Существуют четыре бутильные группы — две, полученные из бутана с нормальной цепью (н-бутана), и две, полученные из бутана с разветвленной цепью (изобутана). Их обозначают: «-(нормальный), «/«Ор-(вторичный), U3O'- и трет-(третичный), как показано ниже. И здесь различие между «-бутилом и emop-бутилом и между изобутилом и mpem-бутилом заключается в месте присоединения алкильной группы к остальной части молекулы.
СН3СН2СН2СН2—я-бутилСН3СН2СН2СН2—я-бутилизобутилизобутилСН3СН2СНСН3етор-бутилСН3
СН3СН2СН2СН2—
я-бутил
СН3СН2СН2СН2—
я-бутил
изобутил
изобутил
СН3— С— сн3 mpem-бутил
Для следующих членов ряда число изомерных алкильных групп, образуемых из каждого алкана, становится настолько большим, что невозможно обозначить их все различными приставками. Эта система удобна и широко используется только для обозначения небольших групп, описанных выше; студент должен запомнить эти названия и научиться сразу же узнавать эти группы, в каком бы виде они ни присутствовали.
В случае больших групп одно из многих возможных расположений может быть также легко обозначено с помощью этой простой системы. Приставка н- используется для обозначения любой алкильной группы, в которой все углеродные атомы образуют прямую цепь и в которой место присоединения находится на концевом атоме углерода, например:
СН3(СН2)4СН2С1 н-гексилхлоридСН3(СН2)4СН2С1 н-гексилхлоридСН3СН2СН2СН2СН2С1
СН3(СН2)4СН2С1 н-гексилхлорид
СН3(СН2)4СН2С1 н-гексилхлорид
я-пентилхлорид
Приставка изо- используется для обозначения любой алкильной группы (с шестью атомами углерода или меньше), которая имеет одно разветвление на втором с конца углеродном атоме и место присоединения находится на противоположном конце цепи, например:
снзх>СНСН2СН2С1 СН/изопентилхлоридснзх>СНСН2СН2С1 СН/изопентилхлоридСН™)СН(СН2)2СН2С1СН3СН™)СН(СН2)2СН2С1СН3изогексилхлоридизогексилхлорид
снзх
>СНСН2СН2С1 СН/
изопентилхлорид
снзх
>СНСН2СН2С1 СН/
изопентилхлорид
СН™
)СН(СН2)2СН2С1
СН3
СН™
)СН(СН2)2СН2С1
СН3
изогексилхлорид
изогексилхлорид
Если же разветвление или место присоединения находится в лю бом другом положении, то это название не используется.
После того как мы познакомились с названиями некоторых алкильных групп, вернемся к первоначальной проблеме названия алканов.
106
Тривиальные названия
Как уже было показано, приставки я-, изо- и нео- достаточно дифференцируют различные бутаны и пентаны, но для следующих членов ряда понадобилось бы неприемлемо большое число приставок. Однако приставка н- сохраняется для любого алкана независимо от величины, в котором углеродные атомы образуют прямую цепь без разветвлений
СН3СН2СН2СН2СН3я-пентанСН3СН2СН2СН2СН3я-пентанСН3(СН2)4СН3н-гексанСН3(СН2)4СН3н-гексан
СН3СН2СН2СН2СН3я-пентан
СН3СН2СН2СН2СН3я-пентан
СН3(СН2)4СН3н-гексан
СН3(СН2)4СН3н-гексан
Изоалканом называют соединение с шестью (или менее) углеродными атомами, в котором эти атомы углерода, кро ме одного, образуют прямую цепь, а один атом углерода присоединен ко второму от конца углеродному атому цепи:
сн3сн3сн3сн3'3'3изогексанизогексанСНЗХ
сн3
сн3
сн3
сн3
'3
'3
изогексан
изогексан
>СНСН2СН3
СИ/'
изопентан
Для названия любого высшего алкана используется система IUPAC, правила которой приведены в следующем разделе.
(Некоторые алканы удобно рассматривать как производные метана, например I на стр. 86.).
Номенклатура IUPAC
Для разработки системы номенклатуры, которую можно было бы использовать даже для самых сложных соединений, периодически с 1892 г. собирались различные комитеты и комиссии, в состав которых входили химики всего мира. В результате была выработана система правил, которая известна как система IUPAC (Международный союз чистой и прикладной химии). Поскольку эта система во многом одинакова для всех классов органических соединений, она будет более подробно рассмотрена для алканов.
Правила системы IUPAC следующие:
В качестве основы выбирается самая длинная цепь атомов углерода, и считается, что соединение образуется из этой структуры при замене атомов водорода на различные алкильные группы. Изобутан (I) можно представить как пропан, в котором один из атомов водорода замещен на метильную группу,
и, следовательно, назвать метилпропаном.
СН3СНСН3
СН3СН2СН2СНСН3
СН3СН2СНСН2СН3
сн3
СН3
СН3
метилпропан (изобутан)
2-метилпентан
3-метилпентан
I
II
III
2. Когда необходимо,
как, например, у
изомерных метилпентанов (II
и III), указывают номер атома углерода, к которому присоединена алкиль
ная группа.
Основную углеродную цепь нумеруют арабскими цифрами так, чтобы ■цифры, указывающие положение боковых цепей, были наименьшими: структуру II называют 2-метидпентаном, а не 4-метилпентаном.
Если одна и та же алкильная группа встречается более одного раза, то перед ней ставят приставку ди-, три-, тетра- и т. д., чтобы указать число
этих групп, и обозначают различными цифрами положение каждой группы, например, 2,2,4-триметилпентан (IV).
СН,
сн3
сне
сн3снсн2с—сн3
сн3сн2сн2сн—сн—с—сн,сн,
сн3 сн3
СН СН, СН,
CHj^H, СН,
2,2,4-триметилпентан IV
4-метил-3,3-диэтил-5-изопропилоктан V
При наличии нескольких различных алкильных групп их перечисляют или в порядке возрастания величины, или в алфавитном порядке, например -4-метил-3,3-диэтил-5-изопропилоктан (V).
Для названия очень сложных алканов существуют дополнительные правила, однако приведенных выше основных правил достаточно для названия соединений, обсуждаемых в этой книге.
Задача 4.8. Назовите по системе ШРАС: а) изомерные гексаны, приведенные на стр. 103; б) девять изомерных гептанов (см. упражнение 4.7, стр. 103).
Задача 4.9. По системе ШРАС н-пропил- и изопропилхлориды называют 1-хлор- и 2-хлорпропанами. Исходя из этого, назовите: а) восемь изомерных хлорпентанов; б) девять изомерных дибромбутанов (см. упражнение 4-7, стр. 103).
.Типы углеродных и водородных атомов
Каждый атом углерода в алкане очень удобно классифицировать с точки зрения числа связанных с ним других углеродных атомов. Первичный (1°) углеродный атом связан только с одним другим углеродным атомом, вторичный (2°) углеродный атом соединен с двумя, а третичный (3°) — с тремя другими атомами углерода, например:
1°
н
2° 2°
1° н
1° 3° 1° н н н
1° 3° 2е
Н Н н
1°
н
Н
Н
Н—С—
-С-
1
-С-
1
-с—н
нсiсн
Н—С—С—
„сн
Н
А
1 Н
1 н
X XKjV>1
А А
А А
1 н
Н—с—н
Н—с—н
н
1 Н
Iе
1е
Аналогично классифицируют атомы водорода, причем их обозначают как первичные, вторичные или третичные, так же как и атомы углерода, с которыми они связаны.
Такие обозначения постоянно используются при рассмотрении относительной реакционной способности различных частей молекул алкана.
Физические свойства
Физические свойства алканов аналогичны физическим свойствам метана и находятся в соответствии со строением алкана. В молекуле алкана атомы удерживаются вместе ковалентными связями, которые соединяют либо два
атома одного типа и, следовательно, неполярны, либо два атома, очень мало различающиеся по своей электроотрицательности, и, следовательно, только малополярны. Кроме того, эти связи симметричны, так что полярность их взаимно компенсируется. В результате молекула алкана неполярна.
Как уже говорилось в разд. 1.16, силы, удерживающие неполярные молекулы вместе (вандерваальсовы силы), слабы и действуют на очень небольшом расстоянии; они действуют только между сближенными частями различных молекул, т. е. между поверхностями молекул. Следовательно, внутри класса можно ожидать, что, чем больше молекула и, следовательно, чем больше ее поверхность, тем сильнее межмолекулярные силы.
Таблица 4.3
Физические свойства алканов
Название
Формула
т. пл., °C
T. кип., Ю
Плотность при 20 °C
Метан
сн4
—183
—162
Этан
СН8СН3
—172
—88,5
Пропан
СНзСНзСНз
—187
—42
я-Бутан
СН3(СН2)2СН3
—138
0
я-Пентан
СН3(СН2)3СН3
—130
36
0,626
я-Гексан
СН3(СН2)4СН3
—95
69
0,659
я-Гептан
СН3(СН2)5СН3
—90,5
98
0,684
я-Октан
СНЙ(СН2)6СН3
—57
126
0,703
я-Нонан
СНз^Н^^Нз
-54
151
0,718
я-Декан
СН3(СН2)8СН,
—30
174
0,-730
я-Ундекан
СН3(СН2)9СН3
—26
196
0,740
я-Додекан
СН3(СН2)10СНд
—10
216
0,749
я-Тридекан
СН3(СН2)иСН3
—6
234
0,757
я-Тетрадекан
СН3(СН2)12СН3
5,5
252
0,764
н-Пентадекан
СН3(СН2)13СН3
10
266
0,769
н-Гексадекан
СН^СН^СН,
18
280
0,775
я-Гептадекан
СН3(СН2)16СН3
22
292
я-Октадекан
СН3(СН2)16СН3
28
308
я-Нонадекан
СН3(СН2)17СНз
32
320
н-Эйкозан
СН8(СН2)18СН3
36
Изобутан
(СН3)2СНСН3
—159
—12
Изопентан
(СН3)2СНСН2СН3
—160
28
0,620
Неопентан
(СН3)4С
—17
9,5
Изогексан
(СН3)2СН(СН2)2СН3
—154
60
0,654
З-Метилпентан
СН3СН2СН(СН3)СН2СН3
-118
63
0,676
2,2-Диметилбутан
(СН8)3ССН2СН3
—98
50
0,649
2,3-Диметилбутан
(СН3)2СНСН(СН3)2
—129
58
0,668
В табл. 4.3 приведены некоторые физические константы н-алканов. Из данных таблицы очевидно, что температуры кипения и плавления повышаются с увеличением числа атомов углерода. Процесс кипений и плавления требует преодоления межмолекулярных сил в жидкости и твердом теле; температуры кипения и плавления повышаются, потому что межмолекулярные силы возрастают с увеличением размеров молекул.
За исключением низших алканов, температуры кипения повышаются на 20—30 °C с увеличением длины цепи на один атом углерода; инкремент 20—
30 °C на один атом углерода сохраняется не только для алканов, но также и для других гомологических рядов, рассматриваемых в этой книге.
Для температуры плавления такая закономерность отсутствует, поскольку межмолекулярные силы в кристалле зависят не только от размера молекул, но также и оттого, как они упакованы в кристаллической решетке.
Первые четыре н-алкана представляют собой газы, следующие 13 (С6— С17) — жидкости, а алканы с 18 и более атомами углерода — твердые вещества.
Задача 4.10. Используя данные табл. 4.3, постройте графики зависимости температуры кипения, температуры плавления и плотности от числа атомов углерода в алкане.
Разница в температурах кипения алканов, содержащих одинаковое число атомов углерода, но имеющих различное строение, несколько меньше. На стр. 97 и 103 приведены температуры кипения изомерных бутанов, пентанов и гексанов. В каждом случае изомер с разветвленной цепью имеет более низкую температуру кипения, чем изомер с прямой цепью, и, кроме того, чем больше разветвлений, тем ниже температура кипения. Таким образом, н-бутан кипит при 0 °C, а изобутан — при —12 °C. н-Пентан кипит при 36 °C, изопентан (одно разветвление) — при 28 °C, а неопентан (два разветвления)— при 9,5 °C. Подобное влияние разветвления на температуру кипения наблюдается для всех классов органических соединений. Понижение температуры кипения с увеличением разветвлений вполне понятно: форма разветвленных молекул стремится к сферической; при этом площадь поверхности уменьшается и в результате уменьшаются межмолекулярные силы, которые теперь преодолеваются при более низкой температуре.
В соответствии с эмпирическим правилом «подобное растворяется в подобном» алканы растворимы в неполярных растворителях, таких, как бензол, эфир и хлороформ, и нерастворимы в воде и других сильно полярных растворителях. При использовании алканов в качестве растворителей следует помнить, что они растворяют малополярные соединения и не растворяют сильнополярные.
Плотность возрастает с увеличением размеров алканов, но имеет тенденцию к пределу около 0,8; таким образом, все алканы легче воды. Не удивительно, что почти все органические соединения имеют плотность, меньшую плотности воды, поскольку, как и алканы, они состоят в основном из углерода и водорода. В общем случае, чтобы соединение было тяжелее воды, оно должно содержать тяжелый атом, например бром или иод, или несколько таких атомов, как хлор.
Промышленные источники
Основными источниками алканов служит нефть и сопутствующий ей природный газ. Гниение и миллионы лет геологических преобразований превратили сложные органические соединения, из которых состояли растения и животные, в смесь алканов, имеющих в своем составе от одного до 30— 40 атомов углерода. Одновременно с алканами образовывались и циклоалканы (гл. 9), которые присутствуют в значительном количестве, например в калифорнийской нефти, и которые известны в нефтяной промышленности под названием нафтенов.
Природный газ содержит только более летучие алканы, т. е. алканы с низким молекулярным весом; в основном он состоит из метана и значительно меньших количеств этана, пропана и высших алканов. Например, обра-
но
зец, взятый из трубопровода, снабжающего газом большое число фабрик Пенсильвании, содержит метан, этан и пропан в отношении 12 : 2 : 1; содержание высших алканов составляет только 3%. Пропан-бутановую фракцию отделяют от более летучих компонентов сжижением и под давлением помещают в баллоны; баллоны с газом применяются в быту.
Таблица 4.4
Состав нефти
Фракция
*Т. кип., °C
Число атомов углерода
Газ
Петролейный эфир
Лигроин (легкий бензин) Природный бензин
Керосин
Газойль (соляровое масло) Смазочные масла
Асфальт или нефтяной кокс
Ниже 20
20—60
60—100
40—205
175—325
Выше 275
Нелетучие жидкие продукты
Нелетучие твердые вещества
Ci—с4
С5—С6
Се—Су
С5—Сю и циклоалканы
Cis—Cie и ароматические углеводороды
С12 н выше
Вероятно длинные цепи, связанные с циклами
Полициклические соединения
Фракционной перегонкой нефти получают различные фракции (табл. 4.4); поскольку температура кипения зависит от молекулярного веса, перегонка приводит к грубому разделению алканов в зависимости от числа атомов углерода. Каждая фракция представляет собой очень сложную-смесь алканов с различным числом атомов углерода, и каждый алкан представлен несколькими изомерами. Использование каждой фракции зависит главным образом от ее летучести или вязкости и очень мало от того, является ли она сложной смесью или чистым соединением.
Все нелетучие фракции используются в основном как топливо. Газовая, фракция, как и природный газ, применяется в основном также как топливо. Бензин используется в двигателях внутреннего сгорания, работающих на летучем топливе, керосин — в тракторах и форсунках реактивных двигателей, а соляровое масло — в дизелях. Керосин и соляровое масло находят также применение как топливо.
Фракция смазочных масел, особенно из пенсильванской нефти, часто- содержит большие количества алканов с длинной цепью (С20—С84), которые имеют довольно высокие температуры плавления. Если они остаются в масле, то при холодной погоде они могут кристаллизоваться с образованием воскообразных твердых веществ. Чтобы предотвратить это, масло охлаждают и воск отделяют фильтрованием. После очистки получают твердый парафин (т. пл. 50—55 СС), который можно использовать для получения вазелина. Асфальт используют при строительстве крыш и дорог. Нефтяной кокс, получаемый из остатка от перегонки нефти, состоит из сложных углеводородов, в которых отношение углерод : водород велико; он находит применение как топливо, а также в производстве угольных электродов для электрохимической промышленности.
Петролейный эфир и лигроин являются хорошими растворителями для многих малополярных органических соединений. Кроме того, некоторые петролейные фракции используют для синтеза других соединений. В результате крекинга (стр. 137) высшие алканы превращаются в алканы и алкены с меньшим молекулярным весом; таким образом, повышается выход бензина. Кроме того, образующиеся при крекинге алкены служат важным сырьем для
синтеза алифатических соединений в больших масштабах. В результате каталитического реформинга (стр. 361) алканы и циклоалканы превращаются в ароматические углеводороды, используемые в качестве сырья для синтеза, другого обширного класса органических соединений.
Получение в промышленности и в лаборатории
Обычно методы получения определенных органических соединений делят на две группы: промышленные и лабораторные. Эти методы можно охарактеризовать следующим образом, хотя, конечно, имеется много исключений.
В результате синтеза в промышленных масштабах обычно получают большое количество нужного материала по низкой цене. В лаборатории требуется синтезировать несколько сот граммов или даже несколько граммов вещества или еще меньше; цена обычно имеет меньшее значение, чем время, затраченное на синтез.
В промышленности часто можно использовать не только чистое соединение, но и требуемое соединение в смеси с другими; даже когда требуется одно соединение, может быть экономически выгодно выделять его из смеси, особенно если одновременно можно выделить и другие соединения. В лаборатории химику почти всегда требуется индивидуальное чистое соединение. Выделение чистого вещества из смеси родственных соединений требует много времени, и часто не удается достигнуть нужной степени чистоты. Кроме того, сырье для определенного синтеза может быть труднодоступным веществом из предыдущего синтеза или даже серии синтезов, и, следовательно, химики заинтересованы в наиболее полном превращении его в нужное соединение. В промышленном масштабе, если нельзя выделить соединение из природного сырья, его можно синтезировать наряду с родственными соединениями в результате какой-то экономичной реакции. В лаборатории, если возможно, выбирают реакцию, в которой образуется одно соединение с хорошим выходом.
В промышленности часто бывает выгодна разработка процесса и проектирование аппаратуры, которые можно использовать для синтеза только одного представителя класса. В лаборатории химик редко заинтересован в многократном получении одного и того же соединения и, следовательно, исполь- зуетметоды, которые применимы ко многим или ко всем представителям опре деленного класса.
При изучении органической химии основное внимание уделяется различным лабораторным методам синтеза, а не отдельным промышленным способам получения. При изучении этих методов в целях упрощения можно использовать в качестве примеров синтез соединений, которые в действительности данным методом никогда не получались. Например, обсуждается получение этана гидрированием этилена, хотя этан в необходимом количестве дает нефтяная промышленность. Однако если известно, как можно превратить этилен в этан, то, если возникнет необходимость, таким же путем можно превратить 2-метилгексен-1 в 2-метилгексан, холестерин в холестанол или хлопковое масло в маргарин.
Методы синтеза
Каждый из низших алканов, от метана до «-пентана и изопентана, может быть получен в чистом виде фракционной перегонкой нефти или природного газа; неопентан в природе не встречается. После пентана число изомеров для каждого гомолога становится настолько большим и различия в темпера-
турах кипения настолько малы, что уже трудно выделить индивидуальные чистые соединения; эти алканы можно синтезировать одним из приведенных ниже методов.
В некоторых из рассматриваемых реакций символ R используется для обозначения любой алкильной группы. Это удобное обозначение позволяет объединить реакции, характерные для всего класса, и обратить внимание на аналогию различных представителей класса.
При написании общих реакций, однако, не следует забывать одно важное обстоятельство. Например, уравнение с RC1 в качестве примера имеет смысл только с точки зрения возможности проведения данной реакции в лаборатории с каким-то реальным соединением, например хлористым метилом или т/гет-бутилхлоридом. Эта реакция, типичная для алкилгалогенидов, сильно различается по скорости или выходам в зависимости от природы алкильной группы, участвующей в реакции. Можно использовать различные экспериментальные условия для хлористого метила и для трет-бутилхло- рида; в редких случаях реакция, которая хорошо идет с хлористым метилом, может быть совершенно неприменима для т/?е/п-бутилхлорида, поскольку будет протекать слишком медленно или приводить к большому числу побочных продуктов.
МЕТОДЫ СИНТЕЗА АЛКАНОВ
Гидрирование алкенов (разд. 6.3)
Ho+Pt, Pd или Ni^п^^п* СпН2п+2
алкеналкан
Восстановление алкилгалогенидов
Гидролиз реактива Гриньяра (разд. 4.18)
н2о
RX + Mg ► RMgX > RH
реактивГриньяра
Пример:
Mgшо
СН3СНгСНСН3 >• СН3СН2СНСН3 —^- СН3СН2СНСН3
III
BrMgBrН
бромистыйвтор-бутилмагний-«-бутан
emop-бутилбромид
Восстановление металлом в кислоте (разд. 4.17)
RX + Zn + Н+ >■ RH + Zn2+ + X-
Пример:
Zn, Н+сн3сн2снсн3 —>■ СН3СН2СНСН3
BrН
бромистыйя-бутан
втор-бутил
Реакция Вюрца (разд. 4.19)
2RX + 2Na *- R — R + 2NaX (только симметричные алканы1)
Примеры:
Na2СН3СН2СН2С1 > СН3СНаСН2—СНаСНаСН3хлористыйн-гексан
я-пропил
СН3СН3 СНа
СН3(!:Н—С1 —^>- СН3Ан—(!:НСН3хлористый2,3-диметилбутан
изопропил
Наиболее важный из этих методов — гидрирование алкенов. При встряхивании с водородом под невысоким давлением в присутствии небольших количеств катализатора алкены количественно превращаются в алканы с тем же углеродным скелетом. Метод ограничен только доступностью алкенов. Это не очень серьезное ограничение; как будет показано в разд. 5.12, алкены легко получить в основном из спиртов; в свою очередь спирты различного строения можно без труда синтезировать (разд. 15.10).
Восстановление алкилгалогенидов реактивом Гриньяра или непосредственно металлом в кислоте заключается в прямой замене галогена на атом водорода; углеродный скелет остается нетронутым. Этот метод имеет те же ограничения, что и предыдущий, поскольку алкилгалогениды, как и алкены, легко получаются из спиртов. Если можно использовать оба метода, то следует предпочесть гидрирование алкенов, так как он проще и дает лучшие выходы.
Реакция Вюрца — единственный метод построения нового углеродного скелета. Этот метод ограничен синтезом симметричных алканов R — R.
Реактив Гриньяра
При прибавлении раствора ал кил галогенида в сухом диэтиловом эфире (^Н^О к металлическому магнию при перемешивании происходит бурная реакция; раствор мутнеет, начинает кипеть, а металлический магний постепенно исчезает. Получающийся раствор называется реактивом Гриньяра по имени Виктора Гриньяра (Лионский университет), который в 1912 г. получил за это открытие Нобелевскую премию. Это один из наиболее полезных и многосторонних реагентов, известных химику-органику.
Реактив Гриньяра имеет формулу RMgX и общее название алкилмагний- галогенид. Считается, что связь углерод — магний является ковалентной, но сильно полярной; связь магний — галоген по существу ионная.
эфир
CHgl+Mg *- CH8MgIиодистыйметилмагний-
метилиодид
эфир
CH3CHaBr + Mg >- CH3CHaMgBr
бромистыйэтилмагний-
этилбромид
R:Mg+:X:
В действительности строение реактива Гриньяра значительно сложнее, чем приведенное; для некоторых реактивов Гриньяра может и не существовать молекул RMgX; тем не менее для удобства эта формула используется химиками-органиками.
Поскольку магний связывается с тем же углеродным атомом, с которым раньше был связан галоген, алкильная группа при синтезе реагента остается неизменной. Таким образом, из хлористого н-пропила образуется н-пропил- магнийхлорид, а из хлористого изопропила — изопропилмагнийхлорид.
СН3СН2СН2С1 + Mg хлористый я-пропилСН3СНС1СН3 + Mg хлористый изопропилСН3СН2СН2С1 + Mg хлористый я-пропилСН3СНС1СН3 + Mg хлористый изопропилэфир»- CH3CH2CH2MgClн-пропилмагний- хлоридэфир>- CH3CHMgClCH3изопропилмагнийхлоридэфир»- CH3CH2CH2MgClн-пропилмагний- хлоридэфир>- CH3CHMgClCH3изопропилмагнийхлорид
СН3СН2СН2С1 + Mg хлористый я-пропил
СН3СНС1СН3 + Mg хлористый изопропил
СН3СН2СН2С1 + Mg хлористый я-пропил
СН3СНС1СН3 + Mg хлористый изопропил
эфир
»- CH3CH2CH2MgCl
н-пропилмагний- хлорид
эфир
>- CH3CHMgClCH3
изопропилмагнийхлорид
эфир
»- CH3CH2CH2MgCl
н-пропилмагний- хлорид
эфир
>- CH3CHMgClCH3
изопропилмагнийхлорид
Использование реактива Гриньяра связано с его высокой реакционной способностью. Он реагирует с различными неорганическими соединениями, включая воду, двуокись углерода, кислород, и с большим числом органических соединений; во многих случаях подобная реакция представляет собой наилучший путь синтеза определенного класса органических соединений.
Реакция с водой, приводящая к образованию алкана, характеризует отношение реактива Гриньяра к кислотам. Как уже говорилось, связь углерод — магний сильно полярна или, другими словами, имеет в значительной степени ионный характер. Следовательно, реактив Гриньяра можно считать солью магния RMgX и очень слабой кислоты R—Н. В реакции
RMgX + НОН ^R—Н + Mg(OH)X
более сильная более слабаякислотакислота
более слабая кислота R — Н вытесняется из ее соли более сильной кислотой НОН.
Алкан — настолько слабая кислота, что он вытесняется из реактива Гриньяра соединениями, которые обычно сами считаются очень слабыми кислотами или даже совсем не считаются кислотами. Любое соединение, содержащее водород, связанный с кислородом или азотом, будет значительно более кислым, чем алкан, и, следовательно, оно может разлагать реактив Гриньяра, например аммиак или метиловый спирт
RMgX + NH3 > R-H + Mg(NH2)X
более сильная более слабаякислотакислота
RMgX + СН3ОН ►R—Н + Mg(OCH3)X
более сильная более слабаякислотакислота
Для получения алкана можно использовать любую кислоту, поэтому естественно, что берут наиболее доступную и удобную — воду.
Задача 4.11. Реакция альдегида с реактивом Гриньяра — важный метод получения спиртов. Почему, прежде чем добавлять альдегид к реактиву Гриньяра, его необходимо тщательно высушить?
Задача 4.12. Почему не получают реактива Гриньяра из ВгСН2СН2ОН?
Реакция Вюрца
Реакция Вюрца имеет ограниченное применение, поскольку она приводит к соединению двух алкильных групп и, таким образом, к алкану с большим числом атомов углерода, чем в исходных веществах. Таким образом мож-
но получить этан из бромистого метила, w-бутан из бромистого этила и 2,3- диметилбутан из бромистого изопропила
Na2СН3Вг > СН3—СН3
бромистыйэтан
метил
Na2СН3СН2Вг > СН3СН2—СН2СН3
бромистый этилн-бутан
СН3СН3 СН3
INa ||
2СН3—СН—Вг > СН3СН— СНСН3
бромистый изопропил 2,3-диметилбутан
Реакция Вюрца пригодна только для синтеза симметричных алканов R—R. Например, этим методом нельзя получить с хорошим выходом пропан. Если натрий реагирует со смесью бромистого метила и бромистого этила, то действительно образуется пропан; но он будет в смеси с этаном, образовавшимся при соединении двух метильных групп, и н-бутаном, образовавшимся из двух этильных групп. Значительное количество реагентов расходуется на образование ненужных продуктов; кроме того, возникает проблема разделения. Следовательно, реакция Вюрца непригодна для синтеза несимметричных алканов R—R'(R и R' — различные алкильные группы).
Хотя многие реакции простых алкилгалогенидов можно распространить и на более сложные галогенсодержащие соединения, это не относится к реакции Вюрца. Металлический натрий —• очень реакционноспособное вещество, и он будет реагировать не только с галогеном, но и с любой другой группой, которая может быть в более сложном соединении. Например, реакцию Вюрца нельзя применять для соединений, в которых, кроме галогена, имеется НО-группа, поскольку натрий будет реагировать с гидроксильной группой быстрее, чем с галогеном (разд. 16.6).
Механизм реакции Вюрца сложный и до конца еще не выяснен, но ясно, что в реакции сначала образуется натрийорганическое соединение, аналогичное магнийорганическому соединению, описанному выше,
RX + 2№ > RNa + NaX
которое затем реагирует со второй молекулой алкилгалогенида
RNa + RX > R—R + NaX
(Реактив Гриньяра менее реакционноспособен, чем натрийорганическое соединение: он реагирует только с некоторыми очень реакционноспособными органическими соединениями.)
Реакции
Инертность метана к большинству реагентов характерна для всех алканов. Как и метан, высшие алканы вступают в относительно небольшое число реакций; все они протекают только в жестких условиях и, как правило, приводят к смеси продуктов. Обычно это свободнорадикальные цепные реакции.
Можно объяснить в общем виде эти характерные реакции алканов. Только очень реакционноспособная частица — атом или свободный радикал — может атаковать молекулу алкана. Возникновение этой активной частицы требует жестких условий: например, диссоциации молекулы галогена на атомы или даже (как при пиролизе) диссоциации самой молекулы алкана.
При атаке реакционноспособная частица отщепляет водород от алкана; сам алкан при этом превращается в реакционноспособную частицу, которая продолжает реакцию, т. е. продолжает цепь. Но молекула алкана содержит большое число атомов водорода, и получаемый продукт зависит от того, какой атом водорода отщепляется. Хотя атакующая частица может проявлять определенную селективность, она может отщеплять водород от любой части молекулы и, таким образом, вызывать образование многих изомерных продуктов.
РЕАКЦИИ АЛКАНОВ
Галогенирование (разд. 4.21—4.24)
250—400 °C или освещение I
»■ —С—х + нх
обычносмесь
Реакционная способность Х2: С12>Вг2
Реакционная способность Н: третичный > вторичный > первичный > СН3—Н
Пример:
сн3сн3сн3
„ IС12||
СН,—СН—СН3> СН3—СН—СН2С1 и сн3—с—снэ
С1 изобутанхлористый изобутил трет-бутилхлорид
Внедрение метиленовой группы (СН2) (разд. 4.33)
CH2N2 диазометан,
илиСОилиСОУФ-светI
или
СО
или
СО
—С—Н +—С—Н +или > _С_СН2—Н +
—С—Н +
—С—Н +
СН2=С=О|
кетенобычно смесь
Пример:
СН2К2
CHgCHjCHjCHjCHg ———> УФ-свет
н-пентан
>- СН3СН2СН2СН2СН2СНз + CHgCHsCHsCHCHg + СН3СН2СНСН2СН3
II
сн3сн3
н-гексан2-метилпентан 3-метилпентан
Горение (разд. 4.34)
пламя
СпН2п42 + избыток О2 >• «СО2 + (и + 1) Н2О
ДЯ = теплота сгорания
Пример:
н-С6Ни + 8О2 -^^- 5СО2 + 6Н2О, ДЯ = —845 ккал (3537,45-103 Дж)
Пиролиз (крекинг) (разд. 4.35)
400-600 СС
Алкан► Н. + Меньший алкан + Алкены
в присутствии илибез катализатора
Галогенирование
Как и следовало ожидать, галогенирование высших алканов по существу протекает так же, как и галогенирование метана. Однако оно может усложняться образованием смеси изомеров.
Под влиянием ультрафиолетового света или при 250—400 °C хлор или бром превращают алканы в хлоралканы (хлористые алкилы) или бромалканы (бромистые алкилы); одновременно выделяется эквивалентное количество хлористого или бромистого водорода. Установлено, что при разбавлении инертным газом и в специальной аппаратуре, в которой отводится выделяющееся тепло, фтор реагирует аналогично. Как и в случае метана, иодирование высших алканов не происходит.
Из одного алкана в зависимости от того, какой атом водорода замещается, может образоваться несколько изомерных продуктов. Из этана может образоваться только один галогенид; пропан, н-бутан и изобутан могут дать два изомера, н-пентан — три изомера и изопентан — четыре. Экспериментально показано, что при галогенировании алкана образуется смесь всех возможных изомерных продуктов, что свидетельствует о способности всех водородных атомов подвергаться замещению. Например, при хлорировании
СН3СН3СН3СН3С12,освещение, 25 °CС12,освещение, 25 °CСНдСН,—С1СНдСН,—С1
СН3СН3
СН3СН3
С12,освещение, 25 °C
С12,освещение, 25 °C
СНдСН,—С1
СНдСН,—С1
этанэтанхлорэтан(хлористый этил),т. кип. 13 °C
этан
этан
С12, СН3СН2СН3*■ СН3СН2СН,—С1 и СН3СНСН.
32 d освещение, 25 °C2318
Cl
пропанпропан
пропан
пропан
т. кип. 47 °C,1-хлорпропан(хлористыйн-пропил), 45%
т. кип. 36 °C, 2-хлорпропан (хлористый изопропил), 55%
СН3СН2СН2СНа
Cl2,
освещение, 25 °C
СН3СН„СН2СН2—Cl
и
С1
СН3СН2СНСН3
я-бутан
СН3
С12,
Т. КИП. 78,5 °C,1-хлорбутан(хлористый я-бутил),28%
СН3
т. кип. 68 °C,2-хлорбутан(хлористый в/пор-бутил),72%
СН3
CHgCHCHg --?
освещение, 25 °C
СН3СНСН2—С1
и
СН3—С—СН3
изобутан
т. кип. 69 °C,1 -х лор-2-мети лпропан
С1
т. кип. 51 °C,
2-хлор-2-метилпропан
(хлористый изобутил), (хлористый трет-бутил), 64%36%"'
Бромирование приводит к соответствующим бромидам, но в другом соотношении:'
СН8СН3СН8СН3Вг2,освещение, 127 °CВг2,освещение, 127 °CСН3СН2ВгСН3СН2Вг
СН8СН3
СН8СН3
Вг2,освещение, 127 °C
Вг2,освещение, 127 °C
СН3СН2Вг
СН3СН2Вг
этан
СН8СН2СН3:► СН8СН2СН2Вг и сн„снсн8
освещение, 127 °C 3223
Вг
пропан3%97%
СН3СН2СН2СН3СН3СН2СН2СН3Вг2,освещение, 127 °CВг2,освещение, 127 °CСН3СН2СН2СН2ВгСН3СН2СН2СН2Вг«-бутан«-бутан2%2%и СН3СН2СНСН3Вг 98%и СН3СН2СНСН3Вг 98%СН3IСН3СНСН3СН3IСН3СНСН3Вг2,освещение, 127 °CВг2,освещение, 127 °Cсн3СН3СНСН2Вгсн3СН3СНСН2Вгсн3сн3—i—сн3Вгсн3сн3—i—сн3Вг
СН3СН2СН2СН3
СН3СН2СН2СН3
Вг2,освещение, 127 °C
Вг2,освещение, 127 °C
СН3СН2СН2СН2Вг
СН3СН2СН2СН2Вг
«-бутан
«-бутан
2%
2%
и СН3СН2СНСН3
Вг 98%
и СН3СН2СНСН3
Вг 98%
СН3
I
СН3СНСН3
СН3
I
СН3СНСН3
Вг2,освещение, 127 °C
Вг2,освещение, 127 °C
сн3
СН3СНСН2Вг
сн3
СН3СНСН2Вг
сн3сн3—i—сн3
Вг
сн3сн3—i—сн3
Вг
99%99%изобутан
99%
99%
Задача 4.13. Не учитывая стереоизомеров, напишите структурные формулы: а) трех мо- нохлорпроизводных н-пентана; б) четырех монохлорпроизводных изопентана.
Хотя и хлорирование и бромирование приводит к смеси изомеров, результаты, приведенные выше, показывают, что относительные количества различных изомеров зависят от природы используемого галогена. Хлорирование приводит к смеси, в которой ни один из изомеров не преобладает; при бромировании, например, один изомер может образоваться в столь значительном количестве, что его содержание в смеси будет составлять 97—99%. Бромирование протекает с высокой степенью селективности в отношении того, какой атом водорода замещается. (Как будет показано в разд. 4.30, эта характерная особенность бромирования обусловлена низкой реакционной способностью атомов брома и представляет пример общих соотношений между реакционной способностью и селективностью.)
Хлорирование алкана не всегда удобно для лабораторного получения хлористого алкила; любой из продуктов образуется с низким выходом, и его трудно отделить от изомеров, температуры кипения которых мало отличаются от его собственной. Однако бромирование часто приводит к почти чистым бромистым алкилам с высоким выходом. Кроме того, можно предсказать,какой изомер будет преобладать; если это требуемый продукт, то прямое бромирование может быть удобным методом синтеза.
Хлорирование алканов имеет значение в промышленном масштабе. Для многих целей, например в качестве растворителей, вполне пригодна смесь изомеров, и она значительно дешевле, чем чистое соединение. Иногда в случае необходимости следует разделять смесь изомеров, особенно если каждый изомер можно затем реализовать.
Задача 4.14. Как вы объясните тот факт, что не только бромирование, но и хлорирование служит удобным лабораторным методом получения неопентилгалогенида (СН3)3ССН2Х?
4.22 Механизм галогенирования
Галогенирование алканов протекает по такому же механизму, как и галогенирование метана:
250—400 °C
Х2*■ 2Х- Стадия инициирования цепи
'или УФ-свет
(2)(3)(2)(3)X- +№ > HX+R- |R. + Х2 v RX + X. /X- +№ > HX+R- |R. + Х2 v RX + X. /Стадии роста цепиСтадии роста цепи
(2)
(3)
(2)
(3)
X- +№ > HX+R- |
R. + Х2 v RX + X. /
X- +№ > HX+R- |
R. + Х2 v RX + X. /
Стадии роста цепи
Стадии роста цепи
затем (2), (3), (2), (3) и т. д. до обрыва цепи (разд. 2.13)
Атом галогена отщепляет водород от алкана (RH) с образованием алкильного радикала (R-). Радикал в свою очередь отщепляет атом галогена от молекулы галогена с образованием алкилгалогенида (RX).
Ход $еадчи« —*-Ход $еадчи« —*-Рис. 4.5. Изменение потенциальной энергии для реакции хлорирования алкана. Стадией, определяющей скорость реакции, является стадия образования радикала.Рис. 4.5. Изменение потенциальной энергии для реакции хлорирования алкана. Стадией, определяющей скорость реакции, является стадия образования радикала.
Ход $еадчи« —*-
Ход $еадчи« —*-
Рис. 4.5. Изменение потенциальной энергии для реакции хлорирования алкана. Стадией, определяющей скорость реакции, является стадия образования радикала.
Рис. 4.5. Изменение потенциальной энергии для реакции хлорирования алкана. Стадией, определяющей скорость реакции, является стадия образования радикала.
Направление реакции, т. е. какой алкилгалогенид получается в результате реакции, зависит от того, какой алкильный радикал образуется.
х-х2
СН, > СН3. -* СН3Х
метан метильный метилгало-
радикал гепид
X-Х2
СН3СН3 >- СН3СН2. > СН3СН2Х
этанэтильный этилгалогенид
радикалотщепление первичноговодородаХг
-> сн3сн2сн2- —>- СН3СН2СН2Х
X*//-пропильныйн-пропил-
СН3СН2СН3радикалгалогенид
пропанотщепление вторичноговодородаХ2
» сн3снсн3 —>• СН3СНСН3
X изопропильныйизопропил-
радикалгалогенид
Это в свою очередь зависит от строения алкана и от того, какой водород отщепляется. Например, н-пропилгалогенид образуется из н-пропильного радикала, который получается из пропана при отщеплении первичного водорода; изопропилгалогенид возникает из изопропильного радикала, образующегося при отщеплении вторичного водорода.
Насколько быстро протекает образование алкилгалогенида, зависит от скорости образования алкильного радикала. И здесь, так же как и в случае метана (разд. 2.22), из двух стадий роста цепи стадия (2) протекает медленнее, чем стадия (3), и, следовательно, она контролирует скорость всей реакции. Образование алкильного радикала происходит с трудом, но если радикал образовался, он легко превращается в алкилгалогенид (рис. 4.5).
Ориентация при галогенировании
Теперь вернемся к проблеме ориентации, т. е. рассмотрим факторы, которые определяют наиболее реакционноспособное место молекулы. Эта проблема возникает всякий раз при изучении соединения, в котором реагент может атаковать различные положения. Это важная проблема, поскольку ориентация определяет строение образующегося продукта.
отщепление первичноговодородаотщепление первичноговодородан н нI I I н—с—С—с.н н нI I I н—с—С—с.а2 I I—> н—с—с—с—ciа2 I I—> н—с—с—с—ciВ качестве примера рассмотрим хлорирование пропана. Относительные количества образующихся н-пропилхлорида и изопропилхлорида зависят от относительных скоростей, с которыми образуются н-пропильный и изопропильный радикалы. Если, например, изопропильный радикал образуется быстрее, то изопропилхлорид будет образовываться быстрее и будет составлять большую часть продукта. Как видно, н-пропильные радикалы образуются в результате отщепления первичных водородов, а изопропильные — при отщеплении вторичных водородов.
отщепление первичноговодорода
отщепление первичноговодорода
н н н
I I I н—с—С—с.
н н н
I I I н—с—С—с.
а2 I I
—> н—с—с—с—ci
а2 I I
—> н—с—с—с—ci
пропанпропанотщепление вторичноговодородаотщепление вторичноговодородан-пропильныйрадикалн-пропильныйрадикалн н нн н нн-пропилхлоридн-пропилхлоридизопропилхлоридизопропилхлорид
пропан
пропан
отщепление вторичноговодорода
отщепление вторичноговодорода
н-пропильныйрадикал
н-пропильныйрадикал
н н н
н н н
н-пропилхлорид
н-пропилхлорид
изопропилхлорид
изопропилхлорид
НИН
I I I
Н—С—С—С—Н
изопропильныйрадикал
Таким образом, ориентация определяется относительными скоростями конкурирующих реакций. В данном случае сравниваются скорости отщепления первичных и вторичных атомов водорода. Какие же факторы определяют скорости этих двух реакций и какие факторы для них различны?
Во-первых, частота столкновений. Она должна быть одинаковой для обеих реакций, поскольку обе включают столкновение одних и тех же частиц: молекулы пропана и атома хлора.
Затем, фактор вероятности. Для отщепления первичного водорода молекула пропана должна быть ориентирована в момент столкновения таким образом, чтобы атом хлора сталкивался с первичным атомом водорода, а для отщепления вторичного водорода пропан в момент столкновения должен быть ориентирован таким образом, чтобы хлор сталкивался со вторичным атомом водорода. Поскольку в каждой молекуле имеется шесть первичных атомов
водорода и только два вторичных, то фактор вероятности благоприятствует отщеплению первичных атомов водорода в отношении 6 : 2, или 3:1.
Учитывая только частоту столкновений и фактор вероятности, можно предсказать, что хлорирование пропана приведет к н-пропилхлориду и изо- пропилхлориду в соотношении 3:1. Однако, как показано на стр. 117, два хлорида образуются примерно в равных количествах, т. е. в отношении 1 : 1 или 3 : 3. Количество изопропилхлорида примерно в 3 раза больше, чем предсказывалось. Очевидно, что благоприятных столкновений со вторичным водородом в 3 раза больше, чем с первичным. Если предположение о факторе вероятности правильно, то это означает, что Е№Т дан отщепления вторичного атома водорода меньше, чем для отщепления первичного.
Хлорирование изобутана представляет аналогичную проблему. В этом случае отщепление одного из девяти первичных атомов водорода приводит к образованию изобутилхлорида, а отщепление одного третичного водорода — к mpem-бутилхлориду. Фактор вероятности благоприятствует образованию изобутилхлорида в соотношении 9:1. Экспериментальные данные, приведенные на стр. 117, дают соотношение примерно 2:1, или 9 : 4,5. Очевидно, что результативных столкновений с третичным атомом водорода В 4,5 раза больше, чем с первичным. Это в свою очередь означает, что Еакт для отщепления третичного атома водорода меньше, чем для отщепления первичного водорода, и даже меньше, чем для отщепления вторичного.
отщепление первичноговодородан'н—А—нн I нIII а-н— с—с—с—н —А А Аизобутанотщепление третичноговодородаотщепление первичноговодородан'н—А—нн I нIII а-н— с—с—с—н —А А Аизобутанотщепление третичноговодороданнн—с—нн—с—нННННI I С12||н—с-с—с. —*- н—с—с—с—аА А А А А АизобутильныйизобутилхлоридрадикалннH-с—нн—с—нн I нННI I I С12 I IН—С—С—С—Н >- Н—С—С—С-НА А А а Аннн—с—нн—с—нННННI I С12||н—с-с—с. —*- н—с—с—с—аА А А А А АизобутильныйизобутилхлоридрадикалннH-с—нн—с—нн I нННI I I С12 I IН—С—С—С—Н >- Н—С—С—С-НА А А а А
отщепление первичноговодорода
н'
н—А—н
н I н
III а-
н— с—с—с—н —
А А А
изобутан
отщепление третичноговодорода
отщепление первичноговодорода
н'
н—А—н
н I н
III а-
н— с—с—с—н —
А А А
изобутан
отщепление третичноговодорода
нн
н—с—нн—с—н
НННН
I I С12||
н—с-с—с. —*- н—с—с—с—а
А А А А А А
изобутильныйизобутилхлорид
радикал
нн
H-с—нн—с—н
н I нНН
I I I С12 I I
Н—С—С—С—Н >- Н—С—С—С-Н
А А А а А
нн
н—с—нн—с—н
НННН
I I С12||
н—с-с—с. —*- н—с—с—с—а
А А А А А А
изобутильныйизобутилхлорид
радикал
нн
H-с—нн—с—н
н I нНН
I I I С12 I I
Н—С—С—С—Н >- Н—С—С—С-Н
А А А а А
mpem-бутильныйрадикалmpem-бутильныйрадикалтрет-бутилхлоридтрет-бутилхлорид
mpem-бутильныйрадикал
mpem-бутильныйрадикал
трет-бутилхлорид
трет-бутилхлорид
Исследование хлорирования большого числа алканов привело к таким же результатам. С учетом фактора вероятности скорость отщепления атомов водорода изменяется в следующем порядке: третичный > вторичный > первичный. При комнатной температуре, например, относительные скорости на один водородный атом составляют 5,0 : 3,8 : 1,0. Используя эти величины, можно предсказать соотношение изомеров при хлорировании данного алкана, например:
С12
СН3СН2СН2СН3—* СН3СН2СН2СН2С1 и СН3СН2СНС1СН3 свет, 25 СС°
я-бутанн-бутилхлорид в/лор-бутилхлорид
я-БутилхлоридЧисло первичных Н Реакционная способность первичного Н
втор-БутилхлоридЧисло вторичных Н х Реакционная -способность вторичного Н ~
— 4— 4XX1,061,063,8 ~ 15,23,8 ~ 15,2эквивалентноэквивалентно28%28%72%72%
— 4
— 4
X
X
1,06
1,06
3,8 ~ 15,2
3,8 ~ 15,2
эквивалентно
эквивалентно
28%
28%
72%
72%
Несмотря на эти различия в реакционной способности, при хлорировании редко значительно преобладает один из изомеров.
Задача 4.15. Предскажите соотношение изомеров при хлорировании при комнатной температуре: а) пропана; б) изобутана; в) 2,3-диметилбутана; г) н-пентана (три изомерных продукта); д) изопентана; е) 2,2,3-триметилбутана; ж) 2,2,4-триметилпентана. Для (а) и (б) сравните ваши расчеты с экспериментальными данными, приведенными на стр. 117.
Такое же изменение реакционной способности: третичный > вторичный > первичный наблюдается и при бромировании, но со значительно большим соотношением относительных реакционных способностей. При 127 °C, например, относительные скорости на один атом водорода составляют 1600 : 82 : 1. В данном случае различия в реакционной способности настолько велики, что влияние фактора вероятности уже не существенно.
Задача 4.16. Ответьте на вопросы задачи 4.15 для бромирования при 127 °C.
Относительная реакционная способность алканов в реакциях галогенирования
Лучшим методом измерения относительных реакционных способностей различных соединений по отношению к одному и тому же реагенту является метод конкурентных реакций, поскольку он позволяет проводить точное количественное сравнение в одинаковых условиях. Эквимолярные количества двух сравниваемых соединений смешивают и проводят реакцию с ограниченным количеством определенного реагента. Поскольку для обоих соединений реагента недостаточно, они конкурируют друг с другом. Анализ реакционной смеси показывает, какое соединение прореагировало с большим количеством реагента и, следовательно, более реакционноспособно.
Например, если эквимолярные количества метана и этана реагируют с небольшим количеством хлора, то образуется примерно в 400 раз больше хлористого этила, чем хлористого метила; такой результат свидетельствует о том, что реакционная способность этана в 400 раз больше реакционной способности метана. Если учесть относительные количества водорода в двух типах молекул, то видно, что каждый водород в этане примерно в 270 раз более реакционноспособен, чем каждый водород в метане.
сн4 с2н6
СН3С1 •* С12 >■ С2Н,,С1
1освещение,400
25 °C
Задача 4.17. Вследствие довольно большого различия в реакционной способности этана и метана эксперименты по сравнению реакционной способности в действительности проводились со смесями, содержащими больше метана, чем этана. Если молярное соотношение метан : этан равно 10 : 1, каково будет соотношение хлористого этила и хлористого метила? Какое практическое значение будет иметь этот эксперимент по сравнению с экспериментом с соотношением метан : этан =1:1?
Данные, полученные при аналогичном исследовании других соединений, находятся в соответствии с этим общим правилом: реакционная способность водорода зависит главным, образом, от того, является ли он первичным, вторичным или третичным, а не от алкана, в котором он находится. Каждый первичный атом водорода пропана, например, отщепляется примерно так же
легко, как и каждый первичный водород н-бутана или изобутана; каждый вторичный атом водорода пропана отщепляется с такой же скоростью, как и вторичный водород к-бутана или н-пентана и т. д.
Атомы водорода в метане представляют особый случай: как показывает приведенное выше сравнение с этаном, они менее реакционноспособны, чем первичные водороды.
Задача 4.18. При хлорировании эквимолярной смеси этана и неопентана образуется нео- пентилхлорнд и хлористый этил в отношении 2,3 : 1- Как относятся реакционные способности первичного водорода в неопентане и этане?
Легкость отщепления атомов водорода. Энергия активации
На данном этапе можно сделать следующий вывод о влиянии строения на галогенирование алканов. Стадией, определяющей скорость реакции, является стадия отщепления водорода атомом галогена.
R—Н + X- * Н—X + R-
Относительная легкость отщепления различных типов водородов следующая:
Легкость отщепления водородных атомов: третичный > вторичный > первичный > СН4
Эта последовательность справедлива: а) для различных атомов водорода в одном -алкане (и, следовательно, определяет направление реакции) и б) для атомов водорода различных алканов (и, следовательно, определяет относительную реакционную способность).
Ранее был сделан вывод, что эти различия в легкости отщепления, как и большинство различий в скорости родственных реакций (разд. 2.21), вызваны, вероятно, различиями в £акт. Значения Еакт, приведенные в табл. 4.5, были получены при исследовании галогенирования при различных температурах (разд. 2.20). В соответствии с предварительными выводами увеличение скорости реакции в ряду метил, первичный, вторичный и третичный атомы водорода находится в соответствии с уменьшением £акт. При хлорировании различия в £акт, как и различия в скоростях, малы; при бромировании различия и в £акт, и в скоростях реакций велики.
Таблица 4.5
Энергии активации [ккал/моль (4,187-103 Дж/моль)] R—Н + X • —* R - + Н-Х
X =С1
X = Вг
R
х = а
X =Вг
СН3 Первичный
4
1
18
13
Вторичный Третичный
0,5 0,35
10
7,5
В разд. 2-20 было показано, что, чем выше Еакт, тем больше увеличивается скорость при повышении температуры на определенную величину. Различия в скорости отщепления первичного, вторичного и третичного атомов водорода также вызваны различиями в Eawr Если этот вывод правильный, то повышение температуры должно больше всего ускорять отщепление первичных атомов водорода (наибольшая Еакт) и меньше всего отщепление третичных атомов водорода (наименьшая Еакт)- Следовательно, реакционная способность трех типов атомон водорода будет различаться меньше.
Этот эффект выравнивания наблюдался в действительности: по мере повышения температуры относительные скорости в расчете иа один атом водорода изменяются от 5,0 : 3,8 : 1,0 до 1 : 1 : 1. При очень высоких температурах фактически каждое столкновение имеет энергию, достаточную для отщепления даже первичного водорода- Действительно, по мере повышения температуры данный реагент становится менее селективным и, наоборот, по мере понижения температуры он становится более селективным.
Как же можно объяснить влияние строения на легкость отщепления водородных атомов? Поскольку это связано с Еакт, то следует, как всегда, рассмотреть переходное состояние. Для этого необходимо переключить внимание с отщепляемого водородного атома на образующийся радикал.
Устойчивость свободных радикалов
В табл. 2.1 (стр. 50) приведены энергии диссоциации связей водородов с различными группами. Это значения АЯ [ккал (4,187-103 Дж)] следующих реакций:
СН3-Н -
—»- сн3. + н-
ДЯ = 102
СН3СН2—н —
-> СН3СН2* + н.
ДЯ = 97
СН3СН2СН2—н —
-э- сн3сн2сн2. + н. первичный радикал
ДЯ = 9?
СН3СНСН3 —
■> сн3снсн3 + н.
ДЯ = 94
н
вторичный
радикал
сн3сн3
сн3—с—сн3 —>- сн3—i—сн3 + н.ДЯ = 91
н
третичныйрадикал
По определению энергия диссоциации связи — это энергия, необходимая для превращения 1 моля алкана в радикал и атом водорода. Энергия, необходимая для образования различных типов радикалов, уменьшается в
Рис. 4.6. Относительная устойчивость свободных радикалов.Рис. 4.6. Относительная устойчивость свободных радикалов.
Рис. 4.6. Относительная устойчивость свободных радикалов.
Рис. 4.6. Относительная устойчивость свободных радикалов.
следующем порядке: СН3 > первичный > вторичный > третичный.
R—Н »- R» + Н« ДН = энергия диссоциации связи
Если для образования одного радикала требуется меньше энергии, чем для образования другого, то это может означать только то, что в сравнении с образующимся алканом один радикал содержит меньше энергии и более устойчив, чем другой (рис. 4.6).
Абсолютное содержание энергии, например, метильного и этильного радикалов не сравнивается; просто говорят, что различие в энергиях между метаном и метильным радикалом больше, чем между этаном и этильным радикалом. При сравнении устойчивости свободных радикалов следует понимать, что стандартом для каждого радикала является алкан, из которого он образовался. Как станет ясно из дальнейшего, представляет интерес именно такое сопоставление.
Относительно алкана, из которого образовался каждый радикал, порядок устойчивости свободных радикалов следующий:
Устойчивость свободных радикалов: третичный > вторичный > первичный > СН8«
Легкость образования свободных радикалов
Вернемся к галогенированию алканов. Направление реакции и реакционная способность (разд. 4.25) определяются относительной легкостью, с которой происходит отщепление различных типов водородных атомов. Но, согласно определению, отщепляющийся водород и образующийся радикал принадлежат к одному типу. Отщепление первичного атома водорода приводит к первичному радикалу, отщепление вторичного атома водорода приводит к вторичному радикалу и т. д., например:
СН3СНаСНа—Н + Вг- > Н—Вг + сн3сн2сна.
первичныйпервичный
водородрадикал
СН,СНСН3 + Вг. у Н—Вг + СН3СНСН3
I
н
вторичныйвторичный
водородрадикал
СН3СНа
II
СН3СН8ССНз + Вг- >- Н—Вг 4- СН3ССН3
Нтретичныйтретичный
водородрадикал
Если легкость отщепления водородных атомов уменьшается в следующем порядке: третичный > вторичный > первичный > СН4, то легкость образования свободных радикалов должна уменьшаться в том же порядке:
Легкость образования свободных радикалов: третичный > вторичный > первичный > СНа»
Порядок расположения радикалов по легкости их образования, оказывается, соответствует изменению их устойчивости. Чем устойчивее свободный радикал, тем легче он образуется.
Это очень важное обобщение. По-видимому, устойчивость радикалов определяет ориентацию и реакционную способность во многих реакциях, в которых образуются свободные радикалы. Присоединение брома к алкенам (разд. 6.17) служит примером совершенно иного типа реакции по сравнению с
описанным выше, однако и в этом случае направление реакции и реакционная способность определяются устойчивостью радикалов. (Даже тогда, когда влияют или даже доминируют другие факторы — пространственные затруднения, полярные эффекты,— удобно использовать устойчивость радикалов в качестве отправной точки.)
Переходное состояние при галогенировании
Логично ли, что наиболее устойчивый радикал должен образовываться наиболее легко?
Как было показано, различия в реакционной способности по отношению к атомам галогена в основном вызваны различиями в Еакт: чем стабильнее
Рис. 4.7. Структура молекулы и скорость реакции. Устойчивость переходного состояния изменяется параллельно устойчивости радикала: более устойчивый радикал образуется быстрее.Рис. 4.7. Структура молекулы и скорость реакции. Устойчивость переходного состояния изменяется параллельно устойчивости радикала: более устойчивый радикал образуется быстрее.
Рис. 4.7. Структура молекулы и скорость реакции. Устойчивость переходного состояния изменяется параллельно устойчивости радикала: более устойчивый радикал образуется быстрее.
Рис. 4.7. Структура молекулы и скорость реакции. Устойчивость переходного состояния изменяется параллельно устойчивости радикала: более устойчивый радикал образуется быстрее.
радикал, тем меньше ЕаИ для его образования. Это в свою очередь означает, что, чем стабильнее радикал, тем более устойчиво переходное состояние, приводящее к его образованию, причем стабильности и того и другого измеряются по отношению к одному и тому же стандарту — исходному веществу (помните: Еакт — это разность в содержании энергии между исходным веществом и переходным состоянием).
Рассмотрение переходного состояния показывает, что это именно так. Как уже говорилось в разд. 2.24, в переходном состоянии связь водород — галоген частично образовалась, а связь углерод — водород частично разорвалась. Алкильная группа имеет характер образующегося свободного радикала в той степени, в какой разорвана связь. Факторы, стабилизующие свободный радикал, будут стабилизовать возникающий свободный радикал в переходном состоянии.
—с—н + X—с—н + X—с. 4-Н—XI
—с—н + X
—с—н + X
исходныевещества,галоген имеетнеспаренныйэлектронисходныевещества,галоген имеетнеспаренныйэлектронпереходноесостояние,углерод приоб-ретает свободно-радикальныйхарактерпереходноесостояние,углерод приоб-ретает свободно-радикальныйхарактерконечныевещества,углерод имеетнеспаренныйэлектронконечныевещества,углерод имеетнеспаренныйэлектрон
исходныевещества,галоген имеетнеспаренный
электрон
исходныевещества,галоген имеетнеспаренный
электрон
переходноесостояние,углерод приоб-ретает свободно-радикальный
характер
переходноесостояние,углерод приоб-ретает свободно-радикальный
характер
конечныевещества,углерод имеетнеспаренный
электрон
конечныевещества,углерод имеетнеспаренный
электрон
Устойчивость свободных радикалов уменьшается в ряду: третичный > > вторичный > первичный > СН3-. Определенный фактор (делокализация неспаренного электрона, разд. 12.20) приводит к тому, что различие в энергии, например, между изобутаном и /npem-бутильным радикалом меньше, чем между пропаном и изопропильным радикалом. Вполне понятно, что этот же фактор обусловливает меньшее различие в энергии между изобутаном и возникающим mpem-бутильным радикалом в переходном состоянии, чем между пропаном и возникающим изопропильным радикалом в его переходном состоянии (рис. 4.7).
Направление реакции и реакционная способность
При изучении органической химии мы будем подходить к проблемам ориентации и реакционной способности следующим образом.
Обе проблемы включают сравнение скоростей очень родственных реакций: в случае ориентации это реакции различных частей одного и того же соединения; в случае реакционной способности это реакции различных соединений. Для таких родственных реакций изменения скорости в основном вызваны различием £акт; по определению £акт — это разность в содержании энергии между исходными веществами и переходным состоянием.
Рассмотрим наиболее вероятную структуру переходного состояния, чтобы выяснить, какие структурные особенности влияют на его устойчивость, не влияя в такой же степени на стабильность исходных веществ, т. е. будут рассматриваться факторы, которые увеличивают или уменьшают энергетические различия между исходными веществами и переходным состоянием. Считая, что структурные особенности влияют на £акт, сравним переходные состояния для реакций, скорости которых сравниваются: чем устойчивее переходное состояние, тем быстрее протекает реакция.
Во многих, если не во всех, реакциях, в которых образуются свободные радикалы, переходное состояние отличается от исходных веществ в основном тем, что оно аналогично конечному веществу. Ясно, что фактором, наиболее сильно влияющим на £акт, должен быть радикальный характер переходного состояния. Следовательно, чем стабильнее радикал, тем более устойчиво переходное состояние, приводящее к его образованию, и тем быстрее он образуется.
Реакционная способность и избирательность
В реакции с алканами атом брома значительно более селективен, чем атом хлора (относительные скорости 1600 : 82 : 1 для брома по сравнению с 5,0 : 3,8 : 1 для хлора). Он также значительно менее реакционноспособен, чем атом хлора (его реакционная способность по отношению к метану составляет 1/250 000 от реакционной способности атома хлора, разд. 2.21). Это еще один пример общего положения: в аналогичных реакциях чем меньше реакционная способность реагента, тем больше его селективность.
Для объяснения этого положения следует вспомнить разд. 2.25. При атаке сравнительно мало реакционноспособным атомом брома переходное состояние в процессе реакции достигается поздно, после того как алкильная группа приобрела в значительной степени характер свободного радикала. При атаке очень реакционноспособным атомом хлора переходное состоя-
ние достигается рано, когда алкильная группа имеет незначительный свободнорадикальный характер.
Бромирование
6-6-
R—Н + Вг. > [R-H--Br] > R. + И—Вг
низкая реакци-переходное
онная способ-состояние
ность; большаядостигается
селективность поздно: значи-тельный свободно-радикальный характер
Хлорирование
6*6-
R-H + СЬ > [R--HCl] —* R. + Н—Ciвысокая реакцн- переходноеонная способ-состояние
ность; низкаядостигается
селективность рано: незначи-тельный свободно-радикальный характер
Под словом «селективность» подразумеваются различные скорости образования радикалов различного типа; более устойчивый свободный радикал образуется быстрее, поскольку фактор, стабилизующий его,— делокализация неспаренного электрона (разд. 12.20) — также стабилизует возникающий радикал в переходном состоянии. Если это действительно так, то чем более радикальный характер имеет переходное состояние, тем эффективнее будет делокализация при стабилизации переходного состояния.
Изопропильный радикал, например, на 3 ккал (12,56-103 Дж) устойчивее н-пропильного радикала; если бы радикалы полностью образовывались в переходном состоянии, то различие в Еакт составляло бы 3 ккал (12,56 х х 103Дж). На самом деле при бромировании различие в Еакт равно 3 ккал (12,56-103 Дж), т. е. в пределах ошибки измерений равно максимальной потенциальной стабилизации, указывая, как и следовало ожидать, на значительный радикальный характер. При хлорировании, напротив, различие в Еакт составляет только 0,5 ккал (2,09-103 Дж), что указывает на очень незначительный свободнорадикальный характер. (В действительности полагают, что при хлорировании устойчивость радикала — менее важный фактор, а главным будет полярный фактор, как показано в разд. 12.17.)
Для других реакций положение аналогично. Какие бы факторы ни отвечали за различия в устойчивости ряда переходных состояний (будет ли это либо делокализация неспаренного электрона, либо распределение положительного или отрицательного заряда, либо, возможно, изменение расположения атомов), влияние фактора будет больше, когда полнее достигается переходное состояние, т. е. когда реагент менее реакционноспособен.
Отсутствие перегруппировок свободных радикалов. Изотопные метки
Обсуждение направления реакции (разд. 4.23) было основано на допущении, которое до сих пор еще не доказано; относительные количества образующихся изомерных галогенидов отражают относительные скорости образования свободных радикалов из алкана. Например, из изобутана образуется вдвое больше изобутилхлорида, чем mpem-бутилхлорида, и на основании этого делается вывод, что при отщеплении водорода изобутильный радикал образуется вдвое быстрее /прет-бутильного.
Как же установить, что в этом случае каждый образующийся изобутиль- ный радикал превращается в молекулу хлористого изобутила? Предположим, что некоторые изобутильные радикалы перегруппировываются в трет- бутильные радикалы, которые далее реагируют с хлором с образованием mpem-бутилхлорида. Такое допущение не так уж далеко от истины, как можно было бы предположить. Известно, что другая реакционноспособная промежуточная частица, ион карбония, очень склонна к перегруппировке, причем менее устойчивые ионы легко перегруппировываются в более устойчивые (разд. 5.21).
Г. Браун (Лафайетский университет) и Г. Рассел (Университет штата Айова) решили проверить возможность перегруппировки свободных радикалов, аналогичной перегруппировке карбониевых ионов. Они выбрали хлорирование изобутана, поскольку mpem-бутильный и изобутильный радикалы сильно различаются по своей устойчивости. Если перегруппировка алкильных радикалов действительно возможна, то она несомненно должна про
исходить в этом случае.СН3СН3I си |СН3—С—СН3 > СНз—С—СНа.исходить в этом случае.СН3СН3I си |СН3—С—СН3 > СНз—С—СНа.перегруппировкаперегруппировкане происходитне происходитсн3сн3—с—сн3сн3сн3—с—сн3
исходить в этом случае.
СН3СН3
I си |СН3—С—СН3 > СНз—С—СНа.
исходить в этом случае.
СН3СН3
I си |СН3—С—СН3 > СНз—С—СНа.
перегруппировка
перегруппировка
не происходит
не происходит
сн3
сн3—с—сн3
сн3
сн3—с—сн3
трап-бутильныйрадикалтрап-бутильныйрадикализобутанизобутильный
трап-бутильныйрадикал
трап-бутильныйрадикал
радикал
а2
СН3
ICHg— С—СНд
Iатрет-бутилхлорид
Возникает еще одна проблема: каждое ли отщепление первичного атома водорода приводит к хлористому изобутилу и каждое ли отщепление третичного атома водорода к mpe/n-бутилхлориду? Это невозможно узнать, поскольку все атомы водорода одинаковы. Но так ли это? В действительности существует три изотопа водорода: ХН, протий, или обычный водород; 2Н или D, дейтерий, или тяжелый водород; 3Н или Т, тритий. Протий и дейтерий существуют в природе в отношении 5000 : 1 (Тритий — неустойчивый радиоактивный изотоп — присутствует в виде следов, но может быть получен из ®Li бомбардировкой нейтронами.) Современные методы разделения изотопов позволяют получать очень чистый дейтерий по доступной цене в виде окиси дейтерия В2О, или тяжелой воды.
Браун и Рассел приготовили меченный дейтерием изобутан I
СН3сн3—с—сн3DIСН3сн3—с—сн3DI-* DC1 + СН3—С—СН3 сн3-* DC1 + СН3—С—СН3 сн3сн3-*НС1 + сн,—с—сн2.IDсн3-*НС1 + сн,—с—сн2.IDС1а2 I—>■ СН3—С—СНдI сн3СНдС12|> СН3—С—СН2С1DС1а2 I—>■ СН3—С—СНдI сн3СНдС12|> СН3—С—СН2С1D
СН3сн3—с—сн3
D
I
СН3сн3—с—сн3
D
I
-* DC1 + СН3—С—СН3 сн3
-* DC1 + СН3—С—СН3 сн3
сн3
-*НС1 + сн,—с—сн2.
ID
сн3
-*НС1 + сн,—с—сн2.
ID
С1
а2 I
—>■ СН3—С—СНд
I сн3
СНд
С12|
> СН3—С—СН2С1
D
С1
а2 I
—>■ СН3—С—СНд
I сн3
СНд
С12|
> СН3—С—СН2С1
D
фотохимически прохлорировали его и проанализировали продукты реакции. Отношение DCI : НС1 (определенное масс-спектрометрически) было найдено равным (в пределах ошибки измерений) отношению mpem-бутилхлорид :
: изобутилхлорид. Ясно, что каждое отщепление третичного водорода (дейтерия) приводит к молекуле /ире/и-бутилхлорида и каждое отщепление первичного водорода (протия) дает молекулу изобутилхлорида. Перегруппировки промежуточных свободных радикалов не происходит.
Все имеющиеся данные строго показывают, что хотя перегруппировки свободных радикалов иногда и встречаются, они не носят общего характера и не происходят с простыми алкильными радикалами.
Задача 4.19. а) Какой результат получился, если бы некоторые изобутильные радикалы подвергались перегруппировке в mpem-бутильные радикалы? б) Предположим, что вместо перегруппировки изобутильные радикалы превращаются в mpem-бутильные по следующей реакции:
сн3сн3
сн3сн3
СНд— с—сн2. + сн3—с—сн3 — нн
-> сн3—сн—сн3 + сн3—i—сн3
Какие результаты должны были бы получить Браун и Рассел?
Задача 4.20. Предложите способ получения соединения I из mpem-бутилхлорида, если у вас имеется D2O (разд. 4.18).
Работа Брауна и Рассела представляет один из примеров пути, позволяющего заглянуть в химическую реакцию с помощью меченого соединения. Будет приведено много других примеров использования изотопов либо в виде метки, как в данном случае, либо для определения изотопного эффекта (разд. 11.13), что дает информацию о механизме реакции, недоступную другим путем.
Кроме дейтерия и трития, в органической химии часто используют МС, доступный в виде 14СН3ОН и Ва14СО3; 18О в виде HjP0; 16N в виде 1БМН3, 16NO7 и 1BNO7; 3®С1 в виде хлора или хлорида; 1311 в виде иодида.
Задача 4.21. Бромирование метана замедляется при добавлении НВг (упражнение 15, стр. 72); это объясняют реакцией
СН3. + НВг > СН4 + Вг-,
которая замедляет бромирование, поскольку она является обратной по отношению к одной из трех, которые продолжают цепь. Как можно проверить, происходит эта реакция или нет в реакционной смеси при бромировании?
Задача 4.22. В разд. 2.12 реакция
СЬ +С12 )- С12 + СЬ
была приведена как возможная, но не дающая результата. Имея обычный хлор (состоящий из35С1 и 37С1) и 36С12, а также масс-спектрометр, как вы докажете, протекает ли такая реакция в действительности?
Синтез и оптическая активность.
Возникновение асимметрического атома углерода
При хлорировании н-бутана в качестве одного из продуктов образуется етор-бутилхлорид. Из формулы видно, что он содержит асимметрический атом углерода (С-2, который связан с СН3, С2Н6, Н и С1) и может быть диссимметричным. Это можно подтвердить, проверив совместимость и обнаружив, что в данном случае должно быть два энантиомера (I и II), каждый из которых, конечно, должен быть оптически активным. Два изомерных втор-
бутилхлорида были действительно получены и была установлена их конфигурация: (+)-изомер имеет конфигурацию I, а (—)-изомер— конфигурацию II.
Iп
^АдУвтор -бдтицхлориВ 'Р.-{—Увтор-бдпщ<яхлориВ(
Как обозначить каждую конфигурацию соответствующим символом R или S? При установлении старшинства четырех групп, связанных с асимметрическим атомом углерода (разд. 3.15), возникает проблема старшинства двух групп (СН3 и С2Н5), которые имеют одинаковый атом, связанный с асимметрическим атомом углерода. Какой же из них старше? Согласно правилу 2 (разд. 3.16), если относительное старшинство заместителей нельзя установить по правилу 1, следует провести аналогичное сравнение следующих атомов в группах (и так далее, если необходимо, двигаясь от асимметрического центра). В СН3-группе этими атомами будут атомы водорода, в С2Н5- группе это Н, Н, С. Поскольку углерод имеет больший атомный номер, чем водород, С2Нs-группа старше. Полная последовательность групп во втор- бутилхлориде следующая: Cl > С2Н5 > СН3 > Н, и соединение I обозначают как S-, а соединение II — как R-изомер.
Задача.4.23. Из продуктов монохлорирования в задаче 4.15, стр. 122, семь являются диссимметричными соединениями. Какие? Напишите и обозначьте символами R или S все энантиомеры.
втор-Бути л хлор ид — диссимметричное соединение. Если поместить втор-бутилхлорид, полученный при хлорировании н-бутана, в поляриметр, будет ли он вращать плоскость поляризации поляризованного света? Нет, потому что полученный таким путем втор-бутилхлорид представляет собой рацемическую модификацию. Почему образуется рацемическая модификация"?
На первой стадии реакции атом хлора отщепляет водород с образованием хлористого водорода и втор-бутильного радикала. Углерод, несущий неспаренный электрон в свободном радикале, является зр2-гибридизован- ным (тригональным, разд. 2.23), и, следовательно, часть молекулы будет плоской, причем тригональный углерод и три связанных с ним атома лежат в одной плоскости. На второй стадии свободный радикал отщепляет атом хлора от молекулы хлора с образованием втор-бутилхлорида. Но хлор может присоединиться с любой стороны плоского радикала, и в зависимости от того, с какой стороны происходит присоединение, получается тот или иной продукт — R или S (рис. 4.8). Поскольку вероятность присоединения с обеих сторон одинакова, то образуется равное количество обоих энантиомеров. Продукт представляет рацемическую модификацию.
Если применить описанный подход к синтезу любого соединения — по любому механизму, правильному или неправильному, вывод будет тот же: пока исходное вещество и реагент (или среда) оптически неактивны, будут получаться оптически неактивные продукты. На некоторых стадиях для реакции возможны два альтернативных пути, из которых один приводит к одному энантиомеру, а второй — к другому. Эти два пути всегда будут эквивалентными, и выбор между ними произволен. Факты согласуются с этими предска-
С-ЩС-Щэнантиомеры, образуются в равных количествах.энантиомеры, образуются в равных количествах.Рис. 4.8. Возникновение асимметрического атома углерода. Хлор присоединяется с любой стороны плоского свободного радикала по двум направлениям (а или 6) с образованием энантиомеров в равных количествах.Рис. 4.8. Возникновение асимметрического атома углерода. Хлор присоединяется с любой стороны плоского свободного радикала по двум направлениям (а или 6) с образованием энантиомеров в равных количествах.активных реагентов; этиактивных реагентов; этиШШIVIV
С-Щ
С-Щ
энантиомеры, образуются в равных количествах.
энантиомеры, образуются в равных количествах.
Рис. 4.8. Возникновение асимметрического атома углерода. Хлор присоединяется с любой стороны плоского свободного радикала по двум направлениям (а или 6) с образованием энантиомеров в равных количествах.
Рис. 4.8. Возникновение асимметрического атома углерода. Хлор присоединяется с любой стороны плоского свободного радикала по двум направлениям (а или 6) с образованием энантиомеров в равных количествах.
активных реагентов; эти
активных реагентов; эти
Ш
Ш
IV
IV
заниями. Синтез диссимметричных соединений из недиссимметричных исходных веществ всегда приводит к рацемической модификации. Это только один аспект более общего правила: оптически неактивные исходные вещества дают оптически неактивные продукты.
Задача 4.24. Объясните подробно, почему будет образовываться рацемический етор-бу- тилхлорид, если: а) влюр-бутильный радикал имеет не плоское строение, а пирамидальное; б) хлорирование происходит не через стадию образования свободного радикала, а по механизму, в котором атом хлора непосредственно замещает атом водорода, занимая место у атома углерода, которое прежде было занято водородом.
втор-Бутилхлорид, полученный при хлорировании н-бутана, очищают фракционной перегонкой. Но так как энантиомерные втор-бутилхлориды имеют совершенно одинаковые температуры кипения, их нельзя разделить и они образуют одну фракцию. Их нельзя разделить и кристаллизацией, так как растворимость их во всех (оптически неактивных) растворителях одинакова. Легко видеть, что всегда, когда в процессе реакции образуется рацемическая модификация, обычными методами можно выделить только рацемическую модификацию.
Если синтез приводит к рацеминеской модификации и если ее нельзя разделить обычными методами перегонки, кристаллизации и т. п., как узнать, что полученный продукт является рацемической модификацией? Он оптически неактивен; как же выяснить, действительно ли он состоит из смеси двух оптически активных веществ? Разделение энантиомеров (называемое рас- цеплением) можно провести специальными методами с использованием оптически методы обсуждаются в разд. 7.10.
Выше было сказано, что присоединение хлора с любой стороны в/пор-бутильного радикала одинаково вероятно. Это действительно так, но требует более подробного обсуждения. Рассмотрим любую конформацию свободного радикала» например III.
Ясно, что атака хлором сверху и снизу не одинаково вероятна. Однако вращение иа 180° (3,141 рад) вокруг простой связи превращает конформер III в IV; это две конформации одного и того же свободного радикала, и онн, конечно, находятся в равновесии друг с другом. Они являются зеркальными изображениями друг друга и, следовательно, имеют одинаковую энергию и количество их одинаково; любая предпочтительная атака конформера III, например снизу, приводящая к (К)-продукту, точно компенсируется атакой конформера IV снизу, которая приводит к (8)-продукту.
В данном обсуждении считают, что относительные скорости конкурирующих реакций — образование (R)- и (8)-продукта — зависят от конформационного состава исход-
него вещества. Это условие правильно, если, что вероятно, реакция свободного радикала с хлором протекает легче и быстрее, чем происходит вращение, в результате которого осуществляется взаимопревращение конформаций.
Если же реакция с хлором протекает с трудом и значительно медленнее, чем происходит взаимопревращение конформаций, то относительные скорости будут определяться относительной устойчивостью двух переходных состояний. Можно прийти к тому же общему выводу: переходные состояния представляют зеркальные изображения и, следовательно, имеют одинаковую устойчивость, и скорости образования обоих продуктов будут совершенно одинаковыми.
«Произвольность атаки», приводящей к рацемической модификации из недиссимметричных реагентов, не обязательно вызвана симметрией любой индивидуальной реагирующей молекулы; скорее она вызвана произвольным распределением таких молекул между зеркальными конформациями или произвольным выбором между зеркальными переходными состояниями.
Задача 4.25. Изопентан хлорируют в условиях свободнорадикальной реакции и реакционную смесь разделяют тщательным фракционированием, а) Сколько будет фракций, содержащих вещества формулы С5НиС1? б) Напишите структурные формулы (стереохимические, где возможно) для соединений, входящих в состав каждой фракции. Обозначьте каждый энантиомер символом R или S. в) Какие фракции, если такие имеются, будут проявлять оптическую активность? г) Объясните подробно — так, как было сделано в предыдущем разделе, —оптическую активность или ее отсутствие для каждой фракции*
Метилен (карбен). Внедрение
В ряду алканов два соседних члена ряда отличаются друг от друга на группу СН2, или метиленовую группу. Но метиленовая группа не только строительный блок для мысленного построения алканов; это реальная молекула ^метилен^, и ее химия и химия родственных молекул является одной из наиболее интенсивно развивающихся областей современной органической химии.
Метилен образуется при фотолизе диазометана CH2N2 или кетена СН2=С=О. (Отметим, что два исходных вещества и два конечных продукта — азот и окись углерода — представляют пары изоэлектронных молекул, т. е. молекул, содержащих одинаковое число валентных электронов.)
+ — ультрафиолетовый светCH2=N=N->- СН2 + n2
диазометанметилен
сн2=с=окетенсн2=с=окетенультрафиолетовый свет сн2 + со
сн2=с=окетен
сн2=с=окетен
метилен
Существование метилена как очень реакционноспособной частицы было впервые предложено в 30-х годах для объяснения образования соединения, которое способно снимать некоторые металлические зеркала (ср. задачу 17, стр. 72). Существование метилена было доказано в 1959 г. спектральными исследованиями.
СН2:СН2:Эти исследования показали, что метилен не только существует, но существует в виде двух различных форм (двух различных спиновых состояний), обычно определяемых спектральными характеристиками: синглетный метилен, в котором свободные электроны спарены.
СН2:
СН2:
КСН—С:
еинелегпныи метилен,свободные электроныспарены
и триплетный метилен, в котором свободные электроны не спарены,
н:С:н Н-^с^н
триплетный метилен, свободные электроны не спарены: дирадикал
Триплетный метилен является свободным радикалом, в действительности дирадикалом. Вследствие различной электронной конфигурации два типа молекул отличаются по форме и химическим свойствам. Синглетный метилен менее стабилен и часто, хотя и не всегда, образуется в первую очередь при фотолизе. Поскольку свет, поглощаемый диазометаном или кетеном при фотолизе, обладает большей энергией, чем необходимо для фотолиза, образовавшийся метилен является «горячим», т. е. эти молекулы метилена имеют большую энергию, чем они должны были бы обладать при данной температуре.
Химические свойства метилена зависят от условий синтеза: реагента, из которого образуется метилен; длины волны используемого света; проводится ли реакция в жидкой или газовой фазе, и если в газовой фазе, то в присутствии инертного газа (азота, аргона и двуокиси углерода) или не такого уж инертного газа, кислорода. Ситуация очень сложная и не всегда соответствует точной интерпретации фактов. В общем можно представить два типа метилена: состояние с высокой энергией, высокой реакционной способностью и низкой селективностью; состояние с низкой энергией, более низкой реакционной способностью и большей селективностью. Согласно одной точке зрения (той, которая более принята), два типа метиленов являются просто синглетным и триплетным метиленом соответственно; согласно другой точке зрения, свойства метилена определяются не его спиновым состоянием, а тем, насколько он «горячий».
Влияние инертного газа проявляется в понижении энергии метилена прежде, чем он вступит в реакцию, т. е. он превращает синглетный метилен в триплетный или горячий метилен в обычный. В газовой фазе это происходит в результате столкновений или с самим метиленом, или с веществом, из которого образуется метилен, — возбужденным диазометаном или кетеном, которые уже поглотили свет. (Газ может даже «охладить» горячие продукты метиленовой атаки, которые в противном случае могут перегруппироваться в другие соединения.) В жидкой фазе наблюдаются преимущественно свойства высокоэнергетического метилена, возможно, потому, что он реагирует быстро с имеющимися в избытке молеку тами растворителя прежде, чем потеряет энергию. Вероятно, наиболее важной реакцией метилена является реакция внедрения
II
—С—Н + СН- > —С—СН2—Н Внедрение II
Метилен, возникающий в присутствии алкана, внедряется в каждую связь углерод — водород
ch2n2, СН8СН2СН-СН„СН3 —>
н-пентан, жидкость
—>- сн3сн2сн2сн2сн2сн3 + сн3сн2сн2снсн3 + СН3СН2СНСН2СН3
ад,сн3
я-гексан, 48% 2-метилпентан, 35% 3-метилпентаи, 17% сн2=с=о,
СН3СН2СН3 —> СН3СН2СН2СН3 и СН3СНСНа
УФ-свет।
СН3 пропан, газ«-бутанизобутан
Реакция с н-пентаном в жидкой фазе представляет интерес по следующей причине: соотношение продуктов реакции соответствует произвольной атаке реагентом. Полное отсутствие селективности в данном случае объясняется тем, что метилен, который является атакующей частицей, находится не только в синглетном состоянии, но еще и «горячий», поэтому каждое столкновение с первичной или вторичной связью имеет достаточно энергии для реакции (так, как если бы реакция проводилась при очень высокой температуре, разд. 4.25).
Задача 4.26. Рассчитайте процентное содержание различных продуктов, образующихся при внедрении метилена в я-пентан, прн условии, что все связи С—Н имеют одинаковую реакционную способность, и сравните полученные вами значения со значениями, приведенными выше.
Задача 4.27. Фотолиз диазометана в газовой фазе в случае каждого из приведенных углеводородов дает указанные продукты в следующих соотношениях:
пропан —> я-бутан (2,62)+ изобутан (1,00)
н-бутан —> я-пентан (1,25) + изопентан (1,00)
изобутан —> изопентан (6,06) + неопентан (1,00)
а) Рассчитайте соотношения различных продуктов, которые следовало ожидать из каждого углеводорода при условии, что все связи С—Н имеют одинаковую реакционную способность. б) Является ли в данном примере внедрение произвольным? в) В каждом случае какой тип связи С—Н благоприятствует внедрению? г) Расположите связи С—Н в порядке изменения их реакционной способности в реакции внедрения. Приведите приблизительные соотношения реакционных способностей (как в разд. 4.23) для определенных условий, использованных здесь.
Задача 4.28. Рассчитайте процентный состав двух продуктов, получения которых следу- дует ожидать при внедрении метилена в пропан, при условии, что все связи С—Н имеют одинаковую реакционную способность, а) При фотолизе кетена в газовой фазе образовалась следующая смесь: 63% н-бутана и 37% изобутана. Была ли в данном случае атака произвольной? Соответствуют ли эти результаты обобщению задачи 4.27 (г)? б) Если добавить двуокись углерода, то выход изобутана повышается до 42%. Предложите возможное объяснение такого изменения.
Задача 4.29. Внедрение метилена было обнаружено при изучении следующих реакций:
ch2n2.
СН3СН,ОСН2СН3 —-> сн3сн2сн2осн2сн3 + СН3СНОСН2СН3
°А О УФ-свет °оА о
сн3
днэтиловый эфирэтил-я-пропиловый этилизопропиловый
эфирэфир
сн3
ch2n2.I
СН3СНСН3 — - > СН3СН2СНСН3 + СН3—С—СН3 + СН3СНСН3
ОНОНОНОСН3
изопропило-вый спиртизопропило-вый спиртвтор-бутило-вый спиртвтор-бутило-вый спиртmpem-бутило- метилизопро- вый спирт лиловый эфирmpem-бутило- метилизопро- вый спирт лиловый эфир
изопропило-вый спирт
изопропило-вый спирт
втор-бутило-вый спирт
втор-бутило-вый спирт
mpem-бутило- метилизопро- вый спирт лиловый эфир
mpem-бутило- метилизопро- вый спирт лиловый эфир
Объясните образование каждого продукта. По каким связям происходит внедрение в приведенных примерах?
Доказано (например, задача 4.30), что внедрение метилена моя^ет про* текать .по двум различным механизмам:
прямое внедрение, когда метилен каким-то образом вклинивается между связями
IСН2 + —С—Н ^IIСН2 + —С—Н ^I" I-сьГ. X" I-сьГ. XI>■ —с—СН2—нII>■ —с—СН2—нIПрямое внедрениеПрямое внедрение
I
СН2 + —С—Н ^
I
I
СН2 + —С—Н ^
I
" I
-сь
Г. X
" I
-сь
Г. X
I
>■ —с—СН2—нI
I
>■ —с—СН2—нI
Прямое внедрение
Прямое внедрение
отщепление — присоединение, когда метилен отрывает водород с образованием двух свободных радикалов, которые затем соединяются
СН2 ЧС—Н *- —С. + »СН3 »- —С—СН3 Отщепление—присоединение
Предположим, что синглетный метилен реагирует по первому типу (прямое внедрение), а триплетный метилен (дирадикал) — по второму (свободнорадикальное отщепление и затем присоединение).
Задача 4.30. При фотолизе кетена или диазометана в газовой фазе в пропане были выделены ие только продукты внедрения, приведенные выше, но также и некоторые «побочные продукты»: этан, н-гексан, 2-метилпентан, 2,3-диметилбутан. а) С помощью какого механизма можно объяснить образование этих побочных продуктов? б) Выход этих побочных продуктов увеличивается в присутствии аргона и уменьшается в присутствии кислорода (разд. 2.14). Как вы объясните эти факты?
В реакциях метилена с алканами можно увидеть следующие довольно простые закономерности:
РеагентМеханизмРеакционная способностьУсловияУскоряетсяЗамедляетсяРеагентМеханизмРеакционная способностьУсловияУскоряетсяЗамедляетсяРеакция внедрениясинглетный метилентриплетный метилен
РеагентМеханизм
Реакционная способность
Условия
УскоряетсяЗамедляется
РеагентМеханизм
Реакционная способность
Условия
УскоряетсяЗамедляется
прямое внедрениеотщепление —
присоединение нет селективностиесть селективность
жидкая фазагазовая фаза
инертным газомкислородом
Ниже будут описаны замещенные метилены, которые содержат двухвалентный углерод, связанный с атомами или группами, иными, чем водород, а также другие методы синтеза метиленов и их реакции. Эти реакции доказывают, что в них могут участвовать те же самые два типа метиленов, независимо от их строения, и каждый реагирует по-своему.
Горение
Реакция алканов с кислородом, приводящая к образованию двуокиси углерода, воды и, что наиболее важно, выделению тепла, является основной реакцией, происходящей в двигателе внутреннего сгорания; ее огромное практическое значение очевидно.
Механизм этой реакции очень сложен и до сих пор полностью не установлен. Однако нет сомнений, что это свободнорадикальная цепная реакция. Реакция очень экзотермична, но для того, чтобы она началась, требуется очень высокая температура — температура пламени. Как и в случае хлорирования, необходимо большое количество энергии для разрыва связи, в результате которого образуется реакционноспособная частица, начинаю-
4 J Алканы jgj щая цепь; если преодолеть этот барьер, то соответствующие стадии, продолжающие цепь, протекают легко и с выделением энергии.
Использование высокого давления сделало современные двигатели более эффективными, но в то же время создало новую проблему. При определенных условиях мягкий взрыв смеси топлива и воздуха в цилиндре сменяется детонацией, которая значительно уменьшает мощность двигателя.
Проблема детонации успешно решается двумя путями: а) выбором соответствующего углеводорода в качестве топлива и б) добавлением тетраэтилсвинца.
Испытания чистых соединений показали, что детонационные свойства углеводородов очень сильно изменяются в зависимости от структуры. Относительная антидетонационная способность топлива обычно характеризуется так называемым октановым числом: была выбрана произвольная шкала, причем н-гептану, который сильно детонирует, приписано октановое число, равное нулю, а 2,2,4-триметилпентану (изооктану) — октановое число 100. В настоящее время имеются топлива с антидетонационными свойствами, лучшими, чем у изооктана.
Бензиновая фракция, получаемая прямой перегонкой нефти (бензин прямой гонки), улучшается добавкой соединений с более высоким октановым числом; иногда она полностью заменяется этими топливами. Разветвленные алканы и алкены, а также ароматические углеводороды обычно обладают хорошими антидетонационными свойствами; они получаются из углеводородов нефти путем каталитического крекинга (разд. 4.35) и каталитического реформинга (разд. 12.4). Сильно разветвленные алканы получают из алкенов и алканов реакцией алкилирования (разд. 6.16).
В 1922 г. Мидглей и Бойд (исследовательская лаборатория фирмы «Дженерал моторе») обнаружили, что октановое число топлива сильно зависит от добавления небольших количеств тетраэтилсвинца (С2Н5)4РЬ. Бензин с добавкой этого вещества называется этилированным бензином.
Пиролиз: крекинг
Пиролиз — это разрушение соединений при нагревании. Этот термин происходит от греческих слов руг — огонь и lysis — разрушение и, следовательно, означает «расщепление при нагревании» (сравните со словом гидролиз — разрушение водой).
Пиролиз алканов, особенно когда речь идет о нефти, известен под названием крекинга. При термическом крекинге алканы пропускают через колонку, нагретую до высокой температуры. Алканы с высоким молекулярным весом превращаются в алканы с меньшим молекулярным весом, алкены и водород. В результате этого процесса образуется в основном этилен (С2Н4) наряду с другими небольшими молекулами. В случае крекинга с водяным паром углеводороды разбавляют паром, нагревают до 700—900 °C и быстро охлаждают. Процесс крекинга с водяным паром приобрел большое значение для производства углеводородов, применяемых как реагенты, например этилена, пропилена, бутадиена, изопрена и циклопентадиена. Другим источником углеводородов с небольшим молекулярным весом является гидрокрекинг, проводимый в присутствии водорода под высоким давлением и при значительно более низких температурах (250—450 °C).
Алканы с низким молекулярным весом, получаемые при крекинге, можно разделить и очистить; они служат важным сырьем для синтеза алифатических соединений в крупных масштабах.
Однако крекинг применяется главным образом для получения топлив, а не химических реактивов; при этом главную роль играет каталитический
крекинг. Фракции с высокими температурами кипения (обычно соляровое масло) вводят в контакт с мелко раздробленным алюмосиликатным катализатором при 450—550 °C под небольшим давлением. При каталитическом крекинге не только повышается выход бензина за счет разрушения больших молекул до молекул меньшего размера, но также улучшается качество бензина: этот процесс происходит через образование карбониевых ионов (разд. 5.17) и приводит к более разветвленным алканам и алкенам.
В результате алкилирования некоторые алканы и алкены с небольшим молекулярным весом (разд. 6.16) превращаются в высокооктановые синтетические топлива.
Наконец, в процессе каталитического реформинга (разд. 12.4) огромные количества алифатических углеводородов нефти превращаются в ароматические углеводороды, которые используются не только как топлива высшего качества, но и как исходные вещества для синтеза большинства ароматических соединений (гл. 10).
Определение строения
Одна из наиболее общих и важных задач органической химии — установление структурной формулы соединения, синтезированного или полученного из природного сырья.
Соединение можно отнести к одной из двух групп, хотя сначала неизвестно к какой. Это будет либо прежде описанное соединение, которое необходимо идентифицировать, либо новое соединение, строение которого следует установить.
Если соединение было прежде описано и его строение уже определено, то в химической литературе можно найти описание его свойств наряду с данными, на основании которых установлено его строение. В этом случае необходимо только показать, что данное соединение идентично описанному ранее.
Если же соединение синтезировано вновь и прежде не описано, то необходимо провести более тщательное доказательство его строения.
Рассмотрим, как это делается, сейчас в общем виде, а ниже — более подробно. Имеется либо сосуд, наполненный газом, либо несколько миллилитров жидкости, либо очень небольшое количество кристаллов. Необходимо ответить на вопрос: что это такое?
Сначала очищают соединение и определяют его физические свойства: температуры плавления и кипения, плотность, показатель преломления и растворимость в различных растворителях. В настоящее время в лаборатории можно измерить различные спектры соединений (гл. 13), в частности инфракрасные и ЯМР-спектры; на практике сразу же после очистки следует провести спектральное исследование, поскольку оно дает большую информацию о строении соединения.
Для того чтобы определить, какие элементы входят в состав соединения, проводят качественный элементный анализ (разд. 2.27). Затем определяют количественный состав и молекулярный вес и по полученным данным рассчитывают молекулярную формулу (разд. 2.28); это необходимо делать, если получено новое соединение.
Далее проводят систематическое изучение реакций соединения с определенными реагентами. Реакции вместе с элементным анализом, растворимостью и спектрами обычно позволяют охарактеризовать соединение, т. е. решить вопрос, к какому классу оно принадлежит. Возможно, что это соединение является алканом, алкеном, альдегидом или сложным эфиром.
Возникает следующий вопрос: какой это алкан, алкен, альдегид или эфир? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо обратиться сначала к
4 j Алканы j gg химической литературе и посмотреть свойства соединений того класса, к которому принадлежит исследуемое вещество.
Если окажется, что имеется соединение, физические свойства которого идентичны свойствам исследуемого неизвестного вещества, то можно считать, что эти соединения идентичны. Для подтверждения неизвестное соединение обычно превращают химической реакцией в новое соединение, называемое производным, и показывают, что это производное идентично с веществом, полученным таким же путем из ранее описанного соединения.
Если же в литературе не описано соединения, свойства которого были бы идентичны свойствам исследуемого неизвестного вещества, то предстоит трудная работа: имеется новое соединение и необходимо установить его строение. Можно провести расщепление-, разрушить молекулу, идентифицировать фрагменты и сделать вывод о том, какая была структура. Чтобы подтвердить любое доказательство строения, синтезируют исследуемое вещество методом, который не вызывает сомнений в строении полученного соединения.
Задача 4.31. Последней стадией в доказательстве строения алкана был его синтез по реакции Вюрца из изопентилхлорида. Каково строение алкана?
В гл. 13 после знакомства со многими особенностями строения органических соединений станет ясным, как использование спектроскопии изменяет описанный выше общий путь.
Анализ алканов
Неизвестное соединение относят к классу алканов на основании отрицательных результатов анализов.
При качественном анализе алканы дают отрицательную пробу на все элементы, кроме углерода и водорода. Количественное сжигание, если оно проводится, показывает отсутствие кислорода; вместе с определением молекулярного веса сжигание дает молекулярную формулу СпН2п+2> которая характерна для алканов.
Алканы нерастворимы не только в воде, но также и в разбавленных кислотах и щелочах и в концентрированной серной кислоте (обычно органические соединения растворимы в одном или нескольких из этих растворителей).
Алканы не реагируют с большинством химических реагентов. В ИК- спектре алканов отсутствуют полосы поглощения, характеристичные для групп атомов, имеющихся в других классах органических соединений (ОН, С=О, С-С и т. п.).
Если установлено, что неизвестное вещество является алканом, то остается установить, какой это алкан.
На основании физических свойств — температур кипения и плавления, плотности, показателя преломления и наиболее надежных из всех данных ИК- и ЯМР-спектров — его можно идентифицировать как изученный прежде алкан известного строения.
Если это новый алкан, то доказательство строения может быть трудным. Сжигание и определение молекулярного веса дает молекулярную формулу. Ключ к расположению атомов дает ИК- и ЯМР-спектры (для алканов, по-видимому, необходимо использование в основном методов дифракции рентгеновских лучей и масс-спектрометрии).
Окончательное доказательство строения заключается в синтезе неизвестного соединения методом, который приводит только к определенной структуре.
(Спектральный анализ алканов обсуждается в разд. 13.16—13.18.)
ЗАДАЧИ
1. Напишите структурные формулы следующих соединений: а) 2,2,3,3-тетраметилпентана,1. Напишите структурные формулы следующих соединений: а) 2,2,3,3-тетраметилпентана,2,3-диметилбутана,3,4,4,5-тетраметилгептана,3,4-диметил-4-этил гептан а,2. Напишите структурные формулы и ния:(СН3)2СНСН2СН2СН3,СН3СН2С(СН3)2СН2СН3,(QH6)2C(CH8)CH2CH3,СН3СН2СН(СН3)СН(СН3)СН(СН3)2,СН3СН2СНСН2СНСН2СН3,СН3 CHsCHsCHg2,3-диметилбутана,3,4,4,5-тетраметилгептана,3,4-диметил-4-этил гептан а,2. Напишите структурные формулы и ния:(СН3)2СНСН2СН2СН3,СН3СН2С(СН3)2СН2СН3,(QH6)2C(CH8)CH2CH3,СН3СН2СН(СН3)СН(СН3)СН(СН3)2,СН3СН2СНСН2СНСН2СН3,СН3 CHsCHsCHgд) 2,4-диметил-4-этилгептана,2,5-диметилгексана,2-метил-З-этилпентана, з) 2,2,4-триметилпентана.назовите по системе ШРАС следующие соедине-д) 2,4-диметил-4-этилгептана,2,5-диметилгексана,2-метил-З-этилпентана, з) 2,2,4-триметилпентана.назовите по системе ШРАС следующие соедине-е) (СН3)3ССН2С(СН3)3, ж) (СН3)2СНСН2СН2СН(С2Н5)2, 3) (СН3)2СНСН(СН3)СН2С(С2Н6)2СН3, и) (СН3)2СНС(С2Н6)2СН2СН2СН3, сн3сн3IIк) CHgCHgCHCHgCHCHCHg.СН2СН2СНае) (СН3)3ССН2С(СН3)3, ж) (СН3)2СНСН2СН2СН(С2Н5)2, 3) (СН3)2СНСН(СН3)СН2С(С2Н6)2СН3, и) (СН3)2СНС(С2Н6)2СН2СН2СН3, сн3сн3IIк) CHgCHgCHCHgCHCHCHg.СН2СН2СНа
1. Напишите структурные формулы следующих соединений: а) 2,2,3,3-тетраметилпентана,
1. Напишите структурные формулы следующих соединений: а) 2,2,3,3-тетраметилпентана,
2,3-диметилбутана,
3,4,4,5-тетраметилгептана,
3,4-диметил-4-этил гептан а,
2. Напишите структурные формулы и ния:
(СН3)2СНСН2СН2СН3,
СН3СН2С(СН3)2СН2СН3,
(QH6)2C(CH8)CH2CH3,
СН3СН2СН(СН3)СН(СН3)СН(СН3)2,
СН3СН2СНСН2СНСН2СН3,
СН3 CHsCHsCHg
2,3-диметилбутана,
3,4,4,5-тетраметилгептана,
3,4-диметил-4-этил гептан а,
2. Напишите структурные формулы и ния:
(СН3)2СНСН2СН2СН3,
СН3СН2С(СН3)2СН2СН3,
(QH6)2C(CH8)CH2CH3,
СН3СН2СН(СН3)СН(СН3)СН(СН3)2,
СН3СН2СНСН2СНСН2СН3,
СН3 CHsCHsCHg
д) 2,4-диметил-4-этилгептана,
2,5-диметилгексана,
2-метил-З-этилпентана, з) 2,2,4-триметилпентана.
назовите по системе ШРАС следующие соедине-
д) 2,4-диметил-4-этилгептана,
2,5-диметилгексана,
2-метил-З-этилпентана, з) 2,2,4-триметилпентана.
назовите по системе ШРАС следующие соедине-
е) (СН3)3ССН2С(СН3)3, ж) (СН3)2СНСН2СН2СН(С2Н5)2, 3) (СН3)2СНСН(СН3)СН2С(С2Н6)2СН3, и) (СН3)2СНС(С2Н6)2СН2СН2СН3, сн3сн3
II
к) CHgCHgCHCHgCHCHCHg.
СН2СН2СНа
е) (СН3)3ССН2С(СН3)3, ж) (СН3)2СНСН2СН2СН(С2Н5)2, 3) (СН3)2СНСН(СН3)СН2С(С2Н6)2СН3, и) (СН3)2СНС(С2Н6)2СН2СН2СН3, сн3сн3
II
к) CHgCHgCHCHgCHCHCHg.
СН2СН2СНа
Отметьте в задаче 1 или 2 соединения, в которых: а) нет третичного атома водорода; б) имеется один третичный атом водорода; в) есть два третичных атома водорода; г) нет вторичного атома водорода; д) имеются два вторичных атома водорода; е) первичных атомов водорода вдвое больше, чем вторичных.
Отметьте в задаче 1 или 2 соединения (если такие есть), которые имеют следующие группы:
одну изопропильную,д) одну втор-бутнльную,
две изопропильные,е) две в/лор-бутильные,
одну изобутильную,ж) одну mpem-бутильную,
две изобутнльиые,з) две mpem-бутильиые,
изопропильную и втор-бутильную,
mpem-бутильную и изобутильную,
метильную, этильную, я-пропильную и вшор-бутильную-
Не учитывая стереоизомеров, какой алкан илн какие алканы с молекулярным весом 86 дают монобромпроизводные: а) два; б) три; в) четыре; г) пять; д) сколько дибромпро- изводиых имеет алкан в (а)? е) Отметьте каждое монобромпроизводное как диссимметричное или недиссимметричное, ж) Напишите энантпометры для (е) и обозначьте каждый символом R или S.
Не учитывая стереоизомеров, сколько моно-, ди- и трихлорпроизводных возможно для циклопентана? (Строение приведено в разд. 9.6.)
Не заглядывая в таблицы, расположите следующие углеводороды в порядке уменьшения температур кипения:
3,3-диметилпентан,г) я-пентан,
н-гептан,д) 2-метилгексан-
2-метилгептан,
а) Какой вы знаете диссимметричный алкан с наименьшим молекулярным весом? Напишите стереохимические формулы энантиомеров и обозначьте их символом R или S. б) Существует ли другой диссимметричный алкан с таким же молекулярным весом? Если такой имеется, напишите его структурную формулу, назовите и обозначьте энантиомеры^ R или S.
Напишите уравнения реакций н назовите все органические соединения в следующих реакциях:
н-бутилбромид + Na,д) продукт реакции (в) + Н2О,
втор-бутилбромид + Na,е) продукт реакции (г) + Н2О,
изобутилбромид + Mg/эфир,ж) продукт реакции (в) + D2O.
mpem-бутилбромид + Mg/эфир
Напишите уравнения реакций получения н-бутана из следующих соединений:
н-бутилбромида,г) бутена-1 СН3СН2СН=СН2,
вшор-бутилбромида,д) бутена-2 СН3СН=СНСН3.
хлористого этила.
а) Какой из изомерных гексанов можно получить с хорошим выходом и в относительно чистом виде по реакции Вюрца? Почему этот метод непригоден для получения других изомеров? б) Какие изомерные октаны можно получить реакцией Вюрца?
а) Какие алканы образуются прн реакции натрия со смесью (50 : 50) л-бутилхлорнда и изобутилхлорида? б) Считая, что два алкилгалогенида реагируют с натрием с одинаковой скоростью и с одинаковой скоростью с каждым из натрийалкилов, укажите, в каком соотношении образуются эти алканы?
Не учитывая стереоизомеров, напишите структуры всех продуктов, образующихся при монохлорировании при комнатной температуре: а) н-гексана; б) изогексана; в) 2,2,4-триметилпентана; г) 2,2-диметилбутана.
Предскажите соотношение изомеров в задаче 13.
Какие вещества в задаче 13 диссимметричны? Напишите структуры всех энантиомеров и обозначьте их символом R или S.
а) При хлорировании пропана были выделены четыре продукта (А, Б, В и Г) общей формулы С3Н6С12- Напишите их структуры, б) Каждый из изомеров хлорировали дальше и количество трихлорпроизводных (С3НВС13), полученных из каждого изомера, определили методом газожидкостной хроматографии. Из А образовалось одно трихлорпроиз- водное, из Б — два, из В и Г — по три. Напишите структуры соединений А, Б, В и Г. в) Другим синтетическим методом соединение В было получено в оптически активной форме. Каково строение В и Г? г) При хлорировании оптически активного соединения В один из трихлорпропанов (Е) оказался оптически активным, а два других — неактивными. Каково строение Е и двух других соединений?
Дипольный момент смеси соединений X и Y можно представить следующим выражением:
И2 = АхРх + A\Ky
где N — мольная доли каждого типа молекул. Используя данные задачи 4-6 (стр. 102), рассчитайте конформационный состав 1,2-дихлорэтана прн 32 °C в газовой фазе.
Исходя из данных энергий связей, приведенных в табл. 2.1 (стр. 50), добавьте следующие радикалы в ряд устойчивости, приведенный в разд. 4.26: а) винил СН2=СН-; б) аллил СНа=СНСН2-; в) бензил С6НВСН2-. Проверьте ваш ответ на стр. 374.
На'основании вашего ответа на задачу 18 предскажите, как следующие соединения укладываются в ряд (разд. 4.25), который показывает легкость отрыва атомов водорода: а) винильный водород СН2=СН—Н; б) аллильный водород СН2=СНСН2—Н; в) бензильный водород С6Н5СН2—Н- Сравните ваш ответ с экспериментальными данными иа стр. 374.
а) Жидкофазный фотолиз диазометана в н-гептане приводит к следующим продуктам в указанных количествах: н-октан (38%), 2-метилгептаи (25%), 3-метилгептан (24%) и 4-метилгептан (13%). Является ли внедрение произвольным или селективным? В какой форме реагирует метилен? б) Аналогичная реакция в 2,2,4-триметилпентане приводит к четырем продуктам с формулой С9Н20 в следующем соотношении: 51, 35, 10 и 4%. Исходя из (а), укажите, какие это продукты и каково процентное содержание каждого? в) Один из продуктов в (а) диссимметричен. Какой? Если бы этот продукт образовывался прямым внедрением метилена, можно было бы ожидать, что ои будет оптически активным? Если бы он образовывался в результате отщепления — присоединения? Подробно объясните.
Если газофазный фотолиз диазометана в изобутане (задача 4.27, стр. 135) проводить в присутствии кислорода, то соотношение изопентан : неопентан в продукте значительно увеличивается. Как это объяснить?
Свободнорадикальное хлорирование пропил- или нзопропилбромида приводит к 1-бром-2-хлорпропану, а изобутил- или mpem-бутилбромида — к 1-бром-2-хлор-2-метил- пропану. Что происходит? Есть ли какое-нибудь объяснение таким реакциям?
а) Если бы ракету заполнили керосином и жидким кислородом, какое количество кислорода потребовалось бы на каждый литр керосина (считайте, что керосин имеет средний состав н-С^Изо)? Какое количество тепла выделилось бы при сгорании 1 л керосина [считайте 157 ккал/моль (657,33-103 Дж/моль) на каждую СН2-группу и 186 ккал/моль (778,70-103 Дж/моль) на каждую СН3-группу]? в) Если бы появилась возможность наполнять ракету свободными атомами водорода, какое количество топлива потребовалось бы для получения такого же количества тепла, какое дает 1 л керосина и соответствующее количество кислорода (считайте Н2О единственным продуктом)?
Какими двумя количественными методами можно показать, является ли продукт хлорирования пропана монохлор- или дихлорпроизводным пропана? Укажите точно, к^кие результаты следует ожидать в каждом методе.
Бромистый алкил (А) образует реактив Гриньяра, который под действием воды превращается в н-гексан. При обработке натрием получается 4,5-диэтилоктан. Каково строение А? Назовите его. Приведите путь вашего доказательства, включая уравнения.
Найдено, что неизвестный горючий газ нерастворим в концентрированной серной кислоте. При пропускании в раствор перманганата или в раствор брома в четыреххло-
ристом углероде окраска растворов не изменяется. 142 мл газа, собранные при 20 °C и 760 мм рт. ст. (10,13-104 Па) весят 0,337 г. Что это за газ? Если существует несколько возможных структур, предложите простой эксперимент (или эксперименты), чтобы их различить?
На основании определенных данных, включая ИК-спектры, предполагают, что соединение с формулой С10Н22 является 2,7-диметилоктаном. Как можно подтвердить или опровергнуть эту предварительно предложенную структуру?
а) Раствор неизвестного количества метилового спирта (СН3ОН) в н-октане добавили к избытку метилмагнийиодида в высоко кипящем растворителе, н-бутиловом эфире. Выделившийся газ собрали и измерили его объем: 1,04 мл (условия нормальные). Что это за газ и как он образуется? Какое количество метилового спирта добавили к реактиву Гриньяра? '
4,12 мг неизвестного спирта КОН прибавили к метилмагнийиодиду, как описано выше; выделилось 1,56 мл газа (условия нормальные). Какой молекулярный вес спирта? Предложите возможную структуру или структуры спирта.
1,79 мг соединения с молекулярным весом около 90 дало 1,34 мл газа (условия нормальные). Сколько активных (т. е. кислых) водородов имеется в молекуле? Считая, что все они находятся в виде ОН-групп, предложите структуру спирта. (Это пример определения активного водорода по Церевитииову.)
Алкены. I. Строение и получение
ЭЛИМИНИРОВАНИЕ (ОТЩЕПЛЕНИЕ)
Ненасыщенные углеводороды
При обсуждении алканов кратко упоминался другой класс углеводородов — алкены, которые содержат меньше атомов водорода, чем алканы, и которые можно превратить в алканы присоединением водорода. Указывалось, что алкены получаются из алканов в результате потери водорода при крекинге.
Алкены содержат водорода меньше, чем максимально возможно, и поэтому их называют ненасыщенными углеводородами. Эта ненасыщенность может быть компенсирована и другими реагентами, кроме водорода, и характеризует химические свойства алкенов.
Строение этилена.
Двойная углерод-углеродная связь
Простейшим представителем ряда алкенов является этилен С2Н4. Поскольку этилен легко превращается в этан, можно ожидать определенных аналогий в строении этих двух соединений.
Сначала атомы углерода соединяют ковалентной связью и затем присоединяют по два атома водорода к каждому атому углерода. Таким образом, каждый атом углерода имеет только шесть электронов на своем валентном уровне вместо требуемых восьми; чтобы вся молекула была нейтральной, необходима еще пара электронов. Обе эти проблемы можно решить, если предположить, что оба атома углерода владеют совместно двумя парами электронов. Обычно говорят, что атомы углерода связаны двойной связью. Двойная углерод-углеродная связь является отличительной особенностью строения алкенов.
ННН Н
Н:С::С:НС=С
нх хнэтилен
Квантовая механика дает более детальную картину этилена и двойной углерод-углеродной связи. Для образования связей с тремя другими атомами углерод использует три эквивалентные гибридные орбитали: sp2-орбитали, образованные комбинацией одной s- и двух р-орбиталей. Как было показано в разд. 2.23, $р2-орбитали лежат в одной плоскости, а именно плоскости ядра углерода, и направлены к углам правильного треугольника; угол между двумя орбиталями составляет 120° (2,094 рад). Тригональное расположение (рис. Б.1) предполагает максимальное удаление гибридных
орбиталей друг от друга. Так же как взаимное отталкивание приводит к тетраэдрическому расположению «р3-орбиталей, так в данном случае оно приводит к тригональному.
Если расположить два атома углерода и четыре атома водорода этилена так, чтобы обеспечить максимальное перекрывание орбиталей, то получается структура, приведенная на рис. 5.2. Каждый атом углерода находится в центре треугольника, в углах которого расположены два атома водорода и второй углеродный атом. Каждый угол между связями равен 120° (2,094 рад). Эти связи хотя и расположены иначе относительно ядра углерода, очень похожи на связи в этане; они имеют цилиндрическую симметрию относительно линии связи и их также называют о-связями (сигма-связь).
Рис. 5.1. Атомные гибридные $р2-орби- тали. Оси орбиталей направлены к углам правильного треугольника.Рис. 5.1. Атомные гибридные $р2-орби- тали. Оси орбиталей направлены к углам правильного треугольника.Рис. 5.2. Молекула этилена: приведены только о-связи.Рис. 5.2. Молекула этилена: приведены только о-связи.
Рис. 5.1. Атомные гибридные $р2-орби- тали. Оси орбиталей направлены к углам правильного треугольника.
Рис. 5.1. Атомные гибридные $р2-орби- тали. Оси орбиталей направлены к углам правильного треугольника.
Рис. 5.2. Молекула этилена: приведены только о-связи.
Рис. 5.2. Молекула этилена: приведены только о-связи.
Но построение молекулы еще не закончено. При образовании ар2-орби- талей каждый атом углерода использовал только две из трех имеющихся р-орбиталей. Оставшаяся р-орбиталь состоит из двух равных долей, из
Рис. 5.3. Молекула этилена: двойная углерод-углеродная связь. Перекрывание р-орби- талей приводит к образованию л-связи; л-электронное облако расположено над и под плоскостью, в которой лежат атомы.
которых одна расположена над, а другая под плоскостью трех «/Дорбита- лей (рис. 5.3); она занята одним электроном. Если р-орбиталь одного атома углерода перекрывается с р-орбиталью другого углеродного атома, происходит спаривание электронов и образуется дополнительная связь.
Эта связь образуется в результате перекрывания р-орбиталей, и, чтобы отличить ее от о-связей, имеющих другую форму, такую связь называют ^-связью (пи-связь). Она состоит из двух частей, причем одно электронное облако расположено над, а другое под плоскостью, в которой лежат атомы. Вследствие меньшего перекрывания л-связь менее прочна, чем углеродуглеродная о-связь. Как видно из рис. 5.3, такое перекрывание может происходить только, когда шесть атомов лежат в одной плоскости. Следовательно, этилен — плоская молекула.
Таким образом, углерод-углеродная «двойная связь» построена из прочной о-связи [83 ккал (347,46-103 Дж), исходя из данных для этана] и менее прочной л-связи [62 ккал (259,58-103 Дж)]. Общая энергия связи, равная 145 ккал (607,09-103 Дж), больше, чем энергия простой углерод-
углеродной связи в этане 183 ккал (347,46-10s Дж)]. Поскольку атомы углерода находятся ближе, расстояние С—С в этилене меньше, чем расстояние С—С в этане, т. е. двойная углерод-углеродная связь короче простой угле
род-углеродной связи.
Эта квантовомеханическая картина этилена подтверждена эксперимен
тально. Методом дифракции электронов и спектральными исследованиями показано, что этилен (рис. 5.4) представляет
Рис. 5.4. Молекула этилена: форма и размеры.Рис. 5.4. Молекула этилена: форма и размеры.собой плоскую молекулу с углами между связями около 120° (2,094 рад). Расстояние С—С в этилене равно 1,34 А (13,4-10-2 нм), а в этане 1,54 А (15,4-10-2 нм).
Рис. 5.4. Молекула этилена: форма и размеры.
Рис. 5.4. Молекула этилена: форма и размеры.
Кроме этих цифровых данных, еще два важных аспекта химии алкенов находятся в соот-
ветствии с квантовомеханической картиной двой
ной связи и наиболее легко объяснимы с точки зрения этих представлений. Это, во-первых, концепция затрудненного вращения и связанное с ним явление геометрической изомерии (разд. 5.6) и, во-вторых, реакционная способность двойной углерод-углеродной связи (разд. 6.2).
Гибридизация и размер орбиталей
Спектральные исследования показали, что расстояние С—Н в этилене равно 1,086 А (10,86-10-2 нм), т. е. значительно меньше, чем расстояние С—Н в этане, равное 1,102 А (11,02-10~2 нм). Для объяснения такого различия необходимо принять, что гибридизация атомов в этих соединениях неодинакова.
Связи углерод — водород в этилене являются простыми связями, как, например, в этане, но они образованы в результате перекрывания sp2-, а не 8р3-орбиталей углерода, как в этане. По сравнению с $р3-орбиталью $р2-орбиталь имеет менее р-характер и более s-характер. р-Орбиталь находится на некотором расстоянии от ядра; s-орбиталь расположена ближе к ядру. По мере возрастания s-характера гибридной орбитали ее эффективный размер уменьшается и одновременно уменьшается длина связи с данным атомом. Таким образом, связь водорода с $р2-гибридизованным атомом углерода (sp2 — s) должна быть короче, чем с 5р3-гибридизованным (sp3 — s).
Бензол, хотя и совершенно отличен от этилена (разд. 10.1), также содержит sp2 — s-связи углерод — водород; длина связи С—Н в бензоле равна 1,084 А (10,84-10~2 нм), т. е. точно такая же, как в этилене. Ацетилен (разд. 8.2) содержит sp-гибриднзованный атом углерода, который с точки зрения еще большего s-характера орбиталей должен образовывать более короткие связи, чем $р2-углерод в этилене. Это предположение оказалось правильным: длина sp—s-связи равна 1,057 А (10,57-10~2 нм).
Рассмотрение гибридизации и размеров орбиталей помогает объяснить другие свойства молекул, кроме длин связей, например относительную кислотность некоторых углеводородов (разд. 8.10) и относительную основность некоторых аминов (разд. 36.11). Следовало ожидать, что более короткие связи будут более прочными; установлено, что энергия диссоциации связи С—Н в этилене 1104—122 ккал (435,43-103—510,79-103 Дж)] больше, чем в метане [102 ккал (427,05-103 Дж), разд. 2.16]. Как будет показано в разд. 10.18, изменение характера гибридизации может иметь большее значение, чем обычно считают, поскольку оно влияет на устойчивость молекул.
Пропилен
Следующим представителем класса алкенов является пропилен С3Не. По аналогии с этиленом ему можно приписать структуру с двойной углерод-углеродной связью. Начав с двух атомов углерода, соединенных двойной связью, и присоединив другие атомы, согласно правилу (одна связь для водорода н четыре связи для углерода), получаем структуру
Н Н Н
Н—С—С=С—Н
I
Н
пропилен
Рассмотрение гибридизации и размеров орбиталей (разд. 5.3) позволяет предположить, что sp2—ар3-связь должна быть короче, чем sp3—sp3- связь. В соответствии с этим простая связь углерод — углерод в пропилене равна 1,501 А (15,01 •10~г нм), т. е. короче, чем в этане 11,535 А (15,35-10~2 нм)|; sp—$р3-углерод-углеродная связь в метилацетилене еще короче [1,459 А (14,59-КГ'2 нм), разд. 10.18].
Эти различия в длинах углерод-углеродных связей больше, чем соответствующие различия в длинах связей углерод — водород, которые были рассмотрены в предыдущем разделе. Было высказано предположение, что характер гибридизации углерода сильнее влияет на углерод-углеродные связи, чем на связи углерод — водород; однако возможно влияние и другого- фактора (разд. 10.17).
Бутилены
Для бутиленов С4Н8 возможно несколько структур. Это прежде всего- скелет с неразветвленной цепью, как в бутане, или с разветвленной, как в- изобутане. Для структуры с неразветвленным скелетом возможно два изомера, отличающихся положением двойной связи в цепи. Таким образом,, всего возможны три структуры: бутен-1, бутен-2 и изобутилен
Н Н Н НН Н Н ННН
н—с—с—(*:=с—нн—с—с=с—с—нн—с—с=с—н
IIIIII
ННННн
бутен-1бутен-2H—С—Н
н
изобутилен
Как же согласуются факты с предсказанием трех изомерных бутиленов? Эксперимент показал, что существует не три, а четыре алкена с формулой С4Н8; их физические свойства приведены в табл. 5.1.
При гидрировании изомер с т. кип. —7 °C превращается в изобутан; этот бутилен, очевидно, содержит разветвленную цепь, и его называют изобутиленом.
Три других изомера при гидрировании превращаются в один и тот же н-бутан; следовательно, они имеют неразветвленну'ю цепь. В разд. 6.22 будут рассмотрены методы, позволяющие расщепить молекулу алкена по двойной связи и по полученным фрагментам сделать вывод о положении двойной связи. В этом случае изомер с т. кип. —6 °C дает вещества, явно свидетельствующие о положении двойной связи на конце цепи; этому изо-
Таблица 5.1
Физические свойства бутиленов
Название
T. кип., °C
Т. пл., °C
Плотность при
—20 °C
Показатель преломления при — 12.7 °C
Изобутилен
—7
—141
0,640
1,3727
Бутен-1
—6
<—195
0,641
1.3711
транс-Бутен-2
1
—106
0,649
1,3778
ЧДс-Бутен-2
4
—139
0,667
1,3868
Рис. 5.5. Затрудненное вращение вокруг двойной углерод-углеродной связи. Вращение препятствует перекрыванию р-орбиталей и приводит к разрыву л-связи.Рис. 5.5. Затрудненное вращение вокруг двойной углерод-углеродной связи. Вращение препятствует перекрыванию р-орбиталей и приводит к разрыву л-связи.меру приписали строение бутена-1. В аналогичных условиях из двух других изомеров получается смесь одинаковых веществ, что свидетельствует о положении двойной связи в середине цепи.
Рис. 5.5. Затрудненное вращение вокруг двойной углерод-углеродной связи. Вращение препятствует перекрыванию р-орбиталей и приводит к разрыву л-связи.
Рис. 5.5. Затрудненное вращение вокруг двойной углерод-углеродной связи. Вращение препятствует перекрыванию р-орбиталей и приводит к разрыву л-связи.
Исходя из продуктов реакций гидрирования и расщепления, можно сделать вывод, что бутилены с т. кип. 1 и 4 °C оба имеют структуру бутена-2. Тем не менее различия в температурах кипения, температурах плавления и других физических свойствах свидетельствуют о том, что это не одно и то же соединение, т. е. эти соединения являются изомерами. В чем же их отличие?
Чтобы понять, какой тип изомерии имеется в бутенах-2, следует рассмотреть более подробно строение алкенов и природу двойной углерод-углеродной связи. Этилен представляет собой плоскую молекулу. Плоское строение является результатом геометрического расположения связывающих орбита- лей и, в частности, перекрывания, приводящего к образованию л-связи. По той же причине часть молекулы любого алкена также должна быть плоской, причем атомы углерода, соединенные двойной связью, и четыре связанных с ними атома лежат в одной плоскости.
Если рассмотреть структуру бутена-2 более подробно и особенно если использовать молекулярные модели, можно увидеть два возможных расположения атомов I и 11 (помимо бесчисленного множества возможностей, возникающих вследствие вращения вокруг простых связен). В одной структуре метильные группы расположены с одной стороны молекулы (I), а в другой— по разные стороны (II).
1 II
Возникает вопрос: можно ли выделить оба изомерных бутена-2, соответствующих этим двум различным структурам, или они легко превращаются друг в друга, как, например, конформации н-бутана (разд. 4.6)?
Превращение структуры I в 11 требует вращения вокруг двойной углерод-углеродной связи. Возможность выделения изомеров зависит от энергии, требуемой для вращения вокруг этой связи. л-Связь образуется в результате «бокового» перекрывания /7-орбиталей, доли которых лежат над и под плоскостью о-орбиталей. Чтобы перейти от одного из этих бутенов-2 к другому, молекулу надо свернуть так, чтобы нарушилось перекрывание р-орбиталей, т. е. необходимо разорвать л-связь (рис. 5.5).
ю*
Разрыв л-связи требует около 60 ккал (251,21- 103 Дж); при комнатной температуре только незначительное число столкновений обладает достаточной энергией, и, следовательно, скорость взаимопревращения ничтожно мала. Следовательно, благодаря этому барьеру 60 ккал (251,21- 103 Дж) существует затрудненное вращение вокруг двойной углерод-углеродной связи. В результате этого затрудненного вращения оказывается возможным выделить два изомерных бутена-2. Это и есть бутилены с т. кип. 1 и 4 °C.
Диастереомерия: геометрическая изомерия
Поскольку изомерные бутены-2 отличаются друг от друга только расположением атомов в пространстве (но имеют один и тот же порядок связи атомов), они принадлежат к общему классу, который называют стереоизомерами (разд. 3.1). Они, однако, не являются зеркальными изображениями друг друга и, следовательно, энантиомерами. Стереоизомеры, которые не являются зеркальными изображениями друг друга, называются диастереомерами.
Диастереомеры, возникающие в результате затрудненного вращения вокруг двойной углерод-углеродной связи, называются геометрическими изомерами. Изомерные бутены-2, следовательно, будут диастереомерами или, более точно, геометрическими изомерами.
Напомним, что расположение атомов, характеризующее определенный изомер, называется его конфигурацией. Конфигурации изомерных бутенов-2 представлены структурами I и II. Конфигурации обозначают при помощи приставок цис (от латинского: на этой стороне) и транс (от латинского: через), которые показывают, что метильные группы расположены по одну или по разные стороны от плоскости двойной связи. Для изомера с т. кип. 4 °C методом, который здесь не обсуждается, установлена цщ-кон- фигурация, а для изомера с т. кип. 1 °C — щрсмс-конфигурация.
Н8С НН3С Н
V
II||Геометрическиеизомеры
СС
III
цис-бутен-2,транс-бутен-2,
т. кип. 4 °Cт. кип. 1 °C
Затрудненное вращение существует вокруг любой двойной углеродуглеродной связи, но оно вызывает геометрическую изомерию только при определенном расположении групп, связанных с углеродными атомами двойной связи. Чтобы обнаружить этот тип, следует написать возможные структуры (или, лучше, построить их молекулярные модели) и затем выяснить, являются ли они изомерами, или они идентичны. Из рассмотрения структурных формул следует, что пропилен, бутен-1 и изобутилен не могут проявлять изомерии; этот вывод соответствует экспериментальным фактам. Очевидно, что многие высшие алкены могут существовать в виде геометрических изомеров.
Н НН НпропиленпропиленСН3 изобутиленСН3 изобутиленНет геометрической изомерииНет геометрической изомерииН Н
Н Н
Н Н
пропилен
пропилен
СН3 изобутилен
СН3 изобутилен
Нет геометрической изомерии
Нет геометрической изомерии
С
Н6са ХНбу теи-1
Если рассмотреть не только углеводороды, то можно обнаружить, что 1{пс-транс-изомерия невозможна для 1,1-дихлор- и 1,1-дибромэтиленов и возможна для 1,2-дихлор- и 1,2-дибромэтиленов. В обоих случаях эти предположения подтверждены экспериментально. Были выделены изомеры со следующими физическими свойствами:
цистранс1,2-дихлорэтилент. кип. 60 °C, т. кип. 48 °C,т. пл. —80 °C т. пл. —50 °Cцистранс1,2-дихлорэтилент. кип. 60 °C, т. кип. 48 °C,т. пл. —80 °C т. пл. —50 °Cтранстранс1,2-дпбромэтилент. кип. ПО °C, т. кип. 108 °C,т. пл. —аЗ °C т. пл. —6 °C1,2-дпбромэтилент. кип. ПО °C, т. кип. 108 °C,т. пл. —аЗ °C т. пл. —6 °C
цистранс
1,2-дихлорэтилен
т. кип. 60 °C, т. кип. 48 °C,т. пл. —80 °C т. пл. —50 °C
цистранс
1,2-дихлорэтилен
т. кип. 60 °C, т. кип. 48 °C,т. пл. —80 °C т. пл. —50 °C
транс
транс
1,2-дпбромэтилен
т. кип. ПО °C, т. кип. 108 °C,т. пл. —аЗ °C т. пл. —6 °C
1,2-дпбромэтилен
т. кип. ПО °C, т. кип. 108 °C,т. пл. —аЗ °C т. пл. —6 °C
Из рассмотрения этих структур следует, что геометрическая изомерия невозможна, если заместители при любом атоме углерода одинаковы. Ниже приведен ряд примеров.
изомерыизомерыa b а ba b а bс d d сс d d сизомерыизомерыодно и то же соединениеодно и то же соединение
изомеры
изомеры
a b а b
a b а b
с d d с
с d d с
изомеры
изомеры
одно и то же соединение
одно и то же соединение
Явление геометрической изомерии носит общий характер и присуще любому классу соединений, содержащих двойную углерод-углеродную связь (или двойную связь другого типа).
Из приведенных выше примеров видно, что геометрические изомеры имеют различные физические свойства. Это справедливо для всех диастереомеров.
Пара диастереомеров отличается друг от друга по своим физическим свойствам, причем различны температуры плавления и кипения, показатели преломления, растворимость, плотность и т. п. В результате этих различий в температурах кипения и растворимости их можно, в принципе по крайней мере, разделить фракционной перегонкой или фракционной кристаллизацией; молекулы различны по форме и полярности, поэтому они по-разному адсорбируются и их можно разделить хроматографически.
Пара диастереомеров имеет аналогичные химические свойства, поскольку они принадлежат к одному и тому же классу. Однако их химические свойства не идентичны, поскольку строение диастереомеров не идентично; они реагируют с данным реагентом с различной скоростью.
При рассмотрении физических свойств алкенов (разд. 5.10) обсуждается один из методов, позволяющих определить, является ли вещество цис- или лтронс-изомером, т. е. один из методов установления конфигурации.
Пара геометрических изомеров, следовательно, является диастереомерами. В какую группу они попадают по другой классификации, в которой критерием служит легкость взаимного превращения стереоизомеров (разд. 4.6)? Этот вопрос подробно обсуждается в разд. 7.1. С точки зрения возможности выделения геометрические изомеры сходны с конфигурационными изомерами, поскольку в обоих случаях взаимное превращение требует разрыва связей — л-связи в случае геометрических изомеров.
150
Высшие алкены
Бутилены содержат на один атом углерода и два атома водорода больше, чем пропилен, который в свою очередь имеет на один атом углерода и два атома водорода больше, чем этилен. Следовательно, алкены образуют другой гомологический ряд, причем гомологическая разность такая же. как и для алканов: СН2. Общая формула соединений этого класса СпН2п.
В ряду алкенов число изомеров для каждого члена ряда при переходе к высшим алкенам возрастает еще быстрее, чем в ряду алканов; кроме изменения углеродного скелета, здесь возможно также изменение положения двойной связи в цепи, а также геометрическая изомерия.
Задача 5.1. Не учитывая энантиомеров, напишите структуры: а) шести изомерных пенти- леиов (С6Н|0); б) четырех изомерных хлорпропиленов (С3Н6С1); в) одиннадцати изомерных хлорбутиленов (С4Н7С1).
Общие названия
Как и в случае алканов, существует несколько различных систем номенклатуры алкенов. Для простейших алкенов часто используют их тривиальные названия: этилен, пропилен и бутилен. Бутилены различают с помощью приставок: а, р и изо. Геометрические изомеры обозначают как цис- и транс-изомеры. Необходимость большого числа приставок для названия высших алкенов делает эту систему непригодной. Различные алкены с одинаковым числом атомов углерода иногда называются общим названием, например пентилены (амилены), гексилены, гептилены и т. д. [Иногда алкены обозначают как производные этилена, например тетраметилэтилен для углеводорода (СН3)2С=С(СН3)2.]
Как и в случае алкенов, для названия более сложных алкенов исполь- вуется номенклатура IUPAC.
Номенклатура ШРАС
Правила этой системы номенклатуры следующие:
В качестве основы выбирается самая длинная цепь, содержащая двойную углерод-углеродную связь; соединение рассматривается как полученное из этой исходной структуры заменой атомов водорода на различные алкильные группы. Исходные структуры — это этен, пропен, бутен, пентен и т. д. в зависимости от числа атомов углерода; название алкенов получается изменением окончания -ан в соответствующем алкане на -ен.
Н2С=СН2 CHsCH=CHa СН3СН2СН=СН2 СН3СН=СНСН,этенпропенбутен-1бутен-2
(цис или транс)
СН,СН3СН3
III
сн3—с=сн2сн3—с—сн=сн,сн3—с—сн=сн—сн3
II
сн3н
2-метилпропен3,3- диметилбутен-14- метилпеитен-2
(цис или транс)
Положение двойной связи в исходной цепи обозначают цифрой. Хотя двойная связь включает два атома углерода, нумеруется углеродный атом двойной связи, встречающийся первым при нумерации от конца цепи,
который расположен ближе к двойной связи; таким образом, бутен-1 и бутен-2.
Обозначают цифрой положения алкильных групп, присоединенных к исходной цепи.
Физические свойства
Физические свойства алкенов по существу такие же, как свойства алканов. Они нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в неполярных растворителях, таких, как бензол, эфир, хлороформ или лигроин. Их плотность меньше плотности воды. Как видно из данных табл. 5.2, температуре
Таблица 5.2
Физические свойства алкенов
Название
Формула
Т. пл., °C
Т. кип., °C
Плотность прж 20 °C
Этилен
СН2=СН,
—169
—102
Пропилен
СН2=СН—СН3
—185
—48
Бутен-1
СН2=СНСН2СН3
—6,5
Пентен-1
СНг=СН(СН2)2СН3
30
0.643
Гексен-1
CH2=CH(CH2)3CHS
—138
63,5
0,675
Гептен-1
СН2=СН(СН2)4СН3
—119
93
0,698
Октен-1
СН2=СН(СН2)6СН3
—104
122,5
0,716
Нонен-1
СН2=СН(СН8)6СН3
146
0,731
Децен-1
СН2=СН(СН2),СН3
—87
171
0,743
Ч«с-Бутен-2
цис-СН3СН=СНСН3
—139
4
трано Бутен-2
траяс-СН3СН=СНСН3
—106
1
Изобутилен
СН2=С(СН3)2
—141
—7
цис-Пентен-2
t(uc-CH3CH=CHCH2CH3
—151
37
0,655
транс-Пентен-2
транс-СН3СН=СНСН2СН,
36
0,647
З-Метилбутен-1
СН2=СНСН(СН3)2
—135
25
0,648
2-Метилбутен-2
СН3СН=С(СНЭ)2
—123
39
0,660
2,3-Диметилбутен-2
(СН3)2С=С(СН3)2
—74
73
0,705
кипения повышаются с увеличением содержания углерода; так же как и в случае алканов, температуры кипения повышаются на 20 —30 °C при увеличении длины цепи на один атом углерода, за исключением низших алкенов. Разветвление понижает температуру кипения. Сравнение данных табл. 5.2 и 4.3 (стр. 108) показывает, что температуры кипения алкенов очень близки к температурам кипения алканов с соответствующим углеродным скелетом.
Алканы совершенно неполярны. Некоторые алкены вследствие их определенной геометрии имеют небольшие дипольные моменты, которые п ри- ведены ниже. [Сравните эти дипольные моменты с дипольным моментом хлористого метила, равным 1,83 Д (6,04-10~30 Кл-м).1
И - 0,35ДИ - 0,35ДЯ = 0,37ДЯ = 0,37Д
И - 0,35Д
И - 0,35Д
Я = 0,37Д
Я = 0,37Д
Связь алкильной группы с атомом углерода двойной связи мало поляр* на, и ее направление указано на рисунке: алкильная группа подает электро* ны к углероду двойной связи. Поскольку этот дипольный момент связи не компенсируется соответствующим дипольным моментом противоположного направления, то в результате возникает суммарный дипольный момент молекулы.
цнс-Бутен-2 с двумя метильными группами по одну сторону двойной связи и двумя атомами водорода по другую должен иметь небольшой дипольный момент. В транс-бутене-2 с каждой стороны двойной связи в молекуле находятся метильная группа и водород, и моменты связей компен* сируют друг друга. Хотя дипольные моменты непосредственно не измерены, небольшое различие в полярности находит отражение в более высокой температуре кипения цис-изомера.
СН\ /НСН\ /Н^Х /Н
СН\ /Н
СН\ /Н
Сн/ хнцис-бутен-2.,предполагается слабыйдипольный момент н—►т.пип. 4°С, ш.№-Й9гССн/ хнцис-бутен-2.,предполагается слабыйдипольный момент н—►т.пип. 4°С, ш.№-Й9гСнх хсн3транс-бутен-2,Предполагается р.=0т. пип.та-пл.-Юб^Снх хсн3транс-бутен-2,Предполагается р.=0т. пип.та-пл.-Юб^С
Сн/ хн
цис-бутен-2.,предполагается слабыйдипольный момент н—►
т.пип. 4°С, ш.№-Й9гС
Сн/ хн
цис-бутен-2.,предполагается слабыйдипольный момент н—►
т.пип. 4°С, ш.№-Й9гС
нх хсн3транс-бутен-2,Предполагается р.=0т. пип.
та-пл.-Юб^С
нх хсн3транс-бутен-2,Предполагается р.=0т. пип.
та-пл.-Юб^С
Такое же соотношение существует для многих пар геометрических изомеров. Вследствие своей большей полярности температура кипения ^нс-изомера обычно выше, чем транс-изомер а. цнс-Изомер менее симметричен, и поэтому его упаковка в кристаллической решетке менее плотная, что обусловливает, как правило, более низкую температуру плавления цис- изомер а.Различия в полярности и, следовательно, различия в температурах плавления и кипения больше для алкенов с заместителями, электроотриТакое же соотношение существует для многих пар геометрических изомеров. Вследствие своей большей полярности температура кипения ^нс-изомера обычно выше, чем транс-изомер а. цнс-Изомер менее симметричен, и поэтому его упаковка в кристаллической решетке менее плотная, что обусловливает, как правило, более низкую температуру плавления цис- изомер а.Различия в полярности и, следовательно, различия в температурах плавления и кипения больше для алкенов с заместителями, электроотрицательность которых рода, например:Н С1VIIСцательность которых рода, например:Н С1VIIСсильно отличается от электроотрицательности угле-сильно отличается от электроотрицательности угле-цисц= 1,85Д,т. кип. 60 °C,т. пл. —80 °Cцисц= 1,85Д,т. кип. 60 °C,т. пл. —80 °CН С1IIСс^ \транср. = 0,т. кип. 48 °C,т. пл. —50 °CН IVИ СН С1IIСс^ \транср. = 0,т. кип. 48 °C,т. пл. —50 °CН IVИ СН ВгIIсн' ^Вгциср= 1,35Д,т. кип. ПО °C,т. пл. —53 °CН ВгIIсн' ^Вгциср= 1,35Д,т. кип. ПО °C,т. пл. —53 °CН ВгVIIСв^ ^нтрансц = 0,т. кип. 108 °C,т. пл. —6 °CН ВгVIIСв^ ^нтрансц = 0,т. кип. 108 °C,т. пл. —6 °C
Такое же соотношение существует для многих пар геометрических изомеров. Вследствие своей большей полярности температура кипения ^нс-изомера обычно выше, чем транс-изомер а. цнс-Изомер менее симметричен, и поэтому его упаковка в кристаллической решетке менее плотная, что обусловливает, как правило, более низкую температуру плавления цис- изомер а.
Различия в полярности и, следовательно, различия в температурах плавления и кипения больше для алкенов с заместителями, электроотри
Такое же соотношение существует для многих пар геометрических изомеров. Вследствие своей большей полярности температура кипения ^нс-изомера обычно выше, чем транс-изомер а. цнс-Изомер менее симметричен, и поэтому его упаковка в кристаллической решетке менее плотная, что обусловливает, как правило, более низкую температуру плавления цис- изомер а.
Различия в полярности и, следовательно, различия в температурах плавления и кипения больше для алкенов с заместителями, электроотри
цательность которых рода, например:
Н С1
V
II
С
цательность которых рода, например:
Н С1
V
II
С
сильно отличается от электроотрицательности угле-
сильно отличается от электроотрицательности угле-
цисц= 1,85Д,т. кип. 60 °C,т. пл. —80 °C
цисц= 1,85Д,т. кип. 60 °C,т. пл. —80 °C
Н С1
II
Сс^ \транср. = 0,т. кип. 48 °C,т. пл. —50 °C
Н I
V
И С
Н С1
II
Сс^ \транср. = 0,т. кип. 48 °C,т. пл. —50 °C
Н I
V
И С
Н Вг
IIсн' ^Вгциср= 1,35Д,т. кип. ПО °C,т. пл. —53 °C
Н Вг
IIсн' ^Вгциср= 1,35Д,т. кип. ПО °C,т. пл. —53 °C
Н Вг
V
II
Св^ ^нтрансц = 0,т. кип. 108 °C,т. пл. —6 °C
Н Вг
V
II
Св^ ^нтрансц = 0,т. кип. 108 °C,т. пл. —6 °C
циср = 0,75Д,т. кип. 188 °C,Т. пл. —14 °Cциср = 0,75Д,т. кип. 188 °C,Т. пл. —14 °Cтранср = 0,т. кип. 192 °C,т. пл. 72 °Cтранср = 0,т. кип. 192 °C,т. пл. 72 °C
циср = 0,75Д,т. кип. 188 °C,Т. пл. —14 °C
циср = 0,75Д,т. кип. 188 °C,Т. пл. —14 °C
транс
р = 0,
т. кип. 192 °C,т. пл. 72 °C
транс
р = 0,
т. кип. 192 °C,т. пл. 72 °C
Связь между конфигурацией и температурой кипения или плавления является эмпирическим правилом, из которого имеется много исключений
КОН (спирт.) I |КОН (спирт.) I |■-* —С=с— + КХ + Н2О■-* —С=с— + КХ + Н2О
КОН (спирт.) I |
КОН (спирт.) I |
■-* —С=с— + КХ + Н2О
■-* —С=с— + КХ + Н2О
(например, температуры кипения дииодэтенов). В то же время измерение дипольных моментов часто позволяет приписать цис- или транс-строение определенному изомеру.
Задача 5.2. а) Определите направление суммарного дипольного момента всех дигалоген- этенов. б) Будет ли дипольный момент цос-2,3-дихлорбутена-2 больше или меньше, чем дипольный момент цис-\,2-дих.порэтеиа? к) Укажите направление суммарного дипольного момента цис-l,2-дибром-1,2-дихлорэтена. Будет ли он больше или меньше дипольного момента цис-1,2-дихлорэтена? Почему?
Промышленные источники
В промышленных масштабах алкены получают главным образом при крекинге нефти (разд. 4.35). Низшие алкены можно получать в чистом виде фракционной перегонкой, и поэтому они являются доступным сырьем синтеза большого числа важных алифатических соединений. Высшие алкены, которые нельзя выделить из сложной смеси после крекинга, входят как важные компоненты в состав бензина. Алкены-1 с четным числом атомов углерода, используемые в больших количествах в производстве детергентов, получают ионной полимеризацией этилена по методу Циглера — Натта (разд. 8.24).
Методы синтеза
Алкены, содержащие меньше пяти атомов углерода, можно получить в чистом виде при переработке нефти. Чистые образцы более сложных алкенов обычно синтезируют одним из указанных ниже методов.
Введение двойной углерод-углеродной связи в молекулу, содержащую одну простую углерод-углеродную связь, обязательно протекает как элиминирование атомов или групп от соседних атомов углерода
—С—С>■ —С=С— Элиминирование
В процессе крекинга, например, отщепляются два атома водорода
Реакции элиминирования, приведенные ниже, можно использовать ие только для синтеза простых алкенов; они, что более важно, представляют общие пути введения двойной углерод-углеродной связи в молекулы любого типа.
МЕТОДЫ СИНТЕЗА АЛКЕНОВ
Дегидрогалогенирование алкилгалогенндов (разд. 5.13—5.15)
Легкость дегидрогалогенирования алкнлгалогенндов: третичные>вторнчиые>первичные Примеры:
КОН (спирт.)СН3СН2СН2СН2С1► СН3СН2СН=СН2
я-бутилхлоридбутен-1
КОН (спирт.)СН3СН2СНС1СН3*- СН3СН=СНСН3 + СН3СН8СН=СН,<тор-бутнлхлоридбутен-2 (80%) бутен-1 (20%)
Дегидратация спиртов (разд. 5.16—5.18)
I | кислота I I
—С—С— > —С=С— + Н2О
А Лн
спиртыалкены
Легкость дегидратации спиртов: третичные > вторичные > первичные Примеры: НННН
I | кислота ||
н—С—С—Н>• Н—С=С—Н + Н,О
I I
Н ОН этиловыйэтилен
спирт
СН.,СИ2СН2СН2ОН к2^^ СН3СН2СН=СН2 + СН3СН=СНСН3 я-бутиловый спиртбутен-1бутен-2
(основной продукт)
СН3СН2СНСН3 > СН3СН=СНСН3 + СН3СН2СН=СН2
ОН emop-бутиловыйбутен-2бутен-1
спирт(основной продукт)
Дегалогенирование вицинальных дигалогенидов (разд. 5.12)
—С—С- + Zn —С=С— + ZnX2
I IX X
Пример:
2,3-дибромбутан4. Восстановление алкинов (разд. 8.9) н2.>Pt или NiR—С=С—R -алкин №™иГиКН32,3-дибромбутан4. Восстановление алкинов (разд. 8.9) н2.>Pt или NiR—С=С—R -алкин №™иГиКН3Rx,НрС=С< траяс-изомерHzXRRx,НрС=С< траяс-изомерHzXRСН3СНВгСНВгСН3 #- СН3СН=СНСН3бутен-2
2,3-дибромбутан
4. Восстановление алкинов (разд. 8.9) н2.
>
Pt или Ni
R—С=С—R -алкин №™иГиКН3
2,3-дибромбутан
4. Восстановление алкинов (разд. 8.9) н2.
>
Pt или Ni
R—С=С—R -алкин №™иГиКН3
Rx,Н
рС=С< траяс-изомер
HzXR
Rx,Н
рС=С< траяс-изомер
HzXR
Важнейшие из этих методов синтеза, имзюцде наиболее общее применение — дегидрогалогенирование алкилгалогенидов и дегидратация спиртов. Обоим методам присущ один и тот же недостаток: водород может отщепляться от любого из атомов углерода, соседних с углеродом, связанным с X или ОН, вследствие чего часто образуются изомеры. Поскольку изомерия обычно касается только положения двойной связи, это не имеет значения в тех случаях, когда необходимо превратить алкен в алкан.
Как будет показано ниже, алкилгалогениды обычно получают из соответствующих спиртов и, следовательно, в обоих методах обязательно получение спиртов; однако дегидрогалогенирование обычно протекает с меньшими осложнениями и часто его предпочитают, несмотря на дополнительную стадию.
Дегалогенирование вицинальных (от латинского vicinalis — соседний) дигалогенидов часто ограничено тем, что эти дигалогениды обычно получают из алкенов. Однако иногда удобно использовать превращение алкена в дигалогенид. чтобы провести некоторые реакции с остальной частью молекулы и затем регенерировать алкен действием цинка; такая операция называется защитой двойной связи.
Для получения чистых цис- и транс-алкенов без примеси других изомеров часто можно использовать восстановление алкина соответствующим реагентом (разд. 8.9).
'Дегидрогалогенирование алкилгалогенидов
Алкилгалогениды превращаются в алкены реакцией дегидрогалогенирования, т. е. в результате элиминирования элементов галогеноводорода. Дегидрогалогенирование заключается в удалении атома галогена вместе с атомом водорода от соседнего углеродного атома.
Дегидрогалогенирование: отщепление НХ
IIII
—С—С— + КОН (спирт.) »- —С=С— + КХ + Н8О
Н X
Не удивительно, что для элиминирования кислоты требуется сильное основание.
Алкен получают нагреванием алкилгалог'енида со спиртовым раствором КОН, например:
КОНКОН
СН.СН2СН2С1 *• СН3СН=СН. -*—- СН3СНС1СН,
382 (спирт.) d8 (спирт.) 33
w-пропилхлоридпропилен изопропилхлорид
КОН
СН3СН2СН2СН2С1 > СН3СН2СН=СН„
(спирт.) ”м-бутилхлоридбутен-1
КОН
СН3СН2СНСН3>• СН3СН=СН-СН3 + СН3СН2СН=СН, i (спирт.)
1
втор-бутилхлоридбутен-2 (80%) бутен-1 (20%)
Из приведенных примеров видно, что в некоторых случаях в этой реакции образуется один алкен, а в других — смесь алкенов. н-Бутилхлорид, например, может отщеплять водород только от С» и, следовательно, дает только бутен-1. в/иор-Бутилхлорид может отщеплять водород или от Q или от С3 и, следовательно, давать оба изомера: бутен-2 и бутен-1. Когда возможно образование двух изомеров, то главным продуктом является бутен-2; этот факт находится в соответствии с общей схемой дегидрогалогенирования, которая обсуждена в разд. 5.15.
Задача 5.3. Напишите структурные формулы всех алкенов, которые можно получить при дегидрогалогенировании следующих соединений: а) 1-хлорпентана; б) 2-хлорпентана; в) 3-хлорпентана; г) 2-хлор-2-метилбутапа; д) З-хлор-2-метилбутана; е) 2-хлор-2,3-днме- тнлбутана; ж) 1-хлор-2,2-диметилпропана.
15(5
Задача 5.4. Какой алкилгалогенид (если такой имеется) даст при дегидрогалогенировании следующие алкены в чистом виде: а) изобутилен; б) пентен-1; в) пентен-2; г) 2-ме- тилбутен-1; д) 2-метилбутен-2; е) З-метилбутен-1?
Механизм дегидрогалогенирования
Роль гидроксил-иона заключается в отщеплении иона водорода от атома углерода; одновременно отщепляется ион галогена и образуется двойная связь.
часто изображают пахчасто изображают пах^С=С\ + X- + Н2О^С=С\ + X- + Н2О
часто изображают пах
часто изображают пах
^С=С\ + X- + Н2О
^С=С\ + X- + Н2О
углерода, ауглерода, аРис. 5.6. Ион-ди- польное взаимодействие: сольватированный нон галогена.Рис. 5.6. Ион-ди- польное взаимодействие: сольватированный нон галогена.
углерода, а
углерода, а
Рис. 5.6. Ион-ди- польное взаимодействие: сольватированный нон галогена.
Рис. 5.6. Ион-ди- польное взаимодействие: сольватированный нон галогена.
стрелка указываетнаправление сдвига электронов
Следует отметить, что в отличие от свободных радикалов разрыв, связей С—Н и С—X происходит несимметрично: водород оставляет оба электрона галоген забирает оба электрона. Электроны, оставленные водородом, способны образовать вторую связь (л- связь) между атомами углерода.
Откуда же берется энергия для разрыва связей углерод — водород и углерод — галоген?
Во-первых, образуется связь между ионом водорода и очень сильным основанием гидроксил-ионом.
Затем в результате образования л-связи выделяется около 60 ккал/моль (251,21 • 103 Дж/моль).
И наконец, что наиболее важно, выделяется энергия при сольватации ионов галогена. Спирт, как и вода, представляет собой полярный растворитель. Освободившийся ион галогена окружен гроздью этих полярных молекул (кластеры); каждая молекула растворителя ориентирована таким образом, что положительный конец ее диполя находится около отрицате
льного иона (рис. 5.6). Каждая ион-дипольнаясвязь слаба, но при образовании большого числа таких связей выделяется много энергии. (Следует напомнить, что образование ион-дипольных связей при гидратации ионов натрия и хлора дает достаточное количество энергии для разрыва кристаллической решетки хлористого натрия; этот процесс в отсутствие воды происходит при температуре 801 °C.) Так же как ион водорода вытягивается из молекулы гидроксил-ионом, ион галогена отщепляется из молекулы молекулами растворителя.
Свободнорадикальные реакции алканов, рассмотренные в гл. 4, в основном протекают в газовой фазе. Ионные реакции (подобные только что описанной) происходят главным образом в растворах.
(Механизм дегидрогалогенирования и его доказательство будут рассмотрены в разд. 14.19.)
Направление реакции и реакционная способность при дегидрогалогенировании
Какой изомер преобладает в тех случаях, когда возможно образование нескольких изомерных алкенов? Исследование многих реакций дегидрогалогенирования показало, что обычно преобладает один изомер и что можно предсказать, какой это изомер, т. е. предсказать направление элиминирования, исходя из строения молекулы.
кон
СН3СН2СНВгСН3 СН3СН=СНСН3 и СН3СН2СН=СН1
81%19%
кон СН3СН2СН2СНВгСН2 > СН3СН2СН=СНСН3 и СН3СН2СН2СН=СН,
(спирт.)
71%29%
СН3СН3СН3
I КОН||
СН3СН2СВгСН3 > СН3СН=С—СН3 и СН3СН2С=СН,
(спирт.)
71%29%
Направление реакции определяется относительными скоростями конкурирующих реакций. Для втор-бутилбромида атака основанием любого из трех атомов водорода при Q может привести к образованию бутена-1; атака любого из двух атомов водорода при С8 может привести к бутену-2. Бутен-2 является основным продуктом, т. е. образуется быстрее, несмотря на фактор вероятности 3 : 2, который не благоприятствует его образованию. Этой схеме отвечают и другие примеры: преобладающим продуктом является алкен, имеющий большее число алкильных групп, связанных с атомами углерода двойной связи.
Легкость образования алкенов:
R2C=CR2 > R2C=CHR > R2C=CH2, RHC=CHR > RCH=CH2
В разд. 6.4 будут даны доказательства того, что устойчивость алкенов изменяется в точно такой же последовательности.
Устойчивость алкенов:
R2C=CR2 > R2C=CHR > R2C=CH2, RCH=CHR > RCH=CH, > CH2=CH,
Чем устойчивее алкен, тем легче он образуется в реакции дегидрогалогенирования.
Рассмотрение переходного состояния подтверждает, что более устойчивый алкен образуется быстрее
переходное состояние: частично образовалась двойная связьпереходное состояние: частично образовалась двойная связь
переходное состояние: частично образовалась двойная связь
переходное состояние: частично образовалась двойная связь
Частично образовалась двойная связь, и переходное состояние, таким образом, приобрело некоторый характер алкена. Факторы, стабилизующие
конечный алкен, также стабилизуют алкен, возникающий в переходном состоянии.
Устойчивость алкена не только определяет направление дегидрогалогенирования, но и служит важным фактором при оценке реакционной способности алкилгалогенида в реакции элиминирования, например:
Относительная
Исходное
Конечное
Относитель
скорость в расчете на один атом
вещество
вещество
ная скорость
водорода
СН3СН2Вг —
-^ СН2=СН2
1,0
1,0
СН3СН2СН2ВГ —
-> СН3СН=СН2
3,3
5,0
СН3СНВгСНэ —
-* СН3СН=СН2
9,4
4,7
(СН3)3СВг —
-> (СН3)2С=СН3
120
40
Если рассмотреть ряд алкилгалогенидов, то при переходе от первичного ко вторичному и затем к третичному структура становится более разветвленной у атома, связанного с галогеном. Эго увеличение степени разветвленности приводит к следующим результатам: во-первых, появляется большое число атомов водорода для атаки основанием и, следовательно, вероятность элиминирования становится больше, и, во-вторых, образуется более разветвленный и более устойчивый алкен (более устойчивое переходное состояние и меньшая £,кт). Таким образом, при дегидрогалогенировании реакционная способность RX уменьшается в порядке: третичный > вторичный > первичный.
Задача 5.5. Какой основной продукт образуется при дегидрогалогенировании соединений, приведенных в задаче 5.3, стр. 155?
Дегидратация спиртов
Спирты представляют собой соединения общей формулы ROH, где R — алкильная группа; гидроксильная группа —ОН характерна для спиртов так же, как двойная углерод-углеродная связь для алкенов. Названия спиртов образуются из названия соответствующей алкильной группы, связанной с гидроксильной, и слова спиот. Спирты подразделяются на первичные, вторичные или третичные в зависимости от природы атома углерода, связанного с гидроксильной группой (разд. 4.13), например:
сн3
СНСН2ОН СН3СНСН3сн3—с—сн3
онон
этиловый изобутиловый изопропиловый mpem-бутпловый спирт,спирт,спирт,спирт,
первичный спирт первичный спирт вторичный спирт третичный спирт
IIкислота,„СС >।।нагреваниен ОНIIкислота,„СС >।।нагреваниен ОНСпирт превращают в алкен дегидратацией (отщеплением молекулы воды). Дегидратация протекает в присутствии кислоты и при нагревании.
IIкислота,
„СС >
।।нагревание
н ОН
IIкислота,
„СС >
।।нагревание
н ОН
—С=СЬ Н3О Дегидратация: элиминирование воды
алкеналкенспирт
алкен
алкен
Дегидратацию обычно проводят, либо нагревая спирт с серной или фосфорной кислотой при температуре около 200 °C, либо пропуская пары спирта над окисью алюминия А12О3 при 350—400 °C, при этом окись алюминия реагирует как кислота Льюиса (разд. 1.19).
Различные классы спиртов сильно отличаются по легкости дегидратации, причем реакционная способность изменяется в следующем порядке:
Легкость дегидратации спиртов: первичные < вторичные < третичные
На примере следующих реакций показано, как различия в реакционной способности спиртов влияют на экспериментальные условия дегидратации. (Некоторые третичные спирты дегидратируются настолько легко, что их можно перегнать, если только принять меры для тщательной защиты от паров кислот в воздухе, имеющихся в обычной лаборатории.)
СН3СН2ОНСН3СН2ОН95%-ная H2SO4,170 °C95%-ная H2SO4,170 °CСН2=СНаСН2=СНаэтиловый спиртэтиловый спиртэтиленэтилен
СН3СН2ОН
СН3СН2ОН
95%-ная H2SO4,170 °C
95%-ная H2SO4,170 °C
СН2=СНа
СН2=СНа
этиловый спирт
этиловый спирт
этилен
этилен
75%-иая H2SO4,СН3СН2СН2СН2ОН—* СН3СН=СНСН3
«-бутиловый спиртбутен-2
(основной продукт)
60%-ная H2SO4,СН3СН2СНОНСН3► СН3СН=СНСН3
d zd100 °C
втор-бутиловый спиртбутен-2
(основной продукт)
СН3СН3
I 20%-ная H2SO4, |сн3—с—сн3*■ сн3—с=сн.
3 |385-90 «с 33
Д^изобутилен
трет-бутиловыйспирт
Если возможно образование изомерных алкенов, то обычно преобладает один изомер. Так, emop-бутиловый спирт, который может дегидратироваться с образованием бутена-2 и бутена-1, дает почти исключительно бутен-2 (разд. 5.22).
На примере образования бутена-2 из н-бутилового спирта можно иллюстрировать то, что характерно для дегидратации и не характерно для дегидрогалогенирования: двойная связь может образоваться в положении, удаленном от атома углерода, связанного с ОН-группой. Эта особенность обсуждается в разд. 5.21. Для получения алкенов обычно предпочитают дегидрогалогенирование алкилгалогенидов, поскольку в этом случае направление образования двойной связи более определенно.
Теория карбониевых ионов
Для объяснения фактов, наблюдаемых при галогенировании алканов, был предложен механизм, в основе которого лежит образование свободных радикалов — очень реакционноспособных короткоживущих нейтральных частиц, несущих неспаренный электрон. Были подробно рассмотрены доказательства этого механизма. На основании аналогичных доказательств было высказано предположение, что и другие реакции алканов (горение, крекинг) также протекают через стадию образования свободных радикалов.
В данном случае для объяснения различных фактов, наблюдавшихся при изучении химии алкенов, а также спиртов, алкилгалогенидов и многих
других типов органических соединений, было предложено существование реакционноспособной частицы другого типа: карбониевого иона — группы атомов, содержащих атом углерода только с шестью электронами. Карбониевые ионы делятся на первичные, вторичные и третичные в зависимости от того, какой атом углерода несет положительный заряд, например:
НННС* СНуС*ннМетильныим зтильныи „царбониевыц карбониееыционион(первичный)НННС* СНуС*ннМетильныим зтильныи „царбониевыц карбониееыционион(первичный)нСН3:С-СН$нСН3:С-СН$"изопропильныйкарбонцевыдион(вторичный)"изопропильныйкарбонцевыдион(вторичный)СН3СНуС-СН,СН3СНуС-СН,трет-бутильны^карбониевыиион(третичный)трет-бутильны^карбониевыиион(третичный)По той же причине, что и свободные радикалы, карбониевые ионы являются очень реакционноспособными частицами: они стремятся заполнить октет у атома углерода. В отличие от свободного радикала карбониевый ион имеет положительный заряд.Карбониевые ионы трудно наблюдать непосредственно, поскольку они очень реакционноспособны, и, следовательно, период их жизни весьма мал. Спектральными методами были тщательно изучены устойчивые карбониевые ионы и обычные алкильные ионы карбония, стабилизованные особым ■окружением, и в настоящее время можно не сомневаться в их существовании. Тот факт, что они могут существовать даже в необычных условиях, еще больше укрепляет уверенность в том, что они существуют и играют важную роль в различных реакционных системах.Объем данной книги не позволяет перечислить все факты, на которых ■основана теория карбониевых ионов, и показать, как эта теория объясняет факты. Теория карбониевых ионов имеет очень прочный фундамент. В общем виде она объясняет большое число фактов, относящихся к множеству различных реакций. В каждом конкретном случае можно предположить какое-то другое объяснение; но совокупность всех данных делает теорию карбониевых ионов одной из наиболее строго установленных теорий органической химии. В следующем разделе предлагается общепринятый механизм дегидратации спиртов, а в последующих главах на основе этой теории объясняются и другие экспериментальные факты.По той же причине, что и свободные радикалы, карбониевые ионы являются очень реакционноспособными частицами: они стремятся заполнить октет у атома углерода. В отличие от свободного радикала карбониевый ион имеет положительный заряд.Карбониевые ионы трудно наблюдать непосредственно, поскольку они очень реакционноспособны, и, следовательно, период их жизни весьма мал. Спектральными методами были тщательно изучены устойчивые карбониевые ионы и обычные алкильные ионы карбония, стабилизованные особым ■окружением, и в настоящее время можно не сомневаться в их существовании. Тот факт, что они могут существовать даже в необычных условиях, еще больше укрепляет уверенность в том, что они существуют и играют важную роль в различных реакционных системах.Объем данной книги не позволяет перечислить все факты, на которых ■основана теория карбониевых ионов, и показать, как эта теория объясняет факты. Теория карбониевых ионов имеет очень прочный фундамент. В общем виде она объясняет большое число фактов, относящихся к множеству различных реакций. В каждом конкретном случае можно предположить какое-то другое объяснение; но совокупность всех данных делает теорию карбониевых ионов одной из наиболее строго установленных теорий органической химии. В следующем разделе предлагается общепринятый механизм дегидратации спиртов, а в последующих главах на основе этой теории объясняются и другие экспериментальные факты.5.18. Механизм дегидратации спиртовОбщепринятый механизм дегидратации спиртов следующий (для простоты в качестве примера взят этиловый спирт):НННН(1)Н-С : С-Н + Н+ *=> Н—С : С—НН -О:НН :р:НспуртНпротонированный спирт5.18. Механизм дегидратации спиртовОбщепринятый механизм дегидратации спиртов следующий (для простоты в качестве примера взят этиловый спирт):НННН(1)Н-С : С-Н + Н+ *=> Н—С : С—НН -О:НН :р:НспуртНпротонированный спирт№№и—С : С—Ни—С : С—НННн*=^ н-С : д-Н + Н:О:Н +карбониевый ионННн*=^ н-С : д-Н + Н:О:Н +карбониевый ион(3)(3)НI С-ННI С-НН НН-С :: С-Н + Н*алкенН НН-С :: С-Н + Н*алкен
НН
НС* СНуС*
нн
Метильныим зтильныи „царбониевыц карбониееыционион
(первичный)
НН
НС* СНуС*
нн
Метильныим зтильныи „царбониевыц карбониееыционион
(первичный)
н
СН3:С-СН$
н
СН3:С-СН$
"изопропильныйкарбонцевыдион
(вторичный)
"изопропильныйкарбонцевыдион
(вторичный)
СН3СНуС-СН,
СН3СНуС-СН,
трет-бутильны^карбониевыи
ион
(третичный)
трет-бутильны^карбониевыи
ион
(третичный)
По той же причине, что и свободные радикалы, карбониевые ионы являются очень реакционноспособными частицами: они стремятся заполнить октет у атома углерода. В отличие от свободного радикала карбониевый ион имеет положительный заряд.
Карбониевые ионы трудно наблюдать непосредственно, поскольку они очень реакционноспособны, и, следовательно, период их жизни весьма мал. Спектральными методами были тщательно изучены устойчивые карбониевые ионы и обычные алкильные ионы карбония, стабилизованные особым ■окружением, и в настоящее время можно не сомневаться в их существовании. Тот факт, что они могут существовать даже в необычных условиях, еще больше укрепляет уверенность в том, что они существуют и играют важную роль в различных реакционных системах.
Объем данной книги не позволяет перечислить все факты, на которых ■основана теория карбониевых ионов, и показать, как эта теория объясняет факты. Теория карбониевых ионов имеет очень прочный фундамент. В общем виде она объясняет большое число фактов, относящихся к множеству различных реакций. В каждом конкретном случае можно предположить какое-то другое объяснение; но совокупность всех данных делает теорию карбониевых ионов одной из наиболее строго установленных теорий органической химии. В следующем разделе предлагается общепринятый механизм дегидратации спиртов, а в последующих главах на основе этой теории объясняются и другие экспериментальные факты.
По той же причине, что и свободные радикалы, карбониевые ионы являются очень реакционноспособными частицами: они стремятся заполнить октет у атома углерода. В отличие от свободного радикала карбониевый ион имеет положительный заряд.
Карбониевые ионы трудно наблюдать непосредственно, поскольку они очень реакционноспособны, и, следовательно, период их жизни весьма мал. Спектральными методами были тщательно изучены устойчивые карбониевые ионы и обычные алкильные ионы карбония, стабилизованные особым ■окружением, и в настоящее время можно не сомневаться в их существовании. Тот факт, что они могут существовать даже в необычных условиях, еще больше укрепляет уверенность в том, что они существуют и играют важную роль в различных реакционных системах.
Объем данной книги не позволяет перечислить все факты, на которых ■основана теория карбониевых ионов, и показать, как эта теория объясняет факты. Теория карбониевых ионов имеет очень прочный фундамент. В общем виде она объясняет большое число фактов, относящихся к множеству различных реакций. В каждом конкретном случае можно предположить какое-то другое объяснение; но совокупность всех данных делает теорию карбониевых ионов одной из наиболее строго установленных теорий органической химии. В следующем разделе предлагается общепринятый механизм дегидратации спиртов, а в последующих главах на основе этой теории объясняются и другие экспериментальные факты.
5.18. Механизм дегидратации спиртов
Общепринятый механизм дегидратации спиртов следующий (для простоты в качестве примера взят этиловый спирт):
НННН
(1)Н-С : С-Н + Н+ *=> Н—С : С—Н
Н -О:НН :р:Н
спуртН
протонированный спирт
5.18. Механизм дегидратации спиртов
Общепринятый механизм дегидратации спиртов следующий (для простоты в качестве примера взят этиловый спирт):
НННН
(1)Н-С : С-Н + Н+ *=> Н—С : С—Н
Н -О:НН :р:Н
спуртН
протонированный спирт
№
№
и—С : С—Н
и—С : С—Н
ННн
*=^ н-С : д-Н + Н:О:Н +карбониевый ион
ННн
*=^ н-С : д-Н + Н:О:Н +карбониевый ион
(3)
(3)
Н
I С-Н
Н
I С-Н
Н Н
Н-С :: С-Н + Н*
алкен
Н Н
Н-С :: С-Н + Н*
алкен
Спирт присоединяет ион водорода [стадия (1)1 с образованием протонированного спирта, который диссоциирует [стадия (2)1, давая молекулу воды и ион карбония; затем ион карбония [стадия (3)1 теряет ион водорода и образуется алкен.
Таким образом, двойная связь образуется в две стадии: потеря гидроксильной группы в виде Н2О [стадия (2)1 и потеря водорода [стадия (3)]. В этом отличие этой реакции от реакции дегидрогалогенирования, где отщепление водорода и галогена происходит одновременно.
Первая стадия представляет кислотно-основное равновесие по Брен- стеду — Лоури (разд. 1.19). При растворении серной кислоты в воде, например, происходит следующая реакция:
нНО: +более сильное основаниенНО: +более сильное основаниеООииHO-S-OH ^IIОHO-S-OH ^IIОй Н:О:Н + HSO4* более слабое основанией Н:О:Н + HSO4* более слабое основание
н
НО: +
более сильное основание
н
НО: +
более сильное основание
О
О
и
и
HO-S-OH ^
IIО
HO-S-OH ^
IIО
й Н:О:Н + HSO4
* более слабое основание
й Н:О:Н + HSO4
* более слабое основание
Ион водорода перешел от очень слабого основания (HSO7) к более сильному основанию (Н2О) с образованием иона оксония (Н3О+); основные свойства обоих соединений обусловлены, конечно, неподеленной парой электронов, которая может связывать ион водорода. Спирт также содержит атом кислорода с неподеленной парой электронов и его основность сравнима с основностью воды. Первую стадию предложенного механизма можно наиболее вероятно представить следующим образом:
нСН3СН2:О: более сильное основаниенСН3СН2:О: более сильное основание+ НО—S—он ^IIо+ НО—S—он ^IIон
н
СН3СН2:О: более сильное основание
н
СН3СН2:О: более сильное основание
+ НО—S—он ^IIо
+ НО—S—он ^IIо
СН3СН2.О:Н + + HSO4~
болееслабое
основание
Ион водорода перешел от бисульфат-иона к более сильному основанию (этиловому спирту) с образованием замещенного иона оксония (С2Н5ОН2), протонированного спирта.
Аналогично стадия (3) является не выталкиванием свободного иона водорода, а его переходом к наиболее сильному из имеющихся оснований, а именно к С2Н5ОН.
н иI I
С2Н5ОН2+ + Н—С::С— Н
Для удобства этот процесс часто изображают как присоединение или отщепление иона водорода Н+, но следует понимать, что во всех случаях на самом деле происходит перенос протона от одного основания к другому.
Все три реакции приведены как равновесные, поскольку каждая стадия обратима; как будет показано ниже, обратной реакцией является образование спиртов из алкенов (разд. 6.10). Равновесие (1) сдвинуто очень сильно вправо; известно, что серная кислота почти полностью ионизована в спиртовом растворе. Поскольку концентрация имеющихся в каждый момент карбониевых ионов очень мала, равновесие (2) сдвинуто сильно влево. В какой-то момент один из этих немногих карбониевых ионов реагирует по уравнению (3) с образованием алкена. При дегидратации, летучий алкен обычно отгоняется из реакционной смеси, и, таким образом, равновесие (3) сдвигается вправо. В результате вся реакция доходит до конца.
Карбониевый ион образуется в результате диссоциации протонированного спирта; при этом заряженная частица R+ отделяется от нейтраль-
ной частицы Н2О. Очевидно, этот процесс требует значительно меньше энергии, чем образование карбониевого иона из самого спирта, поскольку в этом случае необходимо оторвать положительную частицу от отрицательной. В первом случае слабое основание (вода) отщепляется от иона карбония (кислоты Льюиса) значительно легче, чем очень сильное основание, гидроксил-ион, т. е. вода является лучшей уходящей группой, чем гидроксилион. Показано, что гидроксил-ион почти никогда не отщепляется от спирта; реакции расщепления связи С—О в спирте почти во всех случаях требуют кислого катализатора, роль которого, как и в настоящем случае, заключается в протонировании спирта.
ROH2 >• R+ + Н2О Легко
слабое основание, хорошая уходящая группа
ROH #- R+ + ОН- Трудно
сильное основание,плохая уходящаягруппа
Наконец, следует понимать, что диссоциация протонированного спирта становится возможной только благодаря сольватации карбониевого иона (ср. разд. 5.14). Энергия для разрыва связи углерод — кислород берется за счет образования большого числа ион-дипольных связей между ионом карбония и полярным растворителем.
Карбониевый ион может вступать в различные реакции; какая из них происходит, зависит от экспериментальных условий. Все реакции карбониевых ионов завершаются одинаково: они приобретают пару электронов для заполнения октета у положительно заряженного атома углерода. В данном случае ион водорода отщепляется от атома углерода, соседнего с положительно заряженным обедненном электронами атомом углерода; пара электронов, прежде осуществлявшая связь с этим водородом, теперь может образовать л-связь
Этот механизм объясняет кислотный катализ при дегидратации. Объясняет ли этот механизм также и тот факт, что легкость дегидратации спиртов уменьшается в ряду третичный > вторичный > первичный? Прежде чем ответить на этот вопрос, необходимо выяснить, как изменяется устойчивость карбониевых ионов.
Задача 5.6. Согласно принципу микроскопической обратимости, прямая и обратная реакции следуют по одному и тому же пути, но в противоположных направлениях. Исходя! из этого, напишите подробный механизм гидратации алкенов — реакции, обратной реакции дегидратации спиртов. (Проверьте ваш ответ в разд. 6.10.)
Устойчивость карбониевых ионов. Распределение заряда
Энергия, необходимая для отрыва электрона от молекулы или атома, называется потенциалом ионизации. (В действительности это энергия ионизации.) По определению потенциал ионизации свободного радикала — это-
ДЯ для превращения радикала в карбониевый ион.
R* *■ R+ + е~ АН = потенциал ионизации
Измерены потенциалы ионизации [ккал/моль (4,187-103 Дж/моль)] многих свободных радикалов, например:
СН3- -—#- СН3 + еАН = 230
СН3СН2- >CH3CHj + e-АЛ = 202
СН3СНСН3 »- СН3СНСН3 + е'АН = 182
+
СН3-С-СН8 —>■ СНз-С-СН3 + е”АН = 171
сн3
Величины потенциалов уменьшаются в следующей последовательности: СН3- > первичный > вторичный > третичный.
Из таблицы значений энергии диссоциации связей (разд. 4.26) следует, что количество энергии, необходимое для образования свободного радикала из алканов, уменьшается в том же порядке: СН3- > первичный > вторичный > третичный. Если совместить эти два ряда — потенциалы ионизации и энергии диссоциации связей, то видно, что (рис. 5.7) для рассмотренных алканов порядок устойчивости карбониевых ионов следующий:
Устойчивость карбониевых иоиов: третичный > вторичный >[первичныйТ> СН3
Различия в устойчивости карбониевых ионов больше, чем в устойчивости свободных радикалов. mpem-Бутильный радикал, например, на 11 ккал (46,05-103 Дж) устойчивее, чем метильный; mpem-бутильный карбониевый иоч на 70 ккал (293,08-103 Дж) устойчивее метильного карбониевого иона.
В качестве стандартов устойчивости карбониевых иоиов рассматривают типы соединений, из которых оии образуются, в данном случае спирты или алкилгалогеииды (гл. 14). Относительная устойчивость большинства обычных нейтральных молекул изменяется параллельно с изменением относительной устойчивости алкаиов; таким образом, полученный порядок изменения относительной устойчивости соответствует истинному независимо от того, из чего образуются карбоииевые ионы. Различие в устойчивости mpem- бутильного и метильного карбониевых ионов относительно алкаиов, как мы только что рассчитали, равно 70 ккал (293,08-10» Дж). Различие в устойчивости относительно других стандартных соединений составляет: относительно спиртов 57 ккал (238,65-108 Дж), хлоридов 71 ккал (297,26-10» Дж), бромидов j 83 ккал (347,46-10» Дж) и иодидов 76 ккал (318,20-10» Дж).
Как же можно объяснить такой порядок изменения устойчивости? Согласно законам физики, устойчивость заряженной системы повышается при распределении заряда. Следовательно, любой фактор, способствующий делокализации положительного заряда обедненного электронами атома углерода и распределению его в остальной части иона, должен стабилизовать ион карбония.
По определению различие между первичным, вторичным и третичным карбониевыми ионами заключается в числе атомов углерода и, следовательно, алкильных групп, связанных с атомом углерода, несущим положительный заряд.
ННRR
1111
Н—С+R—оR—С+R—С+
1111НННR
метильныйпервичныйвторичныйтретичный
карбониевыйкарбониевыйкарбониевыйкарбониевый
ионионионион
Подача электронов: дисперсия заряда, стабилизация иона
Как же влияет алкильная группа на устойчивость карбониевого иона? Существует много доказательств, физических и химических, указывающих на то, что алкильные группы по сравнению с атомом водорода имеют тенденцию подавать электроны. Алкильная группа, связанная с атомом углерода, несущим положительный заряд, стремится подать электроны на этот
СН: С СНз н
Рис. 5.7. Относительная устойчивость карбониевых иоиов.
атом углерода и, таким образом, в какой-то мере уменьшить его положительный заряд; при этом сама алкильная группа становится в какой-то степени положительно заряженной. Это распределение заряда стабилизует карбониевый ион.
Третичный карбониевый ион с тремя алкильными группами поэтому устойчивее, чем вторичный с двумя алкильными группами, который в свою очередь устойчивее первичного с одной алкильной группой; метильный карбониевый ион, в котором нет алкильных групп, наименее устойчив из всех.
Эффект, обусловленный стремлением атома или группы атомов подавать или оттягивать электроны, называется индуктивным эффектом. В данном случае можно сказать, что алкильные группы проявляют электронодонорный индуктивный эффект.
Некоторые другие атомы и группы имеют тенденцию оттягивать электроны и проявляют электроноакцепторный индуктивный эффект. Наличие
атома или группы, оттягивающих электроны, увеличивает положительный заряд на обедненном электронами атоме углерода и, следовательно, обусловливает меньшую устойчивость иона карбония.
Устойчивость карбониевого иона зависит главным образом от электронодонорного или электроноакцепторного характера заместителей.
Легкость образования карбониевых ионов
Как уже говорилось, легкость дегидратации спиртов уменьшается при переходе от третичного спирта к вторичному и затем к первичному. Это доказывает, что контролирующим фактором при дегидратации является образование иона карбония и что один спирт дегидратируется легче другого главным образом потому, что он легче образует карбониевый ион.
Карбониевые ионы могут образовываться не только из спиртов и не только в реакциях элиминирования. Во всех случаях полученные данные свидетельствуют о том, что легкость образования ионов карбония изменяется в таком же порядке.
Легкость образования карбониевых ионов: третичный > вторичный > первичный > СНз
Порядок легкости образования ионов карбония соответствует порядку изменения их устойчивости: чем устойчивее карбониевый ион, тем легче он образуется.
Логично ли то, что наиболее устойчивый карбониевый ион образуется легче всего? Для ответа на этот вопрос рассмотрим реакцию, в процессе которой возникает карбониевый ион, и природу переходного состояния.
"При дегидратации спиртов ион карбония образуется в результате отщепления молекулы воды от протонированного спирта ROHj, т. е. вследствие разрыва связи углерод — кислород. В исходном соединении положительный заряд в основном находится на кислороде, а в конечном продукте— на углероде. В переходном состоянии связь С—О должна быть частично разрушена, причем кислород частично оттягивает на себя электронную пару от углерода. Положительный заряд, который раньше был на кислороде, теперь уже распределен между кислородом и углеродом. Углерод уже частично приобрел положительный заряд, который он имеет в конечном карбониевом ионе.
.Гс+ 6+ 1
R:OH* >- [r...:OH2J> R++:0H2
исходноепереходноеконечные
вещество,состояние,вещества,
кислород имеет углерод и кислород углерод имеет полный положи- имеют частичные полный положительный заряд положительныетельный заряд
заряды
Группы, подающие электроны, стремятся погасить частичный положительный заряд (6+), имеющийся на атоме углерода, тем самым стабилизуя переходное состояние. Стабилизация переходного состояния понижает ЕакТ и вследствие этого ускоряет реакцию (рис. 5.8).
Таким образом, тот же самый фактор, подача электронов, который стабилизует ион карбония, также стабилизует возникающий в переходном состоянии карбониевый ион. Более устойчивый ион карбония образуется быстрее.
Мы будем снова и снова возвращаться к вопросу о взаимоотношении между индуктивным эффектом и распределением заряда, между распределением заряда и устойчивостью. Эти взаимоотношения помогают понять реак-
ции карбониевых ионов различного типа и все реакции, в которых появляется или исчезает заряд — положительный или отрицательный. Сюда отно-
Лой реакции —>Лой реакции —>Рис. 5.8. Структура молекулы и скорость реакции. Устойчивость переходного состояния изменяется параллельно с устойчивостью карбониевого иона: более устойчивый ион карбония образуется быстрее.Рис. 5.8. Структура молекулы и скорость реакции. Устойчивость переходного состояния изменяется параллельно с устойчивостью карбониевого иона: более устойчивый ион карбония образуется быстрее.сятся и реакции, отличные от дегидратации спиртов: присоединение к алкенам, замещение в ароматическом и алифатическом рядах, перегруппировки, кислотно-основные равновесия.сятся и реакции, отличные от дегидратации спиртов: присоединение к алкенам, замещение в ароматическом и алифатическом рядах, перегруппировки, кислотно-основные равновесия.5.21. Перегруппировки карбониевых ионов5.21. Перегруппировки карбониевых ионовОчень часто дегидратация спиртов приводит к алкенам, образование которых не согласуется с предложенным механизмом. Двойная связь появляется в неожиданных местах; в некоторых случаях происходит даже изменение углеродного скелета, например:Очень часто дегидратация спиртов приводит к алкенам, образование которых не согласуется с предложенным механизмом. Двойная связь появляется в неожиданных местах; в некоторых случаях происходит даже изменение углеродного скелета, например:сн3сн2сн2сн2онн-бутиловый спиртсн3сн2сн2сн2онн-бутиловый спирт^U- СН3СН=СНСН3бутен-2(основной продуктреакции)^U- СН3СН=СНСН3бутен-2(основной продуктреакции)СН3СНаСНСН2ОНСН32-метилбутанол-1СН3СНаСНСН2ОНСН32-метилбутанол-1Н+—>- СН3СН=ССН2сн32-метилбутен-2(основной продуктреакции)Н+—>- СН3СН=ССН2сн32-метилбутен-2(основной продуктреакции)СН3СН3ССНОНСН3Ан33,3-диметил-бутанол-2СН3СН3ССНОНСН3Ан33,3-диметил-бутанол-2СН3 н+ | —>- снс=с-сн3СН32,3- димети лбутен-2 (основной продукт реакции)СН3 н+ | —>- снс=с-сн3СН32,3- димети лбутен-2 (основной продукт реакции)СН3и СН3СНС=СН2СН32,3-диметилбутен-1СН3и СН3СНС=СН2СН32,3-диметилбутен-1Рассмотрим образование бутена-2 из я-бутилового спирта. Отщепление воды от протонированного спирта приводит к я-бутильному карбониевомуРассмотрим образование бутена-2 из я-бутилового спирта. Отщепление воды от протонированного спирта приводит к я-бутильному карбониевому
Лой реакции —>
Лой реакции —>
Рис. 5.8. Структура молекулы и скорость реакции. Устойчивость переходного состояния изменяется параллельно с устойчивостью карбониевого иона: более устойчивый ион карбония образуется быстрее.
Рис. 5.8. Структура молекулы и скорость реакции. Устойчивость переходного состояния изменяется параллельно с устойчивостью карбониевого иона: более устойчивый ион карбония образуется быстрее.
сятся и реакции, отличные от дегидратации спиртов: присоединение к алкенам, замещение в ароматическом и алифатическом рядах, перегруппировки, кислотно-основные равновесия.
сятся и реакции, отличные от дегидратации спиртов: присоединение к алкенам, замещение в ароматическом и алифатическом рядах, перегруппировки, кислотно-основные равновесия.
5.21. Перегруппировки карбониевых ионов
5.21. Перегруппировки карбониевых ионов
Очень часто дегидратация спиртов приводит к алкенам, образование которых не согласуется с предложенным механизмом. Двойная связь появляется в неожиданных местах; в некоторых случаях происходит даже изменение углеродного скелета, например:
Очень часто дегидратация спиртов приводит к алкенам, образование которых не согласуется с предложенным механизмом. Двойная связь появляется в неожиданных местах; в некоторых случаях происходит даже изменение углеродного скелета, например:
сн3сн2сн2сн2онн-бутиловый спирт
сн3сн2сн2сн2онн-бутиловый спирт
^U- СН3СН=СНСН3бутен-2(основной продуктреакции)
^U- СН3СН=СНСН3бутен-2(основной продуктреакции)
СН3СНаСНСН2ОН
СН32-метилбутанол-1
СН3СНаСНСН2ОН
СН32-метилбутанол-1
Н+
—>- СН3СН=ССН2
сн32-метилбутен-2(основной продуктреакции)
Н+
—>- СН3СН=ССН2
сн32-метилбутен-2(основной продуктреакции)
СН3
СН3ССНОНСН3
Ан3
3,3-диметил-бутанол-2
СН3
СН3ССНОНСН3
Ан3
3,3-диметил-бутанол-2
СН3 н+ | —>- снс=с-сн3
СН3
2,3- димети лбутен-2 (основной продукт реакции)
СН3 н+ | —>- снс=с-сн3
СН3
2,3- димети лбутен-2 (основной продукт реакции)
СН3
и СН3СНС=СН2
СН3
2,3-диметилбутен-1
СН3
и СН3СНС=СН2
СН3
2,3-диметилбутен-1
Рассмотрим образование бутена-2 из я-бутилового спирта. Отщепление воды от протонированного спирта приводит к я-бутильному карбониевому
Рассмотрим образование бутена-2 из я-бутилового спирта. Отщепление воды от протонированного спирта приводит к я-бутильному карбониевому
СН3СН2СН2СН2ОН2СН3СН2СН2СН2ОН2иону. Отщепление водорода от атома углерода, соседнего с положительно заряженным атомом углерода, могло привести к бутену-1, но не к бутену-2, который в основном образуется:
СН3СН2СН2СН2ОН2
СН3СН2СН2СН2ОН2
—#- н2о + СН3СН2СН2СН2 >. СН3СН2СН=СН2
Другие примеры аналогичны. В каждом случае можно сделать вывод, что если алкен действительно образуется из карбониевого иона, то это не тот ион карбония, который первоначально образовался из спирта.
Аналогичная ситуация возникает не только в реакции дегидратации. Идея промежуточного карбониевого иона объясняет факты, только если ее объединить с другим положением: ион карбония может перегруппироваться с образованием более устойчивого карбониевого иона.
н-Бутиловый спирт, например, образует «-бутильный карбониевый ион; он перегруппировывается во emop-бутильный карбониевый ион, который теряет ион водорода и образует (преимущественно) бутен-2.
ПерегруппировкаПерегруппировкаСН3СН2СН2СН2ОН2 —»* сн3сн2сн2сн* + Н2О
Перегруппировка
Перегруппировка
СН3СН2СН2СН2 > СН3СН2СНСН3 +
первичныйвторичный
СН3СН2СНСН3 ► СН3СН=СНСН3 + №
+
бутен-2(основной продуктреакции)
Аналогичным образом 2-метилбутильный-1 карбониевый ион перегруппировывается в карбониевый ион с положительным зарядом на третичном атоме углерода.
СН3СН2СНСН2 *- СН3СН2ССН3 Перегруппировка
СН3СН3
первичныйтретичный
Вторичный ион из 3,3-диметилбутана также превращается в соответствующий третичный карбониевый ион
СН3Н3С СН3
ПерегруппировкаПерегруппировкасн,—с—снсн3 —♦. сн-i—с—сн.
Перегруппировка
Перегруппировка
I ++ I
сн3н
вторичныйвторичныйтретичныйтретичный
вторичный
вторичный
третичный
третичный
Можно заметить, что в каждом случае перегруппировка происходит в направлении образования более устойчивого иона карбония: вторичного из первичного, третичного из первичного или вторичного.
Как же происходит перегруппировка? Ф. Уитмор (Университет штата Пенсильвания) предложил следующий механизм перегруппировки: к углероду, несущему положительный заряд, мигрирует атом водорода или алкильная группа с парой электронов от соседнего атома углерода. Углерод, от которого уходит эта группа, приобретает положительный заряд. Миграция водорода с парой электронов известна как гидридный сдвиг; аналогичная миграция алкильной группы известна как алкильный сдвиг. Это два
примера наиболее общего типа перегруппировок — 1,2-сдвиги, в которых мигрирующая группа перемещается к соседнему атому.
Гидридный сдвиг
/,2- Сдвиги
Алкильный сдвиг
Перегруппировки при дегидратации можно объяснить следующим образом. Карбониевый ион образуется в результате отщепления воды от протонированного спирта. Если при 1,2-сдвиге атома водорода или алкильной группы может образоваться более устойчивый карбониевый ион, то происходит перегруппировка. Новый ион карбония теряет протон с образованием алкена.
В случае н-бутильного карбониевого иона, перемещение водорода приводит к более устойчивому втор-бутил иному карбониевому иону; миграция этильной группы привела бы к образованию другого н-бутильного карбониевого иона. В случае 2-метилбутильного-1 карбониевого иона гидридный сдвиг приводит к третичному карбониевому иону и, следовательно, преобладает над метильным сдвигом, который приводит к образованию только вторичного иона карбония. В случае 3,3-диметилбутильного-2 карбониевого иона перемещение метильной группы может привести к образованию третичного карбониевого иона, что и происходит в действительности.
И Н I I СН3СН2-С-С-НИ Н I I СН3СН2-С-С-Нн.-бутил(первичный)н.-бутил(первичный)Н НI I> СН3СН2-С-С-Н+ Нвтор-бутил(вторичный)Н НI I> СН3СН2-С-С-Н+ Нвтор-бутил(вторичный)
И Н I I СН3СН2-С-С-Н
И Н I I СН3СН2-С-С-Н
н.-бутил(первичный)
н.-бутил(первичный)
Н Н
I I
> СН3СН2-С-С-Н+ Н
втор-бутил
(вторичный)
Н Н
I I
> СН3СН2-С-С-Н+ Н
втор-бутил
(вторичный)
СН3 НI IСН3СН2-С—с-нХ-метилбитил-! (первичный)СН3 НI IСН3СН2-С—с-нХ-метилбитил-! (первичный)СН3 НI I СН3СН2-СС-Н+ Н2-метилбутил-2.(третичный)СН3 НI I СН3СН2-СС-Н+ Н2-метилбутил-2.(третичный)
СН3 НI I
СН3СН2-С—с-н
Х-метилбитил-! (первичный)
СН3 НI I
СН3СН2-С—с-н
Х-метилбитил-! (первичный)
СН3 Н
I I СН3СН2-СС-Н
+ Н
2-метилбутил-2.(третичный)
СН3 Н
I I СН3СН2-СС-Н
+ Н
2-метилбутил-2.(третичный)
СН3СН3СНз НI IСНз НI I-с—с-сн-с—с-снззЗ.З-диметилбутпил-г.(вторичный)З.З-диметилбутпил-г.(вторичный)СН3—СС—сн3* СНз2,3-диметилбутил-21(третичный)СН3—СС—сн3* СНз2,3-диметилбутил-21(третичный)
СН3
СН3
СНз НI I
СНз НI I
-с—с-сн
-с—с-сн
з
з
З.З-диметилбутпил-г.(вторичный)
З.З-диметилбутпил-г.(вторичный)
СН3—СС—сн3
* СНз
2,3-диметилбутил-21(третичный)
СН3—СС—сн3
* СНз
2,3-диметилбутил-21(третичный)
Исторически именно наличие перегруппировок привело к развитию теории карбониевых ионов. Реакции, которые кажутся различными, включают часто перегруппировки одного и того же типа. Поиски общего объяснения привели к концепции карбониевого иона. В настоящее время наличие (или отсутствие) перегруппировки такого типа является лучшим и иногда единственным доказательством в пользу (или против) промежуточного образования карбониевого иона.
При кратком рассмотрении химии карбониевых ионов будут обсуждены две реакции. Ион карбония может:
отщепить протон с образованием алкена,
перегруппироваться в более устойчивый карбониевый ион.
Этот список далее будет быстро расширяться.
При перегруппировке, как и в любой другой реакции карбониевого иона, атом углерода, обедненный электронами, приобретает пару электронов в данном случае от соседнего углеродного атома, который может лучше распределить положительный заряд.
Направление реакции и реакционная способность при дегидратации
Что же известно на данном этапе о дегидратации спиртов.
Дегидратация протекает через стадию образования иона карбония. Скорость реакции зависит в основном'от того, насколько быстро образуется карбониевый ион, что в свою очередь определяется его устойчивостью. Устойчивость нона карбония зависит от распределения положительного заряда, что определяется электронодонорными или электроноакцепторными свойствами заместителей.
Если образовавшийся ион карбония может перегруппироваться в результате 1,2-сдвига с образованием более устойчивого карбониевого иона, то он это делает.
Это подводит нас к последней стадии дегидратации.
"Карбониевый ион, первоначально образовавшийся или образовавшийся в результате перегруппировки, теряет протон, давая алкен. Если возможно возникновение изомерных алкенов на этой стадии, какой из них будет преобладать (если будет)? Рассмотренные ниже примеры дают ответ.
СН3СН2СН=СН2бутен-1СН3СН2С=СН2СН32-метилбутен-1СН3СН2СН=СН2бутен-1СН3СН2С=СН2СН32-метилбутен-1СН,СН2СНСН, -—>- СН,СН=СНСН3 ибутен-2(преобладает)
СН3СН2СН=СН2бутен-1
СН3СН2С=СН2
СН32-метилбутен-1
СН3СН2СН=СН2бутен-1
СН3СН2С=СН2
СН32-метилбутен-1
СН3СН2ССН, -—> СН3СН=ССН3 и
сн3сн3
2-метнлбутен-2(преобладает)
НIи СН3С—с=сн2I Iсн3 сн32,3-диметилбутен-1НIи СН3С—с=сн2I Iсн3 сн32,3-диметилбутен-1Н
Н
I
и СН3С—с=сн2
I I
сн3 сн3
2,3-диметилбутен-1
Н
I
и СН3С—с=сн2
I I
сн3 сн3
2,3-диметилбутен-1
снзсССН3 -—СН3—с=с—сн3IIII
сн3 сн3сн3 сн3
2,З-д иметилбутен-2(преобладает)
В данном случае, так же как и при дегидрогалогенировании, предпочтительно образуется наиболее замещенный алкен, т. е. наиболее устойчивый (разд. 6.4). При дегидратации предпочтительным продуктом будет наиболее устойчивый алкен.
Исследование переходного состояния показывает, что наиболее устойчивый алкен должен образоваться быстрее.
переходное состояние,частично образоваласьдвойная связь
Как только основание (растворитель) вырывает протон, оставшиеся электроны распределяются между двумя атомами углерода и связь углерод — углерод приобретает характер двойной связи. Факторы, обусловливающие устойчивость получаемого алкена, стабилизуют его и в переходном состоянии.
Задача 5.7. Укажите основное соединение, образующееся при дегидратации: а) (СН3)2С(ОН)СН2СН3; б) (СН3)2СНСНОНСН3; в) (СН3)2С(ОН)СН(СН3)2.
ЗАДАЧИ
Напишите структурные формулы следующих соединений:
2,3-диметилбутена-2,д)2,4,4-триметилпептеиа-2,
3-хлорпропена,е)транс-3,4-диметилгексена-З,
ччс-2-метилгептеиа-З,ж)(К)-З-бромбутена-!,
3,6-диметилоктена-1,з)(8)-транс-4-метилгексена-2.
Напишите структурные формулы и назовите по системе ШРАС каждое из следующих соед инений:
а) изобутилен,б) ч«с-СН3СН2СН=СНСН2СН3,в) (СН3)3ССН=СН2,а) изобутилен,б) ч«с-СН3СН2СН=СНСН2СН3,в) (СН3)3ССН=СН2,г) транс-(СН3)2СНСН=СНСН(СН3)2, д) (СН3)2СНСН2СН=С(СН3)2,
а) изобутилен,
б) ч«с-СН3СН2СН=СНСН2СН3,
в) (СН3)3ССН=СН2,
а) изобутилен,
б) ч«с-СН3СН2СН=СНСН2СН3,
в) (СН3)3ССН=СН2,
е) (СН3СН2)2С=СН2.
Укажите, какие из написанных соединений могут проявлять геометрическую (цистранс') изомерию и напишите их структурные формулы:
бутен-1,ж)пеитен-2,
бутеи-2,з)1-хлорпропен,
1,1-дихлорэтен,и)1-хлор-2-метилбутен-2,
1,2-дихлорэтен,к)З-метил-4-этилгексен-З,
2-метилбутен-2,л)гексадиеи-2,4
пентен-1,(СН3СН=СНСН=СНСН3).
Существует 13 изомерных гексенов (СвН12), ие считая геометрических изомеров, а) Н апишите структурные формулы всех изомеров и назовите их по системе ШРАС. б) У кажите, какие из них могут проявлять геометрическую изомерию и напишите структуры изомеров, в) Один из гексенов диссимметричен. Какой? Напишите формулы энантиомеров и обозначьте каждый символом R или S.
По каким свойствам чыс-гексен-3 будет отличаться" от транс-гексена-3?
температура кипения,температура плавления,способность адсорбцироваться на А12О3,ИК-спектр,дипольный момент,показатель преломления,температура кипения,температура плавления,способность адсорбцироваться на А12О3,ИК-спектр,дипольный момент,показатель преломления,скорость гидрирования,
температура кипения,
температура плавления,
способность адсорбцироваться на А12О3,
ИК-спектр,
дипольный момент,
показатель преломления,
температура кипения,
температура плавления,
способность адсорбцироваться на А12О3,
ИК-спектр,
дипольный момент,
показатель преломления,
продукты гидрироваиия,
растворимость в этиловом спирте,
плотность,
время удерживания в газовой хроматографии.
Какое из этих свойств будет абсолютно доказывать конфигурацию каждого изомера?
Напишите уравнения реакций получения пропилена из следующих соединений:
СН3СН2СН2ОН (н-пропиловый спирт),
СН3СНОНСН3 (изопропиловый спирт),
изопропилхлорида,
алкина СН3С=СН,
бромистого пропилена (1,2-дибромпропан).
Напишите структурные формулы соединений, образования которых можно ожидать яри дегидрогалогенировании следующих алкилгалогепидов:
1-бромгексана,д)З-бром-2-метилпентана,
2-бромгексана,е)4-бром-2-метилпентана,
1-бром-2-метилпентана,ж) 1-бром-4-метилпентана,
2-бром-2-метилпентана,з)3-бром-2,3-диметилпентана.
В тех случаях, когда возможно образование более одного продукта (задача 7), укажите, какой из них будет преобладать?
Какой спирт из каждой приведенной пары будет дегидратироваться легче?
а) СН3СН2СН2СН2СН2ОНб) (СН8)2С(ОН)СН2СН3в) (СН3)2СНС(ОН) (СН3)2а) СН3СН2СН2СН2СН2ОНб) (СН8)2С(ОН)СН2СН3в) (СН3)2СНС(ОН) (СН3)2илиилиилиилиилиилиСН3СН2СН2СН(ОН)СН3, (СН3)2СНСН(ОН)СН8, (СН3)2СНСН(СН3)СН2ОН.СН3СН2СН2СН(ОН)СН3, (СН3)2СНСН(ОН)СН8, (СН3)2СНСН(СН3)СН2ОН.
а) СН3СН2СН2СН2СН2ОН
б) (СН8)2С(ОН)СН2СН3
в) (СН3)2СНС(ОН) (СН3)2
а) СН3СН2СН2СН2СН2ОН
б) (СН8)2С(ОН)СН2СН3
в) (СН3)2СНС(ОН) (СН3)2
или
или
или
или
или
или
СН3СН2СН2СН(ОН)СН3, (СН3)2СНСН(ОН)СН8, (СН3)2СНСН(СН3)СН2ОН.
СН3СН2СН2СН(ОН)СН3, (СН3)2СНСН(ОН)СН8, (СН3)2СНСН(СН3)СН2ОН.
а) Напишите все стадии получения пропилена из пропана обычными лабораторными методами (не крекингом).
Если провести все указанные в пункте (а) реакции с н-бутаном, получится один •продукт или смесь?
а) При нагревании с кислотой неопентиловый спирт (CHgJgCC^OH медленно прев- фащается в смесь двух алкенов С6Н,0 в отношении 85 : 15. Какие это алкены и как они ■образуются? Какой из них будет преобладать?
Будет ли дегидрогалогенирование неопентилбромида (СН3)3ССН2Вг протекать так, как описано в разд. 5.14? В действительности при нагревании в водно-спиртовом растворе неопентилбромид медленно реагирует с образованием тех же алкенов, которые ■образуются в (а). Предложите механизм этого дегидрогалогенирования. Почему эта .реакция в отличие от (а) не требует кислого катализатора?
При обработке 3,3-диметилбутена-1 хлористым водородом образуется смесь 3-хлор- 2,2-диметилбутана и 2-хлор-2,3-диметилбутана. Какие предположения можно сделать, исходя из образования второго продукта? Предложите возможный механизм этой реакции, которая служит примером электрофильного присоединения. Проверьте ваш ответ ® разд. 6.10 и 6.12.
Алкены IL
Реакции двойной углерод-углеродной связи
ЭЛЕКТРОФИЛЬНОЕ
И СВОБОДНОРАДИКАЛЬНОЕ
ПРИСОЕДИНЕНИЕ
Функциональная группа
Характерной особенностью строения алкенов является наличие двойной связи углерод ■— углерод, а характерными реакциями алкенов — реакции по этой двойной связи. Атом или группа атомов, которая определяет строение данного класса органических соединений и одновременно их свойства, называется функциональной группой.
В алкилгалогенидах функциональной группой является атом галогена, в спиртах -— ОН-группа; в алкенах это двойная углерод-углеродная связь. Нельзя забывать, что в алкилгалогениде, спирте или алкене функциональные группы связаны с алкильными группами; в определенных условиях алкильные группы в этих молекулах могут вступать в реакции,типичные для алканов. Однако характерными реакциями каждого из этих соединений являются реакции, протекающие по атому галогена, гидроксильной группе или двойной углерод-углеродной связи.
Органическая химия ■— это в основном химия различных функциональных групп. Надо научиться связывать определенные свойства с определенной группой, где бы она ни находилась. Когда имеется сложная молекула с несколькими функциональными группами, то можно ожидать, что свойства этой молекулы будут сочетать свойства различных функциональных групп. Свойства определенной группы могут изменяться под влиянием других групп, и важно понимать эти изменения; однако отправной точкой в данной книге будет химия отдельных функциональных групп.
Реакции двойной углерод-углеродной связи: присоединение
Химия алкенов—это химия двойной углерод-углеродной связи.
Какие же реакции характерны для двойной связи? Двойная связь состоит из прочной ст-связи и менее прочной л-связи; следовательно, можно ожидать, что реакции будут включать разрыв этой л-связи. Это действительно так: типичными реакциями двойной связи будут реакции, при которых происходит разрыв л-связи и образование вместо нее двух прочных о-св язей.
IIII
—С=С P XV >- —С—С—Присоединение
Реакции, в которых происходит соединение двух молекул с образованием одной молекулы нового вещества, называются реакциями присоединения.
Реагент присоединяется к органической молекуле в отличие от реакций замещения, при которых часть реагента замечается остатком органической молекулы. Реакции присоединения ограничены веществами, которые содержат атомы, связанные более чем одной парой электронов, т. е. соединениями, которые имеют кратные связи.
Рис. 6.1. Двойная углерод-углеродная связь: л-связь является донором электронов.Рис. 6.1. Двойная углерод-углеродная связь: л-связь является донором электронов.Какие реагенты могут присоединяться к двойной углерод-углеродной связи? Из рис. 6.1 видно, что облака л-электронов двойной связи расположены над и под плоскостью, в которой находятся атомы, л-Электроны в меньшей степени участвуют в связывании двух ядер углерода. В результате они сами удерживаются ядрами углерода менее прочно. Эти электроны особенно доступны для реагента с недостатком электронов. Не удивительно, что во многих реакциях двойная углерод-углеродная связь служит донбром электронов, т. е. ведет себя как основание. Она реагирует с соединениями, которые обеднены электронами, т. е. с кислотами. Эти кислые реагенты, не имеющие пары электронов, называются электрофильными агентами (от греческого: любящие электрон). Типичными реакциями алкенов являются реакции электрофильного присоединения, или, другими словами, реакции присоединения кислых реагентов.
Рис. 6.1. Двойная углерод-углеродная связь: л-связь является донором электронов.
Рис. 6.1. Двойная углерод-углеродная связь: л-связь является донором электронов.
Существуют реагенты другого типа, также обедненные электронами, или, вернее, одним электроном, — свободные радикалы. Алкены также вступают в реакции свободнорадикального присоединения.
Большинство алкенов содержат не только двойную углерод-углеродную связь, но также и алкильные группы, представляющие собой по существу остатки алканов. Кроме реакций присоединения, характерных для двойной углерод-углеродной связи, алкены могут подвергаться свободнорадикальному замещению, характерному для алканов. Наиболее важные реакции присоединения и замещения приведены ниже и подробно обсуждаются в следующих разделах.
Известно, что один и тот же реагент может присоединяться как кислота и как свободный радикал, причем образуются различные продукты; существуют реагенты, способные как присоединяться по двойной связи, так и вступать в реакции замещения. Изменяя условия, можно заставить эти реагенты реагировать по определенному типу — электрофильного или свободнорадикального присоединения или замещения.
Алкильные группы, связанные с атомами углерода двойной связи, влияют на ее свойства; двойная связь в свою очередь влияет на свойства алкильных групп. В последующих разделах обсуждаются эти влияния и их причины.
РЕАКЦИИ АЛКЕНОВ
РЕАКЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ
Присоединение водорода. Каталитическое гидрирование (разд. 6.3)
I IPt, Pd или Ni | I
—с=с— + н2>• —С—с—
Н Н
Пример:Пример:н8. №СН3СН=СН2 *- CH3CH2CHSпропен (пропилен) пропан
Пример:
Пример:
—С—С1- Х2—С—С1- Х2—с—с—X X—с—с—X XХ2 — С12, Вг2Х2 — С12, Вг2Присоединение галогенов (разд. 6.5, 6.13, 9.17—9,18 и 28.18)
—С—С1- Х2
—С—С1- Х2
—с—с—
X X
—с—с—
X X
Х2 — С12, Вг2
Х2 — С12, Вг2
Пример:Пример:
Пример:
Пример:
Вг2 в ССЦ
СН3СН=СН2 > СН8СНВгСН2Вгпропилен1,2-дибромпропан
(пропиленбромид)
Присоединение галогеноводородов (разд. 6.6, 6.7 и 6.17)
X НX ННХ = НС1, НВг, HIНХ = НС1, НВг, HI
X Н
X Н
НХ = НС1, НВг, HI
НХ = НС1, НВг, HI
Примеры:
HI СН3СН=СН2 > СН3СН1СН3
пропилен
2-иодпропан (изопропилиодид)
НВг сн3сн=сн2—
в отсутствие
СН3СНВгСН3
2-бромпропан
Присоединение по правилу Марковникова
перекисей
( изопропил бромид)
в присутствии
-* СН3СН2СН2Вг
перекисей
Присоединение против правила Марковникова
1-бромпропан (н-пропилбромид)
Присоединение серной кислоты (разд. 6.8)
—С=С— + H8SO4 —>- — с—с—
Пример:Пример:Н OSO3H
Пример:
Пример:
конц. HoSO*сн3сн=сн2*- СН3СНСН3пропилен^н
кислый сульфатизопропилового спирта
Присоединение воды. Гидратация (разд. 6.9) IIн+ I I
—с=с—+ нон —>- —С—С—
н он
Пример:
н2о, н+СН3СН=СН2 > СНдСНСН,пропилен
изопропиловыйспирт
(пропанол-2>
Образование галогенгидринов (разд. 6.14)
—с=с— + х2 + н2о —> —с—с— + НХ Х2 С12, Вг2 I I
X он
Пример:
С12, Н2О
СН3СН=СН2> CHgCH—сн2пропиленX,, X,
пропиленхлоргидрин(1 -х лорпропанол-2)
Димеризация (разд. 6.15)
Пример:
'СН3СН3
I|кислота
СН3—С=СН2 + GHg—CH=CHg>
изобутилен
СН3 СНдСН3 СН3
>- СН3—С—СН=С—сн3 + СН3—С—СН2—с=сн2
СНзСН3
2,4,4-триметилпентен-22,4,4-тримети лпентен-1
Алкилирование (разд. 6.16)
||кислота |!
—С=С— + R—Н> — С—С—
Пример:
СН3СН3СН3 СН3
II H2SO4 ||
СНд—с=сн2 + сн3—с—сн3 —> сн3—с—сн2— с—снэ
НН СНд
изобутилен изобутан2,2,4-триметилпентан
Гидроборирование — окисление-(разд. 15.11—15.13),
ССр (ВНд)2 диборанССр (ВНд)2 диборанн2о2>ОН-н2о2>ОН-. н он. н он
ССр (ВНд)2 диборан
ССр (ВНд)2 диборан
н2о2
>
ОН-
н2о2
>
ОН-
. н он
. н он
Против правилоМарковникова
Присоединение свободных радикалов (разд. 6.17, 6.18)
I Iперекиси
—С=С— + X—Y*
Пример:Пример:или освещение
Пример:
Пример:
перекиси
н-С3Н^3СН=СН2 -f- ВгСС13 ■ ^ H’CgH^gCH—СН2—СС13
октен-1 бромтри-1
хлормеган“
З-бром-1,1,1 -трихлорнонав
Полимеризация (разд. 8.21—8.24)
Присоединение метилена (разд. 9.19 и 9.20)
ch2n2
освещениеосвещениедиазометанили
освещение
освещение
СН2=С=О
кетен
Гидроксилирование. Образование гликолей (разд. 6.19, 9.17, 9.18, 28.16, 28.17)
—С=С— + КМпО4 или НСОООН >- —С—С—
I I
ОН он
Пример:
СН3СН=СН2пропиленСН3СН=СН2пропиленКМпО4 или НСОООНКМпО4 или НСОООНСН3СН—сн2 он онСН3СН—сн2 он он
СН3СН=СН2пропилен
СН3СН=СН2пропилен
КМпО4 или НСОООН
КМпО4 или НСОООН
СН3СН—сн2 он он
СН3СН—сн2 он он
РЕАКЦИИ ЗАМЕЩЕНИЯРЕАКЦИИ ЗАМЕЩЕНИЯпропиленгликоль (пропандиол-1,2)
РЕАКЦИИ ЗАМЕЩЕНИЯ
РЕАКЦИИ ЗАМЕЩЕНИЯ
Галогенирование. Аллильное замещение (разд. 6.20) j ||освещение | i I
Н—С—С=С—+ Х2 > X—С—С=С— Х2 = С12, Вг2
низкая концентрация Примеры:
С!2. 600 °с
СН3СН=СН2> С1—СН2СН=СН2пропиленхлористый аллил
(З-хлорпропен-1)
Вг
^ + М-бромсукцинимид ■>
циклогексен3-бромцикло-
гексен РЕАКЦИИ РАСЩЕПЛЕНИЯ
Озонолиз (разд. 6.22) О
I |\/\/ Н2О, Zn ||
—с=с— + О3р —С С—> — с=о + о=с— озон Дальдегиды и кетоны
озонид Реакция используется для установления структуры Примеры:
НН
Оз Н2о. ZnI|
СН3СН2СН^СН2 —>- > сн3сн2с=о + о=сн
бутен-1
СН3СН3 Н
|О3 Н2О, Zn||
сн3—с=сна —>- > сн3—с=о + о=сн
изобутилен
Гидрирование. Теплота гидрирования
Гидрирование алкенов рассматривалось в разд. 4.17 как один из наиболее удобных методов синтеза алканов. Но оно не ограничено только синтезом алканов; это общий метод превращения двойной углерод-углеродной связи в простую углерод-углеродную связь: используя один и тот же прибор, один и тот же катализатор и почти одинаковые условия, можно превратить алкен в алкан, ненасыщенный спирт в насыщенный, ненасыщенный эфир кислоты в насыщенный. Поскольку реакция обычно протекает количественно и объем израсходованного водорода можно легко измерить, гидг рирование часто используют в аналитических целях; например, гидрированием можно определить число двойных связей в соединении.
В процессе гидрирования происходит разрыв л-связи [около 60 ккал (251,21-10® Дж)] и связи Н—Н [104 ккал (435,43-10® Дж)] и образование двух связей С—Н [около 97 ккал (406,12-10® Дж) на каждую связь], в результате выделяется около 30 ккал (125,60-10® Дж).
ИН — —30 ккалИН — —30 ккалIIII
ИН — —30 ккал
ИН — —30 ккал
—С=С—+ Н—Н >■ — С—С—
I Iн н
(л-связь = 60) (104)(2X97)
Количество тепла, выделяющееся при гидрировании 1 моля ненасыщенного соединения, называется теплотой гидрирования. Это просто АН реакции, но без знака минус. Теплоты гидрирования почти всех алкенов равны приблизительно 30 ккал (125,60-10® Дж) на каждую двойную связь в соединении (табл. 6.1).
Таблица 6.1
Теплоты гидрирования алкенов
Алкен
Теплота гидрирования, ккал/моль (4,187-103 Дж/моЛЬ)
Алкея
Теплота гидрирования, ккал/моль (4,187-103 Дж/модь)
Этилен
32,8
Изобутилен
28,4
Пропилен
30,1
цис-Пентен-2
28,6
Бутен-1
30,3
грснс-Пентен-2
27,6
Пентен-1
30,1
2-Метилбутен-1
28,5
Гептен-1
30,1
2,3-Диметилбутен-1
28,0
З-Метилбутен-1
30,3
2-Метилбутен-2
26,9
3,3-Диметилбутен-1
30,3
2,3-Диметилбутен-2
26,6
4,4-Диметилпентен-1
29,5
^нс-Бутен-2
28,6
транс-Бутен-2
27,6
Гидрирование — экзотермическая реакция, однако в отсутствие катализатора оно протекает с незначительной скоростью, даже при повышенной температуре. Поэтому в отсутствие катализатора реакции должны иметь очень большую энергию активации. Роль катализатора заключается в понижении энергии активации (£акт) настолько, чтобы реакция могла достаточно быстро протекать при комнатной температуре. Катализатор, конечно, не влияет на суммарное изменение энергии всей реакции; он просто понижает энергетический барьер между исходными и конечными веществами (рис. 6.2).
Катализатор, понижая Дакт, направляет реакцию по другому пути, т. е. по другому механизму. В этом случае реагенты адсорбируются на
Ход реакции ’*"Ход реакции ’*"Рис. 6.2. Изменение потенциальной энергии в процессе реакции: влияние катализатора. в присутствии катализатора; — — — в отсутствие катализа- т ора.Рис. 6.2. Изменение потенциальной энергии в процессе реакции: влияние катализатора. в присутствии катализатора; — — — в отсутствие катализа- т ора.Рис. 6.3. Теплоты гидрирования и устойчивость цис- и транс-бутенов-2.Рис. 6.3. Теплоты гидрирования и устойчивость цис- и транс-бутенов-2.
Ход реакции ’*"
Ход реакции ’*"
Рис. 6.2. Изменение потенциальной энергии в процессе реакции: влияние катализатора.
в присутствии катализатора; — — — в отсутствие катализа- т ора.
Рис. 6.2. Изменение потенциальной энергии в процессе реакции: влияние катализатора.
в присутствии катализатора; — — — в отсутствие катализа- т ора.
Рис. 6.3. Теплоты гидрирования и устойчивость цис- и транс-бутенов-2.
Рис. 6.3. Теплоты гидрирования и устойчивость цис- и транс-бутенов-2.
огромной поверхности тонко измельченного металла, где на самом деле и происходит реакция. Реакция адсорбированных молекул сильно отличается от реакции обычных молекул; предполагают, что на поверхности катализатора сначала происходит разрушение л-связи алкена, а затем уже реак
ция с водородом.
Уменьшение энергетического барьера понижает также и энергию активации обратной реакции и, таким образом, увеличивает скорость дегид-
рирования. Поэтому платина, палладий и никель в соответстйующих условиях служат катализаторами дегидрирования. Известно, что катализатор ускоряет реакцию, но не сдвигает равновесия; это действительно так, поскольку ускоряются обе реакции — прямая и обратная (разд. 35.7).
Присоединение других реагентов по двойной связи, так же как и гидрирование, обычно является экзотермической реакцией. Энергия, поглощаемая при разрушении связи Y—X и л-связей, почти всегда меньше энергии, выделяющейся при образовании связей С—¥ и С—Z.
IIII
—С=С— + Y—Z *- —С—СЬ тепло
Теплота гидрирования и устойчивость алкенов
Теплоты гидрирования часто дают ценную информацию об относительной устойчивости ненасыщенных соединений. Например, изомерные бутены-2: ({«c-изомер имеет теплоту гидрирования 28,6 ккал (119,74-103 Дж),
транс-изомер — 27,6 ккал (115,56-103 Дж). В обеих реакциях поглощается 1 моль водорода и образуется один и тот же продукт — н-бутан. При гидрировании транс-изомера выделяется на 1 ккал (4,187-103 Дж) энергии
меньше, чем при гидрировании цис- изомер а; это означает, что содержание энергии в нем на 1 ккал (4Д87-103 Дж) меньше; другими словами, траис- изомер на 1 ккал (4,187* 103 Дж) устойчивее qtzc-изомера (рис. 6.3). Аналогично транс-пентен-2 {теплота гидрирования 27,6 ккал (115,56* 103 Дж){ на 1 ккал (4,187* 103 Дж) устойчивее цис-пентена-2 [теплота гидрирования 28,6 ккал (119,74* 103 Дж)].
Для простых дизамещенных этиленов обычно более устойчив трансизомер. Два объемистых заместителя расположены по разные стороны двойной связи, т. е. расстояние между ними больше, чем в ({«с-изомере; поэтому как пространственные препятствия, так и вандерваальсовы силы отталкивания меньше (разд. 4.5).
Теплоты гидрирования показывают, что устойчивость алкенов зависит также и от положения двойной связи. Ниже приведены теплоты гидрирования [ккал (4,187-Ю3 Дж)] некоторых соединений:
СН3СН2СН=СН2
30,3
СН3СН2СН2СН=СН2
30,1
сн3
сн3
СН3СН=СН—сн3 цис 28,6; транс 27,6
СН3СН2СН=СНСН3 цис 28,6; транс 27,6
сн3
СН3СНСН=СН2сн2=
' 30,3
=ССН2СН3СН3С=СНСН3
28,526,9
Каждая группа изомерных алкенов дает один и тот же алкан. Следовательно, различие в теплотах гидрирования обусловлено их неодинаковой устойчивостью. В каждом случае, чем больше степень замещения при двойной связи, тем устойчивее алкен.
Устойчивость алкенов:
R2C=CR2 > R2C=CHR > R2C=CH2 > RCH=CHR > RCH=CH„ > CH2=CH2
В разд. 5.15 и 5.22 было показано, что устойчивость алкенов определяет ориентацию дегидрогалогенирования и дегидратации.
Задача 6.1. а) Напишите уравнение реакции горения бутена-1, б) Сравните это уравнение с соответствующими уравнениями для цис- и транс-бутенов-2. в) Для этих трех бутенов-2 были найдены следующие теплоты сгорания: 648,1, 647,1 и 649,1 ккал (2713,46-103, 270,93-103 и 271,77-103 Дж). Какая теплота сгорания соответствует каждому бутену? г) Какому изомеру — пентену-1, цис- или транс-пентену-2 — соответствуют следующие теплоты сгорания: 804,3, 806,9 и 805,3 ккал (336,70-103, 337,79-103 и 337,12-103 Дж)? ‘
Присоединение галогенов
Алкены легко реагируют с хлором и бромом с образованием насыщенных соединений, которые содержат два атома галогена у соседних атомов углерода; иод обычно не реагирует.
IIII
—С=С— + Х2 —-> —с—с—алкен (Х2 = С12, Вг2)
вицинальныйдигалогеннд
Реакция легко протекает при смешивании двух реагентов обычно в инертном растворителе, таком, как четыреххлористый углерод. Присоеди-
некие происходит быстро при комнатной или даже более низкой температуре и не требует освещения ультрафиолетовым светом; необходимо избегать высокой температуры и сильного освещения, так же как и присутствия избытка галогена, поскольку в этих условиях может стать значительной побочная реакция замещения.
Эта реакция до сих пор является лучшим методом получения вицинальных дигалогенидов, например:
СС14
СН2=СН2 + Вг2 >- СН2—СН,
этен (этилен)^^
1,2-дибромэтан (этиленбромид)
ссц
СН3СН=СН2 + Вг s^СН3—СН—СНапропейI 1
(пропилен)ьг
1,2-дибромпропан(пропилеибромид)
СН3СН,
IСС14|
СН3—С=СН2 + Вг2>- СН3—С—СНа 2-метилпропенJ. 1
(изобутилен)Иг вг
1,2-дибром-2-метилпропан(изобутиленбромид)
Присоединение брома обычно используется для обнаружения двойной углерод-углеродной связи. Раствор брома в четыреххлористом углероде окрашен в красный цвет, а дигалогениды, так же как и алкены, бесцветны. Быстрое обесцвечивание раствора брома характерно для соединений, содержащих двойную углерод-углеродную связь (разд. 6.23).
Ниже приведен общий способ названия производных алкенов. Продукт реакции между этиленом и бромом по системе IUPAC называется 1,2-ди- бромэтаном. Его часто называют также этиленбромидом; слово этилен остается в названии, даже если соединение фактически является насыщенным. Это старое тривиальное название продукта реакции этилена с бромом, так же как и название бромид натрия для продукта реакции натрия с бромом; его не следует путать с названиями других соединений, например 1,2-дибромэтеном ВгСН=СНВг. Аналогично называются и другие соединения: пропиленбромид, изобутиленбромид и т. д.
Уже кратко упоминались другие насыщенные соединения с аналогичными названиями, например этиленбромгидрин и этиленгликоль. Эти названия состоят из двух слов, причем первое — название алкена; по этому признаку можно узнать, что они использованы для обозначения соединений, уже не содержащих двойной связи.
Присоединение галогеноводородов. Правило Марковникова
Алкены реагируют с хлористым, бромистым или иодистым водородом с образованием соответствующих алкилгалогенидов
IIII
—с=с—+ нх —>■ —с—с—
алкены (НХ = НС1, J, 1HBr, HI) н х
алкилгалогенид
Реакцию обычно проводят, пропуская газообразный галогеноводород непосредственно в алкен. Иногда используют растворитель средней полярности, уксусную кислоту, которая растворяет и полярный галогеноводород, и неполярный алкен. Водные растворы галогеноводородов, как правило, не применяют, чтобы не происходило присоединения воды к алкенам (разд. 6.9).
Задача 6.2. а) Какая кислота присутствует в водном растворе НВт? В сухом НВг? Какая кислота сильнее? Какая кислота легче отдает ион водорода алкену?
Таким образом, этилен превращается в этилгалогенид, причем водород присоединяется к одному атому углерода двойной связи, а галоген — к другому
CHS=CH2 + HI > CH3CH2I
этиленэтилнодид
Пропилен может дать два продукта — н-пропил- или изопропилгало- генид — в зависимости от направления присоединения, т. е. от того, к какому углеродному атому присоединяется водород и к какому галоген. Установлено, что изопропилгалогенид значительно преобладает.
сн3—сн=сн2Н—Iсн3—сн=сн2Н—IСН3-СН=СН2I-HСН3-СН=СН2I-H^> сн3-сн-сн2
сн3—сн=сн2Н—I
сн3—сн=сн2Н—I
СН3-СН=СН2
I-H
СН3-СН=СН2
I-H
Н Iн-пропилиовед
* СН3-СН-СНа
I I
I низовропилиобид
Таким же образом изобутилен может дать два продукта — изобутил- или трет-бутилгалогенид; в данном случае значительно преобладает трет- бутилгалогенид.
СН3СНз
сн3-^сн2-^ сн3-с-сн2
H-гн I
изобутиливдид
CH,СН3
сн3-с=сн2 —* СНз—с-сн2I-HI н
трет-бутилиодид
В реакциях замещения алканов (разд. 4.23) ориентация зависит от характера замещаемого атома водорода; ориентация в реакциях присоединения реагента YZ к алкенам зависит от того, к какому углеродному атому двойной связи присоединяется Y и к какому — Z.
Исследование большого числа таких*присоединений, проведенное русским химиком Владимиром Марковниковым (Казанский университет), позволило установить, что если возможно образование двух изомерных продуктов, то один продукт обычно преобладает. В 1869 г. Марковников сформулировал следующее правило, согласно которому при ионном присоединении кислоты к двойной углерод-углеродной связи алкена водород кислоты присо-
единяется к атому углерода, который несет наибольшее число атомов водорода. Это так называемое правило Марковникова.
Например, в реакции с пропиленом водород присоединяется к атому углерода, имеющему два водородных атома, а не к атому углерода с одним атомом водорода. В реакции с изобутиленом водород быстрее присоединяется к углероду, имеющему два атома водорода, чем к углероду, не имеющему ни одного атома водорода.
На основании правила Марковникова можно точно предсказать, какое соединение будет в основном образовываться в результате многих реакций, например:
СН3СН2СН=-СН2 + HI * CH3CH2CHICHn
бутен-1втор-бутилиодид
(2-иодбутан)
СН3СН3
СН3—С=СН—СН3 + HI >- сн3—с—сн2—сн3
2-метилбутен-2j
mpem-пентилиоднд(2-иод-2-метилбутан)
СН3СН=СНСН3 + HI >- СН3СН1СН2СН3
бутен-2втор-бутилиодид
(2-иодбутан)
СН2=СНС1 т HI > СН,СН1С1 винилхлорид1-хлор-1-иодэтан
(хлорэтен)
СН3СН2СН=СНСН3 + HI -—* СН3СН2СН1СН2СН3 + СН3СН2СН2СН1СН3пентен-23-нодпентан2-нодпентан
В пентене-2 каждый из атомов углерода, связанных двойной связью, имеет один атом водорода, так что нельзя ожидать предпочтительного образования ни одного из двух возможных продуктов. И действительно, получены приблизительно равные количества двух изомеров.
Выше приведены примеры присоединения йодистого водорода; совершенно аналогичные результаты получены для хлористого водорода и в определенных условиях, обсуждаемых в следующем разделе, в случае бромистого водорода.
Присоединение галогеноводородов к алкенам можно использовать для получения алкилгалогенидов. Присоединение происходит в соответствии с правилом Марковникова, а не произвольно, что является достоинством реакции, поскольку обычно можно получить достаточно чистое вещество. В то же время синтез ограничен теми продуктами, которые образуются в соответствии с правилом Марковникова; например, таким путем можно получить изопропилиодид, но не н-пропилиодид. (Ниже будет показано, что имеются другие, более важные методы получения алкилгалогенидов.)
Присоединение бромистого водорода.
Влияние перекисей
Присоединение хлористого водорода и йодистого водорода к алкенам происходит согласно правилу Марковникова. Что же касается бромистого водорода, то до 1933 г. картина была очень запутанной. Одни авторы сообщали, что присоединение бромистого водорода к некоторым алкенам протекает в соответствии с правилом Марковникова, другие — что присоедине-
ние идет не по правилу Марковникова, и третьи — что образуется смесь обоих продуктов. Высказывались различные соображения о том, что направление реакции зависит от освещения, присутствия воды или некоторых галогенидов металлов; сообщалось также, что направление реакции зависит от растворителя или природы поверхности реакционного сосуда.
В 1933 г. М. Хараш и Ф. Майо (Чикагский университет) внесли ясность в вопрос о присоединении бромистого водорода. Они показали, что направление присоединения бромистого водорода к двойной углерод-углеродной связи определяется исключительно присутствием или отсутствием перекисей.
Органические перекиси —это соединения, содержащие цепь —О—О—. Они встречаются обычно лишь в очень небольших количествах в качестве примеси во многих органических соединениях, где они медленно образуются под действием кислорода. Некоторые перекиси специально синтезируют и используют в качестве реагентов.
Хараш и Майо обнаружили, что если удалить следы перекисей из реакционной системы или если прибавить определенные ингибиторы, например гидрохинон (стр. 750) или дифениламин (стр. 685), то присоединение бромистого водорода к алкенам происходит по правилу Марковникова. Другими словами, если не удалить перекиси или специально их ввести в реакционную систему, то бромистый водород присоединяется к алкенам против правила Марковникова.
СН3 в отсутствиеj
перекисей * СН3—СН3 По правилу Марковникова
Вг
тре/п-бутилбромид
СН3
СН3—С—СН2Вг Против правила Марковникова
I
Н
изобутилбромид
СН3СНВгСН3 По правилу Марковникова
изопропилбромид
СН3СН2СН2Вг Против правила Марковникова
и-пропилбромид
СН3
изобутилен
в присутствии
перекисей
в отсутствие
СН3СН=СН2
пропилен
НВг
перекисей
в присутствии
перекисей
Это изменение направления присоединения в присутствии перекисей называют «перекисным эффектом» . Перекисный эффект известен только для присоединения бромистого водорода. Перекиси не влияют на направление присоединения хлористого водорода, йодистого водорода, серной кислоты, воды и т. п. Правило Марковникова и перекисный эффект можно легко объяснить (разд. 6.11 и 6.17) на основании уже рассмотренных данных.
6.8. Присоединение серной кислоты
Алкены реагируют на холоду с концентрированной серной кислотой с образованием кислых алкилсульфатов общей формулы ROSO3H. Эти вещества образуются в результате присоединения иона водорода к одному из атомов углерода, связанных двойной связью, и бисульфат-иона — к дру-
гому. Важно отметить, что углерод образует связь с кислородом, а же с серой.
Оо
IIIII III
—с=с— + Н—О—S—О—Н ► —с—с—о—s—о—налкен^Н 1О
серная кислота кислый алкилсульфат
Реакция протекает легко: газообразный алкен пропускают в кислоту, жидкий алкен перемешивают или встряхивают с кислотой. Поскольку кислые алкилсульфаты растворяются в серной кислоте, образуется прозрачный раствор. Кислые алкилсульфаты — твердые гигроскопичные вещества, которые трудно выделить. Как видно из приведенных ниже примеров, концентрация серной кислоты зависит от вводимого в реакцию алкена; объяснение приведено в разд. 6.11.
Если раствор кислого алкилсульфата в серной кислоте разбавить водой и нагреть, то образуется спирт, имеющий ту же алкильную группу, что и исходный кислый алкилсульфат. Кислые алкилсульфаты разлагаются водой с образованием спирта и серной кислоты, т. е. происходит гидролиз. Эта последовательность реакций приводит к спиртам; присоединение серной кислоты к алкенам обычно и проводится с этой целью.
98%-иая H0SO4Н2О, нагревание
СН2=СН2»- CH3CH2OSO3H► СН3СН2ОН
этиленкислый этилсульфатэтиловый спирт
80%-ная H2SO<Н2О, нагревание
сн3сн=сн2* СН3СНСН3► СН3СНСН,пропилеиOSO3HОН
кислый изопро-пилсульфаткислый изопро-пилсульфатизопропиловыйспиртизопропиловыйспирт
кислый изопро-пилсульфат
кислый изопро-пилсульфат
изопропиловыйспирт
изопропиловыйспирт
СН3СН3ОН,
I63%-ная HoSO,|Н2О, нагревание|
сн3—с=сн2- сн3—с—сн3 сн3—с—сн,
изобутиленOSO3HОН
кислыйmpem-бутиловый
/пратг-бутилсульфатспирт
Это хороший метод получения спиртов в больших масштабах, поскольку алкены сравнительно легко получаются при крекинге нефти. Присоединение серной кислоты происходит по правилу Марковникова, и поэтому некоторые спирты нельзя получить этим методом. Например, можно получить изопропиловый спирт, но не н-пропиловый спирт; можно синтезировать mpim-бутиловый спирт, но не изобутиловый.
Свойство алкенов растворяться в холодной концентрированной серной кислоте с образованием кислых алкилсульфатов используется при очистке некоторых других соединений. Например, алканы или алкилгалогениды, которые не растворяются в серной кислоте, можно очистить от примеси алкена обработкой серной кислотой. Газообразный алкан пропускают через несколько сосудов с серной кислотой, а жидкие алканы встряхивают с серной кислотой в делительной воронке.
Присоединение воды. Гидратация
Вода присоединяется к наиболее реакционноспособным алкенам в прм- сутствии кислот с образованием спиртов
IIн* I I
—С=С- + Н2О >- — С—С—
алквн^ ^
спирт
Поскольку такое присоединение происходит по правилу Марковникс ва, то получаются те же спирты, что и в результате уже описанных двухстадийных синтезов; конечно, такая непосредственная гидратация — наиболее простой и дешевый из двух способов. Гидратация широко используется в промышленности для синтеза низших спиртов, которые образуются в соответствии с правилом Марковникова.
сн3СН3— с=сн2изобутиленсн3СН3— с=сн2изобутиленСН3
сн3
СН3— с=сн2изобутилен
сн3
СН3— с=сн2изобутилен
ГЬО, н+i
—> СН3—С—СН3
ОНmpem-бутиловы йспирт
Электрофильное присоединение*.* механизм
Прежде чем познакомиться с другими реакциями алкенов, следует рассмотреть механизм некоторых уже известных реакций. После этого можно будет снова вернуться к систематическому изучению реакций алкенов. Мы будем уже иметь запас знаний, необходимый для более глубокого понимания.
Сначала рассмотрим реакции присоединения реагентов, содержащих способный к ионизации водород: галогеноводородов, серной кислоты и воды. Общепринятый механизм дается лишь в общих чертах и иллюстрируется некоторыми примерами. Подобно дегидратации спиртов, присоединение включает стадию образования карбониевого иона. Между этими двумя реакциями существует аналогия, которая доказывает, что обе реакции протекают через одну и ту же промежуточную стадию.
Полагают, что присоединение кислого реагента HZ происходит в две стадии:
IIII
—С=С—+ H:Z > —С—С—+ :Z H:Z = HC1, HBr, HI, H2SO„ HgO*
H
— С—C— + :Z , _С—C— :Z = Cr, Br~, Г, HSO7, H2O
Стадия (1) заключается в переносе иона водорода от :Z к алкену с образованием карбониевого иона; это переход протона от одного основания к другому.
■Стадия (2) — присоединение основания :Z к карбониевому иону.
Стадия (1) протекает с трудом, и ее скорость в значительной степени или полностью определяет общую скорость присоединения. Эта стадия заключается в атаке кислым, ищущим электрон, т. е. электрофильным реагентом, и поэтому реакцию называют электрофильным присоединением. Электрофил не обязательно должен быть кислотой, переносящей протон (в смысле Бренстеда — Лоури), как показано в этом примере; мы увидим ниже, что это может быть любая электронодефицитная молекула (кислота Льюиса).
Стадия (2) позволяет расширить ряд реакций ионов карбония, приведенный в разд. 5.21. Карбониевый ион может:
в) присоединять отрицательный ион или другую основную молекулу с образованием галогенида, бисульфата, спирта и т. д. В этой реакции, так же как и в ранее рассмотренных, электронодефицитный углерод получает пару электронов. Ниже приведены некоторые примеры.
СН3—СН=СН2 + Н:С1: > СН3—СН—СН3 + :С1,-
СН3-СН—СН3+ :С1:- > СН3—СН—СН3
С1
СН3—СН=СН2 + H:OSO3H > СН3—СН—СН3 + :OSO3H'
СН3—СН—СН3 + :OSO3H~ *- СН3—СН—СН3
I
OSO3H
(I)СН3—СН=СН2 + Н:ОН2 <=^ СН3—СН—СН3 + :ОН2
(2а)СН3—СН—СН3 + :ОН2 ч=Д СН3—СН—СН3
+ОН2
СН3—СН—СН3 + :ОН2 ч-Л СН3—СН—СН3 + Н:ОН?
II
+ОН2ОН
Мы подчеркивали, что карбониевый ион присоединяет молекулу воды и образует протонированный спирт, а не сам спирт; на следующей стадии этот протонированный спирт отдает ион водорода другому основанию, образуя спирт. Такая последовательность реакций является точно обратной по сравнению с дегидратацией спиртов (разд. 5.18). При дегидратации равновесие смещается в сторону алкена, главным образом вследствие отгонки алкена из реакционной смеси; при гидратации положение равновесия смещается в сторону спирта, частично за счет высокой концентрации воды.
Теперь рассмотрим, как этот механизм объясняет некоторые факты.
Во-первых, предложенный механизм согласуется а) с кислотной природой реагентов. В соответствии с этим механизмом первая стадия во всех этих реакциях — переход иона водорода к алкену. Это согласуется с тем, что все эти реагенты, за исключением воды,— сильные кислоты в классическом смысле, т. е. они могут быть источником ионов водорода. Исключение составляет вода, в этом случае для осуществления реакции требуется присутствие сильной кислоты.
Далее, механизм согласуется б) с основной природой алкена. Алкен выступает как основание, поставляющее электроны атакующей кислоте. Это согласуется со структурой двойной углерод-углеродной связи: ее ос новность обусловлена слабо удерживаемыми подвижными л-электронами.
В следующем разделе будет показано, что этот механизм согласуется также в) с направлением присоединения, г) с относительной реакционной способностью алкенов и д) с наличием, перегруппировок.
Задача 6.3. Установлено, что присоединение D2O к 2-метилбутену-2 (в присутствии D+), как и ожидалось, дает спирт (CH3)2C(OD)CHDCH3. Когда реакция прошла более чем наполовину, ее прервали и выделили непрореагировавший алкен; масс-спектрометрический анализ показал, что он почти не содержит дейтерия. Этот факт можно рассматривать как доказательство того, что образование карбонневого иона определяет скорость реакции: как только ион карбония образуется, он быстро реагирует с водой, давая спирт. Как подтвердить правильность этого вывода? (Указание: какие результаты можно было ожидать, если бы карбониевые ионы образовывались быстро и обратимо?)
Электрофильное присоединение:
направление присоединения и реакционная способность
Предлагаемый механизм находится в соответствии с направлением присоединения кислых реагентов и с влиянием структуры на относительную реакционную способность.
Двухстадийный механизм присоединения хлористого водорода к алкенам приведен ниже. В соответствии с правилом Марковникова пропилен образует изопропилхлорид, изобутилен — mpem-бутилхлорид, а 2-метил- бутен-2 — трет-пентилхлорид.
сн3-сн=сн2пропиленсн3-сн=сн2пропиленCH3-CR-CH3вторичныйнарбониевый ионCH3-CR-CH3вторичныйнарбониевый ион* сн3сн-сн$С1имерапипхлориб* сн3сн-сн$С1имерапипхлориб
сн3-сн=сн2пропилен
сн3-сн=сн2пропилен
CH3-CR-CH3
вторичныйнарбониевый ион
CH3-CR-CH3
вторичныйнарбониевый ион
* сн3сн-сн$С1
имерапипхлориб
* сн3сн-сн$С1
имерапипхлориб
СН3-СН2-СН^жереичныйларбонаевыж ион
СН3сн3—с=сн2изобутиленСН3сн3—с=сн2изобутиленНС!НС!сн3* СН3—С—СН3 -2^третичныйкарбониевый ионсн3* СН3—С—СН3 -2^третичныйкарбониевый ионсн3 сн3-с—сн3С1трет-бутилхлорийсн3 сн3-с—сн3С1трет-бутилхлорий
СН3
сн3—с=сн2изобутилен
СН3
сн3—с=сн2изобутилен
НС!
НС!
сн3
* СН3—С—СН3 -2^
третичныйкарбониевый ион
сн3
* СН3—С—СН3 -2^
третичныйкарбониевый ион
сн3 сн3-с—сн3
С1
трет-бутилхлорий
сн3 сн3-с—сн3
С1
трет-бутилхлорий
X* сн3—с—сн2+нпервичныйкарбониевый ион
СН3СН3
Г" СН3-СН2-С-СН3 -^ СН3—СН2—С—СН3
I третичныйкарбониевый ионСНзтрень -пешпилхлориб
синаС^мор^метилвутан.
Чметилбутен-Л
СНзX* снз-сн-с-снзнвторичныйкарбониевый ион
Направление реакции зависит от того, какой промежуточный карбоние- вый ион образуется. Это в свою очередь зависит от природы алкена и от того, к какому атому углерода двойной связи присоединяется водород. Пропилен, например, может образовать н-пропильный карбониевый ион, если водород присоединяется к С-2, или изопропильный карбониевый ион, если водород присоединяется к С-1.
Направление присоединения определяется относительными скоростями двух конкурирующих реакций образования различных карбониевых ионов. Тот факт, что пропилен превращается в изопропильный карбониевый ион, а не в н-пропильный, означает, что изопропильный карбониевый ион образуется быстрее, чем н-пропильный.
Полученные в приведенных выше примерах продукты реакции показывают, что в начальной стадии вторичный карбониевый ион образуется быстрее, чем первичный, а третичный — быстрее, чем первичный или вторичный. Изучение присоединения многих кислот к алкенам показывает, что это является общим правилом. Направление присоединения определяется легкостью образования карбониевого иона и изменяется в следующей последовательности: третичный > вторичный > первичный.
Легкость образования карбониевых ионов изменяется в том же порядке, что и их устойчивость (разд. 5.19).
Устойчивость карбониевых ионов: третичный > вторичный > первичный > СН3
Теперь можно заменить правило Марковникова более общим правилом: электрофильное присоединение к двойной углерод-углеродной связи протекает через стадию образования наиболее устойчивого карбониевого иона.
Логично ли, что более устойчивый карбониевый ион образуется легче?
Ответ на этот вопрос дан в разд. 5.20 при рассмотрении переходного состояния, ведущего к образованию карбониевого иона.
В реакциях присоединения карбониевый ион образуется в результате присоединения иона водорода к одному из атомов углерода двойной связи. В реагенте положительный заряд локализован на атоме водорода, а в продукте — на атоме углерода. В переходном состоянии связь С—Н частично образовалась, а двойная связь — частично разрушилась. В результате положительный заряд распределен между водородом и углеродом.
Электрофильное присоединениеЭлектрофильное присоединениереагенты, водород имеет полный положительный зарядреагенты, водород имеет полный положительный зарядпереходное состоя- продукт реак- ние, на углероде ции, на углероде и водороде частич- полный положи- ные положительные тельный заряд зарядыпереходное состоя- продукт реак- ние, на углероде ции, на углероде и водороде частич- полный положи- ные положительные тельный заряд заряды
Электрофильное присоединение
Электрофильное присоединение
реагенты, водород имеет полный положительный заряд
реагенты, водород имеет полный положительный заряд
переходное состоя- продукт реак- ние, на углероде ции, на углероде и водороде частич- полный положи- ные положительные тельный заряд заряды
переходное состоя- продукт реак- ние, на углероде ции, на углероде и водороде частич- полный положи- ные положительные тельный заряд заряды
Электронодонорные группы стремятся погасить частичный положительный заряд (б+), появляющийся на углероде, и таким образом стабилизовать переходное состояние. Стабилизация переходного состояния понижает Еакт и благоприятствует более быстрому течению реакции (рис. 6.4).
Как и в предыдущих случаях, подача электронов, стабилизующая конечный карбониевый ион, стабилизует также карбониевый ион, возникающий в переходном состоянии. Более устойчивый карбониевый ион образуется быстрее.
Итак, скорость присоединения иона водорода к двойной связи зависит от устойчивости образующегося карбониевого иона. Вероятно, этот фактор определяет не только направление присоединения, но и относительную реакционную способность различных алкенов.
Реакционная способность алкенов по отношению к кислотам изменяется в следующем порядке:
Реакционная способность алкенов по отношению к кислотам:
СН3СН$СН=СН2,СН3СН$СН=СН2,СНЗХ
СН3СН$СН=СН2,
СН3СН$СН=СН2,
>с=сн2 > СН3СН=СНСН3 СН/
■Г, СН3СН=СН2>СН2=СН2>СН2=СНС1
Изобутилен, из которого образуется третичный карбониевый ион, реагирует быстрее, чем бутен-2, дающий вторичный карбониевый ион. Бутен-1, бутен-2
<■—Ход реакции<■—Ход реакцииХод реакции —>Ход реакции —>Рис. 6.4. Структура молекулы и направление реакции. Устойчивость переходного состояния изменяется параллельно устойчивости карбониевого иона: более стабильный карбониевый. ион образуется быстрее.Рис. 6.4. Структура молекулы и направление реакции. Устойчивость переходного состояния изменяется параллельно устойчивости карбониевого иона: более стабильный карбониевый. ион образуется быстрее.
<■—Ход реакции
<■—Ход реакции
Ход реакции —>
Ход реакции —>
Рис. 6.4. Структура молекулы и направление реакции. Устойчивость переходного состояния изменяется параллельно устойчивости карбониевого иона: более стабильный карбониевый. ион образуется быстрее.
Рис. 6.4. Структура молекулы и направление реакции. Устойчивость переходного состояния изменяется параллельно устойчивости карбониевого иона: более стабильный карбониевый. ион образуется быстрее.
и пропилен, образующие вторичные ионы карбония, реагируют быстрее, чем этилен, который приводит к первичному карбониевому иону. сн3сн3
сн3—с=сн2 + н+> СН3—С—сн34-изобутилентретичный
карбониевый ион
СН3—СН=СН—СН3 + Н+ > СН3—СН—СН2—СН3бутен-2вторичный
карбониевый ион
СН3—СН2—СН=СН2 + Н+ »- СН3—СН2—СН—СН3
бутен-1вторичный
карбониевый ион
СН3—СН=СН2 + Н+ >- СН3—СН—СН2пропиленвторичный
карбониевый ион
СН2=СН2 + Н+ > СН3—СН2этиленпервичный
карбониевый ион
Галогены, так же как и другие элементы, находящиеся в верхнем правом углу периодической системы, имеют тенденцию оттягивать электроны. Электронодонорные алкильные группы частично погашают положительный заряд и стабилизуют карбониевый ион: в то же время галогены, оттягивая
электроны, увеличивают положительный заряд и дестабилизуют карбоние- вый ион. Поэтому не удивительно, что винилхлорид СН2=СНС1 меиее реакционноспособен, чем этилен.
Из вышесказанного очевидно, какое мощное орудие мы имеем для решения проблем, которые возникают в связи с большим разнообразием реакций, идущих через стадии образования карбониевых ионов. Известно, что более устойчивый карбониевый ион образуется быстрее; его устойчивость зависит от распределения заряда, а распределение заряда определяется индуктивным эффектом заместителей. Мы уже установили, что этот же подход позволяет объяснить такие кажущиеся различными факты, как: а) относительная легкость дегидратации спиртов; б) относительная реакционная способность алкенов по отношению к кислотам и в) направление присоединения кислот к алкенам.
Электрофильное присоединение: перегруппировки
Механизм электрофильного присоединения согласуется с перегруппировками. Поскольку реакции электрофильного присоединения идут через стадию образования карбониевых ионов, то возможно, что эти реакции сопровождаются различными перегруппировками, которые характерны для карбониевых ионов (разд. 5.21). Например, при реакции хлористого водорода с 3,3-диметилбутеном-1 образуется не только 2-хлор-3,3-диметилбутан, но также и 2-хлор-2,3-диметилбутан
СН3СН3СН3
|НС1IО-I
СН3—С—СН=СН2>• СН3—с—сн—сн3 —> сн3— с—сн—сн3
СНзСНЯ+СН- С1
3,З-диметнлбутеп-12-хлор-З,3-диметилбутан
перегруппировка
У
СН3СН3
Iа™ I
СН3—С—СН—СНЭ >• СН3—С—СН—СН3
+ III
СН3С1 СНз
2-хлор-2,3-днметнлбу тан
Миграция метильной группы может превратить первоначально образовавшийся вторичный ион карбония в более устойчивый третичный карбониевый ион; такая перегруппировка действительно происходит, и из этого нового иона образуется значительное количество продукта. [Если сравнить это изменение углеродного скелета с изменением, происходящим при дегидратации 3,3-диметилбутанола-2 (стр. 166), то возникает мысль о том, °'го эти различные реакции протекают через одно и то же промежуточное соединение. 1
Задача 6.4. При присоединении НС1 к 3-метнлбутену-1 образуется смесь двух алкилхло- ридов. Что это за соединения и как они образовались? Напишите подробные уравнения реакции.
Задача 6.5. Реакция водного раствора НС1 с 3,3-диметнлбутанолом-2 приводит к 2,3-ди- метил-2-хлорбутану. Используя только уже известные вам стадии реакции, предложите подробный механизм этой реакции. (Проверьте ваш ответ в разд. 16.5.)
Механизм присоединения галогенов
Электрофильное присоединение кислот к алкенам протекает в две стадии. Первая стадия — присоединение иона водорода с образованием кар- бониевого иона. Каков же механизм присоединения хлора и брома?
Исходя из структуры двойной связи, можно ожидать, что она и в этем случае служит источником электронов, основанием, а галоген выступает как электрофильный агент, кислота. Эта мысль подтверждается тем, что реакционная способность алкенов по отношению к галогенам изменяется так же, как и по отношению к кислотам: электронодонорные заместители активируют, а электроноакцепторные — дезактивируют алкены.
Общепринятый механизм присоединения галогенов к алкенам включает две стадии и совершенно аналогичен механизму присоединения водородсодержащих кислот (протонных кислот). На стадии (1) галоген в виде положительного иона присоединяется к двойной связи с образованием иона карбония. На стадии (2) карбониевый ион присоединяет отрицательный ион галогена. (В данном разделе этот механизм дается в упрощенном виде и в несколько измененном виде будет обсужден в разд. 28.18.)
I I , || ..
(О -С=С- + :Х:Х: —> -С-С- +:Х;-
—С—С— + :Х:- —> — С—С—
:Х: + " :Х::Х:
Понятно, что алкены отрывают ион водорода от сильно полярной молекулы Галогеноводорода. Логично ли, что алкены могут отрывать положительный ион галогена от неполярной молекулы галогена? Рассмотрим эту проблему подробнее.
Молекула галогена неполярна, поскольку электроны находятся в совместном пользовании двух одинаковых атомов. Однако положение изменяется, когда такая молекула находится под влиянием сильного электрического поля находящейся рядом двойной углерод-углеродной связи. Электронное облако двойной связи стремится оттолкнуть электронное облако молекулы галогена; это отталкивание приводит к тому, что атом галогена, который находится ближе к двойной связи, приобретает частичный положительный заряд, а другой атом — частичный отрицательный.
|| Вг—Вт Поляризация молекулы Вг2 двойной связью С
Изменение распределения электронов в одной молекуле под влиянием другой молекулы называется поляризацией. В данном случае алкен поляризует молекулу галогена.
Затем более положительный атом этой поляризованной молекулы галогена присоединяется к алкену с образованием карбониевого иона, оставляя отрицательный ион галогена. Этот ион галогена или другой, подобный ему ион присоединяется к карбониевому иону, давая дигалогенид.
Рассмотрим некоторые доказательства этого механизма. Если карбониевый ион является промежуточным соединением, то можно ожидать, что он будет реагировать почти с любым отрицательным ионом или основной молекулой, которые имеются в реакционной среде. Например, карбониевый ион, образующийся при взаимодействии этилена с бромом, может вступать в реак-
ции не только с анионом брома, но также и с анионом хлора, иода, нитрат- ионом или водой, если они имеются в реакционной смеси.
Факты находятся в полном соответствии с этим объяснением. При пропускании этилена в раствор брома и хлористого натрия образуется не только дибромид, но также и бромхлорэтан и этиленбромгидрин. Этилен не реагирует с водным раствором хлористого натрия; анион хлора или вода могут реагировать лишь после того, как при действии брома образовался ион карбония. Аналогично реагирует этилен с бромом и водным раствором йодистого натрия или нитрата натрия: образуется не только бромиодэтан или бромэтилнитрат, а также дибромэтан и этиленбромгидрин.
Вг~ >- СН2Вг—СН2Вг
1,2-дибромэтан сг
>-СН2Вг—СН2С1
1 -хлор-2-бромэтан
Вг21~
СН2=СН2 >- СН2Вг—СН2 —>-СН2Вг—СН21
2-бром-1-иодэтан
NO~ >- CH2Br—ch2ono2
2-бромэтилнитрат н2о.
>- СН2Вг— СН2ОН2
| СН2Вг—СН2ОН2-бромэтанол
При взаимодействии водного раствора брома и алкена в отсутствие других ионов образуются дибромэтан и этиленбромгидрин.
Кроме этой элегантной работы, подтверждением двухстадийного присоединения галогенов могут служить результаты изучения стереохимии реакции (разд. 9.18). В то же время стереохимические данные требуют некоторого видоизменения механизма, которое обсуждается в разд. 28.18.
Образование галогенгидринов
Присоединение хлора или брома в присутствии воды может дать соединение, содержащее галоген и гидроксильную группу у соседних атомов углерода. Эти соединения называют галогенгидринами. В определенных условиях они могут быть основными продуктами реакции, например:
Вг2, н2о
СН2=СН2> СН2—СН2этилеиBf ^н
этиленбромгидрин(2-бромэтанол)
СН3— СН=СН2пропиленСН3— СН=СН2пропиленС12, Н2о
СН3— СН=СН2пропилен
СН3— СН=СН2пропилен
> сн3—сн—сн2
I I
ОН С1
пропилеихлоргидрин(1 -хлорпропанол-2)
Существуют доказательства того, что эти соединения образуются в результате реакции галогена и воды (как показано в разд. 6.13), а не присоединения гипогалогенной кислоты НОХ. Каков бы ни был механизм этой реак-
ции, происходит присоединение элементов гипогалогенной кислоты (НО и X), и реакцию часто рассматривают именно таким образом.
В пропиленхлоргидрине хлор присоединен к концевому атому углерода. Такое направление присоединения вполне понятно в сВете рассмотренного ранее механизма образования карбониевых ионов. Первоначальное присоединение хлора происходит таким образом, что образуется более устойчивый вторичный карбониевый ион.
а2 +н2он2о
СН3—СН=СН2 ►- СН3—СН—СН2С1 > СН3—СН—СН2С1 >- СН3—СН—СН2С1
пропиленвторичный карбо-.। „
‘ниевый ионин=ин
пропиленхлоргидрин
Присоединение алкенов. Димеризация
В определенных условиях изобутилен под действием серной или фосфорной кислот превращается в смесь двух алкенов общей формулы CgHle. Гидрирование каждого из этих алкенов дает один и тот же алкан — 2,2,4-три- метилпентан (разд. 4.34). Эти алкены являются изомерами и отличаются только положением двойной связи. (Задача: могут ли они быть цис-трансизомерами, а не изомерами положения?) При помощи методов, обсуждаемых в разд. 6.22, показано, что эти два алкена имеют следующее строение:
СН3I2СН3—С=СН2изобутиленСН3I2СН3—С=СН2изобутиленH2SO480 ссH2SO480 ссСН3 СН3I I 'сн2=с—сн2—с—сн3 —СН3 2,4,4-триметилпентен-1 сн3 сн3 I I СН3—С=СН—С—СН3 — сн3 2,4,4-триметилпентен-2СН3 СН3I I 'сн2=с—сн2—с—сн3 —СН3 2,4,4-триметилпентен-1 сн3 сн3 I I СН3—С=СН—С—СН3 — сн3 2,4,4-триметилпентен-2СН3 СН3н2 I I—> СН3—СН—СН2—С—сн3NiIсн32,4,4-триметилпентан(«изооктан»)СН3 СН3н2 I I—> СН3—СН—СН2—С—сн3NiIсн32,4,4-триметилпентан(«изооктан»)
СН3
I
2СН3—С=СН2изобутилен
СН3
I
2СН3—С=СН2изобутилен
H2SO4
80 сс
H2SO4
80 сс
СН3 СН3
I I 'сн2=с—сн2—с—сн3 —
СН3 2,4,4-триметилпентен-1 сн3 сн3 I I СН3—С=СН—С—СН3 — сн3 2,4,4-триметилпентен-2
СН3 СН3
I I 'сн2=с—сн2—с—сн3 —
СН3 2,4,4-триметилпентен-1 сн3 сн3 I I СН3—С=СН—С—СН3 — сн3 2,4,4-триметилпентен-2
СН3 СН3
н2 I I
—> СН3—СН—СН2—С—сн3
NiI
сн3
2,4,4-триметилпентан(«изооктан»)
СН3 СН3
н2 I I
—> СН3—СН—СН2—С—сн3
NiI
сн3
2,4,4-триметилпентан(«изооктан»)
Полученные алкены содержат в два раза больше атомов углерода и водорода, чем исходный изобутилен, поэтому их называют димерами изобутилена (ди=два, лерц=часть), а реакцию — реакцией димеризации. Аналогично подвергаются димеризации и другие алкены.
Можно ли предложить приемлемый механизм этой димеризации? Имеется большое число изомерных октенов; если предложенный механизм объясняет образование тех двух соединений, которые действительно получаются, то это и будет его подтверждением.
Реакция катализируется кислотами; следовательно, можно написать стадию (1) — присоединение протона к изобутилену с образованием кар- бониевого иона, причем предпочтительным должно быть образование третичного карбониевого иона.
(1)(1)сн3Iсн3— с=сн2 + н+сн3Iсн3— с=сн2 + н+сн3сн3—с—сн3сн3сн3—с—сн3
(1)
(1)
сн3
Iсн3— с=сн2 + н+
сн3
Iсн3— с=сн2 + н+
сн3
сн3—с—сн3
сн3
сн3—с—сн3
Карбониевый ион вступает в реакции, в процессе которых оболочка положительного заряженного атома углерода заполняется электронами до октета. Двойная углерод-углеродная связь является донором электронов, и карбониевый ион может легко образовать связь, приняв эти электроны.
Следовательно, можно написать стадию (2) — присоединение третичного бутильного карбониевого иона к изобутилену; в результате присоединения образуется более устойчивый mpem-бутильный карбониевый ион.
сн3 сн3сн3 сн3
(2)(2)сн3—с=сн2 + +С—СН, > СН3—С—сн2—с—сн3I+ I
(2)
(2)
СН3СН3
На стадии (2) происходит соединение двух изобутиленовых остатков и образуется новый ион карбония.
Что же может происходить с этим новым карбониевым ионом? Возможно, он присоединится к другой молекуле алкена с образованием еще большей молекулы; при определенных условиях это действительно так. Однако известно, что в данных условиях реакция останавливается на стадии образования алкенов, содержащих восемь атомов углерода. Очевидно, карбониевый ион претерпевает уже известную нам реакцию, а именно теряет ион водорода [стадия (3)1. Поскольку отщепление иона водорода может происходить от любого из атомов углерода, находящихся рядом с положительно заряженным углеродом, то возможно образование двух соединений.
сн3сн3
II
(3)(3)сн3сн3IIСН3—С—СН2—С—СН3 —+Iсн3сн3сн3IIСН3—С—СН2—С—СН3 —+Iсн3-* н+ + сн2=с—сн2—с—сн3
(3)
(3)
сн3сн3
II
СН3—С—СН2—С—СН3 —
+I
сн3
сн3сн3
II
СН3—С—СН2—С—СН3 —
+I
сн3
Iсн3
сн3сн3
II
-* № + СН3- С=СН— С— СН3
СНз
В действительности получены соединения, образование которых следовало ожидать на основании предложенного механизма. Сам факт возможности этого предсказания исходя из свойств карбониевого иона служит подтверждением теории карбониевых ионов в целом.
Следовательно, к списку реакций карбониевых ионов можно прибавить еще одну реакцию. Карбониевый ион может:
г) присоединяться к алкену с образованием большего карбониевого иона.
Присоединение алканов. Алкилирование
Большие количества 2,2,4-триметилпентана, используе ого в качестве авиационного топлива, сегодня могут быть получены не только уже описанной реакцией димеризации, но и другим более дешевым способом. Изобутилен и изобутан реагируют в присутствии кислого катализатора, образуя 2,2,4-триметилпентан, или «изооктан». Фактически эта реакция представляет собой присоединение алкана к алкену.
КОНЦ. H9SO4или HF; 0—10 °CКОНЦ. H9SO4или HF; 0—10 °CСН8СН3сн3—с—сн2—с—сн3IIн сн32,2,4-триметилпентаиСН8СН3сн3—с—сн2—с—сн3IIн сн32,2,4-триметилпентаиСН3СН3
КОНЦ. H9SO4
или HF; 0—10 °C
КОНЦ. H9SO4
или HF; 0—10 °C
СН8СН3
сн3—с—сн2—с—сн3
II
н сн32,2,4-триметилпентаи
СН8СН3
сн3—с—сн2—с—сн3
II
н сн32,2,4-триметилпентаи
сн3—с=сн2 + н-с—сн3
изобутилен^^
изобутаи
Общепринятый механизм этого алкилирования основан на изучении многих родственных реакций; стадия (3) — это реакция карбониевого иона, с которой мы еще не встречались.
СН3
СНз
(1)
СНз—С=СН2 + н+ —
СНзСН3
11
-> СН3—С—СН3
СНзСН3
(2)
СН3-С=СНг + +С—СНз —
~> СН3-С-СН2-С-СН-
СИз СНзСН3сн3 СН3 СН3
(3) СН3— С—СН2—С—СНз + <н}с—СН3* СН3—С—СН2—С—СН3 + +с—сн3
"Х^СНз У СНзн сн3 СНз
затем (2), (3), (2),(3), ит.д.
Первые две стадии такие же, как и в реакции димеризации. На стадии (3) карбониевый ион вырывает атом водорода с его парой электронов (по существу, гидрид-ион) из молекулы алкана. Этот отрыв гидрид-иона приводит к образованию алкана с восемью атомами углерода, а новый карбониевый ион продолжает цепь.
Очевидно, отрыв водорода происходит таким образом, что скорее образуется третичный бутильный карбониевый иои, чем менее устойчивый первичный изобутильный карбониевый ион.
Это не первое знакомство с переносом гидрид-иона к электронодефицитному атому углерода; такой перенос уже описан для 1,2-сдвигов, сопровождающих перегруппировки карбониевых ионов (разд. 5.21). Там перенос был внутримолекулярный (в одной молекуле), а здесь — межмолекулярный (между молекулами).
В гл. 19 описан гидридный перенос, имеющий важное значение в химии карбонильных соединений.
Теперь можно расширить список реакций карбониевых ионов. Карбониевый ион может:
отщеплять ион водорода с образованием алкена;
перегруппировываться в более устойчивый карбониевый ион;
соединяться с отрицательным ионом или другой основной молекулой;
присоединяться к алкену с образовзнием большего карбониевого иона;
отрывать гидрид-ион от алкана.
Карбониевый ион, образующийся в (б) или (г), может затем вступать в любую из реакций.
Таким образом, все реакции карбониевого иона заканчиваются одинаково: подается пара электронов для заполнения октета положительно заряженного углерода.
Задача 6.6. При алкилировании этилена изобутаном в присутствии кислоты образуется не неогексан (СН3)3ССН2СН3, а в основном 2,3-диметилбутан. Объясните образование этого продукта.
Свободнорадикальное присоединение. Механизм присоединения бромистого водорода, инициируемый перекисями
В отсутствие перекисей бромистый водород присоединяется к алкенам в соответствии с правилом Марковникова; в присутствии перекисей направление присоединения обратное (разд. 6.7).
Для того чтобы объяснить перекисный эффект, Хараш и Майо предположили, что присоединение может происходить по двум совершенно различным механизмам: присоединение по правилу Марковникова происходит по ионному механизму, который уже обсуждался, а присоединение против правила Марковникова — по свободнорадикальному. Перекиси инициируют свободнорадикальную реакцию; в их отсутствие (или при добавлении ингибитора, стр. 183) присоединение происходит по обычному ионному механизму.
Суть механизма заключается в том, что водород и бром присоединяются к двойной связи в виде атомов, а не ионов; промежуточным соединением является свободный радикал, а не ион карбония. Так же как и галогенирование алканов, это цепная реакция.
(1)(2)(3)(4)(1)(2)(3)(4)Перекиси >■ R» (радикал) 1 „
(1)
(2)
(3)
(4)
(1)
(2)
(3)
(4)
) Стадии инициирования цепи R» + Н:Вг >-R:H + Br. J
IIII
Вг» + —С=С► —С—С—
Стадии роста цепиСтадии роста цепиI •Вг
Стадии роста цепи
Стадии роста цепи
—С—С— + Н:Вг ► — С—С— + Вг»
I 'II
ВгВг Н
затем (3), (4), (3), (4) и т. д.
Разложение перекиси {стадия (1)] с образованием свободных радикалов — хорошо известная реакция. Образовавшиеся при этом свободные радикалы отщепляют водород от бромистого водорода [стадия (2)], оставляя атом брома. Атом брома присоединяется по двойной связи [стадия (3)1 и превращает алкен в свободный радикал
Этот свободный радикал, подобно свободному радикалу, образованному из перекиси, отщепляет водород от бромистого водорода [стадия (4)1. Теперь присоединение завершено: образовался новый атом брома, чтобы продолжить цепь. Как и при галогенировании алканов, очень часто реакционноспособная частица реагирует с другой такой же частицей или захватывается стенками реакционного сосуда—цепь обрывается.
Предложенный механизм подтверждается экспериментальными данными. Поскольку небольшое количество перекиси может изменить направление присоединения многих молекул бромистого водорода, реакция носит цепной характер. Об этом же свидетельствует и тот факт, что ничтожное количество ингибитора может предотвратить это изменение направления реакции. Не удивительно, что эти же самые соединения служат эффективными ингибиторами многих других цепных реакций. Хотя точный меха-
низм их действия непонятен, ясно, что они обрывают цепь, образуя, по-ви- димому, нереакционноспособные радикалы.
Нельзя путать влияние перекисей, которые могут быть получены действием кислорода, с влиянием самого кислорода. Перекиси инициируют свободнорадикальные реакции, а кислород их ингибирует (разд. 2.14).
Механизм включает присоединение атома брома по двойной связи. Это подтверждается тем, что присоединение против правила Марковникова происходит не только в присутствии перекисей, но также и при освещении светом с длиной волны, при которой происходит диссоциация бромистого водорода на атомы водорода и брома.
Катализируемое светом присоединение бромистого водорода к некоторым алкенам было изучено при помощи спектроскопии ЭПР (электронный парамагнитный резонанс), которая позволяет не только определить присутствие свободных радикалов при экстремально низких концентрациях, но и дать некоторые сведения об их строении (разд. 13.15). Показано, что органические радикалы присутствуют в заметной концентрации в соответствии с предложенным механизмом. Логично ли, что направление свободнорадикального присоединения бромистого водорода противоположно направлению ионного присоединения? Сравним оба вида присоединения к пропилену.
Ионное присоединение: по правилу Марковникова
Вг-Вг-CH3-CH=CH2пропиленCH3-CH=CH2пропиленWBrWBr* вторичный Карбониевый ион* вторичный Карбониевый ион* СНз-СН-СНзВгизопропилбромиЗ* СНз-СН-СНзВгизопропилбромиЗ
Вг-
Вг-
CH3-CH=CH2пропилен
CH3-CH=CH2пропилен
WBr
WBr
* вторичный Карбониевый ион
* вторичный Карбониевый ион
* СНз-СН-СНзВгизопропилбромиЗ
* СНз-СН-СНзВгизопропилбромиЗ
-^-> СН3-СН2-СН2*первичныйКароониевый ион
Свободнорадикальное присоединение: против правила Марковникова
»■ СН3-СН-СН2Вг -У5^> СН3—СН2—СН2Вг
СН3—СН=СН2 Вг" свободный радикал к-пропилбромид пропилен
*^> CH3-CH-CH2«
Вг „первичныйсвободный радикал
Ионное присоединение приводит к изопропилбромиду, так как вторичный карбониевый ион образуется быстрее, чем первичный. Свободнорадикальное присоединение приводит к н-пропилбромиду, так как вторичный свободный радикал образуется быстрее, чем первичный. Исследование многих примеров присоединения против правила Марковникова показало, что направление присоединения определяется легкостью образования свободных радикалов, которая изменяется в следующем порядке: третичный>вторичный > первичный.
Легкость образования свободных радикалов из алкенов изменяется в том же порядке, что и их устойчивость (разд. 4.26).
Устойчивость свободных радикалов: третичный > вторичный > первичный > СН3»
Свободнорадикальное присоединение к двойной углерод-углеродной связи протекает через стадию образования наиболее устойчивого свободного радикала.
перекисиперекиси(1)(2)(3)(1)(2)(3)(4)(4)RCH—СН2—СС13 + Cl :СС13RCH—СН2—СС13 + Cl :СС13R—СН—СН2—СС13 + .СС13R—СН—СН2—СС13 + .СС13
перекиси
перекиси
(1)
(2)
(3)
(1)
(2)
(3)
(4)
(4)
RCH—СН2—СС13 + Cl :СС13
RCH—СН2—СС13 + Cl :СС13
R—СН—СН2—СС13 + .СС13
R—СН—СН2—СС13 + .СС13
Таким образом, реакции свободных радикалов и реакции карбониевых ионов подчиняются одному и тому же правилу: более устойчивая частица образуется легче независимо от характера реакции — отщепления, диссоциации или присоединения по двойной связи. Устойчивость этих двух типов частиц изменяется в одинаковом порядке: третичный >вторичный> пер- вичный>СН3. В данном конкретном случае присоединение имеет противоположное направление просто потому, что в ионной реакции сначала присоединяется водород, а в свободнорадикальной — бром.
'Другие реакции свободнорадикального присоединения
После того как было установлено влияние перекисей, Хараш показал, что многие реагенты присоединяются к алкенам в присутствии перекиси или при освещении. Эти реакции также протекают по свободнорадикальному механизму.
Для присоединения четыреххлористого углерода к алкенам, например:
RCH=CH2 + СС14> RCH—СН2—СС13
может быть предложен следующий механизм:
перекиси >- R- (радикал)
R. + С1:СС13 > R:C1 + -СС]3
• CC13 + RCH=CH2 > RCH—СН2—СС13
затем (3), (4), (3), (4) и т. д.
В разд. 8.21 приведен другой пример свободнорадикального присоединения — реакция полимеризации', эта реакция сыграла важную роль в создании многих пластических материалов.
Задача 6.7. В присутствии следов перекисей или при освещении ультрафиолетовым светом октеи-1 реагирует: а) с СНС13 с образованием 1,1,1-трихлорноиана; б) с СНВг3 с образованием 1,1,3-трибромноиаиа; в) с СВгС13 с образованием 1,1,1-трихлор-З-бромнонана; з) с Н—S—СН2СООН (тиогликолевая кислота) с образованием H-CgH17—S—СН2СООН: д) с альдегидами R—С=О с образованием кетонов н-С8Н17—С—R. Напишите все ста
дии возможного механизма этих реакций.
Задача 6.8. При присоединении СС14 к алкенам R—СН=СН2 получены не только RCHC1CH2CCI3, но также и RCHC1CH2—СНСН2СС13. Используя только известные вам
реакции, предложите механизм образования второго продукта.
Задача 6.9. В темноте при комнатной температуре раствор хлора в тетрахлорэтилене сохраняется длительное время без признаков реакции. Однако при освещении ультрафиолетовым светом хлор быстро поглощается с образованием гексахлорэтана; эта реакция заметно замедляется, если через раствор пропускать кислород.
а) Чем объясняется отсутствие реакции в темноте? б) Напишите все стадии наиболее вероятного механизма фотохимической реакции. Покажите, как иа основании этого механизма можно объяснить наблюдаемые факты, включая и влияние кислорода.
Возможно, что свободнорадикальное присоединение является даже более общим процессом, чем предполагается. Недавно показано, что для инициирования свободнорадикальной цепи не всегда необходимо освещение или разложение нестабильных соединений, например перекисей. Возможно, в некоторых случаях цепи возникают в результате расщепления ^гомолитического, разд. 8.2) довольно устойчивых молекул (например, галогенов), чему способствует разрушение и образование других связей. Если неизвестен метод инициирования цепи, то свободнорадикальный характер таких реакций установить трудно; критериями служат ингибирование кислородом, подробный анализ кинетики реакции или характерные признаки свободнорадикальной реакции.
Гидроксилирование. Образование гликолей
Обычные окислители превращают алкены в гликоли. Гликоли — это двухатомные спирты; они образуются в результате присоединения двух гидроксильных групп по двойной связи.
|| холодный щелочной раствор КМлО4
или НСО2ОН1।
НО ОНгликоль
Из многих известных окислителей, приводящих к образованию гликолей, обычно используют холодный щелочной раствор КМпО4 и надмуравьи- ную кислоту (НСОООН).
Гидроксилирование при помощи перманганата калия проводят при комнатной температуре, перемешивая алкен с водным раствором перманганата: либо нейтрального — в реакции образуется ОН, либо, лучше, слабощелочного. Нагревания и добавления кислоты избегают, поскольку в этих более жестких условиях происходит дальнейшее окисление с разрывом двойной углерод-углеродной связи (разд. 6.22).
При использовании надмуравьиной кислоты алкен выдерживают со смесью перекиси водорода и муравьиной кислоты (НСООН) в течение нескольких часов, а затем гидролизуют образовавшиеся промежуточные соединения нагреванием с водой.
Гликоли часто называют, прибавляя слово гликоль к названию алкена, из которого он получен, например:
ЗСН2=СН2 + 2КМпО4 + 4Н2ОэтиленЗСН2=СН2 + 2КМпО4 + 4Н2ОэтиленЗСН2—СН2 + 2МпО2 4- 2КОНЗСН2—СН2 + 2МпО2 4- 2КОНОН ОНэтиленгликольОН ОНэтиленгликоль
ЗСН2=СН2 + 2КМпО4 + 4Н2О
этилен
ЗСН2=СН2 + 2КМпО4 + 4Н2О
этилен
ЗСН2—СН2 + 2МпО2 4- 2КОН
ЗСН2—СН2 + 2МпО2 4- 2КОН
ОН ОНэтиленгликоль
ОН ОНэтиленгликоль
нсо2он н2о
СН3—СН=СН2> >- СН3— СН—СН2
пропилен^^ j
пропиленгликоль
Гидроксилирование алкенов—наиболее важный метод синтеза гликолей (гл. 28). Кроме того, окисление перманганатом калия лежит в основе часто используемой аналитической реакции, известной как проба Байера (разд. 6.23).
(Стереохимия образования гликолей обсуждается в разд. 9.17 и 9.18, а механизм реакции — в разд. 28.16.)
Реакции замещения. Галогенирование.
Аллильный водород
До сих пор обсуждались только реакции присоединения по двойной углерод-углеродной связи. В этом разделе рассматриваются реакции алкильных групп, которые присутствуют в большинстве алкенов.
Поскольку алкильные группы имеют структуру алканов, они должны вступать в реакции, характерные для алканов, например реакции замещения галогенами. Но в молекуле алкена имеется два центра, по которым может идти атака галогеном, — двойная связь и алкильная группа. Можно ли направить атаку только по одному из этих центров? Да, можно, создав определенные экспериментальные условия.
ионная атакаионная атакаИзвестно, что алканы галогенируются при высокой температуре или при освещении ультрафиолетовым светом и в основном в газовой фазе, т. е. в условиях, благоприятствующих образованию свободных радикалов. Алкены присоединяют галогены при низкой температуре и в темноте и в основном в жидкой фазе, т. е. в условиях, которые благоприятствуют ионной реакции или, по крайней мере, не способствуют образованию радикалов.
ионная атака
ионная атака
(присоединение) (замещение)(присоединение) (замещение)свободнорадикальная атака.
(присоединение) (замещение)
(присоединение) (замещение)
Если необходимо провести галогенирование алкильной части молекулы алкена, то реакцию проводят в условиях свободнорадикального замещения. Химики фирмы «Шелл» установили, что при температурах 500—600 °C смесь газообразных пропилена и хлора дает главным образом продукт замещения— З-хлорпропен-1, аллилхлорид (СН2=СН—СН2 — аллил). Бром в таких реакциях ведет себя аналогично.
низкая температура.низкая температура.раствор ССЦраствор ССЦсн3—сн—сн.сн3—сн—сн.С1 С1С1 С1Ионная реакция:присоединениеИонная реакция:присоединение
низкая температура.
низкая температура.
раствор ССЦ
раствор ССЦ
сн3—сн—сн.
сн3—сн—сн.
С1 С1
С1 С1
Ионная реакция:присоединение
Ионная реакция:присоединение
СНЭ— СН=СН2СНЭ— СН=СН2пропиленпропилен1,2-дихлорпропан (пропиленхлорид)1,2-дихлорпропан (пропиленхлорид)
СНЭ— СН=СН2
СНЭ— СН=СН2
пропилен
пропилен
1,2-дихлорпропан (пропиленхлорид)
1,2-дихлорпропан (пропиленхлорид)
З-хлорпропен-1 (аллилхлорид)З-хлорпропен-1 (аллилхлорид)Свободнорадикальнаяреакция: замощение
З-хлорпропен-1 (аллилхлорид)
З-хлорпропен-1 (аллилхлорид)
Если вспомнить то, о чем говорилось в разд. 6.17 и 6.18, то возникает вопрос, почему атом галогена не присоединяется по двойной связи, а отрывает атом водорода.
Браун (Лафайетский университет) предположил, что атом галогена присоединяется, но при высокой температуре отщепляется раньше, чем может произойти вторая стадия свободнорадикального присоединения.
Свободнорадикальноеприсоединениех2
[ТГСН3—сн—сн2х —>- сн3—сн—сн2х + х.
х
X* + СН3 СН—СН2Свободнорадикальное
(X = Cl, Вг) IХ2замещение
’-►нх + СН2—СН=СН2> х—сн2—сн=сна + X-
аллильный радикалаллилгалогенид
(получается при высо-кой температуре илинизкой концентрациигалогена)
Предположение Брауна находится в соответствии с тем, что можно использовать низкую концентрацию галогена вместо высокой температуры для того, чтобы замещение превалировало над свободнорадикальным присоединением. Присоединение атома галогена дает радикал I, который распадается (превращаясь в исходное вещество), если температура реакции высока или если он не встречает молекулу галогена для завершения присоединения. С другой стороны, у образовавшегося аллильного радикала не остается другого выбора, кроме реакции с молекулой галогена, независимо от того, какова температура и насколько низка концентрация галогена.
Задача 6.10. а) Каким образом аллильный радикал может превратиться в исходное вещество? б) Из энергии диссоциации связей рассчитайте минимальную EaKT для этой реакции.
N-Бромсукцинимид используется для бромирования алкенов в аллильное положение; этот реагент создает постоянную низкую концентрацию брома (разд. 29.8). Каждую молекулу НВг, образующуюся при галогенировании, N-бромсукцинимид превращает в молекулу Вг2
N-бромсукцинимидN-бромсукцинимидсукцинимидсукцинимид
N-бромсукцинимид
N-бромсукцинимид
сукцинимид
сукцинимид
Ориентация и реакционная способность при замещении
Реакции замещения алкенов протекают по такому же механизму, как и для алканов. Алкильные группы влияют на реакционную способность двойной связи в реакциях присоединения, однако и двойная связь влияет на реакционную способность алкильных групп в реакциях замещения.
Галогенирование различных алкенов показало, что атомы водорода, находящиеся у атома углерода, связанного двойной связью, замещаются с трудом и что атомы водорода, связанные с атомами углерода, соседними с двойной связью, особенно активны в реакциях замещения. Исследование реакций с галогенами и с другими свободными радикалами показало, что это правило является общим: водороды, связанные с атомом углерода двойной связи (винильные водороды), менее подвижны, чем обычные первичные водороды; водороды, связанные с атомом углерода, соседним с двойной связью (аллильные водороды), более подвижны, чем третичные водороды.
И ) Винильные водороды: мало подвижны С—Н )
—С—Н Аллильные водороды: очень подвижны I
Теперь можно расширить ряд реакционной способности, приведеный в разд. 4.25.
Легкость отщепления атомов водорода: аллильный > третичный > вторичный >
> первичный > СН4 > винильный
Замещение в алкенах, по-видимому, происходит по тому же механизму, что и замещение в алканах, например:
а*а2
сн2=сн-н —>- сн2=сн- —> сн2=сн—а
этиленвинильный винилхлорид
радикал
С12
СН2=СН—СН2—Н »- СН2=СН—СН2- *- СН2=СН—СН2С1пропиленаллильныйаллилхлорид
радикал
Очевидно, винильный радикал образуется очень медленно, а аллильный радикал — очень быстро. Таким образом, можно расширить и ряд, приведенный в разд. 4.27.
Легкость образования свободных радикалов: аллильный > третичный >> вторичный > первичный > СН3- > винильный
Находится ли это в соответствии с правилом, что бэлее стабильней радикал образуется быстрее"? Будет ли медленно образующийся винильный радикал относительно неустойчивым, а быстро образующийся аллильный радикал относительно устойчивым?
Энергии диссоциации связей, приведенные в табл. 2.1 (стр. 46), показывают, что для образования винильного радикала из 1 моля этилена требуется 104—122 ккал (435,43-103—510,79-103 Дж) энергии, тогда как для образования метильных радикалов из метана необходимо 102 ккал (427,05- 10s Дж). Таким образом, винильный радикал содержит больше энергии и менее устойчив, чем метильный радикал.
Из таблицы энергий диссоциации связей видно, что для образования аллильного радикала из пропилена требуется всего 77 ккал (322,38-103 Дж), в то время как для образования третичного бутильного радикала необходимо 81 ккал'моль (339,09-103 Дж/моль). Если сравнивать с углеводородами, из которых они образуются, то аллильный радикал содержит меньше энергии" и более устойчив, чем третичный бутильный радикал.
алкеналкенозонидозонид
алкен
алкен
озонид
озонид
Теперь можно еще расширить ряд, приведенный в разд. 4.26; устойчивость свободных радикалов относительно углеводородов, из которых они образуются, изменяется в следующем порядке:
Устойчивость свободных радикалов: аллильный > третичный > вторичный >
^> первичный > СН3» > винильный
Таким образом, двойная связь влияет на устойчивость некоторых свободных радикалов; она оказывает аналогичное влияние и на радикалы, возникающие в переходном состоянии, и, следовательно, влияет на скорость их образования. Возможное объяснение необычно прочной связи винильного водорода дано в разд. 5.3. Высокая устойчивость аллильного радикала хорошо объясняется на основе структурной теории (разд. 12.18).
Озонолиз.
Определение структуры методом расщепления
Наряду с присоединением и замещением необходимо рассмотреть третий основной тип реакций алкенов — расщепление: это реакция, в которой полностью разрушается двойная связь и молекула алкена превращается в две меньшие молекулы.
Для расщепления двойной углерод-углеродной связи обычно используют озон. Озонолиз (разрушение озоном) протекает в две стадии: первая^— присоединение озона по двойной связи с образованием озонида, вторая — гидролиз озонида с образованием .продуктов расщепления.
Озон пропускают через раствор алкена в каком-либо инертном растворителе, например четыреххлористом углероде; после упаривания растворителя остается озонид в виде вязкого масла. Это неустойчивое взрывчатое соединение не очищают, а обрабатывают водой, обычно в присутствии восстанавливающего агента.
Найдено, что в продуктах разложения кислород связан двойной связью с каждым из атомов углерода, соединенных в исходном соединении двойной связью.
—С=О + О=С—продукты разло-жения (альдегиды
и кетоны)
мольозонид
Эти соединения, содержащие группу С=О, называются альдегидами и кетонами; на данном этапе нам нужно знать только то, что эти соединения можно легко идентифицировать (разд. 19.19). Восстанавливающий агент, в качестве которого часто используют цинковую пыль, необходим для того, чтобы не происходило образования перекиси водорода, которая реагирует с альдегидами и кетонами. (Альдегиды RCHO часто превращают в кислоты RCOOH, поскольку их легче выделить.)
Зная число и порядок расположения атомов углерода в полученных альдегидах и кетонах, можно установить структуру исходного алкена. Например, для трех изомерных гексенов (гексиленов):
НН
II H2O/Zn os
СН3СН2СН2С=О + О=С—СН3 -< -< CHSCH2CH2CH=CHCH3
альдегидыгексен-2
нн
I|H2o/zn о3
СН3СН2С=О + О=ССН2СН3 ч -< СН3СН2СН=СНСН2СН3
альдегидыгексен-3
н сн3сн3
|| H2o/Zn о3|
СН3СН2С=О + О=С—СН3 -< -< СН3СН2СН=С—сн3альдегид кетон2-метилпентен-2
В основе одного из общих подходов к определению структуры неизвестного соединения лежит разрушение его на несколько меньших легче идентифицируемых фрагментов. В качестве примера можно привести озонолиз.
Другой метод расщепления, дающий по существу такую же информацию, хотя и в какой-то степени менее надежную, — окисление перманганатом калия в жестких условиях, которое, как считают, протекает через стадию образования гликолей и затем их разрушение (разд. 6.19).
|| КМпО4—С=С— >|| КМпО4—С=С— >I IОН онI IОН он>- кислоты, кетоны, С02>- кислоты, кетоны, С02
|| КМпО4
—С=С— >
|| КМпО4
—С=С— >
I I
ОН он
I I
ОН он
>- кислоты, кетоны, С02
>- кислоты, кетоны, С02
Вместо альдегидов RCHO получают карбоновые кислоты RCOOH. Концевая группа =СН2 окисляется до СО2, например:
сн3сн3
|КМпО4|
сн3соон + о=с—сн3 -<СН3СН=С—сн3
карбоновая кетон2-метилбутен-2
кислота
КМпО4
СН3СН2СН2СООН + С02 ч 0180^0^01=012карбоноваядвуокисьпентен-1
кислотауглерода
Задачаб.11. Какие продукты образуются из димеров изобутилена (разд. 6.15) а) при озонолизе и б) прн окислении перманганатом калия?
Анализ алкенов
Функциональной группой алкенов является двойная углерод-углеродная связь. Чтобы доказать, что неизвестное соединение представляет собой алкен, необходимо показать, что оно вступает в реакции, типичные для двойной углерод-углеродной связи. Подобных реакций известно много, поэтому выбирают такую, которую легко осуществить. Рассмотрим эту проблему подробнее.
Прежде всего, какую из многих реакций алкенов выбрать для идентификации двойной связи? Присоединение бромистого водорода? Гидрирование? Представим себя в лаборатории работающими с газами, жидкостями и твердыми веществами, с колбами, пробирками и склянками.
Пропустим сухой бромистый водород из баллона в пробирку с неизвестной жидкостью. Что мы увидим? Каким образом мы различим, происходит реакция или нет? Бесцветный газ пропускается через бесцветную жидкость; возможно, образуется другая бесцветная жидкость, а возможно, и нет.
Теперь попытаемся гидрировать неизвестное соединение. В данном случае можно сказать, идет реакция или нет: понижение давления водорода показывает, что реакция происходит. И действительно, гидрирование можно использовать для аналитических целей. Но для этого необходимы катализатор и совершенная, тщательно разработанная аппаратура; кроме того, реакция требует времени.
Всегда, когда возможно, в качестве характерной пробы выбирают реакцию, которая протекает быстро, которую удобно проводить и которая вызывает легко наблюдаемые изменения. Выбирают реакцию, которая требует для своего проведения нескольких минут и нескольких пробирок, реакцию, в которой либо появляется или исчезает окраска, либо наблюдается выделение газа, либо образуется или исчезает осадок.
Опыт показал, что алкены лучше всего идентифицировать по обесцвечиванию раствора брома в четыреххлористом углероде (разд. 6.5) или холодного разбавленного нейтрального раствора перманганата калия (проба Байера) (разд. 6.19). Обе реакции легко выполнимы; в первом случае исчезает красное окрашивание, а во втором — фиолетовое окрашивание исчезает и появляется осадок бурой двуокиси марганца.
х/I 1
С=С + Вг2/СС14 ► —С—С—
/XII
Вг Вгалкен красного бесцветныйцвета
X/II
С=С + КМпО4 >- МпО2 Ч С—С— или другие продукты
/XII
ОН он алкен пурпурного бурого бесцветный цвета цвета
Предположим, что выбраны наилучшие пробы для характеристики алкенов; рассмотрим другой вопрос. Если при прибавлении брома в четыреххлористом углероде к неизвестному органическому соединению исчезает красное окрашивание, то о чем это говорит? О том, что неизвестное соединение реагирует с бромом. Это может быть алкен. Но недостаточно зиать, что определенный класс соединения реагирует с данным реагентом; необходимо также знать, как другие классы соединений реагируют с этим реагентом. В рассматриваемом случае неизвестное соединение может быть в такой же степени как алкином, так и любым из соединений, которые быстро вступают в реакцию замещения с бромом; однако в последнем случае должен выделяться бромистый водород и его можно заметить по облачку, которое образуется, если подуть над пробиркой.
Аналогично обесцвечивание раствора перманганата калия еще не доказывает, что соединение является алкеном, а показывает только то, что оно содержит такую функциональную группу, которая может быть окислена перманганатом. Соединение может быть алкеном; но также оно может быть альдегидом или каким-либо другим легко окисляемым соединением. Это может быть даже вещество, которое загрязнено легко окисляемой примесью-, например, спирты не окисляются в этих условиях, но часто содержат легко окисляющиеся примеси. Обычно можно исключить эти случаи, убедившись, что обесцвечивается более одной или двух капель реагента.
Одна проба редко доказывает, что неизвестное соединение принадлежит к какому-то определенному классу соединений. Она может ограничить выбор, а окончательный вывод можно сделать на основании дополнительных тестов. Или, наоборот, если какие-то возможности уже исключены, одна проба может позволить сделать окончательный выбор. Так, реакция с бромом или перманганатом калия достаточна для того, чтобы отличить алкен от алкана, алкен от алкилгалогенида или алкен от спирта.
Для характеристики алкенов чаще всего используются следующие реакции: (а) быстрое обесцвечивание раствора брома в четыреххлористом углероде без выделения НВг; положительная проба также и для алкинов; (б) обесцвечивание холодного разбавленного нейтрального водного раствора перманганата; положительная проба также для алкинов и альдегидов. Кроме того, используют растворимость алкенов в холодной концентрированной серной кислоте; проба положительна и для многих других соединений, включая все соединения, содержащие кислород (они образуют растворимые оксониевые соли), и соединения, которые быстро, сульфируются (разд. 12.13 и 17.10). Алканы или алкилгалогениды нерастворимы в холодной концентрированной серной кислоте.
Из известных уже соединений в серной кислоте растворимы также спирты. Их можно отличить от алкенов по тому, что они не реагируют с бромом в четыреххлористом углероде и дают отрицательную реакцию Байера, если не мешают примеси. Первичные и вторичные спирты окисляются хромовым ангидридом СгО3 в водной серной кислоте: в течение двух секунд прозрачный оранжевый раствор превращается в голубовато-зеленый и становится непрозрачным.
ROH + НСЮ7>- Непрозрачный раствор голубовато-зеленого цвета первичный прозрачный или вторич- раствор ный спирт оранжевого цвета
Третичные спирты и алкены не дают эти пробы.
Задача 6.12. Опишите простые химические реакции (если такие имеются), с помощью которых можно было бы различить: а) алкен и алкан, б) алкен и алкилгалогенид, в) алкены и вторичный спирт, г) алкен, алкан, алкилгалогенид и вторичный спирт. Укажите точно, что вы будете делать и что вы будете при этом наблюдать?
Задача 6.13. Считая, что выбор ограничен алканом, алкеном, алкилгалогенидом, вторичным и третичным спиртами, охарактеризуйте соединения А, Б, В, Г и Д на основании приведенных ниже данных.
Соединение
Качественный элементный анализ
H2SO4
Вг^СС!»
КМпО4
CrOg
А
Нерастворимо
—
—
—
Б
Растворимо
—
—
+
-В
С1
Нерастворимо
—
—
—
Г
Растворимо
+
+
—
Д
»
Если установлено, что неизвестное соединение представляет собой алкен, то его можно идентифицировать как ранее описанный алкен на основании его физических свойств, включая ИК-спектр и молекулярный вес. Доказательство структуры нового соединения лучше завершить его расщеплением: озонолизом или окислением перманганатом с последующей идентификацией образовавшихся фрагментов (разд. 6.22).
(Спектральный анализ алкенов обсуждается в разд. 13.16—13.18.)
ЗАДАЧИ
Напишите структурные формулы н дайте (если можно) альтернативные названия следующих соединений:
этиленбромида,д)пропиленгликоля,
этилбромида,е)пропиленбромгидрина,
бромэтилена,ж)винилбромида,
этиленгликоля,з)аллилхлорида.
2. Напишите структурные формулы и назовите продукты, образование которых ожидается в реакциях изобутилена со следующими реагентами:
а) Н2, NI,
ж) HI,
н) H2SO4 (—*- С8Н1е),
б) С12,
з) HI (перекиси),
о) изобутан + HF,
в) Вг2,
и) H2SO4,
п) холодный щелочной
г) 12>
к) Н2О, Н+,
раствор КМпО4,
д) НВг,
л) Вг2, Н2О,
р) горячий КМпО4,
е) НВг (перекиси).
м) Br2 + NaCl (водный).
с) НСО2ОН,
т) О3, затем Zn, Н2О
Какой алкен из каждой пары более активен в реакции присоединения H2SO4?
этилен или пропилен,д) винилхлорид или 1,2-дихлорэтен,
этилен или винилбромид,е) пентен-1 или 2-метилбутен-1,
пропилен или бутен-2,ж) этилен или СН2=СНСООН,
бутен-2 или изобутилен,з) пропилен нли 3,3,3-трифторпропен.
Напишите структурные формулы и назовите основные продукты, образующиеся в. результате присоединения HI к следующим алкенам:
бутену-2,д)З-метилбутену-1 (двапродукта),
пентену-2,е)винилбромиду,
2-метилбутену-1,ж)2,3-диметилбутену-1,
г).2-метилбутену-2,з) 2,4,4-триметилпентеиу-2.
Расположите изомеры каждой группы в порядке возрастания их устойчивоств, используя приведенные теплоты сгорания:
бутен-1 (649,8), изобутилен (646,1);
2-метилбутен-2 (801,7), тронс-пентеи-2 (804,3);
гексен-1 (964,3), 2,3-диметилбутеи-2 (958,3), 2-метилпентен-2 (959,3).
Можно ли предсказать эту последовательность, исходя из структуры указанных соединений?
Почему в этих отдельных случаях можно вывести ряд относительной устойчивости, исходя из теплот сгорания, а не из теплот гидрирования? (Указание: какие продукты сгорания и гидрирования образуются в каждом из примеров?)
Напишите структурную формулу 6-метилгептена-2. Обозначьте цифрами группы атомов водорода в порядке уменьшения их реакционной способности по отношению к атомам хлора: 1 — наиболее активный, 2 — следующий и т. д.
Объясните, почему присоединение СВгС1а в присутствии перекисей происходит быстрее к 2-этилгексену, чем к октену-1.
В растворе метилового спирта (СН3ОН) бром, присоединяясь к этилену, образует не только этиленбромид, но также и Вг—СН2СН2—ОСН3. Объясните. Напишите уравнения всех стадий.
Вместо одностадийного механизма 1,2-гидридного сдвига, описанного в разд. 5.21, можно предположить, исходя из рассмотренных в этой главе реакций, что иои карбония перегруппировывается в две стадии через алкен:
IIIIII
—С—с> —с=с— + н+ —>■ —с—с—
При образовании изобутильного карбониевого иона (в результате реакции, которая еще не рассмотрена) в D2O, содержащей D3O+, был получен mpem-бутиловый спирт, не содержащий дейтерия, связанного с атомом углерода. Почему этот экспериментальный факт позволяет исключить двухстадийный механизм?
В разд. 6.17 был приведен механизм свободнорадикального присоединения бромистого водорода. С этими данными в равной степени совпадает и приведенный ниже механизм:
(2а)R- (радикал) + НВг *• R—Вг + Н-
(За)(4а)(За)(4а)+ —С=С—+ —С=С—IIII
(За)
(4а)
(За)
(4а)
+ —С=С—
+ —С=С—
С—С— + НВг ► —С—С—+ Н.
I •II
НН Вг
затем (За), (4а), (За), (4а) и т. д.
В стадии (2а) и (4а) алкильный радикал отнимает вместо водорода бром от бромистого водорода. На основании энергии диссоциации связей (табл. 2.1, стр. 50) покажите вероятность этого механизма по сравнению со стадиями (2)—(4), приведенными на стр. 196. Объясните.
Исследования ЭПР (стр. 197) показали, что из данного алкена образуется один и тот же промежуточный свободный радикал независимо от того, присоединяется по двойной связи НВг нли DBr (бромистый дейтерий). Объясните, как это доказательство позволяет сделать выбор между механизмами (2а)—(4а) и (2)—(4).
а) Напишите все стадии свободнорадикального присоединения бромистого водорода к пропилену, б) Напишите все стадии свободнорадикального присоединения НС1 к пропилену. в) Напишите ЛИ для каждой реакции в (а) и (б), принимая следующие значения для энергии диссоциации связей: л-связь 60 ккал (251,21-10® Дж); первичный R—Вт 65 ккал (272,14-103 Дж); первичный R—С1 77 ккал (322,38-103 Дж); вторичный R—Н 94 ккал (393,56-103 Дж), г) Почему перекисный эффект наблюдается в случае присоединения НВг и отсутствует для НС1?
а) Перекись трет-бутила — устойчивая, удобная в обращении жидкость, которая служит хорошим источником свободных радикалов:
(СН3)3СО-ОС(СН3)з --► 2(СН3)3СО.
нли освещение
Смесь изобутана и четыреххлористого углерода достаточно устойчива при 130—140 °C. Если к ней прибавить небольшое количество перекиси mpem-бутила, то протекает реакция, в результате которой образуется (в основном) треш-бутилхлорид и хлороформ. Было выделено также небольшое количество (эквивалентное количеству использованной перекиси) треиг-бутилового спирта. Напишите все стадии вероятного механизма этой реакции.
трет-Бутнлгипохлорит (СН3)3С—О—С1 при облучении ультрафиолетовым светом илн в присутствии небольших количеств перекисей реагирует с алкенами, давая эквимолярные количества алкилхлорида и mpem-бутилового спирта. Напишите все стадии вероятного механизма этой реакции.
Изобутилен и хлор реагируют в темноте при 0 СС в отсутствие перекисей с образованием в основном не продукта присоединения, а металлилхлорида (З-хлор-2-метилпро- пеи-1). Пропускание кислорода через реакционную смесь не изменяет процесс.
Эта реакция была проведена с меченым изобутиленом (1-мС-2-метилпропен-1 (CH3)2C=UCH2J, и полученный металлилхлорид выделен, очищен и подвергнут озонолизу. Были получены формальдегид (Н2С=О) и хлорацетон (С1СН2СОСН3); весь (.97% и более) радиоактивный 13С присутствовал в хлорацетоне.
а) Напишите структурную формулу полученного металлнлхлорида, учитывая положение меченого изотопа, б) Каков механизм реакции — ионный или свободнорадикальный? Используя только стадии, с которыми вы уже знакомы, напишите механизм, который объясняет образование этого продукта, в) Почему изобутилен более охотно вступает в эти специфические реакции, чем бутен-1 или бутен-2? г) В аналогичных условиях и в присутствии кислорода из 3,3-диметилбутена-1 образуется главным образом продукт присоединения и только в небольших количествах 4-хлор-2,3-димегилбутен-1. Исходя из вашего ответа на вопрос (в), объясните образование этого второго продукта?
Напишите простые химические реакции, с помощью которых можно различить следующие соединения:
2-хлорпентан и н-гептан, в) изобутан и изобутилен,
гексен-2 и mpem-бутилбромид, г) аллилбромид и гексен-1,
emop-бутиловый спирт и н-гептаи.ж) mpem-пентиловый спирт и 2,2-ди-
октен-1 и н-пентиловый спирт,метилгексан,
з) н-пропиловый и аллиловый (CHg = =СНСН2ОН) спирты.
Расскажите точно, что вы будете делать и что вы будете наблюдать. (Качественный элементный анализ можно считать простой химической реакцией; расщепления нет.) 15. Напишите структурные формулы алкенов, из которых при озонолизе образуются следующие продукты:
СН3СН2СН2СПО и НСНО,
СН3—СИ—СНО и СН3СНО,
I
СН3
только СН3—СО—СН3,
СН3СНО и НСНО и ОНС—СН2—СНО.
Что даст каждый из этих алкенов при реакции с перманганатом калия?
Углеводород А в присутствии платинового катализатора присоединяет 1 моль водорода и образует н-гексан. Когда А окислили в жестких условиях перманганатом калия, то выделили одну карбоновую кислоту, содержащую три атома углерода. Напишите уравнения всех реакций.
Когда mpem-бутилхлорид реагирует в эфире с магнием, то выход реактива Гриньяра редко превышает 80%. Пользуясь следующими данными, укажите, какая (по крайней мере одна) побочная реакция здесь возможна? Напишите уравнение этой побочной реак
ции.
Данные. В процессе получения этого реактива Гриньяра наблюдается выделение газа. Когда газ пропускают через раствор Вг2 в СС14, то раствор брома быстро обесцвечивается; этот газ оказывает аналогичное действие и на раствор КМпО,. При взвешивании образна газа в стеклянной груше было найдено, что его плотность в 2 раза больше плотности воздуха. При встряхивании образца газа с концентрированной серной кислотой в закрытом сосуде давление газа в нем понизилось от 742 мм рт. ст. (98,92- [О3 Па) до 373 мм рт. ст. (49,73-103 Па); плотность оставшегося газа снова была в 2 раза больше
с каким ре-с каким ре-плотности воздуха.
с каким ре-
с каким ре-
Какое соединение, содержащее двойную углерод-углеродиую связь, и агентом реагирует с образованием следующих соединений:
д) СН2ВгСН2С1, е).СН2ВгСНВгСООН, ж) С1СН2СН(ОН)СН2С1 з) С1СН2СНС1СН2С1.д) СН2ВгСН2С1, е).СН2ВгСНВгСООН, ж) С1СН2СН(ОН)СН2С1 з) С1СН2СНС1СН2С1.а) 2-бром-2-метилбутана, б) З-хлор-2-метилпропена, в) (СН3)2СНС(ОН) (СН3)2, г) СН3СНС12,
д) СН2ВгСН2С1, е).СН2ВгСНВгСООН, ж) С1СН2СН(ОН)СН2С1 з) С1СН2СНС1СН2С1.
д) СН2ВгСН2С1, е).СН2ВгСНВгСООН, ж) С1СН2СН(ОН)СН2С1 з) С1СН2СНС1СН2С1.
Напишите все стадии возможных лабораторных синтезов следующих соединений, используя только данное исходное органическое вещество и некоторые необходимые растворители и неорганические реагенты (см. приведенную ниже общую инструкцию о синтезах):
этилена из этана,
пропилена из пропаиа,
этилиодида из этана,
2-бромпропана из пропана (замечание: простое монобромирование пропана дает, естественно, смесь I- и 2-бромпропана и поэтому не годится для ’того синтеза, однако смесь может быть использована в качестве промежуточного продукта),
1,2-дибромпропана из пропана,
1,2-дибромбутана из 1-бромбутана,
2-иодбутана из 1-хлорбутана,
2,3-диметилбутана из пропилена,
3,4-диметилгексана из н-бутилбромида,
1,2-дибром-2-метилпропана из изобутана,
2-иодбутана из н-бутилового спирта, м) н-пропилбр"омида из изопропилбромида, н) пропиленхлоргидрина из н-пропилиодида, о) изогексана нз (СН3)2СЮН)СН2СН,СН3, п) 2,2-диметилбутана из 3-хлор-2,2-диметилбутана.
О СИНТЕЗАХ
Каждый синтез должен давать чистое вещество с достаточно хорошим выходом.
Не обязательно составлять полное уравнение. Можно только написать структурные формулы органических соединений, а над стрелками указать необходимые реагенты
■ условия реакции, например:
Н+, нагреваниеНг, Ni
СН3СНаОН> СН8=СН2 > CHgCHg
На данном этапе вам могут предложить синтезировать индивидуальное соединение по методу, который никогда в действительности не использовался для этого соединения: например, приведенный выше синтез этана. Но вы можете использовать метод, который позволяет синтезировать этан из этилового спирта, для получения сложного алкана и» какого-то сложного спирта, т. е. для замены НО-группы на водород в любом встретившемся вам соединении. Кроме того, вы приобретете навык в сопоставлении различных классов органических соединений, которые вы уже изучили.
7
Стереохимия. II
Классификация стереоизомеров
В гл. 3 было дано представление о стереоизомерах как изомерах, отличающихся друг от друга только расположением атомов в пространстве.
В гл. 3 описаны стереоизомеры, называемые энантиомерами (зеркальными изомерами); показано, что они могут быть оптически активными и что их существование и их оптическая активность являются результатом диссимметрии определенных молекул, т. е. несовместимости таких молекул t их зеркальным изображением; показано, как путем простого рассмотрения структуры молекулы предсказать, может ли данное соединение проявлять этот тип изомерии; даны правила для обозначения конфигурации (R или S) определенного энантиомера.
В разд. 5.6 описаны диастереомеры, т. е. стереоизомеры, которые не являются зеркальными изображениями друг друга. Эти диастереомеры принадлежат к типу геометрических изомеров, существование которых обусловлено затрудненным вращением вокруг двойной связи.
В разд. 4.6 показано, что стереоизомеры можно классифицировать не только на основании того, являются ли они зеркальными изображениями друг друга, но также с помощью другой, совершенно независимой классификации, а именно каким путем можно превратить их друг в друга. Таким образом, существуют: а) конфигурационные изомеры, превращаемые друг в друга инверсией (обращением) при асимметрическом атоме; б) геометрические изомеры, превращаемые в принципе друг в друга вращением вокруг двойной связи; в) конформационные изомеры, взаимопревращаемые вращением вокруг простых связей.
Как для геометрических, так и для конформационных изомеров необходимо вращение для превращения изомеров друг в друга, поэтому было предложено называть эти изомеры поворотными (или торсионными^. Геометрические изомеры, таким образом, являются вращательными изомерами относительно двойной связи, а конформационные изомеры — вращательными изомерами относительно простой связи.
Однако с точки зрения возможности практического выделения геометрические изомеры ближе к конфигурационным изомерам: взаимопревращение требует разрыва л-связи, и, следовательно, этот процесс протекает с трудом. Конформационные изомеры обычно легко взаимопревращаются благодаря свободному вращению вокруг простых связей.
Для удобства обсуждения и решения задач в данной книге принято следующее (разд. 4.6) «основное правило»: если специально не оговорено, то термины ^стереоизомеры», «энантиомепы» и «диастереомеры» относятся только к конфигурационным изомерам, включая и геометрические изомерн, но не к конформационным изомерам. Последние будут называться «кон- 14*
формационными изомерами», «конформерами», «конформационными энаж- тиомерами» и «конформационными диастереомерами».
Реакции стереоизомеров
В разд. 4.32 обсужден простейший тип реакции образования стереоизомеров — синтез диссимметричного соединения из недиссимметричного исходного вещества — и показано, что такой синтез всегда приводит к рацемической модификации.
В настоящей главе можно уже остановиться и на пространственных аспектах химических реакций. Будут обсуждены реакции, в которых обрадуются стереоизомеры, и реакции, в которых они исчезают, а также реакции, в которых реагент оптически неактивен, и реакции, в которых реагент оптически активен.
В разд. 4.32 рассмотрено а) превращение недиссимметричной молекули в диссимметричную с образованием асимметрического атома углерода.
Теперь обсудим следующие реакции:
Реакции диссимметричных молекул, при которых не происходит разрыва связей у асимметрического атома углерода. (Одновременно выясним, как такие реакции можно использовать для сопоставления конфигурации одного соединения с другим.)
Реакции типа (б), при которых образуется второй асимметрический атом углерода. (При этом познакомимся с диастереомерами другого типа по сравнению с геометрическими изомерами, а также с концепцией мезо- формы.)
Реакции диссимметричного соединения, в которых затрагивается асимметрический атом углерода. (Выясним также, какую информацию о механизмах реакций можно получить из стереохимических исследований.)
Реакции диссимметричных соединений с оптически активными реагентами. (Выясним также, как на самом деле получается большинство оптически активных соединений, о которых уже шла речь.)
Реакции диссимметричных молекул. Разрыв связи
Из реакций диссимметричных соединений прежде всего следует рассмотреть реакции с обычными (оптически неактивными) реагентами, в которых не затрагивается асимметрический атом углерода. Почему же возник вопрос о разрыве связей?
В качестве примера образования диссимметричных соединений (разд. 4.32) было приведено получение emop-бутилхлорида в результате свободнорадикального хлорирования н-бутана. Вернемся к полученному втор-бу- тилхлориду и посмотрим, что происходит с ним в условиях свободнорадикального хлорирования. Образуется ряд изомерных дихлорбутанов в зависимости от того, какие положения в молекуле атакуются. (Какие это изомеры?)
• ci3*
СН8СН2СНСНд ~свещет* СН3СН2СНСНаС1 + другие продукты
С1С1
III
втор-бутилхлорид1,2-дихлорбутан
Можно взять, например, (З)-втор-бутилхлорид (который, как было показано в разд. 4.32, вращает плоскость поляризации вправо) и рассмотреть только реакцию, приводящую к образованию 1,2-дихлорбутана. Собираем модель 1 исходной молекулы, используя один шар для —С2Н6 и отдельный шар для каждого атома в —СН3. Следуя уже известному механизму, берем —Н из —СН3 и заменяем его на —С1. Поскольку ни на одной из стадий не разрывается ни одна из связей асимметрического атома углерода, получен-
®-вт,ор-бутилхдари$®-вт,ор-бутилхдари$^кух^-дихлорбджая^кух^-дихлорбджая
®-вт,ор-бутилхдари$
®-вт,ор-бутилхдари$
^кух^-дихлорбджая
^кух^-дихлорбджая
ная модель обязательно будет иметь конфигурацию II, в которой пространственное расположение относительно асимметрического углерода не изменилось, или, как говорят, конфигурация сохранилась: СН2С1-группа занимает то же самое положение, которое раньше занимала СН3-группа. Это является аксиомой стереохимии: молекулы ведут себя точно так же и реакция, не затрагивающая связи асимметрического атома углерода, происходит с сохранением конфигурации асимметрического атома углерода.
1Если в процессе реакции происходит разрыв связи асимметрического атома углерода, то общее окончательное заключение о стереохимии реакции сделать невозможно, за исключением того, что более вероятно изменение, чем сохранение конфигурации. Что происходит на самом деле, зависит от механизма данной реакции (разд. 7.9).]
Задача 7.1. Проводят реакцию свободнорадикального хлорирования (S)-emop-бутил хлорида и фракционной перегонкой выделяют различные изомерные продукты, а) Напишите пространственные формулы 1,2-, 2,2- и 1,3-дихлорбутанов. полученных таким путем. Обозначьте каждый энантиомер символом R или S. б', Какие из выделенных фракций будут оптически активными, а какие — оптически неактивными?
Рассмотрим теперь использование этой аксиомы о разрыве связи для установления взаимоотношений между диссимметричными соединениями.
Реакции диссимметричных молекул.
Относительные конфигурации
В разд. 3.14 говорилось о том, что конфигурацию определенного изомера можно непосредственно установить методом дифракции рентгеновских лучей, который был впервые применен в 1949 г. Бийо к (+)-винной кислоте. Однако это очень трудная и трудоемкая операция и ее можно применить только к некоторым соединениям. Несмотря на это ограничение, в настоящее время известны конфигурации сотен других соединений, поскольку они были сведены химическими методами к (+)-винной кислоте. Большинство этих взаимоотношений было установлено на основании приведенной выше аксиомы, согласно которой конфигурационная связь между двумя оптически активными соединениями может быть установлена превращением одного в другое реакциями, не затрагивающими асимметрического атома углерода.
Возьмем в качестве примера (—)-2-метилбутанол-1 (энантиомер, найденный в сивушном масле); он имеет (Б)-конфигурацию III. При обработке этого спирта хлористым водородом образуется хлористый алкил, 1-хлор-
in&-^->г-1«етилбуталол-1in&-^->г-1«етилбуталол-1IV8-(+)-1-хлор- 2-метилбутанIV8-(+)-1-хлор- 2-метилбутан
in
&-^->г-1«етилбуталол-1
in
&-^->г-1«етилбуталол-1
IV
8-(+)-1-хлор- 2-метилбутан
IV
8-(+)-1-хлор- 2-метилбутан
2-метилбутан. Не зная механизма этой реакции, можно сказать, что в процессе реакции происходит разрыв связи углерод — кислород. Ни одна из связей асимметрического атома углерода не затрагивается, и, следовательно, конфигурация сохраняется, причем —СН2С1-группа занимает то же самое положение, какое занимала —СН2ОН-группа в исходном веществе
(8у^-у2-метилбутанол-1 (,8у(лУ2-метилбутановая кислота,(8у^-у2-метилбутанол-1 (,8у(лУ2-метилбутановая кислота,
(8у^-у2-метилбутанол-1 (,8у(лУ2-метилбутановая кислота,
(8у^-у2-метилбутанол-1 (,8у(лУ2-метилбутановая кислота,
Хлористый алкил наливают в трубку, трубку помещают в поляриметр и находят, что плоскость поляризации повернута вправо, т. е. продуктом является (+)-1-хлор-2-метилбутан. Так как (—)-2-метилбутанол-1 имеет конфигурацию III, то (ф-)- 1-хлор-2-метилбутан должен иметь конфигурацию IV.
При окислении (—)-2-метилбутанола-1 перманганатом калия образуется 2-метилбутановая кислота, которая вращает плоскость поляризации света вправо. И в этом случае асимметрический атом углерода не затрагивается и (+)-2-метилбутановой кислоте можно приписать конфигурацию V.
Затрагивается ли асимметрический атом углерода в процессе реакции, можно сказать и ие зная механизма реакции при рассмотрении формул исходного и конечного веществ, как и было сделано в этих случаях. Однако следует помнить, что в процессе реакции связь может разорваться и образоваться вновь, что может остаться незамеченным. Такою рода ситуации встречаются не часто, и химик-органик может их предвидеть. Стереохимия играет ведущую роль в исследовании реакций: одним из лучших путей обнаружения скрытого разрыва связи является планирование эксперимента таким образом, чтобы разрыв, если он происходит, затрагивал связь с асимметрическим атомом.
Но как же было установлено, что (—)-2-метилбутанол-1 имеет конфигурацию III? Его конфигурация была отнесена к конфигурации другого соединения, а конфигурация этого соединения связана с конфигурацией еще одного и т. д., пока не была получена (+)-винная кислота, конфигурация которой установлена Бийо методом рентгеноструктурного анализа.
Таким образом, (—)-2-метилбутанол-1, (-|~)-хлорид и ( ф-)-кислота имеют аналогичные (или одинаковые^ конфигурации. Энантиомеры этих соединений— (+)-спирт, (—)-хлорид и (—)-кислота— образуют другой ряд соединений с одинаковой конфигурацией; (—)-спирт и (—)-хлорид, например, имеют противоположные конфигурации. Обычно важно узнать, имеют ли два соединения одинаковые или противоположные конфигурации, а не какова истинная конфигурация каждого соединения, т. е. больший интерес представляют относительные, а не абсолютные конфигурации.
В рассмотренном ряду соединений два из них являются правовращающими, а одно левовращающим. Знак вращения важен как средство для
идентификации определенного изомера (так же как температура кипения или показатель преломления свидетельствует о цис- или транс-конфигурации бутена-2, после того как установлены их конфигурации), но сам факт, что два соединения имеют одинаковый или противоположный знак вращения, значит очень мало; они могут иметь, но могут и не иметь одинаковые конфигурации.
Все три соединения обозначены одинаково символом S только потому, что СН2С1 и СООН старше, чем СН2ОН. Если заменить хлор на дейтерий, (как это сделать?), то соединение будет обозначено символом R, хотя очевидно, что оно будет иметь ту же конфигурацию, что спирт, галогенид и кислота. Действительно, сравнивая втор-бутилхлорид и 1,2-дихлорбутан, можно увидеть, что одинаковые конфигурации I и II обозначены различно — одна S, а другая R; в данном случае rpyhna СН3, которая младше, чем CgHg, превращается в группу СН2С1, которая старше. По символам, обозначающим конфигурацию, нельзя сказать, имеют ли два соединения одинаковые или противоположные конфигурации.
Задача 7.2. Какие из приведенных реакций можно использовать для установления относительных конфигураций?
( + ,-С6Н5СН(ОН)СН3 + РВг3 >- С6Н5СНВгСН3,
( + )-СН3СН2СНС1СН3 + С6Н6 + А1С13 ► СвН5СН(СН3)СН2СН3,
( —)-С6Н5СН(ОСаН5)СН2ОН + НВг ► С6Н6СН(ОСаН6)СН2Вг,
( + )-СН3СН(ОН)СН2Вг + NaCN >• CH3CH(OH)CH2CN.
( + )-СН3СН2С—“OOKCHgjCsHs + ОРГ »-
II
о
*- СН3СН2СОО~ + СН3СН2СНР8ОН)СН3,
( — )-CH3CH2CHBrCH3 + C2H6O-Na+ ► С2Н5—О—СН(СН3)СНаСН3,
NaСгНлВг
(+ )-СН3СН2СНОНСН3 >- CH3CH2CH(ONa)CH3 >- C2HsOCH(CH3)CH2CHg.
Задача 7.3. Какой вывод можно сделать из приведенных ниже наблюдений? а) При стоянии в кислом водном растворе оптически активный СН3СН»СН(ОН)СН3 теряет оптическую активность, б) При стоянии в растворе с подпетым калием оптически активный н С6Н13СН1СН3 теряет оптическую активность, в) Как вы экспериментально проверите ваши выводы? (См. разд. 4.31).
Оптическая чистота
Реакции, при которых не затрагивается асимметрический атом углерода, могут быть использованы для получения более важной информации — определения удельных вращений оптически чистых соединений. Например, 2-метилбутанол-1, полученный из сивушного масла 1и имеющий удельное вращение —5,756° (0,100 рад)1, является оптически чистым, как и большинство других диссимметричных соединений, выделяемых из природных источников, т. е. он состоит только из одного оптического изомера. При обработке этого соединения хлористым водородом образуется 1-хлор-2- метилбутан, который имеет удельное вращение 4-1,64° (0,029 рад). В процессе реакции асимметрический центр не затрагивается, и, следовательно, каждая молекула спирта, имеющая конфигурацию III, превращается в молекулу хлорида с конфигурацией IV; поскольку спирт был оптически чистым, то и хлорид с удельным вращением 4-1,64° (0,029 рад) также будет оптически чистым. Если максимальное вращение известно, то можно опреде-
лить оптическую чистоту любого образца 1-хлор-2'-метил бутана в течение нескольких минут, измерив его вращение.
Если вращение образца хлорида составляет -}-0,82о (0,014 рад), т. е. 50% максимально возможного, то говорят, что его оптическая чистота 50%. Образец рассматривают как состоящий из (+)- и (±)-изомеров [а не (+)- и (—)-изомеров]. [Задача. Каково процентное содержание (+)- и (—)- изомеров в образце?]
Задача 7.4. Какое удельное вращение будет иметь хлорид, полученный при действии хлористого водорода на 2-метилбутанол-1 с удельным вращением +3,12° (0,054 рад)?
Стереоизомеры: диастереомеры
Продолжая изучение реакций диссимметричных молекул, в которых не затрагивается асимметрический центр, рассмотрим особый тип реакций, в процессе которых в молекуле возникает новый асимметрический центр. Но прежде необходимо выяснить, какие же стереоизомеры возможны для соединений, содержащих более одного асимметрического атома углерода.
Начнем с 2,3-дихлорпентана.
сн3—т2—сн—сн—сн3
С1 С12,3-дих лорпентан
Это соединение имеет два асимметрических атома углерода (С-2 и С-3). (Какие четыре различные группы связаны с этими углеродными атомами?) Сколько возможно изомеров?
Используя модели, соберем модели структуры I и ее зеркального изображения — структуры II и посмотрим, совместимы ли они. Структуры I и II несовместимы и, следовательно, являются энантиомерами. (Как
зеркало
не совместимы, энантиомеры
и раньше, можно представить структуры в виде рисунков и мысленно попытаться их совместить. Или можно использовать простые изображения при помощи проекционных формул, не забывая о том, что рисунки нельзя (разд. 3.10) выводить из плоскости бумаги или доски.]
Затем попытаемся превратить структуру I в структуру II вращением вокруг углерод-углеродных связей. Оказывается, что их нельзя превратить друг в друга таким путем, и, следовательно, это не конформационные изомеры. Они являются конфигурационными изомерами; каждый из них может сохранять свою идентичность и, если его отделить от соответствующего зеркального изомера, проявлять оптическую активность.
Существуют ли какие-нибудь другие стереоизомеры 2,3-дихлорпентана? Можно собрать структуру III, которая несовместима ни с I, ни II; структура III, естественно, не является зеркальным изображением ни одной из них. Как же относятся III и I друг к другу; III и II? Как уже говорилось, стереоизомеры, которые не являются энантиомерами, называются диастереомерами. Соединение III—диастереомер по отношению к соединениям I и II.
Структуру III нельзя превратить в структуру I или II вращением вокруг простых связей, и, следовательно, в данном случае имеются конфигурационные стереоизомеры, которые будут сохранять свою идентичность и которые в принципе можно выделить.
Будет ли структура III диссимметричной? Используя модели, построим ее зеркальное изображение — структуру IV; легко обнаружить, что она несовместима со структурой III (и не превращается,в нее).
СН3СН3СНзСНз
СН3
СН3
СНз
СНз
№-С1Н--ОС2Н5III№-С1Н--ОС2Н5IIIС1-на——нс2н5 IVС1-на——нс2н5 IV
№-С1
Н--О
С2Н5
III
№-С1
Н--О
С2Н5
III
С1-н
а——н
с2н5 IV
С1-н
а——н
с2н5 IV
не совместимы,энантиомеры
Структуры III и IV представляют вторую пару энантиомеров. Как и соединение III, соединение IV является диастереомером соединений I и II.
Используя правила, данные в разд. 3.17, можно обозначить соединение I как (25,35)-2,3-дихлорпентан, а II — как (2К,ЗК)-2,3-дихлорпентан; аналогично соединения III и IV являются соответственно (2S,3R)- и (2R.3S)- изомерами. Эти обозначения помогают проанализировать связь между стереоизомерами. Как энантиомеры, соединения I и II имеют противоположные, т. е. зеркальные, конфигурации обоих асимметрических атомов-
углерода: 2S,3S и 2R,3R. Как диастереомеры, соединения I и III имеют противоположные конфигурации одного асимметрического атома углерода и одинаковую конфигурацию другого: 2S.3S и 2S.3R.
Что касается химических и физических свойств, то эти диастереомеры относятся друг к другу, как и другие уже рассмотренные диастереомеры (геометрические изомеры, разд. 5.6). Диастереомеры имеют одинаковые функциональные группы и, следовательно, проявляют сходные химические свойства; однако эти свойства не идентичны. В реакции двух диастереомеров с данным реагентом ни исходные вещества, ни переходные состояния не являются зеркальными изображениями друг друга, и, следовательно, кроме как в результате случайного совпадения, не будут иметь одинаковые энергии. Величины £акт будут различными, и, следовательно, будут различными и скорости реакции.
Диастереомерам присущи различные физические свойства: температуры плавления и кипения, растворимость в данном растворителе, плотности, показатели преломления и т. д. Удельное вращение диастереомеров различно, вращение может быть одинакового или противоположного знака или даже быть равным нулю.
Как и в случае геометрических изомеров, диастереомеры можно, по крайней мере в принципе, разделить: фракционной перегонкой, поскольку различны их температуры кипения; фракционной перекристаллизацией, так как различна их растворимость; хроматографически, поскольку различны форма и полярность их молекул.
Если дана смесь четырех стереоизомерных 2,3-дихлорпентанов, то ее можно разделить на две фракции, но не более. Одна фракция будет представлять собой рацемическую модификацию I плюс II, (2S,3S; 2R,3R)-2,3- дихлорпентан, а другая — рацемическую модификацию III плюс IV, (2S,3R; 2Р,38)-2,3-дихлорпентан. Дальнейшее разделение требует расщепления рацемических модификаций с использованием оптически активных реагентов (разд. 7.10).
Таким образом, наличие двух асимметрических атомов углерода может привести к существованию четырех стереоизомеров. Для соединений с тремя асимметрическими атомами углерода возможно существование восьми стереоизомеров; для соединений с четырьмя асимметрическими атомами углерода возможно шестнадцать стереоизомеров и т. д. Максимальное число возможных стереоизомеров равно 2", где и — число асимметрических атомов углерода. [В некоторых случаях, когда существуют лезо-формы разд. 7.7), число стереоизомеров меньше, чем максимально возможное.]
Стереоизомеры*. мезо-формы
Рассмотрим теперь 2,3-дихлорбутан, в котором также имеется два асимметрических атома углерода. Возможно ли для этого соединения существование тоже четырех стереоизомеров?
сн3—£н—сн—снэ
I IС1 С1
2,3-дихлорбутан
Используя модели, как это делалось ранее, получаем сначала две структуры V и VI. Это зеркальные изображения, которые не совместимы и не взаимопревращаемы; поэтому они являются энантиомерами (конфигура-
СН3 аннаСНзVIСН3 аннаСНзVIСНзСНзСН3нCIнасн3СН3нCIнасн3
СН3 ан
на
СНз
VI
СН3 ан
на
СНз
VI
СНз
СНз
СН3
нCI
на
сн3
СН3
нCI
на
сн3
ционными изомерами), и каждый из них должен быть оптически активным.
СН3на
ан
сн.
хе совместимы, энантиомеры
Далее соберем модель VII и увидим, что этот изомер является диастереомером по отношению к V и VI. Таким образом, имеется три стереоизомера; существует ли четвертый? Нет. Если собрать VIII, зеркальное изображение VII, то видно, что они совместимы; при повороте на 180° (3,141 рад) структура VII совпадает с VIII. Несмотря на наличие асимметрических атомов, молекула VII недиссимметрична. Соединение VII не может существовать в виде двух энантиомерных форм и не может быть оптически активным. Этот стереоизомер называется .мезо-формой.
CIН
а— н
сн3
VIIVIII
совместимы,мезо-соединение
.мезо-Форма — это соединение, молекулы которого совместимы с их зеркальными изображениями, хотя они и имеют асимметрические атомы углерода. мезо-Форма оптически неактивна по той же причине, что и любое
другое соединение, молекулы которого недиссимметричны: вращение, вызываемое одной молекулой, компенсируется равным по величине и противоположным по знаку вращением другой молекулы, которая является зеркальным изображением первой (разд. 3.8).
лезо-Форму можно определить по проекционной формуле; в ней, по крайней мере в одной из конформаций, одна половина молекулы является зеркальным изображением другой. Это видно на примере жзо-2,3-дихлор- бутана, если представить молекулу рассеченной плоскостью, как показано пунктирной линией на приведенной ниже схеме. Молекула имеет плоскость симметрии и не может быть диссимметричной. (Однако следует помнить, что если мы не видим плоскости симметрии, то это не обязательно означает, что молекула диссимметрична.)
Следуя правилам, данным в разд. 3.17, можно обозначить структуру V как (8,8)-2,3-дихлорбутан и структуру VI как (1(,К)-2,3-дихлорбутан. мезо- Форма VII обозначается как (К,8)-2,3-дихлорбутан; зеркальное отношение между концами молекулы находится в соответствии с противоположным обозначением R и 8 двух асимметрических атомов углерода. 1 Конечно, не все (К,8)-изомеры являются л<езо-формами, а только те, у которых две половины молекулы химически эквивалентны.]
Задача 7.5- Напишите стереохимические формулы всех возможных стереоизомеров следующих соединений и обозначьте их конфигурацию (R или S). Отметьте пары энантиомеров и лезо-формы. Какие изомеры, если их отделить от всех других изомеров, будут оптически активными. Укажите несколько примеров диастереомеров.
1,2-дибромпропан, е) 2,3,4-трибромгексан,
ж) 1,2,3,4-тетрабромбутан,з) 2-бром-З-хлорбутан, и) 1-хлор-2-метилбутан, к) 1,3-дихлор-2-метилбутан.ж) 1,2,3,4-тетрабромбутан,з) 2-бром-З-хлорбутан, и) 1-хлор-2-метилбутан, к) 1,3-дихлор-2-метилбутан.б) 3,4-дибром-3,4-диметнлгексан,
ж) 1,2,3,4-тетрабромбутан,
з) 2-бром-З-хлорбутан, и) 1-хлор-2-метилбутан, к) 1,3-дихлор-2-метилбутан.
ж) 1,2,3,4-тетрабромбутан,
з) 2-бром-З-хлорбутан, и) 1-хлор-2-метилбутан, к) 1,3-дихлор-2-метилбутан.
2,4-дибромпеитаи,
гликоль из пентена-2,
гликоль из бутена-2,
Реакции диссимметричных молекул.
Образование второго асимметрического атома углерода
Поскольку уже известно, какие стереоизомеры возможны у соединений с двумя асимметрическими атомами углерода, рассмотрим, что же происходит при возникновении нового асимметрического атома углерода в соединении, уже являющемся диссимметричным.
Вернемся к примеру (разд. 7.3) свободнорадикального хлорирования втор-бутилхлорида, но обратим внимание на другой продукт реакции — 2,3-дихлорбутан
СН3СН2СНСН3СН3СН2СНСН3нагревание илинагревание или■> СНа—СН—СН—СН3 + Другие продукты■> СНа—СН—СН—СН3 + Другие продуктыосвещениеосвещение:i ci:i ci
СН3СН2СНСН3
СН3СН2СНСН3
нагревание или
нагревание или
■> СНа—СН—СН—СН3 + Другие продукты
■> СНа—СН—СН—СН3 + Другие продукты
освещение
освещение
:i ci
:i ci
втор-бутилхлорндвтор-бутилхлорнд2,3-дихлорбутан2,3-дихлорбутан
втор-бутилхлорнд
втор-бутилхлорнд
2,3-дихлорбутан
2,3-дихлорбутан
Предположим, что в реакцию вводился оптически активный етор- бутилхлорид, например (5)-изомер; после окончания хлорирования и фракционной перегонки отделили 2,3-дихлорбутаны от остальных продуктов (1,2-изомера, 2,2-изомера и т. п.). Какие же изомеры следует ожидать?
На рис. 7.1 показан ход реакции. При рассмотрении реакций, в которых возникает второй асимметрический атом углерода, необходимо учиты
вать следующие три момента. Во-первых, поскольку связи уже имеющегося асимметрического атома углерода С-2 не затрагиваются, конфигурация при этом атоме сохраняется во всех продуктах. Во-вторых, для нового асимметрического центра С-3 возможны две конфигурации, и обе они возникают, в данном случае в результате атаки (а) и (б) с противоположных сторон плоской части радикала, давая диастереомерные S,S- и R.S (или мезо)-продукты. В-третьих, диастереомерные продукты образуются в неодинаковых количествах; в данном случае вследствие того, что атака (а) и атака (б) не равновероятны.
В разд. 4.32 было показано, что возникновение первого асимметрического атома углерода в соединении приводит к равным количествам энантиомеров, т. е. к оптически неактивной рацемической модификации. В данном случае возникновение нового асим- метрич'еского атома углерода в соединении, которое уже было оптически активным, приводит к оптически активному продукту, содержащему неодинаковые коли-
чества диастереомеров.
Предположим (это и происходит на самом деле), что продукты, полученные из (5)-етор-бутилхлорида, образуются в отношении S,S : мезо = 29 : 71. Что же образуется при хлорировании (R)-emop-6y- тилхлорида? Образуются (R,R)-H3OMep и мезо-форма в отношении 29 : 71. Фактор, благоприятствующий преобладанию мезоформы по сравнению с (5,5)-соединением, будет благоприятствовать образованию преимущественно мезо-формы по сравнению с (R.R)-npoayKTOM в том же соотношении.
И наконец, что же можно ожидать при
СН3СН3(R,S иго вето)(R,S иго вето)биа стереомеры,образуются е неравныхколичествахРис. 7.1. Образование второго асимметрического атома углерода. Конфигурация первого асимметрического атома не изменяется. Присоединение хлора происходит по двум направлениям, (а) или (б), в результате чего образуются диастереомеры в неравных количествах.биа стереомеры,образуются е неравныхколичествахРис. 7.1. Образование второго асимметрического атома углерода. Конфигурация первого асимметрического атома не изменяется. Присоединение хлора происходит по двум направлениям, (а) или (б), в результате чего образуются диастереомеры в неравных количествах.хлорировании оптически нехлорировании оптически неактивного рацемического в/лор-бутилхлорида? Из (5)-изомера образуется смесь (5,5)-продукта и мезо-формы в отношении 29 : 71; из (R)-H3OMepa
СН3
СН3
(R,S иго вето)
(R,S иго вето)
биа стереомеры,образуются е неравныхколичествах
Рис. 7.1. Образование второго асимметрического атома углерода. Конфигурация первого асимметрического атома не изменяется. Присоединение хлора происходит по двум направлениям, (а) или (б), в результате чего образуются диастереомеры в неравных количествах.
биа стереомеры,образуются е неравныхколичествах
Рис. 7.1. Образование второго асимметрического атома углерода. Конфигурация первого асимметрического атома не изменяется. Присоединение хлора происходит по двум направлениям, (а) или (б), в результате чего образуются диастереомеры в неравных количествах.
хлорировании оптически не
хлорировании оптически не
образуется смесь (R,R)-H3OMepa и мезо-формы в отношении 29 : 71. Поскольку количества (S)- и (R)-иcxoдныx веществ совершенно одинаковы, то два ряда конечных веществ будут точно компенсировать друг друга, и в резуль
тате получается смесь рацемического продукта и мезо-формы в отношении 29 : 71. Из оптически неактивных исходных веществ образуются оптически
неактивные конечные вещества.
Дополнительного рассмотрения требует вопрос, почему диастереомерные продукты образуются в неодинаковых количествах? Почему атака сво-
водного радикала, как показано на рис. 7.1, не равновероятна? Это связано с тем, что в радикале уже есть асимметрический атом углерода.
В разд. 4.32 было показано, что произвольная атака с двух сторон втор- бутильного радикала обусловлена не симметрией любой свободнорадикальной молекулы, а произвольным распределением этих молекул между их зеркальными конформациями. Но рассматриваемый в данном случае свободный радикал уже содержит асимметрический атом углерода, который имеет (5)-конфигурацию; атака такого радикала не является произвольной, потому что нет зеркальных конформаций: они могут образоваться только из свободного радикала с (К)-конфигурацией.
Для конформации I, вероятно, более предпочтительной будет атака снизу, поскольку в этой конформации два атома хлора в переходном состоянии максимально удалены друг от друга; в результате этой атаки образуется л/езо-2,3-дихлорбутан. Вращение на 180° (3,14 рад) вокруг
простой связи приводит к конформации II. Атака снизу конформации II приведет к образованию (5,5)-изомера. Но конформации I и II не являются зеркальными изображениями друг друга, они не обладают одинаковой энергией, и количества их неодинаковы. В частности, вследствие меньших пространственных взаимодействий между метильными группами можно ожидать, что конформация I будет более устойчивой и, следовательно, доля ее больше, чем II, поэтому лезо-форма должна преобладать над (5,5)-изоме- ром (что и наблюдается в действительности).
Можно сделать другое предположение относительно предпочтительного направления атаки и даже по-иному оценить относительные устойчивости конформеров, но основной вывод будет тот же: два диастереомера образуются в неодинаковых количествах.
В данном случае, так же как и раньше, принято, что относительные скорости конкурирующих реакций — образование лезо-формы и образование (5,5)-изомера — зависят от относительных количеств конформеров исходных веществ (разд. 4.32). Если же относительные скорости зависят от относительной устойчивости двух переходных состояний, то все равно приходят к тому же самому выводу: скорости образования двух продуктов не будут одинаковыми — в данном случае вследствие того, что переходные состояния не являются зеркальными изображениями друг друга и, следовательно, устойчивость их будет различна. (Можно даже предсказать, что мезо-форма будет преобладать, поскольку то же самое взаимоотношение между метильными группами, которое делает конформацию I более устойчивой, сделает более устойчивым переходное состояние, соответствующее конформации I.)
Задача 7.6. Ответьте на следующие вопросы об образовании 2,3-дихлорбутана из (R)-emop- бутилхлорида: а) Нарисуйте конформации (III и IV) промежуточных радикалов, соответствующих приведенным выше соединениям I и II. б) Как конформации III и IV относятся друг к другу? в) Сравните отношение III : IV и отношение I : II. г) Считая, что направление предпочтительной атаки хлором такое же, как и для I и II, предскажите, какие стереоизомерные продукты можно ожидать из III; из IV? д) Какой продукт будет преобладать? е) Исходя из соотношения продуктов, реально полученных из ^-втор- бутилхлорида, каково будет соотношение продуктов, полученных из (К)-втор-бутил- хлорида? "
Задача 7.7. Полученные в результате каждой из приведенных ниже реакций продукты разделены тщательной фракционной перегонкой. Сколько фракций будет в каждой реакции? Напишите пространственные формулы соединений, составляющих каждую фракцию,
и обозначьте их по системе R, S. Будут ли все собранные фракции оптически активны?
Монохлорирование (К)-втор-бутилхлоридз при 300 СС,
монохлорирование рацемического вглор-бутилхлорида при 300 °C,
монохлорирование рацемического Ьхлор-2-метилбутана при 300 °C,
присоединение брома к (5)-3-бромбутену-1.
Реакции диссимметричных молекул. Механизм свободнорадикального хлорирования
До сих пор обсуждались только те реакции диссимметричных молекул, в которых не затрагивался асимметрический атом углерода. Какова же стереохимия реакций, в которых затрагивается асимметрический атом углерода? Она зависит ст Многих факторов, и прежде всего от механизма происходящей реакции, поэтому изучение стереохимии реакции часто дает такую информацию, которую нельзя получить другими путями.
Например, изучение стереохимии сыграло важную роль при установлении механизма, который лежит в сснсве всего обсуждения галогенирования алканов (гл. 4). Стадиями роста цепи будут следующие реакции:
(2а) (За)(2а) (За)X. + RH »- ИХ + R.
(2а) (За)
(2а) (За)
R. + Xs > RX + X*
До 1940 г. имевшиеся данные находились в соответствии и с другим альтер- нативнйм механизмом
(26)(Зб)(26)(Зб)X. + RH —* RX + Н-
(26)
(Зб)
(26)
(Зб)
н. + X, ■—»- нх + X-
Для того чтобы сделать выбор между этими двумя механизмами, X. Браун, М. Хараш и Т. Чао (Чикагский университет) провели фотохимическое галогенирование оптически активного (8)-(+)-1-хлор-2-метилбутана. Число полученных изомерных продуктов соответствовало атаке различных положений молекулы. ^Задача. Какие это продукты?) Ученые сконцентрировали свое внимание только на одном из этих продуктов, а именно на 1,2-ди- хлор-2-метилбутане, образующемся в результате замещения у асимметрического атома углерода (С-2).
СН3СН3
,СИ. освещение|
СН3СН2—СН— СН2С1*■ сн8сн2—с—сн2сг
С1
(S)-( + )-1-хлор-2-метил-(±) -1,2-дихлор-2-метил-
бутан, оптически активный бутан, оптически неактивный
Они планировали эксперимент следующим образом. Два механизма отличаются лишь тем, является ли свободный алкильный радикал промежуточным соединением или нет. Предполагалось, что наиболее вероятной структурой для такого радикала будет плоская (как оказывается, она очень вероятна) и радикал должен потерять свою диссимметрию. Присоединение хлора с любой из сторон будет равновероятно, и в результате должен обра-
зоваться оптически неактивный рацемический продукт. Другими словами, реакция будет протекать с рацемизацией.
СН2С1СН2С1S-(+yi-хлор-2,-метилбитан, оптически активныйS-(+yi-хлор-2,-метилбитан, оптически активныйпромежуточный свободный радикал» диссимметрия утеряна.промежуточный свободный радикал» диссимметрия утеряна.СН2С1СН2С1СН2С1СН2С1рацемический продукт, оптически неактивнымрацемический продукт, оптически неактивным
СН2С1
СН2С1
S-(+yi-хлор-2,-метилбитан, оптически активный
S-(+yi-хлор-2,-метилбитан, оптически активный
промежуточный свободный радикал» диссимметрия утеряна.
промежуточный свободный радикал» диссимметрия утеряна.
СН2С1
СН2С1
СН2С1
СН2С1
рацемический продукт, оптически неактивным
рацемический продукт, оптически неактивным
В случае альтернативного механизма, при котором хлор непосредственно замещает водород в молекуле, нельзя было предсказать точного результата реакции; можно было только предположить, что образование оптически неактивного продукта крайне мало вероятно: нет причин ожидать, что атака с тыльной стороны (со стороны, противоположной водороду) будет происходить в такой же степени, как и атака с фронта. (В аналогичных ионных реакциях атака происходит исключительно со стороны, противоположной уходящей группе.)
Тщательной фракционной перегонкой был выделен 1,2-дихлор-2-метил- бутан из реакционной смеси, который оказался оптически неактивным. Из этого исследователи сделали вывод, что правильным будет механизм, включающий стадию образования свободного радикала [(2а), (За) ]. Этот механизм принят в настоящее время, и на работу Брауна, Хараша и Чао часто ссылаются как на доказательство стереохимического поведения свободных радикалов, хотя первоначальная цель работы была иной.
Стереохимические исследования позволяют химику-органику выяснить, что же действительно происходит в химической реакции.
Задача 7.8. При свободнорадикальном хлорировании (8)-(+)-1-хлор-2-метилбутана образуется всего шесть фракций, имеющих формулу С5Н10С12. Четыре фракции оптически активны, а две фракции оптически неактивны. Напишите структурные формулы соединений, входящих в состав каждой фракции. Объясните подробно наличие или отсутствие оптической активности в каждом случае.
Реакции диссимметричных молекул
с оптически активным реагентами. Расщепление
До сих пор в этой главе рассматривались реакции диссимметричных соединений с оптически неактивными реагентами. Теперь обратимся к реакциям с оптически активными реагентами и рассмотрим одно из наиболее важных применений этих реагентов: расщепление рацемической модификации, т. е. разделение рацемической модификации на энантиомеры.
Известно (разд. 4.32), что при образовании диссимметричных соединений из оптически неактивных соединений продукт представляет собой рацемическую модификацию. Уже указывалось, что энантиомеры, входящие
в состав рацемической модификации, имеют одинаковые физические свойства (кроме направления вращения поляризованного света) и, следовательно, их нельзя разделить обычными методами: фракционной перегонкой или фракционной кристаллизацией. В этой книге часто упоминаются эксперименты, проводимые с оптически активными соединениями, такими, как (+)-втор-бутиловый спирт, (—)-2-бромоктан, (—)-а-фенилэтилхлорид, (+)- а-фенилпропиоамид. Как же получаются такие оптически активные соединения?
Некоторые оптически активные соединения выделяют из природных источников, поскольку в живых организмах обычно образуется только один из двух возможных энантиомеров. Так, только (—)-2-метилбутанол-1 образуется при ферментативном брожении зерна и только ( 4-)-молочная кислота СН3СН(ОН)СООН возникает в работающей мышце; только (—)-яблочная кислота НООССН2СН(ОН)СООН образуется во фруктовом соке и только (—)-хинин выделяют из коры хинного дерева. Нам приходится иметь дело с оптически активными веществами гораздо чаще, чем можно было бы предположить. Мы едим оптически активный хлеб и оптически активное мясо, живем в дома.,, носим одежду и читаем книги из оптически активной целлюлозы. Белки, из которых состоят наши мускулы и другие органы, гликоген в печени и в крови человека, ферменты и гормоны, которые обеспечивают рост и регулируют жизненные процессы в организме человека, — все они оптически активны. Природные вещества оптически активны, потому что ферменты, которые катализируют их образование (и часто являются сырьем, из которого они образуются), сами по себе оптически активны. Что же касается первоначального появления оптически активных веществ в природе, то здесь можно только высказывать предположения.
Из природных оптически активных соединений можно получить другие оптически активные соединения. Например, было показано, как можно превратить (—)-2-метилбутанол-1 в соответствующий хлорид или кислоту без потери оптической активности (разд. 7.4); эти оптически активные соединения можно превратить во многие другие.
Большинство оптически активных соединений получают расщеплением рацемической модификации, т. е. разделением рацемической модификации на энантиомеры. Большинство таких расщеплений проводится с помощью оптически активных реагентов; эти реагенты обычно выделяют из природного сырья,
Большая часть известных процессов расщепления основана на реакции органических оснований с органическими кислотами с образованием солей. Предположим, например, что имеется рацемическая кислота (±)-НА. Из различных растений выделены очень сложные основания, называемые алкалоидами (т. е. подобные основанию), например кокаин, морфин, стрихнин и хинин. Большинство алкалоидов образуется в растениях только в виде одного из двух возможных энантиомеров, и, следовательно, они оптически активны. Возьмем одно из этих оптически активных оснований, например левовращающее (—)-В, и смешаем его с рацемической кислотой (±)-НА. Кислота присутствует в виде двух энантиомеров, а основание — только в виде одного; следовательно, они образуют кристаллы двух различных со
лей: [(—)-ВН+ (+)-А-1 и [(—)-ВН+ (—)-А-1.
(+ )-НА(+ )-НАК-)-В№ ( + )-А1К-)-В№ ( + )-А1( + )-НА + (-)-В№( + )-НА + (-)-В№
(+ )-НА
(+ )-НА
К-)-В№ ( + )-А1
К-)-В№ ( + )-А1
( + )-НА + (-)-В№
( + )-НА + (-)-В№
+ (-)-В-
(-)НА(-)НА-* [( —)-ВН+ (~НП-* [( —)-ВН+ (~НП(_).НА + (-)-В№(_).НА + (-)-В№энантиомеры, алкалоид,энантиомеры, алкалоид,в рацемичес-кой модифи-кациив рацемичес-кой модифи-кацииоснованиеоснованиедиастереомеры,которые можноразделитьдиастереомеры,которые можноразделитьрасщеплен- алкалоид ные энан- в виде солитиомерырасщеплен- алкалоид ные энан- в виде солитиомеры
(-)НА
(-)НА
-* [( —)-ВН+ (~НП
-* [( —)-ВН+ (~НП
(_).НА + (-)-В№
(_).НА + (-)-В№
энантиомеры, алкалоид,
энантиомеры, алкалоид,
в рацемичес-кой модифи-кации
в рацемичес-кой модифи-кации
основание
основание
диастереомеры,которые можноразделить
диастереомеры,которые можноразделить
расщеплен- алкалоид ные энан- в виде соли
тиомеры
расщеплен- алкалоид ные энан- в виде соли
тиомеры
Каково же взаимоотношение между солями? Молекулы их не совместимы, поскольку их кислотные части не совместимы. Они не являются зеркальными изображениями, поскольку фрагменты основания не будут зеркальным изображением друг друга. Эти соли представляют собой стереоизомеры, но не энантиомеры, а диастереомеры.
Эти диастереомерные соли, естественно, имеют различные физические свойства, в том числе и растворимость в данном растворителе. Поэтому их можно разделить фракционной кристаллизацией. После того как соли разделены, из них можно выделить оптически активные кислоты добавлением сильной минеральной кислоты, которая вытесняет более слабую органическую кислоту. Если соль тщательно очищена рядом повторных кристаллизаций для удаления следов ее диастереомера, то полученная кислота будет оптически чистой. Для расщепления кислот обычно используют алкалоиды: (—)-бруцин, (—)-хинин, (—)-стрихнин и (+)-цинхонин.
Расщепление органических оснований проводится с помощью обратного процесса — с использованием природных оптически активных кислот, например (—)-молочной кислоты. Расщепление спиртов, которое имеет важное значение в синтезе, представляет особую проблему: поскольку спирты не являются ни кислотами, ни основаниями, их нельзя расщепить непосредственно через соли. Тем не менее их можно расщепить с помощью довольно остроумного изменения только что описанного метода: к спирту присоединяют кислотное звено, которое позволяет получить соль, а после разделения солей, когда оно уже не нужно, его удаляют (разд. 29.7).
Можно расщепить и другие соединения, кроме кислот, оснований и спиртов. И хотя конкретные химические процессы могут отличаться от только что описанного процесса образования соли, принцип остается тот же: рацемическая модификация действием оптически активного реагента превращается в смесь диастереомеров, которую затем можно разделить.
ЗАДАЧИ
Напишите пространственные формулы всех возможных стереоизомеров для следующих соединений. Укажите пары энантиомеров и лезо-формы. Укажите, какие изомеры, если их отделить от всех других стереоизомеров, будут оптически активными. Обозначьте един из изомеров для каждого соединения по системе R, S.
СН2—СНС1; соберите модели, I IСН2—СНС1СН2СНС1I ICHCI—сн23,6-диметилоктен-4,СН2—СНС1; соберите модели, I IСН2—СНС1СН2СНС1I ICHCI—сн23,6-диметилоктен-4,СН3СНВгСН(ОН)СН3,
СН2—СНС1; соберите модели, I I
СН2—СНС1
СН2СНС1
I I
CHCI—сн2
3,6-диметилоктен-4,
СН2—СНС1; соберите модели, I I
СН2—СНС1
СН2СНС1
I I
CHCI—сн2
3,6-диметилоктен-4,
СН3СНВгСНВгСООН,
в) С6Н6СН(СН3)СН(СН3)С6Н5,
г) СН3СН2СН(СН3)СН2СН2СН(СН3)СН2СН3,
СН3СН(С,Н5)СНОНСН3,
СН3СН(ОН)СН(ОН)СН(ОН)СООН,
НОСН2(СНОН)3СН2ОН,
л) метилэтил-я-пропил-н-бутиламмонийхлорид (RR'R"R'"N)+C1_ (разд. 1.10),
м) метилэтил-я-пропил-втор-бутиламмонийхлорид.
Продукты каждой из приведенных ниже реакций разделены тщательной фракционной перегонкой или перекристаллизацией. Сколько фракций собрано в каждом случае? Напишите пространственные формулы соединения или соединений, входящих в состав каждой фракции, и обозначьте их по системе R, S. Какие фракции будут оптически активными, а какие — оптически неактивными?
я-пентан + С12 (300 °C) » С6Н„С1,
1-хлорпентан + С12 (300 °C) СБН]0С12,
(5)-2-хлорпентан + С12 (300 °C) —-* С5Н10С12,
(R)-2-xлop-2,3-димeтилпeнтaн + С12 (300 °C)» С7Н14С12,
лезо-НОСН2СН(ОН)СН(ОН)СН2ОН + НМО,> НОСН2СН(ОН)СН(ОН)СООН,
(К)-втор-бутилхлорид + KOH (спирт.,,
2-метилпентан + CH2N2 (освещение),
(8)-3-хлорбутен-1 + НС1,'
и) рацемический С6Н5СОСН(ОН)С6Н5 + Н2, катализатор>
> QHsCHfOHJCHfOHJCsHs.'
Укажите абсолютные конфигурации и обозначьте по системе R, S соединения А—Е.
(R)-HOCH2CH(OH)CH=CH2 + холодный щелочной раствор КМпО4» » А (оптически активное) + Б (оптически неактивное),"
(8)-1-хлор-2-метилбутан + Na> В,
(R,R)-HOCH2CH(OH)CH(OH)CH2OH + НВг>
» Г [НОСН2СН(ОН)СН(ОН)СН2Вг],
(Р)-3-метил-2-этилпентен-1 + H2/Ni> Д (оптически активное) + Е (оптически неактивное).
Избыток рацемической кислоты СН3СНС1СООН реагирует с (8)-2-метилбутанолом-1 с образованием эфира СН3СНС1СООСН2СН(СН3)СН2СН3; реакционную смесь тщательно разгоняют и собирают три фракции, каждая из которых оптически активна. Напишите пространственные формулы соединения или соединений, входящих в состав каждой фракции.
Объяснение рацемизации, сопровождающей хлорирование 1-хлор-2-метилбутаиа (разд. 7.9), основано на допущении плоского строения радикала; тем не менее не считают, что работа Брауна, Караша и Чао установила плоское строение свободного радикала. Почему? Какое другое строение свободного радикала также находится в соответствии со стереохимией хлорирования? (См. разд. 22.6.)
8
Алкины и диены
Введение
Общая формула алканов С„Н2п+2, обпщя формула алкенов С„Н2П. В этой главе рассматриваются два типа углеводородов, имеющих одну и ту же общую формулу СпН2п-2. — алкииы и диены. Как видно из формулы, они содержат еще меньше водорода, чем алкены, и проявляют еще большую степень ненасыщенности. Несмотря на одинаковую общую формулу, алкины и диены имеют различные функциональные группы и, следовательно, обладают различными свойствами.
АЛКИНЫ
Строение ацетилена.
Тройная углерод-углеродная связь
Простейший представитель ряда алкинов — ацетилен С2Н2. Тот же подход, что был использован при построении этилена (разд. 5.2), приводит к строению, в котором атомы углерода имеют три общие электронные пары, т. е. связаны тройной связью. Тройная углерод-углеродная связь является отличительной особенностью строения алкинов.
Н:С;:С:НН—С=С—Н
ацетилен
Квантовомеханический подход дает следующее представление о тройной углерод-углеродной связи. Для образования связей с двумя другими атомами углерод использует две эквивалентные гибридные орбитали: sp-орбитали, образованные комбинацией одной s- и одной из р-орбиталей. Эти sp-орбитали расположены на прямой линии, проходящей через ядра атомов углерода; угол между двумя орбиталями составляет, таким образом, 180° (3,141 рад). При таком линейном расположении гибридные орбитали максимально удалены друг от друга (рис. 8.1). Так же как взаимное отталкивание орбиталей приводит к четырем тетраэдрическим или трем тригональным связям, так в данном случае оно приводит к двум линейным свя
зям.
Если расположить два атома углерода и два атома водорода ацетилена так, чтобы орбитали максимально перекрывались, то получается структура, приведенная на рис. 8.2.
Ацетилен — линейная молекула, в которой все четыре атома расположены на одной прямой. Связи углерод —- водород и углерод — углерод обладают цилиндрической симметрией относительно линии, соединяющей ядра, и, следовательно, являются о-связями.
Однако построение молекулы еще не закончено. При образовании уже описанных зр-орбиталей каждый атом углерода использует только одну из трех имеющихся р-орбиталей; остается еще две р-орбитали. Каждая из
Рис. 8.1. Атомные гибридные sp-орбитали.
а — поперечный разрез и приблизительная форма одной орбитали; орбиталь сильно ориентирована вдоль одной оси; б — изображение в виде сферы (маленькая часть за плоскостью рисунка не представлена); в — две орбитали, осн которых лежат на одной прямой.
них состоит из двух равных частей, оси которых перпендикулярны осям другой р-орбитали и линии sp-орбиталей (рис. 8.3); каждая р-орбиталь занята одним электроном. Каждая р-орбиталь может перекрываться с р-ор-
нс-5—С——и
Рис. 8.2. Молекула ацетилена; показаны только о-связи.
биталью другого атома углерода, так что происходит спаривание электронов; таким образом образуются две л-связи. Если одно облако л-связи изобразить над и под линией, соединяющей ядра, то другое облако связи будет находиться спереди и сзади этой линии. Однако между облаками связей существует перекрывание, так что две связи сливаются, образуя одно цилиндрическое л-электронное облако вокруг линии, соединяющей ядра (рис. 8.4).
Рис. 8.3. Молекула ацетилена; перекрывание р-орбиталей дает две л-связи.Рис. 8.3. Молекула ацетилена; перекрывание р-орбиталей дает две л-связи.Рис. 8.4. Молекула ацетилена; тройная углерод- углеродная связь. л-Облако имеет цилиндрическую форму.Рис. 8.4. Молекула ацетилена; тройная углерод- углеродная связь. л-Облако имеет цилиндрическую форму.
Рис. 8.3. Молекула ацетилена; перекрывание р-орбиталей дает две л-связи.
Рис. 8.3. Молекула ацетилена; перекрывание р-орбиталей дает две л-связи.
Рис. 8.4. Молекула ацетилена; тройная углерод- углеродная связь. л-Облако имеет цилиндрическую форму.
Рис. 8.4. Молекула ацетилена; тройная углерод- углеродная связь. л-Облако имеет цилиндрическую форму.
Таким образом «тройная» углерод-углеродная связь построена из прочной о-связи и двух менее прочных л-связей; ее прочность 198 ккал (828,98-10® Дж). Она прочнее, чем двойная углерод-углеродная связь в этилене [145 ккал (607,09-10® Дж)1 или простая углерод-углеродная связь в этане [83 ккал (347,46-10® Дж)[, и, следовательно, короче, чем любая из них.
,1,20 А 1,06 А
Н-Е— с^с-—и
180*
Рис. 8.5. Молекула ацетилена; форма и размеры.
Квантовомеханическое представление подтверждается прямыми доказательствами. Методом дифракции электронов, дифракции рентгеновских лучей и спектральными методами было показано, что ацетилен представляет собой линейную молекулу (рис. 8.5). Длина связи С—С в ацетилене равна 1,20 А (12,0-10-2 нм) по сравнению с 1,34 А (13,4-10~2 нм) в этилене и 1,54А(15,4-10~2 нм) в этане. Строение тройной связи, каки двойной, подтверждается (хотя и путем получения отрицательных результатов) данными о числе изомеров. Как видно из моделей, линейное расположение связей делает невозможной геометрическую изомерию; действительно, геометрические изомеры, обусловленные наличием тройной связи, неизвестны.
Расстояние С—Н в ацетилене составляет 1,06 А (10,6-10-2 нм), т. е. меньше, чем в этилене [1,086 А (10,86-10-2 нм)]; вследствие большего s-характера sp-орбитали меньше, чем 5р2-орбитали, и sp-гибридизованный углерод образует более короткие связи, чем 5р2-гибридизованный. Энергия диссоциации связи С—Н в ацетилене неизвестна, но, вероятно, она больше.
чем в этилене. В данном случае sp-гибридизация, которая затрудняет гомолитический разрыв связи С—Н с образованием радикалов, облегчает гете- ролитический разрыв этой связи с образованием ионов (разд. 8.10).
Н—С=С:Н >- НС=С« + Н- Гомолитический разрыв: один
электрон на каждой частице
НС=С:Н »- НС=С:~ + Н+ Гетеролитический разрыв: оба электрона принадлежат одной частице
Задача 8.1. Сравните электронные конфигурации СО2, которая является линейной молекулой (проверьте ваш ответ, задача 1.5, стр. 27), и Н2О, в которой угол связи составляет 105° (1,832 рад).
Высшие алкины. Номенклатура
Алкины, так же как алканы и алкены, образуют гомологический ряд с той же самой гомологической разностью состава —СН2—.
Существует два способа построения названий алкинов. Согласно первому, все алкины рассматриваются как ацетилен, у которого один или оба атома водорода замещены на алкильные группы.
Н—С^С—С2Н5этилацетилен,бутин-1Н—С^С—С2Н5этилацетилен,бутин-1СН3—С=С—СН3диметилацетилен,бутин-2СН3—С=С—СН3диметилацетилен,бутин-2СН3—С=С—СН(СН3)аметилизопропилацетилен,4-метилпентии-2СН3—С=С—СН(СН3)аметилизопропилацетилен,4-метилпентии-2
Н—С^С—С2Н5этилацетилен,бутин-1
Н—С^С—С2Н5этилацетилен,бутин-1
СН3—С=С—СН3диметилацетилен,бутин-2
СН3—С=С—СН3диметилацетилен,бутин-2
СН3—С=С—СН(СН3)аметилизопропилацетилен,4-метилпентии-2
СН3—С=С—СН(СН3)аметилизопропилацетилен,4-метилпентии-2
Для более сложных алкинов используют систему ШРАС. Правила построения названий точно такие же, как и для алкенов, только вместо окончания -ен используют окончание -ин. За основу берут самую длинную цепь, содержащую тройную связь, а положения заместителей и тройной связи обозначают цифрами. Тройная связь получает номер первого из двух атомов углерода тройной связи; нумерация начинается с конца цепи, наиболее близкого к тройной связи.
Физические свойства алкинов
Поскольку алкины — малополярные соединения, то их физические свойства сходны со свойствами алканов и алкенов. Они нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в обычных органических растворителях с низкой полярностью: лигроине, эфире, бензоле, четыреххлористом углероде. Плотность их меньше плотности воды. Температуры кипения алкинов (табл. 8.1) повышаются с увеличением числа атомов углерода; разветвление цепи влияет, как обычно. Алкины имеют температуры кипения, очень близкие к температурам кипения алканов и алкенов, имеющих такой же углеродный скелет,
Промышленный источник ацетилена
Простейший представитель класса алкинов, ацетилен, —один из наиболее важных в промышленном отношении соединений. Его можно синтезировать действием воды на карбид кальция СаС2, который получают реакцией окиси кальция с углем при очень высоких температурах в электрической печи. Окись кальция и кокс получают соответственно из известняка
Таблица 8.1
Физические свойства алкинов
Название
Формула
Т. пл., СС
Т. кип., °C
Плотность при 20 °C
Ацетилен
НСеСН
—82
—75
Пропин
нс=ссн3
—101,5
—23
Бутин-1
НС=ССН2СН3
—122
9
Пентин-1
HC=C(CH2)2CHS
—98
40
0,695
Гексин-1
НС=С(СН2)3СН3
—124
72
0,719
Гептин-1
НС=С(СН2)4СН3
—80
100
0,733
Октин-1
HteCtCH^CH,
—70
126
0,747
Нонин-1
НС=С(СН2)вСН3
—65
151
0,763
Децин-1
HC^QCH^CH,,
—36
182
0,770
Бутин-2
СН3С=ССН3
—24
27
0,694
Пентин-2
СН3С=ССН2СН3
—101
55
0,714
З-Метилбутин-1
НС=ССН(СН3)2
29
0,665
Гексин-2
СН3С=С(СН2)2СН3
—92
84
0,730
Гексин-3
СН3СН2С=ССН2СН3
—51
81
0,725
3,3-Диметилбутин-1
НС=СС(СН3)3
—81
38
0,669
Октин-4
СН3(СН2)2СгС(СН2)2СН:,
131
0,748
Дедин -5
СН3(СН2)3С=С(СН2)3СН3
175
0,769
и угля. Таким образом, ацетилен синтезируют в несколько стадий из доступного и дешевого сырья: воды, угля и известняка.
Уголь —- > КОКС —I 2000 °CН2О
>• СаС2>- Н—С=С—Н
Известняк ► СаО —I
Другой метод синтеза, на основе нефти, может заменить процесс с использованием карбида кальция. В этом случае ацетилен получают частичным окислением метана при высокой температуре
1500 °C
6СН4 4- О2 >- 2НС=СН + 2СО + 10Н2
[Экономически этот процесс частично оправдывается использованием побочных продуктов — окиси углерода и водорода — для получения спиртов, разд. 15.6, и некоторого количества водорода в качестве топлива для поддержания температуры окисления.]
Каждый год потребляются колоссальные количества ацетилена. Ацетилен, применяемый для сварки, растворяют под давлением в ацетоне и хранят в специальных баллонах. Ацетилен служит исходным веществом для промышленного синтеза важных органических соединений, включая уксусную кислоту и ряд ненасыщенных соединений, которые используются для производства пластических масс и синтетического каучука. Многие направления синтетического использования ацетилена стали возможными в результате работ, проведенных В. Реппе в Германии до и в течение второй мировой войны (в фирме «Фарбениндустри»). Его работы, целью которых была замена нефти (которой нет в Германии) как сырья для синтеза органических веществ более доступным углем, произвели революцию в промышленной химии ацетилена.
Методы синтеза алкинов
Тройная углерод-углеродная связь образуется таким же путем, как и двойная: в результате отщепления атомов или групп от двух соседних атомов углерода. Отщепляемые группы и используемые реагенты те же самые, что и в синтезе алкенов.
W XW X
IIII
—С—С► —С=С>- —С=С—
МЕТОДЫ СИНТЕЗА АЛКИНОВ
Дегидрогалогенирование дигалогеналканов (разд. 8.6)
"НН—с=с—"НН—с=с—-ННн
"НН
—с=с—
"НН
—с=с—
Х2 || КОН (спирт.)| NaNH2
—>- —С—с—*■ — С=С— —> — с=с—
I II
XXX
Пример:
Вг2кон (спирт.)NaNH2
CH3CH=CH2 > СН3СН—СН2»■ СЬ^СН=СНВг —»- сн3с^сн
^г ^1-бромпропен-1пропин
1,2-дибромпропан(бромистый пропилен)
Реакция ацетиленидов натрия с первичными алкилгалогенидами (разд. 8.12)
NaNH2 или
—С=СН> —С=СГ Na+ + RX )- —С=С—R + NaX
Na
R = первичный алкил
Примеры:
HC=C:~Na++ СН3СН2СН2СН2Вг )- HC=CCH2CH2CH2CHSацетиленид«-бромистый бутилгексин-1
натрия(я-бутилапетилен)
CH3C=C":Na+ + CH3CH2Br ♦- СН3С=ССН2СН3метилацетиленид бромистыйпентин-2
натрияэтил(метилэтилацетилен)
Дегалогенирование тетрагалогенидов (разд. 8.6) X X
—С—С— + 2Zn > —С=С—+ 2ZnX2
Пример:
Вг Вг
I 1 Zn
СН3—С—С—Н >■ СН3—с=сн
I Iпропин
Дегидрогалогенирование вицинальных дигалогенидов имеет особое значение, поскольку дигалогениды легко можно получить из соответствующих алкенов присоединением галогена, т. е. это метод превращения (в несколько стадий) двойной связи в тройную.
Дегидрогалогенирование можно проводить в две стадии, как показано ниже.
ННН
1 Iкон (спирт.) I NaNH2
—С—С>- —с=с>■ —с=с—
I II
XXX
винилгалогенид(очень инертный)
Первая стадия прэдставляет собой важный метод получения ненасыщенных галогенидов. Такие ненасыщенные галогениды с галогеном у двойной связи называются винилгалогенидами, и они очень инертны (разд. 26.7). Следовательно, в мягких условиях дегидрогалогенирование останавливается на стадии винил галогенида; в более жестких условиях (при использовании более сильного основания) образуется алкин.
Реакция ацетиленидов натрия с алкилгалогенидами позволяет превратить более простой алкин в более сложный. Практически реакция ограничена использованием первичных алкилгалогенидов вследствие сильной тенденции вторичных и третичных алкилгалогенидов к побочной реакции элиминирования; этот вопрос обсуждается в разд. 8.12 после рассмотрения ацетиленидов.
Дегалогенирование тетрагалогенидов несколько ограничено, потому что эти галогениды обычно получаются из алкинов. Как и в случае двойной связи и дигалогенида, тройную связь можно защитить превращением в тетрагалогенид с последующим образованием тройной связи под действием цинка.
Реакции алкинов
Так же как химия алкенов является химией двойной углерод-углеродной связи, так и химия алкинов — по существу химия тройной углеродуглеродной связи. Алкины, как и алкены, вступают в реакцию электрофильного присоединения, поскольку в них имеются довольно доступные для атаки л-электроны. По непонятным причинам тройная углерод-углеродная связь менее реакционноспособна по отношению к электрофильным реагентам, чем двойная.
Тройная связь по сравнению с двойной более реакционноспособна по отношению к реагентам, которые сами имеют электроны, т. е. к нуклеофилам. Так, алкины вступают в реакции нуклеофильного присоединения, которые неизвестны для простых алкенов. В данной главе эти реакции не обсуждаются, а нуклеофильное присоединение будет рассмотрено на примере других соединений (гл. 19 и 32).
Кроме реакций присоединения, для алкинов характерны реакции замещения, которые .обусловлены кислотностью водородного атома, связанного с атомом углерода тройной связи.
РЕАКЦИИ АЛКИНОВ
РЕАКЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ
Y Z
YZ ||
—С=С— + YZ ► —С=С— > —С—С—
Присоединение водорода (разд. 8.9)
Н Н
2Нг||
с~с—*- —с—с-
Ni, Pt или PdI I
алкинj j у j
алкан
Na или Li, NH3Na или Li, NH3H2, Pd или Ni—ВH2, Pd или Ni—В
Na или Li, NH3
Na или Li, NH3
H2, Pd или Ni—В
H2, Pd или Ni—В
Примеры:
2Hz. NiCH3—C=C—CH3 > CH3CH2CH2CH3
бутин-2«-бутан
Na (NHg жидк)\
» c=c
С2н/ \н
, H rpp itлгронс-гексен-3
-2 54 6(ОСНОВНОЙ ПРОДУКТ)
гексин-3
н № в С2Н5ч /С2Н6
► с=с н/ \н
цис-гексен-3(98—99%-нойчистоты)
Присоединение галогенов (разд. 8 8)
X X
х2х2 | I
—С=С— > —С=С— > —С—С— Х2 = С12, Вг2
IIII •- "
XXXX
Пример:
Вг Вг
Вг2Вг2||
сн3с=сн —>■ сн3—с=сн —»- сн3—с—сн
Вг ВгВг Вг
Присоединение галогеноводородов (разд. 8.8)
Н X
нхНх I |
—С=С— >- —С=С— > —С—С— НХ = НС1, HBr, HI
IIII
Н XН X
Пример:
I
HCIН1|
СН3С=СН >■ СН3С=СН2 > СН3— С—СН3
С1С1
Г—С=С—1I Iн онГ—С=С—1I Iн он
Г—С=С—1
I Iн он
Г—С=С—1
I Iн он
Присоединение воды. Гидратация (разд. 8.13)
H2SO4, HgSO4
—С=С— + Н2о>
Примеры:
H2SO4. HgSO4
Н—С=С-Н + Н2О»
Н
Н— С—С—Н
Н О
ацетальдегид
Н Н
H2SO4, HgSO4 I
CH3—C=C—H + H2O*- Н—С—С—С—Н
I 11 IНОНацетон
РЕАКЦИИ АЛКИНОВ КАК КИСЛОТ
—С=С—Н + Основание ► —С=С:'
5. Образование ацетиленидов тяжелых металлов (разд. 8.11)
—С^С—Н 4- м+ —*- —с=с—м + н+
Примеры:
Н—С=С—Н + 2Ag+ >- Ag—С=С—Ag + 2Н+ ацетиленид серебра
характерные реакции на концевую тройную связь
СН3С=С—Н + Cu(NH3)2 —> СН3С=С—Си + NH* + NH3
метилацетиленидмеди
6. Образование ацетиленидов щелочных металлов (разд. 8.10)
Примеры:
жидк. NHg
Н—С=С—H + Na > НС=С:~ Na++ VaH2
ацетилениднатрия
СН3—CH—С=С—Н + NaNH2 -^- СН3—СН—С=С:~ Na++ NH3 II
CH3CH3
изопропилацетилениднатрия
8.8. Реакции присоединения алкинов
Присоединение водорода, галогенов и галогеноводородов к алкинам протекает аналогично присоединению тех же реагентов к алкенам, за исключением того, что каждая тройная связь может присоединить две молекулы реагента. Обычно возможно, подобрав соответствующие условия, остановить реакцию на первой стадии присоединения, т. е. на стадии образования алкена. В некоторых случаях это легко сделать потому, что атомы, присоединившиеся на первой стадии, влияют на вторую.
Задача 8.2. а) Напишите уравнение двухстадийного присоединения брома к бутину-2, б) Как будут влиять два первых присоединившихся атома брома на реакционную способность двойной связи? в) Как это будет влиять на конкурентную реакцию галогена с бутином-2 и 2,3-дибромбутеном-2? г) В каком соотношении необходимо смешать реагенты, чтобы ограничить реакцию первой стадией? д) Будете ли вы пропускать бутин-2 в раствор Вг2 в СС14 или прибавлять по каплям раствор брома к раствору бутина-2?
Восстановление алкинов в алкены. Стереоселективные реакции
При восстановлении тройной углерод-углеродной связи до двойной возможно образование (если только тройная связь не находится на конце цепи) двух изомерных алкенов: цис и транс. Какой из изомеров будет преобладать, зависит от выбора восстанавливающего реагента.
транс-Алкен образуется предпочтительно при восстановлении алкинов натрием или литием в жидком аммиаке, цис-Алкен образуется почти исключительно (до 98%) при гидрировании алкинов над некоторыми катализаторами: над специально приготовленным палладием, так называемым катализатором Линдлара, или над боридом никеля, называемым катализатором Р-2, предложенным X. Брауном (стр. 490) и его сыном Ч. Брауном. (Можно использовать видоизмененный метод гидроборирования (разд. 15.11), также открытый X. Брауном.]
Подобная реакция, приводящая преимущественно к одному из нескольких возможных стереоизомеров, называется стереоселективной. Ниже будут рассмотрены многие другие примеры стереоселективных реакций.
Стереоселективность дает информацию о стереохимии реакции, которую можно использовать не только в тех случаях, когда наблюдается стереоселективность, но и в тех случаях, когда ее нельзя наблюдать. Стереоселективность цис-восстановления алкинов обусловлена присоединением двух водородов с одной и той же стороны алкина, находящегося на поверхности катализатора; вероятно, такая же стереоселективность характерна и для гидрирования алкинов с тройной связью на конце цепи RC=CH, которые не могут образовывать цис- и транс-алкенов.
Механизм транс-восстановления не ясен.
Задача 8.3. Большинство методов получения алкенов (разд. 5.13 и 5.16) дают преиму. щественно наиболее устойчивый изомер, обычно транс. Предложите схему превращения смеси 75% транс-пентена-2 и 25% цнс-пентена-2 в чистый чис-пентен-2.
Кислотность алкинов. Очень слабые кислоты
При рассмотрении кислот (в понимании Бренстеда — Лоури; разд. 1.19) кислотность определялась как мера стремления соединения отдать ион водорода. Значительная кислотность обычно характерна для соединений,
в которых водород связан с электроотрицательным атомом (например, N, О, S, X). Связь, удерживающая водород, полярна, и относительно положительный водород может отщепляться в виде положительного иона; с другой точки зрения, электроотрицательный элемент может лучше удерживать оставшуюся пару электронов. На основании изменения электроотрицательности в ряду F>O>N>Chc удивительно, что HF довольно сильная кислота, Н2О сравнительно слабая, NH3 еще более слабая и СН4 настолько слабая, что ее обычно не считают кислотой.
В органической химии часто приходится иметь дело с кислотностью соединений, которые не окрашивают лакмуса в красный цвет или не имеют кислого вкуса и тем не менее имеют тенденцию^ хотя и слабую, отдавать ион водорода.
Углерод, связанный тройной связью, ведет себя как совершенно другой элемент — более электроотрицательный по сравнению с углеродом, связанным простой или двойной связью. В результате водород, связанный с атомом углерода тройной связи, как в ацетилене или любом другом алкине с тройной связью на конце цепи (R—С=С—Н), проявляет значительную кислотность. Например, натрий реагирует с ацетиленом с выделением газообразного водорода и образованием ацетиленида натрия
HCsC—Н + Na > HC=C:~Na+ + 2/2Н2 ацетиленид натрия
Насколько же сильной кислотой является ацетилен? Сравним его с двумя известными соединениями — аммиаком и водой.
Металлический натрий реагирует с аммиаком с образованием амида натрия NaNH2, представляющего собой соль слабой кислоты Н—NH2.
NH3 + Na ► Na+NH? + */sH2
амид натрия
При добавлении ацетилена к амиду натрия, растворенному в эфире, выделяется аммиак и образуется ацетиленид натрия
Н—С=С—Н + Na+NH^Н—NH2 + HC=C'Na+
более сильная более сильное более слабая более слабоекислота основаниекислота основание
Более слабая кислота (Н—МН2) вытесняется из ее соли более сильной кис - лотой (НС=С—Н). Другими словами, более сильное основание (NH2_) оттягивает ион водорода от более слабого основания (НС=О); если NH2 удерживает ион водорода сильнее, чем НС=С“, то Н—NH2 должен быть обязательно более слабой кислотой, чем НС=С—Н.
При добавлении воды к ацетилениду натрия образуется гидроокись натрия и ацетилен. Более слабая кислота (НС=С—Н) вытесняется из ее соли более сильной кислотой (Н—ОН).
Н—ОН + HC=C~Na+^T* НС=С—Н + Na+OH~ более сильная более сильное более слабая более слабое кислота основаниекислота основание
Таким образом, ацетилен — более сильная кислота, чем аммиак, но более слабая, чем вода.
Кислотность:Н2О > НС=СН > NH3
Такую же кислотность проявляют и другие алкины, имеющие водород у тройной связи.
Описанный только что метод сравнения кислотности ацетилена, аммиака и воды является общим методом и используется для определения
относительной кислотности ряда очень слабых кислот. Одно соединение будет более сильной кислотой, чем другое, если оно способно вытеснять это второе соединение из его соли.
А—Н + В_м+ > В—Н + А~М+
болееболее
сильнаяслабая
кислотакислота
Как Исе можно объяснить кислые свойства водорода у тройной связи? Как можно объяснить тот факт, что ацетилен — более сильная кислота, чем, например, этан? Возможное объяснение дает рассмотрение электронной конфигурации анионов.
Если ацетилен — более сильная кислота, чем этан, то ацетиленид-ион должен быть более слабым основанием, чем этил-ион С2Нб . В анионе ацетиленида свободная пара электронов занимает sp-орбиталь; в этил-ионе свободная пара занимает 5р3-орбиталь.
НС=С:Н ,^- Н+ + НС=С:-ацетилен, болееион ацетиле-
сильная кислотанида, более сла-
бое основание
СН3СН2:Н -< Н+ + СН3СН2:-
этан, болееэтил-ион,
слабая кислотаболее сильное
основание
Доступность этой пары электронов для обобществления с кислотой определяет кислотность аниона. sp-Орбиталь по сравнению с 5р3-орбиталью обладает менее р- и более s-характером (разд. 5.3). Электрон р-орбитали находится на определенном расстоянии от ядра и удерживается относительно слабо; электрон на s-орбитали, с другой стороны, находится ближе к ядру и удерживается прочнее. Ион ацетиленида — более слабое основание, поскольку его пара электронов удерживается более прочно на sp-орбитали.
Задача 8.4. Если добавлять гексин-1 к раствору «-пропилмагнийбромида, то выделяется газ. Его молекулярный вес, определенный по плотности пара, равен 44. При пропускании газа в водный раствор КМпО4 или в раствор Вг2 в СС14 никаких изменений не наблюдалось, а) Какой это газ? б) Напишите уравнение реакции для объяснения его образования, в) Как вы могли бы предсказать такую реакцию?
Образование ацетиленидов тяжелых металлов
Кислые ацетилены реагируют с некоторыми ионами тяжелых металлов, главным образом Ag+ и Сп+, давая нерастворимые ацетилениды. Например, образование осадка при добавлении алкина к раствору AgNO3 в спирте является качественной реакцией на водород у тройной связи. Эту реакцию можно использовать, чтобы отличить алкины с тройной связью на конце цепи от алкинов с тройной связью в ином положении.
Ag+Г HNO31
СН3СН2С=С—Н»- СН3СН2С=С—Ag [>- СН,СН2С=С—Н + Ag+]
бутин-1, алкин с трои-осадокбутин-1
ной связью на конце
цепи
Ag+
СН3—С==С—СН3 >- ие реагирует
бутин-2, алкин с трой-ной связью ие наконце цепи
При высушивании ацетилениды тяжелых металлов взрывают. Их следует разлагать нагреванием с азотной кислотой, пока они еще влажные; сильные минеральные кислоты вытесняют слабую кислоту — ацетилен.
Реакция ацетиленидов натрия с алкилгалогенидами. Сравнение реакций замещения и элиминирования
Ацетилениды натрия используются для синтеза высших алкинов, например :
HC=C:"Na+ + C2HB:X: ► НС=С—С2НВ + Na+:X:~
бутин-1
C2HBC=C:”Na+ + CH3:X: >■ С2НВ—С=С—СН3 + Na+:X:'
пентин-2
Ион ацетиленида атакует атом углерода, при этом происходит замещение иона галогена на ацетиленид-ион и образуется алкин
НС=СНС=СалкиналкинАтака по Су замещениеАтака по Су замещение
НС=С
НС=С
алкин
алкин
Атака по Су замещение
Атака по Су замещение
Поскольку ацетиленид натрия представляет собой соль очень слабой кислоты, ацетилена, ион ацетиленида является очень сильным основанием — фактически более сильным, чем ион гидроксила. При обсуждении синтеза алкенов из алкилгалогенидов (разд. 5.14) было показано, что основной ион гидроксила отщепляет ион водорода, т. е. вызывает элиминирование. И не удивительно, что еще более основной ион ацетиленида также дает продукт элиминирования.
Ион ацетиленида может реагировать с алкилгалогенидом по двум направлениям: атакуя углерод (реакция замещения) или атакуя водород (реакция элиминирования). Показано (разд. 5.15), что реакционная способность алкилгалогенидов в реакции элиминирования уменьшается в следующем порядке: третичный > вторичный > первичный. При замещении (обсуждаемого типа) порядок изменения реакционной способности (разд. 14.11) обратный: первичный > вторичный > третичный. Если замещение и элиминирование являются конкурирующими реакциями, то количество продуктов элиминирования возрастает при переходе от первичного алкилгалогенида ко вторичному и третичному. Многие третичные галогениды, которые быстрее вступают
н—С—с=он—С—с=оацетиленацетиленн ОНвиниловый спиртн ОНвиниловый спиртН НацетальдегидН Нацетальдегид
н—С—с=о
н—С—с=о
ацетилен
ацетилен
н ОНвиниловый спирт
н ОНвиниловый спирт
Н Нацетальдегид
Н Нацетальдегид
в реакцию элиминирования и медленнее в реакцию замещения, в данных условиях дают исключительно алкены.
Элиминирование возрастает
DY _;: Конкуренция элиминирования
RX - первичный, вторичный, третичный (Е 2) я замещения 2)
Замещение возрастает
Если атакующий реагент — сильное основание, такое, как гидроксил- или ацетиленид-ион, т. е. когда реагент имеет большую склонность к иону водорода, реакция элиминирования особенно важна. Практически, только первичные галогениды дают хорошие выходы продукта замещения алкина. Со вторичными и третичными галогенидами элиминирование преобладает настолько, что этот метод нельзя использовать для синтеза соответствующих замещенных алкинов. При изучении органической химии мы будем вновь и вновь возвращаться к конкурирующим реакциям замещения и элиминирования.
Гидратация алкинов. Таутомерия
Присоединение воды к ацетилену с образованием ацетальдегида*, который можно окислить в уксусную кислоту, представляет собой очень важный промышленный процесс.
На первый взгляд, исходя из строения ацетальдегида, можно предположить, что эта реакция протекает по иному механизму, чем другие, в которых две группы присоединяются к двум атомам углерода, связанным тройной связью. В действительности можно довольно просто объяснить образование ацетальдегида.
Н
Н2О, H2SO4, HgSO4
Н—С=С—Н Н—С=С—Н
Если гидратация ацетилена протекает так же, как и гидратация алкенов, то следует ожидать присоединения Н и ОН к тройной связи с образованием структуры, которую называют виниловым спиртом. Но все попытки получить виниловый спирт приводят, так же как и гидратация ацетилена, к образованию ацетальдегида.
Структура с НО-группой у двойной связи называется енолом (ен обозначает двойную углерод-углеродную связь, ол — ОН-группу спирта). Всегда, когда пытаются получить соединение с енольной структурой, получают соединение с кетонной структурой (соединение, содержащее группу С=О).
—С=С—ОН ~*~~ > —С—С=О Кето-енольная таутомерия
Н
енольнаяструктураенольнаяструктуракетонпаяструктуракетонпаяструктура
енольнаяструктура
енольнаяструктура
кетонпаяструктура
кетонпаяструктура
Существует равновесие между двумя структурами, но обычно оно очень сильно сдвинуто в сторону кетонной формы. Таким образом при гидратации ацетилена сначала образуется виниловый спирт, но он быстро превращается в равновесную смесь, которая в основном состоит из ацетальдегида.
—С=С—О—Нболее сильнаякислота—С=С—О—Нболее сильнаякислотаТакие кето-енольные перегруппировки протекают особенно легко вследствие полярности связи О—Н. Ион водорода легко отщепляется от кислорода, но при обратном присоединении ион водорода (более вероятно, другой ион) может присоединиться как к кислороду, так и к углероду. Если он присоединяется к кислороду, он может очень легко снова отщепиться; но если он присоединяется к углероду, то он там и остается. Эта реакция служит еще одним примером превращения более сильной кислоты в более слабую (разд. 8.10).
—С=С—О—Н
более сильнаякислота
—С=С—О—Н
более сильнаякислота
—С=С—О] + Н+ "— ? —С—С=О Кето-еиольиая таутомерия
более слабаякислота
Структурные изомеры, существующие в равновесии, называются таутомерами. К наиболее общему типу таутомерии относятся структуры, которые отличаются местом присоединения водорода. В этих случаях, как в кето- енольной таутомерии, таутомерное равновесие обычно благоприятствует существованию структуры, в которой водород связан с атомом углерода, а не с более электроотрицательным атомом, т. е. равновесие смещено в сторону более слабой кислоты. Факторы, влияющие на положение равновесия, обсуждаются в разд. 30.8.
Задача 8.5. Гидратация пропина приводит к кетону, ацетону СН3СОСН3, а не к альдегиду СН3СН2СНО. Что можно предположить о направлении первоначального присоединения?
ДИЕНЫ
Строение и номенклатура диенов
Диены — это алкены с двумя двойными углерод-углеродными связями. Поэтому они имеют такие же свойства, как и описанные выше алкены. Для некоторых диенов эти свойства отличны от свойств простых алкенов; именно таким отличиям будет уделено особое внимание, хотя в этом разделе в основном рассматриваются диены. Все сказанное в равной мере применимо к соединениям с большим числом двойных связей.
По системе IUPAC диены называются так же, как алкены, только используется окончание -диен с двумя цифрами для обозначения положения двух двойных связей. Эту систему легко распространить на соединения с любым числом двойных связей.
СН2= СН—СН=СН—СН=СН,гексатриен-1,3,5СН2= СН—СН=СН—СН=СН,гексатриен-1,3,5СН2=СН—СН=СН!сн2=сн—сн2—сн=сн5
СН2= СН—СН=СН—СН=СН,гексатриен-1,3,5
СН2= СН—СН=СН—СН=СН,гексатриен-1,3,5
бутадиен-1,3пентадиен-1,4
Диены делятся на два важных класса в зависимости от расположения двойных связей. Если двойные связи чередуются с простыми, то говорят, что они сопряжены; если двойные связи разделены более чем одной простой связью, то говорят, что они изолированы.
1111
—с=с—с=с—
сопряженные двойныесвязи
I I 1 I
—с=с—с—с=с-
изолированные двойныесвязи
Третий, менее важный класс диенов имеет кумулированные двойные связи; эти соединения известны под названием алленов.
I I
—С—С—С—Кумулированные двойные связи: аллеиы
Методы синтеза и свойства диенов
Диены обычно получают теми же методами, что и простые алкены. Например, наиболее важный диен, бутадиен-1,3 (используемый для получения синтетического каучука, разд. 8.22), получался в США при крекинге, а в Германии — дегидратацией спирта, содержащего две ОН-группы.
ГН ГМ ГН ГН ^гревание, К-.П3ЪГ12ЪП2ЪПз каталиэатОр «-бутанГН ГМ ГН ГН ^гревание, К-.П3ЪГ12ЪП2ЪПз каталиэатОр «-бутан-* СН3СН2СН=СН2 бутен-1-* СН3СН2СН=СН2 бутен-1СН3СН=СНСН3бутен-2СН3СН=СНСН3бутен-2нагревание, катализатор ।CHs=CH^CH=CHj бутадиен-1,3 нагревание, t катализаторнагревание, катализатор ।CHs=CH^CH=CHj бутадиен-1,3 нагревание, t катализатор
ГН ГМ ГН ГН ^гревание, К-.П3ЪГ12ЪП2ЪПз каталиэатОр «-бутан
ГН ГМ ГН ГН ^гревание, К-.П3ЪГ12ЪП2ЪПз каталиэатОр «-бутан
-* СН3СН2СН=СН2 бутен-1
-* СН3СН2СН=СН2 бутен-1
СН3СН=СНСН3бутен-2
СН3СН=СНСН3бутен-2
нагревание, катализатор ।
CHs=CH^CH=CHj бутадиен-1,3 нагревание, t катализатор
нагревание, катализатор ।
CHs=CH^CH=CHj бутадиен-1,3 нагревание, t катализатор
нагревание,
СН2СН2СН2СН2> сн2=сн—сн=сн2
А
| кислота
н он
бутадиен-1,3
Химические свойства диена зависят от расположения двойных связей. Изолированные двойные связи мало влияют друг на друга, т. е. каждая реагирует так, как если бы она была единственной двойной связью в молекуле. Различие с алкенами состоит в том, что требуется большее количество реагента; химические свойства несопряженных диенов идентичны свойствам простых алкенов.
Сопряженные диены отличаются от простых алкенов тем, что они: а) более устойчивы, б) вступают в реакцию 1,4-присоединения и в) более реакционноспособны.
синтез бутадиена-1,3 по методу С. В. Лебедева °C над катализатором MgO—ZnO.
СН2=СН—СН=СН2
Реакция включает следующие стадии: дегидрирование спирта до альдегида, альдольную конденсацию альдегида, восстановление альдоля до 6бутандиола-1,3 и, наконец, дегидратацию последнего
2С>Н6ОН ► 2СН3СНО + 2Н2
н2
2СН3СНО —> сн3—сн—сн2—сно —>Iон
—2Н2О
► СН3—СН—СН2—СН2 >- СН2=СН—СН=СН2,—Прим. ре».
ОН ОН
Устойчивость сопряженных диенов
Из данных табл. 6.1 (стр. 177) видно, что теплоты гидрирования алкенов одинакового строения почти одинаковы. Для монозамещенных алкенов (RCH=CH2) эти величины близки к 30 ккал/моль (125,60-103 Дж/моль), для дизамещенных алкенов (R2C=CH2 или RCH=CHR) 28 ккал/моль (117,23-103 Дж/моль), для тризамещенных алкенов (R2C=CHR) 27 ккал/моль (113,04-103 Дж/моль). Для соединений с большим числом двойных связей можно было ожидать, что теплота гидрирования будет суммой теплот гидрирования индивидуальных двойных связей.
Таблица 8.2
Теплоты гидрирования диенов
Дней
АН гидрирования, 1
ккал/моль1
(4,187-103 Дж/моль) ;
Диен
АН гидрирования, ккал/моль (4,187-103 Дж/моль)
Пентадиен-1,4
60,8
2-Метилбутадиен-1,3 (изо-
53,4
Гексадиен-1,5
60,5
прен)
бутадиен-1,3
57,1
2,3-Диметилбутадиен-1,3
53,9
Пентадиен-1,3
54,1
Пропадиен-1,2 (аллен)
71,3
Для несопряженных диенов эта аддитивность соблюдается. Как показано в табл. 8.2, пентадиен-1,4 и гексадиен-1,5 имеют теплоты гидрирования, очень близкие к величине 2 х 30 ккал, т. е. 60 ккал/моль (251,21 -103 Дж/моль).
Однако для сопряженных диенов измеренные величины немного-меньше, чем рассчитанные. Для бутадиена-1,3 следовало ожидать величины 2 х 30, или 60 ккал (251,21-10® Дж): найденное значение 57 ккал (238,65-103 Дж) на 3 ккал (12,56-103 Дж) меньше. Аналогично величины теплот гидрирования для пентадиен а-1,3 и 2,3-диметил бутадиен а-1,3 также на 2—4 ккал (8,37-103—16,75-103 Дж) меньше, чем рассчитанные.
Теплоты гидрирования, ккал (4,187-103 Дж)
СН2=СН—СН=СН2CHS—СН=СН—сн=сн2
рассчитано". 30 + 30 = 60рассчитано". 28 + 30 = 58
найдено". 57найдено". 54
СН3 СН3I IСН^С—с=сн2рассчитано". 28 + 28 = 56найдено". 54
О чем же свидетельствуют эти величины теплот гидрирования сопряженных диенов? Используя подход, рассмотренный в разд. 6.4, сравним пентадиен-1,3 [теплота гидрирования 54 ккал (226,09-103 Дж)] и пентадиен-1,4 [теплота гидрирования 61 ккал (255,39-103 Дж)]. Оба они поглощают по 2 моля водорода и превращаются в один и тот же продукт, н-пен- тан. Если при гидрировании пентадиена-1,3 выделяется меньше энергии, чем при гидрировании пентадиен а-1,4, то это может означать только то, что он содержит меньше энергии, т. е. сопряженный пентадиен-1,3 более устойчив, чем несопряженный пентадиен-1,4.
Хотя не существует диенов с изолированными двойными связями, которые можно было бы непосредственно сравнить с бутадиенами, тот факт, что они выделяют меньше энергии, чем можно было ожидать, позволяет предположить, что они также более устойчивы. На необычную устойчивость
спряженных диенов указывает и то, что в тех случаях, когда это возможно, они являются основными продуктами в реакциях элиминирования (разд. 5.15). Причины такой устойчивости обсуждаются в разд. 10.16.
Задача 8.6. Какие основные продукты образуются при дегидрогалогенировании 4-бром- гексена-1?
Задача 8.7. а) Рассчитайте теплоту гидрирования аллена СН2=С=СН2. б) Истинная величина составляет 71 ккал (297,26-103 Дж). Что вы можете сказать об устойчивости кумулированного диена?
Электрофильное присоединение к сопряженным диенам. 1,4-Присоединение
Если пентадиен-1,4 реагирует с бромом в условиях (каких?), благоприятствующих образованию дигалогенида, то образуется ожидаемый продукт 4,5-дибромпентен-1. Присоединение большего количества брома приводит к 1,2,4,5-тетрабромпентану. Такое поведение характерно для диенов с изолированными двойными связями: двойные связи реагируют независимо, т. е. так, как если бы они находились в разных молекулах.
Вг2Вг2
сн2=сн—сн2—сн=сн2 —> СН2—СН—СН2—сн=сн2 >
Вг Вг
Вг2
> СН2—СН—СН2—СН—сн2IIII
Вг ВгВг Вг
При реакции бутадиена-1,3 с бромом в тех же условиях образуется не только предполагаемый 3,4-дибромбутен-1, но также и 1,4-дибромбу тен-2. При действии НО выделен не только З-хлорбутен-1, но также и 1-хлор бутен-2. Гидрирование приводит как к бутену-1, так и к бутену-2.
Вг2
—> СН2—СН—СН=СН2 -ь сн2—сн=сн—сн2 IIII
Вг ВгВгВг
1,2-присоединение 1,4-присоединение на
СН2=СН—СН=СН2>- СН2—СН—СН=СН2 4- сн2—сн=сн—сн2
бутадиен-1,3H ClНС1
1,2-присоединение1,4-присоединение
н2,
—>- СН2—СН—сн=сн2 + сн2—сн=сн—сн2 катали- ।।।i
затор ННнн
1,2-присоединение 1,4-присоединение
Исследование взаимодействия многих сопряженных диенов с многочисленными реагентами показало, что такое поведение характерно для сопряженных диенов: в случае сопряженных диенов реагент может присоединяться не только к соседним углеродным атомам (1,2-присоединение), но также
и к двум концам сопряженной системы (1,4-присоединение). Очень часто образуется в основном продукт 1,4-присоединения.
1,2-присоединение1,2-присоединение1,4-присоедннение1,4-присоедннение
1,2-присоединение
1,2-присоединение
1,4-присоедннение
1,4-присоедннение
Как же можно объяснить образование таких продуктов? В разд. 6.10 и 6.11 было показано, что электрофильное присоединение представляет собой двухстадийный процесс и первая стадия протекает в направлении образования наиболее устойчивого карбониевого иона. Применим этот же принцип и для случая присоединения, например, НС1 к гексадиену-2,4, которое приводит к 4-хлоргексену-2 и 2-хлоргексену-З
на
СН3—СН=СН—СН=СН—СН3>-
гексадиен 2,4
НС1
#- СН3СН—сн—сн=сн—сн3 + СН3СН—СН=СН—CH—CHSIIII
Н С1НС1
4-хлоргексеи-22-хлоргексен-З
Образование этих продуктов показывает, что водород присоединяется к С-2 с образованием карбониевого иона I, а не к С-3 с образованием карбониевого иона II
СНз-СН=СН-СН=СН-СНз + н+ СНз-СН=СН-СН=СН-СНз + н+ сн3—<:н—снсн=сн—сн3 нсн3—<:н—снсн=сн—сн3 н
СНз-СН=СН-СН=СН-СНз + н+
СНз-СН=СН-СН=СН-СНз + н+
сн3—<:н—снсн=сн—сн3 н
сн3—<:н—снсн=сн—сн3 н
^ СН3-СН-СН-СН=СН-СН*н
Как же можно объяснить то, что один из ионов предпочтительнее, хотя они оба являются вторичными? Ион I представляет собой не просто вторичный карбониевый ион: это аллильный карбониевый ион, поскольку атом углерода, несущий положительный заряд, связан с атомом углерода двойной связи. Энергии диссоциации связей (разд. 6.21) показывают, что аллильные радикалы необычайно устойчивы. Потенциал ионизации [188 ккал (787,07-103 Дж)] аллильного радикала позволяет вычислить, что аллильный карбониевый ион также необычайно устойчив: на 67 ккал (280,52-103 Дж) устойчивее метильного карбониевого иона и почти так же устойчив, как третичный бутильный карбониевый ион. Теперь можно расширить ряд, приведенный в разд. 5.19.
Устойчивость карбониевых иоиов: аллильный, третичный > вторичный > первичный> СН,
Строение соединений, получаемых при присоединении к сопряженным диенам, подтверждает промежуточное образование аллильного карбоние-
вого иона, т. е. на первой стадии должно происходить присоединение к одному из концов сопряженной системы.
Присоединение к концу Сопряженной системыПрисоединение к концу Сопряженной системыаллильный карбониевый ионаллильный карбониевый ион
Присоединение к концу Сопряженной системы
Присоединение к концу Сопряженной системы
аллильный карбониевый ион
аллильный карбониевый ион
Как же на второй стадии присоединения к гексадиену-2,4 происходит образование и 1,2- и 1,4-продуктов? Если рассмотреть более подробно аллильный карбониевый ион (I), то видно, что его можно написать в виде структуры III.
[СН,—сн—сн—сн=сн—сн,нI[СН,—сн—сн—сн=сн—сн,нICHS—СН—СН=СН—СН—СН,|IIICHS—СН—СН=СН—СН—СН,|III
[СН,—сн—сн—сн=сн—сн,
н
I
[СН,—сн—сн—сн=сн—сн,
н
I
CHS—СН—СН=СН—СН—СН,|
III
CHS—СН—СН=СН—СН—СН,|
III
эквиваленты
CHS—СН—СН—СН^СН—сн3н ■ 7’
IV
Ион III отличается от иона I положением двойной связи и положительного заряда. Не останавливаясь на подробностях, можно сказать, что в любом случае, когда можно написать две структуры, отличающиеся только положением электронов, как в этом случае, ни одна из структур не адекватна рассматриваемой молекуле (резонанс, гл. 10). В настоящий момент примем,
сн3—сн—сн—сн—сн—сн3> сн3—сн—сн—сн=сн—сн3 *
Н*Н С1
,vпродукт /,2- присоединения
+ сн3-сн-сн=сн-сн-сн3на
продукт i,4 - присоединения
что положительный заряд не локализован на каком-то определенном атоме, а распределен между обоими (IV). Отрицательный ион хлора может присоединиться к любому из этих атомов углерода, и в результате образуются продукты 1,2- и 1,4-присоединения.
Пока не выяснена причина, почему происходит 1,4-присоединение; показано только, что оно может происходить.
присоединение к концусопряженной системыприсоединение к концусопряженной системыКир^ние^ый и н ■^'"^^со единение 1,4 - присоединениеКир^ние^ый и н ■^'"^^со единение 1,4 - присоединение
присоединение к концу
сопряженной системы
присоединение к концу
сопряженной системы
Кир^ние^ый и н ■^'"^^со единение 1,4 - присоединение
Кир^ние^ый и н ■^'"^^со единение 1,4 - присоединение
Задача 8.8. Объясните, почему 2-метилбутадиен-1,3 реагирует а) с НС1 с образованием только З-хлор-З-метилбутена-1 и 1-хлор-3-метилбутена-2 и б) с бромом с образованием только 3,4-дибром-3-метилбутена-1 и 1,4-дибром-2-метилбутена-2.
1,2- и 1,4-Присоединение. Скорость и равновесие
Очень важная проблема возникает при количеств образующихся продуктов 1,2- и
СН2=СН—СН=СН2
НВг
рассмотрении относительных 1,4-присоединения.рассмотрении относительных 1,4-присоединения.40 °C40 °C, 80% СН2—СН—СН=СН2, 80% СН2—СН—СН=СН220% СН2—СН—СН=СН220% СН2—СН—СН=СН2Н ВгН Вг40 °C40 °CН ВгН Вг20% СН2—СН=СН—СН220% СН2—СН=СН—СН280% СН2—СН=СН—СН280% СН2—СН=СН—СН2ННВгВгННВгВг—80 °C
рассмотрении относительных 1,4-присоединения.
рассмотрении относительных 1,4-присоединения.
40 °C
40 °C
, 80% СН2—СН—СН=СН2
, 80% СН2—СН—СН=СН2
20% СН2—СН—СН=СН2
20% СН2—СН—СН=СН2
Н Вг
Н Вг
40 °C
40 °C
Н Вг
Н Вг
20% СН2—СН=СН—СН2
20% СН2—СН=СН—СН2
80% СН2—СН=СН—СН2
80% СН2—СН=СН—СН2
Н
Н
Вг
Вг
Н
Н
Вг
Вг
Присоединение НВг к бутадиену-1,3 дает оба продукта: как 1,2-, так и 1,4-присоединения. Соотношение этих соединений в значительной мере зависит от температуры проведения реакции: при низкой температуре (—80 °C) образуется смесь, содержащая 20% продукта 1,4-присоединения и 80% продукта 1,2-присоединения, а при более высокой температуре (40 °C) получается смесь совершенно иного состава — 80% 1,4- и 20% 1,2- продукта. При промежуточных температурах образуются смеси промежуточного состава. Хотя каждый изомер совершенно устойчив при низкой температуре, продолжительное нагревание любого из продуктов 1,2- или 1,4- присоединения дает такую же смесь. Как же можно объяснить эти наблюдения?
Поскольку любое соединение превращается в одну и ту же смесь при нагревании, следовательно, эта смесь является равновесной смесью двух соединений, а преобладание продукта 1,4-присоединения в равновесной смеси указывает на его большую устойчивость.
При —80 °C образуется больше продукта 1,2-присоединения, чем продукта 1,4-присоединения, и это свидетельствует о том, что первый образуется быстрее; поскольку при —80 СС сба соединения не изменяются, соотношение, в котором их выделяют, показывает соотношение, в котором они первоначально образуются. Если поднимать температуру реакции, то соотношение первоначально образующихся продуктов может оставаться тем же, но превращение первоначально образовавшихся продуктов в равновесную смесь будет происходить быстрее.
Количества веществ, выделяемых после низкотемпературного присоединения, определяются скоростями присоединения, тогда как продукты высокотемпературного присоединения определяются равновесием между двумя изомерами.
Рассмотрим 1,2- и 1,4-присоединение более подробно. На рис. 8.6 изображена кривая потенциальной энергии этих реакций. Первоначально образовавшийся карбониевый ион дает продукт 1,2-присоединения быстрее, чем продукт 1,4-присоединения; следовательно, энергия активации первой
реакции должна быть меньше энергии активации второй. Это представлено более низким энергетическим барьером между ионом и продуктом 1,2-присоединения. Большее число столкновений имеет достаточную энергию для преодоления низкого, а не высокого барьера, так что продукт 1,2-присоединения образуется быстрее, чем продукт 1,4-присоединения. Однако 1,4-продукт более устойчив, чем 1,2-продукт, и, следовательно, его потенциальная энергия должна быть меньше потенциальной энергии 1,2-продукта.
В разд. 14.12 будет показано, что алкилгалогениды, и особенно аллил- галогениды, могут подвергаться ионизации. В данном случае ионизация
Рис. 8.6. Изменение потенциальной энергии в реакциях 1,2- и 1,4-присоедииения.Рис. 8.6. Изменение потенциальной энергии в реакциях 1,2- и 1,4-присоедииения.
Рис. 8.6. Изменение потенциальной энергии в реакциях 1,2- и 1,4-присоедииения.
Рис. 8.6. Изменение потенциальной энергии в реакциях 1,2- и 1,4-присоедииения.
любого из бромпроизводных приводит к одному и тему же карбониевому иону; наиболее вероятно, что промежуточным ссединением при установлении равновесия между продуктами 1,2- и 1,4-приссединения является этот ион.
+
СН2—СН—СН=СН2 *^71,2СН2—СН—СН=СН2 *^71,2СН2—СН^СН^СН2 -Ч^ СН2—СН=СН—СН,
СН2—СН—СН=СН2 *^7
1,2
СН2—СН—СН=СН2 *^7
1,2
АА А,
+ Вг-1,4
СН2=СН—СН=СН2
+ НВг
Ионизация бромидов заключается в переходе через энергетический барьер обратно к карбониевому иону. Но барьер, разделяющий ион и 1,4- продукт, больше, чем барьер между ионом и 1,2-продуктом; следовательно, 1,4-продукт будет ионизоваться медленнее, чем 1,2-продукт. Равновесие достигается, когда скорости прямой и обратной реакций становятся одинаковыми. Продукт 1,2-приссединения образуется быстро, но и ионизует быстро. Продукт 1,4-присоединения образуется медленно, но ионизует еще медленнее; образовавшийся 1,4-лродукт имеет тенденцию сохраняться. При температурах, достаточно высоких для достижения равновесия, т. е. доста-
точно высоких для быстрой ионизации, преобладает более устойчивый 1,4-продукт.
Мы не пытались объяснить то, что 1,2-присоединение протекает быстрее, чем 1,4-присоединение, или то, что 1,4-продукт устойчивее, чем 1,2-продукт (хотя указывалось, что это находится в соответствии с большей устойчивостью дизамещенных алкенов по сравнению с монозамещенными). Мы приняли эти факты и попытались показать, что они обозначают с точки зрения энергетических факторов. Аналогичные взаимоотношения наблюдались и для других диенов и реагентов.
Эти факты иллюстрируют два важных положения. Во-первых, следует быть осторожными при интерпретации состава продуктов реакции с точки зрения скоростей реакции; необходимо быть уверенным, что первоначально образовавшееся соединение не превращается в другое соединение. Во-вторых, наиболее устойчивый изомер не обязательно образуется быстрее. На основании многих данных сделан вывод, что, как правило, чем устойчивее карбониевый ион или свободный радикал, тем быстрее он образуется; рассмотрение переходных состояний для различных реакций показало логичность этого вывода (разд. 4.28, 5.20 и 6.11). Однако этот принцип нельзя распространять на другие реакции, если нет доказательств.
Задача 8.9. Присоединение 1 моля брома к гексатриену-1,3,5 приводит только к 5,6-ди- бромгексадиеиу-1,3 и 1,6-дибромгексадиеиу-1,3. а) Соответствуют ли эти продукты образованию наиболее устойчивого карбоииевого иоиа? б) Какой другой продукт или другие продукты будут также образовываться? в) Какие факторы в действительности контролируют направление реакции: скорость или положение равновесия?
Свободнорадикальное присоединение к сопряженным диенам: направление присоединения
Как и другие алкены, сопряженные диены присоединяют не только элект ' рофильные реагенты, но.также и свободные радикалы. Для свободнорадикаль* ного присоединения к сопряженным диенам характерны две особенности: они присоединяют в 1,4-положение так же, как и в 1,2-положение, и они значительно более реакционноспособны, чем обычные алкены. Можно объяснить обе особенности — направление присоединения и реакционную способность, изучив структуру промежуточного свободного радикала.
Рассмотрим в качестве примера присоединение ВгСС13 к бутадиену-1,3 в присутствии перекиси. Как было показано (разд. 6.18), перекись разлагается [стадия (1)1 с образованием свободного радикала, который отщепляет бром от ВгСС13 [стадия (2)1, давая радикал -CClg:
Перекись *- R. (радикал)
R. + ВгССЦ * R—Вт -р -СС13
Образовавшийся таким образом радикал присоединяется к бутадиену [стадия (3)1. Присоединение к одному из концов сопряженной системы предпочтительно, поскольку в этом случае образуется аллильный радикал, который, как известно, очень устойчив (разд. 6.21). Свободный аллильный радикал (как и аллильный карбониевый ион) можно представить двумя структурами, которые различаются только расположением электронов,
т. е. радикал имеет какое-то промежуточное строение и неспаренный электрон распределен между двумя атомами углерода (см. резонанс, гл. 10).
(3)(3)/•СС134сн2=сн—сн=сн2 —>1234присоединение к концу сопряженное системы/•СС134сн2=сн—сн=сн2 —>1234присоединение к концу сопряженное системыС13С—СН2-СН-СН=СН2" а.сснгснсн-сн,С13С—СН2-СН-СН=СН2" а.сснгснсн-сн,эквивалентныэквивалентны
(3)
(3)
/•СС13
4
сн2=сн—сн=сн2 —>
1234
присоединение к концу сопряженное системы
/•СС13
4
сн2=сн—сн=сн2 —>
1234
присоединение к концу сопряженное системы
С13С—СН2-СН-СН=СН2" а.сснгснсн-сн,
С13С—СН2-СН-СН=СН2" а.сснгснсн-сн,
эквивалентны
эквивалентны
свободный аллильный радикалсвободный аллильный радикалВгпродукт 1,2-присоединенияВгпродукт 1,2-присоединения
свободный аллильный радикал
свободный аллильный радикал
Вгпродукт 1,2-присоединения
Вгпродукт 1,2-присоединения
С13ССН2СН^СН^СН2
Свободный аллильныйрадикал
Затем свободный аллильный радикал отщепляет бром от молекулы ВгСС13 (стадия (4)1, при этом образуется новый радикал -СС13, который продолжает цепь. На стадии (4) бром может присоединиться как к С-2, так и к С-4 с образованием продукта 1,2- или 1,4-присоединения
BrCCls
(4)(4)С18С—СН2—СН—СН—СН2С18С—СН2—СН—СН—СН2> ci3c—сн2—сн—сн=сн2
(4)
(4)
С18С—СН2—СН—СН—СН2
С18С—СН2—СН—СН—СН2
С13С—СН2—СН=СН—СН2—Вгпродукт 1,4-присоединения
Задача "8.10. При реакции октеиа-1 с N-бромсукцииимидом (разд. 6.20) получают ие только З-бромоктен-1, но также и 1-бромоктен-2. Как можно объяснить этот факт?
Задача 8.11. Пропилен СН3СН=МСН2, меченный 14С (радиоактивный изотоп), превращают в бромистый аллил в результате свободнорадикального бромирования (разд. 6.20).
Что можно сказать о положении меченого атома (МС) в полученном веществе?
Свободнорадикальное присоединение к сопряженным диенам: реакционная способность
Если ВгСС13 реагирует со смесью бутадиена-1,3 и простого алкена, например октена-1 (соотношение непредельных соединений 50 : 50), то присоединение идет исключительно к бутадиену-1,3. Очевидно, радикал •СС18 присоединяется к сопряженному диену значительно быстрее, чем к простому алкену. Аналогичные результаты наблюдались для многих реакций радикального присоединения.
Как же можно объяснить необычную реакционную способность сопряженных диенов? При обсуждении галогенирования простых алкенов (разд. 4.29) было показано, что не только направление присоединения, но и относительная реакционная способность связаны с устойчивостью свободного радикала, образующегося на первой стадии. Основываясь только на этом факте, можно ожидать, что присоединение к сопряженному диену, которое приводит к устойчивому аллильному свободному радикалу, будет происходить быстрее, чем присоединение к простому алкену.
С другой стороны, показано (разд. 8.16), что сопряженные диены более устойчивы, чем простые алкены. Только на этом основании можно было ожидать, что присоединение к сопряженным диенам будет протекать медленнее, чем к простым алкенам.
Относительные скорости двух реакций зависят главным образом от энергий активации Еакт. Стабилизация возникающего свободного аллильного радикала понижает энергетический уровень переходного состояния, а стабилизация диена понижает энергию исходных веществ. Будет ли суммарная энергия активации Еакт больше или меньше, чем для присоединения к простому алкену, зависит от того, какой из них стабилизован в большей степени (рис. 8.7).
Рис. 8.7. Строение молекулы и скорость реакции.
Переходное состояние, образующееся при реакции днена, стабилизовано в большей степени, чем сам диен: ^акт понижается.
В действительности сопряженные диены более реакционноспособны, чем простые алкены. В данном случае, как и в большинстве случаев для алкенов и свободных радикалов или для алкенов и карбониевых ионов, факторы, стабилизующие переходное состояние, важнее, чем факторы, стаби лизующие исходные вещества. Однако это не всегда так.
ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ
Свободнорадикальная полимеризация алкенов
Одной из наиболее важных реакций алкенов и сопряженных диенов является реакция полимеризации.
При нагревании этилена под давлением с кислородом образуется соединение с большим молекулярным весом (около 20 000), которое по существу является алканом с очень длинной цепью. Это соединение состоит из многих единиц этилена и поэтому называется полиэтиленом (поли = много). Он известен большинству из нас как материал, из которого делают пленку для упаковки.
нагревание,яСН2=СН2 ^l_^^L^. ^СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-
или (-СН2СН2-)П
полизтилеп
Образование полиэтилена представляет собой простой пример процесса, называемого полимеризацией: соединения большого числа маленьких молекул с образованием очень большой молекулы. Соединение, состоящее из
этих очень больших молекул, называется полимером (от греческого poly + + meros — много частей). Простые соединения, из которых образуются полимеры, называются мономерами (моно = один).
Определенный тип полимеризации, например этилена, при котором большое число молекул мономера просто присоединяются друг к другу, называется полимеризацией. (Ниже, в разд. 29.5, будет рассмотрена поликонденсация, при которой молекулы мономера соединяются с потерей некоторых простых молекул, обычно воды.) Полимеризация — одна из наиболее важных реакций алкенов и сопряженных диенов, а также соединений всех типов, содержащих двойные углерод-углеродные связи.
Полимеризация замещенных этиленов приводит к соединениям, содержащим длинную цепь полиэтилена с заместителями, присоединенными через более или менее регулярные интервалы. Например, хлористый винил образует поливинилхлорид, используемый для производства пластинок, пластмассовых труб; поливинилхлорид, пластифицированный высококипя- щими эфирами, применяют для изготовления плащей, занавесей, покрытий лля металлов и обивочных материалов.
вСН2=СН -^-У -сн2-сн™сн2-сн-сн2-сн-аа а а
хлористыйвинилили (—СН2—СН—)п
С1
поливинилхлорид
К атомам углерода двойной связи могут быть присоединены самые различные группы (например, —СООСН3, —CN, —С6Н5). Такие замещенные этилены полимеризуются более или менее легко, в результате чего образуются пластические массы с самыми различными физическими свойствами и применением, но процесс полимеризации и строение полимера в основном такие же, как для этилена или хлористого винила.
Для полимеризации необходимо присутствие небольшого количества инициатора. Наиболее часто в качестве инициаторов используют перекиси, т. е. те же соединения, которые вызывают свободнорадикальное присоединение к алкенам (разд. 6.17). Предполагают, что и в этом случае перекись разрушается с образованием свободного радикала. Этот радикал присоединяется к молекуле алкена, при этом образуется другой свободный радикал, который присоединяется к следующей молекуле алкена, и т. д. Цепь может оборваться в результате, например, соединения двух радикалов, когда радикалы исчезают и не регенерируются.
Перекись ► R. (радикал)Перекись ► R. (радикал)R. + СН2=СН >- RCH2—СН-R. + СН2=СН >- RCH2—СН-Стадия инициирования цепиСтадия инициирования цепи
Перекись ► R. (радикал)
Перекись ► R. (радикал)
R. + СН2=СН >- RCH2—СН-
R. + СН2=СН >- RCH2—СН-
Стадия инициирования цепи
Стадия инициирования цепи
RCH2—СН- + СН2=СН > RCH2—СН—СН2—СН- — > и т. д. Стадия роста цепи
IIII
RRRR
Поскольку даже следы некоторых примесей действуют как ингибиторы или как агенты передачи цепи (прерывающие одну цепь, чтобы начать другую), и, следовательно, сильно влияют на процесс полимеризации, то ис-
пользуют чистые мономеры. Мономеры — одни из наиболее чистых орга нических соединений, производимых в промышленном масштабе.
Задача 8.12. Напишите структуру мономера, из которого наиболее вероятие получен каждый из следующих полимеров:
орлон (волокно, ткани)
•~CH2CH(CN)CH2CH(CN)-
сараи (упаковочная пленка, покрытия)
•~ch2cci2ch2cci2~
тефлон (химически устойчивый материал)
-CF2CF2CF2CF2-
Задача 8.13. Можете ли вы объяснить, почему полимеризация происходит таким путем, что образуется полимер с регулярно чередующимися группами («голова к хвосту*)?
Свободнорадикальная полимеризация диенов. Натуральный каучук и его заменители
Сопряженные диены, подобно замещенным этиленам, вступают в реакцию свободнорадикальной полимеризации. Например, из бутадиена-1,3
СН2=СН-СН=СН, ► {—СН2—СН=СН—СН,—]„бутадиен-1,3полибутадиен
получен полимер, строение которого указывает на предпочтительность 1,4-присоединения.
К«^->сн2=сн-сн=снГ^сн2=сн-сн=сн2 сн2=сн-сн=сн2 бутпабиен-1,3
R—сн2—сн=сн—сн2—cHz—сн=сн—сн2—сн2—сн=сн—сн2~-
Такой полимер отличается от полимеров, полученных из простых алкенов, тем, что каждое его звено еще содержит одну двойную связь.
Строение натурального каучука очень похоже на строение таких синтетических полидиенов. Натуральный каучук представляет собой полимер сопряженного диена, 2-метилбутадиена-1,3, изопрена.
СН,Г СН8"1
СН2=С—СН=СН,.—СН,—с=сн—сна— ]„
изопрен^ис-полиизопрен,
натуральный каучук
Двойные связи в молекуле каучука играют большую роль, поскольку они обусловливают реакционную способность водорода в аллильном положении; наличие таких атомов водорода позволяет проводить вулканизацию — процесс, состоящий в образовании сульфидных мостиков между
различными цепями. Эти поперечные связи придают каучуку эластичность и прочность и избавляют его от липкости, которой обладает натуральный каучук.
СНзСНз
-~СНг—С=СН—СН2—CHz С-СН CHz~' или’паптлизатпор
«~CHz-C=CH-CH2-CH2-C=CH-CHz™
СНзСН3
натуральный каучукСНз
—CH—С=СН—СН2—СН—С=СН—CHz-~
> sL-S1
~-СН-С=СН-СН2-СН2-С=СН-СН-
СНзСНз
вулканизованный каучук
Изучение полимеризации диенов для получения заменителей каучука, предшествовало созданию современного колоссального промышленного про- изводства пластических масс. Полихлоропрен (неопрен, дупрен) был первым промышленным синтетическим каучуком в США.
CIГ Cl1
CH2=i—сн=сн2[—сн,—с=сн—сн3— ]„
хлоропренполихлоропрен
Свойства заменителей каучука, так же как и свойства других полимеров, определяются в какой-то мере природой заместителей. Полихлоропрен, например, по некоторым свойствам хуже природного каучука, но устойчивее его к нефти, газолину и другим органическим растворителям.
Полимеры изопрена можно получить искусственным путем: они имеют ту же самую непредельную цепь и те же заместители (СН3-группу), что и натуральный каучук. Но полиизопрен, полученный в результате свободнорадикальной полимеризации, о которой уже говорилось выше, совсем не похож на натуральный каучук по пространственному строению; натуральный каучук имеет ^нс-конфигурацию (почти) всех двойных связей, а синтетический каучук представляет смесь цис- и транс-изомеров. Синтетический каучук, полностью сходный с натуральным по своему пространственному строению, не удалось получить вплоть до 1955 г., поскольку для его получения потребовался совершенно новый тип катализатора, который обусловливает и совершенно иной механизм полимеризации (разд. 8.24).
Сополимеризация
Дальнейшее изменение свойств полимера достигается в результате процесса сополимеризации — процесса, при котором полимеризуют вместе два. (или более) ненасыщенных соединения. Образующийся полимер содержит звенья обоих типов, распределение которых может меняться от полностью, беспорядочного до регулярного чередования вдоль цепи.
Наиболее важным сополимером является сополимер бутадиена и стирола (СвН5СН=СН2). Этот сополимер, обычно состоящий из примерно трех частей бутадиена и одной части стирола, известен под названием бутадиенстирольного каучука, и во время второй мировой войны это был наиболее
важный синтетический каучук, производившийся для замены недоступного натурального каучука. С тех пор производство синтетического каучука продолжало расширяться в основном из-за все возрастающей потребности в нем промышленности.
СН2=СН-СН=СН2 + СН2=СН—СН=СН2 + СН2=СН + СНг=СН-СН=СН2бутадиен-1,3СеНс
стирол инициатор
-CH2-CH=CH-CH2-CH2-CH==CH-CH2-CHz-CH-CH2-CH=CH-CH2—С6Н$бутадиенстиропъный каучук
Ионная полимеризация
До сих пор обсуждался только один тип полимеризации, протекающей через свободные радикалы. Однако использование других инициаторов или катализаторов позволяет провести полимеризацию через стадию образования промежуточных ионов: положительных ионов (катионная полимеризация), если в качестве катализатора используется кислота, или отрицательных ионов (анионная полимеризация), когда катализатором служит основание.
Катионная полимеризация
Y^CH^CH —* У:СН2-СНкислота II
GG
карбониевый ион
Y: СН2—О^СН^СН —> Y:CH2-CH-CH2-CH —* и т.6.
G GG G
Анионная полимеризация
ЛК
Z: СН2 -СН —> Z:CH2—СН: основание II
GG
карбанион
До 1953 г. почти все процессы полимеризации, имевшие промышленное значение, были свободнорадикального типа. Исключение составляла только полимеризация изобутилена, которая протекала в присутствии кислоты (катионная) и небольшого количества изопрена и приводила к бутилкаучуку, используемому для изготовления шлангов для автомобилей. Этот процесс можно рассматривать как расширение обсуждавшейся в разд. 6.15 димеризации
СНз СНз СН3СН3 СН3 СН3
^ХIIII
Н+ СН2=С СН^С СН2=С > СНз~С-СН2-С-СН2-С-
СН3 СНз СНзСНз СНз СНз
Однако с 1953 г. использование ионной полимеризации возросло до таких размеров, что произвело революцию в области полимеризации. Карл Циглер (Институт Макса Планка по исследованиям угля) и Джулио Натта (Политехнический институт в Милане), которые в 1963 г. за эту работу совместно получили Нобелевскую премию, предложили катализаторы, позволяющие контролировать процесс полимеризации в такой степени, которая была невозможна ранее. В состав этих катализаторов входят комплекс триэтилалю"миния с хлоридом титана и тщательно раздробленный металлический литий. По-видимому, реакция заключается во внедрении молекул алкена в связь между металлом и растущей алкильной группой. Например, при образовании полиэтилена
и та. а.и та. а.М-гСН2СН3 —► М . СН2СН2СН2СН3 —> M^CH^HjCHjCHjCHjCHj —»-
и та. а.
и та. а.
^сн2=сн2 ^сн2=сн2 ^-сн2=сн2
В связи с использованием катализаторов Циглера — Натта рассмотрим только два аспекта. Во-первых, существует проблема разветвления цепи. Полиэтилен, получаемый в результате свободнорадикального процесса, сильно разветвлен. При высокой температуре, необходимой для этого процесса, растущие свободные радикалы присоединяются не только по двойной связи мономерной молекулы, но также и отщепляют водород от уже образовавшейся цепи
н
-СН2СНСН2СН2^> к:н +-СН2СПСН2СН2^1=™-»
СН2
сн2
—СН2СНСН2СН2— * U та. а.
В,результате такого отщепления образуется свободнорадикальный центр, к которому может присоединиться молекула этилена, положив начало новому ответвлению. Эти сильно разветвленные молекулы полиэтилена слабо удерживаются вместе и находятся в беспорядочном состоянии; говорят, что соединение имеет низкую степень кристалличности. Температура плавления такого полиэтилена низка, и он обладает плохими механическими свойствами.
Полиэтилен, полученный в мягких условиях (не в результате свободнорадикальной полимеризации), содержит неразветвленные цепи. Он обладает высокой степенью кристалличности, имеет высокую температуру плавления и хорошие механические свойства.
Во-вторых, при использовании катализаторов Циглера — Натта можно осуществлять стереохимический контроль над процессом ионной полимеризации. Например, из пропилена можно получить любой из трех полимеров (рис. 8.8): изотактический, в котором все метильные группы расположены по одну сторону от цепи, синдиотактический, в котором метильные группы попеременно расположены то по одну, то по другую сторону цепи, и атактический, в котором метильные группы расположены беспорядочно по одну и по другую сторону от цепи.
При использовании катализатора, нанесенного на кристаллическое вещество, можно получить изотактический полимер. Катализатор, нанесенный на аморфное вещество, дает атактический полимер. Изотактический полипропилен представляет собой сильно кристалличное высокоплавящееся вещество, из которого делают прочные волокна, а атактический полипропилен — мягкий эластичный каучукообразный материал.
Катализатор Циглера — Натта позволил заполимеризовать изопрен в вещество, фактически идентичное натуральному каучуку, — в цис-поли- изопрен-1,4. Этот процесс, так же как и образование изотактического поли-
ааввРис. 8.8. Полипропилен.а — изотактический; б — синдиотактический; в — атактический.Рис. 8.8. Полипропилен.а — изотактический; б — синдиотактический; в — атактический.
а
а
в
в
Рис. 8.8. Полипропилен.
а — изотактический; б — синдиотактический; в — атактический.
Рис. 8.8. Полипропилен.
а — изотактический; б — синдиотактический; в — атактический.
пропилена, представляет собой пример стереоселективного синтеза (разд. 8.9).
снзх ^нсн3 н
/^^ сн2 СН2 xcvZ ,СН2 CH2Z XC=CZ Хсн/ CH2
Сн/ XHнатуральный каучукПолностью цис-конфигурация)
Полимеризацию этилена по Циглеру — Натта можно видоизменить для получения молекул только среднего размера (С6—С20) и с определенными функциональными группами. Если, например, металлалкилы нагревать в присутствии этилена и никелевого катализатора, то образуется полимер, в котором углеводородные остатки образуют прямую цепь с четным числом атомов углерода с двойной связью на конце (алфены).
М—(СН2СН2)ПСН2СН3М—(СН2СН2)ПСН2СН3СН3=СН2, Ni
М—(СН2СН2)ПСН2СН3
М—(СН2СН2)ПСН2СН3
> СН2=СН—(CHjCH^n-iCHjCHg
нагревание
алфены (а-алкены)
Большие количества таких С^—Cg0 алкенов используются в производстве детергентов. (Видоизмененный процесс, описанный в разд. 15.6, приводит к алфпл-спиртам.)
«Химик, собирающийся построить гигантскую молекулу, находится в таком же положении, как и архитектор, проектирующий здание. В его распоряжении имеется ряд строительных блоков определенных форм и размеров, и он должен соединить их вместе в структуру, которая будет служить определенной цели... Химия полимеров в настоящее время становится все более привлекательной областью исследований; в последние несколько лет открыты новые пути соединения блоков вместе — открытия, которые сулят получение большого количества материалов, прежде никогда не существовавших на Земле» (Дж. Натта, Scientific American, Sept. 1957, стр. 98).
Изопрен и изопреновое правило
Изопреновое звено — один из наиболее распространенных в природе блоков. Одо встречается не только в каучуке, но и в большом числе соединений, выделенных из растений и животных. Например, почти все терпены (найденные в эфирных маслах многих растений) имеют углеродный скелет, построенный из изопреновых звеньев, соединенных регулярно «голова к хвосту». Это так называемое изопреновое правило, которое оказало большую помощь при выяснении строения терпенов.
НэС СН3 Сй-$сн
Н2СХ Zc-CH=CH-C=CH-CH==CH-C=CH-CH2OH
I , II 11
Н2сУ
^сй, "сн3
еишамсдД
С!Т; , СНзСН2=С—СН2~СН2-гСН2—СН—СНзг-С^цитронеллол(терпен, найден е масле герани)С!Т; , СНзСН2=С—СН2~СН2-гСН2—СН—СНзг-С^цитронеллол(терпен, найден е масле герани)НС^^СН, Н2С^СННС^^СН, Н2С^СНН3С СНзН3С СНзу-терпинен (терпен, найден в масле кориандра}у-терпинен (терпен, найден в масле кориандра}
С!Т; , СНз
СН2=С—СН2~СН2-гСН2—СН—СНзг-С^
цитронеллол(терпен, найден е масле герани)
С!Т; , СНз
СН2=С—СН2~СН2-гСН2—СН—СНзг-С^
цитронеллол(терпен, найден е масле герани)
НС^^СН, Н2С^СН
НС^^СН, Н2С^СН
Н3С СНз
Н3С СНз
у-терпинен (терпен, найден в масле кориандра}
у-терпинен (терпен, найден в масле кориандра}
Увлекательная область на границе органической химии и биологии — биогенез природных соединений, т. е. изучение точной последовательности реакций, в результате которых соединение образовалось в растении или животном организме. По-видимому, все изопреновые звенья в природе возникают из одного и того же соединения — изопентенилпирофосфата.
Н3ОО
IIIII
СН2=С—СНг—СН2—О—Р—О—Р—ОН
'IIII
оо
изопентенилпирофосфат
Работы, начатые примерно в 1950 г., показали, как из изопреновых звеньев по стадиям строятся соединения, кажущиеся очень отличными от каучука, например холестерин (стр. 491). * '
9°
-О—Р—О—Роно о
изепептенилпирефвсфмп
Задача 8.14. а) Отметьте изопреновые звенья, из которых построена молекула сквалена, б) Существует одно отклонение от последовательности «голова к хвосту». Где оно? Можно ли иа основании этого определенного расположения предположить в общих чертах биогенез дайной молекулы? в) Какие изменения скелета, если они есть, сопровождают превращение сквалена в ланостерин; ланостерина в холестерин?
Анализ алкинов и диенов
Алкины и диены дают те же характерные реакции, что и алкены: они обесцвечивают раствор брома в четыреххлористом углероде без выделения бромистого водорода; они обесцвечивают холодный нейтральный разбавленный раствор перманганата калия; они не окисляются хромовым ангидридом. Однако они представляют собой более ненасыщенные соединения, что следует из их молекулярной формулы (СлН2л^2) и может быть установлено количественным гидрированием (на 1 моль углеводорода расходуется 2 моля водорода).
Доказательство структуры лучше всего завершить теми же -методами расщепления, которые использовались при изучении алкенов. При озонолизе алкинов образуются карбоновые кислоты, тогда как алкены дают альдегиды и кетоны, например:
Оз н2о
СН3СН2С^СН3 >- >- СН3СН2СООН + HOOCCHg
пентин-2карбоновые кислоты
Озонолиз диенов приводит к альдегидам и кетонам, включая и такие, которые содержат в одной молекуле две концевые группы С=О, например:
СН3НСН3Н
|о, н2о, zn |||
сн2=с—сн=сн2 —>► Н—С=О + о=с—с=о + о=с—н
н
Алкины с концевой тройной связью (RC=CH) можно охарактеризовать и отличить от изомеров превращением их в нерастворимые ацетилениды серебра и меди (разд. 8.11).
(Спектральный анализ алкинов и диенов обсуждается в разд. 13.16— 13.18)
Задача 8.15. Сравните продукты озонолиза следующих изомеров: а) пентина-l; б) пентина-2; в) З-метилбутина-1; г) пентадиена-1,3; д) пентадиена-1,4; е) изопрена (2 метилбута- диена-1,3).
Задача 8.16. Какие продукты образуются при озонолизе полибутадиена (С4Н,)„, если полимеризация происходит а) как 1,2-присоединение и б) как 1,4-присоединение?
Задача 8.17. Озонолиз натурального каучука приводит в основном (90%) к соединению О=СН—СН2—СН2—С(СН8)=О. Что вы можете сказать о строении каучука?
ЗАДАЧИ
а) Напишите структурные формулы семи изомерных алкинов, имеющих состав СеН10. б) Назовите их по номенклатуре IUPAC и по рациональной номенклатуре, в) Укажите, какие нз них будут реагировать с Ag+ или Cu(NHs)t. г) Напишите строение продуктов озонолиза каждого изомера.
а) Напишите структурные формулы всех изомерных диенов общей формулы СеН10, за исключением кумуленов, б) Назовите каждый изомер, в) Укажите сопряженные диены. г) Укажите, какие изомеры могут проявлять геометрическую изомерию, и напишите изомерные структуры, д) Напишите строение продуктор озонолиза каждого изомера, е) Какие изомеры (кроме пар ч«с-транс-изомеров) нельзя различить таким путем?
Напишите уравнения всех стадий синтеза ацетилена из угля и известняка.
Напишите все стадии синтеза пропина из приведенных ниже соединений, используя любые необходимые органические и неорганические реагенты. Помните указания, приведенные на стр. 210.
1,2-дибромпропан,д)н-пропиловый спирт,
пропилен,е)1,1-ди хлор пропан,
бромистыйизопропил,ж)ацетилен,
пропан,з)1,1,2,2-тетрабромпропан.
Напишите схему синтеза из ацетилена следующих соединений, используя любые органические и неорганические реагенты:
этилена,д) 1,2-дихлорэтана,к) цис-бутеиа-2,
в) бромистого этилиденав) бромистого этилиденаж) пропина, з) бутина-1, и) бутина-2,ж) пропина, з) бутина-1, и) бутина-2,м) пентина-1, н) пентина-2, о) гексина-3.м) пентина-1, н) пентина-2, о) гексина-3.этана,е) ацетальдегида,л) транс-бутена-2,
в) бромистого этилидена
в) бромистого этилидена
ж) пропина, з) бутина-1, и) бутина-2,
ж) пропина, з) бутина-1, и) бутина-2,
м) пентина-1, н) пентина-2, о) гексина-3.
м) пентина-1, н) пентина-2, о) гексина-3.
(1,1-дибромэтана), г) хлористого винила,
а) 1 моль Н2, N1, б) 2 моля Н2, Ni, в) 1 моль Вг2, г) 2 моля Вг^, д) 1 моль НС1, е) 2 моля НС1, ж) Н2О, Н+, Hga+ з) Ag+,а) 1 моль Н2, N1, б) 2 моля Н2, Ni, в) 1 моль Вг2, г) 2 моля Вг^, д) 1 моль НС1, е) 2 моля НС1, ж) Н2О, Н+, Hga+ з) Ag+,Напишите формулы и названия органических соединений, получающихся при реакции (если она идет) бутина-1 со следующими соединениями:
а) 1 моль Н2, N1, б) 2 моля Н2, Ni, в) 1 моль Вг2, г) 2 моля Вг^, д) 1 моль НС1, е) 2 моля НС1, ж) Н2О, Н+, Hga+ з) Ag+,
а) 1 моль Н2, N1, б) 2 моля Н2, Ni, в) 1 моль Вг2, г) 2 моля Вг^, д) 1 моль НС1, е) 2 моля НС1, ж) Н2О, Н+, Hga+ з) Ag+,
продукт (з) + HNOS,
NaNH2,
продукт (к) + СдНвВг,
м) продукт (к) + трет-бутилхлорид, н) C^MgBr,
продукт (н) + Н8О,
п) О8, затем Н-О,
горячий КМпО4.
Ответьте на вопросы задачи 6 для бутадиена-1,3.
Ответьте на вопросы задачи 6 для пентадиена-1,4.
Напишите формулы и названия продуктов дегидрогалогенирования каждого из следующих галогенидов. В тех случаях, когда возможно образование более чем одного вещества, укажите, какой будет преобладать.
1-хлорбутан и 2-хлорбутан,
1-хлорбутаи и 4-хлорбутен-1,
2-бром-2-метилбутан и З-бром-2-метилбутан,
1-бром-2-метилбутан и 4-бром-2-метилбутан,
1-хлор-2,3-диметилбутан и 2-хлор-2,3-диметилбутан,
4-хлорбутен-1 и 5-хлорпеитен-1.
Какой из алкилгалогенидов в каждой из приведенных в предыдущей задаче пар будет дегидрогалогенироваться быстрее?
а) бутадиен-1,3 и бутен-1,б) бутадиен-1,3 и пентадиен-1,4,а) бутадиен-1,3 и бутен-1,б) бутадиен-1,3 и пентадиен-1,4,Напишите строение основного продукта или продуктов, образующихся при присоединении 1 моля НС1 к каждому из следующих соединений:
а) бутадиен-1,3 и бутен-1,
б) бутадиен-1,3 и пентадиен-1,4,
а) бутадиен-1,3 и бутен-1,
б) бутадиен-1,3 и пентадиен-1,4,
в) бутадиен-1,3 и 2-метилбутадиеи-1,3, г) бутадиен-1,3 и пеитадиен-1,3.
Какое из соединений в каждой из приведенных в предыдущем упражнении пар будет более реакционноспособным по отношению к НС1?
Ответьте на вопросы задач 11 и 12 для случая присоединения не НС1, а ВгСС13 в присутствии перекиси (разд. 6.18).
а) Теплота гидрирования ацетилена (до этана) составляет 75,0 ккал/моль (314,01 -103 Дж/моль). Рассчитайте теплоту гидрирования ацетилена до этилена, б) Как устойчивость алкина относительно алкена сравнима со стабильностью алкена относительно алкана? в) Укажите, исходя только из своего ответа на вопрос (б), будет ли ацетилен более или менее реакционноспособным по сравнению с этиленом при присоединении метильного радикала СН3-. г) Напишите строение свободного радикала, который может образоваться при присоединении СН3- к ацетилену. При присоединении СН3- к этилену. Исходя только из относительной устойчивости образующихся радикалов, скажите, будет ли СН3 присоединяться к ацетилену быстрее или медленнее, чем к этилену. д) Найдено, что СН3- присоединяется к ацетилену медленнее, чем к этилену. Какой фактор — устойчивость исходного вещества или устойчивость радикала — более важен в данном случае?
а) Соберите модель аллена СН2=С=СНг, кумулированного диена. Каково пространственное отношение между парой атомов водорода на одном конце молекулы в парой атомов водорода на другом ее конце? б) Замещенные аллены типа RCH=C=CHR получены в оптически активной форме. Находится ли это в соответствии с формой молекулы в (а)? Какой атом углерода в замещенном аллене асимметрический? в) Напишите электронную конфигурацию аллена. (Указание: сколько атомов связано со средним углеродным атомом? С каждым из концевых атомов углерода?) Приводит ли это к той же самой форме молекулы, которая предложена для (а) и (б)?
Удобный метод синтеза алкенов-1 состоит в реакции реактивов Гриньяра с очень реакционноспособным галогенидом — бромистым аллилом
RMgX + ВгСН2СН=СН2 > RCH2CH=CH2
При получении гексена-1 (т. кип. 63,5 °C) таким путем в качестве побочных продуктов образуются н-гексан (т. кип. 69 °C) и гексадиен-1,5 (т. кип. 60 °C); разделить их трудно вследствие близких температур кипения. Смесь обрабатывают бромом и затем разгоняют. Получают три фракции: с т. кип. 68—69 °C; 77—78°С/15 мм и высококипящий остаток, а) Каков состав каждой фракции? б) Что теперь необходимо сделать, чтобы получить чистый гексен-1? в) Как можно таким же путем разделить н-пентан (т. кип. 36 °C) и пен- тен-1 (т. кип. 30 °C); децен-1 (т. кип. 171 °C) и децин-5 (т. кип. 175 °C).
Гуттаперча — природный неэластичный полимер, используемый для покрытия мячей для гольфа и подводных кабелей. Она имеет такую же формулу (С5Н8)П, что и натуральный каучук, и превращается в тот же самый продукт при гидрировании и при озонолизе (задача 8.17, стр. 261). Используя структурные формулы, покажите наиболее вероятное различие между гуттаперчей и каучуком.
Изобутилен ие образует стереоизомерных полимеров (изотактического и т. п.), как пропилен. Почему? Что можно сказать о бутене-1?
Спирты, как и другие кислородсодержащие вещества, растворимы в холодной концентрированной серной кислоте (разд. 6.23). В случае некоторых вторичных и третичных спиртов после растворения наблюдается постепенное отделение нерастворимого слоя с высокой температурой кипения. Как можно объяснять эти факты?
Для какой цели при производстве бутилкаучука в изобутилен добавляют небольшое количество изопрена?
а) При синтезе алкана 2,4,6,8-тетраметилнонана методом, не вызывающим сомнений (задача 15, л, стр. 525), было получено вещество, которое методом газовой хроматографии разделили на два — А и Б. Оба вещества имели одинаковый молекулярный вес и элементный состав, но различные температуры кипения и плавления, ИК- и ЯМР-спектры. Исходя из строения ожидаемого продукта, скажите,- что это за соединения? б) При проведении такого же синтеза из оптически активного исходного вещества соединение Б было получено в оптически активной форме, а соединение А было оптически неактивно. Каково строение А и Б? в) ЯМР- и ИК-спектры А и Б сравнили со спектрами изотактического и синдиотактического полипропиленов (рис. 8.8). Спектры А очень похожи на спектры одного полимера, а спектры Б — на спектры другого. Сделан вывод, что результаты «подтверждают структуры, первоначально приписанные (Натта, стр. 257) двум кристаллическим полимерам пропилена». Какому полимеру соответствует А и какому Б?
При помощи каких простых химических реакций можно различить следующие соединения:
пентин-1и н-пентан,д) пентадиен-1,3 и пентин-1,
пентин-1и пентен-1,е) гекснн-2 и изопропиловый спирт,
пентин-1и пентин-2,ж) бромистый аллил и 2,3-диметнлбутадиен-1,3.
пентадиен-1,3 и н-пентан,
Укажите точно, что вы будете делать и что вы будете наблюдать.
При помощи каких химических методов (не обязательно простых реакций) можно различить следующие соединения:
пентин-2 и пентен-2,в) пентадиен-1,4 и пентнн-2,
пентадиен-1,4 и пентен-2,г) пентадиен-1,4 и пента диен-1,3.
На основании физических свойств было предположено, что неизвестное вещество является одним из следующих соединений: н-пентаном (т. кип. 36 °C), пентеном-2 (т. кип. 36 °C), 1-хлорпропеном (т. кип. 37 °C), триметилэтиленом (т. кип. 39 °C), пентином-1 (т. кнп. 40 °C), хлористым метиленом (т. кип. 40 °C), 3,3-диметилбутеном-1 (т,-кип. 41 °C), пентадиеном-1,3 (т. кип. 42 °C). Как вы установите, какому из возможных соединений соответствует неизвестное вещество? Используйте, где возможно, простые химические реакции, а где необходимо, более тонкие химические методы, как, например, количественное гидрирование и расщепление. Укажите точно, что вы будете делать и что вы будете наблюдать.
Углеводород формулы С6Н1Р поглощает только 1 моль водорода при каталитическом гидрировании. При озонолизе образуется О=СНСН2СН2СН2СН2СН=О. Каково строение углеводорода? (Проверьте ваш ответ в разд. 9.21.)
Найдено, что углеводород имеет молекулярный вес 80—85. 10,02 мг образца поглотили 8,40 мл Но, измеренного при 0°С и 760 мм рт. ст. (10,13-104 Па). Озонолиз дал только СН2=О и СНО—СНО. Что это за углеводород?
Мирцен СюН16 — терпен, выделенный из листьев Pimento acris Kostel, поглощает 3 моля водорода и превращается в С10Н22. При озонолизе мирцена образуется СН3СОСН3, СН2О и СНОСН2СН2СОСНО. а) Какая структура соответствует этим фактам? б) На основании изопренового правила предложите наиболее вероятную структуру мирцена.
Дигидромирцен С10Н18, получаемый из мирцена (задача 27), поглощает 2 моля водорода с образованием С1(|Н22, При действии КМпО4 дигидромирцен превращается в СН3СОСН3, СНдСООН, СН3СОСН2СН2СООН. а) На основании изопренового правила предложите наиболее вероятную структуру дигидромирцена, б) Удивительно ли, что (Соединение с такой структурой образуется при восстановлении мирцена?
В начале биогенеза сквалена (разд. 8.25) изопентепилпнрофосфат ,СН2=С(СН3)СН2СН2ОФФ (ФФ — пирофосфатная группа) ферментативно изомеризуется в диметилаллилпирофосфат (СН3)2С=СНСН2ОФФ. Эти два соединения затем реагируют друг - с другом с образованием геранилпирофосфата (СН3)2С=СНСН2СН2С(СН3)= =СНСН2ОФФ. а) Считая, что слабо основной пирофосфатный анион, как и протонированная гидроксильная группа, является хорошей уходящей группой
К — ОФФ> R+ т ОФФ-
предложите схему возможного образования геранилпирофосфата, б) Геранилпирофосфат затем реагирует с другой молекулой изопентенилпирофосфата с образованием фарнезил- пирофосфата- Какова его структура? в) Какая связь существует между фарнезилпиро- фосфатом и скваленом? г) Фермент из каучукового дерева катализирует превращение изопентенилпирофосфата в каучук; диметилаллилпирофосфат, по-видимому, действует как инициатор процесса. Можете ли вы предложить «механизм» образования натурального каучука?
хлорчимопропанхлорчимопропансн$сн$снН2С« ^сн1 ,1H2C<<J<H снснН2С« ^сн1 ,1H2C<<J<H сн
хлорчимопропан
хлорчимопропан
сн$
сн$
сн
Н2С« ^сн
1 ,1
H2C<<J<H сн
сн
Н2С« ^сн
1 ,1
H2C<<J<H сн
Циклические алифатические углеводороды
Ациклические и циклические соединения
Во всех соединениях, которые рассматривались в предыдущих главах, атомы углерода были связаны друг с другом в цепи1, эти соединения называются ациклическими. Однако во многих соединениях атомы углерода соединены таким образом, что образуются кольца; такие соединения называются циклическими.
В этой главе будут рассмотрены циклоалканы и циклоалкены. Значительная часть химии этих циклических алифатических углеводородов нам уже известна, поскольку она в основном тождественна химии ациклических алканов и алкенов. Однако имеются некоторые различия в свойствах, связанные с наличием циклической структуры, и именно эти своеобразные свойства и будут главным образом рассмотрены.
Номенклатура
Названия циклических алифатических углеводородов образуются путем прибавления приставки цикло- к названию соответствующего ациклического углеводорода с тем же числом атомов углерода, например:
сн
Н2С.н2с—сн2н^ \н
Н2с/Н2С—сн2Н2С—сн2
циклопропанциклобутанциклопентен
Заместители, имеющиеся в кольце, называют, как обычно, а их положение в кольце обозначают цифрами так, чтобы получилась минимальная комбинация цифр. В простых циклоалкенах и циклоалкинах атомы углеродов, соединенные двойными и тройными связями, обозначают номерами 1 и 2, например:
H2C^CHн2с—снс2н5З-этаяцинлопеятея
н2сГ* ,сн2
1,3-диметилцийлоеексак1,3-диметилцийлоеексакчиилогекса диен • 1,3чиилогекса диен • 1,3HZC^« ^сн-сн$ сн2
1,3-диметилцийлоеексак
1,3-диметилцийлоеексак
чиилогекса диен • 1,3
чиилогекса диен • 1,3
Для удобства алифатические кольца часто изображают в виде простых геометрических фигур: циклопропан — треугольником, циклобутан — квадратом, циклопентан — пятиугольником, циклогексан — шестиугольником и т. д. При этом подразумевается, что у каждого из углов фигуры находится по два атома водорода, если только не указано наличие других групп.
циклопентанциклопентанцикпопентабиен-1,3цикпопентабиен-1,3З-эпилциклопентаНЗ-эпилциклопентаН1,3-диметпилцтлогенсан1,3-диметпилцтлогенсанциклогепсавиен -1,3циклогепсавиен -1,3
циклопентан
циклопентан
цикпопентабиен-1,3
цикпопентабиен-1,3
З-эпилциклопентаН
З-эпилциклопентаН
1,3-диметпилцтлогенсан
1,3-диметпилцтлогенсан
циклогепсавиен -1,3
циклогепсавиен -1,3
Физические свойства
Физические свойства циклических алифатических углеводородов (табл. 9.1) сходны со свойствами соответствующих ациклических углеводородов (табл. 4.3, стр. 108, и табл. 5.2, стр, 151), хотя температуры кипе-
Таблица 9.1
Циклические алифатические углеводороды
Название
Т. пл„ «с
Т. кип., °C
Плотность при 20 °C
Циклопропан
—127
—33
Циклов утаи
—80
13
Циклопентан
—94
49
0,746
Циклогексан
6,5
81
0,778
Циклогептан
—12
118
0,810
Циклооктан
14
149
0,830
Метилцнклопентан
—142
72
0,749
цис-1,2-Диметнлцнклопентан
—62
99
0,772
транс-1,2-Диметилциклопентан
—120
92
0,750
Метилцнклогексан
—126
100
0,769
Циклопентен
—93
46
0,774
Циклопентадиен-1,3
—85
42
0,798
Циклогексен
—104
83
0,810
Цнклогексаднен-1,3
—98
80,5
0,840
Циклогексадиен-1,4
—49
87
0,847
ния и плотности циклических соединений немного выше. Поскольку циклические углеводороды — неполярные или малополярные соединения, они растворимы в неполярных или малополярных растворителях, таких, как четыреххлористый углеводород, лигроин или эфир, и нерастворимы в таком сильнополярном растворителе, как вода.
Промышленные источники
Кан уже упоминалось в разд. 4.15, нефть некоторых месторождений (в частности, калифорнийская) содержит большое количество циклоалканов, называемых в промышленности нафтенами. К ним относятся циклогексан, метилциклогексан, метилциклопентан и 1,2-диметилциклопентан.
Указанные циклоалканы при каталитических превращениях дают ароматические углеводороды. Такой процесс служит одним из основных источников получения этих важных соединений (разд. 12.4), например:
/С\
Н2С СНСН3 мо2Оз.А12Оз, 5бо °с г
1IУДУ*• С6Н5СН3 + ЗНа Дегидрирование
1' Т Z^/'Г ГЛ <1 тм.
толуол
(ароматическое
соединение)
метилциклогексан
(алифатическое
соединение)
Ni, 150—250 °C25 атмNi, 150—250 °C25 атмГидрированиеГидрированиециклогексан (алифатическое соединение)циклогексан (алифатическое соединение)С6Не + зн2С6Не + зн2Если отщепление атома водорода от циклических алифатических соединений может привести к ароматическим соединениям, то при помощи обратного процесса, присоединения водорода, из ароматических соединений получают циклические алифатические соединения, особенно производные циклогексана. Важным примером такой реакции служит получение чистого циклогексана путем гидрирования бензола
Ni, 150—250 °C
25 атм
Ni, 150—250 °C
25 атм
Гидрирование
Гидрирование
циклогексан (алифатическое соединение)
циклогексан (алифатическое соединение)
С6Не + зн2
С6Не + зн2
бензол(ароматическоесоединение)
СН2СНОНI IН2С сн2^аСциклогексанол(алифатическоесоединение)СН2СНОНI IН2С сн2^аСциклогексанол(алифатическоесоединение)Как и следовало ожидать, гидрирование замещенных бензолов дает замещенные производные циклогексанов, например:
СН2
СНОН
I I
Н2С сн2
^аС
циклогексанол(алифатическоесоединение)
СН2
СНОН
I I
Н2С сн2
^аС
циклогексанол(алифатическоесоединение)
Ni, 150—200 °C
С6наон + зн2^->фенол
(ароматическоесоединение)
Из циклогексанола можно получить самые разнообразные циклические соединения, содержащие шестичленное кольцо.
Методы синтеза
Процесс получения циклических алифатических углеводородов из других алифатических соединений в общем виде состоит из двух стадий: а) превращение какого-либо соединения, содержащего открытую цепь, в циклическое соединение по реакции, называемой циклизацией (или замыканием кольца); б) превращение полученного циклического соединения в требуемый продукт, например циклического спирта в циклоалкан или циклоалкена в циклоалкан.
Большинство методов циклизации не дает непосредственно углеводородов, а приводит к образованию других типов соединений, которые будут рассмотрены в разд. 35.14. Используемые для циклизации реакции основаны на стандартных препаративных методах, специально приспособленных для решения задачи замыкания кольца. Принцип такого подхода можно проиллюстрировать на примере получения циклопропана — одного из немногих циклических алифатических углеводородов, которые можно получить прямой циклизацией с хорошим выходом.
Действие металла (обычно натрия) на алкил галогенид по реакции Вюрца (разд. 4.19) приводит к образованию связи между атомами углерода двух алкильных групп
С1—СН2СН3 Na СН2СН3
—> I
С1—СН2СН3СН2СН3
хлористый этил,к-бутан
2 моля
Точно так же действие металла на дигалогенпроизводное приводит к образованию связи между двумя атомами углерода, входящими в состав одной и той же молекулы
* Zn, Nai, води спирт, 125 С* Zn, Nai, води спирт, 125 СциклопропанциклопропанС1—СН^
* Zn, Nai, води спирт, 125 С
* Zn, Nai, води спирт, 125 С
циклопропан
циклопропан
сн2
С1—СН2/
1,3-дихлорпропан
В последнем случае с пинком получены лучшие результаты, чем с натрием. Хотя эта реакция приводит к хорошим выходам только в случае циклопропанов и поэтому не используется для получения большинства циклоалканов, указанный синтез очень хорошо иллюстрирует применение стандартного синтетического приема к специальной задаче получения циклического соединения.
Циклические алифатические углеводороды получают из других типов циклических соединений (например, галоген производных или спиртов) точно такими же методами, которые применялись для синтеза ациклических углеводородов из других ациклических производных.
Задача 9.1. Как получить исходя из циклогексанола (разд. 9.4) следующие углеводороды: а) циклогексен; б) 3-бромциклогексен; в) циклогексадиен-1,3?
Задача 9.2. Бромциклобутан можно синтезировать из ациклических соединений. Как из него получить циклобутан?
Реакции
За исключением небольшого числа очень важных и интересных реакций циклические алифатические углеводороды претерпевают те же превращения, что и их ациклические аналоги.
Циклоалканам свойственны реакции свободнорадикального замещения (ср. разд. 4.22), например:
H2C\I СН2 + С12H2C\I СН2 + С12освещениеосвещениеН^| СНС1 + НС1Н^| СНС1 + НС1хлорциклопропанСН2хлорциклопропанСН2циклопентанциклопентан+ Вг2+ Вг2циклопропан СН2циклопропан СН2Н2С сн2Н2С сн2зоо °с Н2ССНВг>- I|+ НВгзоо °с Н2ССНВг>- I|+ НВгн2<н2<•СН2•СН2бромциклопентанбромциклопентанДля циклоалкенов характерны в основном реакции присоединения — как электрофильные, так и свободнорадикальные (ср. разд. 6.2); подобно другим алкенам, они могут подвергаться также реакциям расщепления и аллильного замещения, например:Для циклоалкенов характерны в основном реакции присоединения — как электрофильные, так и свободнорадикальные (ср. разд. 6.2); подобно другим алкенам, они могут подвергаться также реакциям расщепления и аллильного замещения, например:СНН2С СНI Iн2с сн2^сн^циклогексенСНН2С СНI Iн2с сн2^сн^циклогексен+ Вг2+ Вг2СНВгН^ АнВг * I I н2с сн21,2-дибромциклогексанСНВгН^ АнВг * I I н2с сн21,2-дибромциклогексан
H2C\
I СН2 + С12
H2C\
I СН2 + С12
освещение
освещение
Н^
| СНС1 + НС1
Н^
| СНС1 + НС1
хлорциклопропан
СН2
хлорциклопропан
СН2
циклопентан
циклопентан
+ Вг2
+ Вг2
циклопропан СН2
циклопропан СН2
Н2С сн2
Н2С сн2
зоо °с Н2ССНВг
>- I|+ НВг
зоо °с Н2ССНВг
>- I|+ НВг
н2<
н2<
•СН2
•СН2
бромциклопентан
бромциклопентан
Для циклоалкенов характерны в основном реакции присоединения — как электрофильные, так и свободнорадикальные (ср. разд. 6.2); подобно другим алкенам, они могут подвергаться также реакциям расщепления и аллильного замещения, например:
Для циклоалкенов характерны в основном реакции присоединения — как электрофильные, так и свободнорадикальные (ср. разд. 6.2); подобно другим алкенам, они могут подвергаться также реакциям расщепления и аллильного замещения, например:
СН
Н2С СН
I Iн2с сн2^сн^циклогексен
СН
Н2С СН
I Iн2с сн2^сн^циклогексен
+ Вг2
+ Вг2
СНВг
Н^ АнВг * I I н2с сн2
1,2-дибромциклогексан
СНВг
Н^ АнВг * I I н2с сн2
1,2-дибромциклогексан
сн3АН2С СНн2с—сн21-метилцикло-пентенсн3АН2С СНн2с—сн21-метилцикло-пентен+ HI+ HII СН3I СН3Н2С сн2Н2С сн2HgCСН21-иод-1-метил-циклопентанHgCСН21-иод-1-метил-циклопентан
сн3АН2С СНн2с—сн21-метилцикло-пентен
сн3АН2С СНн2с—сн21-метилцикло-пентен
+ HI
+ HI
I СН3
I СН3
Н2С сн2
Н2С сн2
HgCСН2
1-иод-1-метил-циклопентан
HgCСН2
1-иод-1-метил-циклопентан
Н СН3 сн3 нО=С—СН—сн2—СН—с=оН СН3 сн3 нО=С—СН—сн2—СН—с=одиальдегиддиальдегидСН
Н СН3 сн3 н
О=С—СН—сн2—СН—с=о
Н СН3 сн3 н
О=С—СН—сн2—СН—с=о
диальдегид
диальдегид
СН3—НССН о3 H2o/zn
Н2ССНСН3
3,5-диметилциклопентен
Два циклоалкана с циклами наименьших размеров — циклопропан и циклобутан — обладают рядом химических свойств, резко отличающих их от других членов ряда. Хотя эти исключительные свойства могут показаться на первый взгляд удивительными, их довольно просто объяснить.
Реакции соединений с малыми циклами.
Циклопропан и циклобутан
Помимо реакций свободнорадикального замещения, характерных для циклоалканов и алканов вообще, циклопропаны и циклобутаны вступают в некоторые реакции присоединения, при которых происходит раскрытие
кольца циклопропана или циклобутана и образуются ациклические продукты реакции.
Циклопропан реагирует с водородом в присутствии катализатора, давая пропан, с бромом образуется 1,3-дибромпропан, а с иодистоводородной кислотой — я-пропилиодид
Ni, Н2, 80 °C
СН2СН2СН2
11
нн
Н^
ВГ2, CCI4
пропан
СН2СН2СН2
Н2С/
11
ВтВг
циклопропан
конц. HI
1,3-дибромпропаи СН2СН2СН2
11
НI
н-пропилнодид
В каждой из этих реакций разрывается связь углерод — углерод и два атома реагента присоединяются по концам пропанового звена
Н2Н2
Н2
Н2
Однако эти реакции присоединения с циклопропаном протекают труднее, чем с пропиленом. В отличие от пропилена циклопропан не реагирует с водным раствором перманганата калия.
Циклобутан реагирует с водородом в присутствии катализатора с образованием н-бутана, однако для этого требуется более высокая температура (200 °C), чем для гидрирования циклопропана (80 °C). Циклобутан не вступает в реакцию с остальными реагентами, под действием которых раскрывается циклопропановое кольцо. Таким образом, циклобутан вступает в реакции присоединения труднее, чем циклопропан, а последний — труднее, чем пропилен. Однако примечательнее всего сам факт, что циклоалканы вообще вступают в реакции присоединения.
Н2С—СН2 №. Н2. 200 °с
| I 5- СН2СН2СН2СН2
Н2С—СН2II
н н
циклобутанн-бутан
Теория напряжения Байера
В 1885 г. профессор Мюнхенского университета Адольф Байер предложил теорию, объясняющую некоторые аспекты химии циклических соединений. Часть его теории, рассматривающая способность к раскрытию цикла у циклопропанов и циклобутанов, общепринята и сегодня, хотя сейчас она излагается с других, более современных позиций. В остальном теория оказалась основанной на неверных предпосылках и была отвергнута.
Байер рассуждал следующим образом. В общем случае, когда атом углерода связан с четырьмя другими атомами, между каждыми двумя связями образуется тетраэдрический угол, равный 109,5° (1,911 рад). Однако
кольцо циклопропана представляет собой треугольник с углом 60° (1,047 рад), а кольцо циклобутана — квадрат с углом 90° (1,571 рад). Поэтому в циклопропане или циклобутане две связи у каждого из атомов углерода не могут образовать тетраэдрический угол и угол между ними должен быть «сжат» до 60° (1,047 рад) или 90° (1,571 рад).
Эти отклонения углов связей от нормального тетраэдрического значения делают эти молекулы «напряженными» и, следовательно, неустойчивыми по сравнению с молекулами с тетраэдрическими углами связей. Циклопропан и циклобутан склонны вступать в реакции раскрытия кольца, поскольку при этом «снимается»1 напряжение и образуются более устойчивые ациклические соединения. Поскольку искажение углов в циклопропане (109,5° —60° = 49,5°) более значительно, чем в циклобутане (109,5°—90° = = 19,5), то циклопропан является более напряженным, более неустойчивым и более склонным к реакциям раскрытия кольца, чем циклобутан.
Углы в правильном пятиугольнике 1105° (1,832 рад)) весьма близки к тетраэдрическим [109,5° (1,911 рад)], и поэтому циклопентан должен быть практически свободен от углового напряжения. Углы в правильном шестиугольнике [120° (2,094 рад)| несколько превышают тетраэдрические, на основании чего Байер предположил (ошибочно!), что в циклогексане должно быть некоторое напряжение. Далее он также ошибочно предположил, что при переходе к циклогептану, циклооктану и т. д. отклонения величин углов от 109,5° будут увеличиваться, вследствие чего молекулы будут становиться все более напряженными.
Итак, Байер предположил, что циклы, меньшие или большие пяти- или шестичленных, неустойчивы. Именно в силу этой неустойчивости трех- и четырехчленные циклы подвергаются реакциям раскрытия кольца; та же причина объясняет значительные трудности, связанные с синтезом циклов большего размера. Как согласуется теория напряжения Байера с фактами?
Теплоты сгорания и относительная стабильность циклоалканов
Из разд. 2.6 мы знаем, что теплота сгорания — это количество тепла, выделяющееся при сгорании 1 моля соединения до двуокиси углерода и воды. Как и теплоты гидрирования (разд. 6.4 и 8.16), теплоты сгорания часто могут дать полезную информацию об относительной устойчивости органических соединений. Соответствуют ли данные по теплотам сгорания различных циклоалканов предположению Байера о малой устойчивости циклов меньшего или большего размера, чем циклопентан или циклогексан?
Рассмотрение данных для большого числа соединений показывает, что теплоты сгорания алифатических углеводородов довольно неплохо согласуются с величинами, рассчитанными на основании характеристических вкладов каждой из структурных единиц молекулы. Для ациклических алканов вклад каждого метиленового звена (—СН2—) в суммарную теплоту сгорания составляет примерно 157,4 ккал/моль (659,0-103 Дж/моль). В табл. 9.2 приведены теплоты сгорания некоторых циклоалканов.
Из данных табл. 9.2 видно, что теплота сгорания на СН2-группу в случае циклопропана на 9 ккал (37,68-103 Дж) выше, чем аналогичная величина для ациклических углеводородов. Для циклобутана это различие составляет 7 ккал (29,31-108 Дж). Независимо от того, в состав какого соединения входит СН2-группа, она дает одни и те же продукты при сгорании — двуокись углерода и воду
—СН2Р 3/2О2> С0.2 4- Н2О + тепло
Таблица 9.2
Теплоты сгорания циклоалканов
Размер кольца
Теплота сгорания в расчете наСНу-груп- пу, ккал/моль (4,187-103 Дж/моль)
Размер кольца
Теплота сгорания в расчете на СН2-группу, ккал/моль
(4,187-103 Дж/моль)
Для ацикли-
157,4
10
158,6
ческих со-
11
158,4
единений
12
157.6
3
166,6
13
157,8
4
164,0
14
157,4
5
158,7
15
157,5
6
157,4
17
157,2
7
158,3
8
158,6
9
158,8
Если циклопропан и циклобутан выделяют при сгорании больше энергии в расчете на СН2-группу, чем ациклические соединения, то это означает, что они содержат больше энергии на СН2-группу. Тогда в соответствии с теорией напряжения Байера циклопропан и циклобутан менее устойчивы по сравнению с ациклическими соединениями. Кажется вполне разумным предположение, что склонность циклопропанов и циклобутанов к реакциям с раскрытием кольца связана с их меньшей устойчивостью.
В соответствии с теорией Байера циклы, большие, чем циклопентан и циклогексан, также должны быть неустойчивыми и, следовательно, должны иметь высокие теплоты сгорания, причем их относительная неустойчивость и соответственно теплоты сгорания должны монотонно возрастать с увеличением размера кольца. Однако из данных табл. 9.2 видно, что на самом деле наблюдается почти обратная картина. Ни для одного из циклов, больших С4, теплота сгорания в расчете на СН2-группу не отличается слишком сильно от величины 157,4 ккал (659,0-103 Дж) (ациклические соединения). В действительности одно из небольших отклонений наблюдается для «самого стабильного» (по Байеру) соединения—циклопентана: 1,3 ккал (5,44-103 Дж) на СН2-группу, или 6,5 ккал (27,21-103 Дж) на молекулу. Кольца, содержащие от 7 до 11 атомов углерода, имеют ту же величину теплоты сгорания в расчете на СН2-группу, что и циклопентан, а для колец с 12 атомами углерода и более эта величина уже практически равна вкладу СН2-группы в теплоты сгорания ациклических веществ. В противоположность теории Байера ни одна из этих систем не обладает заметно меньшей устойчивостью по сравнению с ациклическими соединениями, а соединения с большими циклами не напряжены. Более того, если их синтезировать, то соединения с большими циклами почти не обнаруживают тенденции вступать в реакции раскрытия цикла, как циклопропан и циклобутан.
Что же неверно в теории Байера, что делает ее непригодной для колец, содержащих более четырех атомов углерода? Только одно: при вычислении величин углов Байер исходил из предположения о том, что кольцо является плоским. Так, например, величина угла для правильного плоского шестиугольника равна 120° (2,094 рад), а для правильного десятиугольника — 144° (2,513 рад). Однако кольцо циклогексана не является правильным шестиугольником, а кольцо циклодекана — правильным десятиугольником. Эти циклы не плоские, а искривлены таким образом (рис. 9.1), что угол каждой связи у атомов углерода составляет 109,5° (1,191 рад).
Трехчленный цикл должен быть плоским, поскольку три точки (ядра трех атомов углерода) лежат в одной плоскости. Четырехчленный цикл не
обязательно должен быть плоским, но в данном случае деформация будет увеличивать угловое напряжение. Пятичленный цикл не должен быть плоским, но в этом случае плоское расположение позволит углам связи иметь
ааРис. 9.1. Неплоские кольца. а — циклогексан: О — циклодекан.Рис. 9.1. Неплоские кольца. а — циклогексан: О — циклодекан.
а
а
Рис. 9.1. Неплоские кольца. а — циклогексан: О — циклодекан.
Рис. 9.1. Неплоские кольца. а — циклогексан: О — циклодекан.
почти тетраэдрическую величину. Все кольца большего размера будут неплоскими. (В действительности, как мы увидим ниже, циклобутан и циклопентан также являются неплоскими, несмотря на то что искажение в этих случаях увеличивает угловое напряжение.)
Рис. 9.2. Замыкание кольца (Д) и сращивание цепей (Б).Рис. 9.2. Замыкание кольца (Д) и сращивание цепей (Б).
Рис. 9.2. Замыкание кольца (Д) и сращивание цепей (Б).
Рис. 9.2. Замыкание кольца (Д) и сращивание цепей (Б).
Если кольца большого размера устойчивы, почему же их трудно синтезировать? Здесь мы подошли ко второму неверному допущению Байера. Тот факт, что соединение трудно синтезировать, совсем не означает, что оно неустойчиво. Замыкание кольца требует, чтобы два конца цепи были достаточно сближены друг с другом для того, чтобы образовалась связь. Чем больше размер кольца, которое нужно синтезировать, тем более длинной будет цепь, из которой его получают, и тем меньше вероятность сближения двух концов этой цепи. В этих условиях более вероятно сближение концов двух различных цепей, что дает совершенно другие продукты (рис. 9.2).
Методы, которые удается успешно использовать для получения больших циклов, основаны на учете этих соображений. Эти реакции циклизации проводятся в сильноразбавленных растворах, в которых маловероятно соударение двух различных цепей; в подобных условиях реакция образования циклов является основной, хотя и протекает медленно. Пяти- и шестичленные циклы относятся к числу самых распространенных в органической химии, поскольку они достаточно велики по размеру, чтобы быть свободными от углового напряжения, и достаточно малы для того, чтобы их образование по реакции циклизации осуществлялось легко.
Орбитальное описание углового напряжения
Что же означает угловое напряжение по Байеру с позиций современных представлений о ковалентной связи?
В разд. 1.8 уже говорилось о том, что для образования связей необходимо такое расположение атомов, при котором орбитали одного атома перекрывались бы с орбиталями другого. Для данной пары атомов, чем больше перекрывание атомных орбиталей, тем прочнее связь. Когда углерод связан с четырьмя другими атомами, его связывающие орбитали (зр3-орбитали) направлены к углам тетраэдра; угол между каждой парой орбиталей равен 109,5° (1,911 рад). Образование связи с другим атомом углерода происходит в результате перекрывания одной из этих зр3-орбиталей с аналогичной spa- орбиталью другого атома углерода. Это перекрывание наиболее эффективно, а следовательно, и связь наиболее прочна, если два атома расположены так, что эти зр3-орбитали направлены друг к другу. Это означает, что если атом углерода связан с двумя другими атомами углерода, то угол С—С—С должен быть равен 109,5° (1,911 рад).
Рис. 9.3. Угловое напряжение.
а—максимальное перекрывание допустимое для ациклических или макроциклических соединений; б — слабое перекрывание в циклопропановом кольце. Пунктирная линия показывает боковое перекрывание, придающее соединению л-характер.
Однако в циклопропане угол С—С—С не может быть равен 109,5° (1,91! рад), а составляет 60° (1,047 рад). В результате атомы углерода не могут располагаться так, чтобы позволить зр3-орбиталям быть направленными друг к другу (рис. 9.3). В этом случае перекрывание меньше и связь слабее, чем обычная углерод-углеродная связь.
Уменьшение устойчивости циклических соединений, обусловленное угловым напряжением, объясняется слабым перекрыванием атомных орбиталей, образующих связи углерод'— углерод.
Квантовомеханические расчеты, выполненные К. Коулсоном и У. Моффитом в Оксфордском университете, показывают, что «изгибание» связей в трех- и четырехчленных циклах влечет за собой не только недостатки. В этом случае появляется боковое перекрывание «изогнутых» орбиталей, допускающее делокализацию электронов по типу кольцевого л-облака, окружающего кольцо и лежащего в одной плоскости с инм (пунктирная линия на рис. 9.3). Эта делокализация не только частично компенсирует дестабилизующий эффект слабости связи углерод — углерод, но и придает связям «л-характер» и сообщает соединениям с малыми циклами им одним присущие свойства. Таким образом, хотя реакция раскрытия цикла, безусловно, связана с угловым напряжением, конкретная природа реагентов, вызывающих это раскрытие, определяется особенностями химии этих соединений.
Факторы, влияющие на устойчивость конформаций
Для более глубокого понимания химии циклических соединений необходимо использовать представления конформационного анализа (разд. 4.7). Предварительно целесообразно рассмотреть факторы, определяющие устойчивость конформации.
Любой атом стремится к тому, чтобы его валентные углы совпадали с углами между его связывающими орбиталями; например, для $р3-гибридизо- ванного атома углерода угол соответствует тетраэдрическому и равен 109,5° (1,911 рад). Любое отклонение от «нормального» значения валентности угла сопровождается возникновением углового напряжения (разд. 9.9 и 9.10).
Любая пара тетраэдрических атомов углерода, связанных друг с другом, стремится расположиться так, чтобы все связи имели заторможенную конформацию. Это означает, что любое этановое звено молекулы стремится принять, подобно этапу, заторможенную конформацию. Любое отклонение от этого расположения сопровождается возникновением торсионного напряжения (разд. 4.3). Любые два атома (или группы), непосредственно не связанные друг с другом, могут взаимодействовать между собой различными способами в зависимости от их размера, полярности и того, насколько они сближены. Эти несвязанные взаимодействия могут быть либо отталкивающими, либо притягивающими, и в результате их может происходить либо дестабилизация, либо стабилизация конформаций.
Несвязанные атомы (или группы), соприкасающиеся друг с другом (это означает, что расстояние между ними равно сумме их вандерваальсовых радиусов), притягиваются друг к другу. Если их сблизить на меньшее расстояние, то они отталкивают друг друга, т. е. сближение сопровождается появлением вандерваальсова (стерического) напряжения (разд. 1.16 и 4.5).
Несвязанные атомы или группы стремятся занять такие положения, чтобы были обеспечены наиболее благоприятные диполь-дипольные взаимодействия: положения, в которых минимальны диполь-дипольные отталкивания и максимальны диполь-дипольные притяжения. [Особенно сильное притяжение возникает в случае особого рода диполь-дипольного взаимодействия, известного под названием водородная связь (разд. 15.15).]
Все эти факторы, компенсирующие или усиливающие друг друга, определяют общую устойчивость конформации. Для того чтобы вывести наиболее устойчивую конформацию данной молекулы, следовало бы, в идеальном случае, рассмотреть все возможные комбинации валентных углов, углов вращения и даже длин связей и выяснить, какая из комбинаций приведет к меньшему содержанию энергии. Подобный подход возможен только при использовании вычислительных машин, и первые успешные шаги в этом направлении уже сделаны Хендриксоном (университет в Брондейсе).
Как расчеты, так и экспериментальные измерения показывают, что конечный результат является компромиссным и лишь немногие молекулы имеют те идеализированные конформации, которые мы им приписываем и которыми для удобства пользуемся. Так, например, вероятно, ни одно из соединений с четырехвалентным атомом углерода (за исключением тех, которые содержат четыре идентичных заместителя) не имеет валентных углов, в точности равных тетраэдрическому. В реальной молекуле углы искажены (появляется угловое напряжение), что необходимо для уменьшения вандерваальсова напряжения или диполь-дипольного взаимодействия. В скошенном конформере н-бутана (разд. 4.6) двугранный угол между метильными группами не равен 60° (1,047 рад), а несколько больше этой величины: молекула допускает возникновение некоторого торсионного напряжения для уменьшения вандерваальсова взаимодействия между метильными группами.
В действительности в некоторых случаях возникновение торсионного напряжения может не только уменьшить вандерваальсово напряжение двух слегка налагающихся групп, но и изменить расстояние между этими группами так, что вместо вандерваальсова отталкивания будет наблюдаться их притяжение. Хотя различные напряжения в молекуле играют большую роль, получены также данные, что весьма важны и стабилизующие факторы.
Так, например, стерическая сближенность групп делает одну конформацию менее устойчивой, чем другую; в некоторых случаях, однако, это происходит не в результате увеличения вандерваальсова отталкивания из-за сближенности групп, а в результате уменьшения вандерваальсова притяжения.
Задача 9.3. а) Наиболее устойчивым конформером н-пропилхлорида СН3СН2СН2С1 является скошенная конформация (I).
Что это говорит о взаимодействии между С1 и СН3? б) Учитывая ваш ответ на вопрос (а), укажите, какой из конформеров, II или III, будет более устойчив в случае изобутилхло- рида (СН3)2СНСН2С1? В действительности более устойчивым является конформер II. Совпадает ли это с вашим предсказанием? г) В конформере II двугранный угол между С1 н ближайшей группой СН3 близок к 66° (1,152 рад). На что указывает эта величина? Как вы можете объяснить большую стабильность конформера II?
Конформация циклоалканов
Рассмотрим внимательнее неплоские кольца, начнем с циклогексана, наиболее важного циклоалкана. Построим модель молекулы и изучим конформации, свободные от углового напряжения.
В первую очередь рассмотрим форму кресла (рис. 9.4). Если посмотреть вдоль любой из углерод-углеродных связей, то увидим, что в каждом случае имеется идеальная заторможенная конформация
конформация кресла для циклогексанаконформация кресла для циклогексаназаторможенная конформа ция для этаназаторможенная конформа ция для этана
конформация кресла для циклогексана
конформация кресла для циклогексана
заторможенная конформа ция для этана
заторможенная конформа ция для этана
Таким образом, эта конформация свободна не только от углового, но также и от торсионного напряжения. Она имеет минимальный запас энергии и поэтому является конформационным изомером. Форма кресла — наиболее устойчивая конформация для циклогексана и почти всех его производных.
Теперь «поднимем» левый конец молекулы (рис. 9.4) так, чтобы получить конформацию ванны. (Как и все другие превращения, которые мы будем осуществлять в этом разделе, указанное превращение сопряжено лишь с поворотом вокруг простых связей, т. е. является конформационным превращением.) Это расположение атомов не кажется очень благоприятным. Если взглянуть вдоль любой из двух углерод-углеродных связей, то увидим, что в каждом случае имеется набор заслоненных связей. Поэтому можно ожидать значительного торсионного напряжения, по величине соответствующего напряжению в двух молекулах этана. Кроме того, имеется еще
вандерваальсово напряжение из-за сближенности «флагштоковых» атомов водорода, которые находятся на расстоянии 1,83 А (18,3-10'2 нм), что значительно меньше, чем сумма их вандерваальсовых радиуссв [2,5 А
заслоненная мнфорвдаи.ия для планазаслоненная мнфорвдаи.ия для плана
заслоненная мнфорвдаи.ия для плана
заслоненная мнфорвдаи.ия для плана
(25,0- 10~2 нм)1. Конформация ванны значительно менее устойчива [согласно расчету, на 6,9 ккал/моль (28,89-10® Дж/моль)], чем конформация кресла. Предполагается, что эта конформация отвечает не минимуму на энергети-
Конформация кресла.Конформация кресла.конфортлация ванны (максимум энергии)конфортлация ванны (максимум энергии)Твист- конформац ияТвист- конформац ия
Конформация кресла.
Конформация кресла.
конфортлация ванны (максимум энергии)
конфортлация ванны (максимум энергии)
Твист- конформац ия
Твист- конформац ия
Рис. 9.4. Конформации циклогексана, свободные от углового напряжения.
ческой кривой, а максимуму, и поэтому она представляет собой не реально существующий конформер, а лишь переходное состояние между двумя конформерами.
Каковы же эти два конформера, находящиеся на энергетической диаграмме с двух сторон от конформации ванны? Для того чтобы ответить на этот вопрос, расположим модель конформации ванны так, чтобы флагшто- ковые атомы водорода (На и Нь) были направлены вверх, и посмотрим на это кольцо сверху. Возьмем атомы С-2 и С-3 в правую руку, а С-5 и С-6 — в левую и закрутим молекулу так, чтобы, скажем, атомы С-3 и С-6 переместились вниз, а С-2 и С-5 — вверх. При этом окажется, что На и Нь удаляются друг от друга, а расположенные ниже кольца атомы Нс и На (при С-3 и С-6 соответственно) начинают приближаться друг к другу. (Если продолжить это перемещение, то получим новую конформацию ванны, в которой флагштоковыми атомами станут атомы Нс и На.) В тот момент,
когда расстояние На — Нь станет равным расстоянию Нс — Hd, прекратим закручивать модель и рассмотрим ее. Удалось сделать взаимодействия
атомы удаляютсяатомы удаляютсяконформация ванныконформация ваннытвист - конформациятвист - конформацияциклогексанциклогексан
атомы удаляются
атомы удаляются
конформация ванны
конформация ванны
твист - конформация
твист - конформация
циклогексан
циклогексан
флагштоковых атомов минимальными и одновременно частично снять торсионные напряжения по связям С2—Са и С5—С6.
флагиппаковыефлагиппаковыеконформация ванштвист-конформацияконформация ванштвист-конформацияциклогексанциклогексан
флагиппаковые
флагиппаковые
конформация ванштвист-конформация
конформация ванштвист-конформация
циклогексан
циклогексан
Получим новую конформацию циклогексана — твист-форму (искаженная ванна). Эта конформация является конформером, энергия которого на 5,6 ккал (23,45-103 Дж) больше, чем энергия конформации кресла. Конформация твист-формы отделена от другой энантиомерной конформации твист- формы энергетическим барьером в 1,3 ккал (5,44-103 Дж), вершине которого соответствует конформация.
Форма кресла и твист-форма разделены самым высоким барьером, соответствующим конформации переходного состояния полукресла, энергия которого (из-за углового и торсионного напряжения) на 11 ккал (46,05-103 Дж) выше энергии формы кресла.
Суммарная картина показана на рис. 9.5. Между формой кресла и твист-формой существует равновесие, сдвинутое в сторону более стабильной формы кресла (соотношение 10 000: 1 при комнатной температуре).
Если кресловидная форма циклогексана представляет собой пример совершенного в конформационном смысле циклоалкана, то плоский циклопентан (рис. 9.6) служит примером самой «неудачной» молекулы — атомы водорода в каждой из пар атомов углерода заслонены. Для того чтобы частично снять это торсионное напряжение, циклопентан принимает слегка неплоскую конформацию, хотя это и вызывает появление некоторого углового напряжения (см. также задачу 9, стр. 298).
Различные данные убедительно доказывают, что циклобутан не является плоской молекулой, но быстро превращается из одной слегка «складчатой» конформации в другую, ей эквивалентную (рис. 9.7). В этом случае также торсионный эффект частично ослабляется за счет появления небольшого углового напряжения.
Кольца, содержащие 7—12 атомов углерода, также подвержены торсионному напряжению, и поэтому эти соединения менее устойчивы, чем циклогексан; масштабные модели показывают, кроме того, очень сильную
Рис. 9.5. Энергетическая диаграмма
переходов между конформациями циклогексана.
Рис. 9.6. Плоский циклопентан: сильное торсионное напряжение. Действительная форма молекулы неплоская.
Рис. 9.7. Цнклобутан: быстрое превращение двух эквивалентных неплоских «сложенных* конформаций.
сближенность атомов водорода внутри этих циклов. Лишь циклы с довольно большим числом звеньев, по-видимому, столь же устойчивы, как и циклогексан.
Экваториальные и аксиальные связи в циклогексане
Вернемся к модели циклогексана в конформации кресла (рис. 9.8). Хотя его кольцо неплоское, можно считать, что атомы углерода находятся приблизительно в одной плоскости. Если рассматривать молекулу таким образом.
экваториальные связиэкваториальные связиРис. 9.8. Экваториальные н аксиальные связи в циклогексане.Рис. 9.8. Экваториальные н аксиальные связи в циклогексане.аксиальные связиаксиальные связи
экваториальные связи
экваториальные связи
Рис. 9.8. Экваториальные н аксиальные связи в циклогексане.
Рис. 9.8. Экваториальные н аксиальные связи в циклогексане.
аксиальные связи
аксиальные связи
то заметим, что атомы водорода занимают положения двух типов; шесть атомов лежат в плоскости атомов углерода, а шесть других — над или под нею. Связи шести атомов первого типа лежат в поясе, обрамляющем «экватор» кольца, и их называют экваториальными. Связи других шести атомов направлены вдоль оси (axis), перпендикулярной плоскости кольца, и их называют аксиальными. В конформации кресла каждый из атомов углерода имеет одну экваториальную и одну аксиальную связь.
Сам циклогексан, в котором атомы углерода связаны лишь с атомами водорода, свободен не только от углового и торсионного напряжения, но и от вандерваальсова напряжения. Атомы водорода у соседних атомов углерода находятся на таком же расстоянии друг от друга [2,3 А (23-10~2 нм)1, как и в загороженной конформации этана, и если они и испытывают взаимодействие между собой, то это слабое вандерваальсово притяжение. Отметим также, что три аксиальных атома водорода, находящихся с одной из сторон кольца, несколько сближены, хотя они и не находятся у соседних атомов углерода; в действительности расстояние между ними оказывается таким же благоприятным, как расстояние между другими атомами водорода [2,3 А (23-10~2 нм)1.
Если водород заместить на атом или группу большего размера, то наблюдается перекрывание атомов. Оно наиболее сильно для атомов, связанных с кольцом тремя аксиальными связями и находящихся на одной стороне молекулы. Возникающее взаимодействие называют 1,3-диаксиальным взаимодействием. За исключением водорода, все остальные экваториальные атомы или группы находятся в менее стесненном положении, чем аксиальные.
В качестве простого примера важности 1,3-диаксиальных взаимодействий рассмотрим метилциклогексан. Основное внимание при оценке устойчивости различных конформаций этого соединения будет уделено метильной группе, поскольку она — самый большой заместитель в кольце, наиболее чувствительный к пространственному сближению групп. Возможны две кресловидные конформации для этого соединения (рис. 9.9), в одной из которых метильная группа находится в экваториальном положении, а в
другой — в аксиальном. Как показано на рис. 9.10, два аксиальных атома водорода (при С-3 и С-5) ближе находятся к аксиальной метильной группе (при С-1), чем любые из атомов водорода к экваториальной СН3-группе.
экваториальная СН3экваториальная СН3Рис. 9.9. Конформации кресла метилциклогексана.Рис. 9.9. Конформации кресла метилциклогексана.аксиальная. СН3аксиальная. СН3
экваториальная СН3
экваториальная СН3
Рис. 9.9. Конформации кресла метилциклогексана.
Рис. 9.9. Конформации кресла метилциклогексана.
аксиальная. СН3
аксиальная. СН3
Можно ожидать, что экваториальная конформация будет более устойчивой, и она оказывается таковой, причем различие в энергии составляет примерно 1,8 ккал (7,54-103 Дж). При комнатной температуре большая часть молекул
Н■^чпориальная СН3Н■^чпориальная СН3аксиальная СН3аксиальная СН3
Н
■^чпориальная СН3
Н
■^чпориальная СН3
аксиальная СН3
аксиальная СН3
Рис. 9.10. 1,3-Диаксиальные взаимодействия. Аксиальная СН3-группа более затруднена, чем экваториальная.
(примерно 95%) находится в конформации с метильной группой в незатрудненном экваториальном положении.
Таким образом, в экваториальном положении СН3-группа направлена в сторону от ближайших соседей — двух атомов водорода (аксиального и экваториального) у соседних атомов углерода. Иначе обстоит дело при аксиальном положении СН3, поскольку в этом случае связь С—СН3 параллельна связям, удерживающим ближайшие соседние атомы — два аксиальных атома водорода.
Конформационный анализ в состоянии не только объяснить, почему одна конформация более устойчива, чем другая, но часто также дает возможность вычислить с удовлетворительной степенью точности, насколько она более стабильна.
Различие в 1,8 ккал (7,54-103 Дж) в устойчивости двух конформаций метилциклогексана обусловлено 1,3-диаксиальным взаимодействием метильной группы и двух атомов водорода. Если на основании этого принять, что величина 0,9 ккал (3,77-103 Дж) соответствует каждому 1,3-диаксиальному взаимодействию СН3 — водород, то обнаруживается, что удается с удивительной степенью точности рассчитывать различия в энергии конформаций для различных циклогексанов, содержащих более одной метильной группы.
Отметим, что величина 0,9 ккал (3,77-103 Дж) — это то же самое значение, которое в разд. 4.5 было приписано скошенному взаимодействию в н-бутаие; изучение моделей показывает, что это совпадение не случайно.
Рассмотрим модель конформации метилциклогексана с аксиальной метил группой. Если держать эту модель так, чтобы можно было рассматривать ее вдоль н°й
аксиальная СН,скошенная конформация
а бутана
Метильная группа и атом С-3 кольца находятся в таком же взаимном расположении, как две метильные группы в скошенной конформации н-бутана (разд. 4.5). Если теперь взглянуть вдоль связи Q—Се, то расположение атомов будет совершенно таким же, но место С-3 будет занимать С-5.
Рассмотрим модель конформации с экваториальной метильной группой. Если смотреть на молекулу вдоль связи Сх—Q, мы увидим следующую картину:
экваториальная СН3анти-конформацияк-бутанаэкваториальная СН3анти-конформацияк-бутана
экваториальная СН3анти-конформация
к-бутана
экваториальная СН3анти-конформация
к-бутана
В этом случае метильная группа и атом С-3 кольца находятся в таком же взаимном расположении, как две метильные группы в анти-конформации н-бутана. Если же взглянуть.вдоль связи С,—Се, то метильная группа и атом С-5 также будут находиться в анти-конфигурации.
Итак, каждому 1,3-диаксиальному взаимодействию метил — водород соответствует одно скошенное бутановое взаимодействие между метильной группой и атомом углерода в кольце. Из этих двух подходов более простым является учет 1,3-диаксиальных взаимодействий, и такой подход предпочтителен при изучении заместителей иных, чем метил, поскольку он обращает внимание на размеры непосредственно взаимодействующих (пространственно) групп.
В общем случае установлено, что: а) конформации кресла устойчивее, чем твист-конформации, и б) из кресловидных конформаций наиболее устойчива конформация, в которой большие группы находятся в экваториальных положениях. Известны также исключения из обоих этих обобщений (см., например, задача 8, стр. 298, задача 15, стр. 299 и задача 34.13, стр. 976), но эти исключения можно вполне логично объяснить.
Задача 9.4. Для алкилциклогексанов были определены следующие величины различий в энергии экваториальной и аксиальной конформаций: этил 1,9 (7,9,-103), изопропил 2,1 (8,79-103), mpem-бутил более 5 ккал/моль (20,93-103 Дж/моль). Рассмотрите модели и объясните столь большую величину для mpem-бутила. (Указание: не забудьте обратить внимание на свободу вращения вокруг всех простых связей.)
Стереоизомерия циклических соединений. Диастереомерия: цис- и транс-изомеры
В разд. 6.19 было показано, что ряд окислителей превращает алкены в гликоли. Наиболее широко применяется при этом холодный щелочной раствор перманганата калия и надмуравьиная кислота НСО2ОН
\/ КМпО4 или нсо2он ||
с=с>- —С—с—
/он он
алкеналкенгликоль
алкен
алкен
Циклоалкены, подобно алкенам, также подвергаются гидроксилированию. Циклопентен при обработке перманганатом калия превращается в вещество с т. пл. 30 °C, т. кип. 118 °С/22 мм рт. ст. и молекулярной формулой С6Н1оО2. При действии надмуравьиной кислоты на циклопентен образуется вещество с т. пл. 55 °C, т. кип. 136°С/22 мм рт. ст. и молекулярной формулой С5Н1оО2. Свойства этих двух веществ, как и сами методы их получения, показывают, что каждое из них представляет собой гликоль и имеет строение циклопентандиола-1,2. Однако различия в их физических свойствах (и некоторые отличия в химических свойствах) показывают также, что гликоли являются не одним и тем же веществом, а изомерами. Чем же могут отличаться структуры этих двух гликолей?
ОН
циклопентандиол-1,2,
т. пл. 55 °C
Для ответа на этот вопрос необходимо изучить молекулярные модели. Из рассмотрения моделей следует, что атомы в циклопентандиоле-1,2 могут располагаться таким образом, как показано либо в формуле I, в которой обе гидроксильные группы расположены по одну и ту же сторону от плоскости кольца (выше или ниже ее), либо в формуле II, в которой гидроксильные группы находятся по разные стороны от плоскости кольца.
ин ин н он гиин ин н он гиЦис-цихлопекпсакРиол-1,2 т,ра.к.с-уиклопеитанЭиол-1,2.Цис-цихлопекпсакРиол-1,2 т,ра.к.с-уиклопеитанЭиол-1,2.
ин ин н он ги
ин ин н он ги
Цис-цихлопекпсакРиол-1,2 т,ра.к.с-уиклопеитанЭиол-1,2.
Цис-цихлопекпсакРиол-1,2 т,ра.к.с-уиклопеитанЭиол-1,2.
Структуры I и II не могут совпасть при наложении и, таким образом, являются изомерными. Они отличаются лишь способом ориентации атомов в пространстве и, следовательно, стереоизомерны. Вращением вокруг связей невозможно превратить изомеры I и II друг в друга, и поэтому они не являются конформационными изомерами. Они представляют собой конфигурационные изомеры; они могут быть превращены друг в друга только с разрывом связей и вследствие этого способны к самостоятельному существованию. Они не являются зеркальными изображениями и поэтому представляют собой диастереомеры; следовательно, они должны иметь различные физические свойства, что и наблюдается у этих гликолей. Конфигурацию I называют ^цс-конфигурацией, а конфигурацию II — транс-конфигурацией (сравните цис- и транс-алкены, разд. 5.6).
Два циклопентандиола-1,2, полученные из циклопентена при действии двух различных реагентов, являются стереоизомерами и имеют структуры I и II. Остается только решить, какую структуру приписать каждому из соединений. Например, будет ли гликоль с т. пл. 30 °C цнс-или транс- изомером?
Ответ на этот вопрос можно получить рядом способов. Так, например, из рассмотрения моделей очевидно, что атомы кислорода более сближены в цыс-конфигураиии, чем в транс. Определение расстояния кислород — кислород методом рентгеноструктурного анализа безусловно позволит приписать правильную конфигурацию. Другой очень изящный способ доказательства конфигурации этих гликолей будет обсужден в следующем разделе. С помощью этого метода было установлено, что гликоль с т. пл. 30 °C, получаемый в реакции окисления перманганатом калия, имеет цис- конфигурацию, а гликоль с т. пл. 55 °C, получаемый при окислении надкислотой, имеет транс-конфигурацию.
Стереоизомерия подобного рода возможна также для других соединений, помимо гликолей, и для других циклов, помимо циклопентана. Некоторые из примеров выделенных изомеров перечислены ниже.
цис- 1,2-дибротицинлопеитанцис- 1,2-дибротицинлопеитансоонсоонцис-ццклопентам-1,3 дикарбоновак кислота.цис-ццклопентам-1,3 дикарбоновак кислота.транс-1,2-вибромциплопентантранс-1,2-вибромциплопентантфанс-ццклопентан-у-дикарбоновак кислота.тфанс-ццклопентан-у-дикарбоновак кислота.СООНСООНцис-циклобутан-!,5-дикарбоновая кислота.цис-циклобутан-!,5-дикарбоновая кислота.т.ра.кс-цикло6утан-1,3-дикарбонова.Я кислота.т.ра.кс-цикло6утан-1,3-дикарбонова.Я кислота.СН3 СНзСН3 СНз
цис- 1,2-дибротицинлопеитан
цис- 1,2-дибротицинлопеитан
соон
соон
цис-ццклопентам-1,3 дикарбоновак кислота.
цис-ццклопентам-1,3 дикарбоновак кислота.
транс-1,2-вибромциплопентан
транс-1,2-вибромциплопентан
тфанс-ццклопентан-у-дикарбоновак кислота.
тфанс-ццклопентан-у-дикарбоновак кислота.
СООН
СООН
цис-циклобутан-!,5-дикарбоновая кислота.
цис-циклобутан-!,5-дикарбоновая кислота.
т.ра.кс-цикло6утан-1,3-дикарбонова.Я кислота.
т.ра.кс-цикло6утан-1,3-дикарбонова.Я кислота.
СН3 СНз
СН3 СНз
цис-1,2 -виметилциклопропанцис-1,2 -виметилциклопропантраке-1,2- диметилциклопропсснтраке-1,2- диметилциклопропссн
цис-1,2 -виметилциклопропан
цис-1,2 -виметилциклопропан
траке-1,2- диметилциклопропссн
траке-1,2- диметилциклопропссн
Циклогексен, подобно циклопентену, можно окислить либо перманганатом калия, либо надмуравьиной кислотой, причем в результате окисления перманганатом калия образуется ^ыс-гликоль, а при окислении надкислотой — транс-гликоль. Детальное обсуждение этих стереоизомеров настолько тесно связано с конформационным анализом, что его лучше провести в одном из следующих разделов (разд. 9.16).
Стереоизомерия циклических соединений.
Энантиомерия
Рассмотрим более подробно стереоизомерию циклопентандиолов-1,2. В частности, выясним, почему столь уверенно можно считать, что гликоль с т. пл. 30 °C действительно является tyac-изомером, а гликоль с т. пл. 55 °C— транс- изомером.
Изучим модели цис- и транс-циклопентандиолов-1,2; каждое из этих соединений содержит два асимметрических атома углерода. В разд. 7.7 уже говорилось о том, что соединения, содержащие более одного асимметрического атома углерода, часто (но не всегда) являются диссимметричными. Будут ли эти гликоли диссимметричными? Как обычно, для проверки возможности диссимметрии построим модели молекулы и ее зеркального изображения и выясним, можно ли их совместить. После такой проверки мы убедимся, что для транс-гликоля эти модели невозможно совместить, трансГликоль является диссимметричным, и поэтому построенные нами модели представляют собой энантиомеры. Далее мы обнаружим, что эти модели невозможно превратить друг в друга путем вращения вокруг простых связей. Поэтому они являются не* конформационными, а конфигурационными изомерами, которые можно выделить — разделить, причем в индивидуальном состоянии каждый из них оптически активен.
зеркало
не совместимы, энантиомеры: возможно разделение ,
транс-циклопентандиол - /, 2
Теперь рассмотрим цис-циклопентандиол-1,2. Это соединение также содержит два асимметрических атома углерода; будет ли оно диссимметричным? В этом случае модели молекулы и ее зеркального изображения совмещаются. Несмотря на наличие асимметрических атомов углерода, цис-цик- лопентандиол-1,2 не является диссимметричным соединением; он не может
совместимы, мезо- соединение, цис-циклопентандиол-it 2
существовать в виде двух энантиомерных форм и не может быть оптически активным. Он представляет собой мезо-соединение.
Тот факт, что чис-циклопентандиол-1,2 представляет собой мезо-сое ди некие, можно установить, взглянув на структуру этой молекулы: одна половина ее является зеркальным изображением второй (разд. 7.7).
мезо-соединение, цис- циклопентандиол-4,2.
Таким образом, из двух циклопентандиолов-1,2, которые можно получить из циклопентена, один можно разделить на энантиомеры, и таковым
может быть только транс-гликоль. Экспериментально установлено, что гликоль с т. пл. 55 °C, получающийся при окислении надкислотами, представляет собой рацемическую модификацию, разделимую на два оптически активных изомера при помощи методов, описанных в разд. 7.10. Отсюда следует, что этот гликоль должен иметь транс-конфигурацию. Другой гликоль (т. пл. 30 °C, образуется при окислении перманганатом калия) представляет собой индивидуальное оптически неактивное вещество, которое невозможно разделить; поэтому он должен иметь ^нс-конфигурацию.
Какова взаимосвязь между мезо-цис-гликолем и любым из энантиомерных транс-гликолей? Как мы уже показали, они представляют собой диастереомеры, поскольку они являются стереоизомерами, но не энантиомерами.
Конфигурация изомерных циклогександиолов-1,2 была установлена точно таким же путем; продукт, образующийся при окислении циклогексена надкислотой, можно разделить на рацемические модификации и поэтому он является транс-гликолем. Продукт, образующийся при окислении перманганатом, представляет собой оптически неактивное и неразделимое на оптически активные изомеры вещество и поэтому является ^ыс-гликолем. Этот аспект стереохимии производных циклогексана нуждается, однако, в более тщательном изучении, что и будет сделано в следующем разделе.
Стереоизомерия циклических соединений. Конформационный анализ
До сих пор рассматривались относительные положения групп в цис- и транс-изомерах исходя из предположения, что циклы плоские, и полагая, что группы находятся либо с одной и той же, либо с разных сторон от пло-
Рис. 9.11. Конформации кресла транс-1,2-диметилциклогексана.Рис. 9.11. Конформации кресла транс-1,2-диметилциклогексана.
Рис. 9.11. Конформации кресла транс-1,2-диметилциклогексана.
Рис. 9.11. Конформации кресла транс-1,2-диметилциклогексана.
скости кольца. В свете того, что было сказано выше об искажении формы кольца, становится ясным, что эта картина слишком упрощена даже для четырех- и пятичленных циклов и совершенно не годится для шестичленного цикла.
Применим методы конформационного анализа к стереохимии производных циклогексана, и поскольку мы уже немного знакомы с взаимодействием метильных групп, то в качестве примера возьмем диметилциклогексаны.
Если рассматривать лишь наиболее стабильную конформацию кресла, то обнаружится, что молекула транс- 1,2-диметилциклогексана может существовать в двух конформациях (рис. 9.11). В одной из них обе СН3-группы находятся в экваториальном положении, в другой — в аксиальном. Таким образом, две СН3-группы в транс-изомере не обязательно находятся с противоположных сторон от плоскости кольца; в действительности из-за меньших стерических препятствий более устойчивой конформацией будет диэк- ваториальная, поскольку в ней взаимодействия метильных групп с аксиаль-
ними водородами кольца меньше (меньше 1,3-диаксиальные взаимодействия).
Молекула z^tzc-1,2-диметилциклогексана может также существовать в двух конформациях (рис. 9.12). В этом случае два конформера обладают одинаковой устойчивостью (являются зеркальными изомерами), поскольку в каждом из них имеется одна аксиальная и одна экваториальная СН3- группы.
аксиальная-экеапюриа льнаяаксиальная-экеапюриа льнаяэкваториальная- аксиальнаяэкваториальная- аксиальнаяРис. 9.12. Конформации кресла цис-1,2-диметилциклогексана.Рис. 9.12. Конформации кресла цис-1,2-диметилциклогексана.
аксиальная-экеапюриа льная
аксиальная-экеапюриа льная
экваториальная- аксиальная
экваториальная- аксиальная
Рис. 9.12. Конформации кресла цис-1,2-диметилциклогексана.
Рис. 9.12. Конформации кресла цис-1,2-диметилциклогексана.
В наиболее стабильной конформации траме-1,2-диметшщиклогексана обе СН3-грулпы находятся в незатрудненном экваториальном положении. В любой из конформаций цис- 1,2-диметилциклогексана лишь одна из СН8- групп может находиться в экваториальном положении. Поэтому вполне естественно, что транс-1,2-диметилциклогексан оказывается более устойчивым, чем цнс-1,2-диметилциклогексан.
Интересно отметить, что в наиболее устойчивой (диэкваториальной) конформации транс-изомера СН3-группы находятся точно на таком же расстоянии друг от друга, как в любой из конформаций цас-изомера. Ясно, что не отталкивание СН3-групп, как можно было бы неверно предполагать на основании рассмотрения плоских формул, ответственно за различие в устойчивости транс- и цис-изомеров; причина заключается в наличии 1,3-диаксиальных взаимодействий (разд. 9.13).
Выясним теперь, насколько более устойчив транс-изомер. В цис-1,2- диметилциклогексаче имеется одна аксиальная метильная группа и, следовательно, два 1,3-диаксиальных взаимодействия метильной группы с двумя атомами водорода (или, что эквивалентно, см. разд. 9.13, имеется два скошенных бутановых взаимодействия между метильными группами и атомами углерода кольца). Кроме того, имеется одно скошенное бутановое взаимодействие между двумя метильными группами. Принимая величину 0,9 ккал (3,77-10 Дж) для каждого 1,3-диаксиального взаимодействия водород — метильная группа или скошенного бутанового взаимодействия, получим общую суммарную величину 2,7 ккал (11,30-103 Дж) для вандер- ваальсова напряжения в цис- 1,2-диметилииклогексане. В диэкваториальной конформации транс-изомера отсутствуют 1,3-диаксиальные взаимодействия водород — метильная группа, но имеется одно скошенное бутановое взаимодействие между метильными группами. Это дает величину 0,9 ккал (3,77-103 Дж) Для вандерваальсова напряжения молекулы. Вычитая 0,9 ккал (3,77-103 Дж) из 2,7 ккал (11,30-103 Дж), получим, что транс- изомер будет устойчивее цас-изомера на 1,8 ккал/моль (7,54-103 Дж/моль), что очень хорошо согласуется с экспериментально определенной величиной 1,87 ккал (7,83-103 Дж).
предскажите (там, где сможете) разность в потенциальной энергии для каждой из пар конформеров.
Задача 9.6. На основании теоретических соображений К. Питцер (Калифорнийский университет) рассчитал, что разность энергий между конформациями цис-1,3-диметилцикло- гексана должна составлять 5,4 ккал (22,58-10® Дж), что значительно больше, чем разность между энергиями кресловидных конформаций транс-1,‘Z- или транс- 1,4-диметил- циклогексанов. а) Какой особый фактор учитывался Питцером для цис- 1,3-изомера? б) Используя величину 0,9 ккал (3,77-10® Дж) (в тех случаях, когда она применима), какое значение вы можете приписать вышеупомянутому фактору, чтобы получить 5,4 ккал для разности между энергиями конформаций цис-1,3-изомера? в) Согласно измерениям Аллинджера (университет Вейна штата Мичиган), разность между потенциальными энергиями цис- и транс- 1,1,3,5-тетраметилциклогексанов составляет 3,7 ккал/моль (15,49-10® Дж/моль). Это измерение было выполнено, поскольку оно имеет прямое отношение к вопросу о ^ис-1,3-диметилциклогексане. Какова связь между этими измерениями и вопросами (а) и (б)? Являются ли измерения Аллинджера подтверждением расчетов Питцера?
Задача 9.7. Предскажите относительную стабильность цис- и транс-изомеров а) 1,3- диметилциклогексана и б) 1,4-диметилциклогексана. в) Исходя из величины 0,9 ккал/моль (3,77-10® Дж/моль) на каждое 1,3-аксиальное взаимодействие водород — метильная группа или скошенное бутановое взаимодействие и считая, что каждый стереоизомер существует только в наиболее устойчивой конформации, предскажите разность, между потенциальными энергиями для каждой иэ перечисленных пар изомеров.
Конформационный анализ производных циклогексана, содержащих несколько различных заместителей, проводится так же, как для диметилциклогексанов. При этом следует иметь в виду, что при наличии двух групп определяющую роль играет группа большего размера. Из-за очень сильного 1,3-диаксиального взаимодействия (задача 9.4; стр. 281) объемистая трет- бутильная группа особенно склонна занимать экваториальное положение. Если, как обычно бывает, другие заместители имеют существенно меньший объем, чем /ирет-бутильная группа, то молекула практически зафиксирована в одной конформации, а именно в конформации с экваториальным положением mpem-бутильной группы. Рассмотрим циклогексаны I и II, содержащие 4-трет-бутильную группу в цис- или транс-положении к другому заместителю G.
В каждом диастереомере mpem-бутильная группа удерживает заместитель G исключительно в аксиальном или экваториальном полоении, причем вследствие большого расстояния не оказывает на него существенного электронного влияния. Профессор С. Уинстейн (Калифорнийский университет) предложил использовать mpem-бутильную группу как группу, фиксирующую конформацию, и с тех пор она широко используется при изучении физических и химических свойств аксиальных или экваториальных заместителей.
Задача 9.8 Используя значения разности между энергиями, приведенные в задаче 9.4 (стр. 281), рассчитайте величины различных 1,3-диаксиальных взаимодействий водород — алкильная группа и на этом основании разности между энергиями двух конформаций следующих соединений: а) чис-4-трет-бутилметилциклогексана; б) транс-4-трет-бу- тилметилциклогексана; в) транс-З-цис-4-диметил-трет-бутилциклогексана.
Что же теперь можно сказать о возможной диссимметрии 1,2-диметилциклогексанов? Построим модель транс- 1,2-диметилциклогексана, например в его наиболее устойчивой диэкваториальной конформации, и модель его зеркального изображения. Эти модели при наложении не совпадают и поэтому являются энантиомерами. Они не превращаются друг в друга и, следовательно, будут конфигурационными изомерами. (Если превратить одну из моделей в противоположную ей конформацию кресла, то получим не зеркалльное изображение, а диаксиальный конформер.) Таким образом, транс- 1,2-диметилциклогексан можно в принципе разделить на конфигурационные энантиомеры, каждый из которых должен быть оптически активным.
Построим теперь модели цис- 1,2-диметилциклогексана и его зеркального изображения. Эти модели не совпадают при наложении и поэтому являются энантиомерами. Однако в противоположность тому, что было сказано для транс-изомеров, в этом случае модели оказываются взаимопрев- ращаемыми и переходят одна в другую при конверсии одной конформации кресла в другую. Они представляют собой конформационные энантиомеры и поэтому должны взаимопревращаться слишком быстро для того, чтобы их удалось разделить и измерить оптическую активность (во всяком случае, при обычной температуре).
зеркало
не совпадают при наложении, взаимопревращения не происходит;(прайс - /, 2-диметилциклогексан, разделимая рацемическая модификацияне совпадают при наложении, взаимопревращения не происходит;(прайс - /, 2-диметилциклогексан, разделимая рацемическая модификацияне совпадают при наложении, однако взалмойре вращаются*, цис 4.2-диметилциклогексан, неразделимая рацемическая модификацияне совпадают при наложении, однако взалмойре вращаются*, цис 4.2-диметилциклогексан, неразделимая рацемическая модификация
не совпадают при наложении, взаимопревращения не происходит;
(прайс - /, 2-диметилциклогексан, разделимая рацемическая модификация
не совпадают при наложении, взаимопревращения не происходит;
(прайс - /, 2-диметилциклогексан, разделимая рацемическая модификация
не совпадают при наложении, однако взалмойре вращаются*, цис 4.2-диметилциклогексан, неразделимая рацемическая модификация
не совпадают при наложении, однако взалмойре вращаются*, цис 4.2-диметилциклогексан, неразделимая рацемическая модификация
Итак, как и в случае цис- и транс-циклопентандиолов-1,2 (разд. 9.15), цис- и транс- 1,2-диметилциклогексанам можно приписать конфигурации путем установления того, какой из этих изомеров может быть разделен на антиподы, цис- 1,2-Диметилциклогексан является не л/ез-соединением, а неразделимой рацемической модификацией, что для большинства практических целей равносильно л/езо-соединению.
Таким образом, 1,2-диметилциклогексан существует в виде пары конфигурационных диастереомеров: цис- и транс-изомеров. цис-Изомер существует в виде пары конформационных энантиомеров, а транс-изомер — в виде пары конфигурационных энантиомеров, каждый из которых в свою
очередь существует как два конформационных диастереомера (аксиальный — аксиальный и экваториальный — экваториальный).
Вследствие легкой взаимопревращаемости конформаций кресла можно использовать плоские формулы для предсказания возможности конфигурационной стереоизомерии производных циклогексана. Однако для того, чтобы получить представление о подлинной геометрии молекул и об их стабильности, необходимо использовать модели и формулы, подобные приведенным на рис. 9.11 и 9.12.
зеркало
совпадают при ■наложении, цш-чиклогександиол-1,2
зеркала
не совпадают при наложении, транс-циклогександиол-1,2
Задача 9.9. Какие из следующих соединений можно разделить, а какие —- нельзя? Какие из этих соединений являются истинными жсзо-соедннениями? Используйте как модели, так и формулы.
цыс-циклогександиол-1,2,г)транс-циклогександиол-1,3,
транс-циклогександиол-1,2,д)1щс-циклогександиол-1,4,
<{ис-циклогександиол-1,3,е)транс-циклогександиол-1,4.
Задача 9.10. Укажите, существует ли какое-либо из соединений, перечисленных в задаче 9.9, в виде: а) одной конформации; б) пары конформационных энантиомеров; в) пары конформационных диастереомеров; г) пары конфигурационных энантиомеров, каждый из которых существует в виде одного конформера; д) пары конфигурационных энантиомеров, каждый из которых существует в виде пары конформационных диастереомеров; е) в виде, отличном от перечисленных (укажите в каком).
Задача 9.11. Напишите структурные формулы всех стереоизомеров перечисленных ниже соединений. Укажите все .мезо-соединения и обозначьте пары энантиомеров. Существуют ли какие-либо из них (подобно цис-1,2-диметилциклогексану) в виде неразделимых рацемических модификаций?
цис-2-хлорциклогексанол,г)транс-3-хлорциклопентанол,
транс-2-хлорциклогексанол,д)щ/с-4-хлорцикло1ексанол,
г{цс-3-хлорциклопентанол,е)транс-4-хлорциклогексанол.
цис и транс-Присоединение к циклическим алкенам
Обратимся еще раз к стереоизомерным ииклопентандиолам-1,2 и на этот раз внимательнее рассмотрим реакции, приводящие к их образованию. При гидроксилировании циклопентена перманганатом калия образуется только один стереоизомер — щщ-гликоль, а при гидроксилировании циклопентена надкислотами получается исключительно транс-гликоль. Существуют также стереоизомерные 1,2-дибромциклопентаны, однако установлено.
что при присоединении брома к циклопентену образуется лишь трансдибромид.
транс - /, ^-бибромциклопентан
Подобные реакции, которые дают лишь один из возможных стереоизомерных продуктов, называют стереоселектиеными реакциями (разд. 8.9). Стереоселективность этих реакций присоединения присуща не только циклопентену, но наблюдается для всех алкенов, структура которых допускает образование изомерных аддуктов. Так, например, циклогексен превращается в ^ыс-гликоль при действии перманганата калия и в транс-гликоль при действии надкислот; присоединение брома и в этом случае дает трансдибромид. (Ациклические алкены ведут себя в реакции присоединения так же, как циклоалкены; при этом, однако, возникают новые особенности, которые будут рассмотрены в следующем разделе.)
Стереоселективность рассматриваемых реакций состоит в том, что гидроксилирование действием надкислот и присоединение галогенов происхо-
дит как транс-присоединение, а гидроксилирование перманганатом калия — как цис-присоединение. Приставки цис и транс в этих случаях означают совсем не то, что приставки цис и транс в названиях веществ: они также не являются названиями механизмов реакций. Эти термины служат лишь для констатации стереохимических фактов: образуется продукт, стереохимия которого соответствует присоединению частей реагента либо с противоположных сторон плоскости алкена (транс), либо с одной и той же стороны (цис).
цис- и транс-Присоединение
к ациклическим алкенам. Стереоспецифические реакции
Стереоселективность может наблюдаться при присоединении не только к циклическим алкенам, но в равной мере и в реакциях с ациклическими алкенами. Но сами ациклические алкены могут существовать как геометрические изомеры, и поэтому характер образующегося стереоизомера зависит от того, какова геометрия исходного алкена.
Так, например, гидроксилирование перманганатом превращает цисбутен-2 в жзо-гликоль, а транс-бутен-2 в рацемический гликоль. В реакциях гидроксилирования с помощью надкислот или в реакциях присоединения галогенов справедлива обратная закономерность: рацемический продукт образуется из цис-бутена-2, а л/езо-продукт — из транс-бутена-2.
Эти результаты вполне согласуются со стереохимическими закономерностями, рассмотренными выше. Окисление цис-бутена-2 перманганатом дает жезо-структуру I, образование которой можно представить как присоединение обеих ОН-групп к одной и той же стороне молекулы алкена (выше или ниже плоскости), т. е. как цис-присоединение.
Чис- Присоединение
цис-Присоединение ОН-групп к транс-бутену «сверху» дает структуру II, а «снизу» структуру III. Структуры II и III являются энантиомерами, поскольку присоединение к любой из сторон молекулы равновероятно, то энантиомеры будут образовываться в равных количествах, что соответст-
вует образованию рацемической модификации. (Оптически неактивные реагенты всегда дают оптически неактивные продукты.)
Пи Ш -энантиомеры, рацемический бутана иол-2,3Пи Ш -энантиомеры, рацемический бутана иол-2,3
Пи Ш -энантиомеры, рацемический бутана иол-2,3
Пи Ш -энантиомеры, рацемический бутана иол-2,3
Присоединение брома к цыс-бутену-2 дает рацемический дибромид, который и должен образовываться при транс-присоединении. Присоединение брома с разных сторон может происходить двумя путями (а или б), что соответствует образованию разных энантиомеров. Поскольку независимо от точной природы механизма присоединения обе схмемы (а и б) равновероятны, то в результате будет образовываться рацемическая модификация.
транс-Присоединение
IV u V - энантиомеры, рацемический 2,3-дибромбутан
Аналогичным образом
лезо-дибромида из транс-бутена-2.
транс - присоединение объясняет образование
Эти реакции, как и реакции пиклоалкенов, конечно, стереоселективны, поскольку образуются только строго определенные стереоизомеры из всех возможных. Но их можно также считать стереоспецифическими реакциями, т. е. реакциями, в которых стереохимически различные продукты образуются из стереохимически различных реагентов.
Все стереоспецифические реакции, конечно, стереоселективны, ио обратное не обязательно справедливо. Существуют реакции, в результате которых образуется преимущественно лишь один из возможных стереоизомеров независимо от стереохимии реагентов; подобные реакции стереоселективны, но не стереоспеиифичны.
В рассматриваемых примерах нет существенной разницы между стереохимией присоединения к циклическим или ациклическим алкенам. Просто в силу того, что размеры кольца позволяют циклогексену и циклопентену существовать лишь в виде цисизомеров, нельзя осуществить стереоспецифические реакции с этими алкенами.
Термины стереоселективный и стереоспецифический неприменимы к реакциям типа рассмотренных в разд. 7.3, в которых из одного энантиомера реагента получают один энантиомер продукта, а лишь к реакциям, в которых реагенты (и продукты) представляют собой диастереомеры.
Стереохимия реакции, безусловно, должна удовлетворительным образом объясняться механизмом реакции. Как будет показано ниже, гидроксилирование надкислотами и гидроксилирование перманганатом дают различные стереохимические результаты потому, что их механизмы совершенно различны. Напротив, гидроксилирование надкислотами и присоединение галогенов, вероятнее всего, протекают по механизмам, в принципе одинаковым. Эти механизмы б) дут описаны в разд. 28.16—28.18, где они рассматриваются более подробно. Однако нетерпеливый студент может ознакомиться с ними уже сейчас и убедиться, что они вполне понятны.
Присоединение метиленов
Циклопропаны могут быть получены в одну стадию при реакции алкенов с метиленом, например:
CHSCH=CHCH3 + CH2N2 .“-t?^ сн3сн—снсн8 + n2
бутен-2 дищзометан1,3-диметилциклопропан
Выше уже говорилось о том, что метилен реагирует с С—Н-связью по схеме внедрения; в приведенном примере метилен реагирует с двойной связью углерод — углерод по схеме присоединения.
С=С +СН2> —СС— Присоединение
В разд. 4.33 было показано, что реакция внедрения может протекать с участием любой из форм метилена — синглетной или триплетной, причем каждая из форм реагирует по различному механизму и с разной степенью селективности: а) в жидкой фазе в реакцию вступает синглетный метилен, и реакция происходит по механизму прямого внедрения и неселективно; б) в газовой фазе в реакцию вступает триплетный метилен, и реакция происходит селективно по механизму отрыва водорода и присоединения, причем она ингибируется кислородом и идет лучше в присутствии инертного газа.
Присоединение метилена может происходить аналогичным образом. Наиболее удивительной особенностью этой реакции является то, что возможны две разные стереохимические схемы (задачи 9.12 и 9.13); это указывает на осуществление двух различных механизмов. Характер зависимости стереохимии о условий реакции — газовая или жидкая фаза, присутствие
или отсутствие инертного газа или кислорода — показывает, что каждый из способов присоединения соответствует определенному способу реакции внедрения и связан с определенной формой метилена.
ц^-СН2 .ц^-СН2 .Кажется вероятным (как предположил П. Скелл, университет штата Пенсильвания), что в реакцию одностадийного стереоспецифического присоединения вступает синглетный метилен
ц^-
СН2 .
ц^-
СН2 .
СН2 + /С=С^
В то же время триплетный метилен (дирадикал) вступает в аналогичную свободнорадикальную реакцию двухстадийного нестереоспецифического присоединения, т. е. реакцию по схеме «присоединение — сочетание»:
\ /II
сн2 + с=с —> —с—с> —с—с—
сн2.
Задача 9.12. Фотолиз диазометана в среде жидкого бутена-2 приводит к образованию наряду с другими подуктами 1,2-диметилциклопропана. Из цис-бутена образуется только цис-продукт, а из транс-бутена — только транс-продукт. а) Какова стереохимия присоединения метилена в этих случаях? б) Из того, что вы узнали в разд. 4.43, сделайте вывод о том, в какой из форм реагирует метилен в этих условиях? Почему? в) Ответьте подробно, почему приведенный'выше механизм стереоспецифичного присоединения будет приводить к стереохимическим результатам, указанным в (а).
Задача 9.13. В газовой фазе при малой концентрации алкена и в присутствии инертного газа метилен присоединяется к цис- или транс-бутену-2 с образованием в обоих случаях смеси цис- и /ираяс-1,2-диметилциклопропана, а) Что можно предположить в общем виде на основании самого факта перехода от стереоспецифичного присоединения к нестереоспецифичному присоединению? б) Из того, что вы узнали в разд. 4.43, сделайте вывод о том, в какой из форм реагирует метилен в этнх’условиях. Почему? в) Опишите подробно, каким образом приведенный механизм нестереоспецифичного присоединения будет объяснять отсутствие стереоспецифичности. Используйте модели. (.Указание: см. разд. 4.32 и 7.8.) г)?Если в газовой фазе присутствует не только инертный газ, но также некоторое количество кислорода, то присоединение становится сполна стереоспецифичным. Согласуется ли этот факт с предлагаемым механизмом? Каким образом вы объясните действие кислорода?
Задача 9.14. Фотолиз в газовой фазе диазометана в изобутилене (в условиях, не вызывающих изомеризацию промежуточных горячих продуктов) дает не только 1,1-диметилциклопропан, но также и 2-метилбутен-1 и 2-метилбутен-2. а) С какой реакцией метилена можно связать образование этих двух алкенов? б) Соотношение 2-метилбутена-1 и 2-метил- бутена-2 близко к 3 : 1. Какая из форм метилена наиболее вероятно участвует в реакциях пункта!(а)? в) Если повысить давление инертного газа, выход 1,1-диметилциклопропана увеличивается, выход алкенов уменьшается но соотношение алкенов остается неизменным •— 3:1. Каково вероятное объяснение этого явления?
Замещенные метилены, а-Элиминирование
Обычно используемый способ получения циклопропанов показан ниже на примере реакции бутена-2 с хлороформом в присутствии трет-бутилата калия
трет-СдНоО-К+
CI13СН=СНСН3 + СНС13 - CHSCH—CHCHg + mpem-C4H9OH + КС1
бутен-2хлороформ
3,3-дихлор-1,2-диметилциклопропан
В этом случае также полагают, что промежуточной стадией реакции будет ста дия образования производного двухвалентного углерода — дихлорме-
спилена (дихлоркарбена) :СС12. Он образуется в результате двухстадийной реакции, в первой стадии которой сильное основание, тре/п-бутилат-ион, атакует молекулу хлороформа. Образующийся дихлорметилен присоединяется к алкену
(1)(2)(1)(2)mpem-C4H8O:~ + Н:СС13 ч"^ :СС13 + mpem-C4H9O:H
(1)
(2)
(1)
(2)
:С(Х >■ :СС12 + СГ
дихлор-метилен
(3)(3)СИ3СН=СНСН3 + :СС12 >СИ3СН=СНСН3 + :СС12 >CHgCH—снсн,CHgCH—снсн,СС
(3)
(3)
СИ3СН=СНСН3 + :СС12 >
СИ3СН=СНСН3 + :СС12 >
CHgCH—снсн,
CHgCH—снсн,
С
С
Предполагается, что вследствие наличия атомов галогенов синглетная форма со спаренными электронами (разд. 4.33) — более устойчивая форма дихлорметилена, и именно в этой форме он присоединяется к двойной связи. (Стабилизация за счет атомов галогенов, по-видимому, является причиной того, почему дигалометилены обычно не претерпевают реакций внедрения, столь характерных для незамещенного синглетного метилена.)
Задача 9.15. а) При образовании 3,3-дихлор-1,2-диметилциклопропана по реакции с СНС13 и 77грет-С4НдОК*цис-бутен-2."дает'нсключительно цис-изомер, а траяс-бутеи-2 — только транс-изомер. Какова стереохимия присоединения дихлорметилена? б) Присоединение :СС12 к циклопентену дает лишь один изомер. Какое это соединение? в) Присоединение :СВгС1 к циклопентену дает смесь стереоизомера. Как вы это объясните в свете данных пункта (б)? Какова вероятная природа этих изомеров? (Указание: используйте модели.)
При обсуждении дегидрогалогенирования алкилгалогенидов в разд. 5.14 мы же встречались с реакцией, в ходе которой ион водорода и ион галогена удаляются из одной и той же молекулы под действием основания; в этих случаях Н и X отщепляются от соседних атомов углерода, и этот процесс называется ^-элиминированием. При генерации метилена, рассматриваемой в этом разделе, оба отщепляемых атома Н и X удаляются от одного и того же атома углерода, и этот процесс называется а-элиминированием. (В разд. 25.20 будут рассмотрены некоторые данные, касающиеся механизма а-элиминирования.)
X
|| основание \/
—С—С— >- С=С Р-Элимииироваиие
Н
I основание |
—С—Н > —С:а-Элимнинрование
X
Задача 9.16. а) Почему СНС18 не подвергается Р-элиминированию при действии основания? б) Какой фактор, по вашему мнению, будет облегчать «-элиминирование от СНС13 по сравнению, скажем, с СН3С1?
Анализ циклических алифатических углеводородов
Циклопропан быстро обеспечивает раствор брома в четыреххлористом углероде (разд. 9.7), и в этом отношении он напоминает алкен или алкин. Однако в отличие от этих ненасыщенных углеводородов он не окисля-
Циклические алифатические углеводороды ется холодным разбавленным нейтральным раствором перманганата калия.
Другие циклические алифатические углеводороды обладают теми же свойствами, что и их ациклические аналоги, и их можно охарактеризовать аналогичным образом: циклоалканы по своей общей инертности, а циклоалкены и циклоалкины по пробе на ненасыщенность (раствор брома в четыреххлористом углероде или водный раствор перманганата калия). То, что соединение, дающее положительную пробу на ненасыщенность, относится к числу циклических углеводородов, устанавливается по молекулярной формуле и характеру продуктов деструкции.
Например, свойства циклогексана свидетельствуют о том, что он является алканом. Однако элементный анализ и определение молекулярного веса показывают, что его молекулярная формула С6Н12. С этим набором данных совместима лишь циклическая структура (не обязательно шестичленное кольцо).
Аналогичным образом поглощение 1 моля водорода при гидрировании показывает, что циклогексен содержит лишь одну двойную углерод — углеродную связь; тем не менее его молекулярная формула С6Н10, что требует наличия двух двойных или одной тройной связи для случая ациклической структуры. И в этом случае только циклическая структура соответствует всем этим фактам.
Задача 9.17. Сравните молекулярные формулы следующих соединений: а) н-гексана и циклогексана; б) н-пентана и циклопентана; в) гексена-1 и циклогексена; г) додекана, я-гексилииклогексана и циклогексилциклогексана; д) Каким образом в общем случае можно определить число колец в соединении по молекулярной формуле и степени ненасыщенности?
Задача 9.18. Какова молекулярная формула следующих соединений: а) циклогексана; б) метилциклопентана; в) 1,2-диметилциклобутана? г) Дает ли молекулярная формула какие-либо сведения о размере цикла в соединении?
Задача 9.19. Желтые растительные пигменты (а-, р- и у-карояганы) и красный пигмент томатов (ликопин) превращаются в печени в витамин А. Все четыре вещества имеют молекулярную формулу С4„Н5в. При каталитическом гидрировании а- и p-каротины дают соединение С40Н781 у-каротин — С4иН80, а ликопин — С40Н82. Содержатся ли циклы в молекулах этих соединений и если да, то сколько?
Характер продуктов расщепления циклоалкенов и циклоалкинов также указывает на циклическую структуру. Так, например, озонолиз циклогексена не приводит к разрыву молекулы на два альдегида с меньшим числом атомов углерода, а просто дает одно соединение с шестью атомами углерода, содержащее две альдегидные группы.
СН2
Оз н2о. Zn Н^ \но
СН2НгС^ ^СНI IIН2С сн^сн^циклогексенСН2НгС^ ^СНI IIН2С сн^сн^циклогексен—>> |Н2С СНО
СН2
НгС^ ^СНI II
Н2С сн^сн^циклогексен
СН2
НгС^ ^СНI II
Н2С сн^сн^циклогексен
диальдегид
СН2кмпо4 н^ СООН
Н2С СООН
дикислота
Задача 9.20. Предскажите, какие продукты образуются при озонолизе следующих соединений: а) циклогексена; б) 1-метилциклопентена; в) 3-метилциклопентена; г) циклогексадиена-1,3; д) циклогексадиена-1,4?
Задача 9.21. Как циклогексен, так и октадиен-1,7 дают диальдегнд ОНС(СН2)4СНО при озонолизе. Какие дополнительные факты позволят различить эти два соединения?
(Анализ циклических алифатических углеводородов спектральными методами будет рассмотрен в разд. 13.16—13.18.)
ЗАДАЧИ
Напишите структурные формулы перечисленных ниже соединений:
метилциклопентана,д)г<ис-2-бром-1-метилциклопентана,
1-метилциклогексена,е)циклогексилциклогексана,
3-метилциклопентена,ж)циклопентилацетилена,
лобутана,лобутана,транс-1.3-дихлорцик-з)1,1-диметил-4-хлорциклогептана.
лобутана,
лобутана,
Напишите структурные формулы и названия основных органических соединений.
которые получатся при следующих реакциях:
циклопропан + Вг2/СС14,
циклопропан + Вг2 (300 °C),
циклопентан + Вг2/СС14,
циклопентан + Вг2 (300 °C),
циклопентен + Вг2/СС14,
циклопентен + Вг2 (300 °C),
1-метилииклогексен + НС1,
1-метилциклогексен + Вг2 (водн.),
1-метилциклогексеи + НВг (перекиси),
циклогексадиен-1,3 4- НС1,
циклопентанол 4- H2SO4 (нагревание),
м) бромциклогексан 4- КОН (спирт.),
н) циклопентен 4- КМпО4 (на холоду),
циклопентен 4- НСО.ОН,
п) циклопентен 4- КМпО4 (горячий),
хлорциклопентан 4- Na,
с) 1-метилциклопентен 4- конц. H2SO4 (на холоду).
т) 3-метилциклопентен 4- О3, затем Zn/H2O,
у) циклогексен 4- H2SO4 * С12Н20,
ф) циклопентен 4- СНС13 4~ mpem-C4H9OK.
Укажите все стадии лабораторных синтезов следующих соединений, используя циклогексанол в качестве единственного органического вещества и любые необходимые не
бромциклогексана,2-хлорциклогексанола,3-бромциклогексена,циклогексадиена-1,3, м) циклогексилциклогексана.бромциклогексана,2-хлорциклогексанола,3-бромциклогексена,циклогексадиена-1,3, м) циклогексилциклогексана.органические реактивы:
бромциклогексана,
2-хлорциклогексанола,
3-бромциклогексена,
циклогексадиена-1,3, м) циклогексилциклогексана.
бромциклогексана,
2-хлорциклогексанола,
3-бромциклогексена,
циклогексадиена-1,3, м) циклогексилциклогексана.
циклогексена, б) циклогексана, в) транс- 1,2-дибромциклогексаиа, г) чис-циклогександиола-1,2, д) траяс-циклогександиола-1,2,
ОНС(СН2)4СНО.
адипиновой кислоты НООС(СН2)4СООН.
Напишите структурные формулы всех изомеров соединений, приведенных ниже. Для производных циклогексана достаточно привести плоские формулы (стр. 289). Ука
жите пары энантиомеров и .мезо-соединения.
дихлорциклопропаны,г)дихлорциклогексаны,
дихлор циклобутаны,д)хлор-1,1-диметилциклогексаиы,
дихлорциклопентаны,е)1,3,5-трихлорциклогексаны.
Существует ряд стереоизомерных 1,2,3,4,5,6-гексахлорциклогексанов. Не пытаясь изобразить структуры их всех, напишите структурную формулу наиболее устойчивого изомера и покажите его предпочтительную конформацию.
а) 2.5-Диметилциклопентан-1,1-дикарбоновая кислота (1) может быть получена в виде двух неактивных веществ (А и Б), различающихся по температурам плавления. Напишите структурные формулы этих веществ, б) При нагревании соединение А дает две 2,5- диметилциклопеитанкарбоновые кислоты (И), а соединение^—лишь одну. Уточните, какая структура соответствует А, а какая — Б.
НООС СООН
нагревание
Н СООН
а) транс-1,2-Диметилцнклогексан существует примерно на 99% в диэкваториальной конформации, транс-1,2-Дибромциклогексаи (или транс-1,2-днхлорциклогексан), с другой стороны, существует в виде смеси примерно равных количеств диэкваториаль- ного и диаксиального конформеров; более того, доля диаксиального конформера уменьшается с увеличением полярности растворителя. Каким образом вы объясните столь резкое различие между диметил- и дибром(дихлор)производными? (Указание: см. разд. 4.7.)
Если транс-3-цис-4днбром-трет-бутилциклогексан, подвергается длительному нагреванию, он превращается в равновесную смесь (примерно 50 : 50) этого вещества и его диастереомера. Какова вероятная структура этого диастереомера? Как вы объясните примерно равную устойчивость этих двух диастереомеров? [В этом пункте, как и в пункте (в), наиболее стабильной конформацией каждого диастереомера следует считать конформацию с экваториальной mpem-бутильной группой-.)
Имеется еще два диастереомерных 3,4-дибром-трет-бутилциклогексана. Какие именно? Как вы объясните тот факт, что ни один из них не присутствует в заметных количествах в равновесной смеси?
Декалин С10Н18 содержит два сконденсированных циклогексановых кольца
декалиндекалин
декалин
декалин
а) Используя модели, покажите, почему возможны два изомерных декалина — цис- и транс-, б) Сколько разных конформаций, свободных от углового напряжения, возможно для ц«с-декалина; для транс-декалина? в) Какова наиболее стабильная конформация цис-декалина; транс-декалина? (Указание: рассмотрите каждое из колец по очереди. Что является заместителем наибольшего размера для каждого кольца?) г) Объясните, почему транс-декалин устойчивее, чем цис-декалин, д) Разность между энергиями цис- и транс-дека ли нов составляет примерно 2 ккал/моль (8,37-103 Дж/моль); превращение одного в другой происходит лишь в очень жестких условиях. С другой стороны, конформации кресла и ванны различаются по устойчивости примерно на 6 ккал/моль (25,12-103 Дж/моль), но тем не менее легко взаимопревращаются при комнатной температуре. Как вы объясните такое резкое»различие в легкости превращения? Для иллюстрации нарисуйте энергетическую диаграмму.
Аллинджер (стр. 287) показал, что разность между энергиями цис- и транс-1,3-ди- mpem-бутилцнклогексаиов составляет 5,9 ккал/моль (28,89-103 Дж/моль), и предположил, что эта величина соответствует различию в энергиях конформаций кресла и ванны циклогексана. Дайте обоснование этому предположению.
Предположим, что в некоторых замещенных циклопентанах цикл существует предпочтительно в виде конверта
Пользуясь моделями, предложите объяснение каждому из следующих фактов: а) Присоединение метильной группы к сильно напряженному кольцу циклопентана увеличивает теплоту сгорания лишь немного больше, чем введение метильной группы в ненапряженное циклогексановое кольцо. (Указание: где находится метильная группа в конформации конверта? б) Для 1,2-днметилциклопентанов более устойчивым является транс-изомер, а для 1,3-диметилциклопентанов — цис-изомер, в) цис-Изомер метилового эфира 3-ме- тилциклобутанкарбоновой кислоты устойчивее транс-изомера.
СООСН3
СН3
а) Фотолиз диазометана в жидком циклогексене дает четыре продукта, содержащих семь атомов углерода? Какова их структура? б) Каким образом, используя химические методы (не обязательно простейшие пробы), идентифицировать эти четыре вещества?
в) Какие вещества, по вашему мнению, образуются, если обработать циклогексен хлороформом и mpezn-бутилатом калия?
1-Бромциклогексен реагирует с бромистым водородом в присутствии перекисей с образованием цис-1,2-дибромциклогексана. В аналогичных условиях 1-метилциклогексен дает цис-2-бром-1-метилциклогексан. а) Что можно сказать на основании этих данных о стерической направленности (цис- или транс') свободнорадикального присоединения НВг? (Внимание: обязательно используйте модели!) б) Предскажите строение продукта присоединения ВгСС13 к циклогексену в присутствии перекисей.
Напишите стереохимические формулы с обозначением пар энантиомеров и меао- структур) для продуктов реакции цис-пентена-2 со следующими реагентами:
холодным щелочным раствором КМпО4, в) Вг2/СС14,
надмуравьиной „кислотой,г) СНС13 + mpem-C4H9OK.
Ответьте на те же вопросы для реакции с /72ранс-пентепом-2.
Ниже приведен ряд реакций, продукты которых разделяются тщательной перегонкой, перекристаллизацией или хроматографией. Укажите для каждой из реакций, сколько разных фракций будет при этом выделено. Напишите стереохимическую формулу для продукта или продуктов, входящих в каждую из фракций. Укажите, будут ли какие-нибудь из фракций оптически активными.
(К)-З-оксициклогексен + КМпО4* С Н12О3.
(К)-З-оксициклогексен + НСО2ОН # С6Н12О3,
(S,S)-1,2-дихлорциклопропан + С12 (300 °C) сС3Н3С13, г) рацемический 4-метилциклогексен-|- Вг2/СС14.
Укажите все стадии возможного лабораторного синтеза приведенных ниже вещесге, исходя из спирта с четырьмя или меньшим числом атомов углерода в качестве единственного органического сырья и используя любые необходимые неорганические реагенты.
рацемический транс- 1-метил-2-этил-3,3-дихлорциклопропаи,
лщзо-3,4-дибромгексан,
(2R.3R; 25,35)-гептандиол-2,3, рацемат.
Опишите простейшие химические пробы, которые позволяют различить соединения в следующих парах:
циклопропан и пропан,
циклопропан и пропилен,
1,2-диметилциклопропан и циклопентан,
циклобутан и бутен-1,
циклопентан и пентен-1,
циклопентан и циклопентен, ж) циклогексаиол и «-бутилциклогексан, з) 1,2-диметилциклопентен и циклопеитанол, и) циклогексан, циклогексен, циклогексанол и бромциклогексан.
Сколько циклов содержит каждое из перечисленных ниже соединений?
а) Камфан (C10HtR) — терпен, родственный камфоре; водорода (при гидрировании) не поглощает, б) Холестин (С,;Н48) — стероид с тем же циклическим скелетом, что и холестерин, кортизон и половые гормоны; водорода при гидрировании не поглощает. в) р-Фелландрен (С10Н16) — терпен; реагирует с Вг2, давая С10Н1вВг4. г) Витамин D^ (С28Н44О) — спирт, дает С2*Н52О при каталитическом гидрировании, д) Сколько двойных связей 'содержит витамин D2?
Основываясь на данных каталитического гидрирования, укажите, сколько циклов содержит каждый из следующих ароматических углеводородов:
бензол (С6Н0) » С0Н12,
нафталин (С10Н8) * С10Н18.
толуол (С7Н3) » СГН14,
антрацен (С14Н10) > СМН24,
Д) фенантрен (СИН1Р) —-* Ct4H24,
3,4-бензпирен (С20Н12)>С20Н№,
хризен (С13Н12) ► С^Н^.
Проверьте ваши ответы, пользуясь предметным указателем.
о✓с—сн3сн3—с—сн2—сн2— снА\сн2сооно✓с—сн3сн3—с—сн2—сн2— снА\сн2соона) Углеводород с формулой С10Н16 поглощает только 1 моль водорода при гидрировании. Сколько он содержит колец? б) При'озонолнзе он дает циклодекандион-1,6 (III). Какова структура этого углеводорода?
о
✓с—сн3
сн3—с—сн2—сн2— сн
А\сн2соон
о
✓с—сн3
сн3—с—сн2—сн2— сн
А\сн2соон
|-(СН2)4-|О=С С=О1-(СН2)4-1ш
Лимонен (С10Н1в) — терпен, содержащийся в кожуре апельсинов, лимонов и грейпфрутов, поглощает лишь 2 моля водорода, образуя п-ментан Ct0H2(). Окисление лимонена перманганатом дает соединение IV. а) Содержатся ли циклы в структуре лимонена и, если да, то сколько? б) Какие структуры для лимонена соответствуют данным окисления? в) Пользуясь изопреновым правилом (разд. 8.25), укажите, какая структура наиболее вероятна для лимонена; для n-метана? г) Присоединение 1 моля Н2О превращает лимонен в а-терпинеол. Каковы наиболее вероятные структуры для а-терпинеола? д) Присоединение 2 молей Н2О к лимонену дает терпингидрат. Какова наиболее вероятная структура последнего?
а-Терпинен С^Нщ— терпен, содержащийся в кориандровом масле, поглощает только 2 моля водорода с образованием n-ментана С10Н2(|. Озонолиз а-терпинена дает соединение V, а расщепление перманганатом — соединение VI.
сн3
СН(СН3)2
СН»—С—СН2—СН2—С—СН(СН3)2
ноос—с—сн2—сн2-
-С—соон
IIII
ОО
V
он
VI
он
а) Содержатся ли кольца в молекуле а-терпинена и если да, то сколько? б) На основании данных об образовании продуктов V и VI при расщеплении и изопренового правила предложите наиболее вероятную структуру для а-терпинена. в) Как вы объясните наличие ОП-групп в соединении VI?
Используя только уже известные вам данные о химических реакциях, можете ли вы предложить механизм для превращения нерола (С10Н1вО) в а-терпинеол (С10Н18О) в присутствии разбавленной H2SO4?
СН3
С
СН3СН3/
I|Н2о. н+ Н2С СП
СНд—С=СН—СН2—СН2—С=СН—СН2ОН> I I
нерол (содержится в бергамотовом масле)Н2С СН2
сн
с—он
Нд^ \н3
а-терпинеол
1010
10
10
Бензол
РЕЗОНАНС. АРОМАТИЧНОСТЬ
Алифатические и ароматические соединения
Химики считают целесообразным разделять все органические соединения на два больших класса: алифатические и ароматические соединения. В настоящее время эти названия уже совершенно потеряли свой первоначальный буквальный смысл: алифатический=жирный, а" ароматическийгдушпстб/й.
К алифатическим соединениям относятся ациклические соединения и похожие на них циклические. Рассмотренные в предыдущих главах классы соединений — алканы, алкены, алкины и их циклические аналоги — все принадлежат к классу алифатических соединений.
К ароматическим соединениям относятся бензол и вещества, напоминающие его по своему химическому поведению. Бензолу присущи особые свойства, отличающие его от алифатических углеводородов, называемые ароматическими свойствами. Некоторые соединения, строение которых, казалось бы, существенно отличается от строения бензола, также обладают ароматическими свойствами. Однако в действительности эти соединения и бензол обладают сходной электронной конфигурацией (разд. 10.14).
Как было показано выше, алифатические углеводороды претерпевают главным образом реакции присоединения и свободнорадикального замещения; присоединение происходит по кратным связям, а свободнорадикальное замещение — в другие положения алифатической цепи. Однако для ароматических углеводородов характерна тенденция вступать в реакцию ионного замещения. Ниже будет показано, что те же особенности сохраняются при переходе от углеводородов к другим классам соединений (т. е. кислоатм, аминам, альдегидам и т. д.).
Однако не следует придавать исключительного значения различиям между алифатическими и ароматическими соединениями. Хотя подобная классификация полезна, она подчас менее существенна, чем другие классификации. Так, например, сходство между алифатическими и ароматическими кислотами или между алифатическими и ароматическими аминами более важно, чем различия между ними.
Структура бензола
Из определения ароматических соединений очевидно, что изучение их химии следует начинать с изучения бензола. Бензол известен с 1825 г.; его химические и физические свойства изучены, пожалуй, лучше, чем свойства любого другого органического соединения. Несмотря на это, лишь в 1931 г. была предложена удовлетворительная структура для бензола.
но прошло еще примерно 10—15 лет, прежде чем эта структура стала общепринятой для химиков-органиков.
Трудности были связаны не со сложностью молекулы бензола, а скорее с теми ограничениями, которые были присущи сложившейся к тому времени теории строения. Поскольку ясное понимание структуры бензола важно как для изучения ароматических соединений, так и для углубления знаний о теории строения, то подробнее будут рассмотрены те факты, на которых основано представление о структуре бензола.
Молекулярная формула. Число изомеров. Структура Кекуле
Бензол имеет молекулярную формулу С6Н6. Данные элементного анализа и молекулярный вес показали, что бензол содержит шесть атомов углерода и шесть атомов водорода. Как же они расположены?
В 1858 г. Август Кекуле (Боннский университет) предположил, что атомы углерода могут соединяться друг с другом с образованием цепей. Позднее, в 1865 г., он предложил ответ на вопрос о строении бензола — эти углеродные цепи иногда могут замыкаться с образованием колец.
«Я сидел и писал учебник, но работа продвигалась плохо; мои мысли блуждали где-то далеко. Я подвинул мое кресло к камину и задремал. Снова атомы запрыгали перед моими глазами. На этот раз малые группы атомов скромно оставались на заднем плане. Мой мысленный взор, обостренный повторением таких видений, мог теперь различить структуры большего размера в многочисленных конформациях; длинные цепи иногда тесно группировались, все они изгибались и поворачивались, подобно змеям. Но что это? Одна нз змей ухватила свой собственный хвост, и эта фигура завертелась перед моими глазами, как бы насмехаясь надо мной. Как от вспышки молнии, я пробудился... Остаток ночи я провел, обдумывая следствие из моей гипотезы. Научимся мечтать, и тогда может быть, мы постигнем истину» (Август Кекуле, 1865 г.).
ннСтруктура Кекуле для бензола с современных позиций выражалась бы формулой I.
н
н
НIн-с/С<5гс—н
II Iй-с^^^-н
и
I формула Кекуле
сн3—с=с—с=с—сн3IVсн3—с=с—с=с—сн3IVсн2=сн—с=с—сн=сн2Vсн2=сн—с=с—сн=сн2V
сн3—с=с—с=с—сн3IV
сн3—с=с—с=с—сн3IV
сн2=сн—с=с—сн=сн2V
сн2=сн—с=с—сн=сн2V
Молекулярной формуле С6Н6 отвечают также и другие структуры, например II—V. Из всех этих структур структура Кекуле была наиболее удовлетворительной; доводы в ее пользу основаны на уже знакомой нам аргументации о числе изомеров (разд. 3.2).
Бензол дает лишь один монозамещенный продукт C6H5Y. Лишь один бромбензол С6НвВг образуется при замене одного атома водорода на бром: аналогично можно получить всего лишь по одному изомеру хлорбензола С6Н5С1 или нитробензола С6Н5МО2 и т. д. Этот факт накладывает строгие ограничения на структуру бензола: каждый атом водорода должен быть совершенно эквивалентен всем другим, поскольку замещение любого из них дает один и тот же продукт.
Структура V, например, на этом основании может быть отброшена, поскольку она будет давать два изомерных монобромида — 1-бром- и 2-бром- производные; в структуре V не все атомы водорода эквивалентны. Аналогичным образом можно убедиться, что структуры II и III также непригодны. (Сколько монозамещенных продуктов даст каждая из них?). В качестве возможных структур остаются структуры I и IV.
Бензол дает три изомерных дизамещенных продукта С6Н4У2 или C6H4YZ. Так, удается получить три (и только три!) изомерных дибром- бензола С6Н4Вг8, три хлорнитробензола C6H4C1NO2 и т. д. Этот факт дополнительно ограничивает выбор возможных структур; например, структура IV должна быть отброшена. (Сколько дизамещенных производных даст структура IV?)
На первый взгляд кажется, что структура I согласуется с этими фактами, т. е. можно ожидать образования трех изомерных дибромидов—1,2-, 1,3- и 1,4-дибромпроизводных — следующего строения:
ВгВг1,3-бибромбензол1,3-бибромбензол5,4-дибрвмбензоя5,4-дибрвмбензояВг I Н—С^^С-Вг II 2| Н-С^^СН
Вг
Вг
1,3-бибромбензол
1,3-бибромбензол
5,4-дибрвмбензоя
5,4-дибрвмбензоя
Iн
5,2- вибромбемзол
Более внимательное изучение структуры I показывает, однако, что возможно два 1,2-дибром-изомера (VI и VII), различающихся по положению брома относительно двойной связи.
ВгСН—ВгII Iн—с с—ннVIВгСН—ВгII Iн—с с—ннVIВгсВг—НII Iн—сс—нВгсВг—НII Iн—сс—нIнVIIIнVII
Вг
С
Н—Вг
II Iн—с с—н
н
VI
Вг
С
Н—Вг
II Iн—с с—н
н
VI
ВгсВг—Н
II Iн—сс—н
ВгсВг—Н
II Iн—сс—н
Iн
VII
Iн
VII
Но Кекуле представлял себе бензольную молекулу как динамическое образование: «...Фигура завертелась перед моими глазами, как бы насмехаясь надо мной...» Он описывал ее при помощи двух структур VIII и IX, между которыми осциллирует молекула бензола.
НСн—нII Iн—с с—ннVIIIНСн—нII Iн—с с—ннVIIIнсн—с 'с—ннсн—с 'с—нIXIX
Н
Сн—н
II Iн—с с—н
н
VIII
Н
Сн—н
II Iн—с с—н
н
VIII
н
с
н—с 'с—н
н
с
н—с 'с—н
IX
IX
В результате два 1,2-дибромида (VI и VII) будут находиться в подвижном равновесии друг с другом и потому не могут быть разделены.
Вг
Н—^Вг
I IIн-с с—н
V
Iн
VII
Позднее, когда было сформулировано понятие таутомерии (разд. 8.13), признали, что эти представления Кекуле в действительности являются представлениями о таутомерии структур.
Некоторые полагают, что Кекуле интуитивно предвидел более 75 лет назад современные концепции о делокализованных электронах и рисовал две структуры VIII и IX — так же как мы будем это делать — как грубое отображение того, что ни одна из структур ие в состоянии полностью передать. Заслуженно или нет, но термин «структура Кекуле» в настоящее время обозначает гипотетическую молекулу с альтернирующими простыми и двойными связями, так же как термином «бензол Дьюара» в настоящее время обозначают структуру II, которую выдвинул Джеймс Дьюар в 1867 г. как пример структуры, непригодной для описания бензола.
Стабильность бензольного кольца.
Реакции бензола
Таким образом, структура Кекуле удовлетворяет фактам а — в, приведенным в разд. 10.3. Но остается еще ряд фактов, которые эта формула не учитывает; большинство из них относится к необычной стабильности -бензольного кольца. Наиболее поразительное свидетельство этой стабильности в химических свойствах бензола.
Бензол предпочтительнее подвергается реакциям замещения, а не присоединения. Структуру Кекуле для бензола можно назвать циклогекса- триеном. Можно было бы ожидать, что этот циклогексатриен, подобно аналогичным соединениям — циклогексадиену и циклогексену, будет легко вступать в реакции присоединения, характерные для алкенов. Как показывают примеры (табл. 10.1), это не так: в условиях, в которых алкен быстро вступает в реакции присоединения, бензол либо совсем не реагирует, .либо реагирует очень медленно.
Таблица 10.1
Сравнение химических свойств циклогексена и бензола
Реагент
Наблюдаемое превращение
циклогексан
бензол
КМпО4 (холодный разбавленный водный раствор)
Вг2/СС14 (в темноте)
HI'
Н2+№
Быстрое окисление
Быстрое присоединение »»
Быстрое гидрирование при 25 °C,
1,4 атм
Не реагирует
»»
»»
Медленное гидрирование при 100—200 °C, 105 атм
Вместо реакций присоединения бензол легко вступает в ряд реакций, которые протекают по схеме замещения. Наиболее важные из них приведены ниже.
РЕАКЦИИ БЕНЗОЛА
Нитрование (разд. 11.8)
H2SO4
С,Нв + НОМО2 >- С„Н5МО2 + Н2Онитробензол
Сульфирование (разд. 11.9 и 21.3)
SOs
CgHe + HOSOsH >■ C«H6SO3H 4- Н2Обензолсульфо-кислота
Галогенирование (разд. 11.10 и 26.5)
Fe
С6Н6 + Cl2 ^- CgHgCl 4- НС1 хлорбензол
Fe
CgHg + Вг2 ^* СбНбВг 4- НВг бромбензол
Алкилирование по Фриделю—Крафтсу (разд. 11.11, 12.6 и 12.14)
А1С1з
СвН6 + RC1 > CeH6R 4-НО алкилбензол
Ацилирование по Фриделю—Крафтсу (разд. 19.7)
Aids
CeHe + RCOC1 >• C,H6COR + НС1 хлорангид- кетон рид
В каждой из этих реакций происходит замещение атома водорода на какой- либо из атомов или группу. Образующийся при этом продукт реакции может претерпевать повторно такую же реакцию замещения; поскольку продукт сохраняет характерные свойства бензола, то, следовательно, он сохранил специфическую структуру бензола.
Может показаться, что бензол не вступает в реакции присоединения, в ходе которых нарушилась бы система бензольного кольца, но легко вступает в реакции замещения, при которых эта система сохраняется.
Устойчивость бензольного кольца.
Теплоты гидрирования и сгорания
Помимо приведенных качественных указаний на то, что бензольное кольцо более устойчиво, чем этого можно было ожидать от циклогексатриена, существуют количественные данные, показывающие, насколько он более устойчив.
д) Теплоты гидрирования и сгорания бензола меньше, чем этого следовало ожидать. Напомним (разд. 6.3), что теплота гидрирования — это количество тепла, выделяющееся при гидрировании 1 моля непредельного соединения. В большинстве случаев эта величина близка 28—30 ккал (117,23-103—125,60-10® Дж) на каждую из имеющихся двойных связей. Поэтому не удивительно, что теплота гидрирования циклогексена —
28,6 ккал (119,74-103 Дж), а циклогексадиена — 55,4 ккал (231,95-103 Дж), т. е. почти в два раза больше.
катализатор >катализатор >циклогексенциклогексенСН2I IIНС снСН2I IIНС сн+ 2Н2+ 2Н2катализатор>катализатор>циклогексадиен-1,3циклогексадиен-1,3СН2Н2С СН2I IН2С сн2 сн^ циклогексанСН2Н^ \н2I IН2С сн2'с^циклогексанСН2Н2С СН2I IН2С сн2 сн^ циклогексанСН2Н^ \н2I IН2С сн2'с^циклогексан△// = —28,6△// = —28,6△// = —55,4 ожидаемая величина: 2х(—28,6) = —57,2△// = —55,4 ожидаемая величина: 2х(—28,6) = —57,2
катализатор >
катализатор >
циклогексен
циклогексен
СН2
I IIНС сн
СН2
I IIНС сн
+ 2Н2
+ 2Н2
катализатор
>
катализатор
>
циклогексадиен-1,3
циклогексадиен-1,3
СН2
Н2С СН2I I
Н2С сн2 сн^ циклогексан
СН2
Н^ \н2I IН2С сн2'с^циклогексан
СН2
Н2С СН2I I
Н2С сн2 сн^ циклогексан
СН2
Н^ \н2I IН2С сн2'с^циклогексан
△// = —28,6
△// = —28,6
△// = —55,4 ожидаемая величина: 2х(—28,6) = —57,2
△// = —55,4 ожидаемая величина: 2х(—28,6) = —57,2
СН2
катализатор с6н6 + зн2*бензолкатализатор с6н6 + зн2*бензол△// = —49,8 ожидаемая величина: Зх(—28,6) = —85,8△// = —49,8 ожидаемая величина: Зх(—28,6) = —85,8Н^ Хсн2I Iн2с сн2
катализатор с6н6 + зн2*
бензол
катализатор с6н6 + зн2*
бензол
△// = —49,8 ожидаемая величина: Зх(—28,6) = —85,8
△// = —49,8 ожидаемая величина: Зх(—28,6) = —85,8
СН2циклогексан
С полным основанием можно было ожидать, что теплота гидрирования цикл огексатр иена будет в три раза превышать теплоту гидрирования циклогексена и будет равна 85,8 ккал (359,19-103 Дж). В действительности эта
Циклогексатриен + 3Hz
Энергия резонанса, - 36 ккалЭнергия резонанса, - 36 ккалБензол +ЗН?Бензол +ЗН?49,8 / набл.)49,8 / набл.)85,8(расп)85,8(расп)Циплогелсадиен+2Н2Циплогелсадиен+2Н2Циклогексен + Н?Циклогексен + Н?28,6 (набл)28,6 (набл)57,2 (рассч)57,2 (рассч)55,4 (набл.)55,4 (набл.)ЦиклогексанЦиклогексан
Энергия резонанса, - 36 ккал
Энергия резонанса, - 36 ккал
Бензол +ЗН?
Бензол +ЗН?
49,8 / набл.)
49,8 / набл.)
85,8(расп)
85,8(расп)
Циплогелсадиен+2Н2
Циплогелсадиен+2Н2
Циклогексен + Н?
Циклогексен + Н?
28,6 (набл)
28,6 (набл)
57,2 (рассч)
57,2 (рассч)
55,4 (набл.)
55,4 (набл.)
Циклогексан
Циклогексан
Рис. 10.1. Теплоты гидрирования и устойчивость бензола, циклогексадиена и циклогек
сена.
величина для бензола составляет 49,8 ккал (208,50-103 Дж), т. е. на 36 ккал (150,72- 10s Дж) меньше этого ожидаемого значения.
Более наглядно это можно продемонстрировать с помощью энергетической диаграммы (рис. 10.1), в которой высота горизонтальных линий соответствует величине потенциальной энергии молекулы, а пунктирные линии — ожидаемым значениям, вычисленным исходя из одинакового для каждой ступени значения 28,6 ккал (119,74-103 Дж). Во всех трех случаях конечный продукт один и тот же — циклогексан.
Тот факт, что бензол выделяет на 36 ккал (150,72-10s Дж) меньше энергии , чем предсказывалось, может означать лишь то, что содержание энергии
в бензоле на 36 ккал (150,72- 103 Дж) меньше, чем предсказывалось; другими словами, бензол на 36 ккал (150,72-103 Дж) устойчивее, чем этого следовало бы ожидать от циклогексатриена. Теплота сгорания бензола также меньше, чем следовало бы ожидать, и примерно на ту же величину.
Задача 10.1. Из данных рис. 10.1 определите А Я следующих реакций: а) бензол+ + Hg> циклогексадиен-1,3; б) циклогексадиен-1,3 + Н2> циклогексен.
Задача 10.2. Для большого числа органических соединений определенная экспериментально теплота сгорания довольно близка величине, рассчитанной на основании характеристических значений для связей каждого типа [например, 54,0 ккал (226,09-103 Дж) для С—Н-связи, 49,3 ккал (206,41-103 Дж) для С—С-связи, 117,4 ккал (491,53-103 Дж) для цыс-дизамещенной связи С=С1. а) На основании этих величин вычислите теплоту сгорания циклогексатриена, б) Сопоставьте эту величину с экспериментально найденной величиной для бензола 789,1 ккал (3303,76-103 Дж).
Длины углерод-углеродных связей в бензоле
Длины всех связей углерод — углерод в бензоле одинаковы и имеют промежуточное значение между длинами простой и двойной связей. У многих различных соединений длина двойной углерод-углеродной связи равна примерно 1,34 А (13,4-10-2 нм). Простая углерод-углеродная связь (ядра удерживаются с помощью лишь одной пары электронов) имеет значительно большую длину: например, 1,54 А (15,4-102 нм) в этане, 1,50 А (15,0-10~2 нм) в пропилене и 1,48 А (14,8-10-2 нм) в бутадиене-1,3.
Если бензол действительно содержал бы три простые и три двойные связи, как это представлено в структуре Кекуле, то следовало бы различать в его молекуле три короткие [1,34 А (13,4-10-2 нм), и три длинные [1,48 А (14,8-10~2 нм), вероятно, как в бутадиене-1,31 связи. Данные рентгеноструктурного анализа показывают, что все шесть связей в бензоле равны и имеют длину 1,39 А (13,9-10-2 нм), т. е. являются промежуточными по величине между простыми и двойными связями.
Теория резонанса
Структура Кекуле для бензола, несмотря на ее общепризнанное несовершенство, тем не менее использовалась химиками вплоть до 1945 г. Пришедшая ей на смену современная структура появилась не потому, что стали известны новые данные о бензоле, а как следствие разработки и видоизменения структурной теории; таким видоизменением явилась теория резонанса. Сначала будет полезно перечислить некоторые основные принципы этой концепции, а затем обсудить их применительно к конкретному примеру — к бензолу.
Если молекула может быть представлена двумя или более структурами, отличающимися только распределением электронов, т. е- структурами, в которых атомные ядра расположены одинаково, то становится возможным резонанс. Молекула представляет собой гибрид этих структур и не может быть удовлетворительно представлена ни одной из них. Каждая из этих структур вносит свой вклад в гибрид.
Если участвующие в резонансе структуры близки по устойчивости (т. е. содержат примерно одинаковое количество энергии), то в этом случае резонанс будет весьма существенным. Вклад каждой структуры в гибрид зависит от относительной устойчивости структур; чем устойчивее структура, тем больше ее вклад.
Резонансный гибрид стабильнее, чем любая из участвующих в резонансе структур. Такое увеличение устойчивости называют энергией резонанса. Чем ближе по устойчивости резонирующие структуры, тем больше энергия резонанса.
Резонансная структура бензола
Согласно теории резонанса, бензол представляет собой резонансный гибрид двух структур Кекуле — I и II.
илиилиIIIIнсн—'с—н
или
или
II
II
III IIН—с с—н^ /сиII
I
I
Это означает, что бензол не является ни структурой I, ни структурой II, а структурой, промежуточной между I и II. Далее, поскольку структуры 1 и II эквивалентны и, следовательно, одинаковы по своей устойчивости, то резонансный гибрид одинаково близок к структуре как I, так и II; иными словами, вклад структур I и II в резонансную структуру одинаков.
Это вовсе не означает, что бензол состоит из молекул, половина которых соответствует структуре I, а другая половина — структуре II, или что каждая из молекул все время превращается из I в II или обратно. Все молекулы совершенно одинаковы, и каждая из них имеет структуру, промежуточную между I и II.
Полезно прибегнуть к биологической аналогии, предложенной Т. Уэландом (Чикагский университет). Когда мы говорим, что мул является гибридом осла и лошади, то при этом совсем не имеется в виду, что некоторые мулы являются ослами, а другие — лошадьми, или что каждый мул часть времени является лошадью, а другую — ослом. Мы просто имеем в виду тот факт, что мул. — животное, родственное как лошади, так и ослу, и при описании его удобно сопоставить с этими знакомыми нам животными.
Еще более близка по смыслу аналогия, предложенная Дж. Робертсом (Калифорнийский технологический институт). Средневековый путешественник, вернувшийся из Индии, описывал носорога как гибрид единорога и дракона. Кажется вполне удовлетворительным подобное описание реально существующего животного путем сравнения его с двумя знакомыми, но вымышленными животными.
Необходимо усвоить, что изображение бензола в виде двух структур вовсе не подразумевает существования этих структур (или молекул, соответствующих одной из них). Эти два изображения необходимы вследствие ограничений, свойственных нашим слишком грубым способам изображения молекул. Мы рисуем две формулы, поскольку каждая из них не является удовлетворительной. Вовсе не удивительно, что некоторые молекулы не могут быть представлены одной структурой обычного типа; напротив, удивительно, что применяемый химиками способ изображения молекул с помощью палочек и кружков оказывается удовлетворительным в столь большом числе случаев.
Длины связей в бензоле
Согласно теории резонанса, бензол не содержит трех простых и трех двойных углерод-углеродных связей, как в каждой из структур Кекуле, а содержит шесть одинаковых связей, каждая из которых является промежуточной между простой и двойной. Этот новый тип связи — гибридная связь — описывается как полуторная или бензольная связь. О ней говорят, что она обладает наполовину характером простой связи и наполовину характером двойной связи.
Факты соответствуют этим представлениям о шести эквивалентных связях; углерод-углеродные связи бензола равны и имеют длину 1,39 А (13,9-10"2 нм), т. е. промежуточную между длинами простой и двойной связей.
Задача 10.3. Нитрогруппу МО2 обычно изображают как —N1^ . Согласно измерениям, две связи углерод — кислород в нитросоединениях имеют совершенно одинаковую длину. Например, в нитрометане СН3МО2 длины обеих связей азот — кислород равны 1,21 А (12,1-Ю-2 нм) по сравнению с обычной длиной 1,36 А (13,6-10-2 нм) для простой связи азот — кислород, и 1,18 А (11,8-10-а нм) для двойной связи азот — кислород. Как, по вашему мнению, лучше изобразить NO2-rpynny?
Число изомеров
Если принять, что все углерод-углеродные связи в бензоле эквивалентны, то просто установить число существующих изомеров дизамещенных продуктов. Очевидно, что их должно быть только три, что и соответствует экспериментальным данным.
(Способ изображения бензольного кольца, используемый в этих формулах, обсужден в разд. 10.13)
Стабильность бензола
Более важным следствием теории резонанса является вывод о том, что бензол как резонансный гибрид устойчивее (т. е. содержит меньше энергии), чем любая из резонирующих структур Кекуле. Эту дополнительную стабильность бензола называют энергией резонанса; для бензола она составляет 36 ккал/моль (150,72* Ю3 Дж/моль).
В результате такой стабилизации бензол обладает особыми свойствами, которые вовсе не являются промежуточными между свойствами структур Кекуле. Наличие нового набора свойств, называемых ароматическими свойствами, определяется именно столь большой величиной энергии резонанса — 36 ккал/моль (150,72* 10s Дж/моль).
В результате реакции присоединения алкен превращается в более устойчивое насыщенное соединение. Гидрирование циклогексена, например, сопровождается выделением 28,6 ккал; образующийся продукт расположен на энергетической диаграмме (рис. 10.1) на 28,6 ккал (119,74- 10s Дж) ниже, чем исходные реагенты.
Однако в случае бензола присоединение будет превращать его в менее устойчивый продукт из-за разрушения стабилизованной резонансом бензольной системы; в соответствии с рис. 10.1 первая стадия гидрирования бензола требует затраты 5,6 ккал (23,45-103 Дж), для того чтобы превратить его в менее устойчивый циклогексадиен. Вследствие этого реакции с бензолом легче протекают по другому пути — замещению, при котором сохраняется циклическая система бензола.
Орбитальное представление структуры бензола
Более детальная картина описания молекулы бензола может быть получена из рассмотрения орбиталей связей в этой молекуле.
Поскольку каждый атом углерода связан с тремя другими атомами, он использует зр2-орбитали (как в этилене, разд. 5.2). Эти орбитали лежат в одной плоскости, а именно в плоскости ядер углерода, и направлены в сто-
Рис. 10.2. Молекула бензола.
а — представлены только с-связи, б — перекрывание р-орбиталей, образующих л-связи.
рону углов равнобедренного треугольника. Если расположить шесть атомов углерода и шесть атомов водорода так, чтобы было обеспечено максимальное перекрывание этих орбиталей, то получим структуру, показанную на рис. 10.2, а.
Бензол представляет собой плоскую молекулу, в которой все атомы углерода и водорода лежат в одной плоскости. Кроме того, это очень симметричная молекула, в которой атомы углерода находятся в вершинах правильного шестигранника; каждый угол связи равен 120° (2,094 рад). Каждая орбиталь связи имеет цилиндрическую симметрию вокруг линии, соединяющей атомные ядра, и поэтому эти связи обозначают как о-связи.
Однако этим не исчерпывается описание молекулы. Остаются еще шесть электронов, которые надо как-то разместить. Помимо уже использованных трех орбиталей каждый атом углерода имеет еще четвертую орбиталь — р-орбиталь. Эти р-орбитали состоят из двух одинаковых долей, одна из которых лежит выше, а другая — ниже плоскости, в которой находятся три другие орбитали, т. е. выше и ниже плоскости кольца; каждая р-орби- таль занята одним электроном.
Как и в случае этилена, р-орбитали одного атома углерода могут перекрываться с р-орбиталями соседнего атома углерода, что приводит к спариванию электронов и образованию дополнительной л-связи (рис. 10.2, б). Но в данном случае это перекрывание не ограничивается только двумя орбиталями, как в этилене: р-орбиталь любого из атомов углерода одинаково хорошо перекрывается с р-орбиталями обоих соседних атомов углерода. В результате образуются два непрерывных электронных облака (в форме бублика), одно из которых лежит выше, а другое — ниже плоскости атомов (рис. 10.3).
Перекрывание р-орбиталей в обоих направлениях и получающееся в ре зультате этого участие каждого из электронов в нескольких связях экви-
Рис. 10.3. Молекула бензола. л-Облака расположены выше и ниже плоскости цикла.Рис. 10.3. Молекула бензола. л-Облака расположены выше и ниже плоскости цикла.Рис. 10.4. Молекула бензола: форРис. 10.4. Молекула бензола: форма и размеры.ма и размеры.
Рис. 10.3. Молекула бензола. л-Облака расположены выше и ниже плоскости цикла.
Рис. 10.3. Молекула бензола. л-Облака расположены выше и ниже плоскости цикла.
Рис. 10.4. Молекула бензола: фор
Рис. 10.4. Молекула бензола: фор
ма и размеры.
ма и размеры.
валентно представлению о бензоле как о резонансном гибриде двух структур. Эти два метода изображения — нескольких резонирующих структур или единого электронного облака— являются грубой попыткой графическими средствами передать ту идею, что данная пара электронов может служить для связывания более двух ядер. Именно эта способность л-электро- нов участвовать в нескольких связях, подобная делокализация электронов, и приводит к образованию более прочных связей и более стабильных молекул. По этой причине термин энергия делокализации часто используется вместо термина энергия резонанса.
Прочность ковалентной связи обусловлена тем, что электрон сильнее притягивается двумя ядрами, чем одним. Точно так же электрон сильнее притягивается шестью ядрами, чем двумя.
Орбитальный подход позволяет показать важность того обстоятельства, что бензол представляет собой плоскую молекулу. Цикл является плоским, потому что тригональные углы связей (sp2) в точности равны углу 120° (2,094 рад) правильного шестиугольника; именно подобное плоское строение делает возможным перекрывание р-орбиталей в обоих направлениях, что приводит к делокализации и стабилизации.
При использовании привычных структур с валентными связями трудно представить какую-либо одну структуру, которая была бы промежуточной между двумя структурами Кекуле. С другой стороны, орбитальный подход дает нам довольно четкую картину молекулы: углерод-углеродные связи в бензоле могут быть представлены шестью эквивалентными электронными облаками, каждое из которых по своей плотности будет промежуточным между электронным облаком, образующим простую связь, и электронным облаком, образующим двойную связь.
Факты соответствуют орбитальному представлению о молекуле бензола. С помощью рентгеноструктурного анализа и метода дифракции электронов показано, что бензол (рис. 10.4) представляет собой совершенно плоскую
симметричную молекулу, в которой все связи углерод — углерод одинаковы, а все углы связей равны 120° (2,094 рад).
Как будет показано ниже, химические свойства бензола соответствуют этой структуре. Несмотря на делокализацию, л-электроны удерживаются не столь жестко, как о-электроны, поэтому л-электроны особенно доступны для атаки реагентами, стремящимися получить электроны. Типичными реакциями бензольного кольца являются реакции, в которых оно служит источником электронов для электрофильных (кислых) реагентов. Благодаря резонансной стабилизации бензольного кольца эти реакции приводят к замещению с сохранением ароматического характера бензольного кольца.
Задача 10.4. Энергия диссоциации углерод-водородной связи в бензоле 1102 ккал (427,05- 10s Дж)] существенно выше, чем аналогичная величина для циклогексана. На основании орбитальных представлений о структуре бензола назовите один из факторов, объясняющих подобное различие. Какие физические данные могут подтвердить правильность вашего ответа? (Указание: см. рис. 10.4 и разд. 5.3.)
Задача 10.5. Молекула пиридина C6H6N является плоской, и все углы связей в ней составляют 120°. Длины всех связей углерод — углерод одинаковы н равны 1,39 А (13,9-10~2 нм), а двух связей углерод — азот составляют 1,36 А (13,6-10"2 нм) каждая. Экспериментально найденная теплота сгорания на 23 ккал ниже, чем рассчитанная (по методу, описанному в задаче 10.2 на стр. 307). Пиридин вступает в такие реакции замещения, как, например, нитрование и сульфирование (разд. 10.4). а) Адекватно ли изображается пиридин формулой I?
I
Объясните свойства пиридина с точки зрения валентной и орбитальной структур (проверьте ваш ответ в разд. 36.6).
Задача .10.6. Боразол B3NsHe по данным дифракции электронов имеет плоскую циклическую структуру с чередующимися атомами бора и азота, причем все связи бор — азот имеют одинаковую длину. Как вы представите боразол: а) в виде валентных структур и б) с использованием орбиталей? в) Сколько л-электронов имеется в структуре и какие именно атомы «отдали» их в общее пользование?
Изображение бензольного кольца
Для удобства мы будем изображать бензол в виде правильного шести угольника, в который вписана окружность (I); подразумевается, что атомы водорода находятся у каждого из углов шестиугольника, если не указано наличие других атомов или групп.
шш
ш
ш
Структура I представляет собой резонансный гибрид структур Кеку- ле II и III. Прямые линии, соединяющие углы шестиугольника, обозначают о-связи, связывающие атомы углерода. Окружность внутри кольца обозначает облако шести делокализованных электронов. (Согласно другой точке зрения, прямые линии обозначают простые связи, а окружность — остающиеся половинки связей.)
Формула I особенно удобна для изображения бензольного кольца, поскольку она выражает эквивалентность всех углерод-углеродных связей. Наличие вписанной окружности отличает формулу бензола от формулы циклогексана, которую часто изображают в виде плоского шестиугольника.
Среди химиков пока отсутствует полное согласие относительно того, как изображать бензольное кольцо. Учащиеся вполне могут встретить изображение его в виде формулы Кекуле или иногда просто в виде шестиугольника. Изображение, принятое в данной книге, имеет ряд преимуществ и, по-видимому, используется все шире. Интересно, что сходное изображение было предложено еще в 1899 г. Иоганом Тиле (Мюнхенский университет), который использовал символ пунктирной окружности для обозначения, парциальных связей (парциальные валентности).
Ароматические свойства.
(4п+2)-Правило Хюккеля
Выше ароматические соединения были определены как соединения» напоминающие бензол. Но какими именно свойствами бензола должно обладать соединение для того, чтобы его можно было отнести к числу ароматических? Помимо соединений, содержащих бензольные кольца, имеется еще множество других веществ, которые называют ароматическими, хотя некоторые из них внешне мало похожи на бензол.
Какие же свойства характерны для всех ароматических соединений?
С эмпирической точки зрения ароматическими соединениями являются соединения, молекулярная формула которых соответствует высокой степени ненасыщенности и которые тем не менее не вступают в реакции присоединения, характерные обычно для ненасыщенных соединений. Вместо реакций присоединения эти ароматические соединения часто наподобие бензола вступают в реакции электрофильного замещения. Наряду с инертностью в реакциях присоединения проявляется также необычная стабильность этих соединений — низкие значения теплот гидрирования и сгорания. Ароматические соединения имеют циклическую структуру — обычно содержат пяти-, шести- или семичленные циклы — и при их изучении физическими методами обнаруживается, что их молекулы плоские (или почти плоские). Протоны в этих соединениях имеют примерно такие же величины химических сдвигов в ЯМР-спектрах (разд. 13.18), как протоны в бензоле и его производных.
С теоретической точки зрения для того, чтобы соединение было ароматическим, в его молекуле должна содержаться циклическая система делокализованных л-электронов выше и ниже плоскости молекулы; более того, облако л-электронов должно насчитывать (4и+2) л-электронов. Иначе говоря, для той степени устойчивости, которая характерна для ароматических соединений, одной делокализации недостаточно. В молекуле должно содержаться строго определенное число л-электронов — 2, или 6, или 10 и т. д. Это требование, известное под названием правила 4п + 2, или правила Хюккеля (по имени Эриха Хюккеля, Институт теоретической физики, Штуттгарт), основано на квантовой механике и связано с требованиями заполнения различных орбиталей, образующих л-облако. Справедливость правила Хюккеля хорошо подтверждается фактами.
Рассмотрим некоторые данные, подтверждающие правило Хюккеля. В бензоле имеется шесть л-электронов, ароматический секстет; число шесть является числом Хюккеля для п = 1. Помимо бензола и подобных ему веществ (нафталин, антрацен, фенантрен, гл. 35), мы встретимся еще с большим числом гетероциклических соединений (гл. 36), которые обладают четко выраженными ароматическими свойствами; как будет показано, к подобным
ароматическим гетероциклам относятся те соединения, в которых может возникнуть ароматический секстет.
В качестве других примеров рассмотрим следующие шесть соединений, для каждого из которых приведена лишь одна резонансная структура:
хриклопентпадиенил-катион,четыре их-элентронахриклопентпадиенил-катион,четыре их-элентронахраклопентаЗивнил-раАикал^ цдалопентадиенил-анион, пять зг-электронов шесть зь-электронов J (ароматичен)храклопентаЗивнил-раАикал^ цдалопентадиенил-анион, пять зг-электронов шесть зь-электронов J (ароматичен)
хриклопентпадиенил-катион,четыре их-элентрона
хриклопентпадиенил-катион,четыре их-элентрона
храклопентаЗивнил-раАикал^ цдалопентадиенил-анион, пять зг-электронов шесть зь-электронов J (ароматичен)
храклопентаЗивнил-раАикал^ цдалопентадиенил-анион, пять зг-электронов шесть зь-электронов J (ароматичен)
ццулогемпатриенил-аниан, восемь-зь-электроновццулогемпатриенил-аниан, восемь-зь-электроновциклогептатриенил катион (тропилий • ион), шесть зе-злектронав (ароматичен)циклогептатриенил катион (тропилий • ион), шесть зе-злектронав (ароматичен)хриклогептатриенил-райикал,семь-зс- электроновхриклогептатриенил-райикал,семь-зс- электронов
ццулогемпатриенил-аниан, восемь-зь-электронов
ццулогемпатриенил-аниан, восемь-зь-электронов
циклогептатриенил катион (тропилий • ион), шесть зе-злектронав (ароматичен)
циклогептатриенил катион (тропилий • ион), шесть зе-злектронав (ароматичен)
хриклогептатриенил-райикал,семь-зс- электронов
хриклогептатриенил-райикал,семь-зс- электронов
Каждая молекула представляет собой гибрид пяти или шести эквивалентных структур, содержащих заряд или неспаренный электрон на каждом из атомов углерода. Тем не менее из этих шести соединений лишь два обладают необычно высокой стабильностью: циклопентадиенил-анион и цикло- гептатриенил-катион (тропилий-ион).
Циклопентадиен — необычайно сильная кислота для углеводорода (Ка = 1015), что указывает на повышенную устойчивость аниона, образующегося при отрыве иона водорода. (Циклопентадиен — гораздо более сильная кислота, чем циклогептатриен, Ка = 10 4S, хотя анион последнего стабилизован за счет резонанса семи структур.) Дициклопентадиенилжелезо (ферроцен) I(C6H5)~]2Fe2+ представляет собой стабильную молекулу, имеющую структуру сэндвича, в котором атом железа находится между двумя плоскими пятичленными циклами. Все связи углерод — углерод имеют длину 1,4 А (14,0-10~2 нм). Кольца ферроцена вступают в типичные реакции ароматического замещения — сульфирование и реакцию Фриделя — Крафтса.
Среди циклогептатриенилпроизводных именно катион обладает необычными свойствами. Бромистый тропилий С7Н7Вг плавится выше 200 °C, растворим в воде, но нерастворим в неполярных растворителях и мгновенно -осаждает AgBr при действии AgNO3. Подобное поведение необычно для органического бромида и заставляет предполагать, что даже в твердом состоянии имеют дело с ионным соединением R+Br', в котором катион действительно является стабильным карбониевым ионом.
Рассмотрим электронную конфигурацию циклопентадиенил-аниона (рис. 10.5). Каждый атом углерода тригонально гибридизован и связан с-связями с двумя другими атомами углерода и одним атомом водорода. Кольцо циклопентадиенил-аниона представляет собой правильный пятиугольник, углы которого 1108° (1,885 рад)] лишь немного отличаются от тригональных (120° (2,094 рад)}; некоторая неустойчивость, возникающая из-за несовершенного перекрывания (угловое напряжение), более чем компенсируется за счет возникающей делокализации. Четыре атома углерода имеют по одному электрону на каждой /7-орбитали, пятый атом углерода
ббвв
б
б
в
в
Рис. 10.5. Циклопентадиенил-анион.
а — два электрона а р-орбитали одного из атомов углерода, по одному электрону на p-орбиталях у каждого из остальных атомов углерода; б — перекрывание р-орбиталей с образованием л-связеЙ; в — л-облака выше или ниже плоскости кольца; имеется всего шесть Л-электроиов, т. е. ароматический секстет.
(тот, который потерял протон, но в действительности, конечно, неотличи- мый от других) — пару электронов. Перекрывание /7-орбиталей приводит к образованию л-облаков, содержащих в сумме шесть электронов, т. е. ароматический секстет.
Аналогичным образом изображается конфигурация тропилий-иона. Он представляет собой правильный семиугольник [углы равны 128,5° (2,242 рад)]. Шесть атомов углерода имеют по одному /7-электрону, а седьмой — только пустую /7-орбиталь. В результате возникает ароматический секстет.
Рассмотренные ионы удобнее всего изображать следующим образом:
циклонента- диенил-анионциклонента- диенил-анион
циклонента- диенил-
анион
циклонента- диенил-
анион
щцклогепта- триенил-хатттон (тропилиц-ион)
Чаще всего встречаются системы с числом Хюккеля, равным шести, что вполне понятно. Для того чтобы атомы ароматического кольца имели р-орбитали, необходимо, чтобы они находились в кр2-гибридизации и, следовательно, в идеале углы связей должны равняться 120° (2,094 рад).Для того чтобы стало возможным перекрывание р-орбиталей, приводящее к образованию л-облака, ароматическое соединение должно быть плоским или почти плоским. Число тригонально гибридизованных атомов, которые могут образовать плоское кольцо без слишком сильного углового напряжения, равно пяти, шести или семи, а лишь плоское кольцо допускает достаточное перекрывание для образования л-связи. Число Хюккеля, равное шести, соответствует числу л-электронов, которые могут быть предоставлены в общую систему указанным числом атомов кольца. (Совсем не случайно, что. бензол, служащий примером ароматического соединения, является также идеальной структурой: он содержит шесть атомов, способных отдать шесть, л-электронов и образующих шестиугольник, углы которого в точности соответствуют тригональным.)
Рассмотрим теперь, какие имеются данные в пользу того, что другие числа Хюккеля — 2, 10, 14 — также являются «магическими числами»? В этих случаях нельзя ожидать, что ароматический характер будет обязательно проявляться в чрезвычайной устойчивости соединений, сравнимой с устойчивостью бензола и родственных соединений. Циклы с указанным числом атомов углерода будут слишком малы или слишком велики для того, чтобы в них могли хорошо разместиться тригонально гибридизованные атомы углерода. Поэтому любая стабилизация за счет ароматичности в значительной степени может быть скомпенсирована угловым напряжением или малой степенью перекрывания р-орбиталей или обоими факторами.
Устойчивость следует рассматривать только в плане сравнительном, как это было сделано выше для циклопентадиенил- и циклогептатриенил- производных, и доказательство наличия ароматичности следует видеть- уже в том факте, что та или иная молекула оказывается стабильнее, чем родственные. Правило 4л + 2 было полностью подтверждено экспериментально. В настоящее время задачей исследований является выяснение более сложного вопроса, а именно: при какой максимально неблагоприятной комбинации углового напряжения и электростатических отталкиваний из-за наличия нескольких зарядов все еще можно наблюдать проявление ароматичности ?
Задача 10.7. Производное циклопропена I может быть превращено в соединение с формулой СвН15О4С1. которое нерастворимо в эфире и других неполярных растворителях,
Н-С3Н;Н-С3Н;,С3Н7-н,С3Н7-н
Н-С3Н;
Н-С3Н;
,С3Н7-н
,С3Н7-н
н соон
но растворимо в 1 и. водном растворе НС1 и других полярных растворителях. Химические данные и данные ИК-спектра указывают на наличие СЮ^-иона.
Производное циклобутадиена II реагирует с AgBF4 с образованием двух молей AgBr н красного раствора, содержащего (по данным ЯМР) BF4 -анион.
С6н$С6н5
СА-||-с6н5
Вт Вги
а) Что является анионом каждой из этих солей? б) Что является катионом?
■в) К какому общему классу частиц относятся эти ионы? г) Как вы объясните стабильность этих ионов? Подробно представьте их структуру. Какое теоретическое значение имеет факт устойчивости этих структур?
Задача 10.8. 1,3,5,7-Циклооктатетраен С8Н8 имеет теплоту сгорания 1095 ккал (4584,55- 10s Дж) (ср. Задачу 10.2, стр. 307); он быстро обесцвечивает холодный водный раствор КМпО4 и реагирует с Вг2/СС14, давая С8Н8Вг8. а) Какова структура этого соединения? б) Какие теоретические положения позволяют предсказать его структуру и свойства? в) Обработка циклооктатетраена металлическим калием приводит к образованию стабильного соединения 2К+ [С8Н8р-. Какое значение имеет факт образования этой соли? г) Используя модели, предложите возможную пространственную структуру нли структуры для циклооктатетраена. Какой должна быть пространственная структура ‘С8Н|_-аниона?
Применение теории резонанса
Чрезвычайная полезность, а следовательно, и большая ценность теории резонанса связана с тем обстоятельством, что она сохраняет в силе простой, хотя и не точный способ изображения структуры, который до сих пор использовался в этой книге. Особенно полезным является тот факт, что стабильность структуры может быть подчас грубо оценена по степени ее правдоподобия. Если для молекулы возможна только одна правдоподобная структура, то кажется вероятным, что эта структура вполне адекватно описывает молекулу.
Критерий правдоподобия структуры — вовсе не такой уж неопределенный, как это могло бы показаться. Тот факт, что та или иная структура кажется нам правдоподобной, означает, что мы ранее встречались с соединением, свойства которого достаточно хорошо объясняются структурой этого типа. Поэтому эта структура должна представлять собой достаточно стабильный тип конфигурации атомов и электронов. Так, например, каждая из структур Кекуле для бензола кажется вполне правдоподобной, поскольку мы встречались с соединениями, алкенами, которые обладают именно такой структурой.
Имеется ряд других критериев, которые можно использовать для оценки относительной устойчивости и, следовательно, относительного вклада структур, участвующих в резонансе. Один из этих критериев (а) рассматривает электроотрицательность и локализацию заряда.
Например, полярность (ионный характер) связи водород — хлор удобно представить, рассматривая НС1 как гибрид структур I и II. Можно считать, что структура II достаточно стабильна, и, следовательно, ее вклад очень существен, поскольку в этой структуре отрицательный заряд расположен на сильно электроотрицательном атоме хлора.
Н—С1IН—С1IН+СГ
Н—С1
I
Н—С1
I
II
С другой стороны, метан вполне адекватно может изображаться одной структурой III
Н
н—с—н
н
III
Можно представить и другие ионные структуры типа IV и V; их можно считать слишком неустойчивыми, поскольку в них отрицательный заряд
локализован на атоме с низкой электроотрицательностью — атоме углерода."
Н+Н
Н—С—Н—С” Н+ и т. д.
II
нн
IVV
Поэтому вклад структур IV и V в гибрид должен быть мал, и им можно пренебречь.
В следующих разделах будут использованы еще некоторые другие критерии для оценки стабильности возможных участвующих в резонансе структур: б) число связей (разд. 10.16); в) рассредоточение заряда (разд. 11.17); г) полнота или неполнота заполнения октета (разд. 11.18); д) степень разделения заряда (разд. 18.12).
Наконец, будет показано, что имеются случаи, для которых получены вполне убедительные доказательства (данные по длинам связей, дипольным моментам, реакционной способности) того, что точное описание данной молекулы требует участия структур, которые могли бы нам показаться совсем неправдоподобными (разд. 10.17 и 12.20). Это только лишний раз напоминает о том, что до сих пор, еще очень мало известно о структуре молекул и поэтому нужно быть готовыми к изменению наших представлений так, чтобы они учитывали новые экспериментальные факты.
Задача 10.9. Объясните необычную стабильность свободного аллильного радикала и аллильного карбониевого иона с точки зрения резонансных структур и молекулярных орбиталей.
Резонанс в сопряженных диенах
При обсуждении гидрирования бензола (разд. 10.5) отмечалось, что теплота гидрирования циклогексадиена-1,3 на 1,8 ккал (7,54-103 Дж) меньше, чем удвоенная теплота гидрирования циклогексена. Кроме того, в молекуле циклогексадиена-1,3 двойные связи разделены одной простой связью, и поэтому это вещество следует отнести к классу сопряженных диенов. В разд. 8.16 уже говорилось о том, что низкие теплоты гидрирования типичны для сопряженных диенов; напротив, теплоты гидрирования несопряженных диенов соответствуют ожидаемым величинам. На основании этого был сделан вывод, что по каким-то причинам сопряженные диены на 2— 4 ккал (8,37-103—16,75-103 Дж) устойчивее, чем соответствующие несопряженные изомеры. Теперь попробуем объяснить подобную повышенную стабильность.
Сосредоточим свое внимание на четырех ключевых углеродных атомах, имеющихся в любой сопряженной диеновой системе. Обычно обозначают связи Сх—С2 и С3—С4 как двойные, а С2—С3 — как простую
1234
—с=с—с=с—1111
Это будет соответствовать орбитальному представлению молекулы на рис. 10.6, а, в котором л-связи образуются за счет перекрывания р-орби- талей атомов Сх и С2; С3 и С4.
У бензола резонанс возникал за счет перекрывания р-орбитали атома углерода с р-орбиталями обоих соседних атомов. Можно ожидать, что анало-
гичным образом до некоторой степени будет происходить перекрывание р-орбиталей атомов С2 и С3, как показано на рис. 10.6, б. Возникающая в результате этого делокализация л-электронов делает молекулу более устойчивой: каждая пара электронов притягивается не двумя ядрами углерода а четырьмя, и участвует в образовании связи между этими четырьмя ядрами.
Если использовать привычный язык валентных формул, то можно сказать, что сопряженный диен представляет собой резонансный гибрид структур I и II. Пунктирная линия в структуре II обозначает формальную связь
Рис. 10.6. Сопряженный диен.
а — перекрывание р-орбиталей с образованием двух двойных связей; б — перекрывание р-юрбиталей с образованием сопряженной системы: делокализация зт-электронов.
и указывает на то, что электроны при Сх и С4 имеют противоположные спи
ны, т. е. спарены.
1п
В той степени, в которой структура II участвует в резонансе, она придает некоторый характер двоесвязности связи Q—С3 и характер простой связи связям Сх—С2 и С3—С4. Благодаря этому молекула становится более стабильной, чем наиболее стабильная из резонирующих структур I.
Образование связи приводит к выделению энергии и стабилизует систему. Поэтому при равенстве прочих условий справедливо следующее утверждение: чем больше число связей, тем стабильнее структура. Рассмотрение числа связей — один из критериев (разд. 10.15), который может быть использован для оценки относительной стабильности и, следовательно, относительного вклада участвующих структур. На этом основании можно ожидать, что структура II, имеющая 10 связей (формальная связь не в счет), будет менее стабильна, чем структура I, в которой имеется 11 связей. Энергия резонанса для гибрида таких неэквивалентных структур должна быть меньше, чем для гибрида, образованного эквивалентными структурами. Структура сопряженного диена должна более напоминать структуру I, чем II, поскольку вклад более стабильной структуры I более существен, чем вклад менее стабильной структуры.
В соответствии с частичной степенью двоесвязности длина С2—С3 в бутадиене-1,3 равна 1,48 А (14,8-10-2 нм) по сравнению с 1,54 А (15,4- КГ2 нм) для обычной простой связи. Величина энергии резонанса для сопряженных диенов составляет лишь 2—4 ккал/моль (8,37-103— 16,75-103 Дж/моль) по сравнению с величиной 36 ккал/моль для бензола (150,72-103 Дж/моль) (см., однако, альтернативное объяснение в разд. 10.18).
Изображение бензольного кольца
Рассмотрение теплот гидрирования показывает (разд. 6.4), что алкены стабилизуются не только вследствие сопряжения, но также за счет наличия алкильных групп: чем больше число алкильных групп, находящихся у двойной связи, тем более стабильным, будет алкен. Например, теплота гидрирования пропилена на 2,7 ккал (11.30-103 Дж) меньше, чем теплота гидрирования этилена. Это указывает на то, что пропилен на 2,7 ккал {11,30-10s Дж) устойчивее этилена (по отношению к соответствующему алкану).
Стабилизацию за счет наличия алкильных групп связывают с тем же фундаментальным фактором, что и стабилизацию вследствие сопряжения, а именно с делокализацией электронов, рассматривая в этом случае перекрывание между р-орбиталью и о-орбиталями алкильных групп.
ГиперконъюгаЧЧЯГиперконъюгаЧЧЯ
ГиперконъюгаЧЧЯ
ГиперконъюгаЧЧЯ
Вследствие такого перекрывания каждая пара электронов участвует в связывании не только той или иной пары атомов — двоесвязанных атомов углерода или углерода и водорода, а до некоторой степени охватывает все четыре атома. Делокализация такого рода, включающая участие 6-орбиталей, называется гиперконъюгацией.
Согласно теории резонанса, подобная гиперконъюгация означает наличие резонирующей структуры II. (Как и прежде, пунктирная линия в структуре II обозначает формальную связь и указывает лишь на то, что электроны этих двух атомов являются спаренными.) Если рассматривать структуру II саму по себе, то она покажется действительно странной, поскольку в ней отсутствует действительная связь между углеродом и водородом. Однако эта структура нужна лишь как грубый способ изображения того, что связь углерод — водород представляет собой нечто меньшее, чем простая связь, и что связь С2—С3 имеет частичный двоесвязный характер, а связь Ci—С, — частичный характер простой связи.
НННННН
IIIIII
Н—С—С=С—Нн—с=с-с—н
НН :
321321
III и еще две эквива-
лентные структуры
Длина «простой связи в пропилене равна 1,50 А (15,0-10~2 нм) [по сравнению с 1,54 А (15,4-10~2 нм) для «чистой»простой связи!, что соответствует ее частичному двойному характеру.
Чем больше число алкильных групп у двойной связи и чем больше число резонирующих структур типа II, тем больше делокализация электронов и тем более стабильным будет алкен.
Гиперконъюгация описанного выше типа называется гиперконлзювацией «с жертвой» связи, поскольку в структуре II имеется на одну реальную связь меньше, чем в структуре I. В разд. 12.20 мы еще встретимся с гиперконъюгацией в несколько отличной фор-
ме при обсуждении устойчивости свободных радикалов и карбониевых ионов; гиперконъюгация в этих случаях не сопровождается «жертвой» связи и называется изовалент- ной гиперконъюгацией.
Стабильность диенов и алкенов: альтернативная интерпретация
Выше было показано, что длина углерод-водородной связи уменьшается при переходе от этана к этилену и ацетилену, и этот факт связывали с изменением характера гибридизации углерода (табл. 10.2). По мере уменьшения р-характера связывающей орбитали размер орбитали уменьшается и связь становится короче (разд. 5.3). В бензоле связи С—Н относятся к тому же sp2—s-типу, как и связи в этилене, и имеют почти точно такую же длину 1,084 А (10,84-НГ2 нм).
СоединениеДлина, А (0.1 нм)Гибридизациясн3—сн31,102sp3 — Sсн2=сн21,086SP2 — Sсн=сн1,057sp — sСоединениеДлина, А (0.1 нм)Гибридизациясн3—сн31,102sp3 — Sсн2=сн21,086SP2 — Sсн=сн1,057sp — sТаблица 10.2Таблица 10.2Длины простых углерод-водородных связей и гибридизацияДлины простых углерод-водородных связей и гибридизацияСоединениеДлина, А (0,1 нм)Гибридизациясн3—сн31,54sp8 — sp3СН2=СН—сн31,50sp2 — sp3сн=с—сн31,46sp — sp3СоединениеДлина, А (0,1 нм)Гибридизациясн3—сн31,54sp8 — sp3СН2=СН—сн31,50sp2 — sp3сн=с—сн31,46sp — sp3Таблица 10.3Таблица 10.3Длины простых углерод-углеродных связей и гибридизацияДлины простых углерод-углеродных связей и гибридизация
Соединение
Длина, А (0.1 нм)
Гибридизация
сн3—сн3
1,102
sp3 — S
сн2=сн2
1,086
SP2 — S
сн=сн
1,057
sp — s
Соединение
Длина, А (0.1 нм)
Гибридизация
сн3—сн3
1,102
sp3 — S
сн2=сн2
1,086
SP2 — S
сн=сн
1,057
sp — s
Таблица 10.2
Таблица 10.2
Длины простых углерод-водородных связей и гибридизация
Длины простых углерод-водородных связей и гибридизация
Соединение
Длина, А (0,1 нм)
Гибридизация
сн3—сн3
1,54
sp8 — sp3
СН2=СН—сн3
1,50
sp2 — sp3
сн=с—сн3
1,46
sp — sp3
Соединение
Длина, А (0,1 нм)
Гибридизация
сн3—сн3
1,54
sp8 — sp3
СН2=СН—сн3
1,50
sp2 — sp3
сн=с—сн3
1,46
sp — sp3
Таблица 10.3
Таблица 10.3
Длины простых углерод-углеродных связей и гибридизация
Длины простых углерод-углеродных связей и гибридизация
Длина простой углерод-углеродной связи также уменьшается в аналогичном ряду: этан, пропилен, пропин (табл. 10.3). Однако в этом случае различия больше, чем для связей углерод — водород. В этом случае уменьшение длины связи было отнесено также за счет гиперконъюгации, как показано в разд. 10.17.
Однако такая интерпретация не является единственно возможной, и, по мнению М. Дьюара (Техасский университет), нет нужды привлекать гиперконъюгацию для рассмотрения этих молекул, а изменение в длинах связей С—С и С—Н следует объяснять изменением в состоянии гибридизации углерода.
Кроме того, Дьюар предположил, что подобное уменьшение длины связи сопровождается пропорциональным увеличением ее энергии (Е), т. е. уменьшение длины связи увеличивает стабильность молекулы. Изменение в гибридизации больше влияет на длину связей (и, следовательно, на стабильность молекулы) углерод — углерод, чем на длину углерод-водородных связей. Алкильный заместитель в большей степени стабилизует алкен, чем алкан, потому что $р2-гибридизация в большей мере увеличивает прочность связи углерод — углерод по сравнению со связью углерод — водород.
Аналогичным образом необычная стабильность сопряженного диена связывается не с делокализацией л-электрона, а с тем, что sp2—$р2-гибриди- зация делает связь С2—С3 короче [1,48 А (14,8- 1Q-2 нм)] и прочнее.
Вряд ли можно сомневаться, что действуют оба фактора — делокализация л-электронов и изменение в характере ст-связей. Вопрос заключается лишь в том, какова относительная важность каждого из них? Вполне вероятно, что оба фактора одинаково важны.
[Для структур, подобных бензолу, для которых, очевидно, неприемлема какая-либо одна из набора формул, Дьюар не ставит под сомнение важ-
ность л-электронной делокализации, хотя он и полагает, что стабильность a-связей играет большую роль, чем это предполагается. Дьюар также признает, что для случая свободных радикалов и карбониевых ионов (разд. 12.20) изовалентная гипер конъюгация играет более важную роль, чем гиперконъюгация с «жертвой» связи, которая обсуждалась выше.
Номенклатура производных бензола
В последующих главах химия различных производных бензола будет рассмотрена более подробно. Однако уже сейчас при обсуждении реакций бензольного кольца целесообразно ознакомиться с номенклатурой некоторых наиболее важных его производных.
Для многих производных название образуется путем прибавления названия заместителя к слову бензол, например хлорбензол, бромбензол, иодбен- зол, нитробензол.
нитробензолнитробензол
нитробензол
нитробензол
Некоторые производные имеют специальные названия, никак не связанные с названием соответствующего заместителя. Например, метилбензол обычно называют толуолом, аминобензол — анилином, оксибензол — фенолом и т. д. Наиболее важные из этих производных следующие:
толуол анилинтолуол анилинфенолфенолбензойная кислота.бензойная кислота.бензолсулъфо- цислотабензолсулъфо- цислота
толуол анилин
толуол анилин
фенол
фенол
бензойная кислота.
бензойная кислота.
бензолсулъфо- цислота
бензолсулъфо- цислота
Если с бензольным кольцом связано несколько групп, то необходимо не только их назвать, но и указать их относительное положение. Три возможных изомера дизамещенных бензолов обозначаются приставками орто, мета и пара, например:
п-Зибромбензол,пара.п-Зибромбензол,пара.
п-Зибромбензол,пара.
п-Зибромбензол,пара.
Если два заместителя различны по характеру и название ни одного из них в сочетании со словом «бензол» не соответствует специальному названию монопроизводного, то названия заместителей пишут последовательно перед словом «бензол», например хлорнитробензол, бромиодбензол и т. д. Если же название одной из групп в сочетании со словом бензол соответствует одному из специальных названий, то соединение называют как производное этого
специального соединения, например нитротолуол, бромфенол и т.д.
аам - нитробензойная кислотам - нитробензойная кислотао иоданилино иоданилинп-хлорбензол- сульфокислота
а
а
м - нитробензойная кислота
м - нитробензойная кислота
о иоданилин
о иоданилин
Если с бензольным кольцом связано более двух групп, то для обозначения их положения используют цифры, например:
2,6 динитротолуол2,6 динитротолуолЗ-хлор-5-бромнитробензолЗ-хлор-5-бромнитробензол
2,6 динитротолуол
2,6 динитротолуол
З-хлор-5-бромнитробензол
З-хлор-5-бромнитробензол
Если все три заместителя одинаковы, то положение каждого обозначают цифрой, причем порядок нумерации такой, чтобы получилась наименьшая комбинация цифр. Если заместители различны, то заместитель, находящийся при Сп в последовательности заместителей перечисляется последним, а остальные заместители получают соответствующие номера, например З-бром-5-хлорнитробензол. Если одна из групп в сочетании со словом «бензол» отвечает специальному названию для вещества, то считается, что эта группа находится в положении 1; так, в 2,6-динитротолуоле предполагается, что метильная группа находится в положении 1.
Метод Кернера для определения абсолютной ориентации
Как можно определить относительное положение заместителей, связанных с бензольным кольцом? Например, известно, что может существовать три дибромбензола — орто, мета и пара. Эти три дибромбензола были действительно получены; их т. пл. 87, 6 и —7 °C. Но какова структура каждого из них? Например, имеет ли соединение с т. пл. 87 °C структуру орто-, мета- или пара-изомера?
Эта проблема была впервые решена Вильгельмом Кернером (Миланский университет). Его подход строился на определении числа возможных изомеров. На основании структуры n-дибромбензола можно ожидать, что он будет давать лишь одно мононитропроизводное; для о-дибромбензола возможно два мононитропроизводных, а для л-дибромбензола — три моно-
нитропроизводных, я -ввбромбспзпл
ВгВгВгВгКогда были получены все шесть дибромнитробензолов, лишь один из них оказался производным дибромбензола с т. пл. 87 °C, и, следовательно, последний должен был быть пара- изомер ом. Два дибромнитропроизводных оказались производными дибромбензола с т. пл. 6 °C, и, следовательно, последний должен был быть орто-изомером. Остальные три дибромнитропроизводных оказались производными дибромбензола с т. пл. —7 °C, который, следовательно, являлся мета-изомером.
Вг
Вг
Вг
Вг
На самом деле эта работа гораздо сложнее, чем простое нитрование трех соединений. Как будет показано ниже, в реакциях замещения в ароматическом ряду образуются не все возможные изомеры, и поэтому некоторые из упомянутых нитросоединений необходимо было получать косвенными методами. Тем не менее принцип метода именно таков, как описано выше, и он известен под названием метод абсолютной ориентации по Кернеру.
ВгВгВгВгсоонВгВгВгВгсоонm.M.SZ’e т.пл.66°Ст.м.254пС т.вл. 28^ та ил. 480’Сm.M.SZ’e т.пл.66°Ст.м.254пС т.вл. 28^ та ил. 480’Сno2ю.лл.426*Сno2ю.лл.426*СМетод Кернера требует очень много времени и на практике был применен лишь к немногим ароматическим соединениям. Расположение заместителей в большинстве ароматических соединений определяется косвенными методами. Так, например, можно (разд. 24.5) заместить аминогруппу (МН2)на бром. Если один из трех изомерных броманилинов удастся превратить в дибромбензол и получить изомер ст. пл. 87 °C, то отсюда можно заключить, что исходный броманилин был /шро-изомером. Если тот же броманилин образуется при превращении нитрогруппы бромнитробензола в аминогруппу (разд. 22.9), то и нитросоединение должно также быть пара- изомер ом. Приведенная ниже схема показывает, как этот метод можно распространить на еще больший круг соединений.
ВгВгВгВгсоон
ВгВгВгВгсоон
m.M.SZ’e т.пл.66°Ст.м.254пС т.вл. 28^ та ил. 480’С
m.M.SZ’e т.пл.66°Ст.м.254пС т.вл. 28^ та ил. 480’С
no2
ю.лл.426*С
no2
ю.лл.426*С
Структура почти каждого ароматического соединения, таким образом, установлена абсолютным методом. Такое превращение иногда состоит из длинной цепи реакций.
Если структура данного соединения определена с помощью прямого или непрямого метода и его физические свойства описаны в литературе, любой химик может в течение нескольких минут определить структуру полученного им соединения простым сравнением его физических свойств со свойствами всех возможных изомеров. Но в конце концов он всегда сравнивает свое вещество с веществами, чья структура была со столь большим трудом установлена по методу Кернера.
Задача 10.10. В 1874 г. Грисс сообщил о декарбоксилировании всех шести известных "ди- аминобензойных кислот C6H3(NH2)2COOH в диаминобензолы. Три кислоты дали диамин с т. пл. 63 °C, две кислоты — диамин с т. пл. 104 °C, а одна кислота — диамин с т. пл. 142 °C. Напишите структурные формулы трех изомерных диаминобензолов и укажите температуры плавления каждого из них.
Качественный элементный анализ: азот и сера
В данной главе рассматриваются структура бензола и некоторые его реакции. Уместно напомнить еще раз, что все вышесказанное имеет какой- то смысл только потому, что оно основано на надежных фактах. Как мы уже убедились в разд. 2.26, можно обсуждать структуру и реакции соединения лишь в том случае, если известны молекулярные формулы самого соединения и продуктов его превращений.
Для того чтобы установить молекулярную формулу, прежде всего необходимо знать, какие элементы входят в состав соединения. В разд. 2.27 были рассмотрены методы определения углерода, водорода и галогена в органических соединениях. Что можно сказать об определении азота и серы?
Ковалентно связанные атомы азота и серы, подобно галогену, следует превратить в неорганические ионы; как и в случае наличия галогена, такое превращение может быть достигнуто сплавлением с натрием
нагревание
(С, Н, X, N, S) + Na > Na+X~ + Na+CN" + Na+S2~Na+
Азот при этом превращается в цианид-ион CN-, дающий при действии ряда реагентов берлинскую лазурь, которую легко узнать по интенсивной синей окраске. Сера дает сульфид-ион S2-, превращающийся в сероводород, который идентифицируют по почернению бумажки, смоченной ацетатом свинца.
Р2+# Fe3^*
CN-> берлинская лазурь
Н+РЬ2ь
S2- > H2s> Pbs
черно-корич-невого цвета
Задача 10.11. Галоген определяют в продукте сплавления с натрием путем превращения в нерастворимый галогенид серебра в присутствии азотной кислоты. Если сера и(или) азот также присутствует в органической молекуле, то, прежде чем проводить пробу на галоген, смесь необходимо подкислить и прокипятить. Почему необходима подобная обработка?
Количественный элементный анализ: азот и сера
Количественный анализ на азот проводят по методу либо Дюма, либо Кьельдаля. Метод Кьельдаля несколько более удобен, особенно если необходимо проводить большое число анализов, однако его нельзя использовать для всех классов азотсодержащих соединений.
В методе Дюма органическое соединение пропускают через трубку, содержащую последовательно нагретую окись меди, а затем нагретую металлическую медь в виде спирали. Окись меди окисляет соединение (как при сожжении на углерод и водород, разд. 2.28), причем связанный азот превращается в молекулярный азот. Металлическая медь восстанавливает окислы азота, которые при этом могут образоваться, также в молекулярный азот. Газообразный азот собирают и измеряют его объем. Например, навеска 8,32 мг анилина дает 1,11 мл азота при 21 °C и давлении 743 мм рт. ст. (9,91 • 104 Па) (исправлено на давление паров воды). Вычисляем объем газа при стандартной температуре и давлении
Объем азота =1,11 X при нормальных условияхОбъем азота =1,11 X при нормальных условиях273273743743273 + 21 Х 760273 + 21 Х 760= 1,01 мл= 1,01 мл
Объем азота =1,11 X при нормальных условиях
Объем азота =1,11 X при нормальных условиях
273
273
743
743
273 + 21 Х 760
273 + 21 Х 760
= 1,01 мл
= 1,01 мл
соответственно вес азота
1,01
Вес азота = 22 400 х ^ X 14,01) = 0,00126 г или 1,26 мг
и его процентное содержание в образце
1.26
N, % = -^32" X 100 = 15,2%
Задача 10.12. Почему азот в анализе по методу Дюма собирают над 50%-ным водным раствором КОН, а, например, не над водой, водным раствором NaCI или ртутью?
В методе Кьельдаля органическое вещество нагревают с концентрированной серной кислотой, которая превращает связанный азот в сульфат аммония. Затем раствор подщелачивают, выделяющийся при этом аммиак отгоняют и количество его определяют титрованием стандартной кислотой. Так, например, аммиак, выделившийся из навески 3,51 мг анилина, нейтрализует 3,69 мл 0,0103 н. кислоты. Каждому миллиэквиваленту кислоты соответствует 1 мэкв аммиака и 1 мг-атом азота.
1 мг-атом азота = 1 мэкв NH3 = 1 мэкв кислоты = 3,69 х 0,0103 = 0,0380
На основании этих данных можно рассчитать вес и процентное содержание азота в соединении
Вес азота = 1 мг-атом азота X 14,01=0,0380 X 14,01 =0,53 мг
0,53
N, % =-3jT X 100= 15,1%
Сера в органическом соединении превращается в сульфат-ион методами, используемыми в анализе галогенов (разд. 2.28): обработкой перекисью натрия или азотной кислотой (метод Кариуса). Сульфат-ион определяют весовым методом в виде сульфата бария.
Задача 10.13. Определение азота по методу Дюма в навеске 5,72 мг п-фенилендиамина дало 1,31 мл N2 при 20е и 746 мм рт. ст. (9,95-10* Па). Газ был собран над насыщенным «од-
ним раствором КОН [давление паров воды 6 мм рт. ст. (7,99-103 Па). Рассчитайте процентное содержание азота в этом соединении.
Задача 10.14. При анализе навески 3,88 мг этаноламина по методу Кьельдаля на титрование выделяющегося аммиака потребовалось 5,73 мл 0,0110 н. НС1. Рассчитайте процентное содержание азота в этом соединении.
Задача 10.15. При анализе иавески 4,81 мг п-толуолсульфокислоты по методу Кариуса получено 6,48 мг BaSO4. Вычислите процентное содержание серы в веществе.
Задача 10.16. Как согласуются ответы в вышеприведенных задачах с теоретическими значениями, вычисленными на основании формулы соединения (каждое из этих соединений упомянуто в предметном указателе)?
Определение молекулярного веса: понижение температуры замерзания. Метод Раста
Для слаболетучих соединений, таких, какие уже начинают упоминаться в этой книге, определение молекулярного веса по плотности паров (разд. 2.30) невозможно. Вместо этого часто используют методы, основанные на понижении температуры замерзания (криоскопические методы) или на повышении температуры кипения (эбулиоскопические методы). Оба подхода, конечно, основаны на том факте, что изменение в давлении насыщенного пара растворителя, а следовательно, и изменение температуры замерзания или температуры кипения пропорциональны концентрации растворенных частиц.
Химики-органики часто используют метод Раста: быстрый, удобный криоскопический метод (проводится в обычных капиллярах для определения температуры плавления и с использованием обычных термометров), который дает результаты, достаточно точные для многих целей. Этот метод основан на необычно высокой криоскопической константе камфоры; 1 моль вещества, растворенной в 1000 г камфоры, понижает ее температуру плавления на 39,7 °C.
Рассмотрим, например, вещество с эмпирической формулой C3H2O2N. Навеску 0,035 г этого вещества растворяют в 0,42 г расплавленной камфоры, затем смеси дают затвердеть и определяют ее температуру плавления по сравнению с температурой плавления чистой камфоры.
178,4 °C157,8 °C29,6 °C178,4 °C157,8 °C29,6 °CТ. пл.7чистой камфоры Т. пл. смеси
178,4 °C
157,8 °C
29,6 °C
178,4 °C
157,8 °C
29,6 °C
Депрессия т. пл.
Поскольку 1 моль вещества при растворении в 1000 г камфоры снижает температуру плавления на 39,7 °C, то рассматриваемый раствор должен содержать только 20,6/39,7 моля вещества на 1000 г камфоры. Итак, раствор 0,035 г вещества в 0,420 г камфоры эквивалентен
1000
0,035 X q 42о" г в 1®°° г камФ°Ры
Если
20,6„1000.
39 7 моля =^ 0,035 X q 420
то, вначит, ,39,7 1000
1 моль =■ 2q g X 0,035 Хи q 420 ^ ^^ в
Из возможных значений молекулярного веса величина 168 (C6H,OtNs), очевидно, больше подходит, чем 84 (С*Н2О2М) или 252 (Cf,HeOeNs).
В разд. 13.2 будет рассмотрено определение молекулярных весов самым точным из всех методов—масс-спектрометрическим?)
Задача 10.17. Вычислите молекулярные веса и выберите правильную молекулярную формулу для каждого из следующих соединений: а) 0,052 г п-дибромбензола (эмпирическая формула CgHgBr), растворенные в 0,349 г камфоры, снижают температуру плавления на 24,4 °C; б) 5,83 мг й,6-диметилнафталина (эмпирическая формула СН), растворенные в 57,3 мг камфоры, снижают температуру плавления на 26,4 SC); в) 1,02 мочевины (эмпирическая формула CH4N2O), растворенные в 51,1 г воды, снижают температуру плавления на 0,63 °C (криоскопическая константа воды 1,86 °C).
ЗАДАЧИ
Напишите структурные формулы следующих веществ:а) п-динитробензола,з) 3,5-динитробензолсульфокислоты,Напишите структурные формулы следующих веществ:а) п-динитробензола,з) 3,5-динитробензолсульфокислоты,л-бромнитробензола,о-хлорбензойной кислоты, г) м-нитротолуола,д) п-броманилина,л-бромнитробензола,о-хлорбензойной кислоты, г) м-нитротолуола,д) п-броманилина,е) л-иодфенола,е) л-иодфенола,и) 4-хлор-2,3-динитротолуола,к) 2-амино-5-бром-3-нитробензойной лоты,л) n-оксибензойной кислоты,и) 4-хлор-2,3-динитротолуола,к) 2-амино-5-бром-3-нитробензойной лоты,л) n-оксибензойной кислоты,ж) мезитилена(1,3,5-триметилбензола), лоты).ж) мезитилена(1,3,5-триметилбензола), лоты).м) 2,4,6-тринитрофенола (пикриновойм) 2,4,6-тринитрофенола (пикриновойкис-кис-кис-кис-Напишите структурные формулы и названия всех возможных изомеров следующихНапишите структурные формулы и названия всех возможных изомеров следующихсоединений:соединений:ксилола(диметилбензола),г)дибромнитробензола,аминобензойной кислотыд)бромхлортолуола,(НеМС6Н4СООН),е)тринитротолуола.триметилбензола,а) Сколько изомерных монозамещениых продуктов теоретически возможно для каждого из следующих соединений с общей формулой С6Н6? б) Сколько дизамещенных продуктов? в) Будет ли хотя бы одна из этих структур приемлемой для бензола, если судить по числу возможных изомеров?ксилола(диметилбензола),г)дибромнитробензола,аминобензойной кислотыд)бромхлортолуола,(НеМС6Н4СООН),е)тринитротолуола.триметилбензола,а) Сколько изомерных монозамещениых продуктов теоретически возможно для каждого из следующих соединений с общей формулой С6Н6? б) Сколько дизамещенных продуктов? в) Будет ли хотя бы одна из этих структур приемлемой для бензола, если судить по числу возможных изомеров?
Напишите структурные формулы следующих веществ:
а) п-динитробензола,з) 3,5-динитробензолсульфокислоты,
Напишите структурные формулы следующих веществ:
а) п-динитробензола,з) 3,5-динитробензолсульфокислоты,
л-бромнитробензола,
о-хлорбензойной кислоты, г) м-нитротолуола,
д) п-броманилина,
л-бромнитробензола,
о-хлорбензойной кислоты, г) м-нитротолуола,
д) п-броманилина,
е) л-иодфенола,
е) л-иодфенола,
и) 4-хлор-2,3-динитротолуола,
к) 2-амино-5-бром-3-нитробензойной лоты,
л) n-оксибензойной кислоты,
и) 4-хлор-2,3-динитротолуола,
к) 2-амино-5-бром-3-нитробензойной лоты,
л) n-оксибензойной кислоты,
ж) мезитилена(1,3,5-триметилбензола), лоты).
ж) мезитилена(1,3,5-триметилбензола), лоты).
м) 2,4,6-тринитрофенола (пикриновой
м) 2,4,6-тринитрофенола (пикриновой
кис-
кис-
кис-
кис-
Напишите структурные формулы и названия всех возможных изомеров следующих
Напишите структурные формулы и названия всех возможных изомеров следующих
соединений:
соединений:
ксилола(диметилбензола),г)дибромнитробензола,
аминобензойной кислотыд)бромхлортолуола,
(НеМС6Н4СООН),е)тринитротолуола.
триметилбензола,
а) Сколько изомерных монозамещениых продуктов теоретически возможно для каждого из следующих соединений с общей формулой С6Н6? б) Сколько дизамещенных продуктов? в) Будет ли хотя бы одна из этих структур приемлемой для бензола, если судить по числу возможных изомеров?
ксилола(диметилбензола),г)дибромнитробензола,
аминобензойной кислотыд)бромхлортолуола,
(НеМС6Н4СООН),е)тринитротолуола.
триметилбензола,
а) Сколько изомерных монозамещениых продуктов теоретически возможно для каждого из следующих соединений с общей формулой С6Н6? б) Сколько дизамещенных продуктов? в) Будет ли хотя бы одна из этих структур приемлемой для бензола, если судить по числу возможных изомеров?
НС=С—СН2—С=С—СН3
IIII
I
I
нс=с—с=с—сн2—сн3
III
н^
| с=с=с=с=сн2Н2с/
V
4. Напишите структурные формулы и названия всех теоретически возможных продуктов4. Напишите структурные формулы и названия всех теоретически возможных продуктоввеществ:ж) о-хлорнитробензола, з) л-хлорнитробензола, и) п-хлорнитробензола, к) 1,3,5-триметилбензола, л) 4-бром-1,2-диметилбензола, м) п-этилтолуола.1 названия всех производных бензола,веществ:ж) о-хлорнитробензола, з) л-хлорнитробензола, и) п-хлорнитробензола, к) 1,3,5-триметилбензола, л) 4-бром-1,2-диметилбензола, м) п-этилтолуола.1 названия всех производных бензола,которыекоторые
4. Напишите структурные формулы и названия всех теоретически возможных продуктов
4. Напишите структурные формулы и названия всех теоретически возможных продуктов
веществ:
ж) о-хлорнитробензола, з) л-хлорнитробензола, и) п-хлорнитробензола, к) 1,3,5-триметилбензола, л) 4-бром-1,2-диметилбензола, м) п-этилтолуола.
1 названия всех производных бензола,
веществ:
ж) о-хлорнитробензола, з) л-хлорнитробензола, и) п-хлорнитробензола, к) 1,3,5-триметилбензола, л) 4-бром-1,2-диметилбензола, м) п-этилтолуола.
1 названия всех производных бензола,
которые
которые
мононитрования в кольцо следующих
а) о-дихлорбензола, б) м-дихлорбензола, в) п-дихлорбензола, г) о-бромхлорбензола, д) л-бромхлорбензола, е) п-бромхлорбензола,
Напишите структурные формулы :
теоретически могут иметь указанное числ кольцо.
С8Н10, одно монобромпроизводное,
CgH10, два монобромпроизводных,
С8Н1а, три монобромпроизводных, г) С8Н12, одно мононитропроизводное
Известны три изомерных трибромбензола сать структуры этим веществам с использо!
вашему ответу.
) изомерных производных, замещенных в
С9А12, два мононитропроизводных,
С9Н12, три мононитропроизводных
С9Н12, четыре мононитропроизводных.
с т. пл. 44, 87 и 120 °C. Можно ли припи- анием метода Кернера? Дайте обоснование
В течение некоторого времени в качестве возможной структуры для бензола рассматривалась призматическая структура VI, предложенная Альбертом Ладенбургом (Германия) в 1869 г., поскольку эта структура также будет давать лишь один продукт монозамещения и три изомерных дизамещенных продукта.
СН—-СН | хсн СН~~ СН
СН
и
а) Нарисуйте структуры Ладенбурга для трех возможных изомерных дибромбензолов. б) С помощью метода абсолютной ориентации по Кернеру отнесите структуры (а) к орто, мета или пара, в) В свете данных гл. 3 и 7 укажите, может ли в действительности структура Ладенбурга удовлетворять критерию числа возможных^изомеров?
Как вы объясните следующие факты: муравьиная кислота НСООН содержит одну связь углерод — кислород длиной 1,36 А (13,6-Ю-2 нм), а другую— 1,23 А (12,3-10~2 нм); в то же время в формиате натрия HCOO“Na+ обе связи углерод — кислород одинаковы и составляют 1,27 А (12,7-10“2 нм). (Проверьте ваш ответ в разд. 18.13.)
муравьиная кислота
Для каких из следующих соединений можно было бы предположить наличие ароматичности (при благоприятной геометрии)? а) Аннулены, содержащие до 20 атомов углерода (.аннулены — моиоциклические соединения общей формулы [—СН=СН—]„); б) моно- циклические полиены СдН10, С)Н9, CgHg.
Свойства пиррола, обычно изображаемого формулой VII, показывают, что это ве-
VII
щество является ароматическим. Объясните его ароматичность на основании теории орбиталей. (Указание: см. разд. 10.14. Проверьте ваш ответ в разд. 36.2)
Качественный анализ показал наличие в веществе углерода, водорода и брома. При сожжении 7,91 мг вещества получили 9,75 мг двуокиси углерода и 1,71 мг воды. Вторую навеску 6,20 мг сплавляли с перекисью натрия; последующее подкисление азотной кислотой и добавление нитрата серебра дало 9,26 мг осадка бромистого серебра. При растворении 7,89 мг вещества в 52,6 мг камфоры (т. пл. 176 РС) было найдено, что смесь имеет т. пл. 151,5 °C.
Рассчитайте: а) процентный состав, б) эмпирическую формулу и в) молекулярную формулу; г) напишите структуры всех производных бензола, имеющих эту молекулярную формулу.
Если бензол реагирует с хлором при освещении ультрафиолетовым светом, то образуется твердое вещество. Количественный анализ дал для вещества эмпирическую формулу СНС1. Понижение температуры замерзания показало, что молекулярный вес его примерно равен 300. а) Какова молекулярная формула продукта? б) Какова его возможная структурная формула? в) Реакция какого типа имела место при его получении? г) Является ли продукт реакции ароматическим? д) На деле продукт можно разделить на шесть изомерных соединений, одно из которых используется в качестве инсектицида (гексахлоран). Чем отличаются эти изомеры друг от друга? е) Возможно ли существование более чем шести изомеров для этого соединения?
Можете ли вы объяснить следующий порядок кислотности: ацетилен > бензол > > н-пентан. (Указание: см. разд. 8.10.)
1111Электрофильное замещение в ароматическом ряду
11
11
Введение
Для бензола характерны реакции замещения, при которых сохраняется резонансно-стабилизованная система. Реагенты какого типа могут вызвать это замещение? Каков механизм этих реакций?
Рис. 11.1. Бензольное кольцо; л-облако является источником электронов.Рис. 11.1. Бензольное кольцо; л-облако является источником электронов.Облако л-электронов расположено ниже и выше плоскости бензольного кольца. Вследствие резонанса эти л-электроны в большей степени участвуют в связывании ядер углерода, чем л-электроны двойной углерод-углеродной связи. Тем не менее по сравнению с о-элект- ронами эти л-электроны удерживаются слабее и доступны для реагентов, стремящихся получить электроны (рис. 11.1).
Рис. 11.1. Бензольное кольцо; л-облако является источником электронов.
Рис. 11.1. Бензольное кольцо; л-облако является источником электронов.
Не удивительно, что в своих типичных реакциях бензольное кольцо служит источником электронов, т. е. основанием. Вещества, с которыми оно реагирует, имеют дефицит электронов и, следовательно, являются электрофильными реагентами или кислотами. Точно так же как типичными реакциями алкенов являются реакции электрофильного присоединения, типичными ре
акциями бензольного кольца будут реакции электрофильного замещения.
Эти реакции характерны не только для самого бензола, но и вообще для бензольного кольца, где бы оно ни находилось, а также для других ароматических циклов — бензоидных и небензоидных.
Реакции электрофильного замещения охватывают широкий круг реакций: нитрование, галогенирование, сульфирование и реакции Фриделя — Крафтса свойственны почти всем ароматическим соединениям; реакции типа нитрозирования и азосочетания присущи лишь системам с повышенной активностью; такие реакции, как десульфирование, изотопный обмен, и многочисленные реакции циклизации, которые с первого взгляда кажутся совсем различными, но которые также оказывается целесообразным отнести к реакциям того же типа. По своей синтетической важности реакции электрофильного замещения, вероятно, важнее любого другого типа органических реакций. Эти реакции служат источником получения почти любого типа ароматических соединений: они позволяют осуществить прямое введение ряда заместителей и групп, которые далее могут быть замещены или превращены в другие заместители, включая даже дополнительные ароматические кольца.
ЭЛЕКТРОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ В АРОМАТИЧЕСКОМ РЯДУ
Аг = арил (любая ароматическая группа, в которой заместитель связан непосредственно с атомом углерода кольца)
Нитрование (разд. 11.8)
H2SO4
АгН + HONO, > ArNO2 + Н2О
иитросоеди-нение
Сульфирование (разд. 11.9)
SOg
АгН + HOSOjH >■ ArSOgH + Н2О сульфокислота
Галогенирование (разд. 11.10)
Fe
АгН + С12 > ArCI + HCI
хлористыйарил
Fe
АгН + Вг2 >• АгВг + НВг
бромистыйарил
Алкилирование по Фриделю—Крафтсу (разд. 11.11)
AlClgArH + RCl > ArR + HCl
алкил- бензол
Ацилирование по Фриделю—Крафтсу (разд. 19.7) , AlClg
АгН + RCOCf>- ArCOR + HCIхлорангидрид кетон
Нитрозирование (разд. 23.12 и 25.17)
АгН + HONO *■ ArN=O + Н2О только для очень реакционноспособных АгН нитрозо- соедииение
Азосочетание (разд. 24.10)
АгН + Ar'N2X“ ♦- ArN=NAr' + НХ только для очень реакционноспособных АгН сольазосоедине-
диазонияние
Реакция Кольбе (разд. 25.19), только для фенолов
Реакция Реймера—Тимана (разд. 25.20), только для фенолов
Протонолиз (разд. 21.5) н2о ArSOgH + Н+ >- АгН + H2SO4 Десульфирование
АгН + D+ >• ArD + Н+ Водородный обмен
Влияние заместителей
Толуол, подобно бензолу, подвергается электрофильному ароматическому замещению, например сульфированию. Хотя возможно образование трех моносульфопродуктов, в действительности в ощутимых количествах
получаются только два изомера — орто и пара
о-толуолсульфо - лимита, 527«о-толуолсульфо - лимита, 527«и 6% хеша-изомера,и 6% хеша-изомера,
о-толуолсульфо - лимита, 527«
о-толуолсульфо - лимита, 527«
и 6% хеша-изомера,
и 6% хеша-изомера,
Бензол и толуол нерастворимы в серной кислоте, в то время как сульфокислота легко в ней растворима; окончание реакции определяют по исчезновению углеводородного слоя. При встряхивании с дымящей серной кислотой при комнатной температуре бензол полностью реагирует за 20— 30 мин, а толуол — в течение 1—2 мин.
Изучение нитрования, галогенирования и реакции алкилирования по Фриделю — Крафтсу толуола дает аналогичные результаты. Метильная группа делает кольцо более реакционноспособным, чем незамещенный бензол, и направляет атаку в орто- и парц-положения кольца.
Совершенно иначе ведет себя нитробензол, который реагирует медленнее, чем бензол, и дает главным образом мета-изомер.
Подобно метильной или нитрогруппе, любая группа, связанная с бензольным кольцом, влияет на реакционную способность кольца и определяет ориентацию замещения. Когда электрофильный реагент атакует ароматическое кольцо, именно природа группы, уже имеющейся в кольце, определяет, насколько легко происходит атака и ее направление.
Группа, под влиянием которой кольцо становится более активным, чем кольцо бензола, называется активирующей группой. Группа, делающая его менее активным, чем кольцо бензола, называется дезактивирующей группой.
Группа, направляющая атаку преимущественно в орто- и пара- положения, называется орто, пара-ориентантом. Группа, которая направляет атаку преимущественно в мета-положение, называется ме- та-ориентантом.
В этой главе мы познакомимся с методами, которые используются для измерения подобных влияний на реакционную способность и ориентацию, с результатами этих измерений и теорией, объясняющей эти результаты. Естественно, эта теория основана на наиболее вероятном механизме для электрофильного замещения в ароматическом ряду; мы рассмотрим этот механизм и доказательства, имеющиеся в его пользу. Прежде всего познакомимся с фактами.
Определение ориентации
В принципе очень просто выяснить характер ориентирующего влияния группы: для этого надо ввести в реакцию замещения вещество, содержащее в качестве заместителя у бензольного кольца эту группу, и проанализировать образующийся продукт на содержание трех изомеров. Идентификация каждого из изомеров как орто, мета или пара обычно производится путем сравнения с заведомым образцом этого изомера, полученным каким- либо другим методом из соединения, структура которого известна. В конечном счете все эти идентификации основаны на принципе абсолютной ориентации Кернера (разд. 10.20).
Именно таким путем было установлено, что каждая из групп может быть отнесена к одному из двух классов: орто.инрц-ориентанты и мета- ориентанты. В табл. 11.1 сведены данные по ориентации при реакции нитро-
Таблица ПЛ
Ориентация при нитровании С6Н5¥
Y
орто
пара
орто+пара
мета
—ОН
50—55
45—50
100
Следы
—NHCOCH3
19
79
98
2
—СН3
58
38
96
4
—F
12
88
100
Следы
-С1
30
70
100
Следы
—Вг
37
62
99
1
—1
38
60
98
2
—no2
6,4
0,3
6,7
93,3
4-
-N(CH3)3
0
11
11
89
—ON
19
81
—соон
19
I
20
80
—SO3H
21
7
28
72
—CHO
28
72
вания ряда замещенных бензолов. Из пяти возможных для атаки положений три (60%) находятся в орто,па/?а-положениях к заместителю, а два (40%) —
Реакция
орто
мета
пара
Нитрование
58
4
38
Сульфирование
32
6
62
Бромирование
33
67
реакция замещения протекала быТаблица П.2Ориентация замещения в толуолереакция замещения протекала быТаблица П.2Ориентация замещения в толуолев жста-положении к заместителю; есл целиком не избирательно, нам следовало бы ожидать, что продукт будет состоять на 60% из орто- и пара-нзоме- ров и на 40% из жета-изомера. Как следует из данных табл. 11.1, семь групп направляют нитрование на 96— 100% в орто- и пара-положения, a шесть других — на 72—94% в мета- положение.
реакция замещения протекала бы
Таблица П.2
Ориентация замещения в толуоле
реакция замещения протекала бы
Таблица П.2
Ориентация замещения в толуоле
Определенная группа проявляет одинаковое ориентирующее действие—
преимущественно орто, пара или преимущественно мета — независимо от природы используемого электрофильного реагента. Однако действительное распределение изомеров может изменяться при переходе от одной реакции к другой. В табл. 11.2 сопоставлены, например, данные по распределению изомеров, полученные при сульфировании или бромировании толуола.
с данными по нитрованию.
Определение относительной реакционной способности
Группа относится к числу активирующих, если кольцо, с которым она связана, более реакционноспособно, чем кольцо в бензоле. Группа относится к числу дезактивирующих, если кольцо, с которым она связана, менее активно, чем кольцо в бензоле. Реакционную способность бензола и замещенных бензолов сравнивают одним из следующих способов.
Во-первых, можно определить время, необходимое для протекания реакции в идентичных условиях. Выше уже говорилось о том, что толуол реагирует с дымящей серной кислотой за время, в 10—20 раз меньшее, чем время, требуемое для аналогичной реакции бензола. Таким образом, толуол
и
более активен, чем бензол, и СН3-группа, следовательно, является активирующей группой.
Во-вторых, можно устанавливать степень жесткости условий, требуемых для протекания сравниваемых реакций за один и тот же период времени. Например, бензол нитруется менее чем за час при 60 °C смесью концентрированных серной и азотной кислот; сравнимая степень нитрования нитробензола требует использования температуры 90 °C и смеси дымящей азотной и концентрированной серной кислот. Очевидно, нитробензол менее активен, чем бензол, и нитрогруппа NO2 является дезактивирующей группой.
В-третьих, для точных количественных сравнений необходимо в идентичных условиях проводить конкурентные реакции, в которых сравниваемые соединения вводят в реакцию с недостаточным количеством реагента (разд. 4.24). Так, например, если эквимолярное количество бензола и толуола обрабатывают небольшим количеством азотной кислоты (в растворителях типа нитрометана или уксусной кислоты, которые растворяют как органические, так и неорганические реагенты), то образуется примерно в 25 раз больше нитротолуолов, чем нитробензола; это свидетельствует о том, что- толуол в 25 раз активнее бензола.
арточ мета и пара.арточ мета и пара.мо2[О] -^HNOjaw дамо2[О] -^HNOjaw даорто, мета и парсеорто, мета и парсе
арточ мета и пара.
арточ мета и пара.
мо2
[О] -^HNOjaw да
мо2
[О] -^HNOjaw да
орто, мета и парсе
орто, мета и парсе
Однако смесь бензола и хлорбензола дает продукт, в котором количество нитробензола примерно в 30 раз больше, чем хлор нитробензола; это свидетельствует о том, что хлорбензол примерно" в 30 раз менее активен, чем бензол. Поэтому хлор является дезактивирующей группой, а метильная группа — активирующей. Активация или дезактивация, вызываемая некоторыми группами, бывает исключительно сильной: так, анилин CeHbNHs примерно в миллион раз активнее бензола, а нитробензол CeH6NOg примерно в миллион раз менее активен, чем бензол.
Классификация заместителей
Методы, описанные в предыдущих двух разделах, использовались для определения влияния большого числа различных групп на электрофильное замещение. Как показано в табл. 11.3, почти все группы относятся к одному из двух классов: активирующие и оршо.пара-ориентирующие или дезактивирующие и .ме/па-ориентирующие. Галогены относятся к особому классу заместителей:.дезактивирующих, но орто.ппра-ориентирующих.
Зная характер эффектов, сведенных в этой краткой таблице, можно теперь довольно точно предсказать ход сетей различных реакций электрофильного замещения в ароматическом ряду. Так, например, можно предвидеть, что бромирование нитробензола будет давать главным образом мепга- изомер, причем реакция будет идти медленнее, чем бромирование самого бензола; в действительности для того, чтобы эта реакция вообще прошла, требуются довольно жесткие условия. Можне также предсказать, что нит-
Дезактивирующие: лге/ла-ориеитанты—NO2-N(CH3)3—CN—СООН(—COOR)—SO3H—CHO, —CORДезактивирующие: орто.пара-ориеи танты—F, —Cl, —Br, —IДезактивирующие: лге/ла-ориеитанты—NO2-N(CH3)3—CN—СООН(—COOR)—SO3H—CHO, —CORДезактивирующие: орто.пара-ориеи танты—F, —Cl, —Br, —Iрование C6H5NHCOCH3 (ацетанилид) будет давать в основном орто- и пара-изомеры и будет осуществляться гораздо быстрее, чем нитрование бензола.
Дезактивирующие: лге/ла-ориеитанты
—NO2
-N(CH3)3
—CN
—СООН(—COOR)
—SO3H
—CHO, —COR
Дезактивирующие: орто.пара-ориеи танты
—F, —Cl, —Br, —I
Дезактивирующие: лге/ла-ориеитанты
—NO2
-N(CH3)3
—CN
—СООН(—COOR)
—SO3H
—CHO, —COR
Дезактивирующие: орто.пара-ориеи танты
—F, —Cl, —Br, —I
Хотя, как будет показано ниже, все эти эффекты могут быть объяснены вполне логично, студенту все же необходимо запомнить классификацию, данную в табл. 11.3, поскольку это облегчит ему решение синтетических задач с участием ароматических соединений.
Таблица 11.3
Влияние групп на электрофильное замещение в ароматическом ряду
Активирующие: орто, лара-ориентанты
Сильно активирующие
—NH2(—NHR, NR2)
—ОН
Умеренно активирующие
—ОСН3(—ОС2Н6 и т. п.)
—NHCOCH3
Слобо активирующие
-с6н6
—СН3(—СД и т. п.)
Ориентация в дизамещенных бензолах
Наличие двух заместителей в бензольном кольце усложняет проблему ориентации, но даже в этом случае часто можно вполне определенно предсказать направление реакции. Прежде всего два заместителя могут быть расположены таким образом, что ориентирующее действие одного будет усиливать ориентирующее влияние другого. Так, например, в веществах I, II и III ориентация, естественно, должна быть такой, как показано стрелками на схемах.
Однако в тех случаях, когда ориентирующее влияние одной группы противоположно влиянию другой группы, иногда трудно предсказать структуру главного продукта реакции. В этих случаях образуется сложная смесь нескольких продуктов.
Но даже если эффекты действуют в противоположном направлении, бывает возможно, руководствуясь следующими обобщениями, предсказать основное направление реакции.
Влияние сильно активирующих групп обычно преобладает над влиянием слабо дезактивирующих или слабо активирующих групп. Различие в ориентирующей силе
—NH3 —ОН > —ОСН3 —NHCOCH3 > —С,Н6 > —СН3 > мета-орнентанты
NHCOCH3'jl 5д£5^>NHCOCH3'jl 5д£5^>ннсоснзннсоснзсн3сн3сн3осяовяойсн3осяовяойпродуктпродуктосновной продуктосновной продукт
NHCOCH3
'jl 5д£5^>
NHCOCH3
'jl 5д£5^>
ннсоснз
ннсоснз
сн3
сн3
сн3
осяовяой
сн3
осяовяой
продукт
продукт
основной продукт
основной продукт
достаточно велико для того, чтобы на этом основании можно было планировать синтез. Так, например:
ОН
ныо„ н^о^
СН3
единственныйпродукт
Однако различие в ориентирующем действии между двумя группами должно быть все же достаточно велико для того, чтобы получить четкие результаты, в противном случае результат будет подобен следующему:
58%58%42%42%
58%
58%
42%
42%
Очень часто замещение лишь в незначительной степени направляется в положение, находящееся между двумя мета-заместителями. Во многих случаях кажется, что просто в этом положении недостаточно пространства между двумя заместителями, находящимися в люта-положен и и друг к другу, для того, чтобы в ощутимой степени могло пройти замещение, как иллюстрируется формулами IV и V:
С!С!нитрование IVнитрование IVнитрованиеVнитрованиеV
С!
С!
нитрование IV
нитрование IV
нитрование
V
нитрование
V
Ориентация и синтез
Как уже отмечалось в разд. 4.16, лабораторный синтез обычно направлен на получение чистого индивидуального вещества. Всюду, где возможно, следует избегать использования реакций, которые приводят к образованию смеси, поскольку это уменьшает выход нужного соединения и ставит сложную проблему очистки. Имея это в виду, рассмотрим, каким образом можно использовать наши знания об ориентации для получения чистых ароматических соединений.
Прежде всего следует рассмотреть последовательность, в соответствии с которой различные заместители вводятся в кольцо. Например, при получении бромнитробензолов очевидно, что если вначале провести нитрование, а потом бромирование, то получим мета-изомер; в то же время, если сначала бромировать, а потом нитровать, то получим смесь орто- и пара-изомеров. Таким образом, последовательность проведения этих двух стадий будет определяться тем, какой изомер хотят получить.
Далее, если синтез включает превращение одной группы в другую, следует правильно решить, на какой именно стадии лучше проводить это превращение. Так, например, окисление метильной группы дает карбоксильную группу (разд. 12.11). При получении нитробензойной кислоты из толуола характер образующегося продукта будет зависеть от того, какая реакция проводится раньше — окисление или нитрование.
толуолтолуолКМпО,КМпО,СООНHNO,. Н,1О4,СООНHNO,. Н,1О4,соонсоонno2м-нитробензойяая кислотаno2м-нитробензойяая кислотаСН3СН3HNO„ HiSO,HNO„ HiSO,СН3СН3no2no2
толуол
толуол
КМпО,
КМпО,
СООН
HNO,. Н,1О4,
СООН
HNO,. Н,1О4,
соон
соон
no2
м-нитробензойяая кислота
no2
м-нитробензойяая кислота
СН3
СН3
HNO„ HiSO,
HNO„ HiSO,
СН3
СН3
no2
no2
к2сг2о,к2сг2о,K2Cr2O7K2Cr2O7
к2сг2о,
к2сг2о,
K2Cr2O7
K2Cr2O7
СООНСООНСООНСООНо-нитробеизойная кислотао-нитробеизойная кислотаno2 , п-иигпробензоИие.я кислотаno2 , п-иигпробензоИие.я кислота
СООН
СООН
СООН
СООН
о-нитробеизойная кислота
о-нитробеизойная кислота
no2 , п-иигпробензоИие.я кислота
no2 , п-иигпробензоИие.я кислота
Замещение, контролируемое активирующей группой, дает смесь орто- и пара-изомеров; тем не менее часто приходится использовать эти реакции (см. приведенные примеры). Обычно чистый пара-изомер может быть выделен из этой смеси дробной кристаллизацией. Поскольку этот изомер более симметричен, он менее растворим (разд. 12.3) и выделяется в виде кристаллов, в то время как в растворе остается более растворимый орто-хаомер. Конечно, некоторое количество пара-изомера все еще будет оставаться в растворе, что будет загрязнять орто-изомер и усложнять очистку последнего. Как будет показано в гл. 24, для получения орто-изомеров часто используют специальные методы.
В случае нитросоединений различие в температурах кипения часто оказывается достаточно большим для того, чтобы можно было получить как орто-, так и дш/ю-изомеры в чистом виде путем фракционной перегонки. Многие ароматические соединения лучше получать не прямым замещением, а путем превращения одной группы в другую, причем в конечном счете в качестве исходного вещества используется нитросоединение. Эти методы превращения будут рассмотрены ниже.
Механизм нитрования
Теперь, познакомившись с влиянием заместителей на ориентацию и [еакционную способность ароматических соединений, выясним, как можно объяснить эти эффекты. Для этого следует прежде всего изучить механизм реакции. Рассмотрим механизм реакции нитрования.
(1)HONO2 + 2H2SO4(1)HONO2 + 2H2SO4Обычно принимаемый механизм нитрования смесью азотной и серной кислот (часто называемой химиками «нитрующей смесью») включает последовательность следующих реакций:
(1)HONO2 + 2H2SO4
(1)HONO2 + 2H2SO4
Н3О+ + 2HSO7 + NO2 нитроний- ион
NO2 + С6Н6 >■ С6Н5медленно
\no2
+ /н
CeH6 +HSO7 >■ C6H5NO2 + H2SO4 быстро
^NO,
+
На стадии (1) генерируется нитроний-ион NO2 — электрофильная частица, атакующая затем бензольное кольцо. Эта реакция представляет собой кислотно-основное равновесие, в котором серная кислота служит кислотой, а гораздо более слабая азотная кислота — основанием. Можно, считать, что очень сильная серная кислота вызывает ионизацию азотной кислоты на HO-'-^NOg, а не по обычной схеме на Н+ • • -~ONO2. Нитроний-ионы хорошо известны и существуют в виде солей, например перхлорат нитрония NO? СЮ? или тетрафторборат нитрония МОРВЕГ. Действительно, растворы этих устойчивых нитрониевых солей в растворителях типа нитрометана или уксусной кислоты по данным Г. Ола гладко и с хорошим выходом нитруют ароматические соединения при комнатной температуре.
Поскольку нитроний-ион является электрофильным, он атакует доступные электроны л-облака бензола. В результате этой атаки [стадия (2)} образуется ковалентная связь между нитроний-ионом и одним из атомов углерода кольца и возникает карбониевый ион
+/Нсвн;
^NO,
Какова же точная структура карбониевого иона? Как показано ниже, ее можно представить тремя структурами (I, II и III), которые отличаются друг от друга лишь положением двойных связей и положительного заряда,
поэтому истинная структура иона должна быть резонансным гибридом этих трех структур.
Это означает, конечно, что положительный заряд не локализован на каком-нибудь одном атоме углерода, а распределен по всей молекуле с преобладанием его на атомах углерода в орто- и пара-положениях по отношению к вошедшей нитрогруппе. (Как б)дет показано ниже, подобное орте, пара-распределение является очень существенным.) Рассредоточение положительного заряда по всей молекуле делает рассматриваемый ион более устойчивым (вследствие резонанса), чем ион с локализованным положительным зарядом. Возможно, что именно вследствие подобной стабилизации вообще может образовываться карбониевый ион, поскольку молекула исходного бензола — очень устойчивая молекула. Иногда этот гибридный карбониевый ион изображают структурой IV, в которой пунктирная линия обозначет частичные связи, образуемые делокализованными л-электро- нами.
До сих пор рассматриваемая реакция была во всем подобна реакции присоединения к алкенам: электрофильная частица, притягиваемая л-элект- ронами, образует связь с молекулой, превращая ее в карбониевый ион. Но дальнейшая судьба этого карбониевого иона в рассматриваемом случае и в случае ионов, получаемых из алкенов, различна. Присоединение основной группы к бензольному карбониевому иону (феноний-ион) дало бы продукт присоединения с нарушенной бензольной системой. Вместо этого основной ион HSO4 отрывает ион водорода [стадия (3)1 с образованием продукта замещения, в котором сохранена резонансно-стабилизованная система. Потеря иона водорода является типичной реакцией для карбониевых ионов (разд. 5.18); в данном случае этот путь будет преобладающим направлением реакции.
Как и в других изученных нами реакциях карбониевых ионов, наиболее трудная стадия — стадия образования иона карбония [стадия (2)]; как только этот ион образуется, он сразу теряет ион водорода, давая конечные продукты (в разд. 11.14 будут приведены доказательства того, что это именно так).
Таким образом, электрофильное замещение, подобно электрофильному присоединению, представляет собой ступенчатый процесс, протекающий через стадию образования карбониевого иона. Эти две реакции отличаются, однако, судьбой иона карбония. Хотя механизм нитрования, по-видимому, лучше изучен, чем механизмы других реакций замещения в ароматическом ряду, кажется справедливым утверждение, что все эти реакции протекают по аналогичной схеме.
Задача 11.1. Нитрование с помощью HNO3 протекает, как полагают, в основном по тому же механизму, как и нитрование в присутствии серной кислоты. Напишите уравнение для генерации NOg из азотной кислоты.
Механизм сульфирования
Обычно принимаемый механизм сульфирования ароматических соединений включает следующие стадии:
2HsSO, ч=* HsO+ + HSO7 + SO,
+ /Н
SO3 + C,Ht 4- "^ С6Н5медленно
^SO?
+/Н
CeH5 + HSO7 г * CtH5SO7 + H2SO4 быстро
^SOJ
C6H6SO7 + HgO+ < -*" C6H6SO3H 4- H20 равновесие сильно
сдвинуто влево
И в этом случае первая стадия, приводящая к образованию электрофильной частицы — серного ангидрида, представляет собой просто кислотно основное равновесие между двумя молекулами серной кислоты. Для сульфирования обычно применяют серную кислоту, содержащую избыток SO2; даже если кислота не содержит избытка SO3, последний образуется как атакующий реагент на стадии (1).
:б:&д:
На стадии (2) электрофильный реагент, SO3, присоединяется к бензольному кольцу, давая промежуточный карбониевый ион. Хотя серный ангидрид не несет положительного заряда, он обладает дефицитом электронов и, следовательно, является кислотой.
На стадии (3) происходит отрыв иона водорода от резонансно-стабилизованного продукта, в данном случае с образованием аниона бензолсульфо- кислоты. Поскольку последняя является сильной кислотой, то она сильно диссоциирована ктадия (4)).
Механизм галогенирования
Обычно принимаемый механизм галогенирования ароматических соединений показан на примере хлорирования; он включает следующие стадии:
(1)
Cl, + FeCl3 ^=* FeCI? + CI+
(2)
С1+ + С0Н6 »■ С6Н6мгдленно
(3)
С6Н3 + FeC17>- СвН5С1 + НС1 + FeCl3быстро
Первая стадия, в результате которой генерируется атакующая электрофильная частица С1+, представляет собой кислотно-основное равновесие в понимании Льюиса (разд. 1.19). Хотя часто в качестве катализатора в этой реакции используют металлическое железо, оно безусловно превращается в хлорид железа(Ш) под действием хлора; заранее полученный
хлорид железа(Ш) или любая другая кислота Льюиса, похожая по силе на А1С13, применимы в этой реакции. Поскольку хлорид железа(Ш) способен принимать электроны, то он реагирует с молекулой хлора, давая ион FeCIt и положительный ион хлора. Вполне вероятно, что свободный СП в действительности не образуется, а хлорид железа(Ш) служит лишь для поляризации молекулы хлора, и в этом случае электрофилом будет положительный конец поляризованной молекулы хлора.
С1
I 6-6+
С1— Fe—Cl—С1
С1
При рассмотрении реакции присоединения галогена к алкену (разд. 6.13) считалось, что электроны двойной связи поляризуют молекулу галогена в достаточной мере для того, чтобы реакция произошла. Не удивительно, что атака на менее реакционноспособную молекулу бензола требует дополнительной поляризации за счет действия кислоты Льюиса. Действительно, более реакционноспособные ароматические соединения, т. е. соединения, в которых л-электроны более доступны, реагируют с галогенами без прибавления кислот Льюиса.
Задача 11.2. Некоторые активированные бензольные кольца могут хлорироваться хлорноватистой кислотой HOCI; эта реакция катализируется Н+. В свете вышеприведенного можете ли вы предложить объяснение роли Н+ в этом случае? (Указание: см. разд. 5.16.)
Механизм алкилирования по Фриделю—Крафтсу
Как мы увидим в разд. 12.7, алкилирование по Фриделю — Крафтсу представляет собой довольно сложный процесс. Очевидно, оно может протекать по двум механизмам. В настоящее время для нашего обсуждения существенно, что оба механизма укладываются в схему электрофильного замещения в ароматическом ряду.
Согласно одному из механизмов [стадии (1)—(3)1, электрофилом служит карбониевый ион, образующийся при реакции кислоты Льюиса (А1С13) с ал кил галогенидом
RC1 + А1С13 ч=^ A1CI7 + R+
+/Н
R* + С6Н, ч -X С,Н5медленно
\r
+/Н
СД + А1С17 ч=^ C.HR + НС1 + А1С1Э быстро
В другом механизме электрофилом служит алкильная группа полярного комплекса AIC1S с алкилгалогенидом
С1н
|б- е++/н
(2, альтернативная стадия)Cl—А1—С1—R + С,Н, »- СеН6 + А1С14
Cl
Как будет показано в разд. 12.6 при рассмотрении реакции Фриделя — Крафтса как синтетического метода, эта реакция в ее более общем смысле
включает реагенты, отличные от алкилгалогенидов, и кислоты Льюиса, отличные от А1С1Э, а именно BF3, SnCl4, HF и даже Н+.
Задача 11.3. Как вы объясните то, что бензол в присутствии А1С13 реагирует- а) с н-про- пилбромидом с образованием изопропилбензола, б) с изобутилбромидом с образованием mpem-бутилбензола и в) с неопентилбромидом с образованием трет-пентилбензола. г) По какому из альтернативных механизмов для реакции Фриделя — Крафтса, вероятно, образуются эти продукты?
Задача 11.4. Напишите все стадии наиболее вероятного механизма реакции бензола: а) с трет—бутиловым спиртом в присутствии H2SO4, приводящей к mpem-бутилбензолу, и б) с пропиленом в присутствии Н3РО4, дающей изопропилбензол.
Механизм электрофильного замещения в ароматическом ряду: общие положения
Электрофильное замещение в ароматическом ряду, по-видимому, протекает по единому механизму независимо от используемого конкретного реагента. В общем виде для реагента YZ-схема будет выглядеть следующим образом:
С6Н6 + Y+ * С6Н6медленно
(2)(2)/НС.Й; +:Z"/НС.Й; +:Z"CgH^ 4- H:ZCgH^ 4- H:Zбыстробыстро
(2)
(2)
/Н
С.Й; +:Z"
/Н
С.Й; +:Z"
CgH^ 4- H:Z
CgH^ 4- H:Z
быстро
быстро
Схема включает две основные стадии: 1) атака электрофильного реагента /Н
по кольцу с образованием карбоний-иона СбН5^^ и 2) отрыв иона водорода от этого карбониевого иона под действием какого-либо основания. В каждом случае существует также предварительная кислотно-основная реакция, генерирующая атакующую частицу, однако собственно замещение происходит в ходе этих двух стадий.
Большая часть доводов в пользу этого механизма следует из данных о природе атакую цей частицы во всех этих реакциях: замещение представляет собой электрофильную реакцию. Эти данные в свою очередь получены на основании кинетических исследований, подтвержденных различными другими наблюдениями, такими, как нитрующая способность заранее приготовленных нитрониевых солей (разд. 11.8) или карбоний-ионные перегруппировки в некоторых реакциях алкилирования по Фриделю — Крафтсу (задача 11.3, см. выше). Электрофильная природа этих реакций подтверждается в общем тем, что другие реакции, которые обнаруживают те же особенности и ту же направленность, укладываются в эту общую схему механизма.
Задача 11.5. Группы, имеющиеся в кольце, в каждой из следующих реакций оказывают на направление атаки влияние того же типа, что описано в разд. 11.5. Предположите в каждом случае, что является вероятным электрофилом, и напишите вероятный механизм.
А1С13
а) АгН-f-R—С—С1 >• Аг—С—R
-б) АгН + Ar’N^Cr> Ar—N=N—Аг'
в) ArSO3H ф Н3О+ *• АгН + H2SO4. (Указание: см. задачу 5.6, стр. 162.)
Задача 11.6. При обработке фенола D2SO4 и О2О (сульфат дейтерия в тяжелой воде) образуется фенол, содержащий дейтерий вместо водорода в орто- и пара-положениях по отношению к ОН-группе. Бензол подвергается аналогичному обмену, но с гораздо меньшей скоростью; в тех же условиях бензолсульфокислота не подвергается обмену вообще, а) Напишите наиболее вероятный механизм обмена водород — дейтерий в ароматических соединениях, б) Что является реагентом в каждом из случаев и к какому общему типу принадлежат этн реакции?
Однако до сих пор мы рассматривали еще не весь механизм реакции, а лишь часть его. Если принять, что замещение является электрофильной реакцией, то на каком основании мы утверждаем, что оно протекает в две стадии, как было показано, а не в одну? Почему мы считаем, что из этих двух стадий первая гораздо медленнее? Чтобы понять, каким образом был найден ответ, необходимо сначала немного познакомиться с явлением изотопного эффекта.
Изотопный эффект
Различные изотопы одного и того же элемента обладают по определению одной и той же электронной конфигурацией и, следовательно, имеют одинаковые химические свойства. Именно это лежит в основе метода меченых атомов (разд. 4.31); один изотоп ведет себя во всем похоже на другой, но отличается по своей радиоактивности или массе и, пользуясь этим, можно ■проследить его судьбу в ходе химического превращения.
Однако различные изотопы обладают, также согласно определению, различными массами, и поэтому их химические свойства не вполне идентичны; те же реакции могут протекать с различными скоростями (или для обратимых реакций — с различным положением равновесия). Различие в •скорости (или положении равновесия), вызванное введением изотопа в реакционную среду, называют изотопным эффектом.
Теоретические соображения, в которые мы не имеем возможности здесь углубляться, подтверждаемые многочисленными экспериментальными данными, приводят к выводу о том, что если данный атом в переходном состоянии реакции связан менее прочно, чем в реагенте, то эта реакция с болев тяжелым изотопом пойдет медленнее. Изотопы водорода имеют наибольшее относительное различие в массах атомов: дейтерий (D) вдвое, а тритий (Т) втрое тяжелее протия. Вследствие этого изотопные эффекты для водорода имеют максимальную величину, их легче всего измерить и их чаще всего изучают (также и в силу особого значения водорода в органической химии; если последнее утверждение вызывает у вас сомнение, то взгляните на структуру почти любого из соединений в этой книге).
Одним из типов реакций, в которых атом в переходном состоянии менее прочно связан, чем в реагенте, является реакция, протекающая с разрывом этой связи. Изотопные эффекты, связанные с реакциями разрыва связи с изотопным атомом, называются первичными изотопными эффектами. Обычно по величине они наибольшие для данного набора изотопов.
В настоящей книге будут рассматриваться в основном первичные водородные изотопные эффекты, обусловленные тем, что связь с протием (Н) разрывается быстрее, чем связь с дейтерием (D). Для многих реакций этого типа
-C-H+Z -^ [-C-H-Z] —> —С + Н—Z
-O-D + Z -^ (—С—D—Z] —> -C + D-Z
в которых водород отрывается как атом, положительный или отрицательный ион, дейтериевый изотопный эффект (kHikD) колеблется в пределах 5—8 (при комнатной температуре). Это означает, что реакция протекает в 5—8 раз быстрее для обычного водорода, чем для дейтерия. (Тритиевые изотопные эффекты кн!кт примерно вдвое больше дейтериевого изотопного эффекта.)
Эти различия в скорости можно измерить различными способами. В некоторых случаях они могут быть измерены непосредственно и тем самым сопоставлены скорости двух индивидуальных реакций (1) и (2). Однако обычно удобнее и лучше использовать знакомый метод конкурентных реакций (разд. 4.24) в любой из следующих двух модификаций.
В межмолекулярной конкурентной реакции меченые и немеченые субстраты конкурируют за ограниченное количество какого-либо реагента; в этом случае реакции (1) и (2) протекают в одной и той же смеси и измеряют относительные количества продуктов Н — 2 и D — Z. (Иногда используют большие количества реагента Z и измеряют относительные количества не вступивших в реакцию реагентов — меченого и немеченого; менее активный из них будет реагировать медленнее и будет преобладать в этой смеси. По этим данным легко подсчитать относительные скорости реакции.)
В внутримолекулярной конкурентной реакции используют один субстрат, в котором имеется несколько эквивалентных положений, причем некоторые содержат метку, а другие — не содержат:
*■ Н—Z + С > продукт (D)
рITIркапции
> D—Z + С—Н —> продукт (И)
}реакции
С
При этом можно измерять либо относительные количества Н — Z и D —- или относительные количества D-содержащего продукта, образующегося: по реакции (3), и Н-содержащего продукта, образующегося по реакц пи
Задача 11.7. а) При фотохимическом монохлорировании толуола-a-D (CeH5CH,D) при 80 °C действием 0,1 моля хлора образуется 0.0212 моля DC! и 0,0868 моля НС!. Какова величина изотопного эффекта ^н/^п (® расчете на 1 «том водорода, конечно)? б) Какие относительные количества DC1 и НО будут, по вашему мнению, образовываться при реакции с C1HbCHD1?
Механизм электрофильного замещения в ароматическом ряду: две стадии
Теперь, когда мы знаем, что такое изотопные эффекты и чем они обусловлены, можно обратиться к вопросу, почему они собственно интересуют химиков-органиков. Вернемся к вопросу, который уже был поставлен ранее: почему мы считаем, что электрофильное замещение в ароматическом ряду протекает в две стадии
(1)(2)(1)(2)С,Н. + Y4" >- С6Н, медленно, лимитирующая стадия
(1)
(2)
(1)
(2)
+ /Н
C,HS + :Z —^ C6H5V + H:Z быстро
а не в одну стадиюа не в одну стадию(1а)(1а)C.H.+ Y* >C.H.+ Y* >- JT +С,Й6 * C,H6Y + № \у- JT +С,Й6 * C,H6Y + № \у
а не в одну стадию
а не в одну стадию
(1а)
(1а)
C.H.+ Y* >
C.H.+ Y* >
- JT +
С,Й6 * C,H6Y + № \у
- JT +
С,Й6 * C,H6Y + № \у
и почему мы считаем, что в указанной двухстадийной схеме первая стадия гораздо медленнее второй.
Ответ на этот вопрос был получен в результате серии работ, начатые Ларсом Меландером (Нобелевский химический институт, Стокгольм) х продолженных многими другими исследователями. Различные ароматический соединения, меченные дейтерием и тритием, вводились в реакцию нитрова-
Рис. 11.2. Изменение потенциальной энергии в ходе реакции электрофильного замещения в ароматическом рядуЛимитирующей стадией является образование карбониевого иона, которое протекает одинаково быстро, независимо от того, протий (Н) или дейтерий (D) имеется у места атаки, поскольку связь с водородом при этом ие затрагиваетсяРис. 11.2. Изменение потенциальной энергии в ходе реакции электрофильного замещения в ароматическом рядуЛимитирующей стадией является образование карбониевого иона, которое протекает одинаково быстро, независимо от того, протий (Н) или дейтерий (D) имеется у места атаки, поскольку связь с водородом при этом ие затрагивается
Рис. 11.2. Изменение потенциальной энергии в ходе реакции электрофильного замещения в ароматическом ряду
Лимитирующей стадией является образование карбониевого иона, которое протекает одинаково быстро, независимо от того, протий (Н) или дейтерий (D) имеется у места атаки, поскольку связь с водородом при этом ие затрагивается
Рис. 11.2. Изменение потенциальной энергии в ходе реакции электрофильного замещения в ароматическом ряду
Лимитирующей стадией является образование карбониевого иона, которое протекает одинаково быстро, независимо от того, протий (Н) или дейтерий (D) имеется у места атаки, поскольку связь с водородом при этом ие затрагивается
ния, бромирования и алкилирования по Фриделю — Крафтсу. Установлено, что в этих реакциях дейтерий или тритий замещаются с такой же скоростью, как водород, и заметного изотопного эффекта не наблюдается.
Выше было показано, что связь углерод — дейтерий разрывается медленнее, чем связь углерод — водород, а связь углерод — тритий — еще медленнее. Как же в таком случае следует интерпретировать тот факт, что в этих реакциях не наблюдается изотопного эффекта? Если скорости замещения различных изотопов водорода одни и те же, то это может только означать, что реакции, скорости которых сравниваются, не включают стадии разрыва углерод-водородной связи.
Такая трактовка соответствует нашему механизму. Скорость суммарной реакции замещения определяется медленной атакой электрофильного» реагента по ароматическому кольцу с образованием карбониевого иона. После образования карбониевый ион быстро теряет ион водорода, давая конечные продукты. Стадия (1) является, таким образом, лимитирующей. Поскольку она не требует разрыва углерод-водородной связи, то ее скорость (а следовательно, и скорость суммарной реакции) не зависит от того, какой именно изотоп имеется в молекуле.
Если бы замещение происходило в одну стадию, как показано на схеме (1а), то эта стадия с необходимостью должна была бы быть лимитирующей
и, поскольку она включает разрыв связи углерод — водород, следовало бы ожидать изотопного эффекта. Или если стадия (2) в двухстадийной схеме была бы достаточно медленной по сравнению со стадией (1), то и в этом случае должен был бы наблюдаться изотопный эффект. [Действительно, сульфирование обнаруживает слабый изотопный эффект, и, как будет показано в разд. 21.5, именно по этой причине. Однако даже при сульфировании суммарная скорость в основном контролируется стадией (1).|
Таким образом, отсутствие изотопных эффектов указывает не только на двухстадийный характер реакции электрофильного замещения в ароматическом ряду, но и устанавливает относительные скорости стадий. Присоединение электрофила к углеродному атому кольца — наиболее трудная стадия реакции (рис. 11.2), но она одинаково затруднена для случая, когда углерод связан как с протоном, так и с дейтерием. Следующая стадия, отрыв водорода, протекает легче, чем первая. И несмотря на то, что она замедлена для случая с дейтерием, на суммарной скорости реакции это не сказывается.
Задача 11.8. При реакции мезитилена (1,3,5-триметилбензола) с HF и BF3 Г. Ола (стр. 338) выделил при низкой температуре ярко-желтое вещество, элементный состав которого отвечает отношению мезитилен : HF : BF3, равному 1:1:1. Это вещество плохо растворялось в органических растворителях и в расплавленном состоянии проводило электрический ток; химический анализ показал наличие в нем иона BF4. При нагрева- ’нии оно выделяло BF3 и регенерировало мезитилен.
Хой реакции —►Хой реакции —►
Хой реакции —►
Хой реакции —►
Рис. 11.3.
Какова вероятная структура желтого вещества? Выделение этого и аналогичных веществ служит веским доводом, подтверждающим рассматриваемый механизм замещения в ароматическом ряду. Почему это справедливо?
Задача 11.9. Изучалось дегидробромировэние немеченого и меченого изопропилбромида [(CD1),CHBrl при 25 °C под действием С.Н,О-Мак и было найдено, что соотношение скоростей реакций равно 1,76 : 0.26. а) Какова величина изотопного эффекта? б) Согласуется ли этот изотопный эффект с механизмом дегидрогалогенирования, приведенным в разд. 5.14? в) Согласуется ли он со следующей двухстадийной схемой, включающей образование карбониевого иона?
медленнобыстро
КВг —> R^Br *- Алкен
г) Согласуется ли он со следующей схемой механизма, включающей карбанион?
||медленно || быстро
—С—СН С2Н5О">■ —С—С— > Алкен
IIг I
Н ВгВг
+ + ,D
Любой образующийся карбониевый ион, Агу или Аг<\ , превращается в конечный продукт, поскольку энергетический барьер для перехода вправо от иона карбония (по координате реакции) — он может быть немного выше для дейтерия или нем- много ниже для протия — все же значительно ниже, чем барьер для перехода влево (рис. 11.3). Но барьер справа от карбониевого иона соответствует £акт Для обратной реакции стадии (I). Поэтому для того, чтобы стадия (1) действительно была лимитирующей, необходимо, чтобы обратная реакция была медленнее, чем стадия (2) (разд. 14.12). К этому вопросу мы еще вернемся при обсуждении реакции сульфирования в разд. 21.5.
Реакционная способность и ориентация
Выше говорилось о том, что некоторые группы активируют бензольное кольцо и направляют замещение в орто- и пера-положения, а другие дезактивируют кольцо и направляют (за исключением галогенов) замещение в ^ета-положение. Как же можно объяснить эти эффекты на основании принципов, г которыми мы уже познакомились?
Прежде всего необходимо помнить, что как реакционная способность, так и ориентация зависят от относительных скоростей реакций. Если говорят, что метильная группа активирует кольцо, то это означает, что наличие метильной группы заставляет кольцо реагировать быстрее, чем реагирует бензол; эта группа вызывает ор-тго.пара-ориентацию при замещении, поскольку в ее присутствии замещение в орто- и пара-положения происходит быстрее, чем в мета-положение.
Далее известно, что независимо от природы реагента скорость реакции электрофильного замещения в .ароматическом ряду определяется одной и той же медленной стадией — атакой электрофила по кольцу с образованием карбониевого иона:
+ /Н
С,Н6 + Y* >■ СеН5 медленно, лимитирующая стадия
Поэтому все различия в скоростях замещения должны быть связаны с различиями в скорости этой реакции.
Для родственных реакций различие в скорости образования карбониевых ионов определяется в основном различием в £акт, т. е. различием в устойчивости переходных состояний. Как и в других изученных реакциях карбониевых ионов, факторы, стабилизующие ион за счет рассредоточения положительного заряда, должны по той же причине стабилизовать карбоний ионное переходное состояние. В рассматриваемом случае можно также ожидать, что более стабильный карбониевый ион будет образовываться быстрее. Поэтому следует более внимательно изучить относительные устойчивости карбониевых ионов.
При электрофильном замещении в ароматическом ряду промежуточный карбониевый ион представляет собой гибрид структур I, II и III, в которых положительный заряд распределен по всему кольцу, но в наибольшей
степени сконцентрирован в орто- и пара-положениях по отношению к атакованному атому углерода.
'н no2 ||Г-Н'н no2 ||Г-НН ,NO2‘ нН ,NO2‘ ннх ^no2представляемые е виденх ^no2представляемые е виде
'н no2 ||Г-Н
'н no2 ||Г-Н
Н ,NO2‘ н
Н ,NO2‘ н
нх ^no2
представляемые е виде
нх ^no2
представляемые е виде
Группа, уже присоединившаяся к бензольному ядру, будет влиять на стабильность карбониевого иона в результате рассредоточения или концентрирования положительного заряда в зависимости от электронодонорной или электроноакцепторной природы этой группы. Из структуры иона (I—Ш) очевидно, что этот стабилизующий или дестабилизующий эффект будет особенно важным, если группа присоединяется в орто- или пара-положение к атому углерода, который атакуется.
Теория реакционной способности
Для того чтобы сравнить скорости замещения в бензоле, толуоле и нитробензоле, следует сравнить структуры карбониевых ионов, образующихся из этих трех соединений.
Н YН Y
Н Y
Н Y
Метильная группа (И) за счет подачи электронов в кольцо будет стремиться погасить положительный заряд кольпа, сама при этом приобретая некоторый положительный заряд; это рассредоточение заряда стабилизует карбониевый ион.
Таким же образом индуктивный эффект стабилизует появляющийся в переходном состоянии положительный заряд, что приводит к ускорению реакции.
пореидное состояние, иарбоннадый й8И,возникающий полный положительныеположительный заряд заряд
С другой стороны, МО2-группа обладает электроноакцепторным индуктивным эффектом (Ш);это увеличивает положительный заряд, дестабили- зует карбониевый ион и замедляет реакцию.
Таким образом, реакционная способность при электрофильном замещении е ароматическом ряду зависит от тенденции заместителя подавать или
оттягивать электроны. Группа, отдающая электроны, активирует кольцо, а группа, оттягивающая электроны, дезактивирует кольцо.
G подает электроны •ем<хл»зует харбониееыи пои, xiwueupgetn кольцоG подает электроны •ем<хл»зует харбониееыи пои, xiwueupgetn кольцоG = —NH2
G подает электроны •ем<хл»зует харбониееыи пои, xiwueupgetn кольцо
G подает электроны •ем<хл»зует харбониееыи пои, xiwueupgetn кольцо
—ОН
-ОСН,
—NHCOCH3
-С6Н5
—СН3
G емтягивавт электроны, деспабилизует карбониееый дезактивирует кольцоG емтягивавт электроны, деспабилизует карбониееый дезактивирует кольцоG = -N(CH3)3 +—no2
G емтягивавт электроны, деспабилизует карбониееый дезактивирует кольцо
G емтягивавт электроны, деспабилизует карбониееый дезактивирует кольцо
иоН. —CN -SO3H -СООН —CHO —COR —X
Подобно СН3-группе, другие алкильные группы подают электроны и, как и СН3, они активируют кольцо. Так, например, mpem-бутилбензол в 16 раз активнее бензола в реакции нитрования. Эффект подачи электронов NH.r и ОН-группами и их производными ОСН3 и NHCOCHS вызван не их индуктивным эффектом, а резонансом, и он будет рассмотрен в разд. 11.18.
Мы уже познакомились в разд. 6.11 с электроноакцепторным эффектом галогенов. Полный положительный заряд группы N(CH3)t, безусловно, очень сильно притягивает электроны. В других дезактивирующих группах (например, NOj, CN, СОЭН) атом, соседний с кольцом, связан кратной связью с кислородол или азотом. Эти электроотрицательные атомы притягиьают подвижные л-электроны, делая атом, связанный с кольцом, электронодефицитным; для того чтобы скомпенсировать этот дефицит, этот атом оттягивает электроны из кольца.
Можно было ожидать, что замена водорода в СН3-группе на галоген будет снижать электронодонорные свойства этой группы и, возможно, превращать ее в электроноакцепторную группу. Так и оказывается на деле. Толуол в 25 раз активнее бензола в реакции нитрования; хлористый бензил в 3 раза менее активен, чем бензол. Таким образом, группа СН,С| является слабо дезактивирующей. Дальнейшая замена водорода на галоген дает группы СНС1-2 и СС13 с еще более дезактивирующим действием.
слабая дезактивацияслабая дезактивацияС1н-с-аС1н-с-ааСЬС-С!аСЬС-С!умереннаядезактивацияумереннаядезактивациясильнаядезактивациясильнаядезактивация
слабая дезактивация
слабая дезактивация
С1н-с-а
С1н-с-а
а
СЬС-С!
а
СЬС-С!
умереннаядезактивация
умереннаядезактивация
сильнаядезактивация
сильнаядезактивация
Теория ориентации
Прежде чем мы попытаемся объяснить явления ориентации при электрофильном замещении, рассмотрим более внимательно некоторые факты.
Активирующая группа активирует все положения бензольного кольца; даже жета-положение в этом соединении является более реакционноспо-
собным, чем какое-либо положение в незамещенном бензоле. Активирующая группа направляет замещение в орто- или пара-положение просто потому, что она активирует орто- и пара-положения в большей степени, чем лета-положение.
Дезактивирующая группа дезактивирует все положения в кольце, в том числе и лета-положение. Она направляет замещение в лета-положение просто потому, что она дезактивирует орто- и пара-положение в большей мере, чем лета-положение.
Таким образом, как орто,пара-, так и лета-ориентация возникаю! по одной и той же причине — влияние любой группы, активирующей или дезактивирующей, сильнее всего в орто- и яара-лоложениях.
Для того чтобы выяснить, в какой мере это соответствует теоретическим представлениям, сравним, например, карбониевые ионы, образующиеся при атаке в пара- или лета-положения толуола — соеиднения, содержащего активирующую группу. Каждый из этих ионов представляет собой гибрид трех структур: I—III для пара и IV—VI для мета. Лишь в одной (II) из этих шести структур
ппAmana в иара- положениеAmana в иара- положение
п
п
Amana в иара- положение
Amana в иара- положение
особенно устойчив:заряд у стома, углерода,несущего заместитель
Атака в метаположениеАтака в метаположение
Атака в метаположение
Атака в метаположение
положительный заряд расположен на атоме углерода, с которым связана СН3-группа. Хотя СН3-группа подает электроны ко всем атомам кольца, но в наибольшей степени это касается ближайшего из атомов углерода: поэтому структура II особенно устойчива. Благодаря большему вкладу структуры II гибридный карбониевый ион, образующийся за счет параатаки, будет более стабильным, чем ион карбония, образующийся в результате лета-атаки. Поэтому пара-замещение будет протекать быстрее, чем. лета-замещение.
Длите в орте положениеДлите в орте положение
Длите в орте положение
Длите в орте положение
vnvnvmix
vn
vn
особенно устойчив:заряд не. атоме углерода,несущем заместителе
Аналогичным образом можно убедиться, что атака в орто-положение (VII — IX) будет приводить к более стабильному карбониевому иону (благодаря вкладу резонирующей структуры IX), чем атака в лета-положение.
Итак, в толуоле орто- и лара-замещение протекает быстрее, чем мета- замещение, потому, что донорное влияние метильной группы осуществляется более эффективно при атаке в орто- и пара-положения к этой группе.
Теперь сравним карбониевые ионы, образующиеся при атаке в пара- и мета-положения нитробензола — вещества, содержащего дезактивирующую группу. Каждый из них представляет собой гибрид трех структур: X — XII для лара-атаки и XIII — XV для мета-атаки. В одной из этих, шести структур (XI) положительный заряд расположен на атоме углерода,., с которым связана NO2-rpynna.
xi . хн особенно неустойчив' заряд на атоме углерода,, несущем заместительxi . хн особенно неустойчив' заряд на атоме углерода,, несущем заместительАтака, в пара- положениеАтака, в пара- положениеXIHXIHАтана в мета- положениеАтана в мета- положениеXIVXVXIVXV
xi . хн особенно неустойчив' заряд на атоме углерода,, несущем заместитель
xi . хн особенно неустойчив' заряд на атоме углерода,, несущем заместитель
Атака, в пара- положение
Атака, в пара- положение
XIH
XIH
Атана в мета- положение
Атана в мета- положение
XIVXV
XIVXV
Хотя NO2-группа оттягивает электроны от всех атомов углерода кольца», особенно это затрагивает ближайший к ней атом углерода. Этот атом, и без того положительный, мало склонен участвовать в распределении заряда карбониевого иона. Поэтому структура XI особенно неустойчива и в очень малой степени способствует стабилизации иона, возникающего при атаке в лара-положение. Ион, образующийся при лара-атаке,в действительности представляет собой гибрид всего двух структур X и XII; положительный заряд распределен в основном лишь между двумя атомами углерода. Этот ион менее устойчив, чем ион, образующийся при атаке в мета-положение, который представляет собой гибрид трех структур и в котором положительный заряд распределен на трех атомах углерода. Поэтому замещение в пара- полбжение происходит медленнее, чем в мета.
XVIXVIXVIIXVIIАналогичным образом можно убедиться, что атака в орто-положение- (XVI—XVIII) дает менее устойчивый карбониевый ион (из-за неустойчивости XVIII), чем атака в мета-положение.
XVI
XVI
XVII
XVII
Атака в орто- положениеАтака в орто- положениеXVIIIXVIII
Атака в орто- положение
Атака в орто- положение
XVIII
XVIII
особенно неустойчив:заряд на. атаме углерода,несущем заместитель
В нитробензоле орто,лара-замещение протекает, таким образом, медленнее, чем мета-замещение, вследствие того, что электроноакцепторное влияние нитрогруппы осуществляется более эффективно при атаке в ортс- и лара-положения к этой группе.
Итак, как орто,пара-ориентация активирующих групп, так и метаориентация дезактивирующих групп логически вытекают из структуры промежуточных карбониевых ионов. Заряд иона карбония наиболее сконцентрирован в орто- и пара-положениях к месту атаки, и, следовательно, группа, связанная с одним из этих положений, может проявлять максимальный эффект, как активирующий, так и дезактивирующий.
Необычное поведение галогенов, которые ориентируют в орто- и параположения, хотя и дезактивируют кольцо, обусловлено наложением двух противоположных факторов; оно будет рассмотрено в разд. 26.9.
Подача электронов за счет эффекта резонанса
Замещающие группы оказывают влияние как на активность, так и на -ориентацию при электрофильном замещении в ароматическом ряду благодаря своей тенденции подавать или оттягивать электроны. До сих пор электронодонорный и электроноакцепторный эффекты рассматривались лишь как индуктивные эффекты, связанные с электроотрицательностью .изучаемых групп.
Но некоторые группы (NH, и ОН и их производные) действуют как мощные активаторы при электрофильном замещении в ароматическом ряду, хотя они содержат электроотрицательные атомы и в других случаях могут проявлять электроноакцепторный индуктивный эффект. Если наш подход к проблеме верен, то эти группы должны подавать электроны не за счет индуктивного эффекта, а иным способом, и считается что они делают это за счет эффекта резонанса.
Но прежде чем это обсудить, рассмотрим в общем, что же известно об азоте и кислороде.
Хотя азот — электроотрицательный элемент, NH2-rpynna является основной и стремится отдать свою последнюю пару электронов и приобрести положительный заряд. Точно так же как аммиак принимает ион водорода, давая ион аммония (NH4), органические соединения, производные аммиака, принимают ионы водорода, давая замещенные ионы аммония.
NH, + Н+ »- NH,RtNH + № )- R2i\H,NH, + Н+ »- NH,RtNH + № )- R2i\H,RNH, + H+»- RNHSRNH, + H+»- RNHSR,N + № >- RSNHR,N + № >- RSNH
NH, + Н+ »- NH,
RtNH + № )- R2i\H,
NH, + Н+ »- NH,
RtNH + № )- R2i\H,
RNH, + H+»- RNHS
RNH, + H+»- RNHS
R,N + № >- RSNH
R,N + № >- RSNH
Группа ОН обнаруживает сходную, но меньшую основность; мы уже +
знакомы с ионами оксония ROHa
Н2б + н+Н2б + н+► Н3О+► Н3О+ROH + Н+ROH + Н+ROH,ROH,
Н2б + н+
Н2б + н+
► Н3О+
► Н3О+
ROH + Н+
ROH + Н+
ROH,
ROH,
Влияние МН2- и ОН-групп на электрофильное замещение в ароматическом ряду можно объяснить, если принять, что атомы азота и кислорода могут обобщить с кольцом более чем одну пару электронов и принять на себя положительный заряд.
Карбониевый ион, образующийся при атаке в пара-положение относительно МН2-группы анилина, например, может считаться гибридом не только структур I, II и III с положительным зарядом, локализованным на атомах углерода кольца, но также структуры IV, в которой положительный
заряд находится на атоме азота. Структура IV особенно устойчива, поскольку каждый атом (конечно, за исключением водорода) имеет полный октет электронов.
Атака в пара- положениеАтака в пара- положение
Атака в пара- положение
Атака в пара- положение
особенно устойчив: каждый атом имеет октет электронов
VHVHАтака в мета-положениеАтака в мета-положение
VH
VH
Атака в мета-положение
Атака в мета-положение
Этот карбониевый ион гораздо более устойчив, чем ион, получающийся при атаке на сам бензол, или какой-либо из ионов V—VII, образующихся при атаке в мета-положение к МН2-группе анилина; ни в о шом из этих случаев структура типа IV не является возможной. (Сравните, например, устойчивости ионов NH4 и СНз . В данном случае дело не в природе атома, который лучше может принять положительный заряд, а в том, какой из атомов имеет полный октет электронов.)
Атака в орто- положениеАтака в орто- положениеVIIIVIIIРассмотрение соответствующих структур (VIII — XI) показывает, что opmo-атака очень похожа на пара-атаку
Атака в орто- положение
Атака в орто- положение
VIII
VIII
XХ1
особенно истончи в:
Каждый атом имеет октет электронов
Итак, замещение в анилине происходит быстрее, чем замещение в бензоле, и направляется преимущественно в орто- и пара-положения к МН2- группе.
Точно так же активация при реакциях электрофильного замещения и орто,пара-ориентация при наличии в ядре ОН-группы объясняется вкладом структур XII и XIII, в которых каждый атом обладает полным октетом электронов.
атака в пара-поло-жение
+ОН
XIII
атака в орто-поло-жение
+NHCH3 II '+NHCH3 II '+N(CH8)2+N(CH8)2+NHCOCH, II "+NHCOCH, II "Н Y—NHCH3Н Y—NHCH3Н Y -N(CH3)2Н Y -N(CH3)2Н Y—NHCOCH3Н Y—NHCOCH3Н Y—ОСН3Н Y—ОСН3
+NHCH3 II '
+NHCH3 II '
+N(CH8)2
+N(CH8)2
+NHCOCH, II "
+NHCOCH, II "
Н Y
—NHCH3
Н Y
—NHCH3
Н Y -N(CH3)2
Н Y -N(CH3)2
Н Y
—NHCOCH3
Н Y
—NHCOCH3
Н Y
—ОСН3
Н Y
—ОСН3
Аналогичное влияние производных NH2- и ОН-групп также объясняется вкладом аналогичных структур (показаны лишь структуры для параатаки):
Тенденция атомов кислорода и азота в подобных группах обобществить более чем одну пару электронов с ароматическим кольцом проявляется также еще в ряде свойств этих производных, что будет обсуждено в разд. 23.3 и 25.8. " "
Связь с другими реакциями карбониевых ионов
В заключение можно сказать, что как реакционная способность, так и ориентация при электрофильном замещении в ароматическом ядре определяются скоростями образования соответствующих промежуточно образующихся карбониевых ионов. В свою очередь эти скорости зависят от устойчивости этих ионов, которая зависит от электронодонорного или электроноакцепторного влияния заместителей.
Группа может подавать или оттягивать электроны за счет индуктивного эффекта, резонансного эффекта или обоих вместе. Эти эффекты направлены в противоположном направлении лишь для NH2- и ОН-групп (и их производных) и для галогенов. Для МН2- и ОН-групп резонансный эффект гораздо важнее, для галогенов эти эффекты ближе по величине. Именно поэтому галогены занимают необычное положение дезактивирующих групп, являющихся орто.иара-ориентантами; подробнее этот вопрос будет рассмотрен в разд. 26.9.
Мы объяснили факты, относящиеся к электрофильному замещению в ароматическом ряду, точно так же, как объяснили относительную легкость дегидратации спиртов и реакционную способность и ориентацию при электрофильном присоединении к алкенам: чем стабильнее карбониевый ион, тем быстрее он образуется; чем быстрее образуется карбониевый ион, тем быстрее идет реакция.
Во всех этих случаях стабильность карбониевого иона оценивалась на основании одного и того же критерия: степень рассредоточения или концентрации заряда вследствие действия электроноакцепторной или электронодонорной групп. Как будет показано ниже, этот подход, который столь хорошо оправдал себя при рассмотрении реакций элиминирования, присоединения и электрофильного замещения в ароматическом ряду, применим также для рассмотрения еще одного важного класса органических реакций, протекающих с образованием положительно заряженных частиц — нуклеофильного замещения в алифатическом ряду по ^-механизму (разд. 14.14). Этот подход пригоден также для трактовки реакций нуклеофильного замещения в ароматическом ряду (разд. 26.12), в результате которых образуются отрицательно заряженные частицы. Наконец, этот же подход поможет лучше понять вопросы, связанные с кислотностью или основностью таких соединений, как карбоновые кислоты, сульфокислоты, амины и фенолы.
ЗАДАЧИ
Приведите структуры и названия всех основных продуктов, которые могут получитьсяПриведите структуры и названия всех основных продуктов, которые могут получитьсяпри монобромировании в ядро перечисленных ниже соединений. Укажите в каждом из случаев, будет ли это соединение бромироваться быстрее или медленнее бензола.ацетанилид (C6H6NHCOCH3), ж) фенетол (CgHgOCgHj),при монобромировании в ядро перечисленных ниже соединений. Укажите в каждом из случаев, будет ли это соединение бромироваться быстрее или медленнее бензола.ацетанилид (C6H6NHCOCH3), ж) фенетол (CgHgOCgHj),а) ацетанилид (CeH5NHCOCHg),а) ацетанилид (CeH5NHCOCHg),иодбензол,втор-бутилбензол,N-метилаиилин (С6Н5МНСН8),этилбензоат (С6Н5СООС2Н5),ацетофенон (С6Н6СОСН3),иодбензол,втор-бутилбензол,N-метилаиилин (С6Н5МНСН8),этилбензоат (С6Н5СООС2Н5),ацетофенон (С6Н6СОСН3),з) дифенилметан (С6Н6СН2СвНБ),з) дифенилметан (С6Н6СН2СвНБ),бензонитрил (C6H6CN),к) бензотрифторид (C6H6CFa),бензонитрил (C6H6CN),к) бензотрифторид (C6H6CFa),и)и)л) бифенил (С6Н6С6Н6).л) бифенил (С6Н6С6Н6).Напишите структурные формулы и назовите основные органические продукты, образующиеся при мононитровании следующих соединений:Напишите структурные формулы и назовите основные органические продукты, образующиеся при мононитровании следующих соединений:а) б) в)а) б) в)г)Д) е)г)Д) е)о-нитротолуола, л-дибромбензола, л-нитроацетанилида («-O2NC6H4NHCOCHa), л-динитробензола, л-крезола (л-СН3С6Н4ОН), о-крезола.о-нитротолуола, л-дибромбензола, л-нитроацетанилида («-O2NC6H4NHCOCHa), л-динитробензола, л-крезола (л-СН3С6Н4ОН), о-крезола.л-крезола,л-нитротолуола,п-ксилола[п-СвН4(СН3)21,терефталевой кислоты [n-C6H4(COOH)2J,кислого сульфата аиилииия(C6h6nh;hsod.л-крезола,л-нитротолуола,п-ксилола[п-СвН4(СН3)21,терефталевой кислоты [n-C6H4(COOH)2J,кислого сульфата аиилииия(C6h6nh;hsod.Напишите структурные формулы и назовите основные органические продукты, образующиеся при моносульфировании следующих соединений:Напишите структурные формулы и назовите основные органические продукты, образующиеся при моносульфировании следующих соединений:а) циклогексилбензола, б) нитробензола,анизола (С6Н5ОСНа),бензолсульфокислоты, д) салицилового альдегида(о-НОС6Н4СНО),е) л-нитрофенола.а) циклогексилбензола, б) нитробензола,анизола (С6Н5ОСНа),бензолсульфокислоты, д) салицилового альдегида(о-НОС6Н4СНО),е) л-нитрофенола.ж) о-фторанизола,ж) о-фторанизола,з)з)и) к) л)и) к) л)о-нитроацетанилида (o-O2NC6H4NHCOCH3), о-ксилола, л-ксилола, «-ксилола.о-нитроацетанилида (o-O2NC6H4NHCOCH3), о-ксилола, л-ксилола, «-ксилола.
Приведите структуры и названия всех основных продуктов, которые могут получиться
Приведите структуры и названия всех основных продуктов, которые могут получиться
при монобромировании в ядро перечисленных ниже соединений. Укажите в каждом из случаев, будет ли это соединение бромироваться быстрее или медленнее бензола.
ацетанилид (C6H6NHCOCH3), ж) фенетол (CgHgOCgHj),
при монобромировании в ядро перечисленных ниже соединений. Укажите в каждом из случаев, будет ли это соединение бромироваться быстрее или медленнее бензола.
ацетанилид (C6H6NHCOCH3), ж) фенетол (CgHgOCgHj),
а) ацетанилид (CeH5NHCOCHg),
а) ацетанилид (CeH5NHCOCHg),
иодбензол,
втор-бутилбензол,
N-метилаиилин (С6Н5МНСН8),
этилбензоат (С6Н5СООС2Н5),
ацетофенон (С6Н6СОСН3),
иодбензол,
втор-бутилбензол,
N-метилаиилин (С6Н5МНСН8),
этилбензоат (С6Н5СООС2Н5),
ацетофенон (С6Н6СОСН3),
з) дифенилметан (С6Н6СН2СвНБ),
з) дифенилметан (С6Н6СН2СвНБ),
бензонитрил (C6H6CN),к) бензотрифторид (C6H6CFa),
бензонитрил (C6H6CN),к) бензотрифторид (C6H6CFa),
и)
и)
л) бифенил (С6Н6С6Н6).
л) бифенил (С6Н6С6Н6).
Напишите структурные формулы и назовите основные органические продукты, образующиеся при мононитровании следующих соединений:
Напишите структурные формулы и назовите основные органические продукты, образующиеся при мононитровании следующих соединений:
а) б) в)
а) б) в)
г)
Д) е)
г)
Д) е)
о-нитротолуола, л-дибромбензола, л-нитроацетанилида («-O2NC6H4NHCOCHa), л-динитробензола, л-крезола (л-СН3С6Н4ОН), о-крезола.
о-нитротолуола, л-дибромбензола, л-нитроацетанилида («-O2NC6H4NHCOCHa), л-динитробензола, л-крезола (л-СН3С6Н4ОН), о-крезола.
л-крезола,
л-нитротолуола,
п-ксилола[п-СвН4(СН3)21,
терефталевой кислоты [n-C6H4(COOH)2J,
кислого сульфата аиилииия
(C6h6nh;hsod.
л-крезола,
л-нитротолуола,
п-ксилола[п-СвН4(СН3)21,
терефталевой кислоты [n-C6H4(COOH)2J,
кислого сульфата аиилииия
(C6h6nh;hsod.
Напишите структурные формулы и назовите основные органические продукты, образующиеся при моносульфировании следующих соединений:
Напишите структурные формулы и назовите основные органические продукты, образующиеся при моносульфировании следующих соединений:
а) циклогексилбензола, б) нитробензола,
анизола (С6Н5ОСНа),
бензолсульфокислоты, д) салицилового альдегида
(о-НОС6Н4СНО),
е) л-нитрофенола.
а) циклогексилбензола, б) нитробензола,
анизола (С6Н5ОСНа),
бензолсульфокислоты, д) салицилового альдегида
(о-НОС6Н4СНО),
е) л-нитрофенола.
ж) о-фторанизола,
ж) о-фторанизола,
з)
з)
и) к) л)
и) к) л)
о-нитроацетанилида (o-O2NC6H4NHCOCH3), о-ксилола, л-ксилола, «-ксилола.
о-нитроацетанилида (o-O2NC6H4NHCOCH3), о-ксилола, л-ксилола, «-ксилола.
Расположите следующие соединения в порядке уменьшения их реакционной способности в реакции нитрования:
бензол, мезитилен [1,3,5-СеН3(СН3)д], толуол, л-ксилол, «-ксилол;
бензол, бромбензол, нитробензол, тол у од;
ацетанилид (CeHsNHCOCH3), ацетофенон (С6НвСОСН3), анилин, бензол;
терефталевая кислота, толуол, n-толуиловая кислота (п-СН3СвН4СООН), «-ксилол;
хлорбензол, «-хлорнитробензол, 2,4-динитрохлорбензол;
2,4-динитрохлорбензол, 2,4-динитрофенол;
л-динитробензол, 2,4-динитротолуол.
1,3,5-Тринитробензол (ТНБ) обладает большей взрывчатой силой (большей бризантностью), и ои столь же небезопасен, как 2,4,6-тринитротолуол (ТНТ), одиако последний находит большее распространение в качестве взрывчатого вещества. Можете ли вы объяснить причину (связанную с производством) этой большей популярности ТНТ? (Как бензол, так и толуол — легкодоступные вещества; долгое время бензол был более дешевым сырьем.)
Для каждого из следующих соединений укажите, какое из колец будет затрагиваться при нитровании, и приведите структуры основных продуктов.
п-нитробифенилп-нитробифенилл1-нитродифенилмегпанл1-нитродифенилмегпанфенилбензоатфенилбензоат
п-нитробифенил
п-нитробифенил
л1-нитродифенилмегпан
л1-нитродифенилмегпан
фенилбензоат
фенилбензоат
Расположите следующие соединения в порядке увеличения реакционной способности при реакциях электрофильного замещения. Укажите, какое соединение в каждом ряду даст максимальное количество лета-изомера, а какое — минимальное.
CeH6N(CHs)g, C6H6CH2N(CH3)g, CeH6CH2CH2N(CH3)s, C6H5CH2CH2CH2N(CH3)3;
C6H5NO2, CeH6CH2NO2, C6H6CH2CH2NO2;
B) CgHgCHg, CgHgCHgCOOCgHg, CgH6CH(COOC,H6)3, CgHgQCOOQHgJg.
Имеются данные о том, что фенильная группа С6Н5 обладает электроноакцепторным индуктивным эффектом. Однако каждое из колец в бифениле активнее бензола в реакция
электрофильного замещения, и главными продуктами являются орто- и пара-изомеры. Как объяснить активность н ориентацию с позиций теории резонанса?
9. Известно, что реакция между HNOS и H2SO4, приводящая к образованию NO2 (которая в разд. 11.8 изображалась в виде одного уравнения), в действительности включает три стадии, причем вторая стадия — самая медленная и именно на этой стадии образуется NO«. Можете ли вы предположить, какие это стадии? (Указание: см. разд. 5.18.) 10. Используя лишь знакомые вам реакции, изобразите возможный механизм следующего превращения:
С,Н5С(СН,)8 + Вг2(А1Вг3) ► С,Н5Вг + НВг + (СН,),С=СН2
II. Основываясь на данных этой главы, предскажите основные продукты каждой из следующих реакций:
a) (CH,),NCH=CH, + H1;
б) CH,=CHCF, + НВг (А1Вг3);
в) Какова роль А1Вг8 в (б)? Почему он необходим?
Следует обнаружить наличие или отсутствие изотопного эффекта в какой-либо из реакций замещения водорода ароматического кольца на электрофил Y. Укажите, что вы для этого предпримите в каждом из следующих случаев и что вы сможете наблюдать в том случае, если будет изотопный эффект? (Вы можете количественно анализировать смеси изомеров. Масс-спектр покажет вам процентное содержание дейтерия, но не его расположение в молекуле.)
С,Н, и C„De вводят в реакцию отдельно друг от друга, но в идентичных условиях.
Смесь С,Н, и СвВ, (50 : 50) вводят в реакцию с ограниченным количеством ре-
агента.
Анизол и анизол-4-D вводят в реакцию отдельно друг от друга. (Во время этого эксперимента вы не можете пользоваться часами и масс-спектрометром.)
В реакции участвует бензол-1,3,5-Da (1,3,5-тридейтеробензол).
13. Укажите все стадии лабораторного синтеза приведенных ниже соединений из бензола и(или) толуола с использованием любых необходимых алифатических или неорга-
нических реагентов (ознакомьтесь с общими инструкциями на стр. 210. Можете считать, что чистый пара-изомер может быть выделен из смеси орто- и пара-изомеров).
1,3,5-тринитробензол,
п-нитротолуол,
п-бромнитробензол,
п-дихлорбензол,
л-бромбензолсульфокислота, д) п-бромбензолсульфокислота, е) п-бромбензойная кислота.
з) и) к) л)
2-бром-4- нитротолуол.
2-бром-4-нитробензойная кислота,
3,5-динитробензойная кислота,
м) 4-нитро-1,2-дибромбензол, н) 2-нитро-1,4-ди хлоробензол, о) 4-бром-З-нитробензойная кислота.
ж) м-бромбензойная кислота,
14. Укажите все стадии лабораторного синтеза следующих соединений с использованием
любых необходимых алифатических или неорганических реагентов (учтите замечания
к задаче 13):
4-иитро-2,6-диброманизола из анизола (С6Н5ОСН3),
4-бром-2-нитробензойной кислоты из о-нитротолуола,
2,4,6-триброманилина из анилина,
2,4-динитроацетанилида из ацетанилида (С6Н6МНСОСН3),
5-иитроизофталевон кислоты из м-ксилола,
4-иитроизофталевой кислоты из лг-ксилола,
2-нйтротерефталевой кислоты из п-ксилола (двумя путями).
Какой из путей пункта (ж) предпочтителен и почему?
12
Арены
Жирноароматические углеводороды
Из рассмотренного в предыдущих главах материала очевидно, какие свойства можно ожидать от алифатических углеводородов, т. е. от алканов, алкенов или алкинов. Мы познакомились также с тем, какими химическими свойствами обладает бензол, родоначальник ароматического ряда углеводородов.
Многие важные органические соединения нельзя квалифицировать только как алифатические или только как ароматические вещества, поскольку они содержат одновременно алифатический и ароматический остатки; углеводороды такого типа известны под общим названием аренов. Этилбензол, например, содержит бензольное кольцо и боковую алифатическую цепь.
iCH.CHiCH.CHэтилбензолэтилбензол
iCH.CH
iCH.CH
этилбензол
этилбензол
Какие же химические свойства будут присущи таким жирноароматическим углеводородам?
Во-первых, можно ожидать, что они будут проявлять два ряда свойств. Кольцо этилбензола должно вступать в реакции электрофильного замещения, характерные для бензола, а боковая цепь — в реакции свободнорадикального замещения, характерные для этана.
Во-вторых, свойства каждой части молекулы должны изменяться под влиянием другой части. Этильная группа должна повлиять на ароматические свойства кольца, а кольцо должно изменять алифатические свойства боковой цепи.
И это действительно так. Например, при действии азотной и серной кислот на этилбензол нитрогруппа вступает в кольцо; при действии брома при освещении на этилбензол бронируется боковая цепь. Но благодаря присутствию этильной группы нитрование протекает легче, чем в случае самого бензола, и нитрогруппа вступает в основном в орто- и пара-положение к этильной группе; из-за наличия бензольного кольца бромирование этилбензола протекает легче, чем этана, и бром направляется исключительно к атому углерода, связанному с кольцом. Таким образом, каждая часть молекулы влияет на реакционную способность другой части и опреде-
ляет направление атаки.
сн2сн3сн2сн3нитруется легче, чем бензолнитруется легче, чем бензолhno,. h2so4 [^~x)CH2CH3г^-^СН2СНз
сн2сн3
сн2сн3
нитруется легче, чем бензол
нитруется легче, чем бензол
•^NOzOjN^U
о-нитроэтпилбензолп, - нитрозтиябензол
основные продуктыреакции
СН2СН3СН2СН3Вг, освещениеВг, освещение^р-снсн3Вг^р-снсн3Вгбронируется легче, чем этанбронируется легче, чем этан/- бром-1- фенил этан (ос - фенетилбромио), единственный продуктреакции/- бром-1- фенил этан (ос - фенетилбромио), единственный продуктреакции
СН2СН3
СН2СН3
Вг, освещение
Вг, освещение
^р-снсн3Вг
^р-снсн3Вг
бронируется легче, чем этан
бронируется легче, чем этан
/- бром-1- фенил этан (ос - фенетилбромио), единственный продукт
реакции
/- бром-1- фенил этан (ос - фенетилбромио), единственный продукт
реакции
Известны соединения, молекулы которых содержат ароматическое кольцо и остаток алкена или алкина. В таких соединениях каждая часть молекулы проявляет свойства, характерные для ее структуры, хотя они несколько изменены в результате влияния другой части молекулы.
Ниже будут подробно обсуждены соединения, в молекулах которых имеются ароматическое кольцо и алкильная группа, алкилбензолы. Более кратко будут рассмотрены ароматические алкены (алкенилбензолы) и ароматические алкины (алкинилбензолы).
Будут также описаны свойства свободного бензильного радикала и бензильного карбониевого иона: будет показано, как можно использовать теорию резонанса для объяснения относительной устойчивости уже изученных свободных радикалов и карбониевых ионов различного типа.
Строение и номенклатура
Простейший алкилбензол, метилбензол, называют толуолом. Названия соединений с более длинными боковыми цепями образуются путем добавления названия алкильной группы к слову бензол, например этилбензол, н-пропилбензол и изобутилбензол.
толуолтолуолCHZCH2CH3CHZCH2CH3СН2СНСН3СН2СНСН3н-нропилбензолн-нропилбензолизобутилбензолизобутилбензол
толуол
толуол
CHZCH2CH3
CHZCH2CH3
СН2СНСН3
СН2СНСН3
н-нропилбензол
н-нропилбензол
изобутилбензол
изобутилбензол
Простейшие диалкилбензолы, диметилбензолы, называются ксилолами; существуют о-, м- и п-ксилолы. Диалкилбензолы с одной метильной группой называются как производные толуола, а названия других строятся прибавлением названия обеих алкильных групп к слову бензол.
С2Н$
о-ксилол
ж-ксилол
СН3
пксилол
СН3
сн3-сн-сн-сн2сн3
ц-этилтолуол
(^СНСНзсн3jk- этилизопропилбензол
2-мети л- 3- фенилиепщан
Соединение с очень сложной боковой цепью можно назвать фенилалканом (СвН8=фенил). Названия соединений, содержащих более одного бензольного кольца, почти всегда производят от названия алканов.
©сн2сн2@>
диренилметандиренилметану-Вифенилзтану-Вифенилзтан
диренилметан
диренилметан
у-Вифенилзтан
у-Вифенилзтан
Простейший алкенилбензол известен под названием стирол. Другие ал* кенилбензолы обычно рассматриваются как производные алкенов, а иногда как производные бензола. Алкинилбензолы называют как производные алкинов.
стирол (винилбензол, фвнилэтилен)стирол (винилбензол, фвнилэтилен)2- фенилбутен - 22- фенилбутен - 2фенилацетилепфенилацетилепаллилбензол (3 фенилпропен)аллилбензол (3 фенилпропен)
стирол (винилбензол, фвнилэтилен)
стирол (винилбензол, фвнилэтилен)
2- фенилбутен - 2
2- фенилбутен - 2
фенилацетилеп
фенилацетилеп
аллилбензол (3 фенилпропен)
аллилбензол (3 фенилпропен)
Физические свойства
Алкилбензолы — малополярные соединения, и их физические свойства аналогичны свойствам уже изученных углеводородов. Они нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в неполярных растворителях, таких, как эфир, четыреххлористый углерод или лигроин. Они почти всегда легче воды. Как видно из данных табл. 12.1, температуры кипения алкилбензолов возрастают с увеличением молекулярного веса, причем инкремент температур кипения обычно составляет 20—30° на каждый атом углерода.
Поскольку температуры плавления зависят не только от молекулярного веса, но также и от формы молекул, их связь со строением очень сложна. Однако существует важная зависимость между температурой плавления и строения ароматического соединения: среди изомерных дизаме ценных бензолов пара-изомер обычно плавится значительно выше, чем орто- и метаизомеры. Изомерные ксилолы, например, кипят в пределах шести градусов; тем не менее они сильно различаются по температурам плавления, при этом орто- и мета-изомеры плавятся при —25 и —48 °C соответственно, а пара- изомер]—при 13 °C. Поскольку растворимость, как и плавление, заключается в преодолении внутримолекулярных сил в кристалле, не удивительно, что пара-изомер, как правило, наименее растворим в данном растворителе.
Более высокая температура плавления и меньшая растворимость параизомера может служить примером общего правила влияния молекулярной симметрии на силы взаимодействия в кристаллической решетке. Более симметричное соединение компактнее упаковывается в кристаллической решетке, и поэтому оно обладает более высокой температурой плавления и меньшей растворимостью. пара-Изомеры — наиболее симметричные соединения из дизамещенных бензолов. Так, 1,2,4,5-тетраметилбензол (табл. 12.1) плавится на 85—100 °C выше, чем менее симметричные 1,2,3,5- и 1,2,3,4-изомеры. Влияние симметрии на температуру плавления особенно наглядно видно при сравнении бензола и толуола: введение одной метильной группы в очень симметричную молекулу бензола понижает температуру плавления с 5° до —95 °C.
Таблица 12.1
Жирноароматические углеводороды
Название
Формула
T. пл., °C
T. кип., °C
Плотность при 20 °C
Бензол
С6н6
5,5
80
0,879
Толуол
С6н5сн3
—95
111
0,866
о-Ксилол
1,2-СвН4(СН3)2
—25
144
0,880
.и-Ксилол
1,3-СвН4(СН3)2
—48
139
0,864
«-Ксилол
1,4-С6Н4(СН3)2
13
138
0,861
Гемимеллитол
1,2,3-С6Н3(СН3)3
—25
176
0,895
Псевдокумол
1,2,4-С„Н8(СН8)8
—44
169
0,876
Мезитилен
1,3,5-С6Н3(СН3)3
—45
165
0,864
Пренитол
1,2,3,4-С6Н2(СН3)4
—6,5
205
0,902
Изодурол
1,2,3,5-СвН2(СН3)4
—24
197
Дурол
1,2,4,5-С6Н2(СН3)4
80
195
Пентаметилбензол
С6Н(СН3)5
53
231
Гексаметилбмзол
С6(СН8)6
165
264
Этилбензол
С6Н5С2Н5
—95
136
0,867
м-Пропилбензол
С,Н5СН2СН2СН3
—99
159
0,862
Кумол
С,Н5СН(СН3)2
—96
152
0,862
н-Бутилбензол
С,Нг(СН2)3СН3
—81
183
0,860
Изобутилбензол
С6Н5СН2СН(СН3)2
171
0,867
втор-Бутилбензол
CgHsCHfCH^CgHg
—83
173,5
0,864
трет-Бутилбензол
С,Н5С(СН3)3
—58
169
0,867
л-Цимол
1,4-СН3СвЦСН(СН3)2
—70
177
0,857
Дифенил
С6Н5С6Н5
70
255
Дифенилметан
С6Н5СН2С6Н5
26
263
Трифенилметан
(С6н5)3сн
93
360
1,2-Днфеннлэтан
С6Н6СН2СН2СвН6
52
284
Стирол
СвН5СН=СН2
—31
145
0,907
транс-Стильбен
транс-СвН5СН=СНСвН5
124
307
quc-Стильбен
/шс-С6Н5СН=СНСвН5
6
месижл-Дифенилэтилен
(С,Н5)2С=СН2
9
277
1,02
Трифеиилэтилен
(С6Н5)2С=СНС6Н5
73
Тетрафенилэтилен
(^6^б) 2^-^ QC.H5) 2
227
425
Фенил ацетилен
С6Н6С=СН
—45
142
0,930
Дифенил ацетилен
С6Н5(=СС,Н5
62,5
300
Промышленные источники алкилбензолов
Трудно переоценить значение крупномасштабного производства бензола и алкилбензолов для химической промышленности и для всей экономики. Подобно получаемым из нефти алканам, которые служат основным источником почти всех алифатических соединений, бензол и алкилбензолы являются основным источником почти всех ароматических соединений. Обычно для синтеза сложного ароматического соединения в лаборатории или в промышленности берут более простое соединение, уже содержащее бензольное кольцо, и затем постепенно присоединяют к нему различные группы до тех пор, пока не получат нужную структуру.
Откуда же берутся колоссальные количества простых ароматических соединений? Существует два источника органических соединений — уголь и нефть, и ароматические соединения получают из обоих. Ароматические соединения выделяют из каменноугольной смолы или синтезируют из алканов нефти.
Большую часть добываемого в настоящее время угля превращают в кокс, который необходим для выплавки стали из железа. При нагревании угля до высокой температуры в отсутствие воздуха он превращается в кокс, при этом образуется газообразная смесь соединений, которая частично конденсируется с образованием каменноугольной смолы, а частично остается в газообразном состоянии (каменноугольный газ).
Из каменноугольной смолы перегонкой получают ряд ароматических соединений. При коксовании из 1 т мягкого угля можно получить около 55 кг каменноугольной смолы. Из 55 кг этой смолы можно выделить следующие ароматические соединения: бензол (900 г), толуол (225 г), ксилолы (45 г), фенол (225 г), крезолы (900 г), нафталин (2300 г). Выход бензола (900 г) из 1 т угля не очень высокий; однако коксованию подвергается такое большое количество угля, что ежегодное производство бензола из каменноугольной смолы достигает очень больших размеров.
Во время второй мировой войны потребность в толуоле для производства тринитротолуола (ТНТ) значительно превысила 120'—150 млн. л., ежегодно получаемых из каменноугольной смолы. Поэтому были разработаны методы получения толуола из алифатических углеводородов нефти, состоящие в основном в дегидрировании метилциклогексана, получаемого из нефти. Этот процесс, называемый каталитическим реформингом, заключается в пропускании алифатического углеводорода при высокой температуре и давлении над платиновым катализатором. В результате производство толуола возросло с 120—150 млн. л в 1940 г. до 1 млрд, л в 1944 г.
Н2С СНСН3 Г^)СН3
I I * (Сл + зн2
НгС\ /СН;
сн2
При каталитическом реформинге происходит не только дегидрирование, но также циклизация и изомеризация, как, например, при синтезе толуола из н-гептана или 1,2-диметилциклопентана. Аналогично бензол получают из циклогексана и метилциклопентана, а также из толуола в результате гидродезалкилирования.
В настоящее время нефть служит основным источником огромных количеств бензола, толуола и ксилолов, необходимых для производства химических реактивов и топлива. Половина полученных таким путем толуола и ксилолов смешивается с другими фракциями переработки нефти с целью получения высокооктанового бензина, и в известной степени они заменяют алифатические соединения, из которых они были синтезированы и которые являются топливом худшего качества. (Значительное количество нафталина, основного компонента при перегонке каменноугольной смолы, в настоящее время получается из углеводородов нефти.)
Методы синтеза алкилбензолов
Некоторые более простые алкилбензолы выделяют в процессе переработки угля и нефти в промышленном масштабе; более сложные соединения приходится синтезировать одним из описанных ниже методов.
МЕТОДЫ СИНТЕЗА АЛКИЛБЕНЗОЛОВ
по Фриделю — Крафтсу (разд.по Фриделю — Крафтсу (разд.Введение алкильной группы: алкилирование
по Фриделю — Крафтсу (разд.
по Фриделю — Крафтсу (разд.
12.6—12.8)"
кислота Льюисакислота Льюиса+ нх+ нхR можетперегруппировыватьсяR можетперегруппировываться
кислота Льюиса
кислота Льюиса
+ нх
+ нх
R может
перегруппировываться
R может
перегруппировываться
Кислоты Льюиса: А1С13, BF3, HF и т. п. Аг — X нельзя использовать вместо R — X2. Превращения боковой цепи (разд. 19.11)Кислоты Льюиса: А1С13, BF3, HF и т. п. Аг — X нельзя использовать вместо R — X2. Превращения боковой цепи (разд. 19.11)
Кислоты Льюиса: А1С13, BF3, HF и т. п. Аг — X нельзя использовать вместо R — X
2. Превращения боковой цепи (разд. 19.11)
Кислоты Льюиса: А1С13, BF3, HF и т. п. Аг — X нельзя использовать вместо R — X
2. Превращения боковой цепи (разд. 19.11)
Zn(Hg), HQ, юное" /z^ г,, - ^^^@ Vry 2Zn(Hg), HQ, юное" /z^ г,, - ^^^@ Vry 2Восспитновлемие во Клемменсену или по Кижперу-ВольфуВосспитновлемие во Клемменсену или по Кижперу-ВольфуHt,Ni-L-* xQ/011^^Ht,Ni-L-* xQ/011^^
Zn(Hg), HQ, юное" /z^ г,, - ^^^@ Vry 2
Zn(Hg), HQ, юное" /z^ г,, - ^^^@ Vry 2
Восспитновлемие во Клемменсену или по Кижперу-Вольфу
Восспитновлемие во Клемменсену или по Кижперу-Вольфу
Ht,Ni
-L-* xQ/011^^
Ht,Ni
-L-* xQ/011^^
Особенно широко используется алкилирование по Фриделю — Крафтсу, поскольку оно позволяет непосредстенно вводить алкильную группу в ароматическое кольцо. Однако имеется ряд причин, ограничивающих препаративное значение реакции алкилирования (разд. 12.8); в частности, алкильная группа, введенная в кольцо, не всегда имеет то же строение, что в исходном галогениде; эта перегруппировка алкильной группы обсуждена в разд. 12.7.
Существует большое число легкодоступных ароматических соединений с алифатическими боковыми цепями, не ‘являющимися простыми алкильными группами. Алкилбензол можно получить из одного из таких соединений путем превращения боковой цепи в алкильную группу. Хотя в молекуле имеется ароматическое кольцо, такое превращение по существу представляет собой синтез алкана из какого-то другого алифатического соединения. Используются те же методы, которые уже описаны для получения алканов: например, гидрирование двойной углерод-углеродной связи в боковой цепи. Многие проблемы химии алкилбензолов можно решить, зная химию простых алканов.
Одна из наиболее важных реакций аренов — восстановление кетонов амальгамированным цинком и соляной кислотой (восстановление по Клем- менсену) или гидразином и сильным основанием (восстановление по Кижне- ру — Вольфу). Необходимые кетоны легко получаются по видоизмененной реакции Фриделя — Крафтса с ацилхлоридами (разд. 19.7). В отличие от алкилирования по Фриделю — Крафтсу этот метод не осложняется перегруппировками. (АлканьЦможно получить из чистых алифатических кетонов восстановлением по Клемменсену или Кижнеру — Вольфу, но этот метод не имеет практического значения, поскольку кетоны менее доступны, чем другие исходные вещества.)
Задача 12.1. Как можно получить этилбензол из следующих соединений: а) бензола и этилового спирта; б) ацетофенона CeHsC0CH3; в) стирола СвН6СН=СН3; г) а-феиилэти- лового спирта СвН3СН(ОН)СН3; д) Р-фенилэтилхлорида СвН6СН2СН2С1? '
Задача 12.2. Как можно получить 2,3-дифенилбутан из а-феиилэгилового спирта С,Н5СН(ОН)СН3?
Алкилирование по Фриделю—Крафтсу
A1CI,A1CI,Если к смеси бензола и хлористого метила добавить небольшое количество безводного хлористого алюминия, то происходит бурная реакция и из реакционной смеси можно выделить толуол. Это простейший пример реакции, открытой в 1877 г. в Парижском университете Чарльзом Фриде-
A1CI,
A1CI,
+ НС1
толуол
лем и Джеймсом Крафтсом. Реакция Фриделя — Крафтса в ее многочисленных видоизменениях до сих пор является наиболее важным методом введения алкильной группы в ароматическое кольцо.
В только что приведенном примере каждый из компонентов можно варьировать. Алкилгалогенид может содержать более сложную алкильную группу, а атом галогена не обязательно должен быть хлором; в некоторых случаях используются спирты или, особенно в промышленности, алкены. Можно применять замещенные алкилгалогениды, как, например, хлористый бензил СвН5СН2С1. Ар ил галоген иды (Аг — X, например хлор- или бромбензол) нельзя использовать вместо алкилгалогенидов из-за низкой реакционной способности галогена, связанного с ароматическим кольцом (разд. 26.7).
Алкильную группу можно присоединить к самому бензолу, а также к некоторым замещенным бензолам (главным образом алкилбензолам и гало- генбензолам) или более сложным ароматическим системам, таким, как нафталин и антрацен (гл. 35).
Вместо хлористого алюминия можно использовать другие кислоты Льюиса, например BF3, HF и фосфорную кислоту.
Реакцию проводят, смешивая три компонента; обычно проблему представляет замедление реакции при охлаждении и отвод газообразного хлористого водорода. Поскольку введение одной алкильной группы приводит к активированию кольца по отношению к дальнейшему алкилированию (разд. 11.5), то реакцию трудно бывает остановить на стадии моноалкилирования. Как и при галогенировании алканов (разд. 2.8), это достигается использован ием избытка углеводорода. В этом случае вероятность того, что алкильный карбониевый ион встретит незамещенное кольцо, больше, чем замещенное. Часто ароматическое соединение играет двоякую роль: и реагента и растворителя.
Из полигалогенированных алканов можно получить соединения, содержащие больше одного ароматического кольца:
А!С1з
2СвНв + СН2С12 > СвН5СН2С6НБ + 2НС1
дифенилметан
А1С13
2CgH6 + С1СН2СН2С1 > СвН5СН2СН2СвН6 + 2НС1
1,2-дифенилэтан
А1С13
ЗСвНв + СНС13 > С6Н5-СН-С„Н6 + ЗНС1
С6Н5трифенилметанС1
А1С1зI
ЗСвНв + СС14> С„Н6-С-СвН6 + ЗНС1
С6Н6 трифенилхлорметан
Механизм алкилирования по Фриделю—Крафтсу
В разд. 11.11 было указано, что алкилирование по Фриделю — Крафтсу может протекать по двум механизмам. Оба механизма можно рассматривать как электрофильное замещение в ароматическом ряду; они отличаются только природой электрофила.
Один механизм можно представить следующими стадиями:
RC1 + А1С13 ч=2г А1С1~ + R+
+ ZR
R+ + С6Не ч=^ С6Н6
\н
+ ZR
С6Н6 + А1С17 s=^ С6НзК + НС1 + A1CI3
в этом случае электрофилом служит алкильный карбониевый ион. Роль хлористого алюминия сводится к генерированию этого карбониевого иона: он отщепляет галоген от алкилгалогенида. Не удивительно, что другие кислоты Льюиса могут реагировать таким же образом и их можно использовать вместо хлористого алюминия.
R:X: + А1:С1: у >:С1: ":F:R:X: + B:F: ^:F: ’:С1:R:X: + Fe:Cl: у—> :C1: "R:X: + H.F: y^R:X: + А1:С1: у >:С1: ":F:R:X: + B:F: ^:F: ’:С1:R:X: + Fe:Cl: у—> :C1: "R:X: + H.F: y^:C1:R+ + :X:Al:Cl:-:C1::C1:R+ + :X:Al:Cl:-:C1::F: _ R1 + :X:B:F: " :F: ":Q: R+ + :X:Fe:Cl:" :Cl: "R+ + :X:---H:F:~:F: _ R1 + :X:B:F: " :F: ":Q: R+ + :X:Fe:Cl:" :Cl: "R+ + :X:---H:F:~№рбониееые ионы из алкилгалогенивов№рбониееые ионы из алкилгалогенивов
R:X: + А1:С1: у >:С1: "
:F:
R:X: + B:F: ^:F: ’
:С1:
R:X: + Fe:Cl: у—> :C1: "
R:X: + H.F: y^
R:X: + А1:С1: у >:С1: "
:F:
R:X: + B:F: ^:F: ’
:С1:
R:X: + Fe:Cl: у—> :C1: "
R:X: + H.F: y^
:C1:
R+ + :X:Al:Cl:-:C1:
:C1:
R+ + :X:Al:Cl:-:C1:
:F: _ R1 + :X:B:F: " :F: "
:Q: R+ + :X:Fe:Cl:
" :Cl: "
R+ + :X:---H:F:~
:F: _ R1 + :X:B:F: " :F: "
:Q: R+ + :X:Fe:Cl:
" :Cl: "
R+ + :X:---H:F:~
№рбониееые ионы из алкилгалогенивов
№рбониееые ионы из алкилгалогенивов
Исходя из только что описанного механизма можно ожидать, что кар- бониевые ионы, возникающие другим путем (при действии кислоты на спирт (разд. 5.18) или алкен (разд. 6.10)], будут также атаковать бензольное кольцо
ROH + Н+ ч~ -*: ROHj <=S: R+ + Н2О карбониевые ионы из спиртов и алкенов IIII
—с=с—+ н+ ^= - * —с—с+ н 1
Это предположение правильно: спирты и алкены в присутствии кислот алкилируют ароматическое кольцо, поэтому эти реакции можно рассматривать как видоизменение реакции Фриделя — Крафтса.
H2SO4
С6Н6 + (СН3)3СОН>- СсН5С(СН8)3трет-буталовыйтрет-бутил-
спиртбензол
H2SO4
С6Н„ + (СН3)2С=СН2>- С6Н6С(СНз)5
изобутилентретбутилбензол
Исходя из этого механизма, можно ожидать, что алкилирование по Фриделю — Крафтсу должно сопровождаться перегруппировкой, которая
характерна для карбониевых ионов (разд. 5.21). Это предположение правильно. Алкилбензолы, содержащие перегруппировавшиеся алкильные группы, не только образуются в реакциях алкилирования, но иногда являются единственными продуктами. В каждом случае происходит перегруппировка менее устойчивого первичного карбониевого иона в более устойчивый вторичный или третичный карбониевый ион.
А1С1з
С6Нв + СН8СН2СН2С1 —-* С6Н5СН2СН2СН3 и С,НВСН(СН,)2
ОТ — ДО ои С
я-пропилхлоридя-пропилбензол, изопропилбензол,
35-31%65—69%
А1С13
С6Н, + СН3СН2СН2СН2С1-^- С6Н5СН,С1Т2СН2СН3 и С,Н5СН(СН„)СН2СН3 я-бутилхлоридн-бути.пбензол,втор-бутилбензол,
34%66%
СН3СН3
IА1С13|
С«Н, + 2СН3СНСН2С1 —♦ свн5—с-сн*
• •32 от —18 до 80 °C|
СЫ3изобутилхлоридznpem-бутилбензол
(единственный продуктреакции)
СН3СН3
IBF3|
C„H, + CH3-C-CH2OH —ж С„Н6-С-СН2СН3
СН3СН,
неопентиловыйтрет-пентилбензол
спирт(единственный продукт
реакции)
Теперь можно добавить еще одну реакцию карбониевых ионов к списку, приведенному в разд. 6.16. Карбониевой ион может:
отщеплять ион водорода с образованием алкена;
перегруппировываться в более устойчивый карбониевый ион;
соединяться с отрицательным ионом или другой основной молекулой;
присоединяться к алкену с образованием большего карбониевого иона;
отщеплять гидрид-ион от алкана;
алкилировать ароматическое кольцо.
Карбониевый ион, образовавшийся в результате (б) или (г), может вступать в любую из перечисленных реакций.
При алкилировании, как и в других реакциях, карбониевый ион забирает пару электронов для заполнения октета электронодефицитного атома углерода — в рассматриваемом случае от л-облака ароматического кольца.
Задача 12.3. mpem-Пентилбензол в основном образуется в результате реакции бензола в присутствии BF, с каждым из следующих спиртов: а) 2-метилбутанолом-1, б) 3-метил- бутанолом-2, в) З-метилбутанолом-1 и г) неопентиловым спиртом. Объясните его образование.
В некоторых из рассмотренных выше реакций образуется какое-то количество неперегруппировавшихся продуктов. Можно ли на основании этого сделать вывод, что частично реакция протекает не через стадию образования карбониевых ионов? Не обязательно. Атака ароматического кольца, вероятно, одна из наиболее трудных для карбониевого иона, т. е. по от-
ношению к карбониевому иону ароматическое кольцо обладает низкой реакционной способностью и, следовательно, высокой селективностью. Хотя более устойчивые, перегруппировавшиеся карбониевые ионы могут присутствовать в довольно высокой концентрации, ароматическое кольцо может все же реагировать с небольшим количеством оставшихся неперегруппиро- ванными ионов вследствие их большей реакционной способности. Вполне возможно, что некоторые карбониевые ионы будут реагировать с ароматическим кольцом прежде, чем они перегруппируются; низкая устойчивость, которая обусловливает перегруппировки первичных карбониевых ионов, делает их очень реакционноспособными.
Существует дополнительное доказательство (которое здесь не рассматривается) в пользу существования второго механизма алкилирования по Фриделю — Крафтсу. В этом механизме электрофилом является не карбо- ииевый ион, а алкилгалогенид, сильно поляризованный комплексообразованием с кислотой Льюиса
С1
|б-6+
С1—Al—Cl—R
и алкильная группа в одну стадию перемещается от галогена к ароматическому кольцу
6+/НCgHs 6_"•R-ClAlCls6+/НCgHs 6_"•R-ClAlCls+ А1С17+ А1С17С1
6+/Н
CgHs 6_
"•R-ClAlCls
6+/Н
CgHs 6_
"•R-ClAlCls
+ А1С17
+ А1С17
|б- с+
С1—Al—Cl—R+C6He —>■
Cl
Этот двойственный характер механизма не является чем-то исключительным и укладывается в обычную схему нуклеофильного замещения 6 алифатическом ряду (разд. 14.16), к которому, если рассматривать алкилгалогенид, как электрофил, можно отнести данную реакцию. Кроме того„ первичные алкилгалогениды и метилгалогенид, по-видимому, реагируют по второму механизму, как и следовало ожидать исходя из их строения.
Алкилирование по Фриделю — Крафтсу — более сложный процесс, чем описано выше. Помимо других реакций, может происходить перегруппировка не только промежуточных карбониевых ионов, но иногда и уже образовавшихся алкилбе нзолов. При 80 °C, например, алкилирование бензола н- или втор-бутилхлоридом приводит к изобу- тилбензолу в качестве основного продукта; он получается при перегруппировке первоначально образовавшегося втор-бутилбеизола.
(Задача: какой факт, приведенный на стр. 365, указывает на то, что изобут илбензол не может образоваться в результате перегруппировки н- или е/пор-бутильного карбониево- го иона в изобутильный карбониевый ион?)
Ограничения для реакции алкилирования по Фриделю—Крафтсу
Мы рассмотрели два ограничения при алкилировании по Фриделю — Крафтсу: возможность перегруппировки алкильной группы и тот факт, что арилгалогениды нельзя использовать вместо алкилгалогенидов. В разд. 12.14 будет рассмотрено влияние температуры на ориентацию при получении полиалкилбензолов. Кроме того, существует ряд ограничений, возникающих вследствие влияния групп, уже имеющихся в ароматическом кольце. Дезактивация может быть настолько сильной, что реакция вообще не будет протекать, а активирование может быть настолько сильным, что потребуются специальные методы для контроля за реакцией.
Во-первых, ароматическое кольцо, менее реакционноспособное, чем, в галогенбензолах, не алкилируется по Фриделю — Крафтсу. Таким обра-
зом, можно алкилировать бромбензол, но не нитробензол, бензойную кислоту или другие соединения, содержащие только жто-ориентанты. Алкильный карбониевый ион R+, очевидно, менее реакционноспособен, чем ион нитрония NO2 или другие электронодефицитные реагенты, применяемые при электрофильном замещении в ароматическом ряду.
C2H,Br, AlClyC2H,Br, AlClyбромбензолбромбензолреакция не идетреакция не идетнитробензолнитробензол
C2H,Br, AlCly
C2H,Br, AlCly
бромбензол
бромбензол
реакция не идет
реакция не идет
нитробензол
нитробензол
Во-вторых, необходимо соблюдать определенные предосторожности, чтобы избежать полиалкилирования. Из всех реакций электрофильного замещения только при алкилировании по Фриделю — Крафтсу в бензольное кольцо вводится группа, которая его активирует. При нитровании, например, в ароматическое кольцо вступает NO2-rpynna; дезактивирующий эффект МО2-группы затрудняет дальнейшее нитрование той же самой молекулы. По этой же причине редко происходит полисульфирование или полигалогенирование. При алкилировании по Фриделю — Крафтсу в ядро вводится алкильная группа, которая активирует ядро по отношению к дальнейшему алкилированию. Чтобы предотвратить полиалкилирование, обычно используют избыток алкилируемого соединения, так же как при галогенировании алканов (разд. 2.8).
ншпрованоеншпрованоеменее реакционноспособен, чем бензол, по отношению к дальнейшему замещениюменее реакционноспособен, чем бензол, по отношению к дальнейшему замещениюилкили* рование >илкили* рование >более реакционноспособен, чем бензол, по отношению н дальнейшем;; замещениюболее реакционноспособен, чем бензол, по отношению н дальнейшем;; замещению
ншпрованое
ншпрованое
менее реакционноспособен, чем бензол, по отношению к дальнейшему замещению
менее реакционноспособен, чем бензол, по отношению к дальнейшему замещению
илкили* рование >
илкили* рование >
более реакционноспособен, чем бензол, по отношению н дальнейшем;; замещению
более реакционноспособен, чем бензол, по отношению н дальнейшем;; замещению
Ароматические кольца с NH2-, NHR- или НК2-группами не вступают в реакцию алкилирования по Фриделю — Крафтсу, в частности, потому, что сильно основной азот связывает кислоту Льюиса, необходимую для ионизации алкилгалогенида:
~А1С13
CeH6NH2 + А1С13 ► CgHgNHg
+
I
Задача 12.4. Связывание кислотного катализатора основным азотом не является единственным фактором, препятствующим алкилированию, поскольку даже при использовании избытка катализатора реакция не идет. Исходя из строения комплекса (I), предложите возможное объяснение (разд. 11.16).
Несмотря на многочисленные ограничения, реакция Фриделя — Крафтса в ее различных видоизменениях (например, ацилирование, разд. 19.7) представляет собой очень ценный синтетический метод.
Реакции алкилбензолов
Наиболее важные реакции алкилбензолов приведены ниже на примере толуола и этилбензола; совершенно такие же свойства проявляют и соединения с другими боковыми цепями. Эти реакции (за исключением гидрирования и окисления) представляют собой электрофильное замещение в ароматическом кольце или свободнорадикальное замещение в боковую алифатическую цепь.
В следующих разделах в основном рассматриваются: а) экспериментальные условия, определяющие, какая часть молекулы (ароматическая или алифатическая) вступает в реакцию, и б) как каждый фрагмент молекулы влияет на свойства другого.
РЕАКЦИИ АЛКИЛБЕНЗОЛОВ
Гидрирование (разд. 12.10) Пример:
СН2СН3СН2СН3+ зн2+ зн2N1, Pt, PdN1, Pt, Pdсн2сн3сн2сн3
СН2СН3
СН2СН3
+ зн2
+ зн2
N1, Pt, Pd
N1, Pt, Pd
сн2сн3
сн2сн3
этилбензолэтилбензолэтилуиклогексан
этилбензол
этилбензол
Окисление (разд. 12.11) Пример:
3. Замещение 12.12—12.15)3. Замещение 12.12—12.15)СН3СН3толуолтолуолСН2СН3 кмпо, ?( или К2Сг2О7, или paid. HNO,)СН2СН3 кмпо, ?( или К2Сг2О7, или paid. HNO,)этилбензолэтилбензолв кольце. Электрофильноев кольце. ЭлектрофильноеСН3СН3HNO,. H2SO,HNO,. H2SO,о-нитротолуоло-нитротолуолСН3СН3Н25О„ so,Н25О„ so,СООН (+СО2)СООН (+СО2)бензойная кислота.бензойная кислота.замещение в ароматическом ряду (разд.замещение в ароматическом ряду (разд.ииСН3СН3NO2 д - нитротолуолNO2 д - нитротолуолосновные продуктыосновные продуктыо-толуолсулъфо -кислота.о-толуолсулъфо -кислота.СН,Х, АЮ,СН,Х, АЮ,СН3СН3иисн3сн3SO3Hк-таолуолсульфо-пислота.SO3Hк-таолуолсульфо-пислота.иисн3сн3заместитель активирует кольцои направляет заместитель в орто- и пара- положениязаместитель активирует кольцои направляет заместитель в орто- и пара- положения
3. Замещение 12.12—12.15)
3. Замещение 12.12—12.15)
СН3
СН3
толуол
толуол
СН2СН3 кмпо, ?
( или К2Сг2О7, или paid. HNO,)
СН2СН3 кмпо, ?
( или К2Сг2О7, или paid. HNO,)
этилбензол
этилбензол
в кольце. Электрофильное
в кольце. Электрофильное
СН3
СН3
HNO,. H2SO,
HNO,. H2SO,
о-нитротолуол
о-нитротолуол
СН3
СН3
Н25О„ so,
Н25О„ so,
СООН (+СО2)
СООН (+СО2)
бензойная кислота.
бензойная кислота.
замещение в ароматическом ряду (разд.
замещение в ароматическом ряду (разд.
и
и
СН3
СН3
NO2 д - нитротолуол
NO2 д - нитротолуол
основные продукты
основные продукты
о-толуолсулъфо -кислота.
о-толуолсулъфо -кислота.
СН,Х, АЮ,
СН,Х, АЮ,
СН3
СН3
и
и
сн3
сн3
SO3Hк-таолуолсульфо-пислота.
SO3Hк-таолуолсульфо-пислота.
и
и
сн3
сн3
заместитель активирует кольцо
и направляет заместитель в орто- и пара- положения
заместитель активирует кольцо
и направляет заместитель в орто- и пара- положения
о ксилоло ксилолСН3п ксилол
о ксилол
о ксилол
на направление реакции может влиять температура
Х2, FeX.Х2, FeX.а, вга, вгСН3СН3UUСН3СН3XX
Х2, FeX.
Х2, FeX.
а, вг
а, вг
СН3
СН3
U
U
СН3
СН3
X
X
4. Замещение 12.15—12.17)4. Замещение 12.15—12.17)в боковую цепь.в боковую цепь.Свободнорадикальное галогенирование (разд.Свободнорадикальное галогенирование (разд.СН2С1СН2С1СН3СН3толуолтолуолCl2 v нагревание или освещениеCl2 v нагревание или освещениенагревание или освещениенагревание или освещениеСНС12СНС12ci,ci,СС13СС13CI,CI,нагревание или освещениенагревание или освещениебензилхлоривбензилхлоривбензальхлоридбензальхлоридбензотрихлориобензотрихлориоСН2СН3 Chнагревание или освещениеСН2СН3 Chнагревание или освещениег^СНСНзг^СНСНзСН2СН2С1СН2СН2С1этилбензолэтилбензолсс фсиилэтил-хлорид(основной продукт)сс фсиилэтил-хлорид(основной продукт)р - фенилзтилхлоридр - фенилзтилхлорид
4. Замещение 12.15—12.17)
4. Замещение 12.15—12.17)
в боковую цепь.
в боковую цепь.
Свободнорадикальное галогенирование (разд.
Свободнорадикальное галогенирование (разд.
СН2С1
СН2С1
СН3
СН3
толуол
толуол
Cl2 v нагревание или освещение
Cl2 v нагревание или освещение
нагревание или освещение
нагревание или освещение
СНС12
СНС12
ci,
ci,
СС13
СС13
CI,
CI,
нагревание или освещение
нагревание или освещение
бензилхлорив
бензилхлорив
бензальхлорид
бензальхлорид
бензотрихлорио
бензотрихлорио
СН2СН3 Ch
нагревание или освещение
СН2СН3 Ch
нагревание или освещение
г^СНСНз
г^СНСНз
СН2СН2С1
СН2СН2С1
этилбензол
этилбензол
сс фсиилэтил-хлорид(основной продукт)
сс фсиилэтил-хлорид(основной продукт)
р - фенилзтилхлорид
р - фенилзтилхлорид
Замечание: сравнение реакций в кольцо и боковую цепь см. разд. 12.15
Электрофильное замещениеЭлектрофильное замещениеСеобовноравиналъное замещение
Электрофильное замещение
Электрофильное замещение
Гидрирование алкилбензолов
В разд. 10.5 было показано, что бензол реагирует с водородом в присутствии катализатора с образованием циклогексана. Аналогично алкил- бензолы превращаются в алкилциклогексаны; так, толуол дает метилциклогексан, а .и-ксилол — 1,3-диметилциклогексан. Во многих Случаях наиболее важным методом получения чистого алкилциклогексана является гидрирование соответствующего алкилбензола.
толуолметилциклогексантолуолметилциклогексанМ^ксилодМ^ксилодкатализаторкатализатор4 J- диметилциплагексан4 J- диметилциплагексан
толуолметилциклогексан
толуолметилциклогексан
М^ксилод
М^ксилод
катализатор
катализатор
4 J- диметилциплагексан
4 J- диметилциплагексан
Окисление алкилбензолов
Хотя бензол и алканы совершенно нереакционноспособны по отношению к обычным окислителям (КМпО4, К2Сг2О7 и т. д.), алифатическая цепь в алкилбензолах легко подвергается окислению. Боковая цепь окисляется таким образом, что у кольца остается только карбоксильная группа (—СООН), которая указывает на положение исходной алкильной цепи. Чаще всего для этой цели используют перманганат калия, а реже — бихромат калия или разбавленную азотную кислоту. (Окисление боковой цепи
идет с большим трудом, чем окисление алкена, и требует длительной обработки горячим КМпО4.)
CHjCHjCHjCHjCHjCHjCHjCHjгорячимКМеО„горячимКМеО„iCOOHiCOOHи СО^и СО^бензойнаябензойнаян -бутилбензолн -бутилбензолкислота.кислота.горячийкмпо« НООС* НООСгорячийкмпо« НООС* НООСсоон соонсоон соон1,2,4,5-тетра.метипбензол(вурол)1,2,4,5-тетра.метипбензол(вурол)бензол 1,2,4,5 тетракарбо новаякислота.(гшромеллитовая кислота)бензол 1,2,4,5 тетракарбо новаякислота.(гшромеллитовая кислота)
CHjCHjCHjCHj
CHjCHjCHjCHj
горячим
КМеО„
горячим
КМеО„
iCOOH
iCOOH
и СО^
и СО^
бензойная
бензойная
н -бутилбензол
н -бутилбензол
кислота.
кислота.
горячий
кмпо« НООС
* НООС
горячий
кмпо« НООС
* НООС
соон соон
соон соон
1,2,4,5-тетра.метипбензол(вурол)
1,2,4,5-тетра.метипбензол(вурол)
бензол 1,2,4,5 тетракарбо новаякислота.
(гшромеллитовая кислота)
бензол 1,2,4,5 тетракарбо новаякислота.
(гшромеллитовая кислота)
Эта реакция используется: а) для синтеза карбоновых кислот и б) для идентификации алкилбензолов.
а) Синтез карбоновых кислот. Один из наиболее широко используемых методов получения ароматических карбоновых кислот заключается в окислении соответствующих алкилбензолов, например:
ООНООНсоонксило ятерефталевая кислота,(6ензол-Ц4 дикарбонсвая кислбта>соонксило ятерефталевая кислота,(6ензол-Ц4 дикарбонсвая кислбта>fr-нитротолуол п нитпробензоинап кислотаfr-нитротолуол п нитпробензоинап кислотаб) Идентификация алкилбензолов. Число и относительное положение боковых цепей можно определить, окисляя алкилбензол в соответствующую кислоту. Предположим, например, что необходимо идентифицировать неизвестный алкилбензол (разд. 12 28), представляющий собой жидкость с т. кип. 137—139 °C и имеющий формулу С8Н10. Согласно данным табл. 12.1 (стр. 360), это может быть одно из четырех возможных соединений: о-, jw-или n-ксилол или этилбензол. Окисление этих углеводородов приводит к различным кислотам, которые можно легко отличить друг от друга по их температурам плавления или по температурам плавления их производных.б) Идентификация алкилбензолов. Число и относительное положение боковых цепей можно определить, окисляя алкилбензол в соответствующую кислоту. Предположим, например, что необходимо идентифицировать неизвестный алкилбензол (разд. 12 28), представляющий собой жидкость с т. кип. 137—139 °C и имеющий формулу С8Н10. Согласно данным табл. 12.1 (стр. 360), это может быть одно из четырех возможных соединений: о-, jw-или n-ксилол или этилбензол. Окисление этих углеводородов приводит к различным кислотам, которые можно легко отличить друг от друга по их температурам плавления или по температурам плавления их производных.СООН соонСООН сооно ксилол, т кип 144°Со ксилол, т кип 144°Сдипалевая кислота,т пл 231 °C _са-нитробенэиловыи эфир,т пл 155°С)дипалевая кислота,т пл 231 °C _са-нитробенэиловыи эфир,т пл 155°С)ж ксилол, ткип В9°Сж ксилол, ткип В9°ССООНСООНсоонизофшалевая кислота, тм 348 °C(п. нитробгнзилоемиЭфир, то пл 215°С)соонизофшалевая кислота, тм 348 °C(п. нитробгнзилоемиЭфир, то пл 215°С)
ООН
ООН
соон
ксило ятерефталевая кислота,
(6ензол-Ц4 дикарбонсвая кислбта>
соон
ксило ятерефталевая кислота,
(6ензол-Ц4 дикарбонсвая кислбта>
fr-нитротолуол п нитпробензоинап кислота
fr-нитротолуол п нитпробензоинап кислота
б) Идентификация алкилбензолов. Число и относительное положение боковых цепей можно определить, окисляя алкилбензол в соответствующую кислоту. Предположим, например, что необходимо идентифицировать неизвестный алкилбензол (разд. 12 28), представляющий собой жидкость с т. кип. 137—139 °C и имеющий формулу С8Н10. Согласно данным табл. 12.1 (стр. 360), это может быть одно из четырех возможных соединений: о-, jw-или n-ксилол или этилбензол. Окисление этих углеводородов приводит к различным кислотам, которые можно легко отличить друг от друга по их температурам плавления или по температурам плавления их производных.
б) Идентификация алкилбензолов. Число и относительное положение боковых цепей можно определить, окисляя алкилбензол в соответствующую кислоту. Предположим, например, что необходимо идентифицировать неизвестный алкилбензол (разд. 12 28), представляющий собой жидкость с т. кип. 137—139 °C и имеющий формулу С8Н10. Согласно данным табл. 12.1 (стр. 360), это может быть одно из четырех возможных соединений: о-, jw-или n-ксилол или этилбензол. Окисление этих углеводородов приводит к различным кислотам, которые можно легко отличить друг от друга по их температурам плавления или по температурам плавления их производных.
СООН соон
СООН соон
о ксилол, т кип 144°С
о ксилол, т кип 144°С
дипалевая кислота,т пл 231 °C _са-нитробенэиловыи эфир,т пл 155°С)
дипалевая кислота,т пл 231 °C _са-нитробенэиловыи эфир,т пл 155°С)
ж ксилол, ткип В9°С
ж ксилол, ткип В9°С
СООН
СООН
соон
изофшалевая кислота, тм 348 °C
(п. нитробгнзилоеми
Эфир, то пл 215°С)
соон
изофшалевая кислота, тм 348 °C
(п. нитробгнзилоеми
Эфир, то пл 215°С)
CHjCHjсоонсоонсоонсоонп-лсилол,ткип. 156°сп-лсилол,ткип. 156°стврефтпалевая кислота, т.лл. 300°C (возг)„(п-ншпробензиловый эфир.т.пл. 263 °C)тврефтпалевая кислота, т.лл. 300°C (возг)„(п-ншпробензиловый эфир.т.пл. 263 °C)С2Н$соон© —©этилбензол, бензойная кислота, т.-nun. 136е Ст.пл. 122°С(п-нитробензиловыиЭфир, щ.пл. 8Э°С)С2Н$соон© —©этилбензол, бензойная кислота, т.-nun. 136е Ст.пл. 122°С(п-нитробензиловыиЭфир, щ.пл. 8Э°С)12.12. Нитрование алкилбензо лов12.12. Нитрование алкилбензо ловАлкилбензолы, как и бензол, нитруются смесью азотной и серной кислот. Вследствие электронодонорного эффекта алкильной группы алкилбензолы более реакционноспособны, чем бензол, и из трех возможных продуктов в значительных количествах образуется только два: орто- и пара-пзо меры.Алкилбензолы, как и бензол, нитруются смесью азотной и серной кислот. Вследствие электронодонорного эффекта алкильной группы алкилбензолы более реакционноспособны, чем бензол, и из трех возможных продуктов в значительных количествах образуется только два: орто- и пара-пзо меры.HNO,, Н,5О» ЗО”СHNO,, Н,5О» ЗО”С1Г1Го-нитротолуол, 58%о-нитротолуол, 58%NOZNOZи 4%и 4%зкета-томврсбзкета-томврсбп- нитротолуол.п- нитротолуол.
CHj
CHj
соон
соон
соон
соон
п-лсилол,ткип. 156°с
п-лсилол,ткип. 156°с
тврефтпалевая кислота, т.лл. 300°C (возг)„
(п-ншпробензиловый эфир.т.пл. 263 °C)
тврефтпалевая кислота, т.лл. 300°C (возг)„
(п-ншпробензиловый эфир.т.пл. 263 °C)
С2Н$соон
© —©
этилбензол, бензойная кислота, т.-nun. 136е Ст.пл. 122°С
(п-нитробензиловыи
Эфир, щ.пл. 8Э°С)
С2Н$соон
© —©
этилбензол, бензойная кислота, т.-nun. 136е Ст.пл. 122°С
(п-нитробензиловыи
Эфир, щ.пл. 8Э°С)
12.12. Нитрование алкилбензо лов
12.12. Нитрование алкилбензо лов
Алкилбензолы, как и бензол, нитруются смесью азотной и серной кислот. Вследствие электронодонорного эффекта алкильной группы алкилбензолы более реакционноспособны, чем бензол, и из трех возможных продуктов в значительных количествах образуется только два: орто- и пара-пзо меры.
Алкилбензолы, как и бензол, нитруются смесью азотной и серной кислот. Вследствие электронодонорного эффекта алкильной группы алкилбензолы более реакционноспособны, чем бензол, и из трех возможных продуктов в значительных количествах образуется только два: орто- и пара-пзо меры.
HNO,, Н,5О» ЗО”С
HNO,, Н,5О» ЗО”С
1Г
1Г
о-нитротолуол, 58%
о-нитротолуол, 58%
NOZ
NOZ
и 4%
и 4%
зкета-томврсб
зкета-томврсб
п- нитротолуол.
п- нитротолуол.
Сульфирование алкилбензолов
Как и при нитровании, алкильная группа активирует ядро и направляет входящую при сульфировании группу в орто- и пара-положения.
SO3HSO3Hп-толуолсулъфо- лислота, 62%п-толуолсулъфо- лислота, 62%и 6% лета-изомера.и 6% лета-изомера.о-топуолсулъфо- кислотаг32%о-топуолсулъфо- кислотаг32%
SO3H
SO3H
п-толуолсулъфо- лислота, 62%
п-толуолсулъфо- лислота, 62%
и 6% лета-изомера.
и 6% лета-изомера.
о-топуолсулъфо- кислотаг32%
о-топуолсулъфо- кислотаг32%
Алкилирование алкилбензолов по Фриделю—Крафтсу
Диалкилбензолы образуются при алкилировании алкилбензолов по реакции Фриделя — Крафтса. Эти диалкилбензолы в свою очередь могут алкилироваться дальше и в конце концов давать бензолы, содержащие максимальное число алкильных групп — шесть. Используя избыток углеводорода, каждую стадию можно достаточно хорошо контролировать и вводить только одну алкильную группу (ср. разд. 2.8).
Задача 12.5. К бензольному кольцу было присоединено семь метильных групп; при этом образовалось соединение с формулой Ce(CH3), AlCl^ , которое отщепляет НС1 и превращается в Cj3H20. Предложите возможные структуры обоих соединений.
Интересный вопрос возникает в связи с ориентацией. Толуол, например, дает в основном о- и n-ксилол при действии хлористого метила и А1С13 при О °C; однако при более высоких температурах образуется в основном мета- изомер.
л-ксилолл-ксилол
л-ксилол
л-ксилол
Кроме того, образовавшиеся о- и n-ксилолы легко превращаются в л-ксилол прщобработке А1С13 и НС1 при 80 °C.
Задача 12.6. Используя принципы, рассмотренные в разд. 8.18, объясните влияние температуры на ориентацию при метилировании толуола.
Галогенирование алкилбензолов в кольцо и в боковую цепь
В алкилбензолах имеется два места для атаки галогенами: кольцо и боковая цепь. Выбирая соответствующие условия, можно контролировать направление реакции.
Галогенирование алканов требует условий, при которых образуются атомы галогена, т. е. высокой температуры или освещения. При галогенировании бензола необходима ионизация галогена, что достигается использованием кислого катализатора, например хлорида железа(Ш).
нагревание или освещение
сн4 + С12* СН3С1 + на
FeCl3 на холоду
С8Н6 + С1а* СвН5С1 + НС1
Следовательно, направление атаки в толуоле должно определяться характером атакующей частицы и условиями реакции. Таким образом, если хлор пропускать в кипящий толуол, освещаемый ультрафиолетовым светом, то замещение идет исключительно в боковую цепь; в присутствии хлорида железа(Ш) без освещения замещение идет в основном в кольцо. [Сравните вышесказанное с проблемой замещения и присоединения при галогенировании алкенов (разд. 6.20): если атакующей частицей является атом, то происходит реакция замещения, если ион, то реакция присоединения.)
Атом: атакует боковую цьиеАтом: атакует боковую цьиеИон: атакует кольцоИон: атакует кольцо
Атом: атакует боковую цьие
Атом: атакует боковую цьие
Ион: атакует кольцо
Ион: атакует кольцо
толуолтолуоло-хлортолуил, 58%о-хлортолуил, 58%Галогенирование ядра, так же как нитрование и сульфирование, приводит в основном к орто- и пара-изомерам. Аналогичные результаты получены и для других алкилбензолов; бромирование протекает так же, как хлорирование.
толуол
толуол
о-хлортолуил, 58%
о-хлортолуил, 58%
зг-хппртолуолм42%
При галогенировании в боковую цепь, так же как и при галогенировании алканов, возможно образование полигалогенидов; даже когда реакцию останавливают на стадии моногалогензамещенного, возможно образование смеси изомеров.
Галогенирование толуола в боковую цепь может дать последовательно моно-, ди- и трихлорпроизводные. Они известны под названиями: хлористый бензил, хлористый бензилиден и бензотрихлорид-, эти соединения являются важными промежуточными продуктами в синтезе спиртов, альдегидов и кислот.
СНзСН2С1 СНС12 СС13
_<Ч> ff)l(О)
ГV<Jнагреваяие, LOJ нагревание, <с->* нагревание,Ч^*>освещение*освещениеосвещение
толуолхлористый хлористый бензотпри-
бензилбензилиден хлорид
Бромирование алкилбензолов в боковую цепь: ориентация и реакционная способность
Между реакциями хлорирования и бромирования боковых цепей есть очень важное отличие в ориентации и реакционной способности. Сначала рассмотрим бромирование, а затем хлорирование.
В алкилбензолах с более сложной боковой цепью, чем метил, имеется несколько мест для атаки, и, следовательно, можно ожидать образования смеси изомеров.
Теоретически этилбензол может дать два продукта: 1 -бром- и 2-бром-1 -фе- нилэтаны. Несмотря на фактор вероятности, который благоприятствует образованию 2-бром-1-фенилэтана в соотношении 3 : 2, фактически образуется только 1-бром-1-фенилэтан. Очевидно, предпочтительным будет отщепление водородов, связанных с атомом углерода, соседним с ароматическим кольцом.
1 бром 1-фенилэтан1 бром 1-фенилэтан
1 бром 1-фенилэтан
1 бром 1-фенилэтан
Н2СН3 в,,
«агреемие, освещение
этилбензол
г-бром-Т-фетлэтан
Атомы водорода, находящиеся у атома углерода, связанного с ароматическим кольцом, называются бензильными водородами.
Бензильный водород: легко отщепляетсяБензильный водород: легко отщепляется
Бензильный водород: легко отщепляется
Бензильный водород: легко отщепляется
Относительная легкость отщепления бензильных водородов показана не только ориентацией при бромировании, но также и более точным путем — сравнением реакционной способности различных соединений. Согласно экспериментам (разд. 4.24), при 40 °C бензильный водород в толуоле в 3,3 раза более реакционноспособен по отношению к атомам брома, чем третичный водород в алкане, и почти в 100 млн. раз реакционноспособнее, чем водород в метане.
Исследование других свободнорадикальных реакций показало, что это общее правило: бензильные водороды исключительно легко отщепляются и в этом отношении аналогичны аллильным водородам. Теперь можно расширить ряд реакционной способности, приведенный в разд. 6.21:
Легкость отщепления атомов водорода: аллильный, бензильный > третичный >
2> вторичный > первичный > СН4 > винильный
Галогенирование боковой цепи алкилбензолов протекает по тому же механизму, что и галогенирование алканов. Например, бромирование толуола включает следующие стадии:
толуолтолуолбензильный радикалбензильный радикалбромистый бензилбромистый бензил
толуол
толуол
бензильный радикал
бензильный радикал
бромистый бензил
бромистый бензил
Бензильные водороды необычайно легко отщепляются, и это означает, что бензильные радикалы очень легко образуются.
Легкость образования свободных радикалов: аллильный, бензильный > третичный ^>
3> вторичный > первичный > СН3» > винильный
И вновь возникает вопрос, находятся ли эти факты в соответствии с правилом: чем устойчивее радикал, тем быстрее он образуется? Будет ли быстро образующийся бензильный радикал относительно устойчивым?
Энергии диссоциации связей, приведенные в табл. 2.1 (стр. 50), показывают, что для образования бензильного радикала из 1 моля толуола требуется только 78 ккал (326,57-103 Дж) по сравнению с 91 ккал (381,0-103 Дж) для образования mpem-бутильного радикала и 77 ккал (322,38-103 Дж) для образования аллильного радикала. Если сравнивать с углеводородами, из которых они образуются, то бензильный радикал содержит меньше энергии и более устойчив, чем mpem-бутильный радикал. Его устойчивость соответствует примерно устойчивости аллильного радикала.
Теперь можно расширить ряд устойчивости свободных радикалов (разд. 6.21). Ряд относительной (относительно углеводорода, из которого образуется радикал) устойчивости свободных радикалов будет следующий:
Устойчивость свободных радикалов: аллильный, бензильный > третичный >
> вторичный > первичный > СН3» ^> винильный
Рассмотрим теперь хлорирование в боковую цепь.
Хлорирование алкилбензолов в боковую цепь: ориентация и реакционная способность.
Полярные факторы при свободнорадикальных реакциях
Продукты, полученные при хлорировании этилбензола, указывают на то, что атомы хлора, так же как и атомы брома, предпочтительно атакуют бензильный водород, однако избирательность значительно меньше.
СН2СН3 о, ,СН2СН3 о, ,нагревание, освещениенагревание, освещениег^^снсн3 \/ аг^^снсн3 \/ аиисн2сн2 асн2сн2 аэтилбензолэтилбензол1хлор-1- фенйлэтпан,91%1хлор-1- фенйлэтпан,91%2хлор-1«ретпглз1пан,2хлор-1«ретпглз1пан,
СН2СН3 о, ,
СН2СН3 о, ,
нагревание, освещение
нагревание, освещение
г^^снсн3 \/ а
г^^снсн3 \/ а
и
и
сн2сн2 а
сн2сн2 а
этилбензол
этилбензол
1хлор-1- фенйлэтпан,91%
1хлор-1- фенйлэтпан,91%
2хлор-1«ретпглз1пан,
2хлор-1«ретпглз1пан,
Этого и следовало ожидать: более реакционноспособный хлор имеет меньшую селективность (разд. 4.30).
Теперь рассмотрим результаты экспериментов. В условиях, когда относительная реакционная способность по отношению к хлору третичных, вторичных и первичных водородов составляет 5,0 : 3,8 : 1,0, относительная реакционная способность бензильного водорода в толуоле только 1,3. Несмотря на устойчивость образующихся свободных радикалов, бензильные водороды менее реакционноспособны по отношению к атомам хлора, чем третичные и даже вторичные атомы. Как же объяснить такое неожиданное поведение бензильных водородов по отношению к атомам хлора?
Изучение химии свободных радикалов показало, что на их реакции могут влиять — и иногда даже контролировать эти реакции — полярные факторы. Хотя свободные радикалы представляют собой нейтральные частицы, они имеют некоторую тенденцию присоединять или терять электроны и, следовательно, проявляют характер электрофильных или нуклеофильных реагентов.
При галогенировании вследствие электроотрицательности галогена атакуемый радикал является электрофилом. В переходном состоянии за счет органической группы галоген удерживает больше электронов, чем дает. Таким образом, переходное состояние является полярным-.
Ге*ед ]
R—Н + Х. > LR---H--.XJ >R-+H—X
Устойчивость переходного состояния и, следовательно, скорость реакции зависит от способности органической части молекулы не только делокализовать неспаренный электрон, но также и делокализовать частичный положительный заряд.
При галогенировании простых алканов полярный фактор не учитывался, поскольку порядок изменения реакционной способности — третичный > вторичный > первичный > СН4 — сохранялся независимо от того, какой фактор преобладал. Алкильные группы могут способствовать делокализации как положительного заряда, благодаря их электронодонорному индуктивному эффекту, так и неспаренного электрона (разд. 12.20).
I СН3 -*С—Н + X.I СН3 -*С—Н + X.I 6+ сн3 —с-н-II 6+ сн3 —с-н-I61'•X61'•XСН3 -»с. +н—XСН3 -»с. +н—X
I СН3 -*С—Н + X.
I СН3 -*С—Н + X.
I 6+ сн3 —с-н-
I
I 6+ сн3 —с-н-
I
61'
•X
61'
•X
СН3 -»с. +н—X
СН3 -»с. +н—X
переходное состояние
Алкильная группа делокализует и неспаренный электрон и положительный заряд, и таким образом стабилизует переходное состояние
В бензильной группе имеется заместитель, фенил, который способствует делокализации неспаренного электрона (разд. 12.19) и, таким образом, стремится стабилизовать переходное состояние; с другой стороны, фениль-
ная группа проявляет электроноакцепторный индуктивный эффект, который усиливает частичный положительный заряд и, таким образом, стремится дестабилизовать переходное состояние.
переходное состояниепереходное состояние* ©Ч" + Н-Х* ©Ч" + Н-Х
переходное состояние
переходное состояние
* ©Ч" + Н-Х
* ©Ч" + Н-Х
Фенильная группа делокализует свободный электрон—стабилизующее влияние—и усиливает положительный заряд—дестабилизующее влияние
При атаке бромом, сравнительно нереакционноспособным (разд. 2.25), переходное состояние достигается в процессе реакции позднее: связь углерод — водород в значительной мере разорвана и органическая группа уже приобрела в значительной степени характер свободного радикала. Делокализация свободного электрона — важный фактор при определении устойчивости переходного состояния (хотя на реакционную способность может сильно влиять и полярный фактор).
При отщеплении бензильного водорода атомом брома наблюдалась высокая реакционная способность, которую и следовало ожидать при образовании устойчивого бензильного радикала.
Напротив, при атаке очень реакционноспособным атомом хлора переходное состояние достигается в процессе реакции рано: связь углерод — водород только растянута и органическая группа еще не приобрела характера свободного радикала. Делокализация свободного электрона уже не является решающим фактором; на реакционную способность сильно влияет полярный фактор.
Относительное влияние этих двух факторов при хлорировании толуола предсказать нельзя. Они, вероятно, почти одинаковы, причем дезактивация вследствие индуктивного эффекта и активация вследствие делокализации свободного электрона компенсируют друг друга. Однако совершенно ясно, что, несмотря на устойчивость образовавшегося свободного радикала, бензильные водороды не очень реакционноспособны в реакции хлорирования.
При хлорировании делокализация свободного электрона менее важна по сравнению с полярным фактором, поскольку более электроотрицательный атом хлора электрофиль- нее атома брома. Действительно, именно электроотрицательность хлора является причиной различного поведения хлора и брома: она обусловливает прочность связи водород — хлор, и, следовательно (разд. 2.22), высокую реакционную способность атома хлора.
Задача 12.7. В условиях хлорирования, когда соблюдается соотношение относительной реакционной способности третичных, вторичных и первичных водородов, составляющее 5,0 : 3,8 : 1,0, атомы водорода этилбензола дают следующие относительные реакционные способности из расчета на один атом водорода:
о р
С4НБ—СН4—сн3
3,3 0,2
Объясните следующие факты: а) а-бензильные водороды более реакционноспособны, чем в толуоле (относительная реакционная способность 1,3); б) Р-водороды значительно менее реакционноспособны, чем в этане (относительная реакционная способность 1,0).
Задача 12.8. Объясните следующий порядок изменения реакционной способности по отношению к свободнорадикальному хлорированию следующих n-замещенных толуолов:
л-СН3СвН4СН3 > СеНБСН3 > л-СЮв^СНз > n-NCCeH4CH3
Резонансная стабилизация свободного аллильного радикала
Теперь, когда мы знакомы с теорией резонанса, можно объяснить порядок изменения устойчивости свободных радикалов исходя из делокализации неспаренного электрона.
Рассмотрим устойчивость свободного аллильного радикала. Для этого сравним две реакции: диссоциацию метана с образованием метильного радикала и диссоциацию пропилена с образованием аллильного радикала. Как можно объяснить тот факт, что различие в энергиях между пропиленом и аллильным радикалом на (102 — 77) = 25 ккал (104,67-10® Дж) меньше, чем различие между энергиями метана и метильного радикала? Рассмотрим структуры этих радикалов.
СН4 v СН3. + Н-ЛЯ = +102 ккал
метан метильный радикал
LH2=CH—СН3 > СН2=СН—СН2- + н.ДЯ = +77 ккал
пропилен аллильный радикал
Метан, метильный радикал и пропилен могут быть удовлетворительно представлены каждый одной структурой (гиперконъюгация в пропилене не важна по сравнению с рассматриваемыми эффектами).
Для аллильного радикала возможны две структуры (I и II), которые различаются только положением двойной связи и неспаренного электрона. Эти структуры совершенно эквивалентны и, следовательно, обладают одинаковой устойчивостью.
[СН2=СН—СН2«-СН2—СН=СН2] эквивалентны СН2—СН—СН2
III:
Аллильный радикал представляет собой резонансный гибрид структур I и II. Как гибрид, он более устойчив, т. е. содержит меньше энергии, чем каждая из резонирующих структур. Говорят, что аллильный радикал стабилизован вследствие резонанса. Стабилизация вследствие резонанса нескольких структур равной устойчивости довольно велика; в данном случае она, очевидно, составляет 25 ккал/моль (104,67-103 Дж).
Написание этих двух структур (I и II) указывает на то, что каждая углерод-углеродная связь в аллильном радикале не является ни двойной, ни простой, а гибридной (наполовину двойной и наполовину простой1). Свободный электрон не локализован ни на одном из углеродов: он делокализован, причем в равной степени распределен между двумя концевыми атомами углерода.
Что означает подобный резонанс с точки зрения теории молекулярных орбиталей? Считается, что в каждой из участвующих структур I и II неспаренный электрон занимает р-орбиталь тригонально связанного углерода. Перекрывание этой р-орбитали с л-облаком двойной связи приводит к делокализации свободного электрона и стабилизации радикала.
[СН2=СН—СН2--CH2—СН=СнДэквивалентны СНг^СН-СНг
Здесь и ниже говорят о «делокализации свободного электрона». На самом деле в каждом случае делокализовано больше электронов, чем один неспаренный. В данном случае делокализованы три электрона: электроны двойной связи и неспаренный электрон; каждый электрон участвует в связывании трех ядер.
Резонансная стабилизация свободного бензильного радикала
АН = 4-78 ккалАН = 4-78 ккалРассмотрим устойчивость бензильного радикала С6Н5СН2 . Из данных энергий диссоциации связей (табл. 2.1) видно, что для образования бензильного радикала из толуола требуется на (102 — 78) = 24 ккал/моль (100,48-103 Дж/моль) меньше, чем для образования метильного радикала из метана
АН = 4-78 ккал
АН = 4-78 ккал
CeH5CHs —> с6н5сн2- + н. толуол бензильный радикал
Рассмотрим возможные структуры. Толуол имеет бензольное кольцо и, следовательно, представляет собой гибрид двух структур Кекуле I и II
СН3СН3
СН3
СН3
Аналогично бензильный радикал является гибридом двух структур Кекуле III и IV-
сн2.сн2.IIIIIIСН2.СН2.IVIV
сн2.
сн2.
III
III
СН2.
СН2.
IV
IV
Этот резонанс приводит к стабилизации, т. е. понижению содержания энергии. Однако резонанс, включающий структуры Кекуле, стабилизует в одинаковой степени и молекулу и радикал и, следовательно, не должен влиять на различие в содержании их энергии. При отсутствии других факторов можно было бы ожидать, что энергия диссоциации связи для бензильного водорода будет примерно такой же, как и для атомов водорода метана (рис. 12.1).
При дальнейшем рассмотрении обнаруживается, что для бензильного радикала можно написать три дополнительные структуры: V, VI и VII В этих структурах имеется двойная связь между боковой цепью и кольцом
VIIVII
VII
VII
и неспаренный электрон делокализуется на атомах углерода, находящихся в орто- и пара-положениях кольца. Написание этих структур позволяет показать, что неспаренный электрон не локализован в боковой цепи, а
делокализован, будучи распределен по кольцу. Для молекулы толуола написать такие структуры нельзя.
Радикал стабилизован вкладами трех структур (V — VII), которые невозможны для молекулы. Таким образом, резонансная стабилизация бензильного радикала больше, чем толуола. Эта необычайно большая стабилизация радикала составляет 24 ккал/моль (100,48-103 Дж/моль) (рис. 12.1).
Говорят, что бензильный радикал стабилизован вследствие резонанса. При использовании этого выражения следует помнить, что на самом деле имеется в виду: бензильный радикал стабилизован вследствие резонанса в значительно большей степени, чем углеводород, из которого он образуется.
Ход реакцииХод реакцииРис. 12.1. Молекулярная структура и скорость реакции.Бензильный радикал, стабилизованный вследствие резонанса, образуется быстрее, чем метильный радикал.Рис. 12.1. Молекулярная структура и скорость реакции.Бензильный радикал, стабилизованный вследствие резонанса, образуется быстрее, чем метильный радикал.
Ход реакции
Ход реакции
Рис. 12.1. Молекулярная структура и скорость реакции.
Бензильный радикал, стабилизованный вследствие резонанса, образуется быстрее, чем метильный радикал.
Рис. 12.1. Молекулярная структура и скорость реакции.
Бензильный радикал, стабилизованный вследствие резонанса, образуется быстрее, чем метильный радикал.
Согласно теории атомных орбиталей, делокализация возникает в результате перекрывания р-орбитали, занимаемой неспаренным электроном с л-облаком кольца.
Задача 12.9. Считают, что в бензильном радикале атомы водорода боковой цепи лежат в плоскости кольца. Почему?
Резонансная стабилизация свободных алкильных радикалов. Гиперконъюгация
Относительная устойчивость третичных, вторичных и первичных алкильных радикалов объясняется совершенно так же, как устойчивость аллильного и бензильного радикалов: делокализацией неспаренного электрона, причем в данном случае в результате перекрывания р-орбитали, занимаемой неспаренным электроном, и о-орбитали алкильной группы. В ре-
зультате этого перекрывания три электрона — неспаренный электрон и пара электронов связи углерод — водород — помогают в какой-то степени удерживать вместе три ядра: два атома углерода и один атом водорода. Этот тип
делокализации, включающей о-орбитали связей, называется гиперконъюгацией (разд. 10.17).
Согласно теории резонанса, это означает, что, например, этильный радикал представляет собой гибрид обычной структуры I и трех дополнительных структур — II, III и IV, в которых двойная связь соединяет два атома углерода, а неспаренный электрон удерживается атомом водорода.
НННН-НННН
IIIIIII
Н—С—С- н. С=Сн—с=сн—с=с
IIIIIII
НННННН.нн
IIIIIIIV
Каждая из этих «несвязанных» резонансных структур в отдельности кажется странной, но, взятые вместе, они обозначают, что углерод-водородная связь немного короче простой связи и что неспаренный электрон в какой-то мере распределен между атомами водорода. Вклады этих неустойчивых структур не так важны, как, например, резонансные структуры аллильного радикала, и в результате стабилизация не столь велика. Однако считают, что этот вклад стабилизует этильный радикал на 5 ккал (20,93-103 Дж) больше по сравнению с метильным (102—97; разд. 4.26), для которого такие резонансные структуры невозможны.
Если распространить этот подход на изопропильный радикал, то вместо трех структур здесь возможны шесть (напишите их). Большее число участвующих структур означает более сильную делокализацию неспаренного электрона и, следовательно, большую устойчивость радикала. В соответствии с этим найдено, что энергия диссоциации связи изопропил — водород составляет только 94 ккал (393,56-103 Дж), т. е. энергия резонанса равна (102—94), т. е. 8 ккал/моль (33,49-103 Дж/моль).
Для mpem-бутильного радикала возможно девять таких структур (напишите их). В данном случае энергия диссоциации связи составляет 91 ккал (381,0-103 Дж), т. е. энергия резонанса равна (102—91) или 11 ккал/моль (46,05-103 Дж/моль).
Таким образом, устойчивость и, следовательно, легкость образования бензильного или аллильного радикала обусловлены резонансом, вследствие которого неспаренный электрон делокализован между атомами углерода кольца или двойной связи. Относительная устойчивость алкильных радикалов (третичный > вторичный > первичный) определяется гиперконъюгацией — резонансом, в результате которого неспаренный электрон распределяется между атомами водорода. В каждом случае делокализация происходит в результате перекрывания р-орбитали, занимаемой неспаренным электроном, с л-облаком двойной связи или бензольного кольца или с орбиталями о-связи.
В отличие от структур, используемых для изображения гиперконъюгации алкенов (разд. 10.17), структуры II — IV имеют столько же связей, сколько и классическая структура I. Поэтому обсужденный в этом разделе тип гиперконъюгации называется изовалентной гиперконъюгацией и обычно считается более важным, чем гиперконъюгация «с жертвой» связи, рассмотренная выше.
Задача 12.10. Прочность связи, удерживающей водород в боковой цепи л-ксилола, такая же, как в толуоле; в о- и n-ксилолах она на 3—4 ккал (12,56-103 —16,75- 10s Дж) ниже. Как вы объясните эти различия?
Задача 12.11. Дьюар (стр. 321) рассматривает делокализацию неспаренного электрона как основной фактор, стабилизующий свободные радикалы, такие, как аллильный, но считает гиперконъюгацию сомнительной. На основании его допущения о влвянии гибридизации на энергии связей, в частности, что влияние на углерод-углеродные связи больше, чем на углерод-водородные (разд. 10.18), объясните ряд устойчивости алкильных свободных радикалов.
Трифенилметил: устойчивый свободный радикал
Выше уже было сказано, что свободные бензильный и аллильный радикалы стабилизованы вследствие резонанса; это означает, что они устойчивы только в сравнении с простыми алкильными радикалами, такими, как метильный и этильный. Свободные бензильный и аллильный радикалы—очень реакционноспособные неустойчивые частицы, кратковременное существование которых (тысячные доли секунды) было предложено для объяснения некоторых экспериментальных данных. В лабораториях нет сосудов с этикетками «бензильные радикалы» или «аллильные радикалы». Существует ли какое-нибудь прямое доказательство существования свободных радикалов?
В 1900 г. в журнале «Journal of the American Chemical Society» и в «Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft» появилась интересная статья; ее автором был молодой химик, родившийся в России, Мозес Гомберг, работавший в то время в Мичиганском университете. Гомберг занимался исследованием полностью фенилированных алканов. Он получил тетрафенилметан (ряд химиков прежде пытались осуществить этот синтез, но безуспешно) и поставил задачу синтезировать гексафенилэтан. Имея три- фенилхлорметан (разд. 12.6), он проводил синтез так, как сделал бы это сегодня; посредством реакции Вюрца он пытался соединить вместе две три- фепилметильные группы.
щрифенилхлормешан, г молящрифенилхлормешан, г молягексафенилэтангексафенилэтан
щрифенилхлормешан, г моля
щрифенилхлормешан, г моля
гексафенилэтан
гексафенилэтан
Поскольку натрий дает плохие результаты, Гомберг использовал мелко раздробленное серебро, ртуть или цинковую пыль. Он оставлял бензольный раствор трифенилхлорметана над одним из этих металлов и затем отфильтровывал раствор от галогенида металла. После упаривания бензола оставалось белое кристаллическое вещество, которое после кристаллизации плавилось при 185 °C; он думал, что это гексафенилэтан.
Как всегда, Гомберг проанализировал новое вещество на содержание углерода и водорода. К его удивлению, анализ дал 88% углерода и 6% водорода, т. е. в сумме только 94%. Думая, что сожжение прошло не полностью, он повторил анализ, на этот раз более тщательно и в более жестких условиях; однако результаты были такие же, как и в первом случае. Повторив анализы образцов, полученных как из трифенилхлорметана, так и из трифенилбромметана и очищенных кристаллизацией из различных растворителей, он убедился, что получил не углеводород гексафенилэтан, а соединение, содержащее 6% какого-то другого элемента, возможно кислорода.
Кислород мог попасть из Примесей в металлах, но такие же результаты были получены и при использовании исключительно чистых образцов металлов, тщательно очищенных от кислорода.
Кислород мог попасть из воздуха, хотя Гомберг не мог предположить, как молекула кислорода может реагировать с углеводородом при комнатной температуре. Он провел реакцию снова, но на этот раз в атмосфере двуокиси углерода. После фильтрования раствора (также в атмосфере двуокиси углерода) и упаривания растворителя он получил вещество с температурой плавления не 185 °C; это оказалось совершенно другое соединение, значительно более растворимое в бензоле, чем вещество с т. пл. 185 °C, и имеющее более низкую температуру плавления. Данные анализа этого вещества после очистки соответствовали гексафенилэтану: 93,8% углерода и 6,2% водорода .
При растворении этого нового вещества в бензоле образовывался желтый раствор. При добавлении в сосуд небольшого количества воздуха желтая окраска исчезала, но через несколько минут появлялась снова. При добавлении новых порций кислорода повторялось то же: окраска исчезала, а затем медленно появлялась. Наконец, окраска исчезала совсем; прй упаривании раствора оставалось первое вещество с т. пл. 185 °C.
Охлажденный до О °C раствор нового вещества быстро поглощал не только кислород, но также и галогены; даже растворы обычно нереакционноспособного иода мгновенно обесцвечивались.
Соединение с температурой плавления 185 °C было перекисью (С6Н5)3С—О—О—С(С6Н5)3. Гомберг показал это, получив его иным путем. Продуктами реакций с галогенами были трифенилгалогенметаны (С6Н5)3С—X.
Если полученное им новое вещество действительно было гексафенилэта- ном, то оно вело себя очень странно. Расщепление углерод-углеродной связи такими мягкими реагентами, как кислород и иод, было неизвестно химикам- органикам.
«Экспериментальные данные, описанные выше, привели меня к выводу, что в данном случае мы имеем дело со свободным радикалом, трифенилмети- лом (С6Н6)3С-. Только при этом допущении результаты становятся понятными и получают адекватное объяснение». Гомберг предположил, что он получил устойчивый свободный радикал.
Однако предположение Гомберга было признано только десять лет спустя. Теперь очевидно, что происходит следующее: металл отщепляет атом
хлора от трифенилхлорметана с образованием свободного радикала трифе- нилметила; два этих радикала соединяются с образованием гексафенилэта- на. Ноэта углерод-углеродная связь оченьнепрочна и даже при комнатной температуре может разорваться с образованием радикалов. Таким образом, существует равновесие между свободными радикалами и углеводородом. Хотя это равновесие сдвинуто в сторону углеводорода, любой раствор гексафенилэтана содержит заметное количество свободных трифенилметильных радикалов. Количество вещества, существующего в виде свободных радикалов, составляет около 2% в 1 М растворе, 10% в 0,01 М растворе и почти 100% в очень разбавленных растворах. Поэтому не будет ошибкой, если на сосуде с разбавленным раствором этого вещества написать «трифенилметильные радикалы».
тршренилхлормвтантршренилхлормвтантрифенилметилтрифенилметилТприфенилметил, желтыйТприфенилметил, желтыйгекса фенипэтан, бесцветныйгекса фенипэтан, бесцветный
тршренилхлормвтан
тршренилхлормвтан
трифенилметил
трифенилметил
Тприфенилметил, желтый
Тприфенилметил, желтый
гекса фенипэтан, бесцветный
гекса фенипэтан, бесцветный
Трифенилметил имеет желтую окраску, а гексафенилэтан и перекись бесцветны. Раствор гексафенилэтана желтый, потому что в равновесной смеси присутствуют трифенилметильные радикалы. При добавлении кислорода трифенилметил быстро реагирует с образованием перекиси, и желтая окраска исчезает. Часть гексафенилэтана диссоциирует для восстановления равновесия, и раствор вновь окрашивается в желтый цвет. Только когда вся смесь гексафенилэтана и трифенил метана превратится в перекись, желтая окраска больше не появляется. Аналогично трифенилметил реагирует с иодом
о2, о °с
(С6Н6)дС—С(С6Нв)з(С6Н6)дС—С(С6Нв)з2(С6Н5)дС»2(С6Н5)дС»(СвНв)зС—О—О—-С(С6Нв)з
(С6Н6)дС—С(С6Нв)з
(С6Н6)дС—С(С6Нв)з
2(С6Н5)дС»
2(С6Н5)дС»
^-^ 2(СеН5)3С-1
гексафенилэтангексафенилэтантрифенилметиль-ный радикалтрифенилметиль-ный радикал
гексафенилэтан
гексафенилэтан
трифенилметиль-ный радикал
трифенилметиль-ный радикал
Таким образом, гексафенилэтан вступает в эти удивительные реакции, диссоциируя сначала на трифенилметильные радикалы, которые, хотя и необычно устойчивы для свободных радикалов, тем не менее являются очень •реакционноспособными частицами.
Получены многие другие гексаарилэтапы, и существование триарилме- Iильных свободных радикалов доказано несколькими способами; в дейст-
вительности некоторые из этих соединений, по-видимому, существуют целиком в виде свободных радикалов даже в твердом состоянии. Наиболее убедительным доказательством свободнорадикальной природы этих соединений являются свойства, которые непосредственно обусловлены неспаренным электроном, наличие которого характерно для свободного радикала. Два электрона, которые занимают одну и ту же орбиталь и составляют таким образом пару, имеют противоположные спины (разд. 1.6); магнитные моменты, соответствующие их спинам, компенсируют друг друга. Но, согласно определению (разд. 2.12), нечетный электрон свободного радикала не спарен и, следовательно, эффект спина не компенсирован. Этот спин определяет суммарный магнитный момент свободного радикала. Этот магнитный момент проявляется двумя путями: а) соединение парамагнитно, т. е. в отличие от других соединений оно взаимодействует с магнитным полем; б) соединение дает характерный спектр парамагнитного резонанса (или спектр электронного парамагнитного резонанса, разд. 13.15), который зависит от ориентации спина неспаренного электрона в изменяющемся внешнем магнитном поле. Последнее свойство позволяет обнаружить не только устойчивые свободные радикалы, но и небольшую концентрацию короткоживущих промежуточных радикалов в химических реакциях, и может даже дать информацию об их строении (см., например, разд. 6.17).
Значительная диссоциация гексафенилэтана обусловлена двумя факторами. Во-первых, трифенилметильные радикалы необычно устойчивы вследствие резонанса, аналогично тому как было предложено для бензильного радикала. В данном случае, конечно, существует еще большее число структур (36), которые стабилизуют радикал, но не углеводород; неспаренный электрон сильно делокализован, поскольку он распределен по трем ароматическим кольцам.
Во-вторых, пространственное взаимодействие больших ароматических колец имеет тенденцию растянуть и ослабить углерод-углеродную связь, соединяющую трифенилметильные группы. После того как радикалы образовались, объемистые группы затрудняют подход атомов углерода друг к другу на расстояние, достаточно близкое, чтобы образовалась связь. Строение молекулы сильно влияет на энергию связи; об этом свидетельствует тот факт, что энергия диссоциации углерод-углеродной связи в этане составляет 84 ккал (351,65-103 Дж), в 1,2-дифенилэтане — 47 ккал (196,78-103 Дж), а в гексафенилэтане— только 11 ккал (46,05-103 Дж); длина связи углерод — углерод в гексафенилэтане равна 1,58 А (15,8-10~2 им) по сравнению с длиной обычной простой углерод-углеродной связи 1,54 А (15,4-10~2 нм).
Трудно переоценить значение работ Гомберга в химии свободных радикалов и вообще в органической химии. Хотя трифенилметильный радикал был выделен только благодаря тому, что он не является типичным свободным радикалом, его химические свойства характерны для свободных радикалов; главное, Гомберг доказал, что такие частицы, как свободные радикалы, могут вообще существовать.
Задача 12.12. Значение Д// для диссоциации гексафенилэтана составляет 11 ккал/моль (46,05-103 Дж/моль), £акт 19 ккал/моль (79,55- 103 Дж/моль). а) Нарисуйте график изменения потенциальной энергии реакции, б) Какова энергия активации обратной реакции — соединения трифенилметильных радикалов? в) Как объяснить этот необычный факт? (Ср. с разд. 2.19.)
Задача 12.13. При растворении 1,5 г дифенилтетра-(о-толил)этана в 50 г бензола температура плавления растворителя понижается на 0,5 °C (криоскопическая константа для бензола 5 °C). Объясните эти результаты.
Получение алкилбензолов.
Сопряжение с кольцом
Ароматический углеводород с двойной связью в боковой цепи можно получить теми же методами, что и простые алкены (разд. 5.13 и 5.16). В общем случае эти методы заключаются в отщеплении атомов или групп от двух соседних атомов углерода. Наличие ароматического кольца в молекуле влияет на ориентацию элиминирования и на легкость, с которой она проходит.
В промышленном масштабе обычно проводят дегидрирование. Например, стирол — наиболее важный представитель алкенилбензолов и, возможно, наиболее широко используемое в синтезах ароматическое соединение — можно получить нагреванием этилбензола до 600 °C в присутствии катализатора. Этилбензол в свою очередь получается по реакции Фриделя — Крафтса из бензола и этилена.
сн2сн3C^Oj AhO;, 600"С выход 90%сн2сн3C^Oj AhO;, 600"С выход 90%сн=сн2сн=сн2стиролстиролэтилбензолэтилбензол
сн2сн3
C^Oj AhO;, 600"С выход 90%
сн2сн3
C^Oj AhO;, 600"С выход 90%
сн=сн2
сн=сн2
стирол
стирол
этилбензол
этилбензол
Однако в лаборатории обычно используют дегидрогалогенирование и дегидратацию.
i-фенилзтанолi-фенилзтанолZnCl, >ZnCl, >нагреваниенагреваниестиролстирол
i-фенилзтанол
i-фенилзтанол
ZnCl, >
ZnCl, >
нагревание
нагревание
стирол
стирол
КОН (cnupni^ нагреваниеКОН (cnupni^ нагревание1хлор-1-фенилзтан1хлор-1-фенилзтан<^>СН=СН2<^>СН=СН2кон (спирт)нагреваниекон (спирт)нагревание1 фснилпропен1 фснилпропенкислота нагреваниекислота нагревание2-хлор-1- фенилпропан2-хлор-1- фенилпропанСН2СН=СН2СН2СН=СН2он1фенилпропанол-2он1фенилпропанол-2
КОН (cnupni^ нагревание
КОН (cnupni^ нагревание
1хлор-1-фенилзтан
1хлор-1-фенилзтан
<^>СН=СН2
<^>СН=СН2
кон (спирт)
нагревание
кон (спирт)
нагревание
1 фснилпропен
1 фснилпропен
кислота нагревание
кислота нагревание
2-хлор-1- фенилпропан
2-хлор-1- фенилпропан
СН2СН=СН2
СН2СН=СН2
он
1фенилпропанол-2
он
1фенилпропанол-2
стирс:1
Дегидрогалогенирование 2-хлор-1-фенилпропана или дегидратация 1-фенилпропанола-2 может привести к двум соединениям: 1- или 3-фенил- пропену. В действительности образуется только первое соединение. В разд. 5.15 и 5.22 было показано, что при элиминировании, когда возможно образование изомерных алкенов, предпочтительно получается наиболее устойчивый алкен
Уфенилпропен
По-видимому, так же обстоит дело и в данном случае. Большая устойчивость1-фенилпропена по сравнению с его изомером подтверждается легкостью
превращения 3-фенилпропена в 1-фенилпропеи при обработке горячим раствором щелочи.
©Oh-CH-CH, ^2» ©сн=сн-сн,
З-фенилпровенt-фенилпропен
(аллилбензол)
©-ti-©-ti-Двойная связь, отделенная от бензольного кольца одной простой связью, называется сопряженной с кольцом. Такое сопряжение обусловливает необычную устойчивость молекулы. Эта устойчивость влияет не только на ориентацию при элиминировании, но также (разд. 27.7) на его легкость
©-ti-
©-ti-
Двойная связь, сопряженная с кольцом: очень устойчивая система
Задача 12.14. Объясните устойчивость алкенов, аналогичных стиролу, исходя: а) из де
локализации л-электронов, показав и резонансные структуры, и перекрывание орбита- лей, и б) из изменения гибридизации.
Реакции алкенилбензолов
Как и следовало ожидать, для алкенилбензолов характерны два типа реакций: замещение в кольцо и присоединение по двойной связи боковой цепи. Поскольку и кольцо, и двойная связь являются донорами электронов, то для некоторых электрофильных реагентов возможна конкуренция между двумя частями молекулы; как правило, двойная связь более реакционно- способна, чем стабилизованное резонансом бензольное кольцо. В этих реакциях представляет интерес влияние ароматического кольца на реакции двойной связи.
Хотя и бензольное кольцо, и двойную углерод-углеродную связь можно гидрировать каталитически, условия для гидрирования двойной связи значительно мягче; выбрав соответствующие условия, можно легко прогид- рировать боковую цепь, не затрагивая ароматического кольца.
сн-сн2сн-сн2СН2СН3Н2, Ni, |25°С,110дши100 минСН2СН3Н2, Ni, |25°С,110дши100 минН2, Ni, 2О=С,2-Затпм75 МинН2, Ni, 2О=С,2-Затпм75 МинСН2СН3СН2СН3стиролстиролэтилбензолэтилбензолэтилцикпогепсанэтилцикпогепсан
сн-сн2
сн-сн2
СН2СН3
Н2, Ni, |25°С,110дши
100 мин
СН2СН3
Н2, Ni, |25°С,110дши
100 мин
Н2, Ni, 2О=С,2-Затпм
75 Мин
Н2, Ni, 2О=С,2-Затпм
75 Мин
СН2СН3
СН2СН3
стирол
стирол
этилбензол
этилбензол
этилцикпогепсан
этилцикпогепсан
В результате окисления двойной связи в мягких условиях образуется гликоль; окисление в более жестких условиях приводит к разрыву двойной углерод-углеродной связи и, как правило, дает карбоновую кислоту, в которой СООН-группа связана с бензольным кольцом.
©™=™, s ©^-у^ -^ ©соонон он
стиролгликольбензойная
кислота.
И двойная связь, и кольцо реагируют с галогенами по ионным механизмам, для которых первая стадия одна и та же: атака л-электронного облака положительно заряженным галогеном. В первую очередь галоген реагирует с двойной связью, и только после того, как боковая цепь будет пол-
ностью насыщена, происходит замещение в ядро. Следовательно, галогенированные в кольцо алкенилбензолы можно получить генерацией двойной связи после того, как галоген уже имеется в кольце, например:
С2Н$С2Н$С1>. FeCl,С1>. FeCl,^Н=СН2С1^Н=СН2С1
С2Н$
С2Н$
С1>. FeCl,
С1>. FeCl,
^Н=СН2
С1
^Н=СН2
С1
Аналогично алкенилбензолы вступают и в другие реакции присоединения, характерные для двойной углерод-углеродной связи. Теперь рассмотрим реакции сопряженных бензолов, а также влияние кольца на ориентацию и реакционную способность.
Присоединение к сопряженным алкенилбензолам- ориентация. Устойчивость бензильного карбониевого иона
В общем случае присоединение несимметричного реагента к двойной связи может привести к образованию двух продуктов. При обсуждении алкенов (разд. 6.11 и 6.17) было показано, что обычно преобладает один из продуктов, и довольно просто можно предсказать какой: независимо от того, будет ли присоединение электрофильным или свободнорадикальным, первая стадия протекает так, что образуется наиболее устойчивая частица — карбониевый ион в первом случае или свободный радикал во втором. Применимо -пи это правило для реакций алкенилбензолов?
Влияние бензольного кольца на ориентацию можно иллюстрировать простым примером присоединения НВг к 1-фенилпропену. В отсутствие перекисей бром присоединяется к атому углерода, соседнему с ядром; в присутствии перекисей бром присоединяется к углеродному атому, отделенному от кольца одним атомом углерода. Согласно механизмам, предложенным для этих реакций, два продукта образуются следующим путем:
НВг +Вг-
С6Н6СН=СНСН3 *- С6Н5СНСН2СН3 >- С6Н5СНСН2СН3 В отсутствие
Iперекисей
Вг бензильный карбониевый ион
Вг*.НВг
С6Н5СН=СНСН3 >• C6H5CHCHCHS >- С6Н5СН2СНСН3 В присутствии
||перекисей
ВгВг
бензильныйсвободный радикал
На первой стадии каждой из этих реакций образуется бензильный карбониевый ион или свободный бензильный радикал, а не альтернативный вторичный карбониевый ион или вторичный свободный радикал. Находится ли это в соответствии с правилом, что более устойчивая частица образуется быстрее?
Рассмотрение энергии диссоциации связей показало, что свободный бензильный радикал очень устойчив. Эта устойчивость была объяснена вкладом резонансных структур с участием бензольного кольца (разд. 12.19).
Что же можно сказать о бензильном карбониевом ионе? Из потенциала ионизации свободного бензильного радикала 1179 ккал (749,44* 103 Дж)] можно рассчитать (разд. 5.19), что бензильный карбониевый ион на 75 ккал
(314,ОЫО® Дж) устойчивее метильного и немного более устойчив, чем mpem-бутильный карбониевый ион. Теперь можно расширить ряд устойчивости карбониевых ионов (разд. 8.17), включив бензильный карбониевый ион
Устойчивость карбониевых иоиов: аллильный, бензильный > третичный >> вторичный > первичный > CHJ
этого вопроса: резонанса или делокализацииэтого вопроса: резонанса или делокализацииУстойчивость бензильного карбониевого иона относительно соединений, из которых он образуется, также объясняется вкладом резонансных структур с участием бензольного кольца. И карбониевый ион, и соединение, из которого он образуется, представляют собой гибриды структур Кекуле. Кроме того, карбониевый ион может быть представлен еще тремя структурами I, II и III, в которых положительный заряд делокализован на атомах углерода в орто- и пара-положениях бензольного кольца. Вклады этих структур стабилизуют карбониевый ион независимо от того, с какой точки зрения
этого вопроса: резонанса или делокализации
этого вопроса: резонанса или делокализации
подходят к рассмотрению заряда.
IIIIIIСНСН2СН$
III
III
Расположение орбиталей в бензильном карбониевом ионе аналогично их расположению в бензильном свободном радикале (разд. 12.19), за исключением того, что р-орбиталь, которая перекрывается с л-облаком, не занята. р-Орбиталь не дает электронов, но позволяет дальнейшую делокализацию электронов с участием ядер углерода боковой цепи.
Задача 12.15. В разд. 8.17 было показано, что аллильный карбониевый ион очень устойчив. В свете обсуждения, приведенного в разд. 12.18 и в настоящем разделе, объясните его устойчивость.
Задача 12.16. а) Постулировано, что относительная устойчивость алкильных карбониевых ионов определяется не только индуктивными эффектами, но так же, как н для бензильного иона, стабилизацией вследствие резонанса. В свете обсуждения, приведенного в разд. 12.20 н в настоящем разделе, объясните следующий порядок устойчивости ионов: mpem-бутильный > изопропильный > этильный > метильный? б) Альтернативно объясните порядок устойчивости на основе гибридизации связей, как в задаче 12.11 (стр. 381).
Задача 12.17. Как вы объясните следующие факты? а) Трифенилхлорметан полностью ионизован в некоторых растворителях (например, в жидкой SO2). б) Трифенилкарбинол (СвН6)8СОН растворяется в концентрированной H2SO4 с образованием раствора, который имеет интенсивную желтую окраску, такую же, как растворы трифенилхлорметана. (Замечание: эта окраска отлична от цвета растворов гексафенилэтана.)
Задача 12.18. Можете ли вы предложить другую причину, кроме стерических препятствий, для объяснения, почему реакция СС14 с бензолом останавливается на стадии образования трифенилхлорметана (см. разд. 12.6 и задачу 12.17)?
Присоединение к сопряженным алкенилбензолам: реакционная способность
Можно ожидать, исходя из устойчивости образующейся частицы, что присоединение к сопряженному алкенилбензолу, приводящее к устойчивому бензильному карбониевому иону или свободному радикалу, будет протекать быстрее, чем присоединение к простому алкену.
С другой стороны, в разд. 12.22 было показано, что сопряженные алке- нилбензолы более устойчивы, чем простые алкены. Только на этом основании можно ожидать, что присоединение к сопряженным алкенилбензолам будет протекать медленнее, чем к простым алкенам.
Положение аналогично обсужденному для присоединения к сопряженным диенам (разд. 8.20). И исходное вещество, и переходное состояние стабилизуются вследствие резонанса; протекает ли реакция быстрее или медленнее, чем для простых алкенов, зависит от того, какое из этих соединений стабилизовано сильнее (рис. 8.7, стр. 252).
В действительности сопряженные алкенилбензолы значительно более реакционноспособны, чем простые алкены по отношению как к ионному, так и к свободнорадикальному присоединению. В этом случае, как и в большинстве подобных, резонансная стабилизация переходного состояния, приводящая к карбониевому иону или свободному радикалу, имеет большее значение, чем резонансная стабилизация исходного вещества. Однако следует помнить, что это не всегда так.
Задача 12.19. Нарисуйте диаграмму изменения потенциальной энергии в процессе реакции аналогично рис. 8.7 (стр. 252), чтобы суммировать все сказанное в этом разделе.
Задача 12.20. Укажите одну из возможных причин, по которой тетрафенилэтилен не реагирует с бромом в четыреххлористом углероде.
Полимеризация стирола
С промышленной точки зрения наиболее важным использованием алке- нилбензолов несомненно является свободнорадикальное присоединение: полимеризация стирола.
При полимеризации самого стирола образуется полистирол — важный пластик, используемый в качестве электроизоляционного материала.
лерекисылерекисыстиролстиролполистиролполистирол
лерекисы
лерекисы
стирол
стирол
полистирол
полистирол
Сополимеризация с бутадиеном-1,3 приводит к бутадиенстирольному каучуку (разд. 8.23).
Поскольку стирол представляет собой сопряженный алкенилбензол, он очень активен в реакциях свободнорадикального присоединения; полимеризация на воздухе протекает настолько быстро, что стирол можно сохранить в виде мономера только при добавлении небольшого количества определенных стабилизаторов.
Задача 12.21. а) Как может относительно небольшое количество стабилизатора препятствовать полимеризации такого большого количества стирола? б) В качестве стабилизаторов используют гидрохинон и дифениламин-, является ли совпадением то, что эти же соединения служат ингибиторами при присоединении НВг к алкенам (разд. 6.7)?
Алкинилбензолы
Получение и свойства алкинилбензолов соответствуют ожидаемым на основании свойств бензола и алкинов.
Задача 12.22. Напишите схему превращения: а) этилбензола в фенилацетилен и б) транс- 1-фенилпропена в 1(цс-1-фенилпропен.
Анализ алкилбензолов
Ароматические углеводороды с насыщенной боковой цепью отличаются от алкенов тем, что они не обесцвечивают ни раствора брома в четыреххлористом углероде (без выделения бромистого водорода), ни холодного разбавленного нейтрального раствора перманганата калия (окисление боковой цепи требует более жестких условий; разд. 12.11.)
От алкаиов они отличаются тем, что легко сульфируются и, таким образом, растворяются в холодной дымящей серной кислоте (разд. 12.13).
От спиртов и других кислородсодержащих соединений алкилбензолы отличаются тем, что они не сразу растворяются в холодной концентрированной серной кислоте, а от первичных и вторичных спиртов тем, что не дают положительной пробы с хромовым ангидридом (разд. 6.23).
При действии хлороформа и хлористого алюминия алкилбензолы дают окрашивание от оранжевого до красного. Такая окраска возникает в результате образования триарилметильных карбониевых ионов Аг3С+, которые, вероятно, получаются в результате реакции Фриделя — Крафтса с последующим переносом гидрид-иона (разд. 6.16).
CHCls, А1С13АгН, А1С!3АгН, Aids
АгН>. АгСНС12 > Аг2СНС1 > Аг3СН
А|С13
Аг2СНС1 >- Аг2СН+А1С17 —.
>- Лг2СН2 + Аг3С+А1С17
Ar3CH — I
окраска от оран-жевой до красной
Эта проба положительна для любого ароматического соединения, вступающего в реакцию Фриделя — Крафтса, причем для определенной ароматической системы характерна своя окраска: от оранжевой до красной для гало- генбензолов, голубая для нафталина, пурпурная для фенантрена, зеленая для антрацена (гл. 35).
Задача 12.23. Опишите простые химические реакции (если такие имеются), при помощи которых можно различить следующие соединения: а) н-пропилбензол и о-хлортолуол; б) бензол и толуол; в) л-хлортолуол и л-дихлорбензол; г) бромбензол и бромцнклогек- сан; д) бромбензол и 3-бромгексен-1; е) этилбензол и бензиловый спирт СвН6СН2ОН. Что вы будете делать и наблюдать*
Положение и число боковых цепей в алкилбензоле можно определить окислением его в жестких условиях до соответствующей карбоновой кислоты (разд. 12.11).
Задача 12.24. На основании характерных реакций и физических свойств было высказано предположение, что неизвестное соединение с т. кип. 182 °C является или л-диэтилбен- золом, или н-бутилбензолом. Как можно различить эти два соединения?
(Анализ алкилбензолов спектральными методами обсуждается в разд. 13.16—13.18.)
12.29. Анализ алкенил- и алкинилбензолов
Ароматические углеводороды с ненасыщенными боковыми цепями вступают в реакции, характерные для ароматического кольца и двойной или тройной углерод-углеродной связи. (Их анализ спектральными методами обсуждается в разд. 13.16—13.18.)
Задача 12.25. Как будет реагировать аллилбензол со следующими реагентами: а) холодной концентрированной серной кислотой; б) Вг2 в СС14; в) холодным разбавленным нейтральным раствором перманганата калия; г) СНС13 и А1С1а; д) СгО3 и H2SO4.
Задача 12.26. Опишите простые химические реакции (если такие имеются), с помощью которых можно различить следующие соединения: а) стирол и этилбензол; б) стирол и фенилацетилен; в) аллилбензол и нонен-1; г) аллилбензол и аллиловый спирт СН2=СН—СН2ОН. Что вы будете делать и наблюдать?
ЗАДАЧИ
1. Напишите структурные формулы следующих соединений:
а) б) в) г) д) е)
л-ксилола, мезитилеиа, о-этилтолуола, п-ди-трет-бутилбензола, циклогексилбензола, 3-фенилпентана,
ж) изопропилбензола (кумола),
з)
транс-стильбена,
и) 1,4-дифенилбутадиена-1,3,
к)
п-дибензилбензола.
л) ^-бромстирола, м) дифенилацетилена.
2. Напишите схему синтеза этилбензола из следующих соединений, используя любые
необходимые алифатические соединения или неорганические реактивы: д) Р-фенилэтиловый спирт
бензол,
стирол,
фенилацетилен,
а-фенилэтиловый спирт . С6Н5СНОНСН3,
С6Н5СН2СН2ОН, е) 1-хлор-1-фенилэтан, ж) 2-хлор-1-феиилэтаи, з) п-бромэтилбензол, и) ацетофенон СвН5СОСН3.
3. Напишите структурные формулы и назовите основные органические соединения, которые получаются при реакции (если она идет) н-пропилбеизола с перечисленными ниже
реагентами. Если возможно образование будет преобладать.
более чем одного продукта, укажите, какой
а)
б) в)
г) Д) е)
Н2, Ni, комнатная температура, низкое давление;
Н2, Ni, 200 °C, 100 ат;
холодный разбавленный раствор перманганата калия;
горячий КМпО4;
К2Сг2О-, H2SO4, нагревание; кипящий NaOH (водный);
л) Cl2, Fe;
м) Br2, Fe;
н) I2, Fe;
Вг2, нагревание, освещение;
п) СН3С1, А1С13, 0 °C;
CgHsCHgCl, А1С13, 0 ₽С (замечание:
кипящая НС1 (водная);
металлический Na;
HNO3, H2SO4;
H2SO4, SO3;
4. Напишите структурные формулы и
с) т)
У)
Ф)
бензилгалогеиид не является арил- галогенидом);
С6Н5С1, А1С13, 80 °C;
изобутилен, HF;
/ирет-бутиловый спирт, H2SO4;
циклогексен, HF.
назовите основные органические соединения,
которые получаются при реакции (если она идет) транс-Ьфенилпропена-1 со следующими реагентами:
а)
б) в) г) д) е)
Н2, Ni, комнатная температура, низкое давление;
H2, Ni, 200 °C, 100 атм;
Вг2 в СС14;
избыток Вг2, Fe;
НС1;
НВг;
НВг (перекиси);
холодная конц. H2SO4;
и) к) л) м) Н) О) П) р)
Вг2, Н2О;
холодный разбавленный КМпО4;
горячий КМпО4;
НСОООН;
О3, затем H2O/Zn;
Вг2, 300 РС;
СНВг3, трет-С4Н9ОК; продукт (в) и КОН (спирт.).
Б. Напишите структурные формулы и назовите основные органические соединения, которые образуются в результате следующих реакций:
бензол + циклогексен + HF;
фенилацетилен + спиртовый раствор AgNOg;
л-нитробеизилхлорид + K2Cr2O7 + H2SO4 + нагревание;
аллилбензол + НС1;
л-хлортолуол + горячий раствор КМпО4;
эвгенол (СМН12О2, 2-метокси-4-аллилфеиол) + горячий КОН» изоэвеенол (С10Н12О2);
хлористый беизил + Mg + сухой эфир;
продукт реакции (ж) + Н2О;
л-ксилол + Вг2 + Fe;
1-феиилбутадиеи-1,3 + 1 моль Н2 + Ni, 2 атм, 30 °C;
транс-стильбеи + О3, затем H2O/Zn;
м) 1,3-дифенилпропии + Н2, Pd» С1ВН14;
н) 1,3-дифенилпропин + Li, NHg (жидк.)> С1ВН14;
о) л-СНаОСеН4СН=СНСвНв + НВг.
При обработке бензилового спирта (СеНвСН2ОН) холодной концентрированной серной кислотой образуется высококипящее резиноподобное вещество. Какова возможная структура этого вещества и как оио образуется?
Толуол можно окислить до бензойной кислоты действием 25%-ной азотной кислоты. Почему не рекомендуется использовать концентрированную (70%-ную) азотиую кислоту вместо 25%-ной?„
Расположите атомы водородов в следующих соединениях в порядке ожидаемой легкости отщепления атомами брома. Обозначьте цифрой 1 наиболее реакционноспособный, цифрой 2 следующий и т. д.
1-Феиилгексеи-2;
СН3@СН2@СН2СН2СН3
1,2,4-триметилбензол (см. задачу 12.10).
К какому конечному моиобромпроизводному продукту или продуктам приведет отщепление водорода каждого типа в вопросе (а)?
Напишите структурные формулы и назовите продукты, получающиеся при дегидрогалогенировании каждого из приведенных ниже соединений. Если возможно образование более одного соединения, укажите, какое будет преобладать?
1-хлор-1-феиилбутан,в) 2-хлор-2-фенилбутан,
1-хлор-2-феиилбутан,г) 2-хлор-1-феиилбутаи,
д) З-хлор-2-фенилбутан.
Ответьте на вопросы задачи 9 для дегидратации спиртов, соответствующих каждому галогениду. (Указание: не забывайте разд. 5.21.)
Расположите в порядке легкости дегидратации следующие спирты: а) спирты из задачи 10; б) CeHBCH2CH2OH, CeHBCHOHCH„ (C6HB)2C(OH)CHS.
Расположите соединения в каждой группе в порядке изменения реакционной способности в следующих реакциях: а) присоединение НС1 к стиролу, л-хлорстиролу или л-метилстиролу; б) дегидратация а-фенилэтилового спирта (СеНвСНОНСН<>), а-(л-нит- рофенил)этилового спирта или а-(л-аминофеиил)этилового спирта.
а) Напишите структурные формулы всех возможных продуктов присоединения I моля Вг2 к 1-фенилбутадиену-1,3. б) Какой из возможных продуктов находится в соответствии с образованием наиболее устойчивого промежуточного карбониевого иона? В действительности образуется только 1-фенил-3,4-дибромбутеи-1. Объясните этот факт. 14. а) Теплоты гидрирования стереоизомерных стильбенов составляют 26,3 ккал (110,11- 10s Дж) для цыс-изомера и 20,6 ккал (86,25- 103 Дж) для транс-изомера. Какой изомер более устойчив? б) цис-Стильбеи превращается в транс-стильбен (ио ие наоборот) либо при действии очень небольшого количества Вг2 при освещении, либо при действии очень небольшого количества НВг (но ие НС1) в присутствии перекисей. Какой реагент вероятнее всего вызывает превращение? Предложите схему превращения, в) Почему транс-стильбеи ие превращается в цис-стильбен?
Добавление 1 моля трифеиилкарбииола понижает температуру замерзания 100 г 100%-ной серной кислоты на величину, вдвое большую, чем 1 моль метилового спирта. Как это объяснить?
При облучении смеси толуола и СВгС13 ультрафиолетовым светом образуются бен- зилбромид и СНС13 почти в эквимолярных количествах, а) Укажите подробно все стадии наиболее вероятного механизма этой реакции, б) В небольших количествах получены также НВг и С2С1е; отношение СНС13 к НВг было 20 : 1. Как вы объясните образование НВг? С2С1в? Какую информацию о реакции дает вам соотношение 20 : 1? в) При проведении реакции с рядом л-замещенных толуолов XCeH4CHg был получен следующий ряд реакционной способности: X = СН3О > СН3 > Н > Вг. Объясните этот порядок изменения реакционной способности._
При анализе продукта реакции бензола с додеценом-1 в присутствии HF, который раньше считали чистым 2-фенилдодеканом, методом газовой хроматографии было полу-
чено пять равномерно расположенных пиков примерно одинаковой величины, указывающих на присутствие пяти соединений, вероятно близких по структуре. Какие пять соединений вероятнее всего входят в состав смеси и как вы можете объяснить их образование?
На основании теоретических соображений принято, что первичный изотопный эффект будет наибольшим, если в переходном состоянии разрыв старой связи и образование новой прошли в равной степени, а) При свободнорадикальном галогенировании боковой цепи толуола йнЛо равно около 2 для хлорирования и около 5 для бромирования. Возможны два объяснения этих фактов. Какие? б) В свете изложенного в разд. 2.25 какое объяснение наиболее вероятно?
Углеводород [л-(СвН5)2ССвН4—]2, по-видимому, существует целиком в виде дирадикала (т. е. имеет два неспаренных электрона), а) Нарисуйте его структуру. Где находятся иеспареиные электроны?
Изомерный углеводород [п-(СвНв)2ССвН4—]2 только в небольшой степени существует в виде дирадикала, б) Объясните различие между этими двумя соединениями.
Предложите схемы синтеза приведенных ниже соединений из бензола и (или) толуола, используя необходимые алифатические соединения и неорганические реагенты. Вспомните сказанное на стр. 210. Считайте, что пара-изомер можно выделить из смеси орто- и пара-изомеров.
этилбензол,стирол,фенилацетилеи,изопропилбензол,2-феиилпропеи,3-фенилпропен (аллилбензол)1-фенилпропеи (два пути),транс- 1-фенилпропен,цис- 1-фенилпропен,этилбензол,стирол,фенилацетилеи,изопропилбензол,2-феиилпропеи,3-фенилпропен (аллилбензол)1-фенилпропеи (два пути),транс- 1-фенилпропен,цис- 1-фенилпропен,к) n-mpem-бутилтолуол, л) п-иитростирол, м) п-бромбензилбромид, н) п-нитробензилиденбромид, о) n-бромбеизойная кислота, п) л-бромбензойная кислота, р) 1,2-дифенилэтан, с) п-иитродифенилметан
этилбензол,
стирол,
фенилацетилеи,
изопропилбензол,
2-феиилпропеи,
3-фенилпропен (аллилбензол)
1-фенилпропеи (два пути),
транс- 1-фенилпропен,
цис- 1-фенилпропен,
этилбензол,
стирол,
фенилацетилеи,
изопропилбензол,
2-феиилпропеи,
3-фенилпропен (аллилбензол)
1-фенилпропеи (два пути),
транс- 1-фенилпропен,
цис- 1-фенилпропен,
(п-О2КСвН4СН2СвН6) [см. задачу 3(р)].
Опишите простые химические реакции, с помощью которых можно различить: а) бензол и циклогексан; б) бензол и гексен-1; в) толуол и н-гептан; г) циклогексилбензол и 1-фенилциклогексен; д) бензиловый спирт (С6НВСН2ОН) и н-пеитилбензол: е) коричный спирт (СВНВСН=СНСН2ОН) и З-фенилпропанол-1 (СВНВСН2СН2ОН); ж) хлорбензол и этилбензол; з) нитробензол и л-дибромбензол; и) гексафенилэтан и/трифенилметан. 22. Какими химическими методами (не обязательно простыми реакциями) можно различить следующие соединения (используйте данные табл. 18.1, стр. 552, и табл. 29.1, стр. 861): а) три изомерных триметилбеизола; б) 1-фенилпропеи, 2-фенилпропен и 3-фепилпропеи (аллилбензол); в) все алкилбензолы, имеющие формулу QHl2; г) м-хлор- толуол и хлористый беизил; д) n-дивинилбензол [п-СвН4(СН=СН2)2] и 1-феиил- бутадиен-1,3; е) С6Н5СНС1СН3, п-СНдС6Н4СН2С1 и п-С1С6Н4С2Нв.
Предполагается, что неизвестное соединение является одним из перечисленных ниже. Как вы определите, каким именно? Где возможно, используйте простые химические реакции; где необходимо, примените более тонкие химические методы, например количественное гидрирование, расщепление и т. п. Где возможно, используйте данные табл. 18.1, стр. 552, и табл. 29.1, стр. 861.
Соединение
Т. кип., °C
Соединение
Т. кип., °C
Бромбепзол
156
п-Хлортолуол
162
З-Фенилпропен
157
о-Этилтолуол
162
м-Этилтолуол
158
п-Этилтолуол
163
н-Пропилбеизол
159
Мезитилеп
165
о-Хлортолуол л-Хлортолуол
159
162
2-Фенилпропен
165
Жидкое вещество, нерастворимое в воде или концеитрироваиной H2SO4, но растворимое в дымящей серной кислоте, дает отрицательные пробы с разбавленным КМпО4 и Вг2/СС14. Анализ показал, что оно содержит 90,5% С и 9,5% Н. Обработка КМпО4 в жестких условиях приводит к твердому соединению, содержащему, согласно анализу, 68,8% С и 5,0% Н. Каково строение исходного соединения?
Соединение А (С14Н12) быстро обесцвечивает раствор Вг2 в СС14 и выделяет МпО2 из холодного разбавленного нейтрального раствора КМпО4. Легко поглощает только 1 моль водорода. При окислении в жестких условиях соединение А образует бензойную кислоту в качестве единственного углеродсодержащего продукта.
а) Что представляет собой соединение А? б) Какая структурная особенность еще не выяснена?
Br2/CCl4Н2, Pd
<”А Т.^'^ Б |С-Н"> —” в «W
не идентично А
Н2, N1
- н-№ г^ Л Nl_
Каковы структуры соединений А, Б, В и Г?
Инден QH8, обнаруженный в каменноугольной смоле, быстро обесцвечивает Вг2/СС14 и разбавленный КМпО4. Легко поглощает только 1 моль водорода с образованием индана С9Н10. Гидрирование в более жестких условиях приводит к соединению, имеющему формулу СрН1е. Окисление индена в жестких условиях приводит к фталевой кислоте. Какова структура индена? Индана? (См. задачу 9.17, стр. 296.)
Раствор 0,01 моля трет-бутилперекиси в избытке этилбензола облучали ультрафиолетовым светом в течение нескольких часов. Анализ продукта методом газовой хроматографии показал наличие примерно 0,02 моля mpem-бутилового спирта. После испарения спирта и непрореагировавшего этилбензола остался твердый остаток, из которого хроматографически выделили два вещества: X (1 г) и Y (1 г). Соединения X и Y имеют эмпирическую формулу С8Нд и молекулярный вес примерно 210; оба вещества инертны по отношению к холодному разбавленному раствору КМпО4 и Вг2/СС14.
Если этилбензол заменить изопропилбензолом, то получаются те же результаты, за исключением того, что вместо X и Y выделяют одно соединение Z (2,2 г). Оно имеет эмпирическую формулу СдНи и молекулярный вес около 238 и не реагирует с холодным разбавленным раствором КМпО4 и Вг2/СС14.
Каковы наиболее вероятные структуры X, Y и Z и каков наиболее вероятный механизм их образования?
1313Спектроскопия и строение органических соединений
13
13
Установление строения: спектральные методы
В разд. 4.36 уже говорилось о том, что предпринимает химик-органик при получении неизвестного соединения, когда он должен ответить на вопрос: что это такое? Были рассмотрены некоторые возможные пути установления строения: определение молекулярного веса и молекулярной формулы; установление наличия или отсутствия определенных функциональных групп; расщепление на более простые соединения; превращение в производные; синтез при помощи другого метода, однозначность которого не вызывает сомнений.
На каждой стадии определения структуры — от выделения и очистки неизвестного вещества до его окончательного сравнения с известным образцом — введение в практику очень сложных приборов за период, прошедший после второй мировой войны, произвело революцию в органической химии.
Приборы не только помогают химику-органику работать быстрее, а что гораздо важнее, они расширяют его возможности, позволяя анализировать сложные смеси очень близких соединений; описывать структуру молекул так подробно, как нельзя было даже представить; наблюдать, идентифицировать и измерять концентрацию короткоживущих промежуточных соединений, существование которых не так давно лишь предполагалось.
К настоящему моменту студент уже изучил некоторые разделы органической химии и не запутается среди уже известных органических соединений. Теперь его можно познакомить с тем, как интерпретировать информацию, которую получают с помощью этих современных приборов. Наиболее важными приборами для химика-органика при определении молекулярной структуры являются спектрометры, с помощью которых измеряют спектры. Из различных типов спектров мы пока будем использовать только два: инфракрасные спектры (ИК-спектры) и спектры ядерного магнитного резонанса (ЯМР-спектры), поскольку в настоящее время именно они наиболее широко используются в лаборатории органической химии; из этих двух методов больше внимания будет уделено ЯМР-спектрам. Будет дано также представление и о других видах спектров: масс-спектрах, ультрафиолетовых спектрах (УФ-спектры) и спектрах электронного парамагнитного резонанса (ЭПР-спектры).
При этом следует помнить, что основы методов даны в упрощенном виде. Существует много исключений из приведенных обобщений. Кроме того, возможность применения спектральных методов для определения структуры органического соединения ограничена нашим знанием органической химии в целом, и здесь мы, конечно, пока только начинающие.
Сначала рассмотрим масс-спектры, а затем уже остальные. Все они являются частями — участками с различными длинами волн — электромагнитного спектра излучения.
Масс-спектры
В масс-спектрометре молекулы бомбардируют пучком электронов средних энергий. При этом молекулы ионизуются и распадаются на ряд фрагментов (осколков), некоторые из которых являются положительно заряженными ионами. Каждый тип ионов имеет определенное отношение массы к заряду, или величину mle. Для большинства ионов заряд равен 1, т. е т!е является просто массой иона. Так, например, для неопентана
СНа
I
СН8-С-СНа
СН8
к
2в~+(С5Н12)- т/е = 72
молекуляр-
ный ион
I I(С2НБ)+(CgH8)+ и другие292738,515,7I I(С2НБ)+(CgH8)+ и другие292738,515,7I I
I I
(С2НБ)+(CgH8)+ и другие
2927
38,515,7
I I
(С2НБ)+(CgH8)+ и другие
2927
38,515,7
(C4He)+(CSH6)+
m]e 5741
Относительная
интенсивность 10041,5
Основной пик
При анализе получаемой смеси положительно заряженных ионов каждому иону в масс-спектре отвечает отдельный пик, который соответствует величине m/е иона и интенсивность которого характеризует относительное количество иона, дающего сигнал. Наиболее интенсивный пик называется основным пиком; его интенсивность принимают за 100, а интенсивности остальных пиков выражают относительно него. Данные масс-спектрального анализа обычно приводятся в виде графика или таблицы, в которой указываются относительные интенсивности сигналов для различных величин mle; такая таблица называется масс-спектром, и он очень характерен для каждого конкретного соединения. Сравните, например, спектры двух изомерных алканов С8Н18, приведенные на рис. 13.1.
Масс-спектры можно использовать для доказательства идентичности двух соединений и для установления строения нового вещества.
Два соединения можно считать идентичными, если они имеют одинаковые физические свойства: температуры плавления и кипения, показатель преломления и т. п. Чем больше измерено физических свойств, тем убедительнее доказательство. Один масс-спектр равноценен измерению многих физических свойств, поскольку он указывает относительные количества большого числа различных фрагментов. Если измерен масс-спектр неизвестного соединения и если он идентичен спектру ранее описанного соединения с известной структурой, то можно сделать совершенно определенный вывод, что эти два соединения идентичны.
Масс-спектр помогает установить строение нового соединения: из данных масс-спектра можно определить точный молекулярный вес; можно получить молекулярную формулу или, по крайней мере, ограничить выбор несколькими; можно установить наличие в молекуле определенных групп.
Рис. 13.1. Масс-спектры н-октана (Л) и 2,2,4-триметилпентана (Б).
Если из исходной молекулы удалить один электрон, то образуется молекулярный ион (родоначальный ион), значение m/е для которого даег молекулярный вес соединения
М + е- >- М+ + 2е~
молекуляр-ный ион(родоначаль-ный ион),m/е = молекулярный вес
Иногда пик М+ является основным пиком, и его легко узнать. Однако часто это не основной пик и его интенсивность даже очень мала: такой пик обнаружить довольно трудно. Идентификация молекулярного пика позволяет получить наиболее точное значение молекулярного веса.
Можно было бы предположить, что пик М+ должен быть пиком с наибольшей величиной т/е. Однако это не так. Большинство элементов встречается в природе в виде нескольких изотопов; обычно преимущественно преобладает наиболее легкий, а более тяжелые встречаются в меньшем количестве. В табл. 13.1 приведены относительные количества некоторых тяжелых изотопов. Молекулярный вес, который обычно измеряют и который используют при работе, представляет собой сумму средних атомных весов элементов и отражает присутствие этих тяжелых изотопов. Однако это не
так при определении молекулярного веса по данным масс-спектра: пик М+ отвечает молекулам, содержащим только наиболее распространенный изотоп каждого элемента.
Рассмотрим, например, бензол. Пик М+, title 78, обусловлен только ионами с формулой С6Нб- Существует пик с пг/е 79, пик (М 4- 1), который
Тяжелый изотопСодержание относительно изотопа с наименьшим атомным весом, %=н0,01513С1,П1BN0,3718О0,20зз50,7834S4,4S7C132,581Вг98,0Тяжелый изотопСодержание относительно изотопа с наименьшим атомным весом, %=н0,01513С1,П1BN0,3718О0,20зз50,7834S4,4S7C132,581Вг98,0можно рассчитать дляможно рассчитать дляТоб лица 13.1Тоб лица 13.1Содержание некоторых тяжелых изотоповСодержание некоторых тяжелых изотоповвызванСБ13СНб hC6H5D+. Существует пик (М 4-2) с title 80, обусловленный С413С2Нв, СБ13СН5О+ и С6Н40г- Вследствие низкого природного содержания большинства тяжелых изотопов эти изотопные пики обычно значительно менее интенсивны, чем пик М+; интенсивность этих пиков зависит от природного содержания изотопов данного элемента. В случае бензола интенсивности пиков (М 4- 1) и (М -Ь 2) составляют соответственно 6,58 и 0,18% от интенсивности пика М+. [Из данных табл. 13.1 видно, что моно- хлорсоединение будет иметь пик (М 4- 2), интенсивность которого составляет одну треть от интенсивности пика М+; монобромсоединение будет иметь пики М+ и (М 4- 2) примерно равной интенсивности.)
Тяжелый изотоп
Содержание относительно изотопа с наименьшим атомным весом, %
=н
0,015
13С
1,П
1BN
0,37
18О
0,20
зз5
0,78
34S
4,4
S7C1
32,5
81Вг
98,0
Тяжелый изотоп
Содержание относительно изотопа с наименьшим атомным весом, %
=н
0,015
13С
1,П
1BN
0,37
18О
0,20
зз5
0,78
34S
4,4
S7C1
32,5
81Вг
98,0
можно рассчитать для
можно рассчитать для
Тоб лица 13.1
Тоб лица 13.1
Содержание некоторых тяжелых изотопов
Содержание некоторых тяжелых изотопов
Именно эти изотопные пики позволяют определить молекулярную формулу соединения.Зная относительное содержание изотопов в природе, любой молекулярной формулы относительную ин-
тенсивность для каждого из ожидаемых изотопных пиков: (М + 1), (М +2) и т. д. Результаты таких расчетов сведены в таблицы. Например, рассмот-
Таблица 13.2
Рассчитанные интенсивности изотопных пиков
Соединения
м
М + 1
М + 2
Соединения
м
М + 1
М + 2
n2o
100
0,80
0,20
С2Н4О
100
1,91
0,01
со2
100
1,16
0,40
с3н8
100
3,37
0,04
рим соединение, для которого М+ составляет 44. Это может быть (не считая других, менее вероятных) N2O, СО2, С2Н4О или С3Н8. Используя таблицу 13.2, можно выбрать наиболее вероятную формулу по данным масс-спектра.
Обычно изучение начинают с соединений известного строения для того, чтобы выяснить, какие же факторы обусловливают наиболее вероятное фрагментирование определенной структуры. При этом оказывается, что многое уже известно: предпочтительное образование наиболее устойчивых карбониевых ионов; элиминирование небольших устойчивых молекул, таких, как вода, аммиак и двуокись углерода. При использовании электронов довольно высокой энергии может происходить перегруппировка, затрудняющая интерпретацию, но и здесь установлены определенные пути перегруппировок. Перегруппировки, как правило, протекают в сторону образования более устойчивых ионов. По мере накопления экспериментальных данных становится возможным обратный процесс: по типу фрагментации неизвестного соединения сделать вывод о его структуре.
Более подробно масс-спектры различных типов соединений обсуждаются в следующих главах (например, углеводородов в разд. 13.16).
Задача 13.1. а) Каковы наиболее вероятные структуры для ионов C4Hj, С3Н® С2Н4, С2Нд, образующихся при фрагментации неопентана (стр. 397). б) Напишите уравнение образования С4Н3 из молекулярного иона СБН^2.
Электромагнитный спектр
Мы уже знакомы с различными типами электромагнитного излучения свет — видимый, ультрафиолетовый, инфракрасный, рентгеновские лучи и радиоволны различной длины. Это только часть широкого спектра от гамма-лучей, длины волн которых измеряются долями единиц Ангстрема, до радиоволн, длины волн которых измеряются в метрах и даже километрах. Все эти волны имеют одинаковую скорость распространения 3*1010 см/с. Их частота связана с длиной волны следующим соотношением:
v = с/Х,
где v — частота, Гц; X — длина волны, см; с — скорость 3 -1010 см/с. Чем меньше длина волны, тем больше частота.
Когда пучок электромагнитных волн встречается с веществом, он может либо проходить, либо поглощаться в зависимости от его частоты и от строения молекул вещества. Электромагнитное излучение является энергией, и, следовательно, при поглощении молекула приобретает энергию. Количество приобретенной энергии зависит от частоты излучения: чем выше частота (чем меньше длина волны), тем больше прирост энергии
ЕЕ = hN,
где ^E — прирост энергии, эрг; h — константа Планка 6,5-10~27 эрг-с; v — частота, Гц.
Таким образом, энергия, поглощенная молекулой, может вызвать колебания или вращение атомов в молекуле или переход электронов на более высокие энергетические уровни. Частота излучения, при которой данная молекула способна поглощать, зависит от изменений в колебательных или вращательных электронных состояниях, которые разрешены для молекулы данного строения. Спектр соединения представляет собой график, показывающий, какая часть электромагнитного излучения поглощается (или пропускается) при каждой частоте. Он может характеризовать строение соединения.
Инфракрасный спектр
Из всех свойств органических соединений ИК-спектр дает наибольшую информацию о структуре соединения.
Молекула постоянно колеблется: ее связи растягиваются (и сокращаются) и, кроме того, изгибаются относительно друг друга. Изменения колебаний молекул вызываются поглощением в инфракрасной области, лежащей за пределами (более низкая частота, более длинные волны, меньшая энергия) красного конца видимого спектра.
Для указания положения полос поглощения в инфракрасной области используют длину волны или чаще частоту. Длину волны выражают в микронах (1 мкм — 10“4 см, или 104 А). Частоту выражают не в герцах, а в вол-
Частота, см-1Частота, см-1г 345676910 Н 12431415Длина волны, мкмг 345676910 Н 12431415Длина волны, мкмЧастота, см-15000 4000 3000 250020001500 14001300 1200 41001000900800700Частота, см-15000 4000 3000 250020001500 14001300 1200 41001000900800700Длина волны, мкмДлина волны, мкмЧастота, см-1Частота, см-1Длина волны, мкмДлина волны, мкмРис. 13.2. Инфракрасные спектры.Рис. 13.2. Инфракрасные спектры.Л — октен; Б — иэопропнлброыид, В — м-пропилбензол. Обозначение колебаний.- вал. — валентные; деф — деформационные; плоек, деф. — плоскостные деформационные, внеплоск. деф. — внеплоскостные д:форма- хвонные.
Частота, см-1
Частота, см-1
г 345676910 Н 12431415
Длина волны, мкм
г 345676910 Н 12431415
Длина волны, мкм
Частота, см-1
5000 4000 3000 250020001500 14001300 1200 41001000900800700
Частота, см-1
5000 4000 3000 250020001500 14001300 1200 41001000900800700
Длина волны, мкм
Длина волны, мкм
Частота, см-1
Частота, см-1
Длина волны, мкм
Длина волны, мкм
Рис. 13.2. Инфракрасные спектры.
Рис. 13.2. Инфракрасные спектры.
новых числах (см"1), часто называемых обратными сантиметрами; волновое число — это число волн, укладывающихся в 1 см, и оно представляет собой величину, обратную длине волны в сантиметрах.
Как и масс-спектр, инфракрасный спектр обычно характерен для данного органического соединения (см., например, спектры на рис. 13.2), и его можно использовать как для установления идентичности двух соединений, так и для определения строения нового соединения.
Два вещества, имеющие одинаковые инфракрасные спектры, идентичны в тысячах различных физических свойств — поглощении света при тысячах различных частот — и совершенно определенно должны быть одним и тем же соединением. (Одну из областей инфракрасного спектра даже называют областью «отпечатков пальцев».)
Инфракрасный спектр помогает установить строение нового соединения; он дает информацию о том, какие группировки содержатся (или отсутствуют) в молекуле. Определенная группа атомов имеет характеристическую частоту поглощения, т. е. определенная группа поглощает свет определенной частоты, и эта частота не изменяется, в каком бы соединении эта группа ни находилась. Например, НО-группа спиртов поглощает при 3200— 3600 см-1, группа С=О в кетонах — при 1710 см"1, группа C=N — при 2250 см"1, а СН3-группа — при 1450 и 1375 см-1.
Таблица 13.3
Характеристические частоты поглощения в инфракрасной области
Связь
Тип соединения
Частота, см 1
Раздел
с-н
Алканы
2850—2960
1350—1470
13.17
с-н
Алкены
3020—3080 (ср.) 675—1000
13.17
с—н
Арены
3000—3100 (ср.) 675—870
13.17
с—н
Алкины
3300
13.17
с=с
Алкены
1640—1680 (перем.)
13.17
с=с
Алкины
2100—2260 (перем.)
13.17
Арены
1500, 1600 (перем.)
13.17
С—О
Спирты, простые эфиры, карбоновые кислоты, сложные эфиры
1080—1300
16.12, 18.21, 20.28
с=о
Альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты
1690—1760
19.20, 18.21, 20.28
о—н
Мономерные спирты, фенолы
3610—3640 (перем.)
16.12, 25.23
Спирты с ОН-группой, соединенной водородной связью, фенолы
3200—3600 (широкая)
16.12, 25.23
Карбоновые кислоты
2500—3000 (широкая)
18.21
N—Н
Амины
3300—3500 (ср.)
23.15
С—N
Амины
1180—1360
23.15
C=N
—NO,
Нитрилы
Нитросоединения
2210—2260 (перем.)
1515—1560
1345—1385
а Все полосы, если не указано, сильные; ср. — средней интенсивности, перем. — переменной интенсивности.
26-25 6
Интерпретировать инфракрасный спектр не так просто. Отдельные полосы могут маскироваться в результате перекрывания с другими полосами. При частоте, вдвое большей частоты основной полосы, могут проявляться обертоны (гармоники). Полоса поглощения определенной группы может сдвинуться в результате влияния различных факторов: сопряжения, электронодонорного эффекта соседнего заместителя, углового напряжения или вандерваальсовых сил, водородной связи и вследствие этого может быть ошибочно определена как полоса совершенно иной группы. (С другой стороны, если знать, чем вызваны такие сдвиги, можно сделать определенный вывод о строении молекулы.)
Наши цели сейчас более скромны: научиться узнавать наиболее важные полосы поглощения, интерпретировать инфракрасные спектры и коррелировать их с другими данными. Мы будем использовать только незначительную часть информации, которую дает инфракрасный спектр и которую может получить из него квалифицированный химик, хорошо понимающий строение органических соединений.
В табл. 13.3 приведены характеристические частоты поглощения различных групп. Более подробно инфракрасные спектры углеводородов рассмотрены в разд. 13.17, а инфракрасные спектры других классов соединений — в следующих главах.
Ультрафиолетовый спектр
Видимая область спектра лежит между 4000 и 7500 А (400—750 нм). Непосредственно за красным концом видимого спектра (X > 750 нм) расположена инфракрасная область, которая уже рассмотрена в предыдущем разделе. Сразу же за фиолетовым концом видимого спектра (X < 400 нм) находится ультрафиолетовая область.
Ультрафиолетовые спектрометры обычно используются для измерения поглощения света в видимой и «близкой» ультрафиолетовой области, т. е, в области 200—750 нм. Этот свет имеет большие частоты (и большую энергию), чем инфракрасный, и при поглощении молекулой он вызывает изменения, которые требуют большей энергии: изменения электронных состояний.
Переход электрона на более высокий энергетический уровень может происходить между различными колебательными и вращательными подуровнями как нижнего, так и верхнего электронных состояний; в результате в ультрафиолетовой области наблюдаются широкие полосы поглощения. Если инфракрасный спектр дает много острых пиков, то типичный ультрафиолетовый спектр имеет только несколько широких полос. Можно описать такой спектр при помощи положения вершины полосы (Хмакс) и интенсивности этого поглощения (емаКС, коэффициент экстинкции).
Когда говорят, что молекула перешла на более высокий энергетический уровень, то подразумевают, что электрон переместился с одной орбитали на другую, энергия которой выше. Это может быть электрон любого типа: а-электрон, л-электрон или «-электрон (несвязывающий электрон, т. е. один из свободной пары).
cr-Электрон удерживается прочнее, и требуется большое количество энергии для его возбуждения. Эта энергия соответствует ультрафиолетовому свету с небольшой длиной волны в далекой ультрафиолетовой области, т. е. вне области, доступной для обычного спектрометра. В (близкой) ультрафиолетовой области спектра проявляются в основном возбуждения сравнительно слабо удерживаемых п- и л-электронов, и эти электроны переходят только на низшие свободные уровни.
Для химика-органика наиболее важны два следующих электронных перехода: и -> л*, при котором электрон свободной пары переходит на неустойчивую (разрыхляющую) л-орбиталь, например:
ХС=б: t- О:п> я*
ил-*- л*, при котором электрон переходит с устойчивой (связывающей) л-орбитали на неустойчивую л*-орбиталь, например:
С—От С—Отл л*
л — л*-Переход может осуществляться даже в простом алкене, таком, как этилен, но поглощение при этом происходит в далекой ультрафиолетовой области. Сопряжение двойных связей понижает энергию перехода, м поглощение смещается в сторону больших длин волн, где его можно измерить. Если в сопряжении находится достаточное число двойных связей, то поглощение может сдвинуться в видимую область, и соединение будет окрашенным. Например, р-каротин (желтый пигмент, найденный в моркови и зеленых листьях, предшественник витамина А) содержит одиннадцать двойных сопряженных углерод-углеродных связей, и его цвет обусловлен поглощением в фиолетовом конце видимого спектра (^иакс 451 НМ).
Почему сопряжение так сильно влияет на спектр? В разд. 10.16 было показано, что бутадиен-1,3 стабилизован вкладом структур, включающих формальные связи. Стабилизация не очень велика, поскольку такие структуры — и дополнительные ионные структуры — не очень устойчивы и дают только небольшой вклад в гибрид. Аналогичные структуры дают вклад и в возбужденное состояние бутадиена, но и в данном случае вследствие нестабильности молекулы их вклад значительно больше. Резонанс стабилизует возбужденное состояние больше, чем основное, и таким образом уменьшает различие между ними.
В отличие от инфракрасного спектра ультрафиолетовый спектр используется не для непосредственного установления наличия отдельных функциональных групп, а для изучения взаимоотношений между функциональными группами, в основном сопряжения: сопряжения между двумя и более двойными (или тройными) углерод-углеродными связями; между двойными углерод-углеродной и углерод-кислородной связями; между двойными связями и ароматическим кольцом, а также для обнаружения самого ароматического кольца. Кроме того, с помощью ультрафиолетового спектра можно определить число и расположение заместителей, связанных с атомами углерода сопряженной системы.
Задача 13.2. В задаче 9.19 на стр. 296 вы рассчитали число колец в p-каротине. Учитывая молекулярную формулу, число двойных связей, сопряжение, нахождение в природе и его превращение в витамин А (стр. 259), предложите возможную структуру Р-каротииа. Задача 13.3. Соединения А, Б и В имеют формулу С5Н8 и при гидрировании превращаются в н-пентан. В их ультрафиолетовых спектрах имеются следующие максимумы поглощения (Амакс ): для А — 176 нм, для Б — 211 нм и для В — 215 нм (для пентена-1 ХмаКс 178 нм), а) Какая структура вероятна для соединения А? Для соединений Б и В? б) Какие дополнительные данные необходимы для установления структур Б и В?
Спектр ядерного магнитного резонанса (ЯМР)
Ядра некоторых атомов, подобно электронам, имеют спин. Наличие спина у этих заряженных частиц, связанного с циркуляцией атомного заряда вокруг оси ядра, создает магнитный момент вдоль оси спина, так что эти ядра действуют как крошечные магниты. Одним из таких ядер (и одним из тех, которые в основном рассматриваются в этой книге) является протон, ядро обычного атома водорода 2H.
Если поместить протон во внешнее магнитное поле, то в соответствии с принципами квантовой механики для магнитного момента возможны две ориентации: в направлении магнитного поля (ио полю) и против поля. Ориентация магнитного момента по полю более устойчива; для того чтобы перевернуть маленький магнитик протона в менее устойчивое расположение против поля, необходимо затратить энергию.
Количество энергии, необходимое для этого поворота, зависит от напряженности внешнего поля: чем сильнее поле, тем больше тенденция сохранить ориентацию по полю и тем более высокая частота излучения (помните: \Е = Av) требуется для осуществления поворота.
где v — частота, Гц; Но — напряженность магнитного поля.Гс; у — константа ядра (гиромагнитное отношение), 26 750 для протона. Например, в поле на|Пряженностью 14 092 Гс эта энергия соответствует электромагнитному излучению с частотой 60 Мгц, т. е. излучению в области радиочастот, имеющему значительно меньшую энергию (более низкие частоты, более длинные волны), чем инфракрасный свет. -
В принципе можно поместить вещество в магнитное поле постоянной напряженности и затем наблюдать спектр так же, как инфракрасный или ультрафиолетовый, пропуская через вещество излучение постепенно меняющейся частоты и отмечая частоту, при которой происходит поглощение. На практике, однако, оказалось более удобным сохранять постоянной частоту излучения и изменять напряженность магнитного поля; при какой-то напряженности магнитного поля энергия, необходимая для поворота протона, соответствует энергии излучения, происходит поглощение и наблюдается сигнал. Такой спектр называется спектром протонного магнитного резонанса (ПМР), а в общем случае — спектром ядерного магнитного резонанса (ЯМР) (рис. 13.3).
Если бы все было так просто, как описано, то все протоны органической молекулы поглощали бы при одной и той же напряженности поля и спектр состоял бы из одного сигнала, который давал бы мало сведений о строении молекулы. Но частота, при которой поглощает протон, зависит от магнитного поля, которое он «.чувствует», и эта напряженность эффективного магнитного поля не совсем такая же, как напряженность приложенного магнитного поля. Напряженность эффективного магнитного поля для каждого протона зависит от его окружения, в частности от электронной плотности около протона и наличия других соседних протонов. Окружение каждого протона — или, точнее, каждой группы эквивалентных протонов — будет несколько отличаться от окружения любой другой группы протонов, и, следовательно, напряженность приложенного поля для создания такого же эффективного поля (т. е. напряженности, при которой происходит поглощение) будет несколько отличной.
При данной радиочастоте все протоны поглощают при одинаковой напряженности эффективного магнитного поля, но при различной напряжен-
кости приложенного поля. Именно эту напряженность приложенного поля измеряют, и относительно нее откладывают поглощение.
В результате получается спектр, имеющий ряд пиков; относительное положение этих пиков поглощения, отражающее различное окружение протонов, может дать очень подробную информацию о строении молекулы.
В последующих разделах рассматриваются различные аспекты ПМР- спектров, а именно:
число сигналов, свидетельствующее о том, сколько различных типов протонов имеется в молекуле;
положение сигналов, дающее некоторую информацию об электронном окружении протонов каждого типа;
-еВ сторону более слабого поля-еВ сторону более слабого поля
-еВ сторону более слабого поля
-еВ сторону более слабого поля
формул можно считать той же буквой:формул можно считать той же буквой:СН3—СН2—С1 а b два сигнала хлористый этилСН3—СН2—С1 а b два сигнала хлористый этилСН3—СНС1—СН3abaдва сигналахлористый изопропилСН3—СНС1—СН3abaдва сигналахлористый изопропилСН3—СН2—СН2—С1 а b с три сигнала хлористый пропилСН3—СН2—СН2—С1 а b с три сигнала хлористый пропил
формул можно считать той же буквой:
формул можно считать той же буквой:
СН3—СН2—С1 а b два сигнала хлористый этил
СН3—СН2—С1 а b два сигнала хлористый этил
СН3—СНС1—СН3aba
два сигналахлористый изопропил
СН3—СНС1—СН3aba
два сигналахлористый изопропил
СН3—СН2—СН2—С1 а b с три сигнала хлористый пропил
СН3—СН2—СН2—С1 а b с три сигнала хлористый пропил
Слабое полеСильное тюле
Напряженность магнитного паля*-
Рис. 13.3. ЯМР-спектр.
интенсивность сигналов, указывающая на число протонов каждого типа;
расщепление сигналов на несколько пиков, дающее информацию об окружении протона другими соседними протонами.
ЯМР". Число сигналов.
Эквивалентные и неэквивалентные протоны
В данной молекуле протоны, находящиеся в одинаковом окружении, поглощают при одной и той же напряженности (приложенного) поля; протоны, окружение которых различно, поглощают при неодинаковых напряженностях (приложенного) поля. Говорят, что протоны, находящиеся в одинаковом окружении, эквивалентны-, число сигналов в спектре ЯМР, следовательно, дает информацию о том, сколько групп эквивалентных протонов, или сколько «типов» протонов, имеется в молекуле.
Вообще говоря, магнитно эквивалентные протоны — это просто химически эквивалентные протоны. В каждой из приведенных ниже структурных
эквивалентными протоны, обозначенные одной и
Для того чтобы быть химически эквивалентными, протоны должны быть также стереохимически эквивалентными, и, следовательно, можно также легко проанализировать следующие соединения:
три сигнала изобутилентри сигнала изобутилентри сигнала 2-бромпропентри сигнала 2-бромпропентри сигнала хлористый винилтри сигнала хлористый винилчетыре сигнала метилциклопропанчетыре сигнала метилциклопропан
три сигнала изобутилен
три сигнала изобутилен
три сигнала 2-бромпропен
три сигнала 2-бромпропен
три сигнала хлористый винил
три сигнала хлористый винил
четыре сигнала метилциклопропан
четыре сигнала метилциклопропан
2-Дихлорпропан (оптически активный или неактивный) дает четыре сигнала в спектре ЯМР; рассмотрение моделей или стереохимических формул позволяет убедиться в том, что так и должно быть.
четыре сигнала, ^-дихлорпропаи
Окружение двух протонов при С-1 не одинаково (и никакое вращение вокруг простых связей не сделает его одинаковым); протоны не эквивалентны, и они будут поглощать при различных напряженностях поля.
При рассмотрении формулы можно сказать, какие протоны находятся в различном окружении и, следовательно, должны давать неодинаковые сигналы. Однако не всегда можно сказать, особенно в случае стереохимически различных протонов, насколько различно это окружение; оно может быть не настолько различным, чтобы сигналы были заметно разделены, и в спектре может быть меньше сигналов, чем предсказано.
Как же получены выводы, сделанные в нескольких последних разделах? Большинство, вероятно, не отдавая в этом себе отчета, судит об эквивалентности протонов, исходя из числа изомеров (разд. 3.2). Это, конечно, наиболее простой путь. Представим, что каждый протон замещают на какой-то другой атом Z. Если замещение любого из двух протонов на Z приведет к одному и тому же продукту или к энантиомерным продуктам, то эти два протона химически и магнитно эквивалентны. Существование конформационных изомеров пока не учитывается; они обсуждаются в разд. 13.13.
Рассмотрим, например, хлористый этил. Замещение протона в метильной группе приведет к CH2Z—СН2С1; замещение протона в метиленовой группе приведет к СН3 — CHZC1. Это, конечно, разные соединения, и легко можно видеть, что метильные протоны не эквивалентны метиленовым.
Соединение CH2Z — СН2С1 образуется в результате замещения любого из трех метильных протонов. Окружение (среднее) трех протонов идентично, и, следовательно, в ЯМР-спектре можно ожидать одного сигнала для всех трех протонов.
Замещение каждого из двух метиленовых протонов должно привести к паре энантиомеров
С1С1зкантпиотопные протоны, хлористый этилзкантпиотопные протоны, хлористый этил
С1
С1
зкантпиотопные протоны, хлористый этил
зкантпиотопные протоны, хлористый этил
Такие пары протонов называют энантиотопными протонами. Окружения этих двух протонов являются зеркальными изображениями друг друга; в магнитном отношении эти протоны эквивалентны, и поэтому в ЯМР-спект- ре имеется один сигнал для пары. (Как любое другое физическое свойство, за исключением вращения плоскости поляризованного света, ЯМР-спектр не позволяет различить зеркальные изомеры.)
В случае 2-бромпропена замещение каждого из винильных протонов дает пару диастереомеров (в данном случае геометрических изомеров):
СН^ /Нс=св/ \н
диастереотопныепротоны, 2-бромпропен
Такие пары протонов называются диастереотопными протонами. Окружения этих двух протонов не являются ни одинаковыми, ни зеркальными по отношению друг к другу; в магнитном отношении эти протоны не эквивалентны, и в спектре ЯМР должны быть сигналы от каждого протона.
Аналогично в 1,2-дихлорпропане два протона при С-1 являются диастереотопными, магнитно неэквивалентными и, следовательно, должны давать различные сигналы в ЯМР-спектре.
бимтереотопные протоны.бимтереотопные протоны.12-вихлорпролан12-вихлорпролан
бимтереотопные протоны.
бимтереотопные протоны.
12-вихлорпролан
12-вихлорпролан
Конечно, не сами протоны, а их окружения являются энантиотопными или диастереотопными так же, как не атом углерода, а его окружение может быть асимметрично. Термины «эиантиотопиые протоны» и «диастереотопные протоны» были предложены профессором Принстонского университета Куртом Мислоу для удобства не только обсуждения ЯМР-спектров, но и рассмотрения многих аспектов стереохимии.
В разд. 13.13 магнитная эквивалентность протонов рассмотрена более подробно. Данный здесь подход, основанный на быстром вращении вокруг простых связей, выдерживается для большинства спектров, снятых при обычных условиях, особенно при комнатной температуре.
Задача 13.4. Напишите структурную формулу приведенных ниже соединений (не учитывая энантиомеров) и обозначьте каждую группу эквивалентных протонов. Сколько сигналов в ЯМР-спектре можно ожидать для каждого соединения’
Два изомера формулы С2Н4С12;
четыре изомера формулы СчН6Вг2,
этилбензол и п-ксилол,
мезитилен, n-этилтолуол, изопропилбензол,
СН3СН2ОН и СН3ОСН3;
СН3СН2ОСН2СН3, СН3ОСН2СН2СН3> СН3ОСН(СН3)2, СН3СН2СН2СН2ОН;
СН2—СН2, СН3—СН—СН2 (постройте модели);
I ।\/
сн2—оо
СН3СН2СНО, СН3СОСН3, СН2=СНСН2ОН.
Задача 13.5. Три изомерных диметилциклопропана дают соответственно два, три ь четыре сигнала в ЯМР-спектре. Напишите пространственные формулы изомеров, дающих эти сигналы.
Задача 13.6. Сколько сигналов можно ожидать в ЯМР-спектре циклогексана’ Почему?
ЦМР. Положение сигналов. Химический сдвиг
Число сигналов в спектре ЯМР свидетельствует о том, сколько типов протонов имеется в молекуле. Положение сигналов помогает определить, какого типа имеются протоны: ароматические, алифатические; первичные, вторичные, третичные; бензильные, винильные, ацетиленовые; соседние с галогеном или другим атомом или группой. Эти протоны находятся в различном электронном окружении, которое и определяет, в какой области спектра поглощает протон.
Когда молекулу помещают в магнитное поле, как при измерении ЯМР- спектра, ее электроны вынуждены вращаться таким образом, что при этом они создают вторичные магнитные поля: индуцированные магнитные поля.
Циркуляция электронов около протона сама по себе создает поле, направление которого — для протона — противоположно приложенному полю. Таким образом поле, в котором находится протон, меньше, чем приложенное; говорят, что протон экранирован.
Вращение электронов, особенно л-электронов, около соседних ядер создает поле, которое может как ослаблять, так усиливать приложенное к протону внешнее поле в зависимости от положения протона (рис. 13.4). Если индуцированное поле противоположно приложенному полю, протон экранирован, как уже говорилось выше. Если индуцированное поле усиливает приложенное, то поле, в котором находится протон, больше приложенного и говорят, что протон дезэкранирован.
По сравнению с «голым» протоном экранированный протон требует приложения поля большей напряженности, а дезэкранированный протон — поля меньшей напряженности, чтобы создать определенное эффективное поле, при котором происходит поглощение. Экранирование, таким образом сдвигает поглощение в сторону сильного поля, а дезэкранирование — в сторону слабого поля. Такие сдвиги пиков ЯМР-поглощения, возникающие в результате экранирования или дезэкранирования электронами, называются химическими сдвигами.
Как же измеряются и обозначаются направление и величина определенного химического сдвига?
Наиболее удобно выражать химический сдвиг в миллионных долях (м. д.) общего приложенного магнитного поля. Поскольку экранирование и дезэкранирование возникают в результате индуцированных вторичных по-
лей, величина химического сдвига пропорциональна напряженности приложенного поля — или, что эквивалентно, пропорциональна частоте, которой должно соответствовать поле. Если же его выразить как часть приложенного поля, т. е. если величину наблюдаемого сдвига разделить на определенную используемую частоту, то химический сдвиг будет иметь постоянное значение, которое не зависит от частоты и напряженности магнитного поля, используемых в ЯМР-спектрометре.
ИнЗдцириванные ноля
бензолацетилен
6Приложенное ^
поле
Рис. 13.4. Индуцированное поле усиливает приложенное поле в случае ароматических протонов (о) и ослабляет приложенное поле в случае ацетиленовых протонов (6). Ароматические протоны дезэкранированы, ацетиленовые протоны экранированы.
Точкой отсчета для измерения химических сдвигов служит сигнал не «голого» протона, а протоны реального соединения—обычно тетраметилсила- на (CH3)4Si. Вследствие низкой электроотрицательности кремния экранирование протонов в силане больше, чем во многих других органических молекулах, в результате большинство сигналов ЯМР появляется с одной стороны от сигнала тетраметил сил ан а: в более слабом, поле. В настоящее время существует две шкалы: 't-шкала и b-шкала. В т-шкале положение сигнала тетраметилсилана принято за 10,0 м. д. Большинство химических сдвигов лежит между 0 и 10, причем небольшие значения т представляют поглощение в слабом поле, а большие значения т — поглощение в сильном поле.
В 6-шкале положение сигнала тетраметилсилана принято за 0,0 м. д. Большинство химических сдвигов лежит между 0 и 10 (в действительности —10), причем небольшое значение величины 6 представляет небольшой сдвиг в слабое поле, а большое значение 6 — большой сдвиг в слабое поле.
Две шкалы связаны между собой отношением т = 10 — 6. В этой книге значения химических сдвигов даются в обеих шкалах, например: т 3,2 (6 6,8).
ЯМР-сигнал для определенного протона появляется при другой напряженности поля по сравнению с сигналом тетраметилсилана. Это различие — химический сдвиг измеряется не в гауссах, как можно было ожидать, а в эквивалентных единицах частоты ^помните; ч = у/У0/2л), и их делят на частоту используемого прибора. Таким образом, для спектрометра с частотой 60 МГц, т. е. 60- 10е Гц,
Наблюдаемый сдвиг (Гц)- 10еНаблюдаемый сдвиг (Гц)-10е
10е (Гц)*т-10—6010е (Гц)
Химический сдвиг протона определяется его эчектронным окружением. В данной молекуле протонам с различным окружением — неэквивалентным протонам — соответствуют различные химические сдвиги. Для протонов с одинаковым окружением — эквивалентных протонов — химические сдвиги одинаковы; в действительности в ЯМР-спектроскопии эквивалентные протоны определяются как протоны, дающие одинаковые химические сдвиги. (Уже говорилось о том, что означает эквивалентность протонов с точки зрения строения молекулы.)
Установлено, что протон в определенном окружении дает практически один и тот же сдвиг независимо от того, в какой молекуле он находится. Например, известны три типа водородов: первичные, вторичные и третичные. Если рядом нет других заместителей, то поглощение наблюдается примерно при следующих значениях:
RCH3 т9,1 (60,9); R2CH2 т8,7(61.3); R3CH т8,5(61,5)
Все эти протоны сильйо отличаются от ароматических протонов, которые вследствие сильного дезэкранирования, вызываемого вращением л-электро- нов (рис. 13.4), поглощают в значительно более слабом поле:
Аг—Н т1,5 — 4 (6 6 — 8,5)
Присоединение хлора к атому углерода, связанному с протоном, приводит к сдвигу в слабое поле. Если хлор присоединен к углероду, отде чен-
Таблица 13.4
Химические сдвиги протоиов
Тип протона
Химический сдвиг, м. д.
6
Циклопропан Первичный
RCH3
9,8
9,1
0,2
0,9
Вторичный
R2CH2
8,7
1,3
Третичный
R3CH
8,5
1,5
Винильный
С=С—В
4,1—5,4
4,6—5,9
Ацетиленовый
С=С—н
7—8
2—3
Ароматический
Ar—Н
1,5—4
6—8,5
Бензильный
Ar—С-Н
7—7,8
2,2—3
Аллильный
с=с—сн3
8,3
1,7
Фториды
НС—F
5,5—6
4—4,5
Хлориды
НС—С1
6—7
3—4
Бромиды
НС—Вг
6—7,5
2,5—4
Иодиды
НС—I
6-8
2—4
Спирты
НС-ОН
6—6,6
3,4—4
Простые эфиры
НС—OR
6—6,7
3,3—4
Сложные эфиры
RCOO—СН
5,9—6,3
3,7—4,1
Сложные эфиры
НС—COOR
7,8—8
2—2,2
Кислоты
НС—СООН
7,4—8
2-2,6-
Карбонильные соединения
НС—с=о
7,3—8
2—2,7
Альдегиды
RCHO
0—1
9—10
Гидроксильный
ROH
4,5—9
1—5,5
Фенольный
АгОН
От
—2 до —6
4—12
Енольный
С=С—ОН
От
—7 до —5
15—17
Карбоксильный
RCOOH
От
—2 до —0,5
10,5—12
Аминный
RNH2
5—9
1—5
ному от атома углерода, связанного с протоном, одним углеродным атомом, то также наблюдается сдвиг в слабое поле, но в этом случае значительно более слабый.
CHS—С1 т7,0 (63,0)
СН8—С—Cl т 8,5 (61,5)
R—СН2—С1 т6,6 (63,4)
R—СН2—С—Cl т8,3 (6 1,7)
R2CH—Cl г 6,0 (6 4,0)
R2—CH—С—С1 т8,4(61,6)
Два атома хлора вызывают больший сдвиг в слабое поле. Такое же влияние оказывают и другие галогены.
Сдвига в слабое поле, вызываемого хлором, следовало ожидать, исходя из его индуктивного эффекта: оттягивание электронов понижает электронную плотность вблизи протона и тем самым вызывает дезэкранирование. Влияние заместителя на химический сдвиг, несомненно, представляет суммарный результат многих факторов; одним из этих факторов является индуктивный эффект.
В табл. 13.4 приведены химические сдвиги протонов, находящихся в различных окружениях.
Все сказанное выше можно проиллюстрировать на примерах ЯМР-спек- тров (рис. 13.5) алкилбензолов: толуола, п-ксилола и мезитилена. В каждом спектре имеется два сигнала: один от протонов боковой цепи и другой от протонов кольца. (Здесь, как в некоторых ароматических соединениях, орто-, мета- и пара-протоны имеют почти одинаковые химические сдвиги и, следовательно, для целей ЯМР они почти эквивалентны.)
В каждом спектре поглощение протонов кольца проявляется в слабом поле, что характерно для ароматических протонов. Поглощение не только •наблюдается в слабом поле, но и почти при одной и той же напряженности поля для трех соединений: при т 2,83, 2,95 и 3,22 (6 7,17, 7,05 и 6,78). (Эти величины не очень точно соответствуют истинным значениям, поскольку окружения ароматических протонов не совсем одинаковые в этих трех соединениях.)
В каждом соединении протоны боковой цепи — бензильные протоны — достаточно близки к кольцу, чтобы испытывать дезэкранирующий эффект л-электронов (рис. 13 4); поэтому они поглощают в более слабом поле, чем обычные алкильные протоны: т7,68, 7,70 и 7,75 (6 2,32, 2,30 и 2.25). Во всех трех соединениях окружение протонов боковой цепи одинаково и поэтому ■одинаковы химические сдвиги.
Таким образом, аналогичная структура этих трех алкилбензолов находит отражение в сходстве их ЯМР-спектров. Имеется, однако, существенное различие в их структурах — различие в числе ароматических протонов и •протонов боковой цепи; в следующем разделе будет показано, как это отражается в ЯМР-спектрах.
Химический сдвиг является основой ЯМР-спектра, поскольку при разделении пи- ков поглощения, вызываемых различными протонами в молекуле, обнаруживаются «се другие особенности спектра. Числовые значения химических сдвигов хотя и важны, но не имеют такого значения, как частоты поглощения в инфракрасном спектре.
При расшифровке спектров ЯМР мы во многом избежим той неопределенности, с которой сталкивается начинающий при попытке точной идентификации полос в ИК- •спектре.
Задача 13.7. Как можно объяснить следующие различия химических сдвигов ароматических протонов: беизол т 2,63 (6 7,37); толуол т 2,83 (6 7,17); n-ксилол т 2,95 (6 7,05); мезитилен т 3,22 (6 6,78)?
Рис. 13.5. Я-МР-спектры: химический сдвиг.
А — толуол; Б — л-ксилол; В — мезитилен.
13.6.13.6.ЯМР-спектр п-трет-бугилтолуола.ЯМР-спектр п-трет-бугилтолуола.Расчет числа протонов.Расчет числа протонов.
13.6.
13.6.
ЯМР-спектр п-трет-бугилтолуола.
ЯМР-спектр п-трет-бугилтолуола.
Расчет числа протонов.
Расчет числа протонов.
ЯМР. Площадь пика и определение числа протонов
Рассмотрим ЯМР-спектры (рис. 13.5) толуола, л-ксилола и мезитилена и обратим внимание не только на положения сигналов, но и на их относительные интенсивности, которые оцениваются по величине пиков поглощения.
По высоте пиков видно, что пик (в сильном поле) протонов боковой цепи меньше, чем пик (в слабом поле) ароматических протонов в случае толуола, немного больше для n-ксилола и значительно больше для мезитилена. Более точное сравнение показывает, что отношение площадей пиков протонов -боковой цепи и ароматических протонов составляет 3 : 5 для толуола, 3 : 2 (или 6 : 4) для n-ксилола и 3 : 1 (или 9 : 3) для мезитилена.
Рис.
Это отношение иллюстрирует общее свойство всех ЯМР-спектров. Площадь под сигналом в ЯМР-спектре прямо пропорциональна числу протонов, вызывающих сигнал.
Это не удивительно. Поглощение каждого кванта энергии обусловлено одной и той же причиной: поворотом протона в тем же самом эффективном магнитном поле. Чем больше протонов повернулось, тем больше поглощенная энергия, тем больше площадь под пиком поглощения.
Площадь под сигналом в ЯМР-спектре измеряется электронным интегратором и обычно дается на спектре в форме ступенчатой кривой; высоты -ступеней пропорциональны площадям пиков. Для ЯМР-спектров обычно используют бумагу, разлинованную в клетку, и поэтому высоты ступеней можно оценить просто подсчетом числа квадратов. Получается ряд цифр, которые находятся в таком же отношении, как и количества протонов различного типа. Этот набор цифр превращают в набор наименьших целых значений, точно так же как при расчете эмпирической формулы (разд. 2.29). Число протонов, дающих каждый сигнал, равно целому числу или его кратному (например, рис. 13.6).
Мы используем любые возможности для упрощения задачи. Если известна молекулярная формула и, следовательно, общее число протонов, из суммарной высоты пиков можно рассчитать число квадратов, приходящихся на один протон. Если предполагается наличие определенной группировки, дающей характерный сигнал, — альдегидной
Рис. 13.7. ЯМР-спектры к задаче 13.9.
13
(—CHO) или карбоксильной (—СООН), протои которых дает пик далеко в слабом поле,— можно использовать высоту этой ступени в качестве отправной точки.
Отношение высот ступеней а : b : с составляет
8,8 : 2,9 : 3,8 = 3,0 : 1,0 : 1,3 = 9,0 : 3,0 : 3,9
С другой стороны, поскольку известна молекулярная формула СцН^,
16 Н
~5,б“^иниц^ =1'03 Н на единицУ
а = 1,03-8,8 = 9,1;6=1,03-2,9=3,0; с = 1,03-3,8 = 3,9.
Любым из этих путей находим, что а 9Н; 6 ЗН; с 4Н.
4Н для с (т 2,9, 6 7,1) — это ароматические протоны, следовательно, имеют дело с дизамещенным бензолом — С6Н4. Химический сдвиг ЗН для 6 (т 7,72, 6 2,28) характерен для бензильных протонов, т. е. имеем СН8—С6Н4—. Остается С4Н9, который с точки зрения 9Н для а (т 8,72, 6 1,28) должен быть —С(СН8)8; поскольку метильные группы отделены от кольца одним атомом углерода, то их сдвиг почти такой же, как для обычной алкильной группы. Соединение представляет собой трет-бутилтолуол (характер поглощения ароматических протонов свидетельствует о том, что это пара-изомер).
Рассмотрение приведенных ниже задач даст некоторые представления о том, какую колоссальную помощь оказывает «подсчет числа протонов» методом ЯМР при установлении строения соединения.
Задача 13.8. В задаче 13.4 (стр. 408) вы предсказали число сигналов в ЯМР-спектре некоторых соединений. Укажите, где сможете, относительные положения сигналов (т. е. их последовательность при переходе в более слабое поле) и грубо т (или 6)для каждого. Для каждого сигнала укажите число протонов, вызывающих его.
Задача 13.9. Напишите структуру или структуры, соответствующие ЯМР-спектрам, приведенным на рис. 13.7.
ЯМР. Расщепление сигналов.
Спин-спиновое взаимодействие
В ЯМР-спектре имеются сигналы для каждого типа протонов в молекуле; несколько спектров, рассмотренных выше, подтверждают это. Однако при более тщательном рассмотрении большинство спектров оказываются значительно более сложными. На рис. 13.8 приведены спектры ЯМР следующих трех соединений:
СН2Вг—СНВг2СН8—СНВг2СН8СН2Вг
1,1,2-трибромэтан 1,1-дибромэтан бромистый этил
Каждое из них содержит только два типа протонов; тем не менее вместо двух пиков в этих спектрах имеется пять, шесть и семь пиков соответственно.
Что означает эта мультиплетность пиков? Как она возникает и какую информацию дает о строении молекулы?
Дело в том, что расщепление сигналов в ЯМР-спектре происходит вследствие спин-спинового взаимодействия. Сигнал, ожидаемый от каждой группы эквивалентных протонов, появляется в виде не одного пика, а группы пиков. Расщепление отражает окружение поглощающих протонов: не электронами, а другими соседними протонами. Наглядно это можно представить следующим образом: наблюдатель находится на месте протона и смотрит вокруг себя; при этом он может увидеть и сосчитать протоны, связанные с атомами углерода, соседними с углеродным атомом, которому принадлежит этот протон, а иногда даже заметить более далекие протоны.
Возьмем в качестве примера соединение, в котором у двух соседних атомов углерода имеются соответственно пара вторичных протонов и третичный протон, и рассмотрим сначала поглощение одного из вторичных протонов:
I
-СН—сн2—
Рис. 13.8. ЯМР-спектры: расщепление сигналов.
Л — 1,1,2-трибромэтам; Б — 1.1-днбромэтан; В — бромистый этил
Напряженность магнитного поля, которое «чувствует» вторичный протон, в какой-то момент немного увеличивается или немного уменьшается спином соседнего третичного протона: увеличивается, если в этот момент третичный протон ориентирован в направлении приложенного поля, или уменьшается, если третичный протон ориентирован против приложенного поля.
Приложенноеполе
IIi
I
I
Сигнал X
нерасирпленногох
НоНопротона
Но
Но
Рис. 13.9. Спин-спиновое взаимодействие (указаны комбинации спинов для протонов группы, соседней с^СН—). Взаимодействие с одним протоном дает дублет с отношением интенсивностей пиков 1:1.
Вследствие этого для половины молекул поглощение вторичного протона немного смещено в слабое поле, а для другой половины молекул — в сильное поле. Сигнал расщепляется на два пика: дублет с пиками равной интенсивности (рис. 13.9). Что же можно сказать о поглощении третичного протона?
—сн—сн2—
На него влияют спины соседних вторичных протонов. Кроме того, следует учитывать расположение двух протонов в приложенном поле. Существуют четыре равновероятные комбинации ориентации спинов для этих двух протонов, две из которых эквивалентны. В любой момент, следовательно, третичный протон «чувствует» любое из трех полей, и его сигнал расщепляется на три симметрично расположенных пика: триплет с относительными интенсивностями 1:2:1, отражающими суммарную (двойную) вероятность двух эквивалентных комбинаций (рис. 13.10).
Сигнал нерасщепленнаго протонаСигнал нерасщепленнаго протонаПрнлпэсенное полеПрнлпэсенное полеНоНо
Сигнал нерасщепленнаго протона
Сигнал нерасщепленнаго протона
Прнлпэсенное поле
Прнлпэсенное поле
Но
Но
Рис. 13.10. Спин-спиновое взаимодействие (указаны комбинации спннов для протонов группы, соседней с —СН2—). Взаимодействие с двумя протонами дает триплет с отношением интенсивностей пик ов 1 : 2 : 1.
На рис. 13.11 приведен идеальный спектр ЯМР, вызываемый группой —СН—СН2—- Имеется дублет 1:1 (от —СН2—) и триплет 1 : 2 : 1 (от —СН—). Общая площадь (оба пика) под дублетом вдвое больше общей площади (всех трех пиков) триплета, поскольку дублет обусловлен поглощением вдвое большего числа протонов, чем триплет.
Из спектра видно, что расстояние между пиками (константа взаимодействия J, разд. 13.11) в дублете совершенно такое же, как расстояние между пиками в триплете. (Спин-спиновое взаимодействие отражает взаимное влияние, и влияние вторичных протонов на третичный должно быть идентично влиянию третичного протона на вторичные.) Даже если эти сигналы проявлялись бы в сложном спектре с многими пиками поглощения, одинаковое
расстояние между пиками свидетельствовало бы о том, что дублет и триплет связаны между собой, что взаимодействуют (два) протона, дающие дублет, и (один) протон, дающий триплет, и, следовательно, эти протоны находятся у соседних атомов углерода.
Рис. 13.11. Спин-спиновое взаимодействие.
Сигнал а расщепляется в дублет в результате взаимодействия с одним протоном: сигнал b расщепляете* в триплет в результате взаимодействия с двумя протонами Расщепление в обоих случаях одинаково
Сигнал в ЯМР-спектре расщепляется в дублет одним соседним протоном и в триплет двумя (эквивалентными) соседними протонами.
К какому же расщеплению приводит большее число протонов? На рис. 13.12 видно, что три эквивалентных протона расщепляют сигнал на четыре пика —квартет — с отношением интенсивностей 1 : 3 : 3 : 1.
Приложенное полеПриложенное полеНоНоРис." 13.12. Спин-спиновое взаимодействие (указаны комбинации спинов для протонов группы, соседней с —СН8). Взаимодействие с тремя протонами дает квартет с отношением интенсивностей 1 : 3 : 3 : 1.Рис." 13.12. Спин-спиновое взаимодействие (указаны комбинации спинов для протонов группы, соседней с —СН8). Взаимодействие с тремя протонами дает квартет с отношением интенсивностей 1 : 3 : 3 : 1.
Приложенное поле
Приложенное поле
Но
Но
Рис." 13.12. Спин-спиновое взаимодействие (указаны комбинации спинов для протонов группы, соседней с —СН8). Взаимодействие с тремя протонами дает квартет с отношением интенсивностей 1 : 3 : 3 : 1.
Рис." 13.12. Спин-спиновое взаимодействие (указаны комбинации спинов для протонов группы, соседней с —СН8). Взаимодействие с тремя протонами дает квартет с отношением интенсивностей 1 : 3 : 3 : 1.
Можно показать, что в общем случае группа п эквивалентных протонов будет расщеплять сигнал в ЯМР-спектре на (п + \упик.
Если обратиться снова к рис. 13.8, то эти спектры уже не кажутся такими непонятными. Теперь мы видим не пять, шесть или семь пиков, а дублет
и триплет, или дублет и квартет, или триплет и квартет. Каждый из этих мультиплетов можно узнать по равномерному расположению сигналов внутри мультиплета и по симметрии отношения интенсивностей (1 : 1 или 1:2:1 пли 1 : 3 : 3 : 1). Каждый спектр указывает на присутствие двух типов протонов, но в действительности он дает значительно больше информации.
На основании того, что площадь пика отражает число поглощдкнцих протонов, а мультиплетность расщепления отражает число соседних протонов, в каждом спектре можно обнаружить то, что и следовало ожидать.
В спектре СНВг2—СН2Вг имеется
триплет в слабом поле,площадь: 1I—С—СНа—IнВ спектре СН8—СНВг2 имеетсяквартет в слабом поле,площадь: 1триплет в слабом поле,площадь: 1I—С—СНа—IнВ спектре СН8—СНВг2 имеетсяквартет в слабом поле,площадь: 1ННВ спектре СН8СН2Вг имеетсяквартет в слабом поле,площадь: 2—СН2—снэВ спектре СН8СН2Вг имеетсяквартет в слабом поле,площадь: 2—СН2—снэдублет в сильном поле,площадь: 2
триплет в слабом поле,
площадь: 1
I
—С—СНа—
Iн
В спектре СН8—СНВг2 имеется
квартет в слабом поле,площадь: 1
триплет в слабом поле,
площадь: 1
I
—С—СНа—
Iн
В спектре СН8—СНВг2 имеется
квартет в слабом поле,площадь: 1
Н
Н
В спектре СН8СН2Вг имеется
квартет в слабом поле,площадь: 2
—СН2—снэ
В спектре СН8СН2Вг имеется
квартет в слабом поле,площадь: 2
—СН2—снэ
I
—с—сн2—
Iн
дублет в сильном поле, площадь: 3 -Lchs
н
триплет в сильном поле,площадь: 3
—СНа—СН3
Химические сдвиги отражают дезэкранирующий эффект галогенов: в каждом спектре протоны, связанные с атомом углерода, несущим галогены, поглощают в более слабом поле (меньше т, больше 6).
В каждом спектре расположение пиков внутри одного мультиплета такое же, как внутри другого, так что даже в спектре со многими другими пиками можно выделить эти два мультиплета от взаимодействующих протонов.
Наконец, следует отметить явление, на которое раньше не обращали внимание: различные мультиплеты не проявляют той симметрии, которую можно было ожидать. В спектре А
в спектре Б
а что-то подобное
в спектре В
В каждом случае внутренние пики, т. е. пики, расположенные ближе к другому мультиплету, с которым первый взаимодействует, больше внешних.
Совершенно симметричные мультиплеты можно ожидать только в тех случаях, когда расстояние между мультиплетами очень велико по сравнению с расстоянием внутри мультиплетов, т. е. когда химический сдвиг значительно больше, чем константа взаимодействия (разд. 13.11). Приведенные примеры довольно типичны и полезны для обнаружения мультиплетов: мы знаем, в каком направлении — в слабом или сильном поле — искать второй мультиплет.
До сих пор не дан ответ на основной вопрос: какие же протоны в молекуле могут взаимодействовать? Можно ожидать, что спин-спиновое взаимодействие будет наблюдаться только между соседними неэквивалентными протонами. Термин «неэквивалентные» протоны относится к протонам с различными химическими сдвигами (разд. 13.8). Под «соседними» протонами чаще всего подразумеваются протоны, связанные с соседними атомами углерода, как в приведенных выше примерах (рис. 13.8); иногда возможно взаимодействие между более удаленными друг от друга протонами, особенно если в системе имеются л-связи (если протоны, находящиеся у одного и того же атома углерода, не эквивалентны, как иногда бывает, они также могут проявлять спин-спиновое взаимодействие).
Расщепления вследствие взаимодействия между протонами, составляющими одну и ту же группу —СН3, не наблюдается, поскольку они эквивалентны. Так, не наблюдается также расщепления вследствие взаимодействия между протонами при С-1 и С-2 в 1,2-дихлорэтане
СН2—СН2
||нет расщепления
С1 С1
1,2-дихлорэтан
поскольку они эквивалентны, хотя и связаны с различными атомами углерода.
В спектре 1,2-дибром-2-метилпропана
сн8
СН3—С—СН2Вгнет расщепления
IВг
1,2-дибром-2-метилпропан
не наблюдается расщепления сигнала шести метильных протонов, с одной стороны, и сигнала двух метиленовых протонов — с другой. Эти протоны неэквивалентны и дают различные сигналы в ЯМР-спектре, но они находятся не у соседних атомов углерода и их спины не влияют (заметно) друг на друга. В ЯМР-спектре имеется два синглета с отношением площадей пиков 3 : 1 (или 6 : 2). По той же самой причине не наблюдается расщепления для взаимодействия между кольцом и протонами боковой цепи в алкилбензолах (рис. 13.5).
Рис. 13.13. ЯМР-спектр бромистого изопропила.
Поглощение шести метильных протоиов Нд находится в сильном поле; сигнал расщеплен в дублет в результате взаимодействия с одним соседним протоном Н^. Поглощение одного протона Н^ находится в слабом поле (индуктивный эффект брома), сигнал расщеплен на семь пиков в результате взаимодействия с шестью соседними протонами; обычно небольшие внешние пики трудно наблюдать.
Рис. 13.14. ЯМР-спектр н-пропилбензола.
В спектре имеются все ожидаемые сигналы (при движении в сторону более слабого поля): а—первичные (ЗН); Ь— вторичные (2Н); с—бензильные (2Н); d— ароматические (5Н). Сигналы а и с расщепляются каждый в триплет в результате взаимодействия с двумя вторичными протонами Н^. Пять протонов, соседних со вторичными — три с одной стороны и два с другой, конечно, ие эквивалентны; но константы спин-спинового взаимодействия, JQ^ н J^ почти одинаковы, и сигнал b появляется в виде секстета (5+1 пик). Константы спин-спинового взаимодействия ие совсем одинаковы, как видно из уширения шести пиков.
Не наблюдается расщепления между двумя винильными протонами в изобутилене
СН^ ^Н
С=Снет растепления
сн3/ \н
изобутилен
поскольку они эквивалентны. С другой стороны, можно наблюдать расщепление между двумя винильными протонами, связанными с одним и тем же ато-
Рис. 13.15. ЯМР-спектр 1,2-дибром-1-фенилэтана.
Диастереотопиые протоны Нд и Н^ дают различные сигналы, причем каждый расщепляется в результате взаимодействия с Н^ иа дублет, пики дублетов, лежащие в слабом поле, по-видимому, совпадают (Не наблюдается заметного расщепления за счет взаимодействия между Нд и Н^ )
Четыре пика Н₽ вызваны взаимодействием с Н^ н Н^. (Если бы н были бы одинаковыми, как например, для случая, когда Нд и Н^ эквивалентны, то средние пккн Н^ превратились бы в знакомый триплет 1:2:1.)
мом углерода, если они не эквивалентны, как в 2-бромпропене
OIL zH
с=с
Вг/ \н
2-бромпропен
Ядро фтора lBF обладает такими же магнитными свойствами, как протон. Оно дает ЯМР-спектр, хотя и совершенно при другой комбинации частота — напряженность поля, чем протон. Ядра фтора могут взаимодействовать не только друг с другом, но так-
же и с протонами. Поглощение фтора не проявляется в протонном ЯМР-спектре — оно лежит в поле другой напряженности и частоты, но можно заметить расщепление сигналов протона фтором. Сигнал для двух протонов 1,2-дифтор-1,1-дихлорэтана, например, появляется в виде триплета 1:2:1с расстоянием между пиками 11 Гц. (Что вы ожидаете увидеть ж ЯМР-спектре фтора?)
Н F
С1—С—С—С1I IН F
Рис. 13.13—13.15 иллюстрируют некоторые типы расщепления, которые могут встретиться в ЯМР-спектрах.
ЯМР. Константы взаимодействия
Расстояние между пиками в мультиплете служит мерой эффективности спин-спинового взаимодействия и называется константой спин-спинового взаимодействия J. Взаимодействие (в отличие от химического сдвига) не является результатом влияния индуцированных магнитных полей. Величина константы взаимодействия, измеренная в герцах, постоянна независимо от приложенного магнитного поля (т. е. независимо от используемой частоты). В этом отношении, конечно, спин-спиновое взаимодействие отличается от химического сдвига, и, когда необходимо, их можно различить на этом основании: спектр записывают второй раз при другой частоте. При этом измеренные в герцах расстояния между пиками, вызываемыми взаимодействием протонов, остаются постоянными, тогда как расстояния между пиками, соответствующие химическим сдвигам, изменяются. (Если эти значения разделить на частоту и, таким образом, перевести в миллионные доли, то числовое значение химического сдвига, конечно, останется постоянным.)
Как видно из последующих обобщений, величина константы спин-спинового взаимодействия сильно зависит от структурных взаимоотношений между взаимодействующими протонами.
Геминальные протоны,J изменяется в зависимостиот угла связи-, от 0 при 125 °до 20 Гц при 105°
Вицинальные протоны, J изменяется в зависимости от диэдрального углаВицинальные протоны, J изменяется в зависимости от диэдрального углаВинильные протоныВинильные протоны
Вицинальные протоны, J изменяется в зависимости от диэдрального угла
Вицинальные протоны, J изменяется в зависимости от диэдрального угла
Винильные протоны
Винильные протоны
Для опытного исследователя абсолютные значения констант спин-спинового взаимодействия могут оказаться наиболее важной особенностью ЯМР-
400
Рис. 13.16. ЯМР-спектры к задаче 13.12.
спектра, они могут дать необходимую информацию о молекулярной структуре.
(В разд. 13.14 обсуждается использование величин констант взаимодействия в конформационном анализе.)
Задача 13.10. Вернитесь к задаче 13.8 и укажите, где сможете, тип расщепления, ожидаемый для каждого сигнала.
Задача 13.11. В задаче 13.9 вы анализировали некоторые ЯМР-спектры. Не изменит ли теперь ваши ответы отсутствие расщепления в этих спектрах?
Задача 13.12. Напишите структуру или структуры, которые соответствуют ЯМР-спектрам, приведенным на рис. 13.16.
ЯМР. Сложные спектры. Дейтериевая метка
Большинство ЯМР-спектров, с которыми имеют дело, значительно сложнее, чем приведенные в этой книге. Как их анализировать?
Прежде всего, многие спектры, дающие большое число пиков, можно полностью проанализировать теми же общими методами, которые были приведены. Требуется только практика.
Во многих случаях для решения определенной задачи не нужен полный анализ спектра. Возможно, что другие доказательства уже ограничили число возможных структур, и остается только с помощью ЯМР-спектра сделать
Рис. 13.17. ЯМР-спектр 2а-ацетоксихолестанона-3, снятый К- Уильямсоном (Вискои- синский университет) и У. Джонсоном (Стэнфордский университет).
Четыре пика в слабом поле вызваны протоном при С-2, сигнал которого расщеплен в результате взаимодействия с аксиальным н экваториальным протонами при C-L
из них выбор. Иногда необходимо лишь узнать, сколько имеется видов протонов или, возможно, сколько видов и сколько протонов каждого вида. Иногда под вопросом остается только одна структурная особенность, напри- тиер, имеется ли в молекуле две метильные группы или одна этильная, а пики, которые могут дать ответ, трудно выделить из сложного спектра (например, рис. 13.17k
Существует ряд методов, позволяющих анализировать или упрощать сложные спектры. Методом двойного резонанса (или двойного облучения), например, можно добиться, что спины двух групп протонов не будут взаимодействовать, и тогда спектр значительно упрощается.
Молекулу облучают на двух радиочастотах, причем одна соответствует частоте, на которой проводят измерение, а вторая радиочастота, имеющая большую интенсивность, отличается от первой частоты таким образом, что происходит следующее явление: когда достигается напряженность поля, при которой поглощает интересующий нас протон и появляется сигнал, взаимодействующие протоны поглощают другое очень сильное излучение. Эти взаимодействующие протоны «возбуждаются» и очень быстро поворачиваются
Рис. 13.18. ЯМР-спектры циклогексанола (вверху) н 3,3,4,4,5,5-гексадейтероциклогексанола (внизу), снятые Ф. Анетом (Оттавский университет). Если нет поглощения и расщепления шести протонов, то можно анализировать спектр оставшихся пяти протонов. Группы днастереотопных протонов, На и Нс> дают различные сигналы Сигнал HQ расщеплен в дублеты в результате взаимодействия с Hj (только один Н^ вызывает расщепление каждого HQ) и с Н^. Сигнал Н^ аналогично расщеплен в результате взаимодействия с HQ и Н^ Сигнал Hf в слабом поле расщеплен в триплеты в результате аааимодействия с HQ (обоими протонами) и с Н^, (обоими прото- «ами).
настолько быстро, что протон, дающий сигнал, «видит» их не в различных комбинациях расположения спина (разд. 13.10), а в каком-то среднем окружении Спины не взаимодействуют и сигнал проявляется в виде одного не- расщепленного пика.
Особенно элегантным методом упрощения спектра ЯМР и одним из тех, который легко понятен химикам-органикам, является использование дейтериевой метки.
Поскольку магнитный момент дейтерия значительно меньше, чем протона, он поглощает в значительно более сильном поле и не дает сигнала в протонном спектре ЯМР. Кроме того, он слабо взаимодействует с протоном и обычно уширяет, но не расщепляет сигнал протона; но и этого может не быть, если использовать двойной резонанс.
В результате замены протона на дейтерий из ЯМР-спектра исчезает и сигнал этого протона, и расщепление им сигналов других протонов, т. е. так, как если бы в молекуле в этом положении совсем не было водорода, например:
СН3—СН2—триплет квартетЗН 2НСН3—СН2—триплет квартетЗН 2НСН2О-СН2—триплет триплет2Н 2НСН2О-СН2—триплет триплет2Н 2НСН3—CHD—дублет квартетЗН 1НСН3—CHD—дублет квартетЗН 1Н
СН3—СН2—
триплет квартет
ЗН 2Н
СН3—СН2—
триплет квартет
ЗН 2Н
СН2О-СН2—
триплет триплет2Н 2Н
СН2О-СН2—
триплет триплет2Н 2Н
СН3—CHD—дублет квартет
ЗН 1Н
СН3—CHD—дублет квартет
ЗН 1Н
Можно использовать дейтериевую метку для отнесения сигнала к какому-то протону или протонам: протон в определенном положении заменяют на дейтерий и после этого наблюдают, какой сигнал исчезнет. Можно использовать дейтериевую метку с целью упрощения сложного спектра для того, чтобы определенная группа сигналов была видна более четко (например, рис. 13.18). (Этот рисунок также иллюстрирует положение, сформулированное в начале этого раздела: сложный на первый взгляд мультиплет из девяти пиков анализируется без особого труда.)
Магнитная эквивалентность протонов: более подробное рассмотрение
Основой ЯМР-спектра является магнитная эквивалентность или неэквивалентность протонов, поскольку она влияет и на число сигналов, и на их расщепление. Рассмотрим более подробно магнитную эквивалентность и то, как на нее влияег скорость, с которой происходят некоторые изменения молекул:
вращение вокруг простых связей, т. е. взаимопревращения конформаций замещенных этанов или циклогексанов
инверсия молекул, т. е. «выворачивание» пирамидальных молекул, таких, как амины (разд. 22.6) или карбанионы (разд. 27.4)
обмен протонов, например в спиртах (разд. 16.12)
R*O—Н* + RO—Н »■ R*O—Н + RO—Н*
Каждое из этих изменений может изменить электронное и протонное окружение данного протона и, следовательно, повлиять и на химический сдвиг и на его взаимодействие с другими протонами. Возникает вопрос, как ЯМР-спектрометр «видит» протон: в каждом конкретном окружении или в каком-то усредненном окружении из всех. Можно сказать, что часто в зависимости от температуры он «может видеть» протон в любом состоянии, и эта способность еще больше расширяет область применения ЯМР-спектро- скопии.
Сопоставляя ЯМР-спектрометр со спектрометрами других типов, профессор Калифорнийского института Дж. Робертс сравнил его с фотокамерой, которая фотографирует с относительно большой экспозицией — «медленной камерой». Такая камера фотографирует спицы в колесах при движении по-разному, в зависимости от скорости, с которой вертится колесо: в виде четкого изображения отдельных спиц, если вращение медленное; в виде смазанного изображения, если вращение происходит быстрее; в виде только контура колеса, если вращение очень быстрое. Таким же образом, если изменения молекулы происходят относительно быстро, то ЯМР-спектрометр видит протон в усредненном окружении — смазанная картина; если молекулярный процесс происходит медленно, то спектрометр видит протон в каждом из его окружений.
В этом разделе будет рассмотрено влияние вращения вокруг простых связей на ЯМР-спектр, а в следующих разделах — влияние других изменений в молекулах.
Вернемся к хлористому этилу (разд. 13.7) и рассмотрим метильные протоны. Если в какой-то момент времени можно было посмотреть на отдельную молекулу, то совершенно определенно мы увидели бы ее в конформации I. Один из метильных протонов находится в аншн-положении по отношению
КI
к хлору, а два — в скошенной конформации; ясно, что антц-протон имеет окружение, отличное от других, и в этот момент не эквивалентен им. Тем не менее три метильных протона хлористого метила дают один сигнал в спектре ЯМР (триплет вследствие влияния соседней метиленовой группы) и, следовательно, должны быть магнитно эквивалентны. Почему? Конечно, вращение вокруг простой связи по сравнению со «скоростью затвора» ЯМР является быстрым процессом; «камера» ЯМР дает смазанную картину трех протонов. Каждый протон виден в усредненном окружении, которое точно такое
же, как усредненное окружение каждого из двух других: одна треть в антиконформации, две трети для протонов в скошенной конформации.
Существует три конформации хлористого этила — II, III и IV, идентичные за исключением того, что анты-положенне занято различными индивидуальными протонами. Поскольку этн конформации имеют одинаковую устойчивость, то число молекул в каждой конформации одинаково (по Vs)- В одной из этих конформаций данный протон находится в анти-положении к хлору, а в двух других — в скошенных конформациях.Существует три конформации хлористого этила — II, III и IV, идентичные за исключением того, что анты-положенне занято различными индивидуальными протонами. Поскольку этн конформации имеют одинаковую устойчивость, то число молекул в каждой конформации одинаково (по Vs)- В одной из этих конформаций данный протон находится в анти-положении к хлору, а в двух других — в скошенных конформациях.
Существует три конформации хлористого этила — II, III и IV, идентичные за исключением того, что анты-положенне занято различными индивидуальными протонами. Поскольку этн конформации имеют одинаковую устойчивость, то число молекул в каждой конформации одинаково (по Vs)- В одной из этих конформаций данный протон находится в анти-положении к хлору, а в двух других — в скошенных конформациях.
Существует три конформации хлористого этила — II, III и IV, идентичные за исключением того, что анты-положенне занято различными индивидуальными протонами. Поскольку этн конформации имеют одинаковую устойчивость, то число молекул в каждой конформации одинаково (по Vs)- В одной из этих конформаций данный протон находится в анти-положении к хлору, а в двух других — в скошенных конформациях.
Для 1,1,2-трихлорэтана возможны несколько другие конформации, но суммарный результат такой же: идентичное усредненное окружение и, следовательно, магнитная эквивалентность двух метиленовых протонов.
нVIIнVII
н
VII
н
VII
В конформации V окружения двух протонов одинаковые, в конформациях VI и VII — различные, но усредненное окружение одинаково, потому что имеются равные количества этих энантиомерных конформаций. [Однако в данном случае нельзя сказать, какое существует усредненное окружение, пока неизвестно отношение конформации V к рацемической модификации (VI + VII).] ‘
Для диастереомерных протонов положение совсем иное: эти протоны не эквивалентны и вращение ничего не изменяет. В разд. 13.7 сделан вывод, что два протона С-1 в 1,2-дихлорпропане СН3СНС1СН2С1 являются диастерео- топными, поскольку замещение каждого из них на атом Z привело бы к диа-стереомерам
Вращение не может ни превратить диастереомеры друг в друга, ни сделать эквивалентными протоны На и Н6. Ни в одной из конформаций (VIII, IX и X) окружение двух протонов не является одинаковым; не существует пары зеркальных конформаций, чтобы компенсировать их окружения. (Это справедливо как для оптически активных соединений, так и для оптически неактивных; наличие или отсутствие энантиомерной молекулы не влияет на
IXтоном при С-2 (две различные константыIXтоном при С-2 (две различные константы
IX
тоном при С-2 (две различные константы
IX
тоном при С-2 (две различные константы
окружение протона в любой индивидуальной молекуле.) Эти диастереомерные протоны дают различные сигналы; при этом они взаимодействуют с пре
взаимодействия) и друг с другом. Для циклогексана ситуация совершенно аналогична, поскольку пре-
вращение одной конформации кресла в другую происходит в результате вращения вокруг простых связей. В любой конформации кресла существует два типа протонов: шесть экваториальных и шесть аксиальных; тем не менее в спектре ЯМР имеется один сигнал для всех двенадцати протонов.поскольку их усредненные окружения одинаковы: как бы наполовину для экваториального и наполовину для аксиального протонов.
Если же заменить протон, например, бромом, то картина меняется. Теперь аксиальный и экваториальный протоны у каждого углеродного атома являются диастереотопными: замена одного привела бы к цис-диастереомеру, а замена другого — к транс-диастереомеру.
Протоны Нд и Нь или любая другая геминальная пара заместителей в кольце имеют различное окружение. Когда На занимает экваториальное по
ложение, то и Вг занимает такое же положение; когда На занимает аксиальное положение, то и Вг занимает такое же положение; Н6 всегда занимает положение, противоположное тому, которое занимает бром. Кроме того, устойчивость и, следовательно, количества двух конформеров будут в общем случае различны, и На и Н6 будут проводить различное время в аксиальном и экваториальном положениях; однако даже если конформации случайно имеют одинаковую устойчивость, Но и Н6 все же не эквивалентны.
До сих пор обсуждались случаи, когда скорость вращения вокруг простых связей была настолько большой, что ЯМР-спектрометр «видел» протоны в их усредненном окружении. Это обычная ситуация. Именно для нее справедливо данное выше определение магнитной эквивалентности: если замещение каждого из двух протонов на группу Z дает одинаковые (или энантиомерные) продукты, то протоны эквивалентны. Конформеры при оценке идентичности двух продуктов не учитываются.
Если, понижая температуру, существенно замедлить вращение вокруг простых связей, то можно было бы ожидать ЯМР-спектр, отражающий «мгновенное» окружение протонов в каждой конформации. И это действительно так. Например, если охлаждать циклогексан, то единственный острый пик, наблюдаемый при комнатной температуре, уширяется и затем примерно при
—70 °C расщепляется на два пика, которые при —100 °C четко разделяются: один пик обусловлен аксиальными, а другой — экваториальными протонами.
Это не означает, что молекула заморожена в одной конформации; она все еще переходит из одной конформации кресла в другую (эквивалентную); данный протон в один момент является аксиальным, а в другой момент — экваториальным. Но теперь время превращения достаточно велико, так что можно получить не расплывчатую, а четкую «фото! рафию» молекулы в той или иной конформации. '
Изучение уширения пика или соединения двух пиков позволяет оценить £акт для вращения. Именно этим методом был рассчитан энергетический барьер вращения, равный 11 ккал/моль (46,05-103 Дж/моль) (разд. 9.12).
Задача 13.13. В ЯМР-спектре фтора (разд. 13.10) для 1,2-дифтортетрахлорэтана CFC12CFC12 имеется один пик при комнатной температуре и два пика (синглеты) с неравной площадью при —120 °C. Интерпретируйте каждый спектр и объясните различие. Как можно объяснить различные площади пиков в низкотемпературном спектре? Почему нет расщепления в обоих спектрах?
Задача 13.14. При комнатной температуре ЯМР-спектр фтора для CF2BrCBr2CN (нитрил Р,Р-дифтор-а,а,Р-трибромпропиоповой кислоты) дает один острый пик. По мере понижения температуры этот пик уширяется и при —98 °C расщепляется на два дублета (равной площади) и синглет. Общая площадь дублетов значительно больше (больше чем вдвое) площади синглета. Интерпретируйте каждый спектр и объясните относительные площади пиков в низкотемпературном спектре.
ЯМР и конформационный анализ
При обсуждении конформационного анализа нам пришлось принять большую часть предложенного материала без доказательства (задача 17, стр. 141, и задача 8, стр. 298). Теперь, когда мы познакомились с методом ЯМР, рассмотрим одну из возможностей получения информации о форме молекул. Для простоты ограничим наше обсуждение замещенными циклогексанами.
В конформационном анализе многое зависит от изменения относительных количеств различных конформеров молекулы. Если измерения проводятся при различных температурах, то можно установить не только, какая конформация является более устойчивой, но и насколько она устойчивее, определив NF, NH к AS (разд. 18.11). Можно получить такую информацию из данных ЯМР тремя путями: а) из площадей пиков, б) из химических сдвигов и в) из констант спин-спинового взаимодействия.
Как уже было показано в разд. 13.13, многие низкотемпературные спектры ЯМР изображают молекулы в индивидуальных конформациях; это особенно характерно для производных циклогексана вследствие высокого барьера для взаимного превращения. Если данный протон находится в различном окружении, он даст сигналы, соответствующие каждому окружению; относительные площади пиков этих сигналов показывают относительные количества конформеров.
Чтобы ответить на вопрос, какой сигнал соответствует той или иной конформации, изучают модельные соединения, существующие в определенной предпочтительной конформации; это наиболее частое направление исследования. При изучении 4-трет-бутилзаметенных циклогексанов (разд. 9.16) было найдено, что экваториальный протон поглощает в более слабом поле, чем аксиальный, т. е. экваториальный протон менее экранирован, чем аксиальный. Это правило соблюдается для большинства исследованных соеди нений.
Задача 13.15. а) Хотя спектр ЯМР для бромциклогексана сложен, сигнал одного протона ясно виден (т 5,84; 6 4,16) в более слабом поле, чем остальные. Какой это протон и почему его сигнал так расположен? б) Сигнал, упомянутый в вопросе (а), представляет собой синглет при комнатной температуре, но при —75 °C расщепляется на два пика с неравными площадями (но суммарная интенсивность соответствует одному протону)- т 6,03 (6 3,97) и т 5,36 (6 4,64) с отношением 4,6 : 1. Как вы объясните расщепление пика? Какая конформация преобладает и (при —75 °C) какой процент молекул находится в этой конформации?
Задача 13.16. При комнатной температуре в ЯМР-спектре транс-4-трет-бутил-1-бромцик- логексана имеется пик в слабом поле (1Н) при т 6,17 (6 3,83); для цис-изомера соответствующий пик расположен при т 5,37 (6 4,63). Считая, что mpem-бутильная группа не создает прямого магнитного эффекта, чем вы объясните различие в положении химических сдвигов в двух спектрах? Подтверждают ли эти данные результаты конформационного анализа в задаче 13.15?
В обычном ЯМР-спектре химический сдвиг определенного протона -представляет собой среднее различных химических сдвигов для этого протона в различных конформациях. Например, для аксиального и экваториального протонов
т = Мете + NaTa или 6 = Ne6e + Na6a
где N — мольная доля конформера. Следовательно, наблюдаемое значение находится между значениями для двух конформеров и ближе к значению для преобладающего конформера.
Конечно, необходимо знать химические сдвиги для индивидуальных конформеров.-Это можно сделать двумя путями: измерив спектр при низкой температуре или измерив спектр 4-трет-бутилзамещенного циклогексана при условии, что mpem-бутильная группа занимает экваториальное положение и незначительно влияет на химический сдвиг.
Задача 13.17. а) При —81 °C среднее (равновесное) поглощение в слабом поле для бромциклогексана (экстраполированное из данных при более высоких температурах) находится при т 5,90 (6 4,10). Используя значения те и та (бе и 6а), из данных низкотемпературного спектра в задаче 13.15 рассчитайте процентное содержание каждого конформера прн —81 °C. Сравните полученные результаты с данными, рассчитанными из площадей пиков в задаче 13.15. б) При комнатной температуре в ЯМР-спектре бромциклогексана в слабом поле имеется пик.прн т 5,84 (6 4,16). Используя те же значения те и та (6е и 6а), как в вопросе (а), рассчитайте процентное содержание каждого конформера при комнатной температуре, в) Сделайте такой же расчет, используя значения те и та (6е и 6а) из данных задачи 13.16. Сравните этот ответ с ответом в вопросе (б).
Задача 13.18. При комнатной температуре спектр ЯМР чпс-4-метил-1-бромцнклогексана дает пик в слабом поле (1Н) при т 5,51 (б 4,49). Используя значения те и та (6е и 6а) из данных задачи 13.16, рассчитайте процентное содержание каждой конформации.
Jhh 2-4 ГцJhh 2-4 ГцВеличина константы спин-спинового взаимодействия между протонами двух соседних атомов углерода зависит от величины диэдрального угла между этими протонами. Исследование многих производных показывает, что для взаимодействия между анти-протонами (a,a) J в два или три раза больше, чем между протонами, находящимися в скошенной конформации (а,е или е,е).
Jhh 2-4 Гц
Jhh 2-4 Гц
[Теоретические расчеты, проведенные Мартином Карплусом в Колумбийском университете, показывают, что J должно зависеть от косинуса диэдраль- ного угла. Константа J должна быть равна нулю для угла 90° (1,571 рад), достигать среднего значения при изменении угла от 90° (1,571 рад) до 0° и увеличиваться до большой величины при переходе от 90° (1,571 рад) к 180° (3,141 рад).]
На рис. 13.17 приведен пример сложного спектра, в котором можно выделить некоторые важные пики. Константы спин-спинового взаимодействия для сигналов в слабом поле были интерпретированы в пользу преимущественного существования кольца, содержащего эти протоны, в твист-форме.
Задача 12.19. а) цис- и транс-3,3,4,5,5-Пентадейтеро-4-трет-бутилциклогексанолы дают ЯМР-спектры, аналогичные приведенному на рис. 13.18. Наблюдаемые константы взаимодействия
для (щс-изомера: Jac 3,00, J^c 2,72
для транс-изомера: Jac 4,31, J ьс 11,07
Как вы объясните эти данные: два небольших значения для ijac-изомера; одно небольшое и одно большое значение для транс-изомера? б) Для 3,3,4,4,5,5,-гексадейтероциклогек- санола (рис. 13.18) константы взаимодействия равны J^ 4,09 и Jbc 10,17. В свете вопроса (а) что предполагают эти значения? Какая конформация преобладает?
Спектр электронного парамагнитного резонанса (ЭПР)
Свободный радикал помещают в магнитное поле и подвергают электромагнитному облучению. Как себя будет вести свободный неспаренный электрон? Этот электрон вращается и, таким образом, создает магнитный момент, который может быть направлен в направлении (по полю) или против направления (против поля) внешнего магнитного поля. Для того чтобы изменить спиновое состояние электрона из расположения по полю в менее устойчивое расположение против поля, требуется энергия. Эту энергию дает излучение соответствующей частоты. Получается спектр поглощения, который называется спектром электронного спинового резонанса (ЭСР) или спектром электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).
ЭПР-спектр аналогичен ЯМР-спектру. Однако магнитный момент электрона значительно больше, чем ядра протона, и требуется больше энергии для изменения направления спина. В поле напряженностью 3200 Гс, например, когда ЯМР-поглощение наблюдается примерно при 14 МГц, ЭПР-спектр наблюдается при более высокой частоте: 9000 МГц в микроволновой области.
Сигналы ЭПР, так же как сигналы ЯМР, расщепляются в результате взаимодействия со спинами некоторых соседних ядер: например, протонами, стоящими рядом с атомами углерода, на которых находится или делокализован свободный электрон. По этой причине ЭПР-спектроскопия может быть использована не только для обнаружения свободных радикалов и измерения их концентрации, но также и для получения данных об их структуре — что они собой представляют и как распределен свободный электрон в молекуле.
Задача 13.20. Хотя все электроны вращаются, только молекулы с неспаренными электронами (только свободные радикалы) дают ЭПР-спектры. Почему? (Замечание: рассмотрите возможность, когда под влиянием поля: а) повернут спин только одного электрона из пары; б) повернуты спины обоих электронов пары.)
Задача 13.21. В каждом из следующих случаев укажите, какой свободный радикал ответствен за ЭПР-спектр, и покажите, как возникает наблюдаемое расщепление, а) Облу-
чение йодистого метила рентгеновскими лучами при низкой температуре — сигнал из 4 линий, б) у-Облучение пропана и н-бутана при 77 К — симметричные сигналы с 8 и 7 линиями соответственно, в) Трифенилметилхлорид + цинк — очень сложный сигнал.
Спектральный анализ углеводородов. Масс-спектры
Масс-спектры углеводородов, особенно алканов, широко использовались как очень характерные «отпечатки пальцев» индивидуальных соединений (например, рис. 13.1). По мере накопления данных были сделаны выводы об определенных направлениях фрагментации, которые можно связать в общем виде со структурными особенностями соединений. Так же как и для других соединений, в данном случае пути предпочтительной фрагментации приводят к относительно устойчивым ионам — иногда непосредственно, иногда путем сложных перегруппировок.
Например, в масс-спектрах алкилбензолов имеется характерный пик при т!е 91. Он вызван не бензильным карбониевым ионом, как можно было бы предположить, а еще более устойчивым карбониевым ионом, имеющим такую же формулу (С7Н7)+,— ионом тропилия (разд. 10.14).
С6н5сн2-н* илиC6H5CH2-RtС6н5сн2-н* илиC6H5CH2-Rt
С6н5сн2-н* или
C6H5CH2-Rt
С6н5сн2-н* или
C6H5CH2-Rt
Задача 13.22. Рис. 13.1 иллюстрирует некоторые общие характерные особенности масс- спектров углеводородов, а) Сравните алканы с прямой и с разветвленной цепями по относительной интенсивности М+ пика, б) На что указывает менее интенсивный М+ пик? Как вы объясните спектры в вопросе (а)? в) Какова вероятная структура иона, дающего основной пик в каждом из этих спектров? г) Выделите другие важные пики в спектрах и предложите возможные структуры, соответствующие этим пикам.
Задача 13.23. В масс-спектрах алкенов основные пикн, как правило, появляются при т/е 41,53, 65 и т. д. Какими ионами вероятнее всего обусловлены эти пики? Напишите уравнение, чтобы показать место предпочтительного расщепления нона (СН3СН2СН2СН=СН2)+.
Задача 13.24. В масс-спектре mpem-пентилбензола основной пик расположен при т/е 119. Каким ионом вызан этот пик и на какое место предпочтительного расщепления он указывает? Какой пик может быть важным в масс-спектре 3-феннлпентана? (Замечание: см. табл. 2.1, стр. 50.)
Спектральный анализ углеводородов.
Инфракрасные спектры
В этом первом рассмотрении инфракрасных спектров будут показаны полосы поглощения, вызываемые колебаниями углерод-водородных и углерод-углеродных связей,— связей, которые постоянно проявляются во всех спектрах, поскольку все соединения наряду с различными функциональными группами содержат углерод и водород. На первый взгляд эти спектры покажутся сложными и запутанными. Необходимо научиться выбирать из множества полос те, которые наиболее характерны для определенных структурных особенностей.
' Рассмотрим сначала различные типы колебаний и посмотрим, как положение полос, связанных с ними, изменяется с изменением структуры.
Полосы, вызываемые колебаниями углерод-углеродной связи, могут появиться приблизительно при 1500 и 1600 см-1 для ароматических связей, при 1650 см-1 для двойных связей (сдвигаются к 1600 см-1 при сопряжении) и при 2100 см-1 для тройных связей. Однако эти полосы часто ненадежны. (Они могут исчезать совсем для совершенно симметричных замещенных алканов и алкенов, потому что колебания не вызывают изменения дипольного момента, который имеет значение для поглощения в инфракрасной области.) Чаще используются полосы, возникающие в результате различных колебаний углерод-водородных связей.
Поглощение, вызываемое колебаниями углерод-водородных связей и наблюдаемое в высокочастотном конце спектра, характеризует гибридизацию углерода, связанного с водородом: при 2800—3000 см-1 для тетраэдрического углерода, при 3000—3100 сы1 для тригонального углеродного атома (алкены и ароматические кольца) и при 3300 см-1 для дигонального углерода (алкины).
Поглощение, вызываемое различными типами углерод-водородной связи и наблюдаемое при более низких частотах, также может характеризовать структуру. Метильная и метиленовая группы поглощают примерно при 1430—1470 см-1; для метильной группы имеется другая, очень характеристичная полоса при 1375 см-1. Характерно и изопропильное «расщепление»: дублет с равной интенсивностью двух пиков при 1370 и 1385 см-1 (подтвержденное полосой при 1170 см-1). mpem-Бутильная группа дает несимметричный дублет: полоса при 1370 см-1 (интенсивная) и при 1395 см-1 (полоса средней интенсивности).
Деформационные колебания углерод-водородных связей в алкенах и ароматических кольцах происходят как в плоскости двойной связи или кольца, так и вне плоскости, и из них чаще используются последние. Для алкенов внеплоскостные деформационные колебания дают сильные полосы в области 800—1000 см-1, причем точное положение зависит от природы и числа заместителей и от стереохимии.
RCH=CH2 910 — 920 см-14uc"RCH=CHR 675 — 730 см-1 (меняется)
R2C=CH2 880 — 900 см-1mpaHC-RCH=CHR 965 — 975 см"*
Для ароматических колец внеплоскостные колебания С—Н дают сильное поглощение в области 675—870 см-1, причем точная частота зависит от числа и положения заместителей; для многих соединений поглощение наблюдается при следующих частотах:
монозамещенные: 690 — 710 см-1л-дизамещенные: 690 — 710 см-1
730 — 770 см-1750 — 810 см-1
о-дизамещенные: 735 — 770 см-1п-дизамещенные: 810 — 840 см-1
Какую же информацию можно получить из инфракрасного спектра углеводорода? Для начала довольно легко можно определить, является ли соединение ароматическим или чисто алифатическим. Спектры на рис. 13.2 показывают характерное различие: поглощение алифатического соединения, наибольшее при более высоких частотах, существенно уменьшается ниже 900 см-1; ароматическое поглощение сильно при низких частотах (внеплоскостные С—Н-колебания) между 650 и 900 см""1. Кроме того, ароматическое кольцо дает С—Н-поглощение при 3000—3100 см-1; часто наблюдается поглощение углерод-углеродных связей при 1500 и 1600 см-1 и плоскостное С—Н-колебание в области 1000—1100 см-1.
Алкены дают полосу валентного С—Н-колебания при 3000—3100 см-1 и наиболее характеристичную сильную полосу внеплоскостного деформационного С—Н-колебания в области 800—1000 см-1.
Алкины с концевой тройной связью RC=CH характеризуются колебанием С—Н, которому соответствует интенсивная и четкая полоса при 3300 см-1, и колебанием связи С=С при 2100 см"1. Дизамещенный алкин не дает полосы при 3300 см-1, и если заместители одинаковы, то может отсутствовать и полоса при 2100 см-1.
Некоторые из этих характеристичных полос отмечены в спектрах на рис. 13.2.
Задача 13.25. Какая структура наиболее вероятна для углеводорода с формулой С6Н12, который дает сильное поглощение при 2920 и 2840 см-1 и при 1450 см-1; полосы выше 2920 см-1 и в области ниже 1450 до около 1250 см-1 отсутствуют.
Спектральный анализ углеводородов.
ЯМР-спектры
Применение ЯМР-спектроскопии для изучения углеводородов не требует специального обсуждения, помимо того, что дано в разд. 13.6—13.11. Инфр акрасный спектр углеводородов, как и других типов соединений, позволяет определить, к какому классу относится соединение, а ЯМР-спектр помогает установить их строение.
ОБ АНАЛИЗЕ СПЕКТРОВ
В задачах даны молекулярные формулы соединений и требуется сделать вывод об их структуре по спектральным данным: иногда только из ИК- или ЯМР-спектров или из обоих. Обычно дается простое соединение и необходимо выявить лишь некоторые особенности спектра, чтобы ответить на вопрос. Для подтверждения ответа, однако, и для тренировки посмотрите, какую информацию можно получить из спектра: попытайтесь идентифицировать максимальное число полос в ИК-спектре, отнести все сигналы в ЯМР- спектре к определенным протонам и проанализировать различные спин-спиновые расщепления. Кроме того, посмотрите все возможные спектры, которые вы найдете в лаборатории, в других книгах, в каталогах спектров в библиотеке.
ЗАДАЧИ
." Напишите структуру или структуры, которые соответствуют следующим данным ЯМР: а) СзН5С15
а триплет, т 5,48 (6 4,52), 1Н
b дублет, т 3,93 (6 6,07), 2Н
C3H5CI3
а синглет, т 7,80 (6 2,20), ЗН
b синглет, т 5,98 (6 4,02), 2Н
С4Н„Вг
а дублет, т 8,96 (6 1,04), 6Н
b мультиплет, т 8,05 (6 1,95), 1Н
с дублет, т 6,67 (6 3,33), 2Н
С10Н14
а синглет, т 8,70 (6 1,30), 9Н
b синглет, т 2,72 (6 7,28), 5Н
Д) CioHt4
а дублет, т 9,12 (6 0,88), 6Н
b мультиплет, т8,14 (6 1,86), 1Н
с дублет, т 7,55 (6 2,45), 2Н
d синглет, т 2,88 (6 7,12), 5Н
С9Н10
а квинтет т 7,96 (6 2,04), 2Н
Ь триплет, т 7,09 (6 2,91), 4Н
с синглет, т 2,83 (6 7,17), 4Н
C10H13CI
а синглет т 8,43 (6 1,57), 6Н
b синглет т6,93 (8 3,07), 2Н
с синглет, т 2,73 (а 7,27), 5Н
С19Н12
а мультиплет, т 9,35 (6 0,65), 2Н
b мультиплет, т9,19 (6 0,81), 2Н
с синглет, т 8,63 (6 1,37), ЗН
d синглет, т 2,83 (6 7,17), 5Н
С9НпВг
а квинтет, т 7,85 (6 2,15), 2Н
b триплет, т 7,25 (6 2,75), 2Н
с триплет, т 6,62 (6 3,38), 2Н
d синглет, т 2,78 (6 7,22), 5Н
CSH5C1F2
а триплет, т 8,25 (6 1,75), ЗН
b триплет, т 6,37 (6 3,63), 2Н
Идентифицируйте стереоизомерные 1,3-дибром-1,3-диметилциклобутаны на основании их ЯМР-спектров:
Изомер Х:синглет, т 7,87 (6 2,13), 6Н
синглет, т 6,79 (6 3,21), 4Н
Изомер Y: синглех, т 8,12 (6 1,88), 6Н
дублет, т7,16 (6 2,84), 2Н
дублет, т 6,46 (6 3,54), 2Н
Дублеты имеют одинаковую интенсивность.
При обработке мезитилена (ЯМР-спектр, рис. 13.5) HF и SbF5 в жидком SO2 в ЯМР- спектре наблюдаются следующие пики (все синглеты): т 7,2 (6 2,8), 6Н; т7,1 (6 2,9), ЗН; т 5,4 (6 4,6), 2Н и т 2,3 (6 7,7), 2Н. Каким соединением обусловлен спектр? Проведите отнесение всех пиков спектра.
Какое общее значение для химической теории имеет такое наблюдение?
а) При каталитическом гидрировании соединение А (С5Н8) дает цпс-1,2-диметил- циклопропан. На основаннн этого считают, что для соединения А возможны три изомерные структуры. Какие? б) Отсутствие в ИК-спектре полосы при 890 см-1 исключает одну структуру. Какую? в) В ЯМР-спектре соединения А имеются сигналы при т 5,05 (6 4,95) и т 3,87 (6 6,13) с отношением интенсивностей 3 : 1. Какая из трех структур в вопросе (а) находится в соответствии с этим спектром? г) Основной пик в масс-спектре найден при т/е 67. Каким ионом вероятнее всего вызван этот пик и как вы объясните его относительное содержание? д) Соединение А было синтезировано в одну стадию из соединения с открытой цепью. Как это было сделано?
Рентгеноструктурный анализ показал, что (18]-аннулен (задача 9, стр. 329, п = 9) имеет плоское строение. В ЯМР-спектре наблюдаются две широкие полосы: т 1,1 и т 11,8, отношение площадей пиков 2:1. а) Соответствуют ли эти свойства ароматичности? Объясните, б) Можно ли предсказать ароматичность для этого соединения? Объясните. (Замечание; аккуратно напишите структурную формулу соединения, учитывая углы связей и указывая все атомы водорода.)
Углеводород А (С8Нв) дает в ЯМР-спектре два сигнала: т 3,45 (6 6,55) и т 6,16 (6 3,84) с отношением площадей пиков 2:1. При нагревании в пиридине в течение Зч соединение А количественно превращается в бензол. Мягкое гидрирование соединения А приводит к продукту Б: масс-спектр, мол. вес 82; в ИК-спектре нет двойных полос; в ЯМР-спектре имеется один широкий пик при т 7,66 (6 2,34). а) Сколько колец в соединении Б? (См. задачу 9.17.) б) Сколько колец может быть в соединении А? Сколько двойных связей в соединении А? в) Предложите структуры А и Б. г) В ЯМР-спектре соединения А в сильном поле имеется квинтет, а в слабом поле — триплет. Как объяснить такое расщепление?--*
Пять известных 1.2,3,4,5,6-гексахлорциклогексанов можно описать в зависимости от экваториального (е) или аксиального (а) расположения атомов хлора: ееееее, еееееа, ееееаа, ееаееа, еееааа. Измерены их спектры ЯМР. Для каких изомеров будут: а) только один пик (два изомера); б) два пика, 5Н : 1Н (один изомер); в) два пика, 4Н :’2Н (два изомера)? г) Для какого нз изомеров в вопросе (а) ЯМР-спектр не будет изменяться при низкой температуре? Для какого изомера будет происходить расщепление сигнала на два пика? Предскажите относительные области пиков для последнего случая.
Напишите структуру или структуры, которые соответствуют каждому ИК-спектру на рис. 13.19.
Напишите структуру или структуры соединений, спектры которых соответствуют ЯМР-спектрам на рис. 13.20.
Напишите структуру или структуры, которые соответствуют каждому из ЯМР- спектров на рис. 13.21.
Напишите структуру или структуры соединения С9Н10, ИК- и ЯМР-спектры которого приведены на рис. 13.22.
пропускание, %Пропускание, %Пропускание, %
Частота., см-/
5000 4000 3000 25002000150014001300 1200 11001000900800700
23456789101112131415
Длина волны, мкм
Частота, см~1
Частота, см-1
5000 4000 3000 250020001500140013001200 1100 1000900800700
Длина волны, мкм
Рис. 13.19. Инфракрасные спектры к задаче 8.
400300200100ОГЦ
чJ=тIIр-'
(б) ад4
Рис. 1.3 2L ЯМР-спектры к задаче 10.
Частота, см-1
Рис. 13.22. Инфракрасный и ЯМР-спектры для соединения СдН10, задача 11.
1414Н2С=СН—СН2Вгаллилбромид(3-бромпропен-1)Н2С=СН—СН2Вгаллилбромид(3-бромпропен-1)циклогексил- бромидциклогексил- бромидхлористый бензилхлористый бензилп-нитробензилбромивп-нитробензилбромивхлористый винилхлористый винилСН2—СН2I IВг Вгбромистый этилен(1,2-дибромэтан)СН2—СН2I IВг Вгбромистый этилен(1,2-дибромэтан)СН2—СН2I IОН Вгэтиленбромгидрин(2-бромэтанол)СН2—СН2I IОН Вгэтиленбромгидрин(2-бромэтанол)
14
14
Н2С=СН—СН2Вг
аллилбромид(3-бромпропен-1)
Н2С=СН—СН2Вг
аллилбромид(3-бромпропен-1)
циклогексил- бромид
циклогексил- бромид
хлористый бензил
хлористый бензил
п-нитробензилбромив
п-нитробензилбромив
хлористый винил
хлористый винил
СН2—СН2I I
Вг Вг
бромистый этилен(1,2-дибромэтан)
СН2—СН2I I
Вг Вг
бромистый этилен(1,2-дибромэтан)
СН2—СН2
I I
ОН Вг
этиленбромгидрин(2-бромэтанол)
СН2—СН2
I I
ОН Вг
этиленбромгидрин(2-бромэтанол)
А лкилгалогениды
НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ В АЛИФАТИЧЕСКОМ РЯДУ
Строение
Алкил галогенидами называются соединения общей формулы R—X, где R — любая простая или замещенная алкильная группа, например:
СН3Iсн3—с—сн3
С1трет-бутилхлорид(2-хлор-2-метилпропан)
СН2=СНС1
Замещенные алкилгалогениды, конечно, вступают в реакции, характерные для других функциональных групп, имеющихся в молекуле, например нитрование хлористого бензила, окисление этиленбромгидрина, присоединение к бромистому аллилу, но как галогениды они реагируют в значительной степени подобно этил-, изопропил- или трет-бутилгалогенидам.
Соединения, в которых атом галогена связан непосредственно с ароматическим кольцом (арилгалогениды', например бромбензол), настолько отличаются от алкилгалоген идов и по методам получения, и по свойствам, что они рассматриваются отдельно в гл. 26. В настоящий момент важно знать, что арилгалогениды, как правило, очень инертны в реакциях, типичных для алкилгалогенидов.
Номенклатура
Мы уже знаем, что алкилгалогениды можно называть как по рациональной номенклатуре, так и по системе ШРАС.
Физические свойства
Вследствие большого молекулярного веса температуры кипения алкил- галогенидов значительно выше, чем температуры кипения алканов с тем же числом атомов углерода. Для данной алкильной группы температура кипе-
Таблица 14.1
Физические свойства алкилгалогенидов
Алкил- или арилгалогенид
Хлорид
Бромид
Иодид
т. кип., °С/мм рт. ст.
плотность при 20 °C
т. кип., °С/мм рт. ст.
плотность при 20 °C
т. кип.
сС/мм рт. ст.
плотность
при
20 °C
Метил
—24
5
43
2,279
Этил
12,5
38
1,440
72
1,933
•н-Пропил
47
0,890
71
1,333
102
1,747
м-Бутил
78,5
0,884
102
1,276
130
1,617
н-Пентил
108
0,883
130
1,223
157
1,517
н-Гексил
134
0,882
156
1,173
180
1,441
•я-Гептил
160
0,880
180
204
1,401
•я-Октил
185
0,879
202
225,5
Изопропил
36,5
0,859
60
1,310
89,5
1,705
Изобутил
69
0,875
91
1,261
120
1,605
■втор-Бутил
68
0,871
91
1,258
119
1,595
трет-Бутил
51
0,840
73
1,222
100 (разл.)
Циклогексил
142,5
1,000
165
Винил (галогенэтилен)
—14
16
56
Аллил (3-галогенпропен)
45
0,938
71
1,398
103
Кротил (1-галогенбу-
84
132
тен-2). Метилвинилкарбинил
64
(З-галогенбутеи-1)
Пропаргил (3-галогенпро- пин)
65
90
1,520
115
Бензил
179
1,102
201
93/10
•а-Фенилэтил (а-фенетил)
92/15
85/10
.Р-Фенилэтил (Р-фенетил)
92/20
92/11
127/19
Дифенилметил
173/19
184/20
Трифеннлметил
310
230/15
.Дигалогенметан
40
1,336
99
2,49
180 (разл.)
3,325
Тригалогенметаи
61
1,489
151
2,89
Возг.
4,008
Тетрагалогенметан
77
1,595
189,5
3,42
Возг.
4,32
1,1 -Дигалогенэтан
57
1,174
ПО
2,056
179
2,84
1,2-Дигалогенэтан
84
1,257
132
2,180
Разл.
2,13
Тригалогенэтилен
87
164
2,708
Тетрагалогенэтилен
121
Возг.
Бензальгалогенид
205
140/20
Бензотригалогенид
221
1,38
ния повышается с увеличением атомного веса галогена, так что фториды имеют самые низкие, а иодиды — наиболее высокие температуры кипения.
Хотя алкилгалогениды — полярные соединения, они нерастворимы в азоде, вероятно, вследствие того, что они не способны образовывать водородные связи. Они растворимы в обычных органических растворителях.
Иод-, бром- и полихлорпроизводные тяжелее воды.
Промышленные источники
В промышленном масштабе алкилгалогениды, главным образом хлориды из-за дешевизны хлора, получают чаще всего прямым галогенированием
углеводородов при высокой температуре, необходимой для протекания свободнорадикальных реакций, например;
ci,. пгс освещениеci,. пгс освещениетолуолтолуолхлористый бензилхлористый бензил
ci,. пгс освещение
ci,. пгс освещение
толуол
толуол
хлористый бензил
хлористый бензил
С12, 600 °сСН2=СН—СН3> СН2=СН—СН2С1
пропиленхлористый аллил
ci2Cigci2С|2
СН,> СН3С1> СН2С12 > CHCL> СС14
нагреваниенагреваниенагреваниенагревание
метан Cig.
СНдСН^Н^Нз -——> СН3СН2СН2СН2С1 + СН3СН2СНСН3zov 4uUI
Cl н-бутаня-бутилхлорид e/яор-бутилхлорнд
Обычно образуются смеси изомеров и соединений с различным числом атомов галогена; тем не менее эти реакции находят применение в промышле н ности, поскольку эти смеси можно использовать без разделения или выделить компоненты фракционной перегонкой.
Некоторые важные галогениды получают методами, аналогичными используемым в лаборатории, например хлористый винил
НС1, HgCl2
НС=СН> СН2=СНС1
ацетиленхлористый винил
Cig500 °C
Н2С=СН2 > СН2—СН2 > СН2=СНС1
этиленА, А, хлористый винил
Многие соединения фтора получают не прямым фторированием, а заменой хлора на фтор при действии неорганических фторидов
СН3С1 + Hg2F2 * CH3F + Hg2Cl2фтористыйметил,т. кип —79 °C
CCI4 + SBFs у- CC12F2 дифтордихлорметан (фреон-12), т. кип —28 °C
Очень важные полифториды, известные под названием фторуглеродов, получают замещением атомов водорода на фтор при действии неорганическ их фторидов на углеводороды (пер — полностью замещенный).
C,Hle + 32CoF3 —-* C,Fle + 16HF + 32CoF2 я-гептанперфторгептан,
т. кип 84 °C(2CoF2 + F2 >- 2CoF3)
Трехфтористый кобальт CoF3 является удобным фторирующим агентом.
Методы синтеза
Ниже приведены методы, используемые для синтеза алкилгалогенидов в лаборатории.
МЕТОДЫ СИНТЕЗА АЛКИЛГАЛОГЕНИДОВ
Из спиртов (разд. 16.4 и 16.5)
НХ или РХзR—ОН>- R—X
Примеры:
коиц. НВг
СН3СН2СН2ОН-~——г* сн3сн2сн2Вг°или NaBr, H2SO4,
Н-пропиловЫЙ нагревание н-пропил-спиртбромид
©сн-сн3 -^ (5)сн-сн3
ОНВг
i фенилэтанол(бром- {-фенилэтан
(«-фенилэтиловый спирт) («-фенилэтипбромий)
Р+Н
СН3СН2ОН > СН3СН21этиловыйиодистый
спиртэтил
СН3СН3
jконц. HCI|
сн3—с—сн3>• сн, С—СН3
II
ОНС1
трот-бутиловыйтрет-бутилхлорид
спирт
Галогенирование некоторых углеводородов (разд. 4.21, 12.5—12.17)
Х2
R—Н > R—X + НХ
Примеры:Примеры:СН3СН3—С—СН3Iсн3СН3СН3—С—СН3Iсн3С12, нагревание или освещение >С12, нагревание или освещение >сн3сн3СНз-С—сн3СНз-С—сн3СН2С1СН2С1неопентаннеопентанхлористый неопентилхлористый неопентил
Примеры:
Примеры:
СН3
СН3—С—СН3Iсн3
СН3
СН3—С—СН3Iсн3
С12, нагревание или освещение >
С12, нагревание или освещение >
сн3
сн3
СНз-С—сн3
СНз-С—сн3
СН2С1
СН2С1
неопентан
неопентан
хлористый неопентил
хлористый неопентил
Вг2. кипячение, освещениеВг2. кипячение, освещениебромистый бензилбромистый бензил©сиз
Вг2. кипячение, освещение
Вг2. кипячение, освещение
бромистый бензил
бромистый бензил
толуол
Присоединение галогеноводородов к алкенам (разд. 6.6 и 6.7)
Присоединение галогенов к алкенам и алкинам
II х2 II
—С=С— > —С-С— (разд. 6.5)
I I
X X
X X
2Х2 I I
—С=С— >- —С—С— (разд. 8-8)
X X
Обмен галогена (разд. 14.5)
ацетон
R—X + Г > R—1 + X"
Алкилгалогениды почти всегда синтезируют из спиртов, которые получаются в промышленном масштабе (разд. 15.6) или легко синтезируются в лаборатории (разд. 16.9 и 16.10). Хотя некоторые спирты склонны к перегруппировкам (разд. 16.4) при замене группы ОН на галоген, эту тенденцию можно свести к минимуму, используя галогениды фосфора.
Н аллильный бойороЗН аллильный бойороЗX аллилгалогенийX аллилгалогенийбензильныйкпдовайбензильныйкпдовайX бекзилгалогениЗX бекзилгалогениЗНекоторые галогениды лучше получать прямым галогенированием. Наиболее важные из этих способов заключаются в замещении очень реакционноспособных аллильных или бензильных водородов на галоген
Н аллильный бойороЗ
Н аллильный бойороЗ
X аллилгалогений
X аллилгалогений
бензильныйкпдовай
бензильныйкпдовай
X бекзилгалогениЗ
X бекзилгалогениЗ
R:X+ :ZR:X+ :ZR:Z + :Х"R:Z + :Х"Нуклеофильное замещениеНуклеофильное замещение
R:X+ :Z
R:X+ :Z
R:Z + :Х"
R:Z + :Х"
Нуклеофильное замещение
Нуклеофильное замещение
Йодистые алкилы часто получают обработкой соответствующих бромидов или хлоридов раствором йодистого натрия в ацетоне; менее растворимый бромистый или хлористый натрий выпадает в осадок, и его можно отфильтровать.
Реакции
Ион галогена — очень слабое основание. О его нежелании разделять свои электроны свидетельствует его тенденция отдавать ион водорода, т. е. высокая кислотность галогеноводородов.
Галоген, связанный с углеродом, можно легко заменить в виде иона галогена на другое более сильное основание. Эти основания имеют свободную пару электронов и стремятся к относительно положительной части молекулы, т. е. стремятся к ядру, с которым можно разделить их электроны.
Основные богатые электронами реагенты называются нуклеофилами (от греческого — любящий ядро). Типичными реакциями алкилгалогенидов являются реакции нуклеофильного замещения.
Вследствие легкости, с которой происходит замещение слабоосновных ионов галогена, их называют хорошими уходящими группами.
(Арил- и винилгалогениды вступают в реакции нуклеофильного замещения с большим трудом; разд. 26.7.)
Алкилгалогениды реагируют со многими нуклеофильными реагентами, как органическими, так и неорганическими, образуя большое число важных соединений. К этим реагентам относятся не только отрицательно заряженные ионы, например окси-, алкокси- и цианид-ионы, но и такие нейтральные соединения, как вода и аммиак; характерная особенность этих реагентов — наличие свободной пары электронов.
Нуклеофильное замещение галогена в алкилгалогенидах представляет собой одну из трех или четырех наиболее важных в синтетическом отношении органических реакций. Значение спиртов в большой степени обусловлено их легким превращением в алкилгалогениды, обладающие хорошими уходящими группами,
Чтобы дать представление о возможностях использования алкилгало- генидов, ниже приведено большое число реакций нуклеофильного замещения; многие из этих реакций подробно обсуждаются в следующих главах.
Известно (разд. 5.13 и 8.12), что алкилгалогениды вступают не только в реакции замещения, но также и реакции элиминирования — реакции, которые важны для синтеза алкенов. И элиминирование, и замещение протекают под действием основных реагентов, и, следовательно, между ними возможна конкуренция. Интересно выяснить, как различные факторы, такие, как строение галогенида и природа используемого нуклеофильного реагента, влияют на направление реакции.
Реакции нуклеофильного замещения и элиминирования алкилгалогени- дов будут рассмотрены довольно подробно, поскольку они хорошо иллюстрируют влияние структуры на реакционную способность, а также методы, которые можно использовать для установления механизмов реакций.
Наконец, алкилгалогениды можно восстановить каталитически или химически. Химическое восстановление проводят с помощью различных сочетаний металл — кислота, включая и известный двухстадийный синтез: образование и гидролиз реактивов Гриньяра. Восстановление 1,1-дигалоген- производных, получаемых в результате присоединения метилена, является ключевой стадией в синтезе циклопропанов.
РЕАКЦИИ АЛКИЛГАЛОГЕНИДОВ
1. Нуклеофильное замещение R:X + :Z>R:Z+ :Х~ R:X + :ОН~♦ R:OH + :Х~ R:X 4-Н2О»R:OH R:X+ :OR">R:OR'1. Нуклеофильное замещение R:X + :Z>R:Z+ :Х~ R:X + :ОН~♦ R:OH + :Х~ R:X 4-Н2О»R:OH R:X+ :OR">R:OR'R:X + ':C=CR'> R:C=CR'R:X + ':C=CR'> R:C=CR'R:X + Na+-:R'»R:R'R:X + Na+-:R'»R:R'R:X+ :Г>R:1
1. Нуклеофильное замещение R:X + :Z>R:Z+ :Х~ R:X + :ОН~♦ R:OH + :Х~ R:X 4-Н2О»R:OH R:X+ :OR">R:OR'
1. Нуклеофильное замещение R:X + :Z>R:Z+ :Х~ R:X + :ОН~♦ R:OH + :Х~ R:X 4-Н2О»R:OH R:X+ :OR">R:OR'
R:X + ':C=CR'> R:C=CR'
R:X + ':C=CR'> R:C=CR'
R:X + Na+-:R'»R:R'
R:X + Na+-:R'»R:R'
R:X + :CN~>R:CN
R:X + R'COO:-» R'COO;R
R:X+ :NH3>R:NH2
R:X + :NH2R' . R:NHR'
R:X + :NHR'R" > R:NR'R"
R:X + :P(C6H5)3> [R;P(C6H5)3]'X-
R:X+ :SH~>R:SH
R:X + :SR'-> R:SR'
R:X 4- ArH + A1C13> ArR
R: X 4- [CH(COOC2H6)2] >
> R:CH(COOC2H5)2
R:X + [CHgCOCHCOOQHs]-> > CH3COCHCOOC2H5
R
СпиртСпиртПростой эфир (синтезВильямсона, разд. 17.7)Алкин (разд. 8.12)Алкан (синтез Вюрца, разд. 4.19)Йодистый алкилНитрил (разд. 18.8)Сложный эфирПервичный амин (разд. 22.10)Вторичный амин (разд. 22.12)Третичный амин (разд. 22.12) Соли фосфония (разд. 27.12) Тиол (меркаптан)Тиоэфир (сульфид)Алкилбензол (реакция Фриделя—Крафтса, разд. 12.6) (Синтез при помощи малонового эфира, разд. 29.9)(Синтез при помощи ацетоуксусного эфира, разд. 30.4)СпиртСпиртПростой эфир (синтезВильямсона, разд. 17.7)Алкин (разд. 8.12)Алкан (синтез Вюрца, разд. 4.19)Йодистый алкилНитрил (разд. 18.8)Сложный эфирПервичный амин (разд. 22.10)Вторичный амин (разд. 22.12)Третичный амин (разд. 22.12) Соли фосфония (разд. 27.12) Тиол (меркаптан)Тиоэфир (сульфид)Алкилбензол (реакция Фриделя—Крафтса, разд. 12.6) (Синтез при помощи малонового эфира, разд. 29.9)(Синтез при помощи ацетоуксусного эфира, разд. 30.4)Дегидрогалогенирование: элиминирование (разд. 5.13—5.15, 14.17—14.20)
Спирт
Спирт
Простой эфир (синтез
Вильямсона, разд. 17.7)
Алкин (разд. 8.12)
Алкан (синтез Вюрца, разд. 4.19)
Йодистый алкил
Нитрил (разд. 18.8)
Сложный эфир
Первичный амин (разд. 22.10)
Вторичный амин (разд. 22.12)
Третичный амин (разд. 22.12) Соли фосфония (разд. 27.12) Тиол (меркаптан)
Тиоэфир (сульфид)
Алкилбензол (реакция Фриделя—Крафтса, разд. 12.6) (Синтез при помощи малонового эфира, разд. 29.9)
(Синтез при помощи ацетоуксусного эфира, разд. 30.4)
Спирт
Спирт
Простой эфир (синтез
Вильямсона, разд. 17.7)
Алкин (разд. 8.12)
Алкан (синтез Вюрца, разд. 4.19)
Йодистый алкил
Нитрил (разд. 18.8)
Сложный эфир
Первичный амин (разд. 22.10)
Вторичный амин (разд. 22.12)
Третичный амин (разд. 22.12) Соли фосфония (разд. 27.12) Тиол (меркаптан)
Тиоэфир (сульфид)
Алкилбензол (реакция Фриделя—Крафтса, разд. 12.6) (Синтез при помощи малонового эфира, разд. 29.9)
(Синтез при помощи ацетоуксусного эфира, разд. 30.4)
I ! основание I i
—С—С—> —С=С—
I I
Н X
Синтез реактива Гриньяра (разд. 4.18 и 15.14) сухой эфир RX + Mg> RMgX
Восстановление (разд. 4.17)
№
Каталитическое: RX + Н2->■ RH + НХ Химическое: RX + М + Н+> RH + М+ + X-
Примеры:
Fe, н2оСС14 >- СНС13
четырех- хлороформхлористыйуглерод
MgDZO
(CH3)3CCI >• (CH3)3CMgCl > (CH3)3CD
7,7 дибромноркаран7,7 дибромноркаранноркаранноркаран
7,7 дибромноркаран
7,7 дибромноркаран
норкаран
норкаран
Скорость реакции: влияние концентрации.
Кинетика
Прежде чем перейти к обсуждению реакций нуклеофильного замещения в алкилгалогенидах, рассмотрим, какие факторы определяют скорость реакции.
Скорость химической реакции можно выразить как произведение трех факторов (разд. 2.20)
Скорость = Частота столкновений хЭнергетический фактор х Фактор вероятности
До сих пор это выражение использовалось для объяснения направления ориентации и относительной реакционной способности; при этом проводили сравнение скоростей различных реакций. В одинаковых условиях, которые можно контролировать (температура, концентрация), родственные реакции протекают с различными скоростями в основном потому, что они имеют различные энергетические факторы, т. е. различные £акт. Часто различия в £акт можно объяснить, используя для оценки устойчивости переходных состояний теорию строения.
Полезно также изучить отдельную реакцию, чтобы выяснить, как изменения условий влияют на ее скорость. £акт можно определить из измерения скоростей при различных температурах (разд. 2.20). Но наиболее ценную информацию о реакции дает изучение влияния концентрации на ее скорость.
Как же влияет изменение концентрации реагирующих веществ на скорость реакции при постоянной температуре9 Увеличение концентрации не может изменить часть столкновений, имеющих достаточную для реакции энергию, или часть столкновений, имеющих соответствующую ориентацию; оно может только увеличить общее число столкновений. Если в каком-то определенном пространстве находится больше молекул, то они будут сталкиваться чаще и реакция будет идти быстрее. Частота столкновений и, следовательно, скорость реакции зависят от концентрации.
Кинетика реакции нуклеофильного замещения в алифатическом ряду.
Реакции первого и второго порядка
Рассмотрим в качестве примера реакцию бромистого метила с едким натром, в результате которой образуется метиловый спирт
СН3Вг + ОН" ► СН3ОН + Вг"
Эту реакцию, очевидно, следует проводить в водном этиловом спирте, в котором растворяются оба реагента.
Если реакция является результатом столкновения между ионом гидроксила и молекулой бромистого метила, то следует ожидать, что ее скорость будет зависеть от концентрации обоих реагентов. Если увеличить концентрацию ОН" (ЮНД) или СН3Вг ([СН3Вт]) вдвое, то частота столкновений, а также скорость реакции увеличится в два раза. Если любую из концентраций уменьшить наполовину, то частота столкновений и, следовательно, скорость должны уменьшится вдвое.
Установлено, что это действительно так. Скорость реакции зависит от концентрации обоих реагентов [ОН"1 и [СН3Вг1 в соответствии с уравнением
Скорость = к [СНаВг] [ОН"]
Если концентрации выражены в молях на литр, то к есть число (если его умножить на эти концентрации) молей метилового спирта, образующихся в каждом литре в секунду. При данной температуре и в данном растворителе к всегда имеет одно и то же значение и характерно для определенной реакции; к называют константой скорости. Например, для реакции бромистого метила с ионом гидроксила в смеси 80% этилового спирта и 20% воды при 55 °C к = = 0,0214 л-моль"1-С"1.
Это, конечно, не удивительно; известно, что увеличение концентрации вызывает ускорение реакции. Но рассмотрим соответствующую реакцию между трзт-бутилбромидом и ионом гидроксила
СН3СН3
СН3—С—СН3 + ОН" СН3—С—СН3 + Вг"II
ВгОН
Как и раньше, если повысить концентрацию [RBr] в два раза, то скорость увеличится вдвое; если уменьшить [RBr] наполовину, то скорость уменьшится в 2 раза. Но если увеличить или уменьшить [О Н~] вдвое, то скорость реакции не изменяется. Скзрэзтъ ргакции нз зазизит от ЮН" ].
Скорость реакции трз.тг-бутилбромида зависит только от [RBr], и ее можно выразить следующим уравнением:
Скорость = к [RBr]
Для реакции тргт-бутилбромица в 8Э%-ном этиловом спирте при 55 °C константа скорости составляет 0,010 с"1. Это означает, что независимо от [ОН"1 из каждого моля трзт-бутилбромида каждую секунду реагирует 0,010 моля.
Говорят, что реакция бромистого метила протекает по второму порядку, поскольку ее скорость зависит от концентрации дзух веществ, а реакция /npe/n-бутилбромида протекает по первому порядку, поскольку ее скорость зависит от концентрации только одного вещества. Как объяснить такое различие в порядке реакции? Как объяснить тот странный факт, что скорость реакции mpem-бутилбромида не зависит от [ОН"]?
Для объяснения различного кинетического порядка реакции, а также ряда других наблюдений было высказано предположение, что реакция ну-
клеофильного замещения может протекать по двум различным механизмам. В следующих разделах обсуждаются эти механизмы и факты, на основании которых они были предложены.
SN2-Реакция: механизм и кинетика
Реакция бромистого метила с гидроксил-ионом, приводящая к метиловому спирту, является реакцией второго порядка, т. е. скорость реакции зависит от концентрации обоих реагентов.
СН3Вг + ОН" *■ СН3ОН + Вг~
Скорость = к [СН3Вг] [ОН-]
В качестве простейшего объяснения можно принять, что реакция требует столкновения между ионом гидроксила и молекулой бромистого метила. Некоторые данные, которые будут кратко рассмотрены, свидетельствуют о
Рис. 14.1. 5^2-Реакция: полное обращение конфигурации. Нуклеофильный реагент атакует с тыла.Рис. 14.1. 5^2-Реакция: полное обращение конфигурации. Нуклеофильный реагент атакует с тыла.
Рис. 14.1. 5^2-Реакция: полное обращение конфигурации. Нуклеофильный реагент атакует с тыла.
Рис. 14.1. 5^2-Реакция: полное обращение конфигурации. Нуклеофильный реагент атакует с тыла.
том, что при атаке гидроксил-ион остается как можно дальше от брома, т. е. он атакует молекулу с тыла.
Реакция происходит, как показано на рис. 14.1. Когда гидроксил-ион сталкивается с молекулой бромистого метила со стороны, наиболее удаленной от брома, и когда такое столкновение имеет достаточную энергию, образуется связь С—ОН, а связь С—Вг разрывается и ион брома отщепляется.
Переходное состояние можно представить как структуру, в которой атом углерода частично связан с ОН и Вг; связь С—ОН еще полностью не образовалась, а связь С—Вг еще не совсем разорвалась. Отрицательный заряд гидроксильной группы уменьшился, так как она уже частично подала свои электроны на связь с углеродом. Бром приобрел частичный отрицательный заряд, так как он в какой-то степени оттянул пару электронов от углерода. Одновременно разрываются ион-дипольные связи между» гидроксил-ионом и растворителем и образуются новые ион-дипольные связи между ионом брома и молекулами растворителя.
Группы ОН и Вг располагаются на максимально возможном расстоянии друг от друга; три атома водорода и углерод лежат в одной плоскости, причем все углы между связями равны 120° (2,094 рад). Таким образом, связи С—Н расположены, как спицы в колесе, а связи С—ОН и С—Вг ориентированы вдоль оси.
Этот механизм называется SN2 — нуклеофильное бимолекулярное заметание. Термин «бимолекулярное» используется здесь, поскольку стадия, определяющая скорость реакции, включает столкновение двух частиц.
Какие же имеются доказательства в пользу того, что алкилгалогениды реагируют таким образом? Во-первых, механизм находится в соответствии с кинетикой реакции, аналогичной реакции между бромистым метилом и гидроксил-ионом. В общем случае SN2-реакция имеет второй порядок. Рассмотрим некоторые другие доказательства.
S^2 -Реакция: стереохимия
2-Бромоктан и октанол-2 представляют собой диссимметричные вещества, т. е. их молекулы не совместимы со своими зеркальными изображениями. Следовательно, эти соединения могут существовать в виде энантиомеров и проявлять оптическую активность. Оптически активный октанол-2 был синтезирован расщеплением рацемического спирта (разд. 7.10 и 29.7); из него был получен оптически активный 2-бромоктан. Эти соединения имеют следующие конфигурации (разд. 7.4 и 21.9):
1-^-2-брОМОКШМ, [«] =-36,0°1-^-2-брОМОКШМ, [«] =-36,0°СЩСЩV-У октанол-2- [«] = -10,3°V-У октанол-2- [«] = -10,3°
1-^-2-брОМОКШМ, [«] =-36,0°
1-^-2-брОМОКШМ, [«] =-36,0°
СЩ
СЩ
V-У октанол-2- [«] = -10,3°
V-У октанол-2- [«] = -10,3°
(—)-Бромид и (—)-спирт имеют аналогичные конфигурации, т. е. ОН занимает то же положение в (—)-спирте, что и Вг в (—)-бромиде. Как известно, соединения с одинаковой конфигурацией не обязательно вращают плоскость поляризации в одинаковом направлении; в приведенном примере они вращают в одном и том же направлении. [Соединения с одинаковой конфигурацией не обязательно имеют одно и то же обозначение R или S (разд. 7.4); в данном примере оба соединения имеют R-конфигурацию.] Если (—)-2-бром- октан реагирует с NaOH в условиях 8м2-реакции, то образуется (4)-окта- нол-2.
сн,сн.сн,сн.С-уг-бромохтав -^—* W-октанол-?И =-36,0“s«2[«1 =-Ю,з°бпппческая чистота, /00 % оптическая чистота. /00 %С-уг-бромохтав -^—* W-октанол-?И =-36,0“s«2[«1 =-Ю,з°бпппческая чистота, /00 % оптическая чистота. /00 %
сн,сн.
сн,сн.
С-уг-бромохтав -^—* W-октанол-?
И =-36,0“s«2[«1 =-Ю,з°
бпппческая чистота, /00 % оптическая чистота. /00 %
С-уг-бромохтав -^—* W-октанол-?
И =-36,0“s«2[«1 =-Ю,з°
бпппческая чистота, /00 % оптическая чистота. /00 %
Таким образом, ОН-группа занимает не то же положение, что занимал раньше Вг; образовавшийся спирт имеет конфигурацию, противоположную конфигурации бромида. Если реакция приводит к соединению, конфигурация которого противоположна конфигурации исходного вещества, то говорят, что реакция протекает с обращением конфигурации.
(В этом конкретном случае, по-видимому, обращение конфигурации сопровождается изменением обозначения R на S, но это не всегда так. Нельзя сказать, протекает реакция с обращением или сохранением конфигурации, на основании R- или S-обозначений конфигураций исходного и конечного соединений; необходимо нарисовать и сравнить абсолютные конфигурации, обозначаемые этими буквами.)
Возникает еще один вопрос: сопровождается ли такая реакция полной инверсией, т. е. происходит ли обращение конфигурации каждой реагирующей молекулы? На эти вопросы ответ положительный. SN2-Реакции протекают с полным обращением конфигурации.
Чтобы ответить на подобный вопрос, необходимо знать оптическую чистоту исходного и конечного веществ — в данном случае 2-бромоктана и октанола-2. Кроме того, необходимо знать максимальные вращения бромида и спирта, т. е. вращения оптически чистых образцов каждого соединения.
Предположим, что известно вращение оптически чистых 2-бромоктана [36,0° (0,628 рад)] и октанола-2 [10,3° (0,180 рад)]. Если из оптически чистого бромида образует- 29*
ся оптически чистый спирт, то, следовательно, реакция протекает с полным обращением конфигурации. Или, что встречается гораздо чаще, если из бромида с вращением —29,9° (—0,522 рад) (оптическая чистота 83%) образуется спирт с вращением +8,56° (0,149 рад) (оптическая чистота 83%), то можно сделать такой же вывод.
Ингольд (стр. 462) изучил эту реакцию на примере 2-бромоктаиа и получил результаты, которые после корреляции для небольшого вклада от 5ы1-Реакции и влияния образующегося в реакции иона брома (задача 14, стр. 473) привели его к выводу, что Sn2- реакция происходит, в пределах ошибки опыта, с полным обращением конфигурации.
Вызывала сомнения величина оптического вращения оптически чистого 2-бромок- тана, использованного Ингольдом, но основной вывод о полной инверсии в $ы2-реакциях подтвержден окончательно изучением других систем (не алкилгалогенидов, разд. 21.8) и элегантной работой по исследованию радиоактивности и оптической активности (задача 14, стр. 473).
Именно для объяснения обращени я конфигурации в ^2-реакциях впервые была выдвинута идея об атаке с тыла. По мере приближения ОН- к атому углерода три связи начинают раздвигаться, пока не достигнут в переходном состоянии плоского расположения, как «спицы» в колесе; затем по мере отхода атома брома они снова приобретают тетраэдрическое расположение, но противоположное исходному. Этот процесс часто сравнивают с выворачиванием зонтика от сильного ветра.
НО"НО"8 ц 2-реакция:полное обращение конфигурации8 ц 2-реакция:полное обращение конфигурации
НО"
НО"
8 ц 2-реакция:полное обращение конфигурации
8 ц 2-реакция:полное обращение конфигурации
Стереохимия реакции 2-бромоктана свидетельствует об атаке с тыла в соответствии с 8м2-механизмом; исследование других оптически активных соединений в условиях, когда реакция имеет второй порядок, дало аналогичные результаты. Стереохимию большинства алкилгалогенидов нельзя исследовать, поскольку они оптически неактивны; однако нет причин сомневаться в том, что они также подвергаются атаке с тыла.
Таким образом, 8м2-механизм подтвержден стереохимическими данными. В действительности связь между механизмом реакции и ее стереохимией настолько хорошо установлена, что при отсутствии других данных полное обращение конфигурации используется как доказательство 8м2-реакции.
Это еще один пример того, как изучение стереохимии реакции дает нам информацию, которую нельзя получить какими-либо ругими методами.
Обращение конфигурации является общим правилом для реакции, затрагивающих асимметрический атом углерода, поскольку оно встречается гораздо чаще, чем сохранение конфигурации. Как ни странно, именно преобладание инверсии затрудняет ее обнаружение. Пауль Вальден (Рижский политехнический институт) открыл явление обращения конфигурации в 1896 г., когда он обнаружил одну из исключительных реакций, протекающих с сохранением конфигурации.
Задача 14.1. Какое вещество образуется, если реакция ЦИС-4-бромциклогексанола с ОН“ протекает а) с обращением конфигурации и б) без инверсии? в) Обязательно ли использовать оптически активные соединения при изучении стереохимии реакций замещения?
Sy2-Реакция: реакционная способность
Как же влияет строение алкильной группы на реакционную способность алкилгалогенида в реакции 8н2-замещения? В отличие от уже изученных реакций свободных радикалов и карбониевых ионов строение переходного
состояния не является промежуточным между строением исходного и конечного соединений; в этом случае нельзя сказать, что факторы, стабилизующие конечное вещество, будут стабилизовать также и переходное состояние.
Прежде всего сравним распределение электронов в исходном соединении и переходном состоянии. В последнем имеется частично образовавшаяся связь между атомом углерода и гидроксильной группой и частично разорвавшаяся связь между углеродом и ионом галогена: гидроксильная группа подает свои электроны углероду, а ион галогена забирает электроны у углерода. До тех пор пока один из процессов — образование или разрыв связи — не
этилэтилизопропилизопропилтрет, бутилтрет, бутил
этил
этил
изопропил
изопропил
трет, бутил
трет, бутил
Рис. 14.2. Пространственные факторы в 5и2-реакции. Увеличение числа заместителей повышает энергию переходного состояния и замедляет реакцию.
прошел дальше другого, суммарный заряд на углероде сильно не отличается от того, который был в начале реакции. Оттягивание или подача электронов заместителями одинаково влияют на устойчивость переходного состояния и исходного вещества и, следовательно, мало влияют на скорость реакции.
Чтобы понять влияние строения на скорость реакции, сравним переходное состояние и реагирующие вещества для реакции бромистого метила. В исходном и конечном соединении углерод имеет тетраэдрическую структуру; в переходном состоянии он связан с пятью атомами. Как указывалось выше, связи С—Н ориентированы, как спицы в колесе, а связи С—ОН и С—Вг расположены вдоль оси (рис. 14.2).
* Как будет влиять последовательная замена атомов водорода на метильные группы? Как будет меняться переходное состояние при переходе от бромистого метила к этилбромиду, затем изопропилбромиду и mpem-бутил- бромиду? По мере того как атомы водорода будут заменяться на метильные группы, имеющие больший объем, увеличиваются пространственные препятствия около атома углерода; это особенно заметно в переходном состоянии, где метильные группы расположены близко к обеим группам ОН и Вг (рис. 14.2). Внесвязное взаимодействие увеличивает энергию пространственно затрудненного переходного состояния больше, чем энергию реагирующего вещества; EaKT выше, и реакция протекает медленнее.
В соответствии с этим предсказанием различие в скоростях 8^2- реакций, по-видимому, определяется главным образом пространственными фа кторами.
т. е. различия в скоростях связаны с объемом заместителей, а не с их способностью подавать или оттягивать электроны. По мере увеличения числа заместителей, связанных с атомом углерода, несущим галоген, реакционная способность в реакции 5к2-замещения уменьшается. Это могут быть как алифатические, так и ароматические заместители или те и другие, как показано ниже:
S^2-замещение: относительная реакционная способность по отношению к I
ннCHS сн3
1111
Н—С—Вг > СН3—С—Вг > СН3—С—Вг > СН3—С—Вг
II1'1
нннсн3
метилэтил изопропил трет-бутил
15010,010,001
нСН3СН3
Z^A I ZAA I /АА I\О/ с—Вг > ^Су-с-вг > (О/-С-ВГ
HHCH3
Увязилв- длнилэтта руенилизопропод
(Чтобы иметь представление, насколько велики эти различия, под формулами приведены относительные скорости 5м2-реакций для замещения ионом иода.)
В 8ы2-реакциях реакционная способность RX уменьшается в следую щем порядке; СН3Х > первичный > вторичный > третичный.
Электронные эффекты можно обнаружить в тех случаях, когда пространственные факторы остаются неизменными; однако показано, что эти эффекты сравнительно малы. Некоторые 5м2-реакции немного ускоряются при наличии электронодонорных, а другие — электроноакцепторных заместителей; но обычно нельзя предсказать изменения скорости, исходя только из структуры.
Задача 14.2. а) Напишите структуры этил-, н-пропил-, изобутил- и неопентилбромидов. Эти структуры можно рассматривать как полученные из бромистого метила заменой одного из его атомов водорода на различные алкильные группы (RCH2Br). Какова в каждом случае группа R? б) Относительные скорости реакции (с этилат-ионом) приблизительно равны: для бромистого метила 100; бромистого этила 6; н-пропилбромида 2; изо- бутилбромида 0,2; неопентилбромида 0,00002. Как влияет величина группы R у атома углерода, связанного с галогеном? Как сравнить эти данные с влиянием изменения числа групп?
Т аким образом, имеется три доказательства Б^-механизма: кинетика, стереохимия и влияние строения на реакционную способность.
Т еперь рассмотрим другой механизм нуклеофильного замещения в алифатическом ряду.
SN1-Реакция: механизм и кинетика. Стадия, определяющая скорость
Реакция между mpcm-бутилбромидом и гидроксил-ионом представляет собой реакцию первого порядка, т. е. скорость реакции зависит от концентрации только одного реагента, /ирс/тг-бутилбромида.
СН3СН3
II
СН3—С—СН3 + ОН" ► СНз—С—СН3 + Вг'
II
ВгОН
Скорость реакции = k [RBr]
Как же объяснить тот факт, что скорость реакции не зависит от концентрации гидроксил-иона? Если скорость реакции не зависит от [ОН-], это может означать только то, что ОН- не участвует в реакции, скорость которой определяют.
Эти наблюдения находятся в соответствии со следующим механизмом:
СН3СН3
II
СН3—С—СН3 »■ СН3—С—СН3 + ВгМедленно
I+’
Вг
SnI сн,сн3
II
СН3—С—СН3 + ОН" »- СН3—С—СН3Быстро
трет-Б утилбромид медленно диссоциирует [стадия (1)] на ион брома и трет- бутильный карбониевый ион. Карбониевый ион быстро [стадия (2)] реагирует с ионом гидроксила, образуя трет-бутиловый спирт.
Общая скорость реакции определяется скоростью медленного разрыва связи С—Вг с образованием карбониевого иона; образовавшийся карбониевый ион быстро реагирует с гидроксил-ионом, давая конечное вещество. Стадия, скорость которой определяет суммарную скорость реакции, называется стадией, определяющей скорость реакции (или лимитирующей стадией). Не удивительно, что стадией, определяющей скорость реакции, является стадия разрыва связи, т. е. процесс, требующий затраты энергии. Эта энергия берется из образования многих ион-дипольных связей между ионами двух типов и растворителем. [Каждая из этих связей слабая, но вместе в подобной реакции они дают ПО—150 ккал/моль (460,55-10s—628,02-103 Дж/моль).]
Этот механизм называется SN1: мономолекулярное нуклеофильное замещение. Используется термин «мономолекулярное», поскольку в стадии, определяющей скорость реакции, участвует только одна молекула (молекулы растворителя не учитываются).
Какие же имеются доказательства в пользу того, что алкилгалогениды реагируют по этому механизму? Как уже говорилось, механизм находится в соответствии с кинетикой первого порядка для реакций, аналогичных реакции трет-бутилбромида с гидроксил-ионом. Как правило, 8м1-реакция является реакцией первого порядка. Скорость общей реакции определяется тем, как быстро ионизуется алкилгалогенид, и, следовательно, зависит только от его концентрации.
В следующих разделах будут приведены некоторые другие доказательства.
Рассмотрим подробнее стадию, определяющую скорость в следующей реакции:
a^r+b
^2
R + С >- Конечное вещество,
где R — реакционноспособное промежуточное соединение (карбониевый ион, свободный радикал), концентрация которого в ходе реакции поддерживается на некотором постоянном низком уровне. Тогда скорость образования конечного соединения можно представить как
•(-3 JСкорость — jt, [В]
1+
Не вдаваясь в подробности вывода этого уравнения, посмотрим, что оно означает.
Чем больше члены ^[А] и А2[С], тем больше скорость реакции. Это вполне понятно, поскольку 6JAJ представляет скорость стадии (1), а А2[С] дает вклад в скорость второй
стадии. Чем больше ^[BJ, тем меньше скорость реакции. Это также понятно, поскольку он дает вклад в скорость процесса обратной стадии (1).
Если &JC] много больше &-JBL то член A_JBj/A2[C] очень мал (незначителен по сравнению с 1) и его отбрасывают. При этих условиях получается известное выражение для реакции первого порядка.
Скорость реакции = ^ [Л ’
Но если Л2[С] значительно больше, чем A-JB], то это означает, что стадия (2) происходит гораздо быстрее, чем обратная стадия (1). Это реальное требование для того, чтобы первая стадия (1) определяла скорость реакции. Если вспомнить разд. 11.14, то видно, что отсутствие изотопного эффекта при нитровании было объяснено именно таким путем.
Означает ли это, что в противоположность сказанному ранее стадия (1) — прямая реакция — не обязательно должна быть медленнее стадии (2)? Стадия (1) должна быть медленной стадией, иначе реакционноспособное промежуточное соединение будет образовываться быстрее, чем оно может вступить в реакцию, и его концентрация будет возрастать, что противоречит природе промежуточного продукта и условию, отличному от того, для которого справедливо уравнение (3).
Задача 14.3. При добавлении иода к раствору гексафенилэтана (разд. 12.21) в бензоле окраска иода постепенно исчезает, причем скорость исчезновения зависит от концентрации гексафенилэтана и не зависит от концентрации иода. Если раствор гексафенилэтана в бензоле встряхивать в атмосфере газообразного NO, то давление газа постепенно уменьшается, причем скорость понижения давления зависит от концентрации гексафенилэтана и не зависит от давления NO. Константы скоростей обеих реакций одинаковы. Объясните наблюдаемые результаты.
Стереохимия 8^1 -реакций
Было высказано предположение, что в описанных условиях бромистый метил реагирует с ионом гидроксила по 5ы2-механизму, а трат-бутилбро- мид — по SN 1-механизму. Поскольку вторичные алкилгалогениды " имеют промежуточную структуру, то они могут реагировать как по тому, так и по другому механизму.
Увеличение концентрации [ОН-] ускоряет реакцию второго порядка и не влияет на скорость реакции первого порядка. При высокой концентрации гидроксил-ионов реакция второго порядка идет настолько быстро, что практически весь вторичный алкилгалогенид реагирует по 8м2-механизму. Поведение оптически активного 2-бромоктана в SN2-реакции изучено (разд. 14.10) с использованием высокой концентрации ]ОН~].
Аналогично уменьшение концентрации гидроксил-ионов замедляет реакцию второго порядка, но не влияет на реакцию первого порядка. Поведение оптически активного 2-бромоктана в 8ы1-реакции изучалось при низких концентрациях [ОН-].
Задача 14.4. Бромистый изопропил реагирует с гидроксил-ионом при 55°C в 80%-ном этиловом спирте согласно следующему уравнению, где скорость выражена в моль-Л-1-с-1:
Скорость = 4,7-10-5 [КХ] [ОН-] + 0,24- IO-5 [RX]
Какой процент бромистого изопропила реагирует по Зы2-механизму при следующих концентрациях гидроксил-иона: а) 0,001 моля, б) 0,01 моля, в) 0,1 моля, г) 1,0 моль, д) 5,0 молей?
Если гидролиз (—)-2-бромоктана проводится в условиях реакции первого порядка (низкая концентрация гидроксил-ионов), то образуется (+)-окта- нол-2
он-, н2о
( —)-СеН13СНВгСН3 ———> (+ )-СвН13СНОНСН3
оптическая чистота мала
Спирт имеет конфигурацию, противоположную конфигурации исходного бромида, как в реакции SN2, но при этом происходит потеря оптической активности. Оптически чистый бромид превращается в спирт, оптическая чистота которого составляет приблизительно 2/8. Оптически чистое исходное вещество содержит только один энантиомер, тогда как конечное вещество явнодолжно содержать оба энантиомера. Таким образом, конечное вещество представляет смесь соединения с обратной конфигурацией и рацемата, и говорят, что реакция происходит с частичной рацемизацией. Как же можно объяснить эти стереохимические результаты?
энантиомеры
а—обращение6-сохранение
хонригурачии,конфигурации
Рис. 14.3. Sn 1-Реакция: рацемизация плюс обращение конфигурации. Нуклеофильный реагент атакует карбониевый ион с тыла (с) и с фронта (6). Преобладает атака с тыла.
В карбониевом ионе атом углерода связан с тремя другими атомами, связи образованы за счет зр2-орбиталей (разд. 2.23), т. е. имеют тригональную структуру и направлены к углам правильного треугольника. Карбониевый ион имеет плоскую структуру. Как же это влияет на стереохимический ход реакции?
На первой стадии оптически активный 2-бромоктан ионизуется с образованием бромид-иона и плоского 2-октильного карбониевого иона. Нуклеофильный агент ОН- (или, возможно, Н2О) атакует ион карбония. Он может атаковать этот плоский ион с любой стороны и в зависимости от того, с какой стороны происходит атака, образуется тот или другой из двух возможных продуктов (рис. 14.3).
Если бы атака была совершенно беспорядочна, то следовало бы ожидать- получения равных количеств двух изомеров, т. е. должно было бы образоваться только рацемическое соединение. Но вещество не полностью рацеми- зовано, поскольку преобладает продукт с обращенной конфигурацией. Как же это объяснить? Простейшее объяснение состоит в том, что атака нуклеофильным агентом происходит раньше, чем ион галогена полностью- отошел от карбониевого иона; в какой-то степени уходящий ион экранирует фронтальную сторону для атаки. В результате преобладает атака с тыла.
Рацемизация в SN 1-реакции происходит вследствие потери конфигурации промежуточного карбониевого иона. В некоторых случаях рацеми-
зация может быть полной; гидролиз а-фенилэтилхлорида, например, протекает с 87% рацемизации и 13% обращения конфигурации.
он-, н2о
С6Н6СНС1СН3> С6Н5СНОНСН3
Md = -34°,Md =4-1,7°
—344-1,7
оптическая чистота = 109'" ^ = ^1 %оптическая чистота = ^^"з" ^0 =
В отличие от 5к2-реакций, которые протекают с полным обращением конфигурации, 8н1-реакции протекают с рацемизацией.
Если карбониевый ион плоский, то он не диссимметричен. Как же он может реагировать с образованием (частично) оптически активного вещества? Следует рассматривать карбониевый ион вместе с его окружением. Уходящая группа находится недалеко; если это отрицательно заряженный ион н если растворитель не очень полярный, она может оставаться здесь: два иона образуют ионную пару. Прилепившись к карбониевому иону, но сконцентрировавшись с тыльной стороны, молекулы растворителя образуют кластеры. Все это в определенном смысле карбониевый ион. Диссимметрия теряется, если ионы кар- боння существуют достаточно долго, чтобы стать симметрично сольватированными с фронта и с тыла или чтобы ионные пары, первоначально диссимметричные, превратились бы в равные количества энантиомерных ионных пар.
В элегантной работе С. Уинстейна (Калифорнийский университет, Лос-Анджелес) было исследовано поведение ионных пар, которые являются интермедиатами в некоторых реакциях нуклеофильного замещения. Согласно современным исследованиям (задача 17, стр. 683), ионные пары могут быть промежуточными продуктами гораздо чаще, чем предполагалось, н не только в растворителях средней полярности, но н в воде и даже, вероятно, в реакциях, кинетика которых обозначена как 5^2.
Задача 14.5. Предположим, что в условиях 5м1-реакции 2-бромоктан с удельным, вращением —21,6° (—0,377 рад) превращается в октанол-2 с удельным вращением +4,12° (+0,072 рад); используя данные для оптически чистых веществ (стр. 451), рассчитайте: а) оптическую чистоту исходного и конечного веществ; б) степень рацемизации и инверсии, происходящих в ходе реакции; в) процент атаки с тыла и с фронта на карбониевый ион.
3^1 -Реакция: реакционная способность
Стадией, определяющей скорость реакции при 8м1-замещении, является стадия образования карбониевого иона. Исходя из предыдущего эксперимента, можно ожидать, что реакционная способность алкилгалогенида зависит главным образом от устойчивости образующегося карбониевого иона.
Это действительно так: реакционная способность алкилгалогенидов изменяется в таком же порядке, как и устойчивость карбониевых ионов.
Реакционная способность RX в SN 1-реакции уменьшается в ряду: аллил, бензил > третичный > вторичный > первичный > СН3Х.
RX ►RX ►Поскольку в переходном состоянии положительный заряд сосредоточен на атоме углерода, то он делокализуется вследствие индуктивного эффекта и резонанса, которые стабилизуют полностью образовавшийся карбониевый ион:
RX ►
RX ►
R+ + X-
продуктыреакции,R имеет полныйположительныйзарядпродуктыреакции,R имеет полныйположительныйзарядпереходноесостояние,R имеет частичныйположительныйзаряд
продуктыреакции,R имеет полныйположительный
заряд
продуктыреакции,R имеет полныйположительный
заряд
Приведенные ниже примеры позволяют представить, как изменяется скорость реакции в зависимости от строения радикала:
муравьиная кислота
RBr + Н2О► ROH + НВг
СН3СН3НН
1111 СН3—С—Вг > СН3—С—Вг > СН3—С—Вг > Н—С—Вг
1 сн3
1 н
1 Н
1 Н
трет-бутил
изопропил
этил
метил
Относительная
100 000 000
45
1,7
1,0
скорость:
(Муравьиная кислота используется здесь как растворитель, обладающий большей ионизующей силой, чем вода.)
Скорость §ы2-реакции зависит главным образом от пространственных факторов, т. е. от объема заместителей. Напротив, скорость SN1 -реакции зависит в основном от электронных факторов, т. е. от способности заместителей подавать или оттягивать электроны.
Задача 14.6. Известно, что неопентил галогениды очень медленно подвергаются нуклеофильному замещению независимо от условий реакции. Объясните почему?
8^1 -Реакция: перегруппировки
Если SN1-реакция протекает через стадию образования карбониевого иона, то следует ожидать еще одну характерную для карбониевых ионов реакцию, а именно перегруппировку. В 5к2-реакции, напротив, ион галогена не отходит от радикала до тех пор, пока не присоединится нуклеофильный реагент; в этом случае не существует промежуточной частицы, и, следовательно, нельзя ожидать перегруппировки. И это действительно так.
Приведенные ниже примеры иллюстрируют эту точку зрения. Неопентильный карбониевый ион (разд. 16.5) особенно склонен к перегруппировке в более устойчивый mpem-пентиловый карбониевый ион. Неопентилбромид реагирует (медленно) с этилат-ионом по механизму SN2 с образованием этилнеопентилового эфира; он реагирует (медленно) с этиловым спиртом по ^-механизму с образованием только продуктов перегруппировки.
с2н5о-с2н5о-СН3IСН3—С—СН2Вг —Iсн3 неопентилбромидСзНаОНСН3IСН3—С—СН2Вг —Iсн3 неопентилбромидСзНаОНСН3 сн3—i—сн2ос2н5сн3 этилнеопентиловый эфирСН3 сн3—i—сн2ос2н5сн3 этилнеопентиловый эфирПерегруппировки непроисходитПерегруппировки непроисходитСН3—С—СН2СН3ОС2Н5этил-треи-пен тиле-вый эфирСН3I сн3—с=сн—сн3СН3—С—СН2СН3ОС2Н5этил-треи-пен тиле-вый эфирСН3I сн3—с=сн—сн3Только перегруппировкаТолько перегруппировка
с2н5о-
с2н5о-
СН3
I
СН3—С—СН2Вг —
I
сн3 неопентилбромид
СзНаОН
СН3
I
СН3—С—СН2Вг —
I
сн3 неопентилбромид
СзНаОН
СН3 сн3—i—сн2ос2н5
сн3 этилнеопентиловый эфир
СН3 сн3—i—сн2ос2н5
сн3 этилнеопентиловый эфир
Перегруппировки непроисходит
Перегруппировки непроисходит
СН3—С—СН2СН3
ОС2Н5этил-треи-пен тиле-вый эфир
СН3
I сн3—с=сн—сн3
СН3—С—СН2СН3
ОС2Н5этил-треи-пен тиле-вый эфир
СН3
I сн3—с=сн—сн3
Только перегруппировка
Только перегруппировка
2-метилбутен-2
Поскольку существует строгая корреляция между перегруппировкой и образованием карбониевого иона, то при отсутствии других данных перегруппировка считается признаком SN1-реакции.
Следует отметить, что ^-реакции сопровождаются значительным элиминированием; выталкивание протона с образованием алкена также типично для карбониевых ионов.
Сравнение SN1- и$^2-реакций
Строгость доказательства обоих механизмов, SN1 и SN2, заключается в их логичности. Нуклеофильное замещение, протекающее по первому порядку, сопровождается рацемизацией и перегруппировкой, и реакционная способность уменьшается в следующем порядке: третичный > вторичный > первичный > СН8Х. Для реакций второго порядка характерны полное обращение конфигурации и отсутствие перегруппировок; реакционная способность уменьшается в следующем порядке: СН8Х > первичный > вторичный > > третичный (некоторые исключения из этих правил вполне объяснимы; задача 16.5, стр. 507).
Скорость 8^2-реакции возрастает
RX = CH3X, первичный, вторичный, третичный
Скорость Sjql-реакции возрастает
Поскольку порядок изменения реакционной способности в SN1- и SN2- реакциях различен, каждая из них в чистом виде встречается очень редко, а вместо этого имеется последовательность, которая является комбинацией обеих. Наиболее типично для алкил галогенидов при переходе от СН8 к первичным, вторичным и третичным галогенидам наличие минимума, обычно для вторичных алкилгалогенидов.
СН8Х )> первичный > вторичный < третичный
Sn2 Sn2 смешанный SnI механизм
Реакционная способность в 5ы2-реакции уменьшается при переходе от СН8 к первичным алкилгалогенидам, и для вторичных она настолько низка, что появляется значительный вклад ^-реакции; реакционная способность, теперь уже в 8м1-реакции, резко возрастает при переходе к третичным алкилгалогенидам. Это изменение механизма для вторичных алкилов подтверждено кинетическими и другими данными.
Появление минимума или максимума в свойствах — реакционной способности, кислотности, антибактериальной активности и т.д. — в определенном ряду всегда предполагает существование факторов, действующих в противоположном направлении (например, влияние кислотности на некоторые реакции карбонильной группы, разд. 19.16). В случае нуклеофильного замещения в алифатическом ряду рассмотренный минимум очень характерен для изменения молекулярности реакции.
Задача 14.7. Константа скорости реакции второго порядка бромистого этила с гидроксилионом в 80%-ном этиловом спирте при 55 °C равна 0,0017 л-моль-1-с-1. Используя эту константу и константы скоростей, приведенные в разд. 14.8 и задаче 14.4, вычислите относительные скорости гидролиза бромистых метила, этила, изопропила и трет-бутила в 0,1 н. щелочи.
Несмотря на склонность определенного класса алкилгалогенидов к определенному механизму, можно в какой-то степени контролировать реакцию,
изменяя экспериментальные условия. (Например, это было сделано для того, чтобы наблюдать изменение реакционной способности в SN2-peaKUHH, разд. 14.11, и для 5м1-реакции, разд. 14.14.)
Влияние экспериментальных условий на относительное значение двух механизмов дает дополнительное доказательство их существования. Выше мы уже познакомились с примером этого: высокая концентрация нуклеофильного реагента благоприятствует 5ы2-реакции, а низкая концентрация, наоборот, способствует ЗмЬреакции.
Природа нуклеофильного реагента также играет ва?кную роль: например, неопентилбромид реагирует с этилат-ионом по 5и2-механизму, а с этиловым спиртом — по SN1-механизму. Сильный нуклеофил (сильное основание), этилат-ион, выталкивает ион галогена из молекулы, тогда как слабый нуклеофил, этиловый спирт, ждет, пока ион галогена отойдет.
Наконец, механизм реакции часто может определяться полярностью растворителя. Ионизация алкилгалогенида возможна только потому, что образование диполь-дипольных связей между растворителем и полярным переходным состоянием освобождает некоторое количество энергии, необходимое для достижения переходного состояния. Чем полярнее растворитель, тем больше его сольватирующая способность и тем быстрее происходит ионизация
Г е+ 6-]
R++X-конечные веществаR++X-конечные веществаR—X > [R-'-xJ -
R++X-
конечные вещества
R++X-
конечные вещества
исходноепереходное
веществосостояние;
более полярно,чем исходное вещест-во-. сильнее стабили-зовано сольватацией
Замена р астворителя, например 80%-ного этилоеэго спирта, значительно более пол яркой водой должна ускорять ионизацию и, следовательно, скорость SN1- реакции. Как такая замена будет влиять на З^-реакцию? В этом случае переходное состояние менее полярно, чем исходные вещества; поскольку отрицательный заряд распределен между ОН и X, это переходное состояние менее сильно сольватировано по сравнению с исходными веществами.
НО-+ R—X —>-НО-+ R—X —>-Гб- с+1[ho-r-xJГб- с+1[ho-r-xJ+ НО—R + X-+ НО—R + X-
НО-+ R—X —>-
НО-+ R—X —>-
Гб- с+1
[ho-r-xJ
Гб- с+1
[ho-r-xJ
+ НО—R + X-
+ НО—R + X-
переходное состояние, заряд распределенпереходное состояние, заряд распределенконечные веществаконечные веществаисходные вещества^сконцентрированныезаряды), стабилизо-ваны сольватацией
переходное состояние, заряд распределен
переходное состояние, заряд распределен
конечные вещества
конечные вещества
лучше, чем переходное состояние
Увеличение полярности растворителя намного замедляет 5н2-реакцию. При прочих равных условиях, чем полярнее растворитель, тем больше вероятность, что алкилгалогенид будет реагировать по 5м1-механизму. (Более подробно этот вопрос обсужден в разд. 18.11.)
Рассмотренные механизмы позволяют предсказать поведение алкилгалогенида определенного строения в реакциях нуклеофильного замещения: его реакционную способность в данных условиях, вероятность рацемизации или перегруппировки, степень элиминирования. Они позволяют выбрать условия эксперимента — концентрацию, растворитель, нуклеофильный реагент — для получения необходимого вещества: ускорить реакцию, избежать рацемизации или перегруппировки, свести к минимуму элиминирование.
Задача 14.8. Бромистый бензил реагирует с водой в растворе муравьиной кислоты с образованием бензилового спирта; скорость реакции не зависит от концентрации воды; в тех же условиях n-метилбензилбромид реагирует в 58 раз быстрее. Бромистый бензил реагирует с этилат-ионом в сухом спирте с образованием этилбензилового эфира (СвН6СН2ОС2Н6); скорость реакции зависит от концентрации обоих реагентов RBr и СаНьО”. В тех же условиях n-метнлбензилбромид реагирует в 1,5 раза быстрее.
Объясните эти результаты. Как влияет на скорость реакции: а) полярность растворителя, б) нуклеофильная сила реагента и в) электронодонорная способность заместителей.
Задача 14.9. Скорость реакции З-хлорбутена-1 с этилат-ионом в этиловом спрте зависит от концентрации обоих реагентов RC1 и CaHgO-; образуется 3-этоксибутен-1 СН3СН(ОС2Н6)СН=СН2. Если З-хлорбутен-1 реагирует только со спиртом, то образуется не только 3-этоксибутен-1, но и 1-этоксибутен-2 СН3СН=СНСН2ОС2Н6. Как объяснить полученные результаты? (См. разд. 8.17 и задачу 16.4, стр. 507.)
До сих пор обсуждался механизм нуклеофильного замещения только для алкилгалогенидов и относительно небольшого числа нуклеофильных реагентов. Для других реакций нет такого количества данных, но, вероятно, эти два механизма справедливы как для реакций алкилгалогенидов с многими другими нуклеофилами, так и для реакций нуклеофильных реагентов с многими другими субстратами, помимо алкилгалогенидов.
Задача 14.10. Как будет влиять увеличение полярности растворителя на скорости следующих реакций: а) аммиака с алкилгалогенидом по 5ы2-механизму
RX + МН3 >- RNH3 + X"
и б) алкнлдиметилсульфонневого иона с растворителем по SnI -механизму
RS(CH$£ * (CH3)2S + R+
н2о, с2н5он RQH + КОС;1Нь
Обнаружение двойственности механизма нуклеофильного замещения в алифатическом ряду, формулирование механизмов и анализ факторов, влияющих на механизм реакции, — это в основном работы Кристофера Ингольда (Университетский колледж, Лондон) и его лаборатории (это только часть его вклада в теорию органической химии).
Элиминирование (отщепление): Е2 и Е1
В разд. 5.13 в качестве одного из лучших методов получения алкенов была предложена реакция дегидрогалогенирования. Тогда мы считали, что эта реакция происходит в одну стадию: основание отрывает протон от атома углерода и одновременно отщепляется галоген, который сразу же сольватируется.
Е2бимолекулярноеэлиминирование
-С^С- > X- + С=С + Н:В
н
^.в
В предыдущем разделе говорилось о том, что алкилгалогениды, особенно третичные, могут диссоциировать на карбониевые и галоген-ионы; извест-
но (разд. 5.18), что карбониевый ион может отдать протон основанию и превратиться в алкен.
Е1
мономолепулярноеэлиминирование
I* I
—с—с— » X” + —с—С— мевленно
1 нн
парбониевый ион
+ IX/
-С^-С— > С=С + Н:В быстро
I/х
н
Действительно ли существуют два механизма дегидрогалогенирования алкилгалогенидов? Да, и они относятся друг к другу как SN1- и 8ц2-механиз- мы для реакции замещения. Это Е2-механизм (бимолекулярное элиминирование), для которого в стадии, определяющей скорость реакции, участвуют две молекулы, и Е1-механизм (мономолекулярное элиминирование), когда в стадии, определяющей скорость реакции, участвует одна молекула.
Порядок изменения реакционной способности алкилгалогенидов в реакциях Е2- и El-элиминирования одинаковый.
Реакционная способностьв реакциях Е2- и Е1-эли-минирования:третичный > вторичный > первичный
Эта последовательность отражает относительную устойчивость образующихся алкенов для Е2-реакции (разд. 5.15) и устойчивость карбониевых ионов, образующихся на первой стадии (медленной) Е1-реакции.
Как и следовало ожидать, реакции, протекающие по этим двум механизмам, имеют различный кинетический порядок: второй для Е2-реакции и первый для Е 1-реакции. При концентрациях основания, обычно используемых для дегидрогалогенирования, преобладает Е2-мехавизм, скорость которого зависит от концентрации основания. El-Механизм встречается только в случае третичных алкилгалогенидов и в реакциях, когда используют низкую концентрацию основания. Рассмотрим доказательства каждого механизма,, исходя из кинетических различий.
Доказательства Е1-механизма
Какие существуют доказательства El-механизма? Реакции элиминирования, протекающие по первому порядку: а) проявляют такую же зависимость от строения алкилгалогенида, как и SN 1-реакции, и б) если позволяет строение, сопровождаются перегруппировкой.
Тот факт, что скорость реакции не зависит от концентрации основания, объясняется так же, как и в случае SN 1-реакции (разд. 14.12). В обеих реакциях (Е1 и SN1) стадия, определяющая скорость реакции, одна и та же. Из этого следует, что порядок изменения реакционной способности алкилгалогенидов в El-реакциях должен быть таким же, как в 5м1-реакциях, и это действительно так.
Элиминирование, протекающее по первому порядку, сопровождается перегруппировкой такого же типа, как можно ожидать для реакции, проходящей через стадию образования карбониевого иона. 2-Метилбутен-2 образуется из иеопентилбромида (разд. 14.15) в результате El-элиминирования.
Дегидратация спиртов — реакция, на примере которой мы впервые познакомились с перегруппировкой,— представляет собой простое Е1-элиминирование, проходящее через стадию образования протонированного спирта (разд. 5.21).
Доказательства Е2-механизма
Какие же существуют доказательства Е2-механизма? Реакции элиминирования, протекающие по второму порядку: а) не сопровождаются перегруппировками, б) проявляют значительный изотопный эффект, в) не подвергаются обмену водород — дейтерий, г) включают транс-элиминирование.
В условиях реакции второго порядка дегидробромирование немеченого изопропилбромида этилатом натрия происходит в 7 раз быстрее, чем меченого соединения (CDs)aCHBr. Такой значительный изотопный эффект (разд. 11.13) свидетельствует о разрыве углерод-водородной связи в переходном состоянии на стадии, определяющей скорость реакции.
Для Е2-механизма следовало ожидать перечисленных выше особенностей (а и б). Стадия, определяющая скорость реакции (единственная стадия), представляет собой реакцию между молекулами алкилгалогенида и основания, в процессе которой разрывается связь углерод — водород; в этой реакции нет возможности для перегруппировки. Эти три факта исключают El-механизм (образование карбониевого иона) для элиминирования второго порядка.
Существует еще один возможный механизм элиминирования, который также необходимо рассмотреть,— карбанионный механизм: на первой стадии отщепляется протон и образуется отрицательно заряженная частица, называемая карбанионом. Этот механизм, как и Е2, находится в соответствии с рассмотренными уже фактами.
х т ।
-С-С— 5=± —С—С— + н.в
1_г
к. u карбанионЭлиминирование
•"через стаоию
образования
карбаниона^
наблюдается
редко
—С^С— > X- + ^)С=С^
Чтобы сделать выбор между этими двумя возможными механизмами, дегидробромирование p-фенетилбромида С6Н5СН2СН2Вг было проведено в меченом спирте C2H5OD с использованием в качестве основания алкоголят- иона. В случае образования карбанионов следовало бы ожидать, что некоторые из них будут вновь присоединять протон с образованием исходного вещества.
С6Н6СН—СН3Н Вг немеченый галогенид, исходноеС6Н6СН—СН3Н Вг немеченый галогенид, исходноеСзНзО-слг.о-S3 с.н,-сн-сн. — ВгСвН3СН=СН2 4- ВГСзНзО-слг.о-S3 с.н,-сн-сн. — ВгСвН3СН=СН2 4- ВГвеществупродукт элиминиро-веществупродукт элиминиро-С6Н6-СН-ОН2 I ID Вгмеченый гало-генид, продуктобменаС6Н6-СН-ОН2 I ID Вгмеченый гало-генид, продуктобменаваниявания
С6Н6СН—СН3
Н Вг немеченый галогенид, исходное
С6Н6СН—СН3
Н Вг немеченый галогенид, исходное
СзНзО-слг.о-
S3 с.н,-сн-сн. — Вг
СвН3СН=СН2 4- ВГ
СзНзО-слг.о-
S3 с.н,-сн-сн. — Вг
СвН3СН=СН2 4- ВГ
веществупродукт элиминиро-
веществупродукт элиминиро-
С6Н6-СН-ОН2 I I
D Вгмеченый гало-генид, продуктобмена
С6Н6-СН-ОН2 I I
D Вгмеченый гало-генид, продуктобмена
вания
вания
Но при такой рекомбинации карбанион должен присоединять не протон, а ион
14 I Алкилгалогениды 465 дейтерия, дейтрон, поскольку почти все молекулы спирта меченые — QH5OD, а не С3Н5ОН. '
Масс-спектральный анализ p-фенетилбромида. выделенного из реакционной смеси, показал, что он не содержит дейтерия. Аналогичные эксперименты с другими соединениями дали такие же результаты: в типичных реакциях элиминирования второго порядка не происходит обмена водород — дейтерий.
Таким образом, либо эти реакции протекают без участия карбанионов, либо карбанион теряет ион галогена значительно быстрее, чем присходит присоединение протона,— что возможно, но маловероятно.
[В некоторых случаях, когда из-за пространственных препятствий (см. ниже) реакция с трудом может происходить по Е2-механизму или карбанион особенно устойчив, обмен водород — дейтерий наблюдается; эти исключения лишь подтверждают данные выше обоснования.]
Наиболее убедительные доказательства Е2-механизма были получены при исследовании стереохимии (г). Дегидрогалогенирование 1-бром- 1,2-дифенилпропана приводит, как и следовало ожидать, к 1,2-дифенилпро- пену. Однако алкилгалогенид имеет два асимметрических атома углерода и может существовать в виде двух пар энантиомеров; каждая из пар является диастереомером по отношению к другой. Из одной пары энантиомеров обра-
С6Н5СН-СН-С6Н6С6Н5СН-СН-С6Н6Вг СН31-бром-1,2-дифенилпропанВг СН31-бром-1,2-дифенилпропанС6Н6СН=С(СН3)С6Н61,2-дифенилпропенС6Н6СН=С(СН3)С6Н61,2-дифенилпропен
С6Н5СН-СН-С6Н6
С6Н5СН-СН-С6Н6
Вг СН31-бром-1,2-дифенилпропан
Вг СН31-бром-1,2-дифенилпропан
С6Н6СН=С(СН3)С6Н6
1,2-дифенилпропен
С6Н6СН=С(СН3)С6Н6
1,2-дифенилпропен
зуется только цис-алкен, а ностью стереоспецифична.зуется только цис-алкен, а ностью стереоспецифична.из другой — только транс-алкен. Реакция пол-из другой — только транс-алкен. Реакция пол-
зуется только цис-алкен, а ностью стереоспецифична.
зуется только цис-алкен, а ностью стереоспецифична.
из другой — только транс-алкен. Реакция пол-
из другой — только транс-алкен. Реакция пол-
С6Н5СН3ИВгнс6н5I(1R,2R)С6Н5СН3ИВгнс6н5I(1R,2R)с6н5НСН3НВгС6Н5II(1S.2S)с6н5НСН3НВгС6Н5II(1S.2S)СНзх xC6HSсIIСхн С6Н5СНзх xC6HSсIIСхн С6Н5цас-1,2-дифенилпрапен-{цас-1,2-дифенилпрапен-{
С6Н5
СН3И
Вгн
с6н5
I
(1R,2R)
С6Н5
СН3И
Вгн
с6н5
I
(1R,2R)
с6н5
НСН3
НВг
С6Н5
II
(1S.2S)
с6н5
НСН3
НВг
С6Н5
II
(1S.2S)
СНзх xC6HSсIIСх
н С6Н5
СНзх xC6HSсIIСх
н С6Н5
цас-1,2-дифенилпрапен-{
цас-1,2-дифенилпрапен-{
1-6ром-1,2.-вифенияпропам
С6Н5СНзНН-Вгqh5IIIС6Н5СНзНН-Вгqh5IIIС6Н$нСНзВгНСбН$IVС6Н$нСНзВгНСбН$IVСНз CCHs сСНз CCHs сС6н5 нС6н5 нтранс-1,2-вафенилпропен-1транс-1,2-вафенилпропен-1
С6Н5
СНзН
Н-Вг
qh5
III
С6Н5
СНзН
Н-Вг
qh5
III
С6Н$
нСНз
ВгН
СбН$
IV
С6Н$
нСНз
ВгН
СбН$
IV
СНз CCHs с
СНз CCHs с
С6н5 н
С6н5 н
транс-1,2-вафенилпропен-1
транс-1,2-вафенилпропен-1
(1S,2R)(1R,2S)
1-бром-1,2 -вифенштропан
Для объяснения этого и других примеров следует принять, что бимолекулярная реакция протекает как траяс-элиминирование: в переходном сос-
30—256
тоянии уходящие группы Н и X должны быть расположены возможно дальше друг от друга, в йк/ия-положении (разд. 4.5), а не в скошенной или заслоненной конформации (рис. 14.4). Таким образом, диастереомер I (или его энантиомер II) дает цис-алкен
С6н5
СН3Н
ВгН
с6н$
и диастереомер III (или его энантиомер IV) — транс-алкен
Установлено, что цис-алкен образуется медленнее, чем транс-алкен, и это понятно. В переходном состоянии группы смещены из заторможенного
Рис. 14.4. Е2-Реакция: гграяс-элиминирование. Уходящие группы Н и X должны находиться на максимально возможном расстоянии друг от друга, в аятя-положеннн.
расположения в исходном соединении в заслоненное расположение в конечном веществе:
цис-алкенцис-алкентпереходное состояние,объемистые фенильные группы становятся заслоненнымитпереходное состояние,объемистые фенильные группы становятся заслоненными
цис-алкен
цис-алкен
тпереходное состояние,
объемистые фенильные группы становятся заслоненными
тпереходное состояние,
объемистые фенильные группы становятся заслоненными
переходное состояние, „ транс-алкен метильная группа имеет меньшие
объем, чем фенильная
Взаимодействие между объемистыми фенильными группами, которое обусловливает меньшую устойчивость цис-алкена по сравнению с траяс-алке- ном, делает переходное состояние, приводящее к цис-изомеру, менее устой-
Рис. 14.5. Только транс- 1,2-заместители могут занимать анти-положение, необходимое для транс-элнмннирования.
чивым, чем то, которое приводит к траяс-изомеру. (Различия в устойчивости исходных диастереомеров сравнительно малы.)
mpuuc-Элиминирование не является предпочтительным направлением Е2-реакции: оно абсолютно требуемое. Чтобы убедиться в этом, необходимо перейти от соединений с открытой цепью к циклическим. В циклогексане 1,2- заместители могут находиться в анти-конформации, только если они аксиальные: это в свою очередь возможно, только если они имеют транс-расположение друг относительно друга (рис. 14.5).
Рассмотрим пример: Е2-элиминирование неоментилхлорида приводит к смеси 75% ментена-3 и 25% ментена-2. Этого и следовало ожидать, поскольку 30*
более устойчивый (наиболее замешенный) ментен-3 является предпочтительным продуктом. В то же время Е2-элиминирование диастереомерного мен- тилхлорида приводит исключительно к наименее устойчивому ментену-2.
Как же объяснить такие различия? В неоментилхлориде по соседству с галогеном имеются с каждой стороны по одному атому водорода, которые занимают транс-положение по отношению к галогену и которые могут оказаться .в анти-конформации к нему. Каждый из этих водородов может отщепляться, и соотношение конечных веществ зависит, как обычно, от относительной устойчивости образующихся алкенов. В ментилхлориде имеется только один атом водорода в транс-положении к хлору, и только он один может отщепляться несмотря на то, что его отщепление приводит к менее устойчивому алкену.
Определенные взаимоотношения между уходящими группами Н и X свидетельствуют о том, что они уходят вместе. Если бы сначала отщеплялся водород с образованием карбаниона, то следовало ожидать, что галоген вследствие свободного вращения вокруг простой углерод-углеродной связи или обращения конфигурации карбаниона (разд. 27.4) сможет занять любое требуемое положение.
Ранее было показано, что присоединение по двойной углерод-углеродной связи может быть стереоспецифичным: либо транс, либо цис. Элиминирование, приводящее к двойной углерод-углеродной связи, также может быть стереоспецифичным: транс в рассмотренном примере (и во многих других) и цис лишь в некоторых случаях или нестереоспецифичным. Механизм каждой реакции должен вполне удовлетворительно объяснять определенную стереоспецифичность илн ее отсутствие.
В данном случае, шранс-элнминнрование служит решающим аргументом в пользу одностадийного механизма; как нн странно, трянс-прнсоеднненне галогенов является наиболее строгим доказательством двухстадийности этой реакции (разд. 28.18).
Задача 14.11. Из всех возможных изомеров 1,2,3,4,5,6-гексахлорциклогексана один подвергается дегидрогалогенированию основанием значительно медленнее, чем другие. При проведении превращений с этим изомером, аналогичных описанным для Р-фенетил- бромида, из реакционной смеси возвращается непрореагировавший гексахлорциклогек- саи, в котором произошел обмен водород — дейтерий. Какой изомер не реакционноспособен и почему, как происходит элиминирование?
Задача 14.12. Объясните, почему при дегидрогалогенировании етор-бутнлхлорида образуются цис- и транс-бутены-2, но в основном (6:1) транс-изомер?
Задача 14.13. Как объяснить то, что при нагревании ментилхлорида в этиловом спирте в отсутствие основания образуется 68% ментена-3 и 32% ментена-2?
Задача 14.4. Алкены можно получать пиролизом ацетатов
| |сильное | |
—С—с— > — с=с— + СН3СОН
। ।нагреваниеу
н о—с—сн3о
При пиролизе диастереомер V (и его энантиомер) и диастереомер VI (н его энантиомер) оба дают транс-стильбен (транс-1,2-дифенилэтилен), но алкен, полученный из соединения V, не содержит дейтерия, тогда как алкен из VI содержит одни атом дейтерия в молекуле.
^н$LTн(оссп$ tHs °^н$LTн(оссп$ tHs °:6н5нDн—OCCHjоС6Н5V:6н5нDн—OCCHjоС6Н5V
^н$
LT
н
(
оссп$ tHs °
^н$
LT
н
(
оссп$ tHs °
:6н5
н
D
н—
OCCHj
о
С6Н5
V
:6н5
н
D
н—
OCCHj
о
С6Н5
V
а) Как это объяснить? Какова стереохимия элиминирования при пиролизе ацетатов? б) Можете ли вы предложить возможный механизм, объясняющий стереоспецифичность?
Сравнение реакций элиминирования и замещения
Вернемся к проблеме, которая уже обсуждалась в разд. 8.12 при рассмотрении реакции ацетиленидов с алкилгалогенидами: конкуренция между реакциями замещения и отщепления. Обе реакции происходят при действии одного и того же нуклеофильного реагента: атака по углероду приводит к замещению, атака по водороду — к элиминированию.
Теперь становится понятным, почему реакция алкилгалогенидов с ацетиленидами, приводящая к замещенным ацетиленам, ограничена практически первичными "галогенидами. В условиях реакции — растворитель низкой полярности (жидкий аммиак или эфир) и сильный нуклеофильный реагент (ацетиленид-ион) — следует ожидать, что замещение, т. е. образование ацетилена, будет происходить по 5к2-механизму. Следовательно, первичные алкилгалогениды будут реагировать с образованием алкинов быстрее всего, а третичные — медленнее.
С другой стороны, скорость элиминирования зависит в основном (разд. 5.15) от устойчивости образующегося алкена: третичные галогениды, которые дают более замещенные (более устойчивые) алкены, быстрее подвергаются элиминированию.
Первичные галогениды вступают в реакции замещения быстрее, а в реакции элиминирования медленнее других галогенидов; третичные галогениды, наоборот, подвергаются замещению труднее, а элиминированию легче всех. Не удивительно поэтому, что выходы алкинов при использовании первичных алкилгалогенидов хорошие, а третичных — очень низкие.
Эти же соображения справедливы и для реакций алкилгалогенидов с другими нуклеофилами. В тех случаях, когда замещение и элиминирование являются конкурирующими реакциями, элиминирование происходит все в большей степени при переходе от первичных алкилгалогенидов ко вторичным
и к третичным. Многие третичные галогениды образуют в этих условиях только алкены.
Процент элиминирования возрастает
RX = первичный, вторичный. третич^Г Э”т™3и замещение ^N^)
Процент замещения возрастает
Гидроксил-ион, подобно ацетиленид-иону, является сильным основанием, т. е. он имеет большое сродство к протону. Синтез спиртов из алкилгало- генидов идет с хорошим выходом в случае первичных галогенидов и с более плохим выходом в случае вторичных; этот метод совершенно не пригоден для получения третичных спиртов.
Третичные спирты лучше получать в условиях, способствующих SN1- реакции: растворитель высокой полярности и слабый нуклеофильный реагент. Это достигается кипячением с водой, которая является и растворителем и нуклеофилом. Но даже и в этом случае выход спирта невелик; в значительной степени протекает элиминирование, поскольку промежуточным продуктом будет третичный карбониевый ион, который может легко вытолкнуть протон и образовать довольно устойчивый алкен.
Если необходимо получить продукт замещения, то стараются избежать элиминирования. Но когда из алкилгалогенида нужно получить алкен, то стараются провести элиминирование. Для этого используют малополярный растворитель и большую концентрацию сильного основания: концентрированный спиртовый раствор едкого кали.
Задача 14.15. Какое из соединений в каждый из приведенных ниже пар даст больший выход продукта замещения в условиях бимолекулярной реакции: а) бромистый этил или p-фенетилбромид; б) «-фенетилбромнд или Р фенетилбромид; в) нзобутилбромид или бу- тилбромид; г) нзобутилбромид нли /прет-бутилбромид?
Апротонные растворители
Рассмотрим подробнее, какую же роль играют растворители в органических реакциях, особенно растворители, которые стали использоваться в последние годы.
Решающее значение имеет ионизующая сила растворителя, поскольку она определяет способность растворителя растворять ионные (обычно неорганические) реагенты, используемые во многих реакциях, и способствует диссоциации органических молекул в SN 1-реакциях. Ионизующая сила растворителя зависит: а) от его диэлектрической проницаемости, т. е. от его способности изолировать заряды, и б) от способности сольватировать ионы вследствие образования ион-дипольных связей.
Вода имеет очень высокую диэлектрическую проницаемость и может сольватировать как катионы, так и анионы: катионы вследствие наличия свободной пары электронов, а анионы вследствие наличия положительно заряженных атомов водорода, т. е. благодаря способности образовывать водородные связи (разд. 15.5). Однако вода плохо растворяет большинство органи-
ческих соединений, но это затруднение можно преодолеть добавлением второго растворителя, например этилового спирта.
Растворители типа воды или спиртов называются протонными растворителями: это растворители, содержащие водород, связанный с кислородом или азотом и вследствие этого довольно кислый. Посредством образования водородных связей такие растворители сольватируют в основном анионы; анионы как основания или нуклеофилы обычно являются важной частью ионного реагента. Таким образом, хотя протонные растворители растворяют реагент и приводят его в соприкосновение с органической молекулой, в то же время они сильно понижают его реакционную способность: анионы становятся менее основными и менее нуклеофильными.
N, N - диметилформамид (ДМФ)N, N - диметилформамид (ДМФ)О о сульфоланО о сульфоланСН3—S—СН3СН3—S—СН3В последние годы широкое применение получили апротонные растворители — полярные растворители, имеющие довольно высокие диэлектрические проницаемости и не содержащие кислого водорода, например:
N, N - диметилформамид (ДМФ)
N, N - диметилформамид (ДМФ)
О о сульфолан
О о сульфолан
СН3—S—СН3
СН3—S—СН3
диметилсульфоксид(ДМСО)
Эти растворители растворяют и органические и неорганические реагенты и в случае растворенных ионных соединений сольватируют в основном катионы, оставляя анионы относительно свободными и сильно реакционноспособными. Это приводит к увеличению основности оснований и нуклеофильной силы нуклеофилов.
Начиная с 1958 г. число работ, посвященных применению этих растворителей, резко возросло; вначале стали применять диметилформамид (ДМФ), а затем диметилсульфоксид (ДМСО). Реакции, протекающие медленно в большинстве растворителей при повышенной температуре и дающие низкий выход, в апротонном растворителе протекают быстро, часто при комнатной температуре и с высоким выходом. Это относится к реакциям различных типов: нуклеофильное замещение, элиминирование, восстановление, перегруппировки. (Диметилсульфоксид используется не только как растворитель, но и как многосторонний реагент: он может служить окислителем, отдавая свой кислород, и метилирующим агентом.)
Задача 14.16. Объясните следующие факты, а) Дегидрогалогенирование бромистого изопропила, протекающее в течение нескольких часов при кипячении со спиртовым раствором КОН, проходит менее чем за минуту при комнатной температуре под действием mpem-C4HgO~K+ в ДМСО. б) На реакцию трет-бутилхлорида с водой, приводящую (главным образом) к mpem-бутиловому спирту, добавка фтористого натрия ие оказывает заметного влияния. Однако при проведении реакции в ДМСО фтористый натрий ускоряет образование изобутилена.
Анализ алкилгалогенидов
Простые алкилгалогениды дают реакции, характерные для алканов: они нерастворимы в холодной концентрированной серной кислоте; они не реагируют с бромом в четыреххлористом углероде, с водным раствором перманганата калия и с хромовым ангидридом. Однако их легко отличить от алканов качественным анализом (сплавление с натрием, разд. 2.27), который показывает наличие галогена.
Во многих случаях наличие галогена можно определить и без сплавления с натрием. Неизвестное вещество нагревают несколько минут со спиртовым раствором азотнокислого серебра (спирт растворяет и органическое и ионное соединение); галоген обнаруживают по появлению осадка, который нерастворим в разбавленной азотной кислоте.
Как почти во всех реакциях алкилгалогенидов, реакционная способность по отношению к спиртовому раствору азотнокислого серебра изменяется в следующем порядке: RI > RBr > RC1. Для данного галогена реакционная способность уменьшается в ряду третичный > вторичный > первичный, т. е. в последовательности, характерной для образования карбониевых ионов; аллил- и бензилгалогениды очень реакционноспособны. Имеются и другие доказательства (стереохимия, перегруппировки) в пользу того, что эта реакция представляет собой SN1-замещение. Похоже, что ион серебра направляет реакцию по этому механизму (а не по SN2), оттягивая галоген от алкильной группы:
R:X + Ag+ >- R+ + Ag+X"
(Винил- и арилгалогениды не реагируют, разд. 26.7.)
Как уже упоминалось в разд. 14.1, замещенные алкилгалогениды вступают в реакции, характерные для имеющихся в них функциональных групп.
Задача 14.17. Напишите простые химические реакции (если такие имеются), с помощью которых можно различить: а) этиленбромгидрин и бромистый этилен; б) 4-хлорбутен-1 и я-бутилбромид; в) бромциклогексан н бромбензол; г) 1-хлор-2-метилпропанол-2 и 1,2-днхлор-2-метилпропан. Укажите точно, что вы будете делать и наблюдать?
Спектральный анализ алкилгалогенидов
Спектральный анализ см. в гл. 13, где в качестве примеров использованы многие алкилгалогениды.
ЗАДАЧИ
Напишите схему синтеза бромистого этила из следующих соединений: а) этана, б) этилена, в) этилового спирта. Какой метод вероятнее всего используют в лаборатории?
Какие методы из задачи 1 следует использовать для синтеза следующих соединений в чистом виде:
хлористого этила,д)изопропилбромида,
фтористого этила,е)хлористого бензила,
йодистого этила,ж)а-фенилэтилхлорида,
н-пропилбромида,з)циклогексилбромида.
Предложите схему синтеза следующих соединений, исходя из изопропилового спирта:
изопропилбромида,е)2-бромпропена,
бромистого аллила,ж)1-бромпропена,
1-хлорпропанола-2,з)1,3-днхлорпропанола-2,
1,2-дибромпропана,и)2,3-дибромйропанола-1,
2,2-дибромпропана,к)2,2-дихлор-1-метилциклопропаиа.
Предложите схемы возможных лабораторных синтезов приведенных ниже соединений из циклогексанола и любых необходимых алифатических, ароматических и неорганических реагентов:
бромциклогексан,г)3-бромциклогексен,
иодциклогексан,д)2-хлорциклогексанол,
транс-1,2-дибромциклогексан,е)норкаран (стр. 448).
Предложите схемы возможных лабораторных синтезов приведенных ниже соединений мз бензола, толуола и любых необходимых алифатических и неорганических реагентов:
n-бромбензилхлорид,д) м-нитробеизотрихлорид,
трифенилхлорметан,е) 1,2-дихлор-1-фенилэтан,
иодистый аллил,ж) фенилацетилен,
бензальбромид,з) фенилциклопропан.
Напишите формулы и назовите основные органические соединения, образующиеся при реакции (если она идет) н-бутилбромида со следующими реагентами:
NaOH (водн.),з) Н2, Pt,
КОН (спирт.),и) разбавленным нейтральным
холодной конц. H2SO4,раствором КМпО4,
Zn, Н+,к) Nai в ацетоне,
Na,л) бензолом, А1С13,
Mg, эфир,м) CH3C^C~Na+,
продукт (е) + D2O,н) HgF2,
о) Вг2/СС14.
Заглядывая, если необходимо, на стр. 447, напишите формулы основных органических соединений, образующихся при реакции н-бутилбромида со следующими реагентами:
NH3,г)C2H6ONa,
CeH6NH2,д)CH3COOAg,
NaCN,е)CH3SNa.
Напишите уравнения наиболее вероятных побочных реакций при превращении н-бутилбромида в следующие соединения:
бутанол-1 действием водного раствора NaOH;
метил-н-бутиловый эфир действием CHsONa;
бутен-1 действием спиртового раствора КОН;
гексин-1 действием ацетиленида натрия.
Будет ли каждая из этих побочных реакций более или менее существенной, если вместо н-бутилбромида использовать трет-бутилбромид?
Расположите соединения каждой группы в порядке изменения реакционной способности в 81у2-реакциях:
2-бром-2-метилбутан, 1-бромпентан, 2-бромпентан;
1-бром-З-метилбутан, 2-бром-2-метилбутан, З-бром-2-метилбутан;
1-бромбутан, 1-бром-2,2-Диметилпропан, 1-бром-2-метилбутан, 1-бром-З-метилбутан.
Расположите соединения каждой группы в порядке изменения реакционной способности в SnI-реакциях:
соединения задачи 9(a);
соединения задачи 9(6);
хлористый бензил, n-хлорбензилхлорид, л-метоксибензилхлорид, п-метилбеи- зилхлорид, п-нитробензилхлорид;
бромистый бензил, а-фенилэтилбромид, Р-фенилэтилбромид.
Расположите соединения каждой группы в порядке изменения легкости дегидрогалогенирования при действии концентрированного спиртового раствора КОН.
соединения задачи 9(a);
соединения задачи 9(6);
2-бром-1-фенилпропан и З-бром-1-фенилпропан;
5-бромциклогексадиен-1,3, бромциклогексан, 3-бромциклогексен;
цис- и тран<?-2-бромметилциклогексаны.
Рассмотрите в качестве примера реакцию между алкилгалогенидом и NaOH в водноспиртовом растворе. Для сравнения SnI- и 5ы2-механизмов составьте таблицу следующих характеристик:
стереохимия,
кинетический порядок,
наличие перегруппировок,
относительные скорости реакций СН3Х, С2Н6Х, nso-CsH7X, mpem-C4H8X,
относительные скорости реакций RC1, RBr и RI,
влияние температуры на скорость реакции,
влияние увеличения концентрации [RX] вдвое на скорость реакции,
влияние увеличения концентрации [ОН-] вдвое на скорость реакции,
влияние увеличения содержания воды в растворителе на скорость реакции,
влияние увеличения содержания спирта в растворителе на скорость реакции.
Оптически активный emop-бутиловый спирт не изменяет свою оптическую активность при стоянии в водном растворе основания, но быстро превращается в оптически неактивный (рацемический) emop-бутиловый спирт под действием разбавленной серной кислоты. Объясните эти факты. Предложите подробный механизм или механизм рацемизации, протекающей при действии разбавленной кислоты.
При стоянии раствора оптически активного 2-иодоктана в ацетоне, содержащем Na131I, алкилгалогенид теряет оптическую активность и происходит обмен обычного иода на радиоактивный. Скорость обеих реакций зависит от концентраций [RI] и[1“], но рацемизация протекает вдвое быстрее, чем изотопный обмен. Считают, что этот эксперимент, описанный в 1935 г. М. Хьюзом (Университетский колледж, Лондон), установил стереохимию 8м2-реакции: каждая молекула, вступающая в реакцию замещения, претерпевает обращение конфигурации. Как подтвердить этот вывод? (Указание: возьмите молекулу алкилгалогенида и рассмотрите, что с ней происходит при замещении.)
При Е2-элиминировании неоментилхлорида ментен-2 составляет г/4 часть от всего продукта реакции (разд. 14.19). Поскольку из ментилхлорида может образовываться только ментен-2, то можно ожидать, что скорость его реакции будет составлять г/4 от скорости реакции неоментилхлорида. Однако в действительности скорость его реакции составляет всего Ч^ от скорости реакции неоментилхлорида, т. е. только Vso от скорости, которую следовало ожидать. Как объяснить такую медленную реакцию элиминирования НС1 в случае ментилхлорида? (Указание: используйте модели.)
Продукт реакции цис- или транс- 1-фенилпропена с хлором в СС14 разделяют методом препаративной газовой хроматографии на две фракции (А и Б), имеющие формулу СдН10С12. Каждая фракция при обработке mpem-бутилатом калия в mpem-бутиловом спирте дает 1-хлор-1-фенилпропен-1. Методом ЯМР показано, что вещество, полученное из А, имеет транс-расположение групп С1 и СН3, а вещество, полученное из Б, — цис- расположение этих групп, а) Напишите структурные формулы А и Б. б) Является ли н данном случае присоединение галогена стереоспецифичным?
При обработке хлористого неопентила сильным основанием — амидом натрия (NaNH2) — образуется углеводород с формулой С5Н10, который быстро обесцвечивает раствор брома в четыреххлористом углероде, но не окисляется холодным разбавленным нейтральным раствором перманганата калия. В ЯМР-спектре этого углеводорода имеются сигналы при т 9,80 (6 0,20) и т 8,95 (6 1,05) с отношением площадей пиков 2 : 3. При проведении такой же реакции с меченым алкилгалогенидом (CH3)3CCD2C1 полученное вещество дает молекулярный пик М+ с т/е 71. Напишите вероятную структуру углеводорода. Как он образуется? Находится ли результат эксперимента с меченым соединением в соответствии с предложенным вами механизмом? (Указание: см. разд. 9.20).
а) Жидкие mpem-бутилфторид и изопропилфторид дают следующие ЯМР-спектры: mpem-бутилфторид: дублет, т 8,70 (6 1,30), J = 20 Гц изопропилфторид: два дублета, т 8,77 (6 1,23), 6Н, J = 23 Гц и 4 Гц два мультиплета, т 5,36 (6 4,64), 1Н, J = 48 Гц и 4 Гц
Как вы объясните эти спектры? (Указание: см. разд. 13.10.)
Если алкилфториды растворить в жидкой SbFs, то наблюдаются следующие спектры ЯМР:
mpem-бутилфторид: синглет, т 5,65 (6 4,35)
изопропилфторид: дублет, т 4,94 (6 5,06), 6Н, J = 4 Гц мультиплет, т —3,5 (6 13,5), 1Н, / = 4 Гц Какой молекуле соответствует каждый из этих спектров? ^Указание: что можно предположить, исходя из исчезновения половины пиков, наблюдаемых в вопросе (а)?] Действительно ли вы могли ожидать очень сильного сдвига в слабое поле для молекул, аналогичных рассмотренным? Какое фундаментальное значение имеют эти наблюдения для теории органической химии?
При обработке металлилхлорида СН2=С(СН3)СН2С1 амидом натрия в тетрагидрофуране был получен углеводород С4Н6, который дал следующий спектр ЯМР:
а дублет, т9,17 (6 0,83), 2Н, J = 2 Гц
b дублет, т 7,87 (6 2,13), ЗН, J = 1 Гц
с мультиплет, т 3,60 (6 6,40), 1Н
а) Какова вероятная структура этого углеводорода и как он образуется? б) Образования какого продукта можно ожидать в такой же реакции из хлористого аллила? 20. Углеводород А был получен двумя различными путями:
С1-Х^>-Вг +- Na У А/ мор-Убромииилобутан
освещение
СН2=СН—СН2—CHN2 > А
аллилдиазометан
Методом масс-спектрометрии установлено, что молекулярный вес соединения А равен 54. (Какова его молекулярная формула?) При применении газовой хроматографии установлено, что углеводород А имеет другое время удерживания, чем циклобутен, бутадиен или метиленциклопропан. Соединение А устойчиво при 180 °C (в отличие от циклобутена), но превращается в бутадиен при 225 °C. В ЯМР-спектре А имеются следующие сигналы: а синглет, т 9,55 (6 0,45), 2Н b мультиплет, т 8,66 (6 1,34), 2Н с мультиплет, т 8,56 (6 1,44), 2Н а) Какой единственной структуре углеводорода А соответствуют эти факты? (Указание: при анализе ЯМР-спектра рассмотрите стереохимию соединения А.) 6) В результате какой известной реакции образуется углеводород А в (1) и (2)?
Укажите простые химические реакции, с помощью которых можно различить следующие соединения:
хлористый аллил и хлористый н-пропил;
хлористый аллил и хлористый бензил;
этиленхлоргидрин, этиленхлорид и этиленгликоль;
циклогексанол, циклогексилбромид и циклогексен;
mpe/n-бутиловый спирт, mpem-бутилхлорид и октен-1;
хлористый бензил и л-хлортолуол.
Укажите точно, что вы будете делать и наблюдать.
Жидкое вещество с т. кип. 39—41 °C нерастворимо в воде, разбавленных кислотах или основаниях и в концентрированной H2SO4. Оно не реагирует с Вг2/СС14 или разбавленным раствором КМпО4. Вещество сплавляли с натрием, полученный после обработки водой раствор фильтровали, подкисляли азотной кислотой и кипятили. При добавлении AgNO3 выпал осадок.
а) На основании данных табл. 14.1 укажите, какое или какие это могут быть соединения? б) К подкисленному раствору после сплавления с натрием прибавили несколько миллилитров СС14 и смесь встряхнули с хлорной водой. Слой СС14 окрасился в фиолетовый цвет. Образование какого соединения или соединений из вопроса (а) еще возможно? в) Как будет отражаться на ответе на вопрос (б) возможность образования каждого из этих соединений?
Полагают, что неизвестное соединение является одним из перечисленных ниже. Опишите ваш путь установления строения неизвестного соединения. Где возможно, используйте простые химические реакции; где необходимо, используйте более тонкие химические методы, как, например, количественное гидрирование, расщепление и т. п. Где необходимо, используйте данные табл. 18.1, стр. 552.
а)
я-Декан
4-Метилциклогексанол 1,3-Дихлорпропанол-2
Т. кип., °CТ. кип., °C
174л-Цимол (л-изопропилтолу-177
174ол)
176Лимонен (см. задачу 19,178
стр. 300)
я-Гептилбромид180
Пропенил бензол Хлористый бензил Октанол-2
м- Диэтилбензол н-Бутилбензол 2-Этилгексанол
Т. кип., °Cт- кип., °C
177я-Гексилиодид180
179Цнклогекснлкарбинол182
179
Т. кип., °CТ. кип., °C
182я-Октилхлорид185
183транс-Декалин (см. задачу 7,186
184стр. 298)'
Соединение А содержит 54,8% углерода, 4,6% водорода и 40,5% хлора, а) Какова эмпирическая формула соединения А? б) Может ли эта эмпирическая формула быть молекулярной формулой этого соединения? в) Каким должен быть минимальный молекулярный вес соединения А? Какая структура соответствует этому молекулярному весу? 25. Соединение А, нерастворимое в концентрированной H2SO4, дает качественные реакции на углерод, водород и бром и не реагирует с разбавленным раствором КМпО4 и Вг2/СС14. При сжигании 6,49 мг соединения А образуется 5,31 мг двуокиси углерода и 2,16 мг воды. Сплавление 4,21 мг соединения А с перекисью натрия с последующей обработкой AgNO3 дает 7,26 мг AgBr. а) Какова эмпирическая формула А? б) Что вы можете сказать о молекулярной формуле А?
При обработке соединения А Zn-пылью выделяется газ Б, не содержащий брома, который обесцвечивает разбавленный раствор КМпО4 и Вг2/СС14. Окисление Б в жестких условиях приводит к СН3СН2СООН. в) Что такое А? г) Что такое Б?
При синтезе дифенилметана реакцией хлористого бензила с бензолом в присутствии безводного А1С13 были получены высококипящие продукты. Среди них имелись два соединения: А (С20Н18) и Б (С14Н12). Соединения А и Б поглощают водород только в жестких условиях с образованием соответственно С20Н36 и С|4Н24. а) Сколько колец имеется в каждом соединении? б) Какова наиболее вероятная структура этих соединений? в) Как они образуются? г) При проведении этого синтеза как можно уменьшить количества А и Б? (Указание: см. разд. 2.8.)
1515Спирты. I.
15
15
Получение и физические свойства
Строение спиртов
циллогексанолциллогексанолсн3 СН3—С—CHj он треп-бутиловый спиртсн3 СН3—С—CHj он треп-бутиловый спиртбензиловый спиртбензиловый спиртСпиртами называются соединения общей формулы ROH, где R — любая алкильная или замещенная алкильная группа. Эта группа может быть первичной, вторичной или третичной; она может быть как ациклической, так и циклической; она может содержать двойную связь, атом галогена или ароматическое кольцо, например:
циллогексанол
циллогексанол
сн3 СН3—С—CHj он треп-бутиловый спирт
сн3 СН3—С—CHj он треп-бутиловый спирт
бензиловый спирт
бензиловый спирт
Н2С=СН—СН2ОНаллиловый спирт
сн2-сн2сн2-сн-сн2
С1 онон он он
этиленхлоргидринглицерин
(р-хлорзтиловый спирт)
Все спирты содержат гидроксил (ОН), который является функциональной группой и определяет свойства, характерные для данного класса соединений. Строение R влияет на скорость, с которой спирт вступает в некоторые реакции, и иногда на характер реакции.
Соединения, в которых гидроксильная группа связана непосредственно с ароматическим кольцом, не относятся к спиртам: это фенолы. Свойства фенолов настолько отличны от свойств спиртов, что их рассматривают в отдельной главе.
Классификация
Атом углерода считается первичным, вторичным или третичным в зависимости от числа связанных с ним других атомов углерода (разд. 4.13). Спирт классифицируют в соответствии с тем, к какому атому углерода присоединена группа ОН
НRR
III
R—С—ОНR—С—ОНR—С—ОН
НИR
первичныйвторичныйтретичный
Только одна реакция — окисление, непосредственно затрагивающая атом водорода, связанный с углеродным атомом, к которому присоединена гидроксильная группа, происходит совершенно различно для каждого класса спиртов. Как правило, скорость или механизм реакции спиртов различных классов зависит от их строения. Некоторые заместители могут изменять реакционную способность спиртов таким образом, что свойства спиртов одного класса будут соответствовать свойствам спиртов другого класса; например, бензиловый спирт, хотя и является формально первичным спиртом, часто ведет себя как третичный. Такие изменения также находятся в соответствии с рассматриваемыми структурами.
Номенклатура
Для названия спиртов используют три системы. Простые спирты чаще всего имеют тривиальные названия, которые уже упоминались в разд. 5.16. Они состоят из названия алкильной группы и слова спирт, например:
сн3сн2онэтиловый спиртсн3сн2онэтиловый спиртСН3СНСН3ОН „изопропиловый спиртСН3СНСН3ОН „изопропиловый спиртСНзСН3СНСН2ОНизобутиловый спиртСНзСН3СНСН2ОНизобутиловый спирт
сн3сн2он
этиловый спирт
сн3сн2он
этиловый спирт
СН3СНСН3
ОН „изопропиловый спирт
СН3СНСН3
ОН „изопропиловый спирт
СНз
СН3СНСН2ОНизобутиловый спирт
СНз
СН3СНСН2ОНизобутиловый спирт
пнитробензиловый спиртпнитробензиловый спиртОНОНос-фенилзтиловыи спиртос-фенилзтиловыи спиртсн3
пнитробензиловый спирт
пнитробензиловый спирт
ОН
ОН
ос-фенилзтиловыи спирт
ос-фенилзтиловыи спирт
СН3СН2-С—СНзон«фет-пентиловый спирт
Следует отметить, что сходные названия не всегда отражают принадлежность спиртов к одному классу; например, изопропиловый спирт является вторичным, а изобутиловый — первичным.
Иногда удобно называть спирты по карбинольной номенклатуре: спирты рассматриваются как производные метилового спирта, карбинола СН3ОН, получающиеся при замене одного или нескольких атомов водорода на другие группы. Сначала называют группы, связанные с атомом углерода, несущим гидроксильную группу, и затем прибавляют слово карбинол для обозначения НО—С-группы.
трифснилларбинолтрифснилларбинолСНз нI I СН3СН2СН—с—он н втор-бутилпарбимолСНз нI I СН3СН2СН—с—он н втор-бутилпарбимолСНз сн2 сн3сн2—с—он
трифснилларбинол
трифснилларбинол
СНз н
I I СН3СН2СН—с—он н втор-бутилпарбимол
СНз н
I I СН3СН2СН—с—он н втор-бутилпарбимол
СН2 сн3 триэтилкарбинол
Наиболее удобной является система IUPAC. Согласно этой системе:
Выбирают в качестве основной структуры наиболее длинную углеродную пепь, содержащую группу ОН, и рассматривают соединение как полученное из этой структуры заменой атомов водорода на различные группы.
Название исходной структуры — этанол, пропанол, бутанол и т. д.— зависит от числа атомов углерода; каждое название образуется путем добавления окончания- ол к названию соответствующего алкана.
После названия ставится цифра, обозначающая номер атома углерода, связанного с ОН-группой, причем используется наименьшая цифра.
Цифрами указываются положения других групп, связанных с основной структурой.
СН3СН3СН3ОНСН3ОНметанолметанолСН3СН2СПСН2СН2-метилбутанол-1СН3СН2СПСН2СН2-метилбутанол-1^>СН2СН2ОН^>СН2СН2ОНг-фенелапанмг-фенелапанмCHS сн3сн2—ci—сн3CHS сн3сн2—ci—сн3СН3СН3СН3СНСНСН8СН3СНСНСН8С1СН3СНаОНС1СН3СНаОНСН3СНСН=СН3СН3СНСН=СН3ононононОНОН2-метилбутанол-22-метилбутанол-2З-метилбутанол-2З-метилбутанол-22-хлорэтанол2-хлорэтанолбутен-З-ол-2бутен-З-ол-2
СН3
СН3
СН3ОН
СН3ОН
метанол
метанол
СН3СН2СПСН2СН
2-метилбутанол-1
СН3СН2СПСН2СН
2-метилбутанол-1
^>СН2СН2ОН
^>СН2СН2ОН
г-фенелапанм
г-фенелапанм
CHS сн3сн2—ci—сн3
CHS сн3сн2—ci—сн3
СН3
СН3
СН3СНСНСН8
СН3СНСНСН8
С1СН3СНаОН
С1СН3СНаОН
СН3СНСН=СН3
СН3СНСН=СН3
он
он
он
он
ОН
ОН
2-метилбутанол-2
2-метилбутанол-2
З-метилбутанол-2
З-метилбутанол-2
2-хлорэтанол
2-хлорэтанол
бутен-З-ол-2
бутен-З-ол-2
Физические свойства
Различные углеводороды, изученные в предыдущих главах, обладают физическими свойствами, которые можно ожидать для таких неполярных соединений: относительно низкие температуры плавления и кипения, которые характерны для соединений со слабыми межмолекулярными силами взаимодействия; растворимость в неполярных растворителях и нерастворимость в полярных, таких, как вода.
Спирты сильно отличаются от углеводородов вследствие присутствия в их молекуле очень полярной гидроксильной группы и особенно потому, что эта полярная группа содержит водород. _
Физические свойства ряда спиртов приведены в табл. 15.1.
Существенное отличие спиртов от углеводородов состоит в том, что низшие спирты смешиваются с водой. Вследствие наличия полярной ОН-груп- пы молекулы спирта удерживаются вместе такими же межмолекулярными силами взаимодействия, какие существуют в воде. В результате возможно смешивание двух типов молекул, причем энергия, требуемая для отрыва молекул воды или молекул спирта друг от друга, берется за счет образования аналогичных связей между молекулой воды и молекулой спирта.
Однако это справедливо только для низших спиртов, в которых ОН- группа составляет значительную часть молекулы. Длинная алифатическая цепь с небольшой ОН-группой на конце в значительной степени сходна с алканами, и физические свойства таких соединений отражают это. Изменение растворимости в воде с увеличением числа атомов углерода происходит постепенно: первые три первичных спирта смешиваются с водой; растворимость «-бутилового спирта составляет 8 г на 100 г воды, н-пентилового — 2 г, н- гексилового — 1 г, а высших спиртов еще меньше. На практике считают, что в воде растворимы лишь нормальные первичные спирты, содержащие до 4—5 атомов углерода.
Температуры кипения возрастают с увеличением числа атомов углерода и уменьшаются при наличии разветвлений. Температуры кипения спиртов значительно выше, чем температуры кипения соответствующих углеводородов.
Таблица 15.1
Физические свойства спиртов
Название
Формула
Т. пл., °C
Т. кип., -С
Плотность при 20 °C
Растворимость, г/100 г Н2О
Метиловый
СН3ОН
—97
64,5
0,793
ОО
Этиловый
СН3СН2ОН
—115
78,3
0,789
ОО
н-Пропиловый
сн.,сн2сн2он
—126
97
0,804
ОО
н-Бутиловый
СН3(СН2)2СН2ОН
—90
118
0,810
7,9
н-Пеитиловый
СН3(СН2)3СН2ОН
—78,5
138
0,817
2,3
н-Гексиловый
СН3(СН2)4СН2ОН
—52
156,5
0,819
0,6
н-Гептиловый
СН3(СН2)5СН2ОН
—34
176
0,822
0,2
н-Октиловый
СН3(СН2)6СН2ОН
—15
195
0,825
0,05
н- Дециловый
СН3(СН2)8СН2ОН
6
228
0,829
н-Додециловый (лаури-
СН3(СН2)10СН2ОН
24
левый)
н-Тетрадециловый (мири-
СН3(СН2)12СН2ОН
38
стиловый)
н-Гексадециловый (цети-
СН3(СН2)14СН,ОН
49
левый)
н-Октадециловый
СН8(СН2)16СН2ОН
58,5
Изопропиловый
СН3СНОНСН3
—86
82,5
0,789
ОО
Изобутиловый
(СН3)2СНСН2ОН
—108
108
0,802
10,2
втор-Бутиловый
СН3СН,СНОНСН3
—114
99,5
0,806
12,5
трет-Бутиловый
(СН3)3СОН
25,5
83
0,789
СО
Изопеитиловый
(СН3)2СНСН2СН2ОН
—117
132
0,813
2
Активный пентиловый
СН3СН2СН(СН3)СН2ОН
128
0,816
3,6
[ (—) -2-метилбута-
нол-1]
трет-Пентиловый
СН3СН2С(ОН)(СН3)2
—12
102
0,809
12,5
Циклопентанол
цикло- С5Н9ОН
140
0,949
Циклогексанол
цикло-CgHjjOH
24
161,5
0,962
Аллиловый
сн2=снсн2он
—129
97
0,855
ОС
Кротиловый
СН3СН=СНСН2ОН
118
0,853
16,6
Метилвинилкарбинол
CH^CHCHOHCH,
97
Бензиловый
С6Н5СН2ОН
—15
205
1,046
4
а-Фенилэтиловый
СвН5СНОНСН3
205
1,013
Р-Фенилэтиловый
С8Н6СН2СН2ОН
—27
221
1,02
1,6
Дифенилкарбинол (бенз-
(СеН6)2СНОН
69
298
0,05
гидрол)
Трифенилкарбинол
(С„Н5)3СОН
162,5
Коричный
СвН5СН=СНСН2ОН
33
257,5
Водородная связь. Ассоциация
Температуры кипения углеводородов, по-видимому, определяются их молекулярным весом и строением; это справедливо для молекул, которые удерживаются вместе главным образом за счет вандерваальсовых сил (разд. 4.14).
Таблица 15.2
Строение и температура кипения
Название
Строение
Молекулярный вес
Дипольный момент, Д
Т. кип., °C
н-Пентан
СН3СН2СН2СН2СН3
72
0
36
Диэтиловый эфир
СН3СН2ОСН2СН3
74
1,18
35
н-Пропилхлорид
СН3СН2СН2С1
79
2,10
47
н-Бутаналь
СН3СН2СН2СНО
72
2,72
76
н-Бутиловый спирт
СН3СН2СН2СН2ОН
74
1,63
118
В табл. 15.2 для сравнения приведены температуры кипения ряда соединений с близкими молекулярными весами, но с различной структурой. Так, диэтиловый эфир, который отличается от «-пентана наличием в средней
Рис. 15.1. Зависимость температур кипения гидридов от их молекулярного веса. Влияние водородной связи на температуру кипения.Рис. 15.1. Зависимость температур кипения гидридов от их молекулярного веса. Влияние водородной связи на температуру кипения.части цепи атома кислорода (молекулярный вес 16) вместо —СН2 — (молекулярный вес14), имеет практически ту же температуру кипения, что и «-пентан. В то же время «-бутиловый спирт кипит почти на 80 °C выше. Как же объяснить такое большое различие в температурах кипения?
Рис. 15.1. Зависимость температур кипения гидридов от их молекулярного веса. Влияние водородной связи на температуру кипения.
Рис. 15.1. Зависимость температур кипения гидридов от их молекулярного веса. Влияние водородной связи на температуру кипения.
Спирты содержат сильно полярную ОН-группу, и поэтому можно предположить, что различие в температурах кипения обусловлено большей полярностью молекул спирта. Такой фактор несомненно существует. Дипольный момент «-бутилового спирта (1,63) больше, чем дипольный момент диэти
лового эфира (1,18), и гораздо больше, чем дипольный момент н-пентана (0). Необходимо преодолеть большие межмолекулярные силы, возникающие в результате диполь-дипольного взаимодействия, и, следовательно, кипение происходит только при более высоких температурах.
Рассмотрение других соединений, приведенных в табл. 15.2, позволяет предположить существование какого-то дополнительного фактора, а также наличие каких-то особых свойств у ОН-группы. Дипольные моменты альдегида, содержащего группу С=О, и н-пропилхлорида гораздо больше дипольного момента «-бутилового спирта, тем не менее эти соединения имеют гораздо более низкие температуры кипения. Влияние группы ОН очень велико, и вряд ли его можно объяснить простым увеличением полярности.
Чтобы понять эту проблему, обратимся к неорганической химии и рассмотрим температуры кипения ряда водородных соединений. Из рис. 15.1 видно, что в группах периодической системы уменьшение молекулярного веса сопровождается понижением температуры кипения. Из этого правила имеются три важных исключения: HF, Н2О и NH3. При переходе от HI к НВг и НС1 температура кипения уменьшается; для HF (когда можно
было бы ожидать температуру кипения около —100 °C) она увеличивается до 19 °C. Несмотря на то что HF — наиболее легкий из всех галогеноводо- родов, он имеет самую высокую температуру кипения. В следующих двух группах наблюдается аналогичное увеличение температуры кипения для Н2О и МН3. Однако в четвертой группе такого увеличения температуры кипения для первого члена группы нет: СН4 (самое легкое соединение) кипит ниже, чем SiH4. Таким образом, три соединения (HF, Н2О и NH3), представленные на рис. 15.1, выпадают из ряда и имеют аномально высокие температуры кипения.
Для объяснения этих аномалий на основании различных доказательств было предложено понятие водородной связи: атом водорода служит мостиком между двумя электроотрицательными атомами, причем с одним из них он связан ковалентной связью, а с другим — электростатическими силами притяжения. Энергия этой электростатической связи около 5 ккал/моль (20,93-103 Дж/моль) [для большинства ковалентных связей эта величина составляет 50—100 ккал/моль (209,34-103—418,68-103 Дж/моль)]. Жидкости, молекулы которых удерживаются вместе водородными связями, называют ассоциированными жидкостями-, их аномально высокие температуры кипения обусловлены большей энергией, необходимой для разрушения водородных связей. Водородные связи обычно изображают пунктирными линиями.
Н Н I I Н—F-Н—FН—О-Н—ОН—N--H—N
IIII
НННН
ННRН
IIII
Н—N--H—ОR—О-Н—ОR—О-Н—О
III
ннн
Водородная связь — это особенно сильное диполь-дипольное взаимодействие. Когда атом водорода связан с электроотрицательным атомом, электронное облако сильно смешается в сторону электроотрицательного атома, оставляя открытым ядро водорода. Большой положительный заряд слабо экранированного ядра атома водорода сильно притягивается отрицательным зарядом электроотрицательного атома второй молекулы. Это притяжение гораздо слабее, чем ковалентная связь, которая удерживает его около первого электроотрицательного атома, однако оно гораздо сильнее, чем другие диполь-дипольные взаимодействия.
Для образования водородной связи необходимо, чтобы электроотрицательными атомами были F, О, N. Лишь водород, связанный с одним из этих трех элементов, достаточно положителен, и лишь эти три элемента достаточно ■отрицательны, чтобы существовало необходимое притяжение. Эти три элемента способны концентрировать отрицательные заряды на своих маленьких атомах.
Спирты, так же как и вода,— ассоциированные жидкости, их аномально высокие температуры кипения обусловлены наличием водородных связей. В эфирах и альдегидах также имеется кислород, но они содержат водород, связанный лишь с атомом углерода; их атомы водорода недостаточно положительны, чтобы образовать заметную связь с кислородом. Растворимость низших спиртов в воде обусловлена водородными связями, которые могут существовать между молекулой воды и молекулой спирта, так же как между двумя молекулами спирта или между двумя молекулами воды.
В изучении водородной связи основную роль играет инфракрасная спектроскопия (разд. 13.4). В разбавленном растворе в неполярном растворите-
ле, например четыреххлористом углероде, или в газовой фазе, когда ассоциация между молекулами минимальна, этиловый спирт дает полосу колебаний О—Н при 3640 см-1. Если концентрация этилового спирта увеличивается, эта полоса постепенно заменяется более широкой полосой при 3350 см-1.
Образование связи водорода со вторым атомом кислорода ослабляет связь О—Н и понижает энергию, а следовательно, и частоту колебания.
Задача 15.1. ИК-спектр чис-циклопентандиола-1,2 имеет полосу поглощения О—Н- группы при более низкой частоте, чем полоса поглощения свободной ОН-группы, и эта полоса не исчезает даже при сильном разбавлении. Для траяс-циклопентандиола-1,2 такая полоса не обнаруживается. Предложите возможное объяснение.
Задача 15.2. Какая водородная связь слабее и почему: а) между молекулами СНС13; б) между молекулами HCN? (Указание: см. разд. 8.10.)
Промышленные источники
Если бы химику-органику позволили выбрать десять алифатических соединений, с которыми он должен был бы остаться на необитаемом острове, он, конечно, выбрал бы спирты. Из них он мог бы получить многие другие алифатические соединения: алканы, алкилгалогениды, эфиры, альдегиды, кетоны, кислоты, сложные эфиры и многие другие соединения. Из алкилгалоге- нидов он мог бы получить реактивы Гриньяра, а в результате их реакции с альдегидами и кетонами синтезировать более сложные спирты и т.д. «Химический» Робинзон Крузо использовал бы спирты не только как исходные соединения, но и как растворители для проведения реакций и для перекристаллизации полученных веществ.
Спирты являются не только ценным исходным материалом для синтеза алифатических соединений вследствие многообразия их реакций, но они также доступны в больших количествах по низкой цене. Для получения простых спиртов существуют два принципиальных метода, лежащих в основе синтеза алифатических соединений: гидратация алкенов, полученных при крекинге нефти, и ферментативный гидролиз углеводов. Кроме этих двух основных методов, существуют и некоторые другие, имеющие более ограниченное применение.
Гидратация алкенов. Известно (разд. 4.35), что алкены, содержащие четыре или пять атомов углерода, могут быть выделены из смеси, полученной при крекинге нефти. Алкены легко превращаются в спирты (разд. 6.8 и 6.9) в результате либо непосредственного присоединения воды, либо присоединения серной кислоты с последующим гидролизом.
н2о
СН2=СН2 + Н^О, >■ CH,CH2OSO3H > СН3СН2ОН этиловый спирт (первичный)
Н2о
СН3—СН=СН2 + H2SO4 -—>■ СН3СНСН3 >- СН3СНСН3
OSO3Hон
изопропиловый спирт(вторичный)
Н2О
СН3СНСН=СН2 + H2SO4 > СН3СН2СНСН3 >- СНзСНгСНСНд
OSO3HОН
emop-бутиловый спирт(вторичный)
сн3сн3сн3
Iн+ |-н+|
сн3—с=сн2 -ь н2о —> СН3—С—СН3> сн3—с—сн3
+он2он
mpe/n-бутиловый спирт
(третичный)
Таким путем могут быть синтезированы лишь те спирты, которые образуются в соответствии с правилом Марковникова: например, изопропиловый, но не я-пропиловый; emop-бутиловый, но не я-бутиловый; mpem-бутиловый, но не изобутиловый. Этим методом можно получить лишь один первичный спирт — этиловый спирт.
Ферментативный гидролиз углеводов. Фрементативный гидролиз сахаров под действием дрожжей — наиболее древний синтетический химический процесс, используемый человеком,—до сих пор имеет огромное значение для получения этилового спирта и некоторых других спиртов. Сахар получают из различных источников, но в основном это патока из сахарного тростника или крахмал, полученный из различных зерновых культур: по этой причине этиловому спирту и было дано название «хлебный спирт».
При использовании крахмала в качестве исходного материала, кроме этилового спирта, образуется еще, правда в меньших количествах, сивушное масло (немецкое: Fusel — плохой напиток), представляющее собой смесь первичных спиртов: главным образом изопентиловый спирт в смеси с меньшими количествами я-пропилового спирта, изобутилового спирта и оптически активного пентилового спирта (2-метилбутанола-1).
Задача 15.3. Изопентиловый и оптически активный пентиловый спирты были получены при ферментативном превращения аминокислот — лейцина и изолейцина, которые в свою очередь получены в результате гидролиза белковых веществ крахмала.
(CH3)2CHCH2CH(NH3)COO“CH3CH2CHCH(NHs)COCT
лейцим।
сн3 изолейцин
а) Какой спирт образуется из какой кислоты? Хотя обе аминокислоты оптически активны и процессы превращения аналогичны, лишь один из полученных спиртов оптически активен. Почему?
Гораздо более новой является реакция Вейцмана — ферментативный гидролиз крахмала с помощью бактерий Clostridium acetobutylicum, в результате которого образуется смесь я-бутилового спирта (60%), этилового спирта (10%) и ацетона (30%) СН3СОСН3. Открытый во время первой мировой войны Хаимом Вейцманом (который в то время работал в Манчестерском университете), этот процесс был сначала важным источником получения ацетона, используемого в производстве бездымного пороха; бутиловый спирт рассматривался как побочный продукт и его выбрасывали. После войны развитие химии лаков для быстро развивающейся автомобильной промышленности сделало бутиловый спирт более ценным продуктом, а ацетон в какой-то степени стал побочным продуктом. Сейчас важное значение имеют оба продукта.
Гидролиз алкил галогенидов. При хлорировании смеси я-пентана и изопентана и последующем гидролизе образовавшейся смеси изомерных хлор- пентанов (разд. 15.10 и 14.6) получают смесь пяти изомерных пентиловых спиртов. Эта смесь часто используется в качестве растворителя. Наиболее высококипящий изомер — чистый пентанол-1 — можно выделить из смеси перегонкой.
Синтез метилового спирта. Как очень часто бывает, первый представитель класса спиртов, метиловый спирт, получают совершенно отлично от других спиртов — из простых неорганических соединений. Окись углерода и водород реагируют при 350—400 °C в присутствии окислов некоторых металлов с образованием метилового спирта.
Cr2O3+ZnO. 350—400 °C, 210 атм
СО + 2Нг* СН3ОН
метиловыйспирт
Метанол токсичен-, его употребление, вдыхание паров или нахождение на коже в течение длительного времени вызывает слепоту или приводит к смертельному исходу.
Задача 15.4. Исходя из вышеуказанного процесса, покажите, как можно получить метанол а) из угля и б) из нефти.
Альдольная конденсация. Описанные выше методы приводят к получению сравнительно простых спиртов. Более сложные спирты в промышленных масштабах получают из альдегидов и кетонов и в основном в результате альдольной конденсации; этот метод, используемый также и в лаборатории, обсуждается в разд. 27.8.
Оксо-синтез. Присоединение окиси углерода и водорода к алкенам (гидроформилирование) в присутствии катализатора дает альдегиды и кетоны, которые могут быть восстановлены в спирты. Этот оксо-синтез, открытый в США и первоначально получивший свое развитие в Германии, приобретает большое значение в химической промышленности, например;
СН3 I сн3—с—сн2—с=сн2
сн3 сн3
сн3
СП3— С—СН=С— сн3
сн3 сн3
сн3
сн3—с—сн2—сн—СН2СНаОН сн3 <!:н3
Восстановление эфиров жирных кислот. Большие количества первичных спиртов с неразветвленной цепью, содержащих четное число атомов углерода, получают в чистом виде каталитическим восстановлением эфиров жирных кислот (разд. 2Р-24).
Алфол-процесс. Первичные спирты с неразветвленной цепью, содержащие четное число атомов углерода (С6—С2П), получают в виде смеси при полимеризации этилена (разд. 8.24) по видоизмененному способу Циглера — Натта, который называют алфол-процессом!
воздухН2о, H2SO«
М(сн2сн2)„сн2сн8 ■ _> МО(СН2СН2)„СН2СН3 ——- > НО(СН2СН8)„СН,СН8
алфолы
Первоначально образовавшийся металлалкил окисляют воздухом, гидролизуют в присутствии кислоты и получают спирт (ср. синтез алфенов, разд. 8.24).
сн3
СО, Н2, [Со(СО)4]3 I
——-—- СН3—С—СН2—СН—СНгСНО
125 °C, 210 атм 3।2.2
сн3
сн3
Н2 , катализатор
Если же нагревать металлалкил в присутствии этилена и катализатора, то образуются алкены-1 с неразветвленной цепью.
CH2=CH2. Ni
М(СН2СН2)„СН2СН3>- СН2=СН(СН2СН2)п_гСН2СН3
иагреваниеалфен(альфа-алкен)
Задача 15.5. Какие спирты можно получить из этилена с помощью алфол-процесса, если вместо триэтилалюминия использовать три-(н-пропил)алюмииий?
Этиловый спирт
Этиловый спирт, этанол, не только наиболее старое синтетическое органическое соединение, используемое человеком, но также и одно из наиболее важных соединений.
Этиловый спирт широко используется в промышленности в качестве растворителя для лаков, красок, в парфюмерии и в лаборатории в качестве растворителя для химических реакций и для перекристаллизаций. Кроме того, он служит сырьем для многих синтезов; после того как мы изучим химические свойства спиртов (гл. 16), мы сможем лучше оценить важную роль, которую играет этиловый спирт. Для промышленных целей этиловый спирт синтезируют гидратацией этилена или ферментативным гидролизом сахара, получаемого из патоки (или иногда из крахмала); в основном его получают из нефти, сахарного тростника и различных зерновых культур.
Этиловый спирт используется также для производства спиртных напитков. Для этих целей его получают ферментативным гидролизом сахара, выделяемого из различных растительных источников. Свойства напитков зависят от сырья, используемого для ферментативного гидролиза (рожь или пшеница, виноград или ягоды бузины, мякоть кактусов или одуванчиков), метода проведения гидролиза (например, улетучивается двуокись углерода или нет) и метода обработки продукта гидролиза (перегоняется спирт или нет). Специфичный аромат напитков обусловлен не этиловым спиртом, а другими веществами, имевшимися в исходном сырье (используемом для получения спирта), или специальными добавками.
С медицинской точки зрения спирт относится к наркотическим веществам; он менее токсичен, чем другие спирты.
Поскольку этиловый спирт потребляют в виде различных спиртных напитков и он широко используется в промышленном синтезе, возникает проблема: спирт, используемый в промышленности, должен быть непригоден для питья. Эта проблема решается прибавлением к спирту денатуранта — вещества, которое придает ему неприятный вкус или даже делает его ядовитым. Двумя из восьмидесяти с лишним таких денатурантов являются, например, метиловый спирт и авиационный бензин.
95%-ный спирт: азеотропная смесь
Почти весь этиловый спирт, за исключением спиртных напитков, используется в виде смеси 95 % спирта и 5 % воды и называется просто 95 %-ным спиртом. Можно получить чистый (абсолютный) спирт, но он значительно дороже и используется только в случае необходимости.
Чем же замечательна концентрация 95%? Этиловый спирт сначала получается в виде смеси с водой; затем эту смесь концентрируют фракционной
перегонкой. Как и при любой перегонке сначала отгоняется более летучее вещество, т. е. имеющее наиболее низкую температуру кипения. В смеси этилового спирта и воды наиболее низкую температуру кипения имеет не вода (т. кип. 100 °C) и не этиловый спирт (т. кип. 78,3°), а смесь 95% спирта и 5% воды (т. кип. 78,15 °C). При использовании эффективной ректификационной колонки сначала отгоняется 95%-ный спирт, затем небольшая промежуточная фракция с более низкой концентрацией спирта и после этого отгоняется вода. Но независимо от эффективности ректификационной колонки 95%-ный спирт больше сконцентрировать не удается.
Известно, что разделение смеси перегонкой происходит, потому что пар имеет состав иной, чем жидкость, от которой он отгоняется; пар обогащен более летучим компонентом. 95%-ный спирт нельзя разделить на компоненты перегонкой, поскольку в этом случае пар имеет тот же состав, что и жидкость; при перегонке 95%-ный спирт ведет себя так же, как индивидуальное соединение.
Жидкие смеси, обладающие особым свойством образовывать пары того же состава, называются азеотропами или постоянно кипящими смесями. Поскольку 95 %-ный спирт состоит из двух компонентов, он называется бинарным азеотропом.
Температуры кипения большинства азеотропов, так же как и 95%-ного спирта, ниже температур кипения своих компонентов. Такие азеотропы называются смесями с минимумом температуры кипения; азеотропы, температуры кипения которых выше температур кипения их компонентов, называются смесями с максимумом температуры кипения.
Абсолютный спирт
Если 95%-ный спирт нельзя больше сконцентрировать перегонкой, то как же получить 100 %-ный этиловый спирт, так называемый абсолютный спирт? Его можно получить, используя возможность образования другого трехкомпонентного азеотропа (тройного азеотропа). Смесь 7,5% воды, 18,5% этилового спирта и 74% бензола образует азеотроп с т. кип. 64,9° (азеотроп с минимумом температуры кипения).
Что же происходит при перегонке смеси, содержащей, например, 150 г 95 %-ного спирта (142,5 г спирта и 7,5 г Н2О) и 74 г бензола? Сначала отгоняется тройной азеотроп; 100 г этого азеотропа содержит 7,5 г воды, 18,5 спирта и 74 г бензола. Таким образом полностью удаляется вода и бензол и только часть спирта, после чего остается 124 г чистого безводного спирта. Обычно прибавляют небольшой избыток бензола, который после перегонки тройной смеси удаляется в виде бинарного азеотропа со спиртом (т. кип. 68,3 °C).
Пример этилового спирта показывает, что, хотя иногда азеотропы мешают, часто их образование можно использовать в практических целях (разд. 18.16).
В некоторых случаях (разд. 29.9 и 30.4) необходимо удалить даже следы воды из промышленного абсолютного спирта. Это можно сделать, обработав спирт металлическим магнием; вода превращается в нерастворимый Mg(OH)2, от которого затем спирт отгоняют.
Методы синтеза
Большинство простых спиртов и некоторые сложные получают промышленными методами, описанными в разд. 15.6. Другие спирты можно получить одним из методов, приведенных ниже.
МЕТОДЫ СИНТЕЗА СПИРТОВМЕТОДЫ СИНТЕЗА СПИРТОВ1. Гидроборирование — окисление (разд. 15.11—15.13)1. Гидроборирование — окисление (разд. 15.11—15.13)+ (ВН3)2+ (ВН3)2диборандиборан||Н2О2, он- I |-> —С—С—*■ —С—С— 4- B(OH)gНВн он||Н2О2, он- I |-> —С—С—*■ —С—С— 4- B(OH)gНВн оналкилбораналкилборанприсоединение противправила Марковниковаприсоединение противправила МарковниковаПримеры:Примеры:цвс-лрисоединениецвс-лрисоединение^-метилуикпопептпен^-метилуикпопептпеншринс-г-метаилчиилопешпанолшринс-г-метаилчиилопешпанолсн3сн3I(ВН3)2 н2о2, он- Iсн3—С—СН=СН2 > 9- СН3—С—СН2СН2ОНсн3снэ3,3-диметилбутен-13,3-диметилбутанол-1сн3сн3I(ВН3)2 н2о2, он- Iсн3—С—СН=СН2 > 9- СН3—С—СН2СН2ОНсн3снэ3,3-диметилбутен-13,3-диметилбутанол-1без перегруп-пировкибез перегруп-пировки2. Синтезы Гриньяра (разд. 15.14—15.17)2. Синтезы Гриньяра (разд. 15.14—15.17)-С=О + RMgX-С=О + RMgX-C-OMgX -^ -С-ОН + Mg2+ + X-RК-C-OMgX -^ -С-ОН + Mg2+ + X-RКНННН-С^о + RMgX > H-C-OMgX -^^ н-с-он слгрты6"6 оо«рормальвегидНННR'-C^OJ^RMgX > R'-C-OMgX -^ R-C-OH вс^ыЫеДругие альбегивы^^НННН-С^о + RMgX > H-C-OMgX -^^ н-с-он слгрты6"6 оо«рормальвегидНННR'-C^OJ^RMgX > R'-C-OMgX -^ R-C-OH вс^ыЫеДругие альбегивы^^R'К-C^OjF RMgX т^ыпоныR'К-C^OjF RMgX т^ыпоныR"R'* R-C-OMgX -^ R-C-OH Щ™ь[еRАR"R'* R-C-OMgX -^ R-C-OH Щ™ь[еRАM2C-CH2j^RMgX окусъ этклена,M2C-CH2j^RMgX окусъ этклена,* RCH2CH2OMgX* RCH2CH2OMgXн2он2оRCH2CH2OHRCH2CH2OHпервичный спирт (прибавляется два атома углерода)первичный спирт (прибавляется два атома углерода)
МЕТОДЫ СИНТЕЗА СПИРТОВ
МЕТОДЫ СИНТЕЗА СПИРТОВ
1. Гидроборирование — окисление (разд. 15.11—15.13)
1. Гидроборирование — окисление (разд. 15.11—15.13)
+ (ВН3)2
+ (ВН3)2
диборан
диборан
||Н2О2, он- I |
-> —С—С—*■ —С—С— 4- B(OH)g
НВн он
||Н2О2, он- I |
-> —С—С—*■ —С—С— 4- B(OH)g
НВн он
алкилборан
алкилборан
присоединение противправила Марковникова
присоединение противправила Марковникова
Примеры:
Примеры:
цвс-лрисоединение
цвс-лрисоединение
^-метилуикпопептпен
^-метилуикпопептпен
шринс-г-метаилчиилопешпанол
шринс-г-метаилчиилопешпанол
сн3сн3
I(ВН3)2 н2о2, он- I
сн3—С—СН=СН2 > 9- СН3—С—СН2СН2ОН
сн3снэ
3,3-диметилбутен-13,3-диметилбутанол-1
сн3сн3
I(ВН3)2 н2о2, он- I
сн3—С—СН=СН2 > 9- СН3—С—СН2СН2ОН
сн3снэ
3,3-диметилбутен-13,3-диметилбутанол-1
без перегруп-пировки
без перегруп-пировки
2. Синтезы Гриньяра (разд. 15.14—15.17)
2. Синтезы Гриньяра (разд. 15.14—15.17)
-С=О + RMgX
-С=О + RMgX
-C-OMgX -^ -С-ОН + Mg2+ + X-
RК
-C-OMgX -^ -С-ОН + Mg2+ + X-
RК
ННН
Н-С^о + RMgX > H-C-OMgX -^^ н-с-он слгрты6"6 оо
«рормальвегид
ННН
R'-C^OJ^RMgX > R'-C-OMgX -^ R-C-OH вс^ыЫе
Другие альбегивы^^
ННН
Н-С^о + RMgX > H-C-OMgX -^^ н-с-он слгрты6"6 оо
«рормальвегид
ННН
R'-C^OJ^RMgX > R'-C-OMgX -^ R-C-OH вс^ыЫе
Другие альбегивы^^
R'
К-C^OjF RMgX т^ыпоны
R'
К-C^OjF RMgX т^ыпоны
R"R'
* R-C-OMgX -^ R-C-OH Щ™ь[е
RА
R"R'
* R-C-OMgX -^ R-C-OH Щ™ь[е
RА
M2C-CH2j^RMgX окусъ этклена,
M2C-CH2j^RMgX окусъ этклена,
* RCH2CH2OMgX
* RCH2CH2OMgX
н2о
н2о
RCH2CH2OH
RCH2CH2OH
первичный спирт (прибавляется два атома углерода)
первичный спирт (прибавляется два атома углерода)
RR
,„I н2о |
R'COOC2H5 + 2RMgX> R'—С—OMgX *■ R'—С—ОН
сложный эфир
(разд. 20.20)третичный
спирт
Гидролиз алкилгалогенидов (разд. 15.10)
R—X + ОН" (или Н2О)> R—ОН + X" (или ИХ) Примеры:
«-пропиловый спирт«-пропиловый спиртн-пропилбромидн-пропилбромидводн. NaOHСН3СН2СН2Вг> СН3СН2СН2ОН
«-пропиловый спирт
«-пропиловый спирт
н-пропилбромид
н-пропилбромид
©>СН2С1 -^MU (Q)cH2OHхлористыйбензиловый
бензилспирт
СН3СН3 /СН, \
IН2О|/
СН3—С—СН3 > СН3—С—СН3 I + большое количество СН8—С=СН2 |
Уизобутилен у
трет-бутилхлорид mppm-бутиловый спирт
Альдольная конденсация (разд. 27.8)
Восстановление карбонильных соединений (разд. 19.11)
Восстановление кислот и эфиров (разд. 18.18 и 20.21)
Несомненно, наиболее важными из этих методов являются синтезы Гриньяра. В лаборатории химик имеет дело в основном с получением сложных спиртов, которых нет в продаже; их можно довольно легко синтезировать по реакции Гриньяра из более простых исходных веществ. Алкилгалоге- ниды, из которых получают реактивы Гриньяра, так же как и альде.гиды и кетоны, можно синтезировать из спиртов; в конечном счете этот метод представляет синтез более сложных спиртов из менее сложных.
Спирты получают из соединений, содержащих двойную углерод-углеродную связь, с помощью реакции гидроборирования —окисления. Вследствие стереоспецифичности реакции и отсутствия перегруппировок этот метод позволяет синтезировать соединения, которые трудно получить другими способами.
Использование гидролиза алкилгалогенидов для синтеза спиртов ограничено, поскольку спирты обычно более доступны, чем соответствующие галогениды; действительно, галогениды лучше всего получать из спиртов. В качестве примера синтеза спирта из галогенида можно привести синтез бензилового спирта из толуола
толуолтолуолСН2С1СН2С1нагревание, Clz, освещениенагревание, Clz, освещениеСН2ОНСН2ОНвойн. NaOH у.войн. NaOH у.хларвстпыйбензилхларвстпыйбензилбензиловыйспиртбензиловыйспирт
толуол
толуол
СН2С1
СН2С1
нагревание, Clz, освещение
нагревание, Clz, освещение
СН2ОН
СН2ОН
войн. NaOH у.
войн. NaOH у.
хларвстпыйбензил
хларвстпыйбензил
бензиловыйспирт
бензиловыйспирт
Для тех галогенидов, которые могут подвергаться элиминированию, всегда необходимо учитывать возможность побочной реакции — образования алкенов. Выбор растворителя позволяет направлять реакцию по нужному пути: при использовании водного раствора основания предпочтительно происходит замещение, в случае спиртового раствора основания — предпочтительно элиминирование. Третичные и в меньшей степени вторичные алкилгалогени- ды склонны к дегидрогалогенированию и могут давать значительные количества, а иногда, и в основном алкен, даже при использовании водного раствора основания. Для этих галогенидов лучше использовать простой гидролиз
водой, хотя даже и в этом случае получаются значительные количества алкена. Эта конкуренция между реакциями замещения и элиминирования уже обсуждалась (разд. 14.20).
Гидроборирование — окисление
Алкены реагируют с дибораном (ВН3)2, образуя алкилбораны, которые- при окислении превращаются в спирты, например: н2с=сн2н2с=сн2н2с=сн2
(ВН3)2► СН3СН2ВН,>■ (СН3СН2),ВН> (СН3СН2)3В
диборантриэтнлбор
он-(СН3СН2)3В + ЗН2О2 > ЗСН3СН2ОН + ЗВ(ОН)3
триэтилбор перекисьэтиловыйборная
' водородаспирткислота
Эта реакция гидроборирования проста и удобна, выходы очень высоки, и ее можно использовать для синтеза соединений, которые трудно получить из алкенов каким-либо другим способом.
Диборан — димер гипотетического ВН3 (борана), который в рассматриваемых реакциях реагирует как ВН3. Действительно, в тетрагидрофуране, который используется в качестве растворителя при гидроборировании, реагент существует в виде мономера в форме кислотно-основного комплекса с растворителем
НН:ВЙ боранНН:ВЙ боранН\ /Нх /Нbz )вHZ 'hz хнВиборанН\ /Нх /Нbz )вHZ 'hz хнВиборанН ^Нг-СЩ Н:В:О |Н ХСН2-СН2комплексборан тпетпрагидрофуран.Н ^Нг-СЩ Н:В:О |Н ХСН2-СН2комплексборан тпетпрагидрофуран.
Н
Н:В
Й боран
Н
Н:В
Й боран
Н\ /Нх /Нbz )в
HZ 'hz хн
Виборан
Н\ /Нх /Нbz )в
HZ 'hz хн
Виборан
Н ^Нг-СЩ Н:В:О |
Н ХСН2-СН2
комплексборан тпетпрагидрофуран.
Н ^Нг-СЩ Н:В:О |
Н ХСН2-СН2
комплексборан тпетпрагидрофуран.
ГидроборированиеГидроборированиеОкисление н2о2 он I I > —С—С—I I н онОкисление н2о2 он I I > —С—С—I I н онН—В<^ = Н—ВН2, Н—BHR, Н—BR,Н—В<^ = Н—ВН2, Н—BHR, Н—BR,
Гидроборирование
Гидроборирование
Окисление н2о2 он I I > —С—С—
I I н он
Окисление н2о2 он I I > —С—С—
I I н он
Н—В<^ = Н—ВН2, Н—BHR, Н—BR,
Н—В<^ = Н—ВН2, Н—BHR, Н—BR,
Гидроборирование включает присоединение ВН3 по двойной связи (или в следующих стадиях BH2R и BHR2), водород направляется к одному из атомов углерода двойной связи, а бор — к другому. Алкилбораны могут затем подвергаться окислению, при Котором бор заменяется на ОН-группу (механизм обсуждается в разд. 25.5).
спирт
Таким образом, двухстадийная реакция гидроборирования — окисления в действительности представляет собой присоединение элементов воды Н—ОН по двойной углерод-углеродной связи.
Реакцию проводят в простом эфире, обычно в тетрагидрофуране или диглиме (метиловый эфир диэтиленгликоля СН3ОСН2СН2ОСН2СН2ОСН3). Диборан получают реакцией между двумя промышленно доступными реагентами — боргидридом натрия (NaBH4) и трехфтористым бором (BF3), часто in situ (в присутствии алкена). Алкилбораны не выделяют, а обрабатывают в том же реакционном сосуде щелочным раствором перекиси водорода.
Направление присоединения в реакции гидроборирования
При гидроборировании — окислении алкены превращаются в спирты. В большинстве случаев, когда возможно образование двух изомерных продуктов, один из них, как и вдругих ранее изученных реакциях, значительно преобладает. Однако в данном случае предпочтительным продуктом будет не тот, который образуется в случае непосредственной гидратации, катализируемой кислотами (разд. 6.8 и 6.9), например:
(ВН3)2 н2о2. он~
СН3СН=СН2 >- »- СН3СН2СН2ОН
пропиленн-пропиловый спирт
(первичный)
(BHah н2О2. ОН-
СН3СН2СН=СНа»- *- СН3СН2СН2СН2ОНбутен-1н-бутиловый спирт
(первичный)
СН3СН3
I(ВН8)2 Н2О2, ОН-|
СН3—С=СН2 >- >- СН3—СИ—СН2ОНизобутиленизобутиловый спирт
(первичный)
СН3СН3
I (ВН3)2 н2о2. он IСН3—СН=С—СН3 > »- СН3—СН—СН—СН32-метилбутен-2^^
З-метилбутанол-2(вторичный)
СН3СН3
I(ВНз)2 Н2О2, ОН- |
СН3—С—СН=СН2 >- >• СН3—С—СН2—СН3ОН
сн3сн3
3,3-диметилбутен-13,З-диметилбутаиол-1
(первичный)
Реакция гидроборирования — окисления, т. е. присоединение воды к двойной углерод-углеродной связи, протекает против правила Марковникова.
Реакция 3,3-диметилбутена-1 показывает особое преимущество метода. В реакциях гидроборирования не происходит перегруппировок (очевидно, потому, что в этом случае не образуются карбониевые ионы), и, следовательно, метод может быть использован без осложнений, которые часто сопровождают другие реакции присоединения.
Вследствие совокупности благоприятных факторов, из которых мы обсуждали только три — ориентацию, стереохимию (задача 15.6) и отсутствие перегруппировок, реакция гидроборирования — окисления приобретает большое синтетическое значение: она позволяет получать из алкенов спирты, которые недоступны другими методами; эти спирты (разд. 16.10) служат исходными для синтеза многих соединений других классов.
В этой главе кратко обсуждено одно из многих применений в органическом синтезе реакции гидроборирования, которая была открыта Т. Брауном (Лафайетский университет). Профессор Браун стал известен как выдающийся химик-органик, однако свой путь ои начал как химик-неорганик в лаборатории Шлезингера в Чикагском университете. В этой лаборатории в процессе исследования летучести соединений урана во время второй мировой войны были впервые получены алюмогидрид лития и боргидрид натрия (разд. 9.11) и впервые исследованы их восстановительные свойства; именно здесь Браун заинтересовался природой боргидридов.
Основные принципы реакции гидроборирования иллюстрируются простыми примерами. На практике синтезы включают, как правило, более сложные молекулы, но принцип остается тем же, например:
«Ь/Ся3
с8н17 = —снсн2сн2сн2сн'
CHJ
Задача 15.6. В результате реакции гидроборирования — окисления каждое из приведенных ниже циклических соединений дает только указанный продукт:
1-метилциклопентен> транс-2-метилциклопентанол;
1-метилциклогексен> траяс-2-метилциклогексанол;
цис-1,2-диметилциклопентен> цис-1,2-диметилциклопентанол;
холестерин> холестандиол-ЗР,6а (разд. 15.18). Какова стереохимия реакции гидроборирования — окисления?
Задача 15.7. Исходя из своего ответа на предыдущую задачу, предскажите, какие продукты образуются в реакциях гидроборирования — окисления следующих соединений: а) цчс-2-фенилбутена-2 и б) траяс-2-фенилбутена-2.
Задача 15.8. Стереохимия реакции гидроборирования — окисления, показанная в задаче 15.6, является суммарным стереохимическим результатом двух стадий и находится в соответствии с любой из двух комбинаций стереохимического протекания индивидуальных стадий: Что это за комбинации?
Механизм реакции гидроборирования
Ценность реакции гидроборирования — окисления в значительной степени заключается в «необычной» ориентации гидратации. Гидроксильная группа занимает положение, которое было занято в промежуточном алкил- боране бором, и, следовательно, конечный продукт отражает направление присоединения стадии гидроборирования. Действительно ли «необычна» эта ориентация?
Направление присоединения необычно потому, что водород присоединяется не к тому концу двойной связи, к которому он присоединяется при электрофильном присоединении, а к противоположному. Суть электрофильного присоединения состоит в том, что электрофильная частица реагента — кислая частица — образует связь, используя л-электроны таким образом, что атом углерода, от которого отобрали л-электроны, является углеродом, который легче может оставаться без них. Рассмотрим в качестве примера пропилен:
сн3-*сн=снгсн3-*сн=снгсн3-сн-сн2сн3-сн-сн2HZб+
сн3-*сн=снг
сн3-*сн=снг
сн3-сн-сн2
сн3-сн-сн2
> СНа-*СН—сн2
й
Z
Какой же атом является бора, имеющий только шестьКакой же атом является бора, имеющий только шестьцентром кислотности в ВН3? электронов. Не удивительно,центром кислотности в ВН3? электронов. Не удивительно,Конечно, атом что бор ищетКонечно, атом что бор ищет
Какой же атом является бора, имеющий только шесть
Какой же атом является бора, имеющий только шесть
центром кислотности в ВН3? электронов. Не удивительно,
центром кислотности в ВН3? электронов. Не удивительно,
Конечно, атом что бор ищет
Конечно, атом что бор ищет
л-электроны двойной связи и атакует атом углерода. Он атакует таким образом, что положительный заряд возникает на том атоме углерода, который способен лучше его распределить.
СН3->С№-СН2
Н-В-НIн
Однако в отличие от обычного электрофильного присоединения реакция не протекает через стадию образования карбониевого иона. В переходном состоянии атом углерода, который теряет л-электроны, приобретает повышенную кислотность: электронодефицитный бор является кислым, но то же самео можно сказать и об электронодефицитном углероде. Рядом находится атом водорода, связанный с бором парой электронов. Углерод начинает присоединять этот водород с его парой электронов; бор, поскольку он получает л-электроны, готов отдать этот водород.
Реакции такого типа называются четырехцентровыми-, имеется одна стадия и одно переходное состояние, в котором атомы бора и водорода присоединяются к атомам углерода, связанным двойной связью.
6+
СНз^2 Переходное состояние
„ Л ~ реакции гидробориро- п ।вания
С точки зрения основной природы алкена и кислой природы ВНЭ можно считать, что основной движущей силой реакции является присоединение бора к углероду. В переходном состоянии в большей степени осуществляется связывание бора с С-1, чем связывание водорода с С-2. Таким образом, уход л- электронов от С-2 к связи С,—В превосходит подачу электронов от водорода, и атом углерода С-2, который может лучше всего распределить заряд, становится положительным.
Таким образом, направление присоединения в реакции гидроборирования определяется в основном так же, как и в двухстадийной реакции электрофильного присоединения. Водород в этих двух реакциях присоединяется к противоположным концам двойной связи, так как в одном случае он присоединяется без электронов (в виде протона, кислота), а в другом — с электронами (в виде гидрид-иона, основание).
Согласно теории кислот и оснований Бренстеда — Лоури, можно было бы рассматривать водород в основном как протон. В действительности гидрид-ион более реален. Например, твердый гидрид лития имеет ионную кристаллическую решетку, составленную из Li+ и Н~; напротив, «голый» несольватнрованный протон не встречается в органической химии.
Мы уже знакомы с легким переносом гидрид-иона от одного атома углерода к другому: в пределах одной молекулы (гидридный сдвиг при перегруппировках) и между молекулами (отщепление карбониевым ионом, разд. 6.16.) Позднее будет рассмотрен ряд многообразных восстанавливающих агентов (гидридов, таких, как алюмогидрид лития LiAlH, и боргидрид натрия NaBH4), которые являются восстановителями вследствие передачи гидрид-иона органическим молекулам.
Задача 15.9. Укажите кислоты и основания (по Льюису или Бренстеду — Лоури) в каждой из следующих реакций:
Li+H- + Н2О> Н2 + Li+OH-;
(С2Н6)8В + NHS* (С2Н6)зВ" : +NH3;
(ВН3)2 + 2(CH3)BN> 2Н3В : N(CH3)3;
2Li+H- + (ВН3)3» 2Li+BH;.
Задача 15.10. Исходя из механизма, предложите стереохимию реакции гидроборирования? На этом основании какая из двух комбинаций задачи 15.8 (стр. 491) будет правильной? Какова должна быть стереохимия стадии окисления?
(В действительности стереохимия реакции, установленная путем, который мы не можем здесь рассматривать, является одним из оснований для предложенного механизма, а не наоборот.)
Синтез спиртов с помощью реактивов Гриньяра
Реактив Гриньяра RMgX получается при реакции металлического магния с соответствующими органическими галогенидами (разд. 4.18). Этими галогенидами могут быть алкил- (первичные, вторичные, третичные), аллил-, аралкил- (например, бензил) или арилгалогениды (фенил или замещенный фенил). Галогенами могут быть С1, Вг или I. (При синтезе арилмагнийхлори- дов реакцию проводят в циклическом эфире — тетрагидрофуране вместо диэтилового эфира.)
безводный эфир
RX + Mg*- RMgX
реактив
Гриньяра
Одно из наиболее важных использований реактивов Гриньяра — реакция с альдегидами и кетонами, приводящая к спиртам. Альдегиды и кетоны имеют следующие общие формулы:
НR
R—С=ОR—С=О
альдегидкетон
В обоих случаях функциональной группой будет карбонильная группа /С=О, и, как будет показано в гл. 19, альдегиды и кетоны очень похожи в большинстве своих реакций. Подобно двойной углерод-углеродной связи, карбонильная группа не насыщена и вступает в реакции присоединения. Одна из наиболее типичных реакций — присоединение реактива Гриньяра.
Поскольку электроны двойной углерод-кислородной связи удерживают вместе атомы различной электроотрицательности, то маловероятно, что электроны разделены между атомами поровну; в данном случае подвижное л- облако должно быть сильно смещено в сторону электроотрицательного атома — кислорода. Независимо от рассматриваемого механизма присоединение несимметричного реагента происходит так, что нуклеофильный (основной) центр образует связь с атомом углерода, а электрофильный (кислый) центр — связь с атомом кислорода.
КИСЛОТЫ — ВОДЫ.к $4- $-•)с=о/> -C-OMgX -^kR)MgXR5- г+1-* -C-QH + Mg(OH)XRн*спиртMg2+ + X- + Н2ОКИСЛОТЫ — ВОДЫ.к $4- $-•)с=о/> -C-OMgX -^kR)MgXR5- г+1-* -C-QH + Mg(OH)XRн*спиртMg2+ + X- + Н2ОСвязь углерод — магний в реактиве Гриньяра сильно полярна, причем углерод является отрицательным относительно электроположительного магния. Поэтому не удивительно, что в результате присоединения к карбонильному соединению органическая группа образует связь с углеродом, а магний — с кислородом. Продукт представляет собой магниевую соль слабо кислого спирта и легко превращается в спирт при прибавлении более сильной
КИСЛОТЫ — ВОДЫ.
к $4- $-•
)с=о
/> -C-OMgX -^
kR)MgXR
5- г+
1
-* -C-QH + Mg(OH)X
Rн*
спирт
Mg2+ + X- + Н2О
КИСЛОТЫ — ВОДЫ.
к $4- $-•
)с=о
/> -C-OMgX -^
kR)MgXR
5- г+
1
-* -C-QH + Mg(OH)X
Rн*
спирт
Mg2+ + X- + Н2О
Поскольку образовавшийся в процессе реакции Mg(OH)X представляет собой желатинообразное вещество, с которым трудно работать, вместо воды обычно используют разбавленную минеральную кислоту (НС1, H2SO<), так что образуются растворимые в воде соли магния.
Продукты синтезов Гриньяра
Тип спирта, получаемого в синтезе Гриньяра, зависит от характера используемого карбонильного соединения: из формальдегида НСНО образуются первичные спирты, из других альдегидов RCHO — вторичные и из кетонов- R2CQ — третичные спирты.
НН—2=0 -г RMgXформальвегибНН—2=0 -г RMgXформальвегибНн—С—OMgXRНн—С—OMgXRНIR'—С=О + RMgXНIR'—С=О + RMgXвысшиеалейегмдывысшиеалейегмдыН IН IR*IR'—С^О +^RMgX домныR*IR'—С^О +^RMgX домныR*IR'-C-OMgXКR*IR'-C-OMgXКнI н-с-онIRпервичныйспиртНR’—С—ОНR вторичный спиртR’I R'—С—ОНIRтретичныйспиртнI н-с-онIRпервичныйспиртНR’—С—ОНR вторичный спиртR’I R'—С—ОНIRтретичныйспирт
Н
Н—2=0 -г RMgX
формальвегиб
Н
Н—2=0 -г RMgX
формальвегиб
Н
н—С—OMgX
R
Н
н—С—OMgX
R
НI
R'—С=О + RMgX
НI
R'—С=О + RMgX
высшиеалейегмды
высшиеалейегмды
Н I
Н I
R*I
R'—С^О +^RMgX домны
R*I
R'—С^О +^RMgX домны
R*
I
R'-C-OMgX
К
R*
I
R'-C-OMgX
К
н
I н-с-он
I
Rпервичныйспирт
Н
R’—С—ОН
R вторичный спирт
R’
I R'—С—ОН
IRтретичныйспирт
н
I н-с-он
I
Rпервичныйспирт
Н
R’—С—ОН
R вторичный спирт
R’
I R'—С—ОН
IRтретичныйспирт
"Такая зависимость вытекает из определения альдегидов и кетонов и из определения первичных, вторичных и третичных спиртов. Число атомов водорода, связанных с карбонильным углеродом, позволяет определить, является ли карбонильное соединение формальдегидом, высшим альдегидом или кетоном. В полученном спирте карбонильный углерод связан с ОН-группой; в данном случае число атомов водорода у этого углерода определяет, каким является спирт — первичным, вторичным или третичным, например:
НСН3
СН3СН2СНСН3 + Н—С=О > CH3CH2CHCH2OMgBr
MgBr Формальдегид втор-бутилмагний- бромид
сн3
н2о(
—> сн3сн2снсн2он
Ф«нил»аан«й- бромед
Н
Iсн3—с=оацетальдегид
СН3
первичный спирт втор-бутилкарбинол (2-метилбутанол-1)
вторичный спирт метилфенилкарбиной (1- фенилэтанол)
СН3 ьо | —>■ «-С4Н2СОН
H-C<HgMgBr + СН3—С=О н-бутилмагиий- ацетон бромид
M-C4H6COMgBr
СН3
СН3
третичный спиртдимегил-н-бутилкарби-нол (2-метилгекса-
нол-2)
В аналогичном синтезе для получения первичных спиртов, содержащих на два атома углерода больше, чем исходный реактив Гриньяра, используют окись этилена (разд. 28.14).
н2о
Н2ССН2 + RMgX >- RCH2CH2HMgX >- RCH2CH2OH
V
окись этиленапервичный спирт,
прибавилось дваатома углерода
Органическая группа опять связывается с углеродом, а магний — с кислородом, но при этом разрушается углерод-кислородная о-связь в сильнонапряженном трехчленном кольце (разд. 9.10), например:
фенилмагниц- бромидфенилмагниц- бромидН2С—сн2 V окись этиленаН2С—сн2 V окись этиленаСН2СН2ОНСН2СН2ОНр-фенилэтиловъш спирт ( 2-фенилэтанол)р-фенилэтиловъш спирт ( 2-фенилэтанол)
фенилмагниц- бромид
фенилмагниц- бромид
Н2С—сн2 V окись этилена
Н2С—сн2 V окись этилена
СН2СН2ОН
СН2СН2ОН
р-фенилэтиловъш спирт ( 2-фенилэтанол)
р-фенилэтиловъш спирт ( 2-фенилэтанол)
CH3CH2CH2CH2MgBrв.-б5тихма.гцццбромиаCH3CH2CH2CH2MgBrв.-б5тихма.гцццбромиаацетофенонацетофенонсн3сн2сн2сн2—с-(\( он\ 2-фенилгексавол-2.сн3сн2сн2сн2—с-(\( он\ 2-фенилгексавол-2.СНзСН3СН2СН2СН2-С +О мстил-н-бутил к стонСНзСН3СН2СН2СН2-С +О мстил-н-бутил к стонфенилмагний* бромидфенилмагний* бромид
CH3CH2CH2CH2MgBr
в.-б5тихма.гцццбромиа
CH3CH2CH2CH2MgBr
в.-б5тихма.гцццбромиа
ацетофенон
ацетофенон
сн3сн2сн2сн2—с-(\( он\ 2-фенилгексавол-2.
сн3сн2сн2сн2—с-(\( он\ 2-фенилгексавол-2.
СНз
СН3СН2СН2СН2-С +
О мстил-н-бутил к стон
СНз
СН3СН2СН2СН2-С +
О мстил-н-бутил к стон
фенилмагний* бромид
фенилмагний* бромид
Планирование синтезов Гриньяра
Как решить, какой реактив Гриньяра и какое карбонильное соединение следует использовать для получения какого-то определенного спирта? Это можно сделать, исходя из структуры спирта, который необходимо получить. Одна из групп, связанных с углеродом, несущим ОН-группу, должна быть из реактива Гриньяра, две другие (включая водороды) должны быть из карбонильного соединения.
Большинство спиртов можно получить различными комбинациями реагентов; обычно выбирают наиболее доступную комбинацию. Рассмотрим, например, синтез 2-фенилгексанола-2
СИзСН2СН2СН2Ч-С-/О!он
2- фенилаенслнох-г.
Как видно из приведенных схем, это можно сделать, исходя из реактива Гриньяра с четырьмя атомами углерода и ароматического кетона или из фенилмагнийгалогенида (реактива Гриньяра) и алифатического кетона с шестью атомами углерода. При изучении альдегидов и кетонов (гл. 19) будет показано, что в первом случае используется более доступное карбонильное соединение, которое действительно применяется для получения этого спирта.
Ограничения синтеза Гриньяра
Высокая реакционная способность реактивов Гриньяра, которая является причиной их частого использования, сильно ограничивает их применение. Об этой реакционной способности необходимо помнить при планировании экспериментальных условий синтеза и при выборе галогенида для получения реактива Гриньяра и соединения, с которым он будет реагировать.
В разд. 4.18, где впервые упоминались реактивы Гриньяра, была описана реакция с водой, в результате которой образуется алкан; более сильная кислота, вода, вытеснила очень слабую кислоту, алкан, из его соли. Таким же образом, любое соединение, содержащее атом водорода, который связан с электроотрицательным элементом — кислородом, азотом, серой или с углеродом, связанным тройной связью,— является достаточно кислым, чтобы разложить реактив Гриньяра. Реактив Гриньяра легко реагирует с кислородом и двуокисью углерода и почти с каждым органическим соединением, которое содержит кратную связь углерод — кислород или углерод — азот.
Как все это будет влиять на реакцию между реактивом Гриньяра и, например, альдегидом? Прежде всего, алкилгалогенид, альдегид и эфир, используемый в качестве растворителя, должны быть тщательно высушены и очищены от спирта, из которого каждый из них, вероятно, был получен; реактив Гриньяра не образуется в присутствии воды. Прибор должен быть совершенно сухим. Реакционную систему следует предохранять от попадания влаги, кислорода и двуокиси углерода, содержащихся в воздухе: от паров воды можно предохранить, используя трубки с хлористым кальцием; кислород и двуокись углерода можно удалить из системы сухим азотом. Если выполнять все эти условия, то при надлежащем выборе галогенида и альдегида удастся получить необходимое соединение с хорошим выходом.
Нельзя получить реактив Гриньяра из соединения (например, НОСН2СН2Вг), содержащего, кроме галогена, еще группу (например, ОН), которая будет реагировать с реактивом Гриньяра; если попытаться это сделать, то по мере того, как будет образовываться молекула реактива Гриньяра, она будет реагировать с активной группой (ОН) другой молекулы с образованием нежелательного продукта (НОСН2СН2—Н).
Особенно следует быть внимательным при получении арилмагнийгало- генидов, поскольку в бензольном кольце могут присутствовать самые разнообразные заместители. Карбоксил-(СООН), гидроксил-(ОН), амино-(МН2) и 8ОэН-группы — все содержат водород, связанный с кислородом или азотом, и поэтому они настолько кислые, что могут разложить реактив Гриньяра. Реактив Гриньяра прибавляют к соединению, содержащему карбонильную группу (С=О), или к соединениям с группами COOR или C=N. Нитрогруппа (NO2) окисляет реактив Гриньяра. Оказывается, что сравнительно немногие группы могут присутствовать в молекуле галогенида, из которого ■получают реактив Гриньяра; среди них R, Аг, OR и С1 (арилхлориды).
G не должно быть:
I
—соон— с=о
—ОН—COOR
—NHg—C=N—
—SO3H— no2
и многие другие
G может быть:
—R—OR
—Аг (арил)—О
м-иитробензальдегибм-иитробензальдегибп-аминоацетореясяп-аминоацетореясяОп-бааоипбеязойная кислотаОп-бааоипбеязойная кислотаТаким же образом альдегид (или любое соединение), с которым должен реагировать реактив Гриньяра, не должен содержать других групп, которые могут вступать в реакцию с реактивом Гриньяра. Например, реактив Гриньяра будет разлагаться прежде, чем он вступит в реакцию с карбонильной группой следующих соединений:
м-иитробензальдегиб
м-иитробензальдегиб
п-аминоацетореяся
п-аминоацетореяся
О
п-бааоипбеязойная кислота
О
п-бааоипбеязойная кислота
R =R =—СИ—сн2—сн2—сн2—сн<—СИ—сн2—сн2—сн2—сн<2022232425202223242520сн320сн3-СИ,27 3-СИ,27 3
R =
R =
—СИ—сн2—сн2—сн2—сн<
—СИ—сн2—сн2—сн2—сн<
2022232425
2022232425
20
сн3
20
сн3
-СИ,27 3
-СИ,27 3
Эти ограничения могут показаться очень жесткими. Тем не менее число приемлемых комбинаций столь велико, что реактив Гриньяра является одним из наиболее ценных синтетических соединений. Описанные меры предосторожности должны соблюдаться в любом органическом синтезе: нельзя ограничивать свое внимание только интересующей нас группировкой; необходимо предусмотреть возможные изменения других функциональных групп.
Стероиды
Холестерин (стр. 491), известный как вещество, отлагающееся на стенках артерий, и как главная составная часть желчных камней, относится к группе спиртов, называемых стеринами. Стерины относятся к классу стероидов — соединений с общей формулой
40vm.O.
стероид
Кольца, как правило, алифатические; вертикальными линиями у С-10 и С-13 обозначены ангулярные метильные группы. В холестерине, например:
Пространственная направленность заместителей обозначается сплошными линиями (p-связи, находящиеся перед плоскостью бумаги) и пунктирными линиями (a-связи, уходящие за плоскость бумаги). Так, в соединении I Н и ОН у С-5 и С-6 находятся в цис-положении по отношению друг к другу,
Зр.ба-виол t
2-25 6
но в транс-положении по отношению к ОН-группе у С-3 и к ангулярной метильной группе в положении 10. Сочленение колец друг с другом может быть цис или транс, что еще больше усложняет стереохимию этих соединений.
Наконец, в любой аналогичной жесткой циклической системе становятся заметными конформационные эффекты, и часто они определяют путь реакции.
К стероидам относятся половые гормоны и адренокортикоидные гормоны (один из них кортизон), сердечные глюкозиды и желчные кислоты. Из-за своей биологической важности и, несомненно, из-за пленительной сложности химии изучение стероидов было и остается одной из наиболее активных сфер исследований органической химии (эстрон — эстроген, женский подовой гормон; тестостерон — андроген, мужской половой гормон; кортизон — адренокортикоидный гормон; эргостерин — предшественник витамина D).
ЗАДАЧИ
а) Не учитывая энантиомерии, напишите структурные формулы восьми изомерных пентиловых спиртов С5НиОН.
Назовите каждый из них по системе ШРАС и по карбинольной системе.
Отметьте первичные, вторичные и третичные спирты.
Укажите изопентиловый спирт, н-пентиловый спирт, трет-пентиловый спирт
Напишите структурные формулы первичного, вторичного и третичного спиртов, имеющих формулу С6Н,3ОН.
Напишите структурные формулы первичного, вторичного и третичного циклических спиртов, имеющих формулу С6НВОН.
Не обращаясь к таблицам, расположите следующие соединения в порядке уменьшения температуры кипения: а) гексаиол-3; б) н-гексан; в) диметил-я-пропилкарбииол; г) я-октиловый спирт; д) я-гексиловый спирт.
Исходя из структурных формул, представленных в начале каждой главы, покажите, какие классы соединений, обсуждаемых в этой книге, могут образовывать водородные связи: а) с другими молекулами такого же типа и б) с водой.
Какое из соединений имеет более высокую температуру кипения? (Проверьте ответы в соответствующих таблицах.)
n-крезол п-СН3С6Н,ОН или аиизол СвН6ОСН8,
zO
метилацетат СН3С< или пропионовая кислота СН3СН2С< \ОСН3'ОН
этиленгликоль СН2ОНСН2ОН или я-пропиловый спирт.
Эфиры (ROR) имеют значительно более низкие температуры кипения, чем спирты с близким молекулярным весом; то же самое можно сказать и об их растворимости в воде. Как вы это объясните? (Проверьте ответ в разд. 17.2.)
Предложите схему или схемы промышленного получения следующих спиртов:
метилового,д)втор-бутилового,
этилового,е)изопентилового,
я-бутилового,ж)циклогексаиола,
mpcm-бутилового,з)бензилового,
и) Р-хлорэтилового (С1СН2СН2ОН).
Предложите возможный метод получения аллилового спирта СН2=СНСН2ОН.
Напишите схемы синтеза изопропилового спирта: а) из олефина, б) из алкилгалоге-
иида и в) по реакции Гриньяра; г) какой метод используется в промышленности? Почему? 8. Напишите структурные формулы реактивов Грииьяра и альдегидов или кетоиов, которые необходимо использовать для получения следующих спиртов. Если возможна более чем одна комбинация реагентов, покажите каждую из них.
а — з) каждый из изомерных пентиловых спиртов задачи 1(a),
и) 1-феиилпропаиол-1, к) 2-феиилпропаиол-2, л) .1-феиилпропаиол-2, м) З-фенилпропанол-1, и) 1-метилциклогексаиол,и) 1-феиилпропаиол-1, к) 2-феиилпропаиол-2, л) .1-феиилпропаиол-2, м) З-фенилпропанол-1, и) 1-метилциклогексаиол,о) циклогексилкарбинол, п) 1-циклогексилэтаиол, р) 2,4-диметилпентаиол-З, с) 1-(п-толил)этаиол п-СН8СвН,СНОНСН8, т) трифеиилкарбииол (СвН6)8СОН.
и) 1-феиилпропаиол-1, к) 2-феиилпропаиол-2, л) .1-феиилпропаиол-2, м) З-фенилпропанол-1, и) 1-метилциклогексаиол,
и) 1-феиилпропаиол-1, к) 2-феиилпропаиол-2, л) .1-феиилпропаиол-2, м) З-фенилпропанол-1, и) 1-метилциклогексаиол,
Для многих 2-замещенных этанолов ХСН2СН2ОН скошенная конформация более стабильна, чем аяти-конформация.
X = ОН, NH2, F, Cl, Br, ОСН3, NHCH3, N(CH8)2 и NO2.
Как это можно объяснить?
а) Как показано на стр. 491, холестерин, подвергаясь цис-гидратации в результате реакции гидроборирования — окисления, превращается в холестандиол-3₽,6а. Какой стереоизомерный продукт должен еще образоваться при цис-гидратации? Действительно, в реакции образуется холестандиол-3₽,6а с выходом 78% и только небольшое количество его стереоизомера. Какие факторы обусловливают эту частичную стереоспецифичность? (Указание: см. стр. 498.)"
б) При гидроборировании Ав*и)-андростена с 90%-ным выходом образуется один стереоизомер. Какой?'
л = Д -анЗросшеи
16
Спирты. II. Реакции
СН3СНСН3IВтСН3СНСН3IВтизопропиловыйспиртизопропиловыйспиртизопропилбромндизопропилбромнд
СН3СНСН3IВт
СН3СНСН3IВт
изопропиловыйспирт
изопропиловыйспирт
изопропилбромнд
изопропилбромнд
Химия ОН-группы
Химические свойства спиртов ROH определяются их функциональной группой — гидроксильной группой ОН. Изучив химию спиртов, мы тем самым познакомимся в основном с химией гидроксильной группы в любом соединении, где она может присутствовать; мы узнаем, частично по крайней мере, какие свойства можно ожидать для оксигалогенидов, оксикислот, оксиальдегидов и т. д.
При реакции спиртов возможно разрушение одной из двух связей: С—ОН с отщеплением ОН-группы или О—Н с отщеплением водорода. Это могут быть реакции замещения, в которых происходит замена ОН или Н, или элиминирования, когда образуется двойная связь.
Различия в строении R приводят к различиям в реакционной способности и в некоторых случаях даже изменяют направление реакции. Ниже будет рассмотрено, как строение спирта влияет на его реакционную способность и как это влияние можно объяснить.
Реакции
Ниже приведены некоторые наиболее важные реакции спиртов, которые обсуждены в следующих разделах.
РЕАКЦИИ СПИРТОВ
Разрыв связи С - ОН
R—^ОН
Реакция с галогеноводородамн. (разд. 16.4 и 16.5)
ROH 4- НХ* RX + НаО R может перегруппироваться
Реакционная способность НХ: HI > НВг >НС1
Реакционная способность ROH: аллил, бензил > третичный > вторичный > первичный
Примеры:
конц. НВг
СН8СНСН9*■
8 I 8 или NaBr. H2SO4,I ,кипячение
HCI. ZnCl2 CH3CH2CH2CH2CH2OH>• CH3CH2CH2CH2CH2C1 нагревание*
н-пентиловый спиртн-пентилхлорид
CHgСНд
IКОНЦ. HCI|
сн3—с—сн3► сн3—С—сн.
। комн. темп. ।
ОНС1
mpem-бутиловыйтрет-бутилхлорид
спирт
Реакция с тригалогенидами фосфора (разд. 16.10) R-OH + РХ3* RX + Н3РОа (РХ3=РВг3, Р13)
Примеры:
СН3СН3
IРВг3|
СН3СН2СНСН2ОН > СН3СНаСНСН2Вг
2-метилбутанол-11 -бром-2-метилбу тан
@СНСН3 -^ ©^нснзОНВг
Рфенилзтанол4-бром-1-фенилэтав
СН3СН2ОН > СН3СНа1 этиловыйнодистый
спиртэтил
Дегидратация (разд. 5.16—5.22 и 16.3)
i| кислота | I
может происходитьперегруппировкаможет происходитьперегруппировка—с— —>- —с=с— + н2о н Ан
может происходитьперегруппировка
может происходитьперегруппировка
Реакционная способность ROH: третичный > вторичный > первичный Примеры:
H2SO4
СН8СН2СН2СН2ОН>■ СН3СН=СНСН3 и СН3СН2СН=СН2 »*« а нагревание °°а аа
н-бутиловыйбутен-2бутен-1
спирт(основной продукт
реакции)
Разрыв связи ОНРазрыв связи ОНциклогексанолциклогексанолциклогексенциклогексенСН3 @-С-СНз он 2-фвнилпропаиоя-2СН3 @-С-СНз он 2-фвнилпропаиоя-2Z-фвпилпропеиZ-фвпилпропеиRO—=—НRO—=—Н
Разрыв связи ОН
Разрыв связи ОН
циклогексанол
циклогексанол
циклогексен
циклогексен
СН3 @-С-СНз он 2-фвнилпропаиоя-2
СН3 @-С-СНз он 2-фвнилпропаиоя-2
Z-фвпилпропеи
Z-фвпилпропеи
RO—=—Н
RO—=—Н
Реакции спиртов как кислот: реакции с активными металлами (разд. 16.6) RO—Н + М» RO“M+ + VeH2 М = Na, К. Mg, Al и др.
Реакционная способность ROH: СНзОН > первичный > вторичный > третичный
502
Примеры:
Na
СН8СН2ОН >- CH3CH2O-Na+ + VA
этилат натрия
СН3СН8—С—ОНнСН3СН8—С—ОНнсн3
СН3
СН8—С—ОНн
СН3
СН8—С—ОНн
Al|
—> (СН3—С—О)3А1
н
изопропилат алюминия
СН3СН3
I К I
сн3—с—он —>- сн3—с—о~к+
сн3сн3
mpem-бутиловыйтрет-бутилат
спирткалия
Образование эфиров (разд. 18.16)
Примеры:
на холоду
СН3СН2ОН + H2SO4*■ CHaCH2OSO2OH + H2O
кислый этилсульфат
zO сн3сн2он + СН3С< хон уксусная кислота
н+ .О
—> сн3с< + Н2оХОС2Н5этилацетат
6. Окисление (разд. 16.7)
Н
Первичные: R—СН2ОН
Си, 250 °C I п КМпО4или К2СГ2О7 “ U или К2Сг2О7
альдегид
КМпО4
-* R—СООН карбоновая кислота
RR
5 КМпО4, СгОз, или Сг2О7- ’ Вторичные: R—СНОН ———*• R—С=О
нили Си, 250 °C
кетон
R
|нейтральный КМпО4
Третичные: R—С—ОН*- не реагируют
R
Примеры:
Н
Си, 250 °с
СН3СН2СН2ОН> н-пропиловый спирт (первичный)
СН3СН2С=О + Н2пропионовыйальдегид
СН3
!КМпО4
СН3СН2СНСНаОН >-
2-метнлбутанол-1(первичный)
СН3
СН3СН2СНСООН2-метилбутановаякислота
циклогексанол циклогексанон
(вторичный)
(вторичный спирт)
Таким образом, спирты вступают в многочисленные реакции, давая различные классы соединений. Вследствие доступности спиртов каждая из этих реакций является одним из лучших способов получения определенных соединений. Сначала мы обсудим реакции спиртов, а затем рассмотрим некоторые пути их использования для синтетических целей.
Дегидратация
Дегидратация спиртов обсуждена в разд. 5.16—5.22 довольно подробно. Однако стоит суммировать все, что нам известно об этой реакции на данном этапе.
Механизм. Согласно общепринятому механизму, дегидратация протека- кает через следующие стадии: 1) образование протонированного спирта ROH*, 2) медленная диссоциация его с образованием карбониевого иона и 3) быстрое отщепление иона водорода от карбониевого иона с образованием алкена,
| I-н2о I || I
—С—С— ^=^ —С—С— ^=^ —С—С— *=± —С=С—
Н ОН спиртН ОН спиртН +он2 протонированный спиртН +он2 протонированный спиртНкарбониевыйионНкарбониевыйионалкеналкен
Н ОН спирт
Н ОН спирт
Н +он2 протонированный спирт
Н +он2 протонированный спирт
Нкарбониевыйион
Нкарбониевыйион
алкен
алкен
Кислота необходима для протонирования спирта, который далее диссоциирует с потерей слабоосновной молекулы воды гораздо легче, чем сам спирт.
Этот механизм служит примером Е1-элиминирования протонированного спирта. В общих чертах можно объяснить различие между спиртами и алкил галогенидами, которые подвергаются элиминированию в основном по Е2-механизму. Поскольку спирт должен быть протонирован, чтобы имелась достаточно легко удаляемая группа Н2О, дегидратация проводится в кислой среде. А для Е2-элиминирования необходимо довольно сильное основание, чтобы атаковать субстрат, не дожидаясь его диссоциации с образованием карбониевого иона. Сильное основание и кислая среда, естественно, не совместимы; любое основание гораздо быстрее, чем сам спирт, протони- руется за счет спирта.
Реакционная способность. Известно, что скорость элиминирования сильно зависит от скорости образования карбониевого иона, которая в свою очередь определяется его устойчивостью.
Устойчивость карбониевого иона можно оценить исходя из индуктивных эффектов и резонанса. Вследствие электронодонорного индуктивного •эффекта алкильных групп устойчивость и, следовательно, скорость образо-
вания простых алкильных карбониевых ионов изменяется в следующей последовательности: третичный > вторичный > первичный.
Известно, что вследствие резонансной стабилизации (разд. 12.24) бензильный карбониевый ион должен быть очень устойчивым, и поэтому не удивительно, что такой спирт, как 1-фенилэтанол (подобно третичному спирту), очень легко дегидратируется.
<§>СНСН3 =^ <g>cHCH3 А <§>сн=сн2
ОНбензильныйстирол
i-фенилэталодкарбониевый ион
Ориентация. Известно, что отщепление водорода происходит таким образом, что предпочтительно образуется наиболее устойчивый алкеи. Относительную устойчивость алкенов можно определить исходя из числа алкильных групп, связанных с атомом углерода двойной связи, и из сопряжения с бензольным кольцом или с другой двойной углерод-углеродной связью. Поэтому логично, что из втор-бутилового спирта образуется главным образом бутен-2, а 1-фенилпропанол-2 дает только 1-фенилпропен.
кислота
сн3сн2снсн3 —>- СН3СН=СНСН3
он
emop-бутиловыйбутен-2
спирт(основной продукт)
^СН2СНСН3^4. ^сн=снсн,
ОН{-фенилпронеи
<'ФЫ«ГЛПрспанбЛ-2(единственный пробив
реакции) "
Перегруппировка. Наконец, известно, что карбониевый ион может перегруппировываться и что эта перегруппировка, по-видимому, происходит всякий раз, когда 1,2-перенос водорода или алкильной группы может привести к образованию более устойчивого карбониевого иона.
При этом нельзя забывать, что скорости образования карбониевых ионов и алкенов зависят главным образом от устойчивости переходных состояний, ведущих к их образованию. Более устойчивый карбониевый ион образуется быстрее благодаря факторам (индуктивные эффекты и резонанс), обеспечивающим распределение заряда карбониевого иона, приводящего к рассредоточению развивающего положительного заряда в возникающем карбоние- вом ионе в переходном состоянии. Таким образом, факторы, стабилизующие алкен, — сопряжение или гиперконъюгация или, возможно, изменение гибридизации, — стремятся стабилизовать двойную связь, возникающую в переходном состоянии.
Реакции с галогеноводородами
Спирты легко реагируют с галогеноводородами с образованием алкил- галогенидов и воды. Сухой газообразный галогеноводород пропускают в спирт или спирт нагревают с концентрированным раствором кислоты. Иногда бромистый водород получают в присутствии спирта из серной кислоты и бромистого натрия.
Наименее реакционноспособный галогеноводород, НС1, реагирует с первичными и вторичными спиртами только в присутствии хлористого цинка; с другой стороны, очень реакционноспособный mpem-бутиловый спирт превращается в хлорид при встряхивании с концентрированной соляной кислотой при комнатной температуре, например:
циклогексанолциклогексанолциклогексил- бромидциклогексил- бромид
циклогексанол
циклогексанол
циклогексил- бромид
циклогексил- бромид
СН3СН2СН2СН3ОН я-бутиловый спиртСН3СН2СН2СН3ОН я-бутиловый спирт^aBг, H2SO4кипячение^aBг, H2SO4кипячениеСН3СН2СН2СН2Вгн-бутнлбромидСН3СН2СН2СН2Вгн-бутнлбромид
СН3СН2СН2СН3ОН я-бутиловый спирт
СН3СН2СН2СН3ОН я-бутиловый спирт
^aBг, H2SO4кипячение
^aBг, H2SO4кипячение
СН3СН2СН2СН2Вгн-бутнлбромид
СН3СН2СН2СН2Вгн-бутнлбромид
СН3СН2СН2ОНн-пропиловыйспиртСН3СН3СН2СН2ОНн-пропиловыйспиртСН3HCl+ZnCb нагреваниеHCl+ZnCb нагреваниеСН3СН2СН2С1н-пропилхлоридСН3СН2СН2С1н-пропилхлоридСН3СН3СН3—С—СН3СН3—С—СН3конц. НС1|> сн3—с—сн, комн. темп.1конц. НС1|> сн3—с—сн, комн. темп.1
СН3СН2СН2ОНн-пропиловыйспиртСН3
СН3СН2СН2ОНн-пропиловыйспиртСН3
HCl+ZnCb нагревание
HCl+ZnCb нагревание
СН3СН2СН2С1н-пропилхлорид
СН3СН2СН2С1н-пропилхлорид
СН3
СН3
СН3—С—СН3
СН3—С—СН3
конц. НС1|
> сн3—с—сн, комн. темп.1
конц. НС1|
> сн3—с—сн, комн. темп.1
ОНmpem-бутиловыйспиртОНmpem-бутиловыйспиртС1трет-бутилхлоридС1трет-бутилхлорид
ОНmpem-бутиловыйспирт
ОНmpem-бутиловыйспирт
С1трет-бутилхлорид
С1трет-бутилхлорид
Перечислим некоторые факты, известные для реакций спиртов с гало- геноводородами.
Реакция катализируется кислотами. Даже если водный раствор галогено- водорода сам является сильной кислотой, присутствие серной кислоты ускоряет образование галогенида.
Задача 16.1. Чем объяснить каталитическое действие ZnCl2 в реакции с хлористым водо родом? [Указание: ZnCl2 иногда используется в качестве (мягкого) катализатора в реакции Фриделя — Крафтса.] "
Происходят перегруппировки алкильных групп, за исключением большинства первичных спиртов. Алкильная группа в галогениде не всегда имеет то же строение, что и алкильная группа в исходном спирте, например:
сн3 нсн3 нсн3 н
I I на I III
СН3—С—С—СН3 >- СН3—С—С—СН3 (но не СН3—С—С—СН3)
Н ОНС1 НИ С1
З-метилбутанол-2 2-хлор-2-метилбутан
(трет-пентилхлорид)
СН3СН3
Iна I
сн3—С—СН2ОН —>- сн3—С—сн2—сн3
II ■
снаа
неопентиловый спирт трет-пентилхлорид
Галоген не всегда образует связь с тем атомом углерода, который перво начально был связан с гидроксильной группой (первый пример); даже углеродный скелет может отличаться от скелета исходного соединения (второй пример).
Однако, как показано на стр. 505 для «-пропилового и н-бутилового спиртов, большинство первичных спиртов образуют с высоким выходом первичные галогениды без перегруппировки.
Порядок изменения реакционной способности спиртов (ROH) по отношению к НХ следующий: аллил, бензил > третичный > вторичный > первичный < СН3. Реакционная способность уменьшается почти на протяжении всего ряда (этот порядок лежит в основе пробы Лукаса, разд. 16.11), проходя через минимум для первичных спиртов, и снова возрастает для СН3.
Реакция с галогеноводородами: механизм
Какие факты, приведенные здесь, подтверждают механизм реакции между спиртами и галогеноводородами?
Катализ кислотами предполагает, что в данном случае, как и при дегидратации, происходит образование протонированного спирта РОНг- Наличие перегруппировок свидетельствует об образовании промежуточных карбониевых ионов, однако не для первичных спиртов. Идею об образовании карбониевых ионов хорошо подтверждает порядок изменения реакционной способности спиртов, который аналогичен ряду устойчивости карбониевых ионов, за исключением метильного.
На основании этих данных можно сформулировать следующий механизм:
ROH + НХ <■ — ^ ROH2 + Х~SnI-Механизм для всех спир-
л и отов» исключая метанол и
' *КОН 2+ Н2Обольшинство первичных
R+ + X- ♦- RXспиртов
Спирт присоединяет [стадия (1)1 ион водорода, образуя протонированный спирт, который диссоциирует [стадия (2)1 на воду и карбониевый ион; затем карбониевый ион присоединяет [стадия (3)1 ион галогена [не обязательно ион, образовавшийся на стадии (1)1 с образованием ал кил галогенида.
Приведенный выше механизм — это нуклеофильное замещение, в котором субстратом служит протонированный спирт, а нуклеофилом (реагентом) — ион галогена. После того как тип реакции установлен, другие доказательства легко с ним увязать.
Ряд реакций (1)—(3), безусловно, представляет ЗмЬмеханизм. Первичные спирты не претерпевают перегруппировок потому, что они реагируют по 8м2-механизму:
X" + ROH2 ►X" + ROH2 ►6+ 1R - ОН2 ]6+ 1R - ОН2 ]> X—R + Н2О> X—R + Н2О5ы2-Механизмдля большин-ства первичныхспиртов и мета-нола5ы2-Механизмдля большин-ства первичныхспиртов и мета-нола
X" + ROH2 ►
X" + ROH2 ►
6+ 1
R - ОН2 ]
6+ 1
R - ОН2 ]
> X—R + Н2О
> X—R + Н2О
5ы2-Механизмдля большин-ства первичныхспиртов и мета-нола
5ы2-Механизмдля большин-ства первичныхспиртов и мета-нола
Приведенный материал служит еще одним примером, характеризующим нуклеофильное замещение, — изменение молекулярности реакции в этом частном случае при переходе от вторичного спирта к первичному. Это изменение подтверждается тем, что реакционная способность снижается до минимума для первичного спирта и снова возрастает для метанола. Из-за плохого распределения положительного заряда образование первичного карбониевого иона происходит очень медленно — так медленно, что реакция из мономолекулярной становится относительно незатрудненной бимолекулярной. Бимолекулярная реакция протекает быстрее для еще менее пространственно затрудненного метанола.
Таким образом, спирты, так же как и галогениды, подвергаются замещению по SnI-и 8№*механизмам; но для спиртов более характерен мономолекулярный механизм. Подобная ситуация встречалась при элиминировании (разд. 16.3), и объяснение здесь по существу такое же: сильный нуклеофил — сильное основание — не может существовать в кислой среде, необходимой для протонирования спирта.
Неопентиловый спирт полностью перегруппировывается в процессе реакции. Хотя это первичный спирт, он реагирует по механизму, включающему образование карбониевых ионов. Это необычное поведение легко объяснимо. Хотя неопентил — первичная алкильная группа, но эта группа очень объемиста, и, как было показано (задача 14.2, стр. 454), соединения, содержащие такую группу, вступают в З^-реакции очень медленно. Образование неопентильного карбониевого иона из неопентилового спирта происходит медленно, но тем не менее гораздо быстрее, чем альтернативная бимолекулярная реакция.
Задача 16.2. Поскольку неопентильный карбониевый ион имеет большую тенденцию к перегруппировке, неопентилхлорид нельзя получить из спирта. Как можно получить неопентилхлорид?
Задача 16.3. Предскажите относительные скорости реакций следующих спиртов с бромистоводородной кислотой: а) бензиловый, n-метилбензиловый, п-нитробензиловый; б) бензиловый, а-фенилэтиловый, Р-феиилэтиловый.
Задача 16.4. При реакции бутен-З-ола-2 (СН3СНОНСН=СН2) с бромистоводородной кислотой образуется не только 3-бромбутен-1 (СН3СНВгСН=СН2), а также и 1-бромбутен-2 (СН3СН=СНСН2Вг). а) Как объяснить эти результаты? (Указание: см. разд. 8.17.) б) Предскажите, какой продукт образуется при реакции НВг с бутен-2-олом-1 (СН3СН—СНСН2ОН). в) Чем эта «перегруппировка» отличается от перегруппировки, описанной в последнем разделе?
Задача 16.5. а) Напишите по стадиям реакцию спирта с НС1 по Б№-механизму. б) Какая стадия определяет скорость реакции? в) От концентрации какого вещества зависит скорость реакции? г) От концентрации какого другого соединения в свою очередь зависит концентрация этого вещества? д) Будет ли скорость зависеть только от [ROHJ? е) Всегда ли SN1 -реакция имеет кинетику первого порядка?
Спирты как кислоты
Выше было показано, что спирт как основание может присоединить ион водорода, образуя протонированный спирт ROH2. Теперь обратимся к реакциям, в которых спирт как кислота теряет ион водорода, образуя алкоксильный ион RO~.
Поскольку спирт содержит атом водорода, связанный с сильно электроотрицательным элементом — кислородом, можно ожидать, что он будет проявлять заметную кислотность. Полярность связи О—Н облегчает отщепление относительно положительного водорода в виде иона; с другой стороны, электроотрицательный кислород должен легко распределить отрицательный заряд оставшихся электронов.
О кислотности спиртов свидетельствуют их реакции с активными металлами, в результате которых выделяется водород, а также их способность вытеснять слабокислые углеводороды из их солей (например, из реактивов Гриньяра):
ROH + NaROH + Na> RO-Na+ + -g- H2> RO-Na+ + -g- H2
ROH + Na
ROH + Na
> RO-Na+ + -g- H2
> RO-Na+ + -g- H2
ROH + R'MgX > R'H + Mg(OR)Xболееболее
сильнаяслабая
кислотакислота
Спирты, за исключением метанола, — более Слабые кислоты, чем вода, но более сильные кислоты, чем ацетилен или аммиак.
RO~Na более сильное основание
+
н—ОН — более
сильная кислота
-* Na+OH" более слабое основание
+
RO—Н более слабая кислота
HC=C"Na+
+
RO—H -
-э- RO"Na+
+
нс=с—Н
более
более
более
более
сильное
сильная
слабое
слабая
основание
кислота
основание
кислота
Как и в разд. 8.10, эти относительные кислотности определялись реакциями замещения. Можно расширить ряды изменения кислотности и основности следующим образом:
Относительная кислотность: НаО > ROH > НС=СН > NH3 > RH
Относительная основность: ОН- < OR" < НС=С" < NHJ < R"
Поскольку спирты — более слабые кислоты, чем вода, алкоголяты нельзя синтезировать реакцией спирта с едким натром; их получают реакцией спирта с активным металлом.
Задача 16.6. Эфир, используемый в качестве растворителя для реактива Гриньяра, должен быть совершенно свободен не только от воды, но также и от спирта. Почему?
Спирты отличаются от воды наличием алкильной группы. Логично ли, что алкильная группа делает спирт более слабой кислотой, чем вода? Кислотность зависит от того, насколько хорошо может анион распределить отрицательный заряд (более полное обсуждение дано в разд. 18.14). Поскольку алкильная группа имеет тенденцию подавать электроны, она будет увеличивать отрицательный заряд — относительно заряда на гидроксильном ионе — и, следовательно, делать анион менее устойчивым. Поэтому индуктивный эффект алкильных групп приводит к тому, что спирты — более слабые кислоты по сравнению с водой.
R—»-С—ОНR—С-О' 4- Н+
R подает, электроны:увеличивает заряд,дестабилизует ион,делает кислоту болееслабой
Как же изменяется этот индуктивный эффект с изменением строения алкильной группы? Следует ожидать, что наибольшим индуктивным эффектом будут обладать третичные спирты с тремя алкильными группами, подающими электроны атому углерода, связанному с ОН-группой, меньшим эффектом — вторичные спирты, еще меньшим —- первичные и наименьшим — метиловый спирт. Наблюдаемый порядок изменения кислотности совпадает с предсказываемым.
Кислотность спиртов: СН3ОН > первичный > вторичный > третичный
Как будет показано ниже, алкоголяты — очень широко используемые реагенты; их применяют как очень сильные основания (более сильные,чем гидроксил) и для введения RO-группы в молекулу.
Задача 16.7- Какой спирт будет более сильной кислотой: p-хлорэтиловый или этиловый; б) п-нитробензиловый или бензиловый; в) н-пропиловый или глицерин НОСН2СНОНСНаОН?
Задача 16.8. Металлический натрий реагирует сmpem-бутиловым спиртом. После того как весь металл прореагировал, к полученной смеси прибавляют бромистый этил. После обработки реакционной смеси получают соединение с формулой С,НИО.
В аналогичном опыте натрий реагирует с этиловым спиртом. Если прибавить mpem-бутилбромид, то происходит выделение газа, а после обработки реакционной смеси выделяют этиловый спирт в качестве единственного органического соединения, а) Напишите уравнения всех реакций, б) К каким известным типам можно отнести каждую реакцию? в) Почему реакции протекают по-разному?
Окисление спиртов
Строение соединения, образующегося при окислении спирта, зависит от того, сколько атомов водорода связано с углеродом, несущим ОН-группу, т. е. от того, является ли спирт первичным, вторичным или третичным. Мы уже встречались с этими соединениями — альдегидами, кетонами и карбоновыми кислотами — и можем узнать их по структурной формуле, хотя и не изучали до сих пор их химию. В этой главе будут рассмотрены только наиболее часто используемые окислители.
Первичные спирты можно окислить до карбоновых кислот RCOOH нагреванием с водным раствором КМпО4. После окончания реакции водный раствор калиевой соли карбоновой кислоты отфильтровывают от МпО2 и кислоту выделяют добавлением более сильной минеральной кислоты.
RCHaOH + КМпО4 э- RCOO"K+ + МпО2 + КОНпервичный красно- растворима осадокспирт фиолетового в воде коричневогоцветаIцвета
карбоновая кислота,нерастворима в воде
Первичные спирты можно окислить до альдегидов RCHO нагреванием с металлической медью при высокой температуре. Двойная углерод-кислородная связь образуется в результате элиминирования двух атомов водорода в виде молекулы Н2; поэтому процесс называют дегидрированием. Реакцию проводят, пропуская пары спирта через нагретую до 200—300 °C трубку с медными стружками. Альдегид и непрореагировавший спирт конденсируют и разделяют перегонкой.
Н
Си, 200-300 °C I
RCH2OH>- R—С=О + Н2 первичныйальдегид
спирт
Иногда первичные спирты окисляют до альдегидов действием К2Сг2О7. Поскольку сами альдегиды окисляются до кислот (разд. 19.10) еще легче, чем спирты, их следует удалять из реакционной смеси прежде, чем они окислятся дальше.
Н
RCH2OH + Сг2О|- > R—С=О + Сг3+первичный оранжево-альдегид зеленого
спирт красногоцвета
цветаI
I К2СГ2О7
R—С=О
карбоноваякислота
Вторичные спирты окисляются до кетонов R2CO действием перманганата калия или хромовой кислотой в одной из следующих форм: водной Сг2О2~, СгО8 в ледяной уксусной кислоте, СгО8 в пиридине и т. д. Их также можно дегидрировать медью. Дальнейшее окисление кетона происходит только в жестких условиях, поскольку при этом происходит разрыв углерод-углеродной связи.
R'
| КМпО,, СгОд,или Сг2О2- или Си, 200—300 °C
R—СНОН► R—С=О
R' вторичныйкетон
спирт
По этой же самой причине третичные спирты не окисляются в щелочной среде; в присутствии кислоты они быстро дегидратируются до алкенов, которые затем легко окисляются.
Реакции окисления имеют большое значение, поскольку они позволяют получать важные соединения из легкодоступных спиртов. В разд. 16.9 и 16.10 будут обсуждены дальнейшие использования этих реакций в органическом синтезе.
Уравнивание окислительно-восстановительных реакций
Все слова и рисунки, формулы и уравнения, используемые нами при изучении органической химии, имеют значение только до определенного предела: они описывают и интерпретируют операции и наблюдения, которые мы делаем в лаборатории, используя реальные химические соединения. Для проведения реакции в лаборатории необходимо смешать реактивы в определенном соотношении. Уравнение реакции со всеми коэффициентами позволяет установить это соотношение. Большинство реакций можно уравнять просто умозрительно; однако это не всегда легко сделать в случае окислительновосстановительных реакций.
В связи с уравниванием реакций при окислении или восстановлении органического соединения возникает две проблемы. Во-первых, концепция валентности уже не имеет такого значения для этих ковалентных соединений. Во-вторых, почти все реакции окисления и восстановления протекают с участием водорода: окисляемое вещество отдает водород, а восстанавливаемое вещество его принимает. Поэтому мы будем использовать Н в качестве основы для уравнивания реакций.
Метод уравнивания окислительно-восстановительных реакций приведен в следующих параграфах в виде трех простых правил. Это не единственный метод уравнивания таких реакций, и студент может использовать любой метод, какой он найдет более удобным.
Процесс окисления обязательно сопровождается восстановлением; для удобства мы будем уравнивать отдельно обе части реакции и затем объединять их в одно уравнение.
Для уравнивания реакции необходимо уравнять и количества веществ, и заряды ионов. При этом следует соблюдать следующие три правила:
Заряд уравнивается с помощью Н+ в кислом растворе или ОН- в щелочном.
Кислород уравнивается с помощью Н2О.
Водород уравнивается с помощью Н.
Когда обе части реакции уравнены таким образом, уравнивают число отданных и принятых водородов умножением половин реакции на соответствующие кратные числа. И наконец, обе части реакции объединяют, сокращают Н и получают уравнение всей реакции.
В качестве примера рассмотрим окисление этилового спирта бихроматом в кислой среде. Как и при уравнивании любой реакции, необходимо знать, какие вещества образуются в результате реакции; в этом случае, исходя из наших знаний в области органической химии, можно сказать, что из этилового спирта образуется уксусная кислота; в то же время из курса неорганической химии известно, что бихромат-ион восстанавливается в ион трехвалентного хрома.
Начнем с восстановления. Сначала напишем исходное вещество и продукт
Сг2О^~ ► 2Сг3+ (2СГ3*" из каждого Сг2О|~)
и, следуя правилу 1, уравняем ионные заряды с помощью Н+ (из кислой среды) ■
8Н+ + Сг2О|- *• 2СгЗ+ (6+ = 6+)
Затем, следуя правилу 2, уравняем кислород с помощью воды
8№ + Сг2О^»- 20=+ + 7Н2О (70 = 70)
Следуя правилу 3, уравняем атомы Н, учитывая, сколько атомов, кроме тех, что берутся из кислоты, требуется для материального баланса.
6Н + 8Н+ + Сг2О|- *. 2Сг>+ + 7Н2О (6 + 8 = 14)
Проделаем то же самое и для реакции окисления. Во-первых, напишем исходное и конечное вещества
СН3СН2ОН > СН3СООН
В этом случае не нужно уравнивать заряды (правило 1). Затем уравняем (правило 2) кислород с помощью воды
Н20 + СН3СН2ОН »- СН3СООН (20 = 20)
Уравняем атомы Н (правило 3)
Н20 + СН3СН2ОН > СН3СООН + 4Н (8 = 4 + 4)
После того как уравнены обе части реакции, их объединяют. Как всегда, окисление и восстановление эквивалентны, число ушедших атомов водорода при окислении должно быть равно числу присоединенных атомов водорода при восстановлении. В данном случае умножаем на 3 уравнение окисления
ЗН2О + ЗСН3СН2ОН э- ЗСН3СООН + 12Н
и на 2 уравнение восстановления
12Н + 16Н+ + 2Сг2О7 >- 4Сг8+ + 14Н2О
Таким образом, 12Н уходит и 12Н присоединяется.
И наконец, объединяем обе части; 12Н сокращаются и остаются только вещества, участвующие в реакции:
ЗН2О + ЗСН3СН2ОН ► ЗСН3СООН + 12Н
12Н + 16Н+ + 2Сг2О?- > 4Сг8+ + 14Н2О
ЗСН3СН2ОН + 2Сг2О|- + 16Н+ к ЗСН3СООН + 4Сг3+ + 11Н20
Рассмотрим в качестве еще одного примера окисление толуола действием МпО4 в щелочном растворе. Используется тот же метод, что и в предыдущем примере, с тем отличием, что заряды уравнивают с помощью ОН- из щелочной среды, а не с помощью Н+, характерного для кислой среды.
Как всегда, необходимо знать сущность химической реакции: толуол окисляется до бензоат-иона СеНьСОО~. а МпОГ восстанавливается до МпО2. Напишем исходные и конечные вещества
СвНБСН3 *■ С6Н6СОО~; МпО?*■ МпО2
Уравняем заряды ионов с помощью ОН- (правило 1)
ОН- + СвНБСН3 >- С6Н6СОО~ (1- = 1—)
МпО? ► МпО2 + ОН- (1— = 1—)
уравняем кислород с помощью воды (правило 2)
Н20 Ч- он- + СвНБСН3 > СвН6СОО* (20 = 20)
МпО7 »- МпО2 + ОН" + Н20 (40 = 40)
и уравняем водород с помощью Н (правило 3)
Н20 + ОН- + С6Н5СН3 ► С6Н6СОО- + 6Н (11=5 + 6)
ЗН + МпОГ ► МлО2 + ОН- + Н20 (3 = 3)
Уравняв обе части реакции, можно уравнять количество ушедшего и присоединенного водорода, умножив уравнение восстановления на два:
6Н + 2МпО7 > 2МпО3 + 2ОН~ + 2Н2О
И наконец, объединяем две половины реакции и сокращаем Н
6Н + 2МпО7 ► 2МпОа + 20Н~ + 2Н,О
Н20 + ОН" + СвН6СН3 ♦- СвНБСОО- + 6Н
СвНБСН3 + 2МпО7 >- СвН6СОО- + 2МпО2 + ОН" + Н20
Мы уравняли эти реакции в ионном виде, не учитывая другие вещества, которые в процессе реакции не окисляются и не восстанавливаются. Чтобы рассчитать количества веществ, необходимых для реакции, следует дополнить эти ионные уравнения, вводя соответствующие катионы и анион в обе части уравнения:
ЗСН3СН2ОН + 2Сг2О?- + 16Н +> ЗСН3СООН + 4Cr3+ + 11Н20
+ 4Na++ 4Na+
+ 85ОГ+ 8S0$-
ЗСН3СН2ОН + 2Na2Cr2O7 + 8HsSO4> ЗСН3С00Н + гСг^О^ + 2Na2SO, + 11Н20
CeH5CH3 + 2МпО7> С6НБСОО- + 2МпО$ + ОН" + Н20
+2К++К++К+
СеНБСН3 + 2КМпО4> С6Н5СООК + 2Мп02 + КОН + Н20
При этом следует, конечно, понимать, что три атома Н не образуются и не исчезают и что окисление и восстановление происходят раздельно только на бумаге. Как и все методы уравнивания окислительно-восстановительных реакций, этот метод является искусственным. Однако с помощью этого метода после небольшой практики можно уравнять любую реакцию независимо от ее сложности.
Задача 16.9. Напишите уравнения следующих реакций со всеми коэффициентами:
горение я-пентана до СО2 и Н2О;
гидроксилирование бутена-2 до бутандиола-1,2 под действием КМпО4;
окисление л-этилтолуола до 1,4-СвН4(СООН)2 и С02 действием К2Сг2О;+ H2SO4;
превращение изопропилового спирта действием NaOI в CH3I + CH3COONa (йодоформная реакция);
окисление стирола до бензойной кислоты действием KMnO4 + H2SO4;
H2C2O4 (щавелевая кислота) + МпО4 + Н+> СО2 + Мпа+ (реакция, используемая для стандартизации раствора КМпО4 в количественном анализе);
восстановление СвНБМО2 в CeH5NH2 действием Fe + Н+ (наиболее важная реакция нитросоединений);
Na2Cr2O7, H2SO4
emop-бутиловый спирт э- СН3СН2СОСН3;
циклогексен + НМО8♦ НООС(СН2)4СООН + NO;
MnO2, H2SO4
С6Н8СН=СНСН2ОН*■ С6Н6СООН + СО2;
восстановление СН3СООН действием LiAlH4 до (CH3CH2O)4AlLi + Н2 + LiA102 (помните, что Н+ + Н“» Н2);
м) окисление 2-метилбутена-2 до СН3СОСН3 + СНаСООН действием КМпО4 + + H2SO4,
Методы синтеза
Попытаемся представить более широкую картину синтеза сложных спиртов. Известно (разд. 15.14), что их чаще всего получают действием реактивов Гриньяра на альдегиды или кетоны. В этой главе показано, что альдегиды и кетоны, так же как алкилгалогениды, из которых получают реактивы Гриньяра, чаще всего синтезируют из спиртов. Наконец, извест- "но, что простые спирты — одни из наиболее доступных соединений. Таким образом, исходя из простых спиртов можно синтезировать более сложные.
Спирт> Алкилгалогенид> Реактив Гриньяра —
> Более сложный спирт
Спирт> Альдегид или кетон
В качестве примера рассмотрим превращение этилового спирта (который имеет два атома углерода) во emop-бутиловый спирт с четырьмя атомами углерода.
HBrMg
>- СН3СН2Вг >- CH3CH2MgBr —
СН3СН2ОН — этиловый спиртСН3СН2ОН — этиловый спиртК2СГ2О7 >- сн3сно~ацетальдегидК2СГ2О7 >- сн3сно~ацетальдегидСН3СН2СНСН3СН3СН2СНСН3OMgBrOMgBr
СН3СН2ОН — этиловый спирт
СН3СН2ОН — этиловый спирт
К2СГ2О7 >- сн3сно~
ацетальдегид
К2СГ2О7 >- сн3сно~
ацетальдегид
СН3СН2СНСН3
СН3СН2СНСН3
OMgBr
OMgBr
СН3СН2СНСН3
он emop-бутиловый спирт
Из полученного таким образом в/пор-бутилового спирта можно синтезировать еще более сложные спирты.
СН3СН3
РВг3| м6|сн3сно
> СН3СН2СНВг *■ СН3СН2СН—MgBr> сн3
СН,СН,СНСН3 -онemop -бутиловыйспиртСН,СН,СНСН3 -онemop -бутиловыйспирт> СН3СН2СН—СНСН3 он
СН,СН,СНСН3 -он
emop -бутиловыйспирт
СН,СН,СНСН3 -он
emop -бутиловыйспирт
З-метилпентанол-2
сн3сн3
Си. 250 'СI C-HsMgBrI
► СН,СН2С=О —»- СН3СН2С—СН2СН3 I ОН
3-метилпентанол-3
33-260
Используя наши знания о спиртах, алкилбензолах и замещении в ароматическом ряду, можно предложить методы синтеза ароматических спиртов, например:
/ фенилэтанея/ фенилэтанея<б> -^ <§>В, -^ (§>MgB. -фенилмаенийбромид
/ фенилэтанея
/ фенилэтанея
Н
СН3СН2ОН Е"-2^ сн3—с=о —
2-мвиид~^рерияпропалвл->,2-мвиид~^рерияпропалвл->,©сн3 S^,©CH2CI -^ ©>CH2MgCI
2-мвиид~^рерияпропалвл->,
2-мвиид~^рерияпропалвл->,
СН3СНСН3 —;Сг—> СН3-С-СН3оно
Если известна химия отдельных стадий, то как планировать синтез более сложных спиртов? Почти всегда при планировании синтеза органического соединения лучше всего идти обратным путем: от соединения, которое нужно получить.
Существует относительно немного путей синтеза сложного спирта; имеется относительно немного методов получения реактива Гриньяра, или альдегида, или кетона и т. д. до исходных веществ на последней стадии синтеза. С другой стороны, спирты вступают в такое большое число различных реакций, что если выбрать иной путь решения синтетической проблемы, то обнаруживается много путей, из которых только некоторые могут дать положительный результат.
Предположим (и это вполне логично), что в нашем распоряжении имеются все спирты с четырьмя или менее атомами углерода и необходимо синтезировать, например, 2-метилгексанол-2. Напишем его формулу и посмотрим, какие вещества необходимы для его синтеза.
сн,
СН$СН2СН2СН2— с—сн3
он
2-метилгексанол-2
Поскольку это третичный спирт, то следует использовать реактив Гриньяра и кетон. Но какой реактив Гриньяра? И какой кетон? Возможны два пути
СН$
СН3СН2СН,СН2—!—С—СН3 <CH3CH2CH2CH2MgBr + CH СОСН,
^piи-бутилмагнийбромид ацетон
2-метилгексанол-2
СНЭ/СН3СН2СН2СН2О^^ 8 \ ОН 'г.метилгелуслолгСНЭ/СН3СН2СН2СН2О^^ 8 \ ОН 'г.метилгелуслолгСНз
СНЭ/
СН3СН2СН2СН2О^^ 8 \ ОН '
г.метилгелуслолг
СНЭ/
СН3СН2СН2СН2О^^ 8 \ ОН '
г.метилгелуслолг
ГН3СН2СН2СН2-С 4- BrMgCHi
метил-н-бутил кетонметплмпгпиж-
бромио
Из этих двух возможных путей выбрали первый: из реактива Гриньяра с четырьмя атомами углерода и кетона с тремя атомами углерода. Как же их можно синтезировать? Реактив Гриньяра можно получить только из соответствующего алкилгалогенида, н-бутилбромида, который в свою очередь синтезируют из спирта, н-бутилового спирта. Ацетон можно получить из изопропилового спирта. Объединив эти синтезы, получаем следующую схему:
МК— CH3CH2CH2CH2MgBr -< СН3СН2СН2СН2Вг
СН3 CH3CH2CHiCH2—С—сн3 он 2-метилгексанол-2СН3 CH3CH2CHiCH2—С—сн3 он 2-метилгексанол-2| НВг
СН3 CH3CH2CHiCH2—С—сн3 он 2-метилгексанол-2
СН3 CH3CH2CHiCH2—С—сн3 он 2-метилгексанол-2
СН3СН2СН2СН2ОНя-бутиловый спирт
Си, нагревание
— СН3ССН3*- СН3СНСН3
III
оон
изопропиловыйспирт
Будем считать, что, кроме этих спиртов с четырьмя или меньшим числом атомов углерода, имеется бензол и толуол и что требуется получить 1-фе- нил-З-метилбутанол-2. Сначала напишем структурную формулу этого спирта и пойдем от конечного вещества к исходным. Для синтеза вторичного спирта необходимы реактив Гриньяра и альдегид, и опять возможны два пути: можно считать, что молекула построена в результате соединения по связи (а) С-1 и С-2 или (б) С-2 и С-3.
З-яетпил- 1-фекилбутапол-гЗ-яетпил- 1-фекилбутапол-г
З-яетпил- 1-фекилбутапол-г
З-яетпил- 1-фекилбутапол-г
Из двух возможных путей мы выбираем первый, поскольку в этом случае требуется соединение, в котором с бензольным кольцом связан один атом углерода. Это толуол.
(а) (6)н ; н ; сн3(а) (6)н ; н ; сн3ih; нih; н
(а) (6)
н ; н ; сн3
(а) (6)
н ; н ; сн3
ih; н
ih; н
Таким образом, нам необходим альдегид с четырьмя атомами углерода и бензил- магнийхлорид. Альдегид можно легко получить из изобуТилового спирта. Бензилмагнийхлорид синтезируют из хлористого бензила, который в свою
очередь получают реакцией свободнорадикального хлорирования толуола. Схема синтеза закончена.
СН3СН3ОНОНбензиймагнийхлоридбензиймагнийхлоридС1г,нагреваютС1г,нагреваюттолуолтолуол
СН3
СН3
ОН
ОН
бензиймагнийхлорид
бензиймагнийхлорид
С1г,нагревают
С1г,нагревают
толуол
толуол
З-метил-1-фенилбутанол 2З-метил-1-фенилбутанол 2н СНз— о=с—сн—сн3н СНз— о=с—сн—сн3СяиртСяиртвозможны перегруппировкивозможны перегруппировки
З-метил-1-фенилбутанол 2
З-метил-1-фенилбутанол 2
н СНз
— о=с—сн—сн3
н СНз
— о=с—сн—сн3
Сяирт
Сяирт
возможны перегруппировки
возможны перегруппировки
СНз
2^£52l НОСН2-СН-СН3шобутилавыи спирт
Итак, нам известны пути синтеза сложных спиртов из простых. Как же их можно использовать?
Синтезы с использованием спиртов
Спирты, способы получения которых уже известны, можно превратить в другие соединения, имеющие такой же углеродный скелет; из сложных спиртов можно получить сложные альдегиды, кетоны, кислоты, галогениды, алкены, алкины, алканы и т. д.
Алкилгалогениды получают из спиртов действием галогеноводородов или галогенидов фосфора. Часто предпочитают использовать галогениды фосфора, потому что они менее склонны вызывать перегруппировки (разд. 16.4).
Алкены получают либо непосредственно дегидратацией спиртов, либо дегидрогалогенированием промежуточных алкилгалогенидов; чтобы избежать перегруппировки, часто проводят дегидрогалогенирование алкилгалогенидов, хотя этот путь включает дополнительную стадию (иногда в реакции элиминирования используют алкилсульфонаты, разд. 21.8).
РВг3 или Р13КОН
*- Алкилгалогенид >- Алкеи
TsCIоснование
>- Алкилтозилат»■ Алкен
кислота
>- Дегидратация до алкена
нх
>- Алкилгалогенид
Как известно, алканы (разд. 4.17) лучше всего получать гидрированием соответствующих алкенов; таким образом, теперь мы имеем путь синтеза сложных алканов из спиртов.
Сложные альдегиды и кетоны получают окислением соответствующих спиртов. Реакцией с реактивами Гриньяра эти альдегиды и кетоны можно превратить в еще более сложные спирты и т. д.
Если есть время, необходимые неорганические реагенты и один спирт — этанол, то из этих реагентов (разд. 15.6) можно синтезировать все алифатические, а также и ароматические соединения, которые не были получены раньше.
При планировании синтеза других типов соединений, как и в случае спиртов, также идут от конечного вещества к исходному. Обычно стараются ограничить синтез -возможно меньшим числом стадий, но тем не менее не следует жертвовать чистотой ради времени. Например, если возможна перегруппировка, то лучше получать алкен в две стадии через галогенид, а не в одну стадию дегидратацией спирта.
Предположим, что имеются спирты с четырьмя или меньшим числом атомов углерода, бензол и толуол; необходимо получить 3-метилбутен-1.
СН,
сн3—сн—сн=сн23-метилбутен-1
СН3 НСН3—С—С—СН3Н Вгсн3 нсн3—с—с—сн3н онСН3 НСН3—С—С—СН3Н Вгсн3 нсн3—с—с—сн3н онЕго можно синтезировать дегидрогалогенированием алкилгалогенида с таким же углеродным скелетом или дегидратацией спирта. Если галоген или гидроксильная группа присоединены к С-2, то образуется некоторое количество нужного продукта, но значительно больше его изомера, 2-метил- бутена-2
СН3 НСН3—С—С—СН3
Н Вг
сн3 нсн3—с—с—сн3
н он
СН3 НСН3—С—С—СН3
Н Вг
сн3 нсн3—с—с—сн3
н он
кон
сн3сн3
II
-* сн3—с=сн—сн3 + СН3—С—сн=сн,
2-метплбутен-2
ислота (основной продукт
реакции)3-метилбутен-1
(некоторое количество)
Следует взять соединение, в котором функциональная группа связана с С-1. Однако в случае спирта происходит перегруппировка, приводящая к наиболее устойчивому 2-метилбутену-2,
СН3 н НСН3СН3
!| i кислота!;
сн3—с—с—с—н —>- сн3—с—сн=сн2 + сн3—с=сн—сн3
IIII
н н онн
3-метилбутен-1 2-метилбутен-2
(основной продукт
реакции)
и только при дегидрогалогенировании 1-бром-З-метилбутана образуется нужный продукт в чистом виде
СН, Н НСН3
i i | кон (спирт.)|
СН3—С—с—с—н>- сн3—с—сн=сн2
IIII
Н Н ВгН
1-бром-З-метилбутан3-метилбутен-1
Как же получить необходимые алкилгалогениды? Конечно, не бромированием алкана, поскольку, даже если и возможно каким-то образом получить соответствующий алкан, бромирование почти целиком пройдет по третичному атому углерода с образованием ненужного продукта. (Хлорирование привело бы к требуемому хлориду, но в небольшом количестве и в смеси с другими соединениями.) Как обычно, алкилгалогенид получают из соответствующего спирта, в данном случае из З-метилбутанола-1. Поскольку это первичный спирт (без разветвления около ОН-группы) и, следовательно.
образование протекает не через стадию карбониевого иона, перегруппировка мало вероятна; можно использовать бромистый водород или РВг3.образование протекает не через стадию карбониевого иона, перегруппировка мало вероятна; можно использовать бромистый водород или РВг3.СН3сн3СН3сн3IРВг3IСН3—СН—СН2СН2Вг -< СН3—СН—СН2СН2ОН3-метилбутанол-1IРВг3IСН3—СН—СН2СН2Вг -< СН3—СН—СН2СН2ОН3-метилбутанол-1Как же получить З-метилбутанол-1? Это первичный спирт, и он содержит на один атом углерода больше, чем самый большой из имеющихся спиртов; поэтому следует использовать реакцию реактива Гриньяра с формальдегидом. Необходимый реактив Гриньяра, изобутилмагнийбромид, можно получить из изобутилбромида, а последний — из изобутилового спирта.Как же получить З-метилбутанол-1? Это первичный спирт, и он содержит на один атом углерода больше, чем самый большой из имеющихся спиртов; поэтому следует использовать реакцию реактива Гриньяра с формальдегидом. Необходимый реактив Гриньяра, изобутилмагнийбромид, можно получить из изобутилбромида, а последний — из изобутилового спирта.СН3СН3СН3СН—СН2СН2ОНСН3СН—СН2СН2ОНн— н—с=о формальдегидСН,I— СН,—СН—CHjMgBrн— н—с=о формальдегидСН,I— СН,—СН—CHjMgBrнзобутилмагнийбромиднзобутилмагнийбромидФормальдегид получают дегидрированием метанола над медью при нагревании. Таким образом, полная схема синтеза чистого 3-метилбутена-1 следующая:Формальдегид получают дегидрированием метанола над медью при нагревании. Таким образом, полная схема синтеза чистого 3-метилбутена-1 следующая:СН3СН3IКОНIРВгзСН3—СН—СН=СН2 -с СН,—СНСН2СН2Вг -<З-метилбутен-1СН3СН3IКОНIРВгзСН3—СН—СН=СН2 -с СН,—СНСН2СН2Вг -<З-метилбутен-1СН3IСН3СН—СН2СН2ОН3-метилбутанол-1СН3IСН3СН—СН2СН2ОН3-метилбутанол-1СН3СН3СНСН2СН2ОН3-метилбутаиолСН3СН3СНСН2СН2ОН3-метилбутаиолН|Си— нс=о •*СН3ОН нагреваниеметанолсн3СН3IMg |— CH8CHCH2MgBr -< СН3СНСН2ВгН|Си— нс=о •*СН3ОН нагреваниеметанолсн3СН3IMg |— CH8CHCH2MgBr -< СН3СНСН2ВгСН3СН3
образование протекает не через стадию карбониевого иона, перегруппировка мало вероятна; можно использовать бромистый водород или РВг3.
образование протекает не через стадию карбониевого иона, перегруппировка мало вероятна; можно использовать бромистый водород или РВг3.
СН3
сн3
СН3
сн3
IРВг3I
СН3—СН—СН2СН2Вг -< СН3—СН—СН2СН2ОН
3-метилбутанол-1
IРВг3I
СН3—СН—СН2СН2Вг -< СН3—СН—СН2СН2ОН
3-метилбутанол-1
Как же получить З-метилбутанол-1? Это первичный спирт, и он содержит на один атом углерода больше, чем самый большой из имеющихся спиртов; поэтому следует использовать реакцию реактива Гриньяра с формальдегидом. Необходимый реактив Гриньяра, изобутилмагнийбромид, можно получить из изобутилбромида, а последний — из изобутилового спирта.
Как же получить З-метилбутанол-1? Это первичный спирт, и он содержит на один атом углерода больше, чем самый большой из имеющихся спиртов; поэтому следует использовать реакцию реактива Гриньяра с формальдегидом. Необходимый реактив Гриньяра, изобутилмагнийбромид, можно получить из изобутилбромида, а последний — из изобутилового спирта.
СН3
СН3
СН3СН—СН2СН2ОН
СН3СН—СН2СН2ОН
н
— н—с=о формальдегид
СН,
I
— СН,—СН—CHjMgBr
н
— н—с=о формальдегид
СН,
I
— СН,—СН—CHjMgBr
нзобутилмагнийбромид
нзобутилмагнийбромид
Формальдегид получают дегидрированием метанола над медью при нагревании. Таким образом, полная схема синтеза чистого 3-метилбутена-1 следующая:
Формальдегид получают дегидрированием метанола над медью при нагревании. Таким образом, полная схема синтеза чистого 3-метилбутена-1 следующая:
СН3СН3
IКОНIРВгз
СН3—СН—СН=СН2 -с СН,—СНСН2СН2Вг -<
З-метилбутен-1
СН3СН3
IКОНIРВгз
СН3—СН—СН=СН2 -с СН,—СНСН2СН2Вг -<
З-метилбутен-1
СН3
I
СН3СН—СН2СН2ОН3-метилбутанол-1
СН3
I
СН3СН—СН2СН2ОН3-метилбутанол-1
СН3
СН3СНСН2СН2ОН3-метилбутаиол
СН3
СН3СНСН2СН2ОН3-метилбутаиол
Н
|Си
— нс=о •*СН3ОН нагревание
метанол
сн3СН3
IMg |
— CH8CHCH2MgBr -< СН3СНСН2Вг
Н
|Си
— нс=о •*СН3ОН нагревание
метанол
сн3СН3
IMg |
— CH8CHCH2MgBr -< СН3СНСН2Вг
СН3
СН3
СН3СНСН2ОНизобутиловый спирт
Анализ спиртов. Характерные реакции.
Проба Лукаса. Йодоформная реакция
Спирты растворимы в холодной концентрированной серной кислоте. Это свойство характерно также для алкенов, аминов и практически для всех соединений, содержащих кислород, а также для легкосульфируемых соединений. (Спирты, как и другие кислородсодержащие соединения, образуют оксониевые соли, которые растворимы в сильнополярной серной кислоте.)
Спирты не окисляются холодным разбавленным нейтральным раствором перманганата (хотя первичные и вторичные спирты окисляются в более жестких условиях). Спирты часто содержат примеси (разд. 6.23), которые окисляются в этих условиях, и поэтому реакцию с перманганатом следует интерпретировать с осторожностью.
Спирты не обесцвечивают раствора брома в четыреххлористом углероте. С помощью этой реакции спирты можно отличить от алкенов и алкинов.
Кроме того, спирты можно отличить от алкенов и алкинов — ив действительности от почти любого другого класса соединений — по их окислению хромовым ангидридом СгО3 в водном растворе серной кислоты: в течение двух секунд прозрачный оранжевый раствор становится голубовато-зеленым и мутнеет.
ROH -f- НСгО4> Голубовато-зеленый мутный раствор первичный прозрачный или раствор вторичный оранжевого цвета
Третичные спирты не дают этой реакции. Альдегиды дают эту реакцию, но их легко можно отличить другими методами (разд. 19.19).
Реакция спиртов с металлическим натрием с выделением газообразного водорода редко используется для определения спирта, поскольку любое влажное соединение будет реагировать с натрием до тех пор, пока не прореагирует вся вода.
Наличие в молекуле ОН-группы часто обнаруживают по образованию сложного эфира при действии хлористого ацетила или ангидрида (разд. 18.16). Некоторые сложные эфиры имеют приятный запах; другие представляют собой твердые вещества с четкими температурами плавления, и их можно использовать в качестве производных для идентификации. (Если установлены молекулярные формулы исходного и конечного веществ, то можно рассчитать, сколько имеется ОН-групп.)
Задача 16.10. Составьте таблицу, характеризующую отношение каждого уже изученного класса соединений к следующим реагентам: а) холодная концентрированная H,SO4; б) холодный разбавленный нейтральный раствор КМпО4; в) раствор Вт, в СС14; г) раствор СгО3 в HtSO4; д) холодная дымящая серная кислота; е) СНС13 + А1С13; ж) металлический натрий.
Является ли спирт первичным, вторичным или третичным, можно установить с помощью пробы Лукаса, которая основана на различной реакционной способности трех классов спиртов по отношению к галогеноводородам (разд. 16.4). Спирты (с числом атомов углерода не более шести) растворимы в реактиве Лукаса — смеси концентрированной соляной кислоты и хлористого цинка. (Почему они растворимы в этой смеси лучше, чем в воде?) Соответствующие алкилхлориды нерастворимы. Об образовании галогенида из спирта можно судить по помутнению раствора вследствие выделения хлорида; следовательно, время, необходимое для появления мути, является мерой реакционной способности спирта.
Третичные спирты реагируют с реактивом Лукаса сразу же, вторичные — в течение 5 мин, а первичные спирты при комнатной температуре заметно не реагируют. Выше уже говорилось о том, что бензиловый и аллиловый спирты реагируют с реактивом Лукаса с такой же скоростью, как третичные спирты; хлористый аллил, однако, растворим в реагенте. (Почему?)
О наличии в спирте одной определенной структурной единицы можно
Положительная йодоформнаяреакцияПоложительная йодоформнаяреакциян I сн3—с—ион нсн3—с—сн3он нСН3—С—СН2СН2СН3он н свн5—(!—сн3онн I сн3—с—ион нсн3—с—сн3он нСН3—С—СН2СН2СН3он н свн5—(!—сн3онЛюбой другой первичный спиртЛюбой другой первичный спиртСН3СН3СН3—С—сн3СН3—С—сн3ОНнОНнСН3СН2—С—СН2СНСН3СН2—С—СН2СНС6Н6СН2СН2ОНС6Н6СН2СН2ОН
Положительная йодоформнаяреакция
Положительная йодоформнаяреакция
н I сн3—с—и
он н
сн3—с—сн3
он н
СН3—С—СН2СН2СН3
он н свн5—(!—сн3
он
н I сн3—с—и
он н
сн3—с—сн3
он н
СН3—С—СН2СН2СН3
он н свн5—(!—сн3
он
Любой другой первичный спирт
Любой другой первичный спирт
СН3
СН3
СН3—С—сн3
СН3—С—сн3
ОН
н
ОН
н
СН3СН2—С—СН2СН
СН3СН2—С—СН2СН
С6Н6СН2СН2ОН
С6Н6СН2СН2ОН
судить по йодоформной реакции. Спирт обрабатывают иодом и едким натром (гипоиодитом натрия NaOI); спирты, имеющие структуру
н
R—С—СН3, где R = Н, алкил или арил
I '
ОН
дают желтый осадок йодоформа СШ3, т. пл. 119 °C, например:
Не дают положительной йодоформ-ной реакции
Реакция протекает через стадии окисления, галогенирования и расщепления
н
R—С—СН3 + NaOI > R—С—СН3 + Nai + Н2О
IН ’
ОНо
R—с—СН3 + 3NaOI > R—С—CI3 + 3NaOH
R—С—Cl3 + NaOH> RCOO~Na+ + CHI3
Иосадок
°желтого
цвета
Как и следовало ожидать на основании написанных уравнений, соединение, имеющее структуру К—С—СН3 (К = Н, алкил или арил), также
О
дает положительную реакцию с NaOI (разд. 19.19).
Иногда эту реакцию используют не как характерную пробу, а для синтеза карбоновой кислоты RCOOH. В этих случаях применяют более дешевые гипобромиты и гипохлориты.
Спектральный анализ
Инфракрасные спектры. В ИК-спектре спирта с водородной связью наиболее характерной является сильная широкая полоса в области 3200— 3600 см-1, вызванная колебаниями О—Н-группы (рис. 16.1).
О—Н-колебание, интенсивная широкая полоса
Спирты ROH (или фенолы АгОН) 3200—3600 см-1.
(Мономерный спирт, как обсуждалось в разд. 15.5, дает узкую полосу, положение которой изменяется в области 3610—3640 см-1.)
Другая интенсивная широкая полоса, обусловленная С—О-колеба- нием, появляется в области 1000—1200 см-1; значение частоты зависит от природы спирта
С—О-колебание, интенсивная широкая полоса
Первичный ROH около 1050 см-1
Вторичный ROH около 1100 см-1
Третичный ROH около 1150 см-1
АгОН около 1230 см-1
Для фенолов (АгОН) характерны обе эти полосы, но полоса, соответствующая С—О-колебаниям, появляется при более высоких частотах. В спектрах простых эфиров имеется С—О-колебание, но отсутствует О—Н-колеба-
Частота, см*1
рис. 16.1. Инфракрасные спектры втор-бутилового и бензилового спиртов.
ние. В спектрах карбоновых кислот и сложных эфиров, помимо С—О-коле- бания, наблюдается еще характеристическое поглощение группы С=О (для сравнения некоторых кислородсодержащих соединений см. табл. 20.4).
ПМР-спектры. В ПМР-спектре поглощение гидроксильного протона (О—Н) сдвинуто в слабое поле вследствие наличия водородной связи. Наблюдаемый химический сдвиг зависит от силы водородной связи, которая в свою очередь зависит от температуры, концентрации и природы растворителя (разд. 15.5). В результате сигнал может появиться где-то в области т 5—9 (6 1—5). Он может маскироваться пиками протонов алкильных групп, но его присутствие часто обнаруживается при подсчете числа протонов.
Гидроксильный протон обычно дает синглет в П ЧР-спектре: этот сигнал не расщепляется соседними протонами и не расщепляет их сигналы. Обмен протонов между двумя (идентичными) молекулами спирта
R*—О—Н* + R—О—Н> R*—О—Н + R—О—Н*
происходит настолько быстро, что протон (в данный момент в одной молекуле, а в следующий — в другой) не может «видеть» соседние протоны в их различных комбинациях ориентации спинов; он «видит» их в одной усредненной ориентации.
Кислород спирта, в основном вследствие его индуктивного эффекта, вызывает сдвиг сигналов соседних протонов в слабое поле: сдвиг, примерно равный сдвигам, вызываемым другими электроотрицательными атомами (табл. 13.4).
Задача 16.11. Как можно сдвинуть замаскированный пик протона О—Н так, чтобы его можно было наблюдать в ПМР-спектре? (Указание: см. разд. 15.5.)
Задача 16.12. а) Очень сухие чистые образцы спиртов дают спин-спииовое расщепление сигналов ОН-протонов. Какое расщепление следует ожидать для первичного, вторичного или третичного спирта? б) Это расщепление исчезает при добавлении следов кислоты или основания. Напишите уравнения реакций, показывающие, как обмен протона ускоряется кислотой (Н:В) или основанием (:В).
Масс-спектр. Масс-спектры спиртов характеризуются фрагментами, которые возникают при разрыве связи между атомом углерода, связанным с ОН-группой, и остальной частью молекулы; образуются очень устойчивые ионы I.
I .. г М ■+х t
R—С—О—Н > R——С—О—Н> R" + >С=О—Н
I "м/
спиртмолекулярныйI
нон, Мт(М—R)+
Задача 16.13. Как объяснить необычную устойчивость ионов типа I? (Указание, см. разд. 11.18.)
Задача 16.14. а) Какой ион дает основной пик в масс-спектре каждого из следующих спиртов: «-бутиловый спирт, т/е 31; «mop-бутиловый спирт, т/е 45; mpem-бутиловып спирт, т/е 59? б) Как объяснить тот факт, что в случае этилового спирта для основного пика т/е 31, а не т/е 45? в) Как объяснить, что в отличие от «-пропилового спирта аллиловый спирт дает основной пик при т/е 57, а не при т/е 31?
Задача 16.15. Как объяснить появление следующих довольно интенсивных пиков в масс- спектрах следующих спиртов: этилового спирта, т/е 28; «-пропилового спирта, т/е 42; н-бутилового спирта, т/е 56?
ЗАДАЧИ
Вернитесь к изомерным пентиловым спиртам в задаче 1(a) (стр. 498). а) Какие из них дадут положительную йодоформную реакцию? б) Как каждый спирт будет относиться к реактиву Лукаса? в) Как каждый спирг будет реагировать с хромовым ангидридом?
г) Предложите схемы возможных синтезов каждого спирта, исходя из спиртов с четырьмя или меньшим числом атомов углерода и используя необходимые неорганические реагенты. '
Напишите структурные формулы и назовите основные продукты, образующиеся при реакции (если она идет) циклогексанола со следующими реагентами:
а) " ‘ ~
б) в)
г) Д) е)
холодной конц. H2SO4,
H2SO4, нагревание, холодным разбавленным раствором КМпО4,‘'
CrO3, H2SO4,
Вг2/СС14,
конц. водным раствором НВг,
Р 4- 12,
Na,
СН3СООН, Н+,
Н2, Ni,
CH3MgBr,
м) в) о) п) р) с) т) У) Ф) X)
Си, 250 °C, NaOH (водн.).
продукт продукт продукт продукт продукт продукт продукт продукт
(е) + Mg,
(о) + продукт (м),
(6) + Вг2/СС14,
(б) + С„Н6, HF,
(6) + Н2, №.
(е) + HNO3/H2SO4,
(б) + N-бромсукцинимид,
(б) + СНС13 +
Ц)
+ mpem-C4HgOK, продукт (м) + C6H5MgBr.
а) я-бутилбромид.
л) этилциклопропан.
б) бутен-1,
м) бутандиол-1,2 СН3СН2СН(ОН)СН2ОН,
в) кислый я-бутилсульфат.
н) я-октан,
г) я-бутилат калия.
о) октин-3,
д) я-масляный альдегид
п) цис-октен-3.
СН3СН,СН2СНО,
р) транс-октен-3.
е) «-масляная кислота
с) октанол-4,
СН3СН2СН2СООН,
т) октанон-4 СН3СН2СН2СН2ССН2СН2СН3,
ж) я-бутан.
II
з) 1,2-дибромбутан.
О
и) 1-хлорбутанол-2,
у) 5-(я-пропил)-нонанол-5,
к) бутин-1,
ф) я-бутиловый эфир масляной кислоты.
3. Предложите схему возможного в лаборатории синтеза приведенных ниже соединений, исходя из я-бутилового спирта и используя любые необходимые неорганические реагенты. Помните основные правила разд. 16.9 и 16.10.
Напишите структурные формулы и назовите (если возможно) основные органические продукты следующих реакций:
бензиловый спирт + Mg,
изобутиловый спирт + бензойная кислота + Н+,
этиленбромид + избыток NaOH (водн.),
Р-фенилэтиловый спирт + Си, 250 °C,
я-бутиловый спирт + Н2, Pt,
кротиловый спирт (СН3СН=СНСН2ОН) + Вг2/Н2О,
СН3ОН + C2H5MgBr,
n-бромбензилбромид -|- NaOH (водн.),
mpem-бутиловый спирт + С6Н6 + H2SO4,
С6Н5ССН3 + NaOI.’ '
II
О
Закончите следующие реакции и расставьте коэффициенты:
циклогексен + холодный разбавленный КМпО4;
циклогексен + КМпО4 + H2SO4 + нагревание;
п-нитротолуол + К2Сг2О7 + H2SO4;
о-нитроэтилбензол + КМпО4 + КОН;
циклопентен + надмуравьиная кислота;
З-метилбутанол-2 + K2Cr2O7 + H2SO4;
З-метилбутанол-1 + К2Сг2О7 + H2SO4> СвН10О2;
З-метилбутанол-2 + I2 + NaOH;
аллилбензол + HNO3> бензойная кислота + СО2 + NO2.
Сообщалось, что «Джемини VII» стартовал, имея на борту 148 кг жидкого топлива— метилгидразина CH3NHNH2. Это топливо окисляется двуокисью азота N2O4. Предполагая, что окисление происходит до азота, двуокиси углерода и воды, рассчитайте, сколько N2O4 необходимо для окисления всего топлива?
Расположите спирты каждой группы в порядке изменения их реакционной способности по отношению к водному раствору НВг.
изомерные пентиловые спирты [задача 1(a), стр. 498|. (замечание: возможно, их ие- .обходимо объединить в группы с примерно одинаковой реакционной способностью);
1-фенилпропанол-1, З-фенилпропанол-1, 1-фенилпропанол-2;
бензиловый, й-цианбензиловый и й-оксибензиловый спирты;
бутен-2-ол-1, бутен-З-ол-1;
циклопентилкарбинол, 1-метилциклопентаиол, тданс-2-метилциклопентанол;
е) бензиловый спирт, дифенилкарбинол, метанол, трифенилкарбинол.
Расположите спирты в каждой группе в порядке изменения их кислотности.
диметилэтилкарбинол, изопентиловый, З-метилбутанол-2,
бензиловый, n-хлорбензиловый и и-этилбензиловый.
Объясните следующий порядок изменения кислотности: трифенилметан > дифеиил- метан > толуол > н-пентан. ^Указание; см. разд. 16.6 и 12.24.)
Напишите последовательность реакций, которая лучше всего объясняет следующие факты:
из 3-метилбутена-1 и НС1 образуются З-хлор-2-метилбутан и 2-хлор-2-метилбу- тан;
пентанол-2 и пентанол-3 при реакции с НС1 дают 2- и 3-хлорпентаны;
AI2O3, нагревание
2,2,4-триметилпентанол-З>- 2,4,4-триметилпентен-2 4- 2,4,4-три-
метилпентен-1 + 2,3,4 - триметилпентен-2 + 2,3,4- триметилпентен-1 + 3 - метил-2-изо - пропилбутен-1 + 3,3,4-триметилпентен-1;
н+
2.2-диметилциклогексанол » 1,2-диметилциклогексан + 1-изопропилцикло-
пентен (указание: используйте модели);
Н+
Д) циклобутилдиэтилкарбинол» 1,2-диэтилциклопентен;
/\/СН3 н+
е) Г Л—СПСН3 »- 1,2-диметилциклогексеи.
ОН
11. Приведите схемы возможных в лаборатории синтезов следующих соединений, исходя из циклогексанола и любых необходимых алифатических, ароматических и неорганиче11. Приведите схемы возможных в лаборатории синтезов следующих соединений, исходя из циклогексанола и любых необходимых алифатических, ароматических и неорганических реагеитов:ских реагеитов:циклогексанона (СвН10О),бромциклогексана,1-метилциклогексанола,1-метилциклогексена,транс-2-метилциклогексанола, е) циклогексилметилкарбинола, ж) транс- 1,2-дибромциклогексана,циклогексанона (СвН10О),бромциклогексана,1-метилциклогексанола,1-метилциклогексена,транс-2-метилциклогексанола, е) циклогексилметилкарбинола, ж) транс- 1,2-дибромциклогексана,циклогексилкарбинола,1-бром-1-фенилциклогексана,циклогексанкарбоновой кислоты, л) адипиновой кислоты НООС(СН2)4СООН м) норкарана (стр. 448).циклогексилкарбинола,1-бром-1-фенилциклогексана,циклогексанкарбоновой кислоты, л) адипиновой кислоты НООС(СН2)4СООН м) норкарана (стр. 448).
11. Приведите схемы возможных в лаборатории синтезов следующих соединений, исходя из циклогексанола и любых необходимых алифатических, ароматических и неорганиче
11. Приведите схемы возможных в лаборатории синтезов следующих соединений, исходя из циклогексанола и любых необходимых алифатических, ароматических и неорганиче
ских реагеитов:
ских реагеитов:
циклогексанона (СвН10О),
бромциклогексана,
1-метилциклогексанола,
1-метилциклогексена,
транс-2-метилциклогексанола, е) циклогексилметилкарбинола, ж) транс- 1,2-дибромциклогексана,
циклогексанона (СвН10О),
бромциклогексана,
1-метилциклогексанола,
1-метилциклогексена,
транс-2-метилциклогексанола, е) циклогексилметилкарбинола, ж) транс- 1,2-дибромциклогексана,
циклогексилкарбинола,
1-бром-1-фенилциклогексана,
циклогексанкарбоновой кислоты, л) адипиновой кислоты НООС(СН2)4СООН м) норкарана (стр. 448).
циклогексилкарбинола,
1-бром-1-фенилциклогексана,
циклогексанкарбоновой кислоты, л) адипиновой кислоты НООС(СН2)4СООН м) норкарана (стр. 448).
2,3-диметилбутанола-22-фенилпропанола-2,2-фенилпропена,2-метилбутена-1,изопентана,1,2-дибром-2-метилбутана,гексанола-3,гексанона-3 (I),п) 4-этилгептанола-4.2-бром-2-метилгексана,метилацетилена.2,3-диметилбутанола-22-фенилпропанола-2,2-фенилпропена,2-метилбутена-1,изопентана,1,2-дибром-2-метилбутана,гексанола-3,гексанона-3 (I),п) 4-этилгептанола-4.2-бром-2-метилгексана,метилацетилена.СН3СН2СН2ССН2СН3СН3СН2СН2ССН2СН3оIоIСН3-ССН(СН3)2IIоIIСН3-ССН(СН3)2IIоIIС6Н5СЫ2ССН3С6Н5СЫ2ССН3оIIIоIIIСН3СН2С—ОСН2СН3оIVСН3СН2С—ОСН2СН3оIV
2,3-диметилбутанола-2
2-фенилпропанола-2,
2-фенилпропена,
2-метилбутена-1,
изопентана,
1,2-дибром-2-метилбутана,
гексанола-3,
гексанона-3 (I),
п) 4-этилгептанола-4.
2-бром-2-метилгексана,
метилацетилена.
2,3-диметилбутанола-2
2-фенилпропанола-2,
2-фенилпропена,
2-метилбутена-1,
изопентана,
1,2-дибром-2-метилбутана,
гексанола-3,
гексанона-3 (I),
п) 4-этилгептанола-4.
2-бром-2-метилгексана,
метилацетилена.
СН3СН2СН2ССН2СН3
СН3СН2СН2ССН2СН3
о
I
о
I
СН3-ССН(СН3)2
II
о
II
СН3-ССН(СН3)2
II
о
II
С6Н5СЫ2ССН3
С6Н5СЫ2ССН3
о
III
о
III
СН3СН2С—ОСН2СН3
о
IV
СН3СН2С—ОСН2СН3
о
IV
Приведите схемы возможных в лаборатории синтезов следующих соединений, исходя из бензола, толуола и спиртов с четырьмя или меньшим числом атомов углерода:
м) транс-1,2-диметилциклопропана,
н) 1-хлор-1-фенилэтана(а-фенетилхло- рида),
о) втор-бутилбензола,
п) метилизопропилкетона(П),
р) 2-метилгексана,
с) метилбензилкетона(Ш),
т) 2,3-дифенилбутана,
у) 2-бром-1-фенилпропана,
ф) гептина-3,
х) этилового эфира пропионовой кислоты (IV).
Соединения, меченные в различных положениях изотопами, используются для установления механизмов реакций и распределения различных соединений в биологических системах. Как можно синтезировать каждое из следующих меченых соединений, испольуя 14СН3ОН в качестве источника 14С и D2O в качестве источника дейтерия?
2-метилпропанол-1-[1-14С] (СН3)2СН14СН2ОН,
2-метилпропанол-1-[2-14С] (СН3)214СНСН2ОН,
2-метилпропанол-1-[3-14С] 14CH.tCH(CH3)CH«OH,
пропен-1-[1-14С] СН3СН=14СН2,
пропен-1-[2-14С] СН314СН=СН2,
пропен-1-[3-14С] »СН3СН=СН2,
C6H5D,
CeHsCH2D,
я) »-DCeH4CH8,
к) CH3CH2CHD,4CH3.
16. Укажите все стадии приведенных ниже превращений (можно использовать любые органические и неорганические реагенты):
Д8 (и) -андростен (стр. 499) в насыщенное 11-кетопроизводное;
Зр-виметипаминокоианинои- бЗр-виметипаминокоианинои- б
Зр-виметипаминокоианинои- б
Зр-виметипаминокоианинои- б
5а-врегнанол-3а-он- 20 (ацетат)5а-врегнанол-3а-он- 20 (ацетат)в)
5а-врегнанол-3а-он- 20 (ацетат)
5а-врегнанол-3а-он- 20 (ацетат)
где R -СН(СНЭ)СН2СН2СН(СН^
(Указание: СН3СООСН3 + Н2О»- СН3СОО- + СН3ОН.) нагревание
Укажите строение всех соединений (от А до ЕЕ).
этилен + С12 (водн.)> А(С2Н5ОС1),
А + NaHCO3 (водн.)> Б (С,НвО2);
этилен + С12 (водн.)> А (GH5OCI),
А + HNO3> В (С2Н8О2С1), в + н2о> Г (С2Н4О3);
пропилен + С12 (600 °C)> Д (С3Н5С1),
Д + С12 (водн.) > Е (С3НеОС12),
Е + NaOH (водн.) > Ж (С3Н8О3);
аллиловый спирт + Вг2/СС14 » 3 (С3Н6ОВг2),
3 + HNO3> И (С3Н4О2Вг2), И + Zn > К (СдНА);
1,2,3-трибромпропан + КОН (спирт.)> Л (С3Н4Вг2),
Л + NaOH (водн.) > М (С3Н5ОВг),
М + КОН (спирт.)> Н (CgH4O);
2,2-дихлорпропан 4* NaOH (водн.)> [О (С3Н8О2)]» П (С8Н,О);
пропин + С12 (водн.)> [Р (С8НвО2С12)]> С (С3Н4ОС12),
С 4- С12 (водн.) —^ Т (С8Н3ОС13),
Т 4- NaOH (водн.) > СНС13 4- У (CAANa);
циклогексен 4- КМпО4> Ф (С8Н12О2),
Ф 4- СН,СООН. Н+> X (С10Н16О4);
Ц (С3Н8О3) 4- CHgCOOH, Н+> Ч (CgHI4Oe);
циклогексанол + КаСгА, Н+> Ш (С6Н]00), Ш 4- ^-CH3CBH4MgBr, затем Н2О> Щ (С^Н^О).
Щ + нагревание > Э (С13Н18),
Э 4- Ni (300 °C)* Ю (С13Н12);
(R)-(4-М-бром-2,4-Диметилпентан 4~ Mg> Я;
Я 4- (СН3)2СНСН2СНО, затем Н2О> АА (С12Н26О), смесь,
АА 4-СгО3> Б Б (С12Н24О),
ББ 4- CH3MgBr, затем Н2О> ВВ (С13Н28О), смесь,
ВВ + 12, нагревание* ГГ (С13Н26), смесь.
ГГ + Н2, Ni♦ ДД (С13НМ) + ЕЕ (С13Н28)
оптическиоптически
активныйнеактивный
Трициклопропилкарбинол (R3COH, R=циклопропил) дает сложный ЯМР-спектр в области т 8,9—9,8 (б 0,2—1,1) и прозрачен в близкой ультрафиолетовой области. Раствор спирта в концентрированной H2SO4 имеет следующие свойства:
понижение температуры замерзания соответствует четырем частицам на одну растворенную молекулу;
интенсивное поглощение (Лмакс 270 нм, ’’макс 22 000);
в ПМР-спектре имеется один пик, синглет, г 7,74 (6 2,26).
При разбавлении и нейтрализации раствора выделяется исходный спирт.
Какое вещество образуется в растворе серной кислоты? Покажите, как образование этого вещества объясняет факты (1)—(3). Как вы объясните устойчивость этого соединения? (Указание: см. разд. 9.10 и 12.24.)
Раствор 2-циклопропилпропанола-2 в сильной кислоте дает следующий ПМР- спектр:
а синглет, т 7,40 (6 2,60), ЗН
b синглет, т 6,86 (6 3,14), ЗН
с мультиплет, т 6—6,5 (б 3,5—4), 5Н
Аналогичный раствор 2-циклопропил-1,1,1-тридейтеропропанола-2 дает аналогичный спектр, за исключением того, что площади сигналов а и b вдвое больше по сравнению с предыдущим.
Какой общий вывод следует сделать относительно взаимного расположения двух метильных групп? Можете ли вы предложить какую-то определенную геометрию молекулы, которая находится в соответствии не только с этим спектром, но и с вашим ответом на вопрос (а)? (Указание: используйте модели.)
Опишите простые химические реакции, с помощью которых можно различить следующие соединения:
н-бутиловый спирт и н-октан,
н-бутиловый спирт и октен-1
н-бутиловый спирт и бромистый н-пентил,
н-бутиловый спирт и бутен-З-ол-1,
бутен-З-ол-1 и бутен-2-ол-1,
пентанол-3 н пентанол-1,
пентанол-3 и пентапол-2,
З-фенилпропанол-1 и коричный спирт (3-фенилпропен-2-ол-1),
циклогексен-2-ол-1, 1-метилпиклогексанол и циклогексилкарбииол,
н-бутиловый и треит-пентиловый спирты,
п-бромбеизиловый и л-этилбензиловый спирты,
м) а-феиилэтиловый и р-фенилзтиловый спирты.
Используя данные приведенной ниже таблицы, укажите, каким спиртом или спиртами являются соединения А — Д. Как вы идентифицируете каждый из них или подтвердите вашу идентификацию? а-Нафтилуретаны легко получаются из большинства спиртов реакцией с а-нафтилизоцианатом (разд. 29.14.)
А: т. кип. 115—117 °C; проба Лукаса — вторичный спирт; 3,5-динитробензоат, т. пл. 95—96 СС.
Б: т. кип. 128—130 °C; отрицательная проба на галоген; проба Лукаса — первичный спирт.
В. т. кип. 128—131 °C; положительная йодоформная реакция.
Г". Т. кип. 115—118 °C; 3,5-динитробензоат, т. пл. 60—61 °C.
Спирт
Т. кип., °C
Т. ял. а-нафтил- уретана, °C
Т. пл. 3.5-ди- иитробензоата.
СС
З-Метилбутанол-2
114
112
76
Пентанол-3
116
71
97
н-Бутиловый спирт
118
71
64
Пентапол-2
119
76
61
1 -Хлорпропанол-2
127
—
83
2-Метилбутанол-1
128
97
62
Этиленхлоргидрин
129
191
92
4-Метилпеитаиол-2
131
38
65
З-Метилбутанол-1
132
67
62
2-Хлорпропанол-1
132
—
76
Д: т. кип. 117—119СС; а-нафтилуретан, т. пл. 69—71 °C.
1-Хлорпропанол-2, хотя и является вторичным спиртом, с реактивом Лукаса реагирует как первичный спирт. Можете ли вы объяснить его поведение?
а) Соединение А, имеющее формулу CgH12O, дает следующие реакции:
Na> медленное выделение газа,
уксусный ангидрид> продукт с приятным запахом,
CrO3/H2SO4 > сразу же появляется голубовато-зеленое окрашивание,
горячий КМг>04 -—-> бензойная кислота,
Вг2/СС14» окраска не исчезает,
I, + NaOH» желтый осадок,
вращает плоскость поляризации плоскополяризованного света.
Что представляет собой соединение А? Напишите уравнения всех реакций.
Соединение Б, являющееся изомером А, также оптически активно. Оно дает все реакции, характерные для соединения А, кроме реакции 6. При осторожном окислении соединения Б действием КМпО4 была получена кислота С8Н10О2.лЧто представляет собой соединение Б?
Идентифицируйте следующие два изомера С2«Н18О:
Изомер А (т. пл. 88 °C): а синглет, т 7,77 (6 2,23), 1Н
b дублет, т 6,08 (6 3,92), 1Н, J = 7 Гц
с дублет, т 5,02 (6 4,98), 1Н, J = 7 Гц
d синглет, т 3,19 (6 6,81), ЮН
е синглет, т 3,01 (6 6,99), 5Н
Изомер Б (т. пл. 88 °C): а сииглет, т 7,86 (6 2,14), 1Н
b синглет, т 6,45 (6 3,55), 2Н
с широкий пик, и 2,75 (6 7,25), 15Н
С помощью какого простого химического теста можно различить эти два изомера?
Укажите структуру или структуры, соответствующие каждому ПМР-спектру иа рис. 16.2.
Укажите структуру или структуры, соответствующие каждому ПМР-спектру иа рис. 16.3.
При гидрировании соединение А (С4Н8О) превращается в соединение Б (С4Н,еО). На основании ИК-спектров А и Б (рис. 16.4) напишите структурные формулы этих соединений.
Напишите структуру или структуры для соединения, ИК- и ПМР-спектры которого приведены на рис. 16.5 и 16.6.
Гераниол С1еН18О — терпен, найденный в розовом масле, — дает ИК- и ПМР-спектры, которые приведены на рис. 16.7. В следующей задаче приведены химические реакции, на основании которых можно сделать вывод о его структуре; прежде чем решать следующую задачу, посмотрим, какую же информацию можно получить только из спектров.
Рассмотрите ИК-спектр. Является ли гераниол алифатическим или ароматическим соединением? Какие имеются функциональные группы? Исходя из молекулярной формулы, укажите, какие еще группы должны присутствовать в молекуле? Подтверждается ли наличие этих групп ИК-спектром?
В ПРМ-спектре рассчитайте число протонов в каждом сигнале на основании интегральной кривой. Исходя из значений химических сдвигов и данных ИК-спектра, укажите, какой тип протонов вероятнее всего вызывает каждый сигнал.
Напишите, какие группы могут присутствовать в молекуле. Сколько имеется (если вообще есть) метильных групп? Метиленовых групп? Винильных или аллильных протонов?
Какие взаимоотношения между этими группами можно предположить на основании величин химических сдвигов, расщеплений и т. п.?
Напишите структуру или структуры, соответствующие спектрам. Принимая во внимание источник гераниола, можно ли сказать, что некоторые из них более вероятны, чем другие?
27 Гераниол С10Н18О — терпен, найденный в розовом масле, — присоединяет две молекулы брома с образованием тетрабромида С]0Н18ОВгл. Его можно окислить в альдегид или карбоновую кислоту с десятью атомами углерода. При окислении в жестких условиях из гераниола образуются
СН3—С—СН3СН3—С—СН3СН3-С— СН2—СН2—С—ОН,СН3-С— СН2—СН2—С—ОН,НС—С—С—ОННС—С—С—ОНооооооо оо о
СН3—С—СН3
СН3—С—СН3
СН3-С— СН2—СН2—С—ОН,
СН3-С— СН2—СН2—С—ОН,
НС—С—С—ОН
НС—С—С—ОН
о
о
о
о
о
о
о о
о о
Рис. 16.2. ПМР-спектры к задаче 22.
з< we
Частота, см-1
Пропуцад,«чв, %Пропускание,
Рис. 16.4. Инфракрасные спектры к задаче 24.
Рис. 16.5. Инфракрасные спектры к задаче 25.
Частота, см *
50004000 3000 250020001500 14001300 1200 11001000900800700
2345678910 И 1213 Н IS
Цпина волны, мкм
Рис. 16.7. ИК- И ПМР-спектры к задаче 26.
а) Вспомните изопреновое правило (разд. 8.25) и предложите наиболее вероятную структуру гераниола, б) Нерол (задача 21, стр. 300) можно превратить в тот же самый насыщенный спирт, что и гераниол; при окислении нерола образуются те же вещества, что и при окислении гераниола, хотя их физические свойства различны. Какое наиболее вероятное взаимоотношение между неролом и гераниолом? в) Гераниол, так же как нерол, при действии серной кислоты превращается в а-терпинеол (задача 21, стр. 300), ио значительно медленнее, чем иерол. Исходя из этого, предложите возможные структуры нерола и гераниола. (Указание: используйте модели.)
28. При действии НВг и гераниол (предыдущая задача) и линалоол (из масла лаванды, бергамота, кориандры) дают один и тог же бромид, имеющий формулу С1еН17Вг. Как объяснить этот факт?
СН3СН3
II
сн3—с=сн—сн2—сн2—с—сн=сн2
I
он
линалоол
17
Простые эфиры
Строение и номенклатура
Простыми эфирами называются соединения общей формулы R—О—R, Аг—О—R или Аг—О—Аг.
СН3СН3СНз-С-О-^) н изопропилфенияовыйЭфирСНз-С-О-^) н изопропилфенияовыйЭфирНазвания простых эфиров строятся из названия двух групп, связанных с кислородом, и слова эфир.
СН3
СН3
СНз-С-О-^) н изопропилфенияовый
Эфир
СНз-С-О-^) н изопропилфенияовый
Эфир
с2н5ос2н$диэтиловый заир(этиловый эфир)
сн3
СН3-0-С-СН3
СН3 метил-трет,- бутиловый Эфир
соонсоонк-зтоксибензойнаякислота.к-зтоксибензойнаякислота.СН2СН2НО ОСгНз2.~это^сизтпанолСН2СН2НО ОСгНз2.~это^сизтпанолЕсли одна из групп не имеет простого названия, то соединение называют как алкоксипроизводное.
соон
соон
к-зтоксибензойнаякислота.
к-зтоксибензойнаякислота.
СН2СН2
НО ОСгНз
2.~это^сизтпанол
СН2СН2
НО ОСгНз
2.~это^сизтпанол
СН3СН2СН2СНСН2СН3
ОСН3 З-метонсигеисан
Простейший алкилариловый эфир называется анизолом
@>осн3
анизол
Если обе группы одинаковы, то эфир будет симметричным (например, диэтиловый, дифениловый эфиры)', если группы различны, то эфир несимметричен (например, метил-трет-бутиловый эфир, анизол).
Физические свойства
Угол между связями С—О—С не равен 180° (3,141 рад), и, следовательно, дипольные моменты двух С—О-связей не компенсируют друг друга; вследствие этого простые эфиры имеют небольшой суммарный дипольный
момент (например, 1,18 Д для диэтилового эфира)
R
суммарныйдиполъныимоментсуммарныйдиполъныимомент110° :^ОR
суммарныйдиполъныимомент
суммарныйдиполъныимомент
Наличие небольшого дипольного момента существенно не влияет на температуры кипения простых эфиров, которые близки к температурам кипения алканов с таким же молекулярным весом и значительно ниже температур кипения изомерных спиртов (табл. 17.1). Сравните, например, температуры кипения н-гептана (98 °C), метил-н-пентилового эфира (100 °C) и «-гексилового спирта (157 °C). Молекулы спирта ассоциированы за счет образования водородных связей, которых нет в простых эфирах, поскольку в них водород связан только с углеродом (разд. 15.5).
Таблица 17.1
Физические свойства простых эфиров
Название
Т. пл., °C
Т. кип., °C
Название
Т. пл., °C
Т. кип., °C
Диметиловый эфир Диэтиловый эфир Ди-н-пропиловый эфир Диизопропиловый эфир Ди-н-бутиловый эфир Дивиниловый эфир Диаллиловый эфир
—140
—116
—122
—60
—95
—24
34,6
91
69
142
35
94
Анизол
Фенетол (этнлфениловый эфир)
Дифениловый эфир
1,4-Диоксаи
Тетрагидрофураи
—37
—33
27
11
—108
154
172
259
101
66
С другой стороны, растворимость простых эфиров и спиртов в воде примерно одинакова; например, и диэтиловый эфир, и «-бутиловый спирт растворяются в воде в количестве примерно 8 г на 100 г воды. Растворимость низших спиртов в воде объясняют образованием водородных связей между молекулами воды и молекулами спирта; растворимость простых эфиров в воде можно объяснить аналогично:
Н
R„O-H—о
R
Промышленные источники. 'Дегидратация спиртов
Некоторые симметричные простые эфиры с небольшими алкильными группами, используемые в качестве растворителей, получают в промышленном масштабе. Наиболее важным из них является диэтиловый эфир, применяемый как средство для наркоза, в качестве растворителя для экстракции и получения реактивов Гриньяра, а также диизопропиловый и ди- н-бутиловый эфиры.
Эти эфиры получают взаимодействием соответствующих спиртов с серной кислотой. Поскольку молекула воды отщепляется от двух молекул спирта, то реакцию можно рассматривать как реакцию дегидратации.
2R—О—Н2R—О—НH2SO4H2SO4нагреваниенагреваниеR—О—R + Н2ОR—О—R + Н2О
2R—О—Н
2R—О—Н
H2SO4
H2SO4
нагревание
нагревание
R—О—R + Н2О
R—О—R + Н2О
Образование эфиров, а не алкенов при дегидратации достигается выбором соответствующих условий реакции. Например, этилен получают нагреванием этилового спирта с концентрированной серной кислотой при 180 °C; диэтиловый эфир образуется при нагревании смеси этилового спирта и концентрированной серной кислоты при 140 °C, причем добавляют все время спирт, чтобы он был в избытке.
Образование простого эфира при дегидратации служит примером реакции нуклеофильного замещения, в которой протонированный спирт выступает в качестве субстрата, а вторая молекула спирта — в роли нуклеофила. Реакция может протекать по механизму SN1 или SN2 в зависимости от того, потеряет ли протонированный спирт молекулу воды раньше или одновременно с атакой второй молекулой спирта. Вторичные и третичные спирты, вероятно, реагируют по 5м1-механизму
ROH + Н+ROH + Н+ROH2ROH2+ ROH IR4- > ROR ^=^ № 4- ROR+ ROH IR4- > ROR ^=^ № 4- RORROHa —ROHa —Sn1> третичные и вторичные спиртыSn1> третичные и вторичные спиртыROHROHHH16+6+|RO -R -OHaJ > ROR *=^+H2OHH16+6+|RO -R -OHaJ > ROR *=^+H2OН+ 4- ROR SN2, первичные спиртыН+ 4- ROR SN2, первичные спирты
ROH + Н+
ROH + Н+
ROH2
ROH2
+ ROH I
R4- > ROR ^=^ № 4- ROR
+ ROH I
R4- > ROR ^=^ № 4- ROR
ROHa —
ROHa —
Sn1> третичные и вторичные спирты
Sn1> третичные и вторичные спирты
ROH
ROH
HH
16+6+|
RO -R -OHaJ > ROR *=^
+
H2O
HH
16+6+|
RO -R -OHaJ > ROR *=^
+
H2O
Н+ 4- ROR SN2, первичные спирты
Н+ 4- ROR SN2, первичные спирты
Однако из «-бутилового спирта получается ди-н-бутиловый эфир, т. е. реакция, протекает без перегруппировки и, следовательно, преимущественно без образования промежуточных карбониевых ионов; очевидно, первичные спирты, для которых вероятность образования карбониевых ионов наименьшая, а склонность к атаке с тыла наибольшая, реагируют по 5м2-механизму.
Задача 17.1. При образовании эфиров в результате реакции дегидратации, как и в других случаях замещения, происходит конкурирующая реакция элиминирования. Что это за реакция и к каким продуктам она приводит? Для каких спиртов реакция элиминирования будет наиболее важной?
Реакция дегидратации обычно ограничена получением симметричных эфиров, поскольку при использовании двух различных спиртов обычно образуется смесь трех эфиров.
Задача 17.2. а) При обработке смесн этилового и н-пропилового спиртов серной кислотой образуется смесь трех эфиров. Каких? б) Из смеси mpem-бутилового и этилового спиртов образуется с хорошим выходом один эфир. Какой? Объясните, почему выход хороший?
Некоторые алкилариловые эфиры встречаются в природе (разд. 25.4).
Другие получают по реакции Вильямсона (разд. 17.7).
Перекиси в эфирах
При стоянии на воздухе большинство алифатических эфиров медленно превращается в неустойчивые перекиси. Даже в небольших количествах эти перекиси очень опасны, поскольку они могут сильно взрывать при перегонке, которую обычно проводят после экстракции эфиром.
Присутствие перекисей обнаруживается по покраснению при встряхивании эфира с водным раствором соли Мора (железоаммонийные квасцы) и тиоцианата калия; перекись окисляет ион двухвалентного железа (Fe2+) до трехвалентного (Fe3+), которое реагирует с тиоцианат-ионом, давая характерное кроваво-красное окрашивание:
(n=l—6)(n=l—6)SCN-„,
(n=l—6)
(n=l—6)
Перекись + Fe2+ •> Fe3* *- Fe(SCN)<3~")_
красного цвета
Перекиси можно удалить из эфиров различными методами, например промывая эфир растворами солей двухвалентного железа (которые восстанавливают перекиси) или перегоняя его над концентрированной H2SO4 (которая окисляет перекиси).
Абсолютный эфир
Эфир (обычно диэтиловый), используемый в реакции Гриньяра, должен быть свободен от следов влаги и спирта. Этот так называемый абсолютный эфир можно получить перегонкой обычного эфира над концентрированной H2SO4 (которая не только удаляет воду и спирт, но также и перекиси) и последующим хранением над металлическим натрием. В настоящее время промышленность выпускает безводный эфир такого высокого качества, что для использования в реакции Гриньяра его необходимо только обработать натрием.
Опасности при работе с диэтиловым эфиром
Трудно переоценить опасности, встречающиеся при, использовании диэтилового эфира, даже когда он не содержит перекисей: он очень летуч, воспламенение паров эфира приводит к взрывам и пожарам, если не соблюдать соответствующие меры предосторожности.
Синтез Вильямсона
В лаборатории синтез Вильямсона и в настоящее время является наиболее важным из-за его многосторонности: его можно использовать для синтеза как несимметричных, так и симметричных эфиров, а также алкилариловых и диалкиловых эфиров.
В синтезе Вильямсона алкилгалогенид (или замещенный алкилгалоге- нид) реагирует с алкоголятом или фенолятом натрия.
R—X + Na+“O—R'> R—О—R' + Na+X“
R—X + Na+“O—Аг> R—О—Ar + Ма+Х'
Для получения метилариловых эфиров часто используют диметилсульфат (CHs)gSO4 вместо более дорогих метилгалогенидов.
СН3СН3
СН3Вг + Na+"O—С—СН3> СН3—О—С—СН,
СН3СН3
трал-бутилатметил-трет-бутилевый
натрияэфир
©CH2O©NO2бензил-плитрофенидовый эфир©CH2O©NO2бензил-плитрофенидовый эфир©ОН + CHjOSOzOCH, '^^ <g>OCH3 + CH3OSO3 Na+ фенол даметилсулыратанизол
©CH2O©NO2
бензил-плитрофенидовый эфир
©CH2O©NO2
бензил-плитрофенидовый эфир
^^СН2Вг + HO^^NOz "^^он^бромистый п-нитрофвнолбензил
Синтез Вильямсона представляет нуклеофильное замещение иона галогена алкоголят- илифенолят-ионом; он аналогичен синтезу спиртов из алкил- галогенидов при действии водного раствора щелочи (разд. 15.10). Арилга- логениды нельзя использовать вследствие их низкой реакционной способности по отношению к нуклеофильному замещению, если в кольце не присутствуют МО2-группы (или другие сильные электроноакцепторные группы) в орто- или пара-положении к галогену (разд. 26.10).
нанаЗадача 17.3. На основании каких данных можно было бы предсказать, что диметилсульфат должен быть хорошим метилирующим агентом в реакциях, аналогичных приведенным выше? ^Указание: какая уходящая группа (разд. 14.6)?]
на
на
Алкоголяты натрия получают действием металлического натрия абсолютный спирт
ROH + Na> RO~Na+ + VSH2 алкоголят натрия
Феноляты натрия вследствие значительной кислотности фенолов (разд. 25.8)- можно получить действием едкого натра на фенолы
АгОН + Na+~OH> ArO"Na+ + Н2Оболее силь-фенолят более сла-
ная кислотабая кислота
Если необходимо получить несимметричные диалкиловые эфиры, то возможны две комбинации реагентов; одна из них почти всегда лучше. При синтезе этил-трет-бутилового эфира, например, возможны следующие комбинации:
СН3 сн3сн2—о—с—сн3 сн3 этил- трет.- бутиловый эдгарСН3 сн3сн2—о—с—сн3 сн3 этил- трет.- бутиловый эдгарсн3I СН3СН2Вг + NaO—С—СН3СН3сн3I СН3СН2Вг + NaO—С—СН3СН3ЛегкоЛегкоСН3СН3-С-С1сн3СН3СН3-С-С1сн3+ NaOCH2CH3+ NaOCH2CH3Реакцияне идетРеакцияне идет
СН3 сн3сн2—о—с—сн3 сн3 этил- трет.- бутиловый эдгар
СН3 сн3сн2—о—с—сн3 сн3 этил- трет.- бутиловый эдгар
сн3
I СН3СН2Вг + NaO—С—СН3
СН3
сн3
I СН3СН2Вг + NaO—С—СН3
СН3
Легко
Легко
СН3
СН3-С-С1
сн3
СН3
СН3-С-С1
сн3
+ NaOCH2CH3
+ NaOCH2CH3
Реакцияне идет
Реакцияне идет
Какой же метод выбрать? Как всегда, следует учитывать возможность реакции элиминирования; элиминирование должно быть особенно существенным в данном случае вследствие сильной основности алкоголят-иона. Поэтому третичный галогенид, который дает только или главным образом продукт элиминирования, не применяют; следует использовать другую комбинацию. Натрий медленно реагирует с /пре/и-бутиловым спиртом (разд. 16.6). Однако это неудобство более чем компенсируется стремлением первичных алкил- галогенидов вступать в реакции замещения, а не элиминирования. При планировании синтеза эфира по Вильямсону следует помнить, что тенден-
+ Na+Br'+ Na+Br'СН3СН2СН2Он-пропилфениловый эфирСН3СН2СН2Он-пропилфениловый эфирбромбензолбромбензол+ Na* “ОСН2СН2СН3к-пранилат натрия+ Na* “ОСН2СН2СН3к-пранилат натрия> реакция не идет> реакция не идет
+ Na+Br'
+ Na+Br'
СН3СН2СН2О
н-пропилфениловый эфир
СН3СН2СН2О
н-пропилфениловый эфир
бромбензол
бромбензол
+ Na* “ОСН2СН2СН3
к-пранилат натрия
+ Na* “ОСН2СН2СН3
к-пранилат натрия
> реакция не идет
> реакция не идет
ция алкилгалогенидов вступать в реакцию дегидрогалогенирования уменьшается в следующем порядке: третичный > вторичный > первичный.
СН3СН3
СН3СН2Вг + "О—С—С—СН3 > СН3СН2—О—С—СН3 + Вг-Замещение
СН3СН3
этил-mpem -бутиловыйэфир
СН3СН3
СН3—С—С1 + ~ОС2Н6> СН3—С=СН2 + С2Н6ОН + СГЭлиминирование
I
СП,
При синтезе алкилариловых эфиров также следует рассмотреть два возможных пути; в данном случае один путь можно исключить сразу. н-Про- пилфениловый эфир, например, можно получить только из алкилгалогенида и фенолята натрия, поскольку арилгалогенид не реагирует с алкоголятами
СН3СН2СН2Вг + Na+'O^Q/ н-пропилбромид фенолят натрия
Поскольку алкоголяты и феноляты получают из соответствующих спиртов и фенолов, а алкилгалогениды — обычно из спиртов, то синтез Вильямсона по существу представляет собой синтез эфира из двух оксисоединений.
Задача 17.4. Напишите схемы синтезов из спиртов и (или) фенолов следующих эфиров: а) этнл-трет-бутилового; б) н-пропилфенилового; в) изобутил-втор-бутилового; г) метилциклогексилового.
Задача 17.5. Оптически активный октанол-2 с удельным вращением —8,24° (—0,144 рад) превращают в алкоголят, который затем реагирует с бромистым этилом с образованием оптически активного эфира, 2-этоксиоктана, с удельным вращением —14,6° (—0,255 рад). Используя данные о конфигурации и максимальном вращении октанола-2 (стр. 451), что вы можете сказать: а) о конфигурации (—)-2-этоксиоктана и б) о максимальном вращении 2-этоксиоктана?
Задача 17.6. (Решайте эту задачу после задачи 17.5.) При реакции (—)-2-бромоктана с удельным вращением —30,3° (—0,529 рад) с этилат-ионом в спиртовом растворе получен 2-этоксиоктан с удельным вращением + 15,3° (+0,267 рад). Используя данные о конфигурации и максимальном вращении бромида (стр. 451), ответьте на следующие вопросы: а) Происходит ли в этой реакции полное сохранение конфигурации, полное обращение конфигурации или инверсия с рацемизацией? б) Каков вероятнее всего механизм этой реакции? в) Является ли этот механизм именно тем, который вы предполагаете для данных реагента и растворителя? г) По какому механизму, можно предположить, протекает альтернативный синтез (задача 17.5) 2-этоксиоктана из алкоголята октанола-2 и бромистого этила? д) Почему продукты двух синтезов имеют противоположное вращение?
Получение замещенных эфиров
Чтобы получить представление о том, как планировать синтез соединения, содержащего более одной функциональной группы, рассмотрим получение некоторых замещенных эфиров.
Дивиниловый эфир, например, используют как средство для общего наркоза. Как можно синтезировать это соединение?
СН2=СН—О—СН=СН2дивиннловый эфир
Из его структуры видно, что необходимо получить эфирную и двойную углерод-углеродную связь. Следуя обычному способу, посмотрим, какова же последняя стадия синтеза: превращение какого-то ненасыщенного спирта в ненасыщенный эфир или превращение насыщенного эфира в ненасыщенный?
Первый путь нельзя использовать, поскольку для этого требуется ненасыщенный виниловый спирт', который не существует (разд. 8.13).
Альтернативный путь — введение двойной углерод-углеродной связи в насыщенный эфир — по существу представляет собой проблему химии алкенов. Поскольку лучшим методом синтеза алкена служит дегидрогалогенирование алкилгалогенида действием спиртового раствора едкого кали, то можно ожидать, что лучшим методом получения ненасыщенного эфира будет дегидрогалогенирование галогенэфира.
Следовательно, необходимо иметь эфир с двумя хлорэтильными (С1СН2СН2—) группами. И здесь возможны два общих подхода: хлорирование эфира или превращение хлорида в эфир. Первый метод отвергается на основании литературных данных, согласно которым хлорирование диэтилового эфира не дает нужного продукта; полихлорирование эфира приводит к накоплению атомов хлора только в одной этильной группе.
Другой путь — превращение хлорсоединения в хлорэфир — является проблемой химии эфиров. Если диэтиловый эфир получают дегидратацией этилового спирта, то можно ожидать, что хлорэтиловый эфир можно синтезировать дегидратацией хлорэтилового спирта. Мы уже знакомы с р-хлор- этиловым спиртом (этиленхлоргидрин), который легко получается при присоединении хлора к этилену в воде (разд. 6.14). Таким образом, приходим к следующему простому синтезу дивинилового эфира, исходя из этилена:
кон Р а а р n,so4
СН2=СН—О—СН=СН2 -е С1СН2СН2— О—CI12СН2С1 -^ дивиниловый эфирди-Р-хлорэтиловый эфир
Р а С12, н2О
«С1СН2СН2ОН ■* сн2=сн2этиленхлоргидринэтилен
(Р-хлорэтиловыйспирт)
В качестве второго примера рассмотрим синтез фенил-п-нитробензи- лового эфира. Поскольку это несимметричный эфир, то его следует получать по реакции Вильямсона
^O-CHz^NQ, фецуд-п-иитробинзиловыи Эфир
Как всегда, возможны два пути:
^>ONa + aCH2(^>NO2
NOz фенил-п-нитробвнзиловыйNOz фенил-п-нитробвнзиловыйфенолят п-нитробензилхлорид натрия
NOz фенил-п-нитробвнзиловый
NOz фенил-п-нитробвнзиловый
Х~ \O/Br+ NaOCH2<Q>NO2бромбензол п-нитробензилат натрия
Вследствие низкой реакционной способности арилгалогенидов приходится отказаться от реакции между бромбензолом и п-нитробензилатом натрия.
Другой путь — реакция фенолята натрия с п-нитробензилхлоридом — протекает легко. Фенолят натрия легко образуется при действии водного раствора едкого натра на фенол. n-Нитробензилхлорид можно получить свободнорадикальным хлорированием (разд. 12.15) n-нитротолуола, легко образующегося при нитровании толуола, — реакции, приводящей к орпго- и пара-изомерам (разд. 12.12 и 11.3).
C1CH2^)nO2 -^^ CH3^^NO2 «Д^*^ СН3^^>
п-иитробелзилхлорий п-ншпротолдол толуол
Задача 17.7. а) Можно ли получить фенил-п-нитробензиловый эфир нитрованием фенилбензилового эфира? б) Можно ли получить этил-л-нитробензиловый эфир нитрованием этилбензилового эфира?
Задача 17.8. Предложите возможный метод синтеза из доступных реагентов следующих эфиров: а) метилаллилового эфира; б) СН2ОНСН(ОН)СН2ОСН3; в) 2-(п-метоксифенил)- пропанола-2.
Реакции простых эфиров. Расщепление кислотами
Простые эфиры — довольно инертные соединения. Эфирная связь очень устойчива к действию оснований, окислителей и восстановителей. Если говорить о разрыве самой эфирной связи, то эфиры подвергаются только одной реакции — расщеплению кислотами.
нх
ROR' + НХ > RX + R'OH > R'X
ArOR + НХ> RX + ArOH
Реакционная способность НХ: HI > НВг> НС).
Разрыв связи происходит только в довольно жестких условиях: при нагревании с концентрированными кислотами (обычно HI или НВг).
Из алкиловых эфиров образуются алкилгалогенид и спирт; спирт может реагировать дальше с образованием второго моля алкилгалогенида. Вследствие низкой реакционной способности связи кислород — ароматическое кольцо алкилариловые эфиры подвергаются расщеплению по связи кислород — алкил, в результате которого образуются фенол и алкилгалогенид, например:
сн3 сн3сн3
I I48% ная НВг।
СНз—СН—О—СН—СНз - ^«УС» 2СН3—СН—Вгдиизопропиловый эфиризопропипбромид
Ооснз5^^ Оон + сНз*
анизолфенол иодистый
Метил
Сначала происходит реакция между эфиром и кислотой и образуется протонированный эфир
R—О—R' + Н+> R—О+—R'
Н
Об основном характере простых эфиров свидетельствует их растворимость в концентрированной серной кислоте и выделение при низкой температуре кристаллических оксониевых солей
СгНбОСгНв + кони. H2SO4> ОДОС^ HSO7
кислый сульфат диэтил-оксоння, растворим в H2SQ4
С,НБОС2НБ + сухой НС1» С2НБОС2НБ СГ
диэтилоксонийхлорид,т. пл. —92 °C
Эфир используют в качестве растворителя в реакции Гриньяра, так как он обладает способностью сольватировать и, таким образом, растворять реагент. Он выступает как основание по отношению к кислому магнию. Реактивы Гриньяра можно получить с хорошим выходом в бензоле в присутствии три- этиламина в качестве основания (разд. 23.1); требуется 1 моль основания на 1 моль алкилгалогенида
Н5С2Х ^Н»О:
С6Н5Вг + Mg + с^оса -> С6НБ—Mg—Вг
О:
НдСг^ \с2НБ
растворим в эфире
Расщепление заключается в нуклеофильной атаке ионом галогена протонированного эфира с замещением молекулы слабоосновного спирта
„ +SN1 или
ROR' + НХ> ROR' + К" ——■* RX + R'OH bN2
слабое основание,хорошая уходящаягруппа
Такая реакция протекает гораздо легче, чем замещение сильно основного алкоголят-иона из нейтрального эфира
ROR' + X- —)(-* RX + R'O~ 'сильное основание,
плохая уходящаягруппа»
Задача 17.9. а) Напишите аналогичные уравнения реакции спирта с НХ. б) Какие из этих реакций протекают в действительности и почему?
Реакция протонированного эфира с ионом галогена, так же как и соответствующая реакция протонированного спирта, может протекать как по SN1-, так и по 5м2-механизму в зависимости от условий и строения эфира.
Как и следовало ожидать, первичная алкильная группа имеет тенденцию к ^З-замещению, в то время как третичная — к SN 1-замещению.
SnI-(I)(2)8ц2;SnI-(I)(2)8ц2;Н| медленноRO+R' ► R+ + HOR'Н| медленноRO+R' ► R+ + HOR'быстроR+ + X" > R—XбыстроR+ + X" > R—XНIRO^R' + Х~*НIRO^R' + Х~*"н -6-IX -R -OR б+"н -6-IX -R -OR б+» RX + HOR*» RX + HOR*
SnI-
(I)
(2)
8ц2;
SnI-
(I)
(2)
8ц2;
Н
| медленно
RO+R' ► R+ + HOR'
Н
| медленно
RO+R' ► R+ + HOR'
быстро
R+ + X" > R—X
быстро
R+ + X" > R—X
Н
I
RO^R' + Х~*
Н
I
RO^R' + Х~*
"н -
6-I
X -R -OR б+
"н -
6-I
X -R -OR б+
» RX + HOR*
» RX + HOR*
Задача 17.10. Расщепление оптически активного метнл-втор-бутнлового эфира сухнм НВг приводит в основном к бромистому метилу и втор-бутиловому спирту; втор-бутиловый спирт имеет туже конфигурацию и оптическую чистоту, что и исходное вещество. Объясните эти результаты.
Электрофильное замещение в ароматических эфирах
Алкоксигруппа —OR при электрофильном замещении в ароматическом кольце ориентирует в орто, пара-положения (разд. 11.5) и активирует кольцо. Она активирует кольцо значительно сильнее, чем R, но намного слабее, чем ОН.
Считают, что карбониевый ион, образующийся при атаке в орто- и пара-положения (разд. 11.18), стабилизован вкладом структур I и П. Эти
+OR+ORIIII
+OR
+OR
II
II
структуры особенно устойчивы, поскольку в них каждый атом (кроме водорода, конечно) имеет полный октет электронов.
Способность кислорода разделять более одной пары электронов с кольцом и аккумулировать положительный заряд находится в соответствии с основным характером простых эфиров.
Задача 17.11. Какие основные продукты образуются: а) при бромировании п-метилани- зола; б) при нитровании л-нитроанизола; в) при нитровании фенилбензилового эфира.
Циклические эфиры
Методы синтеза и свойства большинства циклических эфиров такие же, как уже изученных нециклических эфиров: химия эфирной связи по. существу одинакова независимо от того, находится ли эта связь в открытой цепи или в алифатическом кольце.
1,4-диоксан1,4-диоксанфуранфуранЗадача 17.12. В промышленности 1,4-диоксан (используемый как водорастворимый растворитель) получают дегидратацией спирта. Какой спирт используют?
1,4-диоксан
1,4-диоксан
фуран
фуран
Н2ССН2
Н2С СН2
тетрагидрофуран
Задача 17.13. Ненасыщенный циклический эфир, фуран, можно легко получить из веществ, выделяемых из шелухи овса и кукурузных початков. Фуран служит исходным веществом для синтеза: а) тетрагидрофурана и б) 1,4-дихлорбутана. Используя свои знания химии алкенов и простых эфиров, покажите, как можно осуществить эти превращения.
Циклические эфиры определенного класса требуют специального внимания; эти соединения (эпокиси) рассматриваются в гл. 28.
Анализ простых эфиров
Вследствие низкой реакционной способности функциональной группы, химическое поведение простых эфиров — и алифатических и ароматических — соответствует поведению родственных углеводородов. Однако они отличаются от углеводородов по растворимости в холодной концентрированной серной кислоте, что обусловлено способностью простых эфиров образовывать оксониевые соли.
Задача 17.14. Вследствие высокой реакционной способности бензольных колец ароматические простые эфиры способны обесцвечивать раствор брома в четырех хлористом углероде. Как можно отличить эту реакцию от обычной реакции на непредельные соединения? (Указание: см. разд. 6.23).
Задача 17.15. Расширьте таблицу, которую вы составляли в задаче 16.10, стр. 519, включив простые эфиры.
Задача 17.16. Опишите простые химические реакции (если такие имеются), с помощью которых можно отличить алифатический простой эфир от следующих соединений: а) алкана, б) алкена, в) алкииа, г) алкилгалогенида, д) первичного или вторичного спирта, е) третичного спирта, ж) алкиларилового эфира.
Если простой эфир уже описан, то его можно идентифицировать сравнением физических свойств с литературными данными. Дополнительное подтверждение можно получить расщеплением эфира при нагревании с концентрированной иодистоводородной кислотой (разд. 17.9) и идентификацией одного или обоих продуктов. Ароматические эфиры можно превратить в твердые продукты бромирования или нитрования, температуры плавления которых можно сравнить с ранее описанными производными.
Доказательство строения нового эфира заключается в расщеплении иодистоводородной кислотой с последующей идентификацией образующихся продуктов. Расщепление используется для определения числа алкоксиль- ных групп в алкилариловом эфире по методу Цейзеля.
Задача 17.17. О каком числе метоксильных групп в молекуле папаверина свидетельствуют следующие результаты анализа по Цейзелю? При обработке папаверина (C2oH2I04N, один из алкалоидов опиума) концентрированной горячей иодистоводородной кислотой образуется СН31, что указывает на присутствие метоксильной группы СН3О~. 4,24 мг папаверина обработали иодистоводородной кислотой и полученный СН31 пропустили в спиртовый раствор нитрата серебра; выделилось 11,62 мг иодистога серебра.
Спектральный анализ простых эфиров
Инфракрасные спектры. В инфракрасном спектре простого эфира, конечно, нет характеристичной О—Н-полосы спиртов, но имеется сильная полоса С—О в области 1060—1300 см™1 (рис. 17.1).
С—О-колебание, интенсивная широкая полоса
Алкиловые эфиры 1060—1150 см-1
Ариловые и виниловые эфиры 1200—1275 см-1 (и более слабое в области 1020—1075 см-1)
Карбоновые кислоты и сложные эфиры также дают С—О-колебание, но, кроме того, еще полосу карбонильной группы. (Для сравнения некоторых кислородных соединений см. табл. 20.4.)
Задача 17.18. а) Предложите возможную структуру для иона, ответственного за каждый из следующих пиков в масс-спектре этил-втор-бутилового эфира: второй по интенсивности пик т/е 73; наименьший по интенсивности пик т]е 87, основной пик т)е 45. б) Как вы объясните такую большую иитенсивиость пика т]е 73 (разд. 16.12)?
Частота, см" * 5000 4000 3000 25002000150014001300 1200 11001000900800700
Длина волны, мкм
Рис. 17.1. Инфракрасные спектры ди- н-пропилового эфира и фенетола.
ЗАДАЧИ
1.
Напишите структурные формулы следующих соединений:
а) б) в) г)
2.
д) е)
ди метилового эфира, диизопропилового эфира, метил-я-бутилового эфира, изобутнл-трет-бутилового эфира, 3-метоксигексана, дивннилового эфира,
ж) диаллилового эфира, з) ди-|3-хлорэтилового эфира.
и)
анизола,
фенетола,
дифенилового эфира, м) н-пропил-п-нитробензилового эфира.
3.
Назовите следующие соединения:
(СН3)2СНСН2—О—СН2СН(СН3)2,
СН3—О—СН(СН3),,
(СН3)3С—О—СН,СН3,
д) п-ВгС6Н4ОС,Н6,
е) o-O2NC6H4CH,OCcHb, ж) 2,4-Вг2С6Н3ОСН3.
г) СН3СН2СН2СН(ОСН3)СН2СН2СН3,
Напишите схему взаимопревращений этилового спирта, этилена, диэтилового эфира
и кислого этилсульфата в присутствии H2SO4. Какое соединение является главным промежуточным соединением во всех этих реакциях?
4. Напишите схемы возможных лабораторных синтезов следующих соединений из спир-
тов и фенолов:
метил-трет-бутилового эфира,
фенетола (С8Н5ОС,Н5),
я-бутилциклогексилового эфира/
n-толилбензилового эфира,
изопропилизобутилового эфира, е) диметилового эфира резорцина
(1.3-диметоксибензола).
Расположите соединения каждой группы в порядке изменения их реакционной способности по отношению к брому:
анизол, бензол, хлорбензол, нитробензол, фенол;
анизол, л-оксианизол, о-метиланизол, л-метиланизол;
п-С6Н4(ОН)2, я-СН3ОС6Н4ОН, п-С6Н4(ОСН3)2.
Напишите уравнения реакций следующих соединений (если реакция ие идет, напи- игите «не реагируют»);
mpe/n-бутилат калия + иодистый этил;
mpem-бутилиодид + этилат калия;
этиловый спирт + H2SO4 (140 °C);
Ди-я-бутиловый эфир + кипящий водный раствор NaOH;
метилэтиловый эфир + избыток Н1 (горячей);
диметиловый эфир + Na;
диэтиловый эфир + холодная конц." H,SO4;
з) и) к) Л) м)
диэтиловый эфир + горячая конц. H2SO4;
CeH5OQH5 + горячая конц. НВг;
СсН5ОС2Н5 + HNO3, H2SO4;
я СН3СеН4ОСН3 + КМпО4 + КОН + нагревание;
СсН5ОСН2СеН5 + Br2, Fe.
Окисление боковых цепей в алкилариловых эфирах дает удовлетворительные результаты, если его проводить в щелочной среде (КМпО4 + КОН), а не в кислой (К2Сг2О7 + H2SO4). Объясните почему?
я-Бутил-/пре/п бутиловый эфир, как и другие кислородсодержащие соединения, растворяется в холодной концентрированной H2SO4. Однако при стоянии из раствора постепенно выделяется нерастворимый в кислоте слой, который состоит из высококипящего углеводорода. Что это за углеводород и как он образуется?
а) Изопропил-гпрет-бутиловый эфир нельзя получить по реакции Вильямсона. Почему?
Изопропил-трет-бутиловый эфир можно получить только с очень плохим выходом реакцией дегидратации, используемой для синтеза этилового эфира. Почему?
Изопропил-трет-бутиловый эфир можно получить реакцией между изобутиленом и изопропиловым спиртом в присутствии кислоты под небольшим давлением. Напишите все стадии вероятного механизма этого синтеза.
Напишите простые химические реакции, с помощью которых можно различить следующие соединения:
а) ди-я-бутиловый эфир и я-пентиловый спирт.
б) в) г) д) е)
диэтилевый эфир и иодистый метил, метил-я-проп иловый эфир и пентен-1, диизопролиловый эфир и диаллиловый эфир, анизол и толуол, дивиниловый эфир и диэтиловый эфир.
ж) я-бутил-тре/п-бутиловый эфир и я-октан.
Укажите точно, что вы будете делать и наблюдать?
11. Предполагается, что неизвестное соединение является одним из перечисленных ниже. Опишите, как вы будете устанавливать строение неизвестного соединения? Где возмож-
но, используйте простые химические пробы; где необходимо, примените более тонкие химические методы, такие, как количественное гидрирование, расщепление и т. п. Используйте все необходимые таблицы физических констант.
ди-я-пропиловый эфир (т. кип. 91 °C) и 2-метилгексаи (т. кип. 91 °C);
этилбензиловый эфир (т. кип. 188 °C) и аллилфениловый эфир (т. кип. 192 °C);
метил-п-толиловый эфир (т. кип. 176 °C) и метил-л<-толиловый эфир (т. кип. 177 °C);
этил-я-пропиловый эфир (т. кип. 64 °C), гексен-1 (т. кип. 64 °C) и метиловый спирт (т. кип. 65 °C);
анизол (т. кип. 154 °C), бромбензол (т. кип. 156 °C), о-хлортолуол (т. кип. 159 CQ, н-пропилбензол (т. кип. 159 °C) и циклогексанол (т. кип. 162 °C);
диэтиловый эфир (т. кип. 35 °C), н-пентан (т. кип. 36 °C) и изопрен (т. кип. 34 °C);
метил-о-толиловый эфир (т. кип. 171 °C), фенетол (т. кип. 172 °C) и диизопентиловый эфир (т. кип. 173 °C).
Соединения А, Б и В имеют формулу CgHjOBr. Они нерастворимы в воде, но растворимы в холодной концентрированной H2SO4. Только соединение Б дает осадок при обработке AgNO3. Все три соединения не реагируют с разбавленным раствором КМпОе и Вг2/СС14. Дальнейшее изучение их химических свойств привело к следующим результатам:
Окисление горячим щелочным раствором КМпО4:
А»Г (С8Н7О3Вг), кислота
Б>Д (С8Н8О3), кислота
В>не реагирует.
Обработка горячей концентрированной НВг:
Д>Е (С7Н7ОВг)
Б>Ж (С,Н7ОВг)
В>3 (С„Н5ОВг), идентифицировано как о-бромфенол
Д> И (QHgOg), идентифицировано как салициловая кислота о-НОС8Н,СООН
(CHa)2SOe. NaOH НС1
п-Оксибензойиая кислота”■*• > К(СдН8О3)
К + Br8 + Fe> Г
Каковы вероятные структуры соединений А, Б и В? Соединений Г — К? Напишите уравнения всех реакций.
Прежде чем проводить химические реакции, описанные в предыдущей задаче, можно многое узнать о структуре соединений А, Б и В из рассмотрения их ПМР-спектров. Что вы ожидаете увидеть в ПМР-спектре каждого соединения? Приведите приблизительные значения химических сдвигов, констант спин-спинового расщепления и относительные площади пиков.
Рис. 17.2. ИК-спектр к задаче 14.
Напишите структуру или структуры соединения, ИК-спектр которого приведен на рис. 17.2. Если окажется, что спектру соответствует более одной структуры, можете ли вы сделать выбор из них по данным ПМР-спектра? Что вы ожидаете увидеть в каждом случае?
Частота, см-1
5000 4000 ^000 25002000150014001300 1200 «001000900800700
23456789101112131415
Длина волны, мкм
Рис. 17.3. ИК- и ПМР-спектры к задаче 15.
Напишите структуру или структуры соединения, ИК-и ПМР-спектры которого приведены на рис. 17.3.
Напишите структуру или структуры, соответствующие каждому спектру ПМР на рис. 17.4.
Напишите структуры соединений А, Б и В на основании их ИК-спектров (рис. 17.5) и ПМР-спектров (рис. 17.6).
35е
Рис. 17.4. ПМР-спектры к задаче 16.
Частота, см-1
5000 4000 3000 25002000150014001300 1200 11001000900800700
Пропускание, %Пропускание, %Пропускание,
Длина волны, мкм
Частота, см-1
50004000 3000 25002000150014001300 1200 11001000900800700
23456
78 S 101112131415
Длина волны, мкм
Частота, см-1
5000 4000 3000 25002000150014001300 1200 11001000S00800ТОО
345678
9 Ю 1112131415
Длина вел»!, мкм
Рис. 17.5. ИК-спектры к задаче 17.
Рис. 17.6. ПМР-спектры к задаче 17.
18
Карбоновые кислоты
Структура
Среди органических соединений, обладающих заметной кислотностью, наиболее важными являются карбоновые кислоты. Эти соединения содержат
карбоксильную группу —, связанную с алкильной (RCOOH) или ариль-
•ОН
ной (АгСООН) группой, например:
НСООН СН3СООН СН3(СН2)10СООН СН3(СН5)7СН=СН(СН,)7СООН
муравьинаякислотамуравьинаякислотауксуснаякислотауксуснаякислоталауриновая кислоталауриновая кислотаолеиновая кислота(цмс-октадецен-9-овая кислота)олеиновая кислота(цмс-октадецен-9-овая кислота)
муравьинаякислота
муравьинаякислота
уксуснаякислота
уксуснаякислота
лауриновая кислота
лауриновая кислота
олеиновая кислота
(цмс-октадецен-9-овая кислота)
олеиновая кислота
(цмс-октадецен-9-овая кислота)
бензойнаякислота.бензойнаякислота.фенал^ксусиаякислота.фенал^ксусиаякислота.циклогексанка рбоновзя кислотациклогексанка рбоновзя кислотаСН3—СН—СООНСН3—СН—СООНк- нитро бензойнаякислота.
бензойнаякислота.
бензойнаякислота.
фенал^ксусиаякислота.
фенал^ксусиаякислота.
циклогексанка рбоновзя кислота
циклогексанка рбоновзя кислота
СН3—СН—СООН
СН3—СН—СООН
а-бромпропионоваякислота
Свойства карбоксильной группы практически не зависят от того, связана ли она с алифатической или ароматической группой, содержит ли эта группа заместители или не содержит.
Номенклатура
Алифатические карбоновые кислоты известны уже давно, вследствие чего их названия указывают скорее на источник их выделения, чем на их химическую структуру. В табл. 18.1 приведены тривиальные названия наиболее важных кислот. Например, жжение при укусе муравья вызывается наличием муравьиной кислоты (от латинского formica — муравей); масляная кислота сообщает прогорклому маслу его типичный запах (от латинского butyrum — масло); капроновая, каприловая и каприновая кислоты входят в состав козьего жира (от латинского caper — коза). Студенту следует запомнить названия по крайней мере первых шести кислот и также кислот С]^2, С1в и Cjg.
Таблица 18.1
Название
Формула
Т. пл.. -ОС
Т. кип., сС/мм рт. ст.
Растворимость, г/100 г Н2О
Муравьиная
нсоон
8
100,5
ОО
Уксусная
СН3СООН
16,6
118
ОО
Пропионовая
СН3СН2СООН
—22
141
ОО
Масляная
СН3(СН2)2СООН
—6
164
ОО
Валериановая
СН3(СН2)3СООН
—34
187
3,7
Капроновая
СН3(СН2)4СООН
—3
205
1,0
Каприловая
СН3(СН2)6СООН
16
239
0,7
Каприновая
СН3(СН2)8СООН
31
269
0,2
Лауриновая
СН3(СН2)10СООН
44
225/100
Нерастворима
Миристиновая
СН/СН2)12СООН
54
251/100
»
Пальмитиновая
СН3(СН2)ПСООП
63
269/100
»
Стеариновая
СН3(СН2)1вСООН
70
287/100
»
Олеиновая
цис-Октадецен-9-овая
16
223/10
»
Линолевая
цис, цис-Окта декадиен-9,12-овая
—5
230/16
»
Линоленовая
цис,цис,цис-Октадекатриен-9,12, 15-овая
—11
237/17
»
Циклогексанкарбоновая
цикло-С6НиСООН
31
233
0,20
Фенилуксусная
С6Н5СН2СООН
77
266
1,66
Бензойная
С6Н6СООН
122
250
0,34
о-Толуиловая
о-СН3С6Н4СООН
106
259
0,12
л-Толуиловая
ж-СН3С6Н4СООН
112
263
0,10
п-Толуиловая
н-СН3С6НаСООН
180
275
0,03
о-Хлорбензойная
о-С1С6Н4СООН
141
0,22
ж-Хлорбензойная
ж-С1С6Н4СООН
154
0,04
п-Хлорбензойная
п-С1С6Н4СООН
242
0,009
о-Бромбензойная
о-ВгС6Н4СООН
148
0,18
ж-Бромбензойная
ж-ВгС6Н4СООН
156
0,04
п-Бромбензойная
и-ВгС6Н4СООН
254
0,006
о-Нитробензойная
о-О2МС6Н4СООН
147
0,75
ж-Нитробензойная
ж-О2ЦС6Н4СООН
141
0,34
п-Нитробензойная
н-О2МС6Н„СООН
242
0,03
Фталевая
о-СеН4(СООН)2
231
0,70
Изофталевая
ж-С6Н4(СООН)2
348
0,01
Терефталевая
н-С6Н4(СООН)2
300 (возг.)
0,002
Салициловая
о-НОС6Н4СООН
159
0,22
п-Оксибснзойная
п-НОС6Н4СООН
213
0,65
Антраниловая
о-Н2МС6Н4СООН
146
0,52
ж-Аминобензойная
ж-Н2ПС6Н4СООН
179
0,77
п-Аминобензойная
n-H2NC6H4COOH
187
0,3
о-Метоксибензойная
ж-Метоксибензойна я
o-CHsOCeH4COOH ж-СН3ОС6Н4СООН
101
НО
0,5
п-Метокснбензойная (анисовая)
п-СН3ОС6Н4СООН
184
0,04
Приставка изо используется для обозначения тех разветвленных кислот, которые содержат в качестве разветвления метильную группу на удаленном от карбоксильной группы конце цепи.
СН3
СН3—СН—(СН2)„—соон
изо-кислота
Например:СН3IСН3—СН—СООНизомаслянаякислотаНапример:СН3IСН3—СН—СООНизомаслянаякислотаСНз—СН—СН2СООНизовалериановаякислотаСНз—СН—СН2СООНизовалериановаякислотаСНзСНз—СН—СН2СН2СООНизокапроновая кислотаСНзСНз—СН—СН2СН2СООНизокапроновая кислота
Например:
СН3
I
СН3—СН—СООН
изомаслянаякислота
Например:
СН3
I
СН3—СН—СООН
изомаслянаякислота
СНз—СН—СН2СООНизовалериановаякислота
СНз—СН—СН2СООНизовалериановаякислота
СНз
СНз—СН—СН2СН2СООНизокапроновая кислота
СНз
СНз—СН—СН2СН2СООНизокапроновая кислота
Другие разветвленные и замешенные кислоты называют как производные кислот с прямой цепью. Для обозначения положения групп используются греческие буквы а, р, у, 6 и т. д.; буквой а обозначается атом углерода, связанный с карбоксильной группой.Другие разветвленные и замешенные кислоты называют как производные кислот с прямой цепью. Для обозначения положения групп используются греческие буквы а, р, у, 6 и т. д.; буквой а обозначается атом углерода, связанный с карбоксильной группой.5 у Р аС—С—С—С—СООННапример:5 у Р аС—С—С—С—СООННапример:используется в тривиальных названияхиспользуется в тривиальных названияхСН3СН2СНСООНСН3СН2СНСООНСН3СН2СН-СНСООН ^^>СН2СН2СН2СООН СНз СНз"СН3СН2СН-СНСООН ^^>СН2СН2СН2СООН СНз СНз"сс- метилмасляная кислота.сс- метилмасляная кислота.of, в-диметилвалериановаяу- фенилмаслянаякислота,кислота/of, в-диметилвалериановаяу- фенилмаслянаякислота,кислота/СН2СН2СНСООН а си, ■v-хлор-ы-метилмасляная кислотаСН2СН2СНСООН а си, ■v-хлор-ы-метилмасляная кислотаСН,СН3—С—СООНСН3триметилуксусная кислотаСН,СН3—С—СООНСН3триметилуксусная кислотаОбычно в качестве основного названия выбирается название кислот с самой длинной углеродной цепью, хотя некоторые соединения называют как производные уксусной кислоты.Ароматические кислоты АгСООН обычно называют как производные бензойной кислоты СвН5ССОН. Для метилбензойных кислот существует специальное название — толуиловые кислоты.Обычно в качестве основного названия выбирается название кислот с самой длинной углеродной цепью, хотя некоторые соединения называют как производные уксусной кислоты.Ароматические кислоты АгСООН обычно называют как производные бензойной кислоты СвН5ССОН. Для метилбензойных кислот существует специальное название — толуиловые кислоты.соонсоонВгВгСООНСООНNO2NO22,4-динитро - бензойная кислота2,4-динитро - бензойная кислотаСООНСООНас -толуиловая кислотаас -толуиловая кислотаЛ-бромбензойнаякислотаЛ-бромбензойнаякислотаСистематические названия кислот по номенклатуре IUPAC образуются обычным образом. За основу берется самая длинная цепь, содержащая кар-Систематические названия кислот по номенклатуре IUPAC образуются обычным образом. За основу берется самая длинная цепь, содержащая кар-
Другие разветвленные и замешенные кислоты называют как производные кислот с прямой цепью. Для обозначения положения групп используются греческие буквы а, р, у, 6 и т. д.; буквой а обозначается атом углерода, связанный с карбоксильной группой.
Другие разветвленные и замешенные кислоты называют как производные кислот с прямой цепью. Для обозначения положения групп используются греческие буквы а, р, у, 6 и т. д.; буквой а обозначается атом углерода, связанный с карбоксильной группой.
5 у Р а
С—С—С—С—СООН
Например:
5 у Р а
С—С—С—С—СООН
Например:
используется в тривиальных названиях
используется в тривиальных названиях
СН3СН2СНСООН
СН3СН2СНСООН
СН3СН2СН-СНСООН ^^>СН2СН2СН2СООН СНз СНз"
СН3СН2СН-СНСООН ^^>СН2СН2СН2СООН СНз СНз"
сс- метилмасляная кислота.
сс- метилмасляная кислота.
of, в-диметилвалериановаяу- фенилмасляная
кислота,кислота/
of, в-диметилвалериановаяу- фенилмасляная
кислота,кислота/
СН2СН2СНСООН а си, ■v-хлор-ы-метилмасляная кислота
СН2СН2СНСООН а си, ■v-хлор-ы-метилмасляная кислота
СН,
СН3—С—СООН
СН3
триметилуксусная кислота
СН,
СН3—С—СООН
СН3
триметилуксусная кислота
Обычно в качестве основного названия выбирается название кислот с самой длинной углеродной цепью, хотя некоторые соединения называют как производные уксусной кислоты.
Ароматические кислоты АгСООН обычно называют как производные бензойной кислоты СвН5ССОН. Для метилбензойных кислот существует специальное название — толуиловые кислоты.
Обычно в качестве основного названия выбирается название кислот с самой длинной углеродной цепью, хотя некоторые соединения называют как производные уксусной кислоты.
Ароматические кислоты АгСООН обычно называют как производные бензойной кислоты СвН5ССОН. Для метилбензойных кислот существует специальное название — толуиловые кислоты.
соон
соон
Вг
Вг
СООН
СООН
NO2
NO2
2,4-динитро - бензойная кислота
2,4-динитро - бензойная кислота
СООН
СООН
ас -толуиловая кислота
ас -толуиловая кислота
Л-бромбензойнаякислота
Л-бромбензойнаякислота
Систематические названия кислот по номенклатуре IUPAC образуются обычным образом. За основу берется самая длинная цепь, содержащая кар-
Систематические названия кислот по номенклатуре IUPAC образуются обычным образом. За основу берется самая длинная цепь, содержащая кар-
боксильную группу, и к названию соответствующего алкана прибавляется
-окончание -овая кислота, например:
сн3соонэтановаякислота.сн3соонэтановаякислота.СН3СН2СНСООН
сн3соон
этановаякислота.
сн3соон
этановаякислота.
З-фвнилнропанаваякислота.З-фвнилнропанаваякислота.СНз
З-фвнилнропанаваякислота.
З-фвнилнропанаваякислота.
2.-метпипбитанобаякислота
СНзCl^^CHCHzCOOH
З-Сп-хлорфенил) бутановаякислота-
Положение заместителя обозначается, как обычно, цифрой.
С—С—С—С—СООНиспользуется в номенклатуре IUPAC
Карбоксильный атом углерода всегда обозначают цифрой 1; следовательно, 02 соответствует а-углероду, 03 — 0-углероду и т. д. (Не следует использовать одновременно греческие буквы и систематические названия или арабские цифры и тривиальные названия.)
бензоат натриябензоат натрияНазвания солей карбоновых кислот состоят из названия кислоты, в котором окончание овая заменено на ат, и названия катиона.
бензоат натрия
бензоат натрия
калия калия)калия калия)НСООМН4формиат аммонияНСООМН4формиат аммония(СН3СОО)2Са
калия калия)
калия калия)
НСООМН4
формиат аммония
НСООМН4
формиат аммония
ацетат кальция
СН2-СК-СООК
Вг Вг
«, в - дибромпропионато(2,З-дибромпропаноат
Физические свойства
Как и следовало ожидать, молекулы карбоновых кислот полярны и, подобно молекулам спиртов, могут образовывать водородные связи друг с другом и с молекулами других типов. Поэтому алифатические кислоты по своей растворимости очень похожи на спирты: первые четыре члена ряда смешиваются с водой, кислота с пятью атомами углерода лишь отчасти растворима, а высшие кислоты практически нерастворимы. Растворимость в воде обусловлена, очевидно, образованием водородных связей между карбоновой кислотой и водой. Простейшая ароматическая кислота — бензойная — содержит слишком много атомов углерода для того, чтобы быть заметно растворимой в воде.
Карбоновые" кислоты растворимы в менее полярных растворителях таких, как эфир, спирт, бензол и т. д.
Из данных табл. 18.1 видно, что карбоновые кислоты имеют температуры кипения даже более высокие, чем спирты. Так, например, температура кипения пропионовой кислоты (т. кип. 141 ЭС) бодее чем на 23° выше температуры кипения спирта со сравнимым молекулярным весом (н-бутиловый спирт, т. кип. 118 °C). Подобное повышение температуры кипения обусловлено тем, что молекулы карбоновой кислоты попарно связываются не одной, а двумя водородными связями.
о-.-и-о
R-C< >C-R
X)—Н- - -OZ
Задача 18.1. При температуре 110 °C и давлении 454 мм рт. ст. (60,51 • 103 Па) 0,11 г уксусной кислоты занимает в газовой фазе объем 63,7 см3; а при 156 °C и 458 мм рт. ст. '(61,06- 10s Па) объем 0,081 г уксусной кислоты в паровой фазе составляет 66,4 см3. Рассчитайте молекулярный вес уксусной кислоты в парах при каждой температуре. Как вы объясните полученные результаты?
Запах низших алифатических кислот изменяется от резкого раздражающего запаха муравьиной и уксусной кислот до очень неприятного запаха масляной, валериановой и капроновой кислот; высшие кислоты почти не имеют запаха, поскольку обладают малой летучестью.
Соли карбоновых кислот
Хотя карбоновые кислоты гораздо слабее сильных минеральных кислот (серной, соляной, азотной), они несравненно более сильные кислоты, чем те очень слабые органические кислоты, которые до сих пор рассматривались (спирты, ацетилен); они более сильные кислоты, чем вода. Поэтому водные растворы щелочей легко переводят карбоновые кислоты в соли; под действием водных минеральных кислот соли легко превращают обратно в карбоновые кислоты
он-
RCOOH ^=^ RCOCFкислота соль
Поскольку при работе с кислотами почти всегда происходит превращение их в соли или обратный процесс, то целесообразно рассмотреть свойства этих солей.
Соли карбоновых кислот, как и все соли, представляют собой кристаллические нелетучие вещества, состоящие из положительно и отрицательно заряженных ионов, и их свойства вполне соответствуют тому, что можно было ожидать для подобной структуры. Сильные электростатические силы, удерживающие ионы в кристаллической решетке, могут быть преодолены лишь путем нагревания до высокой температуры или использования очень полярного растворителя. Температура, необходимая для плавления, оказывается столь высокой, что еще до того, как она может быть достигнута, рвутся связи углерод — углерод и молекула разрушается обычно при температуре 300—400 °C. Температура разложения редко может быть использована для идентификации соединения, поскольку она скорее зависит от скорости нагревания, чем от свойств соединения.
Аммонийные соли и соли щелочных металлов карбоновых кислот (калия, натрия) растворимы в воде, но не растворимы в неполярных растворителях; большинство солей тяжелых металлов (железа, серебра, меди и т. д.) в воде не растворимы.
Таким образом, за исключением кислот, содержащих четыре или меньшее число атомов углерода, которые растворимы и в воде и в органических растворителях, карбоновые кислоты и их соли щелочных металлов обладают прямо противоположными характеристиками растворимости. Поскольку взаимопревращение кислот и солей легко осуществимо, подобное различие в растворимости можно использовать в двух важных случаях: для идентификации и для разделения.
Нерастворимое в воде органическое соединение, которое растворяется в водном разбавленном растворе едкого натра, может быть либо кислотой, либо одним из небольшого числа других органических соединений, более
кислых, чем вода; то, что оно действительно является карбоновой кислотой, может быть показано другими путями.
RCOOH + NaOH>RCOONa + Н2О
более сильнаярастворима более
кислота, не рас*в воде слабая
творима в водекислота
Вместо едкого натра можно использовать бикарбонат натрия; даже если неизвестное вещество растворимо в воде, его кислотность может быть замечена по выделению пузырьков СО2
RCOOH + NaHC03> RCOONa + Н2О + СО2(не растворимарастворима
в водев воде
Можно отделить карбоновую кислоту от некислотных соединений, использовав свойство карбоновой кислоты растворяться в водном основании, в котором вещества, не обладающие кислотными свойствами, не будут растворяться. После того как разделение завершено, кислоту можно регенерировать подкислением водного раствора. Если имеют дело с твердым веществом, то смесь просто перемешивают с водным раствором щелочи и отфильтровывают раствор от нерастворимых некислотных веществ; добавление минеральной кислоты к фильтрату приводит к осаждению карбоновой кислоты, которую можно отделить фильтрованием. При работе с жидкостями нужно встряхнуть смесь с водным раствором основания в делительной воронке и отделить водный слой от нерастворимого органического слоя. Добавление кислоты к водному слою также освобождает карбоновую кислоту, которую можно выделить из воды. Для полноты выделения к подкисленной -смеси часто добавляется нерастворимый в воде растворитель, например эфир. Карбоновая кислота извлекается из воды эфиром, в котором она лучше растворима; летучий эфир легко удаляется от относительно высоко кипящей кислоты при перегонке.
Так, например, альдегид, образующийся при окислении первичного спирта (разд. 16.7), вполне может быть загрязнен карбоновой кислотой. Эту кислоту можно легко отмыть разбавленным водным раствором основания. Карбоновая кислота, получаемая при окислении алкилбензола (разд. 12.11), вполне может быть загрязнена непрореагировавшим исходным веществом; карбоновую кислоту можно перевести в раствор обработкой водным раствором основания, отделить от нерастворимого углеводорода и регенерировать добавлением минеральной кислоты.
Поскольку подобное разделение является наиболее простым и сопряжено с минимальными потерями, его всегда предпочитают (в случае, если оно возможно) по сравнению с перекристаллизацией или перегонкой.
Промышленные источники
Низшие члены ряда, как обычно, получают особыми методами. Муравьиную кислоту синтезируют в крупных масштабах взаимодействием окиси углерода с водным раствором едкого натра при высокой температуре и давлении.
200 °C, 7 атмН"г
СО + NaOH>■ HCOONa>НСООН
формиатмуравьиная
натриякислота
Уксусная кислота (безусловно, самая важная из всех карбоновых кислот) образуется при окислении ацетальдегида кислородом воздуха. Ацетальдегид легко получается при гидратации ацетилена (разд. 8.13) или дегидрировании этилового спирта (разд. 16.7)
нIСН3С=Оацеталь-дегиднIСН3С=Оацеталь-дегидо2, Мп2+> СН3СООНуксуснаякислотао2, Мп2+> СН3СООНуксуснаякислотаНС=СН НА HjS°4, HgSO4 ацетилен
н
IСН3С=Оацеталь-дегид
н
IСН3С=Оацеталь-дегид
о2, Мп2+
> СН3СООН
уксуснаякислота
о2, Мп2+
> СН3СООН
уксуснаякислота
СН3СН2ОН -SHlJMO^ этиловый спирт
Большие количества уксусной кислоты производятся также в виде разбавленного водного раствора, называемого уксусом. В этом случае уксусную кислоту также получают окислением этилового спирта кислородом воздуха; катализатором служат ферменты бактерий ^Асе1оЬас*еф.
Наиболее важные источники алифатических карбоновых кислот — животные и растительные жиры (разд. 20.22—20.26). Из жиров можно получить кислоты с неразветвленной цепью, а также с четным числом атомов углерода, начиная от шести и до восемнадцати атомов углерода (с чистотой более 90%). Эти кислоты легко превратить в соответствующие спирты (разд. 18.18), которые затем можно использовать одним из способов, которые уже были рассмотрены (разд. 16.10), для синтеза большого числа других соединений, содержащих длинные неразветвленные цепи.
толуолбензотрихлоридтолуолбензотрихлоридбензойная кислотабензойная кислотанагрееание, кап.ализатор}-со2нагрееание, кап.ализатор}-со2Наиболее важные ароматические карбоновые кислоты — бензойную и фталевые — синтезируют в промышленности по реакции, которая рассматривалась в разд. 12.11, окислением алкилбензолов. Необходимые для этого толуол и ксилолы легко получаются из каменноугольной смолы и каталитическим реформингом алифатических углеводородов (разд. 12.4) нефти; другим источником фталевой кислоты (орто-изомера) может служить ароматический углеводород нафталин, также содержащийся в каменноугольной смоле. При этом используют дешевые окисляющие агенты, такие, как хлор или даже воздух (в присутствии катализаторов).
толуолбензотрихлорид
толуолбензотрихлорид
бензойная кислота
бензойная кислота
нагрееание, кап.ализатор}
-со2
нагрееание, кап.ализатор}
-со2
Роменноуеольная смола или нефть (катаяитический реформинг)
илиилио-ксилоло-ксилол^•ь V2O5^•ь V2O5нафталиннафталин[<2ХСООНЦ^соон
или
или
о-ксилол
о-ксилол
^•ь V2O5
^•ь V2O5
нафталин
нафталин
фталеваякислота
Задача 18.2. В присутствии перекисей карбоновые кислоты или сложные эфиры реагируют с алкенами-1 с образованием более сложных кислот, например:
я-С4Н9СН=СН2 + СН3СН2СН2СООН J^^ М-С4Н9СН2СН2СНСООН
гексен-1я-масляная кислотак и
е-2н6
2-этилоктановая кислота.
выход 70%
а ) Укажите все стадии вероятного механизма этой реакции (указание: см. разд. 6.18).Предскажите, какие вещества образуются в результате аналогичной реакции между следующими соединениями: 6) октеном-1 и пропионовой кислотой; в) деценом-1 и изо- масляной кислотой; г) октеном-1 и этилмалонатом СН2(СООС2Н5)2.
Задача 18.3. а) Окись углерода превращает в 2,2-диметилбутановую кислоту раствор следующих веществ в серной кислоте: 2-метилбутена-2, щрет-пентвлового спирта и неопентилового спирта. Предположите вероятный механизм этого метода синтеза карбоновых кислот, б) н-Бутиловый и втор-бутиловый спирты дают при такой же обработке один и тот же продукт. Какова будет его структура?
Методы синтеза
Неразветвленные алифатические кислоты вплоть до С4 и кислоты с четным числом атомов углерода до С18 доступны в промышленном масштабе, так же как и простейшие ароматические кислоты. Другие карбоновые кислоты можно синтезировать методами, описанными ниже.
МЕТОДЫ СИНТЕЗА КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
Окисление первичных спиртов (разд. 16.7)
Примеры:Примеры:КМпО«RCH$OH »-КМпО«RCH$OH »-RCOOHRCOOHсн3I кмло4СН3СН2СНСН2ОН >■2-метилбута1 юл-1СН8|КМпО4СН3СНСНаОН *■ изобутпловый спиртсн3I кмло4СН3СН2СНСН2ОН >■2-метилбута1 юл-1СН8|КМпО4СН3СНСНаОН *■ изобутпловый спиртСН3СН2СНСООН2-метилбутановаякислотаСН3СН3СНСООНизомаслянаякислотаСН3СН2СНСООН2-метилбутановаякислотаСН3СН3СНСООНизомаслянаякислотаОкисление алкилбензолов (разд. 12.11)Окисление алкилбензолов (разд. 12.11)КМпО4ArR зили К2Сг2О7КМпО4ArR зили К2Сг2О7АгСООНАгСООНПримеры:Примеры:к-нитротолуолк-нитротолуолКзСпОт. H2SO, нагреваниеКзСпОт. H2SO, нагреваниесоонсоонп - нитробемзойнаякислота.п - нитробемзойнаякислота.КМпО4, ОН~ яагреваниеКМпО4, ОН~ яагреваниеo-бромтолуолo-бромтолуолГ^СООНГ^СООНобромбензойнаякислота.обромбензойнаякислота.Карбоксилирование реактива Гриньяра (разд. 18.7)Карбоксилирование реактива Гриньяра (разд. 18.7)МдСО2RX > RMgX >■ RCOOMgX v RCOOHМдСО2RX > RMgX >■ RCOOMgX v RCOOH(или ArX)(или ArX)(или АгСООН)(или АгСООН)
Примеры:
Примеры:
КМпО«
RCH$OH »-
КМпО«
RCH$OH »-
RCOOH
RCOOH
сн3
I кмло4
СН3СН2СНСН2ОН >■
2-метилбута1 юл-1
СН8
|КМпО4
СН3СНСНаОН *■ изобутпловый спирт
сн3
I кмло4
СН3СН2СНСН2ОН >■
2-метилбута1 юл-1
СН8
|КМпО4
СН3СНСНаОН *■ изобутпловый спирт
СН3СН2СНСООН2-метилбутановаякислота
СН3
СН3СНСООНизомаслянаякислота
СН3СН2СНСООН2-метилбутановаякислота
СН3
СН3СНСООНизомаслянаякислота
Окисление алкилбензолов (разд. 12.11)
Окисление алкилбензолов (разд. 12.11)
КМпО4
ArR з
или К2Сг2О7
КМпО4
ArR з
или К2Сг2О7
АгСООН
АгСООН
Примеры:
Примеры:
к-нитротолуол
к-нитротолуол
КзСпОт. H2SO, нагревание
КзСпОт. H2SO, нагревание
соон
соон
п - нитробемзойнаякислота.
п - нитробемзойнаякислота.
КМпО4, ОН~ яагревание
КМпО4, ОН~ яагревание
o-бромтолуол
o-бромтолуол
Г^СООН
Г^СООН
обромбензойнаякислота.
обромбензойнаякислота.
Карбоксилирование реактива Гриньяра (разд. 18.7)
Карбоксилирование реактива Гриньяра (разд. 18.7)
МдСО2
RX > RMgX >■ RCOOMgX v RCOOH
МдСО2
RX > RMgX >■ RCOOMgX v RCOOH
(или ArX)
(или ArX)
(или АгСООН)
(или АгСООН)
Примеры:
СН3СН3СН,
| MgIСО21н+
CgHs-c-a —>- с2н6—с—Mgci —> с2н5—с—cooMgci —► III
СН3СН3CHS
mpem-пентилхлорид
CH3
—* с2н6—c—соон
Iсн3
диметилэтилуксусная кислота(2,2-диметилбутановая кислота)
ВгMgBrCOOMgBrСООН
(^) -^» (О) -^ (6) -^ (6)
СНз-СН СНз-СН СНз-СНСНз-СН-
С2Н5С2Н5С2Н5С2Н5
it-бром-втор-п втор-бутилбензойная
бутилбензолкислота.
Гидролиз нитрилов (разд. 18.8)
R—C=NR—СООН
кислота или основание
или + Н2О*• или + NH3
ArfeNАг—СООН
Примеры:
СН2С1СН2С1NaC\NaC\CH2CN го%-*»ян,5о1 кипячениеCH2CN го%-*»ян,5о1 кипячениеСН2СООНСН2СООН+ nh4++ nh4+бензилхлориЗбензилхлориЗфенила цетотгтрилфенила цетотгтрилфвнилуксуснаякислотафвнилуксуснаякислота
СН2С1
СН2С1
NaC\
NaC\
CH2CN го%-*»ян,5о1 кипячение
CH2CN го%-*»ян,5о1 кипячение
СН2СООН
СН2СООН
+ nh4+
+ nh4+
бензилхлориЗ
бензилхлориЗ
фенила цетотгтрил
фенила цетотгтрил
фвнилуксуснаякислота
фвнилуксуснаякислота
NaCNводно-спиртовый NaOH,
н-С4Н9Вг > h-C4H9CN*■ н-С4Н9СОО" + NH3
кипячение*°
н-бутил- н-валеронит-|
бромид рил (пентано-Н+
нитрил)Y
н-С4Н9СООН + nh;
н-валериановая кислота (пентановая кислота)
Соль диазония _ (rV]CN 75X»iaH2SO4. 150 160=0 rvviCOOH , (разд. 24.3)* I^JCH,^lyJcH, NH
о-толунигприло-толуиловая
кислота,
Синтез с помощью малонового эфира (разд. 29.9)
Специальные методы получения оксикислот ароматического ряда (разд. 25.19)
Все перечисленные методы имеют одинаково важное значение; выбор конкретного метода определяется доступностью исходных веществ.
Окисление — наиболее прямой метод и его используют всегда, когда это возможно, причем некоторые низшие алифатические кислоты можно синтезировать из доступных спиртов, а замещенные ароматические кислоты — из замещенных толуолов.
Особое преимущество синтеза Гриньяра и нитрильного синтеза состоит в возможности увеличения длины углеродной цепи.
Этим расширяется число доступных исходных веществ. В алифатическом ряду как реактив Гриньяра, так и нитрилы получают из галогенидов, которые в свою очередь обычно синтезируют из спиртов. Таким образом, в конечном итоге эти синтезы сводятся к получению кислот из спиртов, содержащих на один атом углерода меньше.
RCH2OH —RCH2OH —КМпО4>■ RCOOHРВгз>• RCH2Br —КМпО4>■ RCOOHРВгз>• RCH2Br —mo же число атомов углеродаMgсо2 н+>RCH2MgBr >■ >■ RCH2COOHCN~HoO—> rch2cn —>- rch2coohmo же число атомов углеродаMgсо2 н+>RCH2MgBr >■ >■ RCH2COOHCN~HoO—> rch2cn —>- rch2coohбольшеечислоатомовуглеродабольшеечислоатомовуглерода
RCH2OH —
RCH2OH —
КМпО4
>■ RCOOH
РВгз
>• RCH2Br —
КМпО4
>■ RCOOH
РВгз
>• RCH2Br —
mo же число атомов углерода
Mgсо2 н+
>RCH2MgBr >■ >■ RCH2COOH
CN~HoO
—> rch2cn —>- rch2cooh
mo же число атомов углерода
Mgсо2 н+
>RCH2MgBr >■ >■ RCH2COOH
CN~HoO
—> rch2cn —>- rch2cooh
большеечислоатомовуглерода
большеечислоатомовуглерода
Задача 18.4. Какая карбоновая кислота может быть получена из n-бромтолуола а) прямым окислением и б) свободнорадикальным хлорированием с последующим нитрильным синтезом?
Ароматические нитрилы обычно нельзя получить из малоактивных арилгалогенидов (разд. 25.7). Их синтезируют из солей диазония с помощью реакции, которая будет обсуждена в разд. 24.6. Соли диазония получают из ароматических аминов, а последние — из нитросоединений. Таким образом, карбоксильная группа в конце концов входит в то же положение ароматического кольца, в котором первоначально находилась нитрогруппа, введенная прямым нитрованием (разд. 11.8 и 12.12).
АгН> ArNO2> ArNH2> ArN2 > ArC=N> ArCOOH
нитросоеди- амин ион нитрил кислота нениедиазония
Для получения более сложных кислот используют наиболее универсальный из всех методов — синтез при помощи малонового эфира (разд. 29.9).
Синтез Гриньяра
При синтезе карбоновых кислот по методу Гриньяра газообразную двуокись углерода пропускают в эфирный раствор реактива Гриньяра или выливают реактив Гриньяра на измельченный сухой лед (твердый СО,). В последнем случае сухой лед служит не только реагентом, но также охлаждающим агентом.
08-/^11R—МеХ +С6+5- Б* II05-08-/^11R—МеХ +С6+5- Б* II05-Реактив Гриньяра присоединяется к двойной связи углерод — кислород точно так же, как в реакции с альдегидами и кетонами (разд. 15.14). В результате образуется магниевая соль карбоновой кислоты, из которой свободную кислоту выделяют обработкой минеральной кислотой.
08-
/^11
R—МеХ +С6+
5- Б* II
05-
08-
/^11
R—МеХ +С6+
5- Б* II
05-
RCOOMgX —^ RCOOH + Mg2+ + X"
Реактив Гриньяра можно получить из первичных, вторичных, третичных или ароматических галогенидов; метод неприменим только при наличии в
молекуле других реакционноспособных групп (разд. 15.17). Следующие синтезы иллюстрируют применение метода:
СН3СН3СН3
I на I Mg | со2 сн3—С—ОН > СН3—С—01 > СН3—С—MgCl ►
сн3н+ I—>- сн3—с—соонСНзсн3н+ I—>- сн3—с—соонСНзотре/п-бутиловый /прет-бутилхлорид спиртотре/п-бутиловый /прет-бутилхлорид спиртмезитипен броммезитпиленмезитипен броммезитпиленСН3СН3MgBr ^Q^CHj СО;MgBr ^Q^CHj СО;сн3сн3триметилуксусная кислотатриметилуксусная кислотасоонсоонмезитилеяхарбоновая. кислотамезитилеяхарбоновая. кислота{мезитпоияая.гд.б-яфиметшьбензоиная кислота){мезитпоияая.гд.б-яфиметшьбензоиная кислота)СНЭСН3СНз
сн3
н+ I
—>- сн3—с—соон
СНз
сн3
н+ I
—>- сн3—с—соон
СНз
отре/п-бутиловый /прет-бутилхлорид спирт
отре/п-бутиловый /прет-бутилхлорид спирт
мезитипен броммезитпилен
мезитипен броммезитпилен
СН3
СН3
MgBr ^Q^CHj СО;
MgBr ^Q^CHj СО;
сн3
сн3
триметилуксусная кислота
триметилуксусная кислота
соон
соон
мезитилеяхарбоновая
. кислота
мезитилеяхарбоновая
. кислота
{мезитпоияая.гд.б-яфиметшь
бензоиная кислота)
{мезитпоияая.гд.б-яфиметшь
бензоиная кислота)
Нитрильный синтез
Алифатические нитрилы получают обработкой алкилгалогенидов цианистым натрием в растворителе, способном растворять оба эти реагента; в диметилсульфоксиде при комнатной температуре реакция происходит быстро и экзотермично. Образующийся нитрил гидролизуют до кислоты кипячением с водным раствором щелочи или кислоты.
RX + CN-> RCsN + X"
н+
RC=N + Н2ОRC=N + Н2О»- RCOOH + NH,
RC=N + Н2О
RC=N + Н2О
он-
> RCOO~ + NH3
Реакция алкилгалогенидов с цианид-ионом протекает как нуклеофильное замещение (разд. 14.6). Поскольку HCN — очень слабая кислота, ци- анид-ион является сильным основанием; как и следовало ожидать, этот сильно основный ион может отрывать ион водорода, вызывая таким образом элиминирование наряду с замещением. Действительно, для третичных галогенидов элиминирование — главная реакция; даже в случае вторичных галогенидов выход продуктов замещения не высок. В этом случае мы также встречаемся с тем фактом, что реакция нуклеофильного замещения синтетически важна только при использовании первичных галогенидов.
первичный галогенид: замещениепервичный галогенид: замещениетретичный галогенид!элиминированиетретичный галогенид!элиминированиеСН3СН2СН2СН2Вг + С№ * CH3CH2CH2CH2CN
первичный галогенид: замещение
первичный галогенид: замещение
третичный галогенид!элиминирование
третичный галогенид!элиминирование
нбу та л бромидвалеронитрил
сн3сн3
СН3—С—Br + CN"» СН3—С=СН2 + HCN
^Уизобутилен
трет-бутилбромид
Как уже отмечалось, ароматические нитрилы получают не из малореакционноспособных арилгалогенидов, а из солей диазония (разд. 24.6).
Хотя нитрилы иногда называют цианидами или цианпроизводными, их названия обычно производят от названия кислот, в которые они превращаются при гидролизе. Названия образуются путем замены окончания -овая
зе-ж
кислота в тривиальном названии кислоты на нитрил. Согласно номенклатуре IUPAC, название нитрилов производят от названия исходного углеводорода путем прибавления окончания нитрил, например:
CH3C=NCH3(CHZ)3C=N^Q/’C^Nch3<§>c^n
ацетонитрилк-валеронитрилбензонитрилк-толунитрил
(этанншприл)(пентаннитрил)
Реакции
Химическое поведение карбоновых кислот определяется, естественно, наличием функциональной группы — карбоксила СООН. Эта группа состоит из карбонильной (С=О) и гидроксильной (ОН) групп. Именно гидроксильная группа участвует почти во всех реакциях, причем она либо теряет Н+, либо замещается на другую группу, но такое ее поведение становится возможным только вследствие наличия карбонильной группы.
Для остальной части молекулы характерны реакции, обусловленные ее конкретной структурой, а именно тем, является ли она алифатической или ароматической, насыщенной или ненасыщенной и содержит ли она другие функциональные группы.
РЕАКЦИИ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
Кислотность. Образование солей (разд. 18.4, 18.10—18.14)
RCOOH ч—*: RCOO" + №
Примеры:
2СН3СООН + Zn> (CH3COO~)2Zn2+ + Н2уксуснаяацетат цинка
кислота
Г^ОСООН ^СОО-ИаЛ
+ NaHCOj >
бензойнаябензоат
кислотанатрия
2. Превращение в функциональные производные
ZO„О
+ СО2 + Н2о
СН3(СН2)10СООН + NaOH> CH;i(CH2)10COO'Na+ + Н2О
лауриновая кислоталаурат натрия
R-C<-—> R-C<
ОНxz
а) Превращение в хлорангидриды (разд. 18.15)
0SOC12т
R-C^ + РС13| -
0НРС15J
(Z = C1, OR', NH2)
О
—^R—G^
XI
хлорангидрид кислоты
Примеры:
100”С
coci + poci3 + на
бензоилхлориббензоилхлориббензойнаякислота.
бензоилхлориб
бензоилхлориб
н-с17н35соои + soci2 2PiPP^_ Н.с17н35соа + so2 + на
стеариновая тионил-стеароилхлорид
кислота хлорид
50 °с
ЗСН3СООН + РС13 >- ЗСН3СОС1 + Н3РО3
уксуснаяацетилхлорид
кислота
Превращение в сложные эфиры (разд. 18.16 и 20.14) Рн+ Р
R—С<+ R'OH ^=± R—С<+ Н2О
ХОНXOR'
сложный эфир
Реакционная способность R'OH: первичный > вторичный > третичный
Р sock /О R'OH Р R—С< >■ R—Gf > R—C<
XOHXC1XOR'
хлорангидридкислотыхлорангидридкислотысложный эфирсложный эфир
хлорангидридкислоты
хлорангидридкислоты
сложный эфир
сложный эфир
Примеры:
бензойнаябензойнаякислотакислотаИ* _+ СН3ОН *=^хетияовыйспиртИ* _+ СН3ОН *=^хетияовыйспирт^>соосн3уюпиябензоат^>соосн3уюпиябензоат4- Н2О4- Н2ОСН3СООН +уксусная пиелитаСН3СООН +уксусная пиелитан*н*сн3соосн2^> + Н2Осн3соосн2^> + Н2Обензиловыйспиртбензиловыйспиртбензилацетатбензилацетат
бензойная
бензойная
кислота
кислота
И* _
+ СН3ОН *=^
хетияовыйспирт
И* _
+ СН3ОН *=^
хетияовыйспирт
^>соосн3
уюпиябензоат
^>соосн3
уюпиябензоат
4- Н2О
4- Н2О
СН3СООН +
уксусная пиелита
СН3СООН +
уксусная пиелита
н*
н*
сн3соосн2^> + Н2О
сн3соосн2^> + Н2О
бензиловыйспирт
бензиловыйспирт
бензилацетат
бензилацетат
SOCk (СН3)3ССООН > (СН3)3ССОС1 триметилуксусная кислотаSOCk (СН3)3ССООН > (СН3)3ССОС1 триметилуксусная кислотаС2н5онС2н5он(СН3)3ССООС2Н5этиловый эфиртриметилуксуснойкислоты(СН3)3ССООС2Н5этиловый эфиртриметилуксуснойкислотыв) Превращение в амиды (разд. 18.17)в) Превращение в амиды (разд. 18.17)Р NH3, —Н„ОРR—СР> RCOO"NHt > R—С<\ Qj^нагреваниеР NH3, —Н„ОРR—СР> RCOO"NHt > R—С<\ Qj^нагреваниесоль аммониясоль аммонияхлорангидридхлорангидридамидамидNH3. нагреваниеСН3СООН> CH3COO"NH+ —-> CH3CONH2—н2о уксусная ацетат аммонияацетамидкислота SOCI2NH3С6Н5СН2СООН> С6Н5СН2СОС1>- C6H5CH2CONH2фенилуксусная фенацетилхлорид фенилацетамид кислотаNH3. нагреваниеСН3СООН> CH3COO"NH+ —-> CH3CONH2—н2о уксусная ацетат аммонияацетамидкислота SOCI2NH3С6Н5СН2СООН> С6Н5СН2СОС1>- C6H5CH2CONH2фенилуксусная фенацетилхлорид фенилацетамид кислотаПримеры:Примеры:
SOCk (СН3)3ССООН > (СН3)3ССОС1 триметилуксусная кислота
SOCk (СН3)3ССООН > (СН3)3ССОС1 триметилуксусная кислота
С2н5он
С2н5он
(СН3)3ССООС2Н5этиловый эфиртриметилуксуснойкислоты
(СН3)3ССООС2Н5этиловый эфиртриметилуксуснойкислоты
в) Превращение в амиды (разд. 18.17)
в) Превращение в амиды (разд. 18.17)
Р NH3, —Н„ОР
R—СР> RCOO"NHt > R—С<
\ Qj^нагревание
Р NH3, —Н„ОР
R—СР> RCOO"NHt > R—С<
\ Qj^нагревание
соль аммония
соль аммония
хлорангидрид
хлорангидрид
амид
амид
NH3. нагревание
СН3СООН> CH3COO"NH+ —-> CH3CONH2
—н2о уксусная ацетат аммонияацетамид
кислота SOCI2NH3
С6Н5СН2СООН> С6Н5СН2СОС1>- C6H5CH2CONH2
фенилуксусная фенацетилхлорид фенилацетамид кислота
NH3. нагревание
СН3СООН> CH3COO"NH+ —-> CH3CONH2
—н2о уксусная ацетат аммонияацетамид
кислота SOCI2NH3
С6Н5СН2СООН> С6Н5СН2СОС1>- C6H5CH2CONH2
фенилуксусная фенацетилхлорид фенилацетамид кислота
Примеры:
Примеры:
Восстановление (разд. 18.18)LiAIH4RCOOH >- RCH2OHпервичныйспиртВосстановление (разд. 18.18)LiAIH4RCOOH >- RCH2OHпервичныйспирт(также восстанавливаютсясложные эфиры, разд. 20.21)(также восстанавливаютсясложные эфиры, разд. 20.21)Примеры:Примеры:эфир 4(СН3)3ССООН + ЗЫА1Н4 >триметилуксуснаякислотаэфир 4(СН3)3ССООН + ЗЫА1Н4 >триметилуксуснаякислотан+» [(CH3)3CCH2O]4A1L1 + 2LiAlO2 + 4Н2 > (СН3)3ССН2ОНнеопентиловый спирт(2,2-диметилпропанол-1)н+» [(CH3)3CCH2O]4A1L1 + 2LiAlO2 + 4Н2 > (СН3)3ССН2ОНнеопентиловый спирт(2,2-диметилпропанол-1)соонсоонL1A1H,L1A1H,м-толуиловая кислотам-толуиловая кислотаСН2ОНСН2ОНсн3сн3м-метилбетиловыйспиртм-метилбетиловыйспиртЗамещение в алкильной или арильной группеГалогенирование в а-положеиие алифатических кислот. Реакция Геля—Фольгарда—Зелинского (разд. 18.19)Замещение в алкильной или арильной группеГалогенирование в а-положеиие алифатических кислот. Реакция Геля—Фольгарда—Зелинского (разд. 18.19)RCH2COOH + Х2 >■ RCHCOOH + НХX а-галоген- кислотаRCH2COOH + Х2 >■ RCHCOOH + НХX а-галоген- кислотаХ2 — С12, Вг2Х2 — С12, Вг2Примеры:Примеры:С12, Рсь, рС12, рСН3СООН>- С1СН2СООН*- С12СНСООН> С13ССООНуксусная хлоруксусная дихлоруксуспая трихлоруксус-кислотакислотакислотаная кислотаСН3СН3IВг2, Р |СН3СНСН2СООН > СН3СНСНСООНIВгизовалериановаяа-бромизовалериановаякислотакислотаС12, Рсь, рС12, рСН3СООН>- С1СН2СООН*- С12СНСООН> С13ССООНуксусная хлоруксусная дихлоруксуспая трихлоруксус-кислотакислотакислотаная кислотаСН3СН3IВг2, Р |СН3СНСН2СООН > СН3СНСНСООНIВгизовалериановаяа-бромизовалериановаякислотакислотаЗамещение в кольце ароматических кислот (разд. 11.5 и 11.15).—СООН дезактивирует и летп-ориентирует в реакции электрофильного замещения Пример:Замещение в кольце ароматических кислот (разд. 11.5 и 11.15).—СООН дезактивирует и летп-ориентирует в реакции электрофильного замещения Пример:СООНСООННЫО3,11,50, нагреваниеНЫО3,11,50, нагреваниеСООНСООН
Восстановление (разд. 18.18)
LiAIH4
RCOOH >- RCH2OH
первичныйспирт
Восстановление (разд. 18.18)
LiAIH4
RCOOH >- RCH2OH
первичныйспирт
(также восстанавливаютсясложные эфиры, разд. 20.21)
(также восстанавливаютсясложные эфиры, разд. 20.21)
Примеры:
Примеры:
эфир 4(СН3)3ССООН + ЗЫА1Н4 >
триметилуксуснаякислота
эфир 4(СН3)3ССООН + ЗЫА1Н4 >
триметилуксуснаякислота
н+
» [(CH3)3CCH2O]4A1L1 + 2LiAlO2 + 4Н2 > (СН3)3ССН2ОН
неопентиловый спирт
(2,2-диметилпропанол-1)
н+
» [(CH3)3CCH2O]4A1L1 + 2LiAlO2 + 4Н2 > (СН3)3ССН2ОН
неопентиловый спирт
(2,2-диметилпропанол-1)
соон
соон
L1A1H,
L1A1H,
м-толуиловая кислота
м-толуиловая кислота
СН2ОН
СН2ОН
сн3
сн3
м-метилбетиловыйспирт
м-метилбетиловыйспирт
Замещение в алкильной или арильной группе
Галогенирование в а-положеиие алифатических кислот. Реакция Геля—Фольгарда—Зелинского (разд. 18.19)
Замещение в алкильной или арильной группе
Галогенирование в а-положеиие алифатических кислот. Реакция Геля—Фольгарда—Зелинского (разд. 18.19)
RCH2COOH + Х2 >■ RCHCOOH + НХ
X а-галоген- кислота
RCH2COOH + Х2 >■ RCHCOOH + НХ
X а-галоген- кислота
Х2 — С12, Вг2
Х2 — С12, Вг2
Примеры:
Примеры:
С12, Рсь, рС12, р
СН3СООН>- С1СН2СООН*- С12СНСООН> С13ССООН
уксусная хлоруксусная дихлоруксуспая трихлоруксус-кислотакислотакислотаная кислота
СН3СН3
IВг2, Р |
СН3СНСН2СООН > СН3СНСНСООН
I
Вгизовалериановаяа-бромизовалериановая
кислотакислота
С12, Рсь, рС12, р
СН3СООН>- С1СН2СООН*- С12СНСООН> С13ССООН
уксусная хлоруксусная дихлоруксуспая трихлоруксус-кислотакислотакислотаная кислота
СН3СН3
IВг2, Р |
СН3СНСН2СООН > СН3СНСНСООН
I
Вгизовалериановаяа-бромизовалериановая
кислотакислота
Замещение в кольце ароматических кислот (разд. 11.5 и 11.15).
—СООН дезактивирует и летп-ориентирует в реакции электрофильного замещения Пример:
Замещение в кольце ароматических кислот (разд. 11.5 и 11.15).
—СООН дезактивирует и летп-ориентирует в реакции электрофильного замещения Пример:
СООН
СООН
НЫО3,11,50, нагревание
НЫО3,11,50, нагревание
СООН
СООН
бензойнаябензойнаякислотакислотааг -нитробетойнаЯкислота/
бензойная
бензойная
кислота
кислота
Декарбоксилирование (применимо для ароматических кислот и для замещенных малоновых и ацетоуксусных кислот, разд. 29.9 и 30.4)
Примеры:Примеры:
Примеры:
Примеры:
нагревание
C6H6COONa + NaOH(CaO) > С6Н6 + Na2CO,
бензоат натрия натроннаябензол
известь
no2no2
O2N<^COOH ^^ O2N@>+ CO2
no2no2
2,4,6-тршштробензоиная 1,3,5-тринитробензол кислота
Наиболее характерным свойством карбоновых кислот является кислотность — свойство, которому они обязаны своим названием. Их тенденция отдавать ион водорода такова, что в водном растворе существует измеримое равновесие между кислотой и ионами; таким образом, карбоновые кислоты гораздо более кислые, чем любые из представителей других классов органических соединений, которые до сих пор рассматривались.
RCOOH + H2O ч=ь RCOO~ + H3O+
Гидроксил кислоты может быть замещен рядом других групп — С1, OR', NH2, что приводит к образованию соединений, известных под названием хлорангидриды, сложные эфиры и амиды. Эти соединения называют функциональными производными кислот; все они содержат ацильную груп- пу R—Cf . Все функциональные производные можно легко превратить вновь в кислоту простым гидролизом, и они часто могут превращаться друг в друга.
Одним из немногих восстанавливающих агентов, способных восстанавливать кислоту непосредственно в спирт, является алюмогидрид лития LiAlH4.
Углеводородная часть алифатической кислоты может подвергаться реакции свободнорадикального галогенирования, характерной для алканов, но, поскольку замещение носит беспорядочный характер, эта реакция используется редко. Напротив, присутствие небольших количеств фосфора приводит к тому, что галогенирование протекает исключительно по «.-положению (по ионному механизму). Эта реакция известна под названием реакции Геля — Фольгарда — Зелинского и очень важна для синтеза.
COOKCOOKАроматическое кольцо, содержащее карбоксильную группу, способно участвовать в реакциях электрофильного замещения в ароматическом ряду, характерных для кольца, содержащего дезактивирующую мета-ориентн- рующую группу. Дезактивация в этом случае настолько сильна, что реакция Фриделя — Крафтса не происходит. Подобное влияние СООН-группы обусловлено ее сильным электроноакцепторным характером (разд. 11.16).
COOK
COOK
—СООН оттягивает электроны: дезактивация кольца, мета-ориентация в электрофильном замеи^ении
Декарбоксилирование, т. е. элиминирование СООН-группы в виде СО2, имеет ограниченное значение для ароматических кислот, но чрезвычайно важно для некоторых замещенных алифатических кислот: малоновых
(разд. .29.9) и 0-кетокислот (разд. 30.4). Эта реакция не представляет ценности для большинства простейших алифатических кислот, поскольку в этих случях она приводит к получению сложных смесей углеводородов.
Ионизация карбоновых кислот.
Константа кислотности
В водном растворе карбоновая кислота существует в равновесии с карб- оксилат-анионом г ионом водорода (в действительности гидроксоний-ионом Н3О+)
RCOOH + Н2О *==^ RCOO* + Н3О+
Как и для любого равновесия, концентрации отдельных компонентов этой равновесной смеси связаны между собой уравнением
[RCOOI [М3ОНАа" [RCOOH]
(Поскольку концентрация воды, растворителя, остается практически постоянной, этот член в уравнении обычно не учитывается.) Константа равновесия называется в данном случае константой кислотности Ка (а от английского acid — кислота).
Для каждой карбоновой кислоты характерно свое значение Ка, указывающее силу этой кислоты. Поскольку константа кислотности выражает отношение концентраций ионизованной и неионизованной форм вещества, то большее значение KG соответствует большей степени ионизации (в данных условиях) и более сильной кислоте. Поэтому значения Ко используют как точную меру для сравнения силы различных кислот.
Как видно из данных табл. 18.2, незамещенные алифатические и ароматические кислоты имеют значения Ка порядка 104—10~в. Это означает, что они являются очень слабокислыми веществами с весьма незначительной тенденцией к отдаче протонов.
По тем же причинам карбоксилат-анионы являются умеренно основными веществами и обладают значительной тенденцией к связыванию протонов. Они реагируют с водой, увеличивая концентрацию ионов гидроксила, — реакция, которую часто называют гидролизом. В результате этого водные растворы солей карбоновых кислот являются слабощелочными. (Основ-
RCOO~ + Н2О <=^ RCOOH + ОН"
ность водных растворов солей карбоновых кислот, безусловно, связана главным образом с наличием карбоксилат-анионов, а не относительно небольшого числа гидроксил-ионов, которые генерируются в этом растворе.)
Относительная кислотность и основность изменяются в следующем порядке:
Относительная кислотность: RCOOH > НОН > ROH > НС=СН > NH3 > RHОтносительная основность: RCOO" < НО- <С RO~ < НС=С* < МН^ < R-
Некоторые замещенные кислоты гораздо сильнее или слабее по сравнению с такой типичной кислотой, как СН3СООН. Ниже будет показано, что увеличение или уменьшение кислотности вследствие наличия заместителя может быть объяснено вполне логично; однако вначале следует немного больше узнать о химическом равновесии вообще.
Равновесие
До сих пор мы очень мало занимались проблемой равновесия. Большинство из рассматриваемых реакций в применявшихся условиях были практически необратимыми, т. е. проходили в одну сторону. За исключением реакции 1,4-присоединения (разд. 8.18) и алкилирования по Фриделю — Крафтсу (разд. 12.14), характер получаемых продуктов и их относительные выходы определялись скоростью реакций, а не степенью их завершения до установления равновесия. Поэтому мы рассматривали зависимость между структурой и скоростью реакций; теперь же обратимся к зависимости между структурой и равновесием.
Рассмотрим обратимую реакцию между А и В, приводящую к получению С и D. Выход С и D не зависит от того, насколько быстро реагируют А и В, а лишь от того, насколько полно они прореагируют прежде, чем
А + В *=^ C + D
будет достигнуто р авновесие. Какие же факторы определяют полноту протекания обратимой реакции?
Поскольку система достигает равновесия в том случае, когда скорости противоположных реакций становятся равными, применим к проблеме равновесия наши знания о скоростях химических реакций. Скорость каждой реакции зависит от концентрации участвующих в ней реагентов. Она может быть выражена как произведение этих концентраций, умноженное на константу скорости к. Таким образом,
Скорость = к [А] [В] и Скорость = к [С] [D]
При равновесии эти скорости равны и, следовательно, Д[А] [В] =Д[С] [D]
После переноса членов уравнения получим к - [С] Pl Аравн — Д — [A] JB]
Это выражение нам уже знакомо; оно связывает константу равновесия с концентрацией различных компонентов. Таким образом, константа равновесия Крави представляет собой отношение констант скоростей реакций, протекающих в противоположных направлениях.
Чем полнее протекает реакция при установлении равновесия, тем больше будет [Cl [D] по сравнению с [A] !В1 и, следовательно, больше будет величина Кравн. Поэтому величина КРапн характеризует полноту протекания реакции. Как влияет на величину дравн природа соединений А, В, С и D? Например, как будут влиять на величину Лравн для случая ионизации кислоты изменения в структуре кислоты и ее аниона?
Для того чтобы узнать, какие факторы определяют величину Кравн, необходимо только выяснить, какие факторы определяют относительное значение к и k. Величина одного из факторов, влияющих на скорость реакции (разд. 2.20),—частоты столкновения—определяется в основном концентрациями веществ. Поэтому величины к определяются двумя другими факторами — энергетическим и вероятностным; отношение к для реакций, происходящих в противоположных направлениях, должно быть связано с отношением энергетических и вероятностных характеристик этих реакций.
Поскольку указанная зависимость выражается в логарифмической форме, то оказывается, что отношение энергетических факторов выражается
Ков реакции•Ков реакции•Рис. 18.1. Кривая потенциальной энергии для обратимой реакции.Рис. 18.1. Кривая потенциальной энергии для обратимой реакции.
Ков реакции•
Ков реакции•
Рис. 18.1. Кривая потенциальной энергии для обратимой реакции.
Рис. 18.1. Кривая потенциальной энергии для обратимой реакции.
как разность между Еакт реакций, происходящих в противоположных направлениях. Из уже знакомой нам энергетической диаграммы (рис. 18.1) разность между Еакт реакций, проходящих в противоположных направлениях, есть не что иное, как изменение энтальпии реакции ДН. Таким образом, одной из величин, определяющей величину /<равн, является ЛЯ.
Однако величина Еравв определяется не только ДН, поскольку вероятностный фактор для двух противоположно направленных реакций обычно отличается, что сказывается на их относительных скоростях. При обсужде
нии равновесия обычно используют не термин вероятностный фактор, а связанный с ним термин изменение энтропии AS. Изменение стандартной энтропии AS0‘и является той величиной, которая вместе с ДН определяет величину КраВИ.
КН (более точно КН°, однако она мало отличается от КН) и KS° входят в уравнение, определяющее изменеиие свободной энергии KF°.
KF° = KH—TKS°
Именно последняя величина непосредственно связана с константой равнозесия уравнением
КГ = —2.303RT log Кравн
В одних и тех же экспериментальных условиях две реакции могут протекать с различными скоростями из-за различий в Еакт или в вероятностном факторе. Пытаясь объяснить
влияние структуры на скорость реакции, мы обнаруживаем, что различия в Е^ часто можно оценить, но это трудно сделать для вероятностного фактора; поэтому мы вынуждены базироваться в своих предсказаниях об относительных скоростях лишь на основании Еакт. Эти предсказания обычно оказывались верными, что указывает на не очень большое различие в вероятностном факторе (или энтропии активации, разд. 2.24) для сходных реакций. В этом случае различия в скоростях в основном связаны с различиями в Еакт.
В одних и тех же экспериментальных условиях две обратимые реакции могут иметь разные Еравв из-за различий в ДН или в AS°. Пытаясь объяснить влияние структуры на положение равновесия, мы приходим к выводу, что можно только оценить различия в относительной стабильности реагентов и продуктов. Иными словами, мы вынуждены делать предсказания об относительных величинах Лравн на основании того, что можно было бы ожидать, если учитывать различия лишь в ДН. Как будет показано, этот подход позволяем делать предсказания, как правило, довольно надежные.
Так, мы можем не только объяснить относительную кислотность какого-то ряда кислот, но и скоррелировать их кислотность с относительной кислотностью другого ряда к-ислот или даже с относительными скоростями каких-то типов реакций.
Тем не менее измерения показывают, что различия в КН не являются всеопределяю- щим фактором. Так, например, большая кислотность л-нитробензойной кислоты по сравнению с бензойной почти целиком связана с более благоприятным изменением Д5°, а не КН; в некоторых случаях энтропия оказывается даже контролирующим фактором. Как же в таком случае могут оправдываться наши предсказания, основанные на рассмотрении относительных стабильностей? Энтропия, грубо говоря, характеризует упорядоченность системы. Равновесие стремится сдвинуться в сторону больших степеней свободы для атомов и молекул («Энергия мира постоянна. Энтропия мира стремится к максимуму»,
Клаузиус, 1865). Ионизация кислоты возможна только из-за сольватации ионов- множество ион-дипольных связей дают энергию, необходимую для диссоциации. Но сольватация требует, чтобы молекулы растворителя изменили свое относительно неупорядоченное расположение на иное, упорядоченное расположение около иоиов. Этот процесс выгоден с точки зрения КН, но не выгоден с точки зрения Д8°.
В разд. 18.14 большая кислотность л-нитробензойной кислоты объяснялась стабилизацией ее аниона (относительно бензоат-аниона) за счет рассредоточения заряда с участием электроноакцепторной нитрогруппы. Эта стабилизация, однако, сказывается не только на КН ионизации по следующей причине: из-за большей внутренней устойчивости л-нитробензоат-аниона не требуется так много молекул растворителя для его стабилизации, как в случае бензоат-аниона. Таким образом, Д5° более благоприятно. Можно представить себе, что л-нитробензоат-ион принимает лишь столько молекул растворителя, сколько ему нужно, и их число более не увеличивается, когда выигрыш в стабильности (уменьшение энтальпии) более не окупается затратами в энтропии.
[Таким же образом было установлено, что очень часто более полярный растворитель ускоряет некоторые реакции, например 5ы1-реакцию алкилгалогеиидов- (разд. 14.16), не столько вследствие уменьшения £акт, сколько за счет более благоприятной энтропии активации. Более полярный растворитель уже довольно упорядочен, и образование сольватной оболочки вокруг ионизованной молекулы очень мало сказывается на увеличении степени упорядоченности — в действительности сольватация может даже приводить к увеличению неупорядоченности.]
Рассматривая скорости реакции, мы сравнивали стабильность реагентов со стабильностью переходного состояния. При рассмотрении равновесия мы будем сравнивать стабильности реагентов и продуктов. Для сходных реакций можно принять, что чем устойчивее продукты по сравнению с реагентами, тем полнее будет протекать реакция.
Кислотность карбоновых кислот
Рассмотрим теперь, как кислотность карбоновых кислот зависит от их структуры. При этом мы будем исходить из того, что кислотность определяется в основном различием в устойчивостях кислоты и ее аниона.
Во-первых, и это наиболее важно, карбоновые кислоты вообще являются кислотами. Как можно объяснить, что ОН-группа карбоновой кислоты гораздо сильнее стремится отдать ион водорода по сравнению с ОН-груп- пой, например, спирта? Рассмотрим структуру реагентов и образующихся веществ для спиртов и карбоновых кислот.
Из формул видно, что как молекулы спирта, так и алкоголят-ион вполне удовлетворительно можно представить с помощью одной структуры. Однако можно написать две вероятные структуры (1 и II) для карбоновой кислоты и две вероятные структуры (III и IV) для карбоксилат-аниона. Как кислота, так и ее анион представляют собой резонансные гибриды:
R—О—1I *=^ Н+ + R—О~
- ^О/0-- ОО-
R—С—О—Н R—Сч=> н+ + R—С—О" R—С=О
^ОН
III' IIIIV
неэквивалентны, резонанс неэквивалентны, резонанс
существенболее важен
Но одинаково ли важен резонанс для обоих случаев? Из принципов, изложенных в разд. 10.7, известно, что резонанс гораздо более важен для случая совершению эквивалентных структур III и IV по сравнению с резонансом для неэквивалентных структур I и II. В результате, несмотря на то, что как кислота, так и анион стабилизованы резонансом, стабилизация гораздо выше для аниона, чем для кислоты (рис. 18.2). Равновесие сдвинуто- в направлении увеличения ионизации и Ка возрастает.
Строго говоря, резонанс менее существен для кислоты, поскольку участвующие структуры обладают различной стабильностью, в то время как эквивалентные структуры иона обязательно должны обладать одинаковой стабильностью. В структуре II два атомг одинаковой электроотрицательности несут противоположные заряды. Поскольку необходимо сообщить энергию для разделения противоположных зарядов, то структура II характеризуется большим содержанием энергии и, следовательно, менее устойчива, чем структура I. Рассмотрение степени разделения зарядов служит одним из простейших критериев (разд. 10.15), который можно использовать для оценки относительной стабильности и, следовательно, относительной величины вклада резонирующей структуры
Хов реакцииХов реакцииРис. 18.2. Строение молекулы и положение равновесия.Рис. 18.2. Строение молекулы и положение равновесия.Карбоновая кислота дает резонансно-стабилизованный аннон и является более сильной кислотой, чем спирт.Карбоновая кислота дает резонансно-стабилизованный аннон и является более сильной кислотой, чем спирт.
Хов реакции
Хов реакции
Рис. 18.2. Строение молекулы и положение равновесия.
Рис. 18.2. Строение молекулы и положение равновесия.
Карбоновая кислота дает резонансно-стабилизованный аннон и является более сильной кислотой, чем спирт.
Карбоновая кислота дает резонансно-стабилизованный аннон и является более сильной кислотой, чем спирт.
Итак, кислотность карбоновой кислоты связана со значительной резонансной стабилизацией ее аниона. Эта стабилизация и возникающая вследствие этого кислотность возможны только из-за наличия в молекуле карбонильной группы.
Структура карбоксилат-ионов
Согласно теории резонанса, карбоксилат-ион представляет собой гибрид двух структур, обладающих одинаковой стабильностью и, следовательно, одинаковым вкладом в результирующую структуру. Атом углерода связан с каждым из атомов кислорода одной «полуторной» связью. Отрицательный заряд равномерно распределен между двумя атомами кислорода.
эквивалентныэквивалентныС
эквивалентны
эквивалентны
R—С'
X-О.
То, что анион действительно представляет собой резонансный гибрид, подтверждается данными по длинам связей. Так, например, в муравьиной кислоте имеется одна двойная и одна простая связи углерод — кислород. Поэтому можно ожидать, что эти связи будут иметь разную длину. Формиат натрия, если он действительно представляет собой резонансный гибрид, должен содержать две эквивалентные связи углерод — кислород; можно ожидать, что они будут иметь одинаковую длину, промежуточную между длинами двойной и простой связей. Данные рентгеноструктурного анализа и дифракции электронов показывают, что эти предположения справедливы. В муравьиной кислоте одна связь углерод — кислород имеет длину 1,36 А (13,6-10-2 нм) (простая связь), а другая — 1,23 А (12,3-10—2 нм) (двойная
- Р ук// н—С- Р ук// н—Смчрмъииая дислотамчрмъииая дислотасвязь); в формиате натрия имеются две эквивалентные связи углерод — кислород, причем длина каждой равна 1,27А (12,7-Ю-2 нм).
- Р ук// н—С
- Р ук// н—С
мчрмъииая дислота
мчрмъииая дислота
Н—с )-NaK
1,27о)
формиат натрия
Задача 18.5. Как вы объясните то, что три углерод-кислородные связи в СаСО3 имеют одинаковую длину и эта длина [1,31 А (13,1-10-2 нм] больше, чем длина связи в формиате натрия?
Рис. 18.3 Карбок- силат-ион.Рис. 18.3 Карбок- силат-ион.Перекрывание р-орбиталей в обоих направлениях: делокализация л-элект- ронов н рассредоточение заряда.Перекрывание р-орбиталей в обоих направлениях: делокализация л-элект- ронов н рассредоточение заряда.Что же означает резонанс с позиций орбитальной теории? Карбоксильный атом углерода связан с тремя другими атомами о-связями (рис. 18.3). Поскольку эти связи используют $р2-орбитали (разд. 5.2), они лежат в плоскости под углом 120° (2,094 рад) друг к другу. Остающаяся /7-орбиталь атома углерода перекрывается одинаково хорошо с /7-орбиталями обоих атомов кислорода с образованием гибридных связей (ср. бензол, разд. 10.12). Таким образом, электроны связаны не с одним или двумя ядрами, а с тремя ядрами одновременно (один углерод и два кислорода). Поэтому они прочнее удерживаются, связи становятся сильнее и анион — устойчивее. Именно такое участие электронов в образовании более чем одной связи, или, иными словами, делокализация («размазывание») электронного облака, и подразумевается в структуре, представляющей анион как резонансный гибрид двух структур.
Рис. 18.3 Карбок- силат-ион.
Рис. 18.3 Карбок- силат-ион.
Перекрывание р-орбиталей в обоих направлениях: делокализация л-элект- ронов н рассредоточение заряда.
Перекрывание р-орбиталей в обоих направлениях: делокализация л-элект- ронов н рассредоточение заряда.
Задача 18.6. Как вы объясните то, что а-водородные атомы альдегида (иапример, н-мас- ляного) имеют более кислый характер, чем другие атомы водорода в молекуле? (Проверьте ваш ответ в разд. 27.1.)
Н
Y Р « |
СН3СН2СН2С=О
я-масляный альдегид
Влияние заместителей на кислотность
Теперь рассмотрим, как влияют на кислотность изменения в структуре группы, связанной с СООН. Любой фактор, под действием которого анион стабилизуется в большей степени, чем кислота, будет увеличивать кислотность последней; любой фактор, который будет делать анион менее устойчивым, понижает кислотность. На основаниитого, что нам известно о карбони- евых ионах, можно сделать вполне разумные предсказания. Электроноакцепторные заместители должны рассредоточивать отрицательный заряд, стабилизовать анион и тем самым увеличивать кислотность. Электронодо-
норные заместители должны усиливать отрицательный заряд, дестабили- зовать анион и тем самым уменьшать кислотность.
Сила кислотыСила кислоты
Сила кислоты
Сила кислоты
G падает электроны:дестабилизует анион,уменьшает силу кислотыG падает электроны:дестабилизует анион,уменьшает силу кислотыG оттягивает электроны: стабилизует анион, увеличивает силу кислоты
G падает электроны:дестабилизует анион,уменьшает силу кислоты
G падает электроны:дестабилизует анион,уменьшает силу кислоты
Значения Ка, приведенные в табл. 18.2, находятся в соответствии с этим предсказанием.
Если обратиться сначала к алифатическим кислотам, мы заметим, что электронодонорные алкильные группы уменьшают силу кислот; уксусная кислота, содержащая СН3-группу, примерно в 10 раз слабее, чем муравьиная, а масляная кислота, содержащая алкильную группу большего размера, еще слабее. Электроноакцепторные атомы галогенов, напротив, увеличивают силу кислот: хлоруксусная кислота в 100 раз сильнее уксусной, дихлор уксусная еще сильнее, а трихлоруксусная кислота более чем в 10 000 раз сильнее незамещенной кислоты. Другие галогены вызывают аналогичный эффект.
Задача 18.7. а) Что можно сказать об относительной силе индуктивных эффектов различных галогенов на основании величин Ка Для моногалогенкислот? б) Что можно сказать о характере индуктивного эффекта фенильной группы на основании данных табл. 18.2? ’
Таблица 18.2
Константы кислотности карбоновых кислот
Кислота
Ю5^
Кислота
№Ка
нсоон
17,7
СН3СНС1СН2СООН
8,9
СН3СООН
1,75
С1СН2СН2СН2СООН
2,96
С1СН2СООН
136
fch2cooh
260
С12СНСООН
5530
ВгСН2СООН
125
С13ССООН
23200
1СН2СООН
67
СН3СН2СН2СООН
1,52
С6Н5СН2СООН
4,9
СН3СН2СНС1СООН
139
л-ОзКСбН^СНгСООН
14,1
Константы кислотности замещенных бензойных кислот (Ко бензойной кислоты = 6,3 • 10-5)
Заместитель
№Ка
Заместитель
^
Заместитель
№/са
п-МО2
3,6
1 л<-МОа
32
o-NOa
670
и-С1
10,3
jk-CI
15,1
о-С1
120
n-CHg
4,2
ж-СН3
5,4
о-СН3
12,4
л-ОСН3
3,3
ж-ОСН3
8,2
o-OCHg
8,2
л-ОН
2,6
I м-ОН
8,3
о-ОН
105
n-NH2
1,4
л-№а
1,9
o-NHa
1,6
а-Хлормасляная кислота почти так же сильна, как хлоруксусная кислота. Однако по мере удаления атома хлора от СООН-группы его эффект быстро затухает: p-хлормасляная кислота в 6 раз, а у-хлормасляная кислота в 2 раза сильнее масляной. Для индуктивных эффектов типично, что они быстро убывают с расстоянием и редко передаются более чем через четыре атома
zP сн2—сн2—сн2—zP сн2—сн2—сн2—Индуктивный эффект: убывает с расстояниемИндуктивный эффект: убывает с расстоянием
zP сн2—сн2—сн2—
zP сн2—сн2—сн2—
Индуктивный эффект: убывает с расстоянием
Индуктивный эффект: убывает с расстоянием
Для ароматических кислот влияние заместителей аналогично: группы СН3, ОН и NH2 уменьшают силу бензойной кислоты, а группы С1 и МО2 ее увеличивают. Таким образом, среди групп, ослабляющих силу кислоты, находятся те группы, которые активируют кольцо по отношению к электрофильному замещению (и дезактивируют по отношению к нуклеофильному замещению). Среди групп, увеличивающих силу кислоты, находятся группы, которые дезактивируют кольцо по отношению к электрофильному замещению (и активируют по отношению к нуклеофильному замещению). Более того, группы, оказывающие наибольший эффект — активирующий или дезактивирующий — на реакционную способность, оказывают наибольшее влияние на кислотность.
Группы ОН и ОСН3 способны оказывать двоякое влияние, как это и было предположено в разд. 11.18: если они находятся в мета-положеиии, то проявляют электроноакцепторный индуктивный эффект, увеличивающий силу кислоты; если оии находятся в лара-положении, то обладают электронодонориым резонансным эффектом (в этом положении он преобладает над индуктивным эффектом), ослабляющим силу кислоты. Сравните два эффекта, оказываемых галогеном (разд. 26.9).
opmo-Замещеиные ароматические кислоты ие укладываются в ряд, образуемый мета- и лара-изомерами или алифатическими кислотами. Почти все орто-заместители оказывают одинаковое влияние — повышают силу кислоты независимо от того, являются ли они электронодонорными или электроноакцепторными, причем этот эффект необычайно велик (сравните, например, влияние о-МО2 с о-ОСН3 или o-NO2 с м- или n-NO2). Подобный opmo-эффект йе вполне ясен; безусловно, он связан со сближением влияющих групп, однако это нечто большее, чем просто возникновение пространственных препятствий из-за объема заместителей.
Таким образом, те же самые концепции — индуктивный эффект и резонанс, которые были столь полезны при обсуждении скоростей реакции, применимы и при обсуждении равновесия. Используя эти концепции для оценки стабильности анионов, можно предсказать относительную силу кислот; пользуясь ими, можно не только объяснить влияние заместителей на силу карбоновых кислот, но также и тот факт, что эти соединения вообще являются кислотами.
Превращение в хлорангидриды кислот
Карбоновые кислоты, по-видимому, гораздо чаще превращают в хлор- ангидриды, чем в какие-либо другие функциональные производные. Из чрезвычайно реакционноспособных хлор ангидридов кислот можно затем получить многие другие типы соединений, включая сложные эфиры и амиды (разд. 20.8).
Хлорангидрид образуется путем замещения ОН-группы карбоновой кислоты на хлор. Для этой цели обычно используют тионилхлорид SOC12, треххлористый фосфор РС13 или пятихлористый фосфор PC1S. (Хлорангмд-
ридами каких неорганических кислот можно считать эти реагенты?) Например:
— .ОЮ)-С\+ soch'^*— .ОЮ)-С\+ soch'^*<О/-с + so2 + на абензоипхлорид<О/-с + so2 + на абензоипхлоридон бензойная дислота.он бензойная дислота.соонсоон3,5-динишробензойная кислота3,5-динишробензойная кислота+ яа5+ яа5+ воа3 + на+ воа3 + на3,5-биншпро- бензоилхлорив3,5-биншпро- бензоилхлорив
— .О
Ю)-С\+ soch'^*
— .О
Ю)-С\+ soch'^*
<О/-с + so2 + на а
бензоипхлорид
<О/-с + so2 + на а
бензоипхлорид
он бензойная дислота.
он бензойная дислота.
соон
соон
3,5-динишробензойная кислота
3,5-динишробензойная кислота
+ яа5
+ яа5
+ воа3 + на
+ воа3 + на
3,5-биншпро- бензоилхлорив
3,5-биншпро- бензоилхлорив
Тионилхлорид наиболее подходит для этой реакции, поскольку образующиеся, помимо хлорангидрида, вещества газообразны и легко отделяются; избыток низкокипящего тионилхлорида (т. кип. 79 °C) легко удаляется перегонкой.
Превращение в сложные эфиры
Кислоты часто превращают в сложные эфиры через хлорангидриды
SOC12 И т. п.R'OH
RCOOH>■ RCOC1 > RCOOR'
кислотахлорангидрид сложный
эфир
Карбоновую кислоту можно непосредственно превратить в сложный эфир при обработке спиртом в присутствии небольшого количества минеральной кислоты, обычно концентрированной серной кислоты или сухого хлористого водорода. Эта реакция обратима, и при достижении равновесия в смеси имеются существенные количества как реагентов, так и продуктов реакции.
н+
RCOOH + R'OH >■ RCOOR' + Н2Окислота спирт сложныйэфир
Так, например, если ввести в реакцию 1 моль уксусной кислоты и 1 моль этилового спирта в присутствии небольшого количества серной кислоты и дождаться достижения равновесия (через несколько часов), то получают смесь, содержащую по 2/3 моля сложного эфира и воды и по 1/3 моля кислоты и спирта. Естественно, та же равновесная смесь получится, если исходить из 1 моля сложного эфира и 1 моля воды в присутствии серной кислоты. Катализатор, ион водорода, который катализирует прямую реакцию —• этерификацию, катализирует также и обратную реакцию — гидролиз.
Подобная обратимость неудобна при получении сложного эфира непосредственно из кислоты. Преимущество синтеза с промежуточным образованием хлорангидрида состоит в том, что обе стадии — получение хлорангидрида из кислоты и сложного эфира из хлорангидрида — необратимы и проходят до конца.
Однако прямая этерификация имеет то преимущество, что происходит в одну стадию, и ее часто можно использовать, применив наши знания о равновесии. Если кислота или спирт являются дешевыми и легко доступными продуктами, то можно использовать один из реагентов в большом избытке, чтобы сдвинуть равновесие и таким образом увеличить выход
сложного эфира. Так, например, целесообразно использовать 8 молей дешевого этилового спирта для того, чтобы осуществить более полное превращение ценной ^'фенилмасляной кислоты в сложный эфир.
/Vкипя- ..О
Н2$О4,»еиоеЛ
<О)СН2СН2СН2Сх +С2Н5ОН < — > <QVh2CH2CH2c( он _'—'ос2н$
у-фенилмасляпая кислота, этиловый „спирт,этил-у-фенилбутират,
1моль8молейвыход 85-88%
+ н2о
Иногда равновесие сдвигается путем удаления одного из продуктов. Элегантным примером этой методики может служить получение этиладипата. Дикарбоновая адипиновая кислота, избыток этиловогс спирта и толуол нагреваются с небольшим количеством серной кислоты в кубе перегонной колонки. Низкокипящей фракцией (т. кип. 75 °C) является азеотроп воды, этилового спирта и толуола (ср. разд. 15.9); в результате этого вся вода по мере образования удаляется перегонкой в виде азеотропа. Таким путем получают сложный эфир с выходом 95—97%.
толуол (т КИП 111 ГС), НеЗОл НООС(СН2)4СООН + 2С2Н5ОН--*
адипиновая кислота этиловым (не летуча)спирт,
т. кип. 78 °C
этиладипат,т. кип. 245 °Cэтиладипат,т. кип. 245 °C-^ С2Н5ООС(СН2)4СООС2Н6 + 2Н2О
этиладипат,т. кип. 245 °C
этиладипат,т. кип. 245 °C
удаляетсяв виде азеотропа,т. кип. 75 °C
Положение равновесия особенно не благоприятно для тех слхчаев, когда вместо спиртов используются фенолы (АгОН); тем не менее, если в ходе реакции удалять воду, можно получить эфиры фенолов (RCOOAr) с хорошими выходами.
Наличие объемистой группы поблизости от реакционного центра в спирте или кислоте замедляет этерификацию (так же как и обратную реакцию гидролиза). Подобные пространственные препятствия могут быть столь значительны, что требуются специальные методы для получения сложных эфиров третичных спиртов или сложных эфиров таких кислот, как 2,4,6 триметилбензойная кислота (мезитиленкарбоновая кислота).
Реакционная способность в этерификации: СН3ОН > первичные >> вторичные ()> третичные)
НСООН >_СН3СООН > RCH2COOH > R2CHCOOH > RgCCOOH
Механизм этерификации, естественно, является обратным механизму гидролиза сложных эфиров. Оба механизма будут рассмотрены в разд. 20.17 после того, как мы узнаем несколько больше о химии карбонильной группы.
Задача 18.8. а) Какая связь карбоксильной группы (С—ОН или СО—Н) разрывается при образовании хлорангидрида? б) Если ввести в реакцию с обычной бензойной кислотой меченый метиловый спирт СН318ОН, то образующийся метилбензоаг будет содержать 18О, в то время как вода не будет содержать изотопной метки. Какая связь, С—ОН или СО—Н, в карбоновой кислоте разрывается в этой реакции этерификации? Какая связь в спирте?
576
Превращение в амиды
Амидами называются соединения, в которых ОН-группа карбоновой кислоты замещена на NH2. Их иногда получают путем нагревания аммонийных солей карбоновых кислот, причем вода удаляется отгонкой
, нагревание /О
RCOOH + NH3> RCOO-NH4> R—Of+ Н2О
xnh2
кислотааммонийнаяамид
соль
В лаборатории чаще получают амиды при реакции аммиака с хлорангид- ,рядами
NH3
RCOOH> RCOC1 > RCONH2
кислота хлоран-амид
гидрид
Восстановление кислот в спирты
Превращение спиртов в кислоты (разд. 18.6) — очень важный процесс, поскольку, как правило, спирты более доступны, чем кислоты. Однако это не всегда верно: неразветвлеиные кислоты с длинной цепью, получаемые из жиров, более доступны.чем соответствующие спирты, и в данном случае •становится важным обратный процесс — восстановление кислот в спирты.
Алюмогидрид лития LiAIH4 — один из немногих реагентов, способных восстанавливать кислоты в спирты; первоначально образуется алкоголят, превращающийся в спирт при гидролизе
н2о
4RCOOH + 3LiAlH4> 4Н2 + 2LiA102 + (RCH2O;4AlLi >- 4RCH2OH
первичный спирт
Восстановление с помощью LiAlH4 протекает с отличными выходами, и поэтому этот реагент широко используется в лаборатории для восстановления не только кислот, но и многих других классов соединений. Поскольку LiAlH4 довольно дорог, то в промышленности его используют только для восстановления небольших количеств ценных сырьевых продуктов, например в синтезе некоторых лекарственных препаратов и гормонов.
Альтернативой процессу прямого восстановления часто может служить процесс двухстадийного превращения кислот в спирты: этерификация и восстановление сложного эфира. Существует несколько методов восстановления сложных эфиров (разд. 20.21), применимых как в лаборатории, так и в промышленности.
Мы уже убедились в разд. 18.5, что карбоновые кислоты, содержащие длинные неразветвлеиные цепи и полученные из жиров, являются доступными полупродуктами в органическом синтезе. Восстановление этих кислот в спирты (непосредственно или через сложные эфиры) — ключевая стадия в использовании этого сырья, поскольку из спиртов (разд. 16.10) может быть получено множество других продуктов. Хотя доступны лишь кислоты с четным числом атомов углерода, безусловно, можно увеличить длину цепи и, таким образом, перейти к соединениям с нечетным числом -атомов углерода (в качестве альтернативного источника спиртов как с четным, так и с нечетным числом атомов углерода см. алфол-процесс, стр. 484).
Задача 18.9. Предложите схему синтеза из лауриновой кислоты (н-СиН23СООН, додекановая кислота) следующих соединений: а) 1-бромдодекана; б) тридекановой кислоты
(С^з-кислота); в) тетрадеканола-1; г)додецена-1; д) додекана; е) додецина-1; ж) метил-н- децилкетона; з) додеканола-2; и) ундекановой кислоты; к) тетрадеканола-2; л) 2-метил- тетрадеканола-2.
Галогенирование алифатических кислот.
Реакция Геля — Фольгарда — Зелинского
В присутствии небольших количеств фосфора алифатические карбоновые кислоты гладко реагируют с хлором или бромом с образованием соединений, в которых а-водород замещен на галоген. Эта реакция известна под названием реакции Геля — Фольгарда — Зелинского. Вследствие избирательности (наблюдается только а-галогенирование^ и легкости осуществления эта реакция имеет важное значение для синтеза.
С12. РС12. РС12, р
СН3СООН>- С1СНаСООН > С12СНСООН >• С13ССООН
Br2, РВг2, Р
СН3СН2СООН >- СН3СНВгСООН»- СН3СВгаСООН
|вг2, Р
дальнейшее замещение
не происходит
Роль фосфора в этой реакции состоит в превращении небольшого количества кислоты в галогенангидрид. В результате постепенно вся кислота переходит в а-галогенпроизводное (причины специфичности реакции мы здесь не можем обсуждать)
Р + Ха> РХЯ
RCHaCOOH + PXg> RCHaCOXRCHaCOX 4- X2• RCHCOX + HX
X
RCHCOX + RCH2COOH *=> RCHCOOH + RCHaCOX
XX
а-галогенкислота
Галоген в этих галогенкислотах претерпевает реакции нуклеофильного замещения и элиминирования почти так же легко, как в случае простейших алкилгалогенидов (разд. 14.6 и 5.14). Поэтому галогенирование является первой стадией в превращении карбоновых кислот в многие важные замещенные производные карбоновых кислот.
RCHCOOH + большой избыток NH3> RCHCOOH
BrNH2
а-галогенкислотаа-аминокислота
(гл. 37)
Н+
RCHCOOH + NaOH> RCHCOONa> RCHCOOH
BrinOH
а-оксикислота
(гл. 31)
н+н2о
RCHCOONa + NaCN> RCHCOONa> RCHCOOH> RCHCOOH
IIII
BrCNCNCOOH
а-цианокислота дикарбоновая кислота (гл. 29)
Н+
RCH2CHCOOH + КОН (спирт.)» RCH=CHCOO~> RCH=CHCOOH
Br
а,P-ненасыщеннаякислота (гл. 32)
ar-su
Анализ карбоновых кислот.
Эквивалент нейтрализации
Карбоновые кислоты легко опознать по их кислотности. Они растворяются в водном растворе едкого натра и в водном растворе бикарбоната натрия, причем реакция с бикарбонатом натрия протекает с выделением двуокиси углерода (разд. 18.4).
(Фенолы, разд. 25.8, представляют собой более сильные кислоты, чем вода, но, за некоторым исключением, более слабые кислоты, чем карбоновые кислоты: они растворяются в водном растворе едкого натра, но не растворяются в водном растворе бикарбоната натрия. Сульфокислоты, разд. 21.4, — еще более сильные кислоты, чем карбоновые кислоты, но они содержат серу, что можно легко установить по данным элементного анализа.)
После того как неизвестное вещество отнесено к классу карбоновых кислот, его дальнейшая идентификация возможна, как правило, на основании его физических свойств и физических свойств его производных. Обычно для этого используют амиды (разд. 20.11 и 23.6) и сложные эфиры (разд. 20.14).
Задача 18.10. Расширьте таблицу, которую вы составили в задаче 17.15, стр. 543, включив в нее типы соединений и их характерные реакции, с которыми вы познакомились в этой главе.
Особенно важным как для идентификации известных кислот, так и для доказательства строения новых кислот является эквивалент нейтрализации — эквивалентный вес кислоты, определенный путем ее титрования стандартным основанием. Взвешенный образец кислоты растворяют в воде или водном спирте и измеряют объем стандартного основания, необходимый для нейтрализации этого раствора. Так, например, для нейтрализации (по фенолфталеину), 0,224 г неизвестной кислоты (т. пл. 139—140 °C) требуется 13,6 мл 0,104 н. стандартного раствора едкого натра. Поскольку в каждых 1000 мл основания содержится 0,104 эквивалента и поскольку число необходимых эквивалентов основания в точности равно числу эквивалентов имеющейся кислоты, то
13,6
'1000 х®>*®4 эквивалента кислоты — 0.224 г
и, следовательно,
•ООО 1
1 эквивалент кислоты = 0,224X jg g X q" = 158 г
Задача 18.11. Каким из следующих соединений может быть кислота с вычисленным выше эквивалентом: а) о-хлорбеизойная кислота (т. пл. 141 °C) или б) 2,6-дихлорбензойная кислота (т. пл. 139 °C)?
Задача 18.12. Для нейтрализации 0,187 г кислоты (т. пл. 203—205 °C) требуется 18,7 мл 0,0972 н. NaOH. а) Чему равен эквивалент нейтрализации? б) Какой из перечисленных ниже кислот может быть рассматриваемая кислота: н-капроновая (т. пл. 205 °C); меток- сиуксусная (т. пл. 203 °Q, этоксиуксусная (т. пл. 206 СС)?
Задача 18.13. а) Сколько эквивалентов основания будет нейтрализовано 1 молем фталевой кислоты? Каков эквивалент нейтрализации фталевой кислоты? б) Какая связь между эквивалентом нейтрализации и числом кислых атомов водорода в молекуле кислоты? в) Каков эквивалент нейтрализации бензол-1,3,5-трикарбоновой и меллитовой Св(СООН)е кислот?
Металлическую соль карбоновой кислоты легко опознать при помощи следующих проб: а) она дает негорючий остаток при сильном нагревании
(проба на зольность); б) она не плавится, а разлагается при довольно высокой температуре; в) она превращается в карбоновую кислоту при обработке разбавленной минеральной кислотой.
Задача 18.14. Оставшийся после сгорания натриевой соли карбоновой кислоты белый остаток растворим в воде, причем раствор окрашивает лакмус в синий цвет и реагирует с разбавленной соляной кислотой с выделением пузырьков. Каков его вероятный химический состав?
Спектральный анализ карбоновых кислот
Инфракрасные спектры. Карбоксильная группа состоит из карбонильной (С=О) и гидроксильной (ОН) групп, и в инфракрасном спектре карбоновых кислот имеются полосы, характерные для обеих этих групп. Для димерной формы кислот, содержащей водородные связи, валентные колебания ОН- Труппы дают интенсивную широкую полосу в области 2500—3000 см-1 (рис. 18.4).
О—Н валентные колебания, интенсивная широкая полоса
—СООН и енолы 2500 — 3000 см-1 ROH и АгОН 3200 — 3600 см"»
Частота, см-1
Частота, см-1
Длина волны, мкм
Рис. 18.4. Инфракрасные спектры.
А ■ пропионовая кислота; Б — о-толуиловая кислота.
В случае кислот мы впервые встречаемся с поглощением, связанным с валентными колебаниями карбонильной группы. Эта интенсивная полоса появляется в области, которая обычно не содержит других сильных полос поглощения, и точное значение частоты полосы поглощения карбонильной группы может дать много сведений о структуре вещества. Для связанных водородной связью молекул кислот полоса С—О проявляется примерно при 1700 см-1.
С=О валентные колебания, интенсивная полоса
Р—С—он
II о
1700— 1725 см'1
1 1
—с=с—с—он
II о
1680—1700 см"1
Ar—С—ОН
II О
1680— 1700 см"1
—с=сн—с—
111
оно
1540 —
1640 см-1
(енолы)
Кислоты также обнаруживают полосу валентных колебаний С—О примерно при 1250 см-1 (сравните спирты, разд. 16.12, и простые эфиры, разд. 17.13), а также полосы деформационных колебаний О—Н-группы около 1400 и 920 см-1 (широкая).
Енолы также обнаруживают поглощение как О—Н-, так и С=О-групп; их можно отличить по значению частоты полосы карбонильной группы. Альдегиды, кетоны и сложные эфиры имеют полосу поглощения группы С=О, но в их спектрах не содержится полосы поглощения О—Н-группы. (Для сравнения некоторых кислородсодержащих соединений см. табл. 20.4.)
ПМР-спектры. Отличительной особенностью ПМР-спектров карбоновых кислот является поглощение в слабом поле (т от —2 до —0,5; 6 10,5—12) протона карбоксильной группы. (Ср. поглощение кислотного протона сульфокислот ArSO3H и фенолов АгОН, разд. 21.12 и 25.23.)
Масс-спектры. Как и другие соединения, содержащие карбонильную группу (разд. 19.20 и 20.28), карбоновые кислоты претерпевают расщепление с образованием относительно устойчивых ацилий-ионов (разд. 19.7).
R—С=О: > R—С=О: » R—С=О: + -ОН
II
ОНон
М+ацилий-ион,
mje = М—17
Подобно другим карбонильным соединениям, кислоты претерпевают ^-расщепление с переносом атома водорода
,OH1+CH2=C^ I'OHJ,OH1+CH2=C^ I'OHJm/e 60m/e 60хсн2-)-сн2
,OH1+
CH2=C^ I'
OHJ
,OH1+
CH2=C^ I'
OHJ
m/e 60
m/e 60
R—CHJC-OH* RCH=CH2 +
•* +
р-расщепление
Задача 18.15. Чем объясняется относительная устойчивость ацилий-иона?
Задача 18.16. В масс-спектре бензойной кислоты наиболее важны пики с т/е 105, 122 и 77 (в порядке убывающей интенсивности). Объясните каждый из этих пиков: напишите структуру соответствующего иона, схему расщепления, приводящего к его образованию и структуру образующегося нейтрального фрагмента.
ЗАДАЧИ
Приведите тривиальные названия и названия по номенклатуре IUPAC для неразвет- вленных насыщенных кислот, содержащих 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 16 и 18 атомов углерода.
Напишите структурную формулу и в тех случаях, где это возможно, приведите назва. ние по другой системе номенклатуры следующих соединений:
изовалериаиовой кислоты,
триметилуксусной кислоты,
а,Р-диметилкапроновой кислоты,
2-метил-4-этилоктаиовой кислоты,
фенилуксусной кислоты,
у-фенилмасляной кислоты,
бензойной кислоты,
и-толу иловой кислоты, 3. Напишите уравнения реакций, при превратить в бензойную кислоту:
толуол,
бромбензол,
бензонитрил, (Указание: см. разд. 16.11.) 4. Напишите уравнения реакций, при
превратить в н-масляную кислоту:а) н-бутиловый спирт,б) н-пропиловый спирт.
фталевой кислоты,
изофталевой кислоты,
терефталевой кислоты, м) n-оксибензойной кислоты, н) а-метилбутирата калия, о) 2-хлорпропаноата магния, п) триэтилацетата аммония, р) л-бромбензоата натрия, с) изобутиронитрила, т) 2,4-дииитробеизонитрила.
помощи которых можно следующее соединение
г) бензиловый спирт, д) бензотрихлорид, е) ацетофенон СвН5СОСН3.
помощи которых можно следующие соединения
н-пропиловый спирт (вторым способом),
метил-н-пропилкетон.
Какой из перечисленных методов можно использовать для получения триметилуксусиой кислоты?
5. я
Укажите, с какими из следующих реагентов будет реагировать бензойная кислота,
напишите уравнения а) КОН, б) А1, в) СаО, г) Na2CO3,
реакций:
ж) Hg/Ni, 20 °C, 1 атм,
д) NH3 (водн.), е) продукт (д) + нагре-
з) и) к) л) м)
ЫА1Н4, горячий КМпО, РС16, РС13, SOC12,
н) Вг2/Ре,
Вг2 + Р,
п) HNOs/H2SO4,
дымящая H2SOt,
с) СН3С1, А1С13,
т) н-пропиловый спирт, Н+.
ванне,
Ответьте на вопрос задачи 5 для случая н-валериановой кислоты.
Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно превратить изомасляную кислоту в следующие соединения с использованием любых необходимых реагентов:
этилизобутират,г) изобутират магния,
изобутирилхлорид,д) изобутиловый спирт.
изобутирамид,
Напишите уравнения, показывающие все стадии превращения бензойной кислоты
в следующие соединения: а) бензоат натрия, б) бензоил хлор ид, в) бензамид, г) бензол.
д) н-пропилбензоат, е) п-толилбензоат, ж) м-бромфенилбензоат, з) бензиловый спирт.
9. Напишите уравнения реакций, при помощи которых фенилуксусную кислоту можно превратить в следующие соединения с использованием любых необходимых реагентов: ж) р-фенилэтиловый спирт,
а) фенилацетат натрия, б) этилфенилацетат.
в) г) Д) е)
феиилацетилхлорид, фенилацетамид, n-бромфеиилуксусная кислота, n-нитрофенилуксусная кисло-
з) а-бромфенилуксусная кислота, и) а-оксифенилуксусная кислота, к) а-аминофенилуксусная кислота, л) фенилмалоновая кислота
С6Н6СН(СООН)2.
та,
10. Дополните приведенные уравнения, приведите структуры и названия основных об
разующихся органических продуктов.
С6Н6СН=СНСООН + КМпО4 + ОН- + нагревание;
n-CH3C6H4COOH + HNO3 + H2SO4;
n-CH3C6H4COOH + L1A1H4 и далее + Н+;
С6Н5СООН + СеН5СН3ОН + Н+;
продукт (г) + HNO, + H„SO4;
СН3СООН + МН4ОН с последующим нагреванием;
цикло-СвНцМцВг + СО2 с последующей обработкой H?SO4;
продукт (ж) + СгН6ОН + Н+;
продукт (ж) + SOC12 + нагревание;
м-СН3СвН4ОСН3 + KMnO4 + ОН-;
мезитилен + К2Сг2О7 + H2SO4;
м) изомасляная кислота + изобутиловый спирт + Н+;
н) салициловая кислота (o-HOCeH4COOH) + Br2, Fe;
ацетат натрия + л-нитробензилбромид;
п) линоленовая кислота + избыток Н2, Ni;
олеиновая кислота + КМпО4, нагревание;
с) линолевая кислота + О3, а затем Н2О, Zn;
т) бензойная кислота (С7Н6О2) + Н2, Ni, нагревание, давление> С7Н12О2;
у) бензойная кислота + этиленгликоль + Н+> С1вН14О4;
ф) фталевая кислота + этиловый спирт + Н+> С12Н14О4;
х) олеиновая кислота + Вг2/СС14;
ц) продукт (х) + КОН (спирт.);
олеиновая кислота + НСОООН.
а) Напишите структуры всех соединений, образующихся в процессе превращения А в Е.
Пальмитиновая кислота + LiAlH4> А,
А + Н+» Б,
Б + РВг3> В,
В + Mg, эфир> Г,
Г + СО2* Д,
Д + №»Е.
б) Каков иной путь превращения В в Е?
Приведите схемы возможных лабораторных синтезов следующих меченых соединений, используя в качестве источника 14С Ва14СО3 или 14СН3ОН:
СН3СН2СН2ИСООН,в) СН314СН2СН2СООН,
СН3СН2ИСН2СООН,г) 14СН3СН2СН2СООН.
Укажите все стадии возможных лабораторных синтезов следующих кислот из толуола с использованием любых необходимых алифатических и неорганических реагентов:
бензойной,д)п-хлорбензойной,
фенилуксусиой,е)л-бромфенилуксусиой,
л-толуиловой,ж)а-хлорфенилуксусной.
м-хлорбензойной,
ских реагентов:а) этил-а-метилбутирата,б) 3,5-динитробензоилхлорида,в) а-амино-л-бромфенилуксусной кислоты.ских реагентов:а) этил-а-метилбутирата,б) 3,5-динитробензоилхлорида,в) а-амино-л-бромфенилуксусной кислоты.Приведите схемы возможных лабораторных синтезов следующих соединений из бензола, толуола и спиртов (Q — С4) с использованием любых необходимых неорганиче
ских реагентов:
а) этил-а-метилбутирата,
б) 3,5-динитробензоилхлорида,
в) а-амино-л-бромфенилуксусной кислоты.
ских реагентов:
а) этил-а-метилбутирата,
б) 3,5-динитробензоилхлорида,
в) а-амино-л-бромфенилуксусной кислоты.
л-толуамида,
н-гексилбензоата,
З-бром-4-метилбеизойной кислоты,
а-метилфенилуксусной кислоты.
а-оксипропионовой кислоты,л) 1,2,4-бензолтрикарбоновой кислоты,
n-HO3SCeH4COOH,м) 2-бром-4-нитробензойной кислоты.
пентен-2-овой кислоты,
Не сверяясь с таблицами, расположите следующие соединения в каждой групп е
в порядке изменения их кислотности:
бутановая, 2-бромбутановая, 3-бромбутановая И 4-бромбутановая кислоты;
бензойная, л-хлорбензойная, 2,4-дихлорбензойная и 2,4,6-трихлорбеизойиая кислоты;
бензойная, н-нитробензойная и л-толуиловая кислоты;
а-хлорфенилуксусная, л-хлорфенилуксусная, фенилуксусиая и а-фенилпропио- новая кислоты;
л-нитробензойная, л-нитрофенилуксусная и Р-(л-иитрофенил)пропионовая кислоты;
уксусная кислота, ацетилен, аммиак, этан, этиловый спирт, серная кислота, вода.
Расположите мононатриевые соли кислот задачи 15,е в порядке изменения их основ
ности.
Два нерастворимых в воде твердых вещества — бензойная кислота и о-хлорбензойная кислота — можно разделить путем обработки водным раствором формиата натрия. Какая реакция при этом происходит? (Указание: обратитесь к значениям Ка в табл. 18.2.)
Пользуясь данными табл. 18.2, укажите, каков должен быть характер индуктивного эффекта фенильной группы С6Н5?
Расположите соединения каждой группы в порядке возрастания реакционной способности в указанных превращениях:
этерификация бензойной кислоты: emop-бутиловый, метиловый, трепг-пента- ловый и я-пропиловый спирты;
этерификация этилового спирта: бензойная, 2,6-диметилбензойиая и о-толуило- вая кислоты;
этерификация метилового спирта: уксусная, муравьиная, изомасляная, пропионовая и триметилуксусная кислоты.
Напишите структуры всех соединений, образующихся в процессе превращения соединения А в СН2(СООН)2.
Ацетилен + CH3MgBr> А + СН4,
Н+
А 4- СО2 ——> Б> В(С3Н2О2),
Н2О, H2SO4, HgSO4 В=Н2О, H2SO4, HgSO4 В=Г(С3Н4О3),Г(С3Н4О3),
Н2О, H2SO4, HgSO4 В=
Н2О, H2SO4, HgSO4 В=
Г(С3Н4О3),
Г(С3Н4О3),
Г + КМпО4> СН2(СООН)2.
Опишите простейшие химические пробы (но не изменение окраски индикатора), которые позволили бы отличить друг от друга следующие соединения:
пропионовую кислоту и я-пентиловый спирт;
изовалериаиовую кислоту и я-октан;
этил-я-бутират и изомасляную кислоту;
пропионилхлорид и пропионовую кислоту;
я-аминобензойную кислоту и бензамид;
С6Н5СН=СНСООН и С6Н5СН=СНСН3.
Укажите точно, что вы будете делать и наблюдать.
Сравните следующие свойства бензойной кислоты и бензоата натрия:
летучесть,д) степень ионизации в твердом состоя-
температура плавления,нии,
растворимость в воде,е) степень ионизации в воде,
растворимость в эфире,ж) кислотность и основность.
Будут ли сохраняться найденные соотношения для любых кислот и их солей?
Укажите, как можно разделить химическим путем приведенные ниже смеси, причем каждый из компонентов необходимо выделить в достаточно чистом виде:
капроновая кислота и этилкапроат,
ди-я-бутиловый эфир и я-масляиая кислота,
изомасляная кислота и гексанол-1,
бензоат натрия и трифенилкарбинол.
Укажите подробно, что вы будете делать и наблюдать.
Предполагается, что неизвестное соединение может быть одним из перечисленных ниже веществ. Опишите, как вы поступите, чтобы выяснить, что оно собой представляет. В тех случаях, где это возможно, используйте простые химические пробы; в более сложных случаях примените более сложные химические методы, такие, как количественное гидрирование, расщепление, определение эквивалента нейтрализации и т. д. Используйте любые необходимые таблицы физических констант.
акриловая (СН2=СНСООН, т. кип. 142 °C) и пропионовая (т. кип. 141 °C) кислоты,
миндальная [CfiH5CH(OH)COOH, т. пл. 120 °C] и бензойная (т. пл. 122 °C) кислоты,
о-хлорбензойная (т. пл. 141 °C), мезовинная (т. пл. 140 °C), .и-нитробензойная (т. пл. 141 °C) и субероновая [НООС(СН2)6СООН, т. пл. 144 °C] кислоты,
хлоруксусная (т. кип. 189 °C), а-хлорпропионовая (т. кип. 186 °C), дихлоруксусная (т. кип. 194 °C) и я-валериановая (т. кип. 187 °C) кислоты,
3-нитрофталева я (т. пл. 220 °C) и 2,4,6-тринитробензойная (т. пл. 220 °C) кислоты, е) я-хлорбензойная (т. пл. 242 °C), я-нитробензойная (т. пл. 242 °C) и о-нитроко- ричная (o-O2NC6H4CH=CHCOOH, т. пл. 240 °C) кислоты;
следующие соединения, температуры кипения которых отличаются ие более
чем на несколько градусов:
о-хлоранизол, Р-хлорстирол, этил-я-крезиловый эфир, Ч«с-декалин (задача 7, стр. 298), 2,4-дихлортолуол,о-хлоранизол, Р-хлорстирол, этил-я-крезиловый эфир, Ч«с-декалин (задача 7, стр. 298), 2,4-дихлортолуол,изодурол, линалоол (задача 28, стр. 532) 4-метилпентановая кислота, а-фенетилхлорид, о-толуидин (о-СН3С6Н4МН2).
о-хлоранизол, Р-хлорстирол, этил-я-крезиловый эфир, Ч«с-декалин (задача 7, стр. 298), 2,4-дихлортолуол,
о-хлоранизол, Р-хлорстирол, этил-я-крезиловый эфир, Ч«с-декалин (задача 7, стр. 298), 2,4-дихлортолуол,
Используя данные табл. 18.3, укажите, какой кислоте или кислотам соответствуют приведенные ниже данные. Укажите также, какие дальнейшие шаги вы предприняли бы для идентификации кислоты или подтверждения вашей идентификации.
А: т. пл. 155—157 °C, положительная проба на галоген; я-нитробензиЛовый эфир, т. пл. 104—106 °C, эквивалент нейтрализации 158 ± 2.
Б: т. пл. 152—154 °C; отрицательная проба на галоген и азот.
584
Таблица IBS
Производные некоторых карбоновых кислот
Кислота
Т. пл., °C
КИСЛОТЫ
амида
анилида
п-нитробензилового эфира
тронс-Кротоиовая (СН3СН=СНСООН)
72
161
118
67
Фенилуксусная
77
156
118
67
Арахидоновая (н-С^НмСООН)
77
108
92
а-Оксиизомасляная
79
98
136
80
Гликолевая (НОСН2СООН)
80
120
97
107
В-Иодпропиоиовая Иодуксусная
82
83
101
95
143
Адипиновая [НООС(СН2)4СООН]
151
220
241
106
п-Нитрофенилуксусная
153
198
198
2,5-Дихлорбензойная
153
155
ж-Хлорбензойная
154
134
122
107
2,4,6-Триметилбензойная
155
188
л-Бромбеизойная
156
155
136
105
и-Хлорфеноксиуксусная
158
133
125
Салициловая (о-НОС6Н4СООН)
159
142
136
98
В: т. пл. 153—155 °C, положительная проба иа хлор; эквивалент нейтрализации 188 ±4.""‘
Г: т. пл. 72—73 °C; анилид, т. пл. 117—118 °C; амид, т. пл. 155—157 °C.
Д: т. пл. 79—80 °C; амид, т. пл. 97—99 °C.
Е: т. пл. 78—80 °C; отрицательная проба на галоген и азот; положительная проба с CrO3/H2SO4.
Предполагается, что неизвестная кислота может быть либо о-нитробензойной (т. пл. 147 PQ, либо антраниловой (т. пл. 146 °C). Для нейтрализации 0,201 г вещества израсходовано 12,4 мл 0,098 н. NaOH. Какая это кислота?
Карбоновая кислота А содержит только углерод, водород и кислород и имеет эквивалент нейтрализации 149 ± 3. При окислении с помощью КМпО4 в жестких условиях кислота А превращается в кислоту Б, т. пл. 345—350 °C, эквивалент нейтрализации 84 ± 2.'
При энергичном нагревании кислоты А с натронной известью отгоняется жидкость В, т. кип. 135—137 °C. Окисление вещества В с помощью КМпО4 в жестких условиях приводит к соединению Г с т. пл. 121 —122 °C, эквивалент нейтрализации 123 ± 2.
Кислота Д, изомер А, дает при окислении соединение Е, т. пл. 375—380 °, эквивалент нейтрализации 70 ± 2. Что собой представляют соединения А — Е? (Используйте любые таблицы физических констант.)
Нервоновая кислота (из цереброзидов тканей человеческого мозга) быстро обесцвечивает разбавленный раствор КМпО4 и раствор Вг2 в СС14. Восстановление в присутствии никеля дает тетракозановую кислоту н-С23Н47СООН. Окисление нервоновой кислоты в жестких условиях дает две кислоты с эквивалентами нейтрализации 156 ± 3 и 137 ± 2. Какая структура или структуры возможны для нервоновой кислоты?
Троповая кислота QH10O3 получается из алкалоида атропина, находящегося в бе- ладоние (Atropa belladonna), дает положительную пробу с CrO3/H2SO4 и окисляется горячим КМпО4 в бензойную кислоту. Троповая кислота превращается в гидратропо- вую кислоту при помощи следующих реакций:
НВгон~
Троповая кислота> CgHgOgBr *- С8Н8О2 (атроповая кислота)
Н2, Ni
Атроповая кислота >■ Гидратроповая кислота (С9Н10О2)
Какова структура или структуры, которые можно предложить на основании этих данных для гидратроповой и троповой кислот?
При обработке а-фенилэтилхлорида магнием в эфире и последующем выливании раствора на сухой лед получается (после подкисления смеси) кислота, амид которой имеет ту же температуру плавления, что и амид гидратроповой кислоты, и не дает с ним депрессии температуры плавления в пробе плавления смеси. Уточните теперь структуру гидратроповой и троповой кислот.' *
Частота, см-1
01 । । । । I । । । । I । I I I I । । I । I I и I I I I I I I I I t 11 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I 11 11 I I I 11 I
23456789 to 1112131415
Дли :а волны, мкм
Пропускание, %Пропускание, %Пропускание,
Частота, см-1
5000 4000 3000 25002000150014001300 1200 11001000900800700
23436789101112131415
Длина волны, мкм
Частота, см-1
5000 4000 3000 250020001500140013001200 11001000900800700
Длина волны, мкм
Рис. 18.5. Инфракрасные спектры к задаче 31.
Напишите структуру или структуры, согласующиеся со следующими данными ЯМР- спектров:'
СзН6С1О2
а дублет, т 8,27 (6 1,73), ЗН,
b квадруплет, т 5,53 (6 4,47), 1Н
с синглет, т— 1,22 (6 11,22), 1Н
С3Н5С1О2
о синглет, т 6,19 (6 3,81), ЗН
b синглет, т 5,92 (6 4,08), 2Н
С4Н7ВгО2
а триплет, т 8,70 (6 1,30), ЗН
b синглет, т 6,23 (6 3,77), 2Н
с квадруплет, т 5,77 (6 4,23), 2Н
С4Н7ВгО2
а триплет, т 8,92 (6 1,08), ЗН
b квинтет, т 7,93 (6 2,07), 2Н
с триплет, т5,77 (6 4,23), IH
d синглет, т—0,97 (6 10,97), 1Н
CjHgOg
а триплет, т 8,73 (6 1,27), ЗН
b квадруплет, т 6,34 (6 3,66), ЗН
с синглет, т 5,87 (6 4,13), 2Н
d синглет, т —0,95 (6 10,95), IH
На рис. 18.5 приведены ИК-спектры трех соединений. Какие из приведенных ниже структур отвечают этим спектрам?
к-масляная кислота,
бензойная кислота.
кротоновая кислота
n-нитробензойная кислота.
(CHSCH=CHCOOH),
миндальная кислота
яблочная кислота
(СвН6СНОНСООН),
(НООССНОНСН2СООН),
п-нитробензиловый спирт.
1919Альдегиды и кетоны. I
19
19
НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ПРИСОЕДИНЕНИЕ
Структура
Альдегиды — это соединения общей формулы RCHO, кетоны — соединения общей формулы RR'CO. Группы R и R' могут быть алифатическими или ароматическими
НхR'x
>С=О>С=О
RzRz
альдегидкетон
Как альдегиды, так и кетоны содержат карбонильную группу С=О и их часто рассматривают вместе как карбонильные соединения. Наличие карбонильной группы определяет в основном химические свойства альдегидов и кетонов.
Вполне естественно', что большинство свойств альдегидов и кетонов сходны. Однако по соседству с карбонильной группой в альдегидах находится атом водорода, а рядом с карбонильной группой кетонов — два органических радикала. Это различие в структуре обусловливает различие в свойствах: а)альдегиды довольно легко окисляются, в то время как кетоны окисляются лишь с трудом; б) альдегиды обычно более активны, чем кетоны, в реакции нуклеофильного присоединения — характерной реакции карбонильных соединений.
Рассмотрим структуру карбонильной группы. Атом углерода карбонильной группы связан с тремя другими атомами <т-связями; поскольку эти связи используют зра-орбитали (разд. 2.23), они расположены в одной плоскости под углом 120° (2,094 рад) друг к другу. Остающаяся р-орбиталь атома углерода перекрывается с р-орбиталью кислорода, образуя л-связь; таким образом, углерод и кислород соединены двойной связью. Часть молекулы, непосредственно окружающая углерод карбонильной группы, плоская; кислород, углерод карбонильной группы и два атома, непосредственно связанные с углеродом карбонильной группы, лежат в одной плоскости.
Электроны двойной связи 0=0 связывают атомы сильно различающейся электроотрицательности, и поэтому они распределены неравномерно, в частности подвижное л-облако сильно сдвинуто в сторону более электроотрицательного атома кислорода.
R'x 6+ с-R'x 6+ с-Экспериментальные данные подтверждают представления о структуре карбонильной группы, которые следуют из теории орбиталей. Метод дифракции электронов и спектроскопическое изучение альдегидов и кетонов показывают, что углерод, кислород и два других атома, связанных с углеродом карбонильной группы, лежат в одной плоскости; углы связи у углерода карбонильной группы близки 120° (2,094 рад). Большие дипольные моменты (2,3—2,8 Д) альдегидов и кетонов указывают на то, Что электроны карбонильной группы распределены очень неравномерно. Ниже будет показано, каким образом физические и химические свойства альдегидов и кетонов связаны со структурой карбонильной группы.
R'x 6+ с-
R'x 6+ с-
Полярность карбонильной группы
Номенклатура
Тривиальные названия альдегидов образуются из названия соответствующих карбоновых кислот путем замены слова кислота словом альдегид.
Названия альдегидов по номенклатуре ШРАС образуются обычным путем. За основу берется наиболее длинная цепь, несущая СНО-группу, которую называют, прибавляя окончания -аль к названию соответствующего алкана. Положение заместителя обозначается цифрами, причем карбонильный углерод считается С-1. Отметим, что, как и в случае карбоновых кислот, атом С-2 по номенклатуре ШРАС соответствует а-углеродному атому в обычных названиях
ННННННННН—С=Оформальдегид(метаналь)Н—С=Оформальдегид(метаналь)СН3СН2СН2С=Оя-масляный альдегид(бутаналь)СН3СН2СН2С=Оя-масляный альдегид(бутаналь)бензальдегидбензальдегидСН3-С=О ацетальдегид (этаналь)СН3-С=О ацетальдегид (этаналь)пнитробенэальдегидпнитробенэальдегидСН3СН2С=О пропионовый альдегид (пропаналь)СН3СН2С=О пропионовый альдегид (пропаналь)п-тполчилоеыисалициловыйальдегидальдегидfo-онсибензальдегио)п-тполчилоеыисалициловыйальдегидальдегидfo-онсибензальдегио)Н<g)CH2C=Oфвниладета/пДегид(фенилэтамаль)Н<g)CH2C=Oфвниладета/пДегид(фенилэтамаль)
Н
Н
Н
Н
Н
Н
Н
Н
Н—С=Оформальдегид(метаналь)
Н—С=Оформальдегид(метаналь)
СН3СН2СН2С=Оя-масляный альдегид(бутаналь)
СН3СН2СН2С=Оя-масляный альдегид(бутаналь)
бензальдегид
бензальдегид
СН3-С=О ацетальдегид (этаналь)
СН3-С=О ацетальдегид (этаналь)
пнитробенэальдегид
пнитробенэальдегид
СН3СН2С=О пропионовый альдегид (пропаналь)
СН3СН2С=О пропионовый альдегид (пропаналь)
п-тполчилоеыисалициловый
альдегидальдегид
fo-онсибензальдегио)
п-тполчилоеыисалициловый
альдегидальдегид
fo-онсибензальдегио)
Н
<g)CH2C=Oфвниладета/пДегид(фенилэтамаль)
Н
<g)CH2C=Oфвниладета/пДегид(фенилэтамаль)
Но I СН3СН2СН2СНС=ОСН3а-метилвалериановыйальдегид(2-метилпентаналь)Но I СН3СН2СН2СНС=ОСН3а-метилвалериановыйальдегид(2-метилпентаналь)Н₽ IСН3СН2СНСН2С=ОIСНзР-метнлвалериановыйальдегид(3-метилпентаналь)Н₽ IСН3СН2СНСН2С=ОIСНзР-метнлвалериановыйальдегид(3-метилпентаналь)Нv IСН3СНСН2СН2С=ОСНз нзокапроновый альдегид (у-метилвалериановый альдегид, 4-метилпентаиаль)Нv IСН3СНСН2СН2С=ОСНз нзокапроновый альдегид (у-метилвалериановый альдегид, 4-метилпентаиаль)
Н
о I СН3СН2СН2СНС=О
СН3а-метилвалериановыйальдегид(2-метилпентаналь)
Н
о I СН3СН2СН2СНС=О
СН3а-метилвалериановыйальдегид(2-метилпентаналь)
Н
₽ I
СН3СН2СНСН2С=О
I
СНз
Р-метнлвалериановыйальдегид(3-метилпентаналь)
Н
₽ I
СН3СН2СНСН2С=О
I
СНз
Р-метнлвалериановыйальдегид(3-метилпентаналь)
Н
v I
СН3СНСН2СН2С=О
СНз нзокапроновый альдегид (у-метилвалериановый альдегид, 4-метилпентаиаль)
Н
v I
СН3СНСН2СН2С=О
СНз нзокапроновый альдегид (у-метилвалериановый альдегид, 4-метилпентаиаль)
Простейший алифатический кетон имеет тривиальное название ацетон. Для большинства других алифатических кетонов обычно название составляется из названий двух групп, связанных с углеродом карбонильной группы, к которым прибавляют окончание кетон. Названия кетонов, в которых карбонильная группа связана с бензольным кольцом, имеют окончание фенон.
В соответствии с системой номенклатуры ШРАС за основу берется самая длинная цепь, несущая карбонильную группу, и к названию соответствующего алкана прибавляют окончание -он. Положение различных
групп обозначают цифрами таким образом, чтобы карбонильная группа получила низший номер.
СН3—С—СН3оацетон (пропанон)СН3—С—СН3оацетон (пропанон)СН3СН2-С-СН$ометилэтилметон ( бутанок)СН3СН2-С-СН$ометилэтилметон ( бутанок)СНзСН2СН2—С—СНз
СН3—С—СН3
о
ацетон (пропанон)
СН3—С—СН3
о
ацетон (пропанон)
СН3СН2-С-СН$
о
метилэтилметон ( бутанок)
СН3СН2-С-СН$
о
метилэтилметон ( бутанок)
О
метил-н-нропилнетон(пентанон-2 )
^сн2-с-сн3 ' ометилбензилиетон ( Зренилпропанон-г)^сн2-с-сн3 ' ометилбензилиетон ( Зренилпропанон-г)бензофенонбензофенонСН3
^сн2-с-сн3 ' о
метилбензилиетон ( Зренилпропанон-г)
^сн2-с-сн3 ' о
метилбензилиетон ( Зренилпропанон-г)
бензофенон
бензофенон
СН3СН2—С—СН2СН3СН3СН2—С—СН2СН3ООЗизтилиетон ( пентанон-3)Зизтилиетон ( пентанон-3)ацетофенонацетофенонСН3СН-С-СН3IIО
СН3СН2—С—СН2СН3
СН3СН2—С—СН2СН3
О
О
Зизтилиетон ( пентанон-3)
Зизтилиетон ( пентанон-3)
ацетофенон
ацетофенон
ООя- бутирореноня- бутироренонОЗ-нитро-4-метилбеизофенонОЗ-нитро-4-метилбеизофенонметилизопропилкетон(З-метилбутанон-2)
О
О
я- бутироренон
я- бутироренон
О
З-нитро-4-метилбеизофенон
О
З-нитро-4-метилбеизофенон
Физические свойства
Полярность карбонильной группы делает полярными альдегиды и кетоны, поэтому они имеют более высокие температуры кипения, чем неполярные соединения сравнимого молекулярного веса. Сами по себе они не способны образовывать межмолекулярные водородные связи, поскольку содержат атомы водорода, связанные только с атомом углерода; вследствие этого их температуры кипения ниже, чем у соответствующих спиртов или карбоновых кислот. Для примера можно сравнить н-масляный альдегид (т. кип. 76 °C) и метилэтилкетон (т. кип. 80°) с м-пентаном (т. кип. 36 °C) и диэтиловым эфиром (т. кип. 35°), с одной стороны, и с н-бутиловым спиртом (т. кип. 118 °C) и пропионовой кислотой (т. кип. 141 °C) — с другой.
Низшие альдегиды и кетоны заметно растворимы в воде, вероятно, вследствие образования водородных связей между молекулами растворенного вещества и растворителя; растворимость резко уменьшается для членов ряда, начиная с С5. Альдегиды и кетоны растворимы в обычных органических растворителях (табл. 19.1).
Промышленные источники получения
Формальдегид получают окислением метилового спирта воздухом в присутствии катализатора
Си, 550-600 °с
СН3ОН + О2»- НСНО + Н2О
метиловыйформальде-
спиртгид
Формальдегид представляет собой газ (т. кип. —21 °C), и его используют либо в виде водного раствора (формалин), либо в виде твердого полимера — параформальдегида (СН2О)„ или триоксана (СН2О)3. Если требуется сухой
Физические свойства альдегидов и кетоиов
Альдегид или кетон
Т. пл., °C
Т. кип., °C
Растворимость, г/100 г НгО
Формальдегид
—92
—21
Очень растворим
Ацетальдегид
—121
20
ОО
Пропионовый альдегид
—81
49
16
н-Масляный альдегид
—99
76
7
н-Валериановый альдегид
—91
103
Слабо растворим
Капроновый альдегид
131
То же
Энантовый альдегид
—42
155
0,1
Фенилуксусный альдегид
194
Слабо растворим
Бензальдегид
—26
178
0,3
о-Толуиловый альдегид
196
ж-Толуиловый альдегид
199
«-Толуиловый альдегид
205
Салициловый альдегид (о-оксибенз-
2
197
1,7
альдегид)
п-Оксибензальдегид
116
1,4
Анисовый альдегид
3
248
0,2
Ванилин
82
285
1
Пиперональ
37
263
0,2
Ацетон
—94
56
ОО
Метилэтилкетон
—86
80
26
Пентанон-2
—78
102
6,3
Пентанон-3
—41
101
5
Гексанон-2
—35
150
2,0
Гексанон-3
124
Слабо растворим
Метилизобутилкетон
—85
119
1,9
Ацетофенон
21
202
Пропиофенон
21
218
я-Бутирофенон
11
232
Бензофенон
48
306
н2с/Охсн2сн2триоксанн2с/Охсн2сн2триоксанформальдегид, например в реакции Гриньяра, то его получают нагреванием параформальдегида или триоксана
н2с/Охсн2
сн2триоксан
н2с/Охсн2
сн2триоксан
—СН2ОСН2ОСН2О—пара<рорма.лъ8егид
Ацетальдегид, как мы уже знаем из разд. 8.13 и 18.5, получают гидратацией ацетилена или дегидратацией этилового спирта
СН3СНОацеталь-дегидСН3СНОацеталь-дегидНС==СН + Н2О У^незо», ацетилен
СН3СНОацеталь-дегид
СН3СНОацеталь-дегид
СН3СН2ОН ^’-^“Г3^^- этиловый спирт
Основное количество синтезируемого ацетальдегида используется для получения уксусной кислоты (разд. 18.5). Очень часто ацетальдегид сохра-
няют в форме его тримера, паральдегида (СН3СНО)3. Низкокипящий мономер можно получить нагреванием тримера с кислотой
НI н+ЗСН3С=О *=2:ацетальдегид,т. кип. 20 °CНI н+ЗСН3С=О *=2:ацетальдегид,т. кип. 20 °Cпаральдегид, т. кип. 125 °Cпаральдегид, т. кип. 125 °C
Н
I н+
ЗСН3С=О *=2:
ацетальдегид,
т. кип. 20 °C
Н
I н+
ЗСН3С=О *=2:
ацетальдегид,
т. кип. 20 °C
паральдегид, т. кип. 125 °C
паральдегид, т. кип. 125 °C
Бензальдегид получают из толуола хлорированием в боковую цепь (разд. 12.15) с последующим гидролизом бензальхлорида
толуолтолуолнагреваниенагреваниеСНС(2СНС(2н,о,too°cн,о,too°cбензальвегиЗбензальвегиЗбензалмлорцВбензалмлорцВ
толуол
толуол
нагревание
нагревание
СНС(2
СНС(2
н,о,too°c
н,о,too°c
бензальвегиЗ
бензальвегиЗ
бензалмлорцВ
бензалмлорцВ
Этот метод находит некоторое применение при лабораторном получении ароматических альдегидов.
Салициловый альдегид и другие альдегиды, содержащие фенольные группы, синтезируют по реакции Реймера — Тимана (разд. 25.20).
Ряд ароматических альдегидов, используемых в парфюмерии и кондитерской промышленности, получают осторожным окислением непредельной боковой цепи природных соединений (разд. 25.4), например:
ОСН)ОСН3
„КзСгАлуо.
«агве^ее
СН^СНСНзсно
анетоланисовый
<Ш«ке квело)альВегид
ОНОН1,225°С1,225°СОНОНСН2СН=СН2 эвгенол увозВичное масло)СН2СН=СН2 эвгенол увозВичное масло)СН=СНСН3 изоэвгенолСН=СНСН3 изоэвгенол(СН3СО)2О.CHjCOONa, МО’С(СН3СО)2О.CHjCOONa, МО’С
ОН
ОН
1,225°С
1,225°С
ОН
ОН
СН2СН=СН2 эвгенол увозВичное масло)
СН2СН=СН2 эвгенол увозВичное масло)
СН=СНСН3 изоэвгенол
СН=СНСН3 изоэвгенол
(СН3СО)2О.
CHjCOONa, МО’С
(СН3СО)2О.
CHjCOONa, МО’С
ООССНзООССНзООССНзООССНзK2Cr2O„ H3SO„ 75°СK2Cr2O„ H3SO„ 75°Ссн=снсн3ацетат изоэвгеноласн=снсн3ацетат изоэвгенолаСНОацетат ванилинаСНОацетат ванилина
ООССНз
ООССНз
ООССНз
ООССНз
K2Cr2O„ H3SO„ 75°С
K2Cr2O„ H3SO„ 75°С
сн=снсн3
ацетат изоэвгенола
сн=снсн3
ацетат изоэвгенола
СНО
ацетат ванилина
СНО
ацетат ванилина
HSOr.
Н2О, кипячение
еаиилинеаиилин
еаиилин
еаиилин
Задача 19.1. Объясните причину сдвига двойной связи в синтезе изоэвгенола из эвгенола (ср. разд. 12.22).
Задача 19.2. Предложите путь превращения сафрола (стр. 754) в пиперональ.
о-сн-Оо-сн-ОСНОСНОпиперональпиперональ
о-сн-О
о-сн-О
СНО
СНО
пиперональ
пиперональ
Важные растворители — ацетон и метилэтилкетон — получают дегидрированием соответствующих спиртов
Си, 250—300 °C
СН3СН(ОН)СН3 >• сн3—с-сн3 + н2
о изопр1 лиловыйацетон
спирт
Си, 250-300 °C
CHsCh2CH(OH)CH3>- СН3СН2-С-СН3 + н2
IIо«пор-бутиловый спиртметилэтилкетон
Ацетон также получают при брожении крахмала по Вейцману (разд. 15.6) и при синтезе фенола из гидроперекиси кумола (разд. 25.5).
Многие альдегиды и кетоны синтезируют лабораторными методами, описанньми в следующем разделе.
Методы синтеза
Лишь некоторые из многих лабораторных методов синтеза альдегидов и кетонов будут описаны ниже. Большинство из них нам уже знакомо. Некоторые из методов основаны на реакции окисления или восстановления, в которых спирт, углеводород или хлорангидрид превращаются в альдегид или кетон с тем же числом атомов углерода. Другие методы включают образование новых углерод-углеродных связей и дают альдегиды или кетоны с большим числом атомов углерода, чем в исходных веществах.
МЕТОДЫ СИНТЕЗА АЛЬДЕГИДОВ
Окисление первичных спиртов (разд. 16.7 и 19.6)
Си, нагревание.
RCH2OH —| КгСггО7 |— R—С=Опервичныйальдегид
спирт
Примеры:
Си, 250-300 °с
СН3СН2СН2СН2СН2ОН•- СН3СН2СН2СН2СНО я-пентиловый спиртя-валериановый альдегид
(пентанол-1)(пентаналь)
«-бутиральдегид(«-масляный альдегид,бутаналь), т. кип. 76 °C«-бутиральдегид(«-масляный альдегид,бутаналь), т. кип. 76 °C2. Окисление метилбеизолов (разд.С|2, нагреваниеАгСН3 —► СгОз> уксусныйангидрид2. Окисление метилбеизолов (разд.С|2, нагреваниеАгСН3 —► СгОз> уксусныйангидрид19.6)19.6)н2оАгСНС12 АгСН(ООССНз)2 —н2оАгСНС12 АгСН(ООССНз)2 —АгСНОАгСНОПримеры:Примеры:
«-бутиральдегид(«-масляный альдегид,бутаналь), т. кип. 76 °C
«-бутиральдегид(«-масляный альдегид,бутаналь), т. кип. 76 °C
2. Окисление метилбеизолов (разд.
С|2, нагревание
АгСН3 —► СгОз> уксусный
ангидрид
2. Окисление метилбеизолов (разд.
С|2, нагревание
АгСН3 —► СгОз> уксусный
ангидрид
19.6)
19.6)
н2о
АгСНС12
АгСН(ООССНз)2 —
н2о
АгСНС12
АгСН(ООССНз)2 —
АгСНО
АгСНО
Примеры:
Примеры:
К2СГ2О7, H2SO4СН3СН2СН2СН2ОН► СН3СН2СН2СНО
нагревание
н-бутиловый спирт(бутанол-1),т. кип. 118 °C
в,©сн, -5^=4 в,©сна, E^S> в,©сно
п-бром толуолп бромбенза/кдегид
к-нитротолуолк-нитротолуолc^3.№i^O2N</^CH(oro^o2n^>cho
к-нитротолуол
к-нитротолуол
пиигпробемзальвегиВ
Восстаиовлеиие хлораигидридов (разд. 19.5)
Н2, Pd— BaSO4, катализатор отравлен
RCOC1 или АгСОС! —ттгт——7777”.► RCHO или АгСНО
или L1A1H[O—С(СН3)3]3
хлорангидридальдегид
Примеры:
o2n@coci _М2СЛ^З о2м@сно
п-нитроблнзоилхлоридп-нитроблнзоилхлоридп - нитробензальдее идп - нитробензальдее ид
п-нитроблнзоилхлорид
п-нитроблнзоилхлорид
п - нитробензальдее ид
п - нитробензальдее ид
Н2, Pd-BaSO4, катализаторотравлен
фелилауетилхлоридфелилауетилхлоридфенилауетальдегидфенилауетальдегид
фелилауетилхлорид
фелилауетилхлорид
фенилауетальдегид
фенилауетальдегид
Реакции Реймера—Тимана. Альдегиды, содержащие феиольиую группу (разд.
25.20)‘'
МЕТОДЫ СИНТЕЗА КЕТОНОВ
Окисление вторичных спиртов (разд. 16.7)
R—С—R'IIОкетонR—С—R'IIОкетонСи, нагреваниеRCHOHR' -|КМпО4.сгО3ННЛИ К2СГ2О7
R—С—R'IIОкетон
R—С—R'IIОкетон
вторичныйспирт
Примеры:
Си, 250 °ссн3сн2сн2сн2снсн2сн3»■ ai3CH2ai2cii2ccH2cii3
III
ОНо
гептанол-3гептанон-3
(этил-н-бутилкетон)
К2СГ2О7, H2SO4К2СГ2О7, H2SO4сн3сн3O2N^ СОС1 + <§>сн3и-Ш1П1ро5ензогтхлорц8 толуолO2N^ СОС1 + <§>сн3и-Ш1П1ро5ензогтхлорц8 толуолАЮ,АЮ,<^О-с-@сн3<^О-с-@сн3Оп. нитрофенил-п-толиллетонОп. нитрофенил-п-толиллетон
К2СГ2О7, H2SO4
К2СГ2О7, H2SO4
сн3
сн3
O2N^ СОС1 + <§>сн3
и-Ш1П1ро5ензогтхлорц8 толуол
O2N^ СОС1 + <§>сн3
и-Ш1П1ро5ензогтхлорц8 толуол
АЮ,
АЮ,
<^О-с-@сн3
<^О-с-@сн3
О
п. нитрофенил-п-толиллетон
О
п. нитрофенил-п-толиллетон
С^з^СНц
(—)-ментон
Ацилирование по Фриделю—Крафтсу (разд. 19.7)
А1С13
R —Сх+ АгН* R—С—Ar + НС1
Хи]ИЛИ другая
1кислота Льюиса
хлорангидридкетон
кислоты
Примеры:
л-С$НпСОС1 + <5^-^>д.С5Ни-С-^> 4- HCI капраилморид'
н-петппилфенилкетпан
(НС происходит перегруппировке в В-веишильной группе!
©соа + <б) -^ О-^-^О + наобензофенон(дифениллетон)
(СН3СО)2О + ^> уксусный аузийрий(СН3СО)2О + ^> уксусный аузийрий^> сн3-с-н^> + СНзСООНоацетофенон
(СН3СО)2О + ^> уксусный аузийрий
(СН3СО)2О + ^> уксусный аузийрий
(метилфенилкетон)
Реакция хлорангидридов с кадмийоргаиическими соединениями (разд. 19.8)
CdCl2
R'MgX »- R^Cd —
RCOC1—► R—C—R' или Ar—C—R'
или - IIfl
Примеры:Примеры:ArCOCl ^, — арцл или первитьи1 алкил
Примеры:
Примеры:
СН3 CdCl2I
CH3CH2CH2CH2MgBr > (CH3CH2CH2CH2)2Cd 2CH3CHCOC1
ди-н-бутилкадмий изобутирил- jхлорид
CH3
2CH3CH2CiI2CH2CCHCH3
изопропил-н- бутилкетон(2-метилгептанои-З)
СН3си?сн3
О
Вг-^ OM8Br ~^ <(O))2Cd 2СН3СН2СН2СОС1
'—''—'буширчлхпорид
м-Брсаплол^ол|1
СНз
^О)ссн2сн2сн3
о
&-$рйШл*алчайкияке№®
Синтез при помощи ацетоуксусного эфира (разд. 30.4)
Декарбоксилирование кислот (разд. 29.6)
В зависимости от доступности исходных веществ алифатические альдегиды можно синтезировать из спиртов или хлорангидридов алифатических кислот с тем же числом атомов углерода, а ароматические альдегиды — из метилбензолов или хлорангидридов ароматических кислот
RCH2OH -|
—*■ RCHOСинтез алифатических альдегидов
RCOOH» RCOC1 —I
АгСН3 —।
-* АгСНО Синтез ароматических альдегидов АгСООН» ArCOCl —I
Существует также ряд методов, при помощи которых альдегидная группа вводится в ароматическое кольцо; например синтез альдегидов, содержащих фенольную группу, по Реймеру — Тиману (разд. 25.20).
Алифатические кетоны легко получаются из соответствующих вторичных спиртов, если последние доступны. Более сложные алифатические кетоны можно синтезировать по реакции хлорангидридов с кадмийорганически- ми соединениями
RR'CHOH
-*■ R—С—R'Синтез алифатических
RCOOH> RCOC1IIкетонов
О
Особенно часто для получения сложных алифатических кетонов используется синтез при помощи ацетоуксусного эфира, который будет рассмотрен в разд. 30.4.
(разд. 25.11)
АгВг> ArMgBr -
АгСООН —
. „ RCOCl(Ar'COCl), А1С13
АгН " "
.RCOCi(Ar'COCl) „ . __.. _. мСинтез ар
—> Аг2Са► ArCR(Ar САг )матически
||||кетонов
-> ArCOCl -^^^-^°°
Ароматические кетоны, содержащие карбонильную группу, непосредственно связанную с ароматическим кольцом, можно легко синтезировать ацилированием по Фриделю — Крафтсу (разд. 19.7) или по модификации этой реакции, известной под названием перегруппировки Фриса
Синтез альдегидов окислением
Как будет показано в разд. 19.10, альдегиды окисляются гораздо легче любых других классов органических соединений, которые уже изучены. В действительности именно по легкости окисления легче всего распознать альдегиды. Как же в таком случае остановить окисление первичного спирта или метилбензола (разд. 19.5) на стадии образования альдегида? Очевидно, что окисляющий агент, который может окислять спирт или метилбензол, наверняка будет окислять альдегид.
Один из путей, и, вероятно, самый лучший, заключается в использовании метода каталитического дегидрирования над раскаленной медью. Другой путь основан на использовании характерной особенности физических свойств альдегидов: они всегда кипят ниже, чем спирты, из которых они образуются (почему?). Например, ацетальдегид кипит при 20 °C, а этиловый спирт — при 78 °C. Если раствор бихромата калия в серной кислоте прибавлять по каплям в кипящий этиловый спирт, то ацетальдегид, образующийся в среде, температура которой на 60° выше его температуры кипения, удаляется из реакционной среды, прежде чем он успевает подвергнуться окислению в ощутимой степени. Реакцию проводят в колбе, снабженной колонкой, что позволяет удалять альдегид и возвращать спирт в реакционную среду.
В случае метилбензолов окисление боковой цепи может быть подавлено превращением альдегида в его неокисляемое производное — аеи-диацетат (от латинского Gemini — близнецы), которое выделяют и затем гидролизуют.
уксусный ангидридгидролиз
АгСН3 + СгО3*- АгСН(ОССН3)2 > АгСНО
*II
Огел-диацетат,не окисляется
Задача 19.3. Эфиром какого спирта является гем-днацетат?
Задача 19.4. Оптически активные спирты, в которых асимметрический атом углерода связан с гидроксилом, подвергаются рацемизации в кислых растворах. Почему? Опишите подробно экспериментальную методику (включая прибор) для изучения стереохимии кислотного гидролиза emop-бутилбензоата в условиях, исключающих рацемизацию спирта после гидролиза. emop-Бутилбензоат имеет т. кип. 234°, а азеотроп спирт — вода (68% втор-бутилового спирта и 32% воды) кипит при 88,5 °C.
Синтез кетонов ацилированием по Фриделю — Крафтсу
В одной из важнейших модификаций реакции Фриделя—Крафтса вместо ал кил галогенидов используются хлорангидриды. В результате ацильная группа RCO- связывается с ароматическим кольцом, давая кетон, и процесс в целом называется ацилированием. Как и обычно для реакции Фриделя— Крафтса (разд. 12.8), ароматическое кольцо, подвергавшееся замещению, должно быть достаточно реакционноспособным — не менее, чем галогенбен- золы; необходимо использовать катализатор — хлористый алюминий или другую кислоту Льюиса.
А1С13
АгН + R—С< > Аг—С—R + НС1
ХС1||'
О
кетон
(1)(1)RCOC1 + А1С13RCOC1 + А1С13RC=O + А1С17RC=O + А1С17(2)(2)АгН + RC=OАгН + RC=O+ /Н Аг<+ /Н Аг<CORCOR
(1)
(1)
RCOC1 + А1С13
RCOC1 + А1С13
RC=O + А1С17
RC=O + А1С17
(2)
(2)
АгН + RC=O
АгН + RC=O
+ /Н Аг<
+ /Н Аг<
COR
COR
Наиболее вероятный механизм реакции ацилирования по Фриделю — Крафтсу аналогичен карбоний-ионному механизму алкилирования по Фриделю— Крафтсу (разд. 11.14) и включает следующие стадии:
(3)(3)Ar—C—R + HC1 + A1C13 IIAr—C—R + HC1 + A1C13 IIоЛ -нитпробензофеионоЛ -нитпробензофеионo2ncoci *^~ (Сп соонo2ncoci *^~ (Сп соон
(3)
(3)
Ar—C—R + HC1 + A1C13 II
Ar—C—R + HC1 + A1C13 II
о
Л -нитпробензофеион
о
Л -нитпробензофеион
o2n
coci *^~ (Сп соон
o2n
coci *^~ (Сп соон
+ /Н
Ar< 4- А1С17XOR
О
Эта реакция вполне укладывается в общую схему электрофильного замещения в ароматическом ряду, причем атакующим реагентом в этом случае 4е
служит ион ацилия К—С = О. Ацилий-ион значительно устойчивее, чем обычные карбониевые ионы, прскольку в нем каждый атом имеет октет электронов.
[Альтернативой этого механизма является механизм, в котором электрофилом служит комплекс хлорангидрида с кислотой Льюиса
RCCI=O—A1C1S. В этом случае по отношению к хлорангидриду реакция является реакцией нуклеофильного замещения по ацильной группе, катализируемой кислотой (аналогичные реакции рассмотрены в разд. 20.4), причем в роли нуклеофила выступает ароматическое кольцо J
При выборе схемы синтеза диарилкетонов АгСОАг' особенно существенно выбрать правильное сочетание ArCOCl и Аг'Н. Например, при получении .и-нитробензофенона нитрогруппа может присутствовать в хлорангидри- де, но не в кольце углеводорода, вступающего в реакцию замещения, поскольку эта группа — сильно дезактивирующая группа и нитробензол не вступает в реакцию Фриделя — Крафтса (разд. 21.8).
толуолтолуол
толуол
толуол
at зшшробензоилхлориб м нишробензойная кислота
HNO„ HjSO,
бензойная кислота
Реакция не происходит «^^З- o2N
нитробензол бензоилхлорид
Ацилирование по Фриделю — Крафтсу — один из важнейших методов синтеза кетонов, в которых карбонильная группа связана с ароматическим кольцом. В свою очередь эти кетоны можно превратить во вторичные спирты восстановлением, в третичные спирты реакцией Гриньяра и во многие другие классы соединений, как будет показано ниже.
Особенно важна реакция превращения ацильной группы в алкильную группу. Этого можно достигнуть с помощью восстановления по Клемменсену (амальгамированный цинк и концентрированная соляная кислота) или восстановлением по Кижнеру — Вольфу (гидразин и основание), например:
^с(сн2)4сн3 ^^> ^^сн2(сн2)4сн3
Ои.-гексилбензол
н-пемтилфенилкетон
н3сн3с
<@ссн2сн2сн3^)сн2сн2сн2сн3
О«и-(н.-6упшл)1палуол
н-пропил-м-толилхетоп
Неразветвленную алкильную группу, большую чем этильная, обычно нельзя ввести в ароматическое кольцо путем алкилирования по Фриделю — Крафтсу из-за перегруппировки (разд. 12.7). Однако такую группу легко ввести при помощи двустадийного процесса: 1) получение кетона ацилированием по Фриделю — Крафтсу (или по реакции кадмийорганических соединений с хлорангидридами, описанной в следующем разделе) и 2) восстановление кетона по Клемменсену или Кижнеру — Вольфу.
Синтез кетонов с использованием кадмийорганических соединений
Реактивы Гриньяра взаимодействуют с сухим хлористым кадмием, давая соответствующие кадмийорганические соединения, которые при реакции с хлорангидридами дают кетоны
2R'MgX + CdCI2> R2Cd + 2MgXClR'—арил или первичный алкил
R2Cd + 2RCOC1> 2R—С—R' + CdCl2
Окетон
В этом случае, как и в других реакциях (разд. 20.7), хлорангидрид подвергается нуклеофильному замещению, причем в качестве нуклеофила реагирует основная алкильная или арильная группа металлорганического соединения.
Только те кадмийорганические соединения, которые содержат арильную или первичную алкильную группу, достаточно устойчивы, чтобы их можно было использовать в этой реакции. Однако, несмотря на это ограничение, рассматриваемый метод представляет собой один из наиболее важных методов для синтеза кетонов.
Сами реактивы Гриньяра также способны реагировать с хлорангидридами, однако при этом обычно получаются третичные спирты, вероятно, за счет реакции первоначально образующихся кетонов с избытком реактива Гриньяра. (Если необходимо получить третичные спирты, то их лучше синтезировать не из хлорангидридов, а из сложных эфиров, разд. 20.20.) Кадмийорганические соединения, будучи менее реакционноспособными, не реагируют с кетонами.
Относительно низкая реакционная способность кадмийорганических соединений не только позволяет синтезировать кетоны, но и делает этот метод широко применимым. Кадмийорганические соединения не реагируют
со многими функциональными группами, с которыми реагируют реактивы Гриньяра, например —NO2) —CN, —СО—, —COOR. Поэтому наличие какой-либо из этих групп в молекуле хлорангидрида не сказывается на синтезе кетона (ср. с разд. 15. L7), например:
COCI + (CH3)2Cd
п-нишробензоилхлорий бимешилпаймий
* 2O2N^>-C-CH3 + CdCI2
О
ти-нитроацетпофемон(метил-п-нитрофениллетон)
СН3ОССН2СН2ССГ + ((CH3)2CHCH2CH2J2Cd
сн3осси2сл2ссн2сн2сн(а13)2
о
диизопентилкадмий
метил-4-кето-7-метилоктаноат(у-кетоэфир)
Задача 19.5. Можно ли получить n-нитроацетофенон взаимодействием ди-(п-нитрофенил)- кадмия (n-OaNCeH4)2Cd с ацетилхлоридом?
19.9. Реакции. Нуклеофильное присоединение
Химия альдегидов и кетонов определяется наличием карбонильной группы. Эта группа, во-первых, является местом нуклеофильной атаки и, во-вторых, увеличивает кислотность атомов водорода, связанных с а-угле- родным атомом. Оба эти эффекта вполне согласуются со строением карбонильной группы, и по сути дела оба обусловлены способностью кислорода принимать отрицательный заряд.
(В этой главе рассмотрены лишь простейшие типы реакций нуклеофильного присоединения. В гл. 27 будут обсуждены также реакции a-водородных атомов.)
Карбонильная группа содержит двойную углерод-кислородную связь; поскольку подвижные л-электроны сильно оттянуты к кислороду, углерод карбонильной группы является электронодефицитным центром, а кислород карбонильной группы — электроноизбыточным. Поскольку эта часть молекулы плоская, она относительно доступна для атаки сверху или снизу от этой плоскости в направлении, перпендикулярном к ней. Не удивительно, что эта доступная поляризованная группа очень реакционноспособна.
Какого рода реагенты будут атаковать такую группу? Поскольку важнейшая стадия в этих реакциях — образование связи с электронодефецит- ным (кислым) карбонильным углеродом, то карбонильная группа более всего склонна к взаимодействию с электроноизбыточными нуклеофильными реагентами, т. е. с основаниями. Типичными реакциями альдегидов и кетонов будут реакции нуклеофильного присоединения.
Нуклеофильное присоединение
/ ОН
Реагент „ Перелайте состояние(тригональный) (переходное к тетраэдри-Реагент „ Перелайте состояние(тригональный) (переходное к тетраэдри-
Реагент „ Перелайте состояние(тригональный) (переходное к тетраэдри-
Реагент „ Перелайте состояние(тригональный) (переходное к тетраэдри-
на кислородена кислородеческому), частичный отрицательный заряй
на кислороде
на кислороде
Продукт реакции (тетраэдрический), отрицательный заряд на кислороде
Как и следовало ожидать, наиболее верную картину реакционной способности карбонильной группы можно получить, если рассмотреть переходное состояние для присоединения нуклеофила. В реагенте атом углерода тригонален. В переходном состоянии атом углерода начинает принимать тетраэдрическую конфигурацию, которую он будет иметь в продукте; таким образом, связанные с ним группы несколько сближаются. Поэтому можно ожидать проявления некоторых пространственных затруднений, т. е. большие группы (R и R') будут в большей степени препятствовать этому сближению, чем группы меньшего размера. Но переходное состояние в этой реакции будет относительно менее затрудненным, чем переходное состояние для, скажем, 5м2-реакции, в котором углерод связан с пятью атомами. Именно эта относительная незатрудненность и имеется в виду, когда говорят, что карбонильная группа доступна для атаки.
В переходном состоянии кислород начинает приобретать электроны и отрицательный заряд, который он будет иметь в конечном продукте. Именно тенденция кислорода приобретать электроны, точнее его способность нести отрицательный заряд, и является действительной причиной реак- ционноспособности карбонильной группы по отношению к нуклеофилам. (Полярность карбонильной группы не является причиной реакционноспо- собности, а лишь еще одним проявлением электроотрицательности кислорода.)
Альдегиды, как правило, легче вступают в реакцию нуклеофильного присоединения, чем кетоны. Это различие в реакционной способности согласуется с характером промежуточного состояния реакции и, по-видимому, объясняется совместным действием электронных и пространственных факторов. Кетон содержит вторую алкильную или арильную группу, а альдегид — атом водорода. Вторая арильная или алкильная группа кетона больше, чем атом водорода в альдегиде, и поэтому она в большей степени будет препятствовать увеличению пространственной затрудненности в переходном состоянии. Алкильная группа подает электроны и тем самым дестабили- зует переходное состояние за счет усиления отрицательного заряда на кислороде.
Можно было ожидать, что арильная группа с ее электронооттягивающим индуктивным эффектом (задача 18.7, стр. 572) будет стабилизовать переходное состояние и тем самым ускорять реакцию; однако, по-видимому, этот эффект еще в большей степени стабилизует исходный кетон вследствие резонанса (вклад структуры I) и в результате дезактивирует кетон в рассматриваемой реакции.
В присутствии кислоты ион водорода связывается с карбонильным кислородом. Это предварительное протонирование снижает Еата для нуклео-
Катализируемое кислотой нуклеофильное присоединение
R'
2)с=о
н* R*н* R*лтегче претерпевает Ицкпыкрилъную атакултегче претерпевает Ицкпыкрилъную атаку* R'-£x/ ОН* R'-£x/ ОНR
н* R*
н* R*
лтегче претерпевает Ицкпыкрилъную атаку
лтегче претерпевает Ицкпыкрилъную атаку
* R'-£x
/ ОН
* R'-£x
/ ОН
фильной атаки, поскольку оно позволяет кислороду приобрести пару л- электронов, не получая при этом отрицательного заряда. Таким образом, присоединение к альдегидам и кетонам может катализироваться кислотами (иногда кислотами Льюиса).
РЕАКЦИИ АЛЬДЕГИДОВ И КЕТОНОВ
Окисление (разд. 19.10)
Альдегиды
RCHO или ArCHO —RCHO или ArCHO —• 2Ag + СН3СОО" + 4МН3 + 2Н2О Проба Толленса серебряноезеркало• 2Ag + СН3СОО" + 4МН3 + 2Н2О Проба Толленса серебряноезеркало
RCHO или ArCHO —
RCHO или ArCHO —
• 2Ag + СН3СОО" + 4МН3 + 2Н2О Проба Толленса серебряное
зеркало
• 2Ag + СН3СОО" + 4МН3 + 2Н2О Проба Толленса серебряное
зеркало
Примеры:
СН3СНО + 2Ag(NH3)J + ЗОН" бесцветный раствор
Метилкетоны
Ag(NH3)3
KMnO4
> RCOOH или АгСООН
КгСтгОтЛ Используется в основном для обнаружения альдегидов
R—С—СН3
или
Ar—С—СНЭ
О
Примеры:
О
ОХ
>• RCOO" или АгСОО" + СНХ3 Галоформная реакция
G^—С—СН3 + 301-
О
С2Н6СОО- + СН13 + 2ОН- иодоформ, желтого цвета, т. пл.
119 °C
СН3
IКОС!
СН3С=СНССН3 -^-> СНС13 + СН3<
СН3
СН3
О
Ih2so4 I
,С=СНСООК> CHg—С=СНСООН
3-метилбутен- 2- оваякислота
11—С—ОН—С—ОНОНОНLIAIH4 или NaBH4, затем Н+ fLIAIH4 или NaBH4, затем Н+ f
1
1
—С—ОН
—С—ОН
ОН
ОН
LIAIH4 или NaBH4, затем Н+ f
LIAIH4 или NaBH4, затем Н+ f
окись мезитила(4-метилпентен-3-он-2)
Восстановление
а) Восстановление в спирты (разд. 19.11)
Н2 + Nl, Pt или Pd
,с=о —
Примеры:
циклопеитанон
циклопентанол
СН3 ^hi
н+
ОН
ацетофенон
«.-фенилэтиловый спирт
б) Восстановление в углеводороды
Zn(Hg), КОНЦ, на
(разд. 19.11)
-С-Н
Примеры:
в)
Г)
3.
4.
с=о —
СН)СНгСН;СОС1
NH2NH2, основание
Н
—с—н
н
Он-бутирофенон(к-пролилфвнилкетон)
Н\/Н
NH2NH2. основание
О
циклопентанон
Восстановление по Клемменсену; для соединений, чувствительных к основаниям
Восстановление по Кижнеру— Вольфу; для соединений, чувствительных к кислотам
Zn(HgX -—
^ч-™> ^СН2СН2СН2СН3
Восстановление в пинаконы (разд. 28.4)
Восстановительное аминирование (разд. 22.11)
Присоединение
Присоединение
Примеры:
Н
к-бутпилбенаол
циклопентан
реактивов Гриньяра (разд. 15.14—15.17 и 19.12)
о
Н2О | > —С—R
OMgX
он
цианид-нона. Образование циангидрина (разд.
+ CN~
ОН
19.14)
о
циангидрин
Н
Н
СН3—С=О 4- NaCN (води.) ацетальдегид
H2SO4
н2о, на
СН3-
,—с—соон
он
он
циангидринацетальдегида
молочная кислота(к-оксипропионо-вая кислота)
бензальдегид
NaHSO,
и
ОНаддукт с бисульфитом
NaCN
н
ОН
нитрилминвальной кислоты
нго, на
Н
ОНминдальная кислота
СН3
СН3
СН3—С—СООН
1
ОН
H2SO4
ГН С-СИ । КТоГМ •- >
1Н2о, H2SO4
ГНс гы—
II о
Ан
ацетон
ацетонциангидрин
1
сн3
1
СН..=С—СООН
метакриловая кислота (2-метилпропеновая кислота)
5. Присоединение бисульфита (разд, 19.15)
Используется для очистки карбонильных соединений, но не для пространственно затрудненных кетоновИспользуется для очистки карбонильных соединений, но не для пространственно затрудненных кетоноваддукт сбисульфитомаддукт сбисульфитом^С^ + Na+HSO~ > —i—SO^Na*ООН
Используется для очистки карбонильных соединений, но не для пространственно затрудненных кетонов
Используется для очистки карбонильных соединений, но не для пространственно затрудненных кетонов
аддукт сбисульфитом
аддукт сбисульфитом
Примеры:
бензальдегид
СН3СН2ССН3 + Na+HSO3
СН3
» CH3ChJ—SO3Na+
ОН
метилэтилкетон(бутанон-2)
СН3 СН3
I I
СН3СН—С—СНСН3 + Na^HSO^>
IIО
диизопропилкетон(2,4-диметилпентанон-3)
реакция не происходит
6. Присоединение производных аммиака (разд. 19.16)
+ h2n-g
- I
—С—NH-G
I
ОН
» /С=М—G 4- Н2О
Используется дляидентификации
.C=NOH.C=NOH^>C=NNHC6H5^>C=NNHC6H5^>C=NNHCNH2^>C=NNHCNH2
.C=NOH
.C=NOH
^>C=NNHC6H5
^>C=NNHC6H5
^>C=NNHCNH2
^>C=NNHCNH2
HgN—G
H3N—ОНГидроксиламин
H2N—NH2Гидразин
H2N—NHC6H5Фенилгидразин
Н2М—NHCONH2 Семикарбазнд
Продукт
Оксим
Гидразон
Фенилгидразон
Семикарбазон
Примеры:
НН
Iн+ I
СН3—С=О + H2N—ОН > CH3C=NOH + Н2О
ацетальдегид гидроксил- ацетальдоксим амин
_ Н^^-c=nnhc6h5 + н2о_ Н^^-c=nnhc6h5 + н2о(рекилгд1дра.зон бензальдегида.(рекилгд1дра.зон бензальдегида.Н
_ Н
^^-c=nnhc6h5 + н2о
_ Н
^^-c=nnhc6h5 + н2о
(рекилгд1дра.зон бензальдегида.
(рекилгд1дра.зон бензальдегида.
<§>-с=о + h2n—NHC6Hs -^
бензальдегид «ренилгидразин
сн3 н+ I СН3СОСН3 4- H2N—NHCONH, >■ CH3C=NNHCONH2 + Н2О
ацетон семикарбазидсемикарбазон
ацетона
Присоединение спиртов. Образование ацеталей (разд. 19.17) \ /н+ |
С + 2ROH —С—OR + Н2О
III '
ОOR
ацеталь
Пример;
НН
Iна I
СН3—С=О + 2С2Н5ОН ч=^ СН3—С—Оед + Н2О ацетальдегид^
ацеталь (диэтил-ацеталь ацеталь-дегида)
Реакция Канниццаро (разд. 19.18)
Н
| сильное основание
2 —С=О► —ООО- + —CI Т2ОН
альдегид, не содержащий а-водородныхатомовальдегид, не содержащий а-водородныхатомовсоль спирт кислотысоль спирт кислоты
альдегид, не содержащий а-водородных
атомов
альдегид, не содержащий а-водородных
атомов
соль спирт кислоты
соль спирт кислоты
Примеры:
50%-ный NaOH
2 нсно^ нсоо~ + СН3ОНкомн. темп.
формаль-формиат-метиловый
дегидионспирт
СН3СН3СН3
|50%-ный спирт, КОНII
2СН3—С—ОНО► СН3—С—СОО' + сн3—с—сн2—он
III
сн3сн3сн3
триметилуксусныйтриметилацетат- неопентиловый
альдегидионспирт
сно
^и.-хлорбетальйегийаь-хлорбензоатп- л хлорбензиловые
ионспирт
сн2он
+ HCHo5«™,=N-OH.65‘C
ОСНз
1оснз 4 НС°°” ОСН3
Перекрестная реакция "Канниццаро
вератровый альдегид
( 3,4-^ин1етоксибензальдегий)
3,4 -йиметпоксибснзиловый спирта
Галогенирование (разд. 27.3. и 27.5) °°
|| Iкислота или i! |
—с—с— + Х2» —С—С— + их।основание;
НX
X = С12, Вг2, 12
Присоединение карбанионов (разд. 27.6—27.11) а) Альдольная конденсация
основаниеоснованиеили кислотаили кислота—С-А—с=о—С-А—с=оонон
основание
основание
или кислота
или кислота
—С-А—с=о
—С-А—с=о
он
он
альдоль (Р-окси-карбоннльноесоединение)
Конденсация по Перкину
R
АгСНО + (RCH2CO)2O*■ АгСН=С—СООН R может быть Н
а.Р-ненасыщенная кислота
Окисление
Из всех органических соединений, которые до сих пор были изучены, альдегиды окисляются наиболее легко. Они превращаются в карбоновые кислоты не только при действии таких реагентов, как перманганат или бихромат, но даже при действии таких слабых окислителей, как ион серебра. Окисление ионом серебра требует щелочной среды, для предотвращения осаждения нерастворимой окиси серебра добавляют комплексообразующий реагент — аммиак.
Реактив Толленса содержит комплексно связанный ион серебра Ag(NH3)2- При окислении альдегида ион серебра восстанавливается до свободного серебра (при подходящих условиях выделяется в виде зеркала).
RCHO 4- Ag(NH3)2>RCOO“ + Ag бесцветныйсеребряное
растворзеркало
(Окисление комплексно связанным ионом меди характерно для некоторых замещенных карбонильных соединений и будет рассмотрено в разд. 33.6.)
Необыкновенная легкость, с которой альдегиды подвергаются окислению, используется главным образом при идентификации этих соединений и особенно для того, чтобы отличить их от кетонов (разд. 19.19). Эта реакция представляет синтетический интерес в тех случаях, когда альдегиды более легко доступны, чем соответствующие кислоты, в частности для синтеза непредельных кислот из непредельных альдегидов, получаемых в результате альдольной конденсации (разд. 27.7). Окисление этих альдегидов реактивом Толленса основано на том, что этот реагент не затрагивает двойную углеродуглеродную связь.
Н
В а RCH=CH—СООНВ а RCH=CH—СООН₽ а | реактив ТолленсаRCH=CH—С=О»
В а RCH=CH—СООН
В а RCH=CH—СООН
аф-ненасыщенныйальдегидаф-ненасыщенныйальдегида,Р-ненасыщеннаякислотаа,Р-ненасыщеннаякислота
аф-ненасыщенныйальдегид
аф-ненасыщенныйальдегид
а,Р-ненасыщеннаякислота
а,Р-ненасыщеннаякислота
Окисление кетонов требует разрыва углерод-углеродной связи и поэтому происходит лишь в довольно жестких условиях (исключение составляет галоформная реакция, рассматриваемая ниже). Реакция редко представляет интерес для синтеза; многие кетоны могут расщепляться с любой стороны карбонильной группы, приводя к образованию смеси кислот, например
расщепление С2—Сз 65432 1
в 543 21СН3СН2СН2ССН2СН3в 543 21СН3СН2СН2ССН2СН3КМпО4, Н+ нагреваниеКМпО4, Н+ нагревание* СН3СН2СН2СООН + НООССН3
в 543 21
СН3СН2СН2ССН2СН3
в 543 21
СН3СН2СН2ССН2СН3
КМпО4, Н+ нагревание
КМпО4, Н+ нагревание
расщепление Сз—Са 6548 21
* СН3СН2СОО11 + ПООССН2СН3
Эта реакция, однако, важна для циклических кетонов, которые дают дикарбоновые кислоты (разд. 29.3).
Задача 19.6. Предскажите, какое соединение образуется при энергичном окислении циклогексанона?
Метилкетоны гладко окисляются с помощью гипогалогенитов— галоформная реакция (разд. 16.11). Эта реакция используется не только для идентификации этих кетонов (разд. 19.19), но также часто оказывается полезной в синтезе, поскольку гипогалогенит не затрагивает двойную углерод-углеродную связь, например:
Н СН3Z^X । । \О/ С=С—С—СН3 -II 3О получается из продукта, альдольной конденсации (разд. 27. Э)Н СН3Z^X । । \О/ С=С—С—СН3 -II 3О получается из продукта, альдольной конденсации (разд. 27. Э)КОС!КОС!О/~С=С-СООН + СНС13О/~С=С-СООН + СНС13а-метилнорична я кислота.а-метилнорична я кислота.
Н СН3
Z^X । । \О/ С=С—С—СН3 -
II 3
О получается из продукта, альдольной конденсации (разд. 27. Э)
Н СН3
Z^X । । \О/ С=С—С—СН3 -
II 3
О получается из продукта, альдольной конденсации (разд. 27. Э)
КОС!
КОС!
О/~С=С-СООН + СНС13
О/~С=С-СООН + СНС13
а-метилнорична я кислота.
а-метилнорична я кислота.
Восстановление
Альдегиды восстанавливаются в первичные спирты, а кетоны — во вторичные либо в результате каталитического гидрирования, либо путем использования таких восстанавливающих агентов, как алюмогидрид лития LiAlH4. Эти реакции используют для синтеза ряда спиртов, которые менее доступны, чем соответствующие карбонильные соединения, особенно те,
которые можно получить альдольной конденсацией (разд. 27.8), например:
ОН ОН
циклопентанон циклопентанол
Н2, №
СН3СН=СНСНО >- СН3СН2СН2СН2ОН
кротоновый альдегид, «-бутиловый спирт
^получается из продукта
альдольной конденсации
ацетальдегида)
^>СН=СНСНО ^^ -^ <^СН=СНСН2ОН
коричный альдегидкоричный спирт
(получается из продукта
альдольной конденсации
бензальдегида и ацетальдегида)
(разд. 27-9)
Борогидрид натрия NaBH4 не восстанавливает двойные углерод-углеродные связи, даже если они сопряжены с карбонильными группами," и поэтому используется для восстановления таких ненасыщенных карбонильных соединений в непредельные спирты. (Восстановление гидридами металлов рассмотрено как нуклеофильное присоединение в разд. 19.13.)
Альдегиды и кетоны восстанавливаются в углеводороды при действии а) амальгамированного цинка и концентрированной соляной кислоты (восстановление по Клемменсену) или б) гидразином и сильным основанием типа КОН или mpem-бутилатом калия (восстановление по Кижнеру — Вольфу). Эти методы особенно важны в применении к алкиларилкетонам, получаемым при ацилировании по Фриделю — Крафтсу, поскольку таким косвенным путем можно ввести неразветвленнуюцепь в ароматическое кольцо, например:
CH/CH^.COOH, ZnCtyCH/CH^.COOH, ZnCtyОНОНрезорцинрезорцинонОН
CH/CH^.COOH, ZnCty
CH/CH^.COOH, ZnCty
ОН
ОН
резорцин
резорцин
Zn(Hg),HCl Г<>1онк^он
СО(СН2)4СН3СН2(СН2)4СН3
4-кгексилрезорчин (используется в качестве антисептического средства,)
Бимолекулярное восстановление карбонильных соединений в пинаконы будет рассмотрено в разд. 28.4.
Особым видом реакции окисления — восстановления является реакция Канниццаро (разд. 19.18).
Присоединение реактивов Гриньяра
Присоединение реактивов Гриньяра к альдегидам и кетонам уже было рассмотрено как один из наиболее важных методов получения сложных спиртов (разд. 15.14—15.17).
Органический остаток, переносимый вместе с парой электронов от магния на карбонильный углерод, является мощным нуклеофилом
R
,С=О + R)MgX,С=О + R)MgX- 4-
,С=О + R)MgX
,С=О + R)MgX
—С—OMgX
Соединения магния (RMgX, R2Mg, MgX2), действующие как кислоты Льюиса, катализируют присоединение таким же образом, как это было отмечено раньше для случая протона
:=о + км8х *=* ^c=OMgX:=о + км8х *=* ^c=OMgX* -C-OMgX + RMgX* -C-OMgX + RMgXЛегче "подвергается лчдлеофилъноц атакеЛегче "подвергается лчдлеофилъноц атаке
:=о + км8х *=* ^c=OMgX
:=о + км8х *=* ^c=OMgX
* -C-OMgX + RMgX
* -C-OMgX + RMgX
Легче "подвергается лчдлеофилъноц атаке
Легче "подвергается лчдлеофилъноц атаке
Восстановление гидридами металлов
Альдегиды и кетоны восстанавливаются в спирты гладко и с хорошими выходами при действии гидридов металлов типа алюмогидрида лития LiAlH4
н2о
4R2CO + LiAlH4» (R2CHO)4AlLi > 4R2CHOH + LiOH + A1(OH)3
Эта реакция в основе своей вполне аналогична присоединению реактивов Гриньяра. Нуклеофилом при этом служит водород, переносимый вместе с парой электронов в виде гидрид-иона Н-: от металла на карбонильный углерод
И в этом случае реакция катализируется кислотой Льюиса: трехвалентным производным алюминия или, возможно, ионом лития
^>С=О + А1—
Присоединение цианид-иона
Элементы HCN присоединяются к карбонильной группе альдегидов и кетонов с образованием веществ, называемых циангидринами
С + С№С + С№С—CNС—CN
С + С№
С + С№
С—CN
С—CN
ОНциангидрин
Реакцию часто проводят, прибавляя минеральную кислоту к смеси карбонильного соединения и водного раствора цианида натрия. В другой используемой модификации этой реакции цианид прибавляют к бисульфит- ному производному карбонильного соединения (разд. 19.15); в этом случае ион бисульфита служит источником необходимой кислоты
С + Na+HSO3С + Na+HSO3С№С№*• —С—CN + SO»- + Na+*• —С—CN + SO»- + Na+
С + Na+HSO3
С + Na+HSO3
С№
С№
*• —С—CN + SO»- + Na+
*• —С—CN + SO»- + Na+
ОН
По-видимому, реакция присоединения протекает как нуклеофильная атака сильно основного цианид-иона по карбонильному углероду, после
нуклеофильный реагентнуклеофильный реагент—C-CN1 о-—C-CN1 о-чего (или, возможно, одновременно) кислород присоединяет ион водорода, давая циангидрин
нуклеофильный реагент
нуклеофильный реагент
—C-CN
1 о-
—C-CN
1 о-
—> —С—CNIОН
циангидрин
Хотя именно элементы HCN присоединяются по карбонильной группе сильно кислая среда, в которой концентрация неионизованной HCN максимальна, в действительности замедляет реакцию. Это вполне понятно, поскольку очень слабая кислота HCN — очень плохой источник цианид-иона.
vU -нитробензальдегидvU -нитробензальдегидЦиангидрины содержат нитрильную группу, и их главное использование основано на том, что, как и другие нитрилы, они подвергаются гидролизу, в результате чего образуются а-оксикислоты или непредельные кислоты, например:
vU -нитробензальдегид
vU -нитробензальдегид
<л -нитроминдальная кислота.
СН3СН3СН3СН2—с=оСН3СН2—с=осн3 I СН3СН2—С—CNонсн3 I СН3СН2—С—CNонH2SO4нагреваниеH2SO4нагреваниесн3сн3сн2—с—соононсн3сн3сн2—с—соонон
СН3
СН3
СН3СН2—с=о
СН3СН2—с=о
сн3 I СН3СН2—С—CN
он
сн3 I СН3СН2—С—CN
он
H2SO4нагревание
H2SO4нагревание
сн3
сн3сн2—с—соонон
сн3
сн3сн2—с—соонон
метилэтилкетон(бутаноп-2)
сн3
сн3сн=с—соон2-метилбутен-2-оваякислота
Задача 19.7. Каждое из перечисленных ниже соединений превращается в циангидрин, и продукты разделяются тщательным фракционированием или кристаллизацией. Для каждой реакции укажите, сколько фракций при этом будет получено и будет ли каждая из фракций оптически активной или оптически неактивной, разделяемой или неразделяемой? а) Ацетальдегид; б) бензальдегид; в) ацетон; г) К-(+)-глицериновый альдегид СН2ОНСНОНСНО; (д) (±)-глицериновыи альдегид; е) как бы вы ответили на те же вопросы, если в каждом случае перед фракционированием смесь была подвергнута гидролизу в оксикислоты?
Присоединение бисульфита
Бисульфит натрия присоединяется к большинству альдегидов и ко многим кетонам (особенно метилкетонам) с образованием продуктов при-
соединения
С + Na+HSO7 ^=^ —С—SO^Na+
III
ООН
аддукт с бисуль-
фитом
Альдегид или кетон смешивают с концентрированным водным раствором бисульфита натрия; аддукт выделяется в виде кристаллического осадка. Кетоны, содержащие объемистые группы, обычно не вступают в реакцию с бисульфитом, по-видимому, из-за пространственных препятствий.
Присоединение происходит в результате нуклеофильной атаки бисульфит-иона по карбонильному углероду с последующим присоединением иона водорода по карбонильному кислороду
\ /. IН* I
С*^ -С-so,- = -с-so,-
0)0-он
:SO3H-
иумеофияънъшреагент
Подобно другим реакциям карбонильного присоединения, эта реакция также обратима. Добавление кислоты или основания разрушает бисульфит- ион, находящийся в равновесии с аддуктом, что приводит к регенерации карбонильного соединения
S02 4- Н2оSOj~ 4- Н20S02 4- Н2оSOj~ 4- Н20Н+
S02 4- Н2о
SOj~ 4- Н20
S02 4- Н2о
SOj~ 4- Н20
—С—SOgNa+ОН—С—SOgNa+ОН\/ *■
—С—SOgNa+
ОН
—С—SOgNa+
ОН
с + HS07 —
IIОН~
о >
Аддукты с бисульфитом обычно получают для отделения карбонильного соединения от некарбонильных. Карбонильное соединение можно очистить путем превращения в бисульфитное производное с последующим отделением кристаллического аддукта от некарбонильных примесей и регенерацией карбонильного соединения. Некарбонильное соединение можно освободить от карбонильных примесей путем промывания водным раствором бисульфита; при этом содержащийся в виде примесей альдегид или кетон превращается в аддукт с бисульфитом, который остается в водном слое (вследствие своей хотя бы незначительной растворимости в воде).
Задача 19.8. Предложите пример задачи, которая может возникнуть в лабораторной практике, в которой нужно будет а) отделить альдегид от нежелательных некарбониль- иых примесей и б) выделить альдегид, содержащийся в виде прнмеси к некарбонильному соединению. Опишите, как именно вы будете проводить разделения? Укажите, что вы будете делать и что наблюдать?
Присоединение производных аммиака
Некоторые соединения, родственные аммиаку, присоединяются к карбонильной группе с образованием производных, которые можно использовать для характеристики и идентификации альдегидов и кетонов (разд. 19.19). Эти производные содержат двойную связь углерод — азот, •бракующуюся в результате элиминирования молекулы воды из пер вона-
чального аддукта. Ниже приведены примеры некоторых из этих реакций.
ООН++ :NH2OH>Н++ :NH2OH>—С—NHOH—С—NHOHОНОН\C=NOH + Н2Ооксим\C=NOH + Н2Ооксимгидроксил-аминН+гидроксил-аминН++ :NH2NHC6H6 q фенилгидразин+ :NH2NHC6H6 q фенилгидразин—С—NHNHC6H5—С—NHNHC6H5ОНОН^C=NNHC6H5 + Н2О фенилгидразон^C=NNHC6H5 + Н2О фенилгидразон
О
О
Н+
+ :NH2OH>
Н+
+ :NH2OH>
—С—NHOH
—С—NHOH
ОН
ОН
\C=NOH + Н2Ооксим
\C=NOH + Н2Ооксим
гидроксил-амин
Н+
гидроксил-амин
Н+
+ :NH2NHC6H6 q фенилгидразин
+ :NH2NHC6H6 q фенилгидразин
—С—NHNHC6H5
—С—NHNHC6H5
ОН
ОН
^C=NNHC6H5 + Н2О фенилгидразон
^C=NNHC6H5 + Н2О фенилгидразон
Х/НС + :NH2NHCONH2 —семикарбазидХ/НС + :NH2NHCONH2 —семикарбазид—с—nhnhconh2 I-он—с—nhnhconh2 I-он>c=nnhconh2 + Н2Осемикарбазон>c=nnhconh2 + Н2Осемикарбазон
Х/Н
С + :NH2NHCONH2 —семикарбазид
Х/Н
С + :NH2NHCONH2 —семикарбазид
—с—nhnhconh2 I-
он
—с—nhnhconh2 I-
он
>c=nnhconh2 + Н2Осемикарбазон
>c=nnhconh2 + Н2Осемикарбазон
Производные аммиака, подобно самому аммиаку, также являются основаниями и реагируют с кислотами с образованием солей: солянокислого гидроксиламина НОМН^О”, солянокислого фенилгидразина CeH5NHNHtCl“ и солянокислого семикарбазида NH2CONHNHjCh. Эти соли труднее окисляются воздухом, чем свободное основание, и именно в форме солей их лучше всего хранить и использовать. В случае необходимости основные реагенты выделяют из солей в присутствии карбонильного соединения, добавляя к смеси основание, обычно ацетат натрия
СДМНКЩСГ + CHsCOO“Na+СДМНКЩСГ + CHsCOO“Na+фенилгидразинсолянокислый,более сильнаякислотафенилгидразинсолянокислый,более сильнаякислотаацетат натрия, более сильноеоснованиеацетат натрия, более сильноеоснование^^ C6HbNHNH2 + CHgCOOH + Na+СГ фенилгидразин, уксусная кис- более слабое лота, более основание слабая кислота^^ C6HbNHNH2 + CHgCOOH + Na+СГ фенилгидразин, уксусная кис- более слабое лота, более основание слабая кислота
СДМНКЩСГ + CHsCOO“Na+
СДМНКЩСГ + CHsCOO“Na+
фенилгидразинсолянокислый,более сильная
кислота
фенилгидразинсолянокислый,более сильная
кислота
ацетат натрия, более сильное
основание
ацетат натрия, более сильное
основание
^^ C6HbNHNH2 + CHgCOOH + Na+СГ фенилгидразин, уксусная кис- более слабое лота, более основание слабая кислота
^^ C6HbNHNH2 + CHgCOOH + Na+СГ фенилгидразин, уксусная кис- более слабое лота, более основание слабая кислота
Часто бывает необходимо подобрать для реакции определенную кислотность среды. Присоединение протекает как нуклеофильная атака основания — азотистого производного — по карбонильному углероду. Прстони- рование карбонильного кислорода делает карбонильный углерод более доступным для нуклеофильной атаки, поэтому если рассматривать только карбонильные соединения, то повышенная кислотность будет благоприятствовать присоединению. Однако производное аммиака H2N—G может также подвергаться протонированию с образованием иона H3N+ — G, который не имеет неспаренных электронов и не является более нуклеофилом; поэтому, если рассматривать азотсодержащий реагент, присоединению будет благоприятствовать низкая кислотность".
ZC=N—G + Н2О + Н*ZC=N—G + Н2О + Н*свободное основание, нуклеофильносвободное основание, нуклеофильносоль, не нуклеофильна.соль, не нуклеофильна.
ZC=N—G + Н2О + Н*
ZC=N—G + Н2О + Н*
свободное основание, нуклеофильно
свободное основание, нуклеофильно
соль, не нуклеофильна.
соль, не нуклеофильна.
Условия, при которых присоединение будет протекать быстрее всего, будут промежуточными: раствор должен быть достаточно кислым, чтобы заметная часть карбонильного соединения находилась в протонированной форме, но не настолько кислым, чтобы концентрация свободного азотистого основания была чересчур низкой. Более точно условия определяются основностью реагента и реакционной способностью карбонильного соединения.
Задача 19.9. Семикарбазид (1 моль) прибавляют к смеси циклогексанона (1 моль) и бензальдегида (1 моль). Если продукт выделять немедленно, то он состоит почти целиком из семикарбазона циклогексанона; если выделять его через несколько часов, то он состоит почти целиком из семикарбазона бензальдегида. Как вы это объясните? (.Указание: см. разд. 8.18.)
Присоединение спиртов. Образование ацеталей
Спирты присоединяются к карбонильной группе альдегидов в присутствии безводной кислоты с образованием ацеталей
НН
|сухой НС! |
R'—С=О + 2ROH 7 "" * R'—С—OR + Н2О
I
альдегид спирт
ацеталь
Раствор альдегида оставляют стоять в избытке безводного спирта, содержащем небольшое количество безводной кислоты, обычно хлористого водорода. При получении этилацеталей воду часто удаляют по мере образования в виде азеотропа с бензолом и этиловым спиртом (т. кип. 64,9°С, разд. 15.9). (Простые кетали обычно трудно получить при реакции кетонов со спиртами и их синтезируют другим путем.)
@-с=о бензальдегид@-с=о бензальдегид— сухой ИО 2С2Н5ОН— сухой ИО 2С2Н5ОНэтиловыйспиртэтиловыйспиртН^-c-oc2Hj + Н2ООС2Н5диэтилацеталь бензальдегида/Н^-c-oc2Hj + Н2ООС2Н5диэтилацеталь бензальдегида/
@-с=о бензальдегид
@-с=о бензальдегид
— сухой ИО 2С2Н5ОН
— сухой ИО 2С2Н5ОН
этиловыйспирт
этиловыйспирт
Н
^-c-oc2Hj + Н2О
ОС2Н5
диэтилацеталь бензальдегида/
Н
^-c-oc2Hj + Н2О
ОС2Н5
диэтилацеталь бензальдегида/
н
-CHCHjCHCHi- + Н2О о /°и СН2СН2СН3поливинилбутираль(используется для получения небьющегося стекла)-CHCHjCHCHi- + Н2О о /°и СН2СН2СН3поливинилбутираль(используется для получения небьющегося стекла)-~СНСН2СНСН2™ + CHjCHjCH^O
-CHCHjCHCHi- + Н2О о /°
и СН2СН2СН3
поливинилбутираль
(используется для получения небьющегося стекла)
-CHCHjCHCHi- + Н2О о /°
и СН2СН2СН3
поливинилбутираль
(используется для получения небьющегося стекла)
он он М»
поливиниловый спирт
(разд. 20.19)
Имеются довольно четкие данные в пользу того, что в спиртовом растворе альдегид находится в равновесии с соединением, называемым полуацеталем
Нн
।И* . I
R —С=О + ROH 4=^ R'—С—OR
I
ОН
полуацеталь
Полуацеталь образуется в результате присоединения нуклеофильной молекулы спирта к карбонильной группе; он представляет собой одновременно простой эфир и спирт. Полуацетали, за немногими исключениями, слишком неустойчивы, чтобы их можно было выделить.
В присутствии кислот полуацетали ведут себя подобно спиртам и реагируют снова с молекулой спирта — растворителя, образуя ацеталь — простой эфир
НН
, *н\ |
R —С—OR + ROH ^==k R —C—OR + H2O
OHOR
полуацетальацеталь
(спирт)(эфир)
Реакция протекает через стадию образования иона I [стадия (1)], который
далее реагирует с молекулой спирта, давая протонированный ацеталь [ста
н, I +R —C=OR + Н2Он, I +R —C=OR + Н2ОНIR'—С—OR + Н+IORацетальНIR'—С—OR + Н+IORацетальдия (2)]. нн
н
, I +
R —C=OR + Н2О
н
, I +
R —C=OR + Н2О
Н
I
R'—С—OR + Н+
IORацеталь
Н
I
R'—С—OR + Н+
IORацеталь
R'—С—OR +»+ ^=> R'—С—OR ч
ОН+он2
полуацеталь НН
I, I
R —C=OR + ROH ^=^ R —С—OR
тI
1+OR
I
Н
Этот механизм совершенно аналогичен SN1-механизму, с которым мы встречались в разд. 17.3 при образовании простых эфиров.
Итак, в процессе образования ацеталей происходит а) нуклеофильное присоединение к карбонильной группе и б) образование простого эфира через стадию карбониевого иона.
Ацетали обладают структурой простых эфиров и, подобно простым эфирам, расщепляются кислотами и устойчивы по отношению к основаниям. Однако ацетали отличаются от простых эфиров по той необычайной легкости, с которой они подвергаются расщеплению кислотами; уже при комнатной температуре при действии разбавленных минеральных кислот они быстро превращаются в смесь спирта и альдегида. Механизм гидролиза является обратным механизму образования ацеталей
НН
. Iн+ |
R—С—OR4-H2O > R —С=О + 2ROH
^альдегид спирт
ацеталь
Задача 19.10. Объясните, почему действие безводных кислот приводит к образоианию ацеталей, а водных — к их гидролизу.
В основе химии ацеталей лежит представление об образовании карбониевого иона, представляющего собой гибрид структур 1а и 16
Нн
II+
R —С—ORR'—C=OR
+
la16
особенно устойчив,каждый атомимеет октет
Вклад структуры 16, в которой каждый из атомов имеет октет электронов, делает этот ион особенно стабильным по сравнению с обычными карбоние- выми ионами (в действительности, вероятно, структура 16 одна могла бы рассматриваться как структура карбониевого иона и в этом случае его вряд ли вообще следует считать карбониевым ионом).
Итак, образование карбониевого иона является лимитирующей стадией как при образовании ацеталей [уравнение (1)1, так и в их гидролизе [уравнение (2)1. Один и тот же фактор — возможность подачи электронов с атома кислорода — стабилизует и ион и переходное состояние, приводящее к его образованию. Этот фактор ускоряет образование иона и тем самым весь процесс в целом, будь то образование ацеталей или их гидролиз.
[Как ни странно, в данном случае наличие кислорода приводит к активации нуклеофильного замещения точно так же, как в случае активации ароматических эфиров по отношению к реакции электрофильного замещения (разд. 17.10); общая особенность для этих реакций — появление положительного заряда в переходном состоянии на лимитирующей стадии.]
Как будет показано в гл. 33 и 34, химия полуацеталей и ацеталей имеет чрезвычайно большое значение при изучении углеводов.
Задача 19.11. а) Примером какого знакомого синтеза является следующая реакция?
води. NaOHводи. NaOH
води. NaOH
води. NaOH
б) К какому классу соединений относится вещество П? в) Что образуется из соединения 11 при действии кислоты или основания?
Задача 19.12. Предложите удобный химический метод отделения непрореагировавшего бензальдегида от диэтилацеталя бензальдегида (ср. задачу 19.8, стр. 610).
Задача 19.13. Глицериновый альдегид СН2(ОН)СН(ОН)СНО обычно получают из ацеталя акролеина СН2=СН—СНО. Покажите, как это можно сделать. П очему при этом не используется сам акролеин?
Задача 19.14. Как вы объясните следующие различия в легкости гидролиза:
а)RC(OR')3 » RCH(OR')2 > RCH2OR'
ортоэфир ацеталь простой эфир
б)R2C(OR')2>RCH(OR')2>H2C(OR')2
кеталь ацеталь формаль
Задача 19.15. Простейший путь получения альдегида RCH18O, меченного по карбонильному кислороду, — это оставить обычный альдегид в растворе Н21в0 в присутствии следов кислоты на некоторое время. Каков подробный механизм этого обмена кислорода?
Реакция Канниццаро
В присутствии концентрированного раствора щелочи альдегиды, не содержащие а-водородных атомов, вступают в реакцию самоокисления — восстановления с образованием смеси спирта и соли карбоновой кислоты. Эта реакция, известная под названием реакции Канниццаро, обычно происходит при взаимодействии альдегида с концентрированным водным или спиртовым раствором щелочи при комнатной температуре (в этих условиях аль-
дегид, содержащий а-водородные атомы, быстрее будет вступать в альдольную конденсацию, разд. 27.6).
2НСНО 50%',‘-""NaOH > СН3ОН + HCWNa*формаяьбевидметиловый формиат
спирт натрия
O2N^^CHO^=^S* O2N<g>CH2OH + O2N^^COO-Na+ к-миттобензальбегивп-нитробеизиловый п-нитробензоат
спиртнатрия
Как правило, смесь двух альдегидов в реакции Канниццаро дает набор всех возможных продуктов. Однако если одним из альдегидов будет формальдегид, то образуется почти исключительно формиат натрия и спирт, соответствующий другому альдегиду
конц. NaOH
ArCHO + НСНО►- ДгСН2ОН + НСОО" + Na+
Повышенная склонность формальдегида подвергаться окислению делает подобную перекрестную реакцию Канниццаро удобным методом синтеза
сносноОСНзОСНзанисовый алдегид(д-хетоксибенэальдвгио)анисовый алдегид(д-хетоксибенэальдвгио)СН2ОН
сно
сно
ОСНз
ОСНз
анисовый алдегид
(д-хетоксибенэальдвгио)
анисовый алдегид
(д-хетоксибенэальдвгио)
W^ (gj + HCOO-Na+
ОСН3
к-метоксибензиловый спирт.
Данные главным образом кинетических исследований и экспериментов с мечеными соединениями показывают, что даже эта реакция, кажущаяся отличной от обычных для карбонильных соединений реакций нуклеофильного присоединения, на самом деле протекает в соответствии с уже известной схемой
Реакция состоит из двух последовательных стадий присоединения (1): присоединение гидроксил-иона, дающее промежуточное соединение I, и (2) присоединение гидрид-иона из промежуточного соединения I ко второй молекуле альдегида. Наличие отрицательного заряда в промежуточном соединении I способствует отщеплению гидрид-иона.
Задача 19.16. В случае некоторых альдегидов доказано, что промежуточное соединение I является донором гидрид-иона в реакции Канниццаро, а) Как будет интермедиат II обра-
зовываться из I? б) Почему можно ожидать, что II будет лучшим донором гидрид-иона, чем I? (Указание: каков один из продуктов переноса гидрид-иона от II?)
Н
I
R—С—О~
О~
И
Задача 19.17. Предложите опыт для доказательства того, что действительно осуществляется перенос гидрид-иона, такой, как в стадии (2), т. е. что водород переносится из промежуточного соединения I, а не из растворителя.
Задача 19.18. На основании приведенных данных по механизму предположите, какой фактор определяет описанную выше специфическую направленность перекрестной реакции Канниццаро с формальдегидом.
Задача 19.19. Фенилглиоксаль С6Н5СОСНО превращается при действии водного раствора едкого натра в натриевую соль миндальной кислоты C6H6CH(OH)COONa. Каков возможный механизм этого превращения?
Задача 19.20. В ходе бензильной перегруппировки дикетон, бензил, при действии NaOH превращается в соль бензиловой кислоты
он-Н+
С6Н6СОСОС6Н6 > (С6Н5)2С(ОН)СОО-> (С6Н6)2С(ОН)СООН
бензилбензиловая кислота
Если вместо едкого натра использовать метилат натрия, то образуется сложный эфир (С6Н6)2С(ОН)СООСН3. Предположите возможный механизм этой перегруппировки.
Анализ альдегидов и кетонов
Альдегиды и кетоны характеризуются путем получения производных по карбонильной группе с нуклеофильными реагентами, особенно производными аммиака (разд. 19.16). Альдегид или кетон будет, например, реагировать с 2,4-динитрофенилгидразином, образуя осадок желтого или красного цвета.
Для альдегидов характерна (и этим, в частности, они отличаются от кетонов) легкость их окисления: альдегиды дают положительную пробу с реактивом Толленса (разд. 19.10), а кетоны не дают этой пробы. Положительная проба Толленса характерна также для некоторых других легко окисляющихся органических соединений, например некоторых фенолов и аминов, однако эти соединения не дают положительной реакции с 2,4-динитрофенилгидразином.
Альдегиды, конечно, окисляются и более сильными окислителями, чем реактив Толленса: холодным разбавленным нейтральным раствором КМпО4 или раствором СгО3 в H2SO4 (разд. 6.23).
Чрезвычайно чувствительной пробой на альдегиды является реакция Шиффа. Альдегиды реагируют с фуксинсернистой кислотой, давая характерное малиновое окрашивание.
Алифатические альдегиды и кетоны, имеющие а-водородные атомы, реагируют с раствором брома в СС1„ (разд. 27.5). Эта реакция протекает достаточно медленно, что отличает ее от пробы на ненасыщенность; кроме того, она сопровождается выделением НВг.
Альдегиды и кетоны обычно идентифицируют по температурам плавления таких производных, как 2,4-динитрофенилгидразоны, оксимы и семикарбазоны (разд. 19.16).
Для метилкетонов характерна йодоформная проба (разд. 16.11).
Задача 19.21. Составьте таблицу, характеризующую поведение каждого из уже изучен дых вами классов соединений по отношению к рассмотренным выше окислителям.
Задача 19.22. Удобная проба на альдегиды и большинство кетонов основана на том, что карбонильное соединение вызывает изменение окраски раствора солянокислого гидроксиламина, содержащего кислотно-основный индикатор. Что лежит в основе этой пробы? Задача 19.23. Продолжите таблицу, которую вы составили в задаче 18.10, стр. 578, включив в нее альдегиды и кетоны и уделив особое внимание окислительным агентам.
Спектроскопический анализ альдегидов и кетонов
Инфракрасные спектры. Инфракрасная спектроскопия — наилучший метод определения наличия карбонильной группы в молекуле. Сильная полоса поглощения валентных колебаний группы С=О проявляется примерно при 1700 см-1 и лишь в очень редких случаях в этой области могут появляться полосы поглощения других групп; поэтому в ИК-спектре очень часто в первую очередь ищут именно эту полосу (рис. 19.1).
Полоса карбонильной группы характерна не только для альдегидов и кетонов, но также для карбоновых кислот и их производных. Если она идентифицирована как полоса, относящаяся к карбонильной группе аль-
Частоша.см*
Пропускание, %Пропускание,
Длина волны, мкм
Рис. 19.1. Инфракрасные спектры.
А — н-масляжый альдегид; Б — ацетофенон.
дегидов или кетонов (см. ниже), то ее точное положение может дать много сведений о структуре молекулы
С=О валентные колебания, интенсивные
RCHO
1725 см-1
R2CO
1710 см-1
Циклобутаноны
1780 см"1
АгСНО
1700 см*1
ArCOR
1690 см"1
Циклопентаноны
1740 см-1
1 1
С=С—СНО
1685 см-1
1 1 1
—С=С—С=О
1675 см-1
1 1
—С=С—С—
1540—1640 см"1
I II
ОН....О
(енолы)
В альдегиде СНО-группа имеет характерную полосу валентных колебаний С—Н около 2720 см-1; присутствие этой полосы одновременно с полосой карбонильной группы служит довольно надежным доказательством наличия альдегидной группы (рис. 19.1).
Карбоновые кислоты (разд. 18.21) и сложные эфиры (разд. 20.28) также обнаруживают полосу поглощения карбонильной группы и в той же области, что альдегиды и кетоны. Однако кислоты, помимо этой полосы, обладают также широкой полосой О—Н-группы. Полоса карбонильной группы для сложных эфиров обычно смещена в сторону более высоких частот по сравнению с кетонами того же типа; кроме того, для сложных эфиров характерно наличие С—О-валентных полос. (Для сравнения ряда кислородсодержащих соединений см. табл. 20.4, стр. 657.)
ПМР-спектры. Протон альдегидной группы —СНО резонирует в области слабого поля при т 0—1 (6 9 — 10). Взаимодействие этого протона с соседними протонами не очень велико (J 1—3 Гц), и тонкое расщепление часто накладывается на другие расщепления.
Ультрафиолетовые спектры. Ультрафиолетовые спектры могут дать много информации о структуре карбонильных соединений; особенно это относится к сопряжению карбонильной группы с двойной углерод-углеродной связью (разд. 13.5).
Насыщенные альдегиды и кетоны слабо поглощают в близкой ультрафиолетовой области. При наличии сопряжения эта слабая полоса (R-полоса) сдвигается в сторону больших длин волн (почему?) и, что более важно, очень интенсивная полоса (К-полоса) сдвигается из далекой ультрафиолетовой области в близкую ультрафиолетовую.
—С—ОХмакс 270—300 ммкСмаке 19 20—С—ОХмакс 270—300 ммкСмаке 19 20I I I —с=с—с=оI I I —с=с—с=оХмаКС 300—350 ммкСмаке Ю—20ХмаКС 300—350 ммкСмаке Ю—20Хмакс 215—'250 ммкСмаке 10 000—20 000Хмакс 215—'250 ммкСмаке 10 000—20 000
—С—О
Хмакс 270—300 ммк
Смаке 19 20
—С—О
Хмакс 270—300 ммк
Смаке 19 20
I I I —с=с—с=о
I I I —с=с—с=о
ХмаКС 300—350 ммк
Смаке Ю—20
ХмаКС 300—350 ммк
Смаке Ю—20
Хмакс 215—'250 ммк
Смаке 10 000—20 000
Хмакс 215—'250 ммк
Смаке 10 000—20 000
Точное положение этой К-полосы дает сведения о числе и положении заместителей в сопряженной системе.
Масс-спектры. Подобно карбоновым кислотам (разд. 18.21), альдегиды и кетоны претерпевают расщепление (а-расщепление) с образованием относительно стабильного ацилий-иона (разд. 19.7). Это расщепление может произойти по одной из двух связей. Так, например, для альдегида
ННR—С=О: > R—С=О:ННR—С=О: > R—С=О:-* Н-С=О: + R-т/е = 29-* Н-С=О: + R-т/е = 29М~а-расщеплениеМ~а-расщепление-► R—С=О: + Н-► R—С=О: + Н
НН
R—С=О: > R—С=О:
НН
R—С=О: > R—С=О:
-* Н-С=О: + R-
т/е = 29
-* Н-С=О: + R-
т/е = 29
М~а-расщепление
М~а-расщепление
-► R—С=О: + Н
-► R—С=О: + Н
ацилий-ионт/е = М—1
Последующее отщепление окиси углерода от ацилий-иона дает ион R+, также наблюдаемый в спектре.
В случае некоторых соединений, обладающих подходящей структурой, может стать существенным также p-расщепление с переносом протона. Любой из фрагментов при этом может оказаться заряженным. Так, например, для альдегида
,сн2+сн2,сн2+сн2R—СН нR—СН нс-н—с-н—rch=ch2+ сн2=сон.т/г 44rch=ch2+ сн2=сон.т/г 44ю:ю:м+в-расщеппениес переносомпротона,м+в-расщеппениес переносомпротона,н>[RCH=CH2]+ + СН2=С\т/е — М — 44ОНн>[RCH=CH2]+ + СН2=С\т/е — М — 44ОН
,сн2+сн2
,сн2+сн2
R—СН н
R—СН н
с-н—
с-н—
rch=ch2+ сн2=с
он.
т/г 44
rch=ch2+ сн2=с
он.
т/г 44
ю:
ю:
м+
в-расщеппениес переносом
протона,
м+
в-расщеппениес переносом
протона,
н
>[RCH=CH2]+ + СН2=С\т/е — М — 44ОН
н
>[RCH=CH2]+ + СН2=С\т/е — М — 44ОН
Р-Расщепление без переноса протона также может наблюдаться, причем в этом случае заряд остается на алкильной группе. (Какой нейтральный фрагмент будет образовываться в этом случае?)
Задача 19.24. В масс-спектре ацетальдегида мы обнаруживаем: т/е 29 (основной пик) т/е 43 (46%). Каким ионам соответствует каждый из пиков? Как вы объясните наблюдаемую относительную интенсивность?
Задача 19.25. а) В масс-спектре пропионового альдегида основной пик (т/е 29) может в принципе относиться к любому из двух ионов. Какие эти ионы? б) Пропионовый альдегид, меченный 18О, дает основной пик с т/е 31. Какая из двух возможных структур вопроса (а) оказывается правильной? в) Пик с т/е 29 также очень интенсивен в спектре «-масляного альдегида, причем он содержится и в спектре меченного 18О «-масляного альдегида. Какому иону соответствует этот пик в данном случае (в основном) и как ои образуется?
Задача 19.26. а) Для метилкетонов основной пик обычно появляется при т/е 43. Какому иону он соответствует? Почему в сравнении с высшими гомологами он образуется предпочтительно? б) Четыре из наиболее интенсивных пика в масс-спектре ацетофенона появляются при т/е 105, 77, 120, 43 (приведены в порядке уменьшения интенсивности). Объясните происхождение этих пиков, в) Объясните появление следующих пиков в масс-спектре юктанона-4 (перечислены в порядке уменьшения интенсивности): т/е 43, 57, 71, 27, 85. Задача 19.27. а) Объясните появление основного пика при т/е 44 в масс-спектре «-масляного альдегида, б) Рассмотрите масс-спектры а- и Р-метилмасляных альдегидов. В одном из них основной пик появляется при т/е 44, в другом вместо этого пика появляется пик с т/е 58. Какому изомеру соответствует каждый из спектров?
ЗАДАЧИ
I. Приведите структурные формулы, тривиальные названия и названия по номенклатуре ШРАС для следующих соединений (наличие энантиомеров можно не учитывать):семь карбонильных соединений общей формулы СБН10О,пять карбонильных соединений общей формулы С8Н8О, содержащие бензольноеI. Приведите структурные формулы, тривиальные названия и названия по номенклатуре ШРАС для следующих соединений (наличие энантиомеров можно не учитывать):семь карбонильных соединений общей формулы СБН10О,пять карбонильных соединений общей формулы С8Н8О, содержащие бензольноекольцо.кольцо.2. Напишите структурные формулы следующих соединений:2. Напишите структурные формулы следующих соединений:введена в органическое соединение, б) Какой из методов, перечисленных в вопросе (а).введена в органическое соединение, б) Какой из методов, перечисленных в вопросе (а).
I. Приведите структурные формулы, тривиальные названия и названия по номенклатуре ШРАС для следующих соединений (наличие энантиомеров можно не учитывать):
семь карбонильных соединений общей формулы СБН10О,
пять карбонильных соединений общей формулы С8Н8О, содержащие бензольное
I. Приведите структурные формулы, тривиальные названия и названия по номенклатуре ШРАС для следующих соединений (наличие энантиомеров можно не учитывать):
семь карбонильных соединений общей формулы СБН10О,
пять карбонильных соединений общей формулы С8Н8О, содержащие бензольное
кольцо.
кольцо.
2. Напишите структурные формулы следующих соединений:
2. Напишите структурные формулы следующих соединений:
введена в органическое соединение, б) Какой из методов, перечисленных в вопросе (а).
введена в органическое соединение, б) Какой из методов, перечисленных в вопросе (а).
ацетона,
бензальдегида,
метилизобутилкетона,
триметилуксусного альдегида,
ацетофенона,
коричного альдегида,
4-метилпентаналя,
фенилацетальдегида,
бензофенона,
а,у-диметилкапронового альдегида,
3. а) Составьте список методов, с помощью
З-метилпентанона-2,
м) бутен-2-аля,
н) 4-метилпентен-3-она-2(окись мезитила),
1,3-дифенилпропен-2-она-1 (бензальацетофенон),
п) 3-оксипентаналя,
бензилфенилкетона,
с) салицилового альдегида,
т) п,п'-диоксибензофенона,
у) л-толуилового альдегида.
которых карбонильная группа может быть
можно использовать для получения я-масляного альдегида? Напишите уравнение реакции. в) Ответьте на вопрос (б) для случая метилэтилкетона. г) Ответьте на вопрос (б) для случая бензальдегида, д) Ответьте на вопрос (б) для случая ацетофенона.
4. Напишите полные уравнения реакций и назовите все органические продукты, обра
зующиеся при взаимодействии фенилацетальдегида со следующими реагентами (со всеми ли реагентами он будет реагировать?):
а) реактивом Толленса,и) изопропилмагнийхлоридом, потом
CrO3/H2SO4,
холодным разбавленным КМпО4,
KMnO4, Н+, нагревание, Д) Н2, №, 1,4 атм, 30 °C, е) LiAlH4,
NaBH4,
C6HEMgBr, потом Н2О,
Н2О,
NaHSO3,
GN", Н+,
м) гидроксиламином,
н) фенилгидразином,
2,4-динитрофенилгидразином,
п) семикарбазидом,
этиловым спиртом, сухим НС1 (газ).
Ответьте на вопросы задачи 4 для случая циклогексанона.
Напишите полные уравнения реакции и назовите все органические продукты, образующиеся при взаимодействии бензальдегида со следующими реагентами (со всеми л»
реагентами он будет реагировать?):
конц. NaOH,
формальдегидом, конц. NaOH,
GN", Н+,
продуктом (в) + Н2О, Н+, на-
CH3MgI, потом Н2О,
продуктом (д) + Н+, нагревание,
(CH3)2I4CHMgBr, потом Н2О,
Н218О, Н+.
гревание,
Напишите уравнения реакций для всех пропионового альдегида, используя любые а) я-пропилового спирта, б) пропионовой кислоты, в) а-оксимасляной кислоты, г) emop-бутилового спирта,
Напишите уравнения реакций для всех
ацетофенона, используя любые необходимые реагенты:
стадий синтеза следующих соединений из необходимые реагенты:
1-фенилпропанола-1,
метилэтилкетона,
я-пропилпропионата,
2-метилпентанола-З.
стадий синтеза следующих соединений из
этилбензола,
бензойной кислоты.
г) 2-фенилбутанола-2, д) дифенилметилкарбинола,
в) а-фенилэтилового спирта,е) а-окси-а-фенилпропионовой кислоты.
9. Укажите все стадии возможных лабораторных синтезов следующих соединений из
бензола, толуола и спирта (С, — С4) а) изомасляного альдегида, б) фенилацетальдегида, в) п-бромбензальдегида, г) метилэтилкетона, д) 2,4-динитробензальдегида, е) п-нитробензофенона, ж) 2-метилпентанона-З, з) метилбензилкетона.
с использованием любых неорганических реагентов: и) л-нитробензофенона, к) я-пропил-п-толилкетона, л) а-метилмасляного альдегида, м) я-бутилизобутилкетона, н) п-нитроацетофенона, о) 3-нитро-4'-метилбензофенона, п) п-нитропропиофенона.
10. Укажите все стадии возможных лабораторных синтезов следующих соединений из
бензола, толуола и спирта (С, — С4) с испо? а) я-бутилбензола, б) а-окси-я-валериановой кислоты;
2-метилгептана,
2,3,5-триметилгексанола-3, 11. Инсектицид ДДТ [1,1,1-трихлор-2,2-1
ованием любых неорганических реагентов.
п-нитро-а-оксифенилуксусной кислоты,
1,2-дифенилпропанола-2,
этилфеиил-и-бромфенилкарб инола,
З-метилбутен-2-овой кислоты.
:-(я-хлорфенил)этан (п-С1С6Н4)2СНСС13)
получают реакцией хлорбензола с трихлорацетальдегидом в присутствии серной кислоты. Укажите стадии, через которые вероятнее всего протекает этот синтез, причем не забудьте указать роль H2SO4. К какому типу реакции относится каждая стадия?
12. Объясните, почему формилциклобутан превращается в циклопентанон при нагревании с кислотой.
13. а) Что представляют собой соединения А, Б и В?
[CeHbCtCH^^COOH + РС13* А(СиН13ОС1)
А + A1C13/CS2> Б(СиН12)О
Б + N2H4, ОН-, нагревание в высококипящем растворе» B(CUHU)
Соединение В имеет следующий ПМР-спектр:
а синглет, т 8,78 (6 1,22), 6Н
b триплет, т8,15 (6 1,85), 2Н, J = 7 Гц
с триплет, т 7,17 (6 2,83), 2Н, J = 7 Гц
А синглет, т 2,98 (6 7,02), 4Н
в) Соединение В также образуется при обработке спирта Г (СПН16О) концентрированной серной кислотой. Какова структура Г?
Обмен кислорода, описанный в задаче 19.15 (стр. 614), можно осуществить, используя гидроксил-ион вместо иона водорода в качестве катализатора. Предложите подробный механизм обмена в этих условиях. (Указание: см. разд. 19.18.)
Винилалкиловые эфиры RCH=CHOR' очень быстро гидролизуются разбавленными водными кислотами с образованием спирта R'OH и альдегида RCH2CHO. Гидролиз в Не18О дает спирт R'OH, не содержащий 18О. Укажите все стадии наиболее вероятного механизма гидролиза. Покажите, как этот механизм объясняет не только результаты опыта с изотопной меткой, но и необычайную легкость, с которой протекает этот гидролиз.
При обработке бромом некоторые диарилкарбинолы (I) превращаются в смесь арил- бромида (II) и альдегида (III) (в соотношении 50 : 50)
■ено
ГП
Если G = NO2, Н, Вг или СН3, то бром появляется лишь в кольце, содержащем ОСН3- группу. Скорость реакции слегка изменяется в зависимости от природы G, убывая в ряду G = СН3 > Н > Вг > NO2. Скорость реакции замедляется в присутствии добавок бромид-иона. Укажите все стадии наиболее вероятного механизма этой реакции. Покажите, как ваш механизм объясняет каждый из перечисленных фактов.
Предложите механизм для следующей реакции:
(СНз)2С=СНСН2СН2С(СН3)=СНСНО + Н3О+
гарвомешпендшш-3,8
Стадия замыкания цикла может рассматриваться либо как нуклеофильное, либо как электрофильное присоединение в зависимости от того, что считать реакционным центром. Покажите, почему это возможно, и укажите электрофил и нуклеофил в этой реакции. '
а) Синтезированы циклопропеноны (I) и показано, что они обладают довольно необычными свойствами
R—С=С—RR—С=С—RR = фенил или н-пропилR = фенил или н-пропил
R—С=С—R
R—С=С—R
R = фенил или н-пропил
R = фенил или н-пропил
Для них характерен очень высокий дипольный момент: примерно 5 Д (16,5- 10~30 Кл-м) по сравнению с 3 Д (9,9-10-30 Кл-м) для бензофенона или ацетона. Для кетонов они являются чрезвычайно сильными основаниямии реагируют с хлорной кислотой с образованием солей общей формулы (R2C3OH)+C1O4. Чем обусловлены эти необычные свойства?'"
Дифенилциклопропенон вводили в реакцию с фенилмагнийбромидом и реакционную смесь гидролизовали _хлорной кислотой: при этом был получен не третичный спирт, а соль [(C6H5)3C3J+C1O4. Объясните образование этой соли.
В синтезе циклопропенонов происходит присоединение к алкинам СС12, генерируемого из Cl3CCOONa. Укажите все стадии наиболее вероятного механизма образования СС12. (Указание: см. разд. 9.20.)
Тример трихлорацетальдегида (ср. паральдегид, стр. 591) существует в виде двух форм (А и Б), каждая из которых имеет следующие сигналы в ПМР-спектрах:
А: синглет, т 5,72 (6 4,28)
Б: два синглета, т 5,37 (6 4,63) и т 4,50 (6 5,50); интенсивности пиков относятся как 2:1.
На основании этих данных уточните, насколько это возможно, структуру каждого из продуктов.' '
Как вы объясните различия в поведении между диастереомерами I и II? (Указание: нарисуйте проекции Ньюмена. Какая из групп имеет наибольший объем?)
с6н$исоонНсн2с6н$С6Н$с6н$исоонНсн2с6н$С6Н$н СН2С6Ну fOTx^”5он СН2С6Ну fOTx^”5о
с6н$
исоон
Нсн2с6н$
С6Н$
с6н$
исоон
Нсн2с6н$
С6Н$
н СН2С6Ну fOTx^”5
о
н СН2С6Ну fOTx^”5
о
С6н5
Пытаясь получить 1,1-дифенилэтанол, некий неопытный (и ленивый) студент выпросил у соседа по лаборатории I моль бромистого метилмагния н осторожно прибавил его в сухой эфирный раствор, содержащий 1 моль бензофенона. Однако после обработки реакционной смеси обычным образом разбавленной кислотой главным продуктом реакции оказался исходный кетон — бензофенон. Крайне удивленный студент отправился к руководителю практикума.
Вскоре он вернулся, красный от стыда, в лабораторию, приготовил порцию метилмагния, добавил к нему бензофенон н после обработки получил нужное ему соединение с хорошим выходом.
а) Что было неверным в его первой попытке? Как повлиял порядок смещивания реагентов на ход реакции? (Указание: см. разд, 19.12.) б) Если бы в его первой попытке он взял 2 моля реагента Гриньяра, его синтез был бы успешным. Почему?
Немного позднее тому же неопытному студенту понадобилось синтезир овать значительное количество бензгидрола (С6Н5)2СНОН, и он решил получить его по реакции бромистого фенилматния с бензальдегидом. Он получил 1 моль реактива Гриньяра и, чтобы обеспечить хороший выход, добавил к реактиву не один, а два моля альдегида. Обработав реакционную смесь, он сначала обрадовался (хотя и был несколько удивлен), увидев, что получил нечто, отличное от исходного вещества, но его надежды рухнули, когда более тщательно рассмотрение показало, что он получил не бензгидрол, а кетон — бензофенон. Он выкинул его в мусорное ведро и, чуть не плача от досады, отправился к руководителю практикума за новой задачей.
Почему подвела студента его щедрость с бензальдегидом? Что произошло в реакционной смеси? (Указание: см. разд. 19.18.) (В задаче 12, стр. 898, мы расскажем о том, как он справился со своим новым синтезом.)
Опишите простую химическую пробу, которая позволит различить следующие соеди- иеиия:
«-валериановый альдегид и диэтилкетон,
фенилацетальдегид и бензиловый спирт,
циклогексанон и метил-я-капроат,
пентанои-2 и пентанон-3,
пропионовый альдегид и диэтиловый эфир,
диэтилацеталь и «-валериановый альдегид,
диэтилацеталь и ди-«-пропиловый эфир,
метил-м-толилкетон и пропиофенон,
пентанон-2 и пентанол-2,
паральдегид и диизобутиловый эфир,
диоксан и триоксан.
Укажите точно, что вы будете делать и что наблюдать?
Предполагается, что неизвестное соединение является одним из перечисленных ниже веществ, температуры кипения которых отличаются не более чем на несколько градусов. Опишите, как вы выясните, каким именно веществом будет ваше неизвестное соединение. Где возможно, используйте простейшие химические пробы; в необходимых случаях примените более сложные химические методы, такие, как количественное гидрирование, расщепление, эквивалент нейтрализации, эквивалент омыления и т. д. Используйте любые необходимые таблицы физических констант.
фенилацетальдегид, л-толуиловый альдегид, о-толуиловый альдегид, ацетофенон n-толуиловый альдегид;
метил-р-фенетилкетон, циклогексилбензол, бензил-«-бутират, у-фенилп роли левый спирт, н-каприловая кислота;
изофорон (3,5,5-триметилциклогексен-2-он-1), н-додекан, н-бутилбензиловый эфир, этилбензоат, м-крезилацетат, «-нониловый спирт;
n-хлорацетофенон, метил-о-хлорбензоат, п-хлорбензилхлорид, л-хлориитробен- зол.
Цитраль С10Н16О — это терпен, являющийся основным компонентом кориандрового масла. Он реагирует с гидроксиламином с образованием вещества общей формулы C10H17ON, а с реактивом Толленса дает серебряное зеркало н вещество общей формулы С10Н16О2. При энергичном окислении цитраля образуются ацетон, щавелевая кислота НООС—СООН и левулиновая кислота СН3СОСН2СН2СООН.
Предположите структуру для цитраля, согласующуюся с этими фактами и изопреновым правилом (разд. 8.25).
В действительности цитраль состоит из двух изомеров — цитраля а (гераниаль) и цитраля b (нераль), которые дают одни и те же продукты окисления. Каково наиболее вероятное структурное различие этих двух изомеров?
Цитраль а образуется при мягком окислении гераниола (задача 27, стр. 527); цитраль b образуется аналогичным путем из нерола. На этом основании припишите структуры цитралю а и цитралю Ь.
^уКареотанацетон С10Н16О — это терпен, находящийся в масле туи. Он реагирует с гидроксиламином и семикарбазидом, образуя кристаллические производные. Он не дает пробы с реактивом Толленса, но быстро обесцвечивает холодный разбавленный раствор КМпО4.
Карвотанацетон можно восстановить последовательно в карвоментон С10Н18О и карвоментол С1вН20О. Карвомеитои реагирует с гидроксиламином, но не реагирует с холодным разбавленным раствором КМпО4. Карвоментол не реагирует с гидроксиламином или с холодным разбавленным раствором КМпО4, но дает положительную пробу с раствором СгО3 в H2SO4.*
Одна группа исследователей установила, что при окислении карвотанацетона образуются изопропилянтарная и пировиноградная (СН3СОСООН) кислоты; другая группа, исследователей выделила при этом уксусную и Р-изопропилглутаровую кислоты.
Какую структуру можно предложить для карвотанацетона, согласующуюся со- всеми этими фактами?
НООССНСН2СООННООССН2СНСН2СООН
СН(СН3)2^Н(СН3)2
изопропилянтарнаяР-изопропилглутаровая
кислотакислота
Подходят ли ИК-спектры, приведенные на рис. 19.2, к каким-либо из перечисленных ниже соединений, и если подходят, то к каким именно?
изомасляному альдегиду,этилвиниловому эфиру,
бутанону-2,циклопропилкарбинолу,
тетрагидрофурану,бутен-2-олу-1
Напишите структуру или структуры, согласующиеся с каждым из ПМР-спектров на рис. 19.3.
Напишите структуры соединений А, Б и В по данным их ИК-спектров (рис. 19.4) и ПМР-спектров (рис. 19.5).
Частота, см-1
Пропускание, %Пропускание, %Пропускание,
Частота, см-1
50004000 300025002000150014001300 1200 11001000900800700
Длина волны, мкм
Частота, см-<
5000 4000 3000 25002000150014001300 1200 11001000900800700
Длина волны, мкм
Рис. 19.2. Инфракрасные спектры к задаче 27.
40—255
Пропускание, %Пропускание, %Пропускание,Пропускание, %Пропускание, %Пропускание,^niw^niwpirnnTT]irmTiii|11 и 1111 ip m гт m । npirnnTT]irmTiii|11 и 1111 ip m гт m । nЧастота, см-150004000 3000 25002000150014001300 1200 11001000900800700Частота, см-150004000 3000 25002000150014001300 1200 11001000900800700J I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I l.l H I I I ш h m lLlij_i Luj I I I I I I 1.1 I H I I LLl. 23456789101112131415J I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I l.l H I I I ш h m lLlij_i Luj I I I I I I 1.1 I H I I LLl. 23456789101112131415Длина волны, мкмДлина волны, мкм5000 4000 3000 25002000150014001300 1200 11001000900800ТОО5000 4000 3000 25002000150014001300 1200 11001000900800ТОО100100вово606040402020ооРис. 19.4. Инфракрасные спектры к задаче 29.Рис. 19.4. Инфракрасные спектры к задаче 29.(В) сюнйо(В) сюнйо678910 И 12131415678910 И 12131415
Пропускание, %Пропускание, %Пропускание,
Пропускание, %Пропускание, %Пропускание,
^niw
^niw
pirnnTT]irmTiii|11 и 1111 ip m гт m । n
pirnnTT]irmTiii|11 и 1111 ip m гт m । n
Частота, см-1
50004000 3000 25002000150014001300 1200 11001000900800700
Частота, см-1
50004000 3000 25002000150014001300 1200 11001000900800700
J I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I l.l H I I I ш h m lLlij_i Luj I I I I I I 1.1 I H I I LLl. 23456789101112131415
J I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I l.l H I I I ш h m lLlij_i Luj I I I I I I 1.1 I H I I LLl. 23456789101112131415
Длина волны, мкм
Длина волны, мкм
5000 4000 3000 25002000150014001300 1200 11001000900800ТОО
5000 4000 3000 25002000150014001300 1200 11001000900800ТОО
100
100
во
во
60
60
40
40
20
20
о
о
Рис. 19.4. Инфракрасные спектры к задаче 29.
Рис. 19.4. Инфракрасные спектры к задаче 29.
(В) сюнйо
(В) сюнйо
678910 И 12131415
678910 И 12131415
Частота, см-1
50004000 3000 2500200015001400 4300 1200 1100 1000900800ТОО
100к!Дг<Р") f'IT1 1 1 1 1 Г | 1 Р 111 ] m I |Т Г!"! |ППИ1П|11ГПI П IргпП 11 ip 1ТТП I Г! [ ITT
ГА) одо2ГА) одо240 га) едо2 I I
ГА) одо2
ГА) одо2
0М LNh Н ! h М! h Щ.ЬШ hIIIh Г! ! L Н I_ll LL 11J I I I I I I 1 I Ll I I I I I Ш_
234567 в 9101112131415
Длина волны, мкм
Частота, см-1
дтрттттрртптртгтртгтрппттрпгггггрттттт^^
Длина волны, мкм
Рис. 19.5. ПМР-спектры к задаче 29.
Функциональные производные карбоновых кислот
НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ
В АЦИЛЬНОЙ ГРУППЕ
Структура
Карбоновым кислотам родственна группа органических соединений, также сходных между собой и известных под названием функциональных производных карбоновых кислот: хлорангидриды, ангидриды, амиды и сложные эфиры. Эти производные представляют собой соединения, в которых ОН в карбоксильной группе замещен на Cl, OOCR, NH2 или OR'
О
ОII R—СOR'ОII R—СOR'R-—алкил или арилR-—алкил или арилхлорангидридхлорангидридангидридангидридамид сложный эфирамид сложный эфирR—Сх R-C/
О
II R—С
OR'
О
II R—С
OR'
R-—алкил или арил
R-—алкил или арил
хлорангидрид
хлорангидрид
ангидрид
ангидрид
амид сложный эфир
амид сложный эфир
Все эти соединения содержат ацильную группу
,О
R-C^ацильная группа
Производные кислот, подобно кислотам, могут быть алифатическими или ароматическими, замещенными или незамещенными; при этом, какова бы ни была структура остальной части молекулы, свойства функциональ- вой группы остаются практически неизменными.
Номенклатура
бензойная лимитабензойная лимитаПензойлкпприйПензойлкпприйНазвания производных кислот образуются из тривиальных названий или названий по номенклатуре IUPAC соответствующих карбоновых кислот, например
бензойная лимита
бензойная лимита
Пензойлкпприй
Пензойлкпприй
СН3-С^ он тсусиак кислота Сэтаноеал кислота.)
СН3-С^ о о,Ч*стл/япри9 (Ж ЮК С ЯХ/И^Зб)
СНу-С^
СИз-<° о
уксусный ангидрид(этановый ангидрид)
сн3-с^
nh2
ацетамид(зтанамид)
о
СН3-С^
ос2н5
зтияацетат(этил этаноат)
бензамидбензамидэтилбензоатэтилбензоатФизические свойства
бензамид
бензамид
этилбензоат
этилбензоат
Наличие группы С=О придает производным кислотам полярность. Хлорангидриды и ангидриды (табл. 20.1) и сложные эфиры (табл. 20.2) имеют температуры кипения, близкие к температурам кипения альдегидов
Таблица 20.1
Физические свойства хлорангидридов, ангидридов и амидов
Название
T. пл..
°C
Т. кип., сС/мм рт. ст.
Название
Т. пл., °C
Т. кип., °С/мм рт. ст.
Ацетилхлорид Пропионилхлорид н-Бутирилхлорид н-Валероилхлорид Стеароилхлорид Бензоилхлорид л-Нитробензоилхлорид 3,5-Динитробензоилхло- рид
Уксусный ангидрид Фталевый ангидрид
—112
—94
—89
— ПО
23
—1
72
74
—73
131
51
80
102
128
215/15
197 154/15 196/12
140
284
Формамид
Ацетамид
Пропиоамид
Амид н-масляной кислоты (н-бутирамид)
Амид валериановой кислоты (н-валерамид)
Амид стеариновой кислоты (стеарамид)
Бензамид
3 82 79
116
106
109
130
200 (разл.)
221
213
216
232
251/12
290
Таблица 20.2
Физические свойства сложных эфиров карбоновых кислот
Название
Т. пл., °C
Т. кип., °C
Название
Т. пл., °C
Т. кип., *С
Метилацетат
—98
51,5
Этилформиат
—80
54
Этилацетат
—84
77
Этилацетат
—84
77
н-Пропилацетат
—92
102
Этилпропионат
—74
99
н-Бутилацетат
—77
126
Этил-н-бутират
—93
121
н-Пентилацетат Изопентилацетат
—78
148
142
Этил-н-валерат Этилстеарат
—91
34
146 215/15
Бензилацетат
Фенилацетат
—51
214
196
Этилфенилацетат Этилбензоат
-35
мм рт. ст.
226
213
и кетонов со сравнимым молекулярным весом (разд. 15.5). Амиды (табл. 20.1) кипят при довольно высоких температурах, поскольку они способны к образованию сильных межмолекулярных водородных связей.
R
Т к
-О^ ,N—Н-О^ ^N—Н —X /I
СН
IН
R
Низшие члены ряда растворимы в воде, и граница растворимости проходит между С3- и С5-производными для сложных эфиров и С5 — С6-про- изводными для амидов. Производные кислот растворимы в обычных органических растворителях.
Летучие сложные эфиры обладают приятным, довольно характерным запахом; их часто используют в парфюмерии и кондитерской промышленности. Хлорангидриды имеют резкий раздражающий запах, что отчасти обусловлено их легким гидролизом с образованием НС1 и карбоновых кислот.
Нуклеофильное замещение в ацильной группе.
Роль карбонильной группы
Прежде чем рассмотреть каждый из классов производных кислот в отдельности, полезно дать общую картину их поведения, в рамках которой будет легче рассмотреть довольно многочисленные индивидуальные особенности.
Каждое производное почти всегда получают — непосредственно или косвенным путем — из соответствующей карбоновой кислоты, и его можно превратить вновь в карбоновую кислоту простым гидролизом. Большую роль в химии производных кислот играют превращения их друг в друга и в исходную кислоту. Кроме того, каждый класс имеет свои характерные реакции.
Производные карбоновых кислот, как и сами кислоты, содержат карбонильную группу С=О. Эта группа сохраняется в продуктах большинства реакций этих соединений и не претерпевает при этом видимых изменений. Однако само присутствие этой группы в молекуле определяет характерную реакционную способность этих соединений, и этот факт является ключевым для понимания их химии.
Ацильные соединения (карбоновые кислоты и их производные) обычно претерпевают реакции нуклеофильного замещения, в которых группы ОН, Cl, OOCR, NH2 или OR' замещаются на другие основные группы. Замещение протекает гораздо легче, чем замещение при насыщенном атоме углерода; в действительности многие из этих реакций вообще не происходят в отсутствие карбонильной группы, как, например, замещение NH2 на ОН.
ОО~О
III
R—С + :Z> R—С—Z> R—С + :WIII
WWZ
W = —ОН, — Cl, —OOCR, —NH2, —OR'
Для объяснения свойств ацильных соединений необходимо вновь обратиться к строению карбонильной группы. Мы уже встречались с этой группой
при изучении альдегидов и кетонов (разд. 19.1 и 19.9) и знаем, каких реакций можно в общем для нее ожидать.
Углерод карбонильной группы связан с тремя другими атомами о-свя- зями; поскольку эти связи используют $р2-орбитали (разд. 2.23), они лежат в плоскости под углом 120° (2,094 рад) друг к другу. Остающаяся р-орби- таль атома углерода перекрывается с р-орбиталью атома кислорода с образованием л-связи; углерод и кислород, таким образом, соединены двойной связью. Часть молекулы, непосредственно примыкающая к атому углерода карбонильной группы, плоская; кислород, углерод карбонильной группы и два связанных с ним атома лежат в одной плоскости
Как электронные, так и пространственные факторы делают карбонильную группу особенно доступной для нуклеофильной атаки по углероду карбонильной группы. Эти факторы следующие: а) тенденция кислорода к получению электронов, даже если при этом на кислороде появляется отрицательный заряд; б) относительная незатрудненность переходного состояния при превращении тригонального реагента в тетраэдрический интермедиат. Те же факторы делают ацильные соединения доступными для нуклеофильной атаки.
Однако ацильные соединения отличаются от альдегидов и кетонов природой второй стадии реакции. Тетраэдрический интермедиат, получающийся из альдегида или кетона, присоединяет протон, и образуется продукт присоединения. Тетраэдрический интермедиат, образующийся из ацильного соединения, элиминирует группу :W, что приводит снова к тригональному соединению, и результатом реакции является замещение.
ОО-ОН
альдегид или кетой,присоединениеальдегид или кетой,присоединениеацильное соедииеиие,замещениеацильное соедииеиие,замещениеIII н+ I
альдегид или кетой,присоединение
альдегид или кетой,присоединение
ацильное соедииеиие,замещение
ацильное соедииеиие,замещение
R—С + :Z> R—С—Z> R—С—Z
1I,
RRR
ОО"О
IIIII
R—С + :Z> R—С—Z» R—С + :W
III
WWZ
Можно понять, почему эти два класса соединений ведут себя различным образом. Легкость, с которой элиминируется группа :W, зависит от ее основности: чем слабее основание, тем легче уходит эта группа. Для хлор- ангидридов, ангидридов кислот, сложных эфиров и амидов группой :W являются соответственно следующие: очень слабое основание С1~, умеренно слабое основание RCOO~ и сильные основания R'O и NH2. Но для того чтобы произошло замещение у альдегидов или кетонов, элиминируемой группой должен быть гидрид-ион (Н') или алкил-ион (R-), которые, как мы знаем, являются самыми сильными основаниями (отметьте очень низкую кислотность Н2 и RH). В результате в реакциях с альдегидами и кетонами вместо элиминирования всегда происходит присоединение.
Задача 20.1. Предположите вероятный механизм для каждой из следующих реакций и объясните, почему они протекают по приведенным схемам:
а) последней стадии в галоформной реакции (разд. 16.11)н2О
ОН" + R—С—CXS>- RCOCT + CHXS
Об) реакции о-фторбензофенона с амид-иономОб) реакции о-фторбензофенона с амид-ионом
О
б) реакции о-фторбензофенона с амид-ионом
О
б) реакции о-фторбензофенона с амид-ионом
Итак, нуклеофильное замещение в ацильной группе происходит в две стадии с промежуточным образованием тетраэдрического интермедиата. Обычно общая скорость определяется скоростью обеих стадий, но первая стадия более важна.
Скорость первой стадии (образование тетраэдрического интермедиата) определяется теми же факторами, что и реакция присоединения к альдегидам и кетонам (разд. 19.9): ей благоприятствует эффект оттягивания электронов, стабилизующий образующийся отрицательный заряд; ей препятствует наличие объемистых групп, создающих пространственные препятствия в переходном состоянии. Легкость второй стадии зависит от основности уходящей группы :W.
Нуклеофильное замещение в ацильной группе
R-Cx > ^0=0+ :Wwz °” ZR-Cx > ^0=0+ :Wwz °” Z
R-Cx > ^0=0+ :W
wz °” Z
R-Cx > ^0=0+ :W
wz °” Z
реагент . переходное состояние интермедиат, продукт реакции уходящая (тригональный) (переходное к тетраодри- (тетраэдрический), (тригональный) группа, лесному), частичный отрицательныйлегче уходит
отрицательный заряд зарядболее слабое
на кислородена кислородеоснование
Если в среде имеется кислота, то Н+ присоединяется к карбонильному кислороду, делая тем самым карбонильную группу еще более доступной для нуклеофильной атаки; в этом случае кислород может приобрести л-элект- роны, не получая при этом отрицательного заряда.
Катализируемое кислотой нуклеофильное замещение в ацильной группе
ZI* R-/Cx.V онZI* R-/Cx.V онR /*Н+
Z
I
* R-/Cx.
V он
Z
I
* R-/Cx.
V он
С=О ^.-.-^
W
легче подвергаемсялдкяескрилъной атаке
Rx
„/С=О + H:W Z
Вполне понятно, что производные кислот гидролизуются легче в кислой или щелочной среде, а не в нейтральном растворе: щелочной раствор служит источником гидроксил-иона, который действует как сильный нуклеофильный
реагент, а кислый раствор — источником иона водорода, который присоединяется к кислороду карбонильной группы, что делает молекулу более доступной для атаки слабонуклеофильным реагентом — водой.
сальный нуклеофилсальный нуклеофило-I> R—С— ОНIWо-I> R—С— ОНIWЩелочной гидролиз
сальный нуклеофил
сальный нуклеофил
о-I> R—С— ОН
I
W
о-I> R—С— ОН
I
W
/О
-* R~C^ + :w
ОН
|он-
RCOO~ + Н2О
Кислотный гидролиз
+ ОН+ ОНдоступный слабый для атаки нуклеофилдоступный слабый для атаки нуклеофилWWR—С—ОН/R—С—ОН/ОН
+ ОН
+ ОН
доступный слабый для атаки нуклеофил
доступный слабый для атаки нуклеофил
W
W
R—С—ОН/
R—С—ОН/
Нуклеофильное замещение: сравнение алкильной и ацильной групп
Как уже отмечалось, нуклеофильное замещение у апильного углерода протекает легче, чем у насыщенного. По отношению к нуклеофильной атаке хлорангидриды более активны, чем алкилхлориды, амиды активнее аминов (RNH2), а сложные эфиры более активны, чем простые.
хлорангидридхлорангидридактивнееактивнееактивнееактивнееR—С/ xnh, амидR—С/ xnh, амидсложный эфирсложный эфирактивнееактивнееБезусловно, именно карбонильная группа делает ацильные соединения более активными по сравнению с алкильными.
хлорангидрид
хлорангидрид
активнее
активнее
активнее
активнее
R—С/ xnh, амид
R—С/ xnh, амид
сложный эфир
сложный эфир
активнее
активнее
R—С1
алкилхлорид
РРеакционная способность в
К 14 н2 нуклеофильном замещении
амин
R—OR'
простойэфир
Нуклеофильная атака (SN2) по тетраэдрическому атому углерода алкильной группы требует образования очень пространственно затрудненного переходного состояния, содержащего пятивалентный углерод; связь должна быть частично ослаблена для того, чтобы мог присоединиться нуклеофил.
Нуклеофильное замещение в алкильной группеНуклеофильное замещение в алкильной группететраэдрическийпятивалентныйуглерав,углерод,атака затрудненанеустойчивтетраэдрическийпятивалентныйуглерав,углерод,атака затрудненанеустойчив
Нуклеофильное замещение в алкильной группе
Нуклеофильное замещение в алкильной группе
тетраэдрическийпятивалентный
углерав,углерод,
атака затрудненанеустойчив
тетраэдрическийпятивалентный
углерав,углерод,
атака затрудненанеустойчив
Нуклеофильная атака по атому углерода плоской ацильной группы протекает с образованием относительно пространственно незатрудненного переходного состояния, приводящего к относительно устойчивому тетраэдрическому интермедиату; поскольку карбонильная группа ненасыщена, то присоединение нуклеофила требует только разрыва слабой л-связи, и в результате отрицательный заряд появляется на атоме, вполне склонном его приобрести, на атоме кислорода.
тетраэдрический углерод, устойчивтетраэдрический углерод, устойчивНуклеофильное замещение в ацильной группе
тетраэдрический углерод, устойчив
тетраэдрический углерод, устойчив
тригональныйуглерод,атака относительно
незатруднена
ХЛОРАНГИДРИДЫ
Получение хлорангидридов
Хлорангидриды получают из соответствующих кислот при реакции с тионилхлоридом, треххлористым или пятихлористым фосфором, как рассмотрено в разд. 18.15.
Реакции хлорангидридов
Хлорангидриды, подобно другим производным кислот, подвергаются типичным реакциям нуклеофильного замещения. При этом хлор удаляется в виде хлорид-иона или хлористого водорода и его место занимает другая основная группа. Вследствие наличия карбонильной группы эти реакции протекают гораздо быстрее, чем соответствующие реакции нуклеофильного замещения алкилгалогенидов. Хлорангидриды — наиболее реакционноспособные производные карбоновых кислот.
РЕАКЦИИ ХЛОРАНГИДРИДОВ
Превращение в кислоты и их производные (разд. 20.8)
Z Z
R—С( + HZR—Сх + I
а) Превращение в кислоты. Гидролиз
RCOC1 + Н2О> RCOOH + НС1
Пример:Пример:СОС1 + НгОбензоил- хлориОСОС1 + НгОбензоил- хлориОкислотакислотабензойная рислота.бензойная рислота.нана
Пример:
Пример:
СОС1 + НгО
бензоил- хлориО
СОС1 + НгО
бензоил- хлориО
кислота
кислота
бензойная рислота.
бензойная рислота.
на
на
6) Превращение в амиды. АммонолизRCOC1 + 2МН3> RCONH2 + NH4C1амидПример:6) Превращение в амиды. АммонолизRCOC1 + 2МН3> RCONH2 + NH4C1амидПример:
6) Превращение в амиды. Аммонолиз
RCOC1 + 2МН3> RCONH2 + NH4C1
амид
Пример:
6) Превращение в амиды. Аммонолиз
RCOC1 + 2МН3> RCONH2 + NH4C1
амид
Пример:
бензоилхлоривбензоилхлоривбензамидбензамидПревращение в сложные эфиры. АлкоголизПревращение в сложные эфиры. АлкоголизRCOC1 + R'OH> RCOOR' + НС1RCOC1 + R'OH> RCOOR' + НС1сложныйэфирсложныйэфирПример:Пример:бензоил- хлоридбензоил- хлорид+ С2Н5ОНэтиловыйспирт+ С2Н5ОНэтиловыйспиртзтилбензоалазтилбензоалаМН4С1МН4С1+ на+ наОбразование кетонов. Ацилирование по Фриделю—Крафтсу (разд. 19.7)Образование кетонов. Ацилирование по Фриделю—Крафтсу (разд. 19.7)А1С13А1С13или другие кислоты Льюисаили другие кислоты ЛьюисаR—С—Аг + НС1R—С—Аг + НС1кетонкетонОбразование кетонов. Реакция с кадмийоргаинческими соединениями (разд. 19.8)Образование кетонов. Реакция с кадмийоргаинческими соединениями (разд. 19.8)
бензоилхлорив
бензоилхлорив
бензамид
бензамид
Превращение в сложные эфиры. Алкоголиз
Превращение в сложные эфиры. Алкоголиз
RCOC1 + R'OH> RCOOR' + НС1
RCOC1 + R'OH> RCOOR' + НС1
сложныйэфир
сложныйэфир
Пример:
Пример:
бензоил- хлорид
бензоил- хлорид
+ С2Н5ОН
этиловыйспирт
+ С2Н5ОН
этиловыйспирт
зтилбензоала
зтилбензоала
МН4С1
МН4С1
+ на
+ на
Образование кетонов. Ацилирование по Фриделю—Крафтсу (разд. 19.7)
Образование кетонов. Ацилирование по Фриделю—Крафтсу (разд. 19.7)
А1С13
А1С13
или другие кислоты Льюиса
или другие кислоты Льюиса
R—С—Аг + НС1
R—С—Аг + НС1
кетон
кетон
Образование кетонов. Реакция с кадмийоргаинческими соединениями (разд. 19.8)
Образование кетонов. Реакция с кадмийоргаинческими соединениями (разд. 19.8)
CdCbR'MgX > R2Ccl — R-C—R'RCOC1Оили —ArCOClCdCbR'MgX > R2Ccl — R-C—R'RCOC1Оили —ArCOClилиАг—С—R' R' — арил или|| первичный алкил ОкетонилиАг—С—R' R' — арил или|| первичный алкил Окетон
CdCb
R'MgX > R2Ccl — R-C—R'
RCOC1О
или —ArCOCl
CdCb
R'MgX > R2Ccl — R-C—R'
RCOC1О
или —ArCOCl
илиАг—С—R' R' — арил или
|| первичный алкил О
кетон
илиАг—С—R' R' — арил или
|| первичный алкил О
кетон
Образование альдегидов в результате восстановления (разд. 19.5)
Н2, Pd—BaSO4(катализатор отравленный)
RCOC1 или ArCOCl ————*• RCHO или АгСНО
или 1лА1Н[ОС(СН3)э]з
альдегид
Превращение хлорангидридов в производные кислот
В лаборатории амиды и сложные эфиры обычно получают из хлорангидридов, а не из самих кислот. Как реакция получения хлорангидрида, так и взаимодействие последнего с аммиаком или спиртом протекают быстро
и практически необратимы. Поэтому гораздо удобнее провести две эти стадии, чем одну медленную и обратимую реакцию с кислотой, например:
н-С17Н35СООНстеариноваякислотан-С17Н35СООНстеариноваякислотан^ые^^ОСХ „^ k-C17H35CONH2 стеароилхлоридамид стеариновой
н-С17Н35СООН
стеариноваякислота
н-С17Н35СООН
стеариноваякислота
кислоты
СООНСООНO2NO2NN О2 wwe ваииеN О2 wwe ваииеРС15РС15СОС1СОС13,5- бимитробензоил- хлорид3,5- бимитробензоил- хлоридСООС3Н7СООС3Н7^02^02к-с,н,онпиривая-* O2Nк-с,н,онпиривая-* O2N3,5-дитлпробензойнаякислота3,5-дитлпробензойнаякислотабензоилхлоривбензоилхлоривкаонкаонн-ироттал-3,5-бинитробензоатн-ироттал-3,5-бинитробензоатфенилбензоолпфенилбензоолп
СООН
СООН
O2N
O2N
N О2 wwe ваиие
N О2 wwe ваиие
РС15
РС15
СОС1
СОС1
3,5- бимитробензоил- хлорид
3,5- бимитробензоил- хлорид
СООС3Н7
СООС3Н7
^02
^02
к-с,н,он
пиривая-* O2N
к-с,н,он
пиривая-* O2N
3,5-дитлпробензойнаякислота
3,5-дитлпробензойнаякислота
бензоилхлорив
бензоилхлорив
каон
каон
н-ироттал-
3,5-бинитробензоат
н-ироттал-
3,5-бинитробензоат
фенилбензоолп
фенилбензоолп
Ароматические хлорангидриды (АгСОС!) значительно менее реакционноспособны, чем алифатические хлорангидриды. Так, например, с холодной водой ацетилхлорид реагирует почти взрывообразно, а бензоилхлорид — очень медленно. Реакцию ароматических хлорангидридов со спиртами или с фенолами часто проводят по методике Шоттена — Баумана; хлорангпд- рид прибавляют небольшими порциями (каждый раз энергично встряхивая) к смеси оксисоединения и основания, обычно водного раствора едкого натра или пиридина (органическое основание, разд. 36.11). Хотя функция основания не вполне ясна, по-видимому, оно служит не только для нейтрализации хлористого водорода, который в противном случае выделялся бы в свободном виде, но и катализирует реакцию.
АНГИДРИДЫ КИСЛОТ
Методы синтеза уксусного ангидрида
Из ангидридов монокарбоновых кислот лишь один встречается достаточно часто, однако именно он, уксусный ангидрид, является чрезвычайно важным. Его синтезируют взаимодействием уксусной кислоты с кетеном СНе=С=О, который получают из уксусной кислоты высокотемпературной дегидратацией.
Д1РО4
кетенкетенСН3СООН>- СН2=С=О + Н2О3700 °C2
кетен
кетен
уксусный ангидридуксусный ангидридСНг=С=О + СН3СООН кетен уксусная кислота
уксусный ангидрид
уксусный ангидрид
Кетен — чрезвычайно реакционноспособное соединение, обладающее интересными свойствами; мы с ним уже встречались как с источником ме-
тилена (разд. 4.33 и 9.19). В лаборатории его получают пиролизом ацетона и обычно сразу же используют.
700 -750 °CCHSCOCH3 »- сн4 + сн2=с=о
кетен
(Чрезвычайно важны ангидриды двухосновных кислот; они рассмотрены в гл. 29).
Реакции ангидридов кислот
Ангидриды кислот вступают в те же реакции, что и хлорангидриды, но они реагируют при этом несколько медленнее. Если при реакции с хлор- ангидридом выделяется молекула хлористого водорода, то в реакции с ангидридом выделяется молекула карбоновой кислоты.
РЕАКЦИИ АНГИДРИДОВ КИСЛОТ
Превращение в кислоты и их производные (разд. 20.10) (RCO)2O + HZ> RCOZ + RCOOH
Превращение в кислоты. Гидролиз
Пример:
(СН3СО)2О + Н2О» 2СН3СООНуксусныйуксусная
ангидридкислота
Превращение в амиды. Аммонолиз
Пример:
(СН3СО)2О -+ 2NH3> CH3CONH2 + CH3COO"NH^уксусныйацетамид ацетат
ангидридаммония
Превращение в сложные эфиры. Алкоголиз
Пример:
уксусный ангидридуксусный ангидрид(СН3СО)2О + СН3ОН> СН3СООСН3 + СН3СООН
уксусный ангидрид
уксусный ангидрид
метилацетат уксусная(сложный эфир) кислота
Образование кетонов. Ацилирование по Фриделю—Крафтсу (разд. 19.7)
AlCls(RCO)2O 4- АгН* R—С—Ar + RCOOHили другая кисло- и
та Льюиса
кетон
(СН3СО)2О + уксусный ангидрид(СН3СО)2О + уксусный ангидридА1С13А1С13мезитиленмезитиленСН3—ССН3—СО СН3О СН3Пример:
(СН3СО)2О + уксусный ангидрид
(СН3СО)2О + уксусный ангидрид
А1С13
А1С13
мезитилен
мезитилен
СН3—С
СН3—С
О СН3
О СН3
метоилмезитилкетонметоилмезитилкетонСН3 + СНзСООН уксусная кислота.
метоилмезитилкетон
метоилмезитилкетон
Соединения, содержащие ацетильную группу, часто получают из уксусного ангидрида: он дешев, легко доступен, менее летуч и с ним легче обра-
щаться, чем с хлористым ацетилом. Кроме того, в реакциях с уксусным ангидридом не образуется корродирующего хлористого водорода. Он широко используется в промышленности для этерификации полиоксисоединений, известных под названием углеводы, особенно целлюлозы (гл. 34).
АМИДЫ
Методы синтеза амидов
Амиды получают из аммиака и кислоты или ее производного. Наиболее важные методы приведены ниже.
МЕТОДЫ СИНТЕЗА АМИДОВ
Из хлорангидрндов кислот (разд. 20.8)
RCOC1 + 2МН3> RCONH2 + NH4C1
Пример:
п-бромбензаилхвориап-бромбензаилхвориа@>conh2@>conh2+ NH4C1+ NH4C1п-бром бензамидп-бром бензамид
п-бромбензаилхвориа
п-бромбензаилхвориа
@>conh2
@>conh2
+ NH4C1
+ NH4C1
п-бром бензамид
п-бром бензамид
Из солей аммония (разд. 18.17)
нагревание
RC0OH + NHg> RCOO"NH4 > rconh2 + Н2О
Пример:
нагревание
h-C17Hs5COOH + NH3» «-Ct7H3r>COO"NH4 > h-C17H36CONH2 + Н2О
стеариноваястеарат аммонияамид стеарино-
кислотавой кислоты
В большинстве случаев в лаборатории амиды получают взаимодействием аммиака с хлорангидридами (или ангидридами, если последние доступны). В промышленности чаще используют более дешевый синтез из аммонийных солей.
Реакции амидов
Амиды гидролизуются при нагревании с водными растворами кислот или водными растворами оснований. В результате реакции образуются аммиак и карбоновая кислота; одно из этих двух соединений может получаться в виде соли, что определяется кислотностью или основностью среды.
Другая важная реакция — расщепление амидов по Гофману — будет рассмотрена в разд. 22.13.
РЕАКЦИИ АМИДОВ
Гидролиз (разд. 20.13)
н+
RCONH$ + Н2ОRCONH$ + Н2О»- RCOOH + NH4
RCONH$ + Н2О
RCONH$ + Н2О
онг
> RCOO~ + NH3
Примеры:
бензамидбензамид+ H2SO4 + Н2О * ^Q^COOH + NH4+HSO4-
бензамид
бензамид
бензойнаякислота
CH3CH2CH2CONH2 + NaOH + Ы2О* CH3CH2CH2COO“Na+ + NH3 амид масляной кислотыбутират натрия
2. Расщепление амидов по Гофмаиу (разд. 22.13)
OBf
RCONH2 или AtCONH2 > RNH3 или ArNH3 + COi"
амид
первичный амин
Гидролиз амидов
оR-c( -^r4NH*оR-c( -^r4NH*Гидролиз амидов — типичная реакция производных карбоновых кислот. Он протекает как нуклеофильное замещение, в результате которого МН2-группа замещается на ОН-группу. В кислых условиях гидролиз протекает через стадию присоединения воды к протонированному амиду.
о
R-c( -^r4
NH*
о
R-c( -^r4
NH*
он/О
^ R-C-OH2* —> NH, + R-C —* RCOO-NH4*
nh2Xoh
В щелочных условиях при гидролизе сильно нуклеофильный гидрок- сил-ион атакует молекулу амида
СГ
> R—С—ОН > RCOO" + NH3 I nh2
СЛОЖНЫЕ ЭФИРЫ
Методы синтеза сложных эфиров
Сложные эфиры (табл. 20.2) обычно получают взаимодействием спиртов или фенолов с кислотами или их производными. Наиболее важные методы описаны ниже.
МЕТОДЫ СИНТЕЗА СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ
Из кислот (раздел 18.16 и 20.17)
Реакционная способность R'OH:первичный >> вторичныйО третичный)Реакционная способность R'OH:первичный >> вторичныйО третичный)н+
Реакционная способность R'OH:
первичный >> вторичныйО третичный)
Реакционная способность R'OH:
первичный >> вторичныйО третичный)
RCOOH + R'OH *=^ RCOOR' + Н2О
карбоновая спиртсложный
кислота (R' обычно эфир
(R может алкил)
быть алкилом
или арилом)
СН3СООН +
НОСН2^> ^>
бензиловый спирт
СН3СООСН2^)
бензилацетат
уксусная кислота.
бензойная кислота.
СН,
+ HOCH2CHCH3 изобутиловый спирт
СН3
— ^>СООСН2^НСН3изобутилбензоат
Из хлорангидридов или ангидридов (разд. 20.8 и 20.10)
RCOC1 + R'OH (или АгОН)> RCOOR' (или RCOOAr) + НС1(RCO)2O + R'OH (или АгОН)» RCOOR' (или RCOOAr) + RCOOH
Примеры:
BrBr
Гх-^COCIперидин |^~^1COOC2H5
[OJ + C2H5OH » [OJ 5 + HC1
о-бромбензоил-зтил-0-бромбензоат
хлорид
(CH3CO)2O + ho<Q)no2уксусный''ангидрид к-нитрофенол(CH3CO)2O + ho<Q)no2уксусный''ангидрид к-нитрофенолCH3COO^^NO2 + СН3СООН п-тгтрофенилацвтатCH3COO^^NO2 + СН3СООН п-тгтрофенилацвтат
(CH3CO)2O + ho<Q)no2уксусный''
ангидрид к-нитрофенол
(CH3CO)2O + ho<Q)no2уксусный''
ангидрид к-нитрофенол
CH3COO^^NO2 + СН3СООН п-тгтрофенилацвтат
CH3COO^^NO2 + СН3СООН п-тгтрофенилацвтат
Из сложных эфиров. Переэтерификация (разд. 20.19)
Прямая реакция спиртов или фенолов с кислотами приводит к установлению равновесия и требует специальных условий, особенно в случае фенолов, для доведения ее до конца (разд. 18.16). В лаборатории чаще используют реакцию с хлорангидридом или ангидридом.
Влияние структуры спирта или кислоты на легкость этерификации было уже рассмотрено в разд. 18.16.
Как уже упоминалось в разд. 20.8, этерификацию с использованием ароматических хлорангидридов АгСОС! часто проводят в присутствии основания (метод Шоттена — Баумана).
Задача 20.2. При этерификации бензойной кислоты метиловым спиртом в присутствии небольшого количества серной кислоты образуется смесь пяти веществ: бензойной кислоты, метилового спирта, воды, метилбензоата и серной кислоты. Предложите методику выделения чистого эфира.
Реакции сложных эфиров
Сложные эфиры вступают в те же реакции нуклеофильного замещения, которые типичны для производных карбоновых кислот. Атака протекает по углероду карбонильной группы, имеющему дефицит электронов, и приводит к замещению OR'-группы на ОН, OR" и NH3
О'
R—С<+ :Z> R—С—Z> R—C<f + :OR'~
XOR'I4Z
OR'
:Z=:OH~, OR"-, :NH3
Эти реакции иногда проводят в присутствии кислоты. В таких кислот- но-катализируемых реакциях Н+ присоединяется к кислороду карбонильной группы, что делает углерод карбонильной группы еще более подверженным нуклеофильной атаке.
Кислотный катализ:углерод становитсяболее подверженнымнуклеофильной атаке
РЕАКЦИИ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ
а)а)Превращение в кислоты. ГидролизПревращение в кислоты. ГидролизRCOOR' + Н2ОRCOOR' + Н2Онч>- RCOOH + R'OHOH-> RCOO~-f-R'OHнч>- RCOOH + R'OHOH-> RCOO~-f-R'OHПример:Пример:H2SOtH2SOtCOOC2HS + Н2ОCOOC2HS + Н2ОСООН + С2Н5ОН„этиловыйбензойнаяспирт •кислота.СООН + С2Н5ОН„этиловыйбензойнаяспирт •кислота.этилбензоатэтилбензоатNaOHNaOHCOO-Na+ + С2Н5ОН этиловыи бензоатспиртнатрияCOO-Na+ + С2Н5ОН этиловыи бензоатспиртнатрияПревращение в амиды. Аммонолиз (разд 20 18)Превращение в амиды. Аммонолиз (разд 20 18)RCOOR' + NH3^ RCONH, + R'OHRCOOR' + NH3^ RCONH, + R'OHПример:Пример:СН3СООС2Н5 + ХН3> СН3СОХН2 4- С2Н5ОНэтилацетатацетамид этиловыйспиртСН3СООС2Н5 + ХН3> СН3СОХН2 4- С2Н5ОНэтилацетатацетамид этиловыйспиртПревращение в сложные эфиры. Переэтерификация. Алкоголиз (разд. 20.19)Превращение в сложные эфиры. Переэтерификация. Алкоголиз (разд. 20.19)кислота иликислота илиПример:Пример:основаниеRCOOR' + R"OH >- RCOOR" + R'OHоснованиеRCOOR' + R"OH >- RCOOR" + R'OHCH2—О—C—R II ОСН—О—С—R' + СН3ОНCH2—О—C—R II ОСН—О—С—R' + СН3ОНкислота или,.основаниекислота или,.основаниеСН2—О—С—R"IIОглицерид (жир)СН2—О—С—R"IIОглицерид (жир)RCOOCH3 СН2ОН +R'COOCH3 + СНОН+jR"COOCH3 СН2ОНRCOOCH3 СН2ОН +R'COOCH3 + СНОН+jR"COOCH3 СН2ОНсмесь метило- глицерин вых эфировсмесь метило- глицерин вых эфиров2. Реакции с реактивом Гриньяра (разд. 20.20)2. Реакции с реактивом Гриньяра (разд. 20.20)RCOOR' + 2R"MgXRCOOR' + 2R"MgXR"R—C—R"OHR"R—C—R"OHтретичныйспирттретичныйспиртПревращение в кислоты и их производные (разд. 20.16. и 20.17)
а)
а)
Превращение в кислоты. Гидролиз
Превращение в кислоты. Гидролиз
RCOOR' + Н2О
RCOOR' + Н2О
нч
>- RCOOH + R'OH
OH-
> RCOO~-f-R'OH
нч
>- RCOOH + R'OH
OH-
> RCOO~-f-R'OH
Пример:
Пример:
H2SOt
H2SOt
COOC2HS + Н2О
COOC2HS + Н2О
СООН + С2Н5ОН
„этиловый
бензойнаяспирт •
кислота.
СООН + С2Н5ОН
„этиловый
бензойнаяспирт •
кислота.
этилбензоат
этилбензоат
NaOH
NaOH
COO-Na+ + С2Н5ОН этиловыи бензоатспирт
натрия
COO-Na+ + С2Н5ОН этиловыи бензоатспирт
натрия
Превращение в амиды. Аммонолиз (разд 20 18)
Превращение в амиды. Аммонолиз (разд 20 18)
RCOOR' + NH3^ RCONH, + R'OH
RCOOR' + NH3^ RCONH, + R'OH
Пример:
Пример:
СН3СООС2Н5 + ХН3> СН3СОХН2 4- С2Н5ОНэтилацетатацетамид этиловый
спирт
СН3СООС2Н5 + ХН3> СН3СОХН2 4- С2Н5ОНэтилацетатацетамид этиловый
спирт
Превращение в сложные эфиры. Переэтерификация. Алкоголиз (разд. 20.19)
Превращение в сложные эфиры. Переэтерификация. Алкоголиз (разд. 20.19)
кислота или
кислота или
Пример:
Пример:
основание
RCOOR' + R"OH >- RCOOR" + R'OH
основание
RCOOR' + R"OH >- RCOOR" + R'OH
CH2—О—C—R II О
СН—О—С—R' + СН3ОН
CH2—О—C—R II О
СН—О—С—R' + СН3ОН
кислота или
,.
основание
кислота или
,.
основание
СН2—О—С—R"IIОглицерид (жир)
СН2—О—С—R"IIОглицерид (жир)
RCOOCH3 СН2ОН +
R'COOCH3 + СНОН+j
R"COOCH3 СН2ОН
RCOOCH3 СН2ОН +
R'COOCH3 + СНОН+j
R"COOCH3 СН2ОН
смесь метило- глицерин вых эфиров
смесь метило- глицерин вых эфиров
2. Реакции с реактивом Гриньяра (разд. 20.20)
2. Реакции с реактивом Гриньяра (разд. 20.20)
RCOOR' + 2R"MgX
RCOOR' + 2R"MgX
R"
R—C—R"
OH
R"
R—C—R"
OH
третичныйспирт
третичныйспирт
зтилбенаоашзтилбенаоашфенилмагиий-бромив,2 молифенилмагиий-бромив,2 молитрьфекилкарбиролтрьфекилкарбирол
зтилбенаоаш
зтилбенаоаш
фенилмагиий-бромив,
2 моли
фенилмагиий-бромив,
2 моли
трьфекилкарбирол
трьфекилкарбирол
СН3СН3 CHS
СН3СНСООС2Н6 + 2CHsMgI> СН3—СИ—С—СН3
ОНэтилизобутират метилмагний-2,3-диметил-
иодид (2 моля)бутанол-2
Восстановленве в спирты (разд. 20.21 и 20.24)
Каталитическое гидрирование. Гидрогенолиз
RCOOR' + 2НгRCH2OH + R'OH
zou v>, ziu—'TiuaiM
первичныйспирт
Пример:Пример:CHaСН3—С—СООС2Н5 + 2НгСН3CHaСН3—С—СООС2Н5 + 2НгСН3CuO-CuCr2O4>.250 °C, 230 атмCuO-CuCr2O4>.250 °C, 230 атмСН3сн3—с—сн3он + С2Н#ОНСНзСН3сн3—с—сн3он + С2Н#ОНСНзэтилтриметилацетат(этил-2,2-диметнл-пропаноат)этилтриметилацетат(этил-2,2-диметнл-пропаноат)неопентиловыйэтиловыйспирт (2,2-днме- спирт тнлпропанол)неопентиловыйэтиловыйспирт (2,2-днме- спирт тнлпропанол)
Пример:
Пример:
CHa
СН3—С—СООС2Н5 + 2Нг
СН3
CHa
СН3—С—СООС2Н5 + 2Нг
СН3
CuO-CuCr2O4>.250 °C, 230 атм
CuO-CuCr2O4>.250 °C, 230 атм
СН3
сн3—с—сн3он + С2Н#ОН
СНз
СН3
сн3—с—сн3он + С2Н#ОН
СНз
этилтриметилацетат(этил-2,2-диметнл-пропаноат)
этилтриметилацетат(этил-2,2-диметнл-пропаноат)
неопентиловыйэтиловый
спирт (2,2-днме- спирт тнлпропанол)
неопентиловыйэтиловый
спирт (2,2-днме- спирт тнлпропанол)
Химическое восстановление
Na+ спирт
RCOOR' *- RCHjOH-RR'OHпервичныйспирт
(RCH2OH)(RCH2OH)R'OHR'OHбезв. эфир [LiAl(OCH2R)4
(RCH2OH)
(RCH2OH)
R'OH
R'OH
4KCOOR' 4- 2LiAlH4*•4.
LiAl(OR')4 ,
Примеры:
Na, C2H5OHCH3(CH2)6COOGH5 >- CH8(CHg)eCH2OH
этилоктаноатоктанол-1
LiAlHi
CHs(CHg)7CH=CH(CH2)7COOCH3метилолеат(метил-чнс-октадецен-9-оат)CHs(CHg)7CH=CH(CH2)7COOCH3метилолеат(метил-чнс-октадецен-9-оат)—>- сп3(сн2)7сн=сн(ау7сн2он олеиновый спирт
CHs(CHg)7CH=CH(CH2)7COOCH3метилолеат(метил-чнс-октадецен-9-оат)
CHs(CHg)7CH=CH(CH2)7COOCH3метилолеат(метил-чнс-октадецен-9-оат)
(Чнл-октадецен-9-ол-1)
20J6. Щелочной гидролиз сложных эфиров
Эфиры карбоновых кислот гидролизуются до карбоновых кислот и спиртов или фенолов при нагревании с водными растворами кислот или оснований. Естественно, что в щелочных условиях карбоновая кислота получается в виде соли, из которой ее можно выделить при доба1 тении минеральной кислоты.
ОНОН- + К'ОН- + К'ОНсольсольспортспортОснование вызывает гидролиз сложного эфира за счет атаки сильно нуклеофильного реагента ОН". Эта реакция практически необратима, поскольку карбоксилат-анион, стабилизованный резонансом (разд. 18.13), мало склонен к реакции со спиртом.
ОН
ОН
- + К'ОН
- + К'ОН
соль
соль
спорт
спорт
r—с+ он- —>
XOR'
сложный гидроксил* эрир ион
Рассмотрим различные аспекты только что написанного механизма и выясним, какие данные его подтверждают.
Прежде всего реакция предполагает атаку гидроксил-иона по сложно- эфирной группе. Это согласуется с кинетикой, соответствующей реакции второго порядка, причем скорость ее зависит как от концентрации сложного эфира, так и от концентрации гидроксил-иона.
Далее гидроксил присоединяется по атому углерода карбонильной группы и вытесняет алкоголят-ион. Это означает, что при реакции происходит разрыв связи между кислородом и ацильной группой RCO-4-OR'. В пользу этого имеется два ряда данных, прежде всего данные стереохимии.
с6н5СОО- +с6н5СОО- +(+) -етор-бутилоеый спирт(+) -етор-бутилоеый спиртрасщепление связи между кислородом .и алкильной группой: обращение конфигурациирасщепление связи между кислородом .и алкильной группой: обращение конфигурации(—) -втор-бутиловыи спирт(—) -втор-бутиловыи спиртРассмотрим, например, образование и последующий гидролиз сложного эфира — оптически активного втор-бутилового спирта. Реакция (+)-emop- бутилового спирта с бензоилхлоридом должна протекать с разрывом связи водород — кислород, и поэтому конфигурация асимметрического атома углерода не будет изменяться (разд. 7.3). Если гидролиз этого эфира сопровождается разрывом связи между кислородом и emop-бутильной группой, то почти наверняка мы должны ожидать обращения конфигурации (или обращение + рацемизация, если реакция протекает по механизму SN1)
с6н5СОО- +
с6н5СОО- +
(+) -етор-бутилоеый спирт
(+) -етор-бутилоеый спирт
расщепление связи между кислородом .
и алкильной группой: обращение конфигурации
расщепление связи между кислородом .
и алкильной группой: обращение конфигурации
(—) -втор-бутиловыи спирт
(—) -втор-бутиловыи спирт
о!
II1 с6н5сЧ-а
Однако если связь между кислородом и e/пор-бутильной группой остается незатронутой при гидролизе, то можно ожидать получения в/иор-бутилового спирта с той же конфигурацией, что и у исходного спирта
расщепление связи между кислородом' и ацильной группой: сохранение конфигурациирасщепление связи между кислородом' и ацильной группой: сохранение конфигурацииQHjCOO- +QHjCOO- +(+) - втор- бутиловый спирт(+) - втор- бутиловый спирт
расщепление связи между кислородом' и ацильной группой: сохранение конфигурации
расщепление связи между кислородом' и ацильной группой: сохранение конфигурации
QHjCOO- +
QHjCOO- +
(+) - втор- бутиловый спирт
(+) - втор- бутиловый спирт
Оказалось, что когда взяли втор-бугиловый спирт с удельным вращением + 13,8° (+0,241 рад), превратили его в бензоат и гидролизовали последний в щелочных условиях, то был получен в/тгор-бутиловый спирт с тем же вращением +13,8° (+0,241 рад). Полное сохранение конфигурации убедительно показывает, что разрыв связи происходит между кислородом и ацильной группой.
Опыты с мечеными атомами подтвердили данные о характере разрыва связи, следующие из стереохимии реакции- При гидролизе этилпропионата, меченного 18О, под действием основания в обычной воде был получен этиловый спирт, обогащенный 18О. В пропионовой кислоте содержание 18О не превышало стандартное содержание изотопа в природном кислороде
СН3СН2—+ ОН'' О18С2Н5СН3СН2—+ ОН'' О18С2Н5-> СН3СН2—С^ 4- C2H5Ot8Hон-> СН3СН2—С^ 4- C2H5Ot8Hон
СН3СН2—+ ОН'' О18С2Н5
СН3СН2—+ ОН'' О18С2Н5
-> СН3СН2—С^ 4- C2H5Ot8Hон
-> СН3СН2—С^ 4- C2H5Ot8Hон
Спиртовая группа сохранила тот атом кислорода, с которым она была связана в сложном эфире: расщепилась связь между кислородом и ацильной группой.
Изучение других реакций гидролиза с помощью меченых атомов и стереохимических методов показало, что расщепление связи между кислородом и ацильной группой является обычным для реакции гидролиза сложных эфиров.
Это указывает на то, что предпочтительным местом нуклеофильной атаки будет углерод карбонильной группы, а не углерод алкильной группы; именно этого можно было ожидать в свете общих соображений о большей реакционной способности углерода карбонильной группы (разд. 20.5).
Наконец, согласно современным представлениям о механизме реакции, атака гидроксил-иона по углероду карбонильной группы не приводит к вытеснению алкоголят-иона в одну стадию.
Более вероятно, что реакция протекает в две стадии с образованием
О
ОРГ + R—С< XOR'ОРГ + R—С< XOR'переходное состояниепереходное состояние+ R'O-+ R'O-II 6-HO-C.-OR'
ОРГ + R—С< XOR'
ОРГ + R—С< XOR'
переходное состояние
переходное состояние
+ R'O-
+ R'O-
R
механизм не реализуется
тетраэдрического интермедиата.
Эти два варианта механизма рассматривались как более или менее равновероятные вплоть до 1950 г., когда была опубликована очень изящная работа по изотопному обмену, выполненная Мироном Бендером (Северо-западный университет, США).
В этой работе был проведен щелочной гидролиз этилбензоата, меченного по кислороду карбонильной группы СвН5С18ООС2НБ, в обычной воде, но основное внимание было уделено не продукту, а реагенту. Реакцию прерывали через различные промежутки времени, непрореагировавший эфир выделяли и анализировали на содержание 18О. Было обнаружено, что в щелочном растворе происходит не только гидролиз эфира, но также обмен 18О на обыч-
ный кислород из растворителя.
момо“«О
IIIII
R—С—ОС2Н6 + ОН“ 4=t R—С—ОС2Н5> R—С + С2Н6О~
меченый сложный эфир,q^
исходное вещество
Н20 I
«ОН
R—С—ОС2Н6R—}-+ С2Н 5ОН
он
IIпродукты гидролиза
I Г
' |Н2О
«ОН«ОН
II
R—С—ОС2Н5 + «ОН“ ^==^ R—С—ОС2Н8 > R—С + С2Н5О~
IIIII
ОО"о
немеченый сложныйIII
эфир, продукт обмена
Обмен кислорода не согласуется с одностадийным механизмом, поскольку в последнем не предусмотрена возможность такой реакции. Обмен кислорода находится в соответствии с двухстадийным механизмом, согласно которому происходит не только образование интермедиата I, но также его частичное обратное превращение в исходное вещество, а частично в интермедиат III (возможно, через нейтральный продукт II). Промежуточное соединение III эквивалентно I, но метка в нем занимает другое положение. Если все это так, то обратное превращение интермедиата III в исходное вещество и дает эфир, не содержащий 180.
Аналогичные эксперименты свидетельствуют об обратимом образовании тетраэдрических интермедиатов в гидролизе других сложных эфиров, амидов, ангидридов и хлорангидридов; на основании этих данных был предложен общий механизм нуклеофильного замещения по ацильной группе (см. выше).
Данные по изотопному обмену служат также для оценки относительной важности двух стадий: различия в скоростях гидролиза ацильных производных зависят главным образом от того, насколько быстро образуются эти интермедиаты и какая их часть превращается далее в конечный продукт.
Как уже указывалось, скорость образования интермедиатов определяется как электронными, так и пространственными факторами: в переходном состоянии возникает отрицательный заряд и конфигурация углерода изменяется от тригональной до тетрагональной.
Даже в тех случаях, когда не удается установить факт обмена кислорода, нельзя исключить возможность образования такого же промежуточного соединения. Отсутствие обмена может означать лишь, что этот интермедиат быстрее превращается в продукты гидролиза, чем претерпевает другие превращения.
Задача 20.3. Относительные скорости щелочного гидролиза этиловых эфиров п-замещен- ных бензойных кислот п-ХС6Н4СООС2Н5 равны
X = NO2>C1>H>CH3>OCH3
110410,50,2
а) Как вы объясните такой порядок реакционной способности? б) Какого рода эффекта — активирующего или дезактивирующего — можно ожидать от следующих заместителей: n-Br, n-NH2 и п-С(СН3)3? в) Предскажите порядок реакционной способности по отношению к щелочному гидролизу для следующих сложных эфиров: п-аминофенилацетата, л-метилфенилацетата, л-нитрофеиилацетата и фенилацетата.
Задача 20.4. Относительные скорости щелочного гидролиза алкилацетатов CH3COOR ■равны
R = СН3 > С2Н5 > (СН3)2СН > (СН3)3С
10,60,150,008
Какие два фактора обусловливают такую последовательность?
Предскажите порядок реакционной способности по отношению к щелочному гидролизу для следующих сложных эфиров : метилацетата, метилформиата, метилизобутирата, метил- ■пропионата, метилтриметилацетата.
Задача 20.5. Данные по изотопному обмену показывают, что доля тетраэдрического интермедиата, превращающегося в продукты реакции, уменьшается в следующем ряду: хлорангидрид > ангидрид > сложный эфир > амид. Какой фактор определяет эту ■поел едовател ь ность?
Кислотный гидролиз сложных эфиров
Гидролиз сложных эфиров может происходить при действии не только оснований, но и кислот. Кислотный гидролиз, как было показано в разд. 18.16, является обратимым
н+
RCOOR' + Н2О RCOOH + R'OH
и поэтому механизм гидролиза такой же, как и механизм этерификации, но рассмотренный в обратном направлении. Данные, относящиеся к одной из этих реакций, должны в равной мере относиться и к другой.
Механизм кислотно-катализируемого гидролиза и этерификации представлен следующим равновесием:
н*оR—С—OR'сложныйэф«Рн*оR—С—OR'сложныйэф«РН2О воваН2О воваОНОНОНОНt X „ IR—С—OR' ^— R—С—OR't X „ IR—С—OR' ^— R—С—OR'+ ОН2+ ОН2ононон-он-R—С—OR'I Н ОНиR—С—OR'I Н ОНион.он.R'OH спиртR'OH спиртОR—С—ОНкислота/+Н+ОR—С—ОНкислота/+Н+
н*
о
R—С—OR'сложныйэф«Р
н*
о
R—С—OR'сложныйэф«Р
Н2О вова
Н2О вова
ОН
ОН
ОН
ОН
t X „ I
R—С—OR' ^— R—С—OR'
t X „ I
R—С—OR' ^— R—С—OR'
+ ОН2
+ ОН2
он
он
он-
он-
R—С—OR'
I Н ОН
и
R—С—OR'
I Н ОН
и
он.
он.
R'OH спирт
R'OH спирт
О
R—С—ОНкислота/
+
Н+
О
R—С—ОНкислота/
+
Н+
Минеральные кислоты ускоряют оба процесса, протонируя кислород карбонильной группы и тем самым увеличивая склонность углерода карбонильной группы к присоединению нуклеофила (разд. 20.4). В гидролизе нуклеофилом служит молекула воды, а уходящей группой —- спирт. При этерификации они меняются ролями.
Как и в щелочном гидролизе, в ходе реакции образуется тетраэдрический интермедиат или, точнее, несколько таких интермедиатов. Их существование вытекает, в частности, из обратимого характера реакции. Если рассматривать лишь гидролиз, то образование промежуточного соединения II кажется вполне вероятным, ибо при этом появляется возможность для ухода слабоосновной молекулы спирта вместо сильноосновного алкоголят-иона. Если же рассмотреть этерификацию, то выяснится, что интермедиат II обязательно должен образовываться при реакции, поскольку он представляет собой продукт взаимодействия спирта и протонированной кислоты.
Доказательства механизма те же самые, которые приводились при рассмотрении реакции щелочного гидролиза. Положение разрываемой связи RCO—OR' и RCO—ОН было доказано опытами с 18О как при гидролизе, так и при этерификации. Существование тетраэдрического интермедиата было показано (как и в реакции щелочного гидролиза) изотопным обменом между кислородом карбонильной группы сложного эфира и растворителем
Задача 20.6. Напишите стадии, объясняющие обмен между RCOI8OR' и Н2О в кислом растворе. Есть основания полагать, что ключевой интермедиат в этой реакции идентичен интермедиату при щелочном гидролизе. Какова его структура?
Задача 20.7. Объясните, почему (разд. 18.16) наличие объемистых заместителей в спиртовой или кислотной группе замедляет как этерификацию, так и гидролиз.
Задача 20.8. Кислотный гидролиз mpem-бутилацетата в воде, обогащенной 18О, приводит к mpem-бутиловому спирту, обогащенному 18О, и уксусной кислоте, содержащей обычный кислород. Кислотный гидролиз ацетата оптически активного 3,7-диметилоктаиола-3 дает спирт гораздо меньшей оптической чистоты, чем исходный спирт, и с противоположным знаком вращения, а) Как вы объясните эти результаты? б) Можно ли было предположить, что именно для этих эфиров будет свойственно подобное поведение?
Аммонолиз сложных эфиров
Обработка сложного эфира аммиаком, обычно в растворе этилового спирта, приводит к образованию амида. Эта реакция протекает как нуклеофильная атака основанием, аммиаком, по электродефицитному атому углерода, в результате чего алкоксигруппа OR' замещается на NH?-rpynny, например:
.ОСН,—ХОС2Н6.ОСН,—ХОС2Н6zO
.О
СН,—
ХОС2Н6
.О
СН,—
ХОС2Н6
н, > сня—с/+ С2Н5ОН
xnh2
ацетамидацетамидэтилацетат
ацетамид
ацетамид
Переэтерификация
При этерификации кислоты спирт выступает в роли нуклеофила; при гидролизе сложного эфира остаток спирта замещается на нуклеофильный реагент. Помня все это, не удивительно, что один спирт способен замещать другой спирт в молекуле сложного эфира. Подобная реакция алкоголиза (расщепление спиртом) сложного эфира называется переэтерификацией.
Н+ или OR"—
RCOOR' + R"OH ~> RCOOR” + R'OH
Переэтерификация катализируется кислотой (H.SO4 или сухой НС1) или основанием (обычно алкоголят-ионом). Механизмы этих двух реакций
R'OHспирт Б+ОН^ R-C^OR'R'OHспирт Б+ОН^ R-C^OR'?нR-C-OR4OR'Н?нR-C-OR4OR'Нточно такие же, как механизмы, рассмотренные выше. Для переэтерификации, катализируемой кислотами
R'OHспирт Б+
ОН^ R-C^OR'
R'OHспирт Б+
ОН^ R-C^OR'
?нR-C-OR4OR'Н
?нR-C-OR4OR'Н
Н* + О
R-C-OR' Z=t сложный эдшр Л
ОН +OHlО
R—С—OR' ч—-— R—* *■— R-i-OR*сложныйOROR«pup б
R'OHН+
спирт Л
Для переэтерификации, катализируемой основаниями
О'
R—С<+ “OR" ^=^ R—С—OR" <=* R—С<+ 'OR'
^ОР'I'ОР*
алкоголят Балкоголят А
сложный эфир Асложный эфир Б
Переэтерификация представляет собой равновесную реакцию. Для того чтобы сдвинуть равновесие вправо, необходимо использовать большой избыток того спирта, эфир которого хотят получить, или удалять один из продуктов реакции из реакционной смеси. Последний прием предпочтителен (если он только осуществим), поскольку этим способом реакцию удается довести до конца.
Отличным примером использования реакции переэтерификации может служить синтез поливинилового спирта. Этот полимер нельзя получить полимеризацией винилового спирта, поскольку последний нестабилен (разд. 8.13). Однако его эфир, винилацетат, вполне устойчив; его получают взаимодействием уксусной кислоты с ацетиленом в присутствии сульфата ртути (II)
Hgso4 .О
НС=СН + СН.СООН >- СН3<
■хосн=сн2
винилацетат
(Эта реакция присоединения вполне аналогична присоединению воды к ацетилену, приводящему к виниловому спирту. Но виниловый спирт за счет ионизации водорода быстро превращается в более устойчивый ацетальдегид; в случае винилацетата аналогичное превращение не происходит, поскольку при этом потребовалось бы отделение ацетильной группы.)
При полимеризации винилацетата образуется полиэфир, поливинилацетат
//«СН3Сосн=сн2//«СН3Сосн=сн2лмямдолнщшглмямдолнщшгвитацетал?витацетал?-СНг-СН-СНг-СН-СНг-СН-" ооос=ос=оС=ОСН3СНзСНзроттоиштцетат.-СНг-СН-СНг-СН-СНг-СН-" ооос=ос=оС=ОСН3СНзСНзроттоиштцетат.
//
«СН3С
осн=сн2
//
«СН3С
осн=сн2
лмямдолнщшг
лмямдолнщшг
витацетал?
витацетал?
-СНг-СН-СНг-СН-СНг-СН-" ооо
с=ос=оС=О
СН3СНзСНз
роттоиштцетат.
-СНг-СН-СНг-СН-СНг-СН-" ооо
с=ос=оС=О
СН3СНзСНз
роттоиштцетат.
Хотя в молекуле поливинилацетата содержатся сотни ацетатных групп, каждая из них способна вступать в реакции, типичные для сложных эфиров. Так, например, в присутствии серной кислоты поливинилацетат и метиловый спирт (т. кип. 65 °C) будут существовать в равновесии с метилацетатом и поливиниловым спиртом; если выдерживать реакционную смесь при 57—59 °C, то низкокипящий ее компонент — метилацетат (т. кип. 57 °C) будет отгоняться и реакция будет идти до полного завершения
~СН2СНСН2СНСН2СН~ + СНзОНО (!) оI I I .0=0 0=0 0=0I I IСНз СН3 СНзполивинилацетат,келешдч~СН2СНСН2СНСН2СН~ + СНзОНО (!) оI I I .0=0 0=0 0=0I I IСНз СН3 СНзполивинилацетат,келешдч5^ •~СН2СНСН2СНСН2СН—ОН ОН ОН поливиниловый спирт, нелетуч5^ •~СН2СНСН2СНСН2СН—ОН ОН ОН поливиниловый спирт, нелетуч+ CHjCOOCH, метилацетат, iu.Kun.5TC+ CHjCOOCH, метилацетат, iu.Kun.5TC
~СН2СНСН2СНСН2СН~ + СНзОН
О (!) о
I I I .0=0 0=0 0=0
I I I
СНз СН3 СНзполивинилацетат,келешдч
~СН2СНСН2СНСН2СН~ + СНзОН
О (!) о
I I I .0=0 0=0 0=0
I I I
СНз СН3 СНзполивинилацетат,келешдч
5^ •~СН2СНСН2СНСН2СН—
ОН ОН ОН поливиниловый спирт, нелетуч
5^ •~СН2СНСН2СНСН2СН—
ОН ОН ОН поливиниловый спирт, нелетуч
+ CHjCOOCH, метилацетат, iu.Kun.5TC
+ CHjCOOCH, метилацетат, iu.Kun.5TC
Полученный при этом поливиниловый спирт используют в качестве водорастворимого покрытия и как промежуточный продукт в синтезе некоторых других полимеров (разд. 19.17).
Поливинилацетат находит применение как таковой или в виде сополимеров винилацетата с хлористым винилом при производстве прочных пленок, листов и волокон.
Реакции сложных эфиров с реактивом Гриньяра
Реакция эфиров карбоновых кислот с реактивами Гриньяра — прекрасный метод получения третичных спиртов. Как и в реакции с альдегидами и кетонами (разд. 15.14), нуклеофильная (основная) алкильная или арильная группа реактива Гриньяра присоединяется к электронодефицитному атому углерода карбонильной группы. Дальнейшее элиминирование алкоксигруппы привело бы к образованию кетона, и в некоторых особых случаях кетоны действительно образуются в этой реакции. Однако, как мы уже знаем, кетоны сами очень легко реагируют с реактивом Гриньяра, давая третичные спирты (разд. 15.15); в рассматриваемом случае также получаются продукты, соответствующие присоединению реактива Гриньяра к таким кетонам
R"R"
/Р R"MgXR"MgX I н2о |
R—C< > R—C—R" > R—C—R" > R—C—R"
XOR'||||
ОOMgXOH
сложный эфир+третичный спирт
R'OMgX
В образующемся спирте у атома углерода, несущего гидроксил, имеется три группы, причем две из них должны быть идентичны, ибо они вошли в молекулу из реактива Гриньяра. Это накладывает ограничение на структуру продукта, который может быть получен этим методом. В тех случаях, когда этот метод применим, предпочтительно использование в реакции сложного эфира, а не кетона, поскольку, как правило, кетоны менее доступны, чем сложные эфиры. Так, например, трифенилкарбинол можно получить по реакции фенилмагнийбромида либо со сложным эфиром, этилбензоатом, либо с кетоном, бензофеноном. Проще — меньше стадий и лучше выходы — этерифицировать бензойную кислоту, чем превращать ее в хлорангидрид и
проводить ацилирование бензола по Фриделю — Крафтсу с получением бензофенона.
Преимущество сложного эфира перед кетоном в этой реакции также очевидно на примере синтеза З-этилгептанола-З
2C2H5MgBr2C2H5MgBrСН3ОН, Н+н-С4Н»СООСН8 ■*я-С4Н8СООНметилвалератвалериановаякислотаСН3ОН, Н+н-С4Н»СООСН8 ■*я-С4Н8СООНметилвалератвалериановаякислотан-С4Н8—С С2Н5IОНЗ-этилгептанол-Зн-С4Н8—С С2Н5IОНЗ-этилгептанол-ЗC,H5MgBrC,H5MgBrн-С4Н8—С—С2Н5н-С4Н8—С—С2Н5(C^HslgCd(C^HslgCdгептанон-3гептанон-3soci2soci2я-С4Н8СОС1я-С4Н8СОС1валероилхлоридвалероилхлорид
2C2H5MgBr
2C2H5MgBr
СН3ОН, Н+н-С4Н»СООСН8 ■*я-С4Н8СООНметилвалератвалериановая
кислота
СН3ОН, Н+н-С4Н»СООСН8 ■*я-С4Н8СООНметилвалератвалериановая
кислота
н-С4Н8—С С2Н5IОН
З-этилгептанол-З
н-С4Н8—С С2Н5IОН
З-этилгептанол-З
C,H5MgBr
C,H5MgBr
н-С4Н8—С—С2Н5
н-С4Н8—С—С2Н5
(C^HslgCd
(C^HslgCd
гептанон-3
гептанон-3
soci2
soci2
я-С4Н8СОС1
я-С4Н8СОС1
валероилхлорид
валероилхлорид
Эфиры муравьиной кислоты HCOOR', содержащие атом водорода при углероде карбоксильной группы, при взаимодействии с реактивом Гриньяра, естественно, образуют вторичные спирты. Эта реакция служит отличным методом получения симметричных вторичных спиртов RCHOHR, например:
Н
Н—С<+ 2CH3CH2CH2MgBr> СН,СН2СН2—С—СН„СН2СН3
ХОС2Н5I
он этилформиат н-пропилмагний-гептанол-4
бромид (2 моля)
Задача 20.9. Получите гептанол-4 с помощью другой реакции Гриньяра из спирта, содержащего четыре или менее атомов углерода.
Восстановление сложных эфиров
Подобно многим органическим соединениям, сложные эфиры можно восстанавливать двумя путями: а) каталитическим гидрированием с помощью молекулярного водорода или б) с применением химических восстановителей. В любом из методов сложный эфир расщепляется, давая (помимо спирта или фенола, эфиром которого он является) первичный спирт, соответствующий кислотному остатку эфира.
восстановление
RCOOR' >- RCH2OH + R'OH
сложныйпервичный
эфирспирт
Гидрогенолиз (расщепление водородом) эфира требует более жестких условий, чем простое гидрирование (присоединение водорода) по .двойной углерод-углеродной связи. В этой реакции необходимо применять высокое давление и повышенную температуру; в качестве катализатора обычно используют смесь окислов, известную под названием хромит меди, примерного состава CuO-CuCr2O4, например:
Н2. CuO*CuCr2O4
СН3(СН2)10СООСН3 ———— -* СН8(СН2)10СНгОН + СН3ОН
150 С, оэО атмметиллауратлауриловый спирт
(метилдодеканоат)(додеканол-1)
Химическое восстановление сложных эфиров проводят натрием в спирте или чаще алюмогидридом лития, например:
ыаш4
СН3(СН2)14СООС2НВ »- СН3(СН2)14СН2ОНэтилпальмитатгекса деканол-1
(этилгексадеканоат)
Задача 20.10. Предскажите, какой продукт образуется при гидрогенолизе н-бутилолеа- та над хромитом меди.
ЖИРЫ
Нахождение жиров в природе и их состав
Для повседневной жизни наибольшее значение имеют те представители класса сложных эфиров, которые встречаются в природе в животных и растительных жирах (жидкие жиры часто называют маслами). Такие продукты, как кукурузное, кокосовое, хлопковое и пальмовое масла, говяжий жир, бекон и сливочное масло, состоят в основном из сложных эфиров карбоновых кислот. Все эти эфиры относятся к производным одного и того же спирта, глицерина НОСН2СН(ОН)СН2ОН, и поэтому их называют глицеридами.
За очень небольшим исключением, карбоновые кислоты, из которых образуются жиры, относятся к классу неразветвленных кислот и содержат 3—18 атомов углерода; за исключением С3- и С^-представителей, в жирах присутствуют в заметных количествах лишь кислоты с четным числом атомов углерода. Помимо насыщенных кислот, имеются также ненасыщенные кислоты, содержащие одну или две двойные связи в молекуле.
Как видно из данных табл. 20.3, каждый жир представляет собой смесь глицеридов разных карбоновых кислот. Соотношения этих карбоновых кислот меняются при переходе от одного жира к другому; каждый из жиров имеет свой характерный состав, который мало меняется от образца к образцу.
Жиры представляют собой один из трех важнейших классов продуктов питания (другие классы: углеводы, гл. 34, и белки, гл. 37); кроме того, они используются в очень больших количествах как сырье в промышленности. Специализированная химия жиров — чрезвычайно обширная и сложная область, особенно в том, что касается биохимии и технологии. В последующих разделах будет рассмотрена лишь небольшая часть химии жиров, с тем чтобы показать, как применяются фундаментальные представления химии сложных эфиров к этим более сложным соединениям.
Таблица 20.3
Жирные кислоты, входящие в состав жиров и масел
Жир или масло
Насыщенные кислоты, %
Непредельные кислоты, %
Се
Сю
С12
С14
Cie
С18
>С18
еновые
диеновые
| триеновые
<с1в
Cie
С18
>С18
С18
1 С18
Говяжий жир
0,2
2—3
25—30
21—26
0,4—1
0,5
2—3
39—42
0,3
2
Сливочное масло
1—2а
2—3
1—4
8—13
25—32
8—13
0,4—2
1—2
2-5
22—29
0,2-
-1,5
3
Кокосовое масло
5—9
4—10
44—51
13—18
7—10
1—4
5-8
0-
-1
1—3
Кукурузное масло
0—2
8—10
1—4
1—2
30—50
0-
-2
34—56
Хлопковое масло
0—3
17—23
1—3
23—44
0-
-1
34—55
Лярд
1
25—30
12—60
0,2
2—5
41—51
2-
-3
3—8
Оливковое масло
0—1
0—2
7—20
1—3
0-1
1—3
53—86
0-
-3
4—22
Пальмовое масло
1—6
32—47
1—6
40—52
2—11
Пальмовое масло (из орехов)
2—4
3—7
45—52
14—19
6—9
1—3
1—2
0—1
Ю—18
1—2
Арахисовое масло
0,5
6—11
3—6
5—10
1—2
39—66
17—38
Соевое масло
0,3
7—11
2—5
1-3
0—1
22—34
50—60
2—10
<С1в
Cie
С18
Сго
>С20
Жир из печени трески
2—6
7—14
0—1
0—2
10—20
25—31
25—32
10—20
Льняное масло
0,2
5-9
4—7
0,5—1
9—29
8—29
45—67
Тунговое масло
4—13
8—15
б
а 3-4% С4, 1—2% Се.
® 72—82% элеостеариновой кислоты, цис, транс, транс-октадекатриен-0,11,13-овой кислоты и 3—6% насыщенных кислот.
Гидролиз жиров. Омыление. Мыло
Приготовление мыла — один из самых древних химических синтезов. Конечно, этот процесс гораздо «моложе», чем процесс получения этилового спирта; очевидно, стремление к чистоте появилось у человека много позже желания к отравлению алкоголем. Когда германские племена во времена Цезаря варили козье сало с поташем, вымытым из пепла костров, они проводили ту же самую реакцию, которая осуществляется сейчас в грандиозных масштабах современными мыловарами, а именно гидролиз глицеридов. В результате гидролиза образуются соли карбоновых кислот и глицерин.
СН2—О—С—R II О
СН—О—С—R'
II О
СН2ОН
’ RCOO~Na+
R'COO~Na+
NaOH
:нон +
СН2—О—С—R"
(
:н2он
R"C0O~Na+
II О
глицерин
МЫЛО
глицерид (жир)
^^е- Na+ СОО~-^ —^^е- Na+ СОО~-^ —Рис. 20.1. Эмульгирование масла в воде в присутствии мыла.Рис. 20.1. Эмульгирование масла в воде в присутствии мыла.Неполярные углеводородные цепи растворимы в масле; полярные группы —СОО~ растворимы в воде. Одинаково заряженные капли отталкивают ДРУГ друга.Неполярные углеводородные цепи растворимы в масле; полярные группы —СОО~ растворимы в воде. Одинаково заряженные капли отталкивают ДРУГ друга.Мыло, которое мы используем, представляет собой смесь натриевых солей жирных кислот с длинной цепью — именно смесь, поскольку жир, из которого его синтезируют, является смесью. Мыло может отличаться по составу и методу получения: если его делают из оливкового масла, то получают кастильское мыло; для того чтобы мыло было прозрачным, к нему добавляют спирт; для того чтобы оно плавало, его делают пенообразным; к мылу можно добавить душистые вещества, красители и антисептики; если используется калиевая соль вместо натриевой соли, то получается жидкое мыло. Однако с химической точки зрения все мыла одинаковы и природа их действия во всех случаях одна и та же.
^^е- Na+ СОО~-^ —
^^е- Na+ СОО~-^ —
Рис. 20.1. Эмульгирование масла в воде в присутствии мыла.
Рис. 20.1. Эмульгирование масла в воде в присутствии мыла.
Неполярные углеводородные цепи растворимы в масле; полярные группы —СОО~ растворимы в воде. Одинаково заряженные капли отталкивают ДРУГ друга.
Неполярные углеводородные цепи растворимы в масле; полярные группы —СОО~ растворимы в воде. Одинаково заряженные капли отталкивают ДРУГ друга.
Очищающее действие мыла — чрезвычайно сложный процесс. Некоторое представление о факторах, определяющих его, можно получить из следующей упрощенной картины. Молекула мыла имеет полярный конец — COO~Na+ и неполярный конец— длинную цепь, состоящую из 12—18 атомов углерода; полярный конец растворим в воде, а неполярный — в масле. Обычно кап
ли масла при контакте с водой стремятся слиться так, что образуется два слоя — масла и воды, но в присутствии мыла картина резко меняется. Неполярные концы молекул мыла растворяются в каплях масла, в то время как карбоксилатные концы остаются в водной фазе (рис. 20.1). Из-за наличия отрицательно заряженных карбоксилатных групп каждая капля масла окружена ионной оболочкой. Отталкивание одинаковых зарядов удерживает капли масла от слияния, в результате чего образуется устойчивая эмульсия масла в воде. Очищающее действие мыла обусловлено тем, что оно эмульгирует жир и сало, содержащие грязь. Как будет показано ниже, подобное эмульгирующее, а следовательно, и очищающее действие свойственно не только солям карбоновых кислот, но также любым молеку-
лам, содержащим длинный неполярный остаток и полярную группу (разд. 20.25).
Жесткая вода содержит кальциевые и магниевые соли, которые реагируют с мылом с образованием нерастворимых кальциевых и магниевых солей карбоновых кислот.
Жиры как источники чистых кислот и спиртов
Обработка натриевых мыл минеральными кислотами (или гидролиз жиров в кислых условиях) приводит к образованию смесей свободных карбоновых кислот. В последние годы разработан промышленный способ получения из этой смеси индивидуальных карбоновых кислот (чистота более 90%) путем фракционной перегонки.
Иногда жиры превращают переэтерификацией в метиловые эфиры карбоновых кислот; для этого проводят реакцию глицеридов с метиловым спиртом в присутствии кислых или основных катализаторов.
СН2—о—С-RСН2—о—С-Rсн2онRCOOCH3основание )R'COOCHj■ ■* снон +СН2ОНR"COOCHSсн2онRCOOCH3основание )R'COOCHj■ ■* снон +СН2ОНR"COOCHSСН—О—С—R' + СН3ОН метиловый и спиртСН2—О—С—R*СН—О—С—R' + СН3ОН метиловый и спиртСН2—О—С—R*глицерин смесь метиловых эфировглицерин смесь метиловых эфировглицеридглицерид
СН2—о—С-R
СН2—о—С-R
сн2он
RCOOCH3
основание )
R'COOCHj
■ ■* снон +
СН2ОН
R"COOCHS
сн2он
RCOOCH3
основание )
R'COOCHj
■ ■* снон +
СН2ОН
R"COOCHS
СН—О—С—R' + СН3ОН метиловый и спирт
СН2—О—С—R*
СН—О—С—R' + СН3ОН метиловый и спирт
СН2—О—С—R*
глицерин смесь метиловых эфиров
глицерин смесь метиловых эфиров
глицерид
глицерид
Смесь метиловых эфиров можно разделить фракционной перегонкой на отдельные эфиры, которые затем можно превратить гидролизом в индивидуальные карбоновые кислоты высокой степени чистоты. Таким образом, жиры служат источником неразветвленных карбоновых кислот с четным числом атомов углерода от С6 до Qg.
Кроме того, эти метиловые эфиры в индивидуальном виде или в виде смеси можно превратить каталитическим восстановлением в неразветв- ленные первичные спирты с четным числом атомов углерода, из которых можно синтезировать самые разнообразные соединения (как в задаче 18.9, стр. 576). Таким образом, жиры являются источником полупродуктов с длинной углеродной цепью, которые можно использовать в синтезе.
Детергенты
Из неразветвленных первичных спиртов, получаемых из жиров или из смеси спиртов алфол-процесса (разд. 15.6), спирты Q и С10 применяются в синтезе высококипящих эфиров, используемых в качестве пластификаторов (например, октилфталат). Спирты С12—С18 применяют в очень больших количествах при производстве детергентов (моющих веществ).
Хотя синтетические детергенты очень сильно различаются по своей химической структуре, они имеют общую особенность строения молекул, присущую также обычному мылу: содержат большой неполярный углеводородный остаток, растворимый в масле, и полярный остаток, растворимый в воде. Спирты См — Си превращаются в соли кислых алкилсульфатов
H2SO4NaOH
к-СцНмСНаОН > н-СцН^СН^ЗОзН >• я-СцН^СН^ЗО^ лауриловый спирт кислый лаурилсульфатнатриевая соль
лаурилсульфата
В этом случае неполярным концом является длинная цепь, а полярным —OSOaNa*.
Обработка спиртов окисью этилена (разд. 28.13) дает неионный детергент
О
СН3(СН2)10СН2ОН + 8СН2^СИ2 °сн°-™ СН^СН^мСЩОСН^Н^ОН лауриловый спирт окись этиленаэтоксилат
Образование водородных связей с многочисленными атомами кислорода- делает полиэфирный остаток этой молекулы водорастворимым. Этоксилат можно также превратить в сульфат и использовать в виде натриевой соли.
Вероятно, наиболее широко в качестве детергентов используются натриевые соли алкилбензолсульфокислот. Длинный алкильный остаток присоединяют к бензольному кольцу при реакции с алкилгалогенидом, алкеном или спиртом в присутствии катализатора Фриделя — Крафтса. Сульфирование и нейтрализация приводят к получению детергента.
SO3-Na+
R
Ранее в синтезе этих ал кил бензол сульфонатов использовался полипропилен; однако высокая степень разветвления боковой цепи в получаемом детергенте мешает быстрой биологической деструкции остатков детергента в сточных водах. С 1965 г. в США подобные «жесткие» детергенты были заменены на «мягкие» (разрушаемые биологическим путем детергенты): алкилсульфаты, этоксилаты и их сульфаты, а также алкилбензолсульфонаты, в которых фенильная группа присоединена к различным вторичным положениям длинной неразветвленной цепи (С12 — Qg) (см. задачу 17, стр. 392). Боковая цепь этих неразветвленных алкилбензолсульфоиатов обычно получается из алфенов (разд. 8.24) или хлорированных неразветвленных алканов, выделяемых (при помощи молекулярных сит) из керосина.
Эти детергенты действуют практически так же, как и мыло. Они имеют некоторые преимущества: так, например, сульфаты и сульфонаты сохраняют свою эффективность в жесткой воде, поскольку соответствующие- кальциевые и магниевые соли водорастворимы. Так как они представляют собой соли сильных кислот, то их растворы имеют нейтральную реакцию в противоположность мылам — солям слабых кислот, которые в растворе- имеют слабощелочную реакцию (разд. 18.10).
Непредельные жиры. Отвердение жиров. Высыхающие масла
кулинарии лярда и сливочного масла вызвала некоторое предубеждение против использования более дешевых, но не менее питательных масел. Гидрирование двойных связей (частичное) в таких дешевых жирах, как хлопковое, кукурузное и соевое масла, превращает эти жидкости в твердые вещества, сравнимые по консистенции с лярдом или коровьим маслом. Этот процесс отвердения жиров лежит в основе важной отрасли промышленности, производящей пищевыежиры и маргарин. Гидрирование двойной углерод-углеродной связи проводится в столь мягких условиях (никелевый катализатор, 175—190 °C, 1,5—3 атм), что гидрогенолиза сложноэфирной связи не происходит.
Гидрирование изменяет не только физические свойства жира, но также — и это более важно — его химические свойства: гидрированный жир труднее прогоркает, чем негидрированный. Прогорклый вкус обусловлен наличием летучих, плохо пахнущих кислот и альдегидов. Эти соединения образуются (по крайней мере отчасти) за счет атаки кислорода по реакционноспособному аллильному положению в молекуле жира; гидрирование способствует замедлению прогоркания, вероятно, вследствие уменьшения числа двойных связей и, следовательно, аллильных положений.
(В присутствии катализаторов гидрирования непредельные соединения подвергаются не только гидрированию, но также изомеризации —• происходит сдвиг двойных связей или стереохимические превращения, —■ что также изменяет физические и химические свойства.)
Льняное и тунговое масла имеют особенно важное значение из-за высокого содержания в их составе глицеридов кислот с двумя или тремя двойными связями. Они известны под названием высыхающие масла и являются важными компонентами красок и лаков. Высыхание красок — это не просто процесс испарения растворителя (скипидара и т. п.), а химическая реакция, в ходе которой образуется прочная пленка. Такая пленка защищает окрашиваемую поверхность, что и является одной из целей окраски (помимо придания цвета за счет наличия пигмента). Пленка образуется при полимеризации непредельных масел под действием кислорода воздуха. Процесс полимеризации и структура полимера чрезвычайно сложны и далеко не ясны. По-видимому, процесс включает свободнорадикальную атаку по аллильным водородам, свободнорадикальную полимеризацию, аналогичную описанному в разд. 8.21 процессу, и образование поперечных связей с участием кислорода, аналогичное образованию мостиков из серы при вулканизации каучука (разд. 8.22).
Анализ производных карбоновых кислот.
Эквивалент омыления
Функциональные производные карбоновых кислот легко можно опознать по способности превращаться в карбоновые кислоты при гидролизе в более или менее жестких условиях. Характер других образующихся при гидролизе продуктов указывает, к какому классу производных кислот относится рассматриваемое соединение.
Задача 20.11. Какое (или какие) производные кислот: а) быстро образуют белый осадок (нерастворимый в HNO3) при обработке спиртовым раствором нитрата серебра; б) реагируют с кипящим раствором NaOH с выделением газа, окрашивающего в синий цвет мокрую лакмусовую бумажку; в) реагируют мгновенно с холодным раствором NaOH с выделением газа, окрашивающего в синий цвет мокрую лакмусовую бумажку; г) дают при гидролизе в качестве единственного продукта карбоновую кислоту; д) дают спирт при нагревании с кислотой или щелочью?
Идентификация или доказательство структуры производного кислоты включает стадию идентификации или доказательства структуры карбоновой кислоты, образующейся при гидролизе (разд. 18.20), В случае сложного эфира необходимо также идентифицировать получающийся спирт (разд. 16.11). [Для замещенного амида (разд. 23.6) идентифицируют также образующийся амин (разд. 23.13).]
Если сложный эфир гидролизуют определенным количеством основания (взятого в избытке), то можно измерить количество израсходованного основания и получить таким образом эквивалент омыления: эквивалентный вес сложного эфира, который соответствует эквиваленту нейтрализации кислоты (разд. 18.20).
RCOOR' + OFT> RCOO~ + R'OH
1 экв 1 экв
Задача 20.12. а) Каков эквивалент омыления я-пропилацетата? б) Существует еще восемь других простейших алифатических сложных эфиров, имеющих тот же эквивалент омыления. Перечислите их. в) Сколько простых алифатических кислот имеют тот же эквивалентный вес? г) Полезен ли эквивалент омыления для идентификации в той же мере, как и эквивалент нейтрализации?
Задача 20.13. а) Сколько эквивалентов основания израсходуется при омылении 1 моля диметилфталата о-СвН4(СООСН3)2? Каков эквивалент омыления диметилфталата? б) Какая связь между эквивалентом омыления и числом сложноэфирных групп в молекуле? в) Каков эквивалент омыления глицерилстеарата (тристеарина)?
Спектральный анализ производных карбоновых кислот
Инфракрасные спектры. В инфракрасных спектрах ацильных производных имеется сильная полоса в области 1700 см-1, которую обычно отождествляют с С=О валентными колебаниями (рис. 20.2). Точное значение частоты зависит от класса, к которому относится соединение (табл. 20.4), а внутри данного класса — от точной структуры соединения. Так, например, для сложных эфиров
С=О валентные колебания, интенсивная полоса
RCOOR 1740 см-1 ArCOOR 1715—1730 см"1 RCOOAr 1770 см"1
илиили
IIII
—С=С—COORRCOOC=C—
Таблица 20.4
Инфракрасные спектры поглощения некоторых кислородсодержащих соединений (частота, см-1)
Соединение
о-н
С-0
с-о
Спирты
Фенолы
Простые алифатические эфиры
Простые ароматические эфиры
3200—3600
3200—3600
1000—1200
1140—1230
1060—1150
1200—1275
1020—1075
Альдегиды, кетоны Карбоновые кислоты Сложные эфиры
2500—3000
1250 1050—1300 (две полосы)
1675—1725
1680—1725
1715—1740
Хлорангидриды
Амиды (RCONH2)
(N—Н 3050—3550)
1750—1810
1650—1690
42-256
Длина волны, мкм
Рис. 20.2. Инфракрасные спектры. А — метилацетат; Б — бензамид.
Сложные эфиры легко отличить от кислот по отсутствию полосы О—Н- группы. Они отличаются от кетонов наличием двух сильных полос С—О валентных колебаний в области 1050—1300 саг1; точное положение этих полос также зависит от структуры эфира.
В спектрах амидов (RCONHS), помимо поглощения карбонильной группы, имеется также поглощение за счет валентных колебаний N—Н-связи в области 3050—3550 см"1 (число полос и их расположение зависят от степени образования водородной связи) и поглощение за счет N—Н деформационных колебаний в области 1600—1640 см-1.
ПМР-спектры. Как видно из данных табл. 13.4 (стр. 410), протоны алкильной части сложного эфира (RCOOCH2R') резонируют в более слабом поле, чем протоны ацильного остатка (RCH2COOR').
Поглощение за счет протонов амидной группы —СО—NH наблюдается в области т 2—5 (6 5—8) обычно в виде невысокого и широкого горба.
Масс-спектры. Фрагментация сложных эфиров и амидов протекает в основном по той же схеме, что и фрагментация карбоновых кислот (разд. 18.21 и 19.20).
Задача 20.14. Объясните возможно большее число из приведенных пиков: приведите структуру иона, вероятно, соответствующего каждому из пиков, и тип расщепления, приводящий к его образованию, а) Основным пиком для многих метиловых эфиров является пик с т/е 74, а для большинства незамещенных амидов — пик с mje 59. б) Самые интенсивные пики в масс-спектре метил-н-бутирата имеют т/е 43, 74, 71. в) Три наиболее сильных пика для этилбеизоата имеют mje 105, 77, 122. г) Метил-о-толуат дает четыре интенсивных пика с mje 119, 91, 118, 150.
ЗАДАЧИЗАДАЧИНапишите структурные формулы и назовите следующие соединения:девять изомерных сложных эфиров общей формулы С5Н10О2;шесть изомерных сложных эфиров общей формулы CsH8O2;одиннадцать изомерных сложных эфиров общей формулы С14Н12О2. (Указание: три из одиннадцати эфиров являются метиловыми.)Напишите полные уравнения реакции (если они происходят) и назовите все получающиеся органические продукты для взаимодействия н-бутирилхлорида со следующимиНапишите структурные формулы и назовите следующие соединения:девять изомерных сложных эфиров общей формулы С5Н10О2;шесть изомерных сложных эфиров общей формулы CsH8O2;одиннадцать изомерных сложных эфиров общей формулы С14Н12О2. (Указание: три из одиннадцати эфиров являются метиловыми.)Напишите полные уравнения реакции (если они происходят) и назовите все получающиеся органические продукты для взаимодействия н-бутирилхлорида со следующимиреагентами:реагентами:а) б) в)Г) Д) е)а) б) в)Г) Д) е)H2o, изопропиловым спиртом, п-нитрофенолом, аммиаком, толуолом, А1С13, нитробензолом, А1С13,H2o, изопропиловым спиртом, п-нитрофенолом, аммиаком, толуолом, А1С13, нитробензолом, А1С13,спиртовым раствором AgNO3,спиртовым раствором AgNO3,водным раствором NaHCO3,водным раствором NaHCO3,и) к) л) м) В) о)и) к) л) м) В) о)(Проверьте ваши ответы на вопросы (и) — (м) в(Проверьте ваши ответы на вопросы (и) — (м) вСН3МН2, (CH3)2NH, (ch8);n, c„h6nh2, (C„H6)2Cd, C6H5MgBr. разд. 23.6.]СН3МН2, (CH3)2NH, (ch8);n, c„h6nh2, (C„H6)2Cd, C6H5MgBr. разд. 23.6.]Ответьте на вопросы (а) — (м) задачи 2 для уксусного ангидрида.Напишите полные уравнения реакций (если они происходят) и назовите все получающиеся органические продукты для взаимодействия феиилацетамида со следующимиОтветьте на вопросы (а) — (м) задачи 2 для уксусного ангидрида.Напишите полные уравнения реакций (если они происходят) и назовите все получающиеся органические продукты для взаимодействия феиилацетамида со следующимиреагентами:горячим водным раствором НС1,горячим водным раствором NaOH.Ответьте на вопросы задачи 4 для фенилацетонитрила.Напишите полные уравнения реакции (если они происходят) и назовите все образующиеся органические продукты для взаимодействия метил-н-бутирата со следующими реагентами:горячим водным раствором H2SO4,горячим водным раствором КОН,изопропиловым спиртом + H2SO4,бензиловым спиртом + CeH6CH2ONa,аммиаком,фенилмагнийбромидом,изобутилмагиийбромидом,Н2, CuO-CuCr2O4, нагревание, давление,LiAlH4, затем кислота,Na, С2Н6ОН.Приведите схему синтеза каждого из следующих меченых соединений, используя Н2,8О в качестве источника 18О.реагентами:горячим водным раствором НС1,горячим водным раствором NaOH.Ответьте на вопросы задачи 4 для фенилацетонитрила.Напишите полные уравнения реакции (если они происходят) и назовите все образующиеся органические продукты для взаимодействия метил-н-бутирата со следующими реагентами:горячим водным раствором H2SO4,горячим водным раствором КОН,изопропиловым спиртом + H2SO4,бензиловым спиртом + CeH6CH2ONa,аммиаком,фенилмагнийбромидом,изобутилмагиийбромидом,Н2, CuO-CuCr2O4, нагревание, давление,LiAlH4, затем кислота,Na, С2Н6ОН.Приведите схему синтеза каждого из следующих меченых соединений, используя Н2,8О в качестве источника 18О.
ЗАДАЧИ
ЗАДАЧИ
Напишите структурные формулы и назовите следующие соединения:
девять изомерных сложных эфиров общей формулы С5Н10О2;
шесть изомерных сложных эфиров общей формулы CsH8O2;
одиннадцать изомерных сложных эфиров общей формулы С14Н12О2. (Указание: три из одиннадцати эфиров являются метиловыми.)
Напишите полные уравнения реакции (если они происходят) и назовите все получающиеся органические продукты для взаимодействия н-бутирилхлорида со следующими
Напишите структурные формулы и назовите следующие соединения:
девять изомерных сложных эфиров общей формулы С5Н10О2;
шесть изомерных сложных эфиров общей формулы CsH8O2;
одиннадцать изомерных сложных эфиров общей формулы С14Н12О2. (Указание: три из одиннадцати эфиров являются метиловыми.)
Напишите полные уравнения реакции (если они происходят) и назовите все получающиеся органические продукты для взаимодействия н-бутирилхлорида со следующими
реагентами:
реагентами:
а) б) в)
Г) Д) е)
а) б) в)
Г) Д) е)
H2o, изопропиловым спиртом, п-нитрофенолом, аммиаком, толуолом, А1С13, нитробензолом, А1С13,
H2o, изопропиловым спиртом, п-нитрофенолом, аммиаком, толуолом, А1С13, нитробензолом, А1С13,
спиртовым раствором AgNO3,
спиртовым раствором AgNO3,
водным раствором NaHCO3,
водным раствором NaHCO3,
и) к) л) м) В) о)
и) к) л) м) В) о)
(Проверьте ваши ответы на вопросы (и) — (м) в
(Проверьте ваши ответы на вопросы (и) — (м) в
СН3МН2, (CH3)2NH, (ch8);n, c„h6nh2, (C„H6)2Cd, C6H5MgBr. разд. 23.6.]
СН3МН2, (CH3)2NH, (ch8);n, c„h6nh2, (C„H6)2Cd, C6H5MgBr. разд. 23.6.]
Ответьте на вопросы (а) — (м) задачи 2 для уксусного ангидрида.
Напишите полные уравнения реакций (если они происходят) и назовите все получающиеся органические продукты для взаимодействия феиилацетамида со следующими
Ответьте на вопросы (а) — (м) задачи 2 для уксусного ангидрида.
Напишите полные уравнения реакций (если они происходят) и назовите все получающиеся органические продукты для взаимодействия феиилацетамида со следующими
реагентами:
горячим водным раствором НС1,
горячим водным раствором NaOH.
Ответьте на вопросы задачи 4 для фенилацетонитрила.
Напишите полные уравнения реакции (если они происходят) и назовите все образующиеся органические продукты для взаимодействия метил-н-бутирата со следующими реагентами:
горячим водным раствором H2SO4,
горячим водным раствором КОН,
изопропиловым спиртом + H2SO4,
бензиловым спиртом + CeH6CH2ONa,
аммиаком,
фенилмагнийбромидом,
изобутилмагиийбромидом,
Н2, CuO-CuCr2O4, нагревание, давление,
LiAlH4, затем кислота,
Na, С2Н6ОН.
Приведите схему синтеза каждого из следующих меченых соединений, используя Н2,8О в качестве источника 18О.
реагентами:
горячим водным раствором НС1,
горячим водным раствором NaOH.
Ответьте на вопросы задачи 4 для фенилацетонитрила.
Напишите полные уравнения реакции (если они происходят) и назовите все образующиеся органические продукты для взаимодействия метил-н-бутирата со следующими реагентами:
горячим водным раствором H2SO4,
горячим водным раствором КОН,
изопропиловым спиртом + H2SO4,
бензиловым спиртом + CeH6CH2ONa,
аммиаком,
фенилмагнийбромидом,
изобутилмагиийбромидом,
Н2, CuO-CuCr2O4, нагревание, давление,
LiAlH4, затем кислота,
Na, С2Н6ОН.
Приведите схему синтеза каждого из следующих меченых соединений, используя Н2,8О в качестве источника 18О.
О18О18О
IIIIII
а) СвН6—С—18ОСН3; б) СсН6—С—ОСН3;в) CgH5—С—18ОСН3
Предскажите, какой продукт получится при щелочном гидролизе каждого из соединений в обычной воде.
Приведите схему синтеза следующих меченых соединений, используя в качестве источников метки 14СО2 или 14СН3ОН и Н218О
СН3СНа14СОСН3,д) С6Н614СН2СН3,
СН3СН2СО14СН3,е) СвН6СН214СН3,
СН314СН3СОСН3,ж)СН3СН2СМОСН3.
14СН3СН2СОСН3,
При нагревании в метаиольном растворе mpem-бутилбензоат дает не только метил - бензоат и mpem-бутиловый спирт, но также бензойную кислоту и метил-трет-бутило- вый эфир (mpem-бутиловый и метиловый спирты не реагируют в этих условиях), а) Какой схеме расщепления сложного эфира соответствует образование метил-трет-бути- лового эфира? б) В аналогичных условиях метилбензоат и метиловый спирт не дают метилового эфира. Как вы объясните различие в поведении этих двух эфиров? Каков наиболее вероятный механизм образования метил-трет-бутилового эфира?
Сложные эфиры можно получить реакцией алкилгалогенидов с солями карбоновых кислот
RX + R'COO"Mg+> R'COOR + MX
К какому общему классу относится эта реакция?
Каков будет стереохимический результат синтеза 2-октилацетата из (—)-2-бром- октана и ацетата натрия по сравнению с реакцией образования тоге же эфир-а из (—)-ок-
танола-2 и хлористого ацетила? (Обратитесь к соответствующему разделу для рассмотрения конфигурации и знаков вращения.)
Каков будет знак вращения октанола-2, получаемого при щелочном гидролизе каждого из сложных эфиров в вопросе (б)?
Объясните следующие наблюдения (указание: см. разд. 14.13 и задачу 14.9, стр. 462):
5 н. NaOH5 н. NaOHсенБ—сн—сн=сн—сн.сенБ—сн—сн=сн—сн.ононсвн5—сн—сн=сн—сн3 —свн5—сн—сн=сн—сн3 —OCROCRразб- NaOHразб- NaOHполное сохранениеконфигурацииполное сохранениеконфигурацииО оптически активныйО оптически активныйС6НБ—СН^СН—СН—СН;С6НБ—СН^СН—СН—СН;ОН оптически неактивныйОН оптически неактивныйразб. NaOHразб. NaOHС6Н5—СН=СН—СН—СН3С6Н5—СН=СН—СН—СН3
5 н. NaOH
5 н. NaOH
сенБ—сн—сн=сн—сн.
сенБ—сн—сн=сн—сн.
он
он
свн5—сн—сн=сн—сн3 —
свн5—сн—сн=сн—сн3 —
OCR
OCR
разб- NaOH
разб- NaOH
полное сохранениеконфигурации
полное сохранениеконфигурации
О оптически активный
О оптически активный
С6НБ—СН^СН—СН—СН;
С6НБ—СН^СН—СН—СН;
ОН оптически неактивный
ОН оптически неактивный
разб. NaOH
разб. NaOH
С6Н5—СН=СН—СН—СН3
С6Н5—СН=СН—СН—СН3
Св115—СН=СН—СН—СН3Св115—СН=СН—СН—СН3онон
Св115—СН=СН—СН—СН3
Св115—СН=СН—СН—СН3
он
он
OCROCRоптически неактивныйоптически неактивный5н. NaOH5н. NaOHО оптически активныйО оптически активныйСвН5—СН=СН—СН—СН3полное сохранениеконфигурацииСвН5—СН=СН—СН—СН3полное сохранениеконфигурации
OCR
OCR
оптически неактивный
оптически неактивный
5н. NaOH
5н. NaOH
О оптически активный
О оптически активный
СвН5—СН=СН—СН—СН3полное сохранениеконфигурации
СвН5—СН=СН—СН—СН3полное сохранениеконфигурации
Опишите простые химические пробы, которые дадут возможность различить следующие пары веществ:
пропионовая кислота и метилацетат,
я-бутирилхлорид и я-бутилхлорид,
я-нитробензамид и этил-n-нитробензоат,
глицерилтристеарат и глицерилтриолеат,
бензонитрил и нитробензол,
уксусный ангидрид и я-бутиловый спирт,
глицерилмонопальмитат и глицерилтрипальмитат,
бензоат аммония и бензамид,
я-бромбензойная кислота и бензоилбромид.
Укажите точно, что вы будете делать и что наблюдать.
Укажите, как разделить химическим путем следующие смеси, причем каждый из компонентов нужно выделить в достаточно чистом состоянии:
бензойную кислоту и этилбензоат,
я-валеронитрил и н-валериановую кислоту,
бензоат аммония и бензамид.
Укажите точно, что вы будете делать и что наблюдать.
Спермацет (воск из головы кашалота) напоминает высокомолекулярный углеводород по своим физическим свойствам и инертности по отношению к Вг2/СС14 и КМпО4; при качественном анализе он дает положительную пробу лишь на углерод и водород. Однако его ИК-спектр показывает наличие сложноэфирной группы, а количественный анализ соответствует эмпирической формуле С16Н32О.
Раствор этого воска и КОН в этиловом спирте нагревали длительное время при температуре кипения. Титрование аликвотной пробы показало, что I экв основания был израсходован иа каждые 475 + 10 г воска. После охлаждения реакционной смеси к ней добавляли воду и эфир, после чего разделяли водный и эфирный слои. Подкисление водного слоя дало твердое вещество А, т. пл. 62—63 °C, эквивалент нейтрализации 260 ± 5. Удаление эфира из эфирного экстракта дало вещество Б, т. пл. 48—49 °C.
Какова вероятная структура спермацета?
Восстановление с помощью LiА1Н4 спермацета или вещества А дает в качестве единственного продукта вещество Б. Соответствует ли это структуре, которую вы предположили в вопросе (а).
Предполагается, что неизвестный продукт может быть одним из перечисленных ниже веществ; все они имеют близкие температуры кипения. Укажите, каким образом вы будете идентифицировать неизвестное вещество. В тех случаях, где возможно, используйте простые химические пробы; в случае необходимости можно применять более сложные химические методы, такие, как количественное гидрирование, расщепление, эквивалент нейтрализации, эквивалент омыления и т. д. Используйте любые необходимые таблицы физических констант.
бензилацетат,метил-о-толуат,
этилбензоат,метил-л-толуат,
изопропилбензоат,метил-п-толуат.
метилфени^ацетат,
Что говорят следующие факты о структуре рассматриваемого соединения? Предположите возможную структуру для каждого соединения.
Глюкоза (С6Н12О6) + уксусный ангидрид> С1вН22Ои;
винная кислота (С4Н6О6) + этиловый спирт + Н+ » вещество A (С8Н14О„)
вещество А + хлористый бензоил + ОН- > С22Н22О8;
галловая кислота (C7HGO5) + уксусный ангидрид* вещество Б (С13Н12О8);
вещество Б + метиловый спирт + №» С14Н14О8.
Напишите структурные формулы (включая и конфигурацию, где необходимо) веществ А — Л.
Бромбензол + Mg, эфир> A (C6H6MgBr),
А + окись этилена, затем Н+> Б (QHI0O),
Б + РВг-,> В(С8Н8Вг),
В + NaCN> Г (C,H,N),
Г + H2SO4, Н2О, нагревание* Д (С8Н10О2),
Д + SOCI2> Е (СдН9ОС1),
Е + безв. НЕ > Ж (CsHsO),
Ж + Н2, катализатор» 3 (СаН10О),
3 + H2SO4, слабое нагревание> И (С,Н8);
траяс-2-метилциклогексанол + хлористый ацетил» К, К + NaOH (водн.) + нагревание> Л + ацетат натрия.
Прогестерон — гормон, выделяемый желтым телом, участвующим в регуляции процессов, связанных с беременностью. Его структура была установлена, в частности, в результате синтеза его из стероида стигмастерина, выделяемого из соевого масла.
с2н5с2н5стигмастеринстигмастерин
с2н5
с2н5
стигмастерин
стигмастерин
Стигмастерин (С28Н48О) + (СН3СО)2О» At^HggOg), А + Вг2» Б(С31Н60О2Вг2),
Б + О3, затем Ag2O ——* Б(С34Н36О4Вг2),
В + Zn/CH3COOH> Г(С24Н36О4),
Г + С>Н5ОН, Н+> Д^Н^О,).
Д + C6H5MgBr, потом Н2О > Е(С36Н46О3),
Е 4- кислота, слабое нагревание» Ж(С3,Н44О2),
Ж + Вг2; потом СгО3, Нь* 3(С23Н34О3Вг2),
3 + Zn/CH3COOH>И(С33Н34О3),
И + Н2О, Н+, нагревание> К(С21Н34О2), прегненолон, К + Вг2; потом СгО3, Hb> Л(С21Н3|О2Вг2), Л + Zn/CH3COOH> прогестерон (С21Н38О2).
Напишите структурные формулы прогестерона и промежуточных соединений А — Л.
Прогестерон обладает интенсивным поглощением в близкой ультрафиолетовой области: Лмакс 240 мкм, емакс 17 600. Уточните структуру прогестерона с учетом этих данных.
Соответствуют ли ИК-спектры, приведенные на рис. 20.3, следующим соединениям и,
метакриловой кислоте [СН2=С(СН3)СООН], метакриламиду {CH2=C(CH3)CONH2J, фенилацетамиду.метакриловой кислоте [СН2=С(СН3)СООН], метакриламиду {CH2=C(CH3)CONH2J, фенилацетамиду.если соответствуют, каким именно? этилацетату, этилакрилату (СН2=СНСООС2Н6), изомасляной кислоте.
метакриловой кислоте [СН2=С(СН3)СООН], метакриламиду {CH2=C(CH3)CONH2J, фенилацетамиду.
метакриловой кислоте [СН2=С(СН3)СООН], метакриламиду {CH2=C(CH3)CONH2J, фенилацетамиду.
Приведите структуру или структуры, согласующиеся с каждым из ПМР-спектров, показанных на рис. 20.4.
Напишите структурные формулы веществ А, Б и В на основании их ИК-спектров (рис. 20.5) и ПМР-спектров (рис. 20.6).
Пропускание, %Пропускание, %Пропускание,
Частота, см-1 5000 4000 3000 250020001500 1400 1300 1200 11001000900800700
23456789101112131415
Длина, волны, мкм
Частота, см-1
Длина волны, мкм
Рис. 20.3. Инфракрасные спектры к задаче 19.
Рис. 20.4. ПМР-спектры к задаче 20.
Частота, см'1
5000 4000 3000 25002000550014001300 1200 11001000900800700
Длина волны, мкм
Пропускание, ЛПропускание, 4Пропускание,
Частота, см-1
Длина волны, мкм
23456789tot
87654321Об
Рис. 20.6. ПМР-спектры к задаче 21.
Рис. 20.8. Инфракрасные и ПМР-спектры к задаче 23.
Напишите структурные формулы (или формулу) веществ, согласующихся с ПМР- спектрами, показанными на рис. 20.7.
Напишите структурную формулу вещества А на основании данных его ИК- и ПМР- ■спектров, приведенных на рис. 20.8.
2121бензолсулыро- кислота,бензолсулыро- кислота,П-тая^олс^льфо*кислота.П-тая^олс^льфо*кислота.цс-тппробензолсддьфо*кислота,цс-тппробензолсддьфо*кислота,
21
21
бензолсулыро- кислота,
бензолсулыро- кислота,
П-тая^олс^льфо*кислота.
П-тая^олс^льфо*кислота.
цс-тппробензолсддьфо*кислота,
цс-тппробензолсддьфо*кислота,
Сульфокислоты и их производные
Структура и номенклатура сульфокислот
Помимо карбоновых кислот существует еще один класс важных органических кислот — сульфокислоты. Мы в основном будем рассматривать ароматические сульфокислоты, поскольку именно они чаще всего встречаются.
Общая формула ароматических сульфокислот ArSOsH. Их названия образуются путем прибавления окончания сульфокислота к названию ароматического соединения, в молекулу которого введена сульфогруппа.
Не следует путать сульфокислоты, у которых атом углерода непосредственно связан с атомом серы, с эфирами серной кислоты, у которых атом углерода связан с атомом кислорода
сульфокислотасульфокислотасульфат (сложный эфир)сульфат (сложный эфир)
сульфокислота
сульфокислота
сульфат (сложный эфир)
сульфат (сложный эфир)
Физические свойства сульфокислот
Как и можно было ожидать на основании рассмотрения структуры, сульфокислоты обладают физическими свойствами, характерными для сильнополярных соединений. В целом они лучше растворимы в воде, чем органические соединения любых других типов. Действительно, SOsH-rpynny очень часто вводят в большие молекулы (например, красителей или лекарственных препаратов) для того, чтобы сделать их растворимыми в воде. Поскольку сульфокислоты являются сильными кислотами, они полностью ионизованы в водных растворах.
ArSOsH + Н2О> ArSOg + Н3О+
Они растворимы также в некоторых других полярных растворителях, включая серную кислоту, в которой их получают, но не растворимы в обычных
органических растворителях. Сульфокислоты мало летучи и, как правило, при нагревании разлагаются ниже температур кипения.
Соли легко образуются из этих сильно кислых соединений при обработке основаниями. Сульфокислоты обычно бывают очень вязкими и их трудно очищать. Поэтому сульфокислоты удобно выделять в виде солей и часто их используют именно в этой форме.
Методы синтеза сульфокислот
Ароматические сульфокислоты почти всегда получают прямым сульфированием обычно дымящей серной кислотой. Если необходимо получить хлорангидрид кислоты, то группу SO2C1 можно ввести в одну стадию путем обработки ароматического соединения хлорсульфоновой кислотой C1SO8H.
МЕТОДЫ СИНТЕЗА АРОМАТИЧЕСКИХ СУЛЬФОКИСЛОТ
Сульфирование
SO3
АгН + HzSO, >- ArSO3H + Н2ОАгН + 2C1SO3H> ArSO2Cl + НС1 + H2SO,хлорсульфо-сульфо-новая кислотахлорид
SO3HSO3HH2SO4, SO,, 35-50-СH2SO4, SO,, 35-50-СбензолбензолПримеры:
SO3H
SO3H
H2SO4, SO,, 35-50-С
H2SO4, SO,, 35-50-С
бензол
бензол
H2SOt, so,, о°сH2SOt, so,, о°сСН3СН3толуолтолуолсн3сн3бензолсулвфо- кислоша
H2SOt, so,, о°с
H2SOt, so,, о°с
СН3
СН3
толуол
толуол
сн3
сн3
SO3Hп-толуолсульфо-кислота(основной продуктреакции)
Из смеси продуктов сульфирования сульфокислоту чаще всего выделяют, очищают и используют в виде какой-либо соли. Наиболее общеприменимый метод выделения основан на том, что сульфонат кальция или бария заметно лучше растворим в воде, чем сульфат кальция или бария.
Реакционную смесь продуктов сульфирования выливают в воду и раствор нейтрализуют добавлением карбоната кальция; нерастворимый сульфат кальция и избыток карбоната кальция удаляют фильтрованием. Образующийся раствор кальциевой соли сульфокислоты осторожно обрабатывают необходимым количеством карбоната натрия, после чего удаляют нерастворимый карбонат кальция фильтрованием. Упаривание фильтрата дает натриевую соль сульфокислоты. (В этой методике вместо карбоната кальция можно использовать гидроокись кальция или бария или карбонат бария.)
Задача 21.1. Напишите уравнение всех реакций, протекающих в процессе выделения натриевой соли сульфокислоты.
Задача 21.2. Опишите получение свободной сульфокислоты из раствора ее кальциевой или бариевой соли.
Реакции сульфокислот
Наиболее важные реакции ароматических сульфокислот приведены ниже.
РЕАКЦИИ АРОМАТИЧЕСКИХ СУЛЬФОКИСЛОТ
Кислотность. Образование солей (разд. 21.4 и 21.10)
ArSOgJI + Н2О> ArSO3 + Н3О+ полная ионизация
SO3H + NaOH бенмлсулъфо* кислота.SO3H + NaOH бенмлсулъфо* кислота.Примеры;
SO3H + NaOH бенмлсулъфо* кислота.
SO3H + NaOH бенмлсулъфо* кислота.
* \O)s°rNa+ + Н2Обеизолсулъфонатнатрия
CHj^Q^SOjH + NaHCO3
п таолуопсулъфонат натрияп таолуопсулъфонат натрияп-топуолсулъфо- кислста
п таолуопсулъфонат натрия
п таолуопсулъфонат натрия
Превращение в хлорангидриды сульфокислот (разд. 21.6)
ОО
IIнагревание ||
Ar—S—ОН 4- РС15 > Ar—S—Cl + РОС13 + НС1
I)II
ОО(или NaCl)
(или ArSO3Na)Другие производные получают-
ся из хлорангидридов
Примеры:
CH3<^>SO2ONa + РС^СТсНз^ЗО^ + NaCl + РОС13
п-пюлуолсульфонатнатрияп-пюлуолсульфонатнатриял толуолсулырохлоридл толуолсулырохлорид
п-пюлуолсульфонатнатрия
п-пюлуолсульфонатнатрия
л толуолсулырохлорид
л толуолсулырохлорид
Десульфирование (разд. 21.5)
н2о
ArSO3H + Н2О > ArH + H2SO4
нагревание
СН3СН3перегретыйперегретыйнго, н +нго, н +■л-ксилол, летуч■л-ксилол, летучПримеры:
СН3
СН3
перегретый
перегретый
нго, н +
нго, н +
■л-ксилол, летуч
■л-ксилол, летуч
ТА-диметилбензолсульфокислата,не летуча.
Замещение в кольцо (разд. 21.4)
Группа —SO3H дезактивирует кольцо и ориентирует в мета-положенне при реакциях электрофильного замещения в ароматическом ряду.
Пример'
SO3HSO3HHN03, H2SO4HN03, H2SO4
SO3H
SO3H
HN03, H2SO4
HN03, H2SO4
бензолсулъфакиспота.бензолсулъфакиспота.
бензолсулъфакиспота.
бензолсулъфакиспота.
ае-нитробемзолсульфохуслоша. выгод ?г %'
Сплавление со щелочью. Получение фенолов (разд. 25.6)
сильное
ArSOgNa + NaOH Na^Oa + ArONa >- ArOH
нагревание3фенол
Мы уже знаем, что кислотность карбоновых кислот связана с влиянием ацильной группы RCO— на легкость отрыва протона от ОН-группы; отрицательный заряд карбоксилат-аниона распределяется между двумя атомами кислорода (разд. 18.13)
С6Н$-С^+ Н2ОхонС6Н$-С^+ Н2ОхонН3О+ + С6Н,С^ о.Н3О+ + С6Н,С^ о.Ка = 6,3-10-’Ка = 6,3-10-’
С6Н$-С^+ Н2О
хон
С6Н$-С^+ Н2О
хон
Н3О+ + С6Н,С^ о.
Н3О+ + С6Н,С^ о.
Ка = 6,3-10-’
Ка = 6,3-10-’
Точно так же повышенная кислотность сульфокислот обусловлена влиянием сульфогруппы ArSO2—. Вероятно, различие между карбонильной и сульфогруппами более всего связано с самим фактом наличия атома углерода в первой из них и атома серы во второй. Однако возможно, что большее влияние- сульфонильной группы на кислотность в основном определяется наличием двух атомов кислорода; вследствие этого отрицательный заряд в сульфонат- ионе распределен между тремя атомами кислорода
ОО
IIII
С,НВ—S—ОН + Н2О , * Н3О+ + С,НВ—S—О '— Кв очень велим
ОО•
Хотя наличие двух атомов кислорода в сульфогруппе способствует ионизации водорода, они затрудняют замещение ОН-группы. Из числа функциональных производных сульфокислот только хлорангидриды можно получить непосредственно из кислот; сложные эфиры и амиды можно синтезировать лишь из сульфохлоридов (разд. 21.6). Этот вопрос подробно обсужден в разд. 21.10.
Ароматическое кольцо, с которым связана SO3H-rpynna, подвергается электрофильному замещению так, как этого следовало ожидать от кольца, несущего сильную электроноакцепторную группу: с дезактивацией кольца и л/етп-ориентацией замещения. Один из частных видов реакции замещения, приводящей к замещению самой 5О3Н-группы, обсужден в следующем разделе.
Десульфирование
При нагревании ароматической сульфокислоты при 100—175 *С с водным раствором кислоты образуется серная кислота и ароматический углеводород. Это реакция (десульфирование) обратна реакции сульфирования, с помощью которой была получена сульфокислота.
н1"
АгН + H2SO4 ^=^ ArSO3H + Н2О углеводе-сульфокислород, летучта, нелетуча
Используя обычные принципы равновесия, можно подобрать условия, которые будут направлять реакцию в любую сторону. Для сульфирования используют большой избыток концентрированной или дымящей серной кислоты; высокая концентрация сульфирующего агента и малая концентрация воды (или ее удаление из реакции с помощью SO3) сдвигают равновесие
в сторону сульфокислоты. Для десульфирования используют разбавленную кислоту и часто пропускают перегретый пар через реакционную смесь; высокая концентрация кислоты и удаление относительно летучего углеводорода перегонкой с паром сдвигают равновесие в сторону углеводорода.
Задача 21.3. В разд. 11.9 приведен механизм сульфирования, а) Напишите все стадии механизма десульфирования, б) К какому общему классу органических реакций принадлежит реакция десульфирования? Что является атакующим агентом?
Задача 21.4. Обработка сульфаниловой кислоты (n-H2NCeH4SO3H) 3 молями брома дает 2,4,6-триброманилин. При обработке 4-оксибензол-1,3-дисульфокислоты азотной кислотой образуется пикриновая кислота (2,4,6-тринитрофенол), а) Напишите наиболее вероятный механизм замещения SO3H на Вг н NO2. б) К какому общему классу органических реакций относятся эти реакции?
Сульфирование — необычная реакция электрофильного замещения в ароматическом ряду,- поскольку она обратима. Необычность этой реакции также в том, что для нее характерен умеренный изотопный эффект: обычный водород (протий) замещается в ароматическом кольце примерно в два раза быстрее, чем дейтерий (разд. 11.13). Более внимательное рассмотрение показывает, что эти два фактора взаимосвязаны.
Напомним, что в реакции нитрования изотопный эффект не наблюдается. Это объяснялось тем, что карбониевый ион I вступает в реакцию (2) гораздо быстрее, чем в обратную реакцию (1), причем несущественно, что
(1)(2)
+ Ai + /Б Й2
С,Н5 + NO2 ^=^ С,Н8<э- С,НВМО2 + №*, > JL.
^XNO,
(1)I (2)
реакция (2) может протекать немного быстрее для Н или чуть медленнее для D. Каждый образующийся карбониевый ион I (Н) или I (D) превращается 1 конечное соединение, а не в исходное вещество.
1 (Н)I (D)1 (Н)I (D)
1 (Н)I (D)
1 (Н)I (D)
Это показано на рис. 21.1, где энергетический барьер для перехода вправо, от карбониевого иона (по координате реакции) гораздо меньше, чем барьер для перехода влево.
В реакции, обратной реакции нитрования, нитробензол протонируется [реакция, обратная реакции (2)] и образуется карбониевый ион I. Однако последний не отличается, конечно, от иона I, образующегося при нитровании, и поэтому превращается аналогичным образом, т. е. дает снова нитробензол. Нитрование не является обратимым процессом.
Однако сульфирование представляет собой обратимую реакцию; этот факт свидетельствует о том, что карбониевый ион 11 может отщеплять SO,, в результате чего образуется бензол.
&1+k«
С6Не + SO, -*-— с,н8/ xsoy
II
"^ C6H6SOg 4” №Ag r^ Nnj$
Очевидно, в этом случае реакция (2) протекает не намного быстрее, чем обратная реакция (1). При сульфировании энергетические барьеры по обе стороны от карбониевого иона имеют примерно одинаковую высоту, и некоторые ионы переходят через один из них, а другие — через второй. Далее, независимо от того, является ли карбониевый ион дейтерированным или нет — II (D) или II (Н), — энергетический барьер для перехода влево останется тем же самым
Однако для перехода вправо необходим разрыв углерод-водородной связи и для этого процесса барьер для карбониевого иона II (D) будет выше, чем для иона II (Н). Поэтому большая часть дейтерированных ионов по срав-
Рис. 21.1. Изменение потенциальной энергии в ходе реакции: сравнение нитрования и сульфирования.Рис. 21.1. Изменение потенциальной энергии в ходе реакции: сравнение нитрования и сульфирования.При нитровании лимитирующей стадией является образование карбониевого иона; все ионы карбоиия превращаются в конечное соединен не. Изотопный эффект не наблюдается; нитрование — необратимая реакция.Прн сульфировании некоторая часть карбониевых ионов превращается в конечное соединение, а часть — в исходное вещество. Наблюдается изотопный эффект; сульфирование — обратимая реакция.При нитровании лимитирующей стадией является образование карбониевого иона; все ионы карбоиия превращаются в конечное соединен не. Изотопный эффект не наблюдается; нитрование — необратимая реакция.Прн сульфировании некоторая часть карбониевых ионов превращается в конечное соединение, а часть — в исходное вещество. Наблюдается изотопный эффект; сульфирование — обратимая реакция.
Рис. 21.1. Изменение потенциальной энергии в ходе реакции: сравнение нитрования и сульфирования.
Рис. 21.1. Изменение потенциальной энергии в ходе реакции: сравнение нитрования и сульфирования.
При нитровании лимитирующей стадией является образование карбониевого иона; все ионы карбоиия превращаются в конечное соединен не. Изотопный эффект не наблюдается; нитрование — необратимая реакция.
Прн сульфировании некоторая часть карбониевых ионов превращается в конечное соединение, а часть — в исходное вещество. Наблюдается изотопный эффект; сульфирование — обратимая реакция.
При нитровании лимитирующей стадией является образование карбониевого иона; все ионы карбоиия превращаются в конечное соединен не. Изотопный эффект не наблюдается; нитрование — необратимая реакция.
Прн сульфировании некоторая часть карбониевых ионов превращается в конечное соединение, а часть — в исходное вещество. Наблюдается изотопный эффект; сульфирование — обратимая реакция.
ArSO2OH + PCI, (или AiSOtNa)ArSO2OH + PCI, (или AiSOtNa)сульфохлоридсульфохлорид(или NaCI)(или NaCI)
ArSO2OH + PCI, (или AiSOtNa)
ArSO2OH + PCI, (или AiSOtNa)
сульфохлорид
сульфохлорид
(или NaCI)
(или NaCI)
нению с недейтерированными превращается в исходное вещество и в целом сульфирование для дейтерированного бензола будет протекать медленнее. Таким образом, форма потенциальной кривой на рис. 21.1 позволяет объяснить не только обратимость реакции сульфирования, но также и наблюдаемый изотопный эффект.
Сульфохлориды
Сульфохлориды (хлорангидриды сульфокислот) получают действием
■пятихлористого фосфора или тионилхлорида на сульфокислоты или их соли.
нагревание
[Б >• ArSO2Cl + РОС13 + НС1
Иногда ароматические углеводороды непосредственно превращают в сульфохлориды при обработке избытком хлорсульфокислоты C1SO3H
cisogHCISO3H
АгН>- ArSOsH >- ArSO2Cl 4- H2SO4
+ HCI
Например:
CHj-C-NH^ОCHj-C-NH^О^^ СНз-C-NH^SOaCIо^^ СНз-C-NH^SOaCIо
CHj-C-NH^О
CHj-C-NH^О
^^ СНз-C-NH^SOaCIо
^^ СНз-C-NH^SOaCIо
ацешадилиа
Сульфохлориды — важные промежуточные соединения при синтезе других функциональных производных, поскольку последние нельзя получить прямо из сульфокислот. Сульфохлориды реагируют со спиртами или фенолами, давая сложные эфиры, и с аммиаком, давая амиды
води, щелочь
ArSO2Cl + ROH>- ArSO2OR + Cl" + H2O
или пиридин
или Аг'ОН или ArSO2OAr'эфир сульфокислоты
ArSO2Cl 4- 2NHS> ArSO2NH2 + NH4C1
сульфамид
Например:
СНз-С-NHIIОСНз-С-NHIIО©SO2C1©SO2C1NH,NH,CH3-C-NHIICH3-C-NHIIоо@SO2NH2@SO2NH2+ NH4CI+ NH4CI
СНз-С-NHIIО
СНз-С-NHIIО
©SO2C1
©SO2C1
NH,
NH,
CH3-C-NHII
CH3-C-NHII
о
о
@SO2NH2
@SO2NH2
+ NH4CI
+ NH4CI
В подобных реакциях сульфохлориды менее активны, чем хлорангидриды ароматических карбоновых кислот. Для ускорения реакции и предотвращения образования побочных продуктов реакцию со спиртами или фенолами проводят в присутствии основания (метод Шоттена — Баумана, разд. 20.8). (Важная реакция сульфохлоридов с аминами, приводящая к замещенным амидам сульфокислоты, обсуждена в разд. 23.13.)
Амиды сульфокислот
Амиды сульфокислот (сульфамиды) гидролизуются на сульфокислоты и аммиак действием горячего водного раствора кислоты, а не основанием. Реакция происходит медленнее, чем соответствующий гидролиз амидов карбоновых кислот.
75%-ная H2SO4
ArSO2NH2 + Н2О>- ArSOsH + NH|
нагревание
амид сульфо-сульфо-кислотыкислота
Сульфокислоты — более сильные кислоты, чем карбоновые кислоты; сульфогруппа ArSO2 более эффективно способствует удалению протона от группы ОН, чем ацильная группа RCO. Сульфогруппа также более эффективно способствует удалению иона водорода от ЬШ2-группы амидов (табл. 21.1). Амиды карбоновых кислот — очень слабо кислые вещества и в заметной степени не реагируют с концентрированными растворами щелочей. Напротив, сульфамиды проявляют заметную кислотность и легко
Таблица 21.1
Кислотность карбоновых и сульфокислот и их производных
Кислота
Ка
Амид
Ka
С6Н5СООН
6,3.10-6
C6H6CONH2
10-м — to-15
CeH5SO3H
Очень большая
c6h5so2nh2
10-1°
растворяются в водных растворах щелочей; однако они слабее карбоновых кислот и не растворяются в водном растворе бикарбоната.
ОО ■
11II
Аг—S—NH2 + ОН*> Н2О + Ar—S—NH
растворимв водерастворимв воденерастворимв воде
растворимв воде
растворимв воде
Использование кислотности сульфамидов в пробе Хинсберга обсуждено в разд. 23.13.
Задача 21.5. Хотя амиды карбоновых кислот — очень слабые кислоты (Ка = 10~14— 10-1Б), они гораздо более сильные кислоты, чем аммиак (Ко = Ю-33) или амины RNH2. Как вы можете это объяснить? (Указание: см. разд. 18.13.)
Задача 21.6. Диацетамид (CH3CO)2NH — гораздо более сильная кислота (Ка = Ю~и), чем ацетамид (Ка = 8,3-10~16), и примерно сравним по кислотности с бензолсульфамидом (Ка = Ю~10). Как вы можете это объяснить?
Эфиры сульфокислот
Эфиры сульфокислот получают взаимодействием сульфохлоридов со спиртами или фенолами обычно в присутствии оснований (разд. 21.6); их нельзя получить непосредственно из сульфокислот.
основание
ArSO2Cl + ROH ► ArSO2OR + Н2О + СГ
илиили
Ar'OHArSO2OAr'
Эфиры сульфокислот гидролизуются в сульфокислоты и оксисоединения при нагревании с водными растворами кислот или оснований
Н+.
>- ArSO3H + ROH (или Аг'ОН)
ArSO2OR — он_
(или >- ArSO7 + ROH (или Аг'О~)
ArSO2OAr')
Алкиловые эфиры сульфокислот (алкилсульфонаты) часто используют вместо алкилгалогенидов, чаще всего при изучении механизмов реакции, но также и в синтезе. Сульфонат-ионы — это анионы сильных кислот, и поэтому они являются слабыми основаниями и, следовательно, как и гало- генид-ионы, хорошими уходящими группами в реакциях нуклеофильного замещения или элиминирования.
Нуклеофильное замещение: Sn2 или SnI
Пример:Пример:ArSO2OR+ :ZArSO2OR+ :ZR:Z +ArSOJслабое основание,хорошая уходящаягруппаR:Z +ArSOJслабое основание,хорошая уходящаягруппациклогексил- тозилатциклогексил- тозилатаОССН3£+ TsOHаОССН3£+ TsOHциклогексил-ацетатциклогексил-ацетат
Пример:
Пример:
ArSO2OR+ :Z
ArSO2OR+ :Z
R:Z +ArSOJслабое основание,хорошая уходящаягруппа
R:Z +ArSOJслабое основание,хорошая уходящаягруппа
циклогексил- тозилат
циклогексил- тозилат
аОССН3
£+ TsOH
аОССН3
£+ TsOH
циклогексил-ацетат
циклогексил-ацетат
Элиминирование: Е2 или Е1
ArSO2O
—С—С—+ :В—С—С—+ :В+ Н:В + ArSO3+ Н:В + ArSO3
—С—С—+ :В
—С—С—+ :В
+ Н:В + ArSO3
+ Н:В + ArSO3
Пример:
mpem-СдНдОН C6H6CH2CH2OTs + mpem-(CH3)3CO'K+>- С6НБСН=СН2
Р-фенилэтилто-стирол
зилат
Алкилсульфонаты имеют вполне определенные преимущества перед алкилгалогенидами в реакциях, где существенна стереохимия. Это преимущество связано не с реакциями этих эфиров, а с особенностями их синтеза. Независимо от того, используют ли при исследовании реакции замещения или элиминирования алкилгалогениды или алкилсульфонаты, почти во всех случаях исходным веществом служит спирт. Алкиловые эфиры сульфокислот обязательно получают из спирта, а алкилгалогенид почти всегда стремятся получить из спирта. Именно на стадии спирта возможно провести разделение антиподов или диастереомеров, а лишь затем спирт превращают в галогенид или сульфонат, проводят исследуемую реакцию и изучают ее продукты.
Как показано в следующем разделе, получение галогенида из спирта всегда сопровождается разрывом углерод-кислородной связи и, следовательно, возможно обращение конфигурации и рацемизация. Получение эфиров сульфокислот не сопровождается разрывом углерод-кислородной связи и, следовательно, происходит с полным сохранением конфигурации; проводя реакцию с данным сульфонатом, мы точно знаем его стереохимию.
тозил или Tsтозил или Tsброзил или Bsброзил или BsЧаще всего используются эфиры н-толуолсульфокислоты — и-толуол- сульфонаты. n-Толуолсульфогруппу часто называют тозилом и обозначают Ts; тогда и-толуолсулыфохлорид будет называться тозилхлоридом (TsCI), а н-толуолсульфонаты — тозилатами (TsOR)
тозил или Ts
тозил или Ts
брозил или Bs
брозил или Bs
СНз-S- о мезил или Ms
Стереохимическое обращение
В настоящем разделе рассмотрены некоторые реакции алкилтозилатов (алкил-п-толуолсульфонатов); при этом преследуются две цели: а) рассмотреть некоторые данные, которые однозначно подтверждают факт стереохи-
мического обращения конфигурации, и б) рассмотреть конфигурационные взаимоотношения между алкилгалогенидами и другими соединениями. В разд. 7.4 было показано, что в общем конфигурационные взаимоотношения между двумя оптически активными соединениями устанавливаются путем превращения одного в другое с помощью реакций, в которых не затрагиваются связи с асимметрическим атомом углерода. Однако для гало- генпроизводных, у которых асимметрический атом углерода связан с галогеном, этот метод использовать нельзя, поскольку невозможно ни превратить галогенпроизводное в другое соединение, ни получить галогенпроиз- водное из другого соединения без того, чтобы в реакции не затрагивалась связь углерод — галоген.
Спирт можно превратить в соответствующий бензоат двумя путями: а) прямой реакцией с бензоилхлоридом
ROH + С6Н5СОС1> C^COOR
обходным путем через стадию получения тозилата (реакция TsCl), который затем вводится в реакцию с бензоатом натрия
ROH 4-ROH 4-СНз©СНз©SO2C1SO2C1ch3(q\so2or -£i?V^ C6H5COOR +ch3(q\so2or -£i?V^ C6H5COOR +
ROH 4-
ROH 4-
СНз©
СНз©
SO2C1
SO2C1
ch3(q\so2or -£i?V^ C6H5COOR +
ch3(q\so2or -£i?V^ C6H5COOR +
Когда эти реакции были проведены с оптически активным втор-буги- ловым спиртом, то оказалось, что emop-бутилбензоаты, получаемые двумя различными путями, имели противоположные знаки вращения: один из эфиров вращал плоскость поляризации света вправо, а другой — почти на такой же угол влево.
С2НБIС6НБС—О—С—Н[а] = +39,2°IIIОСН3С2НБС2НБIС8НБСОО-ITsO—С—н> н—С—О—С—С6НБIIIIсн3сн3о[а] = +13,8°[а] = +11,1°[а] = —38,0°С2НБIС6НБС—О—С—Н[а] = +39,2°IIIОСН3С2НБС2НБIС8НБСОО-ITsO—С—н> н—С—О—С—С6НБIIIIсн3сн3о[а] = +13,8°[а] = +11,1°[а] = —38,0°С6НБСОС1С6НБСОС1С2Н6С2Н6НО—С—Н —НО—С—Н —СН3СН3TsC]TsC]
С2НБIС6НБС—О—С—Н[а] = +39,2°
III
ОСН3
С2НБС2НБ
IС8НБСОО-I
TsO—С—н> н—С—О—С—С6НБ
IIII
сн3сн3о
[а] = +13,8°[а] = +11,1°[а] = —38,0°
С2НБIС6НБС—О—С—Н[а] = +39,2°
III
ОСН3
С2НБС2НБ
IС8НБСОО-I
TsO—С—н> н—С—О—С—С6НБ
IIII
сн3сн3о
[а] = +13,8°[а] = +11,1°[а] = —38,0°
С6НБСОС1
С6НБСОС1
С2Н6
С2Н6
НО—С—Н —
НО—С—Н —
СН3
СН3
TsC]
TsC]
Очевидно, что оба бензоата не могут иметь конфигурацию, идентичную конфигурации исходного втор-бутилового спирта. Один из них должен иметь конфигурацию, противоположную конфигурации спирта, из которого получали эти производные, и, следовательно, одна из схем реакции включает стадию обращения конфигурации.
В какой же реакции произошло обращение конфигураций? В реакции спирта с хлористым бензоилом или в его реакции с тозилхлоридом происходит разрыв связи водород — кислород с образованием хлористого водорода и сложного эфира; кислород-углеродная связь исходного спирта при этом должна была оставаться незатронутой. Поскольку связи с асимметрическим атомом углерода при этом не разрываются, то эти стадии должны протекать
с сохранением конфигурации
сохранение „. .
(4* „онфигурач^к*>в«»зоат
В таком случае обращение конфигурации должно было произойти в реакции между в/иор-бутилтозилатом и бензоат-ионом
, .сохранениеобращение
х+}~ Спирт конфигурации ^+У•П№ЗUлaJП й^нфйьурацйи t-)-6e№0ai7i
Превращение (+)-спирта как в (+)-, так и в (—)-бензоат показывает, что в какой-то из реакций происходит обращение конфигурации; более внимательное рассмотрение протекающих реакций позволяет выяснить, в какой именно оно произошло.
Бензоат при взаимодействии с бензоилхлоридом должен был образоваться с полным сохранением конфигурации. Поскольку бензоат, получающийся в другой последовательности реакций, имеет вращение почти той же величины (хотя и противоположное по знаку), он должен был образоваться почти с полным обращением конфигурации. Таким образом, реакция бен- зоат-иона с втор-бутилтозилатом является типичной 5ы2-реакцией, включающей атаку по асимметрическому атому углерода во втор-бутильной группе с замещением тозилат-иона.
Аналогичная последовательность реакций была проведена в ходе превращения оптически активного втор-бутилового спирта в ацетат: в одном случае прямым действием уксусного ангидрида, а в другом — реакцией ацетата натрия с втор-бутилтозилатом. Были получены точно такие же результаты; очевидно, атака ацетат-иона по emop-бутилтозилату протекает с обращением конфигурации.
Аналогичные исследования были проведены с рядом других оптически активных спиртов, включая октанол-2 и 1-фенилпропанол-2; были получены те же результаты. Нет никаких сомнений, что в этих случаях происходит обращение конфигурации.
Большая часть реакций с обращением конфигурации, с которыми мы встречались в предыдущих главах, была реакциями с алкилгалогенидами. Мы считали, что эти реакции протекали с обращением конфигурации, поскольку получаемые соединения имели конфигурации, противоположные конфигурациям исходных галогенидов. Познакомимся теперь с некоторыми данными, доказывающими, что эти конфигурации являются действительно противоположными.
Как бензоат, так и ацетат, получаемые из (+)-втор-бутилового спирта через стадию образования тозилата, являются производными (—)-рядаэ Поскольку эти реакции -протекают с обращением конфигурации, то (—)-бен- зоат и (—)-ацетат будут иметь конфигурации, противоположные конфигу-
рации (+)-втор-бутилового спирта, или, что то же самое, (+)-втор-бути- ловый спирт, (+)-бензоат и (+)-ацетат будут иметь одинаковые конфигу
(*>вт,ор■ бутилауетощ(*>вт,ор■ бутилауетощрации
(*>вт,ор■ бутилауетощ
(*>вт,ор■ бутилауетощ
(+)- втор-бутпиловый(+Увпьор-бушилбенаоат
спирт
Далее, если взаимодействие тозилатов с бензоат- и ацетат-ионами происходит с обращением конфигурации, то кажется вполне вероятным, что реакции с другими отрицательными ионами, такими, как хлорид, бромид или иодид, также протекают с инверсией. Так, при взаимодействии тозилата вто/7-бутилового спирта с раствором йодистого натрия был получен (—)- в/тгор-бутилиодиц; реакция с бромид-ионом дала (—)-в//гор-бутилбромид. Если справедливо допущение, что галогенид-ион взаимодействует с този- латом с обращением конфигурации, то (—)-бромид и (—)-иодид должны иметь конфигурации, противоположные конфигурации (+)-спирта; иными словами, (+)-спирт, (+)-бромид и (+)-иодид имеют одинаковые конфигурации
(-^-втор-бутиловый (+)-вт.ор-бупгилбромид (,*Увт.ор-бутилио6иа
Аналогичным образом, с использованием реакции с тозилатами была установлена взаимозависимость между другими спиртами и соответствующими галогенидами.
Если известно, что, скажем, (+)-2-бромоктан имеет ту же конфигурацию, что и (+)-октанол-2, то 5к2-реакция, при которой (+)-бромид реагирует с гидроксил-ионом и дает (—)-спирт, должна относиться к реакциям с обращением конфигурации
(+)-2- бромотапан(+)-2- бромотапан{-)-отапанол-2.{-)-отапанол-2.
(+)-2- бромотапан
(+)-2- бромотапан
{-)-отапанол-2.
{-)-отапанол-2.
Конфигурационная взаимозависимость между галогенидами и спиртами, а через спирты и со многими другими соединениями установлена не столь надежно, как для реакций, в которых не затрагивается связь с асимметрическим атомом углерода. Конфигурационные отнесения галогенидов основаны на предположении, что галогенид-ионы реагируют аналогично ацетат- и бензоат-ионам. В настоящее время нет серьезных оснований для того, чтобы усомниться в справедливости такого допущения.
Задача 21.7. Реакция а-фенилэтилтозилата с ацетат-ионом протекает с частичным обращением конфигурации и со значительной степенью рацемизации, а) Сравните этот результат с данными по реакции emop-бутилтозилата. б) Как вы объясните различие в поведении этих двух эфиров?
Задача 21.8. Если в/пор-бутиловый спирт с [а] = 4-13,8° превращается в тозилати полученный эфир гидролизуют щелочью, то какую величину угла вращения [а], по вашему мнению, можно ожидать для получающегося спирта? б) Сравните это предсказание с результатами, полученными для эфиров карбоновых кислот (разд. 20.16).
Задача 21.9. Щелочной гидролиз фенилтозилата в воде, обогащенной 18О, приводит к получению n-толуолсульфокислоты, обогащенной 18О, и фенола, содержащего немеченый кислород, а) Как вы интерпретируете эти результаты? б) Одинаково или различно поведение алкил- и арилсульфонатов? в) Сравните поведение алкил- и арилсульфонатов с поведением алкил- и арилгалогенидов?
Задача 21.10. Когдатранс-2-метилциклопентанол обрабатывают тозилхлоридом, а на полученный продукт далее действуют mpem-бутилатом калия, то образуется единственный алкен — 3-метилциклопентен. а) На основании этих результатов предположите, какова стереохимия (Е2) отщепления от алкилтозилата? б) Указанная стадия является последней стадией в синтезе 3-алкнлциклопентенов, исходя из циклопентанона. Напишите все стадии этого синтеза, тщательно выбирая реагенты для каждой из стадий.
Какие преимущества имеет указанная последовательность по сравнению с аналогичной, в которой промежуточным соединением является галогенид, а не тозилат?
Сравнение производных сульфокислот с производными карбоновых кислот
В заключение сравним сульфокислоты и их производные с карбоновыми кислотами и их производными. Различие между двумя группами соединений связано с различием в эффектах, оказываемых сульфо- (ArSO2) и ацильной (RCO или АгСО) группами. Основное различие, безусловно, связано с тем, что эти две группы содержат различные элементы; в одном случае серу, в другом — углерод. Однако, помимо этого, различие также обусловлено наличием в сульфогруппе двух атомов кислорода, а в ацильной — лишь одного.
Сульфогруппа оказывает более сильное влияние, увеличивая кислотность ОН- или NH2-rpynn, по сравнению с ацильной группой. Так, сульфокислоты — более сильные кислоты, чем карбоновые кислоты, а сульфамиды — более сильные кислоты, чем амиды карбоновых кислот. В сульфогруппе имеются два атома кислорода, способствующие рассредоточению отрицательного заряда аниона, а в ацильной группе — только один.
Замещение групп ОН, Cl, NH2, OR или ОАг' происходит значительно труднее в том случае, если эти группы связаны с сульфогруппой, а не с ацильной группой. Взаимопревращение сульфокислот и их производных протекает с большим трудом, чем взаимопревращение карбоновых кислот и их производных. Сульфокислоты нельзя непосредственно превратить в амиды или эфиры; сульфохлориды реагируют гораздо медленнее, чем ацилхлориды, с водой, аммиаком, спиртами и фенолами. Сульфамиды значительно труднее гидролизуются, чем амиды карбоновых кислот; это показано на примере последней стадии в синтезе сульфаниламида.
Оо
CH3-C-NH<gy-S-NH2 ^^ H2N©HS-NH20)0о
сульфаниламид происходит(л-Оминобетолсульфамид)
здесь
Нуклеофильная атака по тригональному атому углерода ацильной группы (разд. 20.4) относительно незатруднена; она включает стадию временного присоединения четвертой группы — нуклеофильного реагента. Нуклеофильная атака по тетраэдрическому атому серы сульфогруппы более затруднена, поскольку она включает стадию временного присоединения пятой группы. Тетраэдрический атом углерода ацильного интермедиата образуется с использованием разрешенного октета электронов; хотя сера способна использовать в образовании ковалентных связей более восьми электронов, подобная конфигурация менее устойчива, чем октет. Следовательно, пространственные и электронные факторы действуют так, что сульфосоединения оказываются менее активными, чем ацильные производные.
СТ:Z»R—С—ZWСТ:Z»R—С—ZWНуклеофильноезамещение вацильной группеНуклеофильноезамещение вацильной группе
СТ
:Z»R—С—Z
W
СТ
:Z»R—С—Z
W
Нуклеофильноезамещение вацильной группе
Нуклеофильноезамещение вацильной группе
тригональныйуглерод,атака относитель-но нг затрудненатригональныйуглерод,атака относитель-но нг затрудненатетраэдрическийуглерод,стабильный октеттетраэдрическийуглерод,стабильный октет
тригональныйуглерод,атака относитель-но нг затруднена
тригональныйуглерод,атака относитель-но нг затруднена
тетраэдрическийуглерод,стабильный октет
тетраэдрическийуглерод,стабильный октет
Аг I Z—S—WАг I Z—S—Wпятивалентная сера, неустойчивый децетпятивалентная сера, неустойчивый децеттетраэдрическаясера, атаказатрудненатетраэдрическаясера, атаказатруднена
Аг I Z—S—W
Аг I Z—S—W
пятивалентная сера, неустойчивый децет
пятивалентная сера, неустойчивый децет
тетраэдрическаясера, атаказатруднена
тетраэдрическаясера, атаказатруднена
Нуклеофильноезамещениев сульфогруппе
Выше уже говорилось о том, что в результате реакций с нуклеофилами эфиры карбоновых кислот обычно подвергаются расщеплению по связи кислород — ацильная группа
,ОR-c^(,хок
Эфиры сульфокислот, с другой стороны, обычно расщепляются по связи кислород — алкильная группа
Иллюстрацией может служить реакция с обращением конфигурации, описанная в последнем разделе. Сульфонат-ион вытесняется из алкилсульфона- тов примерно так же, как галогенид-ион из алкилгалогенидов.
В этом случае проявляется действие двух факторов. Во-первых, атака по атому серы в большей степени затруднена, чем по атому углерода карбонильной группы, и, во-вторых, атака по атому углерода алкильной группы в эфире сульфокислоты происходит легче по сравнению с атакой по атому углерода алкильной группы сложного эфира. Менее основной сульфонат- ион вытесняется легче, чем карбоксилат-ион. Точно так же как сульфонат с парой электронов легче уходит от водорода, чем карбоксилат (что следует из сравнительной кислотности этих двух типов кислот), сульфонат со своей парой электронов легче, чем карбоксилат, уходит от алкильной группы.
В общем случае справедливо утверждение, что менее основная из двух групп является лучшей уходящей группой. Хороший пример этому мы наблюдали в реакциях спиртов (разд. 16.3): слабое основание Н2О вытесняется из протонированного спирта, в то время как сильное основание ОН- не может быть вытеснено из молекулы самого спирта. Аналогия в поведении алкилсульфонатов и алкилгалогенидов кажется вполне объяснимой, если учесть низкую основность как сульфонат-иона, так и галогенид-иона.
Задача 21.11 Алкилсульфаты ROSO2OR — хорошие алкилирующие агенты, и их часто используют для тех же целей, что и алкилгалогениды; так, например, диметилсульфат CH3OSO2OCH3 реагирует с фенолом в щелочной среде с образованием эфира, анизола СвН6ОСН3. Можно лн было предсказать подобное поведение алкилсульфатов?
Анализ сульфокислот
Для сульфокислот характерны следующие особенности: наличие атома серы, высокая кислотность и растворимость в воде. Их идентифицируют превращением в сульфохлориды и сульфамиды.
Функциональные производные сульфокислот анализируют практически так же, как производные карбоновых кислот (разд. 20.27).
Спектральный анализ сульфокислот
Очень кислый протон SOgH-группы, подобно протонам карбоновых кислот, фенолов и енолов, появляется в ЯМР-спектре в области слабого поля (т от —2 до —1; 6 И—12). В ИК-спектре О—Н-полоса сульфокислот появляется при 3100—3450 см-1, т. е. примерно в области полос О—Н для спиртов и фенолов.
ЗАДАЧИ
Напишите структурные формулы следующих соединений:л-бензолдисульфокнслоты,г)л-бромбензолсульфоната натрия,n-толуолсульфамида,д)сульфаниловой кислоты,бензолсульфохлорида,е)изопропилтознлата.Напишите структурные формулы и назовите основные продукты реакции сульфироНапишите структурные формулы следующих соединений:л-бензолдисульфокнслоты,г)л-бромбензолсульфоната натрия,n-толуолсульфамида,д)сульфаниловой кислоты,бензолсульфохлорида,е)изопропилтознлата.Напишите структурные формулы и назовите основные продукты реакции сульфиробудут происходить) бензолсульфокислоты соNH3 (водн.),QHsOH,дымящей серной кислотой, нагревание.будут происходить) бензолсульфокислоты соNH3 (водн.),QHsOH,дымящей серной кислотой, нагревание.л) HNO3, H2SO4, м) Вг2, Fe, н) СН3С1, А1С13, о) C1SO3H.случае бензолсульфоната натрия,л) HNO3, H2SO4, м) Вг2, Fe, н) СН3С1, А1С13, о) C1SO3H.случае бензолсульфоната натрия,
Напишите структурные формулы следующих соединений:
л-бензолдисульфокнслоты,г)л-бромбензолсульфоната натрия,
n-толуолсульфамида,д)сульфаниловой кислоты,
бензолсульфохлорида,е)изопропилтознлата.
Напишите структурные формулы и назовите основные продукты реакции сульфиро
Напишите структурные формулы следующих соединений:
л-бензолдисульфокнслоты,г)л-бромбензолсульфоната натрия,
n-толуолсульфамида,д)сульфаниловой кислоты,
бензолсульфохлорида,е)изопропилтознлата.
Напишите структурные формулы и назовите основные продукты реакции сульфиро
будут происходить) бензолсульфокислоты со
NH3 (водн.),
QHsOH,
дымящей серной кислотой, нагре
вание.
будут происходить) бензолсульфокислоты со
NH3 (водн.),
QHsOH,
дымящей серной кислотой, нагре
вание.
л) HNO3, H2SO4, м) Вг2, Fe, н) СН3С1, А1С13, о) C1SO3H.
случае бензолсульфоната натрия,
л) HNO3, H2SO4, м) Вг2, Fe, н) СН3С1, А1С13, о) C1SO3H.
случае бензолсульфоната натрия,
вания следующих веществ.
толуола,
хлорбензола,
нитробензола,
л-кснлола,
п-кснлола,
Напишите структурные формулы основных при реакциях (в тех случаях, когда они следующими веществами:
Н2О,
NaOH (води.) на холоду,
продуктом реакции (б), сплавленным с NaOH,
NaCN (води.),
NaHCO3 (води.),
Ва(ОН)2 (води.),
РС1Б,
Ответьте на вопросы задачи 3 в
Ответьте на вопросы задачи 3
в случае бензолсульфохлорида.превращения n-толуолсульфокислоты в следуюшие вещества:в случае бензолсульфохлорида.превращения n-толуолсульфокислоты в следуюшие вещества:Приведите все стадии
в случае бензолсульфохлорида.
превращения n-толуолсульфокислоты в следуюшие вещества:
в случае бензолсульфохлорида.
превращения n-толуолсульфокислоты в следуюшие вещества:
о-нитрофенола,
анизола,
я-крезола (п-СН3С6Н4ОН),
«-нитротолуола,
бензолсульфокислоты.
органических продуктов, образующихся
а) n-толуолсульфонат натрия, б) n-толуолсульфонат кальция, в) п-толуолсульфохлорнд, г) п-толуолсульфамид, д) этил-п-толуолсульфонат, е) n-крезол (п-СН3СвН4ОН),
ж) толуол,
з) 4-метнл-З-ннтробензолсульфокисло-
ту,
и) о-бромтолуол,
к) п-метиланизол.
iv 1*1 С 1 Я П О у
л) n-HO3SCeH4COOH,
м) п-крезнл-п-толуолсульфонат.
7. Укажите все стадии возможного лабораторного синтеза следующих веществ из бензола н (или) толуола, используя необходимые неорганические и алифатические реагенты:
а) «-хлорбензолсульфохлорида, б) п-бромбензолсульфамнда, в) n-крезола (п-СН3СвН4ОН), г) ^-HO3SCeH4COOH,
д) резорцина [л-СвН4(ОН)2], е) фенил-п-толуолсульфоната, ж) п-карбэтокснбензолсульфокислоты
(n-QH5OOCC6H4SO3H).
Три изомерных ксилола получаются в виде смеси при перегонке каменноугольной смолы; дальнейшее разделение этих изомеров перегонкой затруднено из-за близости их температур кипения (табл. 12.1, стр. 360).
Один из методов разделения включает обработку смеси при комнатной температуре 80%-ной серной кислотой в условиях, когда сульфируется только один из изомерных ксилолов. Какой из изомеров, по вашему мнению, вступает в реакцию? Почему?
Другой метод разделения заключается в сульфировании всех трех ксилолов и обработке образующихся сульфокислот разбавленной кислотой в таких условиях, когда только один из ксилолов выделяется обратно. Какой из изомеров, по вашему мнению, будет при этом выделяться?
а) Предскажите, какой продукт образуется при монобромированин и-толуолсульфо- кислоты с последующей обработкой кислотой и перегретым паром.
Используя схему (а), предложите синтез о-дибромбензола и о-бромфенола.
Пользуясь данными, приведенными в этой главе о конфигурации и знаке вращения, предскажите конфигурации (и, где возможно, знаки вращения) продуктов следующих реакций:
бензол сульфо хлор ид + (+)-октанол-2;
продукт (а) + горячий водный NaOH;
продукт (а) + ацетат натрия;
продукт (а) + бромистый натрий;
хлористый ацетил + (+)-октанол-2;
продукт (д) + горячий водный NaOH;
бензолсульфохлорид + СН318ОН;
продукт (ж) + горячий водный NaOH;
хлористый ацетил + СН318ОН;
продукт (и) + горячий водный NaOH;
цис-2-фенилбутен-2 + (ВН3)2, затем НаОа, ОН-;
м) продукт (л) + TsCl;
н) продукт (м) + mpem-C4H9O_K+;
о) продукт (л) + хлористый ацетил;
п) продукт (о) + сильное нагревание (указание: см. задачу 14.14, стр. 468).
Напишите структурные формулы главных продуктов, образующихся при реакции этилбензоата с каждым из следующих реагентов:
аммиак,
метиловый спирт + метилат натрия,
бензилмагнийхлорнд.
На основании данных разд. 21.10 предположите, какой продукт образуется в каждом из случаев, если вместо этилбензоата использовать этилбензолсульфонат.
Катализируемый кислотой гидролиз метилнеопентилфосфоната
ОСН2С(СН3)3
СН3РО
ОСНаС(СН3)3
дает 2-метилбутен-2, а не неопентиловый спирт.
Что можно предположить на основании этих данных о месте расщепления связи и механизме реакции?
Сравните эту реакцию с гидролизом эфиров карбоновых кислот, катализируемым кислотой.
Объясните это поведение с точки зрения структуры вещества (указание: см. разд. 21.10).
13. Синтез сахарина—вещества, которое в 500 раз слаще сахара, — включает следующие стадии (укажите структуру каждого из веществ):
толуол + C1SO3H (CjH7O2SCl);
жидкость A (CjHjOjSCI) + твердое вещество Б
А + МН3» В (C7HgO2NS);
В + КМпО4> Г (C7H7O4NS);
нагревание
Г >- сахарин (C,H6O3NS);
сахарин + разб. NaOH» растворимый сахарин (C7H4O3NSNa).
Объясните, почему ментилтозилат (стр. 468) при обработке этилатом натрия в этиловом спирте дает только ментен-2, а при нагревании в этиловом спирте в отсутствие основания он превращается в смесь ментена-3 (70%) и ментена-2 (30%)? (Указание: см. задачу 21.10.)
«{uc-4-трет-Бутилцнклогексилтозилат быстро реагирует с этилатом натрия в этиловом спирте, давая 4-трет-бутилциклогексен; скорость реакции пропорциональна концентрации тозилата н этилат-иона. В тех же условиях транс-4-трет-бутнлциКлогек- силтозилат реагирует медленно и дает алкен (наряду с этил-4-трет-бутилциклогексило- вым эфиром); скорость этой реакции зависит лишь от концентрации тозилата. Как вы объясните эти наблюдения?
а) Оптически активный 2-октилброзилат реагирует с водой с образованием октанола-2 с полным обращением конфигурации. Однако в смеси воды с «инертным» растворителем — диоксаном (стр. 543) обращение конфигурации сопровождается рацемизацией, причем степень рацемизации возрастает с увеличением концентрации диоксана. На основании этих и других данных Р. Снин (Лафайетский университет, шт. Индиана) предположил, что спирт с обращенной конфигурацией образуется в результате атаки воды (Sn2), а спирт с сохранением конфигурации образуется за счет первоначальной атаки диоксана.
Покажите подробно, каким образом нуклеофильная атака диоксана может в конце концов приводить к образованию спирта с сохранением конфигурации.
б) В смешанном растворителе метиловый спирт — ацетон (безводные) 2-октилбро- зилат дает не только метил-2-октиловый эфир, но также некоторое количество октанола-2. Если те же реакции проводят в присутствии основания, пиридина (для нейтрализации образующейся сульфокислоты), то октанол-2 совсем не образуется; вместо этого получается (в не очень чистом виде) вещество, ИК-спектр которого не обнаруживает поглощения в карбонильной области, но который реагирует с кислым раствором 2,4-динитро- фенилгидразина с образованием 2,4-диннтрофенилгидразона ацетона. Сини предположил, что октанол-2 образуется в результате последовательности реакций, начинающихся с нуклеофильной атаки ацетона по 2-октилброзилату.
Укажите все стадии механизма, приводящего к октанолу-2 в этих условиях. Какова структура соединения, вероятно ответственного за образование 2,4-диннтрофенилгидразона? Как вы объясните эффект, вызываемый добавкой основания?
_Подобно алкилгалогенидам, алкилсульфонаты при нуклеофильной атаке азид-ноном (N3) образуют алкилазиды (RN3). Изучая эту реакцию. Сини пришел к выводу о том, что, по крайней мере в этой системе, промежуточными соединениями в реакции нуклеофильного замещения как по моиомолекулярному (SnI), так и по бимолекулярному (S№) механизмам являются ионные пары. Различие в кинетике этих реакций объясняется различием в природе лимитирующей стадии: для реакции первого порядка это образование ионной пары, для реакции второго порядка — реакция ионной пары с нуклеофилом.
М
RGBs ч==^ R+OBs”
”-i
R+OBs" + N7 > R—N3 + OBs~
Используя кинетическое уравнение (3) в разд. 14.12, покажите, каким образом можно получить кинетику первого или второго порядка в зависимости от относительных скоростей различных стадий. (Указание: рассмотрите отношение fe-JBI/^IC] для реакции (1).]
Какие структурные особенности в R будут определять общую легкость течения реакции, если лимитирующей стадией является образование ионной пары?
В определенных условиях реакция 2-октилмезилата с М3 будет реакцией второго порядка, если концентрация [М3] невелика, но приближается к реакции первого порядка (зависящей лишь от мезилат-иона), если концентрация [N3]-возрастает. Как вы объясните этот факт на основании механизма Снина?
В задаче 29, стр. 263, вы предположили ряд стадий, при помощи которых можно осуществить синтез геранил пирофосфата, исходя из изопентенилпирофосфата и диметилал- лилпнрофосфата. Основываясь на том, что слабоосновный пирофосфат-аннон является хорошей уходящей группой, вы пришли к выводу, что на одной нз стадий образуется карбониевый ион. Можете ли вы предложить вероятный альтернативный механизм, не рассматривающий в качестве интермедиата свободный карбониевый ион?
Амины. I.
Получение и физические свойства
Структура
Почти все органические соединения, которые мы до сих пор изучали, являются основаниями, хотя и очень слабыми. Значительную часть химии спиртов, простых и сложных эфиров и даже алкенов и ароматических углеводородов можно рассматривать с точки зрения основности этих соединений.
Из органических соединений, проявляющих заметную основность (например, достаточную для окрашивания лакмуса в синий цвет), наиболее важны амины. Общая фюрмула аминов RNH2, R2NH или R3N, где R — алкильная или арильная группа, например:
CHSNH2метиламин(первичныйамии)CHSNH2метиламин(первичныйамии)(CHS)2NHдиметиламин(вторичныйамин)(CHS)2NHдиметиламин(вторичныйамин)(CHS)SNтриметиламин(третичныйамин)(CHS)SNтриметиламин(третичныйамин)H2NCH2CH2NH2этилендиамнн(первичный амин)H2NCH2CH2NH2этилендиамнн(первичный амин)
CHSNH2метиламин(первичныйамии)
CHSNH2метиламин(первичныйамии)
(CHS)2NHдиметиламин(вторичныйамин)
(CHS)2NHдиметиламин(вторичныйамин)
(CHS)SNтриметиламин(третичныйамин)
(CHS)SNтриметиламин(третичныйамин)
H2NCH2CH2NH2этилендиамнн(первичный амин)
H2NCH2CH2NH2этилендиамнн(первичный амин)
анилин (первичный амин)анилин (первичный амин)NHCH3NHCH3М-метиланилин (вторичный амин)М-метиланилин (вторичный амин)N(CH3)2
анилин (первичный амин)
анилин (первичный амин)
NHCH3
NHCH3
М-метиланилин (вторичный амин)
М-метиланилин (вторичный амин)
Н,Н-виметилауилин(третичнымамин)
22.2. Классификация
Амины подразделяются на первичные, вторичные или третичные в зави-
симости от числа групп, связанных с атомом азота.
Н
н
R
R—N—Н
R—N—R
R-N—R
первичный
вторичный
третичный
амин
амин
амин
Некоторые свойства аминов различных классов, особенно основности, очень сходны. Многие другие свойства, однако, зависят от числа атомов водорода, связанных с атомом азота, и они неодинаковы для аминов различных классов.
Номенклатура
Названия алифатических аминов образуются прибавлением окончания амин к названию алкильной группы или групп, связанных с азотом. Более сложные амины часто называют, прибавляя приставку амино- (или М-метил-
амино-, ^\,М-диметиламино- и т. д.) к названию самой сложной цепи, например:
сн3н
сн3
СН3—С—СН3СНзСНг—N—СН3
СН3—N—СНСН2СН3
nh2
mpem-бутиламинметилэтнламин
(первичный)(вторичный)
СН3 диметил-втор-бутнламин (третичный)
Н
h2nch2ch2ch2coohh2nch2ch2oh
СН3—N—СН(СН2)4СН3
1 СН3
у-аминомасляная2-аминоэтанол
кислота(этаноламин)
(первичный)(первичный)
2-(N-метиламино) гептан (вторичный)
ВгВгСН3n-c2h5СН3n-c2h52А,6-триброманилин(первичныйамия)2А,6-триброманилин(первичныйамия)N-метил-М-зтпилшшлин (третичный амин)N-метил-М-зтпилшшлин (третичный амин)N(CH3)2N(CH3)2NONONH2NH2п-нитрозо'М^! диметилапилин (третичный амин)п-нитрозо'М^! диметилапилин (третичный амин)бифенила"мин (вторичный)бифенила"мин (вторичный)п толуидин (первичный амин)п толуидин (первичный амин)4А'-8инитродифвнил- амин (вторичный)4А'-8инитродифвнил- амин (вторичный)Ароматические амины, в которых атом азота связан непосредственно с ароматическим кольцом, обычно называют как производные ароматического амина, анилина. Аминотолуол имеет специальное название — толуидин. Например:
Вг
Вг
СН3
n-c2h5
СН3
n-c2h5
2А,6-триброманилин(первичныйамия)
2А,6-триброманилин(первичныйамия)
N-метил-М-зтпилшшлин (третичный амин)
N-метил-М-зтпилшшлин (третичный амин)
N(CH3)2
N(CH3)2
NO
NO
NH2
NH2
п-нитрозо'М^! диметилапилин (третичный амин)
п-нитрозо'М^! диметилапилин (третичный амин)
бифенила"мин (вторичный)
бифенила"мин (вторичный)
п толуидин (первичный амин)
п толуидин (первичный амин)
4А'-8инитродифвнил- амин (вторичный)
4А'-8инитродифвнил- амин (вторичный)
Соли аминов обычно называют, заменяя окончание амин на окончание аммоний (или анилин на анилиний) и указывая название аниона (хлорид, нитрат, сульфат и т. д.), например:
(C2H5NH^)2SOrсульфат этил-аммония(C2H5NH^)2SOrсульфат этил-аммония(CH3)3NH^NO?нитрат триметнл-аммония(CH3)3NH^NO?нитрат триметнл-аммонияСвН5МН3СГхлориданилинияСвН5МН3СГхлориданилиния
(C2H5NH^)2SOrсульфат этил-аммония
(C2H5NH^)2SOrсульфат этил-аммония
(CH3)3NH^NO?
нитрат триметнл-аммония
(CH3)3NH^NO?
нитрат триметнл-аммония
СвН5МН3СГхлориданилиния
СвН5МН3СГхлориданилиния
Физические свойства аминов
Подобно аммиаку, амины — полярные соединения и, за исключением третичных аминов, могут образовывать межмолекулярные водородные связи. Амины кипят при более высоких температурах, чем неполярные
Название
Т. пл., °C
Т. кип., °C
Растворимость, г/100 г Н2О
S
Метиламин
—92
—7,5
Сильно растворим
4,4-10-1
Диметиламин
—96
7,5
То же
5,1•10'4
Триметнламин
—117
3
91
0,6-10-4
Этиламин
—80
17
ОО
4,7-Ю1
Диэтиламин
—39
55
Сильно растворим
9,5-10"4
Триэтиламин
—115
89
14
5,5-ю-4
н-Пропиламин
—83
49
ОО
3,8-10-4
Ди-н-пропиламин
—63
ПО
Слабо растворим
бЛ-Ю"4
Три-н-пропиламин
—93
157
То же
4,5- Ю'4
Изопропиламин
— 101
34
ОО
4,1-Ю-
н-Бутиламнн
—50
78
Сильно растворим
Изобутиламин
—85
68
ОО
отор-Бутиламин
—104
63
ОО
трет-Бутиламин
—67
46
ОО
Циклогексиламин
134
Слабо растворим
0,23-10"4
Бензиламин
185
ОО
а-Фенилэтиламин
187
4,2
р-Феннлэтнламнн
195
Растворим
Этнлендиамин
8
1)7
»
Тетраметилендиамин
27
158
Сильно растворим
[H2N(CH2)4NH2]
39
196
Гексаметилендиа мин
То же
Сильное основание
Гидроокись тетраметил-
63
135
220
аммония
(разл.)
3,7
4,2- Ю'10
Анилин
—6
184
Метиланилин
-57
196
Очень слабо растворим
7,1-10'10
Диметиланилнн
3
194
1,4
НЛО-10
Дифениламин
53
302
Нерастворим
0,7-10'13
Трифеннламин о-Толуидин м-Толуидин п-Толуидин
127
—28
—30
44
365
200
203
200
»
1,7
Слабо растворим 0,7
2,5-10-"°
4,9- IO"''
12 - Ю”
о-Анизидин
5
225
Слабо растворим
3-10 к
(o-CHsOC6H4NH2)
251
244
То же
Очень слабо растворим
jw-Анизидин п-Анизидин
57
2-10 10
15 10-'°
о-Хлоранилин
—2
209
Нерастворим
0,05-10~1°
л-Хлоранилин
—10
236
0,3-10
п-Хлоранилин о-Броманилнн
70
32
232
229
Слабо растворим
л-Броманилин
19
251
Очень слабо растворим
1 ■ 10-'”
п-Броманилин
66
Разл.
Нерастворим
о-Нитроанилин
71
284
0,1
3,5-20
3,2-10~12
м-Нитроанилин
114
307 (разл.)
од
0,1-10-м
п-Нитроанилин
148
332
0,05
2,4-Динитроанилин
187
Слабо растворим
2,4,6-Т ринитроанилин
188
0,1
(пнкрамид) о-Фенилендиамин
104
252
3
3,2-Ю"10
[о-С6Н4(МН2)2] л-Фенилендиамин
63
287
25
7,6-10-10 11,0- 10^
п-Фенилендиамин
142
267
3,8
Бензидин n-Аминобензойная кисло-
127
187
401
0,05 0,3
7,4-10 13
2,3-10-12
та
Сульфаниловая кислота
288 (разл.)
1
1,6-ю-11
Сульфаниламид
163
0,4
Название
Формула
T. пл., °C
Ацетанилид
C6H5NHCOCH3
114
Бензанилид
CeH6NHCOCsH6
163
Ацето-о-толуидид
o-CH3C6H4NHCOCH3
110
Ацето-л-толуидид
>M-CHsCel^NHCOCH3
66
Ацето-и-толуидид
n-CH3C6H4NHCOCH3
147
о-Нитроацетанилид
o-O2NC6H4NHCOCHs
93
.и-Нитроацетанилид
w-O2NC6H4NHCOCH3
154
п-Нитроацетанилид
n-OzNQH4NHCOCH3
216
соединения того же молекулярного веса, но их температуры кипения ниже, чем температуры кипения спиртов или карбоновых кислот (табл. 22.1).
Амины всех трех классов способны образовывать водородные связи с водой. Поэтому низшие амины довольно хорошо растворяются в воде; граница растворимости проходит около С6. Амины растворимы в менее полярных растворителях, подобных эфиру, спирту, бензолу и т. д. Запах метиламинов и этиламинов очень похож на запах аммиака; высшие алкил- амины имеют запах, напоминающий запах рыбы.
Ароматические амины обычно очень токсичны; они легко проникают через кожу, что может подчас быть причиной несчастного случая.
Ароматические амины очень легко окисляются кислородом воздуха и, хотя в большинстве своем в чистом виде они бесцветны, обычно окрашены вследствие наличия в них продуктов окисления.
Соли аминов
Алифатические амины обладают приблизительно такой же основностью, как и аммиак, а ароматические амины значительно менее основны. Амины гораздо менее основны, чем гидроксил- или этилат-ион, но они существенно более сильные основания, чем спирты, простые и сложные эфиры и т. д., а также вода. Под действием водных минеральных или карбоновых кислот амины легко превращаются в соли; водный раствор, содержащий гидроксилион, легко переводит соли обратно в свободные амины. Как и в случае карбоновых кислот, почти ни одна реакция аминов не происходит без превращения в соли и в свободные основания, и поэтому целесообразно рассмотреть свойства этих солей
rnh2 первичный
амин
+ RNH3
соль
r2nh
н+
r2nh2 соль
вторичный амин
(он~
R3N третичный амин
R3NH соль
нерастворимы в воде
растворимы в воде
В разд. 18.4 мы отметили резкое различие в физических свойствах карбоновых кислот и их солей; то же различие наблюдается при сопоставлении свойств аминов и их солей. Соли аминов — типичные ионные соединения. Они представляют собой нелетучие твердые вещества с высокой температурой плавления и при нагревании разлагаются обычно ниже температуры плавления. Галогениды, нитраты и сульфаты растворимы в воде, но не растворимы в неполярных растворителях.
Различие в растворимости аминов и их солей можно использовать как для обнаружения аминов, так и для их отделения от соединений, не являющихся основаниями. Органическое соединение, нерастворимое в воде, но растворимое в холодной разбавленной соляной кислоте, должно обладать заметными основными свойствами, что почти наверняка означает, что оно является амином. Амин можно отделить от соединений, не являющихся основаниями, по его растворимости в кислоте; после разделения амин можно регенерировать подщелачиванием водного раствора (см. в разд. 18.4 сходную ситуацию для карбоновых кислот).
Задача 22.1. Опишите подробно, каким образом вы осуществите разделение смеси трех нерастворимых в воде жидкостей—анилина (т. кип. 184 °C), я-бутилбензола (т. кил. 183 °C) н н-валериановой кислоты (т. кип. 187 °C) с тем, чтобы выделить каждое вещество в чистом виде и с количественным выходом. Опишите методику разделения смеси трех нерастворимых в воде твердых веществ — п-толуидина, о-бромбензойной кислоты ип-нит- роанизола.
Стереохимия азота
До сих пор при изучении органической химии значительное внимание уделялось вопросам пространственного расположения атомов и групп, связанных с атомом углерода, т. е. стереохимии углерода. Рассмотрим теперь вкратце стереохимию азота.
Спектроскопические данные показывают, что молекула аммиака пирамидальна, причем атом азота находится в вершине пирамиды, а атомы водорода— по углам треугольного основания (рис. 22.1). В разд. 1.10 уже говорилось о том, что такое расположение атомов согласуется с квантовомеханическим рассмотрением молекулы. При образовании аммиака атом азота использует 5/?3-орбитали, направленные к углам тетраэдра. Три из этих орбиталей перекрываются с s-орбиталями атомов водорода; четвертая содержит неподеленную пару электронов.
Поскольку амины представляют собой производные аммиака, в которых один или более атомов водорода замещены на алкильные группы, то можно было предполагать, что амины также пирамидальны. Это было показано методом дифракции электронов; согласно полученным данным, молекула триметиламина пирамидальна и углы связей С—N—С [около 108° (1,885 рад)1 очень близки углам связей Н—N—Н [107° (1,867 рад)1 в аммиаке.
СН8
Из рассмотрения моделей можно убедиться, что молекулу, в которой атом азота несет три различные группы, нельзя совместить с ее зеркальным отображением и, следовательно, она диссимметрична. Поэтому такой амин, как, например, метилэтил-н-пропиламин, должен существовать в двух энантиомерных формах (I и П), каждая из которых (отделенная от другой) должна проявлять оптическую активность.
C,HZC3WZ
II
метилэтил-н-лропилалкик
Однако энантиомеры такого рода никогда не были обнаружены. Как это можно объяснить?
Спектральные данные показывают не только то, что аммиак является пирамидальной молекулой, но и то, что энергетический барьер для превращения одной пирамидальной конфигурации (III) в другую (IV) составляет всего 6 ккал/моль (25,12-103 Дж/моль). Даже при комнатной температуре доля столкновений с достаточной энергией столь велика, что происходит
Рис. 22.1. Молекула аммиака.
а — тетраэдрические 5р3-орбитали; б — предсказанная форма молекулы с обозначением иеподеле иней пары электронов: ядра водорода находятся в положении максимального перекрывания; в —■ фор ма и
размер молекулы.
быстрое превращение между пирамидальными конфигурациями — быстрая инверсия.
Изучение ПМР-спектров показывает, что производные аммиака также претерпевают быструю инверсию: так, молекулы метилэтил-н-пропиламина быстро превращаются из конфигурации 1 в конфигурацию II. Хотя эти энай- тиомеры диссимметричны, они, как и конформационные энантиомеры (разд. 4.6), слишком быстро превращаются друг в друга, поэтому невозможно их разделить и определить их оптическую активность. Очевидно, неподеленная пара электронов на атоме азота не может выступать в роли четвертой группы, закрепляющей конфигурацию.
Рассмотрим теперь соли четвертичного аммония — соединения, в которых четыре алкильные группы связаны с азотом. В этом случае четыре «р3-орбитали используются для образования связей и четвертичный атом азота должен быть тетраэдрическим. Если это так, то соль четвертичного аммония, у которой при азоте имеются четыре различные группы, должна существовать в виде конфигурационных энантиомеров, способных проявлять оптическую активность. Установлено, что это действительно так. Например, иодид метилаллилфенилбензиламмония существует в виде двух энантиомерных форм (V и VI), каждая из которых оптически активна.
зеркало
vVI
повив (+)- v (—Уметилаллилфенилбелэиламмоиия
Задача 22.2. При комнатной температуре ПМР-спектр 1-этилазиридина (VII) обнаруживает систему триплет — квартет этильной группы и еще два других сигнала равной интенсивности. Если температуру поднять до 120 °C, то два последних сигнала сливаются в одни. Как вы объясните эти наблюдения?
Н,С.
>N—С„Н6
ШУ ~
VII
Задача 22.3. Рацемизация в некоторых свободнорадикальных и карбоний-ионных реакциях обусловлена (разд. 7.9 и 14.13) «потерей» конфигурации вследствие образования плоского промежуточного соединения. Объясните, нечему возникновение алкильного карбаниона R:, который, как полагают, является пирамидальным, может также приводить к рацемизации (проверьте ваш ответ в разд. 27.4).
Промышленные источники
Некоторые из простейших и наиболее важных аминов получают в промышленных масштабах с помощью методов, которые не применяются в лабораторной практике.
Наиболее важным из всех аминов является анилин. Существует несколько методов синтеза анилина: а) восстановление нитробензола дешевыми реагентами, например железом и разбавленной соляной кислотой (или каталитическим гидрированием, разд. 22.9); б) обработка хлорбензола аммиаком при высокой температуре и высоком давлении в присутствии катализатора.
Как мы увидим в гл. 26, процесс б) включает реакцию нуклеофильного замещения в ароматическом ряду.
нитробензолнитробензолFe. 30%-ясяНС1, ^ нагреваниеFe. 30%-ясяНС1, ^ нагреваниеNa2CO3Na2CO3анилиниихлориданилиниихлориданилинанилинхлорбензолхлорбензолNH3, Cu20,200еС,65атмNH3, Cu20,200еС,65атманилин.анилин.
нитробензол
нитробензол
Fe. 30%-ясяНС1, ^ нагревание
Fe. 30%-ясяНС1, ^ нагревание
Na2CO3
Na2CO3
анилиниихлорид
анилиниихлорид
анилин
анилин
хлорбензол
хлорбензол
NH3, Cu20,200еС,65атм
NH3, Cu20,200еС,65атм
анилин.
анилин.
Метиламин, диметиламин ных масштабах из метанола иМетиламин, диметиламин ных масштабах из метанола ии триметиламин синтезируют в промышлен- аммиакаи триметиламин синтезируют в промышлен- аммиака
Метиламин, диметиламин ных масштабах из метанола и
Метиламин, диметиламин ных масштабах из метанола и
и триметиламин синтезируют в промышлен- аммиака
и триметиламин синтезируют в промышлен- аммиака
NHSNHSаммиакаммиакСН3ОН—> ch3nh2-А12О3, 450 °C1метиламинСН3ОН—> ch3nh2-А12О3, 450 °C1метиламинСНзОНСНзОН»- (CHgLNH »- (CH3)3NА1,О3, 450 СС v 3,2 А12Оз, 450 °C v 3,3диметиламинтриметиламинСНзОНСНзОН»- (CHgLNH »- (CH3)3NА1,О3, 450 СС v 3,2 А12Оз, 450 °C v 3,3диметиламинтриметиламин
NHS
NHS
аммиак
аммиак
СН3ОН
—> ch3nh2-
А12О3, 450 °C1
метиламин
СН3ОН
—> ch3nh2-
А12О3, 450 °C1
метиламин
СНзОНСНзОН
»- (CHgLNH »- (CH3)3N
А1,О3, 450 СС v 3,2 А12Оз, 450 °C v 3,3
диметиламинтриметиламин
СНзОНСНзОН
»- (CHgLNH »- (CH3)3N
А1,О3, 450 СС v 3,2 А12Оз, 450 °C v 3,3
диметиламинтриметиламин
Для получения высших алкиламинов в промышленности, так же как и в лаборатории, применяют алкилгалогениды (разд. 22.10). Кислоты, получаемые из жиров (разд. 20.24), можно превратить в 1-аминоалканы с длинной цепью с четным числом атомов углерода через стадию восстановления нитрилов (разд. 22.8).
NH3, нагреваниенагревание2Нг, катализатор
RCOOH>• RCONH2 >- RC=N*■ RCH2NH2 кислотаамиднитриламин
Методы синтеза
Некоторые из многочисленных методов, используемых для получения аминов в лаборатории, приведены ниже.
МЕТОДЫ СИНТЕЗА АМИНОВ
Восстановление нитросоединеиий (разд. 22.9)
ArNO2.ArNH,
металл, нт или Н2, катализаторИЛИ*■ или
rno2rnh2
первичный
амин
Главным образом для ароматических аминов
Примеры:Примеры:СООС2Н5no2этил п-нитро-бензоатСООС2Н5no2этил п-нитро-бензоатмн2мн2СООС2Н;СООС2Н;ЗШип П-aMUHO- бензоатЗШип П-aMUHO- бензоатп-лотпроанилин л фенилендиаминп-лотпроанилин л фенилендиамин
Примеры:
Примеры:
СООС2Н5
no2
этил п-нитро-бензоат
СООС2Н5
no2
этил п-нитро-бензоат
мн2
мн2
СООС2Н;
СООС2Н;
ЗШип П-aMUHO- бензоат
ЗШип П-aMUHO- бензоат
п-лотпроанилин л фенилендиамин
п-лотпроанилин л фенилендиамин
NH,SH ^O^waz/JeraweNH,SH ^O^waz/Jerawedi-Humpoa нилинdi-Humpoa нилинno2
NH,SH ^O^waz/Jerawe
NH,SH ^O^waz/Jerawe
di-Humpoa нилин
di-Humpoa нилин
ш. динитпробензол
CH3CH2CH2NO2 -^-^ CH3CH2CH2NH2
l-нищюпропамн-пропиламин
2. Реакции галогеипроизводных с аммиаком или аминами (разд. 22.10 и 22.12)
КХ
NH, >
КХRXКХ
RNH2 > R2NH > R3N »■ R4N+X~RX — алкил или
первич-вторич-третич-четвертич-“^епт”"
аминГнГнК ГГ- "—
лями соль
Примеры:
С1аNH3н+
СН3СООН
> СН2СООН >- CH2COO'NHt> СН2СООН /или СН2СОО~\
Р 11II
Clnh2nh2\ +NHS /
уксусная кислота
хлоруксус-аминоуксусная кислота
ная кисло-(глицин, аминокислота)
та(первичный амин)
Н МНзСН3С11
С2НБС1 > С2Н5МН2> QHs—N—СН3
хлористыйэтнламинметилэтиламин
этил(первичный(вторичный
амии)амин)
@>СН2С1 -^ <^>CH2NHz -^^ ^O)ch2-n-ch3
бензилхлоривбензиламинвиметилбензиламчл
(первичный амин)
^N(CH3)z -^ <^N(CH3)34-
М,ТЧ-8иметилано/ган триметилфениламмони^иодид
(третичный
амин)
CHjNH,CHjNH,NHCH3(QjNOz
CHjNH,
CHjNH,
2,4- динитрохлор-бензол2,4- динитрохлор-бензолNO3
2,4- динитрохлор-бензол
2,4- динитрохлор-бензол
^4-метил-2,4-динитроаннлин(вторичный амин)
3. Восстановительное аминирование (разд. 22.11)
^>С=О + NH3 + Н2 —2> ^>СН—МН2
+ RNH2 + Н2 -2^ ^>CH-NHR
+ R2NH + Н2 J2>. >CH-NR2
первичный амин
вторичный амин
третичный амин
Примеры;
№
сн3—с—сн3 + NH3 + н2 —>- сн3—сн—сн,
III
оnh2
ацетонизопропиламин
(первичный)
К
I
CHjCH2CH2C=O +
л масляный алы)'гиб
©NH2анилин(первичныйамин)
Н
МСН2СН2СН2СН3
^-н-бутиланилип
(вторичныйамин)
НСН3
INI|
СН3С=О + (CH3)2NH + Н2 >• СН3СН2—N—сн3
ацеталь- диметиламиндиметилэтиламнн
дегид(вторичный)(третичный)
4. Восстановление нитрилов (разд. 22 8)
2Н2. катализаторRC=N—* RCHaNHa
нитрилпервичный
амин
Примеры:
^^СН2С1 -^ <^)ch2cn Н1’-’’'-'> @ch2ch2nh2
бензилхлоривфенилацетоовитрилр-фенилэгпиламин
(бензилгрианиб)(первичный амин)
NaCNН2, NI
С1СН2СН2СН2СН2СЦ> NC(CHg),CN >■ H2NCH2(CH2)4CH5NH2
1,4-дихлорбутанадипонитрилгексаметилендиамин
(см. адипино-(1,6-диаминогексан)
вую кислоту,(первичный)
гл. 29)
5. Расщепление амидов по Гофману (разд. 22.13, 22.14)
ОВг—
RCONH2 илн ArCONH2 > RNH2 или ArNH2 + СО|~
амидпервичный амин
Примеры:
КОВг CH3(CH2)4CONH2 > CH3(CH2)4NH2
капрамид (гексанамид)
н-пентнламин
ш-бромбензамид
Вг ас-броманилин
Синтез чистых первичных аминов по Габриэлю (разд. 29.8)
Восстановление ароматических нитросоединений — безусловно наиболее распространенный метод получения аминов, поскольку в этом методе используются легко доступные исходные вещества и получаются наиболее важные из аминов — первичные ароматические амины. Эти амины можно превратить в ароматические соли диазбния, которые находят очень широкое применение (гл. 24). Последовательность реакций нитросоединение* амин» соль диазония представляет собой наилучшую схему синтеза многих типов ароматических соединений.
Восстановление алифатических нитросоединений имеет ограниченное применение из-за малой доступности исходных веществ.
Аммонолиз галогенидов обычно применим лишь в алифатическом ряду из-за общей низкой реакционной способности арилгалогенидов в реакциях нуклеофильного замещения (см., однако, гл. 26). Недостаток метода аммонолиза заключается в образовании смесей аминов разных классов. Этот метод важен как один из наиболее общих методов введения аминогруппы (NH2) в молекулы всех типов; его можно использовать, например, для превращения бромкислот в аминокислоты. Совершенно аналогичная реакция галогенпроизводных с аминами дает возможность получить каждый класс аминов (а также соли четвертичного аммония R4N+X~).
Восстановительное аминирование — каталитическое восстановление альдегидов (RCHO) и кетонов (R2CO) в присутствии аммиака или аминов — позволяет достичь тех же целей, что и в реакции с галогенпроизводными. Эту реакцию также можно применять для получения любого из классов аминов, и она обладает известными преимуществами перед реакцией с галогенпроизводными. Образование смесей аминов в ходе реакции восстановительного аминирования легче контролировать, чем при аммонолизе галогенпроизводных. Восстановительное аминирование кетонов дает амины, содержащие вшор-алкильные радикалы. Эти амины трудно получить при аммонолизе из-за склонности втор-алкилгалогенидов подвергаться реакции элиминирования, а не замещения.
Специфической особенностью синтеза аминов восстановлением нитрилов является увеличение длины углеродной цепи, поскольку образующийся первичный амин имеет на один атом углерода больше, чем ал кил гало ген ид, из которого получался нитрил. Расщепление амидов по Гофману характеризуется тем, что в результате этой реакции длина углеродной цепи уменьшается на один атом. Эта реакция представляет интерес как пример важного класса реакций, включающих стадию перегруппировки.
КМпО4 .О SOC12КМпО4 .О SOC12>О кн3>О кн3■ОН■ОН'^ OBr?меньшее числоК^го атомов углерода■NH23 г'^ OBr?меньшее числоК^го атомов углерода■NH23 гRCH2OH —RCH2OH —РВг3> RCH2Br —РВг3> RCH2Br —NaCNh2/Niувеличение числа> RCH2C=N *- RCH2CH2NH2 атомов углеродаNaCNh2/Niувеличение числа> RCH2C=N *- RCH2CH2NH2 атомов углеродаNH3>- RCH2NH2 то же число атомов углеродаNH3>- RCH2NH2 то же число атомов углероданСи )► RC=OнагреваниенСи )► RC=OнагреваниеNH3, Н2. Ni>- RCH2NH2 то же число атомов углеродаNH3, Н2. Ni>- RCH2NH2 то же число атомов углерода
КМпО4 .О SOC12
КМпО4 .О SOC12
>О кн3
>О кн3
■ОН
■ОН
'^ OBr?меньшее число
К^го атомов углерода
■NH23 г
'^ OBr?меньшее число
К^го атомов углерода
■NH23 г
RCH2OH —
RCH2OH —
РВг3
> RCH2Br —
РВг3
> RCH2Br —
NaCNh2/Niувеличение числа
> RCH2C=N *- RCH2CH2NH2 атомов углерода
NaCNh2/Niувеличение числа
> RCH2C=N *- RCH2CH2NH2 атомов углерода
NH3
>- RCH2NH2 то же число атомов углерода
NH3
>- RCH2NH2 то же число атомов углерода
н
Си )► RC=Oнагревание
н
Си )► RC=Oнагревание
NH3, Н2. Ni
>- RCH2NH2 то же число атомов углерода
NH3, Н2. Ni
>- RCH2NH2 то же число атомов углерода
Задача 22.4. Покажите, как можно синтезировать н-пентнламин из доступных веществ с помощью четырех приведенных выше методов?
Синтез аминов по Габриэлю, который предназначен для получения первичных аминов, не содержащих вторичных и третичных аминов, будет обсужден в разд. 29.8.
Восстановление нитросоединений
Нитросоединения, как и многие другие органические соединения, можно восстановить двумя путями: а) каталитическим гидрированием с использованием молекулярного водорода и б) химическим восстановлением, обычно металлом и кислотой. Если необходимо восстановить лишь одну из нескольких имеющихся в соединении нитрогрупп, то часто применяют бисульфид аммония (NH4SH).
Гидрирование нитросоединения до амина протекает гладко при встряхивании спиртового раствора нитросоединения в атмосфере водорода с тонко измельченным никелем или платиной, например:
СН(СН3)2СН(СН3)2СН(СН3)2СН(СН3)2NHCOCH3NHCOCH3
СН(СН3)2
СН(СН3)2
СН(СН3)2
СН(СН3)2
NHCOCH3
NHCOCH3
о-ишпроацешанилид о-аминоацетанилиЗ
Этот метод нельзя применять, если в молекуле содержатся также другие легко восстанавливающиеся группы, например двойная углерод-углеродная связь.
В лаборатории химическое восстановление чаще всего проводят прибавлением соляной кислоты к смеси нитросоединения и металла, обычно гранулированного олова. Образующийся амин в кислом растворе существует в виде соли; свободный амин выделяют добавлением основания и перегонкой реакционной смеси с паром.
и-питрвтолуоли-питрвтолуол+ SnOj2'+ SnOj2'п-толуидинп-толуидин
и-питрвтолуол
и-питрвтолуол
+ SnOj2'
+ SnOj2'
п-толуидин
п-толуидин
Неочищенный амин обычно загрязнен некоторым количеством невосстановленного нитросоединения, от которого амин можно отделить благодаря его основным свойствам: амин растворим в водном растворе минеральной кислоты, а нитросоединение — нерастворимо.
Использование строго эквивалентного количества бисульфида аммония часто позволяет восстановить лишь одну нитрогруппу в соединении, содержащем несколько таких групп. При этом на основании структуры соединения не всегда можно предсказать, какая из групп будет восстанавливать-
ся. Некоторые примеры использования этого метода приведены ниже:
м-Зинишробензолм-Зинишробензол«и. нитроанилин«и. нитроанилинNO2nh2ЗД-Зинитротолцол2-амино-4-нитротолуолNO2nh2ЗД-Зинитротолцол2-амино-4-нитротолуолNHCH3NHCH3NHCH3 ^no2 no2 ^Ддивигпра-^- метилавилинNHCH3 ^no2 no2 ^Ддивигпра-^- метилавилинNH«SHNH«SHмо2мо2г-амино-З-нитро-Ц- метиланилинг-амино-З-нитро-Ц- метиланилин
м-Зинишробензол
м-Зинишробензол
«и. нитроанилин
«и. нитроанилин
NO2nh2
ЗД-Зинитротолцол2-амино-4-нитротолуол
NO2nh2
ЗД-Зинитротолцол2-амино-4-нитротолуол
NHCH3
NHCH3
NHCH3 ^no2 no2 ^Ддивигпра-^- метилавилин
NHCH3 ^no2 no2 ^Ддивигпра-^- метилавилин
NH«SH
NH«SH
мо2
мо2
г-амино-З-нитро-Ц- метиланилин
г-амино-З-нитро-Ц- метиланилин
Восстановление нитросоединений в амины — очень существенная стадия в процессе, который, вероятно, может считаться наиболее важным процессом в химии ароматических соединений. Нитросоединения легко получаются при прямом нитровании; если образуется смесь орто- и пара-изомеров, то разделить ее на чистые изомеры не представляет труда. Первичные ароматические амины, получаемые при восстановлении этих нитросоединений, можно легко превратить в соли диазония; диазогруппу в свою очередь можно заместить на множество других групп (разд. 24.4). В большинстве случаев такая последовательность реакций представляет собой наилучший метод введения различных групп в .ароматическое кольцо. Кроме того, соли диазония можно использовать для получения чрезвычайно важного класса соединений — азокрасителей.
— АгХ
АгНАгНArNO2ArNO2ArNH2ArNH2ArN?-ArN?-— ArOH— ArCN— ArOH— ArCN
АгН
АгН
ArNO2
ArNO2
ArNH2
ArNH2
ArN?-
ArN?-
— ArOH
— ArCN
— ArOH
— ArCN
—*■ Азокрасители
Аммонолиз галогенпроизводных
Многие органические галогенпроизводные превращаются в амины при обработке водным или спиртовым раствором аммиака. Обычно смесь реагентов выдерживают при комнатной температуре либо нагревают под давлением. Замещение атома галогена на МН3-группу дает соль амина, из которой свободный амин выделяют обработкой щелочью.
RX + МН3* RNHjX"
RNH3 X" + ОН"> RNH2 + Н2О + X"
Аммонолиз галогенпроизводных относится к реакциям нуклеофильного замещения. Нуклеофильная молекула аммиака атакует галогенпроиз- водное точно так же, как гидроксил-, алкоголят-, цианид- или ацетилид- ионы или вода.
, h3N—R + X", h3N—R + X"Г 6+«-]
, h3N—R + X"
, h3N—R + X"
H2N: + R—X ► [H2N-R- X ]
Подобно другим реакциям нуклеофильного замещения, аммонолиз применим главным образом к алкилгалогенидам или замещенным алкилгалоге- нидам. Как и в других реакциях такого типа, элиминирование и замещение конкурируют между собой (разд. 14.20): аммиак может атаковать как атом водорода, давая алкен, так и атом углерода, давая амин. Поэтому при аммонолизе выходы наиболее высокие в случае первичных галогенпроизводных (преобладает замещение), но аммонолиз практически бесполезен в случае третичных галогенпроизводных (преобладает элиминирование).
NH3+
СН3СН2СН2СН2Вг > CH3CH2CH2CH2NH3Br~ Замещение
СН3СН3
I NH3 |
СН3—С—Вг >- СН3—C=CH2 + NH4Br Элиминирование
сн3
Вследствие низкой реакционной способности арилгалогениды можно превратить в амины лишь в том случае, если а) в кольце содержатся нитрогруппы или другие сильные электроноакцепторные группы в орто- или «сра-положениях к галогену или б) реакцию проводят при высокой температуре или с применением сильноосновного реагента (гл. 26).
Ниже приведены некоторые примеры использования реакции аммонолиза в синтезах:
ОСНз“—' <<3>>сн2а -^ <QXh2nh2толуолбензилхлориббензиламин
Br2NH3
СН3СН2СООН > СН3СН2СООН >- CHgCHCOOH
BrNik
пропионовая а-бромпропионовая аланин («-амино-кислотакислотапропионовая
кислота) ci22NH3
СН2=СН2 > С1СН2СН2С1 > H2NCH2CH3NH2
этилендихлорэтанэтилендиамии
Серьезным недостатком синтеза аминов по реакции аммонолиза является возможность образования более чем одного класса аминосоединений. Соль первичного амина, получающаяся в результате первоначальной реакции замещения, вступает в реакцию с избытком реагента — аммиака, давая
RX + NH3> RNH3X“
соль первичного амина
соль аммония равновесием:
и свободный первичный амин в соответствии со следующим
RNHj + NH3 ^^ RNH2 + NHj первичный
амин
Свободный первичный амин, как и исходный аммиак, является нуклеофильным реагентом, и он также может атаковать галогенпроизводное, образуя соль вторичного амина
. NH3
rnh2 + RX> R2NHjX“r2nh
первичныйвторичный
аминамин
может аминаможет аминаВторичный амин, который находится в равновесии со своей солью, в свою очередь атаковать алкилгалогенид, образуя соль третичного
может амина
может амина
+ NH3
R2NH + RX> R3NHX' ч=^ R3Xвторичныйтретичный
аминамин
Наконец, третичный амин может атаковывать алкилгалогениды, давая соединения общей формулы R4N+X~, называемые солями четвертичного аммония (обсуждены в разд. 23.5):
R3N + RX> R4N+X~третичныйсоль четвертич-
аминного аммония
Большой избыток аммиака уменьшает степень протекания последних реакций и увеличивает выход первичного амина, поскольку в этих условиях для молекулы алкилгалогенида более вероятна встреча и реакция с одной из многочисленных молекул аммиака, чем с одной из относительно небольшого числа молекул аминов. Но и в самом лучшем случае выход первичных аминов всегда занижен вследствие образования высших аминов. Первичные амины, за исключением особого случая метиламина, можно отделить от этих побочных продуктов перегонкой.
Восстановительное аминирование
Многие альдегиды (RCHO) и кетоны (R2CO) превращаются в амины при обработке водородом и аммиаком в присутствии катализатора: этот процесс известен под названием восстановительное аминирование. Хотя механизм этой реакции неясен, она, вероятно, включает стадию гидрирования промежуточного соединения (имина, RCH=NH или R2C=NH), содержащего двойную связь углерод — азот
н
R—С=О + NHg>
" н
1 LR—C=NH
Н2, Ni >
н
R—I—NH2
Н
альдегид
ИМИН
первичный
амин
R'
1
R—С=О + NH3>
" R'
_R—C=NH
R'
Н2, Ni|
> р—С—nh2
н
кетон
ИМИН
первичный амин
Восстановительное аминирование успешно применялось для самых различных альдегидов и кетонов как алифатических, так и ароматических
nh3, н2, №
СН3(СН2)5СНО* CH3(CH2)5CH2NH2гептиловойн-гептиламин
альдегид(1-аминогептан)
(гептаналь)
^^СНО -^^^<^>ch2nh2
бензальдегидбензальдегидбензиламинбензиламин
бензальдегид
бензальдегид
бензиламин
бензиламин
СН3(СН2)2ССН3 ---^ ^ сНз(СН2)2СНСНзоnh2
пентанон-22 аминопентан
(метипн-пропилкетон)
° nh2(мети^нилиетон) «Фенилэтиламин
Восстановительное аминирование кетонов дает амины, содержащие втор-алкильные группы; подобные амины трудно получить по реакции аммонолиза из-за склонности втор-алкилгалогенидов претерпевать реакцию элиминирования. Циклогексанон превращается в циклогексиламин с хорошим выходом, а аммонолиз циклогексилбромида дает лишь циклогексен.
циклогексил- бромидциклогексил- бромидЦиклогексенЦиклогексен
циклогексил- бромид
циклогексил- бромид
Циклогексен
Циклогексен
В ходе восстановительного аминирования альдегид или кетон может реагировать не только с аммиаком, но и с образующимся первичным амином, в ? результате чего получается некоторое количество вторичного амина. Однако тенденцию к образованию подобных продуктов дальнейшего превращения можно довольно легко контролировать, подбирая соотношения реагентов, поэтому это осложнение лишь в редких случаях служит серьезным препятствием к использованию реакции.
НГН]Н
IIн2 I
R—с=о + h2n—ch2r—> [r—c=n—ch2rj -^->- RCH2—N—ch2r альдегид первичныйиминвторичный
аминамин
Задача 22.5. Используя различные методы для синтеза каждого из перечисленных ниже аминов, укажите, как их можно получить из толуола и любых алифатических реагентов:
ch3<§>nh:
Методы синтеза вторичных и третичных аминов
До сих пор мы рассматривали в основном синтез первичных аминов. Вторичные и третичные амины получают с помощью одного из уже описанных процессов: аммонолизом галогенпроизводных или восстановительным аминированием, например:
Н
CH3CH2CH2CH2NH2 + СН3СН2Вг> СН3СН2СН2СН2—N—СН2СН3 н-бутиламин (первич- бромистыйэтил-н-бутиламин
ный амин)этил(вторичный амин)
Н2. Niсн3сн2ссн3 + ch3nh2>- СН3СН2СНСН3
НI
ОМНСН3
бутановметиламинметил-в/пор-бутил-
(метилэтил- (первичныйамин
кетон) амин)
©™г ЯД ^«„сн, ЯД <g>(CHlb
анилин'первичныйамин)анилин'первичныйамин)'К-метпиланилин(вторичный амин)'К-метпиланилин(вторичный амин)М.МНиметиланилия «третичный амин)М.МНиметиланилия «третичный амин)
анилин
'первичныйамин)
анилин
'первичныйамин)
'К-метпиланилин(вторичный амин)
'К-метпиланилин(вторичный амин)
М.МНиметиланилия «третичный амин)
М.МНиметиланилия «третичный амин)
нсн3
СН3СН2СН2СН2—N—СН2СН3 + СН3Вг♦ сн3сн2сн2сн2—n—сн2сн3
этил-н-бутиламин бромистыйметилэтнл-н-бутиламин
(вторичный амин) метал(третичный амин)
Если для синтеза первичных аминов используют в качестве исходного вещества аммиак, то для получения вторичных аминов нужно применять первичные амины, а для синтеза третичных аминов — вторичные. Для каждого из описанных методов характерна тенденция к образованию в качестве вторичных продуктов аминов более высокого класса, чем те, которые стремятся синтезировать.
Расщепление амидов по Гофману
Расщепление амидов по Гофману важно не только как метод синтеза аминов, но и представляет значительный теоретический интерес. Каков бы ни был механизм этой реакции, очевидно, что она протекает с перегруппировкой, поскольку группа, связанная с атомом углерода карбонильной группы в амиде, оказывается связанной с атомом азота в конечном соединении. Эта реакция — одна из большого числа аналогичных перегруппировок, в которых группа мигрирует от атома углерода к соседнему атому азота.
амидамидовг~
амид
амид
> R—nh2+coi~
первичный
амин
Подобно перегруппировкам карбониевых ионов, с которыми мы уже встречались в разд. 5.21, перегруппировка амидов по Гофману протекает как 1,2-сдвиг. При перегруппировке карбониевых ионов происходит миграция группы вместе с парой электронов к электронодефицитному атому
углерода; в рассматриваемой реакции группа вместе с электронами мигрирует к электронодефицитному атому азота.
Предполагается, что реакция протекает через следующие стадии:
(О(2)(3)(4)(О(2)(3)(4)nh2nh2R-Z\-ВгR-Z\-ВгннR-C + ОНN-ВгR-C + ОНN-ВгНОКС^ + Н2ОN-BrНОКС^ + Н2ОN-Br
(О
(2)
(3)
(4)
(О
(2)
(3)
(4)
nh2
nh2
R-Z
\-Вг
R-Z
\-Вг
н
н
R-C + ОН
N-Вг
R-C + ОН
N-Вг
Н
О
КС^ + Н2О
N-Br
Н
О
КС^ + Н2О
N-Br
R-N=C=O + 2OH- ^ R-NH2 + CO3z-
Стадия (1) представляет собой реакцию галогенирования амидов. Это известная реакция и N-галогенамиды можно выделить, если проводить реакцию в отсутствие основания. Более того, если получаемый при этом N-галогенамид обработать основанием, то он превращается в амин.
Стадия (2) представляет собой отрыв иона водорода гидроксил-ионом. Подобная реакция с гидроксил-ионом кажется вполне естественной, особенно если учесть наличие электроноакцепторного атома брома, увеличивающего кислотность амида. Действительно, в некоторых из этих реакций были выделены неустойчивые соли.
Стадия (3) представляет собой удаление галоген-иона, что приводит к возникновению электронодефицитного атома азота. На стадии (4) собственно и происходит перегруппировка. Обычно принимают, что стадии (3) и (4) протекают одновременно, причем присоединение R к азоту облегчает удаление галоген-иона.
Стадия (5) представляет собой гидролиз изоцианата (R—N=C=O), в результате которого образуется амин и карбонат-ион. Эта реакция изоцианатов рассмотрена в разд. 29.14. Если проводить расщепление по Гофману в отсутствие воды, то можно выделить изоцианат.
Представленный механизм в очень сильной степени подкрепляется тем, что многие из предполагаемых промежуточных соединений были выделены в действительности и было показано, что они образуют продукты расщепления по Гофману. Такой механизм подтверждается также и тем, что аналогичные механизмы удовлетворительно объясняют наблюдения, сделанные для большого числа родственных перегруппировок. Существенно также, что стадия собственно перегруппировки в расщеплении по Гофману вполне укладывается в более общую схему 1,2-сдвигов к электронодефицитным атомам.
Стереохимия 1,2-сдвигов. Мигрирующая группа
Помимо данных, указывающих на то, какого рода стадии реализуются при расщеплении по Гофману, получены также данные, позволяющие по-
знакомиться в деталях с тем, как протекает стадия перегруппировки. Если оптически активный а-фенилпропиоамид подвергается расщеплению по Гофману, то образуется а-фенилэтиламин той же конфигурации и практически той же оптической чистоты.
(+Уа-фенилпропиоамид(+Уа-фенилпропиоамид(.-Ух-фенилзтиламен(.-Ух-фенилзтиламен
(+Уа-фенилпропиоамид
(+Уа-фенилпропиоамид
(.-Ух-фенилзтиламен
(.-Ух-фенилзтиламен
сохранение конфигурации
Перегруппировка протекает с полным сохранением конфигурации у асимметрического атома углерода.
Эти результаты свидетельствуют о двух фактах. Во-первых, атом азота занимает то же относительное положение у асимметрического атома углерода, которое ранее занимал атом углерода карбонильной группы. Во-вторых, асимметрический атом углерода отрывается от атома углерода карбонильной группы не раньше, чем он начинает образовывать связь с атомом азота; если бы группа становилась действительно свободной в ходе миграции, то следовало бы ожидать значительной рацемизации. (Почему?) Переход мигрирующей группы от атома углерода к азоту можно представить следующим образом:
Многочисленные данные подтверждают, что для стереохимии всех 1,2- сдвигов характерна одна общая особенность: полное сохранение конфигурации мигрирующей группы.
Задача 22.6. За много лет до того, как было изучено расщепление по Гофману оптически активного а-фенилпропиоамида, наблюдали следующее: если обрабатывать гипобромитом производное циклопентана I, в котором группы СООН и CONH2 находятся в цис-ориентации, то образуется соединение II; прн нагрев'ании соединение II превращается в амид III (называемый лактамом'). Что говорят эти данные о механизме перегруппировки? ^Используйте модели.)
П1П1
П1
П1
Миграция арильных групп
Если мигрирующей группой является арил, то скорость расщепления по Гофману увеличивается при наличии электронодонорных заместителей в ароматическом кольце; так, для замещенных бензамидов установлен еле-
дующий порядок реакционной способности для реакции:
conh2conh2GGОВг-ОВг-NH2NH2
conh2
conh2
G
G
ОВг-
ОВг-
NH2
NH2
G: -ОСН3 > -СН3 > -Н > -С1 > -МО2
Предполагается, что электронодонорные заместители ускоряют реакцию в результате ускорения стадии перегруппировки; для перегруппировок такого рода миграционная способность группы обычно увеличивается при введении электронодонорных заместителей.
С другой точки зрения миграция арильной группы представляет собой особый пример электрофильного замещения в ароматическом ряду, причем атакующим реагентом в этом случае служит электронодефицитный атом азота. Вполне возможно, что при этом возникают промежуточные соединения типа IV, аналогичные по характеру интермедиатам, предложенным для других реакций электрофильного замещения в ароматическом ряду (разд. 11.15). Электронодонорные группы будут способствовать рассредоточению возникающего в ароматическом кольце положительного заряда и тем самым ускорять образование промежуточного соединения IV.
С этой точки зрения заместители будут влиять на скорость расщепления по Гофману (и скорости многих других сходных реакций) точно так же, как они влияют на скорости реакций ароматического нитрования, галогенирования или сульфирования. (Однако, как будет показано в разд. 28.9, иногда конформационные эффекты могут полностью преобладать над этими электронными эффектами.)
ЗАДАЧИ
Напишите структурные формулы, назовите и классифицируйте (как первичные, вторичные или третичные) следующие соединения:восемь изомерных аминов общей формулы С4НиМ,пять изомерных аминов общей формулы С7Н9Н, содержащих бензольное кольцо.Напишите структурные формулы следующих соединений:Напишите структурные формулы, назовите и классифицируйте (как первичные, вторичные или третичные) следующие соединения:восемь изомерных аминов общей формулы С4НиМ,пять изомерных аминов общей формулы С7Н9Н, содержащих бензольное кольцо.Напишите структурные формулы следующих соединений:3.3.Какие из этих методов могут быть применены для синтеза анилина и бензиламина? Укажите все стадии возможных лабораторных синтезов следующих соединений изКакие из этих методов могут быть применены для синтеза анилина и бензиламина? Укажите все стадии возможных лабораторных синтезов следующих соединений из4,4,
Напишите структурные формулы, назовите и классифицируйте (как первичные, вторичные или третичные) следующие соединения:
восемь изомерных аминов общей формулы С4НиМ,
пять изомерных аминов общей формулы С7Н9Н, содержащих бензольное кольцо.
Напишите структурные формулы следующих соединений:
Напишите структурные формулы, назовите и классифицируйте (как первичные, вторичные или третичные) следующие соединения:
восемь изомерных аминов общей формулы С4НиМ,
пять изомерных аминов общей формулы С7Н9Н, содержащих бензольное кольцо.
Напишите структурные формулы следующих соединений:
3.
3.
Какие из этих методов могут быть применены для синтеза анилина и бензиламина? Укажите все стадии возможных лабораторных синтезов следующих соединений из
Какие из этих методов могут быть применены для синтеза анилина и бензиламина? Укажите все стадии возможных лабораторных синтезов следующих соединений из
4,
4,
а) втор-бутиламина, б) о-толуидина, в) хлористого анилиния, г) диэтиламина, д) n-аминобензойной кислоты, е) бензиламина, ж) бензоата изопропиламмония, з) о-фенилендиамина,
Покажите, как можно синтезировать а) н-пропилбромида, б) н-пропилового спирта, в) пропионового альдегида, г) 1-нитропропана,
и) N.N-диметиланилина, к) этаноламина (2-аминоэтанола), л) Р-фенилэтиламина, м) М,М-диметиламиноциклогексана, н) дифениламина, о) 2,4-диметиланилина, п) иодида тетра-н-бутиламмония, р) п-анизидина.
:-пропиламин из следующих соединений: д) пропионитрила, е) н-бутирамида, ж) н-бутилового спирта, з) этилового спирта.
а) изопропиламина, б) н-пентиламина, в) м-толуидина, г) л-нитроанилина, д) а-фенилэтиламина, е) Р-фенилэтиламииа, ж) л-хлоранилина, з) n-аминобензойной кислоты,а) изопропиламина, б) н-пентиламина, в) м-толуидина, г) л-нитроанилина, д) а-фенилэтиламина, е) Р-фенилэтиламииа, ж) л-хлоранилина, з) n-аминобензойной кислоты,бензола, толуола и спиртов, содержащих не более четырех атомов углерода; используйте любые необходимые неорганические реагенты:
а) изопропиламина, б) н-пентиламина, в) м-толуидина, г) л-нитроанилина, д) а-фенилэтиламина, е) Р-фенилэтиламииа, ж) л-хлоранилина, з) n-аминобензойной кислоты,
а) изопропиламина, б) н-пентиламина, в) м-толуидина, г) л-нитроанилина, д) а-фенилэтиламина, е) Р-фенилэтиламииа, ж) л-хлоранилина, з) n-аминобензойной кислоты,
н) 3-аминогептана, к) М-этиланилина, л) 2,4-динитроанилина, м) бензедрина (2-амино-1-фенилпропа- на, лекарственный препарат), я) я-нитробензиламина, ' о) 2-амиио-1-фенилэтанола.
a) H-CjgHggNHg,б) M-C17H38NH2,a) H-CjgHggNHg,б) M-C17H38NH2,Укажите все стадии возможных лабораторных синтезов следующих веществ из пальмитиновой кислоты h-Cj6H31COOH:‘
a) H-CjgHggNHg,
б) M-C17H38NH2,
a) H-CjgHggNHg,
б) M-C17H38NH2,
в) H-C^8H32NH2, Г) h-C15H31CH(NH2)-h-C16H33.
Основываясь на следующих схемах синтеза, определите структуры путресцина и кадаверина, встречающихся в гниющем мясе:" '
KCNNa, С2Н5ОН
а) дибромэтан > C4H4N2>- путресцин (C4H12N2),
NH3
б) Вг(СН2)вВг >- кадаверин (С6Н14М2).
Используя модели и пространственные формулы, покажите, в каких стереоизомерных формах могут существовать следующие соединения. Укажите, какие из стереоизомеров будут оптически активными, а какие — оптически неактивными.
а-фенилэтиламин,
М-мегил-М-этиланилин,
бромид мегилэтил-я-пропилфениламмония,
СНЗХ + уСН2—СН2Х + /СН3 г) Вг- >N<>N< Br~,
С2Н/ ХСН2—СН/ ХС2Н8
Нх ,СН2—СН2х + УСН2—СН2.уН
>N<>С< Вг“,
С6Н6/ хсн2—сн/ ХСН2—СН/ ХСООС2Н6
окись метилэтилфениламина (СН3) (С2НВ) (С6Н8)ЫО.
Известны два геометрических изомера бензальдоксима C6HBCH=NOH.
Напишите их структурные формулы с учетом геометрии молекулы.
Укажите, как связаны эти геометрические особенности с их электронным строением?
Можно ли предполагать наличие геометрической изомерии для оксима бензофенона (CeH8)2C=NOH? Для оксима ацетофенона C6HBC(CH3)=NOH? Для азобензола C6HBN=NCeHB?
fl. Объясните, почему окись метилфенилбензилфосфина (С6Н8СН2) (СН3) (С6НВ)РО удалось разделить на энантиомерные формы, а метилфенилбензилфосфин (С,Н8СН2) (СН3) (С6НВ)Р не удалось.*
Амины. II. Реакции
Реакции
Все три класса аминов, подобно аммиаку, содержат атом азота, несущий не- поделенную пару электронов. Многие химические свойства аминов напоминают химические свойства аммиака, что обусловлено стремлением азота обобществить эту пару электронов. Эта тенденция определяет основность аминов, их способность выступать в качестве нуклеофильных реагентов, а также объясняет необычайно высокую реакционную способность ароматических колец, содержащих аминогруппы или замещенные аминогруппы.
РЕАКЦИИ АМИНОВ
Основность. Образование солей (разд. 22.5 и 23.2—23.4)
RNH, + Н-
^^ RNH3
RSNH + №
R3N + Н+
R2NH2
R3NH
Примеры:
анилинхлористый атглиний(хлоргидрато анилина)анилинхлористый атглиний(хлоргидрато анилина)(CH3)2NH + HNO3 ч=Ь (CH3)2NH2NO7 диметиламиннитрат диметиламмония(CH3)2NH + HNO3 ч=Ь (CH3)2NH2NO7 диметиламиннитрат диметиламмония
анилинхлористый атглиний
(хлоргидрато анилина)
анилинхлористый атглиний
(хлоргидрато анилина)
(CH3)2NH + HNO3 ч=Ь (CH3)2NH2NO7 диметиламиннитрат диметиламмония
(CH3)2NH + HNO3 ч=Ь (CH3)2NH2NO7 диметиламиннитрат диметиламмония
<@>N(CH3)2<@>N(CH3)2N, N- вимстиланилинN, N- вимстиланилин
<@>N(CH3)2
<@>N(CH3)2
N, N- вимстиланилин
N, N- вимстиланилин
+ CHjCOOH <=* \O)n(CH3)2+ -ооссн3
ацетат М,М-6иметиланилиниЯ
Алкилирование (разд. 23.5)
RXRXRX
RNH2 >- R2NH > RgN > R4N+X~
ArNH2 -^- ArNHR -^- ArNR2 -^> ArNRgX"
45-256
706
Примеры:
(н-
ди нб^тиламин
(вторичный амин)
бемзилхлорид и
ди-(к6утил)бензила.мин
СН31I
k-C3H,NH2 > я-СзН7КСН3
СН3
сн3
СНз!| СН31I .
> h-C3H7NCH3 > я-С3Н7МСН3Г
н- пропил амин(первичныйамин)
метил-я-пропил-амин (вторичныйамин)
диметил-н-пропил-амнн (третичныйамин)
3. Превращение в амиды (разд. 23.6)
СН3
иодид триметил-я-пропиламмония
(соль четвертичногоаммония)
Третичные: R3N —
Пример ы:
О
R'COCl
н
R
Первичные: RNH2 —
ArSO2Cl
N-замещенный сульфамид
R'COCl
R
Вторичные: R2NH —
ArSO2Cl
N.N-дизамещенный сульфамид
О
R'COCl
-R
ArSO2Cl
анилин(первичныйамин)
N-замещенный
амид
N.N-дизамещенный амид
реакция не происходит
реакция не происходит
(сн,со)2о
ацетанилив (М-фенияацетамив)
бензолсулфаиилив CN фенилбензопсчмфо.мив)
сйн^ога
8Ddn. NaOH
QH^coq пиридин '
H
C2H5NCH3
метилзтиламин(вторичный имин)
n-CM3C<lH4SOzCI eod^NaOH '
метил-^- этилбензамид
К метид-1^-этил-п-толуолсрльфам^
Замещение в кольцо ароматических аминов (разд. 23.7—23.10)
-NH2
—NHR
сильно активируют и направляют в орто, пара- положения в реакциях электрофильного
—nr2
замещения в ароматическом ряду
—NHCORменее сильный активатор, чем—NH2
Примеры:
NH2
В1г(воЗн) Brr^^iBr
анилинанилинВг2.,4,6-триброманилин
анилин
анилин
NHCOCH3NHCOCH3
(С^СО)^^Вг, [jOJ
ВгИ-бременилинВгИ-бременилинВг ацетанилид пгбрамацетанилид
Вг
И-бременилин
Вг
И-бременилин
N(CH3)2
NaNO,. НС1)
n(ch3)2
NO
"М^-виметиланилин n-numpo3o-N,N- диметилатлин
<ch3)2n@ + ©n2+ci- ,^^- (CH3)2N^>-N=N^ + HC1
"М^-диметил- ллоридазосоединение
am пинфенилбиазония(гл. 24)
(разд. 23.12)(разд. 23.12)Реакция с азотистой кислотой
(разд. 23.12)
(разд. 23.12)
HONO
Первичные ароматические амины: ArNH2 >• Аг—N=N+
соли диазония(обсуждены в гл. 24
Первичные алифатические амины:Первичные алифатические амины:HONOН2ОRNH2 >- [R—N=N+) 5HONOН2ОRNH2 >- [R—N=N+) 5
Первичные алифатические амины:
Первичные алифатические амины:
HONOН2О
RNH2 >- [R—N=N+) 5
HONOН2О
RNH2 >- [R—N=N+) 5
> N2 + Смесь спиртов и алкенов
Вторичные ароматические или алифатические амины:R
ArNHR „Аг—N—N=O
HONO или >• или N-нитрозамин
R2NHR2N—N=O
Третичные ароматические амины:
<^)nr2 — N^ o^n/Q)nr2<^)nr2 — N^ o^n/Q)nr2п-нитрозосоединениеп-нитрозосоединение
<^)nr2 — N^ o^n/Q)nr2
<^)nr2 — N^ o^n/Q)nr2
п-нитрозосоединение
п-нитрозосоединение
Третичные алифатические амины:
HONO
R3N '—***" R2N—N=O + Альдегиды, кетоны
Реакции элиминирования для четвертичных соединений (разд. 23.5) а) Элиминирование по Гофману
Н
!* ОН-, нагревание к,
—С—С* \С=С/ + R3N + Н2О
+NR3 ион четвертичногоалкен третичный
аммонияамин
Элиминирование по Коупу
[
Н2О2 1|| нагревание ч/
Третичный амин М—СС— *• \с=С/ + R2NOH
H О—N—Rалкен N.N-диалкил-
|+гидроксил-
Rамин
окись амина
Основность аминов. Константа основности
Превращение аммиака в соли аммония при действии водных растворов минеральных кислот свидетельствует о том, что аммиак — более сильное основание, чем вода.
NH3 + Н3О+-№£ + Н2О
болееболее
сильноеслабое
основаниеоснование
Аммиак вытесняется из солей аммония при действии водных растворов щелочей; это свидетельствует о том, что аммиак — более слабое основание, чем гидроксил-ион
NH, + ОН'* NH3 4- Н2Оболее болеесильное слабоеоснование основание
Амины, подобно аммиаку, превращаются в соли при действии минеральных кислот и вытесняются из солей при действии гидроксил-иона; иными словами, амины также являются более сильными основаниями, чем вода, и более слабыми основаниями, чем гидроксил-ион
RNH2 + Н3О+ RNH3 + Н2О
болееболее
сильноеслабое
основаниеоснование
RNH3 - ОН'> RNH2 + Н2О
болееболее
сильноеслабое
основание основание
Выше уже говорилось о том, что кислотности карбоновых кислот удобно сравнивать путем определения степени переноса протона с кислоты на воду; константа равновесия этой реакции называется константой кислотности Ка. По аналогии основности аминов удобно сравнивать, определяя степень переноса протона с воды на основание; константа равновесия этой реакции называется константой основности Кь-
rnh2 + Н2О ^^ RNH3 + ОН'
IRNH?) [ОН"]
(RNHJ
(Как и в аналогичном уравнении для константы кислотности, в уравнении отсутствует член, отвечающий концентрации растворителя, воды.) Каждый амин имеет характеристическое значение величины Кь- чем Кь больше, тем сильнее основание.
Не следует упускать из виду, что основанием в водном растворе амина (или аммиака) является в основном сам амин, а не гидроксил-ион. Измерение [ОН'] — это лишь удобный путь для сравнения основностей.
Как видно из данных табл. 22.1 (стр. 686), значения Кь ДЛЯ всех трех классов алифатических аминов лежат в пределах 10-3—10“4; таким образом, эти амины несколько более сильные основания, чем аммиак (К» = 1,8-10'5). С другой стороны, ароматические амины — значительно более слабые основания, чем аммиак, и имеют Аб порядка 10-9 или менее. Наличие заместителей в кольце оказывает заметное влияние на основность ароматических аминов; так, например, и-нитроанилин примерно в 4000 раз менее основен, чем анилин (табл. 23.1).
Таблица 23.1
Константы основности замещенных анилинов (Кь анилина = 4,2-Ю-10)
Заместитель
ЮЮКд
Заместитель
1оюкй
Заместитель
ioiok6
n-NH2
ПО
a-NH2
7,6
o-NH2
3,2
п-ОСН3
15
Л-ОСНЗ
2
о-ОСН3
3
л-СН8
12,5
л-СН3
4,9
о-СН3
2,5
п-С1
1,5
Л-С1
0,3
о-С1
0,05
n-NO2
0,001
•и-КО2
0,032
o-NO2
0,00035
Структура и основность
Покажем теперь, каким образом основность аминов зависит от их структуры. Мы будем рассматривать основность точно так же, как рассматривали кислотность: сравним стабильности аминов со стабильностями их ионов, и чем более устойчивым окажется ион по сравнению с исходным амином, тем более основным будет амин.
Прежде всего, амины — более сильные основания, чем спирты, простые и сложные эфиры и т. д., по той же причине, по которой аммиак является более основным, чем вода: атом азота менее электроотрицателен, чем атом кислорода, и потому более приспособлен для размещения положительного заряда иона.
Алифатический амин — более сильное основание, чем аммиак, поскольку электронодонорные алкильные группы проявляют способность к участию в рассредоточении положительного заряда в замещенном ионе аммония и тем самым обеспечивают стабилизацию иона, невозможную для незамещенного иона аммония. Таким образом, ион аммония стабилизуется за счет подачи электронов точно так же, как карбониевый ион (разд. 5.19). Согл асно другой точке зрения, алкильная группа отталкивает электроны в сторону атомов азота, вследствие чего четвертая пара электронов становится более доступной для обобщения с протоном кислоты. (Различия в основности первичных,
вторичных и третичных аминов объясняются сочетанием сольватационных и электронных факторов.)
НН
R—*"N: + Н+ ч- - R—*N+—Н
НН
R подает электроны-. R подает электроны-,делает неподеленную стабилизует ион,пару более доступной увеличиваетосновность
Как можно объяснить то, что ароматические амины более слабые основания, чем аммиак? Сравним структуры анилина и иона анилиния со структурами аммиака и иона аммония. Как аммиак, так и ион аммония можно удовлетворительно описать одной структурой:
н
н.Й.нН:£Н
аммиакго„ аммония
Анилин и ион анилиния содержат бензольное кольцо и потому представляют собой гибриды структур Кекуле I и II, III и IV соответственно. Подобный резонанс, по-видимому, в равной степени стабилизует как амин, так и ион.
+ н++ н+атлинатлин
+ н+
+ н+
атлин
атлин
Такой резонанс снижает энергию как иона, так и молекулы на одну и ту же величину, и вследствие этого разность между их энергиями не изменяется, т. е. резонанс не влияет на А// ионизации. Поэтому, если бы не было других факторов, то можно было бы ожидать, что основность анилина будет почти такой же, как основность аммиака.
Однако необходимо учитывать еще дополнительные структуры. Для того чтобы объяснить сильное активирующее влияние МН2-группы в реакциях электрофильного замещения в ароматическом ряду (разд. 11.18), мы считали, что промежуточно образующийся карбониевый ион стабилизуется за счет структур, в которых имеется двойная связь между атомом азота и кольцом, таким путем указывали на тенденции азота к обобществлению своей четвертой пары электронов и к размещению положительного заряда. Обычно считают, что NH2-rpynna стремится разделить электроны с кольцом не только в ионе карбония, образующемся в качестве промежуточного соединения в реакциях электрофильного замещения в ароматическом ряду, но также в самой молекуле анилина.
Итак, анилин представляет собой гибрид не только структур I и II, но также структур V, VI и VII. Подобные структуры для иона анилиния невоз
Н +N:HН +N:Hможно представить.
Н +N:H
Н +N:H
Участие структур V, VI и VII в резонансе стабилизует амин так, как невозможно для иона аммония. Следовательно, резонанс снижает энергию молекулы анилина в большей степени, чем энергию иона анилиния. Окончательный результат сводится к тому, что АЯ ионизации возрастает, а Кь становится меньше (рис. 23.1). (См., однако, обсуждение в разд. 18.11.)
Таким образом, низкая основность ароматических аминов объясняется тем, что амин в большей степени стабилизуется резонансом, чем ион.
Рис. 23.1. Структура молекулы и положение равновесия. Резонансно-стабилизованный амин — более слабое основание, чем аммиак.
Существует и другое объяснение, согласно которому анилин — более слабое основание, чем аммиак, потому, что четвертая пара электронов азота в анилине частично обобществлена с кольцом и поэтому менее доступна для образования связи с ионом водорода. Тенденция (вследствие резонанса) группы NH2 к подаче электронов в ароматическое кольцо делает кольцо более реакционноспособным для электрофильной атаки, в то же время неизбежно понижая основность амина. Аналогичные рассуждения применимы к другим ароматическим аминам.
Задача 23.1. Как вы можете объяснить следующие факты? Дифениламин (СвН6МНСвН5) имеет Кь 7-10-14 и, таким образом, является гораздо более слабым основанием, чем анилин; трифениламин [(C6H6)3N] практически не обладает основными свойствами в водном растворе.
Влияние заместителей
на основность ароматических аминов
Как влияют заместители в кольце на основность ароматических аминов? Из данных табл. 23.1 очевидно, что электронодонорные заместители типа СН3 увеличивают основность анилина, а электроноакцепторные заместители типа галогенов или ЬЮ2 ее уменьшают. Эти эффекты вполне понятны. Подача электронов способствует рассредоточению положительного заряда иона анилиния, что стабилизует ион по сравнению с амином. Оттягивание электронов приводит к усилению положительного заряда иона анилиния и его дестабилизации по сравнению с амином.
G = —NH,—осн3 СН3G = —NH,—осн3 СН3Основность ароматических аминов
G = —NH,
—осн3 СН3
G = —NH,
—осн3 СН3
G подает электроны:стабилизует катион,увеличиваетосновность
+
G оттягивает электроны: G = —NH3дестабилизует катион,—МО2
уменьшает основность—SO-T
—соон
—X
Обратим внимание на то, что заместители, увеличивающие основность, активируют также ароматическое ядро в реакциях электрофильного замещения, а заместители, уменьшающие основность, дезактивируют ароматическое ядро в реакциях электрофильного замещения (разд. 11.5). Основность зависит от положения равновесия и, следовательно, от относительной стабильности реагентов и продуктов. Реакционная способность в реакции электрофильного замещения в ароматическом ряду зависит от скорости реакции и, следовательно, от относительной устойчивости реагентов и переходного состояния. Однако влияние данного заместителя одно и то же в обоих случаях, поскольку лимитирующим фактором является способность участвовать в распределении положительного заряда.
Данный заместитель влияет противоположным образом на основность аминов и кислотность карбоновых кислот (ср. разд. 18.14). Этого и следует ожидать, поскольку основность зависит от способности принимать и размещать положительный заряд и кислотность — от способности принимать и размещать отрицательный заряд.
Мы можем еще раз убедиться в наличии opmo-эффекта (разд. 18.14). Даже электронодонорные заместители ослабляют основность, если они находятся в орто-положении к аминогруппе, а электроноакцепторные заместител д’проявляют соответствующий эффект в гораздо большей степени, когда они находятся в орто-, а не в мета- или,пара-положении.
Согласно другой интерпретации, можно считать, что электронодонорные группы подают электроны на атом азота и делают его четвертую пару электронов более доступной для связи с протоном кислоты, в то время как электроноакцепторные группы способствуют оттягиванию электронов от азота, что делает четвертую пару электронов менее доступной для обобществления.
Задача 23.2. а) Каким образом нитрогруппа может влиять на основность ароматических аминов, помимо эффекта дестабилизации иона анилиния? (Указание: см. выше структуры V—VII.) Почему нитрогруппа оказывает большее ослабляющее влияние на основность амина, если она находится в пара-положении к аминогруппе, и меньшее, если она находится в лета-положении (более близком по расстоянию)?
Задача 23.3. Приведите структурную формулу для продукта реакции триметиламина и BF3, если он вообще будет образовываться.
Соли четвертичного аммония. Исчерпывающее метилирование.
Элиминирование по Гофману
Амины, подобно аммиаку, могут реагировать ф алкилгалогенидами, причем образуется амин следующего, более высокого класса. В этой реакции алкилгалогенид подвергается реакции нуклеофильного замещения, а амин.
обладающий основными свойствами, является нуклеофильным реагентом.
RXRXRX
RNH2 > R2NH > R3N > R,N+X"
первичный вторичный третичный соль четвер-аминамин амин тачного
аммония
Мы видим, что один из атомов водорода, связанный с азотом, замещается на1 алкильную группу; поэтому реакцию часто рассматривают как алкилирование аминов. Амин может быть алифатическим или ароматическим, первичным, вторичным или третичным; обычно используют алкилгалогениды.
Мы уже встречались с алкилированием аминов как побочной реакцией- при получении первичных аминов аммонолизом галогенпроизводных. (разд. 22.10) и как методом синтеза вторичных и третичных аминов (разд. 22.12). Рассмотрим еще один аспект этой реакции — образование солей четвертичного аммония.
Соли четвертичного аммония образуются на последней стадии реакции алкилирования по азоту. Они имеют формулу R4N+X~. Четыре органические группы ковалентно связаны с азотом; положительный заряд иона уравновешен наличием какого-либо отрицательного иона. Если соль первичного, вторичного или третичного амина обработать гидроксил-ионом, то атом азота отщепляет протон и образуется свободный амин. Ион четвертичного аммония не содержит отщепляющегося протона, и поэтому он не реагирует с гидроксил-ионом.
RR
R:N:R+X~ -^> R:N:R+OH" + AgX
RR
соль четвертичного гидроокисьнерастворим
аммониячетвертичного
аммония
Когда раствор галогенида четвертичного аммония обрабатывают окисью» серебра, то осаждается осадок галогенида серебра. Если смесь профильтровать и фильтрат выпарить досуха, то получится твердое вещество, не содержащее галогена. Водный раствор этого вещества имеет сильнощелочную реакцию и по основности похож на раствор едкого кали или едкого натра.
Подобное вещество носит название гидроокиси четвертичного аммония R4N+OH~. Его водный раствор является щелочным по той же причине, что и растворы едкого кали и едкого натра: раствор содержит гидроксил-ион.
При нагревании гидроокиси четвертичного аммония до 125 °C или выше она разлагается, давая воду, третичный амин или алкен. Так, например, гидроокись триметил-я-пропиламмония дает триметиламин и пропилен
СН3СН3
]нагревание|
СН3—N+—СН2СН2СН3ОН~>• СН3—N + сн2=снсн3 + Н2О
сн3сн3
гидроокись триметил-н-триметиламин пропилен
пропиламмония
Эта реакция, называемая элиминированием по Гофману, аналогична дегидрогалогенированию алкилгалогенидов (разд. 5.14). Гидроксил-ион отщепляет протон от атома углерода; отщепляется третичный амин и возникает двойная, связь.
R3N/
Р Iх /
—с-с- > ,С=< + R3N: + Н2О
в
Задача 23.4. При сильном нагревании гидроокиси тетраметиламмония образуется метанол и триметиламин, а) Как образуется метаиол? К какому общему классу реакции ■относится эта реакция? б) Почему именно данная гидроокись четвертичного аммония ведет себя столь отлично от других гидроокисей? в) Предскажите, какие продукты образуются при нагревании хлористого тетраметиламмония?
Образование солей четвертичного аммония с последующим элиминированием по описанной схеме — очень полезная реакция при определении структур некоторых сложных азотсодержащих соединений. Соединение, которое может быть первичным, вторичным или третичным амином, превращается в гидроокись четвертичного аммония при обработке избытком йодистого метила и окиси серебра. Число метильных групп, связывающихся с атомом азота, зависит от класса амина; первичный амин связывает три метильные группы, вторичный — две, а третичный — лишь одну. Этот процесс известен под названием исчерпывающего метилирования аминов.
При нагревании гидроокись четвертичного аммония расщепляется с образованием алкена и третичного амина. На основании структур получающихся продуктов часто можно вывести структуру исходного амина. В качестве простейшего примера сопоставим структуру продуктов I и II, получаемых из следующих изомерных циклических аминов:
Н2С—СН, /\\нагревание /\
сн3 —>сн8>- Н2С сн=сн2
NN+\
НН3С СН3Нз^ \н3
2-метилпирролидин ОН“I
5-(диметиламино) пентен-1
НС—СНСН3
\
■ Н2С сн2
Н^ \н8
II
4-(диметиламино)-3-
мети.пбутен-1
Задача 23.5. а) Какие продукты будут образовываться при гидрировании алкенов I и II? в) Каким образом можно синтезировать заведомые образцы каждого из этих ожидаемых продуктов?
Задача 23.6. Какие продукты будут образовываться, если алкены I и II подвергнуть исчерпывающему метилированию и расщеплению?
Более надежный путь получения той же информации о структуре заключается в использовании реакции элиминирования по Коупу
Н2О2140 °с
R—СН2—СН2 > R—СН2—СН2 >- RCH=CH2 + СН3—N—CH2CH2R'
NСН3—N—CH2CH2R'алкенОН
/ \h
СН3 CH2CH2R'О
третичный амин окисьтретичногоН,Н-диалкилгидро-
аминаксиламин
|сн31, Ag2O
СН3СН3
I140 “С |
СН3—N—ОН + CH2=CHR ■* СН3—N—CH2CH2R'
О
Поскольку пиролиз окисей третичных аминов протекает с высокими выходами, то эту реакцию используют в синтезе алкенов.
Задача 23.7. Если амин III (или его энантиомер) подвергнуть исчерпывающему метилиро- ванию, а затем расщеплению по Гофману, то образуется лишь цис- 1,2-дифенилпропен, в то время как из диастереомера IV (или его энантиомера) образуется лишь шраис-алкеи’ С6Н5С6Н5
НNH2НNHZ
НСН3СН3Н
QH5С6Н5
111IV
эрит.ро-1-амино-1,2.-8ифенилпропан т.рео-1-амиио- (.г-биуенилпропап
.а) Какова стереохимия элиминирования по Гофману? б) Предскажите, какой продукт или продукты образуются при элиминировании ментиламина (ср. стр. 468) по Гофману? Задача 23.8. Если диастереомерные амины из предыдущей задачи превращать в алкены элиминированием по Коупу, то из амина III образуется преимущественно (93%) транс- алкен, а из амина IV — практически целиком (97%) ^uc-алкен. а) Какова стереохимия элиминирования по Коупу? б) Сравните ее со стереохимией следующих реакций: элиминирование по Гофману, дигидрогалогеиироваиие по механизму Е2, элиминирование сульфонатов по механизму Е2 и пиролиза ацетатов.
Превращение аминов в замещенные амиды
RCOC12NH3 —ArSO2ClRCOC12NH3 —ArSO2ClВ разд. 20.11 и 21.6 мы узнали, что аммиак реагирует с хлорангидрида- ми карбоновых кислот и сульфокислот с образованием амидов — соединений, в которых атом хлора замещен на NH2-rpynny. В этих реакциях аммиак является нуклеофильным реагентом; он атакует атом углерода карбонильной группы или серу и замещает атом хлора. В этом процессе одна молекула аммиака отдает протон второй молекуле аммиака.
RCOC1
2NH3 —
ArSO2Cl
RCOC1
2NH3 —
ArSO2Cl
RCONH2 + NH4C1
ArSO2NH2 + NH4C1
Аналогичным образом могут реагировать с хлор ан гидр идами кислот первичные и вторичные амины, давая замещенные амиды — соединения, в которых атом хлора замещен на группу HNR или NR2:
R'COCl
Первичные амины: RNH2 —
К OUINLIK
ArSO2Cl
R'COCl ■ v П'ГГГМВ
Вторичные амины: R2NH —
ArSO2Cl
' /11N i\2 R'COCl
Третичные амины: R3N —
— _ . ^. реакция не происходит
ArSO2C!
реакция не происходит
Хотя третичные амины являются основаниями, они не вступают в эту реакцию, вероятно, потому, что не могут отщеплять протон (с образованием стабильного продукта) после образования связи с углеродом или с серой. В данном случае мы имеем дело с реакцией, для осуществления которой необходимо не только то, чтобы амины были основаниями, но также и наличие в аминах атома водорода при азоте.
сн3@>CN-CH$О'М,Н-8ймепгол6ензам«8сн3@>CN-CH$О'М,Н-8ймепгол6ензам«8Замещенные амиды обычно называют как производные незамещенных амидов, например:
сн3
@>CN-CH$О
'М,Н-8ймепгол6ензам«8
сн3
@>CN-CH$О
'М,Н-8ймепгол6ензам«8
CH3CNHC2HS оЦ-этилауетами8CH3CNHC2HS оЦ-этилауетами8СН3
CH3CNHC2HS о
Ц-этилауетами8
CH3CNHC2HS о
Ц-этилауетами8
CH3CH2CH2CN-C2H5
О
^-метцл^-зтилбутпирамиЗ
бензанилидбензанилидацето -п-толуидидацето -п-толуидидВо многих случаях, особенно когда рассматриваются производные ароматических аминов, существеннее знать природу исходного амина, а не кислоты. В этих случаях замещенные амиды называют как ацильные производные аминов, например:
бензанилид
бензанилид
ацето -п-толуидид
ацето -п-толуидид
О^НССНзоацетанилид
О бензанилиЗО бензанилиЗЗамещенные амиды ароматических карбоновых кислот или сульфокислот получают по методу Шоттена — Баумана: хлорангидрид прибавляют к амину в присутствии основания — водного раствора едкого натра или цириди- на, например:
О бензанилиЗ
О бензанилиЗ
<§>nh2 + ^)соа =5анилинбензоилхлорив
/—\\ АНд
(h-C4H9)2NH +Зи-кбутхлахвин(h-C4H9)2NH +Зи-кбутхлахвин(O)so2a ^^ @>so2t/
(h-C4H9)2NH +
Зи-кбутхлахвин
(h-C4H9)2NH +
Зи-кбутхлахвин
6е'’хлад10Ьф° 3^-6и-н-5утил6ензолсупъф<хми0
Ацилирование обычно проводят с использованием уксусного ангидрида, а не хлористого ацетила
£JH2NHCOCH3
@СН’ + <сн,со|2о НТ,+ СНзСООН
в-толуиЗин уксусныйацето-о-нюлиивий
ангиЗрид
Замещенные амиды, подобно простым амидам, претерпевают реакцию гидролиза, давая кислоту и амин; в зависимости от условий (щелочная или кислая среда) либо кислота, либо амин образуется в виде соли.
_NHCH3
нагревание /ХХ\ _, Г/^х1
CONUJ) 4- NaOH > <О)С°СН'1а.+ +
СНзбензоат натрия ^-метиланилин
N -метилбензанилид
NHCOCH35]+ н2о + наю”еNHCOCH35]+ н2о + наю”еBr п-бромацетанмидBr п-бромацетанмидcocoonуксуснаякислота.cocoonуксуснаякислота.ВгВгхлорид п-бромарилинияхлорид п-бромарилиния
NHCOCH3
5]+ н2о + наю”е
NHCOCH3
5]+ н2о + наю”е
Br п-бромацетанмид
Br п-бромацетанмид
cocoon
уксуснаякислота.
cocoon
уксуснаякислота.
Вг
Вг
хлорид п-бромарилиния
хлорид п-бромарилиния
Превращение амина в сульфамид используют для аналитического определения класса амина; эта реакция обсуждена в разд. 23.13.
Замещение в кольцо ароматических аминов
Известно, что группы NH2, NHR и NR2 выступают как мощные активаторы и орто.пара-ориентанты при реакциях электрофильного замещения в ароматическом ядре. Подобное поведение этих групп объяснялось предположением о стабилизации промежуточного карбониевого иона за счет структур I и II, в которых атом азота несет положительный заряд и связан двойной связью с кольцом. Такие структуры особенно устойчивы, потому что каждый атом в них (за исключением атомов водорода) содержит полный октет электронов; в действительности структуры I или 11 сами по себе должны неплохо отражать истинную структуру промежуточного соединения.
+nh2+nh2
Н Y
III
В подобных структурах атом азота обобществляет с кольцом более чем одну пару электронов и, таким образом, несет на себе заряд карбониевого иона. Итак, основность азота объясняет еще одну характерную особенность ароматических аминов.
Ацетамидная группа ЫНСОСН3 также обладает активирующим действием и ориентирует в орто,пара-положения, но в меньшей степени, чем свободная аминогруппа. Оттягивание электронов атомом кислорода карбонильной группы приводит к тому, что атом азота амидной группы становится гораздо более слабым донором электронов, чем атом азота аминогруппы. Электроны менее доступны для образования связи с ионом водорода, и поэтому амиды будут гораздо менее слабыми основаниями, чем амины: амиды карбоновых кислот не растворяются в разбавленных водных кислотах. Электроны менее доступны для обобществления с ароматическим кольцом, и поэтому ацетамидогруппа активирует ароматическое кольцо менее сильно, чем аминогруппа.
Более строго, оттягивание электронов кислородом карбонильной группы дестабилизует положительный заряд на азоте независимо от того, возникает ли этот заряд за счет протонирования или электрофильной атаки по кольцу.
Из разд. 11.5 известно, что NH^-группа обладает мощным дезактивирующим действием и ориентирует в .мета-положении. В солях четвертичного аммония атом азота не содержит более электронов, которые он может обобществить с кольцом. Напротив, полный положительный заряд на атоме азота делает эту группу сильным акцептором электронов.
Рассмотрим, каким образом связаны только что обсуждавшиеся вопросы с теми конкретными проблемами, которые встречаются при реакциях электрофильного замещения у ароматических аминов.
Галогенирование ароматических аминов
Основная трудность, связанная с реакцией галогенирования ароматических аминов, состоит в том, что реакция протекает слишком быстро. Активация за счет наличия аминогруппы столь велика, что входящие атомы галогенов стремятся занять все свободные орто- или пара-положения. Так, анилин дает 2,4,6-триброманилин, а п-толуидин — 3,5-днбром-4-аминотолуол.
^1 (водил^1 (водилВг2,4,6-гприброманилинВг2,4,6-гприброманилин3,5-вибром-4-аминотолуол3,5-вибром-4-аминотолуолОднако один атом галогена можно ввести, если предварительно про- ацетилировать аминогруппу. После окончания реакции галогенирования амидную группу можно гидролизовать, что и приведет к нужному амину.Однако один атом галогена можно ввести, если предварительно про- ацетилировать аминогруппу. После окончания реакции галогенирования амидную группу можно гидролизовать, что и приведет к нужному амину.например:nh2[о) (СН^СО^О^например:nh2[о) (СН^СО^О^СНзСООНСНзСООНВгВганилинанилин(СН3СО)гО(СН3СО)гОп-толуидинп-толуидинацетанилидацетанилидВг2СН3СООНВг2СН3СООНацето-птолуидидацето-птолуидидкбромацетанилид п-броманилинкбромацетанилид п-броманилинЗбром-4'оминотолуолЗбром-4'оминотолуол
^1 (водил
^1 (водил
Вг
2,4,6-гприброманилин
Вг
2,4,6-гприброманилин
3,5-вибром-4-аминотолуол
3,5-вибром-4-аминотолуол
Однако один атом галогена можно ввести, если предварительно про- ацетилировать аминогруппу. После окончания реакции галогенирования амидную группу можно гидролизовать, что и приведет к нужному амину.
Однако один атом галогена можно ввести, если предварительно про- ацетилировать аминогруппу. После окончания реакции галогенирования амидную группу можно гидролизовать, что и приведет к нужному амину.
например:
nh2
[о) (СН^СО^О^
например:
nh2
[о) (СН^СО^О^
СНзСООН
СНзСООН
Вг
Вг
анилин
анилин
(СН3СО)гО
(СН3СО)гО
п-толуидин
п-толуидин
ацетанилид
ацетанилид
Вг2
СН3СООН
Вг2
СН3СООН
ацето-птолуидид
ацето-птолуидид
кбромацетанилид п-броманилин
кбромацетанилид п-броманилин
Збром-4'оминотолуол
Збром-4'оминотолуол
Таким образом, ацетилирование обычно используется для ослабления активирующего эффекта аминогруппы.
Нитрование ароматических аминов
Нитрование, как и реакцию галогенирования, лучше всего проводить с использованием ацетилированного амина, а не свободного амина по нескольким причинам.
Во-первых, ацетилирование снижает реакционную способность кольца. Азотная кислота является не только нитрующим агентом, но также окислителем; реакционноспособное кольцо ароматических аминов крайне чувствительно к окислению, и поэтому в обычных условиях нитрования значительное количество вещества расходуется на образование смолообразных продуктов окисления. Напротив, нитрование ацетилированных аминов протекает гладко, например:
nhCOCH3
HNO,. H,SO„ 15"С
ЬЮ2
NHCOCH3
н2о, н * >
нагревание
NO2
ацетанилид
анитро ацетанилид
п нитроанилин
Подобное использование ацетилирования часто называют защитой аминогруппы; в действительности таким образом вся молекула защищается от окисления.
Во-вторых, нитрование ацетилированного амина протекает строго в соответствии с орто,пара-ориентацией, а из свободного амина образуется смесь, содержащая примерно две трети мета- и одну треть пара-продукта. В сильнокислой нитрующей смеси амин превращается в ион анилиния. Поэтому замещение направляется не МН2-, а МНз -группой, которая несет положительный заряд и вследствие этого направляет замещение в основном в мета-положение.
Дж. Ридд (Университетский колледж, Лондон) недавно показал, что именно сам иои анилиния претерпевает в значительной степени пара-замещение, а не свободный амин,, присутствующий в небольшом количестве (но очень реакционноспособный), как думали ранее. Он предположил,',что в сравнении с группой (CHS)SN+ положительный заряд на NHg-rpynne в значительной степени рассредоточен вследствие образования водородных связей очень кислых протонов это й группы с растворителем.
Для получения л/-нитроанил ина лучше всего нитровать нитробензол, дающий почти исключительно л/ета-производное, а затем восстановить одну из нитрогрупп бисульфидом аммония (разд. 22.9).
Задача 23.9. Объясните, почему выход n-нитропроизводного, получаемого при пря- +
мом нитровании, постепенно увеличивается в следующем ряду: C6H6N(C Н3)ч, C6H6N(CH3)2, c6h6nhchs, c6h6nh2.
Сульфирование ароматических аминов. Диполярные ионы
Анилин обычно сульфируют спеканием его соли, бисульфата анилиния, при 180—200 °C; в основном образуется пара-изомер. В этом случае мы не можем обсуждать ориентацию на основании, как обычно, представлений о том, какой из изомеров образуется быстрее. О реакции сульфирования известно,
NH2NH3+HSO4-NH3+
анилинбисульфатSO3
аншшниясульфаниловая
кислота
что она обратима, и поэтому вполне вероятно, что образование именно параизомера определяется положением равновесия, а не относительными скоростями образования изомеров (разд. 8.18 и 12.14). Кажется также вероятным, что по крайней мере в некоторых случаях, сульфирование аминов протекает по механизму, совершенно отличному от механизма обычных реакций ароматического замещения.
Но каков бы ни был механизм реакции, образуется главным образом п-аминобензолсульфокислота, известная под названием сульфаниловая кислота и представляющая собой очень важное и интересное соединение.
Прежде всего, свойства этого соединения вовсе не соответствуют тому, чего следовало ожидать от соединения, содержащего аминогруппу и остаток сульфокислоты. Как ароматические амины, так и ароматические сульфокислоты имеют низкие температуры плавления; например, бензолсульфокислота плавится при 66 °C, а анилин — при —6 °C. Однако сульфаниловая кислота имеет столь высокую температуру плавления, что при нагревании она раз-
лагается (при 280—300 °C) прежде, чем будет достигнута температура плавления. Сульфокислоты обычно хорошо растворимы в воде; выше было показано, что сульфогруппу часто вводят в молекулу для того, чтобы сделать ее растворимой в воде. Однако сульфаниловая кислота не только нерастворима в органических растворителях, но также почти нерастворима в воде. Амины растворяются в разбавленных минеральных кислотах, превращаясь при этом в растворимые в воде соли. Сульфаниловая кислота растворима в водных основаниях, но нерастворима в водных растворах кислот.
Эти свойства сульфаниловой кислоты можно понять, если приписать сульфаниловой кислоте структуру I, в которой имеются NHg- и SOg-группы. Сульфаниловая кислота представляет собой соль, но довольно специфического рода, называемую диполярным ионом (иногда называется также цвиттер-ионом, от немецкого Zwitter — двуполый). Этот ион является продуктом реакции между кислым и основным остатками, входящими в состав одной и той же молекулы. Ион водорода присоединяется к атому азота, а не фатому кислорода потому, что МН2-группа — более сильное основание, чем SOs -группа. Высокая температура плавления и нерастворимость в органических растворителях— это свойства, характерные для солей. Нерастворимость в воде также не является неожиданной, поскольку многие соли нерастворимы в воде. В щелочном растворе сильноосновной гидроксил-ион отрывает ион водорода
иирастворима в еоберастворима в еобеНерастворима в водеНерастворима в воде
и
и
растворима в еобе
растворима в еобе
Нерастворима в воде
Нерастворима в воде
от слабоосновной NH3-группы с образованием п-аминобензолсульфонат-иона (II), который, подобно большинству натриевых солей, растворим в воде. В водном растворе кислоты, однако, структура сульфаниловой кислоты не изменяется, и поэтому соединение остается нерастворимым; сульфокислоты являются сильными кислотами, и их анионы (очень слабые основания) лишь в незначительной степени проявляют тенденцию принимать ион водорода от
Н3О+.
Можно ожидать образования диполярных ионов во всех случаях, когда имеют дело с молекулами, содержащими как аминогруппу, так и кислую группу при условии, что амин будет более сильным основанием, чем анион кислоты.
Задача 23.10. n-Аминобензойная кислота не является диполярным ионом, в то время как глицин (аминоуксусная кислота) представляет собой диполярный ион. Как вы можете это объяснить?
Сульфамиды. Сульфамидные препараты
Амиды сульфаниловой кислоты (сульфаниламиды) и некоторые родственные амиды представляют значительный интерес для медицины (сульфамидные препараты}. Хотя сульфамиды и были в значительной степени вытеснены антибиотиками (такими, как пенициллин, террамицин, хлоромице- тин и ауреомицин), они все еще находят применение как лекарственные препараты и составляют значительную часть продукции фармацевтической промышленности.
NHCOCH3NHCOCH3свозНсвозНNHCOCH,NHCOCH,авелтаавелтаачетавидаЗачетавидаЗSO2C11и-ацетамиЭобеизолголъфО* хлоридSO2C11и-ацетамиЭобеизолголъфО* хлоридNHCOCH3NHCOCH3NHCOCH3SO2C1NHCOCH3SO2C1so2nh2so2nh2SO2NH2супыраниладай)SO2NH2супыраниладай)NHCOCH3NHCOCH3so2nhrso2nhrso2nhrso2nhrзамещенныйсульфаниламидзамещенныйсульфаниламид
NHCOCH3
NHCOCH3
свозН
свозН
NHCOCH,
NHCOCH,
авелта
авелта
ачетавидаЗ
ачетавидаЗ
SO2C1
1и-ацетамиЭобеизолголъфО* хлорид
SO2C1
1и-ацетамиЭобеизолголъфО* хлорид
NHCOCH3
NHCOCH3
NHCOCH3
SO2C1
NHCOCH3
SO2C1
so2nh2
so2nh2
SO2NH2супыраниладай)
SO2NH2супыраниладай)
NHCOCH3
NHCOCH3
so2nhr
so2nhr
so2nhr
so2nhr
замещенныйсульфаниламид
замещенныйсульфаниламид
Сульфамиды получают взаимодействием сульфохлорида с аммиаком или амином. Наличие в молекуле сульфокислоты аминогруппы создает специфическую проблему: если сульфаниловую кислоту превратить в хлорангидрид, то сульфогруппа одной из молекул может атаковать аминогруппу другой молекулы с образованием амидной связи. Во избежание этого аминогруппу ацетилируют до получения сульфохлорида. Сульфаниламид и родственные соединения обычно получают следующим образом:
SO2KHSO2KHсульфамеразинсульфамеразинhoocch2ch2conhhoocch2ch2conhна холодуна холоду
SO2KH
SO2KH
сульфамеразин
сульфамеразин
hoocch2ch2conh
hoocch2ch2conh
на холоду
на холоду
Селективное удаление ацетильной группы в конечной стадии реакции вполне согласуется с общими данными, согласно которым амиды карбоновых кислот гидролизуются легче, чем амиды сульфокислот (разд. 21.10).
Антибактериальная активность и токсичность замещенных сульфаниламидов зависит от природы группы R, связанной с амидным азотом. Из сотен синтезированных соединений такого рода лишь менее десятка обладают требуемой комбинацией высокой антибактериальной активности и низкой токсичности для человека, необходимой для того, чтобы лекарственный препарат был эффективным; почти во всех эффективных соединениях группа R содержит гетероциклическое кольцо (гл. 36).
сулциноилсгуль(р(С1пиа.зол
Реакция аминов с азотистой кислотой
Каждый из классов аминов реагирует по-разному с азотистой кислотой HOMO. Этот неустойчивый реагент генерируется в присутствии амина действием минеральной кислоты на нитрит натрия.
Первичные ароматические амины реагируют с азотистой кислотой с образованием солей диазония; это одна из важнейших реакций в органической химии. Гл. 24 целиком посвящена получению и свойствам ароматических солей диазония.
ArNH2 + NaNO2 + 2НХ > ArN^X" + NaX + 2H2O
амин
46—256
Первичные алифатические амины также реагируют с азотистой кислотой, давая соли диазония; но поскольку алифатические соли диазония очень неустойчивы и легко разлагаются с образованием сложной смеси органических продуктов (см. задачу 23.11), эта реакция имеет лишь ограниченное синтетическое значение. Однако тот факт, что азот выделяется количественно, имеет некоторое значение в анализе, особенно аминокислот и белков.
Н2О
RNH2 + NaNO2 + НХ» [RN2] >- N2 4- Смесь спиртов и алкенов
первичныйнеустойчив
алифатический
амин
Задача 23.11. При взаимодействии н-бутиламина с нитритом натрия и соляной кислотой выделяется азот и образуется следующая смесь продуктов: н-бутиловый спирт (25%), emop-бутиловый спирт (13%), бутен-1 и бутен-2 (37%), н-бутилхлорид (5%) и втор-бу- тилхлорид (3%). а) Образование какого промежуточного соединения, общего для всех этих продуктов, наиболее вероятно? б) Напишите реакции, объясняющие образование этих различных продуктов.
Задача 23.12. Предскажите, какие органические соединения будут образовываться при реакции с азотистой кислотой следующих аминов: а) изобутиламина; б) неопентиламина?
Вторичные амины, как алифатические, так и ароматические, реагируют с азотистой кислотой с образованием N-нитрозоаминов. N-Нитрозоами- ны обычно окрашены в желтый цвет и в отличие от исходных аминов представляют собой нейтральные соединения, нерастворимые в разбавленных водных минеральных кислотах.
СН3.СНЗХ
>N—Н + NaNO2 + НС1>>N—N=O + NaCl + H2O
сн/СН/
диметиламинN-нитрозодиметил-
амин, желтого цвета,нерастворим в кислотах
СН3N—Н + NaNO2 4- НС1СН3N—Н + NaNO2 4- НС1"^-метиланилин"^-метиланилинCHj* ©--° + NaCI + Hz°■^-нитрозо-^-метил-анилин, желтого цвета-» нерастворим в кислотеCHj* ©--° + NaCI + Hz°■^-нитрозо-^-метил-анилин, желтого цвета-» нерастворим в кислоте
СН3
N—Н + NaNO2 4- НС1
СН3
N—Н + NaNO2 4- НС1
"^-метиланилин
"^-метиланилин
CHj
* ©--° + NaCI + Hz°
■^-нитрозо-^-метил-
анилин, желтого цвета-» нерастворим в кислоте
CHj
* ©--° + NaCI + Hz°
■^-нитрозо-^-метил-
анилин, желтого цвета-» нерастворим в кислоте
Третичные ароматические амины претерпевают реакцию замещения в кольцо с образованием соединений, в которых нитрозогруппа (N—О) связана с атомом углерода; так, М,М-диметиланилиндает главным образом п-нитрозо- N.N-диметиланилин
■^.М-ааметиланчлин■^.М-ааметиланчлин(CH3)2N<^> NaNo,, на^юч: (ch3)2N<^>N=O
■^.М-ааметиланчлин
■^.М-ааметиланчлин
п-нчтрозо-ТЗ^-виметиланнлвя,зеленого цвета.
Нитрозирование в кольцо представляет собой реакцию электрофильного замещения в ароматическом ряду, причем атакующим реагентом служит нитрозоний-ион NO"1" или какие-то иные частицы (Н2О+—NO или NOC1), которые могут легко переносить NO+ на кольцо. Нитрозоний-ион — очень слабый электрофил по сравнению с реагентами, участвующими в нитровании, сульфировании, галогенировании и реакции Фриделя — Крафтса; ни-
трозирование обычно происходит только в том случае, если кольцо содержит сильные активирующие диалкиламино- или оксигруппы.
Несмотря на различия в конечных продуктах, реакция азотистой кислоты со всеми этими аминами включает одну и ту же начальную стадию: электрофильную атаку с участием, NO+, приводящую к замещению Н+. Эта атака протекает в положение, где электронная плотность наибольшая, т. е. по азоту в первичных и вторичных аминах.
Третичные ароматические амины атакуются по высокоактивному кольцу- "
Третичные алифатические амины (и до некоторой степени третичные ароматические амины, особенно те,.в которых пара-положение блокировано) реагируют с азотистой кислотой с образованием N-нитрозопроизводных вторичных аминов; отщепляющаяся от атома азота группа выделяется в виде альдегида или кетона. Хотя механизм этой реакции не ясен до конца, вероятно, она также включает начальную стадию атаки NO* по азоту.
Задача 23.13. а) Напишите уравнения реакции, согласно которым молекула Н2О+—NO образуется из реагентов нитрозирующей смеси, б) Почему Н2О+ — NO может переносить NO+ на кольцо легче, чем HONO? в) Напишите уравнения реакций, согласно которым NOC1 образуется из NaNO2 и водного раствора соляной кислоты, г) Почему NOC1 — более эффективный нитрозирующий агент, чем HONO?
Анализ аминов. Проба Хинсберга
Амины характеризуются главным образом по их основности. Нерастворимое в воде соединение, которое растворяется в холодной разбавленной соляной кислоте, или растворимое в воде соединение (не соль; разд. 18.20), водный раствор которого окрашивает лакмус в синий цвет, почти наверняка будет амином (разд. 22.5 и 23.2). Наличие азота обнаруживается с помощью элементного анализа.
Вопрос о том, является ли амин первичным, вторичным или третичным, лучше всего решается при помощи пробы Хинсберга. Амин встряхивают с бензолсульфохлоридом в присутствии водного раствора едкого кали (разд. 23.6). В случае первичных и вторичных аминов образуются замещенные сульфамиды, а третичные амины не реагируют.
Монозамещенные сульфамиды, получаемые из первичных аминов, имеют кислый водород, связанный с азотом (разд. 21.7). При взаимодействии с едким кали амид превращается в растворимую соль, которая является, по крайней мере частично, растворимой в случае, если амин содержит менее восьми атомов углерода. Подкисление этого раствора регенерирует нерастворимый амид.
Дизамещенные сульфамиды, получаемые из вторичных аминов, не содержат кислого водорода, и поэтому не растворяются в щелочной реакционной смеси.
Что же мы будем наблюдать при обработке амина бензолсульфохлоридом и избытком едкого кали? Первичный амин образует прозрачный раствор, из которого при подкислении отделится нерастворимое вещество. Вторичный амин дает нерастворимое соединение, не изменяющееся под действием кислот. Из третичного амина получается нерастворимое соединение (нереагирующий амин), которое растворяется при подкислении смеси.
он-конн+
RNH, + C,HbSO2Cl *■ [C6H5SO2NHR1 > CeH5SO2NR~K+ > CeH6SOaNHR
первичныйпрозрачныйнерастворим
аминраствор
он~кон или н+
R2NH + CeH6SO2Cl > C6H5S02NR2> реакция не происходит
вторичныйнерастворим
амин он~ НС!
R,N + C,H6SO2C1 »- RaN »- R2N+HCr
третичныйиераство-прозрачный
аминримраствор
Реакция аминов с азотистой кислотой (разд. 23.12) также находит некоторое применение для определения класса амина, хотя этот метод менее надежен, чем метод Хинсберга. Наиболее характерно поведение первичных ароматических аминов: при обработке азотистой кислотой они превращаются в соли диазония, которые образуют ярко окрашенные азосоединения с р- нафтолом (фенол; см. разд. 24.10).
К числу многочисленных производных, используемых для идентификации аминов, относятся амиды (например, ацетамиды, бензамиды или сульфамиды) для первичных и вторичных аминов; соли четвертичного аммония (например, образующиеся действием бензилхлорида или йодистого метила) для третичных аминов.
Метод доказательства строения с использованием реакций исчерпывающего метилирования и элиминирования уже был обсужден в разд. 23.5.
Анализ замещенных амидов
Для замещенных амидов карбоновых кислот характерно следующее: наличие азота, нерастворимость в разбавленных кислотах и разбавленных щелочах и гидролиз до кислоты и амина. Обычно их идентифицируют путем идентификации продуктов гидролиза (разд. 18.20 и 23.13).
Спектральный анализ аминов
и замещенных амидов
Инфракрасные спектры. Число и положение полос поглощения зависят эт класса амина (рис. 23.2).
725
Амид (замещенный или незамещенный) обнаруживает полосу поглощения С=О в области 1640—1690 см-1. Если он содержит свободную N—Н- группу, то в дополнение к полосе С=О будут появляться такие же полосы
Частота, см~*Частота, см~*Длина волны, мкмДлина волны, мкмРис. 23.2. Инфракрасный спектр.^ — emop-бутиламин; Б — N-метилаиилин.Рис. 23.2. Инфракрасный спектр.^ — emop-бутиламин; Б — N-метилаиилин.
Частота, см~*
Частота, см~*
Длина волны, мкм
Длина волны, мкм
Рис. 23.2. Инфракрасный спектр.
^ — emop-бутиламин; Б — N-метилаиилин.
Рис. 23.2. Инфракрасный спектр.
^ — emop-бутиламин; Б — N-метилаиилин.
валентных колебаний N—Н при 3050—3550 см-1 и деформационных колеба.ний — NH при 1600—1640 см'1 (RCONH2) или 1530—1570 см"1 (RCONHR').
N—Н валентные колебания 3200—3500 см~*
Первичные амины часто две полосыПервичные амины часто две полосыВторичные аминыВторичные аминыодна полосаодна полосаТретичные аминыТретичные аминынет полоснет полос
Первичные амины часто две полосы
Первичные амины часто две полосы
Вторичные амины
Вторичные амины
одна полоса
одна полоса
Третичные амины
Третичные амины
нет полос
нет полос
N—Н деформационные колебания
Первичные амины—сильные полосы 650—900 см-1 (.широкие1) и 1560—1650 см-1
С—N валентные колебания
Алифатические 1030—1230 см-1 (слабые)(третичные—обычно дублет)Алифатические 1030—1230 см-1 (слабые)(третичные—обычно дублет)Ароматические 1180—1360-См-1 (сильные)две полосыАроматические 1180—1360-См-1 (сильные)две полосы
Алифатические 1030—1230 см-1 (слабые)(третичные—обычно дублет)
Алифатические 1030—1230 см-1 (слабые)(третичные—обычно дублет)
Ароматические 1180—1360-См-1 (сильные)две полосы
Ароматические 1180—1360-См-1 (сильные)две полосы
ПМР-спектры. Поглощение протонов N—Н аминов лежит в пределах t 5—9 (6 1—5), и часто его можно обнаружить лишь по данным интегрирования. Поглощение протонов группы —СО—NH— амидов (разд. 20.28) про-
является как широкий низкий горб, смещенный в слабое поле (г 2—5, 5 5—8).
Масс-спектр. Амины склонны расщепляться аналогично спиртам (разд. 16.12).
R—С—N—I IаминR—С—N—I Iамин-^ R4-C-N*>молекулярныйионМ +-^ R4-C-N*>молекулярныйионМ +R- + /C=N^I(М—R)+R- + /C=N^I(М—R)+
R—С—N—
I I
амин
R—С—N—
I I
амин
-^ R4-C-N*>
молекулярныйион
М +
-^ R4-C-N*>
молекулярныйион
М +
R- + /C=N^
I
(М—R)+
R- + /C=N^
I
(М—R)+
Задача 23.14. Как вы объясните необычную устойчивость ионов типа I?
Задача 23.15. Амины А и Б имеют одинаковый пик М+ при т/е 45. Основной пик для амина А появляется при т(е 30, а для Б — при т]е 44. Какова структура каждого из аминов и ионов, соответствующих этим пикам?
ЗАДАЧИ
1. Напишите полные уравнения реакций и назовите все органические продукты, обра-
зующиеся при реакции (если она происходит) н-бутиламина со следующими веществам и:
а) разб. НС1,
к) бромистым этилом,
б) разб. H2SO4,
л) бромбензолом,
в) уксусной кислотой.
м) избытком йодистого метила, затем
г) веществом (в) + нагревание.
Ag2O,
д) разб. NaOH,
н) продуктом (м) + сильное нагрева -
е) уксусным ангидридом.
ние,
ж) изобутирилхлоридом.
о) СН3СОСН3 + Н3 + Ni,
з) п-иитробензоилхлоридом +
п) HONO (NaNO2 + НС1),
+ пиридин.
р) фталевым ангидридом,
и) бензол сульфо хлоридом +
с) хлорацетатом натрия.
+ КОН (водн.).
т) 2,4,6-тринитрохлорбензолом.
2. Не обращаясь к таблицам, расположите следующие соединения в порядке возраста
ния основности:
аммиак, анилин, циклогексиламин;
этиламин, 2-аминоэтанол, З-аминопропанол-1;
анилин, n-метоксиаиилин, п-нитроаиилин;
бензиламин, л-хлорбензиламин, л-этилбензиламин;
п-хлор-М-метиланилин, 2,4-дихлор-М-метиланилин, 2,4,6-трихлор-М-метилани- лин.
Что является более сильным основанием — водный раствор триметиламина или водный раствор гидроокиси тетраметиламмония? Почему? (Указание: что является главным основанием в каждом растворе?)
Сравните поведение трех аминов — анилина, N-метиланилина и N.N-диметиланили- на — по отношению к следующим реагентам:
разб. НС1,д) уксусному ангидриду,
NaNOj + НС1 (водн.),е) бензоилхлориду + пиридин,
иодистому метилу,ж) бромной воде.
бензолсульфохлориду + КОН
(водн.).
Ответьте иа вопрос задачи 4 для случая этиламина, диэтиламина и триэтиламина.
Напишите структурные формулы и назовите главные органические продукты, образующиеся при реакции (если она происходит) азотистой кислоты со следующими вещест-
N-метиланилином,2-амино-З-метилбутаном,бензидином (4,4'-диаминобифенил), и) бензиламином,к) метилбензиламином.N-метиланилином,2-амино-З-метилбутаном,бензидином (4,4'-диаминобифенил), и) бензиламином,к) метилбензиламином.вами:
N-метиланилином,
2-амино-З-метилбутаном,
бензидином (4,4'-диаминобифенил), и) бензиламином,
к) метилбензиламином.
N-метиланилином,
2-амино-З-метилбутаном,
бензидином (4,4'-диаминобифенил), и) бензиламином,
к) метилбензиламином.
п-толуидином,
N.N-диэтиланилином,
м-пропиламином, г) метил-н-бутиламином, д) сульфаниловой кислотой.
Как влияет присутствие в ядре следующих групп на реакции электрофильного замещения в ароматическом ядре? Как объяснить эти эффекты?
a) —NH2,б) —N(CHS)2,a) —NH2,б) —N(CHS)2,в) — NHCOCHg,г) —N(CHS)J.
a) —NH2,
б) —N(CHS)2,
a) —NH2,
б) —N(CHS)2,
Какого эффекта следует ожидать от группы —NHSO2C6HB? Почему? Можно ли сравнить эту группу и группу—NHCOCHg?
Напишите полные уравнения следующих реакций и назовите все образующиеся при этом органические продукты:
н-бутирилхлорид + метиламин,
уксусный ангидрид + N-метиланилин,
гидроокись тетра-н-пропиламмоиия + нагревание,
изовалер ил хлор ид + диэтиламии,
гидроокись тетраметиламмония + нагревание,
триметиламин + уксусная кислота,
N.N-диметилацетамид + кипящая разб. HCI,
бензанилид + кипящий водный NaOH,
метилформиат + анилин,
избыток метиламина + фосген (СОС12),
*-O2NCeH4NHCH3 + NaNO2 + H2SO4,
м) анилин + избыток Вг2 (водн.),
н) л-толуидин + избыток Вг2 (води.),
п-толуидин + избыток Вг2 (водн.),
п) п-толуидин + NaNO2 + НС1,
C6HSNHCOCH3 + HNO3 + H2SO4,
с) n-CH3C6H4NHCOCH3 + HNO3 + H2SO4,
т) n-C2HBC6H4NH2 + большой избыток CH31,
у) бензанилид + Br2 + Fe,
ф) N.N-диметил-н-бутиламии + Н2О2,
х) продукт реакции (ф) + нагревание.
а) Какую структуру можно предположить для п-К,П-диметиламинобензолсульфо- кислоты? б) Какими свойствами она будет обладать'(температура плавления, температура кипения, растворимость)?
Укажите все стадии возможного лабораторного синтеза приведенных ниже соединений из бензола, толуола и спиртов С4 — С4 с использованием любых необходимых не
з) п-аминобензиламин, и) П-нитрозо-К-изопропиланилин. к) окись триметиламина, л) К-метил-К-этил-н-валерамид, м) н-гексиламин, н) 1-амино-1-фенилбутан, о) аминоацетамид, п) гиппуровая кислота(Се Н5СОМНСН2СООН).з) п-аминобензиламин, и) П-нитрозо-К-изопропиланилин. к) окись триметиламина, л) К-метил-К-этил-н-валерамид, м) н-гексиламин, н) 1-амино-1-фенилбутан, о) аминоацетамид, п) гиппуровая кислота(Се Н5СОМНСН2СООН).органических реагентов:
з) п-аминобензиламин, и) П-нитрозо-К-изопропиланилин. к) окись триметиламина, л) К-метил-К-этил-н-валерамид, м) н-гексиламин, н) 1-амино-1-фенилбутан, о) аминоацетамид, п) гиппуровая кислота
(Се Н5СОМНСН2СООН).
з) п-аминобензиламин, и) П-нитрозо-К-изопропиланилин. к) окись триметиламина, л) К-метил-К-этил-н-валерамид, м) н-гексиламин, н) 1-амино-1-фенилбутан, о) аминоацетамид, п) гиппуровая кислота
(Се Н5СОМНСН2СООН).
2-бром-4-аминотолуол,
З-бром-4-аминотолуол,
п-аминобензолсульфанилид (n-H2NCGH4SO2NHCGH6),
моноацетил-п-фенилендиамин (п-аминоацетаиилид),
n-нитpoзo-N,N-диэтилaиилин,
4-амино-З-нитробензойная кислота, ж) 2,6-дибром-4-изопропиланн-
ЛИН,
а) Предложите механизм для элиминирования по Коупу, объясняющий стереохимию реакции (задача 23.8, стр. 715). (Указание: что является основанием в элиминировании по Коупу?)
Окись амина в твердом состоянии необходимо нагреть примерно до 140 °C для того, чтобы произошла реакция элиминирования; однако в диметилсульфоксиде (ДМСО) или тетрагидрофуране (ТГФ) реакция протекает быстро уже при комнатной температуре. Почему в подобных растворах условия более благоприятны для реакции, чем в твердом состоянии или в растворах в воде или этаноле? (Указание: см. разд. 1.15 и 14.21.) 12. Какова роль n-толуолсульфохлорида в следующей реакции:
13. Опишите простейшие химические пробы (помимо цветных реакций с индикаторами).
позволяющие различить следующие соединения:
а) N-метиланилин и о-толуидин, б) анилин и циклогексиламин, в) h-C4H9NH2 и (h-C4H9)2NH, г) (h-C4H9)2NH и (h-C4H9)3N, д) (CH3)3NHC1 и (CH3)4NC1, е) CgH6NH3C1 и o-C1CgH4NH2, ж) (C2H5)2NCH2CH2OH и
(C2Hb)4NOH,
анилин и ацетанилид, +
(C6HBNH3)2SO4 и n-H3NCGH4SO3,
C1CH2CH2NH2 и CHsCH2NH3C1,
2,4,6-тринитроанилин и анилин, м) CgH5NHSO2C6H5 и CgH5NH3HSO4
Укажите точно, что вы будете делать и что наблюдать.
триэтиламин и «-гептан,анилин и анизол,амид стеариновой кислоты и октадециламин,о-О2МСвН4МН2 нп-НзМС6Н480з ,Укажите точно, что вы будете делать15. Соединения каждого из следующих ряд.триэтиламин и «-гептан,анилин и анизол,амид стеариновой кислоты и октадециламин,о-О2МСвН4МН2 нп-НзМС6Н480з ,Укажите точно, что вы будете делать15. Соединения каждого из следующих ряд.14. Опишите простейшие химические методы для разделения следующих смесей, причем каждый из компонентов нужно выделить в практически чистом виде:
триэтиламин и «-гептан,
анилин и анизол,
амид стеариновой кислоты и октадециламин,
о-О2МСвН4МН2 н
п-НзМС6Н480з ,
Укажите точно, что вы будете делать
15. Соединения каждого из следующих ряд.
триэтиламин и «-гептан,
анилин и анизол,
амид стеариновой кислоты и октадециламин,
о-О2МСвН4МН2 н
п-НзМС6Н480з ,
Укажите точно, что вы будете делать
15. Соединения каждого из следующих ряд.
СвН6МНСН3 и CeH5N(CHs)2,
«-капроновая кислота, три-н-про- пиламин и циклогексан,
о-иитротолуол и о-толуидии,
п-этилаиилин и анилид пропионовой кислоты.
что наблюдать.
имеют очень близкие температуры кипения
или температуры плавления (в пределах нескольких градусов). Опишите простейшие химические пробы, позволяющие различить соединения в каждом ряду.
анилин, бензиламин и М,М-диметилбензиламин,
о-хлорацетанилид и 1-хлор-2,4-диаминобензол,
Ы-этилбензиламии, М-метил-К-этиланилин, Р-фенилэтиламин, и о-толуидин,
ацетанилид и этилоксамат (С2Н5ООССОМН2),
бензонитрил, N.N-диметиланилин и формамид,
И,И-диметил-л<-толуидин, нитробензол и л-толунитрил,
N-(вmop-бyтил)бeнзoлcyльфaмид, п-хлоранилин, о-нитроаиилии, N.N-дибензил- аиилии, п-нитробензилхлорид, 2,4-динитроаиилин, n-толуолсульфохлорид и М-этил-М- (п-толил)-п-толуолсульфамид.*
Укажите точно, что вы будете делать и что наблюдать.
Предполагается, что неизвестный амин является одним из соединений, перечисленных в табл. 23.2. Опишите, как вы идентифицируете это соединение. Используйте, где возможно, простые химические пробы.
Таблица 23.2
Производные некоторых аминов
Амин
Т. кип., °C
Т. пл., °C
бензол - сульфамида
ацетамида
бензамида
л-толуол- сульфамида
м-Толуидин
203
95
66
125
114
N-Этиланилин N -Метил-м-толуидин N.N-Диэтил-о-толуидии
205
206
206
54
66
60
87
N-Метил-о-толуиднн
207
55
66
120
N-Метил-п-то луиднн К,Ы-Диметил-о-хлоранилин
207
207
64
83
53
60
о-Хлоранилни
209
129
87
99
105
Оксим бензофенона C13HUON, т. пл. 141 °C, подобно другим оксимам, растворим в водном растворе едкого натра и дает окрашивание с хлоридом железа (III). При нагревании с кислотами он превращается в твердое вещество A (C13HUON), т. пл. 163 °C, нерастворимое в водном растворе едкого натра и в водном растворе НС1.
После продолжительного нагревания вещества А с водным раствором едкого натра отделяется жидкость Б, которую отгоняют с паром. При подкислении водного остатка осаждается твердое вещество В, белого цвета, т. пл. 120—121 °C.
Вещество Б, т. кип. 184 °C, растворимо в разбавленной соляной кислоте. Если охладить этот кислый раствор и обработать его последовательно нитритом натрия и Р-нафтолом, то образуется твердый продукт красного цвета. Вещество Б реагирует с уксусным ангидридом с образованием вещества с т. пл. 112,5—114 °C.
Какова структура соединения А?
К какому общему классу реакций относится превращение оксима бензофенона в соединение А?
Можете ли вы предложить вероятную последовательность стадий в этом превращении? (Указание: см. разд. 16.5, 6.10 и 8.13.)
Какой продукт или продукты, соответствующие соединению А, могут образоваться при аналогичной перегруппировке оксима ацетона, оксима ацетофенона, оксима п-иитробензофенона и оксима метил-н-пропилкетона?
Каким образом вы будете идентифицировать каждый из продуктов в вопросе (г)?
Новокаин, препарат, обладающий местным анестезирующим действием, имеет общую формулу Cj3H23O2N2. Он нерастворим в воде и разбавленном растворе едкого натра, ио растворим в разбавленной соляной кислоте. При обработке его нитритом натрия и НС1, а затем Р-нафтолом образуется интенсивно окрашенное твердое вещество.
При кипячении новокаина с водным раствором едкого иатра он медленно растворяется. Щелочной раствор встряхивают с эфиром и разделяют слои.
Подкисление водного слоя приводит к осаждению белого твердого вещества А, которое растворяется при дальнейшем добавлении кислоты. Вещество А имеет т. пл. 185— 186 °C и формулу С7Н,О2М.
Из эфирного экстракта после удаления эфира получают жидкость Б формулы CeH16ON. Соединение Б растворяется в воде с образованием раствора, окрашивающего лакмус в синий цвет. Обработка соединения Б уксусным ангидридом дает соединение В (CgH17O2N), которое нерастворимо в воде и разбавленной щелочи, но растворимо в разбавленной соляной кислоте.
Установлено, что соединение Б идентично продукту, образующемуся при действии диэтиламина на окись этилена (разд. 28.11).
Какова структура новокаина?
Укажите все стадии полного синтеза новокаина из толуола и легкодоступных алифатических и неорганических реагентов.
Соединение А имеет формулу C7HgN и легко растворяется в разбавленной соляной кислоте. При охлаждении этого кислого раствора и обработке его сначала нитритом натрия, а затем щелочным раствором Р-нафтола отделяется твердое вещество красного цвета.
При обработке соединения А бромной водой немедленно осаждается твердое вещество Б. Количественный анализ показал, что вещество Б содержит 70% брома.
Какова молекулярная формула соединения Б?
Какова структура соединения А?
Твердое вещество А состава C15H15ON нерастворимо в воде, разбавленной соляной кислоте или разбавленном растворе едкого натра. При продолжительном нагревании вещества А с водным раствором едкого натра иа поверхности щелочного раствора образуется пленка жидкого вещества Б. Это вещество не затвердевает при охлаждении до комнатной температуры; его перегоняют с паром и отделяют. Подкисление щелочной смесивсоляной кислотой приводит к осаждению твердого вещества В белого цвета.
Соединение А растворимо в разбавленной соляной кислоте и реагирует с бензолсульфохлоридом и избытком едкого кали с образованием нерастворимого в основании твердого вещества Г.
Соединение В, т. пл. 180 °C, растворимо в водном растворе NaHCO3 и не содержит азота.
Какова структура соединений А — Г?
Напишите структурные формулы соединений А—К:
А (С9Н17ОК,слщ?т)А (С9Н17ОК,слщ?т)
А (С9Н17ОК,слщ?т)
А (С9Н17ОК,слщ?т)
A -f- нагревание > Б (CgH15N),
Б + СН31, затем Ag2O* В (C10H1VON),
В + нагревание - > Г (C10H17N),
Г + СН31, затем Ag2O» Д (CUH21ON),
Д + нагревание» Е (С6Н10),
Е + Вг2> Ж (CgH10Br2),
Ж + (CH3)2NH —> з (СнН^ма,
3 + СН31, затем Ag2O » И (Cj4H30O2N2),
И + нагревание> К (CgHg).
Соединение А дает положительные реакции на азот, серу и бром. Количественный анализ его приводит к формуле C12H10O2NSBr. Соединение А нерастворимо в воде и разбавленной кислоте, но растворимо в разбавленном растворе едкого кали и даже после продолжительного нагревания регенерируется из раствора при подкислении.
Длительное нагревание с концентрированной соляной кислотой в конце концов приводит к растворению вещества А. При подщелачивании кислого раствора едким натром отделяется твердое вещество Б. Вещество Б содержит азот и бром, но не содержит серы. Оно плавится при 66 °C и быстро реагирует с бромной водой, давая вещество В (CeH4NBr3). Вещество В с трудом растворимо в кислоте и нерастворимо в основании.
Упаривание щелочного раствора, оставшегося после отделения вещества Б, дает в остатке серусодержащий продукт. При перекристаллизации этого остатка выделено
Частота, см-*
5000 4000 3000 25002000150014001300 4200 440040009008007005000 4000 3000 25002000150014001300 4200 44004000900800700ош iih ujJ 11111111111111111 j iJ j..i .11I ш. i In i ш ш I.i-U-lI i i и I i и iош iih ujJ 11111111111111111 j iJ j..i .11I ш. i In i ш ш I.i-U-lI i i и I i и iПропускание, %Пропускание, %Пропускание,Пропускание, %Пропускание, %Пропускание,234567891011121314 IS
5000 4000 3000 25002000150014001300 4200 44004000900800700
5000 4000 3000 25002000150014001300 4200 44004000900800700
ош iih ujJ 11111111111111111 j iJ j..i .11I ш. i In i ш ш I.i-U-lI i i и I i и i
ош iih ujJ 11111111111111111 j iJ j..i .11I ш. i In i ш ш I.i-U-lI i i и I i и i
Пропускание, %Пропускание, %Пропускание,
Пропускание, %Пропускание, %Пропускание,
Длина волны, мкм
Частота, см-1
5000 4000 3000 250020001500 14001300 4200 140040009008007005000 4000 3000 250020001500 14001300 4200 14004000900800700J И 1111 11J h ш 11111 111 111 1111 h 111 11 111 h I 11 h 11 1111.11 11111 111 и г 3456789104112131415J И 1111 11J h ш 11111 111 111 1111 h 111 11 111 h I 11 h 11 1111.11 11111 111 и г 3456789104112131415Длина волны, мкм
5000 4000 3000 250020001500 14001300 4200 14004000900800700
5000 4000 3000 250020001500 14001300 4200 14004000900800700
J И 1111 11J h ш 11111 111 111 1111 h 111 11 111 h I 11 h 11 1111.11 11111 111 и г 3456789104112131415
J И 1111 11J h ш 11111 111 111 1111 h 111 11 111 h I 11 h 11 1111.11 11111 111 и г 3456789104112131415
Частота, см-1Частота, см-15000 4000 3000 25002000150014001300 4200 110010009008007005000 4000 3000 25002000150014001300 4200 11001000900800700Рис. 23.3. ИК-спектры к задаче 24.Рис. 23.3. ИК-спектры к задаче 24.Длина волны, мкм
Частота, см-1
Частота, см-1
5000 4000 3000 25002000150014001300 4200 11001000900800700
5000 4000 3000 25002000150014001300 4200 11001000900800700
Рис. 23.3. ИК-спектры к задаче 24.
Рис. 23.3. ИК-спектры к задаче 24.
Рис. 23.4. ПМР-спектры к задаче 25.
Частота, см-1
50004000 3000 250020001500140013001200 11001000900800ТОО
100
ОХ° 80
I 60
Х2г-Г\<
рП11 ГТ I I р |П1Г|1) lip'TI Г|ППТПГГ|ПТПГПТрПТГП1 i j«i I ГП1 i 11 I П
о
г 3456789 ГО И 12131415
Длина волны, мкм
Частота, см-1
23456?8 Э 10 H 12151415
Рис. 23.5. ИК-спектры к задаче 26.
Длина волны, мкм
Рис. 23.6. ПМР-спектры к задаче 26
соединение с формулой С6Н5О3 SNa, не имеющее определенной температуры плавления,
Какова структура соединений А, Б и В?
Почему вещество В трудно растворимо в кислоте?
Приведите схему синтеза соединения А из бензола и любых необходимых неорганических реагентов.
Неизвестное соединение А содержит хлор и азот. Ойо легко растворяется в воде, давая раствор, окрашивающий лакмус в красный цвет. Титрование соединения А стандартным основанием дает эквивалент нейтрализации 131 ± 2.
При обработке образца вещества А водным NaOH отделяется жидкое вещество Б. Оно содержит азот, но не содержит хлора. Обработка вещества Б азотистой кислотой, а затем Р-нафтолом приводит к образованию красного осадка.
Что собой представляет соединение А? Напишите уравнения всех реакций.
Какие из следующих соединений будут иметь ПК-спектры, показанные на рис. 23.3? н-бутиламин,о-анизидин,
диэтиламин,п-анизидин,
N-метилформамид,анилин,
N, N-диметилформамид,N, N-димети л-о-толуидин,
2-(диметиламино)этанол,ацетанилид.
Напишите структурную формулу или формулы, согласующиеся с каждым из ПМР- спектров, показанных на рис. 23.4.
Напишите структурные формулы веществ А, Б и В на основании их ИК-спектров (рис. 23.5) и ПМР-спектров (рис. 23.6).
24
Соли диазония
Строение и номенклатура
Реакция первичных ароматических аминов с азотистой кислотой приводит к образованию важного класса соединений, известных под названием солей диазония. Эти соли имеют общую формулу ArN^X", где Х~— любой из многочисленных анионов, таких, как Cl”, Br-, NOg, HSO^, BF7 и т. д.
Аг—N=N:+X-соль диазония
Названия солей диазония образуются путем добавления окончания диазоний к названию радикала исходного ароматического соединения с указанием названия аниона, например:
^^N=N+C14CH3^Q^N=N+Br-
фенилдиазонийхлоридл-толилдиазонийбромид
(хлористый фенилдиазоний 1(бромистый п-толилдиазовии)
o2n(Q)n^n-bf4-it -нитрофенилдиазонийборфторид
Физические свойства
Сухие соли диазония представляют собой кристаллические вещества, многие из них взрывают. Из-за их неустойчивости соли диазония редко выделяют в чистом виде, обычно используют свежеприготовленные растворы солей диазония.
Методы синтеза
Поскольку азотистая кислота — неустойчивое соединение, то ее генерируют в присутствии амина взаимодействием нитрита натрия с минеральной кислотой, обычно соляной или серной. Суммарное уравнение диазотирования следующее:
ArNH2 + NaNO2 + 2НХ Н3 ^Д? ArN?X~ + NaX + 2Н2О первичныйсоль
ароматическийдиазония
амин
Диазотирование обычно проводят следующим образом: амин растворяют или суспендируют в водном растворе минеральной кислоты. При этом используют более двух эквивалентов кислоты на 1 моль амина, требуемых по уравнению реакции; избыток кислоты служит для поддержания сильно-
кислой реакции среды, что, как будет показано ниже (задача 24.5, стр. 744), необходимо для предотвращения нежелательных побочных реакций. Смесь амина и кислоты охлаждают в смеси льда с солью до температуры от —10 до О °C. Затем прибавляют водный раствор нитрита натрия с такой скоростью, чтобы температура не поднималась выше 5—10 °C (диазотирование — экзотермическая реакция). Хотя количество нитрита натрия, теоретически необходимое для реакции, можно рассчитать, происходит некоторая потеря азотистой кислоты в виде NO и NO2, поэтому необходимо проверять реакционную смесь для того, чтобы убедиться, что добавлено необходимое количество нитрита натрия. Такая проверка проводится с помощью иодкрах- мальной бумажки. Из избытка нитрита натрия образуется азотистая кислота, которая не расходуется на реакцию с амином; поскольку азотистая кислота является окислителем, она превращает иодид-ион в свободный иод, который, реагируя с крахмалом, дает характерное темно-синее окрашивание. Поскольку избыток азотистой кислоты мешает дальнейшим реакциям с солями диазония, то его разрушают добавлением небольшого количества мочевины (H2NCONH2), которая реагирует с азотистой кислотой, образуя азот, двуокись углерода и воду (разд. 29.12). Избыток мочевины не мешает дальнейшим реакциям.
Поскольку соли диазония медленно разлагаются даже при температуре ледяной бани, их растворы используют немедленно после получения.
Реакции
Многочисленные реакции, в которые вступают соли диазония, можно разделить на два класса: реакции замещения, в которых азот теряется в виде N2 и какие-либо другие атомы или группы занимают его место в кольце, и реакции сочетания*, в которых азот сохраняется в продуктах реакции.
РЕАКЦИИ СОЛЕЙ ДИАЗОНИЯ
1. Замещение азотаа) Замещение на С1,1. Замещение азотаа) Замещение на С1,ArN2 + : Z» ArZ + N2ArN2 + : Z» ArZ + N2Вг и CN. Реакция Зандмейера (разд. 24.5, 24.6)Вг и CN. Реакция Зандмейера (разд. 24.5, 24.6)ArN2ArN2Примеры.Примеры.CuClэ- ArCl + N2CuBr—-*• ArBr + N2CuCN>- ArCN + N2CuClэ- ArCl + N2CuBr—-*• ArBr + N2CuCN>- ArCN + N2NaNO2, HCINaNO2, HCIо-топуиЗико-топуиЗикс-толилдиазоний- хлориЗс-толилдиазоний- хлориЗCuCI.CuCI.+ N2+ N2о-хлортолуоло-хлортолуолNaNO,, H,SO,NaNO,, H,SO,о-щалуидино-щалуидинCH,CH,CuBrCuBrN2N2о-бромтолуоло-бромтолуоло-голуидино-голуидинNaNO2, HCINaNO2, HCICuCK^CuCK^+ N2+ N2о-толунитрило-толунитрил
1. Замещение азота
а) Замещение на С1,
1. Замещение азота
а) Замещение на С1,
ArN2 + : Z» ArZ + N2
ArN2 + : Z» ArZ + N2
Вг и CN. Реакция Зандмейера (разд. 24.5, 24.6)
Вг и CN. Реакция Зандмейера (разд. 24.5, 24.6)
ArN2
ArN2
Примеры.
Примеры.
CuCl
э- ArCl + N2
CuBr
—-*• ArBr + N2
CuCN
>- ArCN + N2
CuCl
э- ArCl + N2
CuBr
—-*• ArBr + N2
CuCN
>- ArCN + N2
NaNO2, HCI
NaNO2, HCI
о-топуиЗик
о-топуиЗик
с-толилдиазоний- хлориЗ
с-толилдиазоний- хлориЗ
CuCI.
CuCI.
+ N2
+ N2
о-хлортолуол
о-хлортолуол
NaNO,, H,SO,
NaNO,, H,SO,
о-щалуидин
о-щалуидин
CH,
CH,
CuBr
CuBr
N2
N2
о-бромтолуол
о-бромтолуол
о-голуидин
о-голуидин
NaNO2, HCI
NaNO2, HCI
CuCK^
CuCK^
+ N2
+ N2
о-толунитрил
о-толунитрил
б) Замещение иа I (разд. 24.5)
ArN2 + I * Ari + N2
Пример:
NaNO2. H;SO4NaNO2. H;SO4n2+hso4~n2+hso4~анилинанилин
NaNO2. H;SO4
NaNO2. H;SO4
n2+hso4~
n2+hso4~
анилин
анилин
в) Замещение на F (разд. 24.5)нагреваниеArN2BF7»- ArF + N2 + BF3Пример:в) Замещение на F (разд. 24.5)нагреваниеArN2BF7»- ArF + N2 + BF3Пример:NFI2М^СГN2BF7FNFI2М^СГN2BF7Fанилинфенилдиазоний- фенилдиазоний-фторбензолхлоридборфторид,выделяетсяв кристаллическом видег) Замещение на ОН (разд. 24.7)ArN2 + Н2О >- АгОН + М2 фенолПримеры:анилинфенилдиазоний- фенилдиазоний-фторбензолхлоридборфторид,выделяетсяв кристаллическом видег) Замещение на ОН (разд. 24.7)ArN2 + Н2О >- АгОН + М2 фенолПримеры:
в) Замещение на F (разд. 24.5)
нагревание
ArN2BF7»- ArF + N2 + BF3
Пример:
в) Замещение на F (разд. 24.5)
нагревание
ArN2BF7»- ArF + N2 + BF3
Пример:
NFI2М^СГN2BF7F
NFI2М^СГN2BF7F
анилинфенилдиазоний- фенилдиазоний-фторбензол
хлоридборфторид,
выделяетсяв кристаллическом виде
г) Замещение на ОН (разд. 24.7)
ArN2 + Н2О >- АгОН + М2 фенол
Примеры:
анилинфенилдиазоний- фенилдиазоний-фторбензол
хлоридборфторид,
выделяетсяв кристаллическом виде
г) Замещение на ОН (разд. 24.7)
ArN2 + Н2О >- АгОН + М2 фенол
Примеры:
NaNO2, H2SO4NaNO2, H2SO4hah* нагреваниеhah* нагреваниео-крезоло-крезолNaNO2, H2SO4NaNO2, H2SO4N2+HSO4-CJno2N2+HSO4-CJno2н2о, н + нагреваниен2о, н + нагреваниел-нитрофенолл-нитрофенолм-литросшилинм-литросшилинд) Замещение на Н (разд. 24.8)ArN2 + Н3РО2Пример:д) Замещение на Н (разд. 24.8)ArN2 + Н3РО2Пример:НгО^ Ari I -р Н3РО3 + N2НгО^ Ari I -р Н3РО3 + N2nh2^^^jCl NaNO,. H2SO4Cl2.,4-вихлоранилинnh2^^^jCl NaNO,. H2SO4Cl2.,4-вихлоранилин2. Сочетание2. СочетаниеAr—N=NAr—N=NазосоединениеазосоединениеG-сильная эленгпронодонорная группа:OH, nr2, nhr, nh2G-сильная эленгпронодонорная группа:OH, nr2, nhr, nh2Пример:Пример:слабо-щелочнаясредаслабо-щелочнаясредафенилвиазоний-хлоридфенилвиазоний-хлоридфенолфенолп-опсиазобензол [п.-1у:енилазо)ч)енол]п-опсиазобензол [п.-1у:енилазо)ч)енол]
NaNO2, H2SO4
NaNO2, H2SO4
hah* нагревание
hah* нагревание
о-крезол
о-крезол
NaNO2, H2SO4
NaNO2, H2SO4
N2+HSO4-
CJno2
N2+HSO4-
CJno2
н2о, н + нагревание
н2о, н + нагревание
л-нитрофенол
л-нитрофенол
м-литросшилин
м-литросшилин
д) Замещение на Н (разд. 24.8)
ArN2 + Н3РО2
Пример:
д) Замещение на Н (разд. 24.8)
ArN2 + Н3РО2
Пример:
НгО
^ Ari I -р Н3РО3 + N2
НгО
^ Ari I -р Н3РО3 + N2
nh2
^^^jCl NaNO,. H2SO4
Cl
2.,4-вихлоранилин
nh2
^^^jCl NaNO,. H2SO4
Cl
2.,4-вихлоранилин
2. Сочетание
2. Сочетание
Ar—N=N
Ar—N=N
азосоединение
азосоединение
G-сильная эленгпронодонорная группа:
OH, nr2, nhr, nh2
G-сильная эленгпронодонорная группа:
OH, nr2, nhr, nh2
Пример:
Пример:
слабо-щелочнаясреда
слабо-щелочнаясреда
фенилвиазоний-хлорид
фенилвиазоний-хлорид
фенол
фенол
п-опсиазобензол [п.-1у:енилазо)ч)енол]
п-опсиазобензол [п.-1у:енилазо)ч)енол]
47-256
Замещение диазогруппы представляет собой наилучший путь введения заместителей F, Ci, Вг, I, CN, ОН и Н в ароматическое кольцо. Соли диазония ценны в синтезе не только потому, что они способны реагировать с образованием такого большого числа классов соединений, но и потому, что их можно получить почти из всех первичных ароматических аминов. Имеется очень немного групп, присутствие которых в молекуле мешает реакции диазотирования, и в этом отношении соли диазония сильно отличаются от реагентов Гриньяра (разд. 15.17). Амины, из которых синтезируют соли диазония, легко образуются из соответствующих нитросоединений, которые получают прямым нитрованием. Таким образом, соли диазония являются важнейшим звеном в следующей последовательности реакций:
-*■ Аг—F
-* Аг—С1
-* Аг—Вг
АгН> ArNO2> ArNHs» ArNt — ~* Аг—I
-*- Ar—CN> ArCOOH
-* Ar—OH
Помимо только что перечисленных атомов и групп, имеются еще десятки других групп, которые можно ввести в ароматическое кольцо путем замещения азота диазония; к их числу относятся, например, Ar, NO2, OR, SH, SR, NCS, NCO, PO3H2, AsO3H8, SbO3H2; наилучший путь введения большинства этих групп — реакция с диазосоединениями.
Реакция сочетания солей диазония с ароматическими фенолами и аминами дает азосоединения, представляющие собой чрезвычайно важные вещества для производства красителей.
Замещение на галоген. Реакция Зандмейера
Реакцию замещения диазогруппы на хлор или бром осуществляют, смешивая свежеприготовленный раствор соли диазония с хлоридом или бромидом одновалентной меди при комнатной температуре (или иногда при повышенной температуре); выделяется азот и через несколько часов арилхлорид или арилбромид можно выделить из реакционной смеси. Эта реакция с использованием галогенидов одновалентной меди известна как реакция Зандмейера.
СиХ
ArNtX" »- АгХ + N2
Иногда применяют модификацию этой реакции, известную под названием реакции Гаттермана, в которой вместо галогенидов одновалентной меди используют порошок меди и галогеноводород.
Замещение диазогруппы на иод не требует применения галогенида ме- ди(1) или порошка меди; реакция происходит при простом смешивании соли диазония с иодидом калия
ArN2X" + Г> Ari + N2 + X"
Замещение диазогруппы на фтор проводят несколько иначе: к раствору соли диазония прибавляют борофтористоводородную кислоту (HBF4), причем осаждается борфторид диазония ArN^BF^, который отфильтровывают.
промывают и сушат. Борфториды диазония — довольно устойчивые соединения. При нагревании сухой борфторид диазония разлагается с образованием арилфторцда, трехфтористого бора и азота.
HBF4нагревание
ArN^X" > ArN2BF7► ArF + BFS + N,
Методика с использованием гексафторфосфата диазония ArN^PFe аналогична только что рассмотренной.
Преимущества синтеза арилгалогенидов из солей диазония будут подробно обсуждены в разд. 26.5. Арилфториды и арилиодиды обычно нельзя получить прямым галогенированием. Арилхлориды и арилбромиды можно синтезировать прямым галогенированием, но в тех случаях, когда образуется смесь орто- и пара-изомеров, ее бывает трудно разделить на индивидуальные вещества из-за близости их температур кипения. Сырьем для получения солей диазония являются в конечном счете нитросоединения, которые обычно можно получить в чистом виде.
Замещение на CN. Синтез карбоновых кислот
Диазогруппа замещается на CN при взаимодействии соли диазония с цианидом одновалентной меди. Для предотвращения потерь цианид-иона в виде HCN раствор соли диазония перед добавлением цианида меди нейтрализуют карбонатом натрия.
CuCN
ArN^X" >■ ArCN + N2
Гидролиз нитрилов приводит к карбоновым кислотам. Таким образом, синтез нитрилов из солей диазония представляет собой отличный способ превращения нитросоединений в карбоновые кислоты, например:
СН3СН3 СН3СНз СН3
п-толуиловая п-толуншприл к толилдиазоний- п-толуидин п-нитротолуол толуол кислотахлорид
Этот путь синтеза ароматических карбоновых кислот обычно более универсален, чем карбоксилирование реактива Гриньяра и окисление боковых цепей. Мы только что убедились, что чистые бромпроизводные, необходимые для получения реактивов Гриньяра, чаще всего получаются через соли диазония; кроме того, .существует большое число групп, которые мешают получению и применению реактивов Гриньяра (разд. 15.17). Нитрогруппу, как правило, легче ввести в молекулу, чем алкильную боковую цепь; кроме того, боковую цепь нельзя превратить в карбоксильную группу в том случае, если молекула содержит другие группы, чувствительные к окислению.
Замещение на ОН. Синтез фенолов
Соли диазония реагируют с водой, давая фенолы. Эта реакция
ArN2X~ + Н2О> АгОН + N2 + Н+
медленно протекает в ледяном растворе солей диазония, и она является причиной, по которой соли диазония используют немедленно после их приготовления; при повышенных температурах эта реакция может стать главной реакцией солей диазония.
В разд. 24.10 будет показано, что фенолы могут вступать в реакцию сочетания с солями диазония, образуя азосоединения, но чем более кислым будет раствор, тем медленнее протекает эта реакция сочетания. Для того чтобы свести к минимуму реакцию сочетания при синтезе фенолов — сочетание между уже образовавшимся фенолом и еще не прореагировавшей солью диазония,— раствор соли диазония медленно прибавляют к большому объему кипящей разбавленной серной кислоты.
Этот метод представляет собой наилучший общий метод синтеза важного класса соединений — фенолов.
Замещение на Н
Замещение диазогруппы на водород можно осуществить, используя ряд восстанавливающих агентов; вероятно, из них наиболее широкое применение находит фосфорноватистая кислота Н3РО2. Соль диазония просто оставляют стоять в присутствии фосфорноватистой кислоты; при этом выделяется азот, а фосфорноватистая кислота окисляется в фосфористую кислоту
АгГфГ + HgPO2 + Н2О> АгН + N2 + Н3Р03 + НХ
Особенно элегантный метод проведения этой реакции — использование фосфорноватистой кислоты в качестве агента при диазотировании: амин растворяют в фосфорноватистой кислоте и прибавляют нитрит натрия; соль диазония восстанавливается по мере образования.
С помощью этой реакций можно удалять МН2- или ЬЮ2-группы из ароматического кольца. Этот процесс может оказаться чрезвычайно важным в синтезе, как показано на ряде примеров в следующем разделе.
Синтезы с использованием солей диазония
Рассмотрим некоторые примеры использования солей диазония в органическом синтезе.
Начнем с довольно простых соединений — трех изомерных бромтолуо- лов. Наилучший синтез каждого из них включает использование реакции диазотирования, которая, однако, применяется в каждом из этих трех случаев для различных целей.
о- и n-Бромтолуолы синтезируют из соответствующих о- и п-нитротолуо- лов
оброомтолуоп, т.«ипЛ8г“С
о-толилбиаэояий- бромид
о-талуидан
о-нитротмуол, т. nun. 222°C
толуол
п-бромтолуе) т. пип. f85®C
N/Br" п-пюлилбиазинии- брокшв
п-нитротолуол, т.пип. 238°С
Преимущество этих многоступенчатых синтезов перед реакцией прямого бромирования состоит в том, что получается чистый продукт. Разделение о- и л-бромтолуолов, образующихся при прямом бромировании, не представляется возможным.
Синтез ж-бромтолуола осуществить значительно труднее. Сложность в этом случае заключается в том, что нужно получить соединение, содержащее две орто, пара-ориентирующие группы, которые находятся в мета-поло- жении друг к другу. Бромирование толуола или метилирование бромбензола не приведет к образованию нужного изомера. ж-Бромтолуол получают с помощью следующей последовательности реакций:
М2+С1-М2+С1-, соль диазопия, соль диазопияNaNO, 1 наNaNO, 1 намн2мн2NHCOCH,NHCOCH,BrzBrzNO2NH2NHCOCH3толуолг,-нитротолуол п-толуидинауето-п-тоолуидидNO2NH2NHCOCH3толуолг,-нитротолуол п-толуидинауето-п-тоолуидид
М2+С1-
М2+С1-
, соль диазопия
, соль диазопия
NaNO, 1 на
NaNO, 1 на
мн2
мн2
NHCOCH,
NHCOCH,
Brz
Brz
NO2NH2NHCOCH3
толуолг,-нитротолуол п-толуидинауето-п-тоолуидид
NO2NH2NHCOCH3
толуолг,-нитротолуол п-толуидинауето-п-тоолуидид
Ключевая стадия синтеза — введение группы, которая является гораздо более сильным орто,пара-ориентантом, чем группа СН3, и которую можно легко удалить после того, как она выполнит свою задачу: направит входящий бром в нужное положение. Такой группой является —NHCOCH3: ее вводят в пара-положение толуола с помощью реакций нитрования, восстановления и ацетилирования и она легко удаляется гидролизом, диазотированием и восстановлением.
Задача 24.1. Приведите схемы синтеза из бензола или толуола следующих соединений: л-нитротолуола, л-иодтолуола, 3,5-дибромтолуола, 1,3,5-трибромбензола, трех изомеров толуиловой кислоты (СН3СвН4СООН) и трех изомеров метилфенола (крезолов).
Синтез ж-бромтолуола основан на том, что диазогруппа получается из группы, представляющей сильный олто.пара-ориентант. Однако в конечном счете диазогруппа образуется из МО2-группы, являющейся сильным ме- ma-ориентантом. Это обстоятельство также можно использовать, как, например, в синтезе ж-бромфенола
.и-бромфенил- <ц.-броманилин оиазояиихлорид.и-бромфенил- <ц.-броманилин оиазояиихлоридас-бромнитро- нитробензол бензолас-бромнитро- нитробензол бензол
.и-бромфенил- <ц.-броманилин оиазояиихлорид
.и-бромфенил- <ц.-броманилин оиазояиихлорид
ас-бромнитро- нитробензол бензол
ас-бромнитро- нитробензол бензол
В этом случае мы вновь сталкиваемся с задачей синтеза соединения, содержащего два орто, пара-ориентанта, расположенных в же/па-положении друг к другу. Бромирование на стадии нитросоединения приводит к получению соединения с требуемым жета-расположением групп.
Задача 24.2. Приведите схемы синтеза из бензола или толуола следующих соединений: л-дибромбензола, л-иоднитробензола, л<-фторанилина, льдифторбензола и льфториод- бензола.
NaN02 Н^о/NaN02 Н^о/2.,б-дибром-4- нитпроанилин2.,б-дибром-4- нитпроанилинBl2, сн3соонBl2, сн3соонО2КО2К[^?lN2+HSO4-[^?lN2+HSO4-CuBrCuBrкислый сульфатг.,6-вибром-4-нитрофенил-диа.зониякислый сульфатг.,6-вибром-4-нитрофенил-диа.зония3,4,5 трибромнитробензол3,4,5 трибромнитробензолnh2nh2п-нитроанилинп-нитроанилин
NaN02 Н^о/
NaN02 Н^о/
2.,б-дибром-4- нитпроанилин
2.,б-дибром-4- нитпроанилин
Bl2, сн3соон
Bl2, сн3соон
О2К
О2К
[^?lN2+HSO4-
[^?lN2+HSO4-
CuBr
CuBr
кислый сульфатг.,6-вибром-4-нитрофенил-диа.зония
кислый сульфатг.,6-вибром-4-нитрофенил-диа.зония
3,4,5 трибромнитробензол
3,4,5 трибромнитробензол
nh2
nh2
п-нитроанилин
п-нитроанилин
И наконец, рассмотрим синтез 1,2,3-трибромбензола
ВгВгВг
Вг н3гог (сл^вг jy^z (Г^1®г
Вг *СГ+Г^^^Вг ^НС|H2NX^Br
О^З-тприбромбетол3,4,5-трибромфенил-3,4,5-тори бром анилин
аиазониихлорив'
Этот синтез основан на том, что NO2-rpynna представляет собой мета-орн- ентант, a NH2-rpynna — орто.пара-ориентант, и каждую из них можно превратить в диазогруппу. Одна диазогруппа замещается на Вг, другая — на Н.
Задача 24.3. Приведите схему синтеза 2,6-дибромтолуола и 3,5-дибромнитробензола из бензола или толуола.
Реакция сочетания. Синтез азосоединений
В соответствующих условиях соли диазония реагируют с некоторыми ароматическими соединениями с образованием соединений общей формулы Аг—N = N—Аг', называемых азосоединениями. В этой реакции, известной под названием азосочетание, азот диазогруппы сохраняется в продукте реакции в отличие от уже изученных нами реакций замещения, в которых азот отщепляется.
ДгМ2 + Аг'Н> Аг—N=N—Аг' + Н+
азосоединение
Ароматическое кольцо (Аг'Н), подвергающееся атаке ионом диазония, должно, как правило, содержать сильную электронодонорную группу.обыч- но ОН, NR2, NHR, NHo. Замещение обычно протекает в пара-положение к активирующей группе. Сочетание с фенолами проводят в слабощелочном растворе, а с аминами — в слабокислом растворе.
Активация электронодонорными группами, так же как данные кинетических исследований, показывает, что реакция сочетания представляет собой реакцию электрофильного замещения в ароматическом ряду, в которой атакующим агентом является ион диазония:
Следует отметить, что ароматические соединения, вступающие в реакцию сочетания, также вступают в реакцию нитрозирования. Очевидно, диа- зоний-ион ArN^, как и нитрозоний-ион NO+, является очень слабым электрофилом и способен атаковать лишь очень реакционноспособные кольца.
Задача 24.4. Фенилдиазонийхлорид сочетается с фенолом, но не вступает в реакцию с менее реакционноспособным анизолом. 2,4-Динитрофенилдиазонийхлорид, однако, реагирует с анизолом; 2,4,6-тринитрофенилдиазонийхлорид сочетается даже с углеводородом — мезитилеиом (1,3,5-триметилбензолом), а) Как вы объясните подобное различие в поведении? б) Будет ли и-толилдиазонийхлорид, по вашему мнению, более или меиее сильным реагентом в реакции сочетания, чем фенилдиазонийхлорид?
В лабораторной практике реакция сочетания требует несколько большего, чем простого смешивания соли диазония с фенолом или амином. С любой реакцией солей диазония конкурирует реакция с водой с образованием фенола. Если реакция сочетания из-за неблагоприятных условий протекает медленно, то образование фенола вполне может стать основной реакцией. Более того, фенол, образующийся из соли диазония, сам может вступать в реакцию сочетания; даже сравнительно небольшое количество этого побочного продукта сочетания может загрязнить желаемый продукт до такой степени, что он потеряет всякую ценность, поскольку обычно синтезируют краситель, цвет которого должен быть предельно чистым. Поэтому необходимо выбирать такие условия, чтобы реакция сочетания протекала возможно быстрее.
Наиболее важно, чтобы была подобрана правильно кислотность или щелочность среды для проведения реакции сочетания. Это достигается добавлен нием нужного количества основания или солей типа ацетата натрия или карбоната натрия. Полезно несколько подробнее рассмотреть этот вопрос, поскольку он может служить хорошей иллюстрацией проблемы, часто встречающейся в практике органической химии.
Ион диазония ArNj является электрофильным реагентом. В присутствии гидроксил-иона ион диазония существует в равновесии с неионизованным соединением (Аг—N=N—ОН) и солями (Аг—N = N—O~Na+), получаемыми из него:
NaOH NaOH
Ar—N=N+OH* *=^ Ar—N=N—OH ч=^ Ar—N=N—O"Na+сочетается ие сочетается не сочетается
На данном этапе нам достаточно знать, что гидроксил-ион способствует превращению иона диазония, способного вступать в реакцию сочетания, в соединения, не способные к этому. Таким образом, если рассматривать лишь электрофильные реагенты, то реакции сочетания будет благоприятствовать низкая концентрация гидроксил-иона, т. е. высокая кислотность среды.
Но к акое влияние оказывает высокая кислотность на амин или фенол, с которы м реагирует соль диазония? Кислота превращает амин в ион, который из-за наличия положительного заряда относительно неактивен к реакциям электрофильного замещения, причем настолько неактивен, что не будет реагировать со слабоэлектрофильным ионом диазония. Чем выше кислотность, тем больше доля амина, существующего в виде иона, и тем ниже скорость сочетания.
сочетаетсясочетаетсяне сочетаетсяне сочетается
сочетается
сочетается
не сочетается
не сочетается
азобензолазобензолл-митроазобензолл-митроазобензол
азобензол
азобензол
л-митроазобензол
л-митроазобензол
Аналогичная ситуация наблюдается для фенола. Фенол обладает заметно кислыми свойствами; в водном растворе он существует в равновесии с фенолят-ионом
ОН
Наличие полного отрицательного заряда делает заместитель—О- более сильным донором электронов, чем —ОН; поэтому фенолят-ион гораздо более реакционноспособен, чем неионизованный фенол в реакциях электрофильного замещения. Чем выше кислотность среды, тем больше содержание фенола, находящегося в неионизированном состоянии, и тем ниже скорость сочетания. Таким образом, для реакции сочетания аминов или фенолов благоприятна низкая кислотность среды.
Условия, при которых наиболее быстро происходит реакция сочетания, являются компромиссными: раствор не должен быть слишком щелочным, чтобы концентрация диазоний-иона не стала слишком низкой; он не должен быть слишком кислым, чтобы концентрация свободного амина или фенолят- иона не стала слишком низкой. Оказывается, что амины быстрее всего сочетаются в слабокислых растворах, а фенолы — в слабощелочных.
Задача 24.5. Укажите вероятную причину использования избытка минеральной кислоты при реакции диазотирования.
Задача 24.6. а) Сочетание солей диазония с первичными или вторичными (ио не третичными) ароматическими аминами осложняется побочной реакцией, в результате которой образует ся соединение, изомерное азосоединениям. Основываясь на реакции вторичных ароматических аминов с азотистой кислотой (разд. 23.12), предположите вероятную структуру этого побочного продукта, б) При обработке минеральной кислотой этот побочный пр одукт регенерирует исходные реагенты, которые при рекомбинации дают азосоединения. Какова, по вашему мнению, функция кислоты в ходе этой регенерации? (Указание: см. задачу 5.6, стр. 162.)
Азосоединения
Азо соединения Аг—N=N—Аг' можно назвать одним из двух способов Менее сложные соединения называют как производные азобензола. Положение заместителей в кольцах обычно обозначают цифрами, причем для обозначения положений в разных кольцах используются цифры со штрихом, например: '
4,4-вибромазобензол4,4-вибромазобензол2-метил-4-оксцазобензол2-метил-4-оксцазобензол
4,4-вибромазобензол
4,4-вибромазобензол
2-метил-4-оксцазобензол
2-метил-4-оксцазобензол
BrK>V-N=N-
(Использование цифр со штрихом для обозначения заместителей в двух или более эквивалентных частях молекулы является обычным в органической химии.)
п-(фенилазо) фенолп-(фенилазо) фенолБолее сложные азосоединения называют, рассматривая арилазогруппу Аг—N = N— как заместитель, например:
п-(фенилазо) фенол
п-(фенилазо) фенол
Л.-(фенила.зо)бензолсулыронислоша.
н.-(н-нитрофснилазо)-®^-аиметиланилин
Азосоединения — первые из числа изученных нами соединений, которые интенсивно окрашены. В зависимости от структуры молекулы они могут быть окрашены в интенсивно желтый, оранжевый, красный, синий или даже зеленый цвет. Благодаря своей окраске азосоединения широко применяются в качестве красителей. Примерно половина используемых в современной промышленности красителей являются азокрасителями. Некоторые из индикаторов, уже знакомые студентам, также относятся к числу азокрасителей.
ноосноосN=NN=NОНОНхризамин G, желтый нрасительхризамин G, желтый нрасительсоонсоонлара-красный красный красищелълара-красный красный красищелъМ(СН3)2М(СН3)2Na+-O3SNa+-O3S
ноос
ноос
N=N
N=N
ОН
ОН
хризамин G, желтый нраситель
хризамин G, желтый нраситель
соон
соон
лара-красный красный красищелъ
лара-красный красный красищелъ
М(СН3)2
М(СН3)2
Na+-O3S
Na+-O3S
метиловый оранжевый,кислотно-основнои индикатор „_ .
(красный в кислой и желтый в щелочной сревах)
Окисление в мягких условиях, например перекисью водорода, превращает азосоединения в азоксисоединеиия.
азобензол, оранжево-красныйазобензол, оранжево-красныйН2О2)Н2О2)О азонсибензол желтыйО азонсибензол желтый
азобензол, оранжево-красный
азобензол, оранжево-красный
Н2О2)
Н2О2)
О азонсибензол желтый
О азонсибензол желтый
Щелочное восстановление в мягких условиях (например, цинком и едким натром) превращает азосоединения в гидразосоединения.
азобензол^ оранжево красныйазобензол^ оранжево красныйZn NaOHZn NaOHгидразобензол, бесцветныйгидразобензол, бесцветный
азобензол^ оранжево красный
азобензол^ оранжево красный
Zn NaOH
Zn NaOH
гидразобензол, бесцветный
гидразобензол, бесцветный
Наиболее важная реакция азосоединений — расщепление, которое обычно осуществляется действием сильных восстановителей, например хлорида оло- ва(П). Эта реакция приводит к образованию двух аминов, и она очень полезна при определении структуры азосоединений.
SnCl2. н+
Ar—N=N—Аг' > ArNH, + H2NAr'
азосоединениеамин амин
Задача 24.7. Обработка азосоединения хлоридом олова(П) дает З-бром-4-аминотолуол и 4-амино-2-метилфенол. а) Какова структура азосоединения? б) Приведите схему синтеза этого азосоедииения, исходя из бензола и толуола.
Задача 24.8. Покажите, как можно использовать азосоединеиие при получении п-амино- П,М-диметиланилина?
Гидразосоединения.
Бензидиновая перегруппировка
Zn, NaOH^Zn, NaOH^гидразобензолгидразобензолГидразосоединения ArNHNHAr' — бесцветные вещества, имеющие гораздо менее важное значение, чем азосоединения. Они образуются в результате восстановления азосоединений в мягких условиях. Симметричные гидразосоединения удобнее получать прямым восстановлением нитросоединений; в лаборатории для этой цели используют цинк и едкий натр.
Zn, NaOH^
Zn, NaOH^
гидразобензол
гидразобензол
н н Vй’н н Vй’СН3СН3о-гивразотолуол (2^'виме1пилгивра.зобензол)о-гивразотолуол (2^'виме1пилгивра.зобензол)2 ©NO2нитробензол,гмопя
н н Vй’
н н Vй’
СН3
СН3
о-гивразотолуол (2^'виме1пилгивра.зобензол)
о-гивразотолуол (2^'виме1пилгивра.зобензол)
О" Zn, NaOH NOZ
о-нитротолуол, 2 молн
Гидразосоединения легко окисляются (даже воздухом) в соответствующие азосоединения.
Наиболее широко используемой и интересной реакцией гидр азосоединений является перегруппировка под действием минеральной кислоты. Как показано ниже, сам гидразобензол дает при этом 4,4'-диаминобифенил, обычно называемый бензидином; поэтому перегруппировка носит название бензидиновая перегруппировка. В результате перегруппировки получается продукт, образование которого можно представить следующим образом: молекула складывается пополам, образуется связь между парц-положениями двух колец и разрывается связь азот—азот. Имеющиеся данные подтверждают.
что истинный ход реакций более или менее соответствует этой воображаемой картине.
о- гиОразотолдол ^^'-аиметилгибразобеизол)о- гиОразотолдол ^^'-аиметилгибразобеизол)о-толидин^З-диметаилА^-биаменобифенил)о-толидин^З-диметаилА^-биаменобифенил)
о- гиОразотолдол ^^'-аиметилгибразобеизол)
о- гиОразотолдол ^^'-аиметилгибразобеизол)
о-толидин
^З-диметаилА^-биаменобифенил)
о-толидин
^З-диметаилА^-биаменобифенил)
Бензидин и замещенные бензидины, будучи ароматическими диаминами, сами по себе очень полезны при синтезе азокрасителей. При обработке азотистой кислотой обе аминогруппы диазотируются, так что сочетание может протекать по обоим концам молекулы, например:
бензиЗин
HONO
SOjH
Юфтшмовая кислота.
SO3H нафтионовая мстишь
сочетание
ЗАДАЧИ
Напишите структурные формулы следующих соединений:Напишите структурные формулы следующих соединений:нитрата фенилдиазония.нитрата фенилдиазония.б)б)в) г)в) г)сульфата п-нитрофенилдиазо- иия, азобензола, и-аминоазобензола.сульфата п-нитрофенилдиазо- иия, азобензола, и-аминоазобензола.д-(фенилазо)анилина,бензидина,ж) 2,4-диокси-4'-(М,М-диметиламино)- азобензола.д-(фенилазо)анилина,бензидина,ж) 2,4-диокси-4'-(М,М-диметиламино)- азобензола.Назовите следующие соединения:Назовите следующие соединения:N(CHj)2N(CHj)2
Напишите структурные формулы следующих соединений:
Напишите структурные формулы следующих соединений:
нитрата фенилдиазония.
нитрата фенилдиазония.
б)
б)
в) г)
в) г)
сульфата п-нитрофенилдиазо- иия, азобензола, и-аминоазобензола.
сульфата п-нитрофенилдиазо- иия, азобензола, и-аминоазобензола.
д-(фенилазо)анилина,
бензидина,
ж) 2,4-диокси-4'-(М,М-диметиламино)- азобензола.
д-(фенилазо)анилина,
бензидина,
ж) 2,4-диокси-4'-(М,М-диметиламино)- азобензола.
Назовите следующие соединения:
Назовите следующие соединения:
N(CHj)2
N(CHj)2
Укажите реагенты и отметьте конкретные условия, необходимые для превращения n-толилдиазоиийхлорида в следующие соединения:
толуол,е)п-фтортолуол,
п-крезол(п-СН3С6Н4ОН),ж)n-толунитрил (п-СН3СвН4СМ),
n-хлортолуол,з)4-метил-4'-(М,М-диметиламино)азо-
n-бромтолуол,бензол,
n-иодтолуол,и)2,4-диокси-4'-метилазобензол.
агентами:агентами:Напишите уравнения реакции сульфата n-нитрофенилдиазония со следующими ре
агентами:
агентами:
м-феиилендиамином,е) CuCl,
горячей разб.H2SO4,ж) CuCN,
НВг + Си,з) НВР4, затем нагревание,
»-крезолом,и) Н3РО2.
Д) KL
Укажите все стадии вероятных лабораторных синтезов следующих веществ из бензола,
толуола и любых неорганических реагентов:
шесть изомерных дибромтолуолов СН3С6Н3Вг2 ^замечание: синтез одного из них может оказаться более трудным, чем любого из остальных);
три изомерные хлорбензойные кислоты (каждую в чистом виде);
три изомерных фгорхлорбеизола;
три изомерных иодфенола.
Обратитесь к инструкциям на стр. 210. Считайте, что смесь орто- и пара-изомеров нитросоединений можно разделить перегонкой (разд. 11.7).
Укажите все стадии вероятных лабораторных синтезов следующих веществ из бензола, толуола и любых необходимых алифатических и неорганических реагентов:
n-фтортолуол,к) 3,5-диброманилин,
л) З-бром-4-иодтолуол, м) 2-амино-4-метилфенол, н) 2,6-дибромиодбензол, о) 4-иод-З-нитротолуол, п) n-оксифенилуксусиая кислота, р) 2-бром-4-хлортолуол, с) 4,4'-диоксибифенил, т) 4,4'-дифторбифенил.л) З-бром-4-иодтолуол, м) 2-амино-4-метилфенол, н) 2,6-дибромиодбензол, о) 4-иод-З-нитротолуол, п) n-оксифенилуксусиая кислота, р) 2-бром-4-хлортолуол, с) 4,4'-диоксибифенил, т) 4,4'-дифторбифенил.ж-фтортолуол,
л) З-бром-4-иодтолуол, м) 2-амино-4-метилфенол, н) 2,6-дибромиодбензол, о) 4-иод-З-нитротолуол, п) n-оксифенилуксусиая кислота, р) 2-бром-4-хлортолуол, с) 4,4'-диоксибифенил, т) 4,4'-дифторбифенил.
л) З-бром-4-иодтолуол, м) 2-амино-4-метилфенол, н) 2,6-дибромиодбензол, о) 4-иод-З-нитротолуол, п) n-оксифенилуксусиая кислота, р) 2-бром-4-хлортолуол, с) 4,4'-диоксибифенил, т) 4,4'-дифторбифенил.
n-иодбеизойиая кислота,
м-иитрофенол,
л-фторфенол,
м-броманилин,
З-бром-4-метилбензойиая кислота,
2-бром-4-метилбензойиая кис-
лота,
м-этилфенол,
Приведите схему синтеза следующих веществ из бензола, толуола и любых необходимых алифатических и неорганических реагентов:
а — г) четыре азосоединения задачи 2,
2-метил-4'-оксиазобензол,
N=N-(O/N(CH2CH2OH)2 н3сN=N-(O/N(CH2CH2OH)2 н3с2,4-диаминоазобензол,
N=N-(O/N(CH2CH2OH)2 н3с
N=N-(O/N(CH2CH2OH)2 н3с
ж)
Напишите структурные формулы азосоединений А — Ди перечислите реагенты, из которых, вероятно, было получено каждое из этих веществ.
При расщеплении с помощью SnCl2 или Zn + НС1:
соединение А дает бензидин (1 моль) и 2,4-диоксианилин (2 моля);
соединение Б превращается в п-амино-Н,М-диметиланилин (2 моля) и п-фени- леидиамин (1 моль);'
соединение В (C12H9O3N3) дает n-фенилендиамин и n-аминофенол (указание: обратите внимание на молекулярную формулу В);
из соединения Г образуется только о-толуидин;
соединение Д дает бензидин (1 моль), п-фенилендиамин (2 моля) и п-аминофенол (2 моля).'
Если гидролиз фенилдиазоний-иона или n-нитрофенилдиазоний-иона проводят в присутствии иона галогена, то образуется не только фенол, но также арилгалогеиид: чем выше концентрация галогенид-иона, тем больше относительное количество образующегося арилгалогенида. Присутствие галогенид-иона не оказывает влияния на скорость разложения иона фенилдиазония, но ускоряет разложение п-нитрофенилдиазоний- иона.
Предположите механизм или механизмы, учитывающие эти факты.
Какой из факторов обусловливает необычно высокую реакционную способность ионов диазония в этой реакции и вообще в большинстве их реакции? (Указание: см. разд. 14.6 и 21.10.)
25
Фенолы
Структура и номенклатура
Фенолами называются соединения общей формулы АгОН, где Аг — фенил, замещенный фенил или одна из других арильных групп, которые мы еще будем изучать (например, нафтил, гл. 35). Фенолы отличаются от спиртов тем, что ОН-группа в фенолах связана непосредственно с арома тическим кольцом.
Фенолы обычно называют как производные простейшего члена этого ряда — фенола. Для метилфенолов имеется специальное название — крезолы. Иногда фенолы называют оксисоединениями.
фенолфенолО-ХлорфенолО-Хлорфенол^-презол^-презолсоон
фенол
фенол
О-Хлорфенол
О-Хлорфенол
^-презол
^-презол
он
ц.-О1\сибензойна.лДЦСЛОИКЬ
цирожтпехинцирожтпехинрезорцинрезорцинсоонсоонсалициловая кислота.салициловая кислота.гидрохинонгидрохинон
цирожтпехин
цирожтпехин
резорцин
резорцин
соон
соон
салициловая кислота.
салициловая кислота.
гидрохинон
гидрохинон
Как фенолы, так и спирты содержат ОН-группу и поэтому до некоторой степени похожи друг на друга. Мы уже убедились, что и спирты и фенолы можно, например, превратить в простые и сложные эфиры. Однако по большинству своих свойств и по методам получения эти два типа соединений различаются столь сильно, что вполне обосновано подразделить их на два класса.
Физические свойства
Простейшие фенолы представляют собой жидкости или низкоплавкие твердые вещества; из-за образования водородных связей они обычно имеют высокие температуры кипения. Сам фенол заметно растворим в воде (9 г на 100 г воды), вероятно, из-за образования водородных связей с водой; большинство других фенолов практически нерастворимы в воде (табл. 25.1). Фенолы — бесцветные вещества, если только они не содержат каких-либо групп, обусловливающих появление окраски. Однако фенолы, подобно ароматическим аминам, легко окисляются, и многие из них (если только их специально не очищать) окрашены за счет наличия примеси продуктов окисления.
Таблица 25.1
Физические свойства фенолов
Т. пл..
Т. кип..
Растворимость при 25 °C,
ЮЮК
Фенол
СС
°C
г/100 г Н2О
Фенол
41
182
9,3
1,1
о-Крезол
31
191
2,5
0,63
«-Крезол
11
201
2,6
0,98
о-Крезол
35
202
2,3
0,67
о-Фторфенол
16
152
15,0
«-Фторфенол
14
178
5,2
п-Фторфенол
48
185
1.1
о-Хлорфенол
9
173
2,8
77
«-Хлорфенол
33
214
2,6
16
п-Хлорфенол
43
220
2,7
6,3
о-Бромфенол
5
194
41
«-Бромфенол
33
236
14
н-Бромфенол
64
236
1,4
5,6
о- Иодфенол
43
34
«-Иодфенол
40
13
п-Иодфенол
94
6,3
о-Аминофенол
174
1,7 (при 0 °C)
2,0
м-Амннофенол
123
2,6
69
п-Аминофенол
186
1,0 (при 0 °C)
о-Нитрофенол
45
217
0,2
600
«-Нитрофенол
96
1,4
50
п-Нитрофенол
114
1,7
690
2,4-Динитрофенол
ИЗ
0,6
1 000000
2,4,6-Трннитрофенол (пикриновая кис-
122
1,4
Очень большая
Пирокатехин
104
246
45
1
Резорцин
110
281
123
3
Гидрохинон
173
286
8
2
При сравнении физических свойств изомерных нитрофенолов (табл. 25.2) мы видим, что о-нитрофенол имеет более низкую температуру кипения и значительно меньше растворим в воде, чем его изомеры; из трех изомеров лишь орто-изомер легко перегоняется с паром. Как можно объяснить эти различия?
Таблица 25.2
Свойства интрофенолов
Нитрофенол
Т. кип., сС/70ммрт. ст.
Растворимость, г/100 г Н2О
орто
100
0,2, летуч с паром
мета
194
1,35, не летуч с паром
пара
Разл.
1,69, не летуч с паром
Рассмотрим сначала мета- и перо-изомеры. Они имеют очень высокие температуры кипения, что обусловлено образованием межмолекулярных водородных связей.
Межмолекул яркие вобороУные связиМежмолекул яркие вобороУные связи
Межмолекул яркие вобороУные связи
Межмолекул яркие вобороУные связи
Их растворимость в воде объясняется образованием водородных связей с молекулами воды
Легкость перегонки с паром зависит от того, насколько велика упругость пара вещества при температуре кипения воды; межмолекулярная водородная связь в мета- и нпрп-изомерах уменьшает упругость пара, вследствие чего эти вещества теряют способность перегоняться с паром.
Как же обстоит дело с ор/по-изомером? Изучение моделей показывает, что группы NO2 и ОН расположены таким образом, что возможно образование водородной связи внутри одной молекулы. Подобная внутримолекулярная водородная связь образуется вместо межмолекулярной связи между молекулами других фенолов и молекулами воды; поэтому о-нитрофенол не обладает малой летучестью, характерной для ассоциированной жидкости, и заметной растворимостью, характерной для соединений, образующих водородные связи с водой.
оойяутримоле- кирярная воОоровная связь: мяатообраювмиейяутримоле- кирярная воОоровная связь: мяатообраювмиео-нитрофвноло-нитрофвнол
о
о
йяутримоле- кирярная воОоровная связь: мяатообраювмие
йяутримоле- кирярная воОоровная связь: мяатообраювмие
о-нитрофвнол
о-нитрофвнол
Явление, заключающееся в том, что атом водорода или металла ориентирован между двумя атомами одной и той же молекулы, называется хелатообразованием (от греческого хел — клешня). Некоторые примеры будут приведены ниже. Из других примеров следует отметить два очень важных для жизнедеятельности растений и животных комплекса — хлорофилл (стр. 1015) и гемин (стр. 1055).
сн3сн3сн3сн3С—С/ \\О—NN—ОС—С/ \\О—NN—ОннNiNiННО—NN—6СНзСН3_ комплекс оиметпил глиоксима с никелемО—NN—6СНзСН3_ комплекс оиметпил глиоксима с никелемиспользуются в аналитической химиииспользуются в аналитической химии
сн3
сн3
сн3
сн3
С—С
/ \\О—NN—О
С—С
/ \\О—NN—О
н
н
Ni
Ni
Н
Н
О—NN—6
СНзСН3
_ комплекс оиметпил глиоксима с никелем
О—NN—6
СНзСН3
_ комплекс оиметпил глиоксима с никелем
используются в аналитической химии
используются в аналитической химии
Внутримолекулярная водородная связь, по-видимому, образуется всегда, когда это позволяет структура соединения; ниже мы еще встретимся с
другими примерами влияния образования водородной связи на физические свойства.
Задача 25.1. Объясните полученные данные: для изомерных ннтрофенолов наблюдаются следующие полосы поглощения О—Н-группы (разд. 15.5) для твердого вещества (таблетки в КВг) и для растворов в СНС13 (см-1):
Изомер
КВг
СНС13
орто
3200
3200
мета
3330
3520
пара
3325
3530
Задача 25.2. Для какого из следующих соединений можно ожидать образования внутримолекулярной водородной связи: о-нитроаннлин, о-крезол, о-окснбензойная кислота (салициловая кислота), о-оксибензальдегнд (салициловый альдегид), о-фторфенол, о-ок- снбензонитрнл?
Соли фенолов
Фенолы — довольно кислые соединения и в этом отношении они заметно отличаются от спиртов, которые представляют собой даже более слабые кислоты, чем вода. Действием водных растворов щелочей фенолы превращаются в соли; водные минеральные кислоты превращают соли обратно в свободные фенолы. Как и следовало ожидать, фенолы и их соли противоположны по своей растворимости; соли растворимы в воде и нерастворимы в органических растворителях.
Аг ОН t * АгО-н+
фенол (кислота), фенолят-ноннерастворим в(соль), растворим
водев воде
Большинство фенолов имеют величины Ка порядка 1О~10, т. е. они значительно более слабые кислоты, чем карбоновые кислоты (Ко « 10-5). Фенолы в отличие от карбоновых кислот не растворяются в водном растворе бикарбоната, что обусловлено их низкой кислотностью, однако фенолы удобно выделять из солей обработкой угольной кислотой.
С02 + Н2ОС02 + Н2ОН2СО3 + более сильная кислотаН2СО3 + более сильная кислотаArO“Na+> ArOH + Na+HCO? растворим более слабая в водекислота,
С02 + Н2О
С02 + Н2О
Н2СО3 + более сильная кислота
Н2СО3 + более сильная кислота
нерастворимав воде
Кислотность фенолов и растворимость их солей в воде можно использовать как при анализе, так и для их разделения. Нерастворимое в воде соединение, которое растворяется в водном растворе щелочи, но не растворяется в водном растворе бикарбоната, должно быть более сильной кислотой, чем вода, но менее сильной кислотой, чем карбоновая кислота; большая часть соединений, кислотность которых лежит в этом интервале, относится к числу фенолов. Фенолы можно отделить от соединений, не обладающих кислыми свойствами, благодаря их растворимости в основаниях: метод отделения от карбоновых кислот основан на нерастворимости фенолов в растворе бикарбоната.
Задача 25.3. Приведите схему разделения химическими методами смеси n-крезола, п-то- луиловой кислоты, n-толу идина и п-нитротолуола. Укажите точно, что вы будете делать и что наблюдать.
Промышленные источники
Большая часть фенолов получается в промышленности теми же методами, что и в лаборатории; эти методы описаны в разд. 25.6. Однако имеются специальные методы получения некоторых из этих соединений в промышленном масштабе, и в том числе наиболее важного — фенола. Производимый в очень больших количествах фенол занимает одно из первых мест по масштабам производства среди синтетических ароматических соединений. Основное количество синтезируемого фенола используется в производстве фенолформальдегидных полимеров (разд. 25.21).
Некоторое количество фенола, а также крезолов получают из каменноугольной смолы (разд. 12.4). Большую часть фенола (вероятно, более 90%) синтезируют. В основе методов синтеза лежит реакция сплавления бен- золсульфоната натрия со щелочью (разд. 25.6); согласно другому методу (процесс фирмы «Dow»), хлорбензол вводят в реакцию с водным раствором едкого натра при температурах порядка 360 °C. Подобно синтезу анилина из хлорбензола (разд. 22.7), эта вторая реакция является реакцией нуклеофильного замещения, проводимой в условиях, которые обычно не используют в лаборатории (разд. 26.6.)
морбелзолфенолят натрия фенол
(Еще один метод синтеза фенола, значение которого все возрастает в последнее время, будет обсужден в следующем разделе.)
Некоторые фенолы и их простые эфиры выделяются из эфирных масел различных растений. Ниже приведены некоторые из них:
ОН ^ОСНз
ОН (^ОСНз
осн3
СН2СН=СН2 эвгенол (гвозбичное масло)
СН=СНСН3 изоэвгенол (масло мускатного ореха)
СН=СНСН3 анетол (масло аниса )
ОН ©ОСН3
ОН
Г^]СН(СН3)2 СНэ*^'
тли мол
(масло чабреца, у мяты)
о-сн2
CHO ванилин, (масло бобов ванили)
сн/:н=сн2 сафрол
(сассафрасовое масло)
Фенол из гидроперекиси кумола.
Миграция к электронодефицитному атому кислорода
Метод синтеза фенола, значение которого все возрастает в последнее время, это синтез на основе кумола (изопропилбензола). Кумол при окислении кислородом воздуха превращается в гидроперекись кумола, которая при действии водного раствора кислоты дает фенол и ацетон
н,о,н+
сн3—с—нсн3-с-оон
сн3сн3
кумолгиброперекись кумола
ОНСНз
фенолацетон
Задача 25.4. Приведите схему синтеза кумола из дешевых легкодоступных углеводородов.
Превращение гидроперекиси кумола в фенол, очевидно, включает стадию перегруппировки, поскольку фенильная группа связана с атомом углерода в перекиси и с атомом кислорода в феноле. Мы уже встречались с 1,2- сдвигами, направленными к электронодефицитным атомам углерода (разд. 5.21) и к электронодефицитным атомам азота (разд. 22.13); изучение реакции показало, что перегруппировка гидроперекиси кумола включает стадию 1,2-сдвига к электронодефицитному атому кислорода. Предполагается, что реакция протекает через следующие стадии:
(I)(I)(2)(2)(4)(4)(5)(5)СНз-С-О-ОН + н+ чТ-»СН3гидроперекись кумола,IСНз-С-О-ОН + н+ чТ-»СН3гидроперекись кумола,II сн3I сн3CH3-C-O-OH2CH3-C-O-OH2+ Н2О+ Н2Осн3сн3ОдновременноОдновременно(3)(3)ОНОНСН3 шСН3 ш
(I)
(I)
(2)
(2)
(4)
(4)
(5)
(5)
СНз-С-О-ОН + н+ чТ-»
СН3гидроперекись кумола,I
СНз-С-О-ОН + н+ чТ-»
СН3гидроперекись кумола,I
I сн3
I сн3
CH3-C-O-OH2
CH3-C-O-OH2
+ Н2О
+ Н2О
сн3
сн3
Одновременно
Одновременно
(3)
(3)
ОН
ОН
СН3 ш
СН3 ш
Перекись I под действием кислоты превращается [стадия (1)1 в протонированную перекись, которая теряет [стадия (2)1 молекулу воды с образованием интермедиата, в котором кислород несет лишь 6 электронов. 1,2-Сдвиг фенильной группы от атома углерода к электронодефицитному кислороду дает [стадия (3)1 карбониевый ион II, который реагирует с водой [стадия (4)1, да-
вая оксисоединение III. Соединение III является полуацеталем (разд. 19.17), который распадается [стадия (5)1 с образованием фенола и ацетона. Предполагается, что стадии (2) и (3) протекают одновременно, таким образом, что мигрирующая фенильная группа облегчает удаление молекулы воды. Как и ранее, можно рассматривать перегруппировку как особый случай электрофильной атаки ароматического кольца, причем реагентом в этом случае будет электронодефицитный кислород.
Каждая стадия реакции представляет собой уже знакомый нам химический процесс: протонирование оксисоединения с последующей ионизацией и образованием электронодефицитной частицы; 1,2-сдвиг к электронодефицитному атому; реакция карбониевого иона с водой с образованием оксисоединения; разложение полуацеталя. При изучении органической химии нам все время встречаются новые факты, но многое из того, что кажется новым, вполне укладывается в уже хорошо знакомые схемы.
Задача 25.5. Если гидроперекись п-нитротрифенилметила (IV) обрабатывать минеральными кислотами, то образуется исключительно фенол и и-нитробензофенон (V). а) Укажите все стадии в механизме этой реакции, б) Что вы можете сказать об относительной миграционной способности фенильной и п-ннтрофенильной групп и каким образом можно ее объяснить?
СбИ5
o2n/o)—с—о—онo2n(QVc—с6н5
IVv
Задача 25.6. На стадии окисления в процессе гидроборирования — окисления алкнлбо- раны превращаются в алкилбораты, которые гидролизуются до спиртов. Предположили, что Образование боратов включает участие реагента НОО-.
Н2О2 + ОРГ 4=2: ноо- + Н2О
(3)
R3B + ЗНОО" 4=2: (RO)3B >- 3ROH
триалкил-алкилборат
бор
а) Приведите все стадии возможного механизма для стадии (2) — образования бората, б) Какова, по вашему мнению, стереохимия стадии окисления в процессе гидроборирования— окисления (задача 15.10, стр. 493)? Согласуется ли предложенный вами в вопросе (а) механизм с этой стереохимией?
Методы синтеза
В лаборатории фенолы обычно получают одним из приведенных ниже двух методов.
МЕТОДЫ СИНТЕЗА ФЕНОЛОВ
1. Гидролиз солей диазония (разд. 24.7) ArN2 + Н2О> АгОН + Н+ + N2
Пример:
N2+HSO4~ОН
Н,О, Н + нагреваниеV—
+ n2
Сплавление сульфонатов со щелочью (разд. 25.6 н 35.12)
сильноеН+
ArSOgNa + NaOH► NagSOg + ArONa > ArOH
нагревание
Примеры:
NaOH, KOH, 300°CNaOH, KOH, 300°CH2SO^H2SO^HzSOtHzSOtпгшолуолсдлъфонат натрияпгшолуолсдлъфонат натриякон, зоо-скон, зоо-с
NaOH, KOH, 300°C
NaOH, KOH, 300°C
H2SO^
H2SO^
HzSOt
HzSOt
пгшолуолсдлъфонат натрия
пгшолуолсдлъфонат натрия
кон, зоо-с
кон, зоо-с
на<рталин-2-сулыронат натрия нафтол-2(р-нафталинсулъфонат натрия) (р-нафтол)
Фенолы чаще всего получают из солей диазония, поскольку эта реакция протекает в очень мягких условиях. Действие щелочей при высоких температурах обычно вызывает нежелательные реакции, например замещение или окисление, особенно если молекула сульфокислоты содержит группы СООН, Cl, NO2 или многие другие.
С1С1мо2мо22,4-динитро- ялорбензол2,4-динитро- ялорбензолONaONaМО2 2,4-динитрофенолятМО2 2,4-динитрофенолятнатриянатрияОграниченное применение находит также гидролиз арилгалогенидов, содержащих сильные электроноакцепторные группы в орто- или паре-положении к галогену (разд. 26.12); таким путем получают в больших количествах 2,4-динитрофенол и 2,4,6-тринитрофенол (пикриновую кислоту).
С1
С1
мо2
мо2
2,4-динитро- ялорбензол
2,4-динитро- ялорбензол
ONa
ONa
МО2 2,4-динитрофенолят
МО2 2,4-динитрофенолят
натрия
натрия
онон. .
Н+ ? [><]NO2 ИМО, O2N[<^lNd2HjSo/
no2no2
2,4-динитро-2,4,6-тринитрофенол
фенол(пикриновая кислота)
Задача 25.7. 2,4,6-Тринитрохлорбензол гораздо легче гидролизуется, чем 2,4-динитро- хлорбензол. Какие преимущества в таком случае имеет описанный выше синтез пикриновой кислоты перед возможным синтезом, включающим получение и гидролиз 2,4,6- трннитрохлорбензола?
Реакции
Наиболее удивительным химическим свойством фенола, помимо кислотности, является высокая реакционная способность ароматического кольца в реакциях электрофильного замещения. В этих реакциях также очень важную роль играет кислотность фенола; ионизация фенола приводит к появлению группы —О-, которая вследствие своего полного отрицательного заряда является более сильным донором электронов, чем ОН-группа.
Фенолы вступают не только в те реакции электрофильного замещения, которые типичны для большинства ароматических соединений, но и во многие другие, которые обусловлены необычайно высокой реакционной способностью кольца. Мы рассмотрим лишь некоторые из этих реакций.
РЕАКЦИИ ФЕНОЛОВ
Кислотность. Образование солей (разд. 25.3, 25.8 и 25.9)
АгОН + Н2О ^_ АгО~ + Н3О+
758
Пример:
+ NaOH
Образование простых эфиров. Синтез Вильямсона (разд. 17.7 н 25.10)
АКТ + RX> ArOR + Х“
Примеры:
©ОН * C2H5J ^^> ©ОС2Н$фенол иобистыизтпилфениловый зрир
этил(фенетвл)
снз©>°н +П-крезолснз©>°н +П-крезолNO2NO2веди. N*O^нагреваниеведи. N*O^нагреваниесн3©осн2©сн3©осн2©no2no2п-нитробензил-бромидп-нитробензил-бромидк-толил-п-нитробензиловый эрирк-толил-п-нитробензиловый эрир(CH3)2SO4(CH3)2SO4о-нитрофенояо-нитрофенояводи NaOH нагревание 'води NaOH нагревание '+ CH3SO4Na+ CH3SO4Naдиметил- сулъфатдиметил- сулъфато-нитроакизол w рметил-о-митрофениловыи эфир)о-нитроакизол w рметил-о-митрофениловыи эфир)Г—*\еодн.<g>oH^acH2cooH„5^tГ—*\еодн.<g>oH^acH2cooH„5^tH2COONaH2COONa(^>осн2соон(^>осн2соонтения хлоруксусная кислота,тения хлоруксусная кислота,феноксиуксусваякислота.феноксиуксусваякислота.3. Образование сложных эфиров (разд. 20.8, 20.14, 21.8 и 25.11)3. Образование сложных эфиров (разд. 20.8, 20.14, 21.8 и 25.11)RcOClRcOClПримеры:Примеры:АгОН —АгОН —> RCOOArAr'SO2CI>- Ar'SO2OAr> RCOOArAr'SO2CI>- Ar'SO2OAr
снз©>°н +
П-крезол
снз©>°н +
П-крезол
NO2
NO2
веди. N*O^нагревание
веди. N*O^нагревание
сн3©осн2©
сн3©осн2©
no2
no2
п-нитробензил-бромид
п-нитробензил-бромид
к-толил-п-нитробензиловый эрир
к-толил-п-нитробензиловый эрир
(CH3)2SO4
(CH3)2SO4
о-нитрофеноя
о-нитрофеноя
води NaOH нагревание '
води NaOH нагревание '
+ CH3SO4Na
+ CH3SO4Na
диметил- сулъфат
диметил- сулъфат
о-нитроакизол w рметил-о-митрофениловыи эфир)
о-нитроакизол w рметил-о-митрофениловыи эфир)
Г—*\еодн.
<g>oH^acH2cooH„5^t
Г—*\еодн.
<g>oH^acH2cooH„5^t
H2COONa
H2COONa
(^>осн2соон
(^>осн2соон
тения хлоруксусная кислота,
тения хлоруксусная кислота,
феноксиуксусваякислота.
феноксиуксусваякислота.
3. Образование сложных эфиров (разд. 20.8, 20.14, 21.8 и 25.11)
3. Образование сложных эфиров (разд. 20.8, 20.14, 21.8 и 25.11)
RcOCl
RcOCl
Примеры:
Примеры:
АгОН —
АгОН —
> RCOOAr
Ar'SO2CI
>- Ar'SO2OAr
> RCOOAr
Ar'SO2CI
>- Ar'SO2OAr
^>он + <Q>coa 2^ ^>О-С<^>фенолбензоилхлоридО
фелилбелзоат
o2n^)>oh + (СН3СО)2О -^22^ o2n^5)o-c—сн3
n-ттрофенол уксусныйО
ангидривп-нитрофенилацешат
Вг
(Q)OH + CH3<g>SO2Cl ^^ CH3<g>SO2O^>
О-бромфеноя п-толуолсильфо-®г
хлориоо-бромфенил-птолуолсульфонатп
4. Замещение в кольцо (разд. 25.12)
—ОН ]очень сильно активирует н направляет замещение и
> орто, napa-положения в реакциях электрофильного
—О- Jзамещения в ароматическом ряду
—OR — менее мощный активатор, чем ОН-группа
Нитрование (разд. 25.13) Пример:
о-иигпрофенол п-нигпрофеиол
Сульфирование (разд. 25.14) Пример:
15-20’С15-20’СОНОНо фенолсульфекисяотпао фенолсульфекисяотпаОНОНH;SO,H;SO,Нг5О,, №СНг5О,, №СононSO3HSO3Hг„-фенопсульфолуспотог„-фенопсульфолуспото
15-20’С
15-20’С
ОН
ОН
о фенолсульфекисяотпа
о фенолсульфекисяотпа
ОН
ОН
H;SO,
H;SO,
Нг5О,, №С
Нг5О,, №С
он
он
SO3H
SO3H
г„-фенопсульфолуспото
г„-фенопсульфолуспото
Галогенирование (разд. 25.15)
Примеры:
Вг
2,4,6-трибромфенол
ОН
Вг
п-бромфетл
г) Алкилирование по Фриделю—Крафтсу (разд. 25.16)
Пример:
ОНСН3
।HF
[OJ + СН3—С—СН3 *
фенолС1
ньрепи-буишмлории
ОН
СН3—с—сн3СНз
а-трегл-бутилфенол
д) Ацилирование по Фриделю— Крафтсу.Перегруппировка Фриса (разд. 25.11
и 25.16)
ОН
резорцин
+ СН3(СН2)4СООНкапроноваякислота
к.-пентил-2,4-диоксифенилкетон
о
ОН
25*С,
сн3
ОН
ди-крезол
(СНзСОуЭ
ОССН3
Ггл I л,С|з ' ^Усн3 аи-крезилацетат
£-СНз
о
2-метил-4-оксиацетофеноя
(основной продукт реакции)
О
СН3—с, он 1бо=с
сн3
4-мепшл- 2-оксиацетофенон (основной продукт реакции)
Нитрозирование (разд. 25.17)
Пример:
+ NaNO2 + H2SO4+ NaNO2 + H2SO4а-крезола-крезолNO4-нитрозо-2-метилфенопNO4-нитрозо-2-метилфеноп
+ NaNO2 + H2SO4
+ NaNO2 + H2SO4
а-крезол
а-крезол
NO
4-нитрозо-2-метилфеноп
NO
4-нитрозо-2-метилфеноп
Сочетание с солями диазония (разд. 24.10 и 25.18)
Карбоксилирование. Реакция Кольбе (разд. 25.19)
Пример 5
фенолят натрияфенолят натрияГ^СДЛтпмГ^СДЛтпмсалицилат натрия (о-оксибензоат натрия)салицилат натрия (о-оксибензоат натрия)
фенолят натрия
фенолят натрия
Г^СДЛтпм
Г^СДЛтпм
салицилат натрия (о-оксибензоат натрия)
салицилат натрия (о-оксибензоат натрия)
Образование альдегидов. Реакция Реймера—Тимана (разд. 25.20)
Пример:
вод». NaOH
фенол хлороформ
салициловый альдеаид (о-олсибензальдегид)
Реакция с формальдегидом (разд. 25.21) Пример:
ОННН + НСНО „sNaOH фенол формальдегидОННН + НСНО „sNaOH фенол формальдегидОНОНСНгОН нагребаниеСНгОН нагребаниеполимеры (бакелит)полимеры (бакелит)о-оксибемзмовыаспирто-оксибемзмовыаспирт
ОН
НН + НСНО „sNaOH фенол формальдегид
ОН
НН + НСНО „sNaOH фенол формальдегид
ОН
ОН
СНгОН нагребание
СНгОН нагребание
полимеры (бакелит)
полимеры (бакелит)
о-оксибемзмовыаспирт
о-оксибемзмовыаспирт
Кислотность
Фенолы превращаются в соли под действием водных растворов щелочей, но не водных растворов бикарбонатов. При действии водных минеральных кислот, карбоновых кислот или угольной кислоты из солей получаются свободные фенолы
АгОН + ОН'> АгО" + Нво
болееболее
сильнаяслабая
кислотакислота
АЮ' + Н2СО3 > АгОН + НСОГболееболее
сильнаяслабая
кислотакислота
Из этого следует, что фенолы — значительно более сильные кислоты, чем вода, но гораздо более слабые кислоты, чем карбоновые кислоты. Большинство фенолов имеют Ка порядка КН° (табл. 25.1, стр. 751), в то время как для карбоновых кислот Ка составляют порядка 10~®.
Хотя фенолы значительно слабее карбоновых кислот, они несравненно более сильные кислоты, чем спирты, для которых Ко составляет КГ16—10-18. Почему же ОН-группа, связанная с ароматическим кольцом, является гораздо более кислой, чем ОН-группа, связанная с алкильной группой? Ответ на этот вопрос следует искать в структуре рассматриваемых соединений. Решая этот вопрос, мы будем, как обычно, считать, что различие в кислотности связано с различием в стабильности реагентов и продуктов (разд. 18.12).
Рассмотрим структуры реагентов и продуктов при ионизации спиртов и фенолов. Как спирт, так и алкоголят-ион могут быть удовлетворительно представлены единственной структурой. Фенол и фенолят-ион содержат бензольное кольцо и поэтому должны быть гибридами структур Кекуле I и II, III и IV соответственно. Этот резонанс предположительно стабилизует и молекулу, и ион в одинаковой степени. Его влияние снижает энергию образования как молекулы, так и иона на одинаковую величину и тем самым не влияет на разность в энергиях их образования, т. е. не влияет на АЯ ионизации.
R—о.н ^ Н+ + к-6:-
спирт алкоголят-ион
Поэтому, если не рассматривать другие факторы, то следовало бы ожидать, что фенол будет иметь такую же кислотность, как и спирт.
Однако необходимо учитывать также дополнительные структуры. Поскольку кислород является основным атомом, он может обобществлять более чем одну пару электронов с кольцом; это учитывается вкладом структур V—VII для фенола и VIII—X для фенолят-иона.
VVIVIIфенолVVIVIIфенолVIIIIXхфенолят-иенVIIIIXхфенолят-иен
VVIVII
фенол
VVIVII
фенол
VIIIIXх
фенолят-иен
VIIIIXх
фенолят-иен
Рассмотрим теперь, будут ли вклады этих двух рядов структур одинаково существенными. Структуры V—VII для фенола несут как положительный, так и отрицательный заряд; структуры VIII—X для фенолят-иона несут лишь
Лов реакции►Лов реакции►Рис. 25.1. Структура молекулы и положение равновесия. Фенол дает резонансно-стабилизованный анион и является более сильной кислотой, чем спирт.Рис. 25.1. Структура молекулы и положение равновесия. Фенол дает резонансно-стабилизованный анион и является более сильной кислотой, чем спирт.
Лов реакции►
Лов реакции►
Рис. 25.1. Структура молекулы и положение равновесия. Фенол дает резонансно-стабилизованный анион и является более сильной кислотой, чем спирт.
Рис. 25.1. Структура молекулы и положение равновесия. Фенол дает резонансно-стабилизованный анион и является более сильной кислотой, чем спирт.
отрицательный заряд. Поскольку для разделения противоположных зарядов необходимо затратить энергию, то структуры для фенола богаче энергией и, следовательно, менее устойчивы, чем структуры для фенолят-иона. (Мы уж е встречались с влиянием эффекта разделения заряда на стабильность в разд. 18.12.). Поэтому эффект резонанса состоит в том, что фенолят-ион в большей степени стабилизован, чем фенол, что уменьшает А/7 ионизации фенола по сравнению с этой величиной для спирта (рис. 25.1).
Как было показано в разд. 23.3, ароматические амины — более слабые основания, чем алифатические амины, поскольку резонанс стабилизует свободный амин в большей степени, чем соответствующий ион. В рассматриваемом случае мы встречаемся с обратной ситуацией: фенолы являются более сильными кислотами, чем их алифатические аналоги — спирты, поскольку резонанс стабилизует фенолят-ион в большей степени, чем свободный фенол. (В действительности, резонанс с участием кольца оказывает одинаковое влияние в обоих случаях: он стабилизует и таким образом ослабляет основание — амин или фенолят-ион.)
Влияние заместителей на кислотность
Из данных табл. 25.1 (стр. 751) видно, что электроноакцепторные заместители типа галогенов X или NO2 увеличивают кислотность фенолов, а электронодонорные заместители типа СН3 ее уменьшают. Следовательно, заместители влияют на кислотность фенолов точно так же, как на кислотность карбоновых кислот (разд. 18.14), и противоположно тому, как они влияют на основность аминов (разд. 23.4). Электроноакцепторные заместители проявляют тенденцию к рассредоточению отрицательного заряда фенолят-иона, а электронодонорные заместители — к увеличению степени заряда.
G оттягивает электро- G = —МО2 иы: стабилизует ион,—X
повышает кислотность+
-NR3
—CHO
—COR
—COOR
—CN
G подает электроны:G = —CH3
дестабилизует ион,—C2H5
уменьшает кислотность
Задача 25.8. Объясните, почему в отличие от большинства фенолов 2,4-дииитрофеиол и 2,4,6-трииитрофенол растворимы в водном растворе бикарбоната натрия?
Итак, наличие группы, связанной с ароматическим кольцом, влияет на положение равновесия обратимых реакций так же, как и на скорость необратимых реакций. Электронодонорная группа благоприятствует реакциям, входе которых кольцо становится более положительным, как, например, в реакциях электрофильного замещения или превращения амина в соль. Электроноакцепторные группы благоприятствуют реакциям, в ходе которых кольцо становится более отрицательным, как в нуклеофильном замещении (гл. 26) или при превращении фенола или кислоты в соответствующие соли.
Образование простых эфиров. Синтез Вильямсона
Как уже обсуждалось в разд. 17.7, фенолы превращаются в простые эфиры при взаимодействии с алкилгалогенидами в щелочном растворе; метиловые эфиры можно получить при реакции с диметил сульфатом. В щелочном растворе фенол существует в виде фенолят-иона, который действует как нуклеофильный реагент, атакуя галогенид (или сульфат) и вытесняя галоге- нид-ион (или сульфат-ион).
он-АгОН>- АгО~ —он-АгОН>- АгО~ —RX> ArOR + X"RX> ArOR + X"
он-
АгОН>- АгО~ —
он-
АгОН>- АгО~ —
RX
> ArOR + X"
RX
> ArOR + X"
(CH3)2SO4
>- АгОСН3 + СН3О5ОГ
Некоторые простые эфиры можно синтезировать взаимодействием алкоголя- тов натрия с арилгалогенидами (в случае, когда последние особенно активны), например:
Na+-OCH3Na+-OCH3мо22,4-дииитрохлорбеизолмо22,4-дииитрохлорбеизолNO22,4-вииитроаиизол (метил-2,4-бинитрофелилоеъ1и Эфир)NO22,4-вииитроаиизол (метил-2,4-бинитрофелилоеъ1и Эфир)
Na+-OCH3
Na+-OCH3
мо2
2,4-дииитрохлорбеизол
мо2
2,4-дииитрохлорбеизол
NO2
2,4-вииитроаиизол (метил-2,4-бинитрофелилоеъ1и Эфир)
NO2
2,4-вииитроаиизол (метил-2,4-бинитрофелилоеъ1и Эфир)
Хотя алкоксигруппы также являются активирующими и орто,пара- ориентирующими в реакциях электрофильного замещения в ароматическом ряду, они значительно менее активны, чем ОН-группа. Вследствие этого простые эфиры, как правило, не вступают в те реакции (разд. 25.17—25.21), которые требуют повышенной активности субстрата: реакции азосочетания, реакция Кольбе, реакция Реймера — Тимана и т. д. Подобное различие в реакционной способности, вероятно, объясняется тем, что в отличие от фенола простой эфир не может ионизоваться с образованием чрезвычайно активного фенолят-иона.
Вследствие пониженной реакционной способности кольца ароматические эфиры менее чувствительны к окислению, чем фенолы, например:
СН,О©СН, ‘^; ■ ^ ™,о<§)соон
п-мсщиланизолп-мсщиланизолаласовая кислота.
п-мсщиланизол
п-мсщиланизол
В разд. 17.9 уже обсуждалась реакция расщепления простых*эфиров под действием кислот. Расщепление метилариловых эфиров концентрированной иодистоводородной кислотой лежит в основе важного аналитического метода—метода Цейзеля (разд. 17.12).
Задача 25.9. 2,4-Дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-D) применяется как гербицид при борьбе с сорняками. Приведите схему синтеза этого соединения, исходя из бензола или толуола и уксусной кислоты.
ОСН2СООН
[o)cl
Cl
2,4-8ихлорфеноксирксдснанкислота. (2,4-D)
Задача 25.10. н-Пропиловый эфир 2-амино-4-нитрофенола — одно из самых сладких веществ, примерно в 5000 раз слаще обычного сахара — сахарозы. Это вещество можно получить из динитропроизводного восстановлением бисульфидом аммония. Приведите схему синтеза этого вещества, исходя из бензола или толуола и любых алифатических реагентов.
Образование сложных эфиров.
Перегруппировка Фриса
Фенолы обычно превращают в сложные эфиры действием кислот, хлор- ангидридов кислот или их ангидридов, как уже было рассмотрено в разд. 18.16, 20.8, 20.14 и 21.8.
Задача 25.11. Предскажите, какие продукты образуются при реакции фенилбензоата с 1 молем брома в присутствии железа?
При нагревании сложных эфиров фенолов с хлористым алюминием происходит миграция ацильной группы с кислорода ОН-группы фенола в орто- или пара-положение кольца и образуются соответствующие кетоны. Эту реакцию, называемую перегруппировкой Фриса, часто используют вместо реакции прямого ацилирования для синтеза ароматических кетонов, содержащих ОН-группу в ядре, например:
фенолфемилпротюналпфенолфемилпротюналпА1С13 cs2А1С13 cs2ОН Н rgj-C-C2H5ОН Н rgj-C-C2H5этил- о- окснфенилкртои (о- окспиропиофенон),летуч с паромэтил- о- окснфенилкртои (о- окспиропиофенон),летуч с паромзтнл-ц~ оксифениякетон (н- оке иврипиофвнон)^ не летуч с паромзтнл-ц~ оксифениякетон (н- оке иврипиофвнон)^ не летуч с паром
фенолфемилпротюналп
фенолфемилпротюналп
А1С13 cs2
А1С13 cs2
ОН Н rgj-C-C2H5
ОН Н rgj-C-C2H5
этил- о- окснфенилкртои (о- окспиропиофенон),
летуч с паром
этил- о- окснфенилкртои (о- окспиропиофенон),
летуч с паром
зтнл-ц~ оксифениякетон (н- оке иврипиофвнон)^ не летуч с паром
зтнл-ц~ оксифениякетон (н- оке иврипиофвнон)^ не летуч с паром
Перегруппировка, по-видимому, включает стадию генерации ацилий- иона RCO+, который далее атакует кольцо по обычной схеме ацилирования по Фриделю — Крафтсу.
Задача 25.12. Смесь орто- и пара-изомеров, получаемую в результате перегруппировки Фриса, часто можно разделить перегонкой с паром, в ходе которой отгоняется лишь орто- изомер. Как вы это объясните?
Задача 25.13. 4-н-Гексилрезорцин используется как препарат, обладающий антисептическим действием. Приведите схему его синтеза, исходя из резорцина и любых алифатических реагентов.
ОН
СН2(СН2)4СН3
4 -н-гексилрезорцин
Замещение в кольцо
Оксигруппа фенола, подобно аминогруппе, очень сильно активирует ароматическое кольцо по отношению к реакциям электрофильного замещения, и механизм активации в обоих случаях в основном сходен. В качестве промежуточного соединения, вероятнее всего, образуются оксониевые ионы (типа I и II), в которых каждый из атомов (за исключением атомов водорода) имеет полный октет электронов; они образуются гораздо быстрее, чем кар- бониевый ион из бензола.
+ОН+ОН
+ОН
+ОН
Атака по фенолят-иону дает еще более устойчивый и еще быстрее образующийся интермедиат — непредельный кетон (типа III и IV).
В случае фенолов, как и в случае аминов, необходимо принимать специальные меры для того, чтобы предотвратить полизамещение и окисление. Кроме того, фенолы подвергаются еще ряду других реакций, которые также включают стадию электрофильного замещения и возможны лишь благодаря необычайно высокой активности кольца.
Нитрование
Фенол при действии концентрированной HNO3 превращается в 2,4,6- тринитрофенол (пикриновую кислоту). Нитрование сопровождается заметным окислением.
ононфенолфенолHNO3HNO3гЛЛлприншпрафетя (пикриновая кислота)гЛЛлприншпрафетя (пикриновая кислота)
он
он
фенол
фенол
HNO3
HNO3
гЛЛлприншпрафетя (пикриновая кислота)
гЛЛлприншпрафетя (пикриновая кислота)
Для получения мононитрофенолов необходимо использовать разбавленную азотную кислоту и проводить реакцию при низкой температуре; нс даже при этом выход продукта невелик. Получающиеся изомеры легко разделить перегонкой с паром, поскольку, как мы уже знаем, о-нитрофенол более летуч, чем пара-изомер.
феноло-нитрофенолвыход 40%феноло-нитрофенолвыход 40%
феноло-нитрофенол
выход 40%
феноло-нитрофенол
выход 40%
Задача 25.14. Пикриновую кислоту можно получить обработкой фенол-2,4-дисульфокислоты азотной кислотой, а) Приведите подробный механизм этого превращения. С каким свойством сульфокислот связана возможность осуществления этой реакции? б) Какие иреимушества имеет этот метод синтеза по сравнению с реакцией прямого нитрования?
Сульфирование
Сульфирование фенола осуществляется очень легко и приводит к получению главным образом орто- или пера-изомера в зависимости от температуры.
ононHaSO4,lHaSO4,lSO3H р,-фенолсулъфок«слота. (основной продукт реакции)SO3H р,-фенолсулъфок«слота. (основной продукт реакции)
он
он
HaSO4,l
HaSO4,l
SO3H р,-фенолсулъфок«слота. (основной продукт реакции)
SO3H р,-фенолсулъфок«слота. (основной продукт реакции)
Задача 25.15. о-Фенолсульфокислота превращается в пара-изомер под действием серной кислоты при 100 °C. Как вы объясните влияние температуры иа ориентацию в сульфировании фенола? (Указание: см. разд. 8.18 и 12.14.)
Галогенирование
Высокая реакционная способность фенолов приводит к тому, что даже при обработке их бромной водой происходит замещение всех атомов водорода в орто- и парс-положениях к ОН-группе и возможно даже замещение других групп, например:
ОНОНфенолфенолОНВг ®Г + ЗНВгОНВг ®Г + ЗНВгОНОН+ 2Вг2^*)+ 2Вг2^*)с-нрезолс-нрезолВг2.,4,6-трибромфвнолОНВг2.,4,6-трибромфвнолОНВгВг-К 2НВг-К 2НВгОНОН+ ЗВГ2^«й)8О3НП.фенолсулыроглилота,+ ЗВГ2^«й)8О3НП.фенолсулыроглилота,Вг4,6-вибром-Я-метилфенолОН. Вг Вг + ЗНВг + д^Вг4,6-вибром-Я-метилфенолОН. Вг Вг + ЗНВг + д^Вг^(б-трибромфенодВг^(б-трибромфенод
ОН
ОН
фенол
фенол
ОН
Вг ®Г + ЗНВг
ОН
Вг ®Г + ЗНВг
ОН
ОН
+ 2Вг2^*)
+ 2Вг2^*)
с-нрезол
с-нрезол
Вг
2.,4,6-трибромфвнол
ОН
Вг
2.,4,6-трибромфвнол
ОН
Вг
Вг
-К 2НВг
-К 2НВг
ОН
ОН
+ ЗВГ2^«й)
8О3Н
П.фенолсулыроглилота,
+ ЗВГ2^«й)
8О3Н
П.фенолсулыроглилота,
Вг
4,6-вибром-Я-метилфенол
ОН
. Вг Вг + ЗНВг + д^
Вг
4,6-вибром-Я-метилфенол
ОН
. Вг Вг + ЗНВг + д^
Вг
^(б-трибромфенод
Вг
^(б-трибромфенод
ъ^с^,^ъ^с^,^ОНОНФенолФенолОНОНо-бромсреноло-бромсренолЕсли галогенирование проводить в растворителе низкой полярности, таком, как хлороформ, четыреххлористый углерод или сероуглерод, то реакцию можно направить в сторону моногалогенирования, например:
ъ^с^,^
ъ^с^,^
ОН
ОН
Фенол
Фенол
ОН
ОН
о-бромсренол
о-бромсренол
к-бромфенол(основной продуктреакции)
Высокополярный растворитель, вода, может ускорять галогенирование, либо а) благоприятствуя ионизации фенола, дающей очень реакционноспособный фенолят-ион, либо б) стабилизуя полярное переходное состояние на стадии образования промежуточного карбониевого иона.
Алкилирование и ацилирование по Фриделю — Крафтсу
Алкилфенолы можно получить алкилированием фенолов по Фриделю — Крафтсу, но выходы в этой реакции часто бывают небольшими.
Хотя ароматические кетоны, содержащие ОН-группу, можно синтезировать прямым ацилированием фенолов, чаще их получают в две стадии с помощью перегруппировки Фриса (разд. 25.11).
Нитрозирование
Азотистая кислота превращает фенолы в нитрозофенолы.
NaNO3, H2SO4, 7-8^NaNO3, H2SO4, 7-8^
NaNO3, H2SO4, 7-8^
NaNO3, H2SO4, 7-8^
п-яитпрозофелол,выход 80 %
Фенолы — один из немногих классов соединений, достаточно активных для того, чтобы вступать в реакцию со слабоэлектрофильным нитрозоний-ионом
Задача 25.16. Нитрозогруппа (—NO) легко окисляется в NO2-rpynny азотной кислотой. Предложите лучший способ синтеза n-нитрофенола, чем способ, описанный в разд. 25.13.
Сочетание с солями диазония
Ароматическое кольцо фенола достаточно активно, чтобы вступать в реакцию с солями диазония с образованием азосоединений. Эта реакция была подробно обсуждена в разд. 24.10.
Реакция Кольбе. Синтез фенолкарбоновых кислот
Обработка солей фенола двуокисью углерода приводит к замещению водорода в кольце на карбоксильную группу (—СООН). Эта реакция известна под названием реакции Кольбе; ее наиболее важное применение — превращение самого фенола в о-оксибензойную кислоту, называемую салициловой кислотой. Хотя при этом образуется также некоторое количество п-оксибен- зойной кислоты, эти два изомера легко разделить перегонкой с паром, причем более летучим будет орто-изомер. (Почему?)
125V-7mw>^125V-7mw>^салицилат наторил , (основной продукт реакции)салицилат наторил , (основной продукт реакции)салициловая кислотасалициловая кислота
125V-7mw>^
125V-7mw>^
салицилат наторил , (основной продукт реакции)
салицилат наторил , (основной продукт реакции)
салициловая кислота
салициловая кислота
Кажется вероятным, что первоначально атака СО2 направляется по кислороду ONa-группы фенола, а не по кольцу. В любом случае конечный продукт образуется в результате электрофильной атаки по электронодефицитному атому углерода очень реакционного кольца.
Задача 25.17. Аспирин представляет собой ацетилсалициловую кислоту (о-ацетоксибен- зойную о-СН3СООС6Н4СООН), а эфирное масло из гаультерии — метиловый эфир салициловой кислоты. Приведите схемы синтеза этих двух соединений из фенола.
[СНО нс![СНО нс!салициловый альдегид (основной продукт реакции)салициловый альдегид (основной продукт реакции)фенолфенол
[СНО нс!
[СНО нс!
салициловый альдегид (основной продукт реакции)
салициловый альдегид (основной продукт реакции)
фенол
фенол
Реакция Реймера — Тимана.
Синтез ароматических альдегидов, содержащих ОН-группу. Дихлорметилен
Обработка фенола хлороформом и водной щелочью приводит к введению альдегидной группы —СНО в ароматическое кольцо обычно в орто-положение к ОН-группе. Эта реакция известна под названием реакции Реймера — Тимана, например:
вихлорметилен (дихлоркарбен)вихлорметилен (дихлоркарбен)(1)(2)(1)(2)СС13СС13СНС13 + он-СНС13 + он-СГ+ :СС12СГ+ :СС12СС1?+Н2ОСС1?+Н2О
вихлорметилен (дихлоркарбен)
вихлорметилен (дихлоркарбен)
(1)
(2)
(1)
(2)
СС13
СС13
СНС13 + он-
СНС13 + он-
СГ+ :СС12
СГ+ :СС12
СС1?+Н2О
СС1?+Н2О
Первоначально образуется замещенный бензальхлорид, который гидролизуется, поскольку реакцию проводят в щелочной среде.
Реакция Реймера — Тимана включает стадию электрофильного замещения в очень активном кольце фенолят-иона. Электрофильным реагентом является дихлорметилен :СС12, генерируемый из хлороформа действием щелочи. Хотя дихлорметилен электрически нейтрален, он содержит атом углерода, несущий лишь секстет электронов и потому являющийся сильным электрофилом.
он- + сна3 ^ н2о+ -:са3 —> сг + :саг
хлороформ
электрофильный реагент
В разд. 9.20 мы уже встречались с дихлорметиленом как с частицей, присоединяющейся по двойной углерод-углеродной связи. В тех реакциях, так же как и в рассматриваемой, предполагали, что дихлорметилен образуется из хлороформа под действием сильного основания. Справедливость предположения о существовании этой частицы подтверждается прежде всего тем фактом, что оно очень хорошо объясняет характер продуктов некоторых реакций; в частности, дихлорметилен присоединяется к алкенам точно так же, как в случае реагента, безусловно являющегося метиленом
(:СН2).
Образование дихлорметилена в результате последовательности реакций
быстро >быстро >
быстро >
быстро >
продукты'реакции (присоединениек алкенам, реакция Реймера—Тимана, гидролиз и т. д.)
подтверждается многочисленными данными, полученными в основном в результате работ Дж. Хайна (Технологический институт штата Джорджиа).
Задача 25.18. Какое отношение имеет каждый из перечисленных ниже фактов к вышеприведенному механизму реакций (дайте конкретные ответы)? а) СНС13 подвергается щелоч-
ному гидролизу гораздо быстрее, чем CG4 или СН2С12. 6) Гидролиз обычного хлороформа проводят в D2O в присутствии OD-. Если реакцию прервать и выделить иепрореагиро- вавший хлороформ, то оказывается, что он содержит дейтерий. (Указание: см. разд. 20.16) в) Присутствие дополнительно добавленного СГ замедляет щелочной гидролиз СНС13. г) Если щелочной гидролиз СНС13, проводимый в присутствии I-, прервать, то возвращается обратно не только СНС13, ио также СНСЦ (в отсутствие основания СНС1Э не реагирует с Г), д) В присутствии основания СНС18 реагирует с ацетоном, давая 1,1,1 -тр и хлор-2-метил пропа иол-2.
Реакция с формальдегидом. Фенолформальдегидные смолы
К числу старейших синтетических полимеров, все еще имеющих очень важное значение, относятся полимеры, образующиеся при реакции между фенолами и формальдегидом,— фенолформальдегидные смолы (бакелит и родственные ему полимеры). Фенол обрабатывают формальдегидом в присутствии щелочи или кислоты, и образуется высокомолекулярное вещество, в котором большое число фенольных колец связано посредством групп —СН2—
НСНО . НЧмоОН”НСНО . НЧмоОН”а-опсиметилфеиола-опсиметилфеиолС«н^он?С«н^он?ононСН2СН2НСНО.С^ЩОННСНО.С^ЩОН
НСНО . НЧмоОН”
НСНО . НЧмоОН”
а-опсиметилфеиол
а-опсиметилфеиол
С«н^он?
С«н^он?
он
он
СН2
СН2
НСНО.С^ЩОН
НСНО.С^ЩОН
По-видимому, образование полимеров включает следующие стадии. Фенол реагирует с формальдегидом с образованием о- или п-оксиметилфенола. Оксиметилфенол далее реагирует с другой молекулой фенола с отщеплением воды и образованием вещества, в котором два кольца соединены посредством группы — СН2—. Этот процесс продолжается дальше и приводит к продукту высокого молекулярного веса. Поскольку в каждой молекуле фенола имеются три положения, доступные для атаки, то образующийся в результате продукт содержит множество поперечных связей и имеет жесткую структуру.
Первая стадия реакции может трактоваться и как электрофильное замещение в кольцо под действием электронодефицитного атома углерода формальдегида, и как нуклеофильное присоединение ароматического кольца по карбонильной группе.
Основание катализирует реакцию, превращая фенол в более реакционноспособный (более нуклеофильный) фенолят-ион. Кислота катали-
зирует реакцию за счет протонирования формальдегида и увеличения электронной плотности на карбонильном углероде.
ну к леи- электрофильный фИЛЬНЫЙ реагент реагентну к леи- электрофильный фИЛЬНЫЙ реагент реагентОсновной гидролизОсновной гидролиз+ОН+ОНнуклео-^ фильный реагентнуклео-^ фильный реагентэлектрофильный реагентэлектрофильный реагентКислотный гидролизКислотный гидролиз
ну к леи- электрофильный фИЛЬНЫЙ реагент реагент
ну к леи- электрофильный фИЛЬНЫЙ реагент реагент
Основной гидролиз
Основной гидролиз
+ОН
+ОН
нуклео-^ фильный реагент
нуклео-^ фильный реагент
электрофильный реагент
электрофильный реагент
Кислотный гидролиз
Кислотный гидролиз
Анализ
Наиболее характерным свойством фенолов является их кислотность. Большинство фенолов (разд. 25.3 и 25.8) — бэлее сильные кислоты, чем вода, но более слабые кислоты, чем угольная кислота. Поэтому нерастворимое в воде вещество, растворяющееся в водном растворе едкого натра, ио не растворяющееся в водном растворе бикарбоната натрия, вероятнее всего будет фенолом.
Многие (но не все) фенолы дают окрашенные комплексы (цвет которых может изменяться в пределах от зеленого через синий и фиолетовый до красного) с хлоридом железа(Ш). (Эта проба также применяется для енолов, разд. 30.7.)
Фенолы часто идентифицируют по продуктам бромирования, а также в виде некоторых сложных и простых эфиров.
Задача 25.19. Фенолы часто идентифицируют в виде арилоксиуксусных кислот (АгОСН2СООН). С помощью какого реагента и какой методики получают эти производные? (Указание: см. разд. 25.10). Какое свойство арилоксиуксусных кислот, помимо температур плавления, будет полезным для идентификации фенолов? (Указание: см. разд. 18.20.)
Спектральный анализ фенолов
Инфракрасные спектры. Как видно на рис. 25.2, для фенолов характерна сильная широкая полоса валентных колебаний О—Н в той же области, что и для спиртов.
О—Н валентные колебания, широкие, сильные полосы
Фенолы или спирты 3200—3600 см-1
Фенолы, однако, отличаются от спиртов по положению полосы валентных колебаний С—О (ср. разд. 16.12).
С—О валентные колебания, широкие, сильные полосы
Фенолы около 1230 см-1
Спирты 1050—1200 см-1
Простые эфиры фенолов не обнаруживают, естественно, полосы О—Н, но для них характерна полоса валентных колебаний С—О.
С—О валентные колебания, широкие, сильные полосы
Ариловые и виниловые простые эфиры 1200—1275 см-1 и более слабые 1020—1075 см-1
Алкиловые эфиры 1060—1150 см-1
(Для сравнения некоторых кислородсодержащих соединений см. табл. 20.4, стр. 657.)
ПМР-спектры. Положение частоты поглощения протона О—Н фенолов, как и спиртов (разд. 16.12), зависит от того, насколько сильна водородная связь, и, следовательно, от температуры, концентрации и природы растворителя. Сигнал может появляться в любом месте в области т 3—6 (6 4—7) или, если имеется внутримолекулярная водородная связь, веще более слабом поле: т от —2 до 4 (6 6—12).
ЗАДА ЧИ
Напишите структурные формулы следующих соединений:
2,4-динитрофенола,ж) пикриновой кислоты,
м-крезола,з)фенилацетата,
гидрохинона,и)анизола,
резорцина,к)салициловой кислоты,
4-н-гексилрезорцнна,л)этнлсалицилата.
пирокатехина,
Укажите реагенты и условия, необходимые для получения фенола из следующих соединений:
анилина,в) хлорбензола,
бензолсульфокислоты,г) кумола (изопропилбензола).
Перечислите стадии синтеза фенола из бензола через стадию получения каждого из вышеперечисленных соединении.
Какие из этих методов используются в промышленном получении фенола?
Какой из этих методов наиболее удобен для лабораторного получения фенолов?
Укажите все стадии возможного промышленного синтеза следующих веществ:
пирокатехина из гвайякола (о-СН3ОС6Н4ОН), встречающегося в смоле сухой перегонки древесины бука,
пирокатехина из фенола,
резорцина из бензола,
пикриновой кислоты из хлорбензола,
вератрола [о-С6Н4(ОСН3)2] из пирокатехина.
Приведите схему возможного лабораторного синтеза следующих соединений из бензола и (или) толуола с использованием любых необходимых алифатических и неорганических реагентов:
5-бром-2-метилфенола,2,4-динитрофенола,м) п-изопропилфенола,н) 2,6-дибром-4-изопропилфенола,о) 2-окси-5-метилбензальдегида, п) о-метоксибензилового спирта.5-бром-2-метилфенола,2,4-динитрофенола,м) п-изопропилфенола,н) 2,6-дибром-4-изопропилфенола,о) 2-окси-5-метилбензальдегида, п) о-метоксибензилового спирта.a — в) трех изомерных крезолов, г) п-иодфенола, д) ж-фторфенола, е) о-бромфенола, ж) З-бром-4-метилфенола, з) 2-бром-4-метилфенола, и) 2-бром-5-метилфенола,
5-бром-2-метилфенола,
2,4-динитрофенола,
м) п-изопропилфенола,
н) 2,6-дибром-4-изопропилфенола,
о) 2-окси-5-метилбензальдегида, п) о-метоксибензилового спирта.
5-бром-2-метилфенола,
2,4-динитрофенола,
м) п-изопропилфенола,
н) 2,6-дибром-4-изопропилфенола,
о) 2-окси-5-метилбензальдегида, п) о-метоксибензилового спирта.
Напишите структурные формулы и назовите основные органические продукты, образующиеся при реакции о-крезола со следующими реагентами (во всех ли случаях будут происходить какие-либо * реакции?):
н) веществом (и) + А1С13, о) тионилхлоридом, п) раствором хлорида железа(Ш) р) Нг, Ni, 200 °C, 20 атм, с) холодной разб. HNO3, т) H,SO4, 15 °C, у) H2SO4, 100 °C, ф) бромной водой, х) Br2, CS2, ц) NaNO2, разб. H2SO4, ч) веществом (ц) + HNO3, ш) хлоридом п-нитрофенилдназония, щ) СО2, NaOH, 125 °C, 5 атм, э) СНС13, водн. NaOH, 70 °C.н) веществом (и) + А1С13, о) тионилхлоридом, п) раствором хлорида железа(Ш) р) Нг, Ni, 200 °C, 20 атм, с) холодной разб. HNO3, т) H,SO4, 15 °C, у) H2SO4, 100 °C, ф) бромной водой, х) Br2, CS2, ц) NaNO2, разб. H2SO4, ч) веществом (ц) + HNO3, ш) хлоридом п-нитрофенилдназония, щ) СО2, NaOH, 125 °C, 5 атм, э) СНС13, водн. NaOH, 70 °C.водн. NaOH,
н) веществом (и) + А1С13, о) тионилхлоридом, п) раствором хлорида железа(Ш) р) Нг, Ni, 200 °C, 20 атм, с) холодной разб. HNO3, т) H,SO4, 15 °C, у) H2SO4, 100 °C, ф) бромной водой, х) Br2, CS2, ц) NaNO2, разб. H2SO4, ч) веществом (ц) + HNO3, ш) хлоридом п-нитрофенилдназония, щ) СО2, NaOH, 125 °C, 5 атм, э) СНС13, водн. NaOH, 70 °C.
н) веществом (и) + А1С13, о) тионилхлоридом, п) раствором хлорида железа(Ш) р) Нг, Ni, 200 °C, 20 атм, с) холодной разб. HNO3, т) H,SO4, 15 °C, у) H2SO4, 100 °C, ф) бромной водой, х) Br2, CS2, ц) NaNO2, разб. H2SO4, ч) веществом (ц) + HNO3, ш) хлоридом п-нитрофенилдназония, щ) СО2, NaOH, 125 °C, 5 атм, э) СНС13, водн. NaOH, 70 °C.
водн. NaHCO3,
горячей конц. НВг,
диметилсульфатом, водн. NaOH, д) бензилбромидом, водн. NaOH е) бромбензолом, водн. NaOH, ж) 2,4-динитрохлорбензолом, водн. NaOH,
з) уксусной кислотой, H2SO4, и) уксусным ангидридом, к) фталевым ангидридом, л) n-нитробензоилхлоридом, пиридином,
м) бензолсульфохлоридом, водн. NaOH,
Ответьте на вопросы задачи 5 для анизола.
Ответьте на вопросы задачи 5 (а — п) для бевзилового спирта.
Не обращаясь к таблицам, расположите соединения в каждом из приведенных ниже рядов в порядке увеличения кислотности.
бензолсульфокислота, бензойная кислота, бензиловый спирт, фенол;
угольная кислота, фенол, сериая кислота, вода;
ж-бромфенол, ж-крезол, ж-нитрофенол, фенол;
п-хлорфенол, 2,4-дихлорфеиол, 2,4,6-трихлорфенол.
Опишите простейшие химические пробы, позволяющие различить следующие соединения;
фенол и о-ксилол;
n-этилфенол, п- метил ан изол, n-метилбензиловый спирт;
2,5-диметилфенол, фенилбензоат, ж-толуиловая кислота;
анизол и о-толуидин;
ацетилсалициловая кислота, этиловый эфир ацетилсалициловой кислоты, этил- салнцилат, салициловая кислота;
ж-диннтробензол, ж-нитроанилин, ж-нитробензойная кислота, ж-нитрофенол. Укажите точно, что вы будете делать и что наблюдать.
Опишите простые химические методы для разделения смесей соединений из задачи 9 (а, в, г, е), причем каждое соединение надо выделить в практически чистом виде.
Укажите все стадии возможного лабораторного синтеза следующих соединений из указанного ароматического соединения и любых необходимых алифатических и неорганических реагентов:
2,4-диаминофенола (амидол, используемый в качестве проявителя в фотографии) из хлорбензола,
4-амино-1,2-диметоксибензола из пирокатехина,
2-нитро-1,3-диоксибензола из резорцина (указание: см. задачу 9, стр. 682),
2,4,6-триметилфенола (мезитол) из мезитилена,
п-трет-бутилфенола из фенола,
4-(п-окснфенил)-2,2,4-триметилпентана из фенола,
2-фенокси-1-бромэтана из фенола (указание: вместе с С6Н5ОСН2СНгОС6Нв),
винилфенилового эфира из фенола,
что даст винилфениловый эфир при нагревании с кислотой?
2,6-динитро-4-трет-бутил-3-метиланизола (синтетический мускус) из ж-кре- зола,
5-метил-1,3-диоксибензола (орсин, основное соединение лакмусовых красителей) из толуола.
а) Если гидроперекись С6НВСН2ООН обрабатывать кислотой, то в реакционной смеси будет содержаться как фенол, так и бензальдегид. Каков вероятный путь образования каждого из этих веществ? Какие другие органические продукты, по вашему мнению, могут присутствовать в реакционной смеси?
Обработка гидроперекиси 1-метилциклогексанола кислотой проводит к веществу с формулой СТН14О2, которое дает положительные пробы с CrO3/H2SO4, 2,4-дннитро-
фенилгидразином и NaOI. Какова вероятная структура этого вещества и как оно образуется?
Трополон (I, CjH7O2) представляет собой плоскую молекулу, в которой все углеродуглеродные связи имеют одинаковую длину [1,40 А (14,0-10—2 нм)]. Теплота сгорания трополона, определенная экспериментально, на 20 ккал (83,74-103 Дж) меньше, чем рас- считанвая по методу задачи 10.2 (стр. 307). Дипольный момент трополона равен 3,71 Д, 5-бромтрополона — 2,07 Д.
Трополон подвергается реакции Реймера — Тимана, сочетается с солями диазония и нитруется разбавленной азотной кислотой. Он дает зеленое окрашивание с хлоридом железа(Ш) и не реагирует с 2,4-динитрофеннлгидразином. Трополон является и кислотой
ОН
щропопон
1
(Ко — 10-7), и слабым основанием, образуя хлоргидрат в растворе эфира.
Соединения какого класса напоминает трополон? Является ли формула I его адекватным изображением?
Объясните свойства трополона, используя как валентные, так и орбитальные структуры.
Как Направлен дипольный момент трополона? Согласуется ли это с предложенной вами структурой?
В ИК-спектре трополона имеется широкая полоса при 3150 см-1, которая очень слабо изменяется при разбавлении. Что говорит вам этот факт о структуре трополона? 14. Реакция бензилхлорида с фенолятом натрия следует кинетике второго порядка в различных растворителях; однако при этом значительно изменяется природа образующихся продуктов.
В диметилформамиде, диоксане или тетрагидрофуране реакция дает лишь фе- нилбеизиловый эфир. Опишите подробно механизм этой реакции. К какому общему классу относится эта реакция?
В водном растворе выход простого эфира уменьшается в 2 раза, и, кроме того, получаются о- и л-бензилфенолы. Опишите подробно механизм образования последних двух продуктов. К какому общему классу (или классам) относятся эти реакции?
Каково возможное объяснение различия в поведении в условиях пунктов (а) и (б) (указание: см. разд. 14.21).
В метаноле или этаноле реакция происходит, как в пункте (а); в жидком феноле или 2,2,2-трифторэтаноле реакция протекает, как в пункте (б). Как вы можете объяснить это различие?
Если флороглюцин, 1,3,5-триоксибензол, растворить в концентрированной НС1О4, то в ПМР-спектре появляется два пика одинаковой площади при т 3,88 (6 6,12) и т 5,85 (6 4,15). Аналогичные растворы 1,3,5-триметоксибензола и 1,3,5-триэтоксибензола имеют те же сигналы в ПМР-спектре. При разбавлении растворов исходные соединения возвращаются неизменными. Растворы этих соединений в D2SO4 обнаруживают те же пики, которые при стоянии постепенно исчезают.
Как вы объясните эти наблюдения? Что образуется в кислых растворах? Что будет получаться при выделении продукта из раствора 1,3,5-триметоксибензола в D2SO4?
Напишите структурные формулы всех соединений, участвующих в следующих пре- зращениях:
л-иитрофенол + C2H5Br + NaOH (водн.)> A (C8HeO3N),
А + Sn + НС1» Б (CgHnON),‘
Б 4- NaNO2 + НС1, затем фенол> В (C14H14O2N2), В + диэтилсульфат + NaOH (водн.)> Г (C18H18O2N2), г + SnCl2> Д(С8НПОК),
Д + хлористый ацетил► фенацетин (CloH13O2N), болеутоляющее и жаропонижающее средство;
Р-(о-оксифенил)этиловый спирт + НВт» Е (С8Н9ОВг),
Е + КОН» кцмаран (С8Н8О), нерастворим в NaOH;
фенол + С1СН2СООН + NaOH (водн.), затем НС1» Ж (С8Н8О3);
Ж + SOC12> 3 (С8Н7О2С1),
3 + А1С13 ——» кумаранон-3 (С8Н6О2),
л-цимол (л-изопропилтолуол) + конц. H2SO4 » И + К (оба C]0H14O3S),
И+ КОН + нагревание, затем Н+> карвакрол (С1ПН14О), встречается в некоторых эфирных маслах,
К + КОН + нагревание, затем H^> тимол (С10Н14О) из масла чабреца, И + HNO,» Л (C8H8O5S),
n-толуиловая кислота 4* дымящаяся серная кислота> Л;
анетол (стр. 754) + НВт» М (С10Н13ОВг),
М + Mg> Н (С20Н26О2), Н + НВг, нагревание > гексэстрол (QgH^Oa), синтетический эстроген
(женский половой гормон).
(—у Адреналин — гормон, выделяемый корой надпочечников, был первым выделенным и первым синтезированным гормоном. Его структура была доказана следующим синтезом:
. . рО«з пирокатехин + С1СН2СОС1 > А (С8Н7О3С1),
А + CHjNHj> Б (C8HUO3N), Б + Н2, Pd> (±)-адреналин (CgH13O3N), A -j- NaOI, затем Н+» 3,4-диоксибензойная кислота. Какова структура адреналина?
(—уфелландраль (С10Н1вО) — терпен, встречающийся в эвкалиптовом масле. Он окисляется реактивом Толленса в (—)-фелландреновую кислоту С10Н16О2, которая легко поглощает лишь 1 моль водорода с образованием дигидрофелландреновой кислоты CioHi802. (±)-Фелландраль синтезируется следующим образом:
изопропилбензол + H2SO4 4- SO3 > A (C^H12O3S),
А + КОН, сплавление> Б (С8Н12О),
Б + Н2, NI В (С,Н18О).
В + К2Сг2О„ H2SO4> Г (С»Н16О), Г + KCN + №> Д (C10H17ON),
Д -|- уксусный ангидрид> Е (C12H19O2N), Е 4- нагревание (600°)> Ж (C10H15N) 4" СН3СООН,
Ж 4" H2SO4 + Н2О* 3 (С10Н16О2), 3 4- SOC12> и (С10Н15ОС1,
восстановление
И> (±)-фелландраль.
Какова наиболее вероятная структура фелландраля?
Почему синтетический фелландраль оптически неактивен? На какой стадии синтеза впервые появляется неактивность подобного типа?
Дигидрофеллаидреновая кислота в действительности представляет собой смесь двух оптически неактивных изомеров. Напишите структурные формулы этих изомеров и объясните их оптическую неактивность.
Соединение A (QHgO) нерастворимо в воде, разбавленной НСГ и водном NaHCO3, но растворяется в разбавленном NaOH. При обработке соединения А бромной водой оно быстро превращается в вещество с формулой С,Н5ОВг3. Какова структура А?
Два изомерных соединения (А и Б) были выделены из масла листьев лавра; установлено, что оии оба имеют формулу С10Н12О, нерастворимы в воде, разбавленной кислоте и разбавленном основании и дают положительные реакции с разбавленным КМпО4 и Вг2/СС14. При энергичном окислении оба вещества дают анисовую кислоту п-СН3ОСвН4СООН.'
Какие структуры можно предложить на основании этих данных для соединений А и Б?'*
Каталитическое гидрирование превращает соединения А и Б в одно и то же вещество С10Н14О. Какие структуры теперь можно предложить для соединений А и Б?
Опишите химические методы (иные, чем синтез), с помощью которых вы могли бы доказать структуры веществ А и Б.
Соединение А можно синтезировать следующим образом: л-броманизол 4" Mg + ~Ь эфир, затем бромистый аллил » А. Какова структура соединения А?
Соединение А превращается в Б при сильном нагревании с концентрированным основанием. Какова наиболее вероятная структура Б?
Предложите схему синтеза, исходя из n-броманизола, которая независимо подтвердит структуру, приписанную соединению Б.
Соединение А (С10Н12О3) нерастворимо в воде, разбавленной НС1 и разбавленном водном растворе NaHCO3, но растворимо в разбавленном NaOH. Раствор соединения А в разбавленном NaOH нагревали до кипения, а дистиллат собирали в раствор NaOI, причем образовался желтый осадок.
Щелочной раствор в перегонной колбе подкисляли разбавленной H2SO4; выделился осадок вещества Б. При кипячении этой смеси вещество Б отгоняется с паром и собирается в приемнике. Установлено, что соединение Б имеет формулу С7Н6О3; оно растворяется в водном растворе NaHCO3 с выделением газа.
Напишите структурные формулы и назовите соединения А и Б.
Напишите полные уравнения для всех вышеприведенных реакций.
Хавибетол (С]еН12О2) встречается в листьях бетеля. Он растворим в водном растворе NaOH, но не в водном растворе бикарбоната натрия. Обработка хавнбетола а) диметилсульфатом и водным раствором NaOH дает вещество А (СиН14О2); б) горячей нодиете-
водородной кислотой дает иодистый метил; в) горячим концентрированным раствором •снования дает вещество Б (С10Н12О2).
Вещество А нерастворимо в водном растворе NaOH и легко обесцвечивает разбавленный раствор КМпО4 и Вг2/СС14. Обработка соединения А горячим концентрированным раствором основания дает продукт В (СПН14О2).
Озонолиз вещества Б приводит к соединению, изомерному ванилину (стр. 754).
Озонолиз соединения В дает вещество, идентичное веществу, получаемому при •бработке ванилина диметилсульфатом.
Какова структура хавибетола?
Были проведены следующие реакции:
нитробензол + Zn + NH4C1> A (C6H7ON), N-фенилгидроксиламин
кислота
А*■ Б (C6H7ON),
восстановление
А*• анилин,
окисление
А *• нитрозобензол, уксусный ангидридуксусный ангидрид
Б* В (C8H8O2N)> Г (C10HnO3N),
(CH3)2SO4, ОН~ОН—, нагревание
В- Д (CAAN) Е (C,H9ON),
NaNO2, H2SO4 CuBr
п-броманизол.
Е
>.
Соединениеразб. НО
Браств.
Внераств.
Гнераств.
Диераств.
Ераств.
а) Каковы структуры
разб. NaOHводн. NaHCO_
раств.нераств.
раств.иераств.
нераств.нераств.
иераств.нераств.
иераств.нераств.
соединений Б — Е?
Какова наиболее вероятная структура соединения А?
Какого рода реакция протекает при превращении А в Б?
Предскажите, что вы получите вместо соединения Б, если исходным веществом будет л-нитротолуол.
Предложите схему возможного синтеза З-метил-4-аминофенола, исходя из толуола.
Структура терпена а-терпинеола (встречается в эфирных маслах кардамона и майорана) была частично доказана следующим синтезом:
n-толуиловая кислота + дымящая H2SO4 » A (C8H8O5S),
сплавление
А + КОН>- Б (СдН8О3),
Б + Na, спирт♦ В (С8Н14О3),
В + НВг> Г (С8Н13О2Вг),
Г + основание, нагревание > Д (С8Н12О2),
Д + QHsOH, НО» Е (С]0Н1вО2),
Е + CHsMgl, затем Н2О» а-терпинеол (С,0Н18О).
Какова наиболее вероятная структура а-терпинеола?
Конифериловый спирт (С10Н12О3) получают из сока хвойных. Он растворим в водном растворе NaOH, но не в водном растворе бикарбоната натрия. Обработка кониферило- вого спирта а) хлористым бензоилом и пиридином дает вещество А (С34Н20Оа; б) холодной НВг дает С49Н4-1О2Вг, в) горячей иодистоводородной кислотой дает летучее соединение, идентифицированное как иодистый метил; г) йодистым метилом и основанием дает вещество Б (СПН14О3).
Как А, так и Б нерастворимы в разбавленном растворе NaOH и быстро обесцвечивают разбавленные растворы КМпО4 и Вг2/СО4.
При озонолизе кониферилового спирта образуется ванилин
Какова структура кониферилового спирта? Напишите уравнения для всех вышеприведенных реакций.1
Гординен (C10H15ON) — алкалоид, выделенный из прорастающего ячменя Он растворим в разбавленной НС1 и разбавленном растворе NaOH и вновь осаждается из ше- лочного раствора при пропускании двуокиси углерода. Гординен реагирует с бензолсульфохлоридом, давая продукт А, растворимый в разбавленных кислотах
При обработке гординена диметилсульфатом и основанием образуется вещество Б Когда соединение Б окисляют щелочным раствором КМпО4, то получают анисовую кис-
Частота,см-1
50004000 3000 25002000150014001300 1200 «001000900800700
у! Ш I I 1I I I II I I I I II I I I II I I I II I I I II I I I II I I I II I I I II I I I I I1 I I III I I II I I
23456789101112131415
Длина волны, мкм
Пропускание, %Пропускание, %Пропускание,
Частота, см-1
5000 4000 3000 25002000150014001300 1200 11001000900800700
2345678910 И 121314 IS
Длина волны, мкм
Частота, см~{
5000 4000 3000 25002000150014001300 1200 11001000900800700
Длина волны, мкм
Рис. 25.4. ПМР-спектры к задаче 29.
Частота.см-*
5000 4000 3000 25002000150014001300 1200 11001000900800700
Плана, волны, мкм
Пропускание, %Пропускание,
Частота, см-1 5000 4000 3000 25002000150014001300 1200 11001000900800700
2345878910 И 12131415
Длина волны, мкм
Рис. 25.6. ИК-спектры к задаче 29.
лоту (n-CH3OC6HtCOOH). Сильное нагревание соединения Б приводит к л-метоксисти- ролу.
Какая структура или структуры отвечают этим данным?
Приведите схему синтеза или синтезов, которые могли бы доказать структуру гординена.
Азосоединение А при восстановлении SnCl2 дает 2-амино-4-метилфенол и л-амино- ацетанилид. Азосоединение Б превращается при этом в смесь следующих веществ: 1 моль л-фенилендиамина, 1 моль 2,4-диоксианилина и 1 моль л-амино-М,М-днметиланилина. Восстановление азосоединения В SnCl2 приводит к 4-амино-З-бромтолуолу и 4-амино- 2-метилфенолу.
Напишите структурные формулы соединений А, Б и В.
Предложите возможные схемы синтеза соединений А, Б и В из бензола, толуола и любых алифатических и неорганических реагентов.
Предложите синтезы, которые могли бы подтвердить структуру каждого из перечисленных выше продуктов восстановления.
При обработке светло-желтого вещества А хлоридом олова(П) окраска исчезает. Реакционную смесь делают сильно щелочной и экстрагируют эфиром. После удаления эфира из экстракта остается твердое вещество Б. Если через водный слой пропустить двуокись углерода, то образуется осадок соединения В, который отделяют фильтрованием. Если к фильтрату прибавляют разбавленную НО, то выпадает осадок, растворяющийся при дальнейшем прибавлении кислоты с образованием раствора соединения Г.
Соединение Б после перекристаллизации имело т. пл. 126—127 °C и формулу Cj2H12N2. Оно легко растворяется в водной НО; обработка этого кислого раствора нитритом натрия, а затем Н3РО2 дает твердое вещество с т. пл. 69—70 °C и формулой С12Н10.
Соединение В имеет т. пл. 185—186 °C и формулу C6H7ON. Оно растворимо в водной кислоте.
Когда раствор соединения Г обрабатывают нитритом натрия, а затем Н3РО2, то выпадает осадок вещества Д, которое отделяют фильтрованием. Вещество Д имеет т. пл. 157—159 °C и формулу С,Н6О3; оно дает фиолетовое окрашивание с хлоридом железа(Ш).
Какова вероятная структура соединения А (используйте необходимые таблицы),
Предложите возможный синтез соединения А нз бензола, толуола и любых необходимых алифатических и неорганических реагентов.
Вещества А — Д являются фенолами или родственными им веществами* структуры которых приведены в разд. 19.4 или 25.4. Припишите структуры каждому из них на основании ИК- и (или) ЯМР-спектров, приведенных ниже:
А, Б и В: ИК-спектры на рис. 25.3, ПМР-спектры на рис. 25.4.
Г: ПМР-спектр иа рис. 25.5.
Д и Е: ИК-спектры иа рис. 25.6.
(.Указание: после того как вы идентифицируете какие-нибудь из структур, сравните ИК-спектры.)
Арилгалогениды
НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ В АРОМАТИЧЕСКОМ РЯДУ
Структура
Арилгалогенидами называют соединения, содержащие атом галогена, связанный непосредственно с ароматическим кольцом, общей формулы АгХ, где Аг — фенил, замещенный фенил или одна из других арильных групп, которые мы еще будем изучать (например, нафтил, гл. 35).
ddбрпмбеизолбрпмбеизолил-хлортлпробекзолил-хлортлпробекзолсоонсооно-хлорбензоиная кислотао-хлорбензоиная кислота
d
d
брпмбеизол
брпмбеизол
ил-хлортлпробекзол
ил-хлортлпробекзол
соон
соон
о-хлорбензоиная кислота
о-хлорбензоиная кислота
Не каждое галогенпроизводное, содержащее ароматическое кольцо, относится к арилгалогенидам. Например, хлористый бензил не является арил- галогенидом, поскольку галоген в нем не связан с ароматическим кольцом; по своему строению и свойствам он относится к замещенным алкилгалогени- дам, и поэтому он был рассмотрен вместе с этими родственными соединениями (гл. 14).
Арилгалогениды обсуждаются в отдельной главе потому, что они очень сильно отличаются от алкилгалогенидов по методам синтеза и свойствам. Арилгалогениды в целом относительно не реакционноспособны в реакциях нуклеофильного замещения, которые столь характерны для алкилгалогенидов. Однако присутствие некоторых других групп в ароматическом кольце резко повышает реакционную способность арилгалогенидов; в отсутствие подобных групп реакцию все же удается осуществить, но лишь при использовании очень сильно основных реагентов или высоких температур. Мы покажем, что существуют два механизма нуклеофильного замещения в ароматическом ряду: механизм бимолекулярного замещения (для активированных арилгалогенидов) и механизм элиминирования — присоединения, который включает образование очень интересного промежуточного соединения, называемого дегидробензолом.
Любая другая функциональная группа, которая присутствует в молекуле арилгалогенида, вступает, конечно, в характерные для нее реакции. Нас особенно будут интересовать реакции электрофильного замещения в бензольном кольце. Как было показано в разд. 11.5, галогены влияют очень необычно на реакцию электрофильного замещения: они обладают дезактивирующим действием, оставаясь ор/т?о, пара-ор иентантами. Низкая реакционная способность галогенов в нуклеофильном замещении в ароматическом ряду и аномальное влияние на реакции электрофильного замещения в ароматическом ряду обусловлены одними и теми же структурными особенностями арилга- галогенидов.
Наконец, интерес представляет сравнение арилгалогенидов с некоторыми другими неароматическими галогенидами, а именно с винилгалогенида- ми, в которых галоген связан непосредственно с атомом углерода при двойной связи.
—с=с—хвинилгалогенид
Винилгалогениды обнаруживают сходство в свойствах с арилгалогенидами: они тоже не реакционноспособны по отношению к нуклеофильному замещению и также оказывают аномальное влияние на реакционную способность и ориентацию в электрофильных реакциях групп, с которыми связан атом галогена, в данном случае в реакциях присоединения к двойной углеродуглеродной связи. Будет показано, что это сходство между арил- и винилга- логенидами объясняется сходством в их структуре.
Номенклатура
Номенклатура арилгалогенидов уже обсуждена в разд. 10.19.
Физические свойства
Физические свойства арилгалогенидов сходны с физическими свойствами алкилгалогенидов, если только они не модифицированы присутствием некоторых других функциональных групп. Так, например, хлорбензол и бром- бензол имеют температуры кипения, очень близкие с температурами кипения н-гексилхлорида и н-гексилбромида; подобно алкилгалогенидам, арилгалогениды нерастворимы в воде и растворимы в органических растворителях.
Таблица 26.1
Физические свойства арилгалогенидов
Арилгалогенид
Т. пл., °C
Т. кип., °C
орто
мета
пара
т. пл., °C
т. кип., °C
т. пл., °C
т. кип., °C
т, пл., СС
т. кип., °C
Фторбензол Хлорбензол Бромбензол Иодбензол Фтортолуол Хлортолуол Бромтолуол Иодтолуол Дифторбензол Дихлорбензол Дибромбензол Дииодбензол Нитрохлорбензол 2,4-Динитрохлорбензол
2,4,6-Тринитрохлорбензол (пи- крилхлорид)
Винилхлорид Винилбромид
—45
—45
—31
—31
53
83
—160
—138
85
132
156
189
315
— 14
16
—34
—26
—34
—17
6
27
32
115
159
182
206
92
180
221
287
245
—111
—48
—40
-59
—24
—7
35
48
115 162 184 211
83 173 217 285 236
8
28
35
-13
52
87
129
83
116 162 185 211
89 175 219 285 239
Физические константы, перечисленные в табл. 26.1, очень хорошо иллюстрируют сделанное в разд. 12.3 замечание относительно температур ки-
пения- и плавления орто-, мета- и пору-изомеров. Так, например, изомерные дигалогенбензолы имеют очень близкие температуры кипения: в интервале 173—180 °C для дихлорбензолов, 217—221 °C для дибромбензолов и 285—287° для дииодбензолов. Однако температуры плавления тех же самых соединений обнаруживают значительный разброс; в каждом случае пара-изомер имеет температуру плавления на 70—100 °C выше, чем орто- или мета-изомер. Физические константы галогентолуолов обнаруживают аналогичную зависимость.
И в этом случае пара-изомер, обладающий наиболее симметричной структурой, лучше всего укладывается в кристаллическую решетку и имеет наивысшую температуру плавления. Именно этим можно объяснить то, что при охлаждении продукта реакции, содержащего как орто-, так и пара-изо- меры, очень часто выделяются кристаллы только пара-изомера. Вследствие сильных внутрикристаллических взаимодействий более высокоплавкий пара-изомер также менее растворим в данном растворителе, чем орто-изомер, и его часто можно очистить пер екристаллизапией. орто-Изомер, который остается в растворе и обычно сильно загрязнен пара-изомером, трудно очистить путем перекристаллизации.
Промышленные источники
Арилгалогениды в промышленном масштабе обычно получают, применяя видоизмененные лабораторные методы, которые обсуждены в следующем разделе.
Методы синтеза
В лаборатории арилгалогениды чаще всего получают одним из двух следующих методов.
МЕТОДЫ СИНТЕЗА АРИЛГАЛОГЕНИДОВ
Из солей диазония (разд. 24.5 и 26.5)
Пример:Пример:CuCI >CuCI >CuBr^CuBr^HNOgвосст.АгН ——* ArNO, >■ ArNH2HNOgвосст.АгН ——* ArNO, >■ ArNH2HONO>О °CHONO>О °CArNsArNsI">-I">-ArFArCl+ N„ArBrAriArFArCl+ N„ArBrAriо-шолиядиазониа- хлоридо-шолиядиазониа- хлоридсоль диазониясоль диазонияо хпортолуоло хпортолуол
Пример:
Пример:
CuCI >
CuCI >
CuBr
^
CuBr
^
HNOgвосст.
АгН ——* ArNO, >■ ArNH2
HNOgвосст.
АгН ——* ArNO, >■ ArNH2
HONO>О °C
HONO>О °C
ArNs
ArNs
I"
>-
I"
>-
ArF
ArCl
+ N„
ArBr
Ari
ArF
ArCl
+ N„
ArBr
Ari
о-шолиядиазониа- хлорид
о-шолиядиазониа- хлорид
соль диазония
соль диазония
о хпортолуол
о хпортолуол
Галогенирование (разд. 11.10 и 12.15)
кислота ЛьюисаАгН 4- Х2•■ АгХ + НХ
Х2 ^ С12, Вг2
Кислота Льюиса = FeCl3, А1С13 и т- Д-
784
Примеры.
си, Aia,v
нитробензол ш-хлорнитробензм
ацетанилиЗ
NHCOCH3
Вг
п-бромацетанилив(основной продуктреакции)
Эти методы существенно отличаются от методов синтеза алкилгалоге- нидов.
Прямое галогенирование в ядро применяется чаще, чем прямое галогенирование алканов; хотя при этом могут получаться смеси изомеров (например, орто + пара^ атака происходит несравненно более однозначно, чем случайно направленное свободнорадикальное галогенирование.
Алкилгалогениды обычно синтезируют из соответствующих спиртов, а арилгалогениды из фенолов не получают. Арилгалогениды обычно получают замещением азота в солях диазония; как показывает приведенная последовательность реакций, это эквивалентно замещению нитрогруппы, вводимой непосредственно в ароматическое кольцо. (Эти реакции солей диазония подробно обсуждены в гл. 24.)
Получение арилгалогенидов из солей диазония — более важная реакция, чем прямое галогенирование по следующим причинам. Прежде всего, из солей диазония можно получить фтор- и иодпроизводные, которые лишь в редких случаях можно синтезировать прямым галогенированием. Далее, в тех случаях, когда галогенирование дает смеси орто- и пара-изомеров, бывает трудно получить изомеры в чистом виде, особенно оргпо-изомер. Однако орто- и пара-изомеры соответствующих нитросоединений, из которых в конечном счете получают соли диазония, часто можно разделить фракционной перегонкой (разд. 11.7). Например, температуры кипения о- и п- бромтолуолов различаются всего на три градуса: 182 и 185 °C. Соответствующие о- и n-нитротолуолы различаются по температурам кипения уже на 16 градусов: 222 и 238 °C.
26.6. Реакции
Типичной реакцией алкилгалогенидов (разд. 14.6) является нуклеофильное замещение. Галоген вытесняется в виде галогенид-иона такими основаниями, как ОН-, OR-, NH3, CN~ и т. д., причем образуются спирты, простые эфиры, амины, нитрилы и т. д.
Даже алкилирование по Фриделю — Крафтсу по отношению к алкил- галогениду является нуклеофильным замещением с участием нуклеофильного ароматического кольца.
R:X+ :Z>R:Z + :Х"
Z = ОН-, OR", NH3, CN- и т. д.
Для арилгалогенидов весьма характерно то, что они подвергаются нуклеофильному замещению с очень большим трудом. За исключением некото-
рых промышленных процессов, в которых возможно использовать очень жесткие условия, реакцию нуклеофильного замещения арилгалогенидов обычно не применяют для получения фенолов (АгОН), простых эфиров (ArOR), аминов (ArNH2) или нитрилов (ArCN). Арилгалогениды также не удается использовать, подобно алкилгалогенидам, в реакции Фриделя — Крафтса.
Однако арилгалогениды легко вступают в реакции нуклеофильного замещения, если ароматическое кольцо содержит, помимо галогена, еще некоторые группы, расположенные соответствующим образом: электроноакцепторные группы типа NO2, NO или CN в орто- или пара-положениях к галогену. Для арилгалогенидов, в которых содержатся эти структурные элементы, реакции нуклеофильного замещения осуществляются легко и могут быть использованы в синтетических целях.
Реакции неактивированных арилгалогенидов с сильными основаниями или при высоких температурах, протекающие через образование дегидробензола, находят все более широкое применение в синтезе. Процесс фирмы «Dow», который уже много лет используется для производства фенола (разд. 25.4), оказался, как выяснилось, процессом, который был метко назван Дж. Баннетом (стр. 799) «крупнотоннажной химией дегидробензола».
Ароматическое кольцо, с которым связан галоген, может, конечно, подвергаться типичным реакциям электрофильного замещения: нитрованию, сульфированию, галогенированию, алкилированию по Фриделю — Крафтсу. Подобно другим заместителям, галоген влияет на реакционную способность и ориентацию замещения в этих реакциях. Как было показано в разд. 11.5, галоген необычен тем, что он дезактивирует ядро, оставаясь орто,пара- ориентантом.
РЕАКЦИИ АРИЛГАЛОГЕНИДОВ
Образование реактива Гриньяра (ограничения обсуждены в разд. 15.17)
сухой эфир
АгВг + Mg> ArMgBr
тетрагидрофуран
ArCI + Mg*- ArMgCl
Замещение в кольцо. Электрофильное замещение в ароматическом ряду (разд. 26.9)
HNO,,H,SO<HNO,,H,SO<
HNO,,H,SO<
HNO,,H,SO<
H2SO4,SO3H2SO4,SO3X,.FeX,X,.FeX,SO3HSO3HX дезактивирует ядро «ориентирует в орта, ларогиопожемаяX дезактивирует ядро «ориентирует в орта, ларогиопожемая
H2SO4,SO3
H2SO4,SO3
X,.FeX,
X,.FeX,
SO3H
SO3H
X дезактивирует ядро «ориентирует в орта, ларогиопожемая
X дезактивирует ядро «ориентирует в орта, ларогиопожемая
CH^l. АЮ,CH^l. АЮ,СН3СН3(,+орто-)(,+орто-)
CH^l. АЮ,
CH^l. АЮ,
СН3
СН3
(,+орто-)
(,+орто-)
50—256
Аг:Х + :Z>Ar:Z + :ГАг:Х + :Z>Ar:Z + :ГОНОНno22,4-8ини7прореислno22,4-8ини7прореисл2,4-9имитрохлорВенэол2,4-9имитрохлорВенэол2,4-динитроанитг2,4-динитроанитгС1{O)N°2 + NaOC2HsNO22,4-диншпрохлорбензолС1{O)N°2 + NaOC2HsNO22,4-диншпрохлорбензолОС2Н$ОС2Н$-^ (бг2-^ (бг2Пример:Пример:Аг:Х + :Z> Ar:Z + :Х"Аг:Х + :Z> Ar:Z + :Х"Ядро не активировано, не вступает в реакцию бимолекулярного оамеиунияЯдро не активировано, не вступает в реакцию бимолекулярного оамеиуниясильное основаниесильное основаниебифенилбифенил
Аг:Х + :Z>Ar:Z + :Г
Аг:Х + :Z>Ar:Z + :Г
ОН
ОН
no2
2,4-8ини7прореисл
no2
2,4-8ини7прореисл
2,4-9имитрохлорВенэол
2,4-9имитрохлорВенэол
2,4-динитроанитг
2,4-динитроанитг
С1
{O)N°2 + NaOC2Hs
NO2
2,4-диншпрохлорбензол
С1
{O)N°2 + NaOC2Hs
NO2
2,4-диншпрохлорбензол
ОС2Н$
ОС2Н$
-^ (бг2
-^ (бг2
Пример:
Пример:
Аг:Х + :Z> Ar:Z + :Х"
Аг:Х + :Z> Ar:Z + :Х"
Ядро не активировано, не вступает в реакцию бимолекулярного оамеиуния
Ядро не активировано, не вступает в реакцию бимолекулярного оамеиуния
сильное основание
сильное основание
бифенил
бифенил
Нуклеофильное замещение в ароматическом ряду. Бимолекулярное замещение (разд. 26.10—26 15)
Аг должен содержать сильныеэлектроноакцепторные группыв орто- и (или) пара-положениях к X
Примеры:
а
(O)N°2 + NaOH
NOz
2,4-Зе®п1фбморбеазол
мо2
зт1д-2,4-диншпрофешиювы« Эфир
Нуклеофильное замещение в ароматическом ряду. Элиминирование—присоедн- нение (разд. 26.17)
Низкая реакционная способность арил- и винилгалогенидов
В разд. 14.22 было показано, что алкилгалогениды удобно определять по осаждению нерастворимых галогенидов серебра, получаемых при нагревании их со спиртовым раствором нитрата серебра. Реакция происходит почти мгновенно с третичными бромидами, а также с аллил- и бензилбромидами и требует некоторого времени (порядка 5 мин) в случае первичных и вторичных бромидов. В противоположность этому соединения, содержащие галоген, связанный непосредственно с ароматическим ядром или с атомом углерода при двойной связи, не образуют галогенидов серебра в этих условиях. Бромбензол или бромистый винил можно нагревать со спиртовым раствором AgNO3 в течение нескольких дней, но при этом не удается обнаружить даже малейших следов AgBr. Аналогично не удаются попытки превратить арил- или винилгалогениды в фенолы (или спирты), простые эфиры, амины или нитрилы действием обычных нуклеофильных реагентов; арил- и винил-
галогениды нельзя использовать вместо алкилгалогенидов в реакции Фриделя — Крафтса.
реакция мевраисхоЭятреакция мевраисхоЭят
реакция мевраисхоЭят
реакция мевраисхоЭят
Как же можно объяснить низкую активность этих галогенидов? Для того чтобы получить ответ на этот вопрос, рассмотрим структуру этих соединений.
Структура арил- и винилгалогенидов
Низкая реакционная способность арил- и винилгалогенидов по отношению к реакциям замещения, аналогично устойчивости алкенов и диенов (разд. 10.16—10.18), обусловлена двумя различными факторами, а именно: а) делокализацией электронов вследствие резонанса и б) различием в энергиях о-связей, связанным с различием в гибридизации углерода.
Рассмотрим сначала интерпретацию с привлечением резонанса.
Хлорбензол можно рассматривать как гибрид не только двух структур Кекуле (I и II), а как гибрид еще трех структур (III, IV и V), в которых хлор связан с атомом углерода двойной связью; в структурах III, IV и V атом хлора несет положительный заряд, а орто- и пара-положения кольца — отрицательный заряд.
Аналогичным образом винилхлорид рассматривается как гибрид структуры VI (в виде которой его обычно изображают) и структуры VII, в которой хлор связан с атомом углерода двойной связью; в этой структуре атом хлора несет положительный заряд, а атом С-2 — отрицательный. Считают, что другие арил- и винилгалогениды имеют совершенно аналогичное строение.
21Н нН:С::С:С1:VI21Н нН:С::С:С1:VI2 IНН Н:С:С::С1:та2 IНН Н:С:С::С1:та
21
Н н
Н:С::С:С1:
VI
21
Н н
Н:С::С:С1:
VI
2 I
НН Н:С:С::С1:
та
2 I
НН Н:С:С::С1:
та
Вклад резонансных структур III, IV и V (для хлорбензола) и VII (для винилхлорида) стабилизует эти молекулы и сообщает связи углерод — хлор двоесвязанный характер. Таким образом, углерод и хлор связаны между собой более чем одной парой электронов и связь углерод — хлор прочнее, чем если бы она была чисто простой связью. Низкая реакционная способность
образом, замедляет реакцию (рис.образом, замедляет реакцию (рис.Ход реакцииХод реакцииРис. 26.1. Структура молекулы и скорость реакции.Резонансно-стабилизованные арил- н внннлгало- гениды реагируют медленнее алкнлгалогенндов.Рис. 26.1. Структура молекулы и скорость реакции.Резонансно-стабилизованные арил- н внннлгало- гениды реагируют медленнее алкнлгалогенндов.
образом, замедляет реакцию (рис.
образом, замедляет реакцию (рис.
Ход реакции
Ход реакции
Рис. 26.1. Структура молекулы и скорость реакции.
Резонансно-стабилизованные арил- н внннлгало- гениды реагируют медленнее алкнлгалогенндов.
Рис. 26.1. Структура молекулы и скорость реакции.
Резонансно-стабилизованные арил- н внннлгало- гениды реагируют медленнее алкнлгалогенндов.
этих галогенидов в реакциях нуклеофильного замещения объясняется, по крайней мере частично, резонансной стабилизацией галогенидов (т. е. фактором, который в данном случае не стабилизует в такой же степени переходное состояние); эта стабилизация увеличивает £акт для замещения и, та-
кимким. Для арилгалогенидов существен также другой фактор, который вполне может быть наиболее важным — стабилизация молекулы вследствие резонанса с участием структур Кекуле.
ким
ким
Альтернативная интерпретация проста. В алкилгалогенидах углерод, несущий атом галогена, имеет зр3-гибридизацию. В арил- и винилгалогенидах атом углерода sp2-гибрид изован; поэтому связь углерод — галоген в этих соединениях короче и прочнее и молекулы более устойчивы (разд. 5.3).
Достоинство этих интерпретаций в том, что с их помощью можно объяснить низкие активности арил- и винилгалогенидов. Какие же имеются данные, подтверждающие справедливость этих интерпретаций?
Связи углерод — галоген в арил- и винилгалогенидах имеют необычно малую длину. В хлорбензоле и винилхлориде длина связи С—О составляет всего 1,69 А (16,9-10~2 нм) по сравнению с длиной 1,77—1,80 А (17,7- Ю”2— 18,0-10~2 нм) в большинстве алкилхлоридов (табл. 26.2). В бромбензоле и винилбромиде длина связи С—Вг равна всего 1,86 А (18,6-10~2 нм) по сравнению с длиной 1,91—1,92 А (19,1-10“2—19,2-10~2 нм) в алкилбромидах.
Таблица 262
Длины связей н дипольные моменты галогенпроизводных
Галогенид
Длины связей, А (0,1 нм)
Дипольные моменты, Д (3,3*10-30 Кл-м)
С-С1
С-Вг
R-C1
R—Вг
СН3—X
1,77
1,91
—_
^-Х
1,77
1,91
2,05
2,02
н-С,Н7—X
•—
2,10
2,15
н-С,Н,—X
— ■
2,09
2,15
(СН3)3С—X
1,80
1,92
2,13
—
СНа=СН—X
1,69
1,86
1,44
1,41
С«н6-х
1,69
1,86
1,73
1.71
Как было показано в разд. 5.2, двойная связь имеет меньшую длину, чем простая связь, связывающая ту же пару атомов; если связь углерод— галоген в арил- и винилгалогенидах имеет характер двойной связи, то она должна быть короче, чем связь углерод — галоген в алкилгалогенидах. Иначе говоря, связь, образующаяся в результате перекрывания зр2-орбиталей, должна быть короче, чем соответствующая связь с участием зр3-орбиталей.
Дипольные моменты арил- и винилгалогенидов необычайно малы. Органические галогенпроизводные являются полярными веществами; сдвиг элек-
тронов в сторону более электроотрицательного элемента делает галоген относительно отрицательным, а углерод — относительно положительным. Согласно данным табл. 26.2, дипольные моменты ряда а л кил хлоридов и алкил- бромидов лежат в пределах 2,02—2,15 Д (6,7-10-30—7,1- 10-30 Кл-м). Следовало ожидать, что подвижные л-электроны бензольного кольца и двойной углерод-углеродной связи должны смещаться особенно легко, и поэтому можно было предполагать, что арил- и винилгалогениды будут иметь дипольный момент, даже превышающий дипольный момент алкилгалогенидов.
Однако в действительности этого не наблюдается. Дипольные моменты хлорбензола и бромбензола равны лишь 1,7 Д (5,6-1СН° Кл-м), а дипольные моменты винилхлорида и винилбромида — 1,4 Д (4,6-10~30 Кл-м). Это вполне согласуется с резонансным описанием этих молекул. В структурах, содержащих двоесвязанный галоген (III, IV, V и VII), имеется положительный заряд на галогене и отрицательный заряд на углероде; в той степени, в какой эти структуры вносят вклад в гибрид, они препятствуют обычному смещению электронов в сторону галогена. Хотя в арил- и винилгалогени- дах сохраняется общее направление смещения электронов в сторону галогенов, оно меньше, чем в других органических галогенпроизводных.
Согласно другой интерпретации $р2-гибридизованный углерод является в действительности более электроотрицательным атомом, чем 5р3-гибриди- зованный углерод (разд. 8.10), и потому менее склонен отдавать электроны хлору.
Наконец, как это показано в следующем разделе, вклад структур, в которых галоген является двоесвязанным и несет положительный заряд, объясняет особенности влияния галогена на реакции бензольного кольца или двойной связи, с которыми он связан. Однако необходимо всегда иметь в виду, что все эти доводы лишь указывают на возможность существования резонанса такого рода, но ничего не говорят, насколько важен его эффект в молекулах галогенпроизводных.
Трудно предположить, что на стабильности этих молекул не сказывается особый характер гибридизации; с другой стороны, кажется ясным, что имеется резонанс с участием галогена и л-электронов. Иными словами, мы еще раз можем убедиться, что вопрос сводится к оценке относительной важности этих двух эффектов. Как и в случае алкенов и диенов, вполне вероятно, что они оба важны.
Как будет показано, на лимитирующей стадии реакции нуклеофильного замещения в ароматическом ряду нуклеофил присоединяется к атому углерода, несущему галоген; этот углерод становится тетраэдрическим, а кольцо приобретает отрицательный заряд. Подобная реакция затрудняется, ибо в ходе ее нарушается ароматичность кольца и резонанс между кольцом и галогеном, а также, если справедливо предположение Дьюара (разд. 10.18), потому что при этом необходимо затратить энергию для изменения гибридизации углерода от sp2 до sp3.
Задача 26.1. В разд. 26.5 говорилось о том, что арилгалогениды в отличие от алкилгало- геиидов нельзя легко получить из соответствующих оксисоединеиий. Как вы можете объяснить это различие в поведении спиртов и фенолов? (Указание: см. разд. 25.8.)
Влияние галогена на реакцию электрофильного замещения в ароматическом ряду
Галогены необычно влияют на реакцию электрофильного замещения в ароматическом ряду: они оказывают дезактивирующее действие, оставаясь орто,псра-ориентантами. Дезактивация характерна в том случае, когда
оттягиваются электроны, в то время как орто,пара-ориентация характерна, когда подаются электроны (разд. 11.17). Может ли галоген и оттягивать и подавать электроны? Похоже, что именно это и происходит.
Мы знаем, что влияние заместителя на реакционную способность и ориентацию в реакциях электрофильного замещения в ароматическом ряду определяется принципом: чем стабильнее промежуточный карбониевый ион, тем быстрее он образуется.
Рассмотрим сначала реакционную способность. Электрофильная атака на молекулу бензола приводит к образованию карбониевого иона I, атака хлорбензола — к иону II. Электроноакцепторный индуктивный эффект хлора усиливает положительный заряд в карбониевом ионе II, благодаря чему ион становится менее устойчивым, а реакция замедляется.
Н YН YIIПП^С1 оттнеива.ет электроны* оестабилизует карбониевый ион. дезактивирует кольцо^С1 оттнеива.ет электроны* оестабилизует карбониевый ион. дезактивирует кольцо
Н Y
Н Y
I
I
П
П
^С1 оттнеива.ет электроны* оестабилизует карбониевый ион. дезактивирует кольцо
^С1 оттнеива.ет электроны* оестабилизует карбониевый ион. дезактивирует кольцо
Для того чтобы объяснить ориентацию, сравним структуры карбоние- вых ионов, образующихся при атаке в пара- и мета-положения хлорбензола. Каждый из этих ионов представляет собой гибрид трех структур: III—V для пара- и VI—VIII для jnema-положения. В одной из этих шести структур (IV) положительный заряд локализован на атоме углерода, с которым связан хлор. Вследствие своего индуктивного эффекта хлор наиболее сильно оттягивает электроны от углерода, с которым он связан, и .этот эффект делает структуру IV особенно неустойчивой. Как и ранее (разд. 11.17), можно ожидать, что структура IV вносит очень незначительный вклад в гибрид; в результате этот гибрид будет менее стабильным, чем гибридный ион, образующийся при атаке в .wema-положения. Итак, если бы единственным эффектом был индуктивный, то следовало ожидать не только дезактивизации, но также и дгета-ориентащш.
Атака в пара- положениеАтака в пара- положение
Атака в пара- положение
Атака в пара- положение
ШIVV
особенно неустойчив:Заряд на атоме углерода,несущем заместитель
Атака в мета* положениеАтака в мета* положениеVinVin
Атака в мета* положение
Атака в мета* положение
Vin
Vin
Однако, объясняя такие факты, как затрудненность реакции замещения, длины связей и дипольные моменты, мы считали, что галоген может обобществлять более одной пары электронов с бензольным кольцом и может нести положительный заряд. Что же получится, если применить эту идею к
рассматриваемой проблеме? Ион, образующийся при атаке в пара-положение, представляет собой гибрид не только структур III—V, но также структуры IX, в которой хлор несет положительный заряд и связан с кольцом двойной связью. Эта структура должна быть относительно стабильной, поскольку в ней каждый атом (за исключением атомов водорода) имеет полный октет электронов (структура IX в точности аналогична структурам, предложенным для объяснения активации и орто,пара-ориентации МН2- и ОН- групп, разд. 11.18).
Атака в пара-положениеАтака в пара-положение
Атака в пара-положение
Атака в пара-положение
относительно устойчив-,каждый атом имеет октет
Такая структура невозможна для иона, возникающего при атаке в метаположение. В той степени, в какой структура IX вносит вклад в гибрид, она делает более устойчивым ион, образующийся при атаке в пара-положение, по сравнению с ионом, образующимся при атаке в л<ета-положение. Хотя нельзя предсказать относительную важность двух факторов — неустойчивости IV и стабилизации IX, экспериментальные данные свидетельствуют в пользу того, что вклад структуры IX более важен.
Атака е ортоположениеАтака е ортоположениеXIIIXIIIТочно так же можно показать, что атака в ор/по-положение также дает ион (X—XIII), который может быть стабилизован перераспределением положительного заряда на хлор.
Атака е ортоположение
Атака е ортоположение
XIII
XIII
особенно неустойчив" относительно устойчив:
Заряд на атоме углерода, каждый атом имеет ортен несущем заместитель
Галоген вследствие своего индуктивного эффекта стремится оттянуть электроны и тем самым дестабилизует промежуточный карбониевый ион. Этот эффект заметен при атаке во все положения, но особенно при атаке в орто- и пара-положения к галогену.
Вследствие своего резонансного эффекта галоген стремится подать электроны в кольцо и тем самым стабилизует промежуточный карбониевый ион. Эта подача электронов может эффективно осуществляться лишь при атаке в орто- и пара-положения к галогену.
Индуктивный эффект сильнее, чем резонансный эффект, и вызывает суммарное оттягивание электронов и, следовательно, дезактивацию для атаки во все положения. Резонансный эффект противостоит индуктивному эффекту для случая атаки в орто- и (или) пара-положения, и поэтому дезактивация будет меньше для случая атаки в ор/по,пара-положения по сравнению с атакой в л<е/па-положение.
Таким образом, реакционная способность определяется более сильным индуктивным эффектом, а ориентация — резонансным эффектом, который, хотя и слабее, но, по-видимому, более селективен.
Задача 26.2. Йодистый водород присоединяется к винилхлориду медленнее, чем к этилену, и дает 1-хлор-1-иодэтан. Напишите формулу карбоииевого иона, образующегося: а) в начальной стадии присоединения к винилхлориду; б) в реакции присоединения к этилену, в) Какой из карбоииевых ионов будет более устойчивым, если судить по относительной скорости реакции? г) Объясните различия в устойчивости, д) Напишите формулу карбоииевого иона, который образовался бы, если продуктом реакции с винилхлоридом был 1-хлор-2-иодэтан. е) Какой из карбоииевых иоиов — (а) или (д) — будет более устойчивым, если судить по данным об ориентации присоединения? ж) Объясните различия в их устойчивости.з) Какой эффект — индуктивный или резонансный — контролирует реакционную способность в электрофильном присоединении к винилгалогенидам? и) Какой эффект контролирует ориентацию?
Таким образом, единая структурная концепция — образование частичной двойной связи между галогеном и углеродом — помогает объяснить необычные физические и химические свойства таких кажущихся различными соединений, как арил- и винилгалогениды. Структуры, в которых имеется двоесвязанный галоген и которые вносят, по-видимому, существенный вклад в структуру как молекул, так и карбоииевых ионов, не согласуются с привычными для нас понятиями (разд. 10.15). Однако имеются убедительные данные в пользу того, что некоторые связи углерод — галоген обладают двоесвязанным характером. И если это пока еще кажется нам странным, то лишь потому, что мы в действительности слишком мало знаем о строении молекул.
Нуклеофильное замещение в ароматическом ряду: бимолекулярный механизм
Выше уже говорилось о том, что арилгалогениды характеризуются очень низкой реакционной способностью по отношению к нуклеофильным реагентам типа ОН-, OR-, NHS и CN~, которые играют такую важную роль в химии ал кил галогенидов. Вследствие этого нуклеофильное замещение в ароматическом ряду имеет гораздо меньшее значение в синтезе, чем нуклеофильное замещение в алифатическом ряду или электрофильное замещение в ароматическом ряду.
Однако наличие некоторых групп в определенных положениях кольца заметно активирует галоген в ар ил галогенидах по отношению к реакциям замещения.
Рассмотрим кратко некоторые из этих активационных эффектов, а затем попытаемся их объяснить с точки зрения уже знакомых нам химических принципов. Мы обнаружим аналогию между реакциями электрофильного и нуклеофильного замещения в ароматическом ряду в отношении их механизмов, а также способов, посредством которых заместители оказывают влияние на реакционную способность и ориентацию.
Хлорбензол превращается в фенол действием водного раствора едкого натра лишь при температурах выше 300 °C. Наличие нитрогруппы в орто- или пара-положении к хлору резко увеличивает его подвижность: о- или п- хлорнитробензол превращается в нитрофенол при обработке водным раствором едкого натра при 160 °C. С другой стороны, нитрогруппа, находящаяся в ло?/па-положен и и к атому хлора, практически не оказывает влияния на его реакционную способность. По мере увеличения числа орто- и пара-нитрогрупп в кольце возрастает подвижность хлора: из 2,4-динитрохлорбензола
фенол получают при обработке горячим водным Na2CO3, а из 2,4,6-трини- трохлорбензола — при простой обработке водой.
6-8%иы»№ОН, 35О'С, 315am*-6-8%иы»№ОН, 35О'С, 315am*-хлорбензолхлорбензолС1С115%-ный NaOH, 160DC15%-ный NaOH, 160DCno2no2ОНОНК-хлорнитробензолК-хлорнитробензол™"ЯИ. Na2CO„ ВОТ™"ЯИ. Na2CO„ ВОТн-нитро<ренолн-нитро<ренолno2no22,4-аинитрохлорбензол2,4-аинитрохлорбензолNO2 2,4,6-тринитрохлорбензолNO2 2,4,6-тринитрохлорбензол2,4-Зинитрофенол2,4-ЗинитрофенолН2О, нагреваниеН2О, нагреваниеОНОНno2no22,4,6-тринитрофеноЯ (пибриновая кислота)2,4,6-тринитрофеноЯ (пибриновая кислота)
6-8%иы»№ОН, 35О'С, 315am*-
6-8%иы»№ОН, 35О'С, 315am*-
хлорбензол
хлорбензол
С1
С1
15%-ный NaOH, 160DC
15%-ный NaOH, 160DC
no2
no2
ОН
ОН
К-хлорнитробензол
К-хлорнитробензол
™"ЯИ. Na2CO„ ВОТ
™"ЯИ. Na2CO„ ВОТ
н-нитро<ренол
н-нитро<ренол
no2
no2
2,4-аинитрохлорбензол
2,4-аинитрохлорбензол
NO2 2,4,6-тринитрохлорбензол
NO2 2,4,6-тринитрохлорбензол
2,4-Зинитрофенол
2,4-Зинитрофенол
Н2О, нагревание
Н2О, нагревание
ОН
ОН
no2
no2
2,4,6-тринитрофеноЯ (пибриновая кислота)
2,4,6-тринитрофеноЯ (пибриновая кислота)
Аналогичные эффекты наблюдаются при использовании других нуклеофильных реагентов. Так, например, аммиак или метилат натрия реагирует с хлор- или бромбензолом лишь в очень жестких условиях, например:
NH„ Си2О, г00°С, 65 ат*NH„ Си2О, г00°С, 65 ат*анилинанилин
NH„ Си2О, г00°С, 65 ат*
NH„ Си2О, г00°С, 65 ат*
анилин
анилин
Если же кольцо содержит нитрогруппу (еще лучше, если две или три нитрогруппы) в орто- или пара-положении к галогену, то реакция протекает вполне гладко, например?
С1С1NH2NH2NH„ 170“<:NH„ 170“<:no2no22,4-дини/лпромор^еяаол2,4-дини/лпромор^еяаол"1А#гтаринитрохлорбензол"1А#гтаринитрохлорбензолNaOCHj, 20°СNaOCHj, 20°СNOZ ljH-винитроанилинNOZ ljH-винитроанилин2,4.6-пфишппроанцзол:2,4.6-пфишппроанцзол:
С1
С1
NH2
NH2
NH„ 170“<:
NH„ 170“<:
no2
no2
2,4-дини/лпромор^еяаол
2,4-дини/лпромор^еяаол
"1А#гтаринитрохлорбензол
"1А#гтаринитрохлорбензол
NaOCHj, 20°С
NaOCHj, 20°С
NOZ ljH-винитроанилин
NOZ ljH-винитроанилин
2,4.6-пфишппроанцзол:
2,4.6-пфишппроанцзол:
Подобно нитрогруппе, некоторые другие группы, расположенные +
в орто- или пара-положении, также активируют галоген: N(CH3)3, CN, SG3H, СООН, CHO, COR. Все эти группы представляют собой электроноакцепторные заместители, дезактивирующие кольцо в реакции электрофильного замещения и направляющие заместители в лета-положение (см. табл. 11.3, стр. 335).
Хотя в настоящий момент мы рассматриваем лишь замещение галогена, важно знать, что эти электроноакцепторные заместители активируют не
только галоген, но и многие другие группы по отношению к реакциям нуклеофильного замещения. (Водород, как правило, не вытесняется из ароматического кольца, поскольку при этом должен был вытесниться очень сильный основной гидр ид-ион :Н'.)
Задача 26.3. При нагревании и-нитрозо-М,М-диметиланилина с водным раствором едкого кали выделяется диметиламин; эту реакцию иногда используют для получения чистого диметиламина, свободного от примеси метиламина и триметиламина, а) Каковы другие продукты этой реакции? б) К какому классу реакций относится эта реакция? в) Какое свойство нитрозогруппы определяет возможность осуществления этой реакции? г) Укажите все стадии в процессе получения чистого диэтиламина, исходя из нитробензола и этилового спирта.
Задача 26.4. Как вы объясните следующие наблюдения?
Несмотря на то что большинство простых эфиров инертны по отношению к основаниям, 2,4-динитроанизол легко расщепляется с образованием метилового спирта и 2,4-динитрофенола при кипячении с разбавленным водным раствором едкого натра.
Хотя амиды могут гидролизоваться водной кислотой или водной щелочью, гидролиз n-нитроацетанилида лучше всего проводить в кислом растворе.
Обработка о-хлорнитробензола водным сульфитом натрия дает натриевую соль о-нитробензолсульфокислоты. Укажите структуру реагента, участвующего в этой реакции. Чем отличается этот реагент от реагента при обычном сульфировании?
Можно ли ожидать, что метод (в) будет общим методом получения сульфокислот? Можно ли его использовать для получения, например, бензолсульфокислоты?
Промывание сырого л«-динитробеизола водным раствором сульфита натрия удаляет загрязняющие продукт примеси о- и п-динитробензолов.
Если электроноакцепторные группы активируют кольцо в реакциях нуклеофильного замещения, то можно ожидать, что электронодонорные группы будут его дезактивировать. Было показано, что в действительности так и происходит. Более того, оказалось, что степень дезактивации зависит от того, насколько велик донорный эффект группы: МН2 и ОН дезактивируют сильно, OR — умеренно, a R — слабо.
В реакциях нуклеофильного замещения в ароматическом ряду, так же как и при электрофильном замещении, влияние заместителя на реакционную способность обусловлено его способностью притягивать или подавать электроны; при нуклеофильном замещении в ароматическом ряду, так же как и при электрофильном, заместитель оказывает влияние главным образом в орто- или пара-положениях кольца. При нуклеофильном замещении в ароматическом ряду оттягивание электронов вызывает активацию, а подача электронов — дезактивацию.
Для объяснения этих эффектов рассмотрим бимолекулярный механизм реакций нуклеофильного замещения в ароматическом ряду.
Бимолекулярный механизм нуклеофильного замещения, в ароматическом ряду
Бимолекулярный механизм нуклеофильного замещения в ароматическом ряду (показанный ниже на примере хлорбензола) состоит в следующем:
(1)
(2)
- /С1С6Н6С1 + :Z> C6HZXZ
I
- ZCI
W >C6H5Z+:CI-
I
Медленно
Быстро
Этот механизм включает две основные стадии: (1) атака нуклеофильного реагента по кольцу с образованием карбаниона и (2) вырывание иона галогена из этого карбаниона с образованием продукта реакции. Карбанион — отрицательный ион (анион), в котором атом углерода несет отрицательный заряд.
Промежуточный карбанион I представляет собой гибрид структур II, III и IV; этот гибрид иногда изображают в виде единственной структуры V
В нуклеофильном замещении в алифатическом ряду (^2) предполагается, что промежуточное соединение, в котором углерод связан и с атакующей и с уходящей группами, является переходным состоянием, поскольку струк-
Рис. 26.2. Энергетическая диаграмма для нуклеофильного замещения в алифатическом ряду (Sn2).Одностадийная реакция: промежуточное соединение представляет собой переходное состояние.Рис. 26.2. Энергетическая диаграмма для нуклеофильного замещения в алифатическом ряду (Sn2).Одностадийная реакция: промежуточное соединение представляет собой переходное состояние.АрилгаяогенидАрилгаяогенидХод реакцииХод реакцииРис. 26.3. Энергетическая диаграмма для нуклеофильного замещения в ароматическом ряду.Двухстадийная реакция: промежуточное соединение представляет собой истинное соединение.Рис. 26.3. Энергетическая диаграмма для нуклеофильного замещения в ароматическом ряду.Двухстадийная реакция: промежуточное соединение представляет собой истинное соединение.
Рис. 26.2. Энергетическая диаграмма для нуклеофильного замещения в алифатическом ряду (Sn2).
Одностадийная реакция: промежуточное соединение представляет собой переходное состояние.
Рис. 26.2. Энергетическая диаграмма для нуклеофильного замещения в алифатическом ряду (Sn2).
Одностадийная реакция: промежуточное соединение представляет собой переходное состояние.
Арилгаяогенид
Арилгаяогенид
Ход реакции
Ход реакции
Рис. 26.3. Энергетическая диаграмма для нуклеофильного замещения в ароматическом ряду.
Двухстадийная реакция: промежуточное соединение представляет собой истинное соединение.
Рис. 26.3. Энергетическая диаграмма для нуклеофильного замещения в ароматическом ряду.
Двухстадийная реакция: промежуточное соединение представляет собой истинное соединение.
VIVIалифатическое , пятивалентный углерод, переходное состояниеалифатическое , пятивалентный углерод, переходное состояниеПромежуточные соединенияв нуклеофильном замещенииПромежуточные соединенияв нуклеофильном замещении
VI
VI
алифатическое , пятивалентный углерод, переходное состояние
алифатическое , пятивалентный углерод, переходное состояние
Промежуточные соединения
в нуклеофильном замещении
Промежуточные соединения
в нуклеофильном замещении
тура VI, содержащая углерод, связанный с пятью атомами, должна быть неустойчивой и, таким образом, соответствовать максимуму иа энергетической кривой (рис. 26.2).
v
ароматиче слое,тетраэдрический углерод.
соединение
С другой стороны, в нуклеофильном замещении в ароматическом ряду промежуточное соединение представляет собой истинное соединение, поскольку структура V, содержащая тетраэдрический атом углерода и имеющая отрицательный заряд, «размазанный» по кольцу, относительно устойчива и соответствует минимуму на энергетической кривой (рис. 26.3).
Реакционная способность при нуклеофильном замещении в ароматическом ряду
Для реакций, протекающих с промежуточным образованием карбоние- вого иона, общая скорость реакции определяется исключительно скоростью образования карбониевого иона. По-видимому, в реакциях нуклеофильного замещения в ароматическом ряду существует аналогичная ситуация: первая стадия — образование карбаниона — в основном определяет суммарную скорость реакции; как только карбанион образуется, он далее быстро реагирует с образованием конечного вещества.
Для родственных реакций можно ожидать, что различие в скоростях образования карбанионов будет в основном определяться различием в £акт, т. е. различием в стабильности переходных состояний. Факторы, стабилизующие карбанион вследствие рассредоточения заряда, должны таким же образом стабилизовать возникающий в переходном состоянии карбанион. Можно ожидать, что более стабильный карбанион должен будет образовываться быстрее, подобно тому как быстрее образуется более стабильный карбоние- вый ион. Поэтому мы сосредоточим внимание на относительной стабильности промежуточных карбанионов
С1С1переходное состояние: нарбанион, вотаиказащийполныйотрццятепьшй заряд отрицательный зарядпереходное состояние: нарбанион, вотаиказащийполныйотрццятепьшй заряд отрицательный заряд
С1
С1
переходное состояние: нарбанион, вотаиказащийполный
отрццятепьшй заряд отрицательный заряд
переходное состояние: нарбанион, вотаиказащийполный
отрццятепьшй заряд отрицательный заряд
Для сравнения скоростей замещения в самом хлорбензоле, а также в хлорбензоле, содержащем электроноакцепторные или электронодонорныё группы, сравним структуры карбанионов I, II и III.
ClClZx XIZx XIG оттягивает электроны; стабилизует карбанион, активирует ядроG оттягивает электроны; стабилизует карбанион, активирует ядроG подает электроны-, де-стабилизует карбанион,дезактивирует ядроG подает электроны-, де-стабилизует карбанион,дезактивирует ядроzz
Cl
Cl
Zx XI
Zx XI
G оттягивает электроны; стабилизует карбанион, активирует ядро
G оттягивает электроны; стабилизует карбанион, активирует ядро
G подает электроны-, де-стабилизует карбанион,дезактивирует ядро
G подает электроны-, де-стабилизует карбанион,дезактивирует ядро
z
z
Группа, оттягивающая электроны (II), способствует нейтрализации отрицательного заряда и сама становится более отрицательной; подобное рассредоточение заряда стабилизует карбанион. Аналогичным образом оттягивание электронов стабилизует переходное состояние, в котором возникает отрицательный заряд, и тем самым ускоряет реакцию. Группа, подающая электроны (III), способствует усилению отрицательного заряда, деста- билизует карбанион (и переходное состояние) и, таким образом, замедляет реакцию.
Нуклеофильное замещение в ароматическом ряду
G = —N(CH3)a
—NOa
—CN
—SO3H
—соон
—CHO
—COR
—X
G = — NHa
Таким образом, становится понятным, почему данный заместитель влияет на нуклеофильное и электрофильное замещение в ароматическом ряду противоположным образом: он влияет противоположным образом на стабильность отрицательного и положительного ионов.
Ориентация при нуклеофильном замещении в ароматическом ряду
Атака в пара-положениеАтака в пара-положениеДля того чтобы выяснить, почему заместитель сильнее всего активирует орто- и пара-положения кольца, сравним, например, карбанионы, обра- вующиеся из n-хлор- и л<-хлорнитробензолов. Каждый из них представляет собой гибрид трех структур: I—III для атаки в пара-положение и IV—VI для атаки в .мета-положение. В структуре II отрицательный заряд расположен на атоме углерода, связанном с нитрогруппой.
Атака в пара-положение
Атака в пара-положение
NO2 п особенно устойчив: заряд на атоме углерода, несущем заместитель
Атакав мета-положениеАтакав мета-положение
Атака
в мета-положение
Атака
в мета-положение
Хотя МО2-группа оттягивает электроны из всех положений кольца, более всего при этом затрагивается ближайший атом углерода, и, следовательно, структура II особенно устойчива. Вклад структуры 11 делает гибридный карбанион, возникающий при атаке n-хлорнитробензола, более стабильным, чем карбанион, возникающий при атаке л<-хлорнитробензола. Поэтому параизомер реагирует быстрее, чем мета-изомер.
Атака в орто-положениеАтака в орто-положениеАналогичным образом можно показать, что атака молекулы о-хлорни- тробензола (VII—IX) приведет к образованию более стабильного карбаниона (вклад структуры IX), чем атака л<-хлорнитробензола.
Атака в орто-положение
Атака в орто-положение
IX
особенно истончив;
Заряд на атоме углероданесущем заместитель
Согласно соображениям, аналогичным приведенным в разд. 11.17, дезактивация за счет электронодонорных групп также будет наиболее сильной в тех случаях, когда они расположены в орто- или пара-положениях к галогену.
Итак, реакции нуклеофильного и электрофильного замещения в ароматическом ряду аналогичны в том, что имеющийся заместитель оказывает на ход реакции максимальное влияние (независимо от того, является ли оно активирующим или дезактивирующим), если он находится в орто- или пара-
положении к месту атаки. Подобное сходство объясняется аналогичным строением промежуточных ионов: в обоих случаях заряд промежуточного иона независимо от того, является ли он положительным или отрицательным, сильнее всего в орто- и napa-лоложениях к месту атаки, и поэтому максимальное влияние может оказать группа, находящаяся в одном из этих положений.
Оттягивание электронов за счет резонансного эффекта
Активацию при наличии нитрогруппы и других электроноакцепторных групп в ядре можно объяснить просто за счет индуктивных эффектов. Однако обычно полагают, что некоторые из этих групп оттягивают электроны также вследствие резонанса. Рассмотрим, какие структуры при этом могут возникнуть.
Предполагается, что промежуточные карбанионы, образующиеся при нуклеофильной атаке о- и п-хлорнитробензолов, представляют собой гибриды не только структур с отрицательными зарядами на атомах углерода кольца (как показано в предыдущем разделе), но также структур I и II, в которых отрицательный заряд находится на кислороде NOg-группы.
Z С1Z С1IIII
Z С1
Z С1
II
II
Поскольку атом кислорода является сильно электроотрицательным, он легко принимает отрицательный заряд и поэтому структуры I и II должны быть особенно устойчивыми. Поэтому карбанионы, для которых возможен вклад подобных структур, будут гораздо стабильнее карбанионов, образующихся при атаке самого хлорбензола или л<-хлоронитробензола, для которых возникновение структур типа I и II невозможно. Таким образом, резонанс с участием ЬЮ2-группы усиливает активацию по отношению к нуклеофильному замещению, вызываемую индуктивным эффектом.
Активирующий эффект других электроноакцепторных групп, как предполагается, возникает отчасти за счет вклада аналогичных структур (показанных лишь для пара-изомеров) в промежуточно образующиеся карбанионы.
Задача 26.5. Имеются данные, позволяющие предположить, что нитрозогруппа (—N=O:) активирует орто- и пара-положение по отношению как к нуклеофильному, так и электрофильному замещению в ароматическом ряду; эта группа, очевидно, может либо оттягивать, либо подавать электроны в зависимости от требований атакующего реагента. Как это можно объяснить? (Указание: см. разд. 11.18.)
Данные в пользу наличия двух стадий в бимолекулярном замещении
Приведенная интерпретация реакционной способности и ориентации при нуклеофильном замещении в ароматическом ряду основана на одном важнейшем допущении, которое пока еще ничем не было обосновано: замещение протекает в две стадии, из которых первая гораздо более медленная, чем вторая.
Аг—X + :Z-»Ai\ Медленно
Аг<^ > Аг—Z + :Х Быстро
В разд. 11.14 мы искали ответ на вопрос для реакций электрофильного замещения в ароматическом ряду. Тогда ответ был найден на основании отсутствия изотопного эффекта: хотя связи углерод — дейтерий разрываются медленнее, чем связи углерод — водород, было обнаружено, что водород и дейтерий замещаются с одной и той же скоростью. Следовательно, реакционная способность определяется скоростью реакции, не включающей стадию разрыва углерод-водородной связи.
Однако определение изотопного эффекта при нуклеофильном замещении в ароматическом ряду — очень трудная задача. В данном случае мы имеем д ело не с замещением водорода, изотопы которого в 2—3 раза различаются по массе, а с замещением элементов типа хлора, изотопы которого отличаются по массе незначительно и, следовательно, столь же мало различаются по легкости разрыва связей.
Как показал Дж. Баннет (Калифорнийский университет), работы которого позволили многое объяснить в нуклеофильном замещении в ароматическом ряду, данные в пользу двухстадийного механизма можно получить при рассмотрении влияния природы замещающегося элемента.
В реакциях замещения SN1 и 5^2 реакционная способность алкилгало- генидов изменяется в ряду R—I > R—Вг > R—Cl > R—F, причем легкость разрыва связи углерод — галоген зависит от ее прочности (см., например, табл. 2.1, стр. 50). Различия в скоростях очень велики: например, ал- килбромиды реагируют в 25—50 раз быстрее соответствующих алкилхлори- дов, что намного превышает различие в скоростях разрыва связей с водородом и дейтерием.
Однако в реакциях нуклеофильного замещения в ароматическом ряду часто наблюдается лишь очень небольшое различие в реакционной способности различных галогенпроизводных, причем чаще всего именно фториды, содержащие самую прочную связь углерод — галоген, оказываются наиболее реакционноспособными. Если реакционная способность не зависит от прочности связи углерод — галоген, то отсюда следует вывод, что реакция, скорость которой мы наблюдаем, не включает стадии разрыва связи углерод — галоген. При нуклеофильном замещении в ароматическом ряду, таи же как и при электрофильном замещении в ароматическом ряду, скорость
реакции определяется скоростью присоединения атакующей частицы к кольцу (рис. 26.4).
Более быстрая реакция с арилфторидами объясняется сильным индуктивным эффектом фтора; атом фтора оттягивает электроны и в результате этого стабилизует переходное состояние первой стадии реакции, которая в конце концов приводит к его замещению.
Рис. 26.4. Изменение потенциальной энергии в ходе реакции нуклеофильного замещения в ароматическом ряду.
Образование карбаниона является лимитирующей стадией; прочность связи С—X не влияет на суммарную скорость реакции.
Задача 26.6. При обработке 2,4,6-тринитроанизола этилатом натрия образуется соединение с формулой СеН10О8МзМа+. Продукт реакции с той же формулой получается при обработке трииитрофенетола метилатом натрия. При обработке кислотой оба продукта дают одну и ту же смесь тринитроанизола и тринитрофеиетола. Какова структура или струк» туры этих продуктов?
Нуклеофильное замещение в алифатическом и ароматическом рядах
Если сравнить три уже изученных типа нуклеофильного замещения, то мы увидим, что их можно расположить в следующий правильный ряд. При реакциях 5ц 1 уходящая группа уходит из молекулы до того, как присоединится входящая группа; в случае реакции SN2 эти два процесса протекают одновременно; в реакциях нуклеофильного замещения в ароматическом ряду уходящая группа уходит из молекулы лишь после того, как присоединится входящая группа. Поэтому в ходе реакции SN1 возникает положительный заряд на атоме углерода, в ходе реакции SN2 заряда не возникает, а в ходе реакции нуклеофильного замещения в ароматическом ряду возникает отрицательный заряд на атоме углерода. Вследствие этого реакции SN1 благоприятствует подача электронов, реакция SN2 относительно нечувствительна к электронным факторам, а нуклеофильному замещению в ароматическом ряду благоприятствует оттягивание электронов.
z
SnL на атоме углеро-да возникает поло-жительный зарядSnL на атоме углеро-да возникает поло-жительный заряд:ZR—X >:ZR—X >[Z--R--X]>R—Z+X-[Z--R--X]>R—Z+X-Sn2, на атоме углеро-да возникает оченьмалый зарядSn2, на атоме углеро-да возникает оченьмалый заряд+ х-+ х-Нуклеофильное заме-щение в ароматическомряду, на атоме углеро-да возникает отрица-тельный зарядНуклеофильное заме-щение в ароматическомряду, на атоме углеро-да возникает отрица-тельный заряд26. / 7. Механизм элиминирования — присоединения при нуклеофильном замещении в ароматическом ряду. Дегидробензол26. / 7. Механизм элиминирования — присоединения при нуклеофильном замещении в ароматическом ряду. ДегидробензолЭлектроноакцепторные группы активируют арилгалогениды в реакциях нуклеофильного замещения. В отсутствие активации такого типа реакЭлектроноакцепторные группы активируют арилгалогениды в реакциях нуклеофильного замещения. В отсутствие активации такого типа реакция замещения может происходить, если использовать, например, очень сильные основания. Однако под действием оснований замещение происходит не по тому механизму, который мы только что обсуждали (так называемый бимолекулярный механизм), а по совершенно иному механизму — механизму с участием дегидробензола (механизм элиминирования — присоединения). Сначала рассмотрим этот механизм, а затем обсудим некоторые данные, подтверждающие его.Если арилгалогеиид, такой, как хлорбензол, обрабатывать очень сильноосновным амид-ионом (NH2) в жидком аммиаке, то он превращается в анилин. Эта реакция не является простой реакцией замещения, как это кажется на первый взгляд. В действительности реакция включает две стадии — элиминирование, а затем присоединение. В качестве промежуточного соединения образуется дегидробензол.ция замещения может происходить, если использовать, например, очень сильные основания. Однако под действием оснований замещение происходит не по тому механизму, который мы только что обсуждали (так называемый бимолекулярный механизм), а по совершенно иному механизму — механизму с участием дегидробензола (механизм элиминирования — присоединения). Сначала рассмотрим этот механизм, а затем обсудим некоторые данные, подтверждающие его.Если арилгалогеиид, такой, как хлорбензол, обрабатывать очень сильноосновным амид-ионом (NH2) в жидком аммиаке, то он превращается в анилин. Эта реакция не является простой реакцией замещения, как это кажется на первый взгляд. В действительности реакция включает две стадии — элиминирование, а затем присоединение. В качестве промежуточного соединения образуется дегидробензол.Рис. 26.5. Молекула дегидробензола.Рис. 26.5. Молекула дегидробензола.Боковое перекрывание $р,-орбиталей образует этгсвязь, лежащую вне плоскости ароматического зт-облака.Боковое перекрывание $р,-орбиталей образует этгсвязь, лежащую вне плоскости ароматического зт-облака.nh2-NH^nh2-NH^анилинанилинарипга-логенид дееидробензояарипга-логенид дееидробензояR—X> R+ > R—Z+X"
SnL на атоме углеро-да возникает поло-жительный заряд
SnL на атоме углеро-да возникает поло-жительный заряд
:Z
R—X >
:Z
R—X >
[Z--R--X]>R—Z+X-
[Z--R--X]>R—Z+X-
Sn2, на атоме углеро-да возникает оченьмалый заряд
Sn2, на атоме углеро-да возникает оченьмалый заряд
+ х-
+ х-
Нуклеофильное заме-щение в ароматическомряду, на атоме углеро-да возникает отрица-тельный заряд
Нуклеофильное заме-щение в ароматическомряду, на атоме углеро-да возникает отрица-тельный заряд
26. / 7. Механизм элиминирования — присоединения при нуклеофильном замещении в ароматическом ряду. Дегидробензол
26. / 7. Механизм элиминирования — присоединения при нуклеофильном замещении в ароматическом ряду. Дегидробензол
Электроноакцепторные группы активируют арилгалогениды в реакциях нуклеофильного замещения. В отсутствие активации такого типа реак
Электроноакцепторные группы активируют арилгалогениды в реакциях нуклеофильного замещения. В отсутствие активации такого типа реак
ция замещения может происходить, если использовать, например, очень сильные основания. Однако под действием оснований замещение происходит не по тому механизму, который мы только что обсуждали (так называемый бимолекулярный механизм), а по совершенно иному механизму — механизму с участием дегидробензола (механизм элиминирования — присоединения). Сначала рассмотрим этот механизм, а затем обсудим некоторые данные, подтверждающие его.
Если арилгалогеиид, такой, как хлорбензол, обрабатывать очень сильноосновным амид-ионом (NH2) в жидком аммиаке, то он превращается в анилин. Эта реакция не является простой реакцией замещения, как это кажется на первый взгляд. В действительности реакция включает две стадии — элиминирование, а затем присоединение. В качестве промежуточного соединения образуется дегидробензол.
ция замещения может происходить, если использовать, например, очень сильные основания. Однако под действием оснований замещение происходит не по тому механизму, который мы только что обсуждали (так называемый бимолекулярный механизм), а по совершенно иному механизму — механизму с участием дегидробензола (механизм элиминирования — присоединения). Сначала рассмотрим этот механизм, а затем обсудим некоторые данные, подтверждающие его.
Если арилгалогеиид, такой, как хлорбензол, обрабатывать очень сильноосновным амид-ионом (NH2) в жидком аммиаке, то он превращается в анилин. Эта реакция не является простой реакцией замещения, как это кажется на первый взгляд. В действительности реакция включает две стадии — элиминирование, а затем присоединение. В качестве промежуточного соединения образуется дегидробензол.
Рис. 26.5. Молекула дегидробензола.
Рис. 26.5. Молекула дегидробензола.
Боковое перекрывание $р,-орбиталей образует этгсвязь, лежащую вне плоскости ароматического зт-облака.
Боковое перекрывание $р,-орбиталей образует этгсвязь, лежащую вне плоскости ароматического зт-облака.
nh2-
NH^
nh2-
NH^
анилин
анилин
арипга-логенид дееидробензоя
арипга-логенид дееидробензоя
Дегидробензол имеет структуру, показанную на рис. 26.5, в которой дополнительная связь образована между двумя атомами углерода (тем, который первоначально был связан с галогеном, и тем, который первоначально был связан с водородом) за счет бокового перекрывания $р2-орбиталей. Эта новая орбиталь связи расположена сбоку от кольца и очень мало взаимодействует с л-облаком, лежащим выше и ниже плоскости кол ьца. Боковое перекрывание не очень значительно, новая связь — довольно слабая связь и дегидробензол является чрезвычайно реакционноспособной молекулой.
Реакция элиминирования, приводящая к дегидробензолу, включает две стадии: отрыв иона водорода [стадия (1)] амид-ионом с образованием аммиа-
ка и карбаниона I, который далее теряет галогенид-ион [стадия (2)1, в результате чего получается дегидробензол.
(О)Х + № * [6)^ + NH3
Элимимироеатте
(6)^ > (05 + X-
бегийробтол
Реакция присоединения, в ходе которой расходуется дегидробензол, может также включать две стадии: присоединение амид-иона [стадия (3)1 с образованием карбаниона II, который далее реагирует с кислотой, аммиаком, с отрывом иона водорода [стадия (4)[.
анилинанилин
анилин
анилин
Вполне вероятно, что стадии (3) и (4) происходят синхронно и присоединение происходит как одностадийная реакция; если это так, то переходное состояние, вероятно, является структурой, в которой присоединение азота произошло в большей мере, чем присоединение водорода, и поэтому оно имеет значительный карбанионный характер. [Это аналогично гидроборированию (разд. 15.13), в котором переходное состояние имеет значительный карбокатионный характер.!
Теперь рассмотрим факты, на которых основан вышеприведенный механизм.
Факт. Меченый хлорбензол, в котором хлор был связан с атомом МС, вводили в реакцию с амид-ионом. В полученном анилине в половине молекул аминогруппа была связана с атомом 14С, а в половине — с соседним атомом углерода.
Интерпретация. В дегидробензоле меченый атом углерода и соседний с ним атом углерода становятся эквивалентными и NHz присоединяется случайным образом к одному или другому (если не считать незначительного изотопного эффекта).
Хотя этим данным предшествовали некоторые более ранние наблюдения, однако именно этот эксперимент, опубликованный Дж. Робертсом (Калифорнийский технологический институт) в 1953 г., знаменовал начало химии дегидробензола.
Факт. Вещества, содержащие две группы в орто-положении к галогену, подобно 2-бром-З-метиланизолу, совсем не способны вступать в эту реакцию.
мн2- NH,мн2- NH,Реакция не происходитРеакция не происходит
мн2- NH,
мн2- NH,
Реакция не происходит
Реакция не происходит
Интерпретация. Если в орто-положении отсутствует водород, который должен отщепляться, дегидробензол не образуется.
NH,"^ > анилинNH,"^ > анилинФакт. Когда смесь бромбензола и о-дейтеробромбензола (50 : 50) вводили в реакцию с ограниченным количеством амид-иона, то выделенный обратно непрореагировавший бромид содержал больше дейтеробромбензола, чем бромбензола; дейтерированное соединение менее реакционноспособно и поэтому расходуется медленнее.
NH,"
^ > анилин
NH,"
^ > анилин
nh2- :nh3nh2- :nh3
nh2- :nh3
nh2- :nh3
о-8еитеробромбензоя, реагирует медленнее, большее количество остается неизрасходованным
Интерпретация. Этот изотопный эффект (разд. 11.13) указывает не только на то, что находящийся в орто-положении водород участвует в реакции, но и на то, что он принимает участие в лимитирующей стадии. На стадии (1) реакции отщепления дейтерий отщепляется медленнее, и вследствие этого вся реакция замедляется.
NH2NH2связь с Dсвязь с Dразрывается медленнееразрывается медленнее
NH2
NH2
связь с D
связь с D
разрывается медленнее
разрывается медленнее
Факт. о-Дейтерофторбензол лишь очень медленно превращается в анилин, но быстро теряет свой дейтерий, давая немеченый фторбензол.
nh2-NH3nh2-NH3
nh2-
NH3
nh2-
NH3
Интерпретация. Осуществляется отрыв водорода {стадия (1)1, но прежде чем разорвется очень прочная связь углерод — фтор, карбанион реагирует с кислотой, которая почти целиком является немеченым аммиаком, содержащим лишь следы NH2D, в результате чего регенерируется фторбензол, но уже не содержащий дейтерия.
Напротив, в случае о-дейтеробромбензола разрыв более слабой связи углерод — бром {стадия (2)1 протекает гораздо быстрее, чем протонирование в результате реакции с аммиаком [реакция, обратная стадии (1)1 и как только образуется карбанион, он теряет бром-ион. В этом случае изотопный обмен не осуществляется в заметной степени. [Вполне может быть, что в этом.
случае стадии (1) и (2) протекают по согласованному механизму.!
(1)(2)(1)(2)для X = F, k-v X» кг X = Вт, k2»k-tдля X = F, k-v X» кг X = Вт, k2»k-t
(1)
(2)
(1)
(2)
для X = F, k-v X» кг X = Вт, k2»k-t
для X = F, k-v X» кг X = Вт, k2»k-t
Факт. Как м-, так и о-броманизолы дают один и тот же продукт реакции — л-анизидин (л-аминоанизол)
виг-виг-аь-^бромавизодаь-^бромавизодОСНзОСНзnh2nh2ОСНз
виг-
виг-
аь-^бромавизод
аь-^бромавизод
ОСНз
ОСНз
nh2
nh2
ас-анизидин о-брамавизол
Интерпретация. Эти вещества дают один и тот же продукт потому, что -они образуют один и тот же промежуточный дегидробензол.
Какое же строение имеет этот интермедиат и как из него образуется м- анизидин? Для того чтобы объяснить ориентацию как на стадии элиминирования, так и на стадии присоединения, необходимо помнить, что метоксигруппа проявляет электроноакцепторный индуктивный эффект. Поскольку элект- троны в карбанионах типа I и II (стр. 802) лежат вне плоскости л-электрон- ного облака, то возможность резонансного взаимодействия исключается и действовать может лишь индуктивный эффект вдоль о-связей (или, возможно, через пространство).
о-Броманизол дает дегидробензол (III), поскольку это единственно возможное направление реакции. Из л-броманизола образуется структура III
о-броманвзоло-броманвзол
о-броманвзол
о-броманвзол
потому, что на первой стадии предпочтительно возникновение отрицатель- ного заряда у атома углерода, ближайшего к электроноакцепторной группе. Независимо от того, из чего образовался дегидробензол III, он далее превращается в л-анизидин по той же причине: присоединение ЫЩ направляется так, чтобы отрицательный заряд возник на атоме углерода, ближайшем к метоксильной группе.
действительно образующийся интермедиатдействительно образующийся интермедиат
действительно образующийся интермедиат
действительно образующийся интермедиат
@nh2@nh2«а-анизибви«а-анизибвиПродукт реакцииПродукт реакции+ nh2-+ nh2-белее стабильный карбанионбелее стабильный карбанион
@nh2
@nh2
«а-анизибви
«а-анизибви
Продукт реакции
Продукт реакции
+ nh2-
+ nh2-
белее стабильный карбанион
белее стабильный карбанион
Другой путь для генерации дегидробензола состоит в использовании литийорганических соединений, например:
ОСН3 iFОСН3 iF8-8+C6H5-Li; затем Н2О8-8+C6H5-Li; затем Н2О
ОСН3 iF
ОСН3 iF
8-8+
C6H5-Li; затем Н2О
8-8+
C6H5-Li; затем Н2О
В данном случае образование дегидробензола включает стадию отрыва протона [стадия (5)1 основанием С6Н6 с образованием карбаниона, теряющего фторид-ион [стадия (6)1 с образованием дегидробензола.
(5)(5)белее сильная кислотабелее сильная кислота8- 8+C<Hj—Li >•8- 8+C<Hj—Li >•более слабое основаниеболее слабое основание+ С6н6болееслабаякислое»+ С6н6болееслабаякислое»(6)(6)более сильное основаниеболее сильное основание
(5)
(5)
белее сильная кислота
белее сильная кислота
8- 8+
C<Hj—Li >•
8- 8+
C<Hj—Li >•
более слабое основание
более слабое основание
+ С6н6
болееслабаякислое»
+ С6н6
болееслабаякислое»
(6)
(6)
более сильное основание
более сильное основание
Задача 26.7. Объясните относительную силу этих кислот и оснований.
Присоединение фениллития [стадия (7)1 дает литийорганическое соединение IV. Согласно одной из точек зрения, та же последовательность реакций наблюдается для реакций с участием амид-иона и аммиака (см. выше), но в данном случае процесс останавливается на стадии карбаниона из-за отсутствия сильной кислоты. (Альтернативно наличие кислоты Льюиса Li* приводит к завершению последовательности этой реакции.) Добавление воды, являющейся в этих условиях сильной кислотой, приводит к конечному продукту реакции [стадия (8)1. (Более сильная кислота Н* вытесняет более слабую Li*.)
(7)(7)
(7)
(7)
ОСНз
* Н2О ЮЦ * Li*Oir
Литийоргаиические соединения (RLi) напоминают реактивы Гриньяра (RMgX) по своим реакииям. Как и в реактивах Гриньяра (разд. 4.17), связь углерод — металл, вероятно, можно лучше всего описать как высокополярную ковалентную связь или, иными словами, как связь с большой степенью ионного характера (резонансный гибрид R — М и R М*). Большая электроположительность лития обусловливает большую полярность связи углерод — литий по сравнению с полярностью связи углерод — магний, и отчасти в результате этого литийоргаиические соединения активнее реактивов Гриньяра. Как и в случае реактивов Гриньяра, мы для удобства концентрируем внимание на карбанионном характере органических групп, обсуждая рассматриваемые процессы как реакции кислот с основаниями. В процессах с участием K+NH2 в качестве интермедиатов образуются карбанионы, хотя даже в этих случаях силы притяжения (независимо от их природы) между углеродом и калием могут иметь большое значение.
Задача 26.8. Объясните следующие факты: а) обработка реакционной смеси на стадии (8) двуокисью углерода вместо воды приводит к кислоте V; б) обработка реакционной смеси иа стадии (8) бензофеноном дает VI; в) дегидробеизол может генерироваться действием металлического магния на о-фторбромбеизол
ОСН3 1<^|сдон ^С6Н5VОСН3 1<^|сдон ^С6Н5VОСНз г^>С(ОН)(С6Н5)2 ^С6Н5ОСНз г^>С(ОН)(С6Н5)2 ^С6Н5VIVI
ОСН3 1<^|сдон ^С6Н5
V
ОСН3 1<^|сдон ^С6Н5
V
ОСНз г^>С(ОН)(С6Н5)2 ^С6Н5
ОСНз г^>С(ОН)(С6Н5)2 ^С6Н5
VI
VI
Анализ арилгалогенидов
Для арилгалогенидов, как правило, характерны те же свойства и реакции, что и для углеводородов, производными которых они являются: нерастворимость в холодной концентрированной серной кислоте, инертность по отношению к брому в четыреххлористом углероде и раствору перманганата; образование окрашенного раствора (от оранжевого до красного цвета) при обработке хлороформом и хлористым аммонием; растворение в холодной дымящей серной кислоте, но с меньшей скоростью, чем характерно для бензола.
Арилгалогениды отличаются от ароматических углеводородов наличием галогена, присутствие которого определяется элементным анализом. Арилгалогениды в отличие от большинства алкилгалогенидов инертны к нитрату серебра; в этом отношении они напоминают винилгалогениды (разд. 26.7).
Любые другие функциональные группы, которые могут присутствовать в молекуле, проявляют свои характерные реакции.
Задача 26.9. Опишите простейшие химические пробы (если они существуют), которые помогут различить следующие соединения: а) бромбеизол и н-гексилбромид); б) л-бром- толуол и беизилбромид; в) хлорбензол и 1-хлоргексен-1; г) а-(п-бромфенил)этиловый спирт (л-ВгС6Н4СНОНСН3) и n-бром-н-гексилбензол; д) а-(п-хлорфеиил)этиловый спирт и Р-(п-хлорфеиил)этиловый спирт (п-ОСЛЦСН СН,ОН). Укажите точно, что вы будете делать и что наблюдать.
Задача 26.10. Приведите реакции (не обязательно самые простые), которые позволит различить следующие соединения: а) n-бромэтилбеизол и 4-бром-1,3-диметилбеизол; б);о-хлорпропенилбеизол (о-С1С6Н4СН=СНСН3) и о-хлораллилбеизол (о-С1СвН4СНгСН= =СНг).
ЗАДАЧИ
Напишите структурные формулы и назовите основные органические продукты реакций (если они происходят) перечисленных ниже реагентов с бромбеизолом.
a) Mg, эфир,a) Mg, эфир,б)б)в) г) Д) е)в) г) Д) е)кипящий 10%-ный водный раствор NaOH,
a) Mg, эфир,
a) Mg, эфир,
б)
б)
в) г) Д) е)
в) г) Д) е)
кипящий спиртовый раствор КОН,
ацетиленид натрия,
этилат натрия,
NH3, 100 °C,
HNO3, H2SO4,дымящая сериая кислота.HNO3, H2SO4,дымящая сериая кислота.к) CL, Ре, ' I,, Fe,к) CL, Ре, ' I,, Fe,л)л)ж) кипящий водный раствор NaCN,
HNO3, H2SO4,
дымящая сериая кислота.
HNO3, H2SO4,
дымящая сериая кислота.
к) CL, Ре, ' I,, Fe,
к) CL, Ре, ' I,, Fe,
л)
л)
м) С6Н6, А1С13,и) СН3СН2С1, А1С13,о) холодный разб. КМпО4, п) горячий КМпО4.м) С6Н6, А1С13,и) СН3СН2С1, А1С13,о) холодный разб. КМпО4, п) горячий КМпО4.Ответьте на вопросы задачи 1 для н-бутилбромида. .
м) С6Н6, А1С13,
и) СН3СН2С1, А1С13,
о) холодный разб. КМпО4, п) горячий КМпО4.
м) С6Н6, А1С13,
и) СН3СН2С1, А1С13,
о) холодный разб. КМпО4, п) горячий КМпО4.
Ответьте на вопросы (б), (д), (е) и (ж) задачи 1 для 2,4-динитробромбензола.
Предложите лабораторный метод превращения бромбеизола в следующие соединения с использованием любых необходимых алифатических и неорганических реагентов:
бензол,п-бромнитробензол,и-хлорбромбензол,г) и-бромбензолсульфокислоту,1,2,4-трибромбензол,п-бромтолуол,бензиловый спирт,бензол,п-бромнитробензол,и-хлорбромбензол,г) и-бромбензолсульфокислоту,1,2,4-трибромбензол,п-бромтолуол,бензиловый спирт,а-феннлэтиловый спирт,
бензол,
п-бромнитробензол,
и-хлорбромбензол,
г) и-бромбензолсульфокислоту,
1,2,4-трибромбензол,
п-бромтолуол,
бензиловый спирт,
бензол,
п-бромнитробензол,
и-хлорбромбензол,
г) и-бромбензолсульфокислоту,
1,2,4-трибромбензол,
п-бромтолуол,
бензиловый спирт,
2-фенилпропанол-2,
2,4-динитрофеиол,
аллилбензол (указание: см. задачу 16, стр. 262),
м) бензойную кислоту,
и) анилин.
Напишите структурные формулы и назовите продукты, которые могут образоваться при реакции фенилмагнийбромида со следующими соединениями (с последующей обработкой водой):
Н2О,НВг (сухой), в) С2Н6ОНг) аллилбромидом, д) НСНО,е) СН3СНО, ж) С6Н5СНО, з) п-СН3С6Н4СНО,Н2О,НВг (сухой), в) С2Н6ОНг) аллилбромидом, д) НСНО,е) СН3СНО, ж) С6Н5СНО, з) п-СН3С6Н4СНО,и) СН3СОСН3, к) циклогексаноном, л) 3,3-диметилциклогексаноиом, м) С6Н5СОСН3,
Н2О,
НВг (сухой), в) С2Н6ОН
г) аллилбромидом, д) НСНО,
е) СН3СНО, ж) С6Н5СНО, з) п-СН3С6Н4СНО,
Н2О,
НВг (сухой), в) С2Н6ОН
г) аллилбромидом, д) НСНО,
е) СН3СНО, ж) С6Н5СНО, з) п-СН3С6Н4СНО,
и) С6Н5СОСвН6,
о) (-)-СвН5СОСН(СНа)С2Н6, п) ацетиленом.
Будут ли какие-нибудь продукты и какие именно получаться в индивидуальном виде, в виде рацематов или оптически активных продуктов сразу после выделения?
Расположите соединения в следующих рядах в порядке активности по отношению к указанным реагентам. Напишите структурные формулы и назовите продукт, который бу-
дет получаться из соединения, отмеченного вами как самое активное в каждом ряду.
NaOH: хлорбензол, ж-хлорнитробензол, о-хлориитробеизол, 2,4-дииитрохлор- бензо л, 2,4,6-тр и и итро х ло рбензол,
HNO3/H2SO4: бензол, хлорбензол, нитробензол, толуол;
спиртовый AgNO3: 1-бромбутен-1, З-бромбутен-1, 4-бромбутеи-1;
дымящая серная кислота: бромбензол, п-бромтолуол, n-дибромбензол, толуол;
KCN: бензилхлорид, хлорбензол, этилхлорид;
спиртовый AgNO3: 2-бромфеиилэтилеи-1, а- и р-феиилэтилбромиды.
При получении 2,4-дииитрохлорбензола из хлорбензола продукт реакции необходимо отмыть от избытка азотной и серной кислот. Какой реагент вы выберете для этой цели: водный NaOH или водный NaHCO3? Почему?
Напишите структурные формулы и назовите главные органические продукты, образо
вания которых можно ожидать при следующих реакциях:
2,3-дибромпропаи + NaOH (водн.);
п-бромбензилбромид + NH3 (водн.);
п-хлортолуол + горячий КМпО4;
м-бромстирол + Вг2/СС14;
3,4-дихлорнитробензол + 1 моль CH3ONa;
п-бромхлорбензол + Mg, этиловый эфир;
п-бромбензиловый спирт 4- холодный разб. КМпО4;
n-бромбензиловый спирт + конц. НВг;
а-(о-хлорфенил)этилбромид + КОН (спирт.);
п-бромтолуол + 1 моль С12, нагревание, освещение;
о-бромбензотрифторид + NaNH2/NH3;
м) о-броманизол + K+N(C2HS)2/(C2H5)2NH.
Укажите все стадии возможных лабораторных синтезов следующих соединений из бензола и (или) толуола с использованием любых необходимых алифатических или неор- гаинческих реагентов:
а) л-хлорнитробензола, б) п-хлорнитробеизола, в) л-бромбепзойной кислоты, г) n-бромбензойной кислоты, д) л-хлорбеизотрихлорида, е) 3,4-дибромнитробеизола, ж) п-бромбензальхлорида,а) л-хлорнитробензола, б) п-хлорнитробеизола, в) л-бромбепзойной кислоты, г) n-бромбензойной кислоты, д) л-хлорбеизотрихлорида, е) 3,4-дибромнитробеизола, ж) п-бромбензальхлорида,з) 2,4-динитроанилина, и) п-бромстирола,
а) л-хлорнитробензола, б) п-хлорнитробеизола, в) л-бромбепзойной кислоты, г) n-бромбензойной кислоты, д) л-хлорбеизотрихлорида, е) 3,4-дибромнитробеизола, ж) п-бромбензальхлорида,
а) л-хлорнитробензола, б) п-хлорнитробеизола, в) л-бромбепзойной кислоты, г) n-бромбензойной кислоты, д) л-хлорбеизотрихлорида, е) 3,4-дибромнитробеизола, ж) п-бромбензальхлорида,
к) 2,4-дибромбензойной кислоты, л) 2,5-дихлорнитробензола, м) п-бромбензолсульфокислоты, и) n-хлорбеизилового спирта, о) 2-(п-толил)пропана.
NH,, 1е0-200”СNH,, 1е0-200”СNH2NH2А-хеорриридинА-хеорриридинN4-аминопириаикN4-аминопириаик
NH,, 1е0-200”С
NH,, 1е0-200”С
NH2
NH2
А-хеорриридин
А-хеорриридин
N
4-аминопириаик
N
4-аминопириаик
Галоген, находящийся в положении 2 или 4 в ароматическом гетероциклическом соединении — пиридине (разд. 36.6), — довольно активен в реакциях нуклеофильного замещения. Так, например:
iCH2CH2NHCH3 'С!iCH2CH2NHCH3 'С!,ch2ch2nhch?,ch2ch2nhch?
iCH2CH2NHCH3 'С!
iCH2CH2NHCH3 'С!
,ch2ch2nhch?
,ch2ch2nhch?
Как вы объясните реакционную способность этих соединений? (Проверьте ваш ответ в разд. 36.10.)
Реакция 2,4-дииитрофторбензола с N-метиланилином, приводящая к М-метил-2,4- динитродифениламину, катализируется слабыми основаниями типа ацетат-иоиа. Реакция соответствующего бромпроизводиого происходит быстрее и не катализируется основаниями. Как вы объясните эти наблюдения? (Указание: разберите подробно каждую стадию механизма.)
Скорость реакции и-фториитробензола с азид-ионом (N3) заметно зависит от природы растворителя. Как вы объясните следующие величины относительных скоростей: в метаноле 1, в формамиде 5,6, в М-метилформамиде 15,7, в диметилформамиде 2,4-10*.
Сухая соль диазония I была подвергнута действию мгновенного разряда и с помощью специально приспособленного масс-спектрометра снимали спектр продуктов через
><Jcoo-
короткие интервалы после вспышки. Примерно через 50 мкс появились одновременно пики с массой 28, 44 и 76. В течение некоторого времени (примерно 250 мкс) пик с массой 76 постепенно исчезает, но достигает максимальной интенсивности пик с массой 152.
Чем обусловлено появление пиков 28, 44 и 76? Что происходит во времени и что собой представляет вещество с массой 152?
Из какого соединения была получена соль диазония I?
Если к раствору хлорбензола и трифенилметилкалия (СвН5)3С~К+ в жидком аммиаке добавить следы KNH2, то происходит быстрая реакция и образуется продукт формулы CjsHjo. Что представляет собой продукт реакции? Какова роль КМН2 и почему он нужен?
Как вы объясните каждое из следующих наблюдений?
Если n-иодтолуол обработать водным NaOH при 340 °C, то получается смесь и-крезола (51%) и л-крезола (49%). При 250 °C реакция происходит, конечно, медленнее и дает лишь и-крезол.
При нагревании диазотированной 4-нитроантраниловой кислоты в трет-бутн- ловом спирте выделяется азот, двуокись углерода и получается смесь трет-бугил-м- иитрофениловых и mpcm-бутил-л-нитрофеииловых эфиров.
Если о-хлорбензойиую кислоту обрабатывать NaNH2/NH3 в присутствии ацетонитрила (CH3CN), то получается 70% jK-HOOCCeH4CH2CN и 10—20% смеси о- и л-ами- нобензойных кислот (1:2).
Если соедииеиия II или III обработать KN(C2H6)2/(C2H6)2NH, то с хорошим выходом образуется один и тот же продукт с формулой C9HUN. Что представляет собой продукт реакции и как он образуется?
Предполагают, что неизвестное соединение может быть одним из перечисленных ниже в каждом ряду. Опишите, каким образом вы будете действовать, чтобы его идентифицировать. В тех случаях, где возможно, используйте простые химические пробы; в случае необходимости примените более сложные методы, такие! как количественное
гидрирование, расщепление и т. д. Где необходимо, используйте данные табл. 18.1, стр. 552.
С6Н8СН=СНВг (т. кип. 221 °C), о-С6Н4Вг2 (т. кип. 221 °C), ВгСН2(СН2)3СН2Вг (т. кип. 224 °C);
o-GH3C6H4Br (т. кип. 182 °C), л-СН3СвН4Вг (т. кип. 184 °C), п-СН3С6Н4Вг (т. кип. 185 °C);
о-С1С6Н4С2Н5 (т. кип. 178 °C), С6Н8СН2С1 (т. кип. 179 CQ, о-СвН4С12 (т. кип.
180 °C);■--- .
С1СН2СН2ОН (т. кип. 129 °C), октин-4 (т. кип. 131 °C), изопеитиловый спирт (т. кип. 132 °C), С6Н8С1 (т. кип. 132 °C), этилциклогексаи (т. кип. 132 СС), 1-хлорцикло- гексан (т. кип. 134 °C);
(т.шг73°С)(т.шг73°С)СН3 (т лл.74°С)СН3 (т лл.74°С)СН2Вгt^CH2Br
(т.шг73°С)
(т.шг73°С)
СН3 (т лл.74°С)
СН3 (т лл.74°С)
(т.лл.76°С)
Альдегиды и кетоны.
Карбанионы
Кислотность а-водородных атомов
Рассматривая в гл. 19 альдегиды и кетоны, мы установили, что химия этих соединений в основном определяется наличием карбонильной группы ^/С—О. Мы также уже познакомились отчасти с тем, в чем состоит роль карбонильной группы: по этой группе происходят реакции нуклеофильного присоединения — типичные реакции альдегидов и кетонов. Теперь мы рассмотрим другой аспект вопроса о роли карбонильной группы, а именно: каким образом карбонильная ipynna увеличивает кислотность атомов водорода, находящихся в a-положении к карбонильной группе, в результате чего становится возможным осуществление ряда химических реакций.
Ионизация а-водородного атома
н он о
н о
н о
ииприводит к карбаниону I, представляющему собой резонансный гибрид двух структур (II и III), резонанс которых возможен лишь при участии карбонильной группы
и
и
I I эмиеалещмы —С"С—
Ао
I
Резонанс подобного типа невозможен для карбанионов, образующихся при ионизации ^-, у-водородных атомов и т. д. в насыщенных карбонильных соединениях.
Задача 27.1. Какая структура, II или III, будет вносить, по вашему мнению, больший вклад в карбанион I? Почему?
Задача 27.2. Объясните, почему дикетон ацетилацетон (пеитаидиои-2,4) является таким
же кислым, как февол, и гораздо более кислым, чем, например, ацетон. Какие атомы водорода наиболее кислые?
Задача 27.3. Как вы объясните следующий ряд кислотности: (С6Н6)3СН > (СвН6),СН2> > С6Н£СН3> СН4?
Таким образом, карбонильная группа влияет на кислотность а-водородных атомов точно так же, как она влияет на кислотность карбоновых кис-
лот: группа С=О участвует в делокализации отрицательного заряда аниона
Резонанс в карбанионе I включает участие структур II и III, очень различающихся по стабильности, и поэтому он гораздо менее существен, чем резонанс с участием эквивалентных структур в карбоксилат-ионе. По сравнению с водородом СООН-группы а-водородные атомы в альдегиде или кетоне будут очень слабо кислыми; однако существенно, что они значительно более кислые, чем любые другие атомы водорода в молекуле, и их кислотность достаточно велика для того, чтобы создавалась вполне ощутимая, хотя и не очень большая, концентрация карбанионов.
Мы будем применять термин карбанион для описания ионов типа I, поскольку часть заряда находится на атоме углерода. Мы будем применять этот термин несмотря на то, что стабильность, делающая эти ионы такими важными интермедиатами, обусловлена тем, что большая часть заряда находится не на атоме углерода, а на кислороде.
В разд. 19.9 было показано, что склонность карбонильной группы к нуклеофильной атаке объясняется способностью кислорода принимать отрицательный заряд, который возникает в результате атаки
Эта же способность кислорода обусловливает кислотность а-водородных атомов. Рассматривая эти два кажущихся несвязанными свойства карбонильной группы, мы приходим к выводу, что их определяет одна общая причина. Это может служить примером того, что, несмотря на кажущуюся запутанность в органической химии, в основе ее лежат очень простые закономерности.
Задача 27.4. При реакции водного раствора NaCN с а,0-ненасыщенным кетоном типа
12345
сн3—с=сн—с—сн3II!
сн3о
СМ~ присоединяется по С-2, а не по С-4, а) Как вы объясните такое поведение?
Какой продукт,по вашему мнению, будет получен в результате этой реакции? (Указание: см. разд. 19.14 и 8.18; проверьте ваши ответы в разд. 32.6.)
Реакции с участием карбанионов
а-Водородные атомы карбонильных соединений все же слабо кислые, хотя и обладают кислотностью, достаточной для того, чтобы они отрывались при действии основных реагентов. Поэтому образующиеся карбанионы будут сильными основаниями и исключительно реакционноспособными частицами. В реакциях они ведут себя, как и следовало ожидать, как нуклеофилы.
Рассмотрим сначала поведение кетонов по отношению к галогенам и данные, подтверждающие реальность существования карбанионов. Это даст нам возможность познакомиться с очень элегантным примером применения кинетики, стереохимии и изотопов для изучения механизма реакций. Кроме того, мы получим также некоторое представление о роли кето-енольной таутомерии в химии карбонильных соединений.Затем мы обратимся к реакции, в которой карбонильная группа выступает сразу в двух своих ролях,— это реакция альдольной конденсации, в которой карбанион, генерируемый одной из молекул альдегида или кетона, присоединяется как нуклеофил к карбонильной группе другой молекулы. После этого мы рассмотрим различные варианты реакции альдольной конденсации — реакции, включающие присоединение карбанионов, генерируемых из иных соединений, чем альдегиды и кетоны.Рассмотрим сначала поведение кетонов по отношению к галогенам и данные, подтверждающие реальность существования карбанионов. Это даст нам возможность познакомиться с очень элегантным примером применения кинетики, стереохимии и изотопов для изучения механизма реакций. Кроме того, мы получим также некоторое представление о роли кето-енольной таутомерии в химии карбонильных соединений.Затем мы обратимся к реакции, в которой карбонильная группа выступает сразу в двух своих ролях,— это реакция альдольной конденсации, в которой карбанион, генерируемый одной из молекул альдегида или кетона, присоединяется как нуклеофил к карбонильной группе другой молекулы. После этого мы рассмотрим различные варианты реакции альдольной конденсации — реакции, включающие присоединение карбанионов, генерируемых из иных соединений, чем альдегиды и кетоны.РЕАКЦИИ С УЧАСТИЕМ КАРБАНИОНОВ1. Галогенирование кетонов (разд. 27.3—27.5)РЕАКЦИИ С УЧАСТИЕМ КАРБАНИОНОВ1. Галогенирование кетонов (разд. 27.3—27.5);- + х2;- + х2Н+ или OH- I>■ —С—С— + НХ Х2 = С12, Вг2, 12Н+ или OH- I>■ —С—С— + НХ Х2 = С12, Вг2, 12Примеры:Примеры:н О кетонн О кетонциклогексанонциклогексанон+ Вг2+ Вг2О+ НВг Вг 2-бромциклогексанонО+ НВг Вг 2-бромциклогексанонX О а-галогенкетонX О а-галогенкетонсн3сн3СН3—СС—СН3 + 12 + ОН"СН3—СС—СН3 + 12 + ОН"СН3 Ометил-тргт-бутилкетон (3,З-диметилбутанон-2)СН3 Ометил-тргт-бутилкетон (3,З-диметилбутанон-2)сн3сн3сн3сн3СН3—СС—С13СН3—СС—С13СН3 ОСН3 Оон-он-СН3—С—ООО" + СЩСН3—С—ООО" + СЩсн3триметил-ацетат-иоисн3триметил-ацетат-иоийодоформйодоформ
Рассмотрим сначала поведение кетонов по отношению к галогенам и данные, подтверждающие реальность существования карбанионов. Это даст нам возможность познакомиться с очень элегантным примером применения кинетики, стереохимии и изотопов для изучения механизма реакций. Кроме того, мы получим также некоторое представление о роли кето-енольной таутомерии в химии карбонильных соединений.
Затем мы обратимся к реакции, в которой карбонильная группа выступает сразу в двух своих ролях,— это реакция альдольной конденсации, в которой карбанион, генерируемый одной из молекул альдегида или кетона, присоединяется как нуклеофил к карбонильной группе другой молекулы. После этого мы рассмотрим различные варианты реакции альдольной конденсации — реакции, включающие присоединение карбанионов, генерируемых из иных соединений, чем альдегиды и кетоны.
Рассмотрим сначала поведение кетонов по отношению к галогенам и данные, подтверждающие реальность существования карбанионов. Это даст нам возможность познакомиться с очень элегантным примером применения кинетики, стереохимии и изотопов для изучения механизма реакций. Кроме того, мы получим также некоторое представление о роли кето-енольной таутомерии в химии карбонильных соединений.
Затем мы обратимся к реакции, в которой карбонильная группа выступает сразу в двух своих ролях,— это реакция альдольной конденсации, в которой карбанион, генерируемый одной из молекул альдегида или кетона, присоединяется как нуклеофил к карбонильной группе другой молекулы. После этого мы рассмотрим различные варианты реакции альдольной конденсации — реакции, включающие присоединение карбанионов, генерируемых из иных соединений, чем альдегиды и кетоны.
РЕАКЦИИ С УЧАСТИЕМ КАРБАНИОНОВ
1. Галогенирование кетонов (разд. 27.3—27.5)
РЕАКЦИИ С УЧАСТИЕМ КАРБАНИОНОВ
1. Галогенирование кетонов (разд. 27.3—27.5)
;- + х2
;- + х2
Н+ или OH- I
>■ —С—С— + НХ Х2 = С12, Вг2, 12
Н+ или OH- I
>■ —С—С— + НХ Х2 = С12, Вг2, 12
Примеры:
Примеры:
н О кетон
н О кетон
циклогексанон
циклогексанон
+ Вг2
+ Вг2
О
+ НВг Вг 2-бромциклогексанон
О
+ НВг Вг 2-бромциклогексанон
X О а-галогенкетон
X О а-галогенкетон
сн3
сн3
СН3—СС—СН3 + 12 + ОН"
СН3—СС—СН3 + 12 + ОН"
СН3 О
метил-тргт-бутилкетон (3,З-диметилбутанон-2)
СН3 О
метил-тргт-бутилкетон (3,З-диметилбутанон-2)
сн3
сн3
сн3
сн3
СН3—СС—С13
СН3—СС—С13
СН3 О
СН3 О
он-
он-
СН3—С—ООО" + СЩ
СН3—С—ООО" + СЩ
сн3триметил-ацетат-иои
сн3триметил-ацетат-иои
йодоформ
йодоформ
Нуклеофильное присоединение к карбонильным соединениям
а) Альдольная конденсация (разд. 27.6—27.9)
\ /|| основание или кислота I ||
с + —с—с=о —с—с—с=о II III
онон
альдоль
(а-оксикарбонильноесоединение)
Примеры:
ННННН Н Н
II ОН- I I NaHSO,|||
CHSC=O + СН2С=О >■ СН3С—СН2С=О»• СН3—С=С—С=О + НгО
I|нагревание 3
НОН
ацетальдегид, 2 моляацетальдолькротоновый альдегид
(3-оксибутаналь)(бутеи-2-аль)
СНа СН3СН3СН3
I| ОН- |NaHSO4 |
CH3C=O + сн2с=о —>- СН3С—СН2ССН3 > СН3С=СНССН3 + Н2О
I| И нагревание 3 II
нон оо
ацетон, 2 молядиацетоновыйокись мезитила
спирт(4-метилпентен-3-он-2)
бензальдегид
ацетальдегид
+ HjO
перечный альдегид (3 фенилпропен-2.-аль)
И_ И
5Vc=O+ СН2ССН3 ^ <£^С-СН2ССНзбензальдегид Н О_ ОН О
ацетон
н н
бензальдегид
+
н о
-*О-с=с-с-сн3 о
бензалье. цетан
(бензаль С6Н,СН=) (4 фенилбутен - 3-он-2 )
бензальацетофенон , (1,3-6ифенилоропен-^"он-1)
ацетофенон
б) Конденсация Перкина (разд. 27.10)
НHR
Iоснование |]
Ar—С=О + (RCHCO)2O> Ar—С=С—СООН
Н R может быть водородом Примеры:
О
Н сн3/н н
<§Н=о + )о Я"«'Ч ^iJ-coOH + CHjCOOH бензсльдегид V^^^x^^^^^^ кислота,
О(а фениллропеновая кислота,)
уксусный ангидрид
_ V СИ,™/Н CH, +CHJCH2COOH
<О^^=О + )о ^ЧУЛ^., ^-У-СООН бензальдегив СН3Са-метилкоричная кислота
Л О(г-метил-З-фенипоропеноеая
п _кислота)
лронцоновыиангидрид
/Р
СН3С о
СН2С^
п-ншпробензальдсгив |
н н ’-СН3СООН
CH3COONa. 175’С।।
—2-* ozN< QVc-c-cooh
Н °
п-нитройоричная кислота
уксусныйангидрид
Другие реакции, родственные альдольной конденсации (разд. 27.11)
Присоединение реагентов Гриньяра (разд. 19.12)
Присоединение цинкорганических соединений. Реакция Реформатского (разд. 31.2)
е) Реакция Виттита (разд. 27.12)
R'R'R'
с + (С6Н6)3Р=С—R> —С—С—R> —C=C-R + (С6Н5)3РО
6 илид-О +Р(С6Н5)3
бетаин
Примеры:
Н Н
С6НБСН=СНСНО + (С6НБ)3Р=СН2> С6НБСН=СН—С—СН>
-О ^№>3
коричный альдегид метилентрифе
нилфосфоран
> С6НБСН=СН—сн=сн2
1 -фенилбутадиен-1,3 (69 %)
=О + (С6Н5)3Р=СН2=О + (С6Н5)3Р=СН2метиленциклогексан (48%)метиленциклогексан (48%)циклогексанонциклогексанон
=О + (С6Н5)3Р=СН2
=О + (С6Н5)3Р=СН2
метиленциклогексан (48%)
метиленциклогексан (48%)
циклогексанон
циклогексанон
Нуклеофильное замещение в ацильной группе
Конденсация Клайзена (разд. 30.2, 30.3)
Конденсация Дикмана (разд. 30.2)
Ацилирование кадмийорганических соединений (разд. 19.8)
Нуклеофильное замещение в алифатическом ряду
Реакция Вюрца (разд. 4.19)
Алкилирование ацетиленидов (разд. 8.12)
Алкилирование малонового и ацетоуксусного эфиров (разд. 29.9 и 30.4)
Присоединение к аф-ненасыщенным карбонильным соединениям. Реакция Михаэля (разд. 32.8)
Галогенирование кетонов, промотируемое основаниями
Кинетические данные. Ацетон реагирует с бромом, образуя бромацетон; реакция ускоряется основаниями (например, гидроксил-ионом, ацетат- ионом и т. д.).
СН3СОСН3 + Вг2 4- :В ацетонСН3СОСН3 + Вг2 4- :В ацетонСН3С0СН2Вг + ВГ + Н:В бромацетон
СН3СОСН3 + Вг2 4- :В ацетон
СН3СОСН3 + Вг2 4- :В ацетон
Изучение кинетики показывает, что скорость реакции зависит от концентрации ацетона и основания и не зависит от концентрации брома-.
Скорость = к [ацетон] [:В]
С ситуацией подобного рода мы уже встречались в разд. 14.12; поскольку скорость реакции не зависит от [Вг21, то отсюда однозначно следует, что Вг2 не принимает участия в реакции, скорость которой измеряют.
Кинетика вполне согласуется со следующим механизмом: основание медленно отрывает протон [стадия (1)] от ацетона, давая карбанион I, кото -
Медленно: стадия, определяющее я скорость реакцииМедленно: стадия, определяющее я скорость реакцииБыстроБыстрорый далее быстро реагирует с бромом [стадия (2)] и приводит к бромацетону.
Медленно: стадия, определяющее я скорость реакции
Медленно: стадия, определяющее я скорость реакции
Быстро
Быстро
СН3ССН3 + :В ^ Н:В + СН3СХН2
О
СН3С=СН2 + Вг2 > СН3ССН2Вг + Вг-
оУ_О
Стадия (I), генерация карбаниона, является лимитирующей, поскольку ее скорость определяет суммарную скорость всей последовательности реакций. Как только образуются карбанионы, они немедленно захватываются молекулами брома.
Убедительные данные в пользу такой интерпретации следуют из изучения кинетики иодирования. В этом случае скорость реакции также зависит от концентраций ацетона и основания, но не зависит от концентрации иода. Кроме того (и это более существенно), при данной концентрации ацетона и :В бромирование и иодирование протекают с одинаковыми скоростями. Это означает, что в уравнении скорости реакции
Скорость = к [ацетон] [:В]
константа к сохраняет свое значение независимо от природы галогена. Конечно, именно этого и следовало ожидать в соответствии с предлагаемым механизмом, поскольку в обоих случаях константа скорости относится к одной и той же реакции — отрыву протона от кетона.
Все сказанное пока доказывает лишь одно: ацетон и основание медленно реагируют, образуя некий интермедиат, который далее реагирует быстро с галогеном. Если учесть, что в реакции принимает участие основание, то наиболее вероятным интермедиатом является карбанион. Однако можно себе представить и другие возможности: например, можно предположить, что основание, выступая в роли нуклеофила, присоединяется к углероду карбонильной группы (известная реакция), а этот интермедиат каким-то образом реагирует далее с галогеном.
Стереохимические доказательства. Приведенные ниже доказательства показывают более определенно, что атакуется а-углеродный атом. Если оптически активный кетон, (+)-в/пор-бутилфенилкетон, поместить в раствор, содержащий основание, то вскоре раствор теряет свою оптическую активность. Получается оптически неактивный (+)-в/иор-бутилфенилкетон — кетон рацемизовался.
СН3СН3
I:ВI
( + )-С6НБ-С-СН-С2Н5 >- ( ± )-СвН5—С—СИ—С2Н5
IIII
оо
оптически активеноптически неактивен:
рацемическая модификация
Потеря оптической активности означает, что должна была разорваться связь с асимметрическим атомом углерода. Образование карбаниона удовлетворяет этому требованию. Отрыв протона основанием :В дает карбанион, который в этом случае (разд. 27.4) является плоским. В отсутствие реагента типа брома единственное, что может сделать карбанион, это оторвать обратно протон от молекулы Н : В. Но протон может присоединиться с любой из сторон карбаниона и в зависимости от этого дать тот или иной энантиомер (рис. 27.1). Если вероятность присоединения с обеих сторон одна и
та же, как этого следует ожидать, то энантиомеры будут образовываться в одинаковых количествах. Поэтому при регенерации кетона из карбаниона он будет получаться в форме рацемической модификации.
Реакция, которую мы описали только что как наиболее вероятный путь рацемизации, является именно реакцией образования карбаниона, которая была предположена нами выше как лимитирующая стадия в галогенирова-
оптически неактивен:рацемическая модификация
Рис. 27.1. Рацемизация сопряженного карбаниона.
Протон присоединяется с любой из сторон плоского карбаниона — по пути а или б, давая энантиомеры в равных количествах.
нии. В полном соответствии с этим объяснением находится тот факт, что константы скорости рацемизации и бромирования данного кетона равны друг другу.
Задача 27.5. Объясните, почему кетон II рацемизуется в щелочном растворе, а кетон III не рацемизуется.
СН3С6Н5—С—СН—С6Н5оIIСН3С6Н5—С—СН—С6Н5оIIСН3СН3С6Н5-С-С-СвН6II IО С4Нд-ЯС6Н5-С-С-СвН6II IО С4Нд-ЯIIIIII
СН3
С6Н5—С—СН—С6Н5
о
II
СН3
С6Н5—С—СН—С6Н5
о
II
СН3
СН3
С6Н5-С-С-СвН6
II I
О С4Нд-Я
С6Н5-С-С-СвН6
II I
О С4Нд-Я
III
III
Задача 27.6. а) Предложите механизм для катализируемой основанием рацемизации оптически активного этилового эфира миндальной кислоты С6НБСН(ОН)СООС2Н5. б) Объясните, почему оптически активная миндальная кислота рацемизуется в присутствии оснований гораздо медленнее, чем эфир этой кислоты. ^Указание: см. разд. 24.4.) в) Что вы можете сказать о возможности рацемизации под действием основания а-метнл- миндальиой кислоты С8Н6С(СН3) (ОН)СООН?
Данные, полученные при помощи изотопных меток. Последнее звено в цепи доказательств служит прямым доказательством того, что отцепление а-водородного атома является лимитирующей стадией галогенирования.
Когда оптически активный emop-бутилфенилкетон оставляют стоять в тяжелой воде (В2О), содержащей основание OD~, то выделяемый обратно кетон не только не обладает оптической активностью, но также содержит дейтерий в «-положении.
СН3СН3
IOD-|
СуН5—С—С—С2Н5 + D2O^- СуНз—С—С—С2Н5
оптически активеноптически неактивен,
мечен дейтерием
Более того, скорость обмена протия на дейтерий в кетоне идентична скорости рацемизации:
Скорость рацемизации = скорость обмена
Таким образом, имеются исчерпывающие доказательства того, что молекула теряет конфигурацию в результате отщепления иона водорода. Когда же карбанион захватывает обратно ион водорода, то, во-первых, этот ион водорода статистически равновероятно может атаковать любую из сторон карбаниона и, во-вторых, этот ион водорода (также в силу статистических причин) почти наверняка будет ионом дейтерия, поскольку кислота (растворитель) является почти чистой D2O.'
CH, С6Н5-С-С-С2Н5 о н оптически активенCH, С6Н5-С-С-С2Н5 о н оптически активенСН3Iс6н5-с-с-с2н5О Dоптически неактивен, мечен дейтериемСН3Iс6н5-с-с-с2н5О Dоптически неактивен, мечен дейтериемсн3
CH, С6Н5-С-С-С2Н5 о н оптически активен
CH, С6Н5-С-С-С2Н5 о н оптически активен
СН3
Iс6н5-с-с-с2н5
О D
оптически неактивен, мечен дейтерием
СН3
Iс6н5-с-с-с2н5
О D
оптически неактивен, мечен дейтерием
■ С6Н5-С-С-С2Н5 -^bV-
карбанион: не диссимметричный
Установив таким образом, что карбанион образуется в качестве интермедиата при рацемизации и обмене водорода, и зная взаимозависимость между рацемизацией и галогенированием, можно сделать вполне обоснованное заключение, что карбанион является интермедиатом также и в реакции галогенирования.
Задача 27.7. Предположите в качестве альтернативы карбанионного механизма, что как водородный обмен, так и рацемизация протекают как своего рода прямое замещение одного водорода (Н) на другой (D) с обращением конфигурации. Каково должно быть в таком случае соотношение скоростей рацемизации и обмена? (Указание: рассмотрите процесс обмена Н на D с инверсией для каждой из имеющихся молекул.)
Стереохимия карбанионов
Мы уже обсуждали стереохимию свободных радикалов (разд. 7.9) и кар- бониевых ионов (разд. 14.13). Изучим теперь стереохимию реакционноспособных частиц третьего вида — карбанионов. В частности, рассмотрим, на каком основании мы предположили в предыдущем разделе, что карбанион, получающийся из кетона, является плоским.
Сначала рассмотрим несопряженные карбанионы, например простые алкиланионы :R~. Из-за отсутствия в них сопряжения это неустойчивые короткоживущие частицы. Большая часть сведений об их вероятных свойствах основана на их аналогии с аминами, с которыми они изоэлектронны (т. е. имеют одинаковое число валентных электронов).
52—25652—256R'R:C:~R" рарбанионR'R:C:~R" рарбанионR'
52—256
52—256
R'
R:C:~
R" рарбанион
R'
R:C:~
R" рарбанион
R:N:
R' амин
Атом углерода находится в 5р3-гибридизованном состоянии, поэтому молекулу можно рассматривать как пирамидальную (если рассматривать лишь атомные ядра) или тетраэдрическую (если учитывать неподеленную пару электронов). Предполагается, что эти карбанионы претерпевают инверсию (переход от одной пирамидальной конфигурации к другой) точно так же, как амины (разд. 22.6), и поэтому они должны более или менее быстро терять свою конфигурацию.
простои алкияъныи карбанион,
sp3- гибридизация: пирамидален, происходит обращение нонцзиеурации
Имеющиеся данные о карбанионах вполне согласуются с представленной картиной. Как и в случае аминов, до сих пор ни один стабильный карбанион не был выделен в оптически активной форме. Однако реакции, включающие стадию промежуточного образования карбанионов при асимметрических центрах, не обязательно приводят к полной потере конфигурации, но, как и в случае реакций карбониевых ионов, могут давать продукты, обладающие заметной оптической активностью. Степень этой оптической активности будет зависеть, в частности, от времени жизни карбаниона в данной системе. Реакции иногда протекают с сохранением конфигурации, а иногда— с обращением конфигурации.
Делокализация электронов, стабилизующая сопряженные карбанионы, требует изменения электронной конфигурации и формы молекулы. а-Угле- родный атом приобретает sp2-гибридизацию для того, чтобы неподелейная пара занимала р-орбиталь, способную перекрываться с р-орбиталью атома углерода карбонильной группы. В результате эта часть молекулы должна быть плоской, поскольку два тригональных углерода и четыре связанных с ними атома лежат в одной плоскости.
сопряженный карбанион, Зр^-еибриоизауия: Оля обеспечения перекрывания, плоский
Стереохимия определяется временем жизни карбаниона, которая в свою очередь зависит от его стабильности в данном окружении. Это влияние времени жизни связано не со временем, требуемым для осцилляции между двумя пирамидальными конформациями, а скорее со временем, необходимым для симметричной сольватации карбаниона (разд. 14.13). Плоский карбанион дает неактивный продукт легче, чем пирамидальный карбанион, не потому, что он плоский, а потому, что плоское строение связано с делокализацией, которая делает карбанион более стабильным и долгоживущим.
Задача 27.8. Почему можно ожидать, что бензильный карбанион будет плоским?
Задача 27.9. а) Обработка оптически активного метил-а-фенилэтилового a-D-эфира C6H5CD(CH3)OCH3 mpem-бутилатом калия в трелг-бутиловом спирте вызывает рацемизацию и обмен Н на D, но водородный обмен протекает гораздо быстрее, чем рацемизация. Покажите, как это может происходить, б) При проведении реакции в диметилсульф-
оксиде (CH3)2SO (содержащем некоторое количество mpem-бутилового спирта) обмен водорода и рацемизация протекают с одинаковой скоростью. Объясните это различие в поведении в растворах в (CHs)2SO и в mpem-бутиловом спирте.
Галогенирование кетонов, катализируемое кислотами. Енолизация
Кислоты, как и основания, ускоряют галогенирование кетонов. При этом кислоты не расходуются, и поэтому можно с полным правом говорить о кислотно-катализируемом галогенировании (в противоположность реакции галогенирования, промотируемой основаниями).
кислота
СН3СОСН3 + Вг2 > СН3СОСН2Вг + НВт ацетонбромацетон
Хотя эта реакция, строго говоря, не относится к разделу химии карбанионов, все же, вероятно, уместно ее рассмотреть здесь, поскольку во всех аспектах она обнаруживает удивительное сходство с рассмотренной выше реакцией галогенирования, вызываемой присутствием оснований.
Изучение кинетики этой реакции показывает, что скорость галогенирования не зависит от концентрации галогена, но зависит от концентрации кетона и (для данного случая) от концентрации кислоты. В этом случае мы также наблюдаем очень примечательный факт идентичности констант скоростей внешне очень различных реакций: бромирования и иодирования ацетона и обмена его атомов водорода на дейтерий; иодирования и рацемизации emop-бутилфенил кетона.
Интерпретация в этом случае в основном не отличается от описанной ранее: стадии присоединения галогена предшествует лимитирующая стадия, которая может привести не только к галогенированию, но также к рацемизации и обмену водорода.
Лимитирующей стадией в этом случае является образование енола, включающее две стадии: быстрое обратимое протонирование [стадия (1)] кислорода карбонильной группы с последующим медленным отщеплением «-водородного атома [стадия (2)].
СН3—С—СН34-Н:В ■<* СН3—С—СН3 4- :В Быстро
IIII
О+ОН
СН3—С—СН3 + :В> СН3—С=СН2 + Н:В Медленно
11I
ЮНон
енол
СН3—С=СН2 + Х2 ♦ СН3—С—СН2Х + X" Быстро
III
ОН+ОН
СН3—С—СН2Х 4- :В ч * СН3—С—СН2Х4-Н:В Быстро
IIII
+ОНо
По мере образования енол немедленно реагирует с галогеном [стадия (3)1. Можно было бы ожидать, что непредельный енол будет вступать в реакцию присоединения, и действительно, реакция так и происходит: положительный ион галогена присоединяется с образованием карбониевого иона. Как обычно (разд. 6.11), присоединение происходит таким образом, чтобы получился наиболее устойчивый карбониевый ион.
Ион I, образующийся в этом случае, исключительно стабилен, причем его стабильность объясняется тем, что его едва ли можно считать «карбоние- вым» ионом вообще, поскольку кислород может нести заряд, сохраняя свой октет электронов. Действительно, ион является протонированным кетоном; при отщеплении протона образуется бромацетон.
Может показаться странным, что, хотя реакция называется кислотно-катализируе- мой, лимитирующая стадия (2) по существу та же, что и в реакции, вызываемой основаниями: отрыв а-протона основанием, в данном случае сопряженным основанием кислоты — катализатора. Однако то, что мы наблюдаем в этом случае, должно наблюдаться всегда: реакция, которая действительно катализируется кислотой или основанием, на самом деле должна катализироваться и тем и другим реагентом. В рассматриваемом случае перенос протона от кислоты Н:В на кислород карбонильной группы [стадия (1)] делает кетон более реакционноспособным и поэтому ускоряет енолизацию. Flo если эта реакция является каталитической, то кислота не должна расходоваться. Регенерация кислоты Н:В требует, чтобы сопряженное основание :В откуда-нибудь оторвало протон; оно отрывает его от а-углеродного атома [стадия (2)] и тем самым завершает енолизацию. Как кислота, так и основание ускоряют лимитирующую стадию (2): основание — непосредственно как один из реагентов, а кислота — косвенно, путем увеличения концентрации другого реагента, протонированного кетона. При использовании сильной минеральной кислоты в водном растворе можно не заметить роли, выполняемой в реакции основанием, поскольку в этих условиях кислотой является Н3О+, а сопряженным основанием — Н2О, растворитель.
Задача 27.10. Покажите подробно, как механизм енолизации объясняет следующие факты: а) константы скорости для кислотно-катализируемого обмена водород — дейтерий и бромирования ацетона идентичны; б) константы скорости кислотно- катализируемой рацемизации и иодирования фенил-втор-бутилфенилкетона идентичны. Задача 27.11. а) Что является основанием, участвующим в реакции, при катализируемой кислотой дегидратации спиртов (разд. 5.18)? Что является кислотой, участвующей в реакции, при катализируемой основанием реакции рацемизации и водородного обмена втор-бутилфенилкетона (разд. 27.3)?
Задача 27.12. Какие из приведенных реакций метилацетата являются истинно каталитическими? Укажите участвующие в них кислоты и основание: а) гидролиз в разбавленной водной H2SO4; б) гидролиз в разбавленном водном NaOH; в) переэтерификация в этиловом спирте, содержащем небольшое количество H2SO4; г) переэтерификация в этиловом спирте, содержащем небольшое количество C2H5ONa.
Альдольная конденсация.
Присоединение альдегидов и кетонов
Под влиянием разбавленного основания или разбавленной кислоты две молекулы альдегида или кетона могут соединиться с образованием Р-окси- альдегида или а-оксикетона. Эта реакция называется альдольной конденсацией. В каждом случае продукт образуется в результате присоединения одной молекулы альдегида (или кетона) ко второй молекуле таким образом, что а-углеродный атом одной из них связывается с атомом углерода карбонильной группы второй молекулы альдегида, например:
НННН Н Н
II I он- | I |
СН3—С=О 4- Н—С—С=О >- СН3—С—С—С=О
НОН Н
ацетальдегид, 2 моляальдоль (Р-оксимасляный
альдегид, 3-оксибутаналь)
НННН сн3 н
II I ОН-I ||
сн3сн2—с=о + сн3—с—с=о —> сн3сн2— с—с—с=о
нон н
пропионовый альдегид, 2 моляР-окси-а-метилвалериановый
альдегид (З-окси-2-метил-
пеитаналь)
СН3 ННсн3 н н
I|| ОН- III
сн3—с=о + н—с—с—с—н —> сн3—с—с—с—с—н
I II II I II I
нонон н о н
ацетон, 2 моля4-окси-4-метилпентанон-2
(диацетоновый спирт)
Если альдегид или кетон не содержит а-водородного атома, то простая альдольная конденсация не происходит, например:
разб. ОН>■ реакция не происходитразб. ОН>■ реакция не происходитАгСНО HCHO (СН3)3ССНО АгСОАг ArCOCR3
разб. ОН>■ реакция не происходит
разб. ОН>■ реакция не происходит
отсутствуюта-водородныеатомы
(Однако в концентрированных растворах оснований эти вещества могут подвергаться реакции Канниццаро, разд. 19.18.)
Как показано ниже на примере ацетальдегида, общепринятый механизм для катализируемой основанием конденсации включает следующие стадии:
СН3СНО + ОРГ <=* Н2О + [СН2СНО]“
основнойI
катализатор НН
II
СН3— С=О + [СН2СНОГ :*=^ СН3—с—СН2СНО
'1 А-
нуклеофильныйII
реагентНН
СН3—С—СН2СНО + Н2О <=* СН3—(i—СН2СНО + ОН-
II
О-он
IIIII
Гидроксил-ион отрывает [стадия (1)1 протон от а-углеродного атома альдегида и образуется карбанион I, который атакует [стадия (2)1 углерод карбонильной группы, давая ион II. Ион II (алкоголят) отрывает [стадия (3)1 протон от воды; при этом образуется 0-оксиальдегид(Ш) и регенерируется гидроксил-ион. Таким образом, роль гидроксил-иона заключается в том, что он вызывает образование карбаниона, который и является нуклеофильным реагентом.
Задача 27.13. Напишите постадийный механизм для реакции конденсации следующих соединений:
пропионового альдегида,г) циклогексанона,
ацетона,д) фенилацетальдегида.
ацетофенона.
Задача 27.14. Альдольная конденсация несимметричных кетонов (например, метилэтил- кетона) обычно редко используется в синтезах. Почему?
Карбонильная группа выполняет двоякую роль в альдольной конден сации. Она не только является ненасыщенной группой, по которой происхо
дит присоединение [стадия (2)1, но также делает настолько кислыми а-водо- родные атомы, что может образоваться карбанион [стадия (1)1.
Задача 27.15. В кислотно-катализируемой альдольной конденсации кислота, как полагают, выполняет двоякую функцию: катализирует превращение карбонильного соединения в енол и образует протонированное карбонильное соединение, с которым может реагировать енол. В таком случае происходящая реакция может рассматриваться либо как кислотно-катализируемое присоединение к карбонильной группе, либо как электрофильное присоединение к алкену. Основываясь на этих представлениях, напишите все стадии механизма кислотно-катализируемой альдольной конденсации ацетальдегида. Определите, что является нуклеофилом и электрофилом именно на стадии конденсации. Задача 27.16. а) Когда ацетальдегид в довольно высокой концентрации вводился в катализируемую основанием реакцию альдольной конденсации в тяжелой воде (D2O), продукт реакции почти не содержал дейтерия, связанного с углеродом. Этот факт рассматривается как один из доводов в пользу того, что медленной стадией в альдольной конденсации будет образование карбаниона. Как вы можете обосновать этот вывод? б) Данные кинетики также подтверждают это заключение. Какой порядок реакции должен наблюдаться в этом случае? (Не забывайте, что в реакции участвуют две молекулы ацетальдегида.) в) Когда опыт, описанный в вопросе (а), был проведен при низкой концентрации ацетальдегида, продукт реакции содержал значительное количество дейтерия, связанного с углеродом. Как вы это объясните? (Указание: см. разд. 14.19.) г) Установлено, что в противоположность ацетальдегиду ацетон подвергается катализируемому основаниями обмену водород — дейтерий быстрее, чем вступает в альдольную конденсацию. Назовите один важный фактор, объясняющий подобное различие в поведении.
Задача 27.17. В щелочном растворе 4-метил-4-оксипентанон-2 отчасти превращается в ацетон. Какая это реакция? Укажите все стадии ее наиболее вероятного механизма. (Указание: см. задачу 5.6, стр. 162.)
Дегидратация продуктов альдольной конденсации
0-Окс иальдегиды и Р-оксикетоны, получаемые при альдольной конденсации, очень легко дегидратируются; в результате образуются соединения, содержащие двойную углерод-углеродную связь между а- и р-углеродными атомами, например:
Н Н НН Н Н
I |[ разб. НС1, нагревание|||
сн3—с—с—с=о*- сн3—с=с—с=о + Н2О
он н
альдолькротоновый альдегид
(бутен-2-аль)
СН3 НСН3 Н
||12 (кислота Льюиса), перегонка||
сн3—с—с—с—сн3*- сн3—С=С—С—СН3 + Н2о
I I IIII
он н оо
диацетоновый спиртокись мезитила
(4-метилпентен-3-он-2)
Как легкость осуществления реакции элиминирования, так и ее направление обусловлены тем, что получающийся алкен особенно устойчив, поскольку двойная углерод-углеродная связь сопряжена в нем с двойной связью углерод—кислород карбонильной группы (см. разд. 8.16).
Задача 27.18. Напишите резонансные структуры, объясняющие необычную устойчивость а,Р-непредельных альдегидов или кетонов. Что означают эти структуры с позиций молекулярных орбиталей? (См. разд. 10.16.)
-н2о-н2о^З-дифенилбутзн-г- on-1^З-дифенилбутзн-г- on-1
-н2о
-н2о
^З-дифенилбутзн-г- on-1
^З-дифенилбутзн-г- on-1
Алкены, в которых двойная углерод-углеродная связь сопряжена с ароматическим кольцом, особенно устойчивы (разд. 12.22); в тех случаях, когда элиминирование воды из молекулы альдоля может привести к подобному сопряженному алкену, именно такой алкен и образуется при альдольной конденсации, например:
ацетофенон, 2 mo пн
Применение альдольной конденсации в синтезе
Каталитическое гидрирование а, p-непредельных альдегидов и кетонов дает насыщенные спирты, причем присоединение водорода происходит по обеим двойным связям: углерод — углерод и углерод — кислород. Часто альдольную конденсацию проводят именно с целью синтеза таких насыщенных спиртов. Так, например, н-бутиловый спирт и 2-этилгексанол-1 получают в промышленном масштабе такими способами:
он-—н2о
2СН3СНО >- СН3СНОНСН2СНО >- СН3СН=СНСИОацетальдегидальдолькротоновый альдегид
(бутен-2-аль)
Н2. N1
Т
СН3СН2СН2СНОн-масляныйальдегидСН3СН2СН2СНОн-масляныйальдегидСи, 250 °CСН3СН2СН2СН2ОНн-бутиловый спиртСи, 250 °CСН3СН2СН2СН2ОНн-бутиловый спиртСН3СН2СН2СН=ССНОС2Н6 н2, N1СН3СН2СН2СН=ССНОС2Н6 н2, N1СН3СН2СН2СН2ОН н-бутиловый спирт он- >- СН3СН2СН2СНОНСНСНО
СН3СН2СН2СНОн-масляныйальдегид
СН3СН2СН2СНОн-масляныйальдегид
Си, 250 °C
СН3СН2СН2СН2ОНн-бутиловый спирт
Си, 250 °C
СН3СН2СН2СН2ОНн-бутиловый спирт
СН3СН2СН2СН=ССНО
С2Н6 н2, N1
СН3СН2СН2СН=ССНО
С2Н6 н2, N1
СН3СН2СН2СН2СНСН2ОН
С2Н5 2-этилгексанол-1
Можно получать также непредельные спирты, если выбрать реагент, восстанавливающий лишь карбонильную группу и не затрагивающий двойную углерод-углеродную связь; одним из таких реагентов является боргид- рид натрия
Р к№ВН4 Н+
RCII=CH—С—R' > -х RCH=CH—CH—R'
°ОН
а,Р-непредельное карбо-ненасыщенный
нильное соединениеспирт
Задача 27.19. Приведите схемы синтеза следующих спиртов, исходя из спиртов с меньшим числом атомов углерода: а) 2-метилпентанола-1,г) 2,4-дифенилбутанола-1,
4-метилпентанола-2,д) 1,3-дифенилбутен-2-ола-1.
2-циклогексилциклогексанола,
Задача 27.20. Репеллент насекомых «6-12» (2-этилгександиол-1,3) выпускается той же химической компанией, которая производит «-бутиловый спирт и 2-этилгексанол-1; предположите, каков путь его синтеза. Каким путем можно синтезировать 2-метилнентандиол- 2,4?
Перекрестная альдольная конденсация
Альдольная конденсация двух различных карбонильных соединений, так называемая перекрестная альдольная конденсация, не всегда осуществима в лаборатории, поскольку при этом может образоваться смесь четырех соединений. Однако в промышленном масштабе подобный синтез может оказаться целесообразным, если эту смесь можно разделить, а ее компоненты представляют ценность.
Задача 27,21. «-Бутиловый спирт, н-гексиловый спирт, я-этилгексаиол-1 и 2-этилбута- нол-1 выпускаются одной и той же фирмой. Как можно их получить из дешевого и легко доступного сырья?
При определенных условиях в результате перекрестной альдольной конденсации можно получать хорошие выходы индивидуальных продуктов; Для этого необходимо, чтобы один из реагентов не содержал а-водородных атомов и поэтому был неспособен давать продукты самоконденсации (например, ароматические альдегиды или формальдегид). Такой реагент смешивают с катализатором и к этой смеси медленно прибавляют карбонильную компоненту, содержащую водород в «-положении. При этом в любой момент времени в среде имеется очень низкая концентрация ионизующегося карбонильного соединения и образующийся из него карбанион реагирует почти исключительно с другим карбонильным соединением, присутствующим в большом избытке.
сносно, же
/q\—с—о °н~ сн,сосн„ 100'С, бензальдегид
СН,СОС,Н,. 20гС
н н н
(^~с=с-с~о
коричный альдегид
н н
7r\_\,k „Перекрестные
AJ/—С—С—С—СНз альдольные
X/||конденсации
О
бензадьссцетпок
И н
„о
оензадьачещофенон
Задача 27.22. Приведите схему синтеза следующих соединений из бензола или толуола и любых легкодоступных спиртов:
4-фенилбутанола-2,г) 2,3-дифенилпропанола-1,
1,3-дифенилпропанола-1,д) 1,5-дифенилпентадиен-1,4-она-З (див) 1,3-дифенилпропана,бензальацетона).
Задача 27.23. а) Какова кислотность у-водородных атомов в а,р-ненасыщенных соединениях
у Р а1111
—С—с=с—с=о
н
например, в кротоновом альдегиде? б) Ответив на вопрос (а), предложите метод синтеза, 5-фенилпентадиен-2,4-аля С6Н5СН=СН—СН=СН—СНО.
Конденсация Перкина. Присоединение ангидридов
Ангидриды кислот присоединяются к ароматическим альдегидам в присутствии оснований, давая а, p-ненасыщенные кислоты. Эта реакция известна под названием конденсации Перкина; она родственна альдольной конденсации. В качестве основания в этой реакции чаще всего используют натриевую соль карбоновой кислоты, ангидрид которой является реагентом. Конденсация Перкина применима лишь для ароматических альдегидов, поскольку они неспособны подвергаться самоконденсации (по альдольному типу) в. присутствии основных катализаторов.
Присоединение протекает таким образом, что а-углеродный атом ангидрида образует связь с углеродом карбонильной группы ароматического альдегида. В реакционной смеси образующийся p-оксиангидрид претерпевает две реакции: отщепление воды и гидролиз ангидрида, например:
СН3-Сх о сн2-с( i °СН3-Сх о сн2-с( i °CH3COONa,175еСCH3COONa,175еС
СН3-Сх о сн2-с( i °
СН3-Сх о сн2-с( i °
CH3COONa,175еС
CH3COONa,175еС
уксусныйангидрид
н н
<QVc=c—соон + снзсоон
коричная кислота
G-Фенилпропеповая кислота)
У СН3СН2С СН,СН2СООМа, Н СНз
СНз<б)-С=О + )о ■ — > снзО-с^с-соон .СНзСНс(
п,-толуиловыиI
аигивридН ?+СН3СН2СООН
пропионовый-ангидрид
Конденсация Перкина протекает по тому же механизму, что и альдольная конденсация.
Задача 27.24. а) Рассматривая конденсацию Перкина как модификацию альдольной конденсации, напишите стадии механизма реакции бензальдегида, уксусного ангидрида и ацетата натрия, б) Почему а-водородные атомы в ангидриде являются кислыми?
Если варьировать природу заместителя в ароматическом альдегиде, то с помощью конденсации Перкина можно синтезировать различные замещенные коричные кислоты. Соответствующие насыщенные кислоты в случае необходимости можно легко получить гидрированием двойной углерод-углеродной связи
№
АгСН=СНСООН + Н2 >• АгСН2СН2СООН
коричная кислотагидрокоричная
кислота
Задача 27.25. Покажите, как гидрокоричную кислоту (СвН6СН2СН2СООН) можно превратить в следующие соединения:
гидрокоричный спирт,в) 4-фенил-2-метилбутанол-2,
4-фенилбутанон-2,г) 5-фенил-З-этилпентанол-З.
Задача 27.26. Получите фенилпропиоловую кислоту (С6Н5С=ССООН) из дешевых, легкодоступных продуктов.
Задача 27.27. Кумарин ранее использовался в парфюмерной и пищевой промышленности. Приведите схему его синтеза из дешевых, легкодоступных продуктов (указание: кумарин — сложный эфир).
кумприн
Задача 27.28. Пентаэритрит С(СН2ОН)4, используемый в производстве взрывчатых веществ, получается из ацетальдегида и формальдегида в присутствии гидрата окиси кальция. Приведите вероятную последовательность стадий в этом синтезе.
Задача 27.29. Приведите схему синтеза 3,4-диметоксибензилового спирта (вератрового спирта), исходя из встречающегося в природе гвайякола о-С6Н4(ОН)ОСН3.
Реакции, родственные альдольной конденсации
Известно большое число конденсаций, родственных альдольной конденсации. Каждая из них имеет свое собственное название (например, реакция Перкина, Кнёвенагеля, Дебнера, Клайзена, Дикмана) и на первый взгляд кажется, что они сильно отличаются одна от другой. Однако тщательное изучение показывает, что каждая из этих реакций, подобно альдольной концен- -сации, включает стадию атаки карбаниона по карбонильной группе. В каждом случае карбанион генерируется очень сходным образом: путем отрыва основанием протона от атома углерода в a-положении к карбонильной группе. При этом можно использовать различные основания — едкий натр, этилат натрия, ацетат натрия, амины — и широко варьировать природу кар- ■бонильной группы, из a-положения по отношению к которой отрывается протон,— карбонильная группа альдегида, кетона, ангидрида, сложного эфира, но химия процесса остается по существу той же, что и в альдольной конденсации. Мы рассмотрим лишь немногие из этих конденсаций в следующих задачах и главах; во всех этих случаях не следует упускать из виду фундаментального сходства каждой из этих реакций с альдольной конденсацией.
Задача 27.30. Сложные эфиры могут конденсироваться с ароматическими альдегидами в присутствии алкоголятов; так, бензальдегид и этилацетат в присутствии этилата натрия
дают этиловый эфир коричной кислоты С6Н5СН=СНСООС2Н5. Приведите все стадии наиболее вероятного механизма этой конденсации.
Задача 27.31. Объясните следующие реакции:
КОН
CeH6CHO + CH3NO2 >• С6Н5СН=СНМО2 + Н2О,
CaHsONa
С6Н6СНО + CeH5CH2CN>■ С6Н5СН=--С—CN+H2O,
В)ью2С6Н5СНО + CH3<Q>NO2NH3 (жидк.)СП3СНО + NaC=CH>Реакция КнёвеиагеляCellgCHO + CH^COOCJI•г) Реакция Коупа/\=О + N=CCH2<В)ью2С6Н5СНО + CH3<Q>NO2NH3 (жидк.)СП3СНО + NaC=CH>Реакция КнёвеиагеляCellgCHO + CH^COOCJI•г) Реакция Коупа/\=О + N=CCH2<СвН5
В)
ью2
С6Н5СНО + CH3<Q>NO2
NH3 (жидк.)
СП3СНО + NaC=CH>
Реакция Кнёвеиагеля
CellgCHO + CH^COOCJI
•г) Реакция Коупа
/\=О + N=CCH2<
В)
ью2
С6Н5СНО + CH3<Q>NO2
NH3 (жидк.)
СП3СНО + NaC=CH>
Реакция Кнёвеиагеля
CellgCHO + CH^COOCJI
•г) Реакция Коупа
/\=О + N=CCH2<
NOzбшопичный
-ам"" > C6H5CH=CH<^O/NO2 + н2о
NHaCl
СН3СНС=СН > СН3СНС=СН,
II
ONaОН
вторичный амин
5)2 "С6Н5СН=С(СООС2Н5)2,
CH3COONH4 /\
)С2Н5 »- //=С—СООС2Н5
CN
Реакция Виттига
В 1954 г. Г. Виттиг (Тюбингенский университет) опубликовал метод синтеза алкенов из карбонильных соединений, который эквивалентен замене кислорода карбонильной группы =0 на группу = CRR'.
R'R'R'
\IIIII
>С=0 + (С6Н5)3Р=С—R» -C-C-R> -C=C-R + (СвН5)3РО
нлид'О +Р(СвН5)3
бетаинокись трифенил
фосфина
Основная стадия в этом синтезе состоит в нуклеофильной атаке илида по карбонильному кислороду, приводящей к бетаину, который претерпевает элиминирование, иногда спонтанное, с образованием продукта реакции, например:
(СвН5)2С=О + (СвП6)3Р=СН2♦ (С6Н5)2С-СН2 » (СвН6)2С=СН2
I I
О +Р(С6Н5)3
бензофенон метилентри-1,1-дифенил-
фенилфосфоранэтилен
С6Н8СНО + СвН6СН=СН—СН=Р(С6Н6)3> С6Н5СН—СИ—СН=СНС6И5
бензальдегид4 4(СвНб)з
> СвН6СН=СН—сн=снсвн61,4-дифенилбутадиен-1,3
Реакцию проводят в мягких условиях, и положение образующейся двойной углерод-углеродной связи не вызывает сомнений. Карбонильное соединение может содержать различные заместители; то же относится и к илиду. (В общем случае реакция Виттига может включать реагенты, отличные от
карбонильных соединений, и приводить к получению веществ, отличных от замещенных алкенов.)
Илиды фосфора можно представить как гибриды следующих структур:
R'R' "
_(CeH5)3P=(:-R(СеН^Р—С—R
+ —
и именно наличие отрицательного заряда на атоме углерода — карбанионный характер илидов — определяет их характерные реакции, в данном случае нуклеофильную атаку по атому углерода карбонильной группы.
Синтез илидов — двухстадийный процесс, каждая стадия которого относится к знакомому типу реакций: нуклеофильная атака по алкилгалогениду и отрыв протона основанием.
R'R'R'
;+| основание|
R—СНХ + (С6Н5)аР> (С6Н5)3Р—-СН—R> (СбН5)зР=С—R + основание :Н
трифенил-X-илид
фосфин фосфониевая соль
В реакции применяют различные основания, главным образом алкоголяты и металлоорганические соединения, и различные растворители, например:
CeHsLi
СН3Вг +(С3Н5)3Р> (С6Н3)эР+-СН3Вг- -^ (С6Н5)3Р=СН2 + C6HG + LiBr
C2H5ONa
СН2=СНСН2С1 + (С6Не)3Р> (С6Н5)ЭР+-СН2СН=СН2СГ дмф >> (С6Н5)3Р=СНСН=СН2
Задача 27.32. Какие побочные реакции могут, по вашему мнению, наблюдаться при получении илидов типа (С6Н5)3Р=С(СН3)СН2СН3?
Задача 27.33. Приведите структуры илида и карбонильного соединения, из которых можно получить следующие соединения:
СН3СН2СН2СН=С(СН3)СН2СН3,
С6Н5С(СН3)=СНСН2С6НЬ,
СвН5СН=СНСвН5,
=снсн3.
д) 1,4-дифенилбута диен-1,3 (иные реагенты, чем приведены на стр. 827),
СН2=СНСН=С(СН3)СООСН3.
Задача 27.34. Укажите все стадии возможных лабораторных методов синтеза каждого' из илидов и карбонильных соединений предыдущей задачи, исходя из бензола, толуола, спиртов С4 — С4, уксусного ангидрида, трнфенилфосфина и циклопентанола и используя любые необходимые неорганические реагенты.
Задача 27.35. Напишите структурные формулы соединений А — В.
С6Н5ОСН2С1 + (С6Н5)3Р, потом /прет-СдНдОК> А (С25Н21ОР),
А + метилэтилкетон» (С6Н5)3РО + Б (СиН14О),
В + разбавленная водная кислота» В (С5Н10О).
Приведенная последовательность является общим путем синтеза некоторого класса соединений. Какого именно?
Задача 27.36. Напишите структурные формулы соединений А — В.
С6Н5СОСН2СН2СН2СН2Вг + (С6Н6)3Р, затем QHsONa> А (СПН12),
ВгСН2СН2СН2Вг + (СвН5)эР, затем основание> Б (С39Н34Р2), Б + о-С6Н4(СНО)2> В(СцН10).
ЗАДАЧИ
Напишите полные уравнения реакций и назовите все органические соединения, образующиеся в реакциях фенилацетальдегида со следующими реагентами (во всех ли слу - ч аях будут протекать реакции?):
разб. NaOH,г) Вг2/СС14,разб. НС1,д) (С6Н5)3Р=СН2.водн. Na2CO3,2. Ответьте на вопрос задачи 1 для циклогексанона.разб. NaOH,г) Вг2/СС14,разб. НС1,д) (С6Н5)3Р=СН2.водн. Na2CO3,2. Ответьте на вопрос задачи 1 для циклогексанона.Напишите полные уравнения реакции и зующиеся в реакции бензальдегида со след’ протекать реакции?):разб. NaOH,конц. NaOH,ацетальдегидом, разб. NaOH,пропионовым альдегидом, разб. NaOH,ацетоном, разб. NaOH,продуктом (д), разб. NaOH,ацетофеноном, NaOH,уксусным ангидридом, ацета-Напишите полные уравнения реакции и зующиеся в реакции бензальдегида со след’ протекать реакции?):разб. NaOH,конц. NaOH,ацетальдегидом, разб. NaOH,пропионовым альдегидом, разб. NaOH,ацетоном, разб. NaOH,продуктом (д), разб. NaOH,ацетофеноном, NaOH,уксусным ангидридом, ацета-ште все органические соединения, обрати реагентами (во всех ли случаях будутн) этилацетатом, этилатом натрия, к) этилфенилацетатом, этилатом натрия,л) формальдегидом, конц. NaOH,м) кротоновым альдегидом, NaOH, н) (С6Н5)3Р=СНСН=СН2,о) (С6Н6)3Р=СН(ОС6Н5),п) продуктом (о), разб. уксусной кислотой.ште все органические соединения, обрати реагентами (во всех ли случаях будутн) этилацетатом, этилатом натрия, к) этилфенилацетатом, этилатом натрия,л) формальдегидом, конц. NaOH,м) кротоновым альдегидом, NaOH, н) (С6Н5)3Р=СНСН=СН2,о) (С6Н6)3Р=СН(ОС6Н5),п) продуктом (о), разб. уксусной кислотой.
разб. NaOH,г) Вг2/СС14,
разб. НС1,д) (С6Н5)3Р=СН2.
водн. Na2CO3,
2. Ответьте на вопрос задачи 1 для циклогексанона.
разб. NaOH,г) Вг2/СС14,
разб. НС1,д) (С6Н5)3Р=СН2.
водн. Na2CO3,
2. Ответьте на вопрос задачи 1 для циклогексанона.
Напишите полные уравнения реакции и зующиеся в реакции бензальдегида со след’ протекать реакции?):
разб. NaOH,
конц. NaOH,
ацетальдегидом, разб. NaOH,
пропионовым альдегидом, разб. NaOH,
ацетоном, разб. NaOH,
продуктом (д), разб. NaOH,
ацетофеноном, NaOH,
уксусным ангидридом, ацета-
Напишите полные уравнения реакции и зующиеся в реакции бензальдегида со след’ протекать реакции?):
разб. NaOH,
конц. NaOH,
ацетальдегидом, разб. NaOH,
пропионовым альдегидом, разб. NaOH,
ацетоном, разб. NaOH,
продуктом (д), разб. NaOH,
ацетофеноном, NaOH,
уксусным ангидридом, ацета-
ште все органические соединения, обрати реагентами (во всех ли случаях будут
н) этилацетатом, этилатом натрия, к) этилфенилацетатом, этилатом натрия,
л) формальдегидом, конц. NaOH,
м) кротоновым альдегидом, NaOH, н) (С6Н5)3Р=СНСН=СН2,
о) (С6Н6)3Р=СН(ОС6Н5),
п) продуктом (о), разб. уксусной кислотой.
ште все органические соединения, обрати реагентами (во всех ли случаях будут
н) этилацетатом, этилатом натрия, к) этилфенилацетатом, этилатом натрия,
л) формальдегидом, конц. NaOH,
м) кротоновым альдегидом, NaOH, н) (С6Н5)3Р=СНСН=СН2,
о) (С6Н6)3Р=СН(ОС6Н5),
п) продуктом (о), разб. уксусной кислотой.
том натрия, нагревание,
Напишите уравнения всех стадий в синтезе следующих веществ из пропионового
реагенты:е) а-метилвалериановой кислоты, ж) 2-метил-З-фенилпропеналя, з) СН3СП2СНО, и) СН3СЫ2СНМО, к) 2-метилгексена-З.реагенты:е) а-метилвалериановой кислоты, ж) 2-метил-З-фенилпропеналя, з) СН3СП2СНО, и) СН3СЫ2СНМО, к) 2-метилгексена-З.альдегида, используя любые необходимые
реагенты:
е) а-метилвалериановой кислоты, ж) 2-метил-З-фенилпропеналя, з) СН3СП2СНО, и) СН3СЫ2СНМО, к) 2-метилгексена-З.
реагенты:
е) а-метилвалериановой кислоты, ж) 2-метил-З-фенилпропеналя, з) СН3СП2СНО, и) СН3СЫ2СНМО, к) 2-метилгексена-З.
а-метил-Р-оксивалерианового
альдегида,
2-метилпентанола-1,
2-метилпентен-2-аля,
2-метилпентен-2-ола-1,
2-метилпентандиола-1,3,
Напишите уравнения всех стадий в синтезе следующих веществ из ацетофенона, используя любые необходимые реагенты:
бензойной кислоты,г)1,3-дифенилбутен-2-ола-1,
1,3-дифенилбутен-2-она-1,д)1,3-дифенилпропен-2-она-1,
1,3-дифенилбутанола-1,е)а-фенилпропионового альдегида
(указание: см. задачу 27.35).
Укажите все стадии возможных лабораторных методов синтеза следующих веществ из бензола, толуола, уксусного ангидрида, трифенилфосфина и спиртов Q — С4, используя любые необходимые неорганические реагенты:
4-метил-4-оксипентанона-2,
4-метилпентанола-2,
кротонового альдегида (СН3СН=СНСИО),
коричного спирта (СвН5СН=СНСН2ОН),
n-нитрокоричного альдегида,
бутандиола-1,3,
З-метилбутен-2-овой кислоты,
З-метилпентин-1-ола-З (обливок, обладает снотворным действием)
Ьфенилгексатриена-1,3,5,
1,6-дифенилгексатриена-1,3,5,
инданона
. Значительные количества ацетона расходуются на получение метилизобутилкетона. Каким путем осуществляется синтез метилизобутилкетона?
Приведите схемы возможных синтезов приведенных ниже соединений из бензола, толуола или любых природных продуктов, указанных в разд. 25.4, с использованием .необходимых реагентов:
кофейной кислоты (выделяется из кофейных бобов),
тирамина (встречается в спорынье) (указание: см. задачу 27.31(a), стр. 827),
сн=снсоонсн=снсоонононКофейная кислота,Кофейная кислота,ch2ch2nh2.онтираминch2ch2nh2.онтираминCHOHCH2NH2 fO^OH он норадреналинCHOHCH2NH2 fO^OH он норадреналин
сн=снсоон
сн=снсоон
он
он
Кофейная кислота,
Кофейная кислота,
ch2ch2nh2.
он
тирамин
ch2ch2nh2.
он
тирамин
CHOHCH2NH2 fO^OH он норадреналин
CHOHCH2NH2 fO^OH он норадреналин
норадреналина, адренокортикоидный гормон
Меченый алкен, 1,3,3-тридейтероциклогексен, необходимый для определенного стереохимического исследования, был получен из циклогексанона. Приведите все стадии этого синтеза.
а) Галоформная реакция (разд. 16.11) основана на том, что три атома водорода у одного и того же атома углерода последовательно замещаются на галоген. На примере ацетона покажите, почему атом углерода, по которому прошло первоначальное замещение, будет предпочтительным местом для последующего замещения (указание: см. разд. 18.14).
Галоформная реакция основана также еще на легкости, с которой тригалоген- метилкетон, получаемый в (а), расщепляется основанием. Каков наиболее вероятный механизм этого расщепления? Какой фактор обеспечивает возможность осуществления реакции в данном случае?
При обработке разбавленным раствором NaOH Р-метилкротоновый альдегид (СН3)2С=СНСНО дает продукт с формулой С10Н14О, называемый дегидроцитралем. Какова вероятная структура этого продукта и как он образуется? (Указание: см. цитраль, задача 25, стр. 623.)
На одной из стадий в полном синтезе витамина D3 соединение I превращается в соединение II с помощью ряда стадий, две из которых включают реакцию Виттига. Покажите, как можно осуществить это превращение.
СН)СН—сноСН)СН—сноТ Н онТ Н он
СН)
СН—сно
СН)
СН—сно
Т Н он
Т Н он
Коричная кислота, получаемая конденсацией Перкнна, представляет собой более устойчивый транс-изомер. Предложите метод получения цас-коричной кислоты (указание: см. разд. 8.9).
Пиперин (Cj7H19O3N) — алкалоид, встречающийся в черном перце, нерастворим в воде, разбавленной кислоте и разбавленном основании. При нагревании с водным раствором щелочи он дает пиперовую кислоту (С12Н10О4) и циклический вторичный амин, пиперидин (CSHUN) (см. разд. 36.12).
Пиперовая кислота нерастворима в воде, но растворима в водном растворе-NaOH и водном растворе NaHCO3. Титрование дает эквивалентный вес 215 ± 6. Она быстро реагирует с Вг2/СС14 без выделения НВг и с образованием соединения с формулой С12Н10О4Вг4. Осторожное окисление пиперовой кислоты дает пиперониловую кислоту (С8Н6О4) и винную кислоту [НООССН(ОН)СН(ОН)СООН].
При нагревании пиперониловой кислоты с водной НО при 200 °C образуется формальдегид и протокатехиновая кислота (3,4-диоксибензойная).
К какому классу соединений относится пиперин?
Какова структура пиперониловой кислоты, пиперовой кислоты и пиперина?
Подтверждает ли приведенный ниже синтез предложенную вами структуру пиперина?
Пирокатехин + СНС13 + NaOH> А (С^НеОд),
А + CH2I2 + NaOH♦ Б (С8НвО3),
Б + СНдСНО + NaOH В (С10Н8О3),
В + уксусный ангидрид + ацетат натрия пиперовая кислота (Сх2Н10О4), пиперовая кислота + РС15> Г (С12Н8О3С1), Г + пиперидин» пиперин.
«Тяжелый» каучук получают с помощью следующей последовательности реакций:
CD3COCD3 + KC=CD» A(C5D7OK),
А 4* D2O 1———* B(CbDeO),
Б 4- D2, Pd> B(C6D10O),
В -f- A12O3, нагревание» r(CgD8),
Г 4- [(CH3)2CHCH2]SA1, TiCJ4 > «тяжелый каучук», (СВГ^)П, полностью цис.
Какова структура «тяжелого каучука»?
Каково строение промежуточных соединений А — Г?
28
Гликоли и эпокиси
Полифункциональные соединения
До сих пор мы рассматривали только свойства индивидуальных функциональных групп, хотя, конечно, мы обращали внимание на то, как эти свойства изменяются в присутствии других заместителей.
Теперь перейдем к некоторым из наиболее важных классов полифунк- циональных соединений. В соединениях этих классов функциональные группы влияют на свойства друг друга до такой степени, что в результате возникают определенные свойства, характерные не для одной из этих групп, а лишь для данной комбинации этих групп. Именно рассмотрению этих особых свойств и будет посвящена в основном данная глава.
При этом не следует, однако, забывать, что с большей частью химии этих соединений мы уже познакомились, а именно с той частью, которая является простой суммой химических свойств отдельных групп.
ГЛИКОЛИ
Структура и номенклатура гликолей
Гликолями называют спирты, содержащие две гидроксильные группы. Мы будем в основном рассматривать те гликоли, в которых ОН-груп- пы связаны с соседними атомами углеродов, т. е. 1,2-гликоли. Ниже приведены тривиальные названия гликолей и их названия по номенклатуре IUPAC:
сн2—сн2СН3СН—сн2СН2—СН2-СН2сн2—сн2—сн2он он11он ононон111он он онсн2—сн2СН3СН—сн2СН2—СН2-СН2сн2—сн2—сн2он он11он ононон111он он онпропиленгликоль (пропандиол-1,2)пропиленгликоль (пропандиол-1,2)триметилеигликоль (пропандиол-1,3)триметилеигликоль (пропандиол-1,3)этиленгликоль (этандиол-1,2)этиленгликоль (этандиол-1,2)глицерин (пропаитриол-1,2,3)глицерин (пропаитриол-1,2,3)СН3 СН3 сн3—СС—СН3СН3 СН3 сн3—СС—СН3Ччс-чемопеншиШол-^гЧчс-чемопеншиШол-^гон онHUHOLHOH(2, "З-диметилбдщандиол-г^)он онHUHOLHOH(2, "З-диметилбдщандиол-г^)он он гидробензоин (л^'^ц^енилзпзссндиод-!^)он он гидробензоин (л^'^ц^енилзпзссндиод-!^)
сн2—сн2
СН3СН—сн2
СН2—СН2-СН2
сн2—сн2—сн2
он он
11
он он
онон
111
он он он
сн2—сн2
СН3СН—сн2
СН2—СН2-СН2
сн2—сн2—сн2
он он
11
он он
онон
111
он он он
пропиленгликоль (пропандиол-1,2)
пропиленгликоль (пропандиол-1,2)
триметилеигликоль (пропандиол-1,3)
триметилеигликоль (пропандиол-1,3)
этиленгликоль (этандиол-1,2)
этиленгликоль (этандиол-1,2)
глицерин (пропаитриол-1,2,3)
глицерин (пропаитриол-1,2,3)
СН3 СН3 сн3—СС—СН3
СН3 СН3 сн3—СС—СН3
Ччс-чемопеншиШол-^г
Ччс-чемопеншиШол-^г
он онHUHOLHOH(2, "З-диметилбдщандиол-г^)
он онHUHOLHOH(2, "З-диметилбдщандиол-г^)
он он гидробензоин (л^'^ц^енилзпзссндиод-!^)
он он гидробензоин (л^'^ц^енилзпзссндиод-!^)
Физические свойства гликолей
Как и следовало ожидать из рассмотрения структуры гликолей, в которых имеется более одного центра для образования водородной связи, для,
них характерны высокие температуры кипения (даже для простейшего члена ряда, этиленгликоля, т. кип. 197 °C). Низшие гликоли смешиваются с водой, и даже гликоли, содержащие семь атомов углерода, обнаруживают заметную растворимость в воде (табл. 28.1).
Таблица 28.1
Физические свойства полиоксиспиртов и родственных соединений
Название
Формула
Т. пл., °C
T. кип., °С/мм рт. ст.
Растворимость, г/100 г Н2О
Этиленгликоль
носн2сн2он
—16
197
ОО
Пропиленгликоль Пропан диол-1,3 Бутандиол-1,2
.мезо-Бутандиол-2,3
СН3СН(ОН)СН2ОН НОСН2СН2СН2ОН СН3СН2СН(ОН)СН2ОН
СН3СН(ОН)СН(ОН)СН3
34
187
215
192
183
ОО
ОО
Слабо растворим со
Бутандиол-1,4
НОСН2СН2СН2СН2ОН
16
230
ОО
Пинакон
(СН3)2С(ОН)С(СН3)2ОН
45
174
Слабо рас-
Глицерин
НОСН2СН(ОН)СН2ОН
18
290
творим в холодной
воде
Пентаэритрит мезо-Г идробензоин цис- Циклопентандйол-1,2 транс-Циклопентандиол-1,2 Час-Циклогександиол-1,2 транс-Циклогексаидиол-1,2
с(сн2он)4 С6Н5СН(ОН)СН(ОН)С6Н5
260
137
30
55
98
104
118/22 136/22
6
0,3
Этиленгликоль находит применение в качестве антифриза из-за своей высокой температуры кипения, низкой температуры замерзания и высокой растворимости в воде.
Некоторые гликоли, выпускаемые промышленностью, упомянуты в разд. 28.12 и 28.13.
Методы синтеза гликолей
Гликоли обычно получают одним из перечисленных методов.
МЕТОДЫ СИНТЕЗА ГЛИКОЛЕЙ
КМяОдКМяОдОН ОНОН ОНцис-Гидроксилироваииецис-Гидроксилироваииеисо2онисо2онГидроксилирование алкенов (разд. 6.19, 9.17, 9.18, 28.16 и 28 17)
КМяОд
КМяОд
ОН ОН
ОН ОН
цис-Гидроксилироваиие
цис-Гидроксилироваиие
исо2он
исо2он
ОН
|| н2о, н+ II
—СС —С—С— транс-Гидроксилирование
\ /II'
ООН
Примеры:Примеры:
Примеры:
Примеры:
О2. Ag, 250 °CН2О, Н+
СН2=СН2> СН2—СН2 >- СН2—СН2
II
ОН он
этиленгликольэтиленгликольокись этиленаокись этилена
этиленгликоль
этиленгликоль
окись этилена
окись этилена
окись циклолентена (не выделяется)окись циклолентена (не выделяется)траксцинлопента.иаиол-1,2(рацемическая модификация)
окись циклолентена (не выделяется)
окись циклолентена (не выделяется)
Гидролиз галогеипроизводных (гл. 14)
IIIIон-, Н2О I |
—С—С— или —С—С— *■ —С—С—
IIIIII
X ОН XXон он
Примеры:
СЬ, Н,ОNa2CO3, Н2О
СН2=СН2 —-—^ СН2—СН2>■ СН2—СН2
С1 ОНОН ОН
этиленэтиленхлор-этиленгликоль
гидрин
С12, 600 °сСН3СН=СН2*С12, 600 °сСН3СН=СН2*он~, н2оСН2СН=СН2> СН2—СН=СН,
С12, 600 °с
СН3СН=СН2*
С12, 600 °с
СН3СН=СН2*
С1ОН
пропиленпропиленаллилхлоридаллилхлоридаллиловый спирталлиловый спирт
пропилен
пропилен
аллилхлорид
аллилхлорид
аллиловый спирт
аллиловый спирт
CI2, Н2ОNaOH
>- сн2—сн—сн2 —> сн2—сн—сн2
IIIIII
ОН Cl онон он он
глицерин
Бимолекулярное восстановление карбонильных соединений (разд. 28.4)
бимолекулярное восстановление ||
► —С—С—
пинаконпинаконОН ОН
пинакон
пинакон
альдегидили кетон
53-256
Примеры:Примеры:M.g, бензол2СН3ССН3*M.g, бензол2СН3ССН3*СН, СН3I Iсн3с—ссн3СН, СН3I Iсн3с—ссн3ацетонацетонсн3 сн3 н2о ||> СН3С—ссн3I Iон онсн3 сн3 н2о ||> СН3С—ссн3I Iон онО бензофенонО бензофенонMg + Mgl,.Эфир, бензол .Mg + Mgl,.Эфир, бензол .пинакон (2,З-диметил- бутандиол-2,3)пинакон (2,З-диметил- бутандиол-2,3)ОН ОНОН ОНбензпинамн \\Д,2.,2-тетра.фенилзтанаио/145.'Убензпинамн \\Д,2.,2-тетра.фенилзтанаио/145.'У
Примеры:
Примеры:
M.g, бензол
2СН3ССН3*
M.g, бензол
2СН3ССН3*
СН, СН3
I Iсн3с—ссн3
СН, СН3
I Iсн3с—ссн3
ацетон
ацетон
сн3 сн3 н2о ||
> СН3С—ссн3
I I
он он
сн3 сн3 н2о ||
> СН3С—ссн3
I I
он он
О бензофенон
О бензофенон
Mg + Mgl,.
Эфир, бензол .
Mg + Mgl,.
Эфир, бензол .
пинакон (2,З-диметил- бутандиол-2,3)
пинакон (2,З-диметил- бутандиол-2,3)
ОН ОН
ОН ОН
бензпинамн \\Д,2.,2-тетра.фенилзтанаио/145.'У
бензпинамн \\Д,2.,2-тетра.фенилзтанаио/145.'У
Гликоли часто синтезируют гидроксилированием двойных углерод-углеродных связей: либо непосредственно, либо через стадию получения эпоки- сей, используя реакции, с которыми мы уже познакомились в разд. 6.19, 9.17 и 9.18. Гидроксилирование представляет собой стереоспецифичную реакцию (разд. 9.17 и 9.18): под действием перманганата происходит цис- гидроксилирование, а расщепление эпокисей приводит к тртс-гидроксили- рованию. Поскольку гликоли являются спиртами, то их можно также получить, используя методы, применяемые для синтеза одноатомных спиртов, в частности гидролиз галоген произ водных; необходимые для этого галогенгидрины получают также действием галогенов и воды на двойную углерод-углеродную связь.
Симметричные гликоли можно часто синтезировать с помощью реакции бимолекулярного восстановления альдегидов и кетонов, т. е. восстановлением в условиях, которые приводят к образованию связи между атомами углерода двух карбонильных групп. Подобные гликоли часто называют пинаконами.
Задача 28.1. Предскажите, какой основной побочный продукт образуется при синтезе этиленгликоля гидролизом дибромэтана с помощью водного раствора NaOH. Объясните, почему гораздо лучший выход этиленгликоля можно получить, если обрабатывать дибром- этан водным раствором ацетата натрия с последующим гидролизом диацетата.
Задача 28.2. Этиленгликоль получают в промышленности не только из этилена, но также из метилового эфира гликолевой кислоты (СН2ОНСООСН3). Как это можно осуществить?
Реакции гликолей
Гликоли — это спирты, и большая часть химических свойств гликолей является химическими свойствами спиртов, которые уже были обсуждены в гл. 16. Кроме того, гликоли вступают в некоторые реакции, которые характерны лишь для соединений, содержащих две или большее число ОН- групп. Из этих реакций мы рассмотрим две: а) особый вид реакции окисления — окисление иодной кислотой и б) особый род реакции дегидратации — пинаколиновую перегруппировку.
Задача 28.3. Предскажите, какие продукты образуются при взаимодействии следующих соединений: а) этиленгликоля и избытка уксусной кислоты в присутствии небольшого количества серной кислоты; б) триметиленгликоля и избытка водной НВг при нагревании; в) пропиленгликоля и РВг3; г) бутандиола-1,3 и А1С13 при 350 РС; д) бутандиола-2,3 и бензальдегида в присутствии безводного хлористого водорода» СиН14О2; е) 1,2-ди-
фенилэтандиола-1,2 и КМпО4; ж) этиленгликоля и окиси этилена в присутствии кислоты; з) этиленгликоля и H2SO4 при нагревании, приводящем к С4Н802.
Задача 28.4. а) ч«с-Циклопентандиол-1,2 реагирует с ацетоном в присутствии сухого НС1, давая соединение I (CgH14O2), которое устойчиво по отношению К кипящей щелочи, но легко превращается в исходное соединение под действием водной кислоты. Какова наиболее вероятная структура соединения I? К какому классу соединений оно относится? б) траяс-Циклопентандиол-1,2 не дает аналогичного производного. Как вы это объясните?
Окисление гликолей иодной кислоты
При обработке соединений, содержащих две или большее число групп ОН или =0, находящихся у соседних атомов углерода, с помощью иодной кислоты протекает окисление с расщеплением углерод-углеродной связи, например:
’r—CH—CH—R' + НЮ4> RCHO + R'CHO ( + НЮ3)
ОН ОН
R—С—С—R' + НЮ4> RCOOH + R'COOH
II IIО о
R—CH—С—R' + НЮ4> RCHO + R'COOH
I IIОН о
R—CH—CH— CH—R' 4- 2НЮ4> RCHO + НСООН + R'CHO
I I I
ОН он он
RIR—С—CH—R' 4- НЮ4> R2CO - R'CHO
I ।"
ОН он
R—CH—CH2—CH—R' + НЮ4 > реакция не происходит II
ОНон
Эта реакция окисления особенно важна при определении структуры. Качественно окисление НЮ4 можно обнаружить по образованию белого осадка AgIO3 при добавлении нитрата серебра. Поскольку реакция обычно происходит количественно, то можно получить очень ценную информацию на основании данных о природе и количестве образовавшихся продуктов реакции и по количеству израсходованной иодной кислоты.
Задача 28.5. Какие продукты образуются, если 1 моль каждого из следующих соединений обработать НЮ4, и сколько молей НЮ4 израсходуется при этом? а) СН3СН(ОН)СН2ОН,д)цыс-циклопентандиол-1,2,
СН3СН(ОН)СНО,е) НОСН2(СНОН)3СНО,
НОСН2СН(ОН)СН2ОСН3,ж) НОСН2(СНОН)3СН2ОН.
НОСН2СН(ОСН3)СН2ОН,
Задача 28.6. Напишите структурные формулы соединений А — И. А + 1 моль НЮ4> СН3СОСН3 + НСНО, Б + 1 моль НЮ4» ОНС(СН2)4СНО, В + 1 моль НЮ4» НООС(СН2)4СНО,
Г + 1 моль НЮ,* 2НООС—СНО,
Д + ЗШО4» 2НСООН 4- 2НСНО, Е + ЗНЮ4* 2НСООН + НСНО + СО„ Ж + 2НЮ4» 2НСООН + НСНО, = 3 + 5НЮ4> 5НСООН + НСНО, И + 4НЮ4> ЗНСООН + НСНО + онссоон.
Пинаколиновая перегруппировка
При действии минеральных кислот 2,3-диметилбутандиол-2,3 (часто на- вываемый пинаконом) превращается в метил-тре/п-бутилкетон (часто на- вываемый пинаколином)
СН3 СН3СН3
I I н+I
СН3-С—С—СН3 >- сн3—с—с—сн3 + Н2О
II■ II I
он оно сн3
пинакон(2,3-диметилбутан-дио л-2,3)
пинаколин(метил-тргт-бутил-кегон, 3,3-диметил-
бутанон-2)
Гликоль подвергается дегидратации и происходит перегруппировка углеродного скелета. Другие гликоли подвергаются аналогичным превращениям; эта реакция известна под названием пинаколиновой перегруппировки.
Предполагается, что пинаколиновая перегруппировка включает две важные стадии: 1) отщепление воды от протонированного гликоля с образованием карбониевого иона и 2) перегруппировка карбониевого иона с 1,2-сдвигом с образованием протонированного кетона. Вполне возможно, что по крайней мере в некоторых случаях обе стадии протекают одновременно так, что удаление молекулы воды облегчает подход мигрирующей группы
К RК RR R
R—С С—R 5^ R—С С—R > Н2о + R—С С—R
он онон+он2он +
(i^\RRR
R-CC-R > R—СС—R ^=* Н+ + R—С—С—R
^ОН+OH ROR
Обе стадии этой реакции нам уже знакомы: образование карбониевого иона из спирта под действием кислоты с последующим 1,2-сдвигом к электронодефицитному атому.
Как и в большинстве 1,2-сдвигов к электронодефицитным атомам углерода (разд. 22.14), мигрирующая группа ни в какой момент не бывает совершенно «свободной»; она до тех пор не отрывается от «покидаемого» ею атома углерода, пока не образует связи с электронодефицитным центром
R R6+ ' R
I +IIII |
ОНОН+ОН
Для случая миграции арильной группы предполагается, что интермедиат имеет структуру I и он может оказаться истинным соединением.
II
I
I
Мы еще раз можем заметить сходство этого иона с карбоний-ионными интермедиатами при электрофильном замещении в ароматическом ряду (разд. 11.12). Миграцию арильной группы можно рассматривать просто как случай замещения в ароматическом ряду, причем электрофильным реагентом будет электронодефицитный углерод.
Задача 28.7. Объясните, почему арильная группа обладает большей миграционной способностью, чем алкильная.
Задача 28.8. Объясните, как осуществляются следующие реакции:
HONO
1,1,2-трифенил-2-аминопропанол-1 * 1,2,2-трифенилпропанон-1 (указание: см. задачу 23.11, стр. 722),
2-фенил-1-иодпропанол-2 + Ag+♦ метилбензилкетон.
В тех случаях, когда группы, находящиеся у атомов углерода, несущих ОН-группы, различаются между собой, пинаколиновая перегруппировка может в принципе привести к образованию более чем одного соединения. Природа действительно образующегося продукта реакции определяется тем, какая ОН-группа теряется на первой стадии и какая группа мигрирует на второй стадии к возникающему электронодефицитному атому углерода. Так, например, рассмотрим перегруппировку 1-фенил пропан диола-1,2. Структура образующегося метилбензилкетона показывает, что бензильный карбониевый ион (II) возникает предпочтительнее, чем вторичный карбониевый ион(Ш), и что Н мигрирует предпочтительнее, чем СН9-группа.
Изучение большого числа реакций пинаколиновой перегруппировки показывает, что структуру обычно образующегося продукта вполне можно предсказать, если исходить из того, что ионизация происходит с образованием более стабильного карбониевого иона, а после того как произойдет подобная предпочтительная ионизация, миграция групп осуществляется с относительной легкостью, соответствующей следующему ряду: Ar > Н, R. (Хотя в рассмотренном выше случае Н мигрирует предпочтительно по сравнению с R, это далеко не всегда обязательно; действительно, иногда для данного пинакона может в зависимости от экспериментальных условий осуществляться миграция либо Н, либо R.)
миграция: ।
—> С6Н5—с—с—СПз
н н
р^С6Н5-С-^-СН3 он и
и н
С6Н5-С—С-СНз -
он он:
1-<ренилпропанвиол-1,г. }
сй9> с6н5-<!:-с- сн3
он ш
Н О 1метилбеюилнетоя
।(основной пробунт)
lecoo мигрирует { СЩ
Н
если—СИ
мигрирует _ 6
СН, &
’^-фенилпропионовый
।альдегид
[мигрируетН
; н1
L>С6Н5-С-С-СНЛ
о н этилфенилнетон
Задача 28.9. Рассмотрите перегруппировку вых ионов будет наиболее устойчивым и Kai на для этого карбониевого иона?пропандиол-1,2,2-метилпропандиол-1,2,1-фенилэтандиол-1,2,1,1-дифеиилэтаидиол-1,2,1-фенилпропандиол-1,2,Задача 28.10. Будут ли продукты реакции вЗадача 28.9. Рассмотрите перегруппировку вых ионов будет наиболее устойчивым и Kai на для этого карбониевого иона?пропандиол-1,2,2-метилпропандиол-1,2,1-фенилэтандиол-1,2,1,1-дифеиилэтаидиол-1,2,1-фенилпропандиол-1,2,Задача 28.10. Будут ли продукты реакции вследующих гликолей. Какой из карбоние- ая перегруппировка будет наиболее вероят-2-метил-1,1-Дифенилпропанди- ол-1,2,1,1,2-трифенилпропандиол-1,2,2-метил-3-этилпентандиол-2,3,1,1-бис-(п-метоксифенил)-2,2-дифе- нилэтандиол-1,2.ответах на вопросы задачи 28.9 соответствоследующих гликолей. Какой из карбоние- ая перегруппировка будет наиболее вероят-2-метил-1,1-Дифенилпропанди- ол-1,2,1,1,2-трифенилпропандиол-1,2,2-метил-3-этилпентандиол-2,3,1,1-бис-(п-метоксифенил)-2,2-дифе- нилэтандиол-1,2.ответах на вопросы задачи 28.9 соответствовать следующим реально получающимся а) пропионовому альдегиду, б) изомасляному альдегиду, в) фенилуксусному альдегиду, г) дифенилуксусному альдегиду, д) бензилметилкетону, е) 3,3-дифенилбутанону-2, ж) 1,1,1-трнфенилпропанону-2,вать следующим реально получающимся а) пропионовому альдегиду, б) изомасляному альдегиду, в) фенилуксусному альдегиду, г) дифенилуксусному альдегиду, д) бензилметилкетону, е) 3,3-дифенилбутанону-2, ж) 1,1,1-трнфенилпропанону-2,продуктам:смеси 4,4-диметилгексанона-З и 3-ме- тил-З-этилпентанона-2,смеси п,п-диметокситрифенилметил- фенилкетона (72% )и п-метокситри- фенилметил-я-метоксифенил кетона (28%).продуктам:смеси 4,4-диметилгексанона-З и 3-ме- тил-З-этилпентанона-2,смеси п,п-диметокситрифенилметил- фенилкетона (72% )и п-метокситри- фенилметил-я-метоксифенил кетона (28%).
Задача 28.9. Рассмотрите перегруппировку вых ионов будет наиболее устойчивым и Kai на для этого карбониевого иона?
пропандиол-1,2,
2-метилпропандиол-1,2,
1-фенилэтандиол-1,2,
1,1-дифеиилэтаидиол-1,2,
1-фенилпропандиол-1,2,
Задача 28.10. Будут ли продукты реакции в
Задача 28.9. Рассмотрите перегруппировку вых ионов будет наиболее устойчивым и Kai на для этого карбониевого иона?
пропандиол-1,2,
2-метилпропандиол-1,2,
1-фенилэтандиол-1,2,
1,1-дифеиилэтаидиол-1,2,
1-фенилпропандиол-1,2,
Задача 28.10. Будут ли продукты реакции в
следующих гликолей. Какой из карбоние- ая перегруппировка будет наиболее вероят-
2-метил-1,1-Дифенилпропанди- ол-1,2,
1,1,2-трифенилпропандиол-1,2,
2-метил-3-этилпентандиол-2,3,
1,1-бис-(п-метоксифенил)-2,2-дифе- нилэтандиол-1,2.
ответах на вопросы задачи 28.9 соответство
следующих гликолей. Какой из карбоние- ая перегруппировка будет наиболее вероят-
2-метил-1,1-Дифенилпропанди- ол-1,2,
1,1,2-трифенилпропандиол-1,2,
2-метил-3-этилпентандиол-2,3,
1,1-бис-(п-метоксифенил)-2,2-дифе- нилэтандиол-1,2.
ответах на вопросы задачи 28.9 соответство
вать следующим реально получающимся а) пропионовому альдегиду, б) изомасляному альдегиду, в) фенилуксусному альдегиду, г) дифенилуксусному альдегиду, д) бензилметилкетону, е) 3,3-дифенилбутанону-2, ж) 1,1,1-трнфенилпропанону-2,
вать следующим реально получающимся а) пропионовому альдегиду, б) изомасляному альдегиду, в) фенилуксусному альдегиду, г) дифенилуксусному альдегиду, д) бензилметилкетону, е) 3,3-дифенилбутанону-2, ж) 1,1,1-трнфенилпропанону-2,
продуктам:
смеси 4,4-диметилгексанона-З и 3-ме- тил-З-этилпентанона-2,
смеси п,п-диметокситрифенилметил- фенилкетона (72% )и п-метокситри- фенилметил-я-метоксифенил кетона (28%).
продуктам:
смеси 4,4-диметилгексанона-З и 3-ме- тил-З-этилпентанона-2,
смеси п,п-диметокситрифенилметил- фенилкетона (72% )и п-метокситри- фенилметил-я-метоксифенил кетона (28%).
Стереохимия 1,2-сдвигов:
центр, к которому осуществляется миграция
При обсуждении стереохимии расщепления амидов по Гофману (разд. 22.14) мы убедились в том, что перегруппировка осуществляется с полным сохранением конфигурации мигрирующей группы. Изучение других перегруппировок дало аналогичные результаты и привело к следующему вероятному обобщению: для всех 1,2-сдвигов должно наблюдаться сохранение конфигурации мигрирующей группы. Это означает, что мигрирующая группа до тех пор сохраняет связь с атомом углерода, от которого она отрывается, пока она не образует связи с электронодефицитным атомом, к которому она направляется, и при этом вновь образующаяся связь занимает то же относительное положение в мигрирующей группе, что и разрывающаяся связь.
Теперь обратимся к другому аспекту стереохимии 1,2-сдвигов. Что происходит при центре, к которому осуществляется миграция, т. е. при электронодефицитном атоме углерода? Вероятно, наиболее надежные данные по этому вопросу были получены при изучении реакции, родственной пинако- линовой перегруппировке — реакции дезаминирования с пинаколиновой пе- регруппировной, в которой карбониевый ион генерируется при действии азотистой кислоты на первичную алифатическую аминогруппу.
HONO
RNH2 >■ RN2 > R+ + N2
первичный ион алифатический диазония амин
При обработке оптически активного 2-амино-1,1 -дифен илпропанол а-1 азотистой кислотой получают 1,2-дифенилпропанон-1 с обращенной конфигурацией
Н5С6 НСвН5
I ' HONOI
свн5—с—с*—сн3 >- С6Н5—с—с*—сн3
IIII I
ohnh2о н
обращеннаяконфигурация
Мигрирующая фенильная группа атакует электронодефицитный атом углерода со стороны, обратной первоначальному нахождению ЫН2-группы.
На основании этого и других ему подобных исследований было предположено, что в общем случае при всех 1,2-сдвигах происходит, обращение конфигурации по центру, к которому осуществляется миграция, и, следовательно, мигрирующая группа подходит с тыльной стороны к электронодефицитному атому. Такое поведение не удивительно, поскольку, согласно одной из точек зрения, перегруппировка представляет собой простой особый случай нуклеофильного замещения, в котором мигрирующая группа выступает в качестве нуклеофильного реагента. Некоторые из перегруппировок относятся к SN2-rany, в котором мигрирующая группа облегчает «выталкивание» уходящей группы; другие относятся к SNl-THny, в котором карбониевый ион образуется до того, как происходит миграция.
Тенденция к осуществлению инверсии по центру, к которому осуществляется миграция, настолько сильна, что часто это определяет весь ход реакции. Независимо от относительной миграционной способности групп миграции подвергается та группа, которая легче всего может оказаться с тыльной стороны электронодефицитного атома. Рассмотрим один из примеров этого эффекта, который в то же время иллюстрирует важность конформационного анализа.
Стереохимия 1,2-сдвигов: конформационные эффекты
При обработке диастереомерных аминоспиртов (I и II) азотистой кислотой в качестве основных продуктов образуются различные по строению кетоны (Ph — фенил, Ап — и-метоксифенил)
AnIPh-C-CH-PhIIAnIPh-C-CH-PhIIPhAn—C—CH—PhIIPhAn—C—CH—PhIIРН
AnIPh-C-CH-PhII
AnIPh-C-CH-PhII
Ph
An—C—CH—Ph
II
Ph
An—C—CH—Ph
II
НОАп HONO
НNHZ *
Ph т(и№ энантиомер)
Ph
AnOH hono
H--NH2
Ph utoeu энантиомер)
При перегруппировке аминоспирта I в основном протекает миграция анизильной, а не фенильной группы, как этого и следовало ожидать на основании данных об относительной миграционной способности двух групп. Однако для аминоспирта II основной мигрирующей группой будет фенильная, а не анизильная. Каким образом это можно объяснить?
Группа NH2 при действии азотистой кислоты превращается в N2, которая быстро отщепляется (в виде азота) с образованием карбониевого иона. В конформации 1а (рис. 28.1) анизильная группа является группой, располо-
женной в положении, благоприятном для атаки с тыльной стороны; в конформации 16 такой группой будет фенильная. Далее, из-за отталкивания объемистых ароматических групп более стабильна конформация 1а, которая поэтому будет преимущественной для иона; по этой причине анизильная группа и является предпочтительно мигрирующей группой.
Для диастереомера II наблюдается прямо противоположная ситуация. В данном случае наиболее стабильной конформацией будет конформация Па, в которой фенильная группа находится в положении, предпочтительном для атаки с тыльной стороны.
РНРНРНРНРис. 28.1. Конформационные эффекты при 1,2-сдвигах.В наиболее стабильной конформации группа мигрирует в анти-положение.Рис. 28.1. Конформационные эффекты при 1,2-сдвигах.В наиболее стабильной конформации группа мигрирует в анти-положение.
РН
РН
РН
РН
Рис. 28.1. Конформационные эффекты при 1,2-сдвигах.
В наиболее стабильной конформации группа мигрирует в анти-положение.
Рис. 28.1. Конформационные эффекты при 1,2-сдвигах.
В наиболее стабильной конформации группа мигрирует в анти-положение.
Таким образом, ход реакции определяется не природой групп, способных к миграции, а их относительным расположением в пространстве. Иначе говоря, ход реакции определяется скорее конформационными факторами, чем электронными.
Выше мы полагали, что скорости конкурирующих реакций — миграции анизильной группы и миграции фенильной группы — определяются относительным содержанием двух конформационных изомеров. Это допущение справедливо, если, как в данном случае, миграция‘осуществляется относительно легко и происходит быстрее, чем взаимопревращение двух конформаций карбониевого иона. Однако если миграция осуществляется с трудом и происходит медленнее, чем взаимопревращение конформаций, то тогда относительные скорости реакций будут определяться относительной устойчивостью двух переходных состояний. И в этом случае мы получим тот же результат. Это справедливо и в общем случае, поскольку те же структурные факторы, которые определяют предпочтительность одной конформации по сравнению с другой, определяют предпочтительность переходного состояния, соответствующего одной из конформаций, по сравнению с переходным состоянием, соответствующим другой конформации (ср. разд. 4.32 и 7.8). ' '' ‘ '
Задача 28.11. а) При обработке ццс-2-аминоциклогексанола азотистой кислотой образуется смесь циклогексанона и формилциклопентана. Покажите, каким образом образуются эти соединения. 6) Аналогичная обработка траяс-2-аминоциклогексанола дает только формилциклопентан. Как вы объясните различие в поведении этих двух стереоизомеров? (Указание: если принять, что ОН и NH2 имеют примерно одинаковый размер, то какова наиболее вероятная конформация — цис-соединения или транс-соединения?)
эпокиси
Методы синтеза эпокисей
Эпокисями (эпоксисоединениями) называют соединения, содержащие трехчленные циклы
эпокисное кольцо (кольцо оксираиа)
Они представляют собой простые эфиры, но наличие в них трехчленного кольца придает им необычные свойства.
Наиболее важным является простейший член ряда — окись этилена. Ее получают в промышленном масштабе каталитическим окислением этиг лена кислородом воздуха.
О,, Ag, 250 °Cсн2=сн2 »- сн2—сн2
V
окись этилена
Другие эпоксисоединения получают следующими методами.
МЕТОДЫ СИНТЕЗА ЭПОКИСЕЙ
Из галогенгидринов (разд. 28.10)
I I Х2, Н2О I |II
—С=С— > —С—С— + ОН- —> —СС— + Н2О + Х~
II\ /
X оно
Пример:
СЬ, 11,0конц. водн. ОН-
сн,—сн=сн2> сн3—сн—сн2*- сн3—сн—сн2
пропилен।
пропиленхлор-гидринпропиленхлор-гидринокись пропиленаокись пропилена
пропиленхлор-гидрин
пропиленхлор-гидрин
окись пропилена
окись пропилена
Окисление двойной углерод-углеродной связи перекисями (разд. 28.10)
—с=с — + С6Н5СО2ОН—с=с — + С6Н5СО2ОНСС— + СеН5СООНСС— + СеН5СООН
—с=с — + С6Н5СО2ОН
—с=с — + С6Н5СО2ОН
СС— + СеН5СООН
СС— + СеН5СООН
О
надбензойнаякислота
опиралопиралокись стирола.окись стирола.Примеры:
опирал
опирал
окись стирола.
окись стирола.
циклогексенциклогексеннадбензойная кислотна■у
циклогексен
циклогексен
окись циклогексену
Превращение галогенгидринов в эпокиси под действием оснований — это всего лишь приложение синтеза Вильямсона (разд. 17.7); циклическое
соединение образуется вследствие того, что как ОН-группа, так и галоген являются частью одной и той же молекулы. В присутствии гидроксил-иона небольшая часть спиртовой группы существует в виде алкоголят-иона; этот алкоголят-ион вытесняет галогенид-ион, находящийся у другого атома той же молекулы с образованием циклического эфира.
сн2—сн2 + он-
\Вг)(2) СН2~СН2<-:О\Вг)(2) СН2~СН2<-:ОИ—Сс—н нх 'О/ 6-И—Сс—н нх 'О/ 6-СН2-СН2 + Вг~ х<уСН2-СН2 + Вг~ х<уон
\Вг)
(2) СН2~СН2
<-:О
\Вг)
(2) СН2~СН2
<-:О
И—Сс—н нх 'О/ 6-
И—Сс—н нх 'О/ 6-
СН2-СН2 + Вг~ х<у
СН2-СН2 + Вг~ х<у
хо-О-нхо-О-нкадбснзойная кислотакадбснзойная кислота
хо-О-н
хо-О-н
кадбснзойная кислота
кадбснзойная кислота
Поскольку галогенгидрины почти всегда получают из алкенов присоединением галогена и воды к двойной углерод-углеродной связи (разд. 6.14), этот метод эквивалентен превращению алкена в эпокись.
Альтернативно двойную углерод-углеродную связь можно окислить непосредственно в эпокисную группу действием надбензойной кислоты
криклопентенкриклопентеннавбензойнаякислота,навбензойнаякислота,
криклопентен
криклопентен
навбензойнаякислота,
навбензойнаякислота,
При стоянии в растворе эфира или хлороформа непредельное соединение (не обязательно простой структуры) и надкислота реагируют, образуя бензойную кислоту и эпокись, например:
+ С6Н5С
он
описьбензойная
циклолентепа.кислота
Зфенилпропен-б-ол-!
Строчный спирт)
+ С6Н5С он
Реакции эпокисей
Эпоксисоединения имеют важное значение вследствие их высокой реакционной способности, которая обусловлена легкостью раскрытия очень напряженного трехчленного цикла. Углы связей кольца, равные в среднем 60° (1,047 рад), заметно меньше, чем угол нормального тетраэдрического атома 109,5° (1,907 рад) или угол двухвалентного атома кислорода в ациклических простых эфирах 110° (1,919 рад) (разд. 17.2). Поскольку атомы не могут располагаться так, чтобы обеспечить максимальное перекрывание орбиталей
(разд. 9.10), связи в эпоксисоединении менее прочны, чем в обычном простом эфире, и молекула менее устойчива.
Эпокиси очень легко вступают в реакции, катализируемые кислотами, и в отличие от простых эфиров могут расщепляться даже основаниями. Некоторые из важнейших реакций приведены ниже.
РЕАКЦИИ ЭПОКИСЕИ
Раскрытие кольца, катализируемое кислотами (разд. 28 12)
I I с—с—I I с—с—Z ОНZ ОН
I I с—с—
I I с—с—
Z ОН
Z ОН
Примеры:
Н2О 4-Н2О 4-сн-,—сн2Vсн-,—сн2Vн*н*CHi—сн2 1*1 он онCHi—сн2 1*1 он он
Н2О 4-
Н2О 4-
сн-,—сн2
V
сн-,—сн2
V
н*
н*
CHi—сн2 1*1 он он
CHi—сн2 1*1 он он
этиленгликоль(Зюандиол-1,2)
С2Н5ОН + сн2—сн2 -^сн2—сн2
ООС2Н5О ОН2-зтоксиэтанолС2Н5О ОН2-зтоксиэтанолн+н+фенолфенолОО(^>ОСН2СН2ОН2-феноксиэтанол(^>ОСН2СН2ОН2-феноксиэтанол
О
О
С2Н5О ОН
2-зтоксиэтанол
С2Н5О ОН
2-зтоксиэтанол
н+
н+
фенол
фенол
О
О
(^>ОСН2СН2ОН
2-феноксиэтанол
(^>ОСН2СН2ОН
2-феноксиэтанол
НВг -г СН2—СН2НВг -г СН2—СН2+ :z+ :z
НВг -г СН2—СН2
НВг -г СН2—СН2
+ :z
+ :z
-> сн2-сн,I I *Вг онэтиле ибромгидрин( 2.-бромзтанол)
Раскрытие кольца, катализируемое основаниями (разд. 28.13)
1 I
-С—С- + :Z
Л/
Примеры:
C2H5O-Na+
этилат
натрин
фенолят натрия
NH3 +
сн2—сн2
V
•* С2Н5ОСН2СН2ОН
1-зтоксиэтанол
+ СН2—СН2
Хо
сн2-сн2
'о7
-> (О)оСН2СН2О1
2 -феноксиэтаног
H2NCH2CH2OH
2-аминоэтанол (этаноламин)
Реакция с реактивами Гриньяра (разд. 28.14)
RMgX + СН2-СН2RMgX + СН2-СН2*• RCH2CH2OMgX -^ RCH2CH2OH
RMgX + СН2-СН2
RMgX + СН2-СН2
первичный спирт (длина цепи на два, атома углерода, больше)
Примеры:
CH3CH2CH2CH2MgBr + СН2—СН2CH3CH2CH2CH2MgBr + СН2—СН2ОН2 ОНОН2 ОНОН ОНОН ОН
CH3CH2CH2CH2MgBr + СН2—СН2
CH3CH2CH2CH2MgBr + СН2—СН2
ОН2 ОН
ОН2 ОН
ОН ОН
ОН ОН
> СН3СН2СН2СН2СН2СН2ОН гексакол-i
Z-фепилэтапол(р-фенилэтиловый спурт)
Раскрытие кольца эпокисей, катализируемое кислотами
Подобно другим простым эфирам, эпокись превращается под действием кислоты в протонированную эпокись, которая может затем подвергаться атаке большого числа нуклеофильных реагентов.
Важная особенность реакции эпоксисоединений — образование соединений, содержащих две функциональные группы. Так, реакция с водой дает гликоли, а реакция со спиртом — соединение, являющееся одновременно простым эфиром и спиртом.
OR ОНOR ОН
OR ОН
OR ОН
гликоль
OR ОНалкоксиспирт(оксиэфир)
Задача 28.12. Приведенные ниже соединения представляют собой производимые в промышленном масштабе растворимые в воде растворители. Как можно их синтезировать?
СН3СН2—О—СН2СН2—О—СН2СН2—ОН (карбитол),
С6Н5О—СН2СН2—О—СН2СН2—ОН (фенилкарбитол),
НО—СН2СН2—О—СН2СН2—ОН (диэтиленгликоль),
НО—СН2СН2—О—СН2СН2~ОСН2СН2—ОН (триэтиленгликоль).
Задача 28.13. Укажите подробно (включая структуры промежуточных веществ и переходных состояний) стадии кислотно-катализируемого гидролиза окиси этилена по 5^1- и 5№-механизмам.
При гидроксилировании алкена надмуравьиной кислотой (разд. 6.19, 9.17 и 9.18) эпокись образуется и расщепляется точно так же, как описано в этой главе. Обычно эпоксисоединение не выделяют просто потому, что оно быстро расщепляется в кислой среде (муравьиная кислота). Гидроксилирование обсуждено в разд. 28.16 и 28.17.
Раскрытие кольца эпокисей, катализируемое основаниями
В отличие от обычных простых эфиров эпоксисоединения могут расщепляться в щелочной среде. В этом случае нуклеофильной атаке подвергается не протонированная эпокись, а сама эпокись. Более низкая реак-
слабонуклеофилъныислабонуклеофилъныиреагентреагентпротонированнаяпротонированнаяНIНII-н+* <g)ocH2CH2OH —I-н+* <g)ocH2CH2OH —Расщепление,катализируемоекислотойРасщепление,катализируемоекислотойэпокись,высокая, реакционнаяспособностьэпокись,высокая, реакционнаяспособность<^>осн2сн2он<^>осн2сн2он>осн2сн2о- -2i>осн2сн2о- -2iРасщепление, катализируемое основаниемРасщепление, катализируемое основанием
слабонуклеофилъныи
слабонуклеофилъныи
реагент
реагент
протонированная
протонированная
НI
НI
I-н+
* <g)ocH2CH2OH —
I-н+
* <g)ocH2CH2OH —
Расщепление,катализируемоекислотой
Расщепление,катализируемоекислотой
эпокись,высокая, реакционнаяспособность
эпокись,высокая, реакционнаяспособность
<^>осн2сн2он
<^>осн2сн2он
>осн2сн2о- -2i
>осн2сн2о- -2i
Расщепление, катализируемое основанием
Расщепление, катализируемое основанием
28 | Гликоли и эпокиси 845 ционная способность непротонированной эпокиси компенсируется более основным и более нуклеофильным характером реагента: алкоголята, фенолята, аммиака и т. д.
Рассмотрим, например, реакцию окиси этилена с фенолом. Кислота катализирует реакцию, превращая эпокись в высокореакционноспособную протонированную эпокись. Основание катализирует реакцию, превращая фенол в более нуклеофильный фенолят-ион.
СНзСНзСН5СН5СН3СН3
СНз
СНз
СН5
СН5
СН3
СН3
еильнониклеотильнъш ^ реагент непрототрованная зполись
Задача 28.14. Напишите уравнение реакций окиси этилена а) с метанолом в присутствии небольшого количества серной кислоты, б) с метанолом в присутствии небольшого количества CHsO"Na+ и в) с анилином.
Задача 28.15. На примере реакции окиси этилена с фенолом покажите, почему невозможно осуществить реакцию между протонированной эпокисью и высоконуклеофильным агентом — фенолят-ионом. (Указание: рассмотрите, что произойдет, если к раствору фенолята Натрия и окиси этилена прибавить кислоту.)
Задача 28.16. Поли(оксипропилен)гликоли
НО—СН—СН2—О— L —СН2—СН—О— ] „—СН2—СИОН
используемые в производстве полиуретанового пористого каучука (разд. 29.14), образуются при действии оснований (например, гидроксил-иона) на окись пропилена в присутствии пропиленгликоля как инициатора. Напишите все стадии вероятного механизма их образования.
Реакция окиси этилена с реактивом Гриньяра
Взаимодействие реактива Гриньяра с окисью этилена — важный метод получения первичных спиртов, поскольку образующийся продукт содержит на два атома углерода больше, чем алкильная или арильная группа реактива Гриньяра. Как и в реакции с карбонильной группой (разд. 19.12). нуклеофильная (основная) алкильная или арильная группа реактива Гриньяра присоеди няется к относительно положительному атому углерода, а электрофильный (кислый) атом магния — к относительно отрицательному кислороду. Использование высших эпокисей осложнено перегруппировками и образованием смесей.
Направление раскрытия кольца эпокисей
В эпокисном кольце имеется два атома углерода и в принципе любой из них может подвергаться нуклеофильной атаке. В симметричной эпокиси, например окиси этилена, оба атома углерода эквивалентны и атака направляется по обоим атомам случайным образом. Но в несимметричной эпокиси атомы углерода неэквивалентны и строение образующегося продукта реакции определяется тем, какой из этих атомов атакуется предпочтительно. Каково же направление расщепления эпокисей и как его можно объяснить?
Оказывается, что предпочтительное место атаки зависит главным образом от того, чем катализируется реакция — кислотами или основаниями. Рассмотрим, например, две реакции окиси изобутилена:
сн3IСН3-ССН2 4 Н218Осн3IСН3-ССН2 4 Н218Осн3
сн3
I
СН3-ССН2 4 Н218О
сн3
I
СН3-ССН2 4 Н218О
СН3—С—СН2ОН
18он
сн3сн3
ICH3ONaI
СН3—ССН2 J- сн3он► СН3—С—СН2ОСН3
\I
оон
В этих реакциях, как и вообще всегда, няклеофил атакует более замещенный атом углерода при расщеплении, катализируемом кислотами, и менее замещенный атом углерода при расщеплении, катализируемом основаниями.
По-видимому, это указывает на реализацию двух механизмов — SN1 и 5^2. Однако имеются данные, вполне четко показывающие, что оба -механизма относятся к SN2-THny: расщепление связи углерод — кислород и атака нуклеофила протекают п одну стадию. (Это подтверждают не только стереохимические данные, обсуждаемые в следующих разделах, но также и данные другого рода, которые мы не можем здесь рассмотреть подробнее.) Как же в таком случае можно объяснить различие в направлении расщепления, особенно 5м2-атаку по более затрудненному положению в расщеплении, катализируемом кислотами?
В реакции SN2, как было показано в разд. 14.11, атом углерода отдает электроны уходящей группе и получает электроны от нуклеофила, в результате чего он не приобретает заметного' отрицательного или положительного заряда в переходном состоянии; электронные факторы не существенны для хода реакции, и она контролируется пространственными факторами. Однако в кислотно-катализируемом расщеплении эпокиси связь углерод — кислород, уже ослабленная угловым напряжением в трехчленном кольце, еще более ослабляется вследствие протонирования, причем в этом случае имеется очень хорошая уходящая группа — слабоосновный спиртовый гидроксил. В то же время нуклеофил является очень слабым (вода, спирт, фенол). Хотя в переходном состоянии происходит как разрыв, так и образование связи, разрыв связи протекает в большей степени, чем ее образование; уходящая группа оттягивает с собой электроны в гораздо большей степени, чем нуклеофил предоставляет их, и атом углерода приобретает значительный положительный заряд.
Правда, в этом случае пространственные препятствия значительно менее важны, поскольку как уходящая группа, так и нуклеофил находятся достаточно далеко. Устойчивость переходного состояния определяется в основном электронными, а не пространственными факторами: атакуется не наименее замещенный атом углерода, а атом углерода, который лучше всего
может разместить положительный заряд (о такой реакции говорят, что она имеет значительный SNl-xapaKTep).
8м2-Раскрытие кольца, катализируемое кислотой
Г Z 1
OS t
Н J
преобладает разрыв связи:положительный зарядна атоме уелерода.
В расщеплении, катализируемом основаниями, уходящая группа гораздо менее эффективна (сильноосновный кислород алкоголята), а нуклеофил очень эффективен (гидроксил, алкоголят, фенолят). Разрыв связи и образование связи происходят почти в одинаковой степени, и реакционная способность контролируется, как обычно, пространственными факторами.
$м2-Раскрытие кольца, катализируемое основанием$м2-Раскрытие кольца, катализируемое основаниемразрыв связи и образование связи происходят почти в одинаковой степени; на азооме углерода. отсутствуетразрыв связи и образование связи происходят почти в одинаковой степени; на азооме углерода. отсутствуетналой-либо зарядналой-либо заряд
$м2-Раскрытие кольца, катализируемое основанием
$м2-Раскрытие кольца, катализируемое основанием
разрыв связи и образование связи происходят почти в одинаковой степени; на азооме углерода. отсутствует
разрыв связи и образование связи происходят почти в одинаковой степени; на азооме углерода. отсутствует
налой-либо заряд
налой-либо заряд
нсо2оннсо2он
нсо2он
нсо2он
Задача 28.17. Предскажите, какое соединение образуется в основном в следующих реакциях:
окись стирола + сухой НС1,
окись стирола + СН3ОН + небольшое количество CH3ONa,
окись пропилена -1- анилин,
окись триметилэтилена + НС1.
Стереохимия образования гликолей.
Циклические соединения
Теперь, когда мы уже немного познакомились с химией эпокисей, вернемся к вопросу о гидроксилировании алкенов. В частности, рассмотрим, как можно объяснить стереоспецифичность реакций гидроксилирования (разд. 9.17 и 9.18).
Как было показано, действие надмуравьиной кислоты на алкен приводит к трснг-гидроксилированию: получаемый гликоль имеет конфигурацию, которая соответствует присоединению двух ОН-групп с противоположных сторон по двойной углерод-углеродной связи.
Точно такой же гликоль образуется, если сначала превратить алкен в эпокись, а потом эпокись подвергнуть гидролизу, как описано выше в этой главе. Гидролиз окиси циклопентена, например, дает трцнс-циклопентанди- ол-1,2 (рис. 28.2). Эти два процесса дают один и тот же стереохимический результат потому, что они в действительности включают одни и те же реакции: образование и гидролиз эпокиси.
Рассмотрим стереохимию расщепления эпоксисоединений. Как было показано в разд. 28.12, катализируемый кислотой гидролиз эпокисей, по-види- мому, включает нуклеофильную атаку воды на протонированную эпокись. Представим себе, например, что эта атака протекает по 5н2-механизму, и на модели окиси циклопентена посмотрим, какого результата можно при этом ожидать (рис. 28.3).
Протонированная эпокись имеет структуру I. При 8ы2-замещении нуклеофильный реагент атакует атом углерода с тыльной стороны (в максимальном удалении от замещаемой группы), и это приводит к обращению конфигурации. В случае эпокиси подобная атака воды по С-1 должна давать продукт II, а атака по С-2 — продукт III. Таким образом, соединения II и III являются энантиомерными формами транс-гликоля. Поскольку атака по С-1 и С-2 равновероятна, то должен образоваться рацемический транс-yw.- клопентандиол-1,2, который и получают в действительности.
Итак, транс-гликолъ должен был бы образоваться при гидролизе эпокиси вследствие инверсии, сопровождающей SN2-aTaKy (разд. 14.10). Если
СеН5СО2ОНСеН5СО2ОНнсо2оннсо2онокись чиклопентена (не выделяется)окись чиклопентена (не выделяется)Н2О,И*Н2О,И*нсооннсоонэфир муравьиное кислотыэфир муравьиное кислотыПхранс-ииклонентандиоЛ'!, 2 (рацемическая модпфикация)Пхранс-ииклонентандиоЛ'!, 2 (рацемическая модпфикация)Рис. 28.2. Гидроксилирование циклопентена через эпокись»Рис. 28.2. Гидроксилирование циклопентена через эпокись»
СеН5СО2ОН
СеН5СО2ОН
нсо2он
нсо2он
окись чиклопентена (не выделяется)
окись чиклопентена (не выделяется)
Н2О,И*
Н2О,И*
нсоон
нсоон
эфир муравьиное кислоты
эфир муравьиное кислоты
Пхранс-ииклонентандиоЛ'!, 2 (рацемическая модпфикация)
Пхранс-ииклонентандиоЛ'!, 2 (рацемическая модпфикация)
Рис. 28.2. Гидроксилирование циклопентена через эпокись»
Рис. 28.2. Гидроксилирование циклопентена через эпокись»
гидролиз^протекал бы по 5м1-механизму, то, вероятно, наблюдалась, хотя бы частичная, потеря конфигурации (разд. 14.13), и, следовательно, должно было бы образоваться по крайней мере небольшое количество цыс-гликоля. Поскольку в действительности образуется лишь /иранс-гликоль, это подтверждает представление (разд. 28.13), согласно которому реакция протекает по 5м2-механизму.
ш
Рис. 28.3. Гидролиз протонированной окиси циклопентена.
Атака'с тыльной стороны в направлении нак (а). так и (6) равновероятна и дает равные количества энантиомеров.
Рассмотрим теперь £{цс-гидроксилирование, происходящее при взаимодействии с перманганатом калия:
Для объяснения стереохимии этой реакции предположили, что образуется интермедиат типа IV (показан для циклопентена).
IV
54—256
Гидролиз подобного интермедиата должен приводить к цис-гликолю. Этот механизм подтверждается тем, что четырехокись осмия OsO4, которая также дает ^t/c-гликоль, действительно образует стабильное промежуточное соединение V.
Два метода гидроксилирования — надкислотами и перманганатом калия — различаются по стереохимии, потому что механизмы этих реакций различны. Следует также отметить, что механизмы, предложенные для объяснения этих результатов, находятся в полном соответствии с другими химическими данными.
Стереохимия образования гликолей. Ациклические соединения
Если эти механизмы действительно реализуются, то каких стереохимических результатов можно ожидать при образовании гликолей из ациклических соединений, например из бутена-2? Рассмотрим сначала на моделях превращение/тгранс-бутена-2 в гликоль под действием надкислот. транс-Ъ^- тен-2 представляет собой плоскую молекулу. Каким бы путем ни переносился кислород на алкен, он должен присоединяться либо «сверху», либо «снизу» молекулы.
Что же получится, если кислород будет присоединяться «сверху» молекулы? В момент этой реакции атомы углерода двойной связи будут стремиться приобрести тетраэдрическую конфигурацию, а водороды и метилы будут смещаться вниз. Однако метильные группы остаются при этом расположенными по разные стороны молекулы, как они и были в алкене. В результате образуется эпокись I.
Далее эпокись I протонируется и подвергается нуклеофильной атаке воды (рис. 28.4). Атака воды протекает по атому углерода со стороны, противоположной той, где находится кислород, с разрывом связи углерод — кислород и обращением конфигурации. Если она происходит по пути а, то образуется структура II. Однако атака с равной вероятностью может направляться по другому атому углерода (б). В этом случае также будет происходить инверсия и образуется структура III. Если структуру II или III повернуть вокруг углерод-углеродной связи, то легко убедиться в симметрии
этого соединения. Оно представляет собой лезо-бутандиол-2,3; структуры II и III идентичны друг другу. Результат будет тот же, если кислород будет первоначально присоединяться «снизу» молекулы транс-бутена-2 (покажите это на моделях).
Рис. 28.4. Гидролиз протонированной окиси транс-бутена-2.Атака с тыльной стороны в направлении как (а), так и (б) дает один и тот же продукт реакцииРис. 28.4. Гидролиз протонированной окиси транс-бутена-2.Атака с тыльной стороны в направлении как (а), так и (б) дает один и тот же продукт реакции(рис. 28.5).(рис. 28.5).Теперь осуществим те же операции для ^нс-бутена-2Теперь осуществим те же операции для ^нс-бутена-2
Рис. 28.4. Гидролиз протонированной окиси транс-бутена-2.
Атака с тыльной стороны в направлении как (а), так и (б) дает один и тот же продукт реакции
Рис. 28.4. Гидролиз протонированной окиси транс-бутена-2.
Атака с тыльной стороны в направлении как (а), так и (б) дает один и тот же продукт реакции
(рис. 28.5).
(рис. 28.5).
Теперь осуществим те же операции для ^нс-бутена-2
Теперь осуществим те же операции для ^нс-бутена-2
В этом случае атака воды на IV по пути в даст соединение V, а по пути г — соединение VI. Эти вещества являются энантиомерами. Поскольку атака по пути в и пути г равновероятна, то энантиомеры V и VI будут образовываться в равных количествах, и, таким образом, получим рацемат. Результат будет тот же, если кислород первоначально будет присоединяться «снизу» молекулы цнс-бутена-2 (покажите это на моделях).
Эти предсказания подтверждаются экспериментом: гидролиз эпокиси из транс-бугена-2 дает мезо-гликолъ, в то время как гидролиз эпокиси из цис-бутена-2 приводит к рацемическому гликолю.
V ir VI энантиомеры
Рис. 28.5. Гидролиз протонированной окиси ч«с-бутена-2.
Атака с тыльной стороны в направлении как (в), так и (а) равновероятна и дает энантиомеры в равных количествах.
Задача 28.18. Гидроксилирование цис- и транс-бутенов-2 перманганатом калия дает, как было обнаружено, продукты, образование которых можно предсказать на основании механизма, рассмотренного в разд. 28.15. Какие это продукты?
Задача 28.19. а) Какова взаимосвязь между эпокисями, образующимися при присоединении кислорода «снизу» и «сверху» молекулы транс-бутена-2? В каких соотношениях они образуются? Ответьте на те же вопросы: б) для чос-бутена-2, в) для транс-пентена-2 и г) для цыс-пентена-2.
Задача 28.20. а) Предскажите, какие продукты образуются при гидроксилировании транс-пентена-2 надкислотами. Равновероятна ли атака воды по двум направлениям? Объясните, почему в действительности образуется неактивное вещество, б) Ответьте на те же вопросы для цнс-пентена-2.
Стереохимия присоединения галогена
В этом разделе уместно обратиться к реакции, которая хотя и кажется очень отличной от рассматриваемых реакций, на самом деле очень близка к обсуждаемой нами химии эпокисей, а именно к реакции присоединения галогенов к двойной углерод-углеродной связи.
В разд. 6.13 было показано, что на основании многих данных можно предполагать, что эта реакция протекает в две стадии: 1) присоединение положительного иона галогена с образованием карбониевого иона и 2) реак-
28 | Гликоли и эпокиси 853 ция образовавшегося иона карбония с отрицательно заряженным галогенцд- ионом.
(1)(1)б+ С-б+ С-II + Вг—Вг СII + Вг—Вг С—С—Вг—С—Вг—С+—С++ Вг-+ Вг-(2)(2)—С—Вг+ &"—С—Вг+ &"Вг—С—Вг—С—
(1)
(1)
б+ С-
б+ С-
II + Вг—Вг С
II + Вг—Вг С
—С—Вг
—С—Вг
—С+
—С+
+ Вг-
+ Вг-
(2)
(2)
—С—Вг
+ &"
—С—Вг
+ &"
Вг—С—
Вг—С—
Из разд. 9.17 и 9.18 нам также известно, что эта реакция стереоспеци- фична и ее результатом является транс-присоединение. Такая стереохимия очень убедительно подтверждает идею двухстадийного механизма, но в то же время делает необходимым некоторое видоизменение этого механизма.
Стереохимия присоединения галогена гакая же, как стереохимия образования гликоля из эпокиси. Поэтому предположили, что обе реакции протекают по совершенно аналогичным механизмам. На первой стадии присоединения брома положительно заряженный ион брома присоединяется не к какому-либо одному из атомов углерода двойной связи, а к обоим сразу, образуя циклический бромоний-ион (I). Затем осуществляется атака бро- мид-иона [стадия (2)] с обращением конфигурации, в результате происходит транс-присоединение.
:Вг* + Вг":Вг* + Вг"
:Вг* + Вг"
:Вг* + Вг"
Идея о возникновении бромоний-иона (или хлороний-иона) может показаться странной в отлнчие от уже знакомых ионов оксония и аммония. Она была предложена как единственное логичное объяснение стереохимии реакции присоединения галогена. Склонность галогена к обобществлению двух пар электронов и к приобретению положительного заряда, очевидно, вполне ощутима; та же тенденция проявляется в химии винил- и арилгалогенидов (разд. 26.8 и 26.9).
Задача 28.21. Используя модели и рисунки, аналогичные применявшимся в предыдущих разделах, покажите все стадии присоединения брома к следующим соединениям: а) циклопентену, б) цис-бутену-2; в) транс-бутену-2; г) цис-пентену-2; д) транс-пентену-2; е) будет ли какой-либо из продуктов названных выше реакций оптически активным и если будет, то какой?
Задача 28.22. Мы уже отмечали, что 1-бромциклогексен реагирует с НВг в присутствии перекисей с образованием цис-1,2-дибромциклогексана. В аналогичных условиях 1-ме- тилциклогексен даетцис-2-бром-1-метилциклогексан. а) Основываясь на этих данных, покажите, как протекает свободнорадикальное присоединение НВг — как цис- или как транс-присоединение. (Обязательно используйте модели!) б) Данные электронного парамагнитного резонанса (разд. 6.17) вполне четко показывают, что промежуточно образующийся органический свободный радикал является симметричным. Учитывая это, как вы можете объяснить стереохимию процесса, указанного в вопросе (а)?
ЗАДАЧИ
а) Не учитывая стереоизомерии, напишите структурные формулы шести изомерных гликолей общей формулы С4Н10О2.
Назовите каждое из них по системе ШРАС.
Какой из них является изобутиленгликолем; тетраметиленгликолем?
Напишите структурные формулы всех стереоизомеров каждого гликоля, упомянутого в вопросе (а).
Какие из стереоизомеров (после отделения от других) будут оптически активными, а какие — оптически неактивными?
а) Один из изомеров в задаче 1(г) является лезо-соединением. Какой именно? Предложите два метода его получения.
Предложите два метода синтеза стереоизомеров соединения 2(a).
Какой изомер или изомеры задачи 1(a) можно получить с помощью следующих методов? Напишите уравнеиия для всех стадий каждого синтеза:
гидроксилирование алкена,
бимолекулярное восстановление карбонильного соединения,
альдольная конденсация,
перекрестная альдольная конденсация,
восстановление дикарбоновой кислоты.
Будут ли какие-нибудь гликоли задачи 1(a) реагировать с иодной кислотой и, если да, то какие именно? Напишите полные уравнения для каждой из реакций.
Напишите структурные формулы соединений А — П.
HOOC(CH2)8COOH (себациновая кислота) + LiAlH4, затем Н2О, Н+ ■ > А;
СН3СО(СН2)2СОСН3 (ацетонилацетон) -- NaBH4, затем Н2О, Н+» Б;
С2Н5ООС(СН2)4СООС,Н5 4- Н2, Cu2Cr2O4► В;
Вг(СН2)5Вг + СН3СООК> Г (С»Н1вО4),
Г + Н2О, Н+, нагревание» Д (С5Н12О2);
кокосовое масло + NaOH, Н2О, нагревание» RCOONa + Е;
СН3СН2СОСН(ОН)СН2СН3 + Н2, Ni> Ж (С6Н14О2);
ж) СН3СОСН2СН2СООС2Н6 + C2H6MgBr, затем Н2О, Н+> 3 (СИН24О2);
бензальдегид + ацетальдегид + водный NaOH► И (CgHgO);
И + NaBH4, затем Н2О, Н+> К (транс-СдН1еО),
К + КМпО4* Л (СдН12О3);
ацетон (2 моля) + BrMgC=CMgBr, затем Н2О, Н+ > М;
100 °C, 5 атм
формальдегид + ацетилен>• Н (С4Н6О2),
Н + Н2, Ni> О (С4Н1вО2);
С2Н6ООС(СН2)2СООС2Н6 + 4 моля CeH6MgBr, затем Н2О> П (С28Н26О2).
Укажите все стадии возможных методов лабораторных синтезов следующих соединений из бензола, толуола и спиртов С4 — С4; используйте любые необходимые неорганические реагенты.
СН3 СН3а) С6Н6—С С С6Н5ОН онСН3 СН3а) С6Н6—С С С6Н5ОН онН6св с,н5б) п-СН3ОС6Н4—СС—С6Н4ОСН3-пон онН6св с,н5б) п-СН3ОС6Н4—СС—С6Н4ОСН3-пон онсн3
СН3 СН3
а) С6Н6—С С С6Н5
ОН он
СН3 СН3
а) С6Н6—С С С6Н5
ОН он
Н6св с,н5
б) п-СН3ОС6Н4—СС—С6Н4ОСН3-п
он он
Н6св с,н5
б) п-СН3ОС6Н4—СС—С6Н4ОСН3-п
он он
сн2—сн—сн—сн2—сн3
он он
сн3
I
СНз-С—сн2—сн—сн3
II
онон
с6н6—сн—сн—соонI Iон онсн3—сн—сн—сн2I I Iон он онс6н6—сн—сн—соонI Iон онсн3—сн—сн—сн2I I Iон он онНзс сн,I Iв) Q,^ С С С2Н5
с6н6—сн—сн—соонI Iон он
сн3—сн—сн—сн2
I I Iон он он
с6н6—сн—сн—соонI Iон он
сн3—сн—сн—сн2
I I Iон он он
Н3С С2Н5
СН3
д) CgH5 С с С6Н5
л) С6Н5—С—СН—СН—С6Н5
он он
I I I
ОН ОН ОН
е) СН2—СН—СН2
м) СН3—СН2—СН—СН2ОН
ОН ОН ОН
СН2ОН
(Указание: см. раздел 27.9)
а) Опишите простые химические пробы, которые помогут распознать возможные продукты перегруппировки 1-фенилпропандиола-1,2, перечисленные на стр. 837. Укажите точно, что вы будете делать и что наблюдать.
Вы можете использовать также ПМР-спектры. Укажите точно, что вы ожидаете увидеть в спектре каждого из возможных продуктов.
Опишите химические методы (где возможно, простые пробы), которые помогут различить следующие соединения:*
этиленгликоль и аллиловый спирт,
глицерин и аллиловый спирт,
этиленгликоль и этиленбромгидрин,
этиленгликоль и глицерин,
пропиленгликоль и глицерин, е) этиленгликоль и этаноламин, ж) пропандиол-1,3 и глицерин, з) пропандиол-1,2 и пропандиол-1,3, и) бутандиол-1,2, бутандиол-1,3, бутандиол-1,4 и бутандиол-2,3, к) 1,1-, 1,2- и 1,3-диметоксипропаны,
Он / 4Он / 4л) СН3ОСН2СН2ОСН3, С2Н5ОСН2СН2ОН и СН3—Сл) СН3ОСН2СН2ОСН3, С2Н5ОСН2СН2ОН и СН3—ССН2 I СН,СН2 I СН,ОО
О
н / 4
О
н / 4
л) СН3ОСН2СН2ОСН3, С2Н5ОСН2СН2ОН и СН3—С
л) СН3ОСН2СН2ОСН3, С2Н5ОСН2СН2ОН и СН3—С
СН2 I СН,
СН2 I СН,
О
О
Укажите точно, что вы будете делать и что наблюдать.
Основываясь на приведенных в таблице данных, укажите структуры следующих соединений: а) соединений А — Г, изомеров с формулой С3Н8О2, и б) соединений Д — Н, изомеров с формулой С3Н6О2. (Замечание: а-оксикетоны, содержащие группу —СНОН—СО—, дают положительную реакцию с реактивом Толленса и растворами Фелинга и Бенедикта (стр. 936), но отрицательную пробу Шиффа.]
а)
УксусныйРеактивРеактив
NaHCOgангидридТолленсаШиффаИЮ4
А—С7Н12О4———
Б—С7Н12О,-——■4
ВС6Н10О3———
р аа
6)
дс5н6о3+++
ЕС6Н8О3-|-—-р
Ж-Она+4--
3СО2————
И—б—+—_
К-—-——
Л—C7HieOt——-р
М— ааа
НС5Н8О3———а
а> После обработки разбавленной кислотой раствор дает положительную пробу.
б) После обработки NaOH раствор дает положительную йодоформную реакцию.
10. Напишите структурные формулы соединений А—Й.
А + НЮ,> С6Н6СООН + С6Н5СНО;
Б + НЮ,> 2С6Н5СООН;
В + 6НЮ4> 6НС00Н;
Г) г (СщНзА) + нсо2он» Д (C^HgA):
Д + НЮ» СНд(СН2)7СНО + ОНС(СН2)7СООН;
Е + Н20, ОН-, нагревание, затем Н+» С8Н6СООН + Ж.
Ж + 2НЮ4> НСООН + 2НСНО,
Е + НЮ, + Ag+* AgIOa (белый осадок);
3 (С„Н14О2) + №> И (С6Н12О),
И + NaOI* СШ3 + (CH3)3CCOONa.
Напишите структурные формулы соединений А — Г.
А (С10Н1в) + О3, затем Н2О» Циклодекандиои-1,6,
А + НСО2ОН> Б (С10Н18О2),
Б + Н+, слабое нагревание> В (С10Н16О);
Циклопентанон + Mg, затем НаО, Н+* Г (С10Н18О2), Г + Н+, слабое нагревание» В (Ci0H16O).
а) При обработке кислотой соединение I (К=СгН6) дает вещества П и III. Напишите все стадии этих превращений.
б) Объясните, почему при R = С6Не соединение I образует лишь продукт II? в) Каковы наиболее вероятные стадии в следующем превращении:
г) Предскажите, какие продукты образуются в результате пинаколиновой перегруппировки 2,3-дифенилбутандиола-2,3 и З-феннлпропаидиола-1,2. Опишите простые химические пробы, которые позволят показать, верны или нет ваши предсказания.
(—уЭритроза (С4Н8О4) дает положительные пробы с реактивом Толленса и раствором Бенедикта и окисляется бромной водой в оптически активную кислоту С4Н8О6, обработка которой уксусным ангидридом дает C1oHt407. На окисление эритрозы расходуется 3 моля Н1О4, причем образуется 3 моля муравьиной кислоты и 1 моль формальдегида. Восстановление эритрозы приводит к оптически неактивному соединению С4Н10О4.
(—уТреоза, изомер эритрозы, ведет себя аналогично, за исключением того, что восстановление приводит к образованию оптически активного соединения С4Н10О4.
На основании этих данных какая структура (или структуры) возможны для (—у эритрозы и (—)-треозы? (Проверьте ваш ответ по указателю.) 14. а) Напишите формулы всех стереоизомеров соединения I.
I
Какой из изомеров (после отделения от других) будет оптически активным, а какой — оптически неактивным?
Один из этих стереоизомеров очень легко превращается в простой эфир (С,0Н18О). Какой это изомер и какова структура эфира?
16. а) Используя модели, а затем нарисовав формулы, покажите возможные конформации кресла для чыс-циклогександиола-1,3.
Если учитывать лишь 1,3-взаимодействие, то какая из конформаций, по вашему мнению, будет наиболее устойчивой?
Данные ИК-спектров показывают наличие внутримолекулярной водородной связи в цис-циклогександиоле-1,3. Каким образом это проявляется в ИК-спектрах? Наличие какой конформации из показанных в вопросе (а) подтверждается этими данными и чем обусловлена ее устойчивость?
Инфракрасный спектр стереоизомера 2,5-ди-трет-бутилциклогександиола-1,4, в котором все четыре заместителя находятся в цис-положеиии друг к другу, обнаруживает наличие внутримолекулярной водородной связи. В какой конформации существует эта молекула? (Указание: используйте модели.)
Ацеталь (I) глицерина и бензальдегида существует, как было показано, в двух конфигурациях.
Изобразите эти конфигурации.
Одна из них существует предпочтительно в конформации, в которой фенильная группа занимает аксиальное положение. Какая это конфигурация и что уравновешивает неблагоприятный пространственный фактор?
11
1
1
получатся при реакции окиси этилена со следующими реагентами: - - --И) НСООН,получатся при реакции окиси этилена со следующими реагентами: - - --И) НСООН,Напишите структурные формулы и назовите продукты, которые, по вашему мнению,
получатся при реакции окиси этилена со следующими реагентами: - - --И) НСООН,
получатся при реакции окиси этилена со следующими реагентами: - - --И) НСООН,
к) C6H5MgBr,к) C6H5MgBr,л) м)Н) о) п)л) м)Н) о) п)NHS, диэтиламином, фенолом, Н+, фенолом, ОН-, HCE(TNa+.NHS, диэтиламином, фенолом, Н+, фенолом, ОН-, HCE(TNa+.а) Н2О, Н+, б) Н2О, ОН-, в) С2Н5ОН, Н+, г) продуктом (в), Н+, д) HOCHsCHjOH, Н+, е) продуктом (д), Н+, ж) безводным НВг, з) HCN,
к) C6H5MgBr,
к) C6H5MgBr,
л) м)
Н) о) п)
л) м)
Н) о) п)
NHS, диэтиламином, фенолом, Н+, фенолом, ОН-, HCE(TNa+.
NHS, диэтиламином, фенолом, Н+, фенолом, ОН-, HCE(TNa+.
Холин, составная часть лецитинов (жироподобные фосфатные эфиры, имеющие большое физиологическое значение), имеет формулу С^Н^С^М. Он легко растворяется в воде с образованием сильноосновного раствора. Его можно получить взаимодействием окиси
этилена с триметиламином в присутствии воды.
Какова вероятная структура холина?
Какова вероятная структура его ацетильного производного, ацетилхолина (C7H17O3N), — важного вещества, участвующего в работе нервной системы?
Окись пропилена можно превратить в пропиленгликоль действием либо разбавленных кислот, либо разбавленных оснований. Когда исходят из оптически активной окиси пропилена, то гликоль, получаемый после кислотного гидролиза, имеет знак вращения, противоположный знаку гликоля, получаемого в результате щелочного гидролиза. Какова наиболее вероятная интерпретация этих фактов?
Как вы объясните стереохимию следующих реакций?
Обработка циклогексена хлорной водой приводит не только к транс-Х ,2-дихлорциклогексану, но также к транс-2-хлорциклогексанолу.
Присоединение хлора к алкенам в растворе уксусной кислоты дает не только- дихлорпроизводные, но также хлоралкилацетаты; из цис-бутена-2 образуется только трео-хлоралкилацетат, а из транс-бутена-2 — только эритро-хлоралкилацетат.
СН3НCICHjCOO—нСНзСН3НCICHjCOO—нСНзсн3 а—нCHjCOO—нСН3сн3 а—нCHjCOO—нСН3
СН3
НCI
CHjCOO—н
СНз
СН3
НCI
CHjCOO—н
СНз
сн3 а—н
CHjCOO—н
СН3
сн3 а—н
CHjCOO—н
СН3
и энантиомерщреои энантиомерщрео
и энантиомерщрео
и энантиомерщрео
и энантиомерэритро
З-хлор-2-бутила.цетат
При обработке пропилена хлорной водой образуется 1-хлорпропанол-2, а изобутилен дает 1-хлор-2.метилпропанол-2. Учитывая ваш ответ на задачу 21, как вы объясните такое направление присоединения?
В разд. 28.10 предложен механизм для превращения этиленбромгидрина в окись этилена в присутствии основания.
К какому общему классу относится эта реакция?
Используя модели, покажите вероятный стерический ход этой реакции.
Можете ли вы предположить причину, по которой едкий иатр легко превращает трояд-2-хлорциклогексанол в окись циклогексена, а цис-изомер — в совершенно иные продукты?
Объясните, почему присоединение хлора к олеиновой кислоте (цос-октадецен-9- овая кислота) с последующей обработкой продукта основанием дает ту же эпокись (тот же стереоизомер), что и обработка олеиновой кислоты надкислотой.
Напишите структурные формулы (включая конфигурации, где это необходимо) соединений А — М.
С1СН2СН—СН2 + СН3ОН + H2SO4* А (С4Н»О2С1),
А + NaOCl> СНС13 + Б (СаН3О3),
А + NaOH (водн.)» В (С4Н8О2);
С1СН2СН2СН2ОН + КОН* Г (С3Н6О);
бензол + окись этилена + BF3» Д (СеН10О);
окись циклогексена + безводная НС1> Е (СвНцОС1);
l-метилциклогексен + НСО2ОН» Ж (С7Н14О2);
окись этилена + н-бутиловый спирт + №► 3 (СеН14О2),
3 + Си + нагревание> И (С6Н12О2);
рацемический 3,4-эпоксибутен-1 + холодный щелочной раствор КМпО4, затем разбавленная кислота» К (С4Н10О4);
цис-бутен-2 + С12/Н2О, затем ОН , затем разбавленная кислота »
> Л (С4Н10О2);
транс-бутен-2, обработанный, как в (з),> М(С4Н10О2).
а) трео-З-Бромбутанол-2 при обработке НВт превращается в рацемический 2,3-ди- бромбутан, а эрнтро-З-бромбутанол-2 — в лсзо-2,3-дибромбутан. Какова стереохимия этой реакции? Протекает ли она с обращением или сохранением конфигурации?
СН3Вг--НСН3Вг--Нн—онСИ,н—онСИ,СН3 Н——Вг Н--ОНСН,СН3 Н——Вг Н--ОНСН,
СН3
Вг--Н
СН3
Вг--Н
н—он
СИ,
н—он
СИ,
СН3 Н——Вг Н--ОН
СН,
СН3 Н——Вг Н--ОН
СН,
V энантиомерV энантиомертреотреои энантиомер
V энантиомер
V энантиомер
трео
трео
_ ,„ эритро
3-бром6дта.нол-г
При взаимодействии оптически активного трео-З-бромбутанола-2 с НВг образуется рацемический 2,3-дибромбутан. Какова стереохимия этой реакции с учетом этих данных? Можете ли вы предложить механизм, объясняющий такую стереохимию?
Эти наблюдения были опубликованы в 1939 г. С. Уинстейном (стр. 458) и Г. Лукасом (Калифорнийский технологический институт), которые первыми описали эффект участия соседних групп. Помогает ли вам этот термин найти ответ на вопрос (б)? 26. Объясните подробно следующие наблюдения:
При обработке аллилбромида разбавленной H2SO4 получается не только 1-бром- ъропанол-2, но и 2-бромпропаиол-1.
При действии водного раствора НВг оба изомера — цис- и транс-2-бромциклс- гексаиолы — превращаются в транс-1,2-дибромциклогексан.
При взаимодействии эпокиси I или II с водным раствором щелочи образуется •один и тот же продукт III.
СН3СН—СН—СН2Вгсн3—сн—сн—сн2сн3—сн—сн—СН2ОН
VВт ^О^^О^
IIIIII
(СбН5СОС(СНз)2ГКа* + Н2С-СН-СН2С1 о
Взаимодействие эпокиси транс-бутена-2 с три-я-бутилфосфином приводит к окиси три-я-бутилфосфина и цос-бутену-2. При аналогичной обработке эпокиси ц«с-бутена-2 образуется транс-бутен-2. Укажите все стадии вероятного механизма этой реакции. Как можно объяснить наблюдаемую стереохимию?
а) Предположили, что превращение вицинальных дигалогенпроиз водных в алкены при действии иодид-иона может протекать либо по одностадийному (1), либо по трехстадийному (2) механизму.
II I" II
—С—С> —С=С—+ IBr + Вг-
II
Вг Вг
II I" I I I' I III
—С—С— > —С—С— > —СС> —С=С—
Вг ВгI Вг
Опишите более подробно каждую стадию этих механизмов (особенно стереохимию).
Наблюдались следующие стереохимические закономерности: лезо-1,2-дибром- 1,2-ди дейтероэтан (CHDBrCHDBr) + I-» только 4«c-CHD=CHD, лезо-2,3-дибромбутан + I-> только транс-бу тен-2, рацемический 2,3-дибромбутан + I > только ^ыс-бутен-2.
На основании этого укажите, какой механизм осуществляется для каждого из га- логенпроизводных? Дайте подробное объяснение. Как вы объясните различие в поведении этих галогенпроизводных?
29. а) Какие два диастереомерных продукта можно получить при транс-присоединении ■брома к холестерину; к холестену-2?
холестеринхолестеринВ действительности образуется в основном один изомер, показанный на схеме
холестерин
холестерин
5а,бр-Ви6ром-Зр оксихолестан, выход 85%
гр.За-дибромхолестан, выход 70%
Как вы объясните такую стереохимию присоединения (она не связана с относительной устойчивостью диастереомеров)? (Указание: детально рассмотрите стереохимические возможности на каждой стадии механизма.)
29
Дикарбоновые кислоты
Номенклатура
Алифатические дикарбоновые кислоты имеют как тривиальные названия, так и названия по номенклатуре IUPAC
НООС—СООНщавелевая кислота(этандиовая кислота)
НООССН,СООНмалоновая кислота(пропандиовая кислота)
НООССН2СН2СООНянтарная кислота(бутандиовая кислота)
НООССНаСН2СН2СООНглутаровая кислота(пентандиовая кислота)
НООССНаСН2СН2СН2СООНадипиновая кислота(гександиовая кислота)
НООССНСН2СНСООННООССНСН2СНСООНа,а'-дихлорглутароваякислота (2,4-дихлор-пентандиовая кислота)а,а'-дихлорглутароваякислота (2,4-дихлор-пентандиовая кислота)г^тСООН*<^>соонг^тСООН*<^>соонСООНСООН'ООН'ООНСООНСООНФталевая кислота(беизол-1,2-дилар6овобаякислота,)Фталевая кислота(беизол-1,2-дилар6овобаякислота,)изофталевая кислота,(бензол- 1,3-дипарбопова.якислота.)изофталевая кислота,(бензол- 1,3-дипарбопова.якислота.)СООН терефталевая кислота, (бензол-1,4-дикарбонобая кислота,)СООН терефталевая кислота, (бензол-1,4-дикарбонобая кислота,)
НООССНСН2СНСООН
НООССНСН2СНСООН
а,а'-дихлорглутароваякислота (2,4-дихлор-пентандиовая кислота)
а,а'-дихлорглутароваякислота (2,4-дихлор-пентандиовая кислота)
г^тСООН
*<^>соон
г^тСООН
*<^>соон
СООН
СООН
'ООН
'ООН
СООН
СООН
Фталевая кислота(беизол-1,2-дилар6овобаякислота,)
Фталевая кислота(беизол-1,2-дилар6овобаякислота,)
изофталевая кислота,(бензол- 1,3-дипарбопова.якислота.)
изофталевая кислота,(бензол- 1,3-дипарбопова.якислота.)
СООН терефталевая кислота, (бензол-1,4-дикарбонобая кислота,)
СООН терефталевая кислота, (бензол-1,4-дикарбонобая кислота,)
СН3
НООССН2СН2СНСООННООССН2ССН2СООН
BrСН8
ес-Оромглутаровая кислотар,р-диметилглутаровая
(2-бромпентандиовая кислота) кислота (3,3-диметил- пентандиовая кислота)
Студентам следует знать тривиальные названия первых пяти (Q — Се) кислот.
Ароматические дикарбоновые кислоты называют фталевыми кислотами
Физические свойства
Дикарбоновые кислоты — твердые вещества. Низшие члены ряда заметно растворимы в воде и лишь незначительно растворяются в органических растворителях (табл. 29.1). Граница растворимости в воде лежит при Св — С,. Эти свойства кажутся вполне естественными, поскольку полярная карбоксильная группа составляет значительную часть в каждой из молекул.
Таблица 29.1
■Физические свойства дикарбоиовых кислот и их производных
Название
Формула
т. пл., ”С
Растворимость при 20 °C, г/100 г Н2О
№Ki
№К2
Щавелевая
ноос—соон
189
9
5400
5,2
Малоновая
НООССН2СООН
136
74
140
0,20
Янтарная
HOOC(CHt)2COOH
185
6
6,4
0,23
Глутаровая
НООС(СН2)3СООН
98
64
4,5
0,38
Адипиновая
hooqch^cooh
151
2
3,7
0,39
Пимелиновая
НООС(СН2)ВСООН
105
5
3,1
0,37
Пробковая (субериновая)
НООС(СН2)6СООН
144
0,2
3,0
0,39
Азелаиновая
НООС(СН2)ГСООН
106
0,3
2,9
0,39
Себациновая
НООС(СН2)8СООН
134
0,1
2,6
0,4
Малеиновая
Чис.НООССН=СНСООН
130,5
79
1000
0,055
Фумаровая
транс-НООССН=СНСООН
302
0,7
96
4,1
Фталевая
1 ,2-C6H4(COOH)s
231
0,7
ПО
0,4
Изофталевая
1,3-С6Н4(СООН)2
348,5
0,01
24
2,5
Терефталевая
1,4-С,Н4(СООН)2
300 (возг.)
0,002
29
3,5
Гемимеллитовая
1,2,3-С6Н3(СООН)а
190 (разл.)
3
160
6,3
Тримеллитовая
1,2,4-С6Н3(СООН)з
238
Растворима
300
15
Тримезиновая
1,3,5-С6Н3(СООН)з
380
2
76
13
Янтарный ангидрид
120
Малеиновый ангидрид
60
Фталевый ангидрид
131
Сукцинимид
126
23
3-10^
Фталимид
238
0,6
5-10-*
Источники получения
Ниже приведены методы синтеза наиболее важных дикарбоновых кислот. Некоторые методы применимы для получения лишь отдельных кислот (например, щавелевой или янтарной). Однако большинство из них представляет собой методы, использовавшиеся для синтеза монокарбоновых кислот. Так, например, если гидролиз нитрила дает монокарбоновую кислоту, то при гидролизе динитрила образуется дикарбоновая кислота; если окисление метил- бензола приводит к бензойной кислоте, то окисление диметилбензола дает фталевую кислоту.
МЕТОДЫ СИНТЕЗА ДИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
Щавелевая кислота
NaOH, 360 °с COO Na+ h2so4 COOH
2HCOO"Na+ >- H2 + |>■ I
COO~Na+ COOH
формиат натрия
оксалат натрия
щавелеваякислота
Малоновая кислота
С12, Р№ОН
СН3СООН> С1СН2СООН> ClCH2COO~Na+ уксуснаяхлоруксусная хлорацетат натрия
кислотакислота
н2О, н+
СООН
сн8 + nh;
COO“Na+
СООН
ClCH2COO~Na+ - хлорацетат натрия
CN~ I
—► сн3
малоноваякислота
CN
цианацетатнатрия
Яитариаи кислота
СООС2Н5 СгНзОН, Н+ |,
»- СН2 +NHt
СООС2Н6этилмалонат
Н
О
400-500"С
бензол
-С.
О
н,о
Н—С—СООН „ _
Н
О. малеиновых анеидрид
Н—С—СООН малеиновая кислота (цис-бумвдиоеая кислота)
СН2-СООН
сн2-соон
янтарнаякислота.
циклогексанол
Адипиновая кислота
HNOS, нагревание
циклогексанон
> НООССН2СН2СН2СН2СООВ
адипиновая кислота
O2, соли Co, 95 °C ► HOOCCH2CH2CH2CH2COOH
циклогексан
адипиновая кислота
Фталевая кислота
Оз, УаО>. 47УС
О„ VjOj, 400T
о-исило*
фталевая кислота
еоль Со
возЗ^х,кхгч:
СООН
СНдОН,н+у
8а.яьнвйшее описление ^
СН3и-толуиловая
кислота.
СНз метиловый эфир п-тоолуиловой кислоты 1метил-п-1полуа.1т
СООСНз
СООН
си}он. н+
СООН
еибролиз
СООН
Шреерталеваяпиелита
СООСНз
СООСНзметиловый эфиртерефталевой кислоты(метилтерефталат)
Задача 29.1. Триметиленгликоль получают ферментативным гидролизом глицерина. Приведите схему синтеза глутаровой кислоты из этого гликоля.
Задача 29.2. Что служит в конечном счете сырьем для получения каждой из дикарбоновых кислот по методам, приведенным выше? Укажите все стадии синтеза каждой кислоты из этого источника.
Задача 29.3. Почему при получении малоновой кислоты или этилмалоната хлоруксусную кислоту превращают в соль прежде, чем ее обрабатывают цианидом?
Задача 29.4. Один из методов синтеза адипиновой кислоты включает расщепление циклического кетона окислением в жестких условиях. Почему этот метод пригоден в этом случае, но неприменим для получения монокарбоновых кислот из ациклических кетонов?
Реакции
В общем дикарбоновые кислоты обнаруживают те же химические свойства, что и монокарбоновые кислоты. Их можно превратить в соли, хлорангидриды, сложные эфиры, амиды и ангидриды. Алифатические кислоты подвергаются «-галогенированию в присутствии фосфора, а ароматические кислоты — замещению в кольцо. Можно получать как соединения, в которых лишь одна карбоксильная группа была превращена в другие функциональные группы, так и соединения, в которых две карбоксильные группы превращены в различные производные.
Задача 29.5. Предскажите, какие" соединения образуются в следующих реакциях:
адипиновая кислота (146 г) + 95%-ный этанол (146 г) + бензол + конц. bLSOz, 100 °C;
адипиновая кислота (146 г) + 95%-ный этанол (50 г) + бензол + конц. H2SO4, 100 ' С;
адипиновая кислота (146 г) + этиладипат (101 г) + конц. H2SO4, 160 °C;
этилоксалат (избыток) + (С2Н5)2МН;
этилоксалат -f- (QH^NH (избыток);
этилоксалат (1 моль) + о-фенилендиамин (1 моль);
янтарный ангидрид (1 моль) + этанол (1 моль), №.
Как и для других кислот, содержащих более одного ионизуемого водорода (H3Sp4, Н2СО3, Н3РО4 и т. д.), ионизация второй карбоксильной группы протекает труднее, чем ионизация первой (сравните Ку и Кг в табл. 29.1). Это-
СООНСОО“соо-
^ Н* + Iн* 4-1 кг> Кг
СООНCQOHСОО-
о бу словлено тем, что для удаления протона от дважды заряженного аниона требуется больше энергии, чем от однозарядного аниона.
Задача 29.6. Сравните кислотности щавелевой и муравьиной кислот; малоновой и уксусной кислот. Как вы объясните эти различия?
Задача 29.7. Расположите щавелевую, малоновую, янтарную и глутаровую кислоты в порядке возрастания кислотности (по КуУ Как вы объясните этот ряд?
Кроме реакций, типичных для любой карбоновой кислоты, некоторым дикарбоновым кислотам свойственны реакции, обусловленные наличием двух карбоксильных групп в каждой молекуле, расположенных особым образом относительно друг друга. Именно эти реакции дикарбоновых кислот будут рассмотрены в данной главе.
Поликонденсация
Карбоновые кислоты реагируют с аминами, давая амиды, и со спиртами, образуя сложные эфиры. Когда кислота, содержащая более одной СООН- группы, реагирует с амином, в котором имеется более одной МН2-группы, или со спиртом, содержащим более одной ОН-группы, образуются полиамиды и полиэфиры, например:
НООС(СН2)4СООН + H2N(CH2)6NH2 >солъ адипиновая кислота гексаметилен- диаминВ
~C(CH2)4C-N(CH2^
О ООО
найлон 66(полиамид)
СНзООССНзООСМетиптерсфлпапатМетиптерсфлпапатэтиленгликольэтиленгликолькислотаНОСЯ2СН2ОН ""I^otкислотаНОСЯ2СН2ОН ""I^otдакрон (полиэфир)дакрон (полиэфир)
СНзООС
СНзООС
Метиптерсфлпапат
Метиптерсфлпапат
этиленгликоль
этиленгликоль
кислота
НОСЯ2СН2ОН ""I^ot
кислота
НОСЯ2СН2ОН ""I^ot
дакрон (полиэфир)
дакрон (полиэфир)
срталееыи ангидридсрталееыи ангидридсн2-сн-сн2 он он онсн2-сн-сн2 он он онглицеринглицерин
срталееыи ангидрид
срталееыи ангидрид
сн2-сн-сн2 он он он
сн2-сн-сн2 он он он
глицерин
глицерин
-н,о
> г лидипалевая (алкидная) смола (полиэфир)
Эти синтезы являются примерами реакций поликонденсации (разд. 8.21), при которых мономерные молекулы соединяются с отщеплением простых молекул (в вышеописанных случаях — воды или метанола).
Полимеры типа найлона 66 или дакрона состоят из длинных линейных молекул, которые при вытягивании могут быть уложены одна около другой и ориентированы вдоль оси волокна. Применение этих полимеров основано на их способности образовывать волокна и, следовательно, нити.
Полимеры типа глифталевых смол не содержат линейных молекул, а имеют сетчатую структуру с поперечными связями. Такая структура не допускает образования волокон, но делает возможным использование этих смол в качестве защитных покрытий (в лаках и т. п.).
Задача 29.8. Укажите возможную структуру алкидной смолы, образующейся из фталевого ангидрида и глицерина. Обратите внимание на следующие моменты: а) На первой стадии образуется линейный полиэфир. (Какая гидроксильная группа этерифицируется быстрее — первичная или вторичная?) б) На второй стадии эти линейные полимеры образуют поперечные связи, давая довольно жесткую сетчатую структуру.
Задача 29.9. Сравните структуру найлона 66 со структурами природных полиамидов белков (гл. 37). В обоих типах полиамидов одна длинная молекула может удерживаться второй молекулой водородными связями. Покажите при помощи структурных формул, как это возможно.
Задача 29.10. Напишите уравнение химической реакпии, которая происходит, когда ка пля соляной кислоты прожигает дырку на найлоновом чулке.
Задача 29.11. Значительная часть гексаметилендиамина, необходимого для получения найлона 66, синтезируется с помощью процесса, начинающегося с 1,4-присоединения хлора к бутадиену. Каковы, по вашему мнению, следующие стадии в этом процессе?
Задача 29.12. Какова структура найлона 6, получаемого при полимеризации капролактама?
Vv™
капролактам
Задача 29.13. В бзкмзнозской перггруппирозке (задача 17, стр. 728) оксимы превращаются в амиды при действии кислоты, например:
кислота(C6Hs)2C=NOH* с6н5с<xnhc6h5оксим бензофенонабензанилид
Капролактам (см. предыдущую задачу) получают по реакции бекмановской перегруппировки. Какой кетон должен служить исходным веществом в этой реакции?
Влияние нагревания
Если нагреть дикарбоновую кислоту, то природа образующегося продукта будет зависеть от числа атомов углерода, разделяющих карбоксильные группы, например:
150 °с
Щавелевая кислота НООС—СООН *- HCOOH + СО,
муравьинаякислота
Малоновая кислота (механизм обсужден в разд. 30.5)
СООН |140 °C
сн, >■ СН3СООН + со.
Янтарная кислота
ОО
IIII
СС
сн2 он нагревание сн2 '
1 1
о + н,о
уксусная
II о
Фталевая кислота
i'z-x'iCOOH 2оо’С
I^Jcooh *
II
О янтарный ангидрид
о о
• Ю1 ,° + Н2°
II р фталевый ангидрид
Возможность образования кольца может оказывать решающее влияние на ход этих реакций. Обычно при нагревании карбоновых кислот ангидриды не получаются; тем не менее ангидриды легко образуются, если при этом возникают пяти- или шестичленные циклы, как происходит для янтарной и фталевой кислот.
В случае адипиновой кислоты ангидрид должен был бы содержать семичленное кольцо, поэтому эта реакция не происходит. Вместо этого отщепляется двуокись углерода и образуется циклопентанон — кетон, содержащий пятичленное кольцо. Хотя алифатические монокарбоновые кислоты (RCOOH, но не АгСООН) можно превратить в кетоны по аналогичной реакции
Ва(ОН)2, нагревание
2RCOOH>- R—С—R + СО, + Н2О
О
основание, нагревание
АгСООН► АгН + С02
реакция образования кетонов особенно важна для дикарбоновых кислот, поскольку она приводит к циклическим структурам; нагревание адипиновой кислоты является лучшим методом получения циклопентана и его производных. Для того чтобы получать эти циклические кетоны с более высокими выходами, необходимо нагревать кислоты в присутствии оснований, например гидроокиси бария, карбоната марганца, окиси тория.
Задача 29.14. Напишите уравнения реакций, протекающих при нагревании глутаровой и пимелиновой кислот.
Задача 29.15. Напишите структурные формулы продуктов, образующихся при нагревании следующих кислот (две последние в присутствии гидроокиси бария): а) метилмалоновой,г)а,а'-диэтилянтариой,
диметилмалоновой,д)у-метилпимелиновой,
бензилмалоновой,е)р,Р'-дифениладипиновой.
Задача 29.16. Напишите уравнения реакций, протекающих при нагревании уксусной, пропионовой, масляной и стеариновой кислот в присутствии гидроокиси бария.
Задача 29.17. Приведите схему получения из циклогексанола следующих соединений:
циклопентанона,ж) циклопентиламина (три различных
циклопентанола,метода),
циклопентена,з)семикарбазона циклопентанона,
циклопентана,и)1-метилциклопентанола,
циклопентилбромида,к)метилциклог.ентаиа,
циклопентанкарбоновой кислоты,л)глутароЕой кислоты.
Задача 29.18. Циклические ангидриды можно получить только для цнс-изомера циклопент ан-1,2-дикарбоновой кислоты, но для обоих изомеров (цис и транс) циклогексан-1,2- д икарбоновой кислоты. Как вы объясните это различие?
Задача 29.19. Малеиновая кислота [С4Н4О4, т. пл. 130 °C, хорошо растворима в воде, теплота сгорания 327 ккал (1369,1-103 Дж)] и фумаровая кислота [С4Н4О4, т. пл. 304 РС, нерастворима в воде, теплота сгорания 320 ккал» (1339,8-1С3 Дж)] являются дикарбоновыми кислотами; они обе обесцвечивают бром в СС14 и водный раствор КМпО4; обе при гидрировании дают янтарную кислоту. При нагревании (малеиновой кислоты при 100 °C, а фумаровой — при 250—300 СС) обе кислоты дают один и тот же ангидрид, превращающийся при обработке холодной кислотой в малеиновую кислоту. Объясните эти факты.
Реакции циклических ангидридов
В разд. 20.10 уже говорилось о том, что при взаимодействии ангидридов с различными веществами образуются ацильные производные. Так, например, они реагируют со спиртами с образованием сложных эфиров, с аммиаком или аминами с образованием амидов, с ароматическими углеводородами (реакция Фриделя — Крафтса) с образованием кетонов; в каждой из этих реакций лишь одна «половина» ангидрида участвует в образовании ацильного производного, а другая образует карбоксильную группу.
CoHsOH
(СН3СО)2О —
* СН3СООС2Н6 + СН3СООН этилацетат
2NH3
► ch3conh2 + CH3COONH4
уксусный
ацетамид
ангидрид
С6Нб, А1С13
с6н5—с—сн3 + СН3СООН
II О ацетофенон
Циклические ангидриды, такие, как янтарный или фталевый, подвергаются точно таким же реакциям, как и любые другие ангидриды. Однако, поскольку в этих случаях обе «половинки» ангидрида входят в состав одной и той же молекулы, то и образующиеся ацильное производное и карбоновая кислота будут частью одной и той же молекулы. Таким образом, циклические ангидриды можно использовать для синтеза соединений, содержащих как ацильный остаток, так и карбоксильную группу, например:
СН2—С^°/О + С2Н5ОН сн2—с<СН2—С^°/О + С2Н5ОН сн2—с<СН2СООС,Н6I ’—>сн2СН2СООНмоноэтилглутаратСН2СООС,Н6I ’—>сн2СН2СООНмоноэтилглутаратглутаровый ангидридглутаровый ангидридCH2CONH2ICH2COONH4CH2CONH2ICH2COONH4сукцинаматаммсниясукцинаматаммсниян+ CH2CONH2СН2СООН сукцинамовая кислота (моноамид янтарной кислоты)н+ CH2CONH2СН2СООН сукцинамовая кислота (моноамид янтарной кислоты)фталевый ангиврийфталевый ангиврийо-бензоилбевмйная кислота.о-бензоилбевмйная кислота.
СН2—С^°
/О + С2Н5ОН сн2—с<
СН2—С^°
/О + С2Н5ОН сн2—с<
СН2СООС,Н6
I ’
—>сн2
СН2СООНмоноэтилглутарат
СН2СООС,Н6
I ’
—>сн2
СН2СООНмоноэтилглутарат
глутаровый ангидрид
глутаровый ангидрид
CH2CONH2
I
CH2COONH4
CH2CONH2
I
CH2COONH4
сукцинаматаммсния
сукцинаматаммсния
н+ CH2CONH2
СН2СООН сукцинамовая кислота (моноамид янтарной кислоты)
н+ CH2CONH2
СН2СООН сукцинамовая кислота (моноамид янтарной кислоты)
фталевый ангиврий
фталевый ангиврий
о-бензоилбевмйная кислота.
о-бензоилбевмйная кислота.
Наличие кислотной группы в таких полузфирах используется для разделения спиртов, которые сами по себе не являются кислотами и основаниями
и поэтому не могут непосредственно реагировать с оптически активными основаниями или кислотами, используемыми при разделении (разд. 7.10).
О
фталевый ангидрид
;о + кон
COOR
СООН
•кислый алкилфталат(сложный эфир и кислота,одновременно}
Кислый алкилфталат, получающийся из рацемического спирта, легко реагирует с оптически активным основанием, давая диастереомерные соли, которые можно разделить дробной кристаллизацией. После разделения каждый эфир гидролизуют и образуется оптически активный спирт. Поскольку гидролиз карбонового эфира обычно не включает стадии разрыва связи алкил — кислород, то на стадии гидролиза не происходит потери оптической активности.
(+)-ROH
H-ROH
|<^>COOR(-) Ч^СООН
энантиомеры, рацемическая моОификация
энантиомеры, рацемическая моОификация
(+)-В
Z^COOR(+) ■ ' ' СОО(+)-ВН+
COOR(-) СОО~(+)-ВН+
диастереомеры, разделимы
он
(+)-ROH
H-ROH
разделенные энантиомеры
Реакция фталевого ангидрида с фенолом протекает иначе; при этом образуется фенолфталеин, хорошо знакомый нам индикатор, один из представителей класса соединений, называемых фталеинами.
о
О „ фталевый ангидрид
бесцветный
фенолфталеин,бесцветный
красного цвета.
Задача 29.20. Напишите структурные формулы соединений А—Ж-
А1С13
Бензол + янтарный ангидрид» А (С10Н10О3),
НС1
А + Zn(Hg)> Б (С10Н12О,),
Б + SOC12» В (С10НПОС1), А1С13
В» Г (С10Н10О), Pt
Г + Н2> Д (С,0Н12О).
нагревание
Д + H2SO4>- Е (С10Н10),
Pt, нагревание
Е>- Ж (СюН8) + Н2.
(Проверьте ваши ответы в разд. 35.14.)
Задача 29.21. а) Какой продукт будет получаться, если продукт Г из задачи 29.20 обработать C6H5MgBr, а затем водой? б) Что вы получите в конце концов, если вместо вещества Д из задачи 29.20 использовать вещество из вопроса (а) настоящей задачи?
Задача 29.22. При нагревании о-бензоилбензойной кислоты с кислотой (например, концентрированной H2SO4) образуется соединение с формулой С14Н8О2. Какова структура этого соединения? К какому общему типу относится протекающая реакция? (Проверьте ваш ответ в разд. 35.18.)
Задача 29.23. Предскажите, какие продукты образуются в следующих реакциях: а) толуол + фталевый ангидрид + А1С13, б) продукт (а) + конц. H2SO4 + нагревание?
Имиды. Синтез чистых первичных аминов по Габриэлю
Циклические ангидриды, подобно другим ангидридам, реагируют с ам’ миаком, давая амиды, причем образующиеся продукты содержат как CONH2-, так и СООН-группы. Если эту смешанную кислоту — амид нагреть, то отщепляется молекула воды, замыкается кольцо и образуется соединение, в котором две ацильные группы связаны с азотом; вещества этого типа называются имидами. Фталевый ангидрид дает фталамовую кислоту и фталимид.
О w фталевый ангидридО w фталевый ангидридCONH2COONH4+CONH2COONH4+фшаяаматп аммонияфшаяаматп аммонияФталамовая кислотаФталамовая кислотаI МН3,кагреваниеI МН3,кагреваниенагревание,300°Снагревание,300°Снагреваниенагреваниефталимидфталимид
О w фталевый ангидрид
О w фталевый ангидрид
CONH2
COONH4+
CONH2
COONH4+
фшаяаматп аммония
фшаяаматп аммония
Фталамовая кислота
Фталамовая кислота
I МН3,кагревание
I МН3,кагревание
нагревание,300°С
нагревание,300°С
нагревание
нагревание
фталимид
фталимид
Совершенно аналогичная реакция происходит с янтарным ангидридом: последовательно получаются сукцинамовая кислота и сукцинимид (напишите уравнения).
В разд. 6.20 мы уже встречались с М-бромсукцинимидом (NBS) как реагентом, который, обеспечивая постоянную и низкую концентрацию Вг2, вызывает
аллильное бромирование алкенов
Вг- + R—Н> Н- Вг + RВг- + R—Н> Н- Вг + RN -бромсукцинимидN -бромсукцинимидсукцинимидсукцинимидR - 4- Вг2> R—Вг + Вг *R - 4- Вг2> R—Вг + Вг *
Вг- + R—Н> Н- Вг + R
Вг- + R—Н> Н- Вг + R
N -бромсукцинимид
N -бромсукцинимид
сукцинимид
сукцинимид
R - 4- Вг2> R—Вг + Вг *
R - 4- Вг2> R—Вг + Вг *
Задача 29.24. Приведите схему синтеза антраниловой кислоты (о-аминобензойной кислоты) из фталевого ангидрида и 3-аминопропановой кислоты (р-аланина) из янтарного ангидрида.
Подобно тому как наличие одной ацильной группы делает амиды более кислыми, чем аммиак (разд. 21.7), присутствие двух ацильных групп увеличивает кислотность имидов по сравнению с амидами. Фталимид (Ка = 5- КГ9) и сукцинимид <Ка = 3- КУ-11) — достаточно кислые для того, чтобы растворяться в холодном разбавленном водном растворе NaOH.
Задача 29.25. Основываясь на относительной стабильности кислот и их анионов, объясните следующий ряд кислотности:
Ка
Аммиак10-®3
Бензамид10~14—10~16
Фталимид5-10~9
(Указание; см., например, разд. 18.12.)
Важным применением имидов, основанным на их кислотности, является синтез чистых первичных аминов по Габриэлю. Имид, чаще всего фталимид, превращают в калиевую соль действием спиртового раствора КОН; обработка этой соли алкилгалогенидом дает N-замещенный имид, из которого гидролизом можно получить первичный амин
"^-замещенный фталимид"^-замещенный фталимидн2о.он-нагреваниех г т т •> K1NH2 "г чистый v первичный аминн2о.он-нагреваниех г т т •> K1NH2 "г чистый v первичный амин
"^-замещенный фталимид
"^-замещенный фталимид
н2о.он-
нагреваниех г т т •
> K1NH2 "г чистый v первичный амин
н2о.он-
нагреваниех г т т •
> K1NH2 "г чистый v первичный амин
Г^с°о-S^COO"
фтпалатп-ион
Особая ценность синтеза Габриэля состоит в том, что он позволяет получить первичный амин, не загрязненный вторичными или третичными аминами.
поскольку только одна алкильная группа может присоединиться к азоту «мида.
Задача 29.26. К какому общему типу реакций относится реакция между калиевой солью фталимида и алкилгалогенидом? Предскажите, какие относительные выходы можно получить при использовании первичного, вторичного и третичного галогенидов?
Задача 29.27. Расщепление N-алкилфталимидов легче происходит при нагревании с гидразином H2NNH2, причем образуется не фталат-ион, а соединение с формулой €8H6O2N2. Какова структура этого продукта?
Задача 29.28. Предложите схему синтеза с помощью метода Габриэля следующих соединений: а) Р-бромэтиламина (укажите относительное соотношение реагентов); б) глицина (аминоуксусной кислоты) (указание: используйте не хлоруксусную кислоту, а этил- хлорацетат. Почему?); в) аланина (а-аминопропионовой кислоты); г) фенилаланина (C6H5CH2CH(NH2)COOH] и д) вообще а-аминокислоты (проверьте ваш ответ в разд. 37.6).
Синтез карбоновых кислот при помощи малонового эфира
Один из наиболее ценных методов получения карбоновых кислот основан на использовании этилмалоната (малонового эфира) и носит название синтеза при помощи малонового эфира. Этот синтез основан на повышенной кислотности а-водородных атомов малонового эфира и необыкновенной легкости, с которой малоновая кислота и замещенные малоновые кислоты претерпевают декарбоксилирование. (Как мы увидим в разд. 30.5, подобная комбинация свойств не является просто результатом счастливой случайности и эти свойства могут быть обусловлены одной и той же причиной.)
Мы уже встречались с реакциями (гл. 27), возможность осуществления которых обусловлена кислотностью атомов водорода, находящихся в а-поло- жении в карбонильной группе альдегидов, кетонов, ангидридов и сложных эфиров. Мы считали, что эта кислотность является следствием резонансной стабилизации карбаниона за счет структур, в которых кислород карбонильной группы несет отрицательный заряд. а-Водородные атомы малонового эфира расположены в «-положении к двум карбонильным группам, и поэтому ионизация дает особенно устойчивый карбанион, в котором два кислорода карбонильных групп способствуют размещению заряда. Вследствие этого малоновый эфир — гораздо более сильная кислота, чем обычные сложные эфиры или соединения, содержащие одну карбонильную группу; он значительно более сильная кислота, чем этиловый спирт.
малоновый эфирмалоновый эфирэквивалентныэквивалентныОС2Н5ОС2Н5
малоновый эфир
малоновый эфир
эквивалентны
эквивалентны
ОС2Н5
ОС2Н5
<с—о
нс^
X—о
ос2нБ
Малоновый эфир при обработке этилатом натрия в абсолютном спирте в значительной мере превращается в соль — натрмалоновый эфир
СНа(СООС2Н5)2 + C2H5O“Na+> СН(СООС2Н5)"Ка+ + С2Н5ОН более сильнаянатрмалоновый более сла-
кислотаэфирбая кислота
Реакция этой соли с алкилгалогенидом дает замещенный малоновый эфир, этилалкилмалонат, часто называемый алкилмалоновым эфиром.
CH(COOC2H5)7Na+ + RX» RCH(COOC2H5)2 + Na+X“
этилалкилмалонат(моноалкилмалоновый эфир)
Эта реакция протекает как нуклеофильная атака карбаниона СН(СООС2Н5)2 по алкилгалогениду и, как можно было ожидать, дает наиболее высокие выходы с первичными алкилгалогенидами, более низкие — со вторичными алкил- галогенидами и не представляет практической ценности для третичных галогенидов и арилгалогенидов.
Алкилмалоновый эфир содержит один ионизующийся водород, поэтому действием этилата натрия его можно также превратить в соль; эта соль будет реагировать с алкилгалогенидом (который может быть тем же или отличным от первоначально использованного алкил галогенида), давая диалкилмалоновый эфир.
RCH(COOC2H5)2 + C2H5O"Na* —' RC(COOC2H5)2Na+ + С2Н5ОН
R'X
RR'C(COOC2H5)2 + Na+X" диалкилмалоновый эфир
Таким образом, кислотность малонового эфцра позволяет получать замещенные малоновые эфиры, содержащие одну или две алкильные группы. Как же можно использовать эти замещенные малоновые эфиры для получения карбоновых кислот? В разд. 29.6 было показано, что при нагревании выше температуры плавления малоновая кислота легко теряет двуокись углерода, давая уксусную кислоту; аналогичным образом замещенные малоновые кислоты легко теряют двуокись углерода, и образуются замещенные уксусные кислоты. Полученные моноалкил- и диалкилмалоновые эфиры легко превращаются в монокарбоновые кислоты в результате гидролиза, подкисления и нагревания.
НоО, ОН-, нагреваниеН+
RCH(COOC2H5)2* RCH(COO“)2 > RCH(COOH)2 моноалкилмалоновы й нагревание.
Эфир140 °C
rch2cooh + со2 монозамещенная уксусная кислота НоО, ОН-, нагреваниеН+
нагревание, 140 °Cнагревание, 140 °CRR'C(COOC2H5)2*- RR'C(COCD2 > RR'C(COOH)2 диалкилмалоновый эфир
нагревание, 140 °C
нагревание, 140 °C
RR'CHCOOH + СО2
дизамещениаяуксусная кислота
Синтез при помощи малонового эфира дает уксусную кислоту, в которой один или два атома водорода замещены на алкильные группы.
При планировании синтеза при помощи малонового эфира необходимо правильно выбрать подходящий алкилгалогенид; для этого следует рассмотреть структуру кислоты, которую нужно синтезировать. Например, изокапроновую кислоту (СН3)2СНСН2СН2СООН можно рассматривать как уксусную кислоту, в которой один из атомов водорода замещен на изобу- тильную группу. Для синтеза этой кислоты в качестве алкилирующего реагента следует применять изобутилбромид.
-со2-со2™знагревание. СН3 СООНСН3 СОО"
-со2
-со2
I-со2 || н+ I I
СН3СНСН2СН2СООН -* СН3СНСН2СН < СН3СНСН2СН
СОО"СОО"изокапроновая кислотаизокапроновая кислотасоон
СОО"
СОО"
изокапроновая кислота
изокапроновая кислота
н2о. он-,нагревание
сн3сн3сн3сн3СООС2Н5СООС2Н5
сн3
сн3
сн3
сн3
СООС2Н5
СООС2Н5
CH3CHCH2Br+Na+CH(COOC2H5)7CH3CHCH2Br+Na+CH(COOC2H5)7СН3СНСН2СНСН3СНСН2СН
CH3CHCH2Br+Na+CH(COOC2H5)7
CH3CHCH2Br+Na+CH(COOC2H5)7
СН3СНСН2СН
СН3СНСН2СН
изобут ил-бромидизобут ил-бромидC2H5O-Na+C2H5O-Na+СООС2Н5СООС2Н5CH^COOCjH^ малоновый эфирCH^COOCjH^ малоновый эфирэтилизобутилмалонат (изобутилмалоновый эфир)этилизобутилмалонат (изобутилмалоновый эфир)Изомер изокапроновой кислоты, а-метилвалериановую кислоту СН3СН2СН2СН(СН3)СООН, можно рассматривать как уксусную кислоту, в которой один атом водорода замещен на н-пропильную группу, а второй — на метильную; поэтому для синтеза нужно использовать два алкилгалогенида — rt-пропилбромид и метилбромид.нагревание,СООНСОО-СО2IН+|СН3СН2СН2СНСООН •* СН3СН2СН2ССООН -< СН3СН2СН2ССОО-сн3сн3а-метилвалериановаякислотаИзомер изокапроновой кислоты, а-метилвалериановую кислоту СН3СН2СН2СН(СН3)СООН, можно рассматривать как уксусную кислоту, в которой один атом водорода замещен на н-пропильную группу, а второй — на метильную; поэтому для синтеза нужно использовать два алкилгалогенида — rt-пропилбромид и метилбромид.нагревание,СООНСОО-СО2IН+|СН3СН2СН2СНСООН •* СН3СН2СН2ССООН -< СН3СН2СН2ССОО-сн3сн3а-метилвалериановаякислотасн3' н2о, ОН-нагреваниесн3' н2о, ОН-нагреваниеСН3Вг + Na+CH3CH2CH2C(COOC2H5)7>СН3Вг + Na+CH3CH2CH2C(COOC2H5)7>метил-бромидметил-бромидАC2H5O-Na+АC2H5O-Na+соос2нвСНЧСН2СН2ССООО,Н5 сн3соос2нвСНЧСН2СН2ССООО,Н5 сн3СН3СН2СН2СН(СООС2Н5)2СН3СН2СН2СН(СООС2Н5)2метилэтил-я-пропилмалонат(метил-я-пропилмалоновый эфир)метилэтил-я-пропилмалонат(метил-я-пропилмалоновый эфир)CH3CH2CH2Br + Na+CH(COOC2H5)7CH3CH2CH2Br + Na+CH(COOC2H5)7я-пропилбромидя-пропилбромидG2HBO—NaG2HBO—Na
изобут ил-бромид
изобут ил-бромид
C2H5O-Na+
C2H5O-Na+
СООС2Н5
СООС2Н5
CH^COOCjH^ малоновый эфир
CH^COOCjH^ малоновый эфир
этилизобутилмалонат (изобутилмалоновый эфир)
этилизобутилмалонат (изобутилмалоновый эфир)
Изомер изокапроновой кислоты, а-метилвалериановую кислоту СН3СН2СН2СН(СН3)СООН, можно рассматривать как уксусную кислоту, в которой один атом водорода замещен на н-пропильную группу, а второй — на метильную; поэтому для синтеза нужно использовать два алкилгалогенида — rt-пропилбромид и метилбромид.
нагревание,СООНСОО
-СО2IН+|
СН3СН2СН2СНСООН •* СН3СН2СН2ССООН -< СН3СН2СН2ССОО-
сн3сн3
а-метилвалериановаякислота
Изомер изокапроновой кислоты, а-метилвалериановую кислоту СН3СН2СН2СН(СН3)СООН, можно рассматривать как уксусную кислоту, в которой один атом водорода замещен на н-пропильную группу, а второй — на метильную; поэтому для синтеза нужно использовать два алкилгалогенида — rt-пропилбромид и метилбромид.
нагревание,СООНСОО
-СО2IН+|
СН3СН2СН2СНСООН •* СН3СН2СН2ССООН -< СН3СН2СН2ССОО-
сн3сн3
а-метилвалериановаякислота
сн3
' н2о, ОН-нагревание
сн3
' н2о, ОН-нагревание
СН3Вг + Na+CH3CH2CH2C(COOC2H5)7>
СН3Вг + Na+CH3CH2CH2C(COOC2H5)7>
метил-бромид
метил-бромид
А
C2H5O-Na+
А
C2H5O-Na+
соос2нв
СНЧСН2СН2ССООО,Н5 сн3
соос2нв
СНЧСН2СН2ССООО,Н5 сн3
СН3СН2СН2СН(СООС2Н5)2
СН3СН2СН2СН(СООС2Н5)2
метилэтил-я-пропилмалонат
(метил-я-пропилмалоновый эфир)
метилэтил-я-пропилмалонат
(метил-я-пропилмалоновый эфир)
CH3CH2CH2Br + Na+CH(COOC2H5)7
CH3CH2CH2Br + Na+CH(COOC2H5)7
я-пропилбромид
я-пропилбромид
G2HBO—Na
G2HBO—Na
СН2(СООС2Н5)2малоновый эфир
В синтезе при помощи малонового эфира вместо простых алкилгалогени- дов можно применять также некоторые другие галогенсодержащие соедине-
ния, в частности легкодоступные эфиры а-бромкислот (почему нельзя использовать сами бромкислоты?), дающие замещенные янтарные кислоты, например:
«*3нагревание, ®8СНз
I-со2 Iн+ I
НООССНСН2СООН чНООССНСН(СООН)2 ч ""ООССНСН(СОО")2
Н2О, он~. нагреваниеН2О, он~. нагреваниеа-метилянтарнаякислота
Н2О, он~. нагревание
Н2О, он~. нагревание
СНз
СН3СНСООС2Н5 + №+СН(СООС2Н5)7> С2Н5ООССНСН(СООСгН5)2
Вг
этил-а-бром-А
пропионатI C2H5O~Na+
СН2(СООС2Н5)2малоновый эфир
Задача 29.29. Приведите схему синтеза следующих соединений из малонового эфира и спиртов С, — С4: а) изомерных кислот — н-валериановой, изовалериановой и метилмасляной. (Почему нельзя использовать синтез с помощью малонового эфира для получения триметилуксусной кислоты?); б) лейцина (а-аминоизокапроновой кислоты); в) изолейцина (а-амино-Р-метилвалериановой кислоты).
Задача 29.30. При получении адипиновой кислоты при помощи малонового эфира на первой стадии добавляют 1 моль дибромэтана к большому избытку натрмалонового эфира в спирте. Циклопропанкарбоновая кислота образуется на конечной стадии синтеза при помощи малонового эфира, в котором на первой стадии добавляют 1 моль натрмалонового эфира к 2 молям дибромэтана с последующим добавлением 1 моля этилата натрия, а) Объясните, почему в этих двух синтезах получаются различные продукты? б) Укажите подробно, как можно осуществить синтез циклопентанкарбоновой кислоты?
Задача 29-31. а) Малоновый эфир реагирует с бензальдегидом в присутствии пиперидина (вторичный амин, разд. 36.12) с образованием соединения с формулой С12Н1вО4. Что это за вещество и как оно образуется? (Эта реакция служит примером реакции Киёвенагеля. Проверьте ваш ответ в задаче 27.31, стр. 827.) б) Какое соединение будет получено, если продукт (а) подвергнуть последовательно гидролизу, подкислению и нагреванию? в) Какой иной путь существует для синтеза продукта (б)?
Задача 29.32. а) Циклогексанон реагирует с циануксусным эфиром (этилцианоацетат М=ССН2СООС2Н5) в присутствии ацетата аммония, давая соединение с формулой CUH16O2N. Какова структура этого соединения и как оно образуется? (Это пример реакции Коупа. Проверьте ваш ответ в задаче 27.31 (е), стр. 827.) б) Какое соединение будет получено, если продукт (а) подвергнуть последовательно гидролизу, подкислению и нагреванию?
УГОЛЬНАЯ КИСЛОТА
И РОДСТВЕННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Функциональные производные угольной кислоты
Со значительной частью химии функциональных производных угольной кислоты мы уже познакомились при изучении карбоновых кислот. Первое, что необходимо сделать при рассмотрении этих производных, это установить их связь с исходной кислотой. Поскольку угольная кислота двухосновна.
каждое из ее производных также содержит две функциональные группы, которые могут быть одинаковыми или различными, например:
ГНО—С—ОН]ГНО—С—ОН]Cl—С—С1Cl—С—С1Н2М—С—ЫН2Н2М—С—ЫН2С2НеО—С—ОС2Н5С2НеО—С—ОС2Н5
ГНО—С—ОН]
ГНО—С—ОН]
Cl—С—С1
Cl—С—С1
Н2М—С—ЫН2
Н2М—С—ЫН2
С2НеО—С—ОС2Н5
С2НеО—С—ОС2Н5
угольная кислота,кислотаугольная кислота,кислотафосген (карбо-нилхлорид),хлорангидридфосген (карбо-нилхлорид),хлорангидридомочевина(карбамид).амидомочевина(карбамид).амидэтилкарбонат, сложный эфирэтилкарбонат, сложный эфир
угольная кислота,кислота
угольная кислота,кислота
фосген (карбо-нилхлорид),хлорангидрид
фосген (карбо-нилхлорид),хлорангидрид
омочевина(карбамид).амид
омочевина(карбамид).амид
этилкарбонат, сложный эфир
этилкарбонат, сложный эфир
С2Н6О—С—С1С2Н6О—С—С1H2N—C=NH2N—C=Nэтилхлоркарбонат,хлорангидрид—сложный эфирэтилхлоркарбонат,хлорангидрид—сложный эфирцианамид,амид—нитрилцианамид,амид—нитрилH^—С—OCjHsIIОуретан (этилкарбамат),сложный эфир—амидH^—С—OCjHsIIОуретан (этилкарбамат),сложный эфир—амид
С2Н6О—С—С1
С2Н6О—С—С1
H2N—C=N
H2N—C=N
этилхлоркарбонат,хлорангидрид—сложный эфир
этилхлоркарбонат,хлорангидрид—сложный эфир
цианамид,амид—нитрил
цианамид,амид—нитрил
H^—С—OCjHsIIОуретан (этилкарбамат),сложный эфир—амид
H^—С—OCjHsIIОуретан (этилкарбамат),сложный эфир—амид
Связь указанных функциональных производных с угольной кислотой всегда полезно учитывать. Многие из этих соединений с равным успехом можно рассматривать как производные других кислот, и очень часто их так и называют, например:
H2N—С—ОНH2N—С—ОНкарбаминовая кислота,кислотакарбаминовая кислота,кислотаH2N—С—nh2IIОкарбамид,амидH2N—С—nh2IIОкарбамид,амидH2N—С—ОС2НБIIОэтилкарбамат,сложный эфирH2N—С—ОС2НБIIОэтилкарбамат,сложный эфир
H2N—С—ОН
H2N—С—ОН
карбаминовая кислота,кислота
карбаминовая кислота,кислота
H2N—С—nh2IIОкарбамид,амид
H2N—С—nh2IIОкарбамид,амид
H2N—С—ОС2НБIIОэтилкарбамат,сложный эфир
H2N—С—ОС2НБIIОэтилкарбамат,сложный эфир
[НО—C=N]циановая кислота,кислота[НО—C=N]циановая кислота,кислота[Н2М—CsN]цианамид,амид[Н2М—CsN]цианамид,амид
[НО—C=N]циановая кислота,кислота
[НО—C=N]циановая кислота,кислота
[Н2М—CsN]цианамид,амид
[Н2М—CsN]цианамид,амид
В общем производные угольной кислоты, содержащие ОН-группу, неустойчивы и разлагаются с выделением двуокиси углерода, например:Г НО—С—ОН]В общем производные угольной кислоты, содержащие ОН-группу, неустойчивы и разлагаются с выделением двуокиси углерода, например:Г НО—С—ОН]оугольная кислотаRO—С—ОН]оугольная кислотаRO—С—ОН]СО2 + Н2ОСО2 + Н2ООкислый алкилкарбонат"Н2М—С—ОН"Окислый алкилкарбонат"Н2М—С—ОН"СО2 + ROHСО2 + ROHОкарбаминовая кислотаГС1—С—ОН]Окарбаминовая кислотаГС1—С—ОН]CO2+NH3CO2+NH3Охлоругольная кислотаОхлоругольная кислотаСО2 + НС1СО2 + НС1
В общем производные угольной кислоты, содержащие ОН-группу, неустойчивы и разлагаются с выделением двуокиси углерода, например:
Г НО—С—ОН]
В общем производные угольной кислоты, содержащие ОН-группу, неустойчивы и разлагаются с выделением двуокиси углерода, например:
Г НО—С—ОН]
оугольная кислотаRO—С—ОН]
оугольная кислотаRO—С—ОН]
СО2 + Н2О
СО2 + Н2О
Окислый алкилкарбонат
"Н2М—С—ОН"
Окислый алкилкарбонат
"Н2М—С—ОН"
СО2 + ROH
СО2 + ROH
Окарбаминовая кислотаГС1—С—ОН]
Окарбаминовая кислотаГС1—С—ОН]
CO2+NH3
CO2+NH3
Охлоругольная кислота
Охлоругольная кислота
СО2 + НС1
СО2 + НС1
Большинство производных угольной кислоты получают из одного из трех производимых в промышленном масштабе соединений: фосгена, мочевины или цианамида.
Фосген
Фосген СОС1а—очень ядовитый.газ — получается при взаимодействии окиси углерода с хлором
актниированныйсо + С12>• С1—С—С1
2 уголь, 200 °C
офосген
Он вступает в обычные реакции хлорангидридов.
Н2ОН2ОCl—С—он —> со2 + наCl—С—он —> со2 + на
Н2О
Н2О
Cl—С—он —> со2 + на
Cl—С—он —> со2 + на
NH3NH3Cl—С—Cl —Cl—С—Cl —ооh2n—с—nh2IIомочевинаh2n—с—nh2IIомочевина
NH3
NH3
Cl—С—Cl —
Cl—С—Cl —
о
о
h2n—с—nh2
IIомочевина
h2n—с—nh2
IIомочевина
ROHROHROHCl—С—OR> RO—С—ORROHCl—С—OR> RO—С—OR
ROH
ROH
ROH
Cl—С—OR> RO—С—OR
ROH
Cl—С—OR> RO—С—OR
алкилхлоркарбонат алкилкарбонат
22^. H2N—С—OR
ИО
алкилкарбамат(уретан)
Задача 29.33. Предложите схемы возможных синтезов следующих соединений: a) N,N'- днметилмочевины CH3NHCONHCH3; б) N.N'-дифенилмочевнны (карбанилида^ C6H5NHCONHCeH5; в) 2-пентилуретана Н2МСООСН(СН3) (н-С3Н7), используемого в качестве снотворного; г) бензилхлоркарбоната (карбобензоксихлорида') СвН6СН2ОСОС1, применяемого в синтезе белков (разд. 37.10).
Мочевина. Барбитураты
Мочевина H2NCONH2 выделяется с мочой как основной азотсодержащий конечный продукт метаболизма белков. Она синтезируется в больших количествах в промышленном масштабе и находит применение как удобрение, в качестве сырья для получения мочевиноформальдегидных смол и в фармацевтической промышленности.
нагревание» давление
СО2 -ь 2МН3 ч=к H2NCOONH4 " ~" ~*" H2N—С—NH2
О карбамат аммониямочевина
Задача 29.34. Примером какого известного метода получения амидов является синтез мочевины?
Мочевина — слабое основание, образующее соли с сильными кислотами. Большую основность мочевины в сравнении с обычными амидами объясняют резонансной стабилизацией катиона
HzN-C-NH2 + H+оHzN-C-NH2 + H+оh2n-c-nh2 h2n=c-nh2 h2n-c=nh2
HzN-C-NH2 + H+о
HzN-C-NH2 + H+о
. +ОНонон .
h2n=c=nh2'эквивалентны |*ОН .
Задача 29.35. Объясните, почему гуанидин (H2N)2C=NH является сильным основанием.
Мочевина подвергается гидролизу в присутствии кислот, оснований или фермента уреазы (выделяется из бобов канавалии, продуцируется многими бактериями, такими, как Micrococcus ureaeV
NH^ + СО2ио он™
H2N—С—NH2 —>- NH3 + COfIIуреаза
о—»- мн3 + со2
При взаимодействии с азотистой кислотой образуется двуокись углерода и азот; эта реакция представляет собой обычный метод разрушения избытка азотистой кислоты при диазотировании.
HONOh2n—с—nh2>■ СО2 + n2
При действии гипогалогенитов мочевина превращается в азот и карбонат
Вг2, ОН™
Н2М—С—МН2 * N2 + COj™ + Br"
Задача 29.36. Гидразин H2N—NH2 окисляется гнпогалогенитом до азота; на основании этого покажите, что приведенная выше реакция мочевины является всего лишь примером расщепления амидов по Гофману.
Обработка мочевины хлорангидридами кислот или ангидридами кислот дает уреиды.
H2N—С—NH2 + СН3СОС1 > CH3CONH—с—nh2
ацетилмочевина, уреид
Наиболее важны циклические уреиды, которые образуются при реакции с малоновыми эфирами; они известны под названием барбитуратов и находят широкое применение в качестве снотворных препаратов, например:
nh2 о=с^ xnh2мочевина.nh2 о=с^ xnh2мочевина.//С2Н5О С+ )сн2С2н5о-с^ оэппымалоналп//С2Н5О С+ )сн2С2н5о-с^ оэппымалоналпNaOC2H5С2Н5ОН1 ю°с *NaOC2H5С2Н5ОН1 ю°с *барбитуровая кислота (малонилмочевина)барбитуровая кислота (малонилмочевина)
nh2 о=с^ xnh2
мочевина.
nh2 о=с^ xnh2
мочевина.
//
С2Н5О С
+ )сн2
С2н5о-с^ о
эппымалоналп
//
С2Н5О С
+ )сн2
С2н5о-с^ о
эппымалоналп
NaOC2H5
С2Н5ОН
1 ю°с *
NaOC2H5
С2Н5ОН
1 ю°с *
барбитуровая кислота (малонилмочевина)
барбитуровая кислота (малонилмочевина)
Задача 29.37. Приведите схему синтеза из легкодоступных соединений следующих соединений, обладающих снотворным действием:
а-бромизовалерилмочевины (бромурал) (CH3)2CHCHBrCONHCONH2;
5,5-диэтилбарбитуровой кислоты (барбитал, веронал; обладает длительным действием);
5-аллил-5-(2-пентил)барбитуровой кислоты (секонал; обладает кратковременным действием);
5-этил-5-изопентилбарбитуровой кислоты (амитал; обладает промежуточным временем действия).
Задача 29.38. а) Сопоставьте структуры барбитуровой кислоты и веронала (5,5-диэтил- барбитуровой кислоты), б) Объясните заметную кислотность веронала (Ко = 10-8).
Мочевина реагирует с формальдегидом с образованием мочевиноформаль- дегидных смол, применяемых в производстве пластических масс.
нIН—с=о + h2n—с—nh2 формалъЗегивIIОмочевина,Y Yносн2—n-c-nh2 + о=с-нонIН—с=о + h2n—с—nh2 формалъЗегивIIОмочевина,Y Yносн2—n-c-nh2 + о=с-нои—> hoch2-n-c-nh2 ои—> hoch2-n-c-nh2 ометилолмочевинаметилолмочевинанИIIНОСН2—N—С—N—СН2ОНОдиметилолмочевина,нИIIНОСН2—N—С—N—СН2ОНОдиметилолмочевина,
нI
Н—с=о + h2n—с—nh2 формалъЗегивII
О
мочевина,
Y Y
носн2—n-c-nh2 + о=с-н
о
нI
Н—с=о + h2n—с—nh2 формалъЗегивII
О
мочевина,
Y Y
носн2—n-c-nh2 + о=с-н
о
и
—> hoch2-n-c-nh2 о
и
—> hoch2-n-c-nh2 о
метилолмочевина
метилолмочевина
нИ
II
НОСН2—N—С—N—СН2ОН
Одиметилолмочевина,
нИ
II
НОСН2—N—С—N—СН2ОН
Одиметилолмочевина,
н нн нhqch2-n-c-n-ch2ohhqch2-n-c-n-ch2ohясно, мочевинаясно, мочевинаch2-nch2-nСН2—-N—СН2—N—С—N—III IСН2—-N—СН2—N—С—N—III IЗадача 29.39. К какому общему типу реакций относится реакция получения метилолмо- чевины?Задача 29.39. К какому общему типу реакций относится реакция получения метилолмо- чевины?29.13. Цианамид29.13. ЦианамидЦианамид H2N—C=N получается в виде кальциевой соли в результате высокотемпературной реакции карбида кальция с азотом.Цианамид H2N—C=N получается в виде кальциевой соли в результате высокотемпературной реакции карбида кальция с азотом.1000 °CСаС2 + N2 *- CaNCN + С карбидцианамидкальциякальция1000 °CСаС2 + N2 *- CaNCN + С карбидцианамидкальциякальцияЭта реакция представляет собой важный метод фиксации азота. Цианамид кальция используется как удобрение; при обработке водой он выделяет аммиак.Эта реакция представляет собой важный метод фиксации азота. Цианамид кальция используется как удобрение; при обработке водой он выделяет аммиак.Задача 29.40. Напишите электронную структуру пианамид-аниона (NCN)2~. Рассмотрите1 его форму, длины связей и распределение заряда.Задача 29.41. Напишите уравнения отдельных стадий, через которые, вероятно, протекает превращение цианамида кальция в аммиак при действии воды. Какие другие продукты или продукт будут получаться в этом процессе? Укажите для каждой стадии, к какому общему типу реакции она относится.Задача 29.42. Цианамид реагирует с водой в присутствии кислоты или основания, образуя мочевину; с метанолом в присутствии кислоты, давая метилизомочевину H2NC(=NH)OCH3; с сероводородом, образуя тиомочевины H2NC(=S)NH2; с аммиаком, давая гуанидин H2NC(=NH)NH2. а) Какая функциональная группа цианамида участвует в каждой из этих реакций? б) К какому общему типу реакций относятся эти реакции? в) Покажите наиболее вероятные механизмы этих реакций, отмечая функции кислоты или основания в тех случаях, когда они применяются.Задача 29.40. Напишите электронную структуру пианамид-аниона (NCN)2~. Рассмотрите1 его форму, длины связей и распределение заряда.Задача 29.41. Напишите уравнения отдельных стадий, через которые, вероятно, протекает превращение цианамида кальция в аммиак при действии воды. Какие другие продукты или продукт будут получаться в этом процессе? Укажите для каждой стадии, к какому общему типу реакции она относится.Задача 29.42. Цианамид реагирует с водой в присутствии кислоты или основания, образуя мочевину; с метанолом в присутствии кислоты, давая метилизомочевину H2NC(=NH)OCH3; с сероводородом, образуя тиомочевины H2NC(=S)NH2; с аммиаком, давая гуанидин H2NC(=NH)NH2. а) Какая функциональная группа цианамида участвует в каждой из этих реакций? б) К какому общему типу реакций относятся эти реакции? в) Покажите наиболее вероятные механизмы этих реакций, отмечая функции кислоты или основания в тех случаях, когда они применяются.
н н
н н
hqch2-n-c-n-ch2oh
hqch2-n-c-n-ch2oh
ясно, мочевина
ясно, мочевина
ch2-n
ch2-n
СН2
—-N—СН2—N—С—N—III I
СН2
—-N—СН2—N—С—N—III I
Задача 29.39. К какому общему типу реакций относится реакция получения метилолмо- чевины?
Задача 29.39. К какому общему типу реакций относится реакция получения метилолмо- чевины?
29.13. Цианамид
29.13. Цианамид
Цианамид H2N—C=N получается в виде кальциевой соли в результате высокотемпературной реакции карбида кальция с азотом.
Цианамид H2N—C=N получается в виде кальциевой соли в результате высокотемпературной реакции карбида кальция с азотом.
1000 °C
СаС2 + N2 *- CaNCN + С карбидцианамид
кальциякальция
1000 °C
СаС2 + N2 *- CaNCN + С карбидцианамид
кальциякальция
Эта реакция представляет собой важный метод фиксации азота. Цианамид кальция используется как удобрение; при обработке водой он выделяет аммиак.
Эта реакция представляет собой важный метод фиксации азота. Цианамид кальция используется как удобрение; при обработке водой он выделяет аммиак.
Задача 29.40. Напишите электронную структуру пианамид-аниона (NCN)2~. Рассмотрите1 его форму, длины связей и распределение заряда.
Задача 29.41. Напишите уравнения отдельных стадий, через которые, вероятно, протекает превращение цианамида кальция в аммиак при действии воды. Какие другие продукты или продукт будут получаться в этом процессе? Укажите для каждой стадии, к какому общему типу реакции она относится.
Задача 29.42. Цианамид реагирует с водой в присутствии кислоты или основания, образуя мочевину; с метанолом в присутствии кислоты, давая метилизомочевину H2NC(=NH)OCH3; с сероводородом, образуя тиомочевины H2NC(=S)NH2; с аммиаком, давая гуанидин H2NC(=NH)NH2. а) Какая функциональная группа цианамида участвует в каждой из этих реакций? б) К какому общему типу реакций относятся эти реакции? в) Покажите наиболее вероятные механизмы этих реакций, отмечая функции кислоты или основания в тех случаях, когда они применяются.
Задача 29.40. Напишите электронную структуру пианамид-аниона (NCN)2~. Рассмотрите1 его форму, длины связей и распределение заряда.
Задача 29.41. Напишите уравнения отдельных стадий, через которые, вероятно, протекает превращение цианамида кальция в аммиак при действии воды. Какие другие продукты или продукт будут получаться в этом процессе? Укажите для каждой стадии, к какому общему типу реакции она относится.
Задача 29.42. Цианамид реагирует с водой в присутствии кислоты или основания, образуя мочевину; с метанолом в присутствии кислоты, давая метилизомочевину H2NC(=NH)OCH3; с сероводородом, образуя тиомочевины H2NC(=S)NH2; с аммиаком, давая гуанидин H2NC(=NH)NH2. а) Какая функциональная группа цианамида участвует в каждой из этих реакций? б) К какому общему типу реакций относятся эти реакции? в) Покажите наиболее вероятные механизмы этих реакций, отмечая функции кислоты или основания в тех случаях, когда они применяются.
29.14. Изоцианаты
Арилизоцианаты Аг—N=C=O получают взаимодействием фосгена с ариламинами, например:
И
O2N@N-C-C1M-^O2N@N=C=O
п-нитроанилин фосгенп-нитроанилин фосгенОп-нтппрофенилизоцисщат
п-нитроанилин фосген
п-нитроанилин фосген
Задача 29.43. В приведенной выше реакции используется избыток фосгена. Какой продукт получится, если в этой реакции применить избыток амина?
Менее стабильные и находящие меньшее применение алкилизоцианаты представляют интерес главным образом как промежуточные соединения в синтезе первичных аминов, например, по реакции Курциуса
нагревание
RCOC1 + NaN3 —> R—CON3>• R—N=C=O + N2
азид натрия ацнлазидалкнлизоцианат
н2о
RNH2 + СО2
первичный амин
Задача 29.44. Превращение азидов в изоцианаты сходно с реакцией расщепления амидов по Гофману (разд. 22.13) как по механизму реакции, так и по ее применению в синтезах.
О
II - +
Используя для азида структуру R—С—N—N=N и учитывая, что отщепляется N2, предположите механизм для реакции Курциуса.
Покажите, как реакцию Курциуса можно использовать в превращении а-фе- нилпропионовой кислоты в а-фенилэтиламин.
Укажите конфигурацию и знак вращения амина, получаемого в вопросе (б) из (+)-а-фенилпропионовой кислоты (кислота, амид которой приведен на стр. 702).
Изоцианаты реагируют со спиртами, давая карбаматы (уретаны), а с первичными и вторичными аминами образуются замещенные мочевины, например:
Эти соединения весьма полезны для идентификации спиртов и аминов.
Задача 29.45. а). Каков вероятный механизм реакции изоцианатов со спиртами и с аминами? б) Каким образом аналогичная реакция изоцианатов с водой дает амины? в) Если а-нафтилуретан получать из влажного спирта, то он будет сильно загрязнен N.N'-ди- (а-нафтил)мочевиной. Как образуется этот побочный продукт?
Задача 29.46. Предскажите, что образуется при расщеплении амида по Гофману, если проводить реакцию в метаноле?
Задача 29.47. Алкилгалогеннд можно идентифицировать превращением в реактив Гриньяра с последующей обработкой арилизоцианатом и затем водой, а) Соединения какого уже знакомого нам класса прн этом получаются? б) Напишите структурную формулу и назовите соединение, образующееся при идентификации н-бутилбр омида с использованием фенилизоциаиата.
Задача 29.48. Значительная часть синтетического пористого каучука прэизводится из полимеров типа
СНзн н сн3
O(-CH-CH2O)-C-N-/Q)-N-C-O(-CH-CH2OW»°<:н3 °
а) Предложите общее название для полимеров этого типа, б) Из каких соединений можно получить полимер данного вида?
ЗАДАЧИ
Приведите тривиальные названия и название по системе IUPAC следующих соединений:
неразветвленных насыщенных дикарбоновых кислот, содержащих от 2 до 6
атомов, и
изомерных фталевых кислот.
а) Напишите структурные формулы всех изомерных дикарбоновых кислот формулы С6Н10О4.
Приведите для каждой из них тривиальное название и название по номенклатуре ШРАС.
Укажите, в каких стереоизомерных формах может существовать каждая иэ них. Какие стереоизомеры после отделения от других будут оптически активными, а какие — оптически неактивными?
Напишите структурные формулы следующих веществ:
а-метилглутаровой кислоты,к)кислого метилсукцината,
а,а'-дибромянтарной кислоты,л)(4-бромсукцинимида,
ч«с-циклопентан-1,3-дикарбоно-м)этилмалоната,
о) этилэтилмалоната,п) этилдиэтилмалоната.о) этилэтилмалоната,п) этилдиэтилмалоната.вой кислоты,н)этилмалоновой кислоты.
о) этилэтилмалоната,
п) этилдиэтилмалоната.
о) этилэтилмалоната,
п) этилдиэтилмалоната.
3-нитрофталевого ангидрида, д) малеиновой кислоты,
фумаровой кислоты,р)этилцианацетата,
5-бромизофталевой кислоты,с)изопропилкарбамата,
N-этилфталимида,т)бензилхлоркарбоната,
метилсукцината,у)М.М'-диэтилмочевины.
Напишите уравнения реакций, показывающие, как можно получить янтарную кислоту из следующих веществ, используя любые необходимые реагенты:
малеиновой кислоты,
дибромэтана,
малонового эфира,
бутиндиола-1,4 (получается из ацетилена и формальдегида, задача 5(к), стр. 854). 5. Напишите уравнения реакций, при помощи которых тетрагидрофуран можно превратить в следующие кислоты:
янтарную, б) глутаровую и в) адипиновую.
Укажите все стадии в следующих синтезах, используя любые необходимые реагенты:
азелаиновой кислоты (нонандиовой кислоты) из олеиновой кислоты (t^uc-окта- децен-9-овой кислоты),
пимелиновой кислоты (гептандиовой кислоты) из этилглутарата,
ч«с-циклогексан-1,4-дикарбоновой кислоты из терефталевой кислоты,
адипиновой кислоты из найлонового волокна.
Напишите уравнения реакций янтарной кислоты со следующими реагентами (во всех ли случаях будут происходить реакции?):
води. NaOH,водн. NaHCO3,водн. NH3водн. NH3, затем нагревание,водн. NH3, затем сильное нагревание,ЫА1Н4,избытком SOC12,1 молем этилового спирта, Н+,води. NaOH,водн. NaHCO3,водн. NH3водн. NH3, затем нагревание,водн. NH3, затем сильное нагревание,ЫА1Н4,избытком SOC12,1 молем этилового спирта, Н+,2 молями этилового спирта, Н+, нагревание,
води. NaOH,
водн. NaHCO3,
водн. NH3
водн. NH3, затем нагревание,
водн. NH3, затем сильное нагревание,
ЫА1Н4,
избытком SOC12,
1 молем этилового спирта, Н+,
води. NaOH,
водн. NaHCO3,
водн. NH3
водн. NH3, затем нагревание,
водн. NH3, затем сильное нагревание,
ЫА1Н4,
избытком SOC12,
1 молем этилового спирта, Н+,
1 молем Вг2, Р,
Вг2, Fe, нагревание,
м) HNO3, H2SO„
н) дымящей серной кислотой
о) СН3С1, А1С1„ п) сильное нагревание.
нагревание,
Ответьте на вопросы задачи 7 для терефталевой кислоты.
Напишите уравнения реакций янтарного ангидрида со следующими реагентами (ве всех ли случаях будут происходить реакции?)!
горячим водн. NaOH,д) бензиловым спиртом,
водным аммиаком,е) толуолом, А1С13, нагревание,
водным аммиаком, затем хо-ж) анилином, затем сильное иагрева-
лодной разб. НС1,ние.
водным аммиаком, затем силь
ное нагревание,
Напишите уравнения реакций фосгена со следующими реагентами (во всех ли случаях будут происходить реакции?):
анилин,2 молями N-метиланилнна,избытком бензола, А1С13, нагрева-анилин,2 молями N-метиланилнна,избытком бензола, А1С13, нагрева-водой,е) 1 молем бутилового спирта, затем
анилин,
2 молями N-метиланилнна,
избытком бензола, А1С13, нагрева-
анилин,
2 молями N-метиланилнна,
избытком бензола, А1С13, нагрева-
аммиаком,
1 молем н-бутилового спирта,
д) 1 молем бутилового спирта, затем ние.д) 1 молем бутилового спирта, затем ние.2 молями н-бутилового спирта,
д) 1 молем бутилового спирта, затем ние.
д) 1 молем бутилового спирта, затем ние.
аммиак,
Напишите уравнения реакций мочевины со следующими реагентами (во всех ля случаях будут происходить реакции?):
холодной конц. HNO3,е) 1 молем С8Н6СОС1
горячей разб. HCI,ж) 2 молями СвН6СОС1,
горячим разб. NaOH,з) этилметилмалонатом,
NaNO2 + НС1,и) формальдегидом.
Вг2 + NaOH,
Напишите схемы реакций следующих процессов:
п-СеН4(СОС1)2 + Н2 + Pd/BaSO4 (отравленный катализатор).
СН3ООССН2СН2СОС1 + (H-C4H9)2Cd,
метиладипат + избыток CH3Mgl, затем Н2О,
бензилхлоркарбонат + глицин (аминоуксусная кислота)
CeH6NH—COOQHs + горячий NaOH,
щавелевая кислота + этиленгликоль» С4Н4О4,
n-CeH4(NCO)2 + этиленгликоль» полимер,
фосген + о-фенилендрамин,
хлорангидрид адипиновой кислоты + избыток бензола, А1С1,
продукт (и) + Zn(Hg) + НС1,
этялхлоркарбонат + 2 моля NH3,
м) этилхлоркарбоиат + 3 моля NH3.
Напишите уравнения реакций, происходящих при нагревании каждой из изомерных ди карбоновых кислот задачи 2(a).р
Предскажите, какие продукты образуются при нагревании следующих кислот-
о-НООСС6Н4СН2СООН,в) о-НООССеН,СН2СН2СООН.
о-СвН4(СН2СООН)2,г) СвН.,СН(СООН)2. ’
Приведите схему синтеза следующих кислот из малонового эфира и любых других
реагентов:
н-капроновой,е)дибензилуксусной,
изомасляной,ж)а,Р-диметилянтарной,
Р-метилмасляной,з)глутаровой,
ц,р-диметилмасляной,и)циклобутанкарбоновой.
2-этилбутановой,
Напишите структурные формулы соединений А — К.
1,3-дибромпропан + 2 моли натрмалонового эфира» A (Ci7H28O8), А + 2 моля этилата натрия, затем СН212» Б (CjgHjgOg),
Б + ОН-, нагревание; затем Н+, нагревание» В (С6Н12О4),
дибромэтан + 2 моля натрмалонового эфира♦ Г (С,вН2вО8/
Г + 2 моля этилата натрия, затем 1 моль дибромэтана> Д (CjgHj.O.), Д + ОН-, нагревание; затем Н+, нагревание» Е (С8Н,2О4).
2 моля натрмалонового эфира + 12> Ж (С14Н22О8) + 2Nal, Ж + ОН-, нагревание; затем Н*, нагревание 3 (С4НвО4);
4-2SS
Г + 2 моля этилата натрия, затем 12» И (C16H24Og),
И + ОН-, нагревание; затем Н+, нагревание> К (СвН8О4),
Предложите возможную схему синтеза следующих кислот: циклопентан-1,3- дикарбоновой, циклопентан-1,2-дикарбоновой и цнклопентан-1,1-дикарбоновой.
Напишите структурные формулы соединений А — Д.
аллилбромид + Mg> А (С6Н10),
А + НВг» Б (С6Н12Вг2),
натрмалоновый эфир + избыток Б> В (С13Н23О4Вг),
В + этнлат натрия» Г (С13Н22О4),
Г + ОН-, нагревание; затем Н+, нагревание* Д (С8Н14О2).
Напишите структурные формулы соединений А — Г.
мочевина + холодная конц. HNO3* А, нитрат мочевины (CH6ON2)+NO3, А + холодная конц. H2SO4> Б, нитромочевина СН3О3М3, Б + Zn, Н+» В (CH6ON3),‘
В + ацетон» Г (C4H9ON3).
Напишите стереохимические формулы соединений А, Б и В.
циклогекса диен-1,4 + CHBr3/mpem-C4H9OK• А (С7Н8Вг2),
А + КМпО4> Б (CjHgB^Oe),"
Б + Н2, Ni (основание)> В (С7Н10О4).
Напишите стереохимические формулы соединений, образующихся при взаимодействии малеиновой кислоты (цос-бутендиовой кислоты) со следующими реагентами:
Вг2/СС14,г) Н-, Ni,
холодным разб. КМпО4,д) НВг,
надмуравьнной кислотой,е) Вг2/СС14, затем 1 моль С2Н6ОН, Н+.
Какие из продуктов реакций, выделяемых обычными способами, будут оптически активными, а какие оптически неактивными? Укажите, какие из ннх можно разделить на оптически активные энантиомеры, а какие нельзя.
Ответьте на вопросы задачи 20 для фумаровой кислоты (транс-бутендновая кислота). 22. а) Конфигурация двум изомерным циклобутан-1,3-дикарбоновым кислотам (стр. 283) были приписаны иа основании того, что одну из них можно превратить в ангидрид, a другую — нет. Какую конфигурацию приписали бы вы кислоте, которая может образовать ангидрид, и почему?
Метод (а) нельзя применить для отнесения конфигураций циклогексан-1,2-дикарбоновых кислот, поскольку оба изомера в этом случае дают ангидриды. Почему?
Можно ли применять метод (а) для отнесения конфигураций циклогексан-1,3- дикарбоновых кислот?
Приведите схему возможного синтеза лекарственного препарата милтаун (обладает снотворным действием, ранее считался транквилизатором) из малонового эфира, фосгена, спиртов С4 — С4, используя любые необходимые неорганические реактивы.
СН3
h2n—с—осн2—с—сн2о—с—nh2
II I II -о сна о
милтаун
Талидомид (препарат, обладающий успокаивающим и снотворным действием, печально известный тем, что при приеме беременными он вызывал уродство плода) имеет структуру
It Н2С. О° сн2It Н2С. О° сн2талидомидталидомид
It Н2С. О
° сн2
It Н2С. О
° сн2
талидомид
талидомид
Приведите схему его синтеза из аммиака, глутаминовой кислоты (табл. 37.1, стр. 1038) и фталевого ангидрида. (Указание: где расположена каждая из этих структурных единиц в талидомиде?)
Предполагается, что неизвестное соединение является одним из перечисленных ниже, а) Опишите, что вы будете делать для того, чтобы идентифицировать это соединение. Где возможно, используйте простейшие химические пробы; где необходимо, примените
Рис, 29.1 ПМР-спектры к задаче 29.
более тонкие химические методы, б) Что, по вашему мнению, вы увидите в ПМР-спектрах каждого из возможных соединений.
Янтарная кислотаКислый метилмалонат
Метилмалоновая кислотаМетилоксалат
Кислый этилоксалат
Соединение А (С12Н18) дает отрицательную пробу с разбавленным КМпО4 и Вг2/СС14. Окисление соединения горячим КМпО4 дает вещество Б (С12О(!О12), которое растворимо в воде и выделяет газ при обработке водным раствором NaHCO3. Дегидратация соединения Б дает продукт В (Cj2O9). Какова структура соединений А, Б и В?
Две изомерные кислоты — гемипиновая и метагемипиновая — имеют одинаковую формулу С10Н10Ов. Эквивалент нейтрализации каждой кислоты 113 ± 2; каждая кислота содержит две метоксильные группы по данным определения по Цейзелю. При нагревании эти две кислоты дают различные продукты общей формулы Cj0H8O5. При сильном нагревании с окисью кальция в обоих случаях образуется вератрол (1,2-диметоксибензол). При взаимодействии с этиловым спиртом гемипиновая кислота дает два продукта с формулой С12Н14Ов; метагемипиновая кислота реагирует с этиловым спиртом с образованием одного соединения с формулой С12Н14Ов. Каковы структуры гемипиновой и метагемипи- иовой кислот?
2,5-Диметилциклопентан-1,1-дикарбоновую кислоту можно получить в виде смеси двух оптически неактивных веществ (А и Б) с различными физическими свойствами. Если каждое из них нагреть и реакционную смесь подвергнуть дробной кристаллизацив, то из соединения А образуется лишь один продукт В с формулой С8Н14О2, а нз соединения Б — два соединения (Г и Д) с той же формулой CgH14O2.
Напишите стереохимические формулы соединений А — Д.
Опишите другой метод, при помощи которого можно было бы приписать конфигурацию веществам А и Б.
Напишите структурную формулу или формулы соединений, которые согласуются с каждым из ПМР-спектров, приведенных на рис. 29.1.
30
Кетокислоты
Структура и свойства
Каких свойств можно ожидать от соединений, содержащих функциональные группы более чем одного типа?
Прежде всего они, очевидно, будут обладать свойствами, присущими соединениям, содержащим эти функциональные группы в отдельности. Кетокислота, например, является и кетоном и кислотой и в общем ведет себя так же, как соединения обоих этих типов. По карбонильной группе она вступает в реакции, характерные для любого кетона: нуклеофильное присоединение, гидрирование, восстановительное аминирование. По карбоксильной группе она участвует в реакциях, характерных для любой кислоты: ионизация, превращение в соли, амиды и сложные эфиры.
Таблица ЗОЛ
Физические свойства кетокислот и родственных соединении
Название
Формула
Т. пл., °C
Т. кип .
°С/мм рт. ст.
105 Ло
Глиоксиловая кислота
Пировиноградная кислота
ОНС—СООН СН3СОСООН
14
165 (разл.)
47
320
Ацетоуксусная кислота
Левулиновая кислота
СН2СОСН2СООН
СН3СОСН2СН2СООН
31
100 (разл.)
245
22
2,3
о-Бензоилбензойная кислота Р-Бензоилпропионовая кислота Этнлацетоацетат (ацетоуксус-
о-СвН5СОС,Н4СООН С6Н5СОСН2СН2СООН
СН3СОСН2СООС2Н6
128
116
—33
41/2
ный эфир)
Этнлбензоилацетат Глиоксаль Диацетил Ацетилацетон
С6Н6СОСН2СООС2Н6 ОНС—СНО СН3СОСОСН3 СН3СОСН2СОСН3
15
—23
270 (разл.)
50
88
139
5.810-1
Ацетонилацетон
СН3СОСН2СН2СОСН3
—9
193
Задача 30.1. Какие соединения будут образовываться в результате следующих реакций?
ацетоуксусная кислота (СН3СОСН2СООН) + разб. водн. NaHCO3;
Р-бензоилпропионовая кислота (CeH6COCH2CHLCOOH) + C^HgOH + H2SO4;
глиоксиловая кислота (ОНС—СООН) + реактив Толленса;
левулиновая кислота (СН3СОСН2СН2СООН) + Н2 + N1;
этилацетоацетат (ацетоуксусный эфир) + NH3OH+C1“ + CH3COONa;
пировиноградная кислота (СН3СОСООН) + NH3 + Н2 + Ni;
глиоксиловая кислота + конц. водн. NaOH;
ацетоуксусный эфир + разб. води. NaOH;
Р-бензоилпропионовая кислота + Zn(Hg) + конц. НС1;
дихлоруксусная кислота + Н2О + нагревание.
Помимо свойств индивидуальных функциональных групп, эти соединения могут обладать также особыми свойствами, обусловленными определенным взаимным расположением этих функциональных групп. В этой главе мы подробно рассмотрим эфиры р-кетокислот и те особые свойства, которые делают их наиболее важными производными кетокислот (табл. 30.1).
Получение ^>-кетоэфиров. Конденсация Клайзена
Если этилацетат обработать этилатом натрия и образующуюся смесь подкислить, то получают этил-р-кетобутират (этил-3-оксобутаноат), обычно известный под названием этилацетоацетат или ацетоуксусный эфир.
о>н6он
2СН3СООС2Н5 + C2H5CTNa+ >■ CH3COCHCOOC2H7Na+ + 2С2Н5ОН
этилацетат,этилатнатрацетоуксусный
2 молянатрияэфир
Н+
CH3COCH2COOG,H5этилацетоацетат(ацетоуксусный эфир),Р-кетоэфир
Ацетоуксусный эфир — наиболее важное из производных р-кетокис- лот; его синтез служит примером реакции, известной под названием конденсации Клайзена.
Общепринятый механизм конденсации Клайзена показан на примере эти л ацетата:
СН3СООС2Н6 + "ОСгН5 ( ~» С2И5ОН + -СН2СООС2Н5
I
ОСГ
СН3-С—ОС2Н5 + -СН2СООСгН6 (—* СН3—С—СН2СООСгН5
1ОС2Н6
оIIСН3ССН2СООС2Н6 + ~ОС2Н5
о
CHgCCHgCOOQHs 4- ~ОС2Н5 СН3СОСНСООС2Н7 + С2Н5ОН более сильнаяболее слабая
кислотакислота
Этилат-ион отрывает ион водорода [стадия (1)1 от а-углеродного атома сложного эфира с образованием карбаниона I. Сильно нуклеофильный карбанион I атакует [стадия (2)1 углерод карбонильной группы второй молекулы сложного эфира с вытеснением этилат-иона и образованием кетоэфира. Подобно малоновому эфиру (и точно по той же причине), ацетоуксусный эфир обладает
заметно кислыми свойствами. Он представляет собой более сильную кислоту, чем этиловый спирт, и поэтому реагирует [стадия (3)1 с этилат-ионом, образуя этиловый спирт и анион натр ацетоуксусного эфира. Образование соли ацетоуксусного эфира — весьма существенная стадия для успеха всей реакции; из ряда равновесий, устанавливающихся в ходе реакции, лишь равновесие (3) сдвинуто в сторону, благоприятную для образования нужного продукта.
Подобно альдольной конденсации и родственным реакциям (разд. 27.6 и 27.11), конденсация Клайзена включает стадию нуклеофильной атаки карбаниона по электронодефицитному атому углерода карбонильной группы. В альдольной конденсации нуклеофильная атака приводит к присоединению — типичной реакции альдегидов и кетонов-, в конденсации Клайзена нуклеофильная атака приводит к замещению — типичной реакции ацильных производных (разд. 20.4).
Задача 30.2. Объясните кислотность ацетоуксусного эфира, исходя из представлений теории резонанса.
Задача 30.3. Лучшие выходы в конденсацнн Клайзена получаются при проведении реакции в среде эфира под действием этилата натрия, не содержащего спирта, а не в растворе этилового спирта. Как вы это объясните?
Как и следовало ожидать, конденсация Клайзена с более сложными, чем этилацетат, эфирами приводит к соединениям, образующимся при ионизации а-водородного атома сложного эфира; в результате этого всегда именно а-угле- родный атом одной молекулы присоединяется к атому углерода карбонильной группы другой молекулы, например:
I СН3I СН32СН3СН2СООС2Н6 + ""OC^s> СН3СН2СОССООСД" + ЗСДОИ
I СН3
I СН3
этилпропионат
Р а СН3СН2С—СНСООС. Н6
II I " О сн3
этил-З-оксо-2-метилпентаноат (этил-а-метил-Р-кетовалерат), ^-кетоэфир
Задача 30.4. Под действием этилата натрия этиладнпат превращается в 2-карбэтоксици- клопентанон (II). Эта реакция служит примером конденсации Дикмана.
ОН .СООС2Н5ОН .СООС2Н5IIII
О
Н .СООС2Н5
О
Н .СООС2Н5
II
II
а) Как вы объясните образование соединения II? б) Какой продукт будет получаться при действии этилата натрия на этилпимелат? в) Можно ли ожидать аналогичного поведения от этилглутарата или этнлсукцината? г) В действительности этилсукцинат реагирует с этилатом натрия, давая соединение с формулой С12Н1вО2, содержащее шестичленный цикл. Какова вероятная структура этого соединения?
30.3. Перекрестная конденсация Клайзена30.3. Перекрестная конденсация КлайзенаПодобно перекрестной альдольной конденсации(разд. 27.9), перекрестная конденсация Клайзена в общем случае осуществима только тогда, когда один из реагентов не содержит а-водородных атомов и поэтому не способен претерпевать самоконденсацию, например:Подобно перекрестной альдольной конденсации(разд. 27.9), перекрестная конденсация Клайзена в общем случае осуществима только тогда, когда один из реагентов не содержит а-водородных атомов и поэтому не способен претерпевать самоконденсацию, например:<^>СООС2Н5 + СН3СООС2Н5 22^<^>СООС2Н5 + СН3СООС2Н5 22^зшылбензоатзшылбензоатэтулачетпалпэтулачетпалпО зтпилботпоила цетпалпО зтпилботпоила цетпалпHCOOQHs + СН3СООС2НБ > Н—С—СН2СООС2Н6 + с2н6онэтилформиат этилацетатqэтилформилацетат(известен лишь в виденатриевой соли)HCOOQHs + СН3СООС2НБ > Н—С—СН2СООС2Н6 + с2н6онэтилформиат этилацетатqэтилформилацетат(известен лишь в виденатриевой соли)COOCjHb 4- СН3СООС2НБСООС2Н5 этилацетат этилоксалатCOOCjHb 4- СН3СООС2НБСООС2Н5 этилацетат этилоксалат-С2Н5О--С2Н5О-С2Н5ООС—С—СН2СООС2Н6 + С2НВОНС2Н5ООС—С—СН2СООС2Н6 + С2НВОНСаНбО—С—ОСгНв + С6Н6СН,СаНбО—С—ОСгНв + С6Н6СН,'2СООС2Н5'2СООС2Н5Оэтилоксалилацетатс6н5С2Н5О-I> QHsO—С—СНСООС2Н6 + QH^OHОэтилоксалилацетатс6н5С2Н5О-I> QHsO—С—СНСООС2Н6 + QH^OHО илкарбонатО илкарбонатэтилфенилацетатэтилфенилацетатО
30.3. Перекрестная конденсация Клайзена
30.3. Перекрестная конденсация Клайзена
Подобно перекрестной альдольной конденсации(разд. 27.9), перекрестная конденсация Клайзена в общем случае осуществима только тогда, когда один из реагентов не содержит а-водородных атомов и поэтому не способен претерпевать самоконденсацию, например:
Подобно перекрестной альдольной конденсации(разд. 27.9), перекрестная конденсация Клайзена в общем случае осуществима только тогда, когда один из реагентов не содержит а-водородных атомов и поэтому не способен претерпевать самоконденсацию, например:
<^>СООС2Н5 + СН3СООС2Н5 22^
<^>СООС2Н5 + СН3СООС2Н5 22^
зшылбензоат
зшылбензоат
этулачетпалп
этулачетпалп
О зтпилботпоила цетпалп
О зтпилботпоила цетпалп
HCOOQHs + СН3СООС2НБ > Н—С—СН2СООС2Н6 + с2н6он
этилформиат этилацетатq
этилформилацетат(известен лишь в виденатриевой соли)
HCOOQHs + СН3СООС2НБ > Н—С—СН2СООС2Н6 + с2н6он
этилформиат этилацетатq
этилформилацетат(известен лишь в виденатриевой соли)
COOCjHb 4- СН3СООС2НБ
СООС2Н5 этилацетат этилоксалат
COOCjHb 4- СН3СООС2НБ
СООС2Н5 этилацетат этилоксалат
-С2Н5О-
-С2Н5О-
С2Н5ООС—С—СН2СООС2Н6 + С2НВОН
С2Н5ООС—С—СН2СООС2Н6 + С2НВОН
СаНбО—С—ОСгНв + С6Н6СН,
СаНбО—С—ОСгНв + С6Н6СН,
'2СООС2Н5
'2СООС2Н5
О
этилоксалилацетат
с6н5
С2Н5О-I
> QHsO—С—СНСООС2Н6 + QH^OH
О
этилоксалилацетат
с6н5
С2Н5О-I
> QHsO—С—СНСООС2Н6 + QH^OH
О илкарбонат
О илкарбонат
этилфенилацетат
этилфенилацетат
этнлфенилмалонат(эфир феннлмалоновойкислоты)
Задача 30.5. В каком порядке следует смешивать реагенты в каждой из приведенных выше перекрестных конденсаций Клайзена? (Указание: см. разд. 27.9.)
Задача 30.6. Как показано выше, этнлфенилмалонат можно получить с помощью пере крестной конденсации Клайзена. Можно ли его синтезировать из бромбензола и этил- малоната?
Задача 30.7. Кетоны (но не альдегиды) подвергаются перекрестной конденсации Клай зеиа со сложными эфирами, например:
C2HBONa
СН3СООС2НВ + СН3СОСН3 >• СН3СОСН2СОСН3 + QHgOH
этилацетат ацетонацетилацетон
а) Приведите все стадии наиболее вероятного механизма этой реакции. Предскажите, какие продукты будут в основном образовываться при взаимодействии б) этилпро- пионата и ацетона в присутствии этилата натрия, в) этилбензоата и ацетофенона и г) этилоксалата и циклогексанона.
Задача 30.8. Приведите схему синтеза из простейших сложных эфиров следующих веществ:"
этил-а-фенилбензоилацетата С6Н6СОСН(СвН6)СООС2Н6,
этил-2,3-дикетоциклопентан-1,4-дикарбоксилата (I) (указание: в качестве одного из эфиров используйте этилоксалат),
этил-1,3-днкетоиндан-2-карбоксилата (II).
QTchcooc2h5QTchcooc2h5СгЩООС^^^СООСгНз
QTchcooc2h5
QTchcooc2h5
Н
О X)
30.4. Синтез кетонов при помощи ацетоуксусного эфира
Один из наиболее ценных методов синтеза кетонов основан на использовании этилацетоацетата (ацетоуксусного эфира), и этот метод носит название синтез кетснсв при помощи ацетоуксусного эфира. Этот синтез сходен с синтезом карбоновых кислот при помощи малонового эфира (разд. 29.9).
Ацетоуксусный эфир действием этилата натрия превращается в натрацето- уксусный эфир, который далее реагирует с алкилгалогенидом, что приводит к образованию алкилацетоуксусного эфира (этилалкилацстоацетата)- CH3COCHRCOOC2H5; если нужно, то алкилирование можно повторить, и тогда образуется диалкилацетоуксусный эфир CHgCOCRR'COOQHs. Все реакции алкилирования проводят в абсолютном этиловом спирте.
При гидролизе разбавленным водным раствором щелочи (или кислоты) эти моноалкил- или диалкилацетоуксусные эфиры дают соответствующие кислоты — CH3COCHRCOOH или CHgCOCRR'COOH, которые подвергаются декарбоксилированию с образованием кетонов — CH3COCH2R или CH3COCHRR'. В этих случаях отщепление двуокиси углерода осуществляется еще легче, чем от малоновой кислоты, и может даже происходить до подкисления смеси после гидролиза.
Синтез кетонов при помощи ацетоуксусного эфира приводит к производным ацетона, в которых один или два атома водорода замещены на алкильные- группы.
СН3СОСН2СООСгН6 ацетоуксусный эфир
С2Н5О-
СН3СОСНСООС,Н5-
RX
Н2О или Н+>■ CH3COCHCOOHR-со2ch3coch2rмонозамещеи-ный ацетонН2О или Н+>■ CH3COCHCOOHR-со2ch3coch2rмонозамещеи-ный ацетонОН-
Н2О или Н+
>■ CH3COCHCOOH
R
-со2
ch3coch2r
монозамещеи-ный ацетон
Н2О или Н+
>■ CH3COCHCOOH
R
-со2
ch3coch2r
монозамещеи-ный ацетон
CHSCOCHCOOC2H5 —-> СН3СОСНСОО~
RR
моноалкилацетоуксусный
С2Н5О-CHgCOCRCOOCgHrС2Н5О-CHgCOCRCOOCgHrR'XR'R'Iон* |СН3СОССООС2Н6> СН,СОС—СОО“IIRRдиалкилацетоуксусныйэфирR'XR'R'Iон* |СН3СОССООС2Н6> СН,СОС—СОО“IIRRдиалкилацетоуксусныйэфирэфир
С2Н5О-
CHgCOCRCOOCgHr
С2Н5О-
CHgCOCRCOOCgHr
R'X
R'R'
Iон* |
СН3СОССООС2Н6> СН,СОС—СОО“
II
RR
диалкилацетоуксусный
эфир
R'X
R'R'
Iон* |
СН3СОССООС2Н6> СН,СОС—СОО“
II
RR
диалкилацетоуксусный
эфир
R'
Н2О или Н+|
> сн3сос—соон
R
-СО2
CH3COCHRR'дизамещенныйацетон
При планировании синтеза при помощи ацетоуксусного эфира, как и при планировании синтеза при помощи малонового эфира, задача заключается в выборе подходящего алкилгалогенида или галогенидов. Для этого достаточно рассмотреть структуру требуемого кетона. Так, например, 5-метилгекса- нон-2 можно рассматривать как ацетон, в котором один атом водорода замещен на изобутильную группу. Поэтому для получения этого кетона с помощью ацетоуксусного эфира нужно использовать в качестве алкилирующего агента изобутилбромид
СН3СН3СНСН2СН2ССН3 II о 5-метилгексаион-2СН3СН3СНСН2СН2ССН3 II о 5-метилгексаион-2сн3 соон—СО2||НгО или Н*-< СН3СНСН2СНССН3 чсн3 соон—СО2||НгО или Н*-< СН3СНСН2СНССН3 чСН3 СОО-сн,снсн2снссн.;
СН3
СН3СНСН2СН2ССН3 II о 5-метилгексаион-2
СН3
СН3СНСН2СН2ССН3 II о 5-метилгексаион-2
сн3 соон
—СО2||НгО или Н*
-< СН3СНСН2СНССН3 ч
сн3 соон
—СО2||НгО или Н*
-< СН3СНСН2СНССН3 ч
сн3СН3СНСН2Вг + Na+CHgCOCHCOOC^Hrсн3СН3СНСН2Вг + Na+CHgCOCHCOOC^Hrнзобутил-бромиднзобутил-бромид+ С2Н3О-Ка++ С2Н3О-Ка+СН3 СООС2Н6 I I» СН3СНСН2СНССН3 оСН3 СООС2Н6 I I» СН3СНСН2СНССН3 оо он~
сн3
СН3СНСН2Вг + Na+CHgCOCHCOOC^Hr
сн3
СН3СНСН2Вг + Na+CHgCOCHCOOC^Hr
нзобутил-бромид
нзобутил-бромид
+ С2Н3О-Ка+
+ С2Н3О-Ка+
СН3 СООС2Н6 I I
» СН3СНСН2СНССН3 о
СН3 СООС2Н6 I I
» СН3СНСН2СНССН3 о
этил-а-изобутил-ацетоацетатэтил-а-изобутил-ацетоацетатСНдСОСНгСООСзНз
этил-а-изобутил-ацетоацетат
этил-а-изобутил-ацетоацетат
этилацетоацетат
Изомерный кетон, 3-метилгексанон-2, можно рассматривать как ацетон, в котором один атом водорода замещен на н-пропильную группу, а второй (при том же атоме углерода) — на метильную группу, поэтому необходимо использовать два алкилгалогенида — н-пропилбромид и метилбромид.
СООН
СН3СН2СН2СН—ссн3I IIсн3 оЗ-метилгексанон-2СН3СН2СН2СН—ссн3I IIсн3 оЗ-метилгексанон-2—СО3|Н2о или Н+
СН3СН2СН2СН—ссн3I IIсн3 о
З-метилгексанон-2
СН3СН2СН2СН—ссн3I IIсн3 о
З-метилгексанон-2
-< СНзСН2СН2СССН3 -6
I IIсн3 о
СОО"
СН3СН2СН2С—ссн3
I Исн3 о
Тон-
СООС2Н5СООС2Н5СН,Вг + Na+CH3CH2CH2CCOCHJСН,Вг + Na+CH3CH2CH2CCOCHJметилбромидметилбромидC2HbO-Na+C2HbO-Na+СООС2Н5СН3СН2СН2С—с—сн3I нсн3 оСООС2Н5СН3СН2СН2С—с—сн3I нсн3 оС00С2Н5СН3СН2СН2СНССН3С00С2Н5СН3СН2СН2СНССН3этил-а-метил-а-н-пропил-ацетоацетатэтил-а-метил-а-н-пропил-ацетоацетат
СООС2Н5
СООС2Н5
СН,Вг + Na+CH3CH2CH2CCOCHJ
СН,Вг + Na+CH3CH2CH2CCOCHJ
метилбромид
метилбромид
C2HbO-Na+
C2HbO-Na+
СООС2Н5
СН3СН2СН2С—с—сн3
I нсн3 о
СООС2Н5
СН3СН2СН2С—с—сн3
I нсн3 о
С00С2Н5
СН3СН2СН2СНССН3
С00С2Н5
СН3СН2СН2СНССН3
этил-а-метил-а-н-пропил-ацетоацетат
этил-а-метил-а-н-пропил-ацетоацетат
СН3СН2СН2Вг + Na+CHaCOCHCOOC2I4T л-пропилбромид
GsHsO'Na*
СНЯСОСН2СООС2Н5этнлацетоацетат
Задача 30.9. К какому общему типу реакций относится взаимодействие натр ацетоуксусного эфира с алкилгалогенидами? Предскажите, с какими относительными выходами будет проходить реакция с первичными, вторичными и третичными галогенидами. Можно ли использовать в этой реакции арилгалогениды?
Задача 30.10. а) Предскажите, какой продукт будет получаться в результате синтеза при помощи ацетоуксусного эфира при использовании этилбромацетата (почему не бром- уксусной кислоты?). К какому общему классу соединений принадлежит продукт этой реакции? б) Предскажите, какое соединение образуется в результате синтеза при помощи ацетоуксусного эфира с использованием в качестве галогенпроизводного хлористого бензоила или хлорацетона. К какому общему классу соединений принадлежат эти продукты?
Задача 30.11. Приведите схемы синтеза следующих соединений из ацетоуксусного эфира, бензола и спиртов С, — С4:
а — в) изомерных кетонов: метил-н-бутилкетона (гексанона-2), метилизобутилке- тона(4-метилпентанона-2), метил-втор-бутилкетона (З-метилпентанона-2),
пентандиона-2,4 (ацетилацетона),
гександиона-2,5 (ацетонилацетона),
1-фенилпентандиона-1,4.
Почему нельзя использовать синтез при помощи ацетоуксусного эфира для получения метил-трет-бутилкетона?
Задача 30.12. Наилучший общий метод синтеза а-кетокислот приведен ниже:
СгН6ОКа этилпропионат + этилоксалат> А (СдН14О5), кипячение
А + разб. H2SO4► СОг + 2С2Н5ОН + СН3СН2ССООН
а-кетомасляная
кислота
Какие знакомые вам реакции при этом используются? Какова структура соединения А? Задача 30.13. Приведите схему синтеза из простейших сложных эфиров следующих ссе- динений:
а-кетоизокапроновой кислоты,
а-кето-Р-фенилпропноновой кислоты,
а-кетоглутаровой кислоты,
лейцина (а-аминоизокапроновой кислоты) (указание-, см. разд. 22.11), д) глутаминовой кислоты (а-аминоглутаровой кислоты).
Декарбоксилирование кетокислот
Таким образом, синтез при помощи ацетоуксусного эфира основан на высокой кислотности а-водородных атомов p-кетоэфиров и необыкновенной легкости декарбоксилирования (3-кетокислот. Эти свойства аналогичны тем, на которых основано использование в синтезе малонового эфира.
Как уже было показано, повышенная кислотность а-водородных атомов определяется способностью кетогруппы принимать участие в делокализации отрицательного заряда в анионе ацетоуксусного эфира. Легкость декарбоксилирования объясняется отчасти тем же. (Тот же фактор способствует осуществлению конденсации Клайзена, с помощью которой получают ацетоуксусный эфир.)
Декарбоксилирование р-кетокислот происходит в случае как свободных кислот, так и карбоксилат-иона. Отщепление двуокиси углерода от аниона дает карбанион I. Этот карбанион образуется быстрее, чем простой карбанион R:~, который должен был бы образоваться из простого карбоксилат-иона
СН3ССН2СООСН3ССН2СООсо2 + сн3с^сн2со2 + сн3с^сн2
СН3ССН2СОО
СН3ССН2СОО
со2 + сн3с^сн2
со2 + сн3с^сн2
(RCOO~), поскольку первый карбанион более устойчив. Его устойчивость, безусловно, определяется участием кетогруппы в делокализации отрицательного заряда.
Задача 30.14. Декарбоксилирование может происходить в случае как малоновой кислоты, так и ее моноаниона, но не с двухзарядным анионом, а) Объясните легкость декарбоксилирования моноаниона. От какого из его карбоксилов отщепляется двуокись углерода? б) Как вы объясните устойчивость аниона? (Указание: см. разд. 29.4.)
Декарбоксилирование свободной ацетоуксусной кислоты включает стадию переноса кислого протона на кетогруппу либо до отщепления двуокиси углерода (как показано на схеме), либо одновременно с этим процессом:
О((
CHSC—СН2—С ч=^ CHS—С—СН2—ООО" —> сн3—с=сн3 + соа
О ОН+ОНон
сн3—с—сн3
В данном случае протонирование уменьшает основность уходящей группы, с чем мы уже встречались ранее.
Задача 30.15. При декарбоксилировании диметил ацетоуксусной кислоты в присутствии иода или брома образуется иод- или бромдиметилацетон (З-галоген-З-метилбутанон-2, хотя в этих условиях ни иод, ни бром не реагируют в ощутимой степени с диметилацето- ном. Что вы можете сказать на основании этой реакции о механизме декарбоксилирования?
Задача 30.16. Предположите механизм декарбоксилирования свободной малоновой кислоты.
Задача 30.17. Объясните сравнительную легкость декарбоксилирования фенилпропио- ловой кислоты (С6Н5С=ССООН) в щелочном растворе.
Синтез кислот при помощи ацетоуксусного эфира
Если этил ацетоацетат обработать концентрированной щелочью, то происходит реакция, обратная реакции Клайзена, и эфир расщепляется с образованием двух молей уксусной кислоты (в виде соли).-Концентрированная щелочь оказывает такое же действие на замещенные ацетоуксусные эфиры, и образуется молекула уксусной кислоты и молекула замещенной уксусной кислоты.
конц. щелочь
СН3СОСН2СОООД6> СН3СОО~ + СНдСОО" + (ОДОН
этилацетоацетат
СН3СООН СНдСООНуксусная кислота
CH3COCHRCOOC2H6 монозамещенный ацетоуксусный эфирCH3COCHRCOOC2H6 монозамещенный ацетоуксусный эфирКОНЦ, щелочь►КОНЦ, щелочь►СНдСОО’ + RCH2COOO“ + С2Н5ОНСНдСОО’ + RCH2COOO“ + С2Н5ОНн+CH3COOHуксуснаякислотан+CH3COOHуксуснаякислотан+RCH2COOHмонозамещеннаяуксусная кислотан+RCH2COOHмонозамещеннаяуксусная кислотаконц. щелочьCHsCOCRR'COOQHe ►дизамещенныйацетоуксусный эфирконц. щелочьCHsCOCRR'COOQHe ►дизамещенныйацетоуксусный эфирСН3СОО~ + RR'CHCOO* + С2Н5ОНН+Н+VСН3СООН RR'CHCOOHСН3СОО~ + RR'CHCOO* + С2Н5ОНН+Н+VСН3СООН RR'CHCOOH
CH3COCHRCOOC2H6 монозамещенный ацетоуксусный эфир
CH3COCHRCOOC2H6 монозамещенный ацетоуксусный эфир
КОНЦ, щелочь
►
КОНЦ, щелочь
►
СНдСОО’ + RCH2COOO“ + С2Н5ОН
СНдСОО’ + RCH2COOO“ + С2Н5ОН
н+
CH3COOHуксуснаякислота
н+
CH3COOHуксуснаякислота
н+
RCH2COOHмонозамещеннаяуксусная кислота
н+
RCH2COOHмонозамещеннаяуксусная кислота
конц. щелочь
CHsCOCRR'COOQHe ►
дизамещенныйацетоуксусный эфир
конц. щелочь
CHsCOCRR'COOQHe ►
дизамещенныйацетоуксусный эфир
СН3СОО~ + RR'CHCOO* + С2Н5ОН
Н+Н+
V
СН3СООН RR'CHCOOH
СН3СОО~ + RR'CHCOO* + С2Н5ОН
Н+Н+
V
СН3СООН RR'CHCOOH
уксуснаякислотауксуснаякислотадизамещенпаауксуснаякислота
уксуснаякислота
уксуснаякислота
До того как были разработаны методы синтеза на основе эфира малоновой кислоты, расщепление замещенных ацетоуксусных эфиров по рассмотренной схеме имело важное значение для синтеза карбоновых кислот; в некоторых случаях этот метод используется и сейчас. Реакция, обратная конденсации Клайзена, до некоторой степени происходит даже при гидролизе разбавленной щелочью, и поэтому карбоновые кислоты образуются как побочные продукты в синтезе кетонов.
Задача 30.18. Приведите схему синтеза гексанона-2 с помощью ацетоуксусного эфира. Какие кислоты образуются при этом в качестве побочных продуктов? Укажите, каким образом можно очистить нужный кетой. (Не забывайте, что алкилирование проводится в спирте, что образуется NaBr, что для гидролиза используется водное основание и что этиловый спирт образуется при гидролизе.)
.Кето-енольная таутомерия и ацетоуксусный эфир
До сих пор мы изображали структуру ацетоуксусного эфира формулой I, в которой имеется карбэтоксигруппа СООСгН6 и карбонильная группа С=О.
СНз—С—СН2—СООС2Н5
IIо
I
В общем свойства ацетоуксусного эфира согласуются с этой структурой: как сложный эфир это вещество подвергается гидролизу с образованием карбоновой кислоты; как кетон оно реагирует с гидроксиламином, фенилгидразином или синильной кислотой, давая оксим, фенилгидразон или циангидрин.
Но, помимо этого, ацетоуксусный эфир обладает также другими свойствами, причем такими, которые обычно не свойственны сложным эфирам и кетонам. Он реагирует с хлоридом железа(Щ), давая красное окрашивание, аналогично фенолу (разд. 25.22), и мгновенно обесцвечивает раствор брома. Как же объяснить эти неожиданные свойства?
Для того чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим работу, опубликованную в 1911 г. немецким исследователем Людвигом Кнорром (Йенский университет). Кнорр охладил раствор ацетоуксусного эфира в смеси эфир — гексан до —78°C и выделил твердое вещество ст. пл. —39°C, которое оказалось неспособным мгновенно обесцвечивать бром и не давало немедленно красного окрашивания с хлоридом железа(Ш). Когда же Кнорр пропустил сухой
хлористый водород в суспензию натрацетоуксусного эфира в петролейном эфире, то отделилось масло. Это масло мгновенно реагировало с бромом и хлоридом железа(Ш).
Оба эти вещества можно было хранить в течение длительного времени при —78 °C и даже в течение недель при комнатной температуре в отсутствие кислот и оснований. Однако в присутствии кислот или оснований оба вещества быстро превращались в одно и то же вещество — ацетоуксусный эфир.
Ацетоуксусный эфир обладает свойствами соединений двух классов, поскольку он представляет собой смесь двух веществ: кето-формы и енольной формы. Эти формы являются таутомерами и существуют в равновесии друг с другом (разд. 8.13).
СН3—С—СН2—С—ОС2Н5 <гГ_ Н+ + СН3—С—СН^С—ОС2Н5 » III!
ОООО
кето-форма, менее раствори-"’
мая форма-, кристаллизуется"
при —78 °C, реагирует скарбанион
NH2OH'
*=± СН3—С=СН—С—ОС2Н5
III ‘
ОНо
енольная форма, быстрееобразуется при подкислениисоли, реагирует с Вг2
При добавлении, например, гидроксиламина кетосоединение дает оксим; равновесие сдвигается и образуется еще некоторое количество кето-формы, которая также реагирует с гидроксиламином и т. д., пока вся смесь целиком не превратится в оксим. При добавлении брома реагирует енольная форма и равновесие сдвигается, поскольку образуется новая порция енола взамен израсходованного. Таким образом, смеси присущи реакции, характерные для каждого из компонентов.
Итак, Кнорр фактически разделил компоненты таутомерной смеси. При охлаждении раствора ацетоуксусного эфира отделяется менее растворимая компонента, кето-форма; равновесие сдвигается, и так до тех пор, пока практически весь эфир не закристаллизуется. Когда же соль ацетоуксусного эфира обрабатывают кислотой, то ион водорода атакует быстрее кислород карбаниона, а не углерод, что приводит к образованию енольного соединения.
Состав кето-енольных смесей
Каково же соотношение? кетонного и енольного таутомеров ацетоуксусного эфира в равновесной смеси? Один из методов, позволяющих ответить на этот вопрос, был разработан Куртом Мейером (Мюнхенский университет): к смеси кетона и енола добавляют бром до тех пор, пока не прекращается быстрое обесцвечивание; предполагается, что число израсходованных молей брома соответствует числу молей енола, первоначально присутствовавших в смеси. Этот анализ основан на том, что бром реагирует гораздо быстрее с енолом, чем с кетоном, а само бромирование протекает быстрее, чем образование енола из кетона. Метод Курта Мейера был затем улучшен при помощи
модификаций, направленных на уменьшение величины ошибки за счет сдвига равновесия в ходе титрования.
Вг2
СН,—С—СН2—С—ОС2Н5СН3—С=СН—С—ОС2Н5>■
d у||।||очень быстро
ООон о
кето-формаенольная форма
> СН,—С—CH—С—OCgHs + НВг
II I II
О Вг О
бромкетон
Скорость, с которой енол подвергается бромированию, вполне объяснима: электрофильный бром быстро атакует двойную углерод-углеродную связь, давая карбониевый ион I, представляющий собой просто протонированную форму бромкетона.
Вг
сн3—с=сн—с—ос2н5 + Вг2 —> сн3—е—(Ь—с—ос2н5 + вг *=^
IIIIIII
ОНО+ОНо
енольная формаI
Вг
^=^ СН3— С—СН—С—ОС2Н5 + НВг
Жидкий ацетоуксусный эфир содержит около 8% енольного таутомера, чем сильно отличается от простого кетона типа ацетона, который содержит менее 0,001 % енола. Содержание енола в других карбонильных соединениях приведено в табл. 30.2. Как правило, наивысшее содержание енольного таутомера наблюдается для соединений, содержащих две группы С=О, разделенные одним атомом углерода (1,3- или р-дикарбонильные соединения).
Таблица 30.2
Процентное содержание енола в карбонильных соединениях
Название
Формула
Содержание еиола в чистой жидкости, %
Ацетоацетальдегид
СН3ССН2СН
о о
98
Ацетилацетон
СН3ССН2ССН3
II II о о
80
Этилбензонлацетат
c6h5cch2cocj ь, и о
о о
21
Этилацетоацетат
СН3ССН2СОС2Н5
II II о о
8
Ацетон
СН3ССН3 II о
2,5-Ю-4
Причина, по которой енолы дикарбонильных соединений в такой степени более устойчивы (относительно кето-формы) по сравнению с енолами простых карбонильных соединений, не вполне ясна. По-вндимому, два фактора принимают участие в этой стабилизации: во-первых, енол стабилизуется за счет сопряжения двойной углерод-углеродной связи со второй карбонильной группой и, во-вторых, енол может далее стабилизироваться за счет хелатообразования, т. е. вследствие образования внутримолекулярной водородной связи между енольным гидроксилом и второй карбонильной группой (разд. 25.2).
кето-формакето-формаОНООНОенольная форма, сопряжение и хелатообразованиеенольная форма, сопряжение и хелатообразование
кето-форма
кето-форма
ОНО
ОНО
енольная форма, сопряжение и хелатообразование
енольная форма, сопряжение и хелатообразование
1,3- или p-дикарбонильные соединения
Наличие внутримолекулярной водородной связи в еноле, например, ацетоуксусного эфира проявляется в том, что енол, хотя и является спиртом, имеет более низкую температуру кипения, чем кето-форма (ср. с разд. 25.2).
Н
сн3—с—сн2—с—оедсн3—с^ С—ОС2Не
II III II
О ООНо
кето-форма,енольная форма,
т. кип. 40—41 “С/2 мм рт. ст. т. кип. 33°С/2 мм рт. ст.
ацетоуксусный эфир
Задача 30.19. Почему аллиловый спирт (т. кип. 97 °Q имеет более высокую температуру кипения по сравнению с карбонильным соединением того же молекулярного веса, ацетоном (т. кип. 56 °C)?
Задача 30.20. Показатель преломления при 10°С равен 1,4217 для чистой кето-формы этилацетоацетата, 1,4480 для чистой енольной формы и 1,4235 для равновесной смеси. Считая, что существует линейная зависимость между показателем преломления и составом смеси, вычислите процентное содержание енола.
Кислоты и основания и кето-енольная таутомерия
Кислоты и основания чрезвычайно сильно ускоряют взаимопревращение кето- и енольной форм. При рассмотрении приведенных ниже уравнений такое влияние становится вполне понятным.
основаниеоснованиекето форма.кето форма.Таутомерное равновесие, катализируемое основаниями
основание
основание
кето форма.
кето форма.
Н:В + —С-С— 5= :в + —С=С—) основание |оХ.ОН
zuSpud-атон енольная форма, I
Таутомерное равновесие, катализируемое кислотами
НН
I"II
—С—С—+ Н:В ^=5: :В + —С—С—*=^Н:В + —С=С—
II III II
О+ОНон
кето-форма кислотакатион кислота енольная
форма
II*
Основание отрывает ион водорода либо от кето-формы, либо от енольной ормы с образованием гибридного аниона I. Этот анион может далее присоели- нять ион водорода либо по углероду, либо по кислороду с образованием кетоформы или енольной формы соответственно."
Кислота отдает ион водорода либо связи углерод — кислород кето-формы, либо двойной углерод-углеродной связи енольной формы с образованием катиона II. Этот катион может далее отщеплять ион водорода либо от углерода, давая енольную форму, либо от кислорода, давая кето-форму.
По крайней мере в некоторых случаях это взаимопревращение вызывается согласованной атакой кислоты и основания по одной и той же молекуле. (Задача: покажите на формулах, каким образом это происходит.)
Такие реакции кислот и оснований с кетонами очень важны для понимания не только кето-енольной таутомерии, но также (разд. 27.3—27.5) многих других реакций кетонов: галогенирования, обмена водород — дейтерий и рацемизации.
ЗАДАЧИ
1. Напишите структурные формулы основных продуктов, получающихся при взаимо действии в присутствии этилата натрия следующих веществ:
этил-н-бутирата,
этилфеиилацетата,
этилизовалерата,
этилформиата и этилпропиона-
е) этилбеизоата и этилфеиилацетата, ж) этилпропионата и циклогексанона, з) этилфеиилацетата и ацетофенона, и) этилкарбоната и ацетофенона.
та,
д) этилоксалата и этилсукцината,
Что получится из каждого продукта реакций задачи 1 (а—е) при проведении гидролиза и декарбоксилирования и при расщеплении под действием концентрированной щелочи?*
Этилат натрия прибавляют к смеси этилацетата и этилпропионата.
Напишите структурные формулы ожидаемых продуктов реакции.
Может ли эта реакция служить хорошим методом синтеза одного из этих веществ?
4. Приведите схему синтеза следующих соединении из ацетоуксусного эфира и любых
других необходимых реагентов:
метилэтилкетона,
З-этилпентанона-2,
З-этилгексанона-2,
5-метилгептанона-2,
3,6-диметилгептаиона-2,
4-кето-2-метилпентаиовой кислоты,
ж) у-окси-н-валериановой кислоты, з) З-метилгексанола-2, и) 2,5-диметилгептаиа,
Р-метилкапроновой кислоты,
Р-метилмасляной кислоты, м) метиляитарной кислоты, н) гексаидиола-2,5.
5. Укажите все стадии возможного синтеза следующих веществ при помощи конденсации Клайзена, используя любые необходимые реагенты:
а) б) в) г) Д)
С6 Н5СОСН (СН3)СООС2н5, С6Н5СН,СОСН(С6Н5)СООС2Н5, С2Н5ООССОСН(СН3)СООС2Н5, С6Н5СН(СНО)СООС2Н5, (СН3)2СНСОСН2СОСН3,
е) С6Н5СОСН2СОСН3,
6. Напишите стереохимические формулы
ж) 2-бензоилциклогексанона, з) С2Н5ООССН(СНО)СН2СООС2Н5, и) циклопентандиона-1,2 (указание: см. задачу 30.8, стр. 888),
к) СН3СН2СН2СОСООС2Н5 (указание: см. задачу 30.12, стр. 891). продуктов, образующихся в результате сле-
дующих реакций. Покажите, какие из этих продуктов после выделения в чистом виде будут оптически активными, а какие оптически неактивными.
(+)-1-хлор-2-метилбутаи (его конфигурацию см. на стр. 214) + натрацето- уксусиый эфир с последующим гидролизом и декарбоксилированием;
продукт (а) + Н2, Ni;
продукт (а) + C2H6MgBr, затем Н8О;
продукт (в) + РВг3, затем Zn, Н+ > С10Н22;
ответьте на вопрос (а) для (+)-втор-бутилбромида (его конфигурацию см. на стр. 678).
Какое соединение будет получаться, по вашему мнению, при гидролизе 2-карбэтокси- циклопентаиоиа разбавленной щелочью (задача 30.4, стр. 887). Предложите метод синтеза 2-метилциклопентанона.
а) Каким путем можно синтезировать октандион-2,7? (Указание: см. задачу 29.30, стр. 874.) б) В действительности ожидаемый кетон реагирует далее, давая
Каким образом протекает эта последняя реакция? К какому общему типу она относится? в) Каким путем можно синтезировать гептанднон-2,6? г) Что произойдет с этим кетоиом в условиях (б)?
Метнлэтилкетои в конденсации Клайзена в зависимости от условий реакции дает тот или иной продукт, а) Какие соединения при этом образуются? б) Как можно быстро и просто узнать, какой продукт реакции вы получили? (Замечание: используйте в качестве сложного эфира этилбензоат.)
Ацетиленовый эфир СН3—С=С—COOC^Hj можно превратить в этилацетоацетат, а) Каким образом? б) Приведите схему синтеза ацетиленового эфира из ацетилена и любых необходимых реагентов.
Напишите структурные формулы (стереохимические, где это необходимо) для продуктов А и Б.
а)а)Н3С. .СООС^X .нН3С. .СООС^X .н
а)
а)
Н3С. .СООС^
X .н
Н3С. .СООС^
X .н
CI I2COCH3 + C2HBONa, затем Н2О
——> МСтеНцР^, в высокой степени енолизован,
метилэтилкетон + этилоксалат + C2H6ONa» Б (СвН6О3).
Нашему наивному и ленивому студенту из задач 21 и 22, стр. 622, был необходим оксиэфир (СН3)2С(ОН)СН2СООС2Н5. Он снова обратился к реакции Гриньяра, получил метилмагнийиоднд и прибавил его к ацетоуксусному эфиру. Все шло хорошо, даже без нагревания реакционная смесь весело булькала. Обработав тщательно и с большим умением реакционную смесь, он выделил с отличным выходом исходное вещество — ацетоуксусный эфир. Какая реакция происходила? Что вызывало выделение пузырьков?
Структура неролидола (С15Н26О) — терпена, встречающегося в эфирном масле нероли, — была установлена следующим синтезом:
геранилхлорид (RC1) + натрацетоуксусный эфир ■—-> A (RC6HSO3),
А + Ва(ОН)2, затем Н+, нагревание• Б (RC3H5O),
Б + NaC=CH, затем Н2О* В (RC5H7O), восстановление
В*- Г (R5H9O), неролидол.
Напишите структурную формулу неролидола, обозначив геранильную группу символом R.
Основываясь на данных задачи 27, стр. 527, 532, напишите полную структурную формулу неролидола.
Структура ментона (СюН18О) — терпена, встречающегося в масле" перечной мяты, — была впервые установлена синтезом по следующей схеме:
этил-Р-метилпимелат + этилат натрия, затем Н2О* А (С10Н1(.О3),
А + этилат натрия, затем изопропилиодид» Б (СК1Н2,О3), Б + ОН-, нагревание; затем Н+, нагревание» ментон,
Какие структуры ментона согласуются с этим синтезом?
Основываясь на правиле изопрена (разд. 8.25), укажите, какая структура наиболее вероятна.
При восстаиовлеиии в жестких условиях ментон дает zz-ментан, 4-изопропил-1- метилциклогексан. Учитывая это, какая структура или структуры наиболее вероятны для ментона?
а) На рис. ЗОЛ внизу показан ПМР-спектр ацетилацетона СН3СОСН2СОСН3 в СНС13. Помимо показанных сигналов, наблюдается еще небольшой горб е около т — 5(6 15)
примерно тон же площади, что н пик d при т 4,5 (6 5,5). Как вы будете интерпретировать спектр? Какие количественные выводы вы можете из него сделать?
На рис. 30.2 показан ПМР-спектр бензоилацетона С„Н5СОСН2СОСН3. В этом случае имеется дополнительный пик d около т—6 (6 16) примерно такой же площади, что и пик b при т 3,9 (6 6,1). Как вы будете интерпретировать этот спектр? Как вы объясните различие в спектрах на рис. 30.1 и 30.2?
3131ОксикислотыОксикислоты
31
31
Оксикислоты
Оксикислоты
Методы синтеза
+ CN-+ CN-ОкарбоксильноесоединениеОкарбоксильноесоединениеМетоды получения оксикислот различны в зависимости от относительного положения ОН- и СООН-групп. сс-Оксикислоты легче всего образуются через циангидрины
+ CN-
+ CN-
Окарбоксильноесоединение
Окарбоксильноесоединение
I н2о. н+ |> —С—CN*- —С—СООН
ОНон
циангидринсс-оксикислота
Р-Оксикислоты обычно получают по реакции Реформатского, которая будет рассмотрена в следующем разделе, р- и -у-Оксикислоты можно синтезировать из соответствующих р- и -у-кетоэфиров гидрированием, например:
Н2, Ni. 125 °C, 100 атм
СНаСОСН2СООС2Н6»- СН3СНОНСН2СООС2Н5
ацетоуксусный эфирэтил-Р-оксибутират
Н2, №. 100 °C, 100 атм
СН3СОСН2СН2СООС2Н5► СН3СНОНСН2СН2СООС2Н6
этил-у-кетовалератэтил-у-оксивалерат
■у- и 6-Оксикислоты чаще всего образуются из углеводов (разд. 33.6).
В общем эти методы синтеза являются простым приложением уже знакомой нам химии спиртов и кислот: если гидролиз нитрила дает карбоновую кислоту, то гидролиз оксинитрила приводит к оксикислоте; если при восстановлении кетона образуется спирт, то восстановление кетокислоты приводит к оксикислоте.
Физические свойства оксикислот приведены в табл. 31.3.
Задача 31.1. Приведите схемы возможных синтезов следующих оксикислот:
гликолевой (оксиуксусной НОСН2СООН) из уксусной кислоты,
молочной (а-оксипропионовой СН3СНОНСООН — кислота, содержащаяся в кислом молоке) из ацетилена,
а-оксиизомасляной (СН3)2СОНСООН из пропилена,
миндальной (оксифенилуксусиой С6Н6СНОНСООН) из толуола,
у-оксивалериановой СН3СНОНСН2СН2СООН из простых кислот,
у-окси-а-метилвалериановой СН3СНОНСН2СН(СН3)СООН из простых кислот. 1Указание: для (д) и (е) см. задачу 30.10, стр. 891.J
Таблица 31.1
Физические свойства оксикислот
Название
Формула
Т. пл., "С
Растворимость при 25 °C, г/100 г НгО
105 Kt
Гликолевая
(+)-Молочная
НОСН2СООН
СН3СН(ОН)СООН
80
53
Сильно растворима
То же
15
(±)-Молочная
(±)-а-Оксимасляная
СН3СН(ОН)СООН
СН3СН2СН(ОН)СООН
17
43
ОО
14
(±)-Миндальная
(—)-Глицериновая
С6Н5СН(ОН)СООН
НОСН2СН(ОН)СООН
120
22
ОО
43
(—)-Яблочная
НООССН2СН(ОН)СООН
101
Сильно растворима
39
(±)-Яблочная
НООССН2СН(ОН)СООН
130
138
40
(+)-Винная
НООССН(ОН)СН(ОН)СООН
170
147
117
(—)-Винная
НООССН(ОН)СН(ОН)СООН
170
147
117
(±)-Винная
НООССН(ОН)СН(ОН)СООН
205
21
НО
лезо-Винная
НООССН(ОН)СН(ОН)СООН
140
167
77
Лимонная Р-Пропилактон у-Бутиролактон у-Валеролактон
НООССН2С(ОН)(СООН)СН2(СООН)
153 —33 Жидкость —31
240
ОО
74
Методы синтеза ^-оксикислот. Реакция Реформатского
Альдегиды и кетоны реагируют с сс-бромэфирами и металлическим цинком с образованием £-оксиэфиров. Эта реакция, известная под названием реакции Реформатского, — наиболее важный метод синтеза 0 -оксикислот и их производных, например:
СН8СН3
IZn, эфир|Н2О, Н+
СН3—С=О + ВгСН2СООС2Н5 ► СН3—С—СН2СООС2Н5 *-
ацетон этилбромацетатOZnBr
СН3
> СН3—С—СН2СООС2Н5
I
он
этил-Р-оксиизовалерат(этил-З-окси-З-метилбутаноат)
бепзалъбееиабепзалъбееиаСН3IZn-+ ВгСНСООС2Н5 -^■этул-агбрампроппопатСН3IZn-+ ВгСНСООС2Н5 -^■этул-агбрампроппопатН СНз/—V I IyQy—С—СНСООС2Н$онН СНз/—V I IyQy—С—СНСООС2Н$он
бепзалъбееиа
бепзалъбееиа
СН3
IZn-
+ ВгСНСООС2Н5 -^■этул-агбрампроппопат
СН3
IZn-
+ ВгСНСООС2Н5 -^■этул-агбрампроппопат
Н СНз
/—V I I
yQy—С—СНСООС2Н$
он
Н СНз
/—V I I
yQy—С—СНСООС2Н$
он
зтил-р-окси-р-феиил-а.-метилпропиоват
сс-Бромэфир реагирует с цинком в абсолютном эфире с образованием промежуточного цинкорганического соединения, которое далее присоединяется к карбонильной группе альдегида или кетона. Эта реакция цинкорганического производного аналогична реакциям реактива Гриньяра. Цинк используется вместо магния потому, что цинкорганические соединения менее реакционно-
способны, чем реактивы Гриньяра; они не реагируют со сложноэфирной группой, но взаимодействуют с альдегидной или кетонной группами.
ВгСН2СООСаН6 этилбромацетат
Zn —>
BrZnCH2COOC2H6 —
СН3
СН3—А=О —ацетон
СН3
-*- СНа—А— СН2СООСгН8
OZnBr
СН, СНз—i—СН2СООСгН8
этил-Р-окснизовалерат
Реакция Реформатского происходит лишь со сложными эфирами, содержащими атом брома в а-положении, и вследствие этого всегда дает р-оксиэфиры. Выбирая соответствующие сложный эфир и карбонильную компоненту, можно получать самые разнообразные довольно сложные р-оксикислоты.
Подобно Р-оксиальдегидам и Р-оксикетонам (разд. 27.7), Р-оксиэфиры и Р-оксикислоты легко дегидратируются. Образующиеся при этом непредельные соединения (главным образом а,р-непредельные) могут гидрироваться в предельные карбоновые кислоты. Таким образом, реакция Реформатского представляет собой общий метод получения карбоновых кислот и конкурирует с такими методами, как синтез при помощи малонового эфира (разд. 29.9) и конденсация Перкина (разд. 27.10).
R'R"
II
R—С=О + BrCCOOCjjHsR,R ,R” = Н, алкил или арил
|zn
1н+
R' R"R' R"R' R"
I I-H2O IIНг. Ni I I
R—С—С—СООСгН6 > R—С=С—СООСгН5 > R—С—С—COOQH,
II
НО нНН
^гидролиз
R' R"
R—С—С—СООН
Основная задача при планировании синтеза по Реформатскому — правильный выбор исходных веществ, для чего достаточно рассмотреть структуру целевого продукта, например:
Нужная кислота н,с н
Требуются
R=CH3—
Исходные вещества
СН,н
СН,—СН—СН—СООН
R' = СН,—
R" = Н—
СН,—С=О + Вг—СНСООСгН,
н СНе
R=C.He-
НСН,
С«Н6—С—С—СООН
1 1 н н
R'= Н— 'R" = CH,—
'С,Н6С=О + ВгСНСООСгН,
Задача 31.2. Приведите схему синтеза следующих кислот при помощи указанных методов:
н-валериановой кислоты: реакция Реформатского, синтез при помощи малонового эфира;
а,у-диметилвалериановой кислоты: реакция Реформатского, синтез при помощи малонового эфира;
коричной кислоты: реакция Реформатского, Перкина, Киёвеиагеля (см. задачу 29.31, стр. 874)."'
Задача 31.3. Если в реакции Реформатского используется эфир типа а-бромизобутирата, то образующийся Р-оксиэфир не может дать а,Р-непредельный эфир при дегидратации. Что же при этом получится? Будет ли иметь значение это различие, если конечной целью синтеза будет насыщенная кислота?
Задача 31.4. Приведите схему синтеза следующих веществ, исходя из бензальдегида и этилбромацетата:a) СвН5СН2СН2СООН, б) СвН5СН2СН2СНО и
в) СвНвСНгСНеСНвСНаСООН. '"*‘-
Дегидратация. Образование лактона
Для оксикислот разных типов дегидратация протекает различным образом: характер образующегося из данной кислоты продукта зависит от положения ОН-группы относительно СООН-группы.
Выше уже говорилось о том, что 0-оксикислоты или 0 -оксиэфиры (подобно 0-оксиальдегидам или 0-оксикетонам, разд. 27.7) отщепляют воду чрезвычайно легко, давая непредельные соединения. Дегидратация может происходить при нагревании с кислотой; многие оксисоединения теряют воду спонтан-
Н R'HR'
||кислота, нагревание I I
R—С—С—СООН•- R—С=С—СООН + Н2О
I"
ОН н
р-оксикислотаа,0-непредельная кислота,
основной продукт реакции
но, при перегонке. Хотя основным продуктом обычно является а,0-непредельное соединение, получается также значительное количество 0 ,у-непределыюго соединения. (Существенно ли это при синтезе насыщенных карбоновых кислот?) Чистые а,0-непредельные кислоты лучше получать дегидрогалогенированием а-галогенкислот.
При нагревании а-оксикислоты она отщепляет воду и вступает в реакцию этерификации, которая осуществляется таким образом, что образуется шестичленное кольцо. Получающийся продукт называют лактидом [название произошло от названия важнейшей а-оксикислоты, молочной кислоты СН3СН(ОН)СООН1.
а-оксикислота, 2 моляа-оксикислота, 2 молялактид ^циклический афир'. шестичленное кольцо)лактид ^циклический афир'. шестичленное кольцо)
а-оксикислота, 2 моля
а-оксикислота, 2 моля
лактид ^циклический афир'. шестичленное кольцо)
лактид ^циклический афир'. шестичленное кольцо)
у- или 6-Оксикислоты также теряют воду при этерификации, но реакция происходит внутримолекулярно и дает циклический эфир, известный под названием лактона. В этом случае ход реакции также определяется тенденцией к образованию пяти- или шестичленных циклов. Лактонизация происходит спонтанно, и образуется равновесная смесь, состоящая в основном из лактона;
клической соли. Мы еще встретимся с (разд. 33.8).клической соли. Мы еще встретимся с (разд. 33.8).RCHCH2CH2COO-Na+ОНсоль у-оксикнслотыRCHCH2CH2COO-Na+ОНсоль у-оксикнслотыRCHCH2CH2CH2COO~Na+ IОНсоль ё-окспкислотыRCHCH2CH2CH2COO~Na+ IОНсоль ё-окспкислоты
клической соли. Мы еще встретимся с (разд. 33.8).
клической соли. Мы еще встретимся с (разд. 33.8).
RCHCH2CH2COO-Na+
ОН
соль у-оксикнслоты
RCHCH2CH2COO-Na+
ОН
соль у-оксикнслоты
RCHCH2CH2CH2COO~Na+ I
ОН
соль ё-окспкислоты
RCHCH2CH2CH2COO~Na+ I
ОН
соль ё-окспкислоты
при обработке этой смеси основанием (по сути дела — реакция омыления сложного эфира) лактонное кольцо легко раскрывается с образованием аци
лактонами при изучении углеводов
О
II
С
Н+ Н^ ХО
он Н2СCHR
у-лактон
(циклический эфир-.
пятичленное кольцо)
н2с—с^°
н+ / \
¥=2: Н2С О
ОН 2 \ у
Н,С—CHR
6-лактон
(циклический эфир".
шестичленное кольцо)
Задача 31.5. При нагревании 10-оксидекановой кислоты образуется соединение с высоким молекулярным весом (1000—9000). Какова структура этого продукта?
Задача 31.6. Предскажите, какое соединение образуется при взаимодействии у-бутиро- лактона а) с аммиаком, б) с LiAlH4 и в) с С2НЕОН + H2SO4.
Задача 31.7. Поскольку аминокислоты ведут себя аналогично оксикислотам, предскажите структуры продуктов, которые образуются при нагревании следующих аминокислот: а) а-аминокислоты (глицина) H2NCH2COOH> C4H6N2O^ (дикетопиперазин); б) Р-аминокислоты CH3CH(NH2)CH2COOH ——> С4НеО2;
у-аминокислоты CH4CH(NH2)CH2CH2COOH> C6HSNO (лактам);
б-аминокислоты H2NCH2CH2CH2CH2COOH> С6Н8МО (лактам).
Стереохимия оксикислот
Изучение оксикислот имело исключительно большое значение для развития стереохимии. Многие оксикислоты можно выделить в оптически активной форме из биологических источников. Они представляли особый интерес для химиков вследствие их родства с углеводами.
В 1848 г. Луи Пастер, затратив много труда, с помощью лупы и пинцета разделил некоторое количество натрий-аммониевой соли рацемической винной кислоты НООССН(ОН)СН(ОН)СООН на две порции кристаллов, являющихся зеркальным изображением друг друга; таким образом, он впервые осуществил разделение рацемической модификации и пришел к открытию энантиомерии. Почти через сто лет в 1949 г. Бийо методом рентгеноструктурного анализа (и тоже затратив много труда) установил действительное расположение в пространстве атомов натрий-рубидиевой соли (+)-винной кислоты и тем самым впервые определил абсолютную конфигурацию оптически активного вещества.
соон
соон
(-М-винная кислота
сн2онсн2он1тз-глицериновый альдегид1тз-глицериновый альдегидпL- глицериновый альдегидпL- глицериновый альдегид
сн2он
сн2он
1
тз-глицериновый альдегид
1
тз-глицериновый альдегид
п
L- глицериновый альдегид
п
L- глицериновый альдегид
Первый пример обращения конфигурации, открытый Вальденом в 1895 г., включал получение яблочной кислоты НООССН2СН(ОН)СООН.
В последующих разделах на примере оксикислот мы познакомимся несколько подробнее с принципами стереохимии,
Оптические ряды. Глицериновый альдегид
Как мы уже могли убедиться, в большинстве случаев применения стереохимии исходят из относительных конфигураций различных соединений, а не из абсолютных конфигураций. Чаще всего нас интересует, одинакова или различна конфигурация реагентов и продуктов, а не их абсолютная конфигурация.
До того момента, когда была впервые определена абсолютная конфигурация, существовала задача не только определения относительной конфигурации различных оптически активных соединений, но также и обозначения установленных конфигураций. Эта проблема была особенно насущной для углеводов — чрезвычайно важного класса полиоксиальдегидов и полиоксикетонов (гл. 33).
В качестве стандарта был избран глицериновый альдегид НОСН2СН(ОН)СНО, поскольку он является простейшим полиоксикарбониль- ным соединением, способным к оптической изомерии. Его конфигурацию можно было связать с конфигурацией углеводов, а поскольку он содержит очень реакционноспособные функциональные группы, то его можно было превратить во множество других типов органических соединений и тем самым установить взаимозависимость между их конфигурациями. (+)-Глицериновому альдегиду была произвольно приписана конфигурация 1 и обозначение D-глицериновый альдегид, а (—)-глицериновому альдегиду — конфигурация II и обозначение ь-глицериновый альдегид. Отнесение конфигураций вызывалось
сн2он
соображениями удобства, и с равной вероятностью можно было бы принять обратные обозначения. Однако впоследствии оказалось, что произвольно принятые конфигурации соответствуют истинным абсолютным конфигурациям.
Для других соединений можно установить связь их конфигураций с конфигурацией того или другого глицеринового альдегида при помощи реакций, в ходе которых не происходит разрыва связей с асимметрическим атомом углерода (разд. 7.2). На основании приписанных конфигураций глицеринового альдегида этим соединениям также можно было приписать конфигурацию. Оказалось, что эти конфигурации также являются истинными абсолютными конфигурациями; однако независимо от этого на протяжеНйи многих лет они служили удобным способом для обозначения структурных взаимосвязей (см., например, рис. 31.1).
Установив таким образом зависимость между конфигурациями, соединениям, связанным с D-глицериновым альдегидом, приписали конфигурацию о, а соединениям, связанным с ь-глицериновым альдегидом, — конфигурацию ь. Символы оиь, таким образом, относятся к конфигурации, а не к знаку вращения, и мы имеем, например, d-(— )-глицериновую кислоту и ь-(+)-молочную
кислоту. (Часто можно встретить обозначение d и I, но их значение не всегда ясно. В настоящее время они обычно обозначают знак вращения; в литературе прошлых лет они относились к оптическим рядам. Именно из-за этой путаницы были введены символы о и ь.)
К сожалению, обозначения d и L ие лишены двусмысленности. Устанавливая связь глицеринового альдегида и молочной кислоты, мы можем осуществить последовательность стадий, в ходе которой не СНО-, а СН2ОН-группа будет превращена в СООН-группу.
сн2онсн2онвосстановление>восстановление>окисление >окисление >(+ Упропаибиол- /,2(+ Упропаибиол- /,2соонсоон(,+У молочная кислота(,+У молочная кислота(+Углицериновый алъоегид(+Углицериновый алъоегид
сн2он
сн2он
восстановление>
восстановление>
окисление >
окисление >
(+ Упропаибиол- /,2
(+ Упропаибиол- /,2
соон
соон
(,+У молочная кислота
(,+У молочная кислота
(+Углицериновый алъоегид
(+Углицериновый алъоегид
При помощи этих реакций (+)-глицериновый альдегид будет превращен в (+)-молоч- ную кислоту; в результате ранее показанных реакций (+)-глицериновый альдегид превращался в (—)-молочную кислоту. Поэтому кажется, что в зависимости от избранной схемы превращения можно обозначать любой из изомеров молочной кислоты как D-молочную кислоту. Первая схема превращений — более прямая и именно ее договорились считать определяющей. Следует отметить, что, несмотря на двусмысленность, связанную с использованием обозначений D и l, не существует никакой двусмысленности в определении конфигурационных взаимоотношений; мы придем к совершенно правильной конфигурации для (+)- и (—)-молочных кислот независимо от пути, которым воспользуемся.
Символы R и S позволяют однозначно указывать абсолютную конфигурацию веществ, поскольку их использование не связано с определением относительной конфигурации. Но именно вследствие этого такие символы ничего не говорят о конфигурационной взаимосвязи между двумя веществами; в каждом случае необходимо непосредственно сравнивать конфигурации.
сносноснгонснгонВГ,, Н;ОВГ,, Н;ОВ - (—) - глицериновая кислотаВ - (—) - глицериновая кислотаD- (+ УглицериновыйальдегидD- (+ УглицериновыйальдегидТ>Ц.—Умолотная кислотаТ>Ц.—Умолотная кислотаВ-(—УЗ-бром-2- оксипропановая кислотаВ-(—УЗ-бром-2- оксипропановая кислотатЦУУэфиртЦУУэфир
сно
сно
снгон
снгон
ВГ,, Н;О
ВГ,, Н;О
В - (—) - глицериновая кислота
В - (—) - глицериновая кислота
D- (+ Углицериновыйальдегид
D- (+ Углицериновыйальдегид
Т>Ц.—Умолотная кислота
Т>Ц.—Умолотная кислота
В-(—УЗ-бром-2- оксипропановая кислота
В-(—УЗ-бром-2- оксипропановая кислота
тЦУУэфир
тЦУУэфир
Рис. 31.1. Связь конфигураций с конфигурацией глицеринового альдегида.
С другой стороны, обозначенияd hl не говорят ничего о конфигурации соединений, если нам неизвестен путь, при помощи которого устанавливалась конфигурационная взаимосвязь. Однако существует ряд общепринятых условных правил, особенно в случае углеводов (гл. 33), благодаря которым эти обозначения чрезвычайно полезны.
Задача 31.8. Каким символом (R или S) вы обозначите следующие соединения: a) D- (+)-глицерииовый альдегид, б) d-(—)-глицериновую кислоту, в) d-(—)-3-бром-2-окси- •пропиоиовую кислоту и г) d-(—)-молочную кислоту?
Задача 31.9. Превращение ь-(+)-молочной кислоты в (+)-бутаиол-2 было осуществлено по следующей схеме:
С2Н5ОН. H2SO4 Na, СоЩОН НВг ь-(+)-молочная кислота>- А>■ Б >-В,
KGN Н2О, НС1, нагревание СН3ОН, НС1 Na. СН3СООН
В >- Г> Д>- Е>- Ж
HIH2,Pd
Ж ** 3 >- (+)-бутанол-2.
Какова абсолютная конфигурация (+)-бутанола-2?
Винная кислота.
Относительные конфигурации
Теперь познакомимся с тем, каким именно образом винные кислоты НООССН(ОН)СН(ОН)СООН были конфигурационно связаны с глицериновым альдегидом. При этом мы сможем вспомнить все, что знаем о создании асимметрического атома углерода в соединении, уже являющемся оптически активным (разд. 7.8), и в то же время познакомиться с последовательностью реакций, которые будут широко использоваться при рассмотрении углеводов (гл. 33).
Частный случай, выбранный для рассмотрения, сам по себе очень важен; когда в 1949 г. была установлена абсолютная конфигурация винной кислоты, то знание ее взаимоотношения с глицериновым альдегидом позволило определить абсолютные конфигурации множества оптически активных соединений.
Винную кислоту можно получить из глицеринового альдегида при помощи метода, обычно применяемого для синтеза а-оксикислот (образование и гидролиз циангидридов) с последующим окислением азотной кислотой
CN
соо-
соон
сно
1
iCN~. н+
СНОН Ва(ОН)2
снон
HNO3 снон
снон ►
1>■
1
—*- 1
СНОН
снон
снон
СН2ОН
1
1
СН2ОН
сн2он
соон
глицериновый
винная
альдегид
кислота
При присоединении цианистого водорода к карбонильной группе D-глицеринового альдегида возникает новый асимметрический центр. Возможны две конфигурации относительно этого центра, приводящие к изомерам I и II (рис. 31.2). Конфигурации этих соединений остались неизмененными относительно исходного асимметрического углерода, и изомеры I и II различаются лишь конфигурацией относительно нового асимметрического атома углерода. Соединения 1 и 11 нельзя совместить друг с другом, и они не являются зеркальными изображениями; поэтому они должны быть диастереомерами.
Если рассмотреть модели для (+)-глицеринового альдегида, то становится очевидным, что образование одной из двух конфигураций будет зависеть от того, с какой стороны происходит атака цианид-иона по карбонильной группе. Поскольку образуются оба изомера I и II, следовательно, цианид-ион
присоединятся как с одной стороны, так и с другой; изомеры I и II получаются в неодинаковых количествах в соотношении примерно 1 : 3, т. е. атака с одной и атака с другой стороны не являются равновероятными. Это вполне понятно: из-за наличия асимметрического атома углерода в молекуле как переходные состояния, так и продукты реакции будут диастереомерами и поэтому будут обладать различной энергией.
Завершение синтеза — гидролиз диастереомерных циангидринов (I и II) в диастереомерные оксикислоты и окисление их азотной кислотой — должно привести к диастереомерным винным кислотам (III и IV). Поскольку последние являются диастереомерами, они должны иметь различные физические свойства и их можно разделить обычными методами очистки, в данном случае дробной кристаллизацией солей. Кислота III представляет собой л/езо-форму, т. е.
«%Г«%Г
«%Г
«%Г
соонсоонсоонсоонсн2онСН2ОНсн2онСН2ОННМО,HNOjНМО,HNOj
соонсоон
соонсоон
сн2онСН2ОН
сн2онСН2ОН
НМО,HNOj
НМО,HNOj
мезо-винная кислотаD-(—увинная кислота
Рис. 31.2. Превращение D-глицеринового альдегида в винные кислоты.
одна из полученных винных кислот должна быть оптически неактивной. Поскольку кислота IV не совпадает со своим зеркальным изображением, другая полученная кислота должна обнаруживать оптическую активность.
Когда эти реакции были действительно проведены (в 1917 г.), то исходя из о-глицеринового альдегида были получены два вещества, из которых одно было оптически неактивным, а другое вращало плоскость поляризации влево. Полученная таким образом активная (—)-винная кислота должна иметь конфигурацию IV, а поскольку она связана с D-глицериновым альдегидом, то ее следовало обозначить как d-(—)-винную кислоту.
Задача 31.10. а) Напишите аналогичную схему реакций, исходя из ь-(—)-глицерииового альдегида. Каковы будут относительные количества диастереомерных циангидринов? Что вы можете сказать об оптической активности или иеактивности циангидринов, мо- иокарбоиовых кислот и полученных винных кислот?
Напишите аналогичную схему реакций, исходя из (±)-глицерииового альдегида. Как вы объясните, что образуются только оптически неактивные соединения, несмотря на то- что из каждого энантиомера глицеринового альдегида получаются неравные количества диастереомерных циангидринов?
Исходя из принятой конфигурации о-(+)-глицеринового альдегида, мы получим, что ь-(4-)-винная кислота, энантиомер d-(—)-винной кислоты, должна иметь конфигурацию V, представляющую собой зеркальное изображение конфигурации IV. Когда Бийо определил абсолютную конфигурацию (+)-вин- ной кислоты, он обнаружил, что она действительно соответствует той, которая была для нее постулирована ранее. Принятые конфигурации глицериновых альдегидов, а отсюда и конфигурации, принятые для всех веществ, связанных с ними, оказались их истинными конфигурациями.
соонсоонсоонсоон
соон
соон
соон
соон
СООННОННОНСООНIV£>-(—увинная кислотаСООННОННОНСООНIV£>-(—увинная кислотаСООННОННОНСООНvЬ-^+увинная кислотаСООННОННОНСООНvЬ-^+увинная кислота
СООН
НОН
НОН
СООН
IV
£>-(—увинная кислота
СООН
НОН
НОН
СООН
IV
£>-(—увинная кислота
СООН
НОН
НОН
СООН
v
Ь-^+увинная кислота
СООН
НОН
НОН
СООН
v
Ь-^+увинная кислота
Даже обозначения винных кислот не свободны от двусмысленности. В этой книге мы будем считать для винных кислот и углеводов (разд. 33.13), что СНО-группа глицеринового альдегида является местом, откуда начинается наращивание цепи по циан- гидринной реакции. Однако некоторые химики рассматривают виииые кислоты так же, как аминокислоты, считая, что СООН-группа образуется из СНО-группы глицеринового альдегида, и обозначая (—)-винную кислоту символом ь. а (+)-винную кислоту символом D.
Независимо от того, каким из этих условностей следовать, остается неизменным то, что (—)- и (+)-вииные кислоты и (—)- и (+)-глицериновые альдегиды имеют абсолютные конфигурации, ноказанные выше и на стр. 905.
Задача 31.11. Обозначьте по R,S-системе следующие кислоты: а) (—)-винную, б) (+)- винную и в) лгзо-виииую.
Задача 31.12. В гл. 28 были рассмотрены изомерные бутандиолы-2,3. Это d-(—)-, L-(+)- и мезо-бутандиолы-2,3. Напишите их структурные формулы в соответствии с названиями. Задача 31.13. Сколько стереоизомеров может существовать для соединения с формулой НОСН2СН(ОН)СН(ОН)СН2ОН? Какие из них относятся к D-ряду, какие — к L-ряду, а какие нельзя отнести ии к одному из рядов? Какую винную кислоту даст каждый из изомеров при окислении?
Задача 31.14. Сколько стереоизомеров может существовать для соединения с формулой НОСН2СН(ОН)СН(ОН)СНО? Какие из иих относятся к D-ряду, какие — к t-ряДУ, а какие нельзя отнести ии к одному из этих рядов? Какую винную кислоту даст каждый из изомеров при окислении?
ЗАДАЧИ
Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно получит ь молочную кис
лоту из следующих веществ:
ацетальдегида,в) пировиноградной кислоты (а-кето-
пропионовой кислоты,пропионовая кислота),
г) пропилеигликоля.
Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно получить Р-оксимаслянук> кислоту из следующих веществ, используя в каждом случае разные пути синтеза:
этилацетата,г) пропилена,
ацетальдегида,д) масляной кислоты (указание; см.
уксусной кислоты и ацетальдегида,разд. 32.5).
Укажите все стадии синтеза а-метил-Р-фенилпропионовой кислоты при помощи следующих реакций:
реакции Реформатского,в) синтеза при помощи малонового
реакции Перкина,эфира,
г) перекрестной альдольной конденса
ции.
Предскажите, какие продукты образуются при нагревании следующих кислот:
а-оксиизомасляной,е) Р-окси-Р-феиилпропионовой,
Р-метил-у-оксивалериаиовой,ж)о-НООСС6Н4СН2ОН,
3-оксигексановой,з)молочной,
6-оксивалериановой,и)яблочной (—*С4Н2О3),
гликолевой,к)Р-оксиглутаровой (—*C6H4O3)i.
Напишите структурные формулы соединений А — С.
этилоксалат + этилацетат + этилат натрия* А (С8Н12О5), А + этилбромацетат + Zn, затем Н2О* Б (С12Н20О7), Б + ОН + нагревание, затем Н+* В (С6Н8О7);
адипиновая кислота + этиловый спирт+ Н+» Г (CgH14O4), Г + Na + С2НБОН> Д (С8Н12О3);
глицерин + НС1 * Е (С3Н8ОС12),
Е + NaOCl> СНС13,
Е + Na2Cr2O, + H2SO4* Ж (СзН4ОС12),
Ж + CN~, Н+* 3 (C4H5ONC12),
3 + KCN* И (C6HBON3),
И + Н2О, нагревание> К (СеН8О7);
салициловый альдегид + уксусный ангидрид -р ацетат натрия + нагревание, затем Н+* Л (СиН10О4),
Л + Н2О, Н+, нагревание-> [М (С8Н8О3)]* Н (С8Н6Ог), кумарин;
гептаналь (гептиловый альдегид) + этилбромацетат + Zn, затем Н2О> » О (СПН22О3),
О + СгО3 в ледяной уксусной кислоте> П (CyH^Og), П + этилат натрия, затем бензилхлорид * Р (С18Н26О3), Р + ОН-, нагревание; затем Н+, слабое нагревание> С (С1БН22О).
Как вы объясните образование у-метнлпараконовой кислоты при реакции ацетальдегида с янтарной кислотой?
COQH
ИОННОНС6Н5RИОННОНС6Н5R2-кетпо-3-окси6иги6ро6ензо(руран2-кетпо-3-окси6иги6ро6ензо(рурансн3—нс—сн—соонсн2со"у-метилпараконова.я кислота.сн3—нс—сн—соонсн2со"у-метилпараконова.я кислота.
ИОН
НОН
С6Н5R
ИОН
НОН
С6Н5R
2-кетпо-3-окси6иги6ро6ензо(руран
2-кетпо-3-окси6иги6ро6ензо(руран
сн3—нс—сн—соонсн2
с
о
"у-метилпараконова.я кислота.
сн3—нс—сн—соонсн2
с
о
"у-метилпараконова.я кислота.
Приведите схемы возможных лабораторных синтезов следующих веществ из бензола, толуола, спиртов С, — С4 и доступных неразветвленных монокарбоновых кислот; используйте любые необходимые неорганические реагенты:
2,3-диметилпентен-2-овой кислоты,
З-окси-4-фенилбутановой кислоты,
рацемической эритро-2,3-диокси-З-фенилпропановой кислоты (R и его энантиомер) (указание', альдольная конденсация и ее варианты обычно дают транс-изомеры), г) а,а-диметилкапроновой кислоты, д) л-оксибензойной кислоты,
2-кето-З-оксидигидробензофурана.
Напишите стереохимические формулы соединений А — У. Каждое из них может быть смесью стереоизомеров. Отметьте все лезо-соединения и рацемические модификации; укажите число фракций, получаемых из каждой смеси обычными способами разделения:
этиленгликоль + Си, воздух, нагревание» k (CjHjOj),
А + CN-+ Н+> Б(С4Н4ад,
б + н2о, н+ —» в (С4нво„);
рацемическая Р-броммасляная кислота + 1 моль Вг2, Р> Г (С4НвО2Вг8);
бензальдегид + ацетофенон + основание♦ Д (шранс-С16Н12О),
Д + NaBH4, затем Н2О• Е (mpa«c-Ct5H14O),
Е + холодный разб. КМпО4» Ж (С15Н18О3);
лезо-винная кислота + 1 моль этилового спирта, Н+ > 3 (С8Н10О8);
L-винная кислота + 1 моль уксусного ангидрида » И (С6Н8О7);
фумаровая кислота + надмуравьиная кислота♦ К (С4Н8ОВ);
кислый метилфумарат + надмуравьиная кислота* Л (С5Н8ОВ);
(—)-М + CN , Н+, затем Ва(ОН)2; затем> Н (С5Н10Ов); Н + HNOS> > О (СЬН8О7);
сносно
н—онно—н
н—онн—он
СН2ОНСН2ОН
(-)-М(~Уп
(—)П + CN-, Н-; затем Ва(ОН)2; затем Н+* Р (С5Н10Ов),
Р + HNO3> С (С5Н8О7);_ sNa
бензидин + 2 моля (—)-втор-бутилхлорида, затем ОН > Т (Cj>0H28N2);
чис-циклогексан- 1,2-дикарбоновая кислота + 2 моля (±)-втор-бутилового спирта + Н+> У (С]ВН28О4).
В задаче 13, стр. 856, мы вывели некоторые возможные структуры для (—)-треозы и (—)-эритрозы. Используйте приведенные ниже дополнительные данные и выведите окончательную структурную формулу этих соединений.
При окислении азотной кислотой (—)-треоза превращается в (—)-винную кислоту, а (—)-эритроза — в лезо-винную кислоту.
Если о-глицериновый альдегид обработать цианидом, а продукт подвергнуть гидролизу, то получатся две монокарбоновые кислоты (разд. 31.6). Эти кислоты идентичны кислотам, получаемым при окислении (—)-треозы и (—)-эритрозы бромной водой. 10. Каждый из следующих синтезов приводит к 2,3-диоксибутановой кислоте. Конечный продукт реакции разделяется тщательной фракционной перегонкой или кристаллизацией. Укажите, сколько отдельных фракций можно получить. Напишите стереохимическую формулу или формулы соединений, составляющих каждую фракцию; укажите, будет ли каждая из полученных фракций оптически активной или неактивной:
рацемический СН3СНОНСНО + CN-, Н+; затем Н2О, Н+;
l-CH3CHOHCHO + CN-, Н+; затем Н2О, Н+;
транс-СН3СН=СНСООН + надмуравьиная кислота;
смесь цис- и транс-СН3СН=СНСООН + холодный щелочной КМпО4.
Р-Лактоны нельзя получать нз Р-оксикислот. Однако Р-лактон (I) был получен пр» обработке малеата натрия (или фумарата натрия) бромной водой
СНСОО-
"ООС—СН=СН—СОО- + Вг2♦ О^ ^СНВг
Этот эксперимент, опубликованный П. Бартлетом и Д. Тарбеллом (Гарвардский университет) в 1937 г., явился важным этапом в выяснении механизма присоединения галогенов к двойным углерод-углеродным связям. Почему? Как вы объясните факт образования Р-лактонов?
а) Напишите структурные формулы всех стереоизомеров хлоряблочной кислоты НООССН(ОН)СНС1СООН.
Напишите структурные формулы стереоизомеров винной кислоты (или кислот), образующихся из каждого из изомеров хлор яблочных кислот в результате следующей последовательности реакций (указание-, см. разд. 28.10):
ОН-НгО
НООССН(ОН)СНС1СООН >- НООС—CH—CH—СООН > Винная кислота.
Ответьте на вопрос (б) для реакции
Н2о
НООССН(ОН)СНС1СООН *- НООССН(ОН)СН(ОП)СООН.
Обработка пентандиона-2,4 KCN и уксусной кислотой с последующим гидролизом дает два соединения (А и Б). Оба они являются дикарбоновыми кислотами с формулой С7Н12ОВ. Соединение А плавится при 98 °C. При нагревании соединение Б дает сначала лактонную кислоту (С7Н10О5, т. пл. 90 °C), а затем дилактон (С;Н8О4, т. пл. 105 °C).
а) Какую структуру должен иметь продукт Б — структуру, которая обусловливает легкость образования как моно-, так и дилактонов? б) Какова структура соединения А? (Указание-, используйте модели.)
Структура камфороновой кислоты (продукт расщепления терпена камфоры) была установлена на основании следующего синтеза:
CaHsONa СН31 натрацетоуксусиый эфир + СН31> А>- ► Б (С8Н14О3),
Б + этилбромацетат + Zn, затем Н2О> В (С12Н22О5), В + РС15, затем KCN» Г (C13H21O4N), Г + Н2О, Н+, нагревание камфороновая кислота (С9Н14О8).
Какова структура камфороиовой кислоты?
Пантотеновая кислота C9H17O5N—ростовой фактор дрожжей и бактерий; ее роль в питании человека пока еще не выяснена. Она реагирует с разбавленным NaOH, давая CsHleO6NNa, с этиловым спиртом, образуя CnH21O5N, с горячим NaOH, давая соединение Д (см. ниже) и 0-аминопропионовую кислоту. Ее атом азота не обладает основными свойствами.
Пантотеновая кислота была синтезирована следующим образом: изомасляный альдегид + формальдегид + К2СО3* А (С5Н10О2), А + NaHSO3, затем KCN* Б (CeHnO2N), Б + Н2О, Н+, нагревание —-» [В (С8Н12О4)] ——> Г (С8Н10О3), Г + NaOH (води.), тепло > Д (C8HnO4Na),
Г + Р-аминопропионат натрия, затем Н+» пантотеновая кислота (CgH17O5N).
Какова структура пантотеновой кислоты?
Предложите путь синтеза Р-аминопропионовой кислоты (р-аланина) из янтарного ангидрида (указание: см. разд. 29.8).
При окислении терпена а-терпинеола образуются теребовая и терпениловая кислоты. Их структура была впервые установлена следующими синтезами:
этилхлорацетат + натрацетоуксусиый эфир» А (С10Н1вО5),
А + 1 моль CH3MgI, затем Н2О> Б (СцН^Ой),
Б + ОН", Н2О, нагревание, затем Н+ ——> [В (С7Н12О5)1> теребовая кис
лота (С7Н10О4),
А + этилат натрия, затем этилхлорацетат-* Г (C14H22Oj), Г + ОН", затем Н+, слабое нагревание> Д (QH^Og), Д + этиловый спирт, Н+» Е (СцН18О5), Е+ 1 моль CH3MgI, затем Н2О* Ж (С12Н22О5),
Ж + ОН", Н2О, нагревание, затем Н+> [3 (С6Н14ОЬ)]> терпениловая
кислота (QH12O4).
Каковы структуры теребовой и терпениловой кислот?
Изопентенилпирофосфат, предшественник изопренового звена в природе (разд. 8.25), образуется ферментативным путем из пирофосфата мевалоновой кислоты под действием
АТФ (аденозинтрифосфат) и иона Мп2+
СН2—ОФФСН2—ОФФСН2—ОФФ
(ФФ—пирофосфатнаягруппа)(ФФ—пирофосфатнаягруппа)сн2сн2сн2
(ФФ—пирофосфатнаягруппа)
(ФФ—пирофосфатнаягруппа)
IАТФ||
сн3—с—он—-> СН3—С—ОРО3Н2—> с
I №2+ I/ ^
СН2СООНСН2СООН сн3 сн2
мевалоновая кислота, 5-пирофосфатмевалоновая кислота, 5-пирофосфатмевалоновая кислота, изопентенилпиро-
мевалоновая кислота, 5-пирофосфат
мевалоновая кислота, 5-пирофосфат
5-пирофосфат-З-фосфат фосфат
Предполагается, что функция АТФ состоит в фосфорилировании пирофосфата мевалоновой кислоты в положении 3.
Что же происходит на последней стадии этого превращения? Почему 3-фосфат подвергается этой реакции легче, чем 3-оксисоединение?
58-256
3232соединениясоединения«, ^-Непредельные карбонильные
32
32
соединения
соединения
Структура и свойства
Обычно соединение, содержащее двойную углерод-углеродную связь и карбонильную группу, проявляет свойства, характерные для обеих функциональных групп. Непредельный сложный эфир или непредельный кетон по двойной углерод-углеродной связи вступают в реакции электрофильного присоединения кислот и галогенов, гидрирования, гидроксилирования и расщепления; по карбонильной группе они участвуют в реакциях нуклеофильного замещения, типичных для сложных эфиров, или нуклеофильного присоединения, типичных для кетонов.
Задача 32.1. Какие продукты образуются в следующих реакциях?
СН3СН=СНСООН + Н2 + Pt,
СН3СН=СНСООС2Н5 + ОН' Ц- Н2О + нагревание,
СвН5СН=СНСОСН3 + Вг2/СС14,
СВН5СН=СНСОСН3 + 12 + ОН",
СН3СН=СНСНО + CeH5NHNH2 + кислый катализатор,
СН3СН=СНСНО + A?(NH3)|,
С6Н5СН=СНСОСвН5 + О3, с последующей обработкой Zn + Н2О,
СН3СН=СНСНО + избыток Н2 + Ni, нагревание, давление.
Задача 32.2. На основании приведенных фактов укажите, что собой представляют соединения А, Б и В.
Коричный альдегид (С6Н5СН=СНСНО) + Н2 + Ni, низкая температура, давление * А.
Коричный альдегид + Н2 + Ni, высокая температура, давление* Б.
Коричный альдегид + NaBH4, затем Н+——» В.
А Б В
Пробас КМпО4+—+
Пробас Вг2/СС14——+
ПробаТолленса+——
Пробас NaHSO3+——
В а,Р-непредельных карбонильных соединениях двойные связи углерод — углерод и углерод — кислород разделены одной простой связью, т. е. двойные связи сопряжены.
В а
1 । 1
—С=С—С=Оа,р-Непредельные карбонильные
соединения, сопряженная система
Вследствие сопряжения подобные соединения проявляют не только свойства отдельных функциональных групп, но и некоторые другие свойства. В настоящей главе основное внимание будет уделено рассмотрению а,0-непредельных соединений и особых реакций, характерных для сопряженных систем.
Таблица 32.1
Физические свойства а,^-непредельных карбонильных соединений
Название
Формула
Т. пл., ‘С
Т. кнп„ °С/ым рт. ст.
Акролеин
сн2=снсно
—88
55
Кротоновый альдегид
СН3СН=СНСНО
—69
104
Коричный альдегид
С6Н6СН=СНСНО
—7
254
Окись мезитила
(СН3)2С=СНСОСН3
42
131
Бензальацетон
СеН5СН=СНСОСН3
42
261
Дибензальацетои
СвНьСН=СНСОСН=СНС6Н5
113
Бензальацетофенон (халькон)
С6Н5СН=СНСОС6Н.,
62
348
Дипнон
СеН5С(СН3)=СНСОСвН5
150—155/1
Акриловая кислота
СН^НСООН
12
142
Кротоновая кислота
транс-СН3СН=СНСООН
72
189
Изокротоиовая кислота
цыс-СН3СН=СНСООН
16
172 (разл.)
Метакриловая кислота
СН2=С(СН3)СООН
16
162
Сорбиновая кислота
СН3СН=СНСН=СНСООН
134
Коричная кислота
мра№'-СвН6СН== СНСООН
137
300
Малеиновая кислота
цыс-НООССН=СНСООН
130,5
Фумаровая кислота
транс-НООССН= СНСООН
302
Малеиновый ангидрид
60
202
Метилакрилат
СН2=СНСООСН3
80
Метилметакрилат
СН2=С(СН3)СООСН3
101
Этилциинамат
СеН6СН=СНСООС2Н5
12
271
Акрилонитрил
СН2=СН—CsN
—82
79
Номенклатура
Многие из важнейших непредельных карбонильных соединений имеюттри- виальные названия, с которыми студенту необходимо познакомиться ,на пример:
СН2=СН—СНОакролеин(пропепаль)СН2=СН—СНОакролеин(пропепаль)СН2=СН—СООНакриловая кислота(пропеновая кислота)СН2=СН—СООНакриловая кислота(пропеновая кислота)СН3СН=СНСНОкротоновыйальдегид(бутен-2-аль)СН3СН=СНСНОкротоновыйальдегид(бутен-2-аль)СвН6СН=СНСНОкоричный альдегид (2-фенилпропеналь)СвН6СН=СНСНОкоричный альдегид (2-фенилпропеналь)СН3СН2=СН—C=NСН2=С—СООНакрилонитрилметакриловая(пропеннитрил) кислота (2-метил- пропеновая кислота)СН8С6Н6СН=СНССН3СН3С=СНССН,IIIIообензальацетонокись мезитила(4-фенилбутен-3-он-2)(4-метилпентен-З-он-2) ОСН3СН2=СН—C=NСН2=С—СООНакрилонитрилметакриловая(пропеннитрил) кислота (2-метил- пропеновая кислота)СН8С6Н6СН=СНССН3СН3С=СНССН,IIIIообензальацетонокись мезитила(4-фенилбутен-3-он-2)(4-метилпентен-З-он-2) ОНООС НННООС ННIIСООН н сIIСООН н с
СН2=СН—СНОакролеин(пропепаль)
СН2=СН—СНОакролеин(пропепаль)
СН2=СН—СООНакриловая кислота(пропеновая кислота)
СН2=СН—СООНакриловая кислота(пропеновая кислота)
СН3СН=СНСНО
кротоновыйальдегид(бутен-2-аль)
СН3СН=СНСНО
кротоновыйальдегид(бутен-2-аль)
СвН6СН=СНСНО
коричный альдегид (2-фенилпропеналь)
СвН6СН=СНСНО
коричный альдегид (2-фенилпропеналь)
СН3
СН2=СН—C=NСН2=С—СООН
акрилонитрилметакриловая
(пропеннитрил) кислота (2-метил- пропеновая кислота)
СН8
С6Н6СН=СНССН3СН3С=СНССН,
IIII
оо
бензальацетонокись мезитила
(4-фенилбутен-3-он-2)(4-метилпентен-
З-он-2) О
СН3
СН2=СН—C=NСН2=С—СООН
акрилонитрилметакриловая
(пропеннитрил) кислота (2-метил- пропеновая кислота)
СН8
С6Н6СН=СНССН3СН3С=СНССН,
IIII
оо
бензальацетонокись мезитила
(4-фенилбутен-3-он-2)(4-метилпентен-
З-он-2) О
НООС НН
НООС НН
II
СООН н с
II
СООН н с
фумаровая кислота(траяс-бутендио-новая)фумаровая кислота(траяс-бутендио-новая)малеиноваякислота (чис-бутен-диовая кислота)малеиноваякислота (чис-бутен-диовая кислота)малеиновыйангидрид (цис-бут еи-диэвый ангидрид)малеиновыйангидрид (цис-бут еи-диэвый ангидрид)
фумаровая кислота(траяс-бутендио-новая)
фумаровая кислота(траяс-бутендио-новая)
малеиноваякислота (чис-бутен-диовая кислота)
малеиноваякислота (чис-бутен-диовая кислота)
малеиновыйангидрид (цис-бут еи-диэвый ангидрид)
малеиновыйангидрид (цис-бут еи-диэвый ангидрид)
Методы синтеза
Существует несколько общих методов синтеза соединений этого типа: альдольная конденсация — для получения непредельных альдегидов и кетонов; дегидрогалогенирование a-галогенкислот и конденсация Перкина — для получения непредельных кислот. Помимо этого имеется еще несколько методов, применимых для синтеза лишь отдельных соединений.
Все эти методы основаны на уже знакомых нам основных химических свойствах алкенов и карбонильных соединений.
Задача 32.3. Приведите схему возможного синтеза следующих соединений:
кротонового альдегида из ацетилена,
коричного альдегида из веществ с меньшим числом атомов углерода,
коричной кислоты из веществ с меньшнм числом атомов углерода, г) 4-метилпентен-2-овой кислоты синтезом при помощи малонового эфира.
Задача 32.4. Следующие соединения служат важным сырьем для синтеза полимеров в промышленном масштабе: акрилонитрил (для орлона), метилакрилат (для акрилоида), метилметакрилат (для люцита и плексигласа). Приведите схемы возможных промышленных синтезов: а) акрилонитрила из этилена; б) метилакрилата из этилена; в) метилметакрилата из ацетона и метанола. Полимеризация этих соединений протекает аналогично тому, как осуществляется полимеризация этилена, хлористого винила и т. д. (разд. 8.21). Напишите структурные формулы каждого из полимеров.
Задача 32.5. Акролеин СН2=СН—СНО получают при нагревании глицерина с бисульфатом натрия, а) Напишите вероятные стадии этого синтеза, включающего кислотно-катализируемую дегидратацию и кето-енольиое таутомерное равновесие. (Указание: какая ОН-группа легче элиминируется — первичная или вторичная?)
Как можно акролеин превратить в акриловую кислоту?
Задача 32.6. Действием разбавленного водного раствора перманганата калия малеиновая кислота превращается в л^зо-винную кислоту, а фумаровая — в рацемическую винную кислоту, а) Как вы объясните эти результаты? б) Какой продукт может образоваться при действии перекиси водорода и уксусной кислоты на малеиновую или фумаровую кислоту? Какой продукт получится при присоединении брома к малеиновой или фумаровой кислоте?
Взаимодействие функциональных групп
Из разд. 6.11 нам известно, что в реакциях электрофильного присоединения двойная углерод-углеродная связь активируется электронодонорными заместителями и дезактивируется электроноакцепторными заместителями. Двойная углерод-углеродная связь служит источником электронов для электрофильного реагента; легкость подачи электронов определяется природой групп, связанных с атомами углерода двойной связи. Таким образом, электронодонорные заместители стабилизуют переходное состояние, приводящее к первоначально образующемуся карбониевому иону, путем рассредоточения возникающего положительного заряда; электроноакцепторные группы де- ■стабилизуют переходное состояние, поскольку усиливают его положительный заряд.
Электрофильное присоединение
G подает, электроны-, активирует
G оттягивает электроны-, дезактивирует
Группы С=0, СООН, COOR и CN являются сильными акцепторами электронов, и поэтому можно ожидать, что они будут дезактивировать двойную углерод-углеродную связь по отношению к электрофильному присоединению. Именно это и наблюдается в действительности: а,0-непредельные кетоны, кислоты, эфиры и нитрилы в общем менее реакционноспособны, чем простые алкены, к реагентам типа брома и галогеноводородов.
Однако подобное сильное оттягивание электронов, дезактивирующее двойную углерод-углеродную связь по отношению к реагентам, стремящимся получить электроны, в то же время активирует эту двойную связь по отношению к реагентам, богатым электронами. В результате у а,0-непредельных кетонов, кислот, сложных эфиров или нитрилов двойная углерод-углеродная связь очень подвержена нуклеофильной атаке и претерпевает ряд реакций нуклеофильного присоединения, которые не свойственны простым алкенам.
Электрофильное присоединение
Присутствие в молекуле карбонильной группы не только снижает реакционную способность двойной углерод-углеродной связи по отношению к электрофильному присоединению, но также контролирует направление присоединения.
В общем случае присоединение несимметричного реагента к а,0-непредельному карбонильному соединению происходит таким образом, что водород присоединяется к a-углеродному атому, а отрицательно заряженная группа — к 0-углеродному атому, например:
СН2=СН—CHO + НС1 (газ) акролеинСН2=СН—CHO + НС1 (газ) акролеин—ю °с—> сн2—сн—сноI IС1 нр-хлорпропионовый альдегид—ю °с—> сн2—сн—сноI IС1 нр-хлорпропионовый альдегид
СН2=СН—CHO + НС1 (газ) акролеин
СН2=СН—CHO + НС1 (газ) акролеин
—ю °с
—> сн2—сн—сно
I I
С1 н
р-хлорпропионовый альдегид
—ю °с
—> сн2—сн—сно
I I
С1 н
р-хлорпропионовый альдегид
H2SO4, юо °с
СН2=СН—СООН + Н2О> СН2—СН—СООН
акриловая кислотаq^
Р-оксипропионоваякислота
20 °C
СН3—СН=СН—СООН + НВг (газ) > СН3—СН—СН—СООН кротоновая кислота
Р-броммасляная кислота
СН3СН3
IH2so4 |
СН3—С=СН—С—СН3 + СН3ОН >■ СН3—С—СН—С—СН3
III I II
ОСН3О н о
окись мезитила4-метокси-4-метилпентанон-2
При электрофильном присоединении к простым алкенам в качестве промежуточного соединения образуется наиболее устойчивый карбониевый ион. Присоединение к а,0-непредельным карбоксильным соединениям также происходит аналогично, однако, чтобы это увидеть, нужно рассматривать сопряженную систему в целом. Как и в случае сопряженных диенов (разд. 8.17),
предпочтительным будет присоединение к концевому атому сопряженной системы, поскольку это приводит [стадия (1)] к резонансно-стабилизованному карбониевому иону. Присоединение к атому кислорода карбонильной группы даст карбониевый ион I, присоединение к 0-углеродному атому приведет к карбониевому иону II.
Z неустойчивZ неустойчив
Z неустойчив
Z неустойчив
Из этих двух ионов карбониевый ион I более устойчивый, поскольку в нем положительный заряд распределен только на атомах углерода, без участия сильно электроотрицательного атома кислорода.
На стадии (2) отрицательный ион или основная молекула присоединяется либо к углероду карбонильной группы, либо к 0-углеродному атому гибридного иона I.
карбониевый иенкарбониевый иеншенольная форма.шенольная форма.
карбониевый иен
карбониевый иен
ш
енольная форма.
ш
енольная форма.
Из этих двух возможностей лишь присоединение к 0-углеродному атому дает стабильный продукт III, представляющий собой просто енольную форму насыщенного карбонильного соединения. Эта енольная форма далее подвергается таутомерному превращению в кето-форму (IV), которая и является продуктом реакции.
С—С=С—ОН
<х,р-ненасыщенноесоединение
IVкето-форма,
Нуклеофильное присоединение
a,Р-Непредельное карбонильное соединение действием водного раствора цианистого натрия превращается в р-цианкарбонильные соединения. Эта реакция эквивалентна присоединению элементов HCN к двойной углерод-углеродной связи, например:
ННННI INaCN (води)||СН3-С=С—СООС2Н5>- СН3-С—С-СООСДэтилкротонат^ННННI INaCN (води)||СН3-С=С—СООС2Н5>- СН3-С—С-СООСДэтилкротонат^
НННН
I INaCN (води)||
СН3-С=С—СООС2Н5>- СН3-С—С-СООСД
этилкротонат^
НННН
I INaCN (води)||
СН3-С=С—СООС2Н5>- СН3-С—С-СООСД
этилкротонат^
перечная неенета.перечная неенета.соон + nh2ohсоон + nh2oh+NH3 аминоянтарная кислота (аспарагиновая кислота)+NH3 аминоянтарная кислота (аспарагиновая кислота)гибраксияамннгибраксияамннЗ-СП-оксиаменоНЗ-фенштропаиевая кнелота.З-СП-оксиаменоНЗ-фенштропаиевая кнелота.
перечная неенета.
перечная неенета.
соон + nh2oh
соон + nh2oh
+NH3 аминоянтарная кислота (аспарагиновая кислота)
+NH3 аминоянтарная кислота (аспарагиновая кислота)
гибраксияамнн
гибраксияамнн
З-СП-оксиаменоНЗ-фенштропаиевая кнелота.
З-СП-оксиаменоНЗ-фенштропаиевая кнелота.
этил-Р-цианбутират
Аммиак и некоторые его производные (амины, гидроксиламин, фенил- гидраз ин и т. д.) присоединяются к а,р-непредельным карбонильным соединениям с образованием Р-аминокарбонильных соединений, например:
СН3 нсн$ н
сн3-А==с-с-сн3 + ch3nh2 —> сн3-с—с—с-сн3III I II
ОCH3NH Н О
окись мезитила метиламин 4-(М-метиламино)-4-метилпентаион-2
транс-НООССН=СНСООН + МН3фумаровая кислота
Предполагается, что эти реакции происходят по следующему механизму
(1)
(2)
гетон
Нуклеофильный реагент присоединяется [стадия (1)1 к двойной углеродуглеродной связи, давая гибридный аннон I, который далее принимает (стадия (2)1 ион водорода от растворителя, что приводит к конечному продукту. Этот ион водорода может присоединяться либо к a-углеродному атому, либо к кислородному и давать, таким образом, либо кето-, либо енольную формы конечного продукта; в любом случае в конце концов образуется одна и та же равновесная смесь, в основном состоящая из кето-формы.
В примерах, которые мы только что рассмотрели, нуклеофильный реагент :Z представляет собой сильно основной анион :CN~ или нейтральное основание типа аммиака и его производных :NH2—G. Это те же реагенты, которые, как нам уже известно, присоединяются к карбонильной группе простых альдегидов и кетонов. (В действительности нуклеофильные реагенты редко присоединяются к двойной углерод-углеродной связи в сс,р-непредельных альдегидах, а чаще всего — к очень активной карбонильной группе.)
Эти нуклеофильные реагенты присоединяются к сопряженной системе так, чтобы образовался наиболее устойчивый промежуточный анион I, представляющий собой гибрид структур II и III.
Как обычно, первоначально присоединение происходит по концевому атому в сопряженной системе, в данном случае по 0 -углеродному атому, что обеспечивает возможность участия электроотрицательного кислорода в делокализации отрицательного заряда.
Таким образом, склонность а,0-непредельных соединений к реакциям нуклеофильного присоединения определяется не просто присутствием электроноакцепторной карбонильной группы, а наличием сопряженной системы, допускающей образование резонансно-стабилизованного аниона I. а,р-Непредельные альдегиды, кетоны, кислоты, эфиры и нитрилы находят широкое применение в синтезах, поскольку они содержат подобную только что описанной сопряженную систему.
Задача 32.7. Напишите структурные формулы анионов, которые образовались бы при нуклеофильном присоединении по другим атомам сопряженной системы, н сравните стабильности этих анионов со стабильностью иона I.
Задача 32.8. Кротоновая кислота при обработке фенилгидразином дает соединение, имеющее формулу IV
СН2
Нх /\
NNNNIVIV>с с=осн3/1 I
NN
NN
IV
IV
К какому простому классу соединений относится это вещество? Как вы можете объяснить его образование? (Указание: см. разд. 20.11.)
Задача 32.9. Акрилонитрил CH2=CHCN при обработке аммиаком дает смесь двух продуктов: Р-аминопропионитрила H2NCH2CH2CN и ди-(Р-цианэтил)амина NCCH2CH2NHCH2CH2CN. Как вы объясните их образование?
Задача 32.10. Этилакрилат СН2=СНСООС2Н5 при обработке метиламином дает CHaNtC^C^COOCgHs^. Как вы объясните образование этого вещества?
Сравнение реакций нуклеофильного и электрофильного присоединения
Реакции нуклеофильного присоединения аналогичны реакциям электрофильного присоединения: а) присоединение протекает в две стадии; б) первой и лимитирующей стадией является образование промежуточного иона; в) как направление присоединения, так и реакционная способность определяются стабильностью промежуточного иона или, точнее, стабильностью переходного состояния, приводящего к его образованию; г) стабильность переходного состояния определяется степенью рассредоточения заряда.
Различие между реакциями нуклеофильного и электрофильного присоединения состоит в том, что промежуточно образующиеся ионы имеют противоположные заряды: отрицательный при нуклеофильном присоединении и положительный при электрофильном присоединении. В результате этого влияние заместителей на эти реакции противоположно по характеру. В то время как электроноакцепторная группа дезактивирует двойную углерод-углеродную связь по отношению к электрофильному присоединению, она активирует ее по отношению к нуклеофильному присоединению. Электроноакцепторная группа за счет участия в делокализации возникающего отрицательного заряда стабилизует переходное состояние, приводящее к образованию промежуточного аниона в реакции нуклеофильного [присоединения, которую можно представить следующей схемой:
[Нуклеофильное присоединение
G оттягивает электроны-, активирует
Присоединение к a,р-непредельным карбонильным соединениям лучше всего можно объяснить, если рассматривать атаку по всей сопряженной системе в целом. Для того чтобы образовался наиболее устойчивый ион, необходимо, чтобы атака направлялась на концевые атомы этой системы. Нуклеофильный реагент атакует р-углеродный атом, образуя ион, в котором отрицательный заряд частично перераспределен на атом кислорода; электрофильный реагент атакует атом кислорода, образуя карбониевый ион, в котором положительный заряд находится на атоме углерода.
Нуклеофильная атака.Нуклеофильная атака.Электрофильная атака.Электрофильная атака.
Нуклеофильная атака.
Нуклеофильная атака.
Электрофильная атака.
Электрофильная атака.
Присоединение по Михаэлю
Реакция нуклеофильного присоединения карбанионов к а,р-непре- дельным соединениям, известная под названием реакции Михаэля, играет
важную роль в синтезе, например:
бемзажачетвофеиои.бемзажачетвофеиои.И Н ^^-С=С-СООС2Н5 +И Н ^^-С=С-СООС2Н5 +этхл^ыннамашэтхл^ыннамашН Н
бемзажачетвофеиои.
бемзажачетвофеиои.
И Н ^^-С=С-СООС2Н5 +
И Н ^^-С=С-СООС2Н5 +
этхл^ыннамаш
этхл^ыннамаш
СНгССООСгНзЬ''25^^ (Q>-C-C-C-/R\ эшелмапонашq
СН(СООС2Н5)2
н н
СН2(СООС2Н5)2 ~^^> ^^-С-С-СООС2Н5
СН(СООС2Н5)2
НННН
I Iс2н5о- ] I
СНа—С=С—(ХЮС^Н8 + СН3—СН(С^ >- СН3—С—С—COOQHs этилкротонатэтилметплмалопатJ,
С(СООС2Н6)2 сн3
Н СНЭCOOCzHgН СН3
I IIСаНбО- ||
Н—С=С—СООС2НЬ + СН2 > H—C—C—COOC^Hs
этил-а-метилакрилат
эт" Снсоос2н6
ацетат.2 6
CN
Предполагается, что реакция Михаэля протекает по следующему механизму (показан для малонового эфира, :В — основание):
(1)(2)(3)(1)(2)(3)СН2(СООС2Н5)2 + -.В—С=С-С=О + СН(СООС2Н5)2- нукпеофидкный реагентСН2(СООС2Н5)2 + -.В—С=С-С=О + СН(СООС2Н5)2- нукпеофидкный реагент—► Н:В+ + СН(СООС2Н5)2-—► Н:В+ + СН(СООС2Н5)2-СН(СООС2Н5)2СН(СООС2Н5)2I I IС-С-С=О + :I II I IС-С-С=О + :I I„с-с—с^о + н: в +еСН(СООС2Н5)2„с-с—с^о + н: в +еСН(СООС2Н5)2НСН(СООС2Н5)2НСН(СООС2Н5)2
(1)
(2)
(3)
(1)
(2)
(3)
СН2(СООС2Н5)2 + -.В
—С=С-С=О + СН(СООС2Н5)2- нукпеофидкный реагент
СН2(СООС2Н5)2 + -.В
—С=С-С=О + СН(СООС2Н5)2- нукпеофидкный реагент
—► Н:В+ + СН(СООС2Н5)2-
—► Н:В+ + СН(СООС2Н5)2-
СН(СООС2Н5)2
СН(СООС2Н5)2
I I I
С-С-С=О + :
I I
I I I
С-С-С=О + :
I I
„с-с—с^о + н: в +
е
СН(СООС2Н5)2
„с-с—с^о + н: в +
е
СН(СООС2Н5)2
Н
СН(СООС2Н5)2
Н
СН(СООС2Н5)2
Основание отрывает [стадия (1)] ион водорода от малонового эфира и генерирует таким образом карбанион, который, выступая как нуклеофильный ре- «агент, атакует [стадия (2)] сопряженную систему по обычной схеме.
В общем случае соединения, из которых образуется карбанион, должны ■быть достаточно кислыми для того, чтобы можно было получить заметную концентрацию карбаниона. Подобные соединения обычно содержат группу —СН2— или —СН—, связанную с двумя электроноакцепторными заместителями, которые способствуют делокализации отрицательного заряда аниона;
вместо этилмалоната можно использовать вещества типа этил циан ацетата и этил ацетоацетата (ацетоуксусного эфира).
ОС2Н5 с=о
Н2Х + ; В
с—о
I
ОС2Н5
этилмалонатп
ОС2Н3
С=О н^ + : в % N этилцианацетат
ОС2Н3 zc=o
Н2С\ +;В с=о сн3 эшилацетоацета т
Н:ВН:ВОС2Н3ОС2Н3ОС2Н5/^°] НСОС2Н5/^°] НСОС2Н3ОС2Н3Задача 32.11. Предскажите, какие продукты образуются в результате реакции Михаэля из следующих веществ:
Н:В
Н:В
ОС2Н3
ОС2Н3
ОС2Н5
/^°] НС
ОС2Н5
/^°] НС
ОС2Н3
ОС2Н3
ОН" И1" нагревание
эти лкротонат + малоновый эфир» А >- >■*■ Б;
Н2О, Н
этилакрилат + этилацетоацетат» В >- Г,
метилвинилкетон + малоновый эфир» Д,
бензальацетофенон + ацетофенон* Е,
Н2О, Н
акрилонитрил + аллилцианид» Ж >- 3+ 2NH4,
СгН5ООС—С=С—COOC^Hj (1 моль) + этилацетоацетат (1 моль)» И, щелочь, Н2О Н+
И»- *• К + СИдСООН.
Задача 32.12. При взаимодействии формальдегида с малоновым эфиром в присутствии эти- лат-иона образуется соединение А (С8Н12О4). а) Какова структура соединения А? (Указание: см. задачу 29.31, стр. 874.) б) Каким образом соединение А можно превратить в соединение Б, (С2Н5ООС)2СНСН2СН(СООС2Н6)2? в) Какие вещества образуются, если соединение Б подвергнуть гидролизу, подкислению и нагреванию?
ДМ-окталонДМ-окталонЗадача 32.13. fПокажите, как при помощи реакции Михаэля с последующей альдольной конденсацией можно превратить смесь метилвинилкетона и циклогексавона в Д1-8-окта- лоп.
ДМ-окталон
ДМ-окталон
Задача 32.14. При обработке окиси мезитила (СН3)2С=СНСОСН3 этилмалонатом в присутствии этилата натрия получается вещество I. а) Укажите, какие стадии приводят
924
к его образованию, б) Как можно превратить соединение I в 5,5-диметилциклогексаи- дион-1,3?
ОIIС
сн2
(СНа)2С с=оХСН
СООС2Н6
I
Задача 32.15. В присутствии пиперидина (вторичный амин, разд. 36.12) циклопептади- ен-1,3 и бензаль л-бромацетофенона дают соединение II. Укажите, какие стадии приводят к его образованию.
Реакция Дильса—Альдера
а,Р-Непредельные карбонильные соединения вступают в чрезвычайно важную реакцию с сопряженными диенами, известную под названием реакции Дильса —Альдера. Это реакция присоединения, в результате которой образуются связи между атомами С-1 и С-4 сопряженной диеновой системы и атомами углерода двойной связи в непредельном карбонильном соединении и возникают шестичленные кольца.
диен диенофил аддукт, шестичленное кольцо
Хотя механизм реакции Дильса — Альдера не вполне ясен, по-видимому, она происходит с большей легкостью при наличии электронодонорных групп в диене и электроноакцепторных групп в диенофиле. Реакция была распространена на диенофилы самой различной структуры, включая простейшие алкен ы.
Реакция Дильса — Альдера часто сопровождается выделением тепла даже при простом смешивании реагентов. Приведем несколько примеров, этой реакции:
нс
нс
Хн, бутадиен-1,3
бутадиен-1,3
цис-1,2,3,6-тетрагидро- фталевый ангидрид
НС
НС
Хи2
малеиновыйангидридН
I
/С=О
НС
100 °C
(количественно)
бутадиен-1,3 акролеин
л-бензо-5,8,9,10-тетрагидро-
хинон1,4-нафтохинон
1,2,3,6-тетрагидро-бензальдегид
1,4,5,8,11,12,13,14- октагидро-9,10-ан-
трахинон
бензол, нагревание
малеиновъ'а ангидрид
(количественно)
Задача 32.16. Из каких реагентов можно синтезировать следующие соединения?
ОО
О
О
оIIоIIСН3 ОСН3 ОС2Н5ОС2Н5О
о
II
о
II
СН3 О
СН3 О
С2Н5О
С2Н5О
Задача 32.17. а) В одном из синтезов гормона кортизона (выполненном Л. Саретом) на начальной стадии было получено соединение I по реакции Дильса — Альдера. Что служило исходными веществами в синтезе соединения? б) В другом синтезе кортизона (выполнен в Гарвардском университете Р. Вудвордом, получившим в 1965 г. Нобелевскую премию) на начальной стадии было синтезировано соединение II также по реакции Дильса — Альдера. Что служило исходными веществами в синтезе соединения II?
926
Хиноны
восстановление (например, Sof').окисление(напримерЕ е 3 Jвосстановление (например, Sof').окисление(напримерЕ е 3 Jа, р-Непредельные кетоны довольно специфической структуры носят название хинонов; это циклические дикетоны, при восстановлении которых образуются гидрохиноны — фенолы, содержащие две ОН-группы, например:
восстановление (например, Sof').
окисление
(напримерЕ е 3 J
восстановление (например, Sof').
окисление
(напримерЕ е 3 J
к-бензохвнон(хинон),желтого цвета.
Наличие сильного сопряжения в хинонах обусловливает их окраску; так, n-бензохинон окрашен в желтый цвет.
По той же причине хиноны энергетически довольно близки соответствующим гидрохинонам. Система хинон — гидрохинон вследствие легко протекающего взаимопревращения представляет собой удобную окислительно-восстановительную систему; изучению ее свойств посвящены многочисленные исследования. Многие свойства хинонов обусловлены их тенденцией образовывать ароматическую систему гидрохинона.
Хиноны (некоторые, родственные более сложным ароматическим системам, см. гл. 35) были выделены из природных источников (плесени, грибков, высших растений). Во многих случаях они, по-видимому, принимают участие в окислительно-восстановительных циклах, очень важных для живых организмов.
Задача 32.18. При обработке n-бензохинона НС1 образуется 2-хлоргидрохин он. Было предположено, что этот продукт возникает в результате первоначального 1,4-присоединения. Покажите, каким образом это может произойти.
Задача 32.19. а) Гидрохинон используют в фотографии в качестве проявителя; он облегчает превращение иона серебра в свободное серебро. Какое из свойств гидрохинона делает возможным его применение для такой цели? б) п-Бензохинон используется для превращения иодид-иона в иод. Какое из свойств хинона делает возможным его применение для такой цели?
Задача 32.20. Почему при обработке фенола азотистой кислотой образуется моиооксим и-бензохиноиа?
ЗАДАЧИ
1. Приведите схемы возможных лабораторных синтезов непредельных карбонильных соединений, перечисленных в табл. 32.1, стр. 915; используйте любые доступные монофункциональные соединения: простые спирты, альдегиды, кетоны, кислоты, сложные эфиры и углеводороды.1. Приведите схемы возможных лабораторных синтезов непредельных карбонильных соединений, перечисленных в табл. 32.1, стр. 915; используйте любые доступные монофункциональные соединения: простые спирты, альдегиды, кетоны, кислоты, сложные эфиры и углеводороды.
1. Приведите схемы возможных лабораторных синтезов непредельных карбонильных соединений, перечисленных в табл. 32.1, стр. 915; используйте любые доступные монофункциональные соединения: простые спирты, альдегиды, кетоны, кислоты, сложные эфиры и углеводороды.
1. Приведите схемы возможных лабораторных синтезов непредельных карбонильных соединений, перечисленных в табл. 32.1, стр. 915; используйте любые доступные монофункциональные соединения: простые спирты, альдегиды, кетоны, кислоты, сложные эфиры и углеводороды.
Напишите структурные формулы орган ся при реакции бензальацетона С6Н5СН= а) Н2, Ni,'
NaBH4,
NaOI,
О3, затем Zn, Н2О,
Д) Вг2,‘
НС1,
НВт,
Н2О, Н+,
СН3ОН, Н+,
NaCN (води.),
CH3NH2,
х продуктов, которые могут образовать- :Н3 со следующими реагентами: м) анилином, и) NH3, о) NHsOH, п) бензальдегидом, основание, р) этилмалонатом, основание, с) этилцианацетатом, основание, т) этилметилмалонатом, основание, у) этилацетоацетатом, основание, ф) бутадиеном-1,3, х) циклогексадиеном-1,3, ц) циклопентадиеиом-1,3.
В присутствии оснований следующие пары реагентов вступают в реакции Михаэля;, напишите структурные формулы ожидаемых продуктов.
бензальацетофенон + этилцианоацетат,
этилциннамат + этилцианоацетат,
этилфумарат + этилмалонат,
этилацетилендикарбоксилат + этилмалонат,
окись мезитила + этилмалонат,
окись мезитила + этилацетоацетат,
этилкротонат 4- этилметилмалонат,
формальдегид + 2 моля этилмалоната,
ацетальдегид + 2 моля этилацетоацетата,
метилакрилат + нитрометан,
2 моля этилкротоната + нитрометан,
м) 3 моля акрилонитрила + нитрометан, н) 1 моль акрилонитрила + СНС13.
Напишите структурные формулы соединений, которые образуются при гидролизе и- декарбоксилировании продуктов, полученных в задаче 3 (а — к).
В зависимости от условий реакции дибензальацетон и этилмалонат могут дать по реакции Михаэля любой из следующих трех продуктов:
А (насыщенное вещество).А (насыщенное вещество).дибензальацетон + 2 моля этилмалоната
А (насыщенное вещество).
А (насыщенное вещество).
дибензальацетон + 1 моль этилмалонатадибензальацетон + 1 моль этилмалонатаВ (насыщенное вещество).В (насыщенное вещество).дибензальацетон + 1 моль этилмалоната» Б (одна двойная углерод-углеродная связь).
дибензальацетон + 1 моль этилмалоната
дибензальацетон + 1 моль этилмалоната
В (насыщенное вещество).
В (насыщенное вещество).
Что собой представляют соединения А, Б и В?
Напишите структурные формулы соединений, образующихся в результате реакции- Дильса — Альдера для следующих реагентов:
малеинового ангидрида и изопрена,
малеинового ангидрида и 1,1'-дициклогексенила (I),
малеинового ангидрида и 1-винилциклогексена-1,
бутадиена-1,3 и метилвинилкетона,
бутадиена-1,3 и кротонового альдегида,
2 молей бутадиена-1,3 и дибензальацетона,
бутадиена-1,3 и Р-нитростирола (С6Н5СН=СНМО2),
бутадиена-1,3 и 1,4-нафтохинона(П),
/z-бензохинона и циклогексадиена-1,3,
n-бензохинона и 1,Г-бициклогексенила(1),
n-бензохинона и 2 молей циклогексадиена-1,3,
м) n-бензохинона и 2 молен 1,Г-дициклогексенила(1),
н) циклопентадиена-1,3 и акрилонитрила,
о) циклогексадиена-1,3 и акролеина.
7. Из каких реагентов можно получить следующие соединения по реакции Днльса — Альдера?7. Из каких реагентов можно получить следующие соединения по реакции Днльса — Альдера?
7. Из каких реагентов можно получить следующие соединения по реакции Днльса — Альдера?
7. Из каких реагентов можно получить следующие соединения по реакции Днльса — Альдера?
8. Приведенные ниже реакции иллюстрируют один из аспектов стереохимии реакции Дильса — Альдера:
малеиновый ангидрид + бутадиен-1,3» А (С8Н8О3),
А + Н2О, нагревание> Б (С8Н10О4),
Б + Н2, N1> В (С8Н12О4), т. пл. 192 °C, фумарилхлорид (транс-С1ОССН=СНСОС1) + бутадиен-1,3» Г (С8Н8О8С12), Г + Н20, нагревание> Д (С8Н10О4), д+ Н2, №> Е (С8Н12О4), т. пл. 215 °C.
Вещество Е можно разделить на оптические антиподы, а соединение В — нельзя.
Протекает лн реакция Днльса — Альдера как цис- или как транс-присоединение? 9. На основании данных, приведенных в задаче 8, напишите стереохимические формулы продуктов, которые получатся в следующих реакциях; отметьте .мезо-соединения и рацемические модификации:
кротоновый альдегид (транс-бутен-2-аль) + бутадиен-1,3,
п-бензохннон + бутадиен-1,3,
малеиновый ангидрид + бутадиен-1,3 с последующей обработкой холодным щелочным раствором КМпО4,
малеиновый ангидрид т бутадиен-1,3 с последующей обработкой горячим КМпО4 * С8Н10О8.
Объясните следующие наблюдения:
дегидратация 3-окси-2,2-диметнлпропановой кислоты дает 2-метилбутен-2-овую кислоту.
СДООС—СООСзНб —
этилоксалатc^HtO-
,>- C2HSOOC—С—сн2сн=снсоос2н5,
СН3СН=СНСООС2Н5 —о
этилкротонат
г) СН3СН=СНСООС2Н5 + (С6Н6)3Р=СН2> СН3СН—CH—COOQHs + (С6Н5)3Р,г) СН3СН=СНСООС2Н5 + (С6Н6)3Р=СН2> СН3СН—CH—COOQHs + (С6Н5)3Р,СН2=СН-Р(С6Н5)3Вг' + сТл^дй + ЯК,
г) СН3СН=СНСООС2Н5 + (С6Н6)3Р=СН2> СН3СН—CH—COOQHs + (С6Н5)3Р,
г) СН3СН=СНСООС2Н5 + (С6Н6)3Р=СН2> СН3СН—CH—COOQHs + (С6Н5)3Р,
Неопытному студенту понадобилось получить значительное количество ненасыщенного спирта С6Н5СН=СНС(ОН)(СН3) (С2Н5). Он прибавил к раствору этилмагнийбромида небольшой избыток бензальацетона С6Н5СН=СНСОСН3 и обнаружил, что, судя по данным известной цветной пробы, реактив Гриньяра полностью израсходовался. Он обработал реакционную смесь, как обычно, разбавленной кислотой. Помня печальный опыт своего предшественника (задачи 21 и 22, стр. 622, и задача 12, стр. 898), он испытал полученное соединение на пробу с иодом и едким натром. При этом выпал обильный осадок йодоформа, на основании чего студент сделал вывод, что он просто получил обратно исходное вещество. Он вылил его в раковину и несколько обескураженный отправился в первый (но не в последний!) раз к руководителю практикума.
Что собой представляло вещество, вылитое в раковину? Как оно образовалось?
Напишите структурные формулы соединений А — ДД.
глицерин + NaHSO,, нагревание А (СЖН4О),
А+ этиловый спирт + НС1* Б (СГН/4О2С1),
Б + NaOH, надевание> В (СТН,,О2),
В + холодный нейтральный КМлО4» Г (С-Н|4О4), Г + разб. H,SO, ♦ Д (СзН.С,; + этиловый спирт;
С,Н6ООС—С=С—COOCjH6 + натрмалоиовый эфир» Е (СцЯйО,),
+ ОН-, нагревание; затем Н+, затем nai ревание Ж (СеНеОв), аконитовая кислота, встречающаяся в сахарном тростнике и свекле;
е) этилфумарат + иатрмалоновый эфир» 3 (С1БН14О„),
3 + ОН-, нагревание; затем Н+; затем нагревание> Н (С,Н,О,). трикар- баллиловия кислота;
бензил (СвНБСОСОС0Н6) + дибензнлкетон (С,НБСНаСОСН3С,НБ) + основание > К (С2,Н20О), тетрациклон,
К + малеиновый ангидрид » Л (СЗЖН22О4),
Л 4" нагревание СО 4 Ht + М (С31Н2еОж);
К + С,Н4С=СН* Н (С„Н„О),
Н + нагревание СО 4 О <СзвН24);
ацетон 4 ВгМцС=СОС2Н4, затем Н,О -—> П (С7Н12О3),
П + Н2, Pd/СаСОз» Р (С^НнО,).
Р 4 Н+, слабое нагревание♦ С (СЬН,О), Р-метилкротоновый альдегид;
этил-З-метилбутен-2-оат 4 этилцианоацегат 4 основание> Т (C12HltO4N), Т 4 ОН-, на| ревание; затем Н1-; затем Hai ревание —• (С7Н12О4);
а) окись мезитила 4 этилмалонат 4 основание» Ф (CtHg^OJ,
Ф 4 NaOBr, ОН-, нагревание; затем Н*> СНВг, 4 Y (С,Н12О4);
■) CH,C=CNa + ацетальдегид> X (СБН,О),
X + К2Сг2О7, H2SO4> Ц (СБН,О);
пентин-З-он-2 4 Н2О, Hg2+, Н+ Ч (СьНаО2);
окись мезитила 4 NaOCI, затем Н+* Ш (С4НвО5);
м) металлилхлорид (З-хлор-2-метилпролен) + НОС1» Щ (С4Н,ОС12), Ш 4 KCN> Э (C,H,ON2).
Э + H2SO4, Н,О. нагревание —-* Ю (С,Н,О4);
■) этиладипат + NaOCjH5» Я (QH|2O,),
реакция Михаэля
Я + метилвинилкетон 4- основание>- ДА (Cj2HleO4),
альдоль
АА 4 основание>- ББ (С|2Н14О3);
о) гексахлорцнклопеитадиен-1,3 4 СН,ОН 4 КОН* ВВ (С7НвС14О3),
ВВ + СН2=СН2, нагревание, давление — > ГГ (С,Н1вС)4О2),
ГГ + Na + mpem-C4H,OH » ДД (C,HUO2),
ДД Ц- разб. кислота* ЕЕ (С-НвО), 7-кетонорборнен.
Спермин (H2NCH2CH2CH2NHCH2CH2CH2CH2NHCH»CH2CH2NH2\ содержащийся в семенной жидкости, был синтезирован из акрилонитрила и L4-диаминобутана (путресцин). Напишите уравнения реакций, которые при этом происходят.
Укажите все стадии синтеза следующих соединений:
НООС—СН=СН—СН = СН—СООН из адипиновой кислоты,
НС=С—СНО из акролеина \укаэоние; см. задачу 12(a)),
СНЧСОСН=СН2 из ацетона и формальдегида,
СН,СОСН=СН2 из винилацетилена,
Р-фенилглутаровой кислоты из бензальдегида и алифатических реагентов,
фенилянтарной кислоты из бензальдегида и алифатических реагентов,
4-фенилгептандиоиа-2,6 из бензальдегида и алифатических реагентов [указание: см. задачу 3(e), стр. 927).
соосен.соосен.При обработке этилацетоацетата ацетальдегидом в присутствии основания — пиперидина — образуется соединение с формулой С|4Н22О,. Возникли сомнения относительно того, какую структуру имеет это соединение- ацнклическую(111) или никлнче- скую(1У), каждая из которых образуется в результате чомоинации альдольной конденсации и реакции Михаэля
соосен.
соосен.
СН3
CjHjOOC—СН—СН—СН—СООСН,С С
Н3С О О СН,
III
«♦-ж
Покажите, каким образом можно представить образование каждого из этих возможных продуктов?
Недавно было установлено, что полученное вещество имеет следующий ПМР- спектр;*
а сложный сигнал, т 8,90—9,05 (6 0,95—1,10), ЗН
b синглет, т 8,72 (6 1,28), ЗН
с триплет с центром т 8,72 (6 1,28), ЗН
d триплет с центром т 8,68 (6 1,32), ЗН
е синглет, т 7,5 (6 2,5), 2Н
/ широкий синглет, т 6,5 (6 3,5), 1Н
g сложный сигнал, т 6—8 (6 2—4), всего ЗН
h квартет, т 5,75 (6 4,25), 2Н
< квартет, т 5,70 (6 4,30), 2Н
Какая из структур является верной? Осуществите отнесение всех сигналов в спектре. Опишите спектр, который должен был иметь другой из возможных продуктов.
16. Напишите вероятные структурные формулы для веществ Г и Д.
бутадиен-1,3 + пропиоловая кислота (HCsCCOOH)» А (С7НвО2),
А + 1 моль LiAIH4» Б(С7Н10О),'
Б + метилхлоркарбонат (СН3ОСОС1)> В (С,Н12О3),
В 4- нагревание (кратковременное) толуол + Г (C7Hg),
Г + тетрацианоэтилен»Д(С]ЭН8М4).
Соединение Г не является толуолом или циклогептатриеном-1,3,5; при стоянии при комнатной температуре оно довольно быстро превращается в толуол. Вещество Г имеет следующий УФ-спектр- Хмакс ЗСЗ ммк, емакс 4400. ИК-спектр соединения Г: интенсивные полосы при 3020, 2900, 1595, 1400, 864, 692 и 645 см-1; средние по интенсивности полосы при 2850. 1152 и 790 см-1.
17 Облучение 2,2,4,4-тетраметилциклобутандиона-1,3 (V) ультрафиолетовым светом дает тетраметилэтилен и 2 моля окиси углерода. Если облучение проводить в фуране(У1), то образуется продукт, имеющий, как полагают, структуру VII.
VIIVIIVIVI
VII
VII
VI
VI
Основные данные в пользу структуры VII: элементный анализ, определение молекулярного веса и следующий ПМР-спектр:
а синглет, т9,15 (6 0,85), 6Н
b синглет, т 8,75 (6 1,25), 6Н
с синглет, т 5,68 (6 4,32). 2Н
d синглет, т 3,68 (6 6,32), 2Н
Покажите, почему данные ПУР-спектра подтверждают структуру VII. Почему в спектре VII должно быть два бН-синглета, а не один пик 12Н?
Предпола! ают, что при образовании тетраметилэтилена происходит последовательное отщепление сначала одного, а затем второго моля окиси углерода. Напишите электронные структуры, показывающие все стадии этого двустадийного механизма. Почему образование VII может рассматриваться как довод в пользу этого механизма?
3333Углеводы. I. Моносахариды
33
33
Введение
В зеленых листьях растений в результате взаимодействия двух простых соединений — углекислого газа и воды — образуется один из сахаров, (+)-глю- коза. Этот процесс, известный под названием фотосинтеза, требует наличия катализатора, зеленого красителя хлорофилла, и происходит при освещении (источник энергии). Тысячи молекул (+)-глюкозы могут объединяться в молекулы гораздо большего размера — целлюлозу, которая является основным строительным материалом растений. Молекулы (+)-глюкозы могут также соединяться иным способом, давая большие молекулы крахмала, который хранится в семенах как запас питательных веществ для нового растущего растения.
При поедании животными крахмал, а в некоторых случаях также целлюлоза разрушаются, давая снова исходную (+)-глюкозу. Последняя с током крови переносится в печень и там превращается в гликоген, или животный крахмал; в случае необходимости гликоген снова может быть разрушен до (+)-глюкозы. (+)-Глюкоза переносится током крови в ткани, где она окисляется в конце концов в двуокись углерода и воду с выделением энергии, полученной первоначально с солнечным светом. Некоторое количество (4-)-глю- козы превращается в жиры, а некоторое реагирует с азотсодержащими соединениями с образованием аминокислот, которые, соединяясь друг с другом, дают белки, являющиеся субстратом всех известных нам форм жизни.
(+)-Глюкоза, целлюлоза, крахмал и гликоген относятся к одному же классу органических соединений, называемому углеводами. Углеводы служат в конечном счете основным источником нашего питания: мы потребляем зерно, содержащее крахмал, или скармливаем его животным, в организме которых он превращается в мясо и жир, которые мы потребляем. Наша одежда сделана из целлюлозы: это хлопок и лен, вискоза и ацетатное волокно. Наши дома и мебель из дерева — это та же целлюлоза. Таким образом, углеводы в буквальном смысле слова обеспечивают нас всем необходимым в жизни — пищей, одеждой и кровом.
Но это еще не все. Удивительно, в какой степени современная цивилизация зависит от целлюлозы, особенно от бумаги. Бумага — это книги и газеты, которые мы читаем, письма, которые мы пишем, и деньги, которыми мы расплачиваемся; это свидетельства о рождении и браке, водительские права и закладные; это коробки, ящики и листы для обертки.
Химия углеводов — одна из наиболее интересных областей органической химии. Она охватывает широкий круг вопросов от чрезвычайно сложной проблемы понимания процесса фотосинтеза до столь же сложной задачи распутывания стадий в ферментативном превращении (-(-)-глюкозы в двуокись
углерода и воду. Между этими двумя биохимическими проблемами лежат более традиционные для химика-органика задачи: определение структуры и свойств углеводов и изучение их превращений в другие органические соединения .
В настоящем учебнике мы познакомимся с некоторыми важнейшими химическими свойствами углеводов, знание которых необходимо для дальнейшего изучения этих соединений.
Определение и классификация
Углеводами называются полиокси альдегиды и полиоксикетоны или соединения, превращающиеся в них при гидролизе. Углевод, который нельзя превратить гидролизом в более простое соединение, называется моносахаридом. Углевод, дающий при гидролизе две молекулы моносахарида, называется дисахаридом. Углевод, при гидролизе которого обрадуется большое число молекул моносахарида, называется полисахаридом.
Моносахариды в свою очередь можно классифицировать. Если моносахарид содержит альдегидную группу, то его называют альдозой, а если кетогр^пну — кетозой. В зависимости от числа атомов углерода моносахарид может называться триозой, тетрозой, пентозой, гексозой и т. д. Так, например, альдогексоза — это моносахарид с шестью атомами углерода, содержащий альдегидною группу, а кетопентоза — моносахарид с пятью атомами углерода, содержащий кетогруппу. Большинство из встречающихся в природе моносахаридов — пентозы или гексозы.
Углеводы, восстанавливающие реактив Фелинга (или Бенедикта) или реактив Толленса (стр. 936), известны под названием восстанавливающие сахара. Все моносахариды, как альдозы, так и кетозы, являются восстанавливающими сахарами. Большая часть дисахарндов также является восстанавливающими сахарами; исключение составляет сахароза (обычный сахар), которая относится к невосстанавливающим сахарам.
(+)-Глюкоза: альдогексоза
Если учесть, что (+)-глюкоза представляет собой структурную единицу, из которой состоит крахмал, целлюлоза и гликоген, а также ее особую роль в биологических процессах, то окажется, что глюкоза — наиболее распространенный моносахарид (вероятно, в природе остатков (+)-глюкозы больше, чем каких-либо других органических групп] и, безусловно, наиболее важный моносахарид.
Большую часть необходимых нам сведений о свойствах моносахаридов можно получить, рассмотрев всего одно из этих соединений, причем в одном лишь аспекте: какова его структура и как она была установлена. Изучая вопрос о строении (4 )-глюкозы, мы в то же время познакомимся с ее свойствами, ибо структура была выведена именно на основании свойств. (+)-Глюко- •а является типичным моносахаридом, и поэтому, изучая ее строение и свойства, мы будем тем самым изучать строение и свойства других представителей •того класса.
Молекулярная формула (+)-глюкозы СдН|2Ов; это следует из данных элементного анализа и определения молекулярного веса. Ниже перечислены
некоторые факты, на основании которых можно сделать вывод о вероятно!
структуре (+)-глюкозы:
ВыводыВыводыФакты
Выводы
Выводы
(+)-ГлюкозаС,Н„О.(+)-ГлюкозаС,Н„О.nh2oh>OHsNHNHj>-Br2+H2O>-HNO,>-(,'H2CO)2O>-H2. Nl >-nh2oh>OHsNHNHj>-Br2+H2O>-HNO,>-(,'H2CO)2O>-H2. Nl >-оксимфенилгидразон(С,НПО,)СООННООС(С4Н,О4)СООНоксимфенилгидразон(С,НПО,)СООННООС(С4Н,О4)СООН(+)-Глюкоза содержат—С—IIО—сно—СН2ОН и —сно(+)-Глюкоза содержат—С—IIО—сно—СН2ОН и —сноHCN >HCN >С,Н7О(ОСОСН3),(СН3СО)2Ос.н14о, Н1магреманмеС,Н7О(ОСОСН3),(СН3СО)2Ос.н14о, Н1магреманмеС,Н,(ОСОСН,),С,Н,(ОСОСН,),СН,(СН2),СН1СН,СН,(СН2),СН1СН,пять ОН-группс—С—С—С—С—Спять ОН-группс—С—С—С—С—Сн2о. он- HI > ►нмгрееаниен2о. он- HI > ►нмгрееаниен-С,Н13СООНн-С,Н13СООНс—с-с-с—с—снос—с-с-с—с—сно
(+)-ГлюкозаС,Н„О.
(+)-ГлюкозаС,Н„О.
nh2oh>
OHsNHNHj
>-
Br2+H2O>-
HNO,>-
(,'H2CO)2O
>-
H2. Nl >-
nh2oh>
OHsNHNHj
>-
Br2+H2O>-
HNO,>-
(,'H2CO)2O
>-
H2. Nl >-
оксим
фенилгидразон
(С,НПО,)СООН
НООС(С4Н,О4)СООН
оксим
фенилгидразон
(С,НПО,)СООН
НООС(С4Н,О4)СООН
(+)-Глюкоза содержат
—С—IIО
—сно
—СН2ОН и —сно
(+)-Глюкоза содержат
—С—IIО
—сно
—СН2ОН и —сно
HCN >
HCN >
С,Н7О(ОСОСН3),
(СН3СО)2О
с.н14о, Н1
магреманме
С,Н7О(ОСОСН3),
(СН3СО)2О
с.н14о, Н1
магреманме
С,Н,(ОСОСН,),
С,Н,(ОСОСН,),
СН,(СН2),СН1СН,
СН,(СН2),СН1СН,
пять ОН-групп
с—С—С—С—С—С
пять ОН-групп
с—С—С—С—С—С
н2о. он- HI > ►
нмгрееание
н2о. он- HI > ►
нмгрееание
н-С,Н13СООН
н-С,Н13СООН
с—с-с-с—с—сно
с—с-с-с—с—сно
Эти данные вполне согласуются (рис. 33.1) с представлением о том, что (+)-глюкоза — это неразветвленный пентаоксиальдегид с шестью атомами углерода, т. е. альдогексоза. (Однако, как будет показано в разд. 33.14, имеются еще дополнительные данные, которые требуют существенного изменения указанной структуры глюкозы.)
(—)-Фруктоза: 2-кетогексоза
Наиболее важная из кетоз — (—)-фруктоза, которая широко распространена в растительном мире (содержится во фруктах) и в сочетании с глюкозой входит в состав дисахарида — сахарозы (обычный сахар).
Приведенная ниже последовательность реакций показывает, что (—^фруктоза является кетоном, а не альдегидом, и указывает положение кетогруппы:
СН2ОН
СН2ОН
СН20Н
сн.
^=0
C(OH)CN
С(ОН)СООН
снсоон
<Ьюн
HCN ilOH
гидролиз СИОНHI.
сн.
<!лон
снон
ЮНнегромкие
сн2
<!лон
СИОН
снон
ii2
СН2ОН
СН2ОН
СН2ОН
1 сн.
фруктоза
пиангидрин (два диастереомера)
оксикислотаа-метилкапро-
(два диасте-новая кислота
реомера)(рацемическая
модификация)
ак, фруктоза представляет собой 2-кетогексозу.
j CeH5NHNH2
CH=NNHC,H6
(CHOH),
СНгОН фенилгидразои глюкозы
COOH
Br2+H2oBr2+H2o(CHOH),(CHOH),
Br2+H2o
Br2+H2o
(CHOH),
(CHOH),
СН2ОНглюконовая кислота
HNO3HNO3СООН(Анон),
HNO3
HNO3
CHO
CHOH
СНОН
Анон
CHOH
СН2ОН(+)-глюкоза
(CH3CO)2O
СООН
сахарная кислота(глюкаровая кислота)
С6Н2О(ОСОСН3)6пента-О-ацетилглюкоза
CH2OCOCH,
(CHSCO)2O
H2. Ni
CH2OH
(CHOH),
СН2ОНсорбит
HI. нагревание
(СНОСОСН,),Ан2ососн,гекса-О-аце-тилсорбит
CH,
CHI
(CH2)8
СН,2-иодгексан
COOH
HCNHCNгидролиз HI, нагревание СН2
HCN
HCN
CH,
Рис. 33.1. Свойства (+)-глюкозы
как альдоксозы.
гептановаякислота
в котором мы ее написали.в котором мы ее написали.атома углерода (отмечены звездочками) СНОатома углерода (отмечены звездочками) СНО
в котором мы ее написали.
в котором мы ее написали.
атома углерода (отмечены звездочками) СНО
атома углерода (отмечены звездочками) СНО
Стереоизомеры ( + ) -глюкозы. Номенклатура производных альдоз
Структурная формула глюкозы в том виде,
содержит четыре асимметрических
з
•СНОН
5
•СНОН
•Анон
6
СН2ОН
Каждый из возможных стереоизомеров обычно представляют в виде плоской крестообразной формулы I. Как всегда, в формулах этого типа принимается, что горизонтальные линии изображают связи, направленные из плоскости чертежа на читателя, а вертикальные — связи, которые направлены от читателя за плоскость чертежа.
Только молекулярные модели могут показать, что в действительности обозначают формулы типа I. Построить правильную модель какого-либо стереоизомера довольно трудно, если только не следовать некоторым правилам, которые впервые четко были сформулированы крупнейшим химиком Эмилем Фишером.
Соберите цепь из атомов углерода с СНО-группой на одном конце и СН2ОН-груп- пой — на другом. 2. Возьмите СНО-группу в одну руку, а остальная часть молекулы пусть свисает вниз. 3. Другой рукой возьмите нижнюю СН.ОН-группу и заведите ее назад так, чтобы она коснулась СНО-группы. 4. Теперь одной рукой можно удерживать обе группы, причем остающийся участок цепи образует довольно жесткое кольцо, направленное к читателю. (Именно в придании жесткости гибкому кольцу и состояла цель всех предыдущих операций.) В результате описанной процедуры группа СНО окажется над группой СНгОН и обе они будут направлены от читателя 5. Наконец, продолжая удерживать кольцо, как описано выше, переходите от одного атома углерода к другому, присоединяя к каждому из них ОН или Н справа илн слева от кольца в соответствии с их положением в проекционной формуле. В каждом из случаев эти группы будут направлены к читателю.
Несимметричность двух концов молекулы альдогексозы делает невозмож ным существование лезо-соединений (разд. 7.7), и поэтому можно ожидать существования 24 = 16 стереоизомеров, т. е. восьми пар энантиомеров. Все 16 изомеров сейчас известны и либо получены синтетически, либо выделены из природных источников; из них только три — (+)-глюкоза, (+)-манноза и (-Ь)-галактоза — встречаются в больших количествах.
Задача 33.1. Напишите проекционные формулы для одного из энантиомеров каждой из втих восьми пар, помещая во всех случаях группу СНО вверху формулы, а СН2ОН — внизу и ОН-группу у нижнего асимметрического атома углерода (С5) с правой стороны.
Из этих 16 изомеров лишь один будет (+)-глюкозой, о которой мы уже говорили как о самом распространенном моносахариде. Вторым изомером будет (—)-глюкоза — энантиомер соединения, встречающегося в природе. Другие 14 изомеров — это диастереомеры глюкозы, имеющие собственные названия, например манноза, галактоза, гулоза и т. д. Как и следовало ожидать, эти другие альдогексозы вступают в те же реакции, что уже были описаны для глюкозы. Диастереомеры глюкозы вступают в эти реакции с различными скоростями и дают различные индивидуальные соединения, ио химия процессов во всех случаях практически одинакова.
Соединения, образующиеся из этих других альдогексоз, получают, как правило, названия по аналогии с названиями соединений, образующихся из глюкозы. Этот принцип проиллюстрирован в табл. 33.1 на примере альдогексозы (+)-маннозы, которая встречается в природе во многих растениях.
Таблица 33.1
Название производных альдоз
Тин ееедимемия
Название типа
Примеры специфических назмии*
Моносахарид HOCHj(CHOH)nCHO
Альдозы
Глюкоза
Манноза
Моиокарбоиовая кислота
НОСН2(СНОН)„СООН
Альдоновые кислоты
Глюконовая кислота
Манноновая кислоте
Днкарбоновая кислота НООС(СНОН)„СООН
Сахарные кислоты
Глюкароваякислота
(сахарная кислота)
Маннаровая кислоте
Полиатомный спирт
НОСН,(СНОН) „сн2он
Полиолы
Сорбит
Маннит
Альдегидокнслота НООС(СНОН)„СНО
Уроновые кислоты
Глюкуроновая кислота
Маннуроновая кислоте
Структурная формула, написанная для (+)-глюкозы, в действительности может отвечать любой из 16 альдогексоз. Только после того, как мы уточним конфигурацию у каждого из асимметрических атомов углерода, мы получим формулу, соответствующую лишь самой ( + )-глюкозе. Прежде чем перейти к обсуждению классических работ по установлению конфигурации (+)-глюкозы, необходимо сначала лучше познакомиться с химией моносахаридов.
Задача 33.2. а) Сколько асимметрических атомов углерода содержится в (—)-фруктозе> б) Сколько может быть стереоизомерных 2-кетогексоз? в) Нарисуйте проекционные формулы для одного из знантиомеров в каждой из пар, помещая во всех случаях группу С=О в верхней части формулы, а группу ОН у нижнего асимметрического атома углерода (Ct) с правой стороны.
Окисление. Действие и^елочей
Существует четыре важных метода окисления альдозы: а) реактивом Фелинга или Толленса, б) бромной водой, в) азотной кислотой и г) надиодпой кислотой НЮ4.
Альдозы восстанавливают реактив Толленса, как этого и следовало ожидать для альдегидов. Они также восстанавливают раствор Фелинга — щелочной раствор иона меди в комплексе с тартрат-ионом (или раствор Бенедикта — щелочной раствор иона меди в комплексе с цитрат-ионом); темно-синий цвет раствора при этом исчезает и выпадает красный осадок окиси меди. Однако эти реакции менее полезны, чем можно было бы ожидать.
Во-первых, при помощи этих реакций нельзя отличить альдозы от кетоз. Кетозы также восстанавливают реактивы Фелинга и Толленса; эта реакция характерна для а-оксикетонов.
Во-вторых, окисление реактивом Фелинга или Толленса нельзя применять для получения глюконовых кислот (монокарбоновых кислот) из альдоз. Оба эти реактива являются щелочными, а обработка сахаров щелочами может
вызывать изомеризацию и даже разрыв цепи. Подобное влияние щелочи отчасти связано с тем, что под действием щелочи устанавливается равновесие между моносахаридом и ендиольной структурой.
сноснон
1II
н-с-он .с-он
СНО 1 , но-с-н
Н-С—ОНН—С—он
альвоза.«нвцел
” н-с-он
алъвоза.
СН2ОН
с=о
СН2ОН
.с—он_
—||7и 11.8.
Н-С-ОН
кетозе.
с—он
«неиол
Бромная вода окисляет альдозы, но не кетозы; это кислый реагент и он не вызывает изомеризации молекулы. Поэтому при помощи бромной воды можно отличить альдозы от кетоз, и ее используют для синтеза глюконовой кислоты (монокарбоновой кислоты) из альдозы
СООН
Вг^ + Н^О|
СНО 1
>(СНОН)„
(Н,0Н
(СНОН)„ - 1
глюконовая кислота
СНаОН
СООН
альдоза
HNOS|
>■(СНОН)„
СООН
сахарная кислота
(глюкаровая кислота)
Обработка альдозы более сильным окислителем — азотной кислотой — вызывает окисление не только СНО-группы, но также СН2ОН- группы и приводит к образованию дикарбоновой сахарной кислоты.
Подобно другим соединениям, содержащим две или более групп ОН или —О при соседних атомах углерода, углеводы подвергаются окислительному расщеплению иодной кислотой (разд. 28.6). Эта реакция, открытая в 1928 г. Л. Малапраде (университет в Нанси, Франция), является одним из наиболее важных методов в современных исследованиях структуры углеводов.
Задача 33.3. Обработка (+)-глюкозы иодной кислотой приводит к получению таких соединений. образование которых подтверждает ее альдогексозную структуру. Какие это соединения и сколько НЮ, при »том должно израсходоваться?
Задача 33.4. Идентифицируйте каждое из следующих производных глюкозы (А — Г) по данным окисления:
А + 4НЮ4 » ЗНСООН + НСНО + ОНС—СООН,
Б + 511104 ♦ 4НСООН + 2НСНО,
В + ЗНЮ4 > 21ICOOH + 201IC—СООН,Г + 4НЮ4> 4НСС0Н + ОНС—СООН.
Образование озазона. Эпимеры
Поскольку альдозы содержат альдегидную группу, они реагируют с фенилгидразином с образованием фенилгидразонов. Если использовать избыток фенилгидразина, то реакция протекает дальше и приводит к соединениям, известным под названием озазонов, которые содержат по два остатка фенилгидразина на молекулу сахара; третья молекула реагента при этом превращается в анилин и аммиак (не вполне ясно, как происходит окисление ОН-группы).
сноСнон ДЕ^™1 сипаоза.сноСнон ДЕ^™1 сипаоза.ch=nnhc6h5
сно
Снон ДЕ^™1 сипаоза.
сно
Снон ДЕ^™1 сипаоза.
C=NNHC6H5 + CtH5NH2 + NH3
озазон
Образование озазонов свойственно не только углеводам, но и вообще а-оксиальдегидам и а-оксикетонам (например, бензоину С6Н5СН(ОН)СОС6НЬ].
Удаление остатков фенилгидразина дает дикарбонильные соединения, известные под названием озонов, например:
CH=NNHC6H,СНО
+ 2СбН5СН^КННСбН5+ 2СбН5СН^КННСбН5фенидгидразон бензальдегидафенидгидразон бензальдегидаC=NNHC6H$с,н^но.№^ ^Q
+ 2СбН5СН^КННСбН5
+ 2СбН5СН^КННСбН5
фенидгидразон бензальдегида
фенидгидразон бензальдегида
озазонозон
Задача 33.5. Альдегиды легче восстанавливаются, чем кетоны. Учитывая это, укажите, какие соединения получатся при восстановлении глюкозона цинком и уксусной кислотой. Напишите последовательность реакций, при помощи которых альдозу можно превратить в 2-кетозу.
В 1858 г. Питер Грисс, занимаясь химией в свободное от основной работы —пивоварения— время, открыл соли диазония (гл. 24). В 1875 г. Эмиль Фишер (Мюнхенский университет) обнаружил, что восстановление фенилдиазо- нийхлорида сернистым ангидридом дает фенилгидразин. Девять лет спустя, в 1884 г., Э. Фишер сообщил о том, что полученный им фенилгидразин можно использовать в качестве реактива при исследовании углеводов.
Одна из трудностей работы с углеводами состоит в том, что они склонны образовывать сиропообразные жидкости, а не твердые вещества, с которыми легко работать и очищать. Обработка углеводов фенилгидразином превращает их в легко кристаллизующиеся озазоны, которые можно идентифицировать по характерной форме кристаллов.
Фишер обнаружил, что образование озазонов полезно не только при идентификации углеводов, но также, что гораздо важнее, для установления их конфигурации. Например, две диастереомерные альдогексозы — (+)-глюкоза и (+)-манноза — дают один и тот же озазон. Образование озазона приводит к исчезновению асимметрического центра при С-2 в альдозе, но не затрагивает конфигурации остальной части молекулы.
1
СНО
I
HC=NNHC,HS
I
СНО
2
н—с—он
2
G=NNHC6HS
2 НО
1
-с-н
3
3C6H5NHNHt
3
IQHjNUNH,
3
Эпимеры, dawn один
4
—
4
—
4
озазол
5
— —
5
— —
5
•— —.
6
СН2ОН
В
СН2ОН
6
снгон
Отсюда следует, что (+)-глюкоза и (4-)-манноза различаются лишь по конфигурации при С-2 и имеют одну и ту же конфигурацию при С-3, С-4 и С-5. Это означает, что если известна конфигурация любого их этих соединений, то конфигурация другого следует однозначно по данным образования озазонов. Пары диастереомерных альдоз, различающихся лишь по конфигурации при С-2, называются эпимерами. Один из наиболее удобных способов, позволяющих идентифицировать пары эпимерных альдоз, — образование одного и того же озазона.
Задача 33.6. При обработке кетогексозы, (—)-фруктозы, фенилгидразииом образуется озазон, идентичный образцу, получаемому как из (4- )-глюкозы, так и из (+)-маннозы. Как связана конфигурация (—)-фруктозы с конфигурациями (+)-глюкозы и (+)-ман- иозы?
Увеличение длины углеродной цепи альдоз.
Синтез Килиани— Фишера
В нескольких следующих разделах мы рассмотрим некоторые методы, при помощи которых альдозу можно превратить в другую альдозу. Эти превращения не только используются для синтеза новых углеводов, но также, как будет показано, облегчают установление конфигураций.
CNCNсоонсоонс=ос=осносно
CN
CN
соон
соон
с=о
с=о
сно
сно
н-с-онн-с-онн-с-онн-с-онн—с—онн—с—онн-с—онн-с—он
н-с-он
н-с-он
н-с-он
н-с-он
н—с—он
н—с—он
н-с—он
н-с—он
н-с-онн-с-онн—с—онн—с—онсн2онсн2онсносноно-с-нно-с-нн-с—онн-с—онCNCNно-с-нно-с-нно-с-нно-с-нСН2ОН ахьдапентоза.СН2ОН ахьдапентоза.но-с-нно-с-нН1Ои*;Н1Ои*;н2о, И*н2о, И*н—с—онн—с—онНО-С-Н _wНО-С-Н _wНО СНО N1(Hg) J —СО»'НО СНО N1(Hg) J —СО»'но-с—нно-с—нн—сн—сн—с—онн—с—онн—с—онн—с—онн—с—онн—с—онсн2онсн2онсн2онсн2онсн2онсн2онсоонсоонс=ос=осносноно—с—нно—с—нно—с—нно—с—нно-с-нно-с-нНО—С—Н -н,оНО—С—Н -н,он-с—онн-с—онно-с—нно-с—нн-с-н-с-О Ne(Hg)| "^7О Ne(Hg)| "^7но-с-нно-с-нн-с—онн-с—он
н-с-он
н-с-он
н—с—он
н—с—он
сн2он
сн2он
сно
сно
но-с-н
но-с-н
н-с—он
н-с—он
CN
CN
но-с-н
но-с-н
но-с-н
но-с-н
СН2ОН ахьдапентоза.
СН2ОН ахьдапентоза.
но-с-н
но-с-н
Н1Ои*;
Н1Ои*;
н2о, И*
н2о, И*
н—с—он
н—с—он
НО-С-Н _w
НО-С-Н _w
НО СНО N1(Hg) J —СО»'
НО СНО N1(Hg) J —СО»'
но-с—н
но-с—н
н—с
н—с
н—с—он
н—с—он
н—с—он
н—с—он
н—с—он
н—с—он
сн2он
сн2он
сн2он
сн2он
сн2он
сн2он
соон
соон
с=о
с=о
сно
сно
но—с—н
но—с—н
но—с—н
но—с—н
но-с-н
но-с-н
НО—С—Н -н,о
НО—С—Н -н,о
н-с—он
н-с—он
но-с—н
но-с—н
н-с-
н-с-
О Ne(Hg)
| "^7
О Ne(Hg)
| "^7
но-с-н
но-с-н
н-с—он
н-с—он
н—с—онн—с—онн-с—онн-с—онн-с-онн-с-онн-с—онн-с—он
н—с—он
н—с—он
н-с—он
н-с—он
н-с-он
н-с-он
н-с—он
н-с—он
СНгОНСНгОНСН2ОНСН2ОНСНгОНСНгОНСН2ОНСН2ОНдиастереомерные циангидриныдиастереомерные циангидриныдиастереомерные г/тконовые ниспоты (смесь обычно разделяется на этой стадии)диастереомерные г/тконовые ниспоты (смесь обычно разделяется на этой стадии)диастереомерныегяюконолактоныдиастереомерныегяюконолактоныдиастереомерныеалъдоеексазы(эпимеры)диастереомерныеалъдоеексазы(эпимеры)
СНгОН
СНгОН
СН2ОН
СН2ОН
СНгОН
СНгОН
СН2ОН
СН2ОН
диастереомерные циангидрины
диастереомерные циангидрины
диастереомерные г/тконовые ниспоты (смесь обычно разделяется на этой стадии)
диастереомерные г/тконовые ниспоты (смесь обычно разделяется на этой стадии)
диастереомерныегяюконолактоны
диастереомерныегяюконолактоны
диастереомерныеалъдоеексазы
(эпимеры)
диастереомерныеалъдоеексазы
(эпимеры)
Рис. 33.2. Пример синтеза Килиани — Фишера.
Рассмотрим метод превращения альдозы в другую альдозу, содержащую на один атом углерода больше, т. е. метод увеличения длины углеродной цепи.
В 1886 г. Генрих Килиани (Высшая техническая школа в Мюнхене) показал, что альдозу можно превратить в две глюкоиовые кислоты, содержащие на один атом углерода больше, путем присоединения HCN и гидролиза образующихся циангидринов. В 1890 г. Фишер сообщил, что восстановление глкконовой кислоты (в форме лактона, разд. 31.3) можно направить так, что будет образовываться соответствующая альдоза.
На рис. 33.2 весь ход синтеза Килиани — Фишера проиллюстрирован иа примере превращения альдопентозы в две альдогексозы.
Присоединение цианида к альдопентозе приводит к появлению нового асимметрического атома углерода, относительно которого возможны две конфигурации (разд. 7.8 и 31.6). В результате образуются два диастереомерных циангидрина, которые дают диастереомерные карбоновые кислоты (глюконовые кислоты) и, наконец, диастереомерные альдозы.
Поскольку глюконовая кислота с шестью атомами углерода содержит ОН-группы в у- и 6-положениях, можно ожидать, чю она даст лактон в кислых условиях (разд. 31.3). Если это происходит, то обычно образуется более устойчивый у-лактон. Именно лактон и подвергается восстановлению в альдозу на последней стадии в синтезе Килиани — Фишера.
Две альдозы, получаемые в результате этого синтеза, различаются между собой лишь по конфигурации при С-2, и поэтому они являются эпимерами. Пару альдоз можно идентифицировать как пару эпимеров не только по их превращению в один и тот же озазон (разд. 33.7), но также по их образованию в результате одного и того же синтеза Килиани — Фишера.
Эти эпимеры, подобно другим диастереомерам, различаются по физическим свойствам, и поэтому их можно разделить. Однако, поскольку углеводы очистить трудно, обычно удобнее разделять диастереомерные продукты на стадии кислот, из которых легко образуются кристаллические соли; далее индивидуальный лактон можно восстановить в индивидуальную альдозу.
Задача 33.7. а) Используя проекционные формулы для обозначения конфигурации, укажите все стадии синтеза Килиани — Фишера, исходя из альдотриозы. о-(+)-1лииери- нового альде, ида (разд. 31.5) Сколько альдотетроз при этом может образоваться?
Укажите конфигурацию альдопентоз, которые образуются из каждой рз этих альдотетроз по синтезу Килиани — Фишера, а также альдогексоз, образующихся аз этих альдопентоз.
Составьте «генеалогическое дерево» для этих альдоз, гипотетически выведенное из d-(+)-глицериново| о альдегида. Какой символ (d или l) должен быть приписан каждой из этих альдоз? Если группу СПО поместить в каждом случае наверху формулы, то что общею в конфигурации во всех этих формулах? Почему?
Какое обозначение (о или ь) должно быть приписано всем альдозам, гипотетически выведенным из ь-(—)-iлнцеринового альдегида? Что общего в конфигурации во всех формулах этих альдоз? Почему?
Как обстояло дело с приведенными выше конфигурациями до 1919 г. и после 1949 г ?
Задача 33.8. Укажите конфигурацию и назовите дикарбоновую кислоту (сахарную кислоту), которая будет образовываться при окислении азотной кислотой тетроз, выведенных из р-(+ )- и р-(—)-'лицериновых альдегидов. Какие из них будут оптически активными, а какие — оптически неактивными? Какие относятся к D-ряду, L-ряду или не могут быть отнесены ни к одному из рядов?
Уменьшение длины цепи альдоз.
Расщепление по Руффу
Существует ряд способов, при помощи которых альдозу можно превратить в другую альдозу, содержащую на один атом углерода меньше. Одним из таких методов уменьшения длины углеродной цепи является расщепление по Руффу. Альдоза окисляется бромной водой в глюконовую кислоту; окисление кальциевой соли этой кислоты перекисью водорода в ирнсутствии солей железа дает карбонат-ион и альдозу, содержащую ма один атом углерода меньше (рис. 33.3).
СНОсоонН—С—онн—с—онНО—С—НВ Г,.+н»о НО—С—Н1—♦"1н—с—онН—С—онн—с—онН—С—онсн,она 1,ональдогексозаглюконоваяСНОсоонН—С—онн—с—онНО—С—НВ Г,.+н»о НО—С—Н1—♦"1н—с—онН—С—онн—с—онН—С—онсн,она 1,ональдогексозаглюконоваяс«со.с«со.кислотакислота(СОО"),Са»+СНОIIн—С—ОНно—с-нН—С—ОНН,О, Fe^ н—i—онI > I + со!н—с—онн—с—онн—с—онсн,онСИ,он глюконатальдопентозакальция(СОО"),Са»+СНОIIн—С—ОНно—с-нН—С—ОНН,О, Fe^ н—i—онI > I + со!н—с—онн—с—онн—с—онсн,онСИ,он глюконатальдопентозакальция
СНО
соон
Н—С—он
н—с—он
НО—С—НВ Г,.
+н»о НО—С—Н
1—
♦"1
н—с—он
Н—С—он
н—с—он
Н—С—он
сн,он
а 1,он
альдогексоза
глюконовая
СНО
соон
Н—С—он
н—с—он
НО—С—НВ Г,.
+н»о НО—С—Н
1—
♦"1
н—с—он
Н—С—он
н—с—он
Н—С—он
сн,он
а 1,он
альдогексоза
глюконовая
с«со.
с«со.
кислота
кислота
(СОО"),Са»+СНО
II
н—С—ОНно—с-н
Н—С—ОНН,О, Fe^ н—i—он
I > I + со!
н—с—онн—с—он
н—с—онсн,он
СИ,он глюконатальдопентоза
кальция
(СОО"),Са»+СНО
II
н—С—ОНно—с-н
Н—С—ОНН,О, Fe^ н—i—он
I > I + со!
н—с—онн—с—он
н—с—онсн,он
СИ,он глюконатальдопентоза
кальция
Рис. 33.3. Пример расщепления по Руффу.
Превращение альдозы в ее эпимер
В присутствии третичного амина, особенно пиридина (разд. 36.6), устанавливается равновесие между глюконовой кислотой и ее эпимером. Эта реакция лежит в основе наилучшего метода превращения альдозы в ее эпимер, поскольку при этом затрагивается конфигурация лишь при С-2. Альдоза окисляется бромной водой в глюконовую кислоту, которую далее обрабатывают пиридином. Из образующейся равновесной смеси выделяют эпимерную глюконовую кислоту и затем ее восстанавливают (в форме лактона) в эпимерную альдозу (см., например, рис. 33.4).
СНО н-с-онНО—С—НВгьНгО^н-с-он н—с—онIСН2ОН альдогексоза.СНО н-с-онНО—С—НВгьНгО^н-с-он н—с—онIСН2ОН альдогексоза.соон I Н-С-ОННО—С—Нму***н-с-онН-С-ОНсн2онсоон I Н-С-ОННО—С—Нму***н-с-онН-С-ОНсн2онСООННО-С-ННО-С-НН—с—онIН-С-ОНСН2ОНСООННО-С-ННО-С-НН—с—онIН-С-ОНСН2ОН-и,о-и,оэпимерные глюкеневые кислотыэпимерные глюкеневые кислоты
СНО н-с-он
НО—С—НВгьНгО^
н-с-он н—с—он
I
СН2ОН альдогексоза.
СНО н-с-он
НО—С—НВгьНгО^
н-с-он н—с—он
I
СН2ОН альдогексоза.
соон I Н-С-ОН
НО—С—Нму***
н-с-он
Н-С-ОН
сн2он
соон I Н-С-ОН
НО—С—Нму***
н-с-он
Н-С-ОН
сн2он
СООН
НО-С-Н
НО-С-Н
Н—с—онI
Н-С-ОН
СН2ОН
СООН
НО-С-Н
НО-С-Н
Н—с—онI
Н-С-ОН
СН2ОН
-и,о
-и,о
эпимерные глюкеневые кислоты
эпимерные глюкеневые кислоты
Na (Hg), CO,Na (Hg), CO,Н-С-ОНIСН2ОНН-С-ОНIСН2ОН) глюкемолактон) глюкемолактонсно I НО-С-ННО-С-НН-С-ОНI Н-С-ОНI СН2ОН эпимерная алъбогексозасно I НО-С-ННО-С-НН-С-ОНI Н-С-ОНI СН2ОН эпимерная алъбогексоза
Na (Hg), CO,
Na (Hg), CO,
Н-С-ОНI
СН2ОН
Н-С-ОНI
СН2ОН
) глюкемолактон
) глюкемолактон
сно I НО-С-Н
НО-С-Н
Н-С-ОН
I Н-С-ОН
I СН2ОН эпимерная алъбогексоза
сно I НО-С-Н
НО-С-Н
Н-С-ОН
I Н-С-ОН
I СН2ОН эпимерная алъбогексоза
Рие. 33.4. Превращение альдозы в ее эпимер.
Конфигурация (+)-глюкозы.
Доказательство Фишера
Вернемся к 1888 г. В то время были известны лишь немногие моносахариды и среди них (-!-)-глюкоза. (—)-фруктоза и (+)-арабиноза. (+)-Манноза была только что синтезирована. Было известно, что (Ч-)-глюкоза представ-
ляет собой альдогексозу, а (4-)-арабиноза — альдопентозу. В 1884 г. Э. Фишер обнаружил, что действием фенилгидразина сахара превращаются в озазоны. Методу увеличения длины цепи при помощи циангидрина по Килиани было всего два года.
Было известно, что альдозы могут восстанавливаться в сорбиты (полиолы) и окисляться в монокарбоновые глюконовые кислоты и дикарбоновые сахарные кислоты. Теория стереоизомерии и оптической активности была предложена в 1874 г. Вант-Гоффом и Ле Белем. Уже были известны методы разделения стереоизомеров и измерения оптической активности. Хорошо были разработаны концепции рацемических модификаций, лезо-соединений и эпимеров.
(+)-Глюкоза, будучи альдогексозой, могла иметь любую из 16 возможных конфигураций. Возникал вопрос: какую же конфигурацию имеет глюкоза? В 1888 г. Эмиль Фишер (Вюрцбургский университет) приступил к поиску ответа на этот вопрос, и в 1891 г. он закончил свое замечательное исследование, за которое в 1902 г. ему была присуждена Нобелевская премия. Проследим вслед за Фишером за основными стадиями установления конфигурации (+)-глюкозы. Приведенная ниже аргументация несколько видоизменена, но в основном та же, что и у Э. Фишера.
Шестнадцать возможных конфигураций (+1-глюкозы составляют 8 пар энантиомеров. Поскольку в то вр'‘.мя не существовало методов определения абсолютной конфигурации, то Фишер понимал, что в лучшем случае он может выяснить, что (-г)-глюкоза имеет одну из двух возможных энантиомерных конфигураций, но не сможет приписать ей правильную абсолютную конфигурацию.
Поэтому для упрощения задачи Фишер отбросил восемь из возможных конфигураций, произвольно сохранив лишь те (I —VIII), в которых группа ОН при С-5 находится с правой стороны (принимая, что Н и ОН направлены к читателю). Он отдавал себе отчет, что любые аргументы, которые могли привести к выбору какой-либо из этих формул, в равной степени применимы к зеркальному отображению этой формулы. (Как выяснилось позднее, его произвольный выбор расположения ОН при С-5 в (-г)-глюкозе оказался верным.]
1 сно
СНОСНОСНО 1
2 Н—С—ОН
но—С—НН—С—ОНно—С—Н 2
з и—с—он
н—С—онНО—С—ННО—С—Н 3
4 Н—С—ОН
н—С—ОНН—С—ОНН—С—ОН 4
5 Н—С—ОН
н—С—ОНН—С—ОНН—С—ОН 5
6 СН2ОН
СН2ОНСН2ОНСН2ОН 6
I
ПIIIIV
1СНО
СНОСНОСНО I
2 Н—С—ОН
НО—С—НН—С—ОННО—С—Н 2
3 Н—С—ОН
Н—С—ОННО—С—ННО— С—Н 3
4 НО—С—Н
НО—С—ННО—С—ННО—С—Н 4
5 Н— С—ОН
н—с—онН—С—ОНН—С—ОН 5
6СН,ОН
СН2ОНСН2ОНСН2ОН 6
V
VIVIIV1H
Поскольку его доказательство отчасти опиралось на взаимосвязь между (+)-глюкозой и альдопентозой, (—)-арабинозой, то Фишеру пришлось рассмотреть также конфигурацию пяти атомов углерода альдопентозы. Из восьми возможных конфигураций он оставил для рассмотрения лишь четыре (IX— XII), причем снова те конфигурации, в которых ОН-группа у нижнего асимметрического углерода находится с правой стороны.
снон—с—он н—с—он н—с—онСН2ОНIXснон—с—он н—с—он н—с—онСН2ОНIXсно но—i—н н—<*:-онн—с—онIсн2онXсно но—i—н н—<*:-онн—с—онIсн2онXснон—с—он I но—с—нI н—с—онIСН2ОНснон—с—он I но—с—нI н—с—онIСН2ОНсноIно—с—нно—с—нIн—с—онСН2ОНXIIсноIно—с—нно—с—нIн—с—онСН2ОНXII
сно
н—с—он н—с—он н—с—он
СН2ОН
IX
сно
н—с—он н—с—он н—с—он
СН2ОН
IX
сно но—i—н н—<*:-он
н—с—он
I
сн2он
X
сно но—i—н н—<*:-он
н—с—он
I
сн2он
X
сно
н—с—он I но—с—н
I н—с—он
I
СН2ОН
сно
н—с—он I но—с—н
I н—с—он
I
СН2ОН
сноIно—с—н
но—с—н
Iн—с—он
СН2ОН
XII
сноIно—с—н
но—с—н
Iн—с—он
СН2ОН
XII
Схема доказательства следующая:
При окислении азотной кислотой (—)-арабиноза дает оптически активную дикарбоновую кислоту. Поскольку принимается, что ОН-группа при самом нижнем асимметрическом центре находится справа, то, следовательно, ОН-группа при самом верхнем асимметрическом атоме углерода находится слева (как в X или XII),
Н—С—ОНН—С—ОНСООНСООНСООНоптическиактивнаСООНоптическиактивнаСНО
Н—С—ОН
Н—С—ОН
СООН
СООН
СООН
оптическиактивна
СООН
оптическиактивна
НО—С—Н
HN03
н—с—он
СН2ОН
(—)-арабиноза,частичная формула
X или XII
поскольку если бы она была справа (как в IX или XI), то дикислота пред
ставляла бы собой оптически неактивную лезо-кислоту
СНО
СООНСНОСООН
н—с—он
н—с—онн—с—онн—с—он
н—с—он
HNO311HNO31
>- Н—С—ОНно—с—Н > но—с—н
н—с—он
н—С—онн—с—онн—с—он
сн2он
IX
СООНСН2ОНСООН
оптическиXIоптически
неактивна,неактивна,
мезо-соединениемезо-соединение
(—)-Арабиноза при помощи синтеза Килиани —Фишера превращается в (+)-глюкозу и (+)-маннозу. Поэтому (+)-глюкоза и ( + )-ман- ноза являются эпимерами, различающимися лишь по конфигурации при С-2, и имеют ту же конфигурацию при С-3, С-4 и С-5, что и (—)-арабиноза. Вследствие этого для (+)-глюкозы и (+)-маннозы возможны конфигурации
Ши1Уили VII и VIII.
1СНОСНО 1
СНО
1
2 Н—С—ОННО—i—Н 2
НО—С—Н
3 НО—С—ИНО—С—Н 3
—С—
*1*1
4—С——С—4
Н—С—ОН
11
5 Н—С—ОНН—С—ОН 5
СН2ОН
6СН,ОНСН,ОН 6
(—)-арабииоза, частичная ^нц/мула X или XII
(+)-глюк<на и ( + )-манноза:эпимеры, чштичные формулы
III и IV или VII н VII
3. При окислении азотной кислотой как (4)-глюкоза, так и (+)-ман- «оза дают оптически активные дикарбоновые кислоты. Это означает, что ОН-группа при С-4 находится справа, как в структурах III и IV,
СНО
соон
1СНО
соон
Н—С—ОН
Н—С—он
2 HO—С—Н
но—£—н
НО—С—H
hno, НО—С—Н
3 НО—С—Н hno.
HO—L- Н
1
>-1
|>
Н—С—ОН
н—с—он
4 Н—С—ОН
н—с—он
Н—с—он
н—i—он
5 Н—С—ОН
н—С—ОН
сн,он
соон
•СН2ОН
СООН
ш
оптически активна
IV
оптически активна
поскольку если бы она была слева.
как в структурах VII и VIII, то одна
сахарных кислот обязательно должна была быть лезо-кислотой
СНО
соон
СНО
СООН
Н—С—ОН
н—с—он
НО—с—н
но—с—н
НО—С—н
hno3 НО—С—Н
НО—С—Н. HNOi
НО—с—н
>•1
1—►•
но—с—н
но—с—н
НО—с—н
но—с—н
н—с—он
Н—с—он
н—с—он
н—с—он
сн2он
соон
(!:н2он
соон
VII
оптически иеактивн*, мезо-соединение
VIII
оптически ак!мвиа
В (—)-арабинозе этот гидроксил должен находиться также справа, ж поэтому она будет иметь конфигурацию X
СНО
I НО—С—н н—с—он н—с—он
I CI 1,ОН X (—) ар >бтюза (-г)-Глюкоза и (+)-манноза имеют конфигурации III и IV, однако остается нерешенным один вопрос, какомх из соединений приписать каждую ив этих двух конфигураций? Необходим еще один этап исследований.
Окисление другой гексозы, (+)-гулозы, дает ту же самую дикарбоновую кислоту, (+)-сахарную кислоту, как и окисление (+)-глюкозы. (Гулоза была для этой цели синтезирована Фишером.) Если мы рассмотрим две возможные конфигурации для (+)-сахарной кислоты (Ша и IVa), то убедимся, что лишь Ша может быть получена из двух различных гексоз: из III и ее энантиомера V.
1
СНО
СООН
СН2ОН
6
2
Н—С—ОН
н—с—ои
н—с—он
5
3
но—с—н
HNOg
но—с—н
HNO3
но—с—н
4
4
н—С—он
н—с—он
н—с—он
3
5
н—с—он
н—с—он
Н—С—ОН 2
6
СН2ОН
III
СООН Ша
сно энантиомер структуры V
1
Кислоту IVa можно получить лишь из 1СНОСООН
одной гексозы — СН2ОН
- из IV.
6
2
но—с—н
НО—С—Н
НО—С—Н
5
3
но—с—н
HNO3
но—с—н
hno3
но—С—Н
4
4
н—с—он
н—с—он
Н—С—ОН
3
5
н—с—он
н—с—он
Н—С—ОН 2
6
СН2ОН
IV
СООН
IVa
СНО
IV (повернута на 180°)
I
Отсюда следует, что (+)-сахарная кислота имеет конфигурацию Ша и поэтому (+)-глюкозе можно приписать конфигурацию III.
'1 сно *
Н—С—ОН
но—с—н
Н—С—ОН I
Н—С—ОН
6 СН2ОН
III
(+)-глюкоза
(+)-Манноза в таком случае имеет конфигурацию IV, а (—)-гулоза (энантио-
мерная гулозе,
использованной Фишером) — конфигурацию V СНОСНО
НО—С—Нн—ОН
11
НО—С—нн—с—он
11
н—с—онно—с—н
н—с—онн— он
сн2онсн2он
IVV
(+)-манноза(—)-гулоза
Конфигурации альдоз
В настоящее время известны все возможные альдозы (и кетозы), содержащие шесть или меньшее число атомов углерода, и многие альдозы (и кетозы), содержащие более шести атомов углерода. Большинство из них в природе не встречаются и были получены синтетически. Конфигурации всех этих углеводов были установлены тем же путем, который использовал Фишер для установления конфигурации (+)-глюкозы; более того, конфигурация двенадцати из шестнадцати альдогексоз была установлена Фишером и его учениками.
Выше мы рассмотрели, каким образом конфигурации III, IV, V и X были приписаны (+)-глюкозе, (+)-маннозе, (—)-гулозе и (—)-арабинозе соответственно. Теперь выясним, как были установлены конфигурации некоторых других моносахаридов.
Альдопентоза (—)-рибоза образует тот же озазон, что и (—)-арабино- за. Поскольку (—)-арабиноза имеет конфигурацию X, то (—)-рибоза должна иметь конфигурацию IX. Эта конфигурация была подтверждена восстановлением (—)-рибозы в оптически неактивное (мезо) пентаоксисоединение — рибит,.
ОНО
ch=nnhc6h5
оно
но—С—н
с—nnhc6h5
н—с—он
1CeHsNHCHs
ICeHsNHNHg
Н—С—ОН>
н—С—ОН-<
- н—с—он
Н—С—ОН
н—с—он
н—с—он
Ан2он
сн2он
СН2ОН
X
(—)-арабиноза
озазон
IX
(—)-рибоза
Н2, Ni
СН2ОН н—с—он н—с—он н—с—он
СН2ОНрибит,мезо-соединение,оптически неактивно
Две остающиеся альдопентозы —■ (+)-ксилоза и (—)-ликсоза — должны иметь конфигурации XI и XII. Окисление азотной кислотой превращает (+)-ксилозу в оптически неактивную (мезо) сахарную кислоту. Поэтому (+)- ксилоза должна иметь конфигурацию XI, а (—)-ликсоза — XII.
ОНО
СООН
сно
СООН
Н—£—ОН
Н—С—ОН
НО—с—н
НО—С—Н
HNO3|
1 НО—С—н
но—с—н
> НО—С—н
НО—С—Ндала бы
н—с—он
н—с—он
И— с—он
н—с—он
СН2ОН
СООН
СН2ОН
СООН
XI
ксиларовая
XII
оптически
(4-)-ксилоза
кислота, мезо-соединение, оптически неактивна
(—)-ликсоза
активна
Расщепление (—)-арабинозы дает тетрозу (—)-эритрозу, которая поэтому имеет конфигурацию XI11. В соответствии с этой конфигурацией (—)-эритроза при окислении азотной кислотой дает мезо-винную кислоту
сносноно—с—нно—с—нсносносоонсоонН—С—ОНн—онН—С—ОНн—онрасщеплениепо Руффурасщеплениепо Руффун—С—ОНн—С—ОНн—с—онн—с—онГЧ2ОНГЧ2ОНсн,онсн,он(—)-арабиноза(—)-арабинозаXIII(—(-эритрозаXIII(—(-эритрозанхо3 Н—।нхо3 Н—।Н—IН—IСООНСООНмезо винная кислота, оптически иеактивиамезо винная кислота, оптически иеактивиа
сно
сно
но—с—н
но—с—н
сно
сно
соон
соон
Н—С—ОН
н—он
Н—С—ОН
н—он
расщеплениепо Руффу
расщеплениепо Руффу
н—С—ОН
н—С—ОН
н—с—он
н—с—он
ГЧ2ОН
ГЧ2ОН
сн,он
сн,он
(—)-арабиноза
(—)-арабиноза
XIII
(—(-эритроза
XIII
(—(-эритроза
нхо3 Н—।
нхо3 Н—।
Н—I
Н—I
СООН
СООН
мезо винная кислота, оптически иеактивиа
мезо винная кислота, оптически иеактивиа
Расщепление (+)-ксилозы по методу Руффа дает тетрозу (—)-треозу, которая поэтому должна иметь конфигурацию XIV Это подтверждается окислением (—)-треозы в оптически активную (—(-винную кислоту
СНО
1
СНО
соон
н—С—OI1
пасщепление _1
1
1
по Руффу11U—с—Н
НМО3 НС—С—Н
>1
>■1
н—с—он
н—с-он
н—с—OI1
1
сн он
соон
СН2ОП
(+(-ксилоза
XIV
(—' винная кислота.
(—1-треоза
оптически активна
Задача 33.9. Укажите, каким из перечисленных ниже моносахаридам отвечают конфигурации I, II, VI, VII и VIII (стр. 942), используя следующие данные и сведения об уже установленных конфигурациях:
Альдогексозы (+)-галактоза и (+)-талоза д;ют одни и тот же озазон. Расщепление (+)-галактозы приводит к (—)-ликсозе. Окисление ; +(-галактозы азотной кислотой дает оптически неактивную -и^зо-кислоту, галактаровую кислоту (обычно называемую му новой кислотой-).
(—)-Рибоза при помощи синтеза Килиани — Фишера превращается в две альдогексозы— (+)-аллозу и (4- (-альтрозу. Окисление (-р)-альтрозы приводит к оптически активной альтраровой кислоте. Восстановление (+)-аллозы в шестиатомный спирт дает оптически неактивный аллит.
Альдогексоза (—)-идоза образует тот же озазон, что и (—)-гулоза.
Задача 33.10. Обратитесь снова к «генеалогическому дереву», составленному в задаче 33.7 на стр. 940, и приведите название для всех структур.
Задача 33.11. Какова конфигурация 2-кетогексозы (—(-фруктозы? (См. задачу 33.6, стр. 939).
Задача 33.12. Укажите конфигурации (—)-глюкозы, (—)-маннозы и (+)-фруктозы.
Семейство альдоз.
Абсолютная конфигурация
Данные, на основании которых Фишер приписал конфигурацию (+)-глю- козе, приводят к одной из энантиомерных структур I или II. Фишер произвольно выбрал структуру I, в которой ОН-группа у нижнего асимметрического
атома углерода находится с правой стороны.
В структуре I мы узнаем энантиомер, который гипотетически можно вывести из о-(+)-глицеринового альдегида при помощи последовательности синтезов по Килиани — Фишеру, причем асимметрический атом углерода
сно
СООН
СН2ОН
н—с—он
Н—С—ОН
н—с—ОН
НО—С—ОН hno3
1*“
НО—С—Н
HNOg
10—с— н
Н—С—ОН
Н—С—ОН
н—с—он
н—£—он
Н— С—ОН
н—с—он
СН2ОН С-(+)-глюкоза
СООН
СНО|
|разд. 31 6 НО—С—Н
Н—С—ОН >■I
|н—с—он
СН2ОНI
СООН
О-(4-)-глицери-(—)-винная
новый альдегидкислота
СООН
(+) сахарная кислота
СНО
HNOg НЭ—С—Н
■*1
н-с-он
сн,он
(—)-треоза
сно (+)-гулоза
'расщепление по Руффу
сно
H—С—ОН НО—С—Н
H—С—ОН
СН2ОН (-Р)-ксилоза
расщепление по Руффу
сно н—(!:—он
н—с—он
но—с—н
н—с—он
СН2ОН
(—)-гулоза
Рис. 33.5. Взаимосвязь (+)-глюкозы с о-(+)-глицериновым альдегидом.
(+)-глицеринового альдегида сохранится как самый нижний асимметрический углерод альдозы, получаемой из него (см. задачу 33.7, стр. 940). Тот факт, что (+)-глюкоза связывается с в-(+)-глицериновым альдегидом, был установлен при помощи ряда последовательностей реакций, одна из которых показана на рис. 33.5. На этом основании структуру I можно назвать о-(+)-глюкозой, а структуру II — ь-(—)-глюкозой.
В 1906 г. американский химик Розанов (Нью-Йоркский университет) предложил глицериновый альдегид в качестве сташартного соединения, с которым следует связывать конфигурацию углеводов. Спустя 11 лет эксперимевтально было установлено, что правовращающий (+)-глицериновый альдегид связан с (+)-глюкозой. На этом основании (-|-)-глицериновому альдегиду было тогда дано обозначение d и была приписана конфигурация, соответствующая конфигурации, произвольно приписанной Фишером для (+)-глюкозы. Хотя Фишер не согласился с предложением Розанова, оно стало общепринятым.
Независимо от направления вращения плоскости поляризации всем моносахаридам приписан символ о или ь на основании конфигурации самого нижнего асимметрического атома углерода, причем карбонильную группу помещают в верхней части формулы: о означает, что ОН-группа находится с правой стороны, а ь — что ОН-группа находится с левой. (Как всегда подразумевается, что Н и ОН направлены из плоскости чертежа к читателю.) Так, например, (+)-манноза и (—)-арабиноза относятся к одному и тому же с-ряду на основании их родства с о-(-[-)-глюкозой, а через нее с с-(4-)-глииериновым альдегидом.
До 1949 г. эти конфигурации принимались на основании чисто эмпирических данных; они были удобны для того, чтобы показать конфигурационные взаимоотношения между различными углеводами, а также между ними и другими органическими соединениями. Но, как это понимал каждый исследователь, истинные конфигурации этих соединений могли бы в действительности оказаться зеркальными антиподами тех, которые им были приписаны; например, ОН-группа при нижнем асимметрическом атоме углерода в моносахаридах о-ряда могла бы на самом деле находиться с левой стороны. Однако, когда Бийо определил в 1949 г. абсолютную конфигурацию (+)-винной кислоты при помощи рентгеноструктурного анализа (разд. 3.14 и 31.6), ой обнаружил, что она в действительности имеет ту конфигурацию, которая ей была просто приписана. Произвольный выбор, сделанный Эмилем Фишером в 1891 г., оказался верным; конфигурация, приписанная им (+)-глюкозе, является правильной абсолютной конфигурацией; то же относится и ко всем другим углеводам, конфигурация которых была связана с (+)-глюкозой.
Задача 33.13. (+)Тулоза, которая сыграла такую важную роль в доказательстве конфигурации о-(+)-глюкозы, была синтезирована Фишером по следующей схеме:
HNO3—НгО'
П-(+)-глюкоза >- (+)-сахарная кислота > А и Б (лактоны, разделены),
Na(Hg)-Н2ОNa(Hg)
А >■ В (глюконовая кислота) >- Г (лактон) >-О-(+)-глюкоза,
Na(Hg)— H2ONa(Hg)
Б >- Д (глюконовая кислота) >- Е (лактон) >- (+)-гулоза.
Напишите структурные формулы соединений А — Е. Какова конфигурация (+)-гу- лозы? К какому ряду она относится — d или l? Почему?'
Циклическая структура О-(+)-глюкозы.
Образование глюкозидов
Мы уже познакомились с данными, согласно которым d-(+)-глюкоза представляет собой пентаоксиальдегид. Мы также знаем, как была установ-
лена ее конфигурация. Поэтому могло бы показаться, что для о-(+)-глюкозы окончательно доказана структура I.
ОНОн—i—он
Iно—с—нн—с—он
н—с—он
сн2он
Iп-(+)-глюкоза
Однако одновременно с этими исследованиями стали накапливаться факты, которые нельзя было согласовать со структурой I для о-(4-)-глюкозы. К 1895 г. стало ясно, что представление о о-(+)-глюкозе как пентаоксиальдегиде должно быть изменено.
Среди тех фактов, которые все еще оставались не объясненными, были следующие:
о-(+)-Глюкоза не вступает в некоторые типичные реакции альдегидов. Хотя она легко окисляется, она дает отрицательную пробу Шиффа и не образует аддукта с бисульфитом.
о-(+)-Глюкоза существует в двух изомерных формах, которые подвергаются мутаротации. Когда кристаллы обычной о-(+)-глюкозы с т. пл. 146 °C растворяют в воде, то первоначальное удельное вращение раствора, равное +112° (1,954 рад), постепенно уменьшается до +52,7° (0,920 рад). С другой стороны, если кристаллы в-(+)-глюкозы с т. пл. 150 °C (получаемой при кристаллизации выше 98 °C)’ растворить в воде, то удельное вращение раствора постепенно увеличивается от первоначальных -f-19° (0,332 рад) до +52,7° (0,920 рад). Форма правовращающей глюкозы с более высокой величиной угла вращения называется а-о-(-|-)-глюкозой, а с меньшей величиной угла вращения — р-о-(+)-глюкозой. Изменение угла вращения каждой из этих форм до равновесного значения называют процессом мутаротации.
о-(+)-Глюкоза образует два изомерных метил-о-глюкозида. Из разд. 19.17 мы знаем, что альдегиды реагируют со спиртами в присутствии безводной HCI с образованием ацеталей. Если спиртом является метанол, то ацеталь содержит две метильные группы
н
IСНзОН. н+
—С=О (>
нн
1СН3ОН, Н|
—С—ОСН3> — с—ОСН3
альдегид
11
ОНосн3
полуацетальацеталь
При обработке о-(-|-)-глюкозы метанолом и НС1 образующийся метил- d-глюкозид содержит лишь одну метильную группу, хотя свойства его напоминают свойства полного ацеталя. Он спонтанно не превращается в альдегид и спирт при соприкосновении с водой; для гидролиза требуется водный раствор кислоты.
Кроме того, известно не одно, а два монометилпроизводных о-(ф-)- глюкозы: одно с т. пл. 165 °C и удельным вращением +158° (2,737 рад) и другое с т. пл. 107 °C и удельным вращением —33° (0,576 рад). Первый из этих изомеров называют метил-а-о-глюкозидом, а второй — метил- P-D-глюкозидом. Эти глюкозиды не подвергаются мутаротации и не восстанавливают реактивов Толленса или Фелинга.
Анамеры глюкозы: ■полуацетали восстанавливающие сахара мутаротацияАнамеры глюкозы: ■полуацетали восстанавливающие сахара мутаротацияНеобходимо было изменить представления о структуре п-(+)-глюкозы так, чтобы они соответствовали этим фактам. В 1895 г. в результате работ ряда химиков, включая Толленса, Фишера и Танрета, появилось представление о циклической структуре о-(+)-глюкозы. Эта структура была несколько исправлена в 1926 г. (уточнен размер цикла), а недавно была выяснена также предпочтительная конформация молекулы.
Анамеры глюкозы: ■полуацетали восстанавливающие сахара мутаротация
Анамеры глюкозы: ■полуацетали восстанавливающие сахара мутаротация
н-с-он
Н—С—ОН
з но-с—н I
Н-С—ОН
Н-С
ПанеИбПанеИба-в-(+Углюкозв. (т.пя. 146Т,[а]= +112°)а-в-(+Углюкозв. (т.пя. 146Т,[а]= +112°)Шаш6шв£-»-( +) -гт«кеза(т.м. 150°С,[«]= +19")Шаш6шв£-»-( +) -гт«кеза(т.м. 150°С,[«]= +19")сн2он
ПанеИб
ПанеИб
а-в-(+Углюкозв. (т.пя. 146Т,[а]= +112°)
а-в-(+Углюкозв. (т.пя. 146Т,[а]= +112°)
Шаш6шв
£-»-( +) -гт«кеза(т.м. 150°С,[«]= +19")
Шаш6шв
£-»-( +) -гт«кеза(т.м. 150°С,[«]= +19")
1
2
3
4
5
6
Рис. 33.6. Циклическая структура п-(+)-глюкозы.
в-(ф)-Глюкоза имеет циклическую структуру, которую можно приблизительно представить структурами Па и Ша, более точно — структурами Пб и Шб и точнее всего — структурами Пв и Шв (рис. 33.6).
о-(+)-Глюкоза представляет собой полуацеталь, образующийся при взаимодействии альдегидной группы с гидроксильной группой при С-5 ациклической структуры I. Циклическая структура образуется потому, что альдегидная и спиртовая группы входят в состав одной молекулы.
Существование двух изомерных форм п-(+)-глюкозы обусловлено тем, что в этой циклической структуре содержится на один асимметрический атом углерода больше, чем в исходной ациклической структуре Фишера (I). а- и Р-о-(+)-Глюкозы представляют собой диастереомеры, отличающиеся по конфигурации при С-1. Подобные пары диастереомеров называют аномерами.
а- и р-п-(+)-Глюкозы, будучи полуацеталями, легко гидролизуются водой. В водном растворе любой из аномеров превращается — через ациклическую форму — в равновесную смесь, содержащую оба циклических изомера. Таким образом, мутаротация объясняется легкостью раскрытия и замыкания полуацетального кольца (рис. 33.7).
Типичные реакции альдегида с-(+)-глюкозы — образование озазона, и, вероятно, также восстановление реактивов Толленса и Фелинга, по-видимо- му, объясняются присутствием небольшого количества ациклического соединения, запас которого немедленно пополняется по мере того, как оно реаги-
Рис. 33.7. Мутаротация.
рует. Концентрация этой ациклической структуры, однако, слишком мала (менее 0,5%) для того, чтобы могли протекать такие легко обратимые реакции, как образование аддукта с бисульфитом или проба Шиффа.
Изомерные формы метил-Р-глюкозида представляют собой аномеры и имеют циклические структуры IV и V (рис. 33.8).
Аномеры глюкозида; ацетали невосстаиавливатощие сахара, не претерпевают мутаротации
метил-а? р- глюкозид (п1.пл.165оС,[сс)= + 158е)
Рис. 33.8. Циклические структуры метил-п-глюкозидов.
Хотя метил глюкозиды образуются при взаимодействии с 1 молем метанола, тем не менее они являются полными ацеталями, поскольку в роли второй молекулы спирта выступает гидроксильная группа С-5 самой р-(+)-глюкозы. Глюкозиды не подвергаются мутаротации, поскольку, будучи ацеталями, они
довольно устойчивы в водном растворе. При нагревании с водными растворами кислот они гидролизуются с образованием исходных полуацеталей (II и III). К действию оснований глюкозиды, как и вообще ацетали, вполне устойчивы. Поскольку глюкозиды не способны гидролизоваться в ациклические альдегиды под действием щелочей, содержащихся в реактивах Толленса или Фелинга, они являются невосстанавливающими сахарами.
Другие моносахариды, подобно о-(-|-)-глюкозе, также существуют в аномерных формах, способных к мутаротации, и реагируют со спиртами с образованием аномерных глюкозидов
Мы изображали циклические структуры d-глюкозы и метил-о-глюкозида несколькими способами: например, для P-d-глюкозы структурами Ша, Шб и Шв. Сейчас нам необходимо убедиться в том, что все три способа изображения соответствуют одной и той же структуре и что конфигурации при С-2, С-3, С-4 и С-5 те же, что и в ациклической структуре, доказанной Фишером. Это лучше всего можно проследить на моделях.
Мы можем превратить ациклическую модель d-глюкозы в циклическую путем присоединения кислорода ОН-группы при С-5 к альдегидному углероду С-1. В зависимости от того, с какой стороны плоской карбонильной группы будет присоединяться кислород при С-5, мы придем к а- или P-структуре. Структуры Пб и Шб изображают то же кольцо, лежащее на боку, так что группы, которые находились справа в вертикальной модели, направлены вниз, а группы, которые находились слева в вертикальной модели, направлены вверх. (Обратите внимание на то, что СН2ОН-группа направлена вверх.) В более точном изображении Пв и Шв расположение этих групп несколько изменено за счет искажения шестичленного кольца, которое будет обсуждено в разд. 33.18.
Задача 33.14. а) На основании данных по удельному вращению водных растворов чистых а- и Р-о-(+)-глюкоз и раствора после мутаротации рассчитайте относительное количество о- и P-форм при равновесии (принимая, что содержание ациклической формы ничтожно мало), б) Рассмотрите структуры Пв и Шв и иа основании этого предположите причину большего содержания одного из изомеров. (Указание: см. разд. 9.16.) Задача 33.15. На основании данных, приведенных в разд. 19.9 и 19.17, предположите механизм для кислотно-каталнзируемой мутаротации о-(+)-глюкозы.
Задача 33.16. (+)-Глюкоза реагирует с уксусным ангидридом с образованием двух изомерных пентаацетилпроизводных, ни одно из которых не восстанавливает реактива Фелинга или Толленса. Объясните эти факты.
Конфигурация при С-1
Как только было установлено, что альдозы и их глюкозиды имеют циклическую структуру, сразу же возник вопрос: какова конфигурация при С-1 в каждой из этих аномерных структур?
В 1909 г. К- Хадсон (Общественная служба здравоохранения США) внес следующее предложение. В о-ряду более правовращающий член а,^-пары аномеров следует называть сс-п, а другой — р-о; в и-ряду более левовращающий член такой пары получает название а-ь, а другой — р-i.. Таким образом, энантиомером а-о-(+)-глюкозы будет а-ь-(—)-глюкоза.
Далее, группа ОН или 0СН3 при С-1 находится с правой стороны в а-п- аномере и с левой стороны — в ^-о-аномере, как показано на рис. 33.9 для альдогексоз. (Обратите внимание на то, что группы, находящиеся справа в вертикальной формуле, направлены вниз в циклической структуре.)
Предложения Хадсона стали общепринятыми. Хотя первоначально они базировались на некоторых кажущихся очевидными, но не доказанных взаимоотношениях между конфигурацией и оптическим вращением, все данные показывают, что приписанные им конфигурации верны. Так, например, ot-n- глюкоза и метил-а-о-глюкозид имеют одну и ту же самую конфигурацию; то же относится к паре р-о-глюкоза и метил-р-п-глюкозид. Доказательством служит то, что при ферментативном гидролизе метил-а-п-глюкозида образуется.
5 Н—С
I
6 СН2ОН
Рис. 33.9. Конфигурация аномеров альдогексоз.
ос-ю-аномеры
первоначально более правовращающая a-D-глюкоза, а при гидролизе метил-р*о- глюкозида — P-D-глюкоза. "
Для метил-а-глюкозидов всех D-альдогексоз конфигурация при С-1 одна и та же. Доказательством служит то, что все они дают одно и то же вещество при окислении НЮ,.
2233445566Г 'н-с—осн3снонсномГ 'н-с—осн3снонсномСИОНСИОНн—сн—ссн2онсн2онООмет«я- <х- еяюмзид любой п-альдвгексозымет«я- <х- еяюмзид любой п-альдвгексозыI н—С—ОСНзI н—С—ОСНзсносно2НЮ<2НЮ<СНОСНОн—сн—сСН2ОНСН2ОН+ НСООН+ НСООНООВыводя) SrCO3^ gr 2Выводя) SrCO3^ gr 2н—сн—соосоос-оос-оосСН2ОНСН2ОНн-сн-содна и та же соль стронцияодна и та же соль стронция
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
Г 'н-с—осн3
снон
сном
Г 'н-с—осн3
снон
сном
СИОН
СИОН
н—с
н—с
сн2он
сн2он
О
О
мет«я- <х- еяюмзид любой п-альдвгексозы
мет«я- <х- еяюмзид любой п-альдвгексозы
I н—С—ОСНз
I н—С—ОСНз
сно
сно
2НЮ<
2НЮ<
СНО
СНО
н—с
н—с
СН2ОН
СН2ОН
+ НСООН
+ НСООН
О
О
Выводя) SrCO3^ gr 2
Выводя) SrCO3^ gr 2
н—с
н—с
оос
оос
-оос
-оос
СН2ОН
СН2ОН
н-с
н-с
одна и та же соль стронция
одна и та же соль стронция
В результате окисления разрушаются асимметрические центры при С-2, С-3 и С-4, но сохраняется конфигурация при С-1 и С-5. Конфигурация при С-5 одинакова для всех членов D-ряда. Одни и те же продукты можно получить для всех этих глюкозидов только в том случае, если все они имеют одинаковую конфигурацию при С-1.
Группа ОН при С-1 находится с правой стороны для a-D-ряда и с левой стороны для Р-о-ряда, что было доказано рентгеноструктурным анализом.
Задача 33.17. а) Какие соединения получаются при обработке приведенных выше стронциевых солей разбавленной НС1? б) Аналогичное окисление использовали для подтверж-
дения конфигурационной взаимозависимости между (+)-глюкозой и (+)-глицернновым альдегидом. Каким образом это было сделано?
Метилирование
Прежде чем мы перейдем к определению размера цикла о-(+)-глюкозы, необходимо познакомиться с дополнительными данными по метилированию углеводов.
Известно, что обработка о-(+)-глюкозы метанолом и сухим хлористым водородом дает метил-о-глюкозиды. Реакцию можно представить следующим образом:
В этой реакции альдегид шли, точнее, его полуацеталь) превращается, как обычно, в ацеталь.
Обработка метил-о глюкозида ди метилсульфатом и едким натром вызывает метилирование четырех оставшихся ОН-групп и дает тетраметил-О-метил-о- глюкозид
Образование простого эфираОбразование простого эфираментил-/}-п- глюкозид, невосстанавливаюций сахарментил-/}-п- глюкозид, невосстанавливаюций сахар
Образование простого эфира
Образование простого эфира
ментил-/}-п- глюкозид, невосстанавливаюций сахар
ментил-/}-п- глюкозид, невосстанавливаюций сахар
В этой реакции эфирные связи образуются по реакции, представляющей собой модификацию синтеза Вильямсона; это обусловлено относительно высокой кислотностью этих ОН-групп. (Почему эти ОН-группы имеют большую кислотность, чем ОН-группы обычных спиртов?)
Таким образом, теперь ОСН3-группы имеются у каждого атома углерода в молекуле углевода, кроме атома, соединенного эфирной связью с С-1; если справедлива структура с шестичленным кольцом, то ОСН,-группы будут у всех атомов углерода, кроме С-5.
Обработка тетраметил-О-метиЛ-t '-глюкозида разбавленной соляной кислотой удаляет лишь одну из ОСНггрупп и лает тетра-О-метил-о-глюкозу.
Гидролиз а^ета ляГидролиз а^ета лямет№р-2.Д4, 6-тетра-О-метил-Ъ'Ълнжозид, невосстанавяивающий сахармет№р-2.Д4, 6-тетра-О-метил-Ъ'Ълнжозид, невосстанавяивающий сахарос - 2,3,4,б-тетра -О-метил - п-глюкоза, ? восстанавливающий сахарос - 2,3,4,б-тетра -О-метил - п-глюкоза, ? восстанавливающий сахарр-гД^б- тетра,- О-метил-и-глюмоза,, восстанавливающий сахарр-гД^б- тетра,- О-метил-и-глюмоза,, восстанавливающий сахар
Гидролиз а^ета ля
Гидролиз а^ета ля
мет№р-2.Д4, 6-тетра-О-метил-Ъ'Ълнжозид, невосстанавяивающий сахар
мет№р-2.Д4, 6-тетра-О-метил-Ъ'Ълнжозид, невосстанавяивающий сахар
ос - 2,3,4,б-тетра -О-метил - п-глюкоза, ? восстанавливающий сахар
ос - 2,3,4,б-тетра -О-метил - п-глюкоза, ? восстанавливающий сахар
р-гД^б- тетра,- О-метил-и-глюмоза,, восстанавливающий сахар
р-гД^б- тетра,- О-метил-и-глюмоза,, восстанавливающий сахар
В этих мягких условиях гидролизу подвергается лишь реакционноспособная ацетальная связь; другие четыре группы ОСН3, удерживаемые обычными эфирными связями, при этом не затрагиваются.
Аналогичные превращения типичны для метилирования любых моносахаридов. Сполна метилированные углеводы содержат ацетальные связи и простые эфирные связи; эти связи образуются различными путями и гидролизуются в неодинаковых условиях.
Определение размера цикла
В циклических структурах, которые мы до сих пор использовали для а- и р-о-(+)-глюкозы и а- и Р-о-глюкозидов, кислород соединяет атомы С-1 и С-5, что соответствует наличию в этих соединениях шестичленного цикла. Однако возможно существование циклов другого размера, особенно пятичленного, в котором С-1 связан с С-4. Какие имеются доказательства, свидетельствующие в пользу шестичленного кольца?
Когда метил-р-о-глюкозид обрабатывают димегилсульфатом и едким натром и продукт реакции гидролизуют разбавленной соляной кислотой, то получают тетра-О-метил-о-глюкозу. Это соединение представляет собой циклический полуацеталь, который в растворе существует преимущественно в равновесии с небольшим количеством ациклической формы (стр. 957).
В этой ациклической тетра-О-метил-о-глюкозе имеется альдегидная группа и четыре ОСН8-группы. Кроме того, она содержит свободную неметилиро- ванную ОН-группу при том атоме углерода, который участвовал в образовании ацетальной свяви — при С-5, если справедлива структура с шестичленным циклом. Определение размера цикла тем самым сводится к выяснению того, какой атом углерода несет свободную ОН-группу.
CHOICHOIH—c— OCH3 2
CHOI
CHOI
CH3O-C—H3
H—С—0CH3 4 I
H—c—OH5
I CH2OCH3 6
2,3,4,6-тетра-О-метил-т>- глюкоза,ациклическая форма
Что же произойдет, если подвергнуть тетра-О-метил-о-глюкозу окислению азотной кислотой в жестких условиях? Как СНО-, так и свободная ОН-группа должны при этом окисляться с образованием кетокислоты. Но если мы вспомним о свойствах кетонов (разд. 19.10), то станет ясно, что окисление на этом не остановится и должен происходить разрыв связей с той или другой стороны карбонильной группы. СООН
расщепление ^ OCHS
СНО~СООН -
Н—С—OCHSН—С—ОСН3
CHSO—С—НHNO3 CHSO—с—н
1—>1-
Н—С—ОСН3Н—С—OCHj
Н—С—ОНС=О
1I
СН2ОСН3СНяОСНз
Н—С—ОСНз
СООН
триметоксиглута- ровая кислота
СООН
расщепление
С4-С51
2,3,4,6-тетра-О-кетокислотаСН3О С Н
метил-В-глюкоза,ccicw
оксиальдегидcoot
диметоксиянтар- ная кислота, продукты расщепления
Окисление действительно дает триметоксиглутаровую и диметоксиянтар- ную кислоты. Смесь пяти- и четырехуглеродных кислот может образоваться только в том случае, если расщепление происходит с обеих сторон от С-5. Поэтому именно при С-5 находился кислород карбонильной группы в промежуточной кетокислоте, при С-5 находилась свободная ОН-группа в тетра-О-метил-о- глюкозе и центр С-5 участвовал в образовании апетального кольца в исходном глюкозиде. Метил-Р-d-глюкозид должен содержать шестичленное кольцо.
С помощью вышеописанного метода и в основном благодаря работам лауреата Нобелевской премии В. Хеуорса (Бирмингемский университет) было установлено, что шестичленное кольцо является обычным элементом структуры для всех глюкозидов альдогексоз. Данные другого рода (ферментативный гидролиз, рентгеноструктурный анализ) показывают, что свободные альдогексозы также содержат шестичленные циклы.
Задача 33.18. Продукты окисления метил-а-гликозидов п-альдогексоз при помощи НЮ4 указаны в разд. 33.15. Какие соединения образовались бы, если бы эти глюкозиды содержали пятичленные циклы?
Задача 33.19. Если метил-а-ь-арабинозид или метил-р-п-ксилозид подвергнуть реакциям метилирования, гидролиза и окисления азотиой кислотой, то образуется триметоксиглу- таровая кислота, а) Каков размер цикла в этих альдопентозидах? б) Какие соединения образуются при окислении каждого из этих альдопентозидов при помощи НЮ4?
Задача 33.20. Когда кристаллический метил-а-п-фруктозид подвергается реакпиям метилирования, гидролиза, окисления КМпО4 и затем азотной кислотой, то получается триметоксиглутаровая кислота. Каков размер цикла в этом 2-кетогексозиде? б) Сравните эту кислоту с кислотой, получающейся из метил-а-ь-арабинознда?
Задача 33.21. Кристаллические метил-а- и метил-P-d-глюкознды, которые мы обсуждали выше, обычно получают, используя метанольный раствор НС1 при 120 °C. Если d-(+J- глюкозу метилировать при комнатной температуре, то образуется жидкий метил-о- глюкозид. Когда этот так называемый у-глюкозид подвергают реакции метилиррваиия, гидролиза и окисления азотной кислотой, то получают диметоксияитарную кислоту, а) Каков размер цикла у-глюкозида? б) Будет ли диметоксиянтарная кислота оптически активной или оптически неактнвиой? Какова ее абсолютная конфигурация? bj Если жидкий у-глюкозид, получаемый из d-(—)-фруктозы, подвергают реакциям метилирования, гидролиза и окисления азотной кислотой, то получается диметоксиянтарная кислота. Сравните эту кислоту с кислотой, полученной в вопросе (б).
Если название углевода должно точно отражать особенности его структуры, то в нем должен быть указан размер цикла. По предложению Хеуорса углеводы называют так, чтобы показать их связь с одним из гетероциклов.— пираном или фураном.
ниран
Углевод, содержащий шестичленное кольцо, называют пиранозой, а его гликозиды — пиранозидами. Углевод, содержащий пятичленное кольцо, называют фуранозой, а его гликозиды — фуранозидами, например:
сщон н
р-в-глюкопираноза-
сн2он н
Мбюта-р-П-глюмпиранозиа
метил-p-у-ФрятабфдгонезиО
Конформация
Мы проследили путь установления структуры d-(+)-глюкозы, а вместе с ней и структур других моносахаридов вплоть до заключительного- этапа установления размера цикла в 1926 г. Осталось обсудить лишь один аспект, важность которого была осознана лишь в 1950 г., — конформацию.
п-(+)-Глюкоза содержит шестичленное кольцо пиранозы. Поскольку угол связи С—О—С [111° (1,937 рад)] почти равен тетраэдрическому [109,5° (1,911 рад)], то пиранозное кольцо должно быть очень похоже на циклогексановое кольцо (разд. 9.16). Оно не плоское и, для того чтобы были минимальными торсионное и вандерваальсово напряжения, оно должно существовать предпочтительно в конформациях кресла, а не в конформациях ванны. Рентгеноструктурный анализ подтверждает правильность такого заключения.
Но для аномера d-(+)-глюкопиранозы возможны две кресловидные конформации; например, I и II для 0-о-(+)-глкжопиранозы
Какая из этих конформаций более устойчива, т. е. в которой из них молекулы, находятся большее время? Для |3-о-(+)-глюкопиранозы ответ кажется ясным: структура I, в которой все объемистые заместители (СН2ОН и ОН) занимают незатрудненные экваториальные положения, безусловно, должна быть гораздо устойчивее, чем структура II, в которой все объемистые группы находятся в аксиальных положениях. Рентгеноструктурный анализ также подтверждает справедливость этого заключения.
Что же можно сказать о а-о-(-|-)-глюкозе и других альдогексозах? Эта проблема была разрешена в основном благодаря работам Р. Ривза по изучению комплексов углеводов с солями меди.
Как правило, наиболее устойчива конформация, в которой самая объемистая группа, СН2ОН, занимает экваториальное положение, например:
/з- D - маннопираноза,, устойчивая конформация/з- D - маннопираноза,, устойчивая конформацияосгц-галантпопираноза, устойчивая консосрмаиияосгц-галантпопираноза, устойчивая консосрмаииясс- d- глюпопираноза^ устойчива я конформа ц и ясс- d- глюпопираноза^ устойчива я конформа ц и я
/з- D - маннопираноза,, устойчивая конформация
/з- D - маннопираноза,, устойчивая конформация
осгц-галантпопираноза, устойчивая консосрмаиия
осгц-галантпопираноза, устойчивая консосрмаиия
сс- d- глюпопираноза^ устойчива я конформа ц и я
сс- d- глюпопираноза^ устойчива я конформа ц и я
менее устойчивая» четыре аксиальных ОН, одна экваториальная —СНгОНменее устойчивая» четыре аксиальных ОН, одна экваториальная —СНгОНЛишь в крайнем случае для того, чтобы несколько ОН-групп могли занять экваториальные положения, группа СН2ОН может занять аксиальное положение, например:
менее устойчивая» четыре аксиальных ОН, одна экваториальная —СНгОН
менее устойчивая» четыре аксиальных ОН, одна экваториальная —СНгОН
более устойчивая четыре экваториальных ОНУ одна аксиальная —СН2ОН
Из всех D-альдогексоз лишь р-п-(+)-глюкоза может принять конформацию, в которой все объемистые группы находятся в экваториальном положении. Может быть, то обстоятельство, что р-п-(+)-глюкоза — наиболее распространенное в природе органическое вещество, не является результатом простого случайного совпадения?
При написании структурных формул или сборке моделей альдогексоз удобной стандартной структурой является Р-о-(+)-глюкоза. Обычно рисуют ее структуру, как это показано в формуле I: атом С-1 в нижнем углу, С-4 — в верхнем, а кислород в правом заднем углу и размещают все группы ОН и СН2ОН в экваториальные положения. Тогда структуры других альдогексоз D-ряда можно получить простым учетом их отличий от структуры I. Так, а-о-(+)-глюкоза (III) отличается по конфигурации при С-1; P-D-манноза (IV) имеет иную конфигурацию при С-2; о-D-галактоза (V) отличается конфигурацией при С-1 и С-4. Соединения L-ряда являются, конечно, зеркальными изображениями этих структур.
В метилированных и ацетилированных пиранозах объемистые группы также стремятся занять экваториальные положения; однако существует одно общее исключение: метокси- или ацетоксигруппа при С-1 стремится стать аксиальной. Этот так называемый аномерный эффект относят за счет отталкивания диполей у кислорода при С-1 и кислорода кольца.
более зааойчивыйболее зааойчивыйАномерный эффектАномерный эффект
более зааойчивый
более зааойчивый
Аномерный эффект
Аномерный эффект
Как и следует ожидать для диполь-дипольных взаимодействий, аномерный эффект ослабевает по мере увеличения полярности растворителя (разд. 4.7). Для свободных сахаров, растворенных в воде, аномерный эффект обычно уравновешивается другими факторами; D-глюкоза, например, существует обычно как 3-аномер с ОН-группой при С-1 в экваториальном положении.
Задача 33.22. Нарисуйте конформации, которые будут, по вашему мнению, наиболее устойчивыми для следующих соединений:
P-D-аллопиранозы,г)a-D-арабинопиранозы,
P-D-гулопиранозы,д)Р-ь-(—)-глюкопиранозы,
P-D-ксилопиранозы,е)P-D-(—)-фруктопиранозы.
ЗАДАЧИ
Напишите структурные формулы и, где возможно, назовите основные продукты реакции р-(+)-галактозы со следующими реагентами (во всех ли случаях будут наблюдаться реакции?):
в следующие соединения:метил-Р-о-глюкозид,метил-Р-2,3,4,б-тетра-О-метил-с-глюкознд,2,3,4,б-тетра-О-метил-о-глюкозу,о-маннозу,ь-гулозу,п-арабинозу,мезо-винную кислоту,гекса-О-ацетил-о-сорбит,о-фруктозу,в следующие соединения:метил-Р-о-глюкозид,метил-Р-2,3,4,б-тетра-О-метил-с-глюкознд,2,3,4,б-тетра-О-метил-о-глюкозу,о-маннозу,ь-гулозу,п-арабинозу,мезо-винную кислоту,гекса-О-ацетил-о-сорбит,о-фруктозу,
в следующие соединения:
метил-Р-о-глюкозид,
метил-Р-2,3,4,б-тетра-О-метил-с-глюкознд,
2,3,4,б-тетра-О-метил-о-глюкозу,
о-маннозу,
ь-гулозу,
п-арабинозу,
мезо-винную кислоту,
гекса-О-ацетил-о-сорбит,
о-фруктозу,
в следующие соединения:
метил-Р-о-глюкозид,
метил-Р-2,3,4,б-тетра-О-метил-с-глюкознд,
2,3,4,б-тетра-О-метил-о-глюкозу,
о-маннозу,
ь-гулозу,
п-арабинозу,
мезо-винную кислоту,
гекса-О-ацетил-о-сорбит,
о-фруктозу,
гидроксиламином,
фенилгидразином,
бромной водой
HNOS,
Д) НЮ4,
уксусным ангидридом,
хлористым бензоилом, пиридином,
СН.ОН, НС1,
СН3ОН, НС1, затем (CH3)2SO4, NaOH,' ’
реагентом (и), затем разб. НС1,
реагентами (и) и (к), затем энергичное окисление,
м) Н2, Ni,
н) NaBH4,
2 Напишите уравнения реакций, с помощью
С№, Н+; затем гидролиз; затем Na(Hg), СО2,
п) Н2, Ni; затем окисление в монокарбоновую кислоту,
Вг2 (водн.) затем пиридин; затем Н+;
затем Na(Hg), СО2,
фенилгидразином; затем бензальдегид, Н+,
реагентом (с), затем восстановление в монокарбонильное соединение,
у) Вг2 (водн.); затем СаСО3; затем Н2О2, Fe3+,'
ф) реагентом (и); затем NaOH, х) СН3ОН, НС1; затем НЮ4, ц) реагентом (х); затем Вг2 (водн.);
затем разб. НС1.
которых о-(+)-глюкозу можно превратить
сно
40Н
НОН
НОН
нОН
НОН
СН2ОН
Помимо D-фруктозы, известны еще три D-2-кетогексозы: п-псикоза, п-сорбоза и о-тага- тоза.
Нарисуйте возможные конфигурации этих трех кетоз.
Зная конфигурации всех альдогексоз, укажите, как можно установить конфигурации этих кетоз
Приведите стереохимические формулы для веществ А — Пи укажите, каким альдозам родственны альдозы Д, Д', Е, 3, И, И', О и П.
С1СН2СН0 + BrMgC=CMgBr + 0НССН2С1 > A(CeHgO2Cl2), в основном
мезо
мезо-А + КОН> Б (СвНвО2), диэпокись,
Б + Н20, ОН- -—> В (СвН1еО4),
В + Н2, Pd/CaCO3> Г (СвН12О4),
Г + холодный разб. КМпО4> Д и Д' (оба СвН14Ов),
Г + надмуравьиная кислота» Е (С4Н14Ов),
В + Na, NHS> Ж (С6Н12О4),
В + холодный разб. КМпО4» 3 (СвН14Ов),
В + надмуравьииая кислота* И и И' (оба СвН14Ов);
траяс-пентен-2-ин-4-ол-1 + НСО2ОН» К (СВН8О3), пентин-4-триол-1,2,3, К + уксусный ангидрид, затем Pd/CaCO3 + Н2» Л (СцН1вОв), Л + НОВг» М и Н (оба С11Н„О,Вг), М + гидролиз» О (СВН12ОВ), Н + гидролиз> П (СВН12ОВ), рацемическая модификация;
Исходя из бутин-2-диола-1,4 [получаемого из ацетилена и формальдегида, задача 5 (к), стр. 854], приведите схему синтеза эритрита и D.L-треита.
При скармливании борнеола (ROH) собакам это токсичное вещество выделяется в виде вещества А (С6НеОв—OR), где R — борнильная группа. Это соединение не восстанавливает раствор Бенедикта. Оно реагирует с водным NaHCOs с выделением газа. Обработка соединения А водной кислотой дает борнеол (ROH) и D-глюкуроновую кислоту
(табл. 33.1), которая окисляется бромной водой в D-сахарную кислоту.
Какова структура соединения А?
Гидролиз полисахарида пектина (из фруктов и ягод) дает главным образом о-га- лактуроновую кислоту; гидролиз полисахарида альгина (из морских водорослей) приводит к о-маннуроновой кислоте. Напишите структурные формулы этих глюкуроновых кислот.
Существуют две уроновые кислоты, связанные с D-фруктозой. Напишите их структурные формулы. Укажите названия и принадлежность к ряду для альдоновых кислот, получаемых из каждой «фруктуроновой кислоты» при восстановлении карбонильной группы.
Какое соединение, по вашему мнению, образуется при обработке о-глюкозона бромной водой?
При окислении НЮ, метилглюкозид (А) дает тот же самый продукт (показан на стр. 954), который получается из метил-а-глюкозидов D-альдогексоз; однако при его окислении расходуется лишь 1 моль НЮ, и не образуется муравьиная кислота.
Сколько атомов углерода в метилглюкозиде А и каков размер его кольца?
Конфигурация каких атомов вам известна?
Если соединение А подвергнуть реакциям метилирования, гидролиза и окисления в жестких условиях, то образуется ди-О-метиловый эфир (—)-винной кислоты. Какова полная структура и конфигурация соединения А?
Салицин (С]3Н18О7), встречающийся в иве (название салициловая от названия растения Salix), гидролизуется под действием эмульсина в о-глюкозу и салигенин (С7Е!8О2). Салицин не восстанавливает реактив Толленса. Окисление салицина азотной кислотой дает соединение, при гидролизе которого образуется D-глюкоза и салициловый альдегид.
Метилирование салицина дает пентаметилсалицин, гидролиз которого приводит к 2,3,4,6-тетра-О-метил-о-глюкозе.
Какова структура салицина?
Индикан (C1,H17OeN), встречающийся в растениях индиго, при гидролизе эмульсином дает D-глюкозу и индоксил (QH,ON)
ОН
индоксил
Он не восстанавливает реактив Толленса.
Метилирование индикана дает тетраметилиндикан, из которого при обработке метанолом и соляной кислотой образуется индоксил и метил-2,3,4,б-тетра-О-метил-D- глюкозид.
Какова наиболее вероятная структура индикана?
Оптически неактивный углевод биоиноноза (С6Н10О6) восстанавливает раствор Бенедикта, ио не реагирует с бромной водой. Этот углевод при восстановлении дает два соединения (А и Б) с формулой С6Н12О6. Вещества А и Б окисляются под действием НЮ,, давая 6 молей НСООН, и реагируют с уксусным ангидридом с образованием продукта с формулой С18Н2,О12. Окисление биоинонозы в жестких условиях приводит к о,ь-идаро- вой кислоте (дикарбоиовая кислота из идозы) в качестве единственного шестиуглеродного продукта.
Какова структура биоинонозы и соединений А и Б?
Значительная часть наших сведений о фотосинтезе была получена в результате изучения метаболизма двуокиси углерода, меченной 14С. Меченый углерод МС был обнаружен во многих продуктах, включая глюкозу, фруктозу и сахарозу. Для определения радиоактивности каждого из атомов углерода в данной молекуле была проведена деструкция ее на одиоуглеродиые фрагменты.
Укажите, какое положение или положения в молекуле занимали каждый из следующих одноуглеродных продуктов.
Покажите, как можно вычислить активность атома углерода в каждом положении? расщепление по Руффурасщепление по Руффу
глюкоза*- СО2 + арабиноза»- СО2,
глюкоза + НЮ,* НСНО, глюкоза + СН3ОН, НС1; затем НЮ,* НСООН,
Lactobacillus easel
глюкоза>- 2 молочная кислота (карбоксильные группы из
КМпО4 Iатомов С, и С4)
NaOI
СО2 + СН3СНО >- СН13 + НСООН;
рибулоз а (2-кетопентоза) + НЮ,> НОСН2СООН + 2НСООН + НСНО,
рибулоза + Н2, Pt; затем НЮ4> 2НСНО + ЗНСООН, рибулоза 4- CfiH5NHNH2> рибозазон,
CH=NNHCeH6
рибозазон + НЮ4* НСНО + НСООН + C=NNHCeH6.
^НО
Нуклеиновые кислоты — соединения, контролирующие наследственность на молекулярном уровне, — представляют собой полимеры, образованные из нуклеоитидных единиц. Структура нуклеотидов была определена путем, который рассмотрен ниже для адениловой кислоты — нуклеотида, выделяемого из дрожжевых клеток.
При гидролизе адениловой кислоты образуется по 1 молю гетероциклического основания, сахара (А) и фосфорной кислоты. Это основание называют аденином; обозначим его R2NH. Формула адениловой кислоты R2N—C5HgO3—ОРО3Н2.
Сахар А является левовращающим и имеет формулу С5Н10О5; он восстанавливает реактив Толленса и раствор Бенедикта. При окислении бромной водой сахар А дает оптически активное соединение С6Н10О6, а окисление азотной кислотой приводит к оптически неактивному соединению С5Н8О?. Вещество А образует озазон, идентичный озазону, получаемому из другой пентозы, (+)-Б. Расщепление (—)-Б с последующим окислением азотной кислотой приводит к оптически неактивному С4НвО#.
Что представляет собой соединение А?
Осторожный кислый гидролиз адениловой кислоты дает аденин и фосфат сахара А (С5НдО4 — ОРО3Н2). Восстановление фосфата H2/Pt приводит к оптически неактивному соединению В (С6НИО4 — ОРО3Н2). Гидролиз В дает оптически неактивный Г (С5Н12О5), который реагирует с уксусным ангидридом с образованием оптически неактивного Д (Ci6H22O,.).
Какова структура фосфата сахара А?
Адениловая кислота не восстанавливает реактив Толленса или раствор Бенедикта. При гидролизе водным аммиаком адениловая кислота дает фосфорную кислоту и нуклеоизд — аденовин. Обработка аденозина диметилсульфатом и NaOH с последующим кислым гидролизом дает соединение Д, продукт метилирования сахара А. Соединение Д имеет формулу С8Н16О6. Окисление соединения Д в жестких условиях дает 2,3-ди-О-ме- тил-лезо-винную кислоту и никаких других фрагментов большего размера.
Синтез аденозина показывает, что атом азота в аденине связан с атомом углерода в А; синтез также показал, что сахар А имеет Р-конфигурацию.
Напишите структурную формулу адениловой кислоты, обозначив остаток аденина R2NH (проверьте ваши ответы на рис. 37.6).
В разд. 13.14 рассмотрены некоторые общие взаимоотношения между ПМР-спектром и конформациями шестичленных циклов. Эти взаимоотношения были впервые обнаружены именно при изучении углеводов, в основном Р. Лемье (стр. 971).
В ПМР-спектрах альдопираноз и их производных сигнал одного из протонов сдвинут в область более слабого поля по сравнению с другими. Какой это протон и почему происходит этот сдвиг?
В ПМР-спектрах двух аномеров с-тетра-О-ацетилксилопиранозы наблюдаются следующие сигналы в слабом поле:
Аномер А: дублет, т 4,61 (6 5,39), J = 6 Гц
Аномер Б: дублет, т 3,97 (6 6,03), J = 3 Гц
Идентифицируйте аномеры А и Б, т. е. укажите, какой из аномеров является а, а какой Р? Объясните ваш ответ.
Ответьте на вопрос (б) для аномеров D-тетра-О-ацетилрибопиранозы:
Аномер В: дублет, т 4,28 (6 5,72), J = 5 Гц
Аномер Г: дублет.т 4,18 (6 5,82), J = 2 Гц
Рассмотрите две пары аномеров: Д и Е;Ж и 3. Одна пара —п-пента-О-ацетил- глюкопиранозы, а вторая пара — D-пента-О-ацетилманнопнранозы.
Аномер Д: дублет, т 4,03 (6 5,97), J = 3 Гц
Аномер Е: дублет, т 4,32 (6 5,68), / = 3 Гц
Аномер Ж: дублет.т 4,46 (6 5,54), J = 8 Гц
Аномер 3: дублет.т 4,01 (6 5,99), J = 3 Гц
Идентифицируйте аномеры Д, Е, Ж и 3. Объясните ваш ответ.
Редко встречающийся сахар, (—)-микароза, входит в состав молекул некоторых антибиотиков. На основании следующих данных напишите его структурную формулу и приведете конфигурацию микарозы:
цис-гидроксилирование
лактон СН3СН(ОН)СН=С(СН3)СН2СООН»- А (С,Н12О4), А+ КВН4> (±)-микароза.
В ПМР-спектре (—)-микарозы и некоторых ее производных константа спин-спи- нового взаимодействия между С4 — Н и С5 — Н составляет 9,5—9,7 Гц.
Метилмикарозид + НЮ4» Б (СдН14О4),
Б + холодный КМпО4» В (С8Н]4О5),
гидролиз
В*-ь-молочная кислота
Какова структура микарозы (без стереохимии)?
Какова относительная конфигурация при С-3 и С-4? При С-4 и С-5?
Какова абсолютная конфигурация при С-5?
Какова абсолютная конфигурация (—)-микарозы? К какому ряду (о или l) она относится? В какой конформации она предпочтительно существует?
(—)-Микарозу можно превратить в два метилмикарозида. В ПМР-спектре одного из них пик в слабом поле появляется в виде триплета с J = 2,4 Гц. Какой это из аномеров — а или 0? Что вы обнаружите в ПМР-спектре другого аномера?
В ПМР-спектре свободной (—)-микарозы пик в слабом поле (1Н) появляется в виде двух дублетов с J = 9,5 и 2,5 Гц. Какой это из аномеров — а или 0?
Как вы объясните следующие факты?
В равновесной смеси метил-а- и метил-0-п-глюкозидов преобладает а-аномер.
В более устойчивой конформации транс-2,5-дихлор- 1,4-диоксана оба атома хлора занимают аксиальные положения.
На основании данных о ПМР-спектрах многих соединений Лемье установил, что протоны аксиальных ацетоксигрупп (ООССН3) обычно поглощают в более слабом поле, чем протоны экваториальных ацетоксигрупп.
Нарисуйте две конформации кресла тетра-О-ацетил-0-ь-арабинопиранозы. Какой из конформеров^будет, по вашему мнению, более устойчивым, если учитывать лишь стерический фактор? Какой из них будет более устойчивым, если учесть аномерный эффект?
В ПМР-спектре этого соединения поглощение ацетоксипротонов появляется в сильном поле в виде двух одинаковых пиков при т 8,08 (6 1,92) и т 7,96 (6 2,04). Как вы объясните равные площади этих пиков? Говорит ли это вам что-нибудь об относительном содержании двух аномеров?
Когда ацетоксигруппа при С-1 замещается иа —OOCCD3, то общая площадь пиков в сильном поле, естественно, уменьшается с 12Н до 9Н. Отношение интенсивностей пиков т 8,08: т 7,96 теперь составляет 1,46 : 1,00. Какой из аномеров преобладает и насколько? Будет ли преобладающий аномер тем, который, по вашему предсказанию, должен быть более устойчивым?
3434Углеводы.
34
34
И. Дисахариды и полисахариды
Дисахариды
Дисахариды представляют собой углеводы, состоящие из двух моносахаридных остатков. Гидролиз молекулы дисахарида дает две молекулы моносахарида.
Мы рассмотрим четыре дисахарида: (+)-мальтозу (солодовый сахар), (+)-целлобиозу, (+)-лактозу (молочный сахар) и (+)-сахарозу (тростниковый или свекловичный сахар). Как и в случае моносахаридов, основное внимание будет уделено вопросам строения дисахаридов, т. е. тому, из каких моносахаридов они построены и как связаны друг с другом. В ходе этого мы рассмотрим также некоторые сведения о свойствах этих дисахаридов.
( 4-)-Мальтоза
(+)-Мальтозу можно получить наряду с другими продуктами при частичном гидролизе крахмала водным раствором кислоты. (+)-Мальтоза образуется также на одной из стадий ферментативного гидролиза крахмала в этиловый спирт; в этом случае гидролиз проводят при помощи фермента диастазы, который присутствует в солоде (прорастающий ячмень).
Рассмотрим некоторые факты, на основании которых была выведена структура (+)-мальтозы.
Молекулярная формула мальтозы С12Но2Оц. Она восстанавливает реактивы Толленса и Феллинга и поэтому является восстанавливающим сахаром. Мальтоза реагирует с фенилгидразином, давая озазон C12H20Oe(=NNHC6HB)2, и окисляется бромной водой до монокарбоновой мальтобионовой кислоты (СлН21О10)СООН. (+)-Мальтоза существует в виде а- и p-форм ([а] = +168 и +112° соответственно), которые претерпевают мутаротацию в растворе (при равновесии [а] = +136°).
Все эти факты свидетельствуют о том, что (+)-мальтоза содержит карбонильную группу в виде реакционноспособной полуацетальной формы, как в уже изученных моносахаридах. Однако она содержит лишь одну такую «свободную» карбонильную группу, поскольку озазон содержит только два остатка фенилгидразина и окисление бромной водой дает лишь монокарбоновую кислоту.
При гидролизе водной кислотой или при обработке ферментом мальтазой (из дрожжей) (+)-мальтоза полностью превращается в п-(+)-глюкозу. Следовательно, (+)-мальтоза (С12Н22ОЛ) состоит из двух остатков с-(+)-глюкозы, причем при образовании связи отщепляется одна молекула воды
2С6Н12ОВ—НаО — С12Н22ОЛ
Гидролиз кислотой, приводящий к образованию новой восстанавливающей группы [две восстанавливающие молекулы о-(+)-глюкозы вместо одной молекулы (+)-мальтозы], является типичным свойством гликозидов; гидролиз под действием фермента мальтазы типичен для a-глюкозидов. Гликозид —
СООНСООНГидролизГидролизH-с—ОСНзH-с—ОСНзсн3о—с—нсн3о—с—нн-с-онн-с-он2,3,4,6-тетра-О-метил-11-глкпопираиоза (ох-аномер)2,3,4,6-тетра-О-метил-11-глкпопираиоза (ох-аномер)Н—С—ОСНзCH2OCH32,3,5,6-тетра-О-метил-р-глюноноеая кислотаН—С—ОСНзCH2OCH32,3,5,6-тетра-О-метил-р-глюноноеая кислота(вероятно, в виде лактона)(вероятно, в виде лактона)
СООН
СООН
Гидролиз
Гидролиз
H-с—ОСНз
H-с—ОСНз
сн3о—с—н
сн3о—с—н
н-с-он
н-с-он
2,3,4,6-тетра-О-метил-11-глкпопираиоза (ох-аномер)
2,3,4,6-тетра-О-метил-11-глкпопираиоза (ох-аномер)
Н—С—ОСНз
CH2OCH3
2,3,5,6-тетра-О-метил-р-глюноноеая кислота
Н—С—ОСНз
CH2OCH3
2,3,5,6-тетра-О-метил-р-глюноноеая кислота
(вероятно, в виде лактона)
(вероятно, в виде лактона)
Рис. 34.1. Последовательность реакции окисления, метилирования и гидролиза, показывающая, что (+)-мальтоза представляет собой 4-О-(а- п-глюкопиранозил)-о-глюкопи- ранозу.
это ацеталь, образующийся при взаимодействии спирта с карбонильной группой углевода (разд. 33.14); в рассматриваемом случае таким спиртом может быть лишь вторая молекула о-(+)-глюкозы. Поэтому можно сделать вывод, что (+)-мальтоза содержит два звена в-(ф)-глюкозы, соединенные а-глюкозид- ной связью между карбонильной группой одного звена о-(+)-глюкозы и ОН- группой другого.
Остается выяснить два вопроса: какая из групп ОН участвует в этой связи и каков размер циклов двух звеньев о-(+)-глюкозы? Ответы на оба эти вопроса были получены в результате проведения последовательных реакций окисления, метилирования и гидролиза, показанных на рис. 34.1.
Окисление бромной водой превращает (+)-мальтозу в монокарбоновую о-мальтобионовую кислоту. Обработка последней диметилсульфатом и едким натром дает окта-О-метил-о-мальтобионовую кислоту. Гидролиз этой метилированный кислоты в кислом растворе приводит к двум продуктам: 2,3,5,6-тетра-О-метил-о-глюконовой кислоте и 2,3,4,6-тетра-О-метил-о-глюкозе.
Эти факты показывают, что (+)-мальтоза имеет структуру I, которой соответствует название 4-О-(а-п-глюкопиранозил)-о-глюкопираноза. В качестве спирта при образовании глюкозидной связи выступает ОН-группа при С-4; обе половины молекулы содержат шестичленные пиранозидные кольца.
Рассмотрим подробнее, каким образом из приведенных фактов вытекает структура I.
Прежде всего первоначальное окисление дает возможность отметить п-глюкозное звено, содержащее «свободную» альдегидную группу (по превращению СНО в СООН). Далее, метилирование позволяет превратить все свободные ОН-группы в ОСН3-группы. Наконец, после гидролиза отсутствие метоксигруппы позволяет обнаружить те ОН-группы, которые не были свободными.
Продукт окисления, 2,3,5,6-тетра-О-метил-о-глюконовая кислота, должен был образоваться из восстанавливающего (окисляемого) d-глюкозного звена. Наличие свободной ОН-группы при С-4 показывает, что это положение было недоступно для метилирования на стадии мальтобионовой кислоты; отсюда следует, что именно ОН при С-4 образует глюкозидную связь в мальтобионовой кислоте и самой (4-)-мальтозе. Это означает, что в образовании цикла в восстанавливающем (окисляемом) звене в исходном дисахариде могла принимать участие лишь ОН-группа при С-5. На основании этих фактов можно утверждать, что одно из звеньев d-глюкозы является 4-О-замещенной D-глюкопира- нозой.
Неокисленный продукт, 2,3,4,6-тетра-О-метил-о-глюкоза, должен был образоваться из невосстанавливающего (неокисляемого) звена d-глюкозы. Наличие свободной группы при С-5 показывает, что это положение не подвергается метилированию на стадии мальтобионовой кислоты; следовательно.
ggg Углеводы. IL Дисахариды и полисахариды | 34
именно ОН-группа при С-5 участвует в образовании цикла в мальтобионовой кислоте и самой (+)-мальтозе. На основании этих фактов можно утверждать, что второе звено о-(+)-глюкозы является а-о-глюкопиранозой.
Задача 34.1. Формула I показывает структуру лишь ос-формы (+)-мальтозы. Какова структура 0-(-|-)-мальтозы, которая в растворе находится в равновесии с I? Задача 34.2. Положение свободной ОН-группы в 2,3,4,6-тетра-О-метил-о-глюкозе было определено по характеру продуктов окислительного расщепления, как это описано в разд. 33.17. Какие соединения могут образоваться при окислительном расщеплении 2,3, 5,6-тетра-О-метил-В-глюконовой кислоты?
Задача 34.3. Какие соединения получались бы, если саму (4-)-мальтозу подвергнуть метилированию и гидролизу? Какова структура (+)-мальтозы на основании этих результатов? Какая неопределенность в структуре при этом останется? Почему необходимо окислять (+)-мальтозу перед стадией метилирования?
Задача 34.4. Если мальтозу подвергнуть двукратной фрагментации с отщеплением одноуглеродного фрагмента, то образуется дисахарид, который восстанавливает реактивы Тол- ленса и Фелинга, но не образует озазона. Какие соединения будут получаться при кислотном гидролизе этого дисахарида? Какова структура (+)-мальтозы на основании этих данных? ' '
(+)-Целлобиоза
Если целлюлозу (хлопковое волокно) обрабатывать в течение нескольких дней серной кислотой и уксусным ангидридом, то одновременно протекают реакции ацетилирования и гидролиза и получается октаацетат (+)-целлобио- зы. Щелочной гидролиз октаацетата дает (+)-целлобиозу.
Целлобиоза, как и манноза, имеет молекулярную формулу С12Н^ОЦ, является восстанавливающим сахаром, образует озазон, существует в виде а- и p-форм, подвергающихся мутаротации, и ее можно прогидролизовать. в результате чего образуются две молекулы о-(+)-глюкозы. Последовательность реакций окисления, метилирования и гидролиза [подобных описанным для (+)-маннозы! показывает, что (+)-целлобиоза содержит два пиранозных кольца и глюкозидную связь с ОН-группой при С-4.
(+)-Целлобиоза отличается от (+)-мальтозы в одном отношении: она подвергается гидролизу под действием фермента эмульсина (из горького миндаля), а не мальтазы. Поскольку известно, что эмульсин гидролизует лишь Р-глюкозидные связи, то, следовательно, структура (+)-целлобиозы отличается от структуры (+)-мальтозы только в одном отношении: звенья d-глюкозы соединяются не а-, а р-гликозидной связью. Поэтому (+)-целлобиоза является 4-О-(Р-в-глюкопиранозил)-п-глюкопиранозой.
Хотя а представленной формуле (+)-целлобиозы звено d-глюкозы, находящееся справа, отличается от левого звена d-глюкозы, причина этого состоит лишь в том, что оно нарисовано в перевернутом виде для того, чтобы сохранить приемлемый валентный угол у глюкозидного атома кислорода. '
он
d- ^-v)-галактоза
h-c=nnhc6h5 c=nnhc6h5 но-с-н
н-с-он
I
н-с-он
I
сн2он
1>-глюкозазон
—i
гидролиз
соон
н-с-он
но-с-н
н-с-онн—^-он
сн2он
В - (—)- г люконоваякислота
t
гидролиз
Рис. 34.2. Гидролиз производных (+)-лактозы.
Схема доказывает, что восстанавливающим звеном является глюкоза. (+)-Лактоза представляет собой 4-О-(р-В-галактопиранозил)-П-глюкопиранозу.
Задача 34.5. Почему для гидролиза октаацетата целлобиозы (который лучше называть окта-О-ацетилцеллобиозой) в (+)-целлобиозу палочные условия предпочтительнее, чем кислые?
Задача 34.6. Напишите уравнения реакций в последовательности реакций окисления, метилирования и гидролиза в применении к (+)-целлобиозе.
(+)-Лактоза
(4-)-Лактоза входит в состав женского и коровьего молока; ее содержание составляет примерно 5%. В промышленных масштабах (+)-лактозу получают как побочный продукт при производстве сыра: она содержится в сыворотке — водном растворе, остающемся после коагуляции белков молока. Молоко скисает, когда лактоза превращается в молочную кислоту (кислую, как все кислоты) под действием бактерий (например, Lactobacillus bulparicu^.
(+)-Лактоза имеет молекулярную формулу С12Н22Ои, является восстанавливающим сахаром, образует озазон и существует в а- и p-формах, подвергающихся мутаротации. Кислотный гидролиз или обработка эмульсином (разрывающим только p-связи) превращает (+)-лактозу в равные количества о-(+)-глюкозы и о-(+)-галактозы. (+)-Лактоза представляет собой, очевидно, р-гликозид, образовавшийся при соединении молекулы о-(+1-глюкозы и п-(+)-галактозы.
Какое из этих двух звеньев является восстанавливающим сахаром, а какое — невосстанавливающим? Будет ли (+)-лактоза глюкозидом или галактозидом? Гидролиз лактозазона дает о-(4-)-галактозу и о-глюкозазон; гидролиз лактобионовой (монокарбоновой) кислоты приводит к d-глюконовой кислоте и о-(+)-галактозе (рис. 34.2). Очевидно, именно о-(+)-глюкозное звено содержит свободную альдегидную группу и дает озазон или окисляется в кислоту. Таким образом, (+)-лактоза представляет собой замещенную п-глюкозу, в которой остаток о-галактозы присоединен к одному из атомов кислорода; она является галактозидом, а не глюкозидом.
Последовательность реакций окисления, метилирования и гидролиза дает результат, аналогичный полученному для (+)-мальтозы и (+)-целлобиозы: глюкозидная связь образуется с участием ОН-группы при С-4, и оба звена существуют в виде шестичленных пиранозных форм. Поэтому (+)-лактоза представляет собой 4-О-(Р-о-галактопиранозил)-о-глюкопиранозу.
Задача 34.7. а) Напишите уравнения для последовательности реакций окисления, метилирования и гидролиза в применении к (+)-лактозе. б) Какие соединения.будут получаться при окислительном расщеплении конечных продуктов, образующихся в последовательности реакции в вопросе (а)?
Задача 34.8. Какие соединения получатся, если (+)-лактозу подвергнуть сначала двум последовательным фрагментациям с отрывом двух одноуглеродных остатков, а затем кислотному гидролизу?
(+)-Сахароза
(+)-Сахароза — это обычный сахар, получаемый из сахарного тростника и сахарной свеклы. Среди органических реактивов он производится в наибольшем количестве в чистом виде.
(+)-Сахароза имеет молекулярную формулу Ci2H22Ou. Она не восстанавливает реактив Толленса или Фелинга, т. е. является невосстанавливающим сахаром, и в этом отношении отличается от других уже изученных диса-
34 IУглеводы. II. Дисахариды и полисахариды д^^ харидов. Более того, (+)-сахароза не образует озазона, не дает аномерных форм и не претерпевает мутаротации в растворе. Все эти факты показывают, что (+)-сахароза не содержит свободной альдегидной или кетонной групп.
Когда (+)-сахарозу подвергают гидролизу разбавленной водной кислотой пли действием фермента инвертазы (из дрожжей), то образуются равные количества о-(+)-глюкозы и о-(—)-фруктозы. Этот гидролиз сопровождается изменением знака вращения с положительного на отрицательный; поэтому этот процесс часто называют инверсией (+)-сахарозы, а получающуюся смесь левовращающей о-(+)-глюкозы и о-(—)-фруктозы — инвертированным сахаром. (Мед в основном состоит из инвертированного сахара; инвертаза в этом случае поставляется пчелами.) В то время как (+)-сахароза имеет удельное вращение +66,5° (+1,160 рад), а о-(+)-глюкоза +52,7° (+0,920 рад), d-(—)-фруктоза имеет сильное отрицательное удельное вращение —92,4° (—1,612 рад), в результате чего и наблюдается отрицательное вращение для смеси. [Поскольку о-(+)-глюкоза и о-(—,-фруктоза обнаруживают противоположное вращение и являются компонентами сахарозы, то их обычно называют декстрозой и левулозой.]
Задача 34.9. Как вы объясните экспериментально наблюдаемое вращение для инвертированного сахара [а] = —19,9° (—0,347 рад)?
Сахароза состоит из звеньев d-глюкозы и D-фруктозы; поскольку в ней отсутствует «свободная» карбонильная группа, то она должна быть одновременно d-глюкозидом и о-фруктозидом. Эти два гексозных остатка, очевидно, соединены глюкозидной связью между С-1 глюкозы и С-2 фруктозы, поскольку только в этом случае при помощи одной связи между двумя звеньями можно блокировать обе карбонильные группы.
Задача 34.10. Какую молекулярную формулу имела бы (+)-сахароза, если бы атом С-1 глюкозы был связан с атомом С-4 фруктозы, а С-2 фруктозы — с С-4 глюкозы? Был бы подобный сахарид восстанавливающим или певосстанавливающим?
Определение стереохимии d-глюкозидной и о-фруктозидной связей осложняется тем, что обе связи гидролизуются одновременно. На основании различных данных, включая и результаты рентгеноструктурного анализа и, наконец, синтез (+)-сахарозы (1953 г.), пришли к заключению, что (+)-сахароза представляет собой p-D-фруктозид и ос-о-глюкозид. (Синтез сахарозы, выполненный Р. Лемье, рассматривался как «покорение Эвереста органической химии».)
(-^сахароза
(<xd глтокопиранозап-р-тз-фрдктофуранозид, р- о-фруктпофуранозия- «.-хз-глюкопаранозад). Не дает аномеров*, не претерпевает мутаротации
Задача 34.11. При ферментативиом гидролизе (+)-сахарозы обпазующаяся вначале D-глюкоза претерпевает мутаротацию, причем угол вращения уменьшается до +52,7° (+0,920 рад). Каково строение (+)-сахарозы на основании полученных данных?
Метилирование и гидролиз показывают, что (+)-сахароза содержит остаток о-глюкопиранозы и о-фруктофуранозы. [Неожиданное появление относительно редко встречающегося в сахарах пятичленного фуранозного цикла не вызвало существенных трудностей в доказательстве структуры и синтезе (+)-сахарозы.[ (+)-Сахарозу можно с равным успехом называть как а-о-глю- копиранозил-р-о-фруктофуранозид или как р-о-фруктофуранозил-а-о-глюко- пиранозид.
Задача 34.12. а) Напишите уравнения для последовательности реакций метилирования и гидролиза в применении к (+)-сахарозе. б) Какие соединения образуются при окислительном расщеплении конечных продуктов реакций, перечисленных в вопросе (а)?
Полисахариды
Полисахариды представляют собой соединения, состоящие из многих сотен или даже тысяч моносахаридных звеньев, входящих в состав одной молекулы. Как и в дисахаридах, эти звенья связаны между собой гликозидными связями, которые расщепляются при гидролизе.
Полисахариды — природные полимеры, которые можно рассматривать как продукты поликонденсации альдоз или кетоз. Полисахарид, состоящий, например, из гексоз, имеет общую формулу (СвН10О6)п. На основании этой формулы можно очень мало сказать о строении этого полисахарида. Необходимо знать, какова природа моносахаридных звеньев и сколько их в каждой молекуле, как они связаны друг с другом, а также являются ли образующиеся гигантские молекулы вытянутыми или разветвленными, закрученными или петлеобразными.
Наиболее важными среди полисахаридов являются целлюлоза и крахмал. Оба они образуются в растениях из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза и, как оказалось, состоят из звеньев о-(ф-)-глюкозы. Целлюлоза — основной строительный материал растения, придающий ему жесткость и форму, и, по-видимому, наиболее распространенное в природе органическое вещество. Крахмал служит запасным пищевым фондом растения и встречается главным образом в семенах. Он растворим в воде лучше, чем целлюлоза, легче гидролизуется и, следовательно, более легко переваривается.
Оба вещества — и целлюлоза и крахмал — имеют огромное значение для человека. Человек использует их почти так же, как это делает растение. Целлюлоза применяется в виде древесины для постройки домов, в виде хлопка и вискозы для изготовления одежды, а также в виде бумаги. Крахмал используется как пищевой продукт: картофель, кукуруза, пшеница, рис и т. д.
Крахмал
Крахмал встречается в виде зерен, форма и размеры которых характерны для каждого рода растений. В нативном виде зерна крахмала не растворимы в холодной воде; если разрушить наружную мембрану растиранием, то зерна становятся способными набухать в холодной воде и образовывать гель. Если зерна обработать теплой водой, то растворимая фракция крахмала диффундирует через стенки зерен; в горячей воде зерна лопаются.
Обычно крахмал содержит около 20% растворимой в воде фракции, называемой амилозой, и 80% нерастворимой в воде фракции, называемой амилопектином. Эти две фракции, по-видимому, соответствуют различным углеводам с высоким молекулярным весом и формулой (С6Н1оОБ)и. При обработке кислотой или под влиянием ферментов компоненты крахмала посте-
пенно гидролизуются в декстрин (смесь полисахаридов с низким молекулярным весом), (+)-мальтозу и, наконец, о-(+)-глюкозу. (Смесь всех этих углеводов содержится, например, в кукурузном сиропе.) Как амилоза, так и амилопектин состоят из звеньев о-(-|-)-глюкозы, но различаются по размеру и форме молекулы.
Структура амилозы. Определение концевых групп
(+)-Мальтоза — это единственный дисахарид, получаемый при гидролизе амилозы, а единственным образующимся при этом моносахаридом будет о-(+)-глюкоза. На этом основании можно предположить, что амилоза состоит из цепей, образованных большим числом звеньев о-(-|-)-глюкозы, каждое из которых соединено а-глюкозидной связью с атомом С-4 следующего звена.
рМожно было бы построить структуру амилозы с регулярным чередованием а- и р- связей. Однако гидролиз такого соединения должен был бы дать как (+)-мальтозу, так и (+)-целлобиозу, если только не считать, что гидролиз p-связей протекает гораздо быстрее гидролиза a-связей. Поскольку в действительности гидролиз P-связи в (+)-целлобиозе протекает медленнее, чем гидролиз a-связи в (+)-мальтозе, то подобная структура кажется маловероятной.
амилоза,
(принята конформация креола)
Сколько же звеньев а-о-(-|-)-глюкозы приходится на молекулу амилозы и какую форму имеют эти большие молекулы? Это трудные вопросы, и для того, чтобы попытаться на них ответить, приходится прибегать к химическим и ферментативным методам и физическим методам типа рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии, определения осмотического давления и вязкости и изучения поведения вещества при центрифугировании.
Ценные сведения о форме и размере молекулы были получены при использовании сочетания методов метилирования и гидролиза, которые оказались столь эффективными при изучении стереохимии дисахаридов. о-(+)-Глю- коза, моносахарид, содержит пять свободных ОН-групп и образует пентаме- тилпроизводное, метилтетра-О-метил-о-глюкопиранозид. Если два звена о-(+)-глюкозы соединены друг с другом так же, как в (+)-мальтозе, то каждое звено содержит четыре свободные ОН-группы и при метилировании дисахарида будет образовываться октаметилпроизводное. Если каждое звено п-(-|-)-глюкозы соединено с двумя другими группами в амилозе, то оно содержит лишь три свободные ОН-группы; поэтому метилирование амилозы должно приводить к соединению, содержащему лишь три ОСН8- группы на звено глюкозы. Какие же данные получены в действительности?
Когда амилозу подвергают метилированию и гидролизу, то образуется, как и ожидали, 2,3,6-три-О-метил-о-глюкоза. Но при этом также получается небольшое количество 2,3,4,6-тетра-О-метил-о-глюкозы, составляющее примерно 0,3—0,5% от общего выхода.
амилоза,
Метилированная амилоза.
2,3,6-шри- О-метил- D-глюкоза, 1<х-а.номер)
2,3,4,6-тлетра- О-метпил-и- глюкоза (а.-аномер)
Рассмотрение структуры амилозы показывает, что именно этого и следовало ожидать; учет такого рода структур лежит в основе очень важного метода — метода определения концевых групп (рис. 34.3).
Каждое звено d-глюкозы в амилозе связано с двумя другими звеньями d-глюкозы; с одним из них через С-1, а с другим — через С-4, причем С-5 в каждом звене входит в состав пиранозного кольца. В результате свободные ОН-группы при С-2, С-3 и С-6 оказываются доступными для метилирования. Но эта ситуация характерна не для всех звеньев d-глюкозы. Если только цепь амилозы не является циклической, она должна иметь два конца. На одном конце должно быть звено d-глюкозы, содержащее свободную ОН-группу при С-4. Это последнее звено d-глюкозы должно подвергаться метилированию по четырем ОН-группам и при гидролизе давать молекулу 2,3,4,6-тетра-О-ме- тил-о-глюкозы.
Таким образом, каждая молекула сполна метилированной амилозы, подвергающаяся гидролизу, должна давать одну молекулу 2,3,4,6-тетра-О-ме- тил-о-глюкозы; определив число молекул три-О-метил-о-глюкозы, получающихся на каждую молекулу тетраметилпроизводного, можно рассчитать длину цепи амилозы.
Итак, мы рассмотрели пример применения метода определения концевых групп для установления длины цепи. Поскольку метилирование дает 0,5% тетра-О-метил-о-глюкозы, то на каждую концевую группу (со свободной ОН- группой при С-4) должно приходиться около 200 звеньев, чему соответствует молекулярный вес 30 000—40 000. Это согласуется с молекулярным весом амилозы, определенным ультрацентрифугированием.
Рис. 34.3. Определение концевых групп. Гидролиз метилироваииой целлюлозы.
Концевое звено длинной молекулы дает при гидролизе 2,3,4»6-тетра-О-мегил-D-глюкозу, а другие звенья — 2,3,6-три-О-метил-В-глюкозу.
Предполагается, что амилоза состоит из длинных цепей, содержащих 200 или более звеньев d-глюкозы, связанных между собой a-связями, как в (+)-мальтозе; цепь, как правило, почти или совершенно не содержит разветвлений.
Амилоза — это фракция крахмала, дающая интенсивное синее окрашивание с иодом. Было предположено, что цепи ее закручены в виде спирали (подобно винтовой лестнице), причем размер внутренней полости в этой спирали как раз позволяет поместиться молекуле иода; синяя окраска обусловлена наличием захваченных таким образом молекул иода.
Задача 34.13. На основании некоторых данных был сделан вывод о том, что кольца амилозы имеют конформацию ванны, а не обычную конформацию кресла.
Какая особенность молекулы будет способствовать дестабилизации любой из конформаций кресла?
Предположите, какой должна быть конформация ванны, позволяющая снять эти дополнительные напряжения. (Указание: что является наибольшей группой, присоединенной к кольцу в амилозе?)
Задача 34.14. Если 1 моль дисахарида типа (+)-мальтозы обработать иодной кислотой (в условиях, позволяющих избежать гидролиза гликозидной связи), то образуется 3 моля муравьиной кислоты (и 1 моль формальдегида).
а) Что произойдет с амилозой (см. формулу на стр. 975) при обработке ее НЮ4? б) Как можно использовать эту реакцию для определения длины цепи? в) Окисление ШО4 261 мг амилозы (из растения саго) дало 0,0102 ммоля НСООН. Какова длина цепи этой амилозы?
Структура амилопектина
Амилопектин дает при гидролизе лишь один дисахарид, (+)-мальтозу: последовательность реакций метилирования и гидролиза приводит в основном к 2,3,6-три-О-метил-в-глюкозе. Подобно амилозе, амилопектин состоит из цепей, содержащих звенья о-глюкозы, причем каждое из звеньев соединено а-глюкозидной связью с атомом С-4 следующего звена. Однако структура этого вещества сложнее, чем структура амилозы.
Молекулярные веса, определяемые физическими методами, показывают, что в состав молекулы входит по крайней мере 1000 остатков d-глюкозы. Тем не менее гидролиз метилированного амилопектина приводит к получению довольно значительного количества (примерно 5%) 2,3,4,6-тетра-О-метил-п- глюкозы, что указывает на содержание в цепи всего лишь 12 звеньев. Можно
ли каким-либо образом согласовать эти факты для одной и той же структуры?
Ответ может быть получен, если учесть, что при гидролизе, помимо триметил- и тетраметилпроизводных, образуется также 2,3-ди-О-метил-о-глю- коза в количестве, почти равном количеству тетраметилпроизводного.
2, З-да- О-метия-в-етаказа.
Амилопектин представляет собой сильно разветвленную структуру, состоящую из нескольких сотен коротких цепей, содержащих по 20—25 звеньев в каждой. Один из концов каждой из этих цепей связан посредством атома кислорода при С-1 с атомом С-6 следующей цепи.
62—256
Схематически молекулу амилопектина, как полагают, можно представить следующим образом:
сно
амилопектин
Гликоген — вещество, в виде которого запасы углеводов сохраняются в организме животных и человека, — имеет структуру, очень близкую структуре амилопектина с той разницей, что молекула в этом случае, по-ви- димому, более разветвлена и содержит более короткие цепи (12—18 звеньев d-глюкозы в каждой).
Задача 34.15. Полисахариды, известные под названием декстранов, используют как заменители плазмы крови при переливаниях; их получают действием некоторых бактерий иа (+)-сахарсзу. Объясните следующие свойства декстрана: полный гидролиз кислотой дает лишь п-(+)-глюкозу. Частичный гидролиз приводит к получению лишь одного дисахарида и лишь одного трисахарида, которые содержат только а-глнкозидные связи. После метилирования и гидролиза получается в основном 2, 3, 4-три-О-метил-о-глюкоза наряду с небольшими количествами 2,4-ди-О-метил-о-глюкозы и 2,3,4,6-тетра-О-метил-о- глюкозы
Задача 34.16. Полисахариды, называемые ксиланами, встречаются наряду с целлюлозой в древесине и соломе. Объясните следующие свойства ксилана: большая величина отрицательного угла вращения, предполагающая наличие p-связей; полный гидролиз кислотой дает лишь о-(+)-ксилозу; после метилирования и гидролиза получается в основном 2,3-ди-О-метил-D-ксилоза наряду с небольшими количествами 2,3,4-три-О-метил-о- ксилозы и 2-О-метил-п-ксилозы.
Структура целлюлозы
Целлюлоза является главным компонентом древесины и растительного волокна; например, хлопок — это почти чистая целлюлоза. Она нерастворима в воде и безвкусна; целлюлоза является невосстанавливающим сахаром. Все эти свойства, по крайней мере отчасти, объясняются очень высоким молекулярным весом целлюлозы.
Формула целлюлозы (С0Н10О6)„. Полный гидролиз ее кислотой приводит к получению только одного моносахарида — о-(+)-глюкозы. Гидролиз сполна метилированной целлюлозы дает высокий выход 2,3,6-три-О-метил-о-глюкозы. На основании этого можно сделать вывод, что целлюлоза, подобно крахмалу, состоит из цепей, содержащих звенья d-глюкозы, причем каждое из них соединено глюкозидной связью с С-4 атомом следующего звена.
Однако целлюлоза отличается от крахмала конфигурацией глюкозидной связи. При обработке уксусным ангидридом и серной кислотой целлюлоза дает окта-О-ацетилцеллобиозу; имеются данные, подтверждающие, что все гликозидные связи в целлюлозе, подобно связям в (+)-целлобиозе, являются Р-связями.
целлюлоза.
Физические методы дают для целлюлозы значения молекулярных весов от 250 000 до 1 000 000 и более; по-видимому, молекула состоит не менее чем из 1500 остатков глюкозы. Определение концевых групп методом метилирования и окисления иодной кислотой показывает, что цепь целлюлозы содержит 1000 или более звеньев. По данным рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии, эти длинные цепи вытянуты и уложены пучками, причем они удерживаются друг возле друга межмолекулярными водородными связями между многочисленными соседними ОН-группами. Эти пучки сплетены так, что образуют структуры, подобные веревкам, которые в свою очередь группируются, образуя те самые волокна, которые видит наш глаз. В древесине эти целлюлозные «веревки» окружены лигнином, что дает структуры, которые можно сравнить с армированным бетоном.
Реакции целлюлозы
Глюкозидные связи в целлюлозе разрываются под действием кислот, причем каждая из молекул целлюлозы образует много молекул о-(+)-глю- козы. Рассмотрим те реакции целлюлозы, в которых цепь остается практически незатронутой. Каждое звено глюкозы в целлюлозе содержит три свободные ОН-группы; именно эти положения и участвуют в реакциях.
Эти реакции целлюлозы, позволяющие модифицировать свойства дешевого и легко доступного полимера, имеют громадное промышленное значение.
Нитрат целлюлозы
Целлюлоза, подобно любому спирту, образует сложные эфиры. При обработке смесью азотной и серной кислот целлюлоза превращается в нитрат, целлюлозы. Свойства и область применения этого продукта зависят от степени нитрования.
Почти сполна нитрованная целлюлоза используется для изготовления бездымного пороха, и ее часто называют нитроцеллюлозой (гри нитрогруппы на глюкозное звено).
Пироксилин содержит от двух до трех нитрогрупп на глюкозное звено. Его используют в изготовлении пластмасс типа целлулоида и коллодия, в производстве фотопленки и лаков. Недостаток пироксилина — его легкая воспламеняемость, причем при горении образуются очень токсичные окислы азота.
Ацетат целлюлозы
При действии смеси уксусного ангидрида, уксусной кислоты и небольшого количества серной кислоты целлюлоза превращается в триацетат целлюлозы. В результате частичного гидролиза некоторые из этих ацетатных групп омыляются, причем цепь расщепляется на фрагменты меньшего размера (200—300 звеньев в каждом) и образуется широко применяемый в промышленности ацетат целлюлозы (примерно диацетат).
Ацетат целлюлозы менее горюч, чем нитрат, и поэтому его часто применяют вместо нитрата целлюлозы, например при изготовлении безопасной фотографической пленки. При продавливании раствора ацетата целлюлозы в ацетоне через маленькие отверстия сита (фильеры) и последующем испарении растворителя образуются тончайшие волокна. Нити из этих волокон известны как ацетатный шелк.
Ю*
Искусственный шелк. Целлофан
Если обрабатывать спирт сероуглеродом и водным раствором едкого натра, то образуется соединение, называемое ксантогенатом
н+
RONa + S=C=S> RO—С—SNa>- ROH + CS2
IIS
ксантогенат
Целлюлоза подвергается аналогичной реакции, образуя ксантогенат целлюлозы, который растворяется в щелочах с образованием вязкого коллоидного раствора, называемого вискозой.
Когда вискоза продавливается через фильеры в кислотную ванну, целлюлоза регенерируется в виде тончайших волокон нити, которые называют искусственным шелком, или вискозным шелком. Существуют и другие способы производства искусственного шелка, но вискозный процесс все еще остается основным.
Если вискозу продавливать через узкую щель, то целлюлоза регенерируется в виде тонкой пленки, которая после пластификации глицерином широко используется в виде упаковочной пленки Целлофану
Хотя искусственный шелк и целлофан часто рассматривают как регенерированную целлюлозу, они состоят из гораздо более коротких цепей, чем исходная целлюлоза, поскольку при обработке щелочами происходит деструкция.
Простые эфиры целлюлозы
В промышленности алкилирование целлюлозы проводят под действием алкилхлоридов (они дешевле сульфатов) в присутствии щелочи. Существенная деструкция длинных цепей неизбежна в таких реакциях.
Метиловый, этиловый и бензиловый эфиры целлюлозы применяются в производстве текстильных материалов, пленок и различных пластических масс.
ЗАДАЧИ
УУуГенциобиоза (С1вНмОп) встречается в корнях генцианов. Это восстанавливающий сахар; ов образует озазон, подвергается мутаротации и гидролизуется водной кислотой или эмульсином в D-глюкозу. Метилирование (+)-генниобиозы с последующим гидролизом дает 2,3,4,6-тетра-О-метил-п-глюкозу и 2,3,4-три-О-метил-о-глюкозу. Каковы структурная формула и систематическое название (+)-генциобиозы?
а) У\"УТрегалоза (С12Н22ОП) — невосстанавлнваюший сахар, встречающийся в молодых грибах, дает при гидролизе водной кислотой или мальтазой только D-глюкозу. Метилирование приводит к окта-О-метилпроизводному, которое после гидролиза дает лишь 2,3,4,6-тетра-О-метил-о-глюкозу. Каковы структурная формула и систематическое название (+)-трегалозы?
(—уИзотрегаложа и рУУнеотрегалоза во многом напоминают трегалозу. Однако изотрегалоза гидролизуется эмульсином или мальтазой, а неотрегалоза — только эмульсином. Каковы структурные формулы и систематические названия этих двух углеводов? 3. Руберитровая кислота (С25Н2ЙО13) — невосстанавливающий глюкозид, выделяемый из корней марены. Полный гидролиз вещества дает ализарин (С14Н8О4), D-глюкозу и D-ксилозу; контролируемый гидролиз приводит к получению ализарина и праймверозы (СцН^Оц). Окисление праймверозы бромной водой с последующим гидролизом дает d- глюконовую кислоту и о-ксилозу. Метилирование праймверозы с последующим гидролизом приводит к 2,3,4-три-0-метил-о-ксилозе и 2,3,4-три-0-метил-о-глюкозе.
Какова структурная формула или структурные формулы руберитровой кислоты? Каким образом можно уточнить остающиеся неясности?
О ОН
О ализарин
^-\-уРаффиноза — невосстанавливающий сахар, содержащийся в свекловичной мелассе,— имеет формулу С18Н82О16. Гидролиз кислотой дает D-фруктозу, D-галактозу и d- глюкозу; гидролиз под действием фермента а-галактозидазы приводит к а-галактозе и сахарозе; при гидролизе действием инвертазы (фермент, расщепляющий сахар) образуется D-фруктоза и дисахарид мелибиоза.
Метилирование раффинозы с последующим гидролизом дает 1,3,4,6-тетра-О-метил- D-фруктозу, 2,3,4,6-тетра-О-метил-о-галактозу и 2,3,4-три-О-метил-о-глюкозу.
Какова структура раффинозы и мелибиозы?
уруМелецитоэа — невосстанавливающий сахар, содержащийся в меде — имеет формулу С18Н82О18. Его кислый гидролиз дает D-фруктозу и 2 моля d-глюкозы; частичный гидролиз приводит к D-глюкозе и дисахариду туранове. При гидролизе под действием мальтозы образуются D-глюкоза и D-фруктоза, а при гидролизе другим ферментом — сахароза.
Метилирование мелецитозы с последующим гидролизом приводит к 1,4,6-три-О-ме- тил-о-фруктозе и 2 молям 2,3,4,6-тетра-О-метил-о-глюкозы.
Какова возможная структура мелецитозы, согласующаяся с этими фактами? Какова структурная формула туранозы? Мелецитоза реагирует с 4 молями НЮ4 с образованием 2 молей муравьиной кислоты, но формальдегид при этом не образуется.
Покажите, что отсутствие формальдегида в продуктах окисления свидетельствует о фуранозной или пиранозной структуре для фруктозного звена и о пиранозной или септа- нозной (семичленный цикл) структуре для глюкозного звена.
Сколько молей НЮ4 было бы израсходовано, если бы два глюкозных звена имела септанозную структуру, и сколько молей муравьиной кислоты при этом было бы получено?
Ответьте на вопрос (в) для одного септанозного кольца и одного пиранозного кольца.
Ответьте на вопрос (в) для двух пиранозных колец.
Что вы можете сказать о размере циклов в глюкозных звеньях?
Ответьте на вопрос (в) для пиранозного кольца во фруктозном звене и для фура нозного кольца.
Что вы можете сказать о размере кольца во фруктозном звене?
Согласуются ли данные по окислению со структурой мелецитозы, данной вами » вопросе (а)?
Сахар рУУпаноза был впервые выделен С. Паном и сотрудниками (фирма «Joseph Е. Seagrand and Sons, Inc.») из культуры Aspergillus niger, выращиваемой на мальтозе. Панова имеет молекулярный вес примерно 475—500. Гидролиз ее дает глюкозу, мальтозу и изомер мальтозы, называемый изомальтозой. Метилирование и гидролиз панозы приводит к 2,3,4-три-, 2,3,6-три- и 2,3,4,6-тетра-О-метил-о-глюкозам в практически эквимолярных количествах. Большая величина угла положительного вращения рассматривается как довод, исключающий возможность наличия каких-либо Р-связей.
Сколько моносахаридных звеньев входит в состав молекулы панозы? Сколько существует различных способов соединения этих звеньев?
При окислении панозы в альдоновую кислоту с последующим гидролизом мальтоза не образуется; восстановление панозы в панит с последующим гидролизом дает сорбит и мальтит (продукт восстановления мальтозы). Можете ли вы на этом основании написать одну структуру для панозы? Какова должна быть структура изомальтозы?
Целлюлозу можно окислить N2O4 в [(С5Н7О4)СООН]П.
Какова структура образующегося при этом продукта?
Во что он превратится при гидролизе цепи? Как называется продукт гидролиза?
Продукт окисления в вопросе (а) легко декарбоксилируется до (С5Н8О4)П. Что образуется при гидролизе этого вещества? Как называется продукт гидролиза? Является ли он d- или ь-соединением?
Предложите структурные формулы для следующих полисахаридов, пренебрегай стереохимией гликозидных связей:
Арабан, выделенный из скорлупы арахиса, при гидролизе дает лишь ь-арабино- зу. Метилирование с последующим гидрозом приводит к получению эквимолярных количеств 2,3,5-три-, 2,3-ди- и З-О-метнл-ь-арабиноз.
Маннан, выделенный из дрожжей, при гидролизе дает лишь D-маннозу. При метилировании с последующим гидролизом образуются 2,3,4,6-тетра-О-метил-о-манноза, 2,4,6-три-О-метил-о-манноза, 3,4,6-три-О-метил-о-маиноза и 3,4-ди-О-метил-о-маниоза в молекулярном отношении 2:1:1 : 2 наряду с небольшим количеством 2,3,4-три-О-метил- о-маннозы.
При кипячении ксилана (задача 34.16, стр. 978) с разбавленной соляной кислотой образуется жидкость с приятным запахом (фурфурол С5Н4О2), отгоняемая с паром. Фурфурол дает положительные пробы с реактивом Толленса и Шиффа; он образует оксим и фенилгидразон, но не дает озазона. Фурфурол можно окислить действием КМпО-4 в соединение А (С5Н4О3), растворимое в водном растворе МаНСО3.
Вещество А может легко декарбоксилироваться в соединение Б (С4Н4О), которое при гидрировании превращается в соединение В (С4Н8О). Вещество В не дает положительных проб на функциональные группы, за исключением растворимости в холодной концентрированной H2SO4. Пробы на ненасыщенность с разбавленным КМпО4 или Вг2/СС14 также отрицательны.
Продолжительная обработка соединения В НС1 приводит к получению соединения Г (С4Н8С12), которое при взаимодействии с KCN дает вещество (C6H8N2). Вещество Д при гидролизе превращается в соединение Е (С6Н1еО4), которое оказалось адипиновой кислотой.
Какова структура фурфурола и соединений А—Д?
Напишите вероятные структурные формулы следующих полисахаридов:
Альгиновая кислота, выделенная из морских водорослей, используется в качестве загустителя при производстве мороженого и других пищевых продуктов. Гидролиз этой кислоты дает лишь D-маннуроновую кислоту. Метилирование с последующим гидролизом приводит к 2,3-ди-О-метил-п-маннуроновой кислоте [маннуроновая кислота НООС(СНОН)4СНО]. Предполагают, что в альгиновой кислоте имеются р-глюкозидные связи.
Пектиновая кислота является главным компонентом пектина, обусловливающим образование желе из фруктов и ягод. Метилирование пектиновой кислоты с последующим гидролизом приводит только к 2,3-ди-О-метил-о-галактуроновой кислоте. Предполагают, что в пектииовой кислоте имеются а-гликозидные связи.
Агар, выделенный из морских водорослей, используется как питательная среда для выращивания микроорганизмов. При гидролизе агара образуются D-галактоза, l- галактоза и серная кислота в отношении 9 : 1 : 1. Метилирование с последующим гидролизом дает 2,4,6-три-О-метил-о-галактозу, 2,3-ди-О-метил-о-галактозу и серную кислоту в том же отношении 9 : 1 >1. Какие неопределенности остаются в структуре, предлагаемой вами на основании этих данных?
Основным компонентом капсулы, обволакивающей пневмококк типа 111, и веществом, ответственным за специфичность его реакций антиген — антитело, является полисахарид (мол. вес 150 000). Гидролиз этого сахарида приводит к получению эквимолярных количеств глюкозы и о-глюкуроновой кислоты НООС(СНОН)4СНО; при осторожном гидролизе образуется целлобиуроновая кислота (уроновая кислота, производное целлобиозы). Метилирование с последующим гидролизом приводит к эквимолярным количествам 2,3,6- три-О-мети л-d-глюкозы и 2,4-ди-О-метил-о-глюкуроновой кислоты.
Какова вероятная структура полисахарида?
Напишите структурные формулы соединении А — Г.
амилоза + НЮ4> Д + немного НСООН и НСНО,
А + бромная вода> Б,
Б + Н2О, Н*> В (С4Н8О5) + Г (С2Н2О3).
а) Какие реакции происходят при обработке целлюлозы НЮ4? б) Как можно использовать эту реакцию для определения длины цепи? в) Если при окислении НЮ4 203 мг целлюлозы дали 0,0027 ммоля НСООН, то какова длина цепи целлюлозы?
Многоядерные ароматические соединения
Конденсированные ароматические соединения
Два ароматических кольца, имеющих два общих атома углерода, называются конденсированными. В настоящей главе мы изучим химию простейшего и наиболее важного из конденсированных углеводородов — нафталина С10Н„ и
Таблица 35.1
Физические свойства миогоядериых ароматических соединений
Название
Т. пл., °C
Т. кип., °C
Название
Т. пл., °C
Т. квп., °C
Нафталин
80
218
Нафталии-1 -сульфокислота
90
1,4-Дигидронафталин
25
212
НафтаЛ’!н-2-сульфокислота
91
Тетралин
—30
208
Нафтол-1
96
280
цис-Декалин
—43
194
Нафтол-2
122
286
транс-Декалин
—31
185
1,4-Нафтохинон
125
1 -Метилнафталин
—22
241
Антрацен
217
354
2-Метилнафталии
38
240
9,10-Антрахинон
286
380
1 -Бромнафталин
6
281
Фенантрен
101
340
2-Бромнафталин
59
281
9,10-Фенантренхинон
207
1 -Хлорнафталин
263
Хризен
255
2-Хлорнафталин
46
265
Пирен
150
1-Нитронафталин
62
304
1,2-Бензантрацен
160
2-Нитронафталии
79
1,2,5,6-Дибеизантрацеи
262
1-Нафтиламии
50
301
Метилхолантрен
180
2-Нафтиламин
113
294
кратко рассмотрим два других углеводорода с формулой С14Н10 — антрацен и фенантрен (табл. 35.1).
антраценантраценнафталиннафталинфенантренфенантрен
антрацен
антрацен
нафталин
нафталин
фенантрен
фенантрен
Все эти три углеводорода выделяются из каменноугольной смолы, причем содержание нафталина в этой смоле (5%) превышает содержание любого другого компонента.
Графит, одна из аллотропных форм элементарного углерода, может служить примером конденсированной ароматической системы. Рентгеиоструктурный анализ показывает, что атомы углерода расположены слоями. Каждый слой представляет собой непрерывную
сетку гексагональных циклов; в каждом слое атомы углерода связаны сильными ковалентными связями длиной 1,42 А (14,2-I0-2 нм) (лишь немного длиннее связей в бензоле). Различные слои, расположенные на расстоянии 3,4 А (3,4-10-1 им) друг от друга, связаны относительно слабыми силами. Смазывающие свойства графита (на ощупь он кажется маслянистым) можно объяснить способностью слоев скользить один по другому (между слоями находятся молекулы адсорбированного газа).
Если графит является примером конденсированной ароматической системы, то другую аллотропную форму углерода, алмав, можно рассматривать как предельный случай разветвленной алифатической системы. В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами углерода тетрагональными связями, длина которых равна длине обычной простой связи [1,54 А (15,4-10~2 нм)] [(обратите внимание на кресловидиую кои- формацию циклогексановых циклов).
НАФТАЛИН
Номенклатура производных нафталина
Положения в нафталиновой системе обозначаются так, как показано в формуле I.
Для обозначения двух изомерных монозамещенных нафталина используют цифры 1 или 2 или буквы аир. Расположение групп в полизамещенных нафталинах обозначается цифрами, например:
6-смин(тафталин-2.-сдяъф<жислотсь
ла.дгтоп-2.г р-всиртолла.дгтоп-2.г р-всиртолнафталиннафталин
ла.дгтоп-2.г р-всиртол
ла.дгтоп-2.г р-всиртол
нафталин
нафталин
2,4-6иншпро-1-нафшиламин
Задача 35.1. Сколько может существовать изомерных мононитронафталинов, дииитро- нафталинов и нитронафтиламинов?
Структура нафталина
Еще в 1868 г. были получены данные, согласно которым нафталин содержит два эквивалентных сконденсированных бензольных кольца. Так, например, было установлено, что а-нитронафталин можно непосредственно окислить в нитрофталевую кислоту или косвенным путем (через амин) — во фталевую кислоту, не содержащую азота. Кольцо, содержащее NO2-rpynny, устойчиво к окислению и сохраняется в продукте реакции; кольцо, в котором имеется NH2-группа, особенно склонно к окислению (как это мы уже наблюдали для производных бензола) и подвергается при этом деструкции. Таким образом, атом азота выполняет роль метки кольца.
нитрованиенитрованиеЗ-тгатрофталевая кислота-З-тгатрофталевая кислота-«.-ншпроно-фталин«.-ншпроно-фталинос- нафшиламинос- нафшиламин
нитрование
нитрование
З-тгатрофталевая кислота-
З-тгатрофталевая кислота-
«.-ншпроно-фталин
«.-ншпроно-фталин
ос- нафшиламин
ос- нафшиламин
НООСг^HOOCX^Jфтпалеваякислотпа-
Нафталин считается ароматическим соединением, поскольку его свойства напоминают свойства бензола (разд. 10.14, ароматический характер). В соответствии с его молекулярной формулой Cl(lHg можно было бы предположить наличие высокой степени ненасыщенности; однако нафталин устойчив (хотя и в меньшей степени, чем бензол) к реакциям присоединения, характерным для ненасыщенных соединений. Вместо этого для него типичны реакции электрофильного замещения, в ходе которых водород вытесняется в виде иона водорода и система циклов нафталина сохраняется неизмененной. Нафталин, подобно бензолу, необычно устойчив: его теплота сгорания на 61 ккал (255,39* 103 Дж) меньше, чем вычисленная, исходя из предположения, что он является обычным непредельным соединением (задача 10.2, стр. 307).
Таким образом, согласно экспериментальным данным, нафталин относится по своим свойствам к ароматическим соединениям. С теоретической точки зрения нафталин имеет структуру, необходимую для того, чтобы быть арома-
л-облаков,л-облаков,Рис. 35.1. Молекула нафталина. л-Облака расположены выше и ниже плоскости колец.Рис. 35.1. Молекула нафталина. л-Облака расположены выше и ниже плоскости колец.
л-облаков,
л-облаков,
Рис. 35.1. Молекула нафталина. л-Облака расположены выше и ниже плоскости колец.
Рис. 35.1. Молекула нафталина. л-Облака расположены выше и ниже плоскости колец.
тическим соединением: он содержит плоские шестичленные кольца и рассмотрение атомных орбиталей показывает, что его структура допускает образование
содержащих шесть электронов — ароматический секстет
(рис. 35.1). Десять атомов углерода располо
жены по углам двух сочлененных шестиугольников. Каждый атом углерода связан с тремя другими атомами о-связями; поскольку эти связи образуются в результате перекрывания тригональных зр2-орбиталей, то все атомы углерода и водорода лежат в одной плоскости. Выше и ниже этой плоскости находится облако л-электронов, образующееся в результате перекрывания р-орби- талей и имеющее форму «восьмерки». Это облако можно рассматривать как совокупность двух частично перекрывающихся секс-
тетов, у которых два л-электрона общие.
Согласно методу валентных связей, нафталин рассматривается как резонансный гиб
рид трех структур I, II и III. Его резонансная энергия из данных по теплоте сгорания равна 61 ккал/моль (255,39-103 Дж/моль).
Рентгеиоструктурный анализ показывает, что в противоположность бензолу в нафталине ие все углерод-углеродные связи имеют одинаковую длину; так, связь Q—Q значительно короче [ 1,365 А (13,65-10-2 нм)), чем связьС2—С3 [1,404 А (14,04-10~2 им)). Рассмотрение структур I, II и III показывает, что'подобное различие в длинах связей вполне соответствует ожидаемому. Связь С,—С. является двойной в двух структурах и простой лишь в одной; связь С2—С3 является простой в двух структурах и двойной лишь в одной. Поэтому можно ожидать, что связь С,—С2 будет в большей степеии’двойиой, чем простой связью, а С,—С3 — в большей степени простой, чем двойной.
Для удобства мы будем "изображать нафталин в виде структуры IV, в которой кружки обозначают частично перекрывающиеся ароматические секстеты.
IVIV
IV
IV
Хотя формула IV предполагает большую степень симметрии для нафталина, чем су- ществует иа самом деле, ее преимущество состоит в том, что она передает ароматический характер системы.
Реакции нафталина
Нафталин, подобно бензолу, подвергается реакциям ароматического замещения; это одно из его свойств, которое позволяет отнести его к числу ароматических соединений. л-Электронное облако является источником электронов, доступных для электрофильного реагента, который присоединяется к кольцу с образованием промежуточного карбониевого иона; затем ион карбония отщепляет протон, восстанавливая тем самым ароматическую систему.
Нафталин окисляется или восстанавливается легче, чем бензол, но лишь до стадии образования замещенного бензола; дальнейшее окисление или восстановление требует более жестких условий. Энергия стабилизации нафталина вследствие резонанса составляет 61 ккал (255,39- 10s Дж), а для бензола — 36 ккал (150,72-10® Дж). Нарушение ароматичности одного из колец нафталина требует затраты лишь 25 ккал (104,67-10® Дж); на следующей стадии требуется уже 36 ккал (150,72-10® Дж).
РЕАКЦИИ НАФТАЛИНА
Окисление (разд. 35.5)
СгО,,СгО,,снзсоон.гэ’сснзсоон.гэ’сО 1,4-нафтохинон (п-нафтохинон), выход 40%О 1,4-нафтохинон (п-нафтохинон), выход 40%О2. У2О3. 460-480°СО2. У2О3. 460-480°Сфталевый ангидрид, выход 76%фталевый ангидрид, выход 76%
СгО,,
СгО,,
снзсоон.гэ’с
снзсоон.гэ’с
О 1,4-нафтохинон (п-нафтохинон), выход 40%
О 1,4-нафтохинон (п-нафтохинон), выход 40%
О2. У2О3. 460-480°С
О2. У2О3. 460-480°С
фталевый ангидрид, выход 76%
фталевый ангидрид, выход 76%
Восстановление (разд. 35.6)
Na, С2Н5ОН, кипячениеNa, С2Н5ОН, кипячение1,4-9игидронафталин1,4-9игидронафталин
Na, С2Н5ОН, кипячение
Na, С2Н5ОН, кипячение
1,4-9игидронафталин
1,4-9игидронафталин
Na, С3Н,,ОН. кипячение1,2,5,4-тетрагидронафталиЯ (тетралин)Na, С3Н,,ОН. кипячение1,2,5,4-тетрагидронафталиЯ (тетралин)
Na, С3Н,,ОН. кипячение
1,2,5,4-тетрагидронафталиЯ (тетралин)
Na, С3Н,,ОН. кипячение
1,2,5,4-тетрагидронафталиЯ (тетралин)
н2, катализаторн2, катализатордекагидронафталин(декалин)декагидронафталин(декалин)3. Реакции электрофильного замещения (разд. 35.8—35.13)а) Нитрование (разд. 35.8)3. Реакции электрофильного замещения (разд. 35.8—35.13)а) Нитрование (разд. 35.8)Тнитронафталин (а-нитронафталин), выход 90-95%Тнитронафталин (а-нитронафталин), выход 90-95%
н2, катализатор
н2, катализатор
декагидронафталин
(декалин)
декагидронафталин
(декалин)
3. Реакции электрофильного замещения (разд. 35.8—35.13)
а) Нитрование (разд. 35.8)
3. Реакции электрофильного замещения (разд. 35.8—35.13)
а) Нитрование (разд. 35.8)
Тнитронафталин (а-нитронафталин), выход 90-95%
Тнитронафталин (а-нитронафталин), выход 90-95%
б) Галогенирование (разд. 35.8)б) Галогенирование (разд. 35.8)Br2, СС1,, кипячениеBr2, СС1,, кипячение1-бромва.фталин(<х-бромна фталин), шкод ?5°/о1-бромва.фталин(<х-бромна фталин), шкод ?5°/ов) Сульфирование (разд. 35.11)в) Сульфирование (разд. 35.11)конц. HtSOd, 80°Сконц. HtSOd, 80°Снафталин-!- сульфокислота,(«нафталинсулырописпота)нафталин-!- сульфокислота,(«нафталинсулырописпота)^«0«4-H2SO4,160=С^«0«4-H2SO4,160=Сptowq. H2SO4,160° Сptowq. H2SO4,160° С
б) Галогенирование (разд. 35.8)
б) Галогенирование (разд. 35.8)
Br2, СС1,, кипячение
Br2, СС1,, кипячение
1-бромва.фталин
(<х-бромна фталин), шкод ?5°/о
1-бромва.фталин
(<х-бромна фталин), шкод ?5°/о
в) Сульфирование (разд. 35.11)
в) Сульфирование (разд. 35.11)
конц. HtSOd, 80°С
конц. HtSOd, 80°С
нафталин-!- сульфокислота,(«нафталинсулырописпота)
нафталин-!- сульфокислота,(«нафталинсулырописпота)
^«0«4-H2SO4,160=С
^«0«4-H2SO4,160=С
ptowq. H2SO4,160° С
ptowq. H2SO4,160° С
нафталин-2-сульфокислота(р-нафталиноуль фокислота.)
г) Ацилирование по Фриделю—Крафтсу (разд. 35.10)
растворитеаъс2н2а,растворитеаъс2н2а,1-ауетилнафталин(метил-СнафтилкетонХвыход 93%1-ауетилнафталин(метил-СнафтилкетонХвыход 93%СНЭСОС1,А1С13СНЭСОС1,А1С13Яастволищель c6h,no2Яастволищель c6h,no2Х-ауетилнафталин (метил 2-huq,тилле тон), выход 90%Х-ауетилнафталин (метил 2-huq,тилле тон), выход 90%
растворитеаъс2н2а,
растворитеаъс2н2а,
1-ауетилнафталин
(метил-СнафтилкетонХ
выход 93%
1-ауетилнафталин
(метил-СнафтилкетонХ
выход 93%
СНЭСОС1,А1С13
СНЭСОС1,А1С13
Яастволищель c6h,no2
Яастволищель c6h,no2
Х-ауетилнафталин (метил 2-huq,тилле тон), выход 90%
Х-ауетилнафталин (метил 2-huq,тилле тон), выход 90%
Окисление нафталина
При окислении нафталина кислородом в присутствии пятиокиси ванадия разрушается одно кольцо и образуется фталевый ангидрид. Поскольку нафталин выделяется из каменноугольной смолы и доступен в больших количествах, а потребность во фталевом ангидриде довольно велика (см., например, разд. 29.5 и 35.18), то эта реакция широко используется в промышленном масштабе.
Окисление некоторых производных нафталина приводит к нарушению ароматического характера одного из колец, но иным способом и приводит к получению дикетопроизводных, известных под названием хинонов (разд. 32.10), например:
Я-метилнафталинЯ-метилнафталин
Я-метилнафталин
Я-метилнафталин
Склонность нафталина к образованию хинонов не всегда позволяет получать нафталинкарбоновые кислоты путем окисления метильной группы в боковой цепи — методом, который используют для синтеза бензойных кислот.
Задача 35.2. Каким путем можно синтезировать нафталин-1- и нафталин-2-карбоновые (а- и р-нафтойные) кислоты из нафталина через стадию соответствующих ацетилнафталинов?
Восстановление нафталина
В отличие от бензола нафталин можно восстанавливать химическими восстановителями. При действии натрия в этаноле он превращается в 1,4-дигидронафталин, а при действии натрия в изопентиловом спирте — в 1,2,3,4-тетрагидронафталин (тетралин). Температура, при которой происходит восстановление натрием, зависит от температуры кипения применяемого спирта; более высокая температура реакции при использовании изопентилового спирта (т. кип. 132 °C) позволяет проводить процесс восстановления глубже, чем более низкая температура реакции в этиловом спирте (т. кип. 78 °C)
Na, С,Н/>Н, ТУС,
< Na, С,Н„ОИ, НУС
ТУД-тетрагидронафтсиГМ(тетралин)
Тетрагидронафталин представляет собой диалкилпроизводное бензола. Как и в случае других производных бензола, ароматическое кольцо в тетрагидронафталине восстанавливается лишь в жестких условиях каталитического гидрирования.
Н,.Р1вли№
тетралин
декалиндекалинЧас-ЗелсютЧас-Зелсюттранс декалинтранс декалинЗадача 35.3. Декалин существует в виде двух стереоизомерных форм: цис- (т. кип. 194 °Q и транс-декалина_(т. кип. 18 °C)
декалин
декалин
Час-Зелсют
Час-Зелсют
транс декалин
транс декалин
Соберите модели этих соединений и убедитесь, что они отличаются друг от друга. Найдите в моделях пару атомов водорода, связанных с атомами .углерода в местах сочленения колец и находящихся в цис- или транс-коифигурации.
Каким образом в транс- декали не одно кольцо связано с другим: при помощи двух экваториальных связей, при помощи двух аксиальных связей или при помощи одной экваториальной и одной аксиальной? Ответьте иа тот же вопрос для цис-декалина. На основаиии того (разд. 9.13), что в экваториальном положении имеется больше места для размещения объемистой группы, чем в аксиальном, предскажите, какой из изомеров будет более стабильным — цис- или транс-декалин?
Объясните следующие факты: быстрое гидрирование тетралина над платиновой чернью при низкой температуре дает цис-декалин, в то время как медленное гидрирование тетралина над никелем при высоких температурах приводит к транс-декали ну. Сравните эти результаты с 1,2- и 1,4-присоединением в сопряженных диенах (разд. 8.18), алкилированием толуола по Фриделю — Крафтсу (разд. 12.14), сульфированием фенола (разд. 25.14) и сульфированием нафталина (разд. 35.11).
Дегидрирование гидроароматических соединений. Ароматизация
Соединения типа 1,4-дигидронафталина, тетралина и декалина, содержащие углеродный скелет ароматической системы, но больше атомов водорода, чем полагается для ароматических соединений, называются гидроарома- тическими. Иногда их получают, как было показано выше, частичным или полным гидрированием ароматической системы.
Однако чаще используют обратный процесс и гидроароматические соединения превращают в ароматические. Этот процесс называется ароматизацией.
Один из лучших методов ароматизации — каталитическое дегидрирование, которое осуществляют, нагревая гидроароматическое соединение с катализатором типа платины, палладия или никеля. Эти металлы нам уже знакомы как катализаторы гидрирования; поскольку они снижают энергетический барьер между гидрированными и дегидрированными соединениями, то они ускоряют реакцию в обоих направлениях (разд. 6.3). Положение равновесия определяется другими факторами: гидрированию благоприятствует наличие избытка водорода под давлением, а дегидрированию — удаление водорода током инертного газа.
Pd, нагревание, таок СО2 Pd ДавлениеPd, нагревание, таок СО2 Pd Давлениететралинтетралин(QIQ) + 2н2
Pd, нагревание, таок СО2 Pd Давление
Pd, нагревание, таок СО2 Pd Давление
тетралин
тетралин
нафталин
(-(«.-нафтил) циклогексен(-(«.-нафтил) циклогексентетпрахлорбензохинон (хлоранил)тетпрахлорбензохинон (хлоранил)1 фенилнафталин1 фенилнафталинВ изящной методике дегидрирования водород переносится с гидроаро- матического соединения к веществу, которое легко принимает водород, например:
(-(«.-нафтил) циклогексен
(-(«.-нафтил) циклогексен
тетпрахлорбензохинон (хлоранил)
тетпрахлорбензохинон (хлоранил)
1 фенилнафталин
1 фенилнафталин
ОН Clr^iCl С1\/С1
ОН тетрахлор гидрохинон
Стремление к образованию устойчивой ароматической системы столь велико, что в случае необходимости происходит элиминирование заместителей.
например метильной группы, находящейся при атоме углерода в месте сочленения колец (так называемая ангулярная метильная группа, разд. 15.18).
4Н2 сн4 со24Н2 сн4 со2абиетиновая кислотаабиетиновая кислота1-метил- 7- изопропилфенантрея1-метил- 7- изопропилфенантрея
4Н2 сн4 со2
4Н2 сн4 со2
абиетиновая кислота
абиетиновая кислота
1-метил- 7- изопропилфенантрея
1-метил- 7- изопропилфенантрея
Ароматизацию осуществляют также нагреванием гидроароматического соединения с селеном, серой или органическими дисульфидами RSSR. В этом случае водород элиминируется в виде H2Se, H2S или RSH.
Задача 35.4. В удобной лабораторной методике получения сухого бромистого водорода бром прибавляют в кипящий тетралин; в парах происходит реакция, дающая нафталин и 4 моля бромистого водорода. Объясните все стадии образования этих продуктов реакции. Какие уже известные вам реакции происходят в процессе такой ароматизации?
холестерин(стероид; разд. 15.18)холестерин(стероид; разд. 15.18)Ароматизация имеет важное значение как в синтезе, так и в анализе. Многие многоядерные ароматические соединения получаются из ациклических соединений при циклизации, и последней стадией в этом синтезе является ароматизация (см., например, разд. 35.14, 35.19 и 36.13). Многие из встречающихся в природе соединений являются гидроароматическими; превращение их в идентифицируемые ароматические соединения дает важную информацию об их структуре, например:
холестерин
(стероид; разд. 15.18)
холестерин
(стероид; разд. 15.18)
3-метпал-!,2-циклопентенофенан1прея(углеводород Дилма) '
карвонкарвонЗадача 35.5. Кадинен (С]5Н24) встречается в эфирном масле кубебы. Дегидрирование его серой дает кадалин (С]6Н18), который можно синтезировать из карвона в результате следующих реакций:
карвон
карвон
+ ВгСНХОООД + Zn> А(С]4НМО,)
нагреваниеизомеризация
А + кислота>- Б>- В^дНцО,), производное бензола
В + QHsOH + H2SO4> Г(С14Н,0О2).'"
НВг
Г + Na + спирт> Д(С!2Н18О)> Е(С12Н,,Вг),
Е + CH3C(COOC2H5)2Na+> Ж(С20Н30О4), нагреваниеSOCI2
Ж+ H2SO4> 3(С15Н22О2)>- И(С15Н21ОС1),
Н2, № и + А1С13> К^Н^О) )- Л(С15Нг2О),
сильное нагревание
Л + сера »- кадалин.
а) Напишите структурную формулу и приведите систематическое название кадали на? б) Каков вероятный углеродный скелет кадинена?
Нитрование и галогенирование нафталина
Нитрование и галогенирование нафталина происходят почти исключительно в положение 1. Хлорирование и бромирование осуществляются настолько легко, что не требуется катализатора — кислоты Льюиса.
Как и следовало ожидать, введение этих групп открывает путь к получению ряда а-замещенных нафталинов: из 1-нитронафталина через амин и соли диазония, а из 1-бромнафталина через реактив Гриньяра.
Синтез а-замещеиных иафталииоаСинтез а-замещеиных иафталииоаГалогене - производные, —> нитрилы, азосоединения ит.д.(гл. 24)Галогене - производные, —> нитрилы, азосоединения ит.д.(гл. 24)
Синтез а-замещеиных иафталииоа
Синтез а-замещеиных иафталииоа
Галогене - производные, —> нитрилы, азосоединения ит.д.
(гл. 24)
Галогене - производные, —> нитрилы, азосоединения ит.д.
(гл. 24)
MgBr
Спирты.кетоны и т.6.
( И -> (например, разд.16.9,16.(0 и20.20)
Задача 35.6. Исходя из I-нитронафталина и используя при этом любые неорганические или алифатические реагенты, получите следующие соединения:
1-нафтиламин,ж) 1-(аминометил)иафталин
а-иоднафталин,Cj0H7CH2NH2,
а-нафтойную кислоту (нафталин-1- з)1-(н-пропил)нафталин,
карбоновую кислоту),и)а-нафтальдегид,
а-нафтоилхлорид,к)(1-нафтил)карбинол,
1-нафтилэтилкетон,л)1-хлорметилнафталин,
м) (1-нафтил)уксусную кислоту,
н) М-(1-нафтил)ацетамид.
Задача 35.7. Исходя из 1-бромнафталина и используя любые неорганические или алифатические реагенты,получите следующие соединения:
1-нафтилмагнийбромид,д) 1-нафтилкарбинол 1-С10Н7СН2ОН,
а-нафтойную кислоту (нафта-е) метил-1-нафтилкарбинол[ 1-(1-наф-
лин-1-карбоновую кислоту),тил)этанол],
2-(1-нафтил)пропанол-2 (диметил-1- ж) 2-(Гвафтил)этанол. нафтилкарбинол),
1-изопропилнафталин,
Задача 35.8. а) Если 1-хлорнафталин обрабатывать амидом натрия Na+NH2 в присутствии вторичного амина пиперидина (разд. 36.12), то образуются соединения I и II в отношении 1 : 2.
Аналогичная обработка 1-бром- или 1-иоднафталина дает те же самые соединения в том wee отношении 1 : 2. Приведите все стадии механизма, находящегося в соответствии с эти-
ми наблюдениями. Какие факторы будут способствовать преимущественному образованию II по сравнению с I?
б) 1-фтор-2-метилнафталин в тех же условиях, что и в вопросе (а), реагирует с образованием соединения III.
По какому механизму должна протекать эта реакция?
в) 1-Фторнафталин в тех же условиях, что и в вопросе (а), дает соединения I и II в отношении 3 : 2. Как вы объясните такое соотношение продуктов? Какие два фактора обусловливают то, что фторнафталин ведет себя отлично от других галогеннафталинов?
35.9. Ориентация электрофильного замещения е нафталине
Нитрование и галогенирование нафталина протекают исключительно в a-положение. Можно ли было ожидать, что реакции замещения будут происходить именно так?
При электрофильном замещении в бензольном кольце (гл. 1D наблюдаемую ориентацию объясняли, исходя из следующих предпосылок: во-первых, лимитирующей стадией реакции является присоединение электрофильного реагента к ароматическому кольцу с образованием промежуточного карбоние- вого иона; во-вторых, это присоединение осуществляется так, что образуется наиболее устойчивый промежуточный ион карбония. Теперь посмотрим, можно ли применить этот же подход для реакции нитрования нафталина.
Атака нитроний-иона в a-положение нафталина приводит к возникновению промежуточного карбониевого иэна, представляющего собой гибрид структур I и II, в которых положительный заряд сосредоточен в атакуемом кольце, а также нескольких структур типа III, в которых этот заряд перераспределен в другое кольцо.
н no2
' " н
П
более устойчива: ароматический секстет сохраняется
в «-положение
га
менее устойчива: ароматический секстет нарушается
I
более устойчива *, ароматический секстет сохраняется
Атака в p-положение дает промежуточный ион карбония, представляющий собой гибрид структур IV и V, в которых положительный заряд распределен в атакуемом кольце, и еще несколько структур типа VI, в которых положительный заряд перераспределен в другое кольцо.
IV
более устойчива: ароматический секстет сохраняется
V „ менее устойчива: ароматический секстет нарушается
в р-положение
VI
менее устойчива:
ароматический
секстет нарушается
63—256
Мсшееритемс2н2а4Мсшееритемс2н2а4соснзсоснз
Мсшееритемс2н2а4
Мсшееритемс2н2а4
соснз
соснз
В структурах I, II и IV ароматический секстет в кольце, не подвергающемся атаке, сохраняется, и поэтому в этих структурах сохраняется полная энергия резонансной стабилизации одного бензольного кольца [36 ккал/моль. (150,72- 10s Дж/моль)1. С другой стороны, в структурах типа III, V и VI ароматический секстет нарушается в обоих циклах с большой потерей в энергии резонансной стабилизации. Очевидно, структуры типа 1, II и IV гораздо более устойчивы.
Однако при атаке в «-положение в резонансе участвуют две такие устойчивые структуры (I и II), а при атаке в р-положение — лишь одна. На этом основании можно ожидать, что карбониевый ион, возникающий при атаке в а-по- ложение (а также переходное состояние, приводящее к этому иону), будет гораздо стабильнее, чем карбониевый ион (и соответствующее переходное состояние), возникающий при атаке в p-положение, и поэтому нитрование будет значительно быстрее происходить в «-положение.
При рассмотрении в дальнейшем различных аспектов химии многоядерных углеводородов мы убедимся в том, что вопрос об ориентации в общем можно рационально объяснить на основе этого же принципа: из большого числа структур, вносящих вклад в структуру промежуточного иона карбония, важными будут лишь те, образование которых требует наименьшей потери энергии резонансной стабилизации. Действительно, этот принцип объясняет ориентацию не только электрофильного замещения, но также и реакций окисления, восстановления и присоединения.
Ацилирование нафталина по Фриделю—Крафтсу
Нафталин можно ацилировать действием хлористого ацетила в присутствии хлористого алюминия. Ориентация замещения определяется природой используемого растворителя: замещение преимущественно происходит в «-положение в сероуглероде или растворителях типа тетрахлорэтана и в Р-поло- жение в нитробензоле. (Влияние нитробензола объясняют тем, что он образует комплекс с хлорангидридом и хлористым алюминием, который вследствие своего большого объема может атаковать лишь более свободное р-положение.)
1-ацетилна.фтаяЖВ (метил-а-иафтипкешою1-ацетилна.фтаяЖВ (метил-а-иафтипкешоюрастворитель c,hsno2растворитель c,hsno22-ацетилиафталин (метил-р- нафтилкетон)2-ацетилиафталин (метил-р- нафтилкетон)
1-ацетилна.фтаяЖВ (метил-а-иафтипкешою
1-ацетилна.фтаяЖВ (метил-а-иафтипкешою
растворитель c,hsno2
растворитель c,hsno2
2-ацетилиафталин (метил-р- нафтилкетон)
2-ацетилиафталин (метил-р- нафтилкетон)
сн,соа, дю,
Таким образом, ацетилирование (подобно сульфированию, разд. 35.11) позволяет получать производные р-замещенного нафталина. Так, например, обработка 2-ацетилнафталина гипогалогенитом является наилучшим методом синтеза р-нафтойной кислоты
1СОСН3 НаОС1,60-7УС
p-нафтойная кислота,выход ВВ%
Ацилирование нафталина янтарным ангидридом приводит к смеси а- и р-замещенных. Однако их можно разделить, и они оба используются для синтеза высших циклических систем (разд. 35.19)
СОСН2СН2СООН
Н2СН2С1 У0Н2с^ /1 У0Н2с^ /А1С1Ь C,MSNO2А1С1Ь C,MSNO2о янтарный ангидридо янтарный ангидрид4-(1-№<ртпия)-4-петоб1)татвая тасшипа 1 p-(l-naipmoun) пропионовая кислота}
Н2С
Н2С
1 У0
Н2с^ /
1 У0
Н2с^ /
А1С1Ь C,MSNO2
А1С1Ь C,MSNO2
о янтарный ангидрид
о янтарный ангидрид
А-^-нафтипУ^кетобутановая кислота £р-(2.-нафтоил) пропионовая кислотой.
Реакция алкилирования по Фриделю — Крафтсу в ряду нафталина используется мало, вероятно, потому, что вследствие высокой реакционной способности нафталина происходят различные побочные реакции и полиалкилирование. Алкилнафталины лучше всего получать ацилированием или циклизацией (разд. 35.14).
Задача 35.9. Положение СООН-группы в р-нафтойной кислоте было установлено идентификацией продуктов окисления в жестких условиях. Какое соединение при этом образуется? Какое соединение образовалось бы из о-нафтойной кислоты?
Задача 35.10. Приведите схемы синтеза следующих соединений, используя в качестве
4-(2-нафтил)бутаиола-1,5-/2-нафтил)-2-метилпентаиола- 2, з) 2-изогексилнафталина, и) 1-амино-1-(2-нафтил)этана к) Р-винилнафталина.4-(2-нафтил)бутаиола-1,5-/2-нафтил)-2-метилпентаиола- 2, з) 2-изогексилнафталина, и) 1-амино-1-(2-нафтил)этана к) Р-винилнафталина.начальной стадии реакцию ацилирования: а) 2-этилнафталина,
4-(2-нафтил)бутаиола-1,
5-/2-нафтил)-2-метилпентаиола- 2, з) 2-изогексилнафталина, и) 1-амино-1-(2-нафтил)этана к) Р-винилнафталина.
4-(2-нафтил)бутаиола-1,
5-/2-нафтил)-2-метилпентаиола- 2, з) 2-изогексилнафталина, и) 1-амино-1-(2-нафтил)этана к) Р-винилнафталина.
метилэтил-2-иафтилкарбинола[2-(2- нафтил)бутанола-2],
2-(втор-бутил)нафталина,
1-(2-иафтил)этанола,
у-(2-нафтил)масляной кислоты
Сульфирование нафталина
Сульфирование нафталина при 80 °C дает главным образом нафталин-1- сульфокислоту, а сульфирование при 160 °C или более высокой температуре — в основном нафталин-2-сульфокислоту. Если нафталин-1-сульфокислоту нагревать в серной кислоте до 160 °C, то она превращается в 2-изомер. Эти факты становятся понятными, если вспомнить, что сульфирование — легко обратимая реакция (разд. 21.5).
Mdw^HgSO^ 80”^Mdw^HgSO^ 80”^нафталин^-сульфокислота.(ос-нафталин сульфокислота)нафталин^-сульфокислота.(ос-нафталин сульфокислота)нафталий-2.-сульфокислотйа (р-нафтпалинсулъфокислота)нафталий-2.-сульфокислотйа (р-нафтпалинсулъфокислота)
Mdw^HgSO^ 80”^
Mdw^HgSO^ 80”^
нафталин^-сульфокислота.
(ос-нафталин сульфокислота)
нафталин^-сульфокислота.
(ос-нафталин сульфокислота)
нафталий-2.-сульфокислотйа (р-нафтпалинсулъфокислота)
нафталий-2.-сульфокислотйа (р-нафтпалинсулъфокислота)
Сульфирование, подобно нитрованию и галогенированию, протекает легче по a-положению, поскольку при этом образуется более стабильный промежуточный карбониевый ион. Однако по той же причине и атака ионом водорода с последующим десульфированием также происходит легче по а-положению. Сульфирование в ^-положение осуществляется медленнее, однако образовавшаяся ^-сульфокислота не склонна вступать в реакцию десульфирования. При низкой температуре десульфирование протекает медленно, и поэтому мы выделяем тот продукт, который быстрее образуется, — а-нафталинсульфокислоту. При более высокой температуре становится более существенной обратная реакция десульфирования, легко устанавливается равновесие, и мы выделяем тот продукт, который более устойчив, — (1-нафталинсульфокислоту.
р-изомер:р-изомер:р-илиищр.
р-изомер:
р-изомер:
образуется медленно.,десулъфируешся медленно
В рассматриваемом случае мы встречаемся с ситуацией, уже знакомой вам по нескольким примерам: в реакциях 1,2- и 1,4-присоединения к сопряженным диенам (разд. 8.18), в реакции алкилирования толуола по Фриделю — Крафтсу (разд. 12.14) и в сульфировании фенолов (разд. 25.14). При низкой температуре направление реакции определяется ее скоростью, а при высокой температуре — положением равновесия.
Сульфирование имеет особенно важное значение в химии нафталина, поскольку оно открывает путь к получению (i-замещенных нафталинов, как это показано в следующем разделе.
Задача 35.11. а) Укажите две сталии в реакции сульфирования нафталина- б) Нарисуйте । рафик изменения потенциальной энергии для происходящих при этом реакций (сравните ваш ответ с рис. 8.6).
Нафтолы
SO3~Na+ JNaOH, Н2О, 300ТSO3~Na+ JNaOH, Н2О, 300ТО Na+ ра^Н^ОлО Na+ ра^Н^Олцафшалию 2-сулъфонатнатрияцафшалию 2-сулъфонатнатрия2.-нафтолятнатрия2.-нафтолятнатриянафтпол-2Ip-нафтол)нафтпол-2Ip-нафтол)Нафтолы, подобно фенолам, можно синтезировать из соответствующих сульфокислот сплавлением со щелочью.
SO3~Na+ JNaOH, Н2О, 300Т
SO3~Na+ JNaOH, Н2О, 300Т
О Na+ ра^Н^Ол
О Na+ ра^Н^Ол
цафшалию 2-сулъфонатнатрия
цафшалию 2-сулъфонатнатрия
2.-нафтолятнатрия
2.-нафтолятнатрия
нафтпол-2Ip-нафтол)
нафтпол-2Ip-нафтол)
1-нафтала.мин1-нафтала.мин+ МН3+ МН3
1-нафтала.мин
1-нафтала.мин
+ МН3
+ МН3
Нафтолы можно также получить из нафтиламинов прямым гидролизом в кислых условиях. (Эта реакция, которую не удается осуществить в ряду бензола, более предпочтительна, чем гидролиз солей диазония.)
нафтол-L(ос-нафтол),1 ашей 95
а-Замещенные нафталины, подобно замещенным бензолам, чаще всего получают при помощи последовательности реакции, в которых исходными веществами служат нитросоединения (разд. 35.8). Однако р-замещенные нафталины нельзя синтезировать из нитросоединений, поскольку нитрование в P-положение осуществить не удается. Путь синтеза 2-нафтиламина, а из него очень реакционноспособных солей диазония проходит через стадию получения нафтола-2. Нафтол-2 получают из 2-сульфокислоты; далее его превращают в 2-нафтиламин, нагревая под давлением с аммиаком и сульфитом аммония (реакция Бухерера, которую, за редким исключением, нельзя осуществить в ряду бензола).
нафталиннафтпалин-2-сульфокислота.нафталиннафтпалин-2-сульфокислота.кафгпол-2кафгпол-2NH^XNH^SO),NH^XNH^SO),нагревание, давлениенагревание, давление2-нафтиламин2-нафтиламин
нафталиннафтпалин-2-сульфо
кислота.
нафталиннафтпалин-2-сульфо
кислота.
кафгпол-2
кафгпол-2
NH^XNH^SO),
NH^XNH^SO),
нагревание, давление
нагревание, давление
2-нафтиламин
2-нафтиламин
соль 2-на,фтилдиазот1Ясоль 2-на,фтилдиазот1Я
соль 2-на,фтилдиазот1Я
соль 2-на,фтилдиазот1Я
Та погенопроизеодные, нитрилы,азо соединении <- ит.д. (гл. 24)
Для нафтолов характерны обычные реакции фенолов. Реакция сочетания с солями диазония особенно важна в производстве красителей (разд. 24.10); ориентация этого замещения обсуждена в следующем разделе.
Задача 35.12. Исходя из нафталина и используя любые легкодоступные реагенты, получите следующие соединения:
2-бромнафталин,г)р-нафтойн\ю кислоту,
2-фторнафталин,д)В-нафтальдегид,
p-нафтонитрил,е)3 (2-нафтил)нропеновх юкислоту.
Задача 35.13. Соли диазония можно превратить внитросоединения действиемнитрита
натрия в присутствии катализатора. Предложите метод получения 2-нитронафталина.
Ориентация в реакциях электрофильного замещения производных нафталина
Выше уже говорилось о том, что нафталин подвергается нитрованию и галогенированию главным образом в а-полсжение, а сульфированию и ацилированию по Фриделю — Крафтсу — как в а-, так и в ^-положение в зависимости от условий. Рассмотрим теперь, в какое положение будет вступать второй заместитель и каким образом имеющийся заместитель будет влиять на ориентацию.
Ориентация замещения в ряду нафталина сложнее, чем в ряду бензола. Входящая группа может вступать либо в кольцо, уже несущее заместитель, либо в другое кольцо; в нафталине имеется семь различных положений, которые могут атаковаться, по сравнению с тремя положениями в монозамещенном бензоле.
Основные продукты, образующиеся при дальнейшем замещении моноза- мещенных нафталинов, можно предсказать на основании изложенных ниже правил. Эти правила вполне объяснимы с точки зрения структурной теории и наших представлений об электрофильном замещении в ароматическом ряду.
Активирующая группа (электронодонорная группа) ориентирует даль-
нейшее замещение в то кольцо, в котором она находится. Активирующая группа, находящаяся в положении 1, направляет следующий заместитель в положение 4 (и в меньшей степени в положение 2). Активирующая группа в положении 2 направляет дальнейшее замещение в положение 1.
Дезактивирующая группа (электроноакцеторная группа) склонна направлять дальнейшее замещение в свободное кольцо: в a-положение при нитровании или галогенировании или в а- или p-положение (в зависимости от температуры) при сульфировании, например:
Нафтол-iНафтол-i+ C6HSN2+Cl-+ C6HSN2+Cl-он
Нафтол-i
Нафтол-i
+ C6HSN2+Cl-
+ C6HSN2+Cl-
NaOH, О-|О"С
(^N-CjHj
4-фенилазонафтол-1
HNO3HNO32,4-<)шпш1ронафтод-12,4-<)шпш1ронафтод-1+ c6h5n2+ci~ -^^+ c6h5n2+ci~ -^^N=N-C6HS ^ОНN=N-C6HS ^ОН1-фенилазона фтол-21-фенилазона фтол-2
HNO3
HNO3
2,4-<)шпш1ронафтод-1
2,4-<)шпш1ронафтод-1
+ c6h5n2+ci~ -^^
+ c6h5n2+ci~ -^^
N=N-C6HS ^ОН
N=N-C6HS ^ОН
1-фенилазона фтол-2
1-фенилазона фтол-2
no2no2 no2 no2
(60 + HNO, 23УЗ. (qO
NO2l-иитроиафталин,1,8-диниторонаф1палии
у-дтаитронафталин (основной продукт)
2-метилна.фтахин! бром г-метилнафталин2-метилна.фтахин! бром г-метилнафталин
2-метилна.фтахин! бром г-метилнафталин
2-метилна.фтахин! бром г-метилнафталин
Эти правила не всегда применимы к реакции сульфирования, поскольку эта реакция обратима и при высокой температуре обычно происходит в р-поло- жение. Однако обычно можно предсказать, какие продукты получатся, если учитывать эти особенности реакции сульфирования.
Задача 35.14. Предскажите ориентацию в следующих реакциях; напишите структурные формулы и назовите продукты, которые должны образоваться:
1-метил нафталин + Вг2,
1-метил нафталин + HNO3 + H2SO4,
1-метилнафталин + СН3СОС1 + А1С13,
реакции (а), (б) и (в) для 2-метилнафталина,
2-нитронафталин 4- Вг2,
2-метоксииафталин + Вг2.
Задача 35.15. Как вы объясните следующие факты:
2-метоксинафталин + СН3СОС1 4- А1С13 + CS2> 1-ацетилпроизводное,
2-метоксинафталин +’СН3С0С1 + А1С13 + С,Н5МО2* 6-ацетилпроизводиое,
2-метилиафталии + H2SO4, выше 100 °C> 6-сульфокислота,
2.6-диметилнафталин + H2SO4, 40 °C> 8-сульфокислота,
2,6-диметилнафталин + H2SO4, 140 °C * 3-сульфокислота,
нафталин-2-сульфокислота 4- HNOS + HtSO4> 5- и 8-нитропроизводиые.
Задача 35.16. Приведите схему синтеза следующих веществ из нафталина и любых необходимых реагентов:
4-нитро-1-нафтиламина,
1,4-динитронафталина (указание: см. задачу 35.13, стр. 997),
2,4-динитро-1-нафтиламина,
1,3-динитронафталина,
1,2-динитронафталина,
4-аминонафталин-1-сульфокислоты (нафтионовой кисло ты),
8-аминонафталин-1-сульфокислоты з) 5-аминонафталин-2-сульфокислоты, и) 8-аминонафталин-2-сульфокислоты.
В разд. 35.9 было показано, что ориентацию в ряду нафталина можно объяснить на основании тех же представлений, что и ориентацию для замещенных бензолов: образование более устойчивого промежуточного карбониевого иона. Оценивая относительные устойчивости карбониевых ионов нафталина, мы полагали, что те из них, в которых сохраняется ароматический секстет, будут значительно более устойчивыми и поэтому более важными. Можно ли объяснить таким же образом ориентацию в замещенных нафталинах?
Структуры, в которых сохраняется ароматический секстет, — это структуры, в которых положительный заряд находится в кольце, подвергающемся замещению. Поэтому именно в этом кольце сосредоточен в основном заряд. Поэтому легче всего атакуется то кольцо, в котором может лучше разместиться положительный заряд: кольцо, содержащее электронодонорный (активирующий) заместитель, или кольцо, не содержащее электроноакцепторного (дезактивирующего) заместителя. (Таким образом, заместитель оказывает наибольшее влияние — активирующее или дезактивирующее — на то кольцо, с которым он связан.)
GGН Y _G-злектронодонорньш заместитель: активация, замещение в то же кольцоН Y _G-злектронодонорньш заместитель: активация, замещение в то же кольцоGGG -злектроноакцепторныи заместитель.дезактивация» замещение в другое кольцоG -злектроноакцепторныи заместитель.дезактивация» замещение в другое кольцо
G
G
Н Y _
G-злектронодонорньш заместитель: активация, замещение в то же кольцо
Н Y _
G-злектронодонорньш заместитель: активация, замещение в то же кольцо
G
G
G -злектроноакцепторныи заместитель.
дезактивация» замещение в другое кольцо
G -злектроноакцепторныи заместитель.
дезактивация» замещение в другое кольцо
Электронодонорная группа, расположенная в положении 1, лучше всего будет участвовать в делокализации положительного заряда, если атака будет происходить в положение 4 (или положение 2) вследствие вклада структур типа I и II
G- эпектронодонорныи заместитель: находясь в положении / направляет атаку в положение 4 или 2G- эпектронодонорныи заместитель: находясь в положении / направляет атаку в положение 4 или 2
G- эпектронодонорныи заместитель: находясь в положении / направляет атаку в положение 4 или 2
G- эпектронодонорныи заместитель: находясь в положении / направляет атаку в положение 4 или 2
Это справедливо независимо от того, за счет какого эффекта — индуктивного или резонансного — подает группа электроны, например:
+ОН
+он
Электронодонорная группа в положении 2 может лучше всего участвовать в делокализации положительного заряда, если атака будет происходить в положение 1 (за счет вклада структур типа III) или в положение 3 (за счет вклада структур типа IV).
шшболее устойчива: ароматическ ий секстет сохраняетсяболее устойчива: ароматическ ий секстет сохраняетсяG - электронодонорный заместитель;находясь в положении 2, направляет атаку в положение 1G - электронодонорный заместитель;находясь в положении 2, направляет атаку в положение 1менее устойчива; ароматическийсекстет нарушаетсяменее устойчива; ароматическийсекстет нарушается
ш
ш
более устойчива: ароматическ ий секстет сохраняется
более устойчива: ароматическ ий секстет сохраняется
G - электронодонорный заместитель;
находясь в положении 2, направляет атаку в положение 1
G - электронодонорный заместитель;
находясь в положении 2, направляет атаку в положение 1
менее устойчива; ароматический
секстет нарушается
менее устойчива; ароматический
секстет нарушается
Однако лишь в структурах типа III сохраняется ароматический секстет, вследствие чего они гораздо устойчивее структур типа IV и их вклад является более существенным. Поэтому не удивительно, что замещение будет происходить почти исключительно в положение 1.
35.14. Синтез производных нафталина циклизацией.
Синтез Хеуорса
Обычно производные бензола почти всегда синтезируют из соединений, уже содержащих бензольное кольцо: самого бензола или некоторых его простейших производных. Редко случается так, что бензольное кольцо образуется в процессе синтеза.
Хотя соединения, содержащие другие ароматические системы, часто получают также из соответствующих углеводородов, известны важные исключения из этого правила: синтезы, в которых циклическая система, целиком или частично, возникает в результате некоторых реакций. Такие синтезы обычно состоят из двух стадий: замыкания цикла (циклизации) и ароматизации.
В качестве примера рассмотрим один из методов, используемых для получения некоторых производных нафталина,— синтез Хеуорса (разработанный Р. Хеуорсом, университет в Дурхэме, Англия). На рис. 35.2 приведена основная схема этого синтеза, который приводит к получению нафталина (естественно, никто не получает нафталин таким способом).
Все стадии в этом синтезе нам уже знакомы. Реакция, в результате которой замыкается второе кольцо, — это простая реакция ацилирования по- Фриделю — Крафтсу, которая в данном случае осуществляется между двумя частями одной и той же молекулы. Как и в большинстве методов циклизации, здесь используется не какая-либо новая реакция, а модификация уже известной реакции.
Задача 35.17. Почему замыкание кольца возможно после первого восстановления по Клемменсену, а не до него?
Приведенную на рис. 35.2 схему можно использовать для получения замещенных нафталинов; для этого все или отдельные стадии синтеза нужно- варьировать следующим образом.
Во-первых, вместо бензола можно использовать замещенный бензол, из которого образуется р-замещенный нафталин. Например, толуол, анизол или бромбензол претерпевает первоначальную реакцию Фриделя — Крафтса главным образом в пара-положение; когда кольцо замыкается, то замести-
Н2С/С\
Ю) + „ I Р
Н2с^ /
Бензолу
Оянтарныйангидрид
A1CI,Ацилирование
по Фриделю-Крафтсу
р-бензоилпропионованкислота.
у-фенилмасляная кислотау-фенилмасляная кислотаВосстановление по КлемменсенуВосстановление по КлемменсенуHFHFЦиклизация: ацилирование по Фриделю-КраутерЦиклизация: ацилирование по Фриделю-Краутерили полифосфорнаяили полифосфорнаяООа-тетралояа-тетралояВосстановление по КлемменсенуВосстановление по КлемменсенутетралинтетралинРд.нагрееаниеРд.нагрееаниеАроматизация: дегидрированиеАроматизация: дегидрированиенафталиннафталин
у-фенилмасляная кислота
у-фенилмасляная кислота
Восстановление по Клемменсену
Восстановление по Клемменсену
HF
HF
Циклизация: ацилирование по Фриделю-Краутер
Циклизация: ацилирование по Фриделю-Краутер
или полифосфорная
или полифосфорная
О
О
а-тетралоя
а-тетралоя
Восстановление по Клемменсену
Восстановление по Клемменсену
тетралин
тетралин
Рд.нагрееание
Рд.нагрееание
Ароматизация: дегидрирование
Ароматизация: дегидрирование
нафталин
нафталин
Рис. 35.2. Синтез производных нафталина по Хеуорсу.
тель, первоначально находившийся в бензольном кольце, должен занимать
P-положение в нафталине.
НОС
р-замещенныв нафталин
Во-вторых, промежуточный циклический кетон (а-тетралон) обрабатывают реактивом Гриньяра и таким образом вводят в a-положение алкильную или арильную группу
сь-щетралоксь-щетралока-алкил в а фтпаяина-алкил в а фтпаяин
сь-щетралок
сь-щетралок
а-алкил в а фтпаяин
а-алкил в а фтпаяин
RMgXRMgX«ялошислаша,«ялошислаша,1,6-Низа, ««ценный подталин1,6-Низа, ««ценный подталин
RMgX
RMgX
«ялошислаша,
«ялошислаша,
1,6-Низа, ««ценный подталин
1,6-Низа, ««ценный подталин
В-третьих, исходную кетокислоту (в форме сложного эфира) можно обработать реактивом Гриньяра и ввести алкильную или арильную группу в сс-по- ложение. Успех этой реакции определяется тем, что кетон реагирует с реактивом Гриньяра гораздо быстрее, чем сложный эфир.
дегидратация
гидролиз
гидрирование
Все эти видоизменения позволяют получить самые разнообразные замещенные нафталины.
Задача 35.18. Приведите все стадии синтеза следующих соединений из бензола и любых необходимых алифатических и неорганических реагентов:
2-метилнафталина,е)1,4,7-триметилнафталина,
1-метилнафталина,ж)1-этил-4-метилнафталина,
1,4-диметилнафталина,з)7-бром-1-этилнафталина,
1,7-диметилнафталина,и)1-фенилнафталина.
1,6-диметилнафталина,
Задача 35.19. Приведите схему синтеза по Хеуорсу, взяв в качестве исходных веществ нафталин и янтарный ангидрид. Какой углеводород или углеводороды образуются в конечном счете? (Вспомните правила ориентации для нафталина.) Проверьте ваш ответ в разд. 35.19.
АНТРАЦЕН И ФЕНАНТРЕН
Номенклатура производных антрацена и фенантрена
Положения в антрацене и фенантрене нумеруются следующим образом:
антраценантраценфенантренфенантрен
антрацен
антрацен
фенантрен
фенантрен
Примеры будут приведены в следующих разделах при рассмотрении различных реакций.
Структура антрацена и фенантрена
По своим свойствам антрацен и фенантрен, подобно нафталину, относятся к числу ароматических соединений. Рассмотрение их атомных орбиталей проводят так же, как и в случае нафталина, и оно приводит к аналогичной картине: антрацен и фенантрен представляют собой плоские структуры с частично перекрывающимися л-облаками, расположенными выше и ниже плоскости молекулы.
а фенантрен — как гибрид структур V—IXа фенантрен — как гибрид структур V—IXVIIVIIVIIIVIIIСогласно методу валентных связей, антрацен рассматривается как гибрид структур I — IV
а фенантрен — как гибрид структур V—IX
а фенантрен — как гибрид структур V—IX
VII
VII
VIII
VIII
XI фенантренXI фенантрен
XI фенантрен
XI фенантрен
Величины теплот сгорания показывают, что резонансная энергия составляет 84 ккал/моль (351,69-103 Дж/моль) для антрацена и 92 ккал/моль (385,10-103 Дж/моль) для фенантрена.
Для удобства мы будем изображать антрацен структурой X, а фенантрен — структурой XI, в которых вписанные в циклы кружки можно рассматривать как символы частично перекрывающихся ароматических секстетов.
Реакции антрацена и фенантрена
Анатрацен и фенантрен еще менее устойчивы к реакциям окисления и восстановления, чем нафталин. О5а углеводорода окисляются до 9,10-хинонов и восстанавливаются до 9,10-дигидросоединений. Как ориентацию, так и относительную легкость этих реакций можно объяснить, если внимательнее рассмотреть структуры исходных и полученных веществ. Атака в положения 9 и 10 оставляет нетронутыми два бензольных кольца; поэтому при этом те-
ряется лишь 12 ккал (50,27-103 Дж) энергии резонансной стабилизации (84—2-36) для антрацена и 20 ккал (92—2-36) (83,73-103 Дж) для фенантрена
9,10-дигидраантрацен9,10-дигидраантраценфенантренфенантрен9,10-диг идрофенантрен9,10-диг идрофенантрен
9,10-дигидраантрацен
9,10-дигидраантрацен
фенантрен
фенантрен
9,10-диг идрофенантрен
9,10-диг идрофенантрен
В случае фенантрена два незатронутых кольца являются сопряженными; поскольку такое сопряжение может стабилизовать продукт [в зависимости от условий энергия стабилизации составляет от 0 до 8 ккал/моль (от 0 до 33,49-103 Дж/моль,], то потеря резонансной стабилизации может оказаться даже меньше чем 20 ккал (83,74-10® Дж).
Задача 35.20. Какова величина энергии резонансной стабилизации, которая будет теряться при окислении или восстановлении одного из внешних колец антрацена или фенантрена?
Как фенантрен, так и антрацен вступают в реакции электрофильного замещения. Однако, за редким исключением, эти реакции не представляют большой синтетической ценности из-за образования либо смесей продуктов, либо продуктов полизамещения. Производные этих двух углеводородов обычно получают иным путем: при помощи реакции электрофильного замещения, например, в 9,10-антрахиноне или 9,10-дигидрофенантрене или циклизацией (разд. 35.18 и 35.19).
Бромирование антрацена или фенантрена происходит в положение 9. (9-Бромфенантрен образуется в качестве промежуточного продукта при синтезе некоторых 9-замещенных фенантренов.) В обоих случаях, особенно для антрацена, проявляется тенденция к протеканию реакции присоединения с образованием 9,10-дибром-9,10-дигидропроизводных.
Подобная повышенная реакционная способность положений 9 и 10 по отношению к электрофильной атаке легко объ тенима независимо от того, является ли конечным итогом реакции замещение или присоединение.
антрацен 9,М-вибром-9,1О-вигиароа1ппрацен 9-6роглашпрацеН
Первоначально образуются наиболее устойчивые карбониевые ионы I и II, в которых ароматические секстеты сохраняются в двух из трех циклов. Эти карбониевые ионы могут затем либо отдать протон с образованием продукта замещения, либо присоединить основание и дать продукт присоединения. Склонность этих веществ вступать в реакции присоединения связана с относительно небольшой потерей энергии резонанса в этом процессе 112 ккал/моль (50,2-103 Дж/моль) для антрацена и 20 ккал/моль (83,73-103 Дж/моль) или меньше для фенантрена!.
ЗамещениеЗамещениеПрисоединениеПрисоединение
Замещение
Замещение
Присоединение
Присоединение
ЗамещениеЗамещениеПрисоеаиненивПрисоеаиненив
Замещение
Замещение
Присоеаиненив
Присоеаиненив
Задача 35.21. Азотная кислота может превратить антрацен в любой из продуктов III—VI в зависимости от условий реакции. Как можно объяснить образование каждого из продуктов реакции?
Азотная кислота и уксусная кислота дают III.
Действием азотной кислоты и этилового спирта получают IV.
Избыток азотной кислоты дает V.
Азотная кислота и уксусный ангидрид приводят к 9-нитроантрацеиу (VI).
ННNOiNOiООССНз шООССНз ш
Н
Н
NOi
NOi
ООССНз ш
ООССНз ш
Задача 35.22. Объясните следующие наблюдения: а) 9,10-дигидроантрацен при обработке водородом в присутствии никеля дает 1,2,3,4-тетрагидроантрацен. б) В противоположность бромированию при сульфировании антрацена образуется 1-сульфокислота.
Получение антрацена циклизацией. Антрахиноны
Производные антрацена редко получают из самого антрацена, а чаще циклизацией. Как и в случае нафталина, наиболее важный метод замыкания цикла включает ацилирование по Фриделю — Крафтсу. При этом первоначально образуются антрахиноны, которые превращаются в соответствующие антрацены в результате восстановления цинком и щелочью. Эта последняя стадия проводится довольно редко, поскольку сами хиноны — значительно более важный класс соединений.
Приведенная ниже последовательность реакций иллюстрирует основную схему процесса. (Таким способом получают значительное количество антрахинонов в промышленности красителей.)
Эту основную схему можно видоизменить несколькими путями.
Во-первых, вместо бензола можно использовать монозамещенный бензол, что приведет к 2-замещенному антрахинону. (Первоначальное ацилирование протекает главным образом в пара-положение. Если пара-положение блокировано,то возможно орто-ацилированне.) Например:
толцолтолцолфталееыв ангидридфталееыв ангидрид
толцол
толцол
фталееыв ангидрид
фталееыв ангидрид
Во-вторых, вместо бензола можно использовать многоядерное соединение, что приведет к продукту реакции, содержащему более трех циклов, на- нример:
фталевый ангидридфталевый ангидрид1,2-бенэ~9,<0- аитрахшюе1,2-бенэ~9,<0- аитрахшюе
фталевый ангидрид
фталевый ангидрид
1,2-бенэ~9,<0- аитрахшюе
1,2-бенэ~9,<0- аитрахшюе
В-третьих, производное о-ароилбензойной кислоты можно восстановить, ■еред стадией циклизации, что дает возможность по реакции Гриньяра получать 9-замещенные антрацены
З-алкилантрацр»З-алкилантрацр»
З-алкилантрацр»
З-алкилантрацр»
Антрахиноновые красители имеют огромное значение в промышленности, и была проделана очень большая работа по разработке методов синтеза многоядерных систем, содержащих хиноидные структуры. Приведем некоторые примеры антрахиноновых красителей:
иидантреновыйЗолотисто-экелтый GKиидантреновыйЗолотисто-экелтый GK
иидантреновый
Золотисто-экелтый GK
иидантреновый
Золотисто-экелтый GK
Задача 35.23. Приведите схему синтеза следующих веществ, исходя из соединений с меньшим числом колец:
1,4-диметилантрахинона,г) 2,9-диметилантрацена,
1,2-диметилантрахинона,д) 9-метил-1,2-бензантрацена (обладает
1,3-диметилантрахинона,сильным канцерогенным действием).
Задача 35.24. Какой антрахинон или антрахиноны получатся в результате взаимодействия 3-иитрофталевого ангидрида с бензолом или толуолом?
Получение производных фенантрена циклизацией
Если вместо бензола в синтезе Хеуорса (разд. 35.14) использовать нафталин, то реакция с янтарным ангидридом будет прекрасным способом получения замещенных фенантренов.
Основная схема синтеза приведена на рис. 35.3. Нафталин ацилируется янтарным ангидридом в положение как 1, так и 2; эти два продукта можно разделить и любой из них можно превратить в фенантрен. Обратим внимание на то, что у-(2-нафтил)масляная кислота циклизуется по положению 1 с образованием фенантрена, а не по положению 3 с образованием антрацена; электронодонорная боковая цепь в положении 2 направляет дальнейшее замещение в положение I (разд. 35.13).
Замещенные фенантрены получают, используя модификации основной схемы так, как это уже было описано для метода Хеуорса в разд. 35.14.
р-(2- нафтоип)лропионовая кислотар-(2- нафтоип)лропионовая кислотаfi-(i- на фтоил)пропионоеая кислотаfi-(i- на фтоил)пропионоеая кислотаZn(Hg), ноZn(Hg), ноZn(Hg), НОZn(Hg), НОI- кета- ^2,3,4-тетра гидрофвнантренI- кета- ^2,3,4-тетра гидрофвнантренУ‘((на фтил) масляная кислотаУ‘((на фтил) масляная кислота4ретпо-1,2у\4-теп1раеидрофена.нгпрен4ретпо-1,2у\4-теп1раеидрофена.нгпрену-(2-на фтпил) ма сляная кислотау-(2-на фтпил) ма сляная кислотаJzn(Hg). наJzn(Hg). наи?й, назреваниеи?й, назреваниефенантренфенантрен
р-(2- нафтоип)лропионовая кислота
р-(2- нафтоип)лропионовая кислота
fi-(i- на фтоил)пропионоеая кислота
fi-(i- на фтоил)пропионоеая кислота
Zn(Hg), но
Zn(Hg), но
Zn(Hg), НО
Zn(Hg), НО
I- кета- ^2,3,4-тетра гидрофвнантрен
I- кета- ^2,3,4-тетра гидрофвнантрен
У‘((на фтил) масляная кислота
У‘((на фтил) масляная кислота
4ретпо-1,2у\4-теп1раеидрофена.нгпрен
4ретпо-1,2у\4-теп1раеидрофена.нгпрен
у-(2-на фтпил) ма сляная кислота
у-(2-на фтпил) ма сляная кислота
Jzn(Hg). на
Jzn(Hg). на
и?й, назревание
и?й, назревание
фенантрен
фенантрен
Рис. 35.3. Синтез производных фенантрена по Хеуорсу.
Задача 35.25. Используйте метод Хеуорса для синтеза следующих углеводородов, исходя из нафталина или монозамещенных нафталинов:
9-метилфенантрена,е)1,4-диметилфенаитрена,
4-метилфенантрена,ж)1,4,9-триметилфенантрена,
1-метилфенантрена,з)2-метоксифенантрена (указание:см.
1,9-диметилфенантрена,задачу 35.15, стр. 998).
4,9-диметилфенантрена,
Задача 35.26. Напишите структурные формулы для всех промежуточных продуктов в приведенном ниже синтезе 2-метилфенантрена. Укажите, реакции какого типа осуществляются на каждой стадии.
CeH6NO2
Нафталин + СН3СН2СОС1 + А1С13»- А(С13Н12О),
А 4- Вг2 * Б(С13НцОВг),
Б + CH(COOC2H5)7Na+> В(С20Н22О5),
води. КОН. нагревание НС1 нагревание
В +*■ Г *- Д —>- Е(С1ЕН14О3) + со2,
Е + Zn(Hg) + на> Ж(С16Н16О2), полифосфорная кислота
Ж>■ StC^HuO),
3 + Zn(Hg) + НС1» HtQgH^,
Pd, нагревание
И > 2-метилфенантрен.
Задача 35.27. Выполните задания задачи 35.26 для следующего синтеза фенантрена (синтез Боджерта — Кука):
Р-фенилэтилбромид + Mg> A(CeHBMgBr),
н2о
А + циклогексанон» Б >- В(С14Н20О),
H2so4
В>• Г(С14Н1В),
HtSO4
Г *- Д(<214Н1В),
Se. нагревание
д>“фенантрен.
Как можно получить Р-фенилэтилбромид из бензола?
Задача 35.28. Выполните задания задачи 35.26 для следующего синтеза фенантрена (синтез Бардана — Сенгупты):
калий + этил-2-кето-1-ииклогек -анкарбоксилат> А(СВН13О3К),
А + Р-фенилэтилбромид> Б(С1еН22О3), води. КОН, нагреваниеНС1
Б-р^" В ► Г(С14Н18О),
Г + Na + влажный эфир> Д(С14Н20О),
РоО6Р2О5
—^ [Е(С14Н1В)]»- Ж(С14Н1В),
Se. нагревание
X*" фенантрен.
Задача 35.29. Выполните задания задачи 35.26 для следующего синтеза пирена: 4-кето-1,2,3,4-тетрагидрофенантрен1 (С14Н12О) + BrCH2COOCiHB + Zn >-
эфир HqO, Н+
>- А -^* БС^еНгоОз),
Б + кислота + нагревание» В(С18Н,вО2),
НС1
В + водн. NaOH + нагревание> Г >- Д(С16Н14О2),
HF
Д >■ Е(С16Н„О),
Е + Zn(Hg) + НС1> Ж(С16Н„), Pd, нагревание
X —*" пирен(С16Н10).
Каким образом можно получить исходное вещество в этом синтезе?
Задача 35.30. Приведите схему возможного синтеза хризена по методу Боджерта — Кука (задача 32.27), исходя из нафталина и любых алифатических и неорганических
64—256
реагентов [указание: см. задачу 35.7 (ж), стр. 9Р2].
хржзен
Задача 35.31. Приведите схему возможного альтернативного синтеза хризена по методу Боджерта — Кука, исходя из бензола и любых алифатических и неорганических реаген- тон.
Канцерогенные углеводороды
Интерес к сложным многоядерным углеводородам возник в значительной степени в связи с тем, что многие из них способны вызывать образование раковых опухолей. Одними из наиболее сильных канцерогенов являются производные 1,2-бензантрацена.
сн3 сн3сн3 сн35,Ю-диметил f,2 бензантрацен5,Ю-диметил f,2 бензантрацен1,2,5,6- дибензантрацен1,2,5,6- дибензантраценметилхолантрепметилхолантреп3,4* бензпирен3,4* бензпирен
сн3 сн3
сн3 сн3
5,Ю-диметил f,2 бензантрацен
5,Ю-диметил f,2 бензантрацен
1,2,5,6- дибензантрацен
1,2,5,6- дибензантрацен
метилхолантреп
метилхолантреп
3,4* бензпирен
3,4* бензпирен
Зависимость между канцерогенной активностью и химическими свойствами не ясна, однако стремление раскрыть эту взаимосвязь стимулировало появление огромного числа исследований в области синтеза, структуры и реакционной способности.
ЗАДАЧИ
ходить реакция?):а) СгО3, СН3СООН, б) О2, V2O6, в) Na, С^НзОН, г) Na, C5HUOH, д) Н2, Ni, е) HNO3, H2SO4,ходить реакция?):а) СгО3, СН3СООН, б) О2, V2O6, в) Na, С^НзОН, г) Na, C5HUOH, д) Н2, Ni, е) HNO3, H2SO4,Напишите структурные формулы и назовите основные соединения, образующиеся при взаимодействии нафталина со следующими реагентами (во всех ли случаях будет проис
ходить реакция?):
а) СгО3, СН3СООН, б) О2, V2O6, в) Na, С^НзОН, г) Na, C5HUOH, д) Н2, Ni, е) HNO3, H2SO4,
ходить реакция?):
а) СгО3, СН3СООН, б) О2, V2O6, в) Na, С^НзОН, г) Na, C5HUOH, д) Н2, Ni, е) HNO3, H2SO4,
Вг2,
конц. H2SOd, 80 °C,
конц. H2SO4, 160 °C,
CHgCOCl, А1С13, CSs,
СН3СОС1, AlClg, CeH6NO2,
м) янтарным ангидридом, A1C1S, C,H6NO2.
Напишите структурные формулы и назовите основные соединения, образующиеся при реакции смеси HNO3 — H2SO4 со следующими веществами:
1-метилнафталином,2-метнлнафталином,1-ннтронафталином,2-нитронафталином,нафталин-1-сульфокислотой, е) нафталин-2-сульфокислотой,1-метилнафталином,2-метнлнафталином,1-ннтронафталином,2-нитронафталином,нафталин-1-сульфокислотой, е) нафталин-2-сульфокислотой,• --ж) П-(1-нафтил)ацетамидом,
1-метилнафталином,
2-метнлнафталином,
1-ннтронафталином,
2-нитронафталином,
нафталин-1-сульфокислотой, е) нафталин-2-сульфокислотой,
1-метилнафталином,
2-метнлнафталином,
1-ннтронафталином,
2-нитронафталином,
нафталин-1-сульфокислотой, е) нафталин-2-сульфокислотой,
з) К-(2-нафтил)ацетамидом, и) а-нафтолом, к) Р-нафтолом, л) антраценом.
3- При нитровании 2-метилнафталнна образуются три изомерных моионитроюроизвод-
ных. Одно из них при окислении в жестких условиях дает З-нитробензол-1,2,4-трикарбоновую кислоту, а два других — 3-нитрофталевую кислоту. Напишите структурные формулы и назовите три исходных изомерных нитросоединения.ных. Одно из них при окислении в жестких условиях дает З-нитробензол-1,2,4-трикарбоновую кислоту, а два других — 3-нитрофталевую кислоту. Напишите структурные формулы и назовите три исходных изомерных нитросоединения.Приведите все стадии возможного синтеза следующих соединений из нафталина с использованием любых необходимых органических и неорганических реагентов:а) а-нафтола,п) I-аминонафтола-2 ^указание:Приведите все стадии возможного синтеза следующих соединений из нафталина с использованием любых необходимых органических и неорганических реагентов:а) а-нафтола,п) I-аминонафтола-2 ^указание:б) в) г) д) е)б) в) г) д) е)Р-нафтола, а-нафтиламина, Р-нафтиламина, 1-иоднафталина, 2-иоднафталина,Р-нафтола, а-нафтиламина, Р-нафтиламина, 1-иоднафталина, 2-иоднафталина,ж) 1-нитронафталина, з) 2-нитронафталипа,ж) 1-нитронафталина, з) 2-нитронафталипа,и) к) л) м) и) о)и) к) л) м) и) о)а-нафтойной кислоты, р-нафтойной кислоты, 4-(1-нафтил)бутановой кислоты, а-нафтальдегида, Р-нафтальдегида, 1-фенилазонафтола-2,а-нафтойной кислоты, р-нафтойной кислоты, 4-(1-нафтил)бутановой кислоты, а-нафтальдегида, Р-нафтальдегида, 1-фенилазонафтола-2,Р) с) т) У) Ф) х) И)Р) с) т) У) Ф) х) И)ш)щ)э)ш)щ)э)используйте продукт (o)J, 4-аминонафтола-1, 1-бром-2-метоксинафталина, 1,5-диаминоиафталина, 4,8-дибрсм-1,5-дииоднафталина, 5-нитронафталин-2-сульфокислоты, 1,2-днаминонафталина, 1.3-диаминонафталина, о-аминобензойной кислоты, фенантрена,) 9.10-антрахинона, антрацена.используйте продукт (o)J, 4-аминонафтола-1, 1-бром-2-метоксинафталина, 1,5-диаминоиафталина, 4,8-дибрсм-1,5-дииоднафталина, 5-нитронафталин-2-сульфокислоты, 1,2-днаминонафталина, 1.3-диаминонафталина, о-аминобензойной кислоты, фенантрена,) 9.10-антрахинона, антрацена.Предложите способ получения следующих красителей из углеводородов каменноугольной смолы и любых необходимых реагентов:а) конго красного (стр. 747)Предложите способ получения следующих красителей из углеводородов каменноугольной смолы и любых необходимых реагентов:а) конго красного (стр. 747)оранжевого красителяоранжевого красителякрасного красителякрасного красителяг) розового красителяг) розового красителя
ных. Одно из них при окислении в жестких условиях дает З-нитробензол-1,2,4-трикарбоновую кислоту, а два других — 3-нитрофталевую кислоту. Напишите структурные формулы и назовите три исходных изомерных нитросоединения.
ных. Одно из них при окислении в жестких условиях дает З-нитробензол-1,2,4-трикарбоновую кислоту, а два других — 3-нитрофталевую кислоту. Напишите структурные формулы и назовите три исходных изомерных нитросоединения.
Приведите все стадии возможного синтеза следующих соединений из нафталина с использованием любых необходимых органических и неорганических реагентов:
а) а-нафтола,п) I-аминонафтола-2 ^указание:
Приведите все стадии возможного синтеза следующих соединений из нафталина с использованием любых необходимых органических и неорганических реагентов:
а) а-нафтола,п) I-аминонафтола-2 ^указание:
б) в) г) д) е)
б) в) г) д) е)
Р-нафтола, а-нафтиламина, Р-нафтиламина, 1-иоднафталина, 2-иоднафталина,
Р-нафтола, а-нафтиламина, Р-нафтиламина, 1-иоднафталина, 2-иоднафталина,
ж) 1-нитронафталина, з) 2-нитронафталипа,
ж) 1-нитронафталина, з) 2-нитронафталипа,
и) к) л) м) и) о)
и) к) л) м) и) о)
а-нафтойной кислоты, р-нафтойной кислоты, 4-(1-нафтил)бутановой кислоты, а-нафтальдегида, Р-нафтальдегида, 1-фенилазонафтола-2,
а-нафтойной кислоты, р-нафтойной кислоты, 4-(1-нафтил)бутановой кислоты, а-нафтальдегида, Р-нафтальдегида, 1-фенилазонафтола-2,
Р) с) т) У) Ф) х) И)
Р) с) т) У) Ф) х) И)
ш)щ)э)
ш)щ)э)
используйте продукт (o)J, 4-аминонафтола-1, 1-бром-2-метоксинафталина, 1,5-диаминоиафталина, 4,8-дибрсм-1,5-дииоднафталина, 5-нитронафталин-2-сульфокислоты, 1,2-днаминонафталина, 1.3-диаминонафталина, о-аминобензойной кислоты, фенантрена,
) 9.10-антрахинона, антрацена.
используйте продукт (o)J, 4-аминонафтола-1, 1-бром-2-метоксинафталина, 1,5-диаминоиафталина, 4,8-дибрсм-1,5-дииоднафталина, 5-нитронафталин-2-сульфокислоты, 1,2-днаминонафталина, 1.3-диаминонафталина, о-аминобензойной кислоты, фенантрена,
) 9.10-антрахинона, антрацена.
Предложите способ получения следующих красителей из углеводородов каменноугольной смолы и любых необходимых реагентов:
а) конго красного (стр. 747)
Предложите способ получения следующих красителей из углеводородов каменноугольной смолы и любых необходимых реагентов:
а) конго красного (стр. 747)
оранжевого красителя
оранжевого красителя
красного красителя
красного красителя
г) розового красителя
г) розового красителя
В результате следующей серии реакций нафталин превращается в другой углеводород:
нафталин + Na, С5НИОН» А(С]0Н]2),
А 4- янтарный ангидрид, А1С13> Б(С14Н16О3),
Б + Zn(Hg) +' НС1> В(С,4Н1вО2),
В + безв. HF> Г(СцН16О),
Г + Zn(Hg) + НС1Д(С14Н]8),
Д + Pd/C + нагревание» Е(С14Н10, т. пл. 100—101 °C) + 4Н2.
Что представляет собой соединение Е?
Приведите все стадии возможного синтеза следующих веществ из углеводородов с меньшим числом колец:
6-метокси-4-фенил-1-метилнафтали-в)9-фенилантр‘ацена,
на,г)1-фепилфенантрена,
1,2-бензантрацена,д)1.9-дифенилфенантрена.
Ацилирование фенантрена янтарным ангидридом протекает в положения 2 и 3. В результате реакций восстановления, замыкания цикла и ароматизации 2-изомер превра- щаестя в соединения А и Б, а 3-изсмер — в вещество А. Напишите структурные формулы и назовите соединения А и Б.
При кипячении 4-фенилбутен-З-овон кислоты образуется соединение С1еН8О, которое растворимо в водном NaOH, ио не в водном NaHCO3 и которое реагирует с феиилдиазо- нийхлоридом с образованием вещества красно-оранжевою цвета. Что представляет собой соединение С10Н8О и каковы вероятные стадии реакции его образования?
Антрацен легко реагирует с малеиновым аыидридсм с образованием вещества А (С18Н12Ое), которое при гидролизе дает дикарбсновую кислоту Б с формулой С18Н14О4,
Какая реакция протекает при образовании ссединения А?
Какова наиболее вероятная структура соединений А и Б?
Антрацен реагирует с метилфумаратом с образованием соединения, дающего при гидролизе дикарбоновую кислоту В с формулой С18Н14О4. в) Сравните структуры Б и В. ^Указание: см. задачу 8, стр. 928.)
Антрацен реагирует с л-бензохиноном с образованием кислоты Г (С,0Н14О2). Кислота Г претерпевает перегруппировку в гидрохинон Д (С,0Н14О2). Окисление соединения Д дает новый хинон Е (С20Н1гО2) Восстановительное аминирование хинона Е приводит к диамину Ж (C20Hl4N2). Дезаминирование диамина Ж обычными методами дает углеводород триптицен (С20П14). г) Какова вероятная структура триптицена?
Восстановление ароматических колец под действием металлического лития в аммиаке обычно протекает как 1,4-присоединение и приводит к дигидропроизводному. Так, из нафталина (С10Н8) можно получить С10Н10. а) Напишите структурную формулу этого дигидросоединения.
Аналогичное восстановление возможно для 2-метоксинафталииа (метил-2-нафтиловый эфир), б) Напишите структурную формулу этого дигидросоединения, в) Если расщепить это дигидросоединение действием кислоты, то какова будет структура первоначально образующегося продукта реакции? г) Каким превращением будет немедленно подвергаться этот первоначальный продукт и что в конце концов образуется?
Восстановление нафталина металлическим литием в этиламине дает с 52%-ным выходом 1,2,3,4,5.6,7,8-октагидронафталин, а) Что образуется при озонолизе этого вещества?
Обработка продукта озонолиза (Ct0HIeO2) основанием приводит к непредельному кетону (С10Н14О). б) Какова его структурная формула? в) Покажите, как превратить этот кетон в азулен (С10Н8) — углеводород синего цвета, изомерный нафталину.
а) Азулен (см. предыдущую задачу) представляет собой плоскую молекулу, имеющую теплоту сгорания примерно на 40 ккал/моль (167,47-103 Дж/моль) ниже, чем вычисленная по методу задачи 10.2 (стр. 307). Он вступает в реакцию сочетания с солями диазония, нитрования и ацилирования по Фриделю — Крафтсу. Объясните эти свойства азулена, рассмотрев валентные схемы и орбитальные структуры. Можно ли предложить для азулена формулу, которая будет лучше, чем формула I?
Дипольный момент азулена равен 1,08 Д (3,56-10-30 Кл-лг), для хлоразулена — 2,69 Д (8,88-10""30 Кл-м). Каково направление диполя азулена? Согласуется ли это со структурой, к которой вы пришли в вопросе а)?
а) В растворе CF3COOH азулен имеет следующий ПМР-спектр:
а синглет, т 5.6 (6 4,4Н, 2Н
b дублет, т 2.2 (6 7,8), 1Н
с дублет, т 1,9 (6 8,1), 1Н
d мультиплет, т I (6 9), 5Н
а в растворе CF3COOD — следующий ПМР-спектр:
а синглет, т 1,9 (6 8,1). 1Н
b мультиплет, т 1 (6 9), 5Н
Какому соединению соответствует спектр в растворе CF3COOH? В растворе в CF3COOD? Идентифицируйте все сигналы в ПМР-спектре.
В свете предложенной вами структуры азулена (предыдущая задача) объясните, что происходит в растворе в CF3COOH? Что может образоваться при нейтрализации этого раствора?
Укажите подробно, как образуется соединение, дающее спектр, наблюдаемый в растворе в CF3COOD. -Что может образоваться при нейтрализации этого раствора?
Какое положение или положения азулена будут, по вашему мнению, атаковаться в реакциях нитрования, ацилирования по Фриделю — Крафтсу и азосочетания?
При взаимодействии азулена с н-бутиллитием после гидролиза и дегидрирования обрадуется н-бутилазулен. а с амидом натрия — аминоазулен. К какому типу реакций относятся эти реакции замещения? По какому кольцу проходят, по вашему мнению, эти реакции замещения и в какое положение?
Структура эвдалина (СнН|8), продукта распада эвдесмола (терпена, найденного в эвкалиптовом масле), была впервые установлена следующим встречным синтезом:
л-изопропилбензальдегид + этилбромацетат, Zn; затем Н.гО> А(С14Н2еО3),
А + кислота, нагревание* Б(С14Н,8О2),
Б 4- Na, этиловый спирг> В(С12Н18О),
HBr KCN Н2О. ГГ SOC12
В *- *-»- *- Г(С,3Н17ОС1),
Г + А1С1,, слабое нагревание> Д(С13Н16О),
Д + CH3MgBr, затем Н2О• Е(С,4Нг0О),
Е + кислота, нагревание» Ж(С!4Н1в), Ж + сера, нагревание■ эвдалин(С14Н1в).
Каковы структурная формула и систематическое название эвдалипа?
Многие многоядерные ароматические соединения ие содержат конденсированных колец, например бифенил и трифенилметаи. Напишите структурные формулы и назовите соединения А — Н, образующиеся в процессе следующих синтезов таких миогоядериых соединений:
о-иитротолуол + Zn + NaOH> A(C14HleN2),
А + кислота + нагревание> Б (C14H16N2),
Б + NaNO2 + НС1; затем Н3РО2 > В (С,4Н14);
л-бромтолуол + Mg, эфир » Г (C7H7MgBr),
Г + 4-метилциклогексанон, затем Н2О» Д (С14И2(|О),
Д + Н+, нагревание> Е (С]4Н18),
Е + PdC, нагревание » Ж (С14Н14);
этилбензоат + C8H5MgBr, затем Н2О» 3 (С1еН1еО),
3 + конц. НВг > И (С!еН16Вг),
И + Ае* К (С38Н30);
(С8НЬ)3СОН + С6Н6НН2 4- кислота> Л (C26H21N), Л + NaNO2 + НС1; затем Н3РО2> М (С26Н20);
СвН5СОСН3 + кислота + нагревание> Н (С24Н18).
(Указание: кислоты катализируют альдольные конденсации.)
При обработке 1-иитро-2-аминоиафталина нитритом натрия и НС1, а затем теплой водой образуется не только I-нитронафтол-2, но также 1-хлорнафтол-2. Как вы объясните образование хлорнафтола? Внимательно изучите ту стадию реакции, на которой происходит включение хлора в молекулу.
Обработка фенантрена диазометаиом дает продукт А, для которого масс-спектр дает молекулярный вес 192. Инфракрасный спектр вещества А напоминает спектр 9,10-дигидро- фенаитрена; его ПМР-спектр обнаруживает два однопротонных сигнала при т 10,12 (6 —0,12) и т 8,52 (6 1,48).
Какова структура вещества А и как оно вероятнее всего образуется? Как вы объясните образование соединения А. а ие одного из его изомеров?
Если раствор соединения А в н-пентане облучать ультрафиолетовым светом, то образуются фенантрен, 2-метилпеитаи, 3-метилпентаи и н-гексаи; алканы получаются в отношении 34 : 17 : 49. Что происходит при этой реакции? Какова ее движущая сила?
Облучение соединения А в циклогексане приводит к получению четырех соединений с формулой С2Н,2. Какие соединения, по вашему мнению, образуются?
Какие вещества будут получаться при облучении соединения А в цис- и транс-4- метилпеитенах-2?
Если обработать дигидропеиталеи н-бутиллитием в количестве, несколько большем 2 молей, то образуется устойчивое кристаллическое соединение А
Зигидропентпален
В противоположность довольно сложному ПМР-спектру дигидропенталена ПМР- спектр соединения А довольно прост:
а дублет, т 5,02 (6 4,98), J = 3 Гц
b триплет, т 4,27 (6 5,73), / = 3 Гц
отношение площадей пиков а : b = 2 : 1
Какова вероятная структура соединения А? Какое теоретическое значение имеет сам факт образования устойчивого соединения А в этой реакции?
а) Если обрабатывать 1-хлор- или 2-хлорнафталин пиперидидом лития и пиперидином (разд. 36.12) в эфирном растворе, то образуется одна и та же смесь продуктов: I и II (задача 35.8, стр. 992) в отношении 31 : 69. Приведите все стадии механизма этой реакции. Особое внимание уделите тому, почему 2-хлориафталин образует ту же смесь, что и I-хлорнафталии.
В условиях реакции (а) 1-бром- и 1-иоднафталииы дают соединения I и II в том же отношении, что и 1-хлорнафталин. Однако для 1-фторнафталина соотношение продуктов зависит от концентрации пиперидина. При высокой концентрации пиперидина в смеси образуется 84% соединения I; при низкой концентрации пиперидина соотношение продуктов становится опять равным 31 : 69.
Объясните подробно эти факты. В результате какого процесса изменяется соотио- шеиие продуктов, почему оно зависит от концентрации и почему фторид ведет себя отлично от других галогенидов?
3636Гетер о циклические соединения
36
36
Гетероциклические системы
Гетероциклическими соединениями называют соединения, содержащие циклы, в которых один или большее число атомов являются элементами, отличными от углерода.
пирролпирролФуранФуранН имидазол оксазол тиазолН имидазол оксазол тиазол3-пирроден3-пирроденпирролидинпирролидинхинолинхинолинизохинолинизохинолинкарбазолкарбазолВ большинстве циклических соединений, которые мы до сих пор изучали, — бензоле, нафталине, циклогексаноле, циклопентадиене — кольца содержали лишь атомы углерода; подобные соединения называют гомоцикличе- скими или алициклическими. Однако существуют также циклы, содержащие, кроме атомов углерода, также и другие атомы, чаще всего азота, кислорода или серы, например:
пиррол
пиррол
Фуран
Фуран
Н имидазол оксазол тиазол
Н имидазол оксазол тиазол
3-пирроден
3-пирроден
пирролидин
пирролидин
хинолин
хинолин
изохинолин
изохинолин
карбазол
карбазол
Отметим, что при нумерации положений в кольце гетероатом обычно получает наименьший номер.
В настоящей главе мы обсудим лишь некоторые из большого числа гетероциклических систем, причем рассмотрим их очень кратко. Вероятно, наиболее важны и наиболее интересны гетероциклы, обладающие ароматическими свойствами; мы сконцентрируем свое внимание на некоторых таких системах, особенно на их ароматических свойствах (табл. 36.1).
Некоторые представления о важности и в равной мере о сложности гетероциклических систем можно получить, рассмотрев приведенные примеры. Кроме того, можно упомянуть, например, гемин, (стр. 1055), никотинамид адениндинуклеотид (стр. 1056) и окситоцин (стр. 1047).
Н н Н CHjC6H5CH2C-N-M^<CH3о o^“N~t?-Н н Н CHjC6H5CH2C-N-M^<CH3о o^“N~t?-coon ,coon ,пенегцалтгн G Самтибиотжк)пенегцалтгн G Самтибиотжк)сгИзСх^п^И^з^СНгСНгОНсгИзСх^п^И^з^СНгСНгОНСН2 СНза©СН2 СНза©тиамин, витамин В^тиамин, витамин В^резерпин
Н н Н CHjC6H5CH2C-N-M^<CH3о o^“N~t?-
Н н Н CHjC6H5CH2C-N-M^<CH3о o^“N~t?-
coon ,
coon ,
пенегцалтгн G Самтибиотжк)
пенегцалтгн G Самтибиотжк)
сг
ИзСх^п^И^з^СНгСНгОН
сг
ИзСх^п^И^з^СНгСНгОН
СН2 СНза©
СН2 СНза©
тиамин, витамин В^
тиамин, витамин В^
(транквилизатор)
никотин(алкалоид табака)никотин(алкалоид табака)хлорофилл а(зеленый пигмент растении, катализатор фотосинтеза)хлорофилл а(зеленый пигмент растении, катализатор фотосинтеза)фталоцианин меди(синий пигмент)
никотин
(алкалоид табака)
никотин
(алкалоид табака)
хлорофилл а
(зеленый пигмент растении, катализатор фотосинтеза)
хлорофилл а
(зеленый пигмент растении, катализатор фотосинтеза)
Таблица 36.1
Физические свойства гетероциклических соединений
Название
Т. пл., °C
Т. кип..
СС
Название
Т. пл„
•с
Г. кип., °C
■Фуран
—30
32
Пиридин
—42
115
Тетрагидрофуран "Фурфуриловый спирт
—108
66
171
а-Пиколин Р-Пиколин
—64
128
143
Фурфурол
—36
162
у-Пиколин
144
Фуранкарбоновая кислота (пирослизевая кислота)
Пиррол
Пирролидин
134
130
88
Пиперидин
Пиколиновая кислота
Никотиновая кислота
Изоиикотивовая кислота
—9 137 237 317
106
Тиофен
—40
84
Индол Хинолин Изохинолин
53
—19
23
254
238
243
ПЯТИЧЛЕННЫЕ ЦИКЛЫ
Структура пиррола, фурана и тиофена
Простейшими пятичленными гетероциклическими соединениями, содержащими по одному гетероатому, являются пиррол, фуран и тиофен.
Если исходить из обычно используемых структур I, II и III, то можно ожидать, что каждое из этих соединений будет обладать свойствами сопряженного диена, а также соответственно амина, простого эфира или сульфида (тиоэфира). Однако, если не считать некоторой склонности к реакциям присоединения, эти гетероциклы не обладают ожидаемыми свойствами: например, тио-
Рис. 36.1. Молекула пиррола.
о — джа электрона на р-орбитали азота; по одному электрону на р-орбиталк каждого атома углерода; б — перекрывание р-орбнталей с образованием л-связей; в — облака выше и ниже плоскости кольпа; веего в сумме шесть ^-электронов, ароматический секстет.
фен не вступает в обычных условиях в реакции окисления, типичные для сульфидов, а пиррол не обладает основными свойствами, типичными для аминов.
I пирролI пирролштиофенштиофен
I пиррол
I пиррол
ш
тиофен
ш
тиофен
Однако для этих гетероциклов и их производных типичной является спо - собность вступать в реакции электрофильного замещения: нитрование, сульфирование, галогенирование, ацилирование по Фриделю — Крафтсу и даже реакцию Реймера — Тимана и сочетание с солями диазония. Величины теплот сгорания указывают на наличие значительной энергии резонансной стабилизации— 22—28 ккал/моль (92,1Ы03—117,23-103 Дж/моль); это несколько меньше энергии резонанса для бензола [36 ккал/моль (150,72-103 Дж/моль)I, но гораздо больше, чем аналогичная величина для большинства сопряженных
диенов [примерно 3 ккал/моль (12,56-10s Дж/моль)]. На основании этого пиррол, фуран и тиофен следует считать ароматическими соединениями. Естественно, формулы 1, 11 и 111 не в состоянии адекватно отобразить структуры этих соединений.
Рассмотрим строение одной из этих молекул, например пиррола, с точки зрения молекулярных орбиталей. Каждый атом кольца, как углерод, так и азот, связан о-связями с тремя другими атомами. Для образования этих связей атом использует три $р2-орбитали, которые лежат в плоскости под углом 120° (2,094 рад). Таким образом, каждый атом затрачивает один электрон на образование о-связи, после чего у каждого атома углерода кольца остается один электрон, а у атома азота — два электрона; эти электроны занимают р-орбитали. Перекрывание р-орбиталей приводит к возникновению л-облаков выше и ниже плоскости кольца; эти л-облака содержат в сумме шесть электронов, ароматический секстет (рис. 36.1).
Делокализация л-электронов стабилизует кольцо. В результате пиррол имеет необычно низкую теплоту сгорания; он склонен вступать в реакции, в которых сохраняется стабилизованное кольцо, т. е. в реакции замещения.
Свободная пара электронов азота, которая обусловливает основные свойства азотсодержащих соединений, в данном случае вовлечена в л-облако, и поэтому она не способна к обобществлению с протоном кислоты. Поэтому в противоположность многим аминам пиррол — очень слабое основание (Дь ~ 2,5-10~14). По той же причине для пиррола характерна высокая электронная плотность в кольце, обусловливающая высокую реакционную способность пиррола в реакциях электрофильного замещения: он вступает в реакции типа нитрозирования и сочетания с солями диазония, которые характерны только для наиболее реакционноспособных производных бензола, фенолов и аминов.
Таким образом, пиррол, по-видимому, лучше было бы представлять структурой, изображенной формулой IV, в которой кружок обозначает ароматический секстет
IV
циррол
Что означает структура IV с точки зрения обычных валентных структур? Пиррол-" можно рассматривать как гибрид структур V—IX. Подача электронов с атома азота в кольцо обозначается в виде ионных структур, в которых азот несет положительный заряд, а атомы углерода кольца—отрицательный.
пиррол
Структуры фурана и тиофена аналогичны структуре пиррола. Поэтому если азот в пирроле несет атом водорода, то кислород или сера содержат неподеленную пару электронов на $р2-орбитали. Подобно азоту, атом кис-
лорода или серы подает два электрона в л-облако; таким образом, фуран и тиофен также ведут себя как исключительно реакционноспособные производные бензола.
фуранфурантиофентиофен
фуран
фуран
тиофен
тиофен
Источники получения пиррола, фурана и тиофена
Пиррол и тиофен в небольших количествах содержатся в каменноугольной смоле. При фракционной перегонке каменноугольной смолы тиофен (т. кип. 84 °C) перегоняется вместе с бензолом (т. кип. 80 °C), поэтому выделенный таким путем бензол обычно содержит примерно 0,5% тиофена и его необходимо специально обрабатывать, если хотят получить бензол, свободный от тиофена.
тиофентиофенТиофен в промышленном масштабе можно получить в результате высокотемпературной реакции н-бутана с серой
тиофен
тиофен
СН3СН2СН2СН3 + s - ' >
R-6ijmaH
Существует несколько путей синтеза пиррола, один из них можно представить следующим образом:
пиррояпиррояСи2С2—. ЛАН^даеяение
пирроя
пирроя
HCSCH + 2НСНО —НОСН2С=ССН2ОН ——*
бутиндиол-1,4
Пиррольное кольцо является основным звеном порфириновой системы, которая встречается, например, в хлорофилле (стр. 1015) и гемоглобине (стр. 1055).
Фуран легче всего синтезировать декарбонилированием (элиминированием окиси углерода) фурфурола (фурфуральдегида), который в свою очередь получают, обрабатывая мякину овса или риса или початков кукурузы горячей соляной кислотой. При этом пентозаны (полипентозиды) гидролизуются до пентоз, которые затем претерпевают дегидратацию и циклизацию с образованием фурфурола.
л . I1,латпализатпорм. , -
(С5Н8О4)„ У^—> (СНОН)3 -^н^ /О)сно —ар--ад0‘» О
СН2ОН°°
ПентозанпентозафурфуролФуран
Некоторые замещенные пирролы, фураны и тиофены можно синтезировать из незамещенных гетероциклов при помощи реакции замещения (разд. 36.4);
большинство из них, однако, получают из циклических соединений циклизацией*, например:
РА. 7 сн нагревание3
2,5-диметияфур<™
н2с-сн2
НэС-С С—СН3ООацешонилацетон(гексанвион-2,5),1,4-дин стон
(NH,)2CO,. кус
Н
2,5- диметилпиррол
Si^ снз<О)снз
гЛ-биметпиляиофга
Задача 36.1. Напишите структурные формулы всех промежуточных соединений в синтезе ацетонилацетона (гексаидиона-2,5) по следующей схеме:
этилацетоацетат + C^H^ONa» A(CeH,O3Na),
А + I2> Б^НцА) + Nai,
Б + разбавленная кислота + нагревание » ацетонилацетон + двуокись угле
рода + этанол.
Задача 36.2. Приведите схему синтеза 2,5-дифенилфураиа, исходя из этилбеизоата и этилацетата.
36.4. Электрофильное замещение в пирроле,
фуране и тиофене. Реакционная способность и ориентация
Подобно другим ароматическим соединениям, эти пятичленные гетероциклы подвергаются реакциям нитрования, галогенирования, сульфирования и ацилирования по Фриделю — Крафтсу. Они значительно активнее бензола и по активности сходны с наиболее активными производными бензола (амины и фенолы), поскольку вступают в реакции типа Реймера — Тимана, нитро- зирования и сочетания с солями диазония.
Реакция предпочтительно происходит по положению 2, например:
+ пиридин :SO3
-* ^О3Н
фуран- г-сулъфопислти
+ (СН3СО)2О + (С2Н5)2О:ВРз —^ /О\сосн3 о
эфиралп тпрехфшорисшого Z-ацетилфурал бора
фиофен
+ С6Н5СОС1 + SnCU
СОС6Н$
г-бемзоилгнофли
* Ю. К. Юрьев (Московский университет) в 1936 г. открыл реакцию взаимного превращения фурана, пиррола, тиофена и их полных гидридов (400 °C, A12OS в токе NHS, H,S или Н2О соответственно). — Прим. ред.
пиррол
+ C6H5N=N+Cr
£-«ренилазо)пиррол
+ СНС13 + кон
альвегив пиррол-2-иарбоново« кислоты
(иизпии выхов)
В некоторых из приведенных примеров применяются несколько модифицированные электрофильные реагенты. Высокая реакционная способность этих гетероциклов во многих случаях обусловливает использование более мягких реагентов, например слабой кислоты Льюиса, хлорида олова(1У), в реакции ацилирования тиофена по Фриделю — Крафтсу. Чувствительность фурана и пиррола к протонным кислотам (происходит раскрытие кольца фурана, а пиррол полимеризуется) вынуждает использовать модифицированный сульфирующий агент.
Задача 36.3. Фуран подвергается реакции раскрытия кольца при обработке серной кислотой; ои реагирует почти взрывообразио с галогенами. Объясните, почему фуран-2-кар- боновую кислоту (пирослизевая кислота) можно, однако, просульфировать (в положение 5) действием дымящей серной кислоты и пробромировать бромом при 100 °C
СООНСООН
СООН
СООН
<риран-2-карбоноваякислота,
Задача 36.4. Этиловый эфир 2,4-диметилпиррол-З-карбоиовой кислоты при обработке формальдегидом и кислотой превращается в соединение с формулой CjSH2eO4N2. Какова наиболее вероятная структура этого продукта? Как он образуется?
Задача 36.5. Предскажите, какие соединения будут получаться при обработке фурфурола (фураи-2-альдегида) концентрированным водным раствором едкого натра.
Задача 36.6. Серный ангидрид растворяется в третичном амине, пиридине, с образованием соли
so3-so3-пиридинпиридин
so3-
so3-
пиридин
пиридин
Приведите все стадии наиболее вероятного механизма сульфирования ароматических соединений этим реагентом.
При изучении реакций электрофильного замещения в ароматическом ряду (разд. 11.17 и 35.9) было установлено, что при объяснении ориентации следует исходить из следующего: лимитирующей стадией является присоединение электрофильного реагента к ароматическому кольцу, которое происходит таким образом, что возникает наиболее устойчивый промежуточный карбониевый ион. Применим этот подход при рассмотрении реакций пиррола.
Атака в положение 3 приводит к образованию карбониевого иона, представляющего собой гибрид структур I и II. Атака в положение 2 дает карбониевый ион, который является гибридом не только структур III и IV (анало-
гичных структурам I и II), но также структуры V; дополнительная стабилизация происходит за счет структуры V, которая делает этот ион более устойчивым.
Согласно другой точке зрения, атака в положение 2 протекает быстрее, поскольку возникающий положительный заряд распределяется на трех атомах кольца вместо двух.
Пиррол — более реакционноспособное соединение, чем бензол, что обусловлено вкладом относительно устойчивой структуры III. В структуре III каждый атом имеет октет электронов; положительный заряд рассредоточивается вследствие обобществления всех четырех пар электронов. Не случайно, что пиррол по реакционной способности напоминает анилин: высокая активность обоих этих веществ определяется способностью атома азота обобществлять четыре пары электронов.
Ориентацию замещения в ряду фурана и тиофена, так же как их высокую активность, можно объяснить аналогичным образом.
Задача 36.7. Гетероциклическое соединение индол, обычно изображаемое формулой VI, встречается в каменноугольной смоле и в цветах апельсинов.
VI union
Он вступает в реакции электрофильного замещения, главным образом в положение 3. Объясните а) ароматические свойства индола и б) ориентацию при электрофильном замещении (указание; см. разд. 35.9)
Насыщенные пятичленные гетероциклы
Пиррол и фуран при каталитическом гидрировании превращаются в соответствующие насыщенные гетероциклы — пирролидин и тетрагидрофуран. Поскольку тиофен отравляет большинство катализаторов, тетрагидротиофен синтезируют другим путем — из ациклических соединений.
пирролпирролидин(Х*~Ю-»)(А» ~ Ю 3)пирролпирролидин(Х*~Ю-»)(А» ~ Ю 3)фурантетрагидрофуранфурантетрагидрофуранВГСН2СН2СН2СН2ВГ + Na2s *52=253?
пирролпирролидин
(Х*~Ю-»)(А» ~ Ю 3)
пирролпирролидин
(Х*~Ю-»)(А» ~ Ю 3)
фурантетрагидрофуран
фурантетрагидрофуран
тетраг-идротпиофен
Насыщение колец разрушает ароматичность структуры и, следовательно, лишает эти соединения ароматических свойств. Эти насыщенные гетероциклы обладают именно теми свойствами, которых можно было ожидать: свойствами вторичного алифатического амина, алифатического простого эфира или алифатического сульфида соответственно. Поскольку в пирролидине на атоме азота имеется свободная пара электронов, способная обобществляться с кислотами, то он обладает обычной основностью амина (К6 ~ 10-). Гидрирование пиррола увеличивает его основность в 10 раз; очевидно, при этом происходит фундаментальное изменение структуры.
Тетрагидрофуран находит широкое применение в качестве растворителя, например в реакциях восстановления алюмогидридом лития, при получении арилмагнийхлоридов (разд. 26.6) и при гидроборировании. Окисление тетрагидротиофена приводит к тетраметиленсульфону (сульфолану), также используемому как растворитель (разд. 14.21).
тетраметилеисульфон(сульфолан)
Пирролидиновое кольцо встречается в природе во многих алкалоидах (разд. 7.10); наличие этого кольца придает алкалоидам основность, вследствие чего эти соединения и получили свое название (alkali-like).
нилгидразона. При взаимодействии с NaOI выпадает желтый осадок и образуется карбоновая кислота (C7H13O2N). Окисление гигрина СгО3 в жестких условиях дает гигриновую кислоту (С„НиО2К).
Гигриновую кислоту можно синтезировать следующим образом:
BrCH2CH2CH,Br + CH(COOC2HE)2Na+ А(С1,Н17О4Вг),
А + Вг2 > В(С]вН1вО4Вг2),'‘'
Б + CH3NH2 > B(CuHltO4N),
НС1нагревание
В + водн. Ва(ОН)2 + нагревание » Г ►• Д>- гигрииовая кис
лота + СО2.
ШЕСТИЧЛЕННЫЕ ЦИКЛЫ
Структура пиридина
Из шестичленных ароматических гетероциклов мы рассмотрим лишь одно соединение — пиридин.
Пиридин по своим свойствам также относится к числу ароматических соединений: он не подвергается реакциям присоединения и вступает в реак-
неподеленная пара на sp2-орбиталинеподеленная пара на sp2-орбиталиРис. 36.2. Молекула пиридина.Рис. 36.2. Молекула пиридина.нЬподеяенная пара, на 5р^-орбшоа№нЬподеяенная пара, на 5р^-орбшоа№
неподеленная пара на sp2-орбитали
неподеленная пара на sp2-орбитали
Рис. 36.2. Молекула пиридина.
Рис. 36.2. Молекула пиридина.
нЬподеяенная пара, на 5р^-орбшоа№
нЬподеяенная пара, на 5р^-орбшоа№
а — по одному электрону на каждой р-орбитали и два электрона на зр^орбигали азота; б — р-орбиталк перекрываются с образованием л-обл а ков, расположенных выше и ниже плоскости кольца; два свободных электрона находя тся на зр2-орбиталн атома азота.
ции электрофильного замещения. Его теплота сгорания указывает на существенную энергию резонанса 23 ккал/моль (96,30-I03 Дж/моль).
эквивалентныэквивалентныШШ
эквивалентны
эквивалентны
Ш
Ш
Пиридин можно рассматривать как гибрид структур Кекуле I и II. Мы будем изображать его в виде структуры III, в которой кружок обозначает ароматический секстет.
По своей электронной конфигурации атом азота в пиридине существенно отличается от атома азота в пирроле. В пиридине атом азота, подобно любому из атомов углерода в цикле, связан с другими атомами кольца при помощи $р2-орбиталей и предоставляет один электрон для образования л-облака. Третья $р2-орбиталь каждого атома углерода используется для образования связи с водородом, а на $р2-орбитали атома азота имеется пара электронов,
пиколинпиколин(2-, 3- или 4-)(2-, 3- или 4-)(2-, 3- или 4-)(2-, 3- или 4-)
пиколин
пиколин
(2-, 3- или 4-)
(2-, 3- или 4-)
(2-, 3- или 4-)
(2-, 3- или 4-)
которая обусловливает основность пиридина (рис. 36.2). Подобная электронная конфигурация атома азота делает пиридин гораздо более сильным основанием, чем пиррол, и влияет на его реакционную способность иначе, чем на реакционную способность пиррола.
Источники получения пиридиновых соединений
Пиридин содержится в каменноугольной смоле. Кроме пиридина, в смоле также встречается ряд метилпиридинов, наиболее важными из которых являются монометилпир идины, известные под названием пиколинов.
Окисление пиколинов приводит к пиридинкарбоновым кислотам.
СН3 кмпо«
диридаяяарбоновая иислолмь
|СООН|СООНCONHNHgCONHNHgникотиновая кислотаникотиновая кислота(ниацин, пиридин-З-карбоновая(ниацин, пиридин-З-карбоноваякислота)кислота)гидразид изоникотиповоикислоты{изониазид)гидразид изоникотиповоикислоты{изониазид)
|СООН
|СООН
CONHNHg
CONHNHg
никотиновая кислота
никотиновая кислота
(ниацин, пиридин-З-карбоновая
(ниацин, пиридин-З-карбоновая
кислота)
кислота)
гидразид изоникотиповоикислоты
{изониазид)
гидразид изоникотиповоикислоты
{изониазид)
3-Изомер этой кислоты (никотиновая кислота) является витамином. Гидразид 4-изомера (изоникотиновая кислота) используется для лечения туберкулеза
акролеинакролеинникотиноваякислота-никотиноваякислота-
акролеин
акролеин
никотиноваякислота-
никотиноваякислота-
Все возрастающая потребность в некоторых производных пиридина привела к разработке синтезов, включающих реакции циклизации, например:
2СН2=СН-СНО + МН3
З-метилпиридин(р-пиколин)
Реакции пиридина
Химические свойства пиридина отвечают свойствам, которых следовало ожидать на основании его структуры. Кольцо пиридина вступает в реакции как электрофильного, так и нуклеофильного замещения; нас будет интересовать главным образом вопрос, каким образом атом азота влияет на эти реакции.
Имеется также ряд реакций, в которых пиридин играет роль основания или нуклеофила; эти реакции протекают непосредственно по азоту и связаны с наличием неподеленной пары электронов.
Электрофильное замещение в пиридине
В реакциях электрофильного замещения пиридин ведет себя подобно сильно дезактивированному производному бензола. Он нитруется, сульфируется и галогенируется только в очень жестких условиях, а в реакцию Фриделя — Крафтса совсем не вступает.
Замещение происходит главным образом в положение 3 (или Р)
Попытаемся объяснить реакционную способность и ориентацию, используя обычный подход, основанный на рассмотрении устойчивости промежуточногоПопытаемся объяснить реакционную способность и ориентацию, используя обычный подход, основанный на рассмотрении устойчивости промежуточногокарбониевого иона. Атака в положение 4 дает карбониевый ион, представляющий собой гибрид структур I, II и III.карбониевого иона. Атака в положение 4 дает карбониевый ион, представляющий собой гибрид структур I, II и III.Н YН YIIЭлектрофильная атакав положение 4Электрофильная атакав положение 4представляющего собойпредставляющего собойособенно неустойчив: у атома азота секстетособенно неустойчив: у атома азота секстетАтака в положение 3 приводит к получению иона, гибрид структур IV, V и VIАтака в положение 3 приводит к получению иона, гибрид структур IV, V и VIЭлектрофильная атакав положение 3Электрофильная атакав положение 3(Атака в положение 2 сходна с атакой в положение 4, так же как атака в орто- положение в ряду бензола с атакой в пара-положение.)Все эти структуры менее устойчивы, чем соответствующие структуры, возникающие при атаке бензольного ядра, поскольку атом азота оттягивает к себе электроны. Поэтому пиридин медленнее, чем бензол, реагирует в реакциях электрофильного замещения.Из числа приведенных структур структура III особенно неустойчива, поскольку в ней электроотрицательный атом имеет лишь секстет электронов. Поэтому атака в положение 4 (или в положение 2) осуществляется особенно медленно и замещение происходит преимущественно в положение 3.Очень важно понять различие между реакциями замещения в пиридине и пирроле. В случае пиррола структура, в которой атом азота несет положительный заряд (разд. 36.4), особенно устойчива, поскольку каждый атом в ней(Атака в положение 2 сходна с атакой в положение 4, так же как атака в орто- положение в ряду бензола с атакой в пара-положение.)Все эти структуры менее устойчивы, чем соответствующие структуры, возникающие при атаке бензольного ядра, поскольку атом азота оттягивает к себе электроны. Поэтому пиридин медленнее, чем бензол, реагирует в реакциях электрофильного замещения.Из числа приведенных структур структура III особенно неустойчива, поскольку в ней электроотрицательный атом имеет лишь секстет электронов. Поэтому атака в положение 4 (или в положение 2) осуществляется особенно медленно и замещение происходит преимущественно в положение 3.Очень важно понять различие между реакциями замещения в пиридине и пирроле. В случае пиррола структура, в которой атом азота несет положительный заряд (разд. 36.4), особенно устойчива, поскольку каждый атом в ней>65-256>65-256
Попытаемся объяснить реакционную способность и ориентацию, используя обычный подход, основанный на рассмотрении устойчивости промежуточного
Попытаемся объяснить реакционную способность и ориентацию, используя обычный подход, основанный на рассмотрении устойчивости промежуточного
карбониевого иона. Атака в положение 4 дает карбониевый ион, представляющий собой гибрид структур I, II и III.
карбониевого иона. Атака в положение 4 дает карбониевый ион, представляющий собой гибрид структур I, II и III.
Н Y
Н Y
I
I
Электрофильная атакав положение 4
Электрофильная атакав положение 4
представляющего собой
представляющего собой
особенно неустойчив: у атома азота секстет
особенно неустойчив: у атома азота секстет
Атака в положение 3 приводит к получению иона, гибрид структур IV, V и VI
Атака в положение 3 приводит к получению иона, гибрид структур IV, V и VI
Электрофильная атакав положение 3
Электрофильная атакав положение 3
(Атака в положение 2 сходна с атакой в положение 4, так же как атака в орто- положение в ряду бензола с атакой в пара-положение.)
Все эти структуры менее устойчивы, чем соответствующие структуры, возникающие при атаке бензольного ядра, поскольку атом азота оттягивает к себе электроны. Поэтому пиридин медленнее, чем бензол, реагирует в реакциях электрофильного замещения.
Из числа приведенных структур структура III особенно неустойчива, поскольку в ней электроотрицательный атом имеет лишь секстет электронов. Поэтому атака в положение 4 (или в положение 2) осуществляется особенно медленно и замещение происходит преимущественно в положение 3.
Очень важно понять различие между реакциями замещения в пиридине и пирроле. В случае пиррола структура, в которой атом азота несет положительный заряд (разд. 36.4), особенно устойчива, поскольку каждый атом в ней
(Атака в положение 2 сходна с атакой в положение 4, так же как атака в орто- положение в ряду бензола с атакой в пара-положение.)
Все эти структуры менее устойчивы, чем соответствующие структуры, возникающие при атаке бензольного ядра, поскольку атом азота оттягивает к себе электроны. Поэтому пиридин медленнее, чем бензол, реагирует в реакциях электрофильного замещения.
Из числа приведенных структур структура III особенно неустойчива, поскольку в ней электроотрицательный атом имеет лишь секстет электронов. Поэтому атака в положение 4 (или в положение 2) осуществляется особенно медленно и замещение происходит преимущественно в положение 3.
Очень важно понять различие между реакциями замещения в пиридине и пирроле. В случае пиррола структура, в которой атом азота несет положительный заряд (разд. 36.4), особенно устойчива, поскольку каждый атом в ней
>65-256
>65-256
имеет октет электронов; атом азота приобретает положительный заряд вследствие обобществления четырех пар электронов. В случае пиридина наиболее неустойчива структура, в которой атом азота несет положительный заряд (III), поскольку атом азота в этой структуре имеет лишь секстет электронов; атом азота легко обобществляет свои электроны, но, будучи электроотрицательным, он не склонен отдавать свои электроны.
Задача 36.11. 2-Амииопиридин нитруется или сульфируется в гораздо более мягких условиях, чем сам пиридин; замещение происходит главным образом в положение 5. Объясните эти факты.
Задача 36.12. Поскольку пиридин нитруется с трудом, 3-аминопнридин удобнее получать из никотиновой кислоты. Приведите схему синтеза 3-аминопиридина из Р-пикслина.
Нуклеофильное замещение в пиридине
В реакциях нуклеофильного замещения, как и в реакциях электрофильного присоединения, кольцо пиридина ведет себя аналогично бензольному кольцу, содержащему сильную электроноакцепторную группу. Нуклеофильное замещение протекает легко, особенно в положение 2 и 4, например:
2-бромпиридин2-аминопиридин2-бромпиридин2-аминопиридин4-хпортридин 2-амчнопиридин4-хпортридин 2-амчнопиридин
2-бромпиридин2-аминопиридин
2-бромпиридин2-аминопиридин
4-хпортридин 2-амчнопиридин
4-хпортридин 2-амчнопиридин
Реакционная способность пиридина в реакциях нуклеофильного замещения настолько велика, что замещению может подвергаться даже сильно основный гидрид-ион :Н~. Два важных примера подобной реакции — аминирование амидом натрия (реакция Чичибабина) и алкилирование или арилирование при помощи литийорганических соединений
(6) + Na+NH2~'^" [^НNамидN 'мипиридин[ Na+ 2^нагревание[О] + С6Н5 и > JфенилпитпийЬгпиридини+^^ (OU + Na+NH2- + Н:Н2-аминопиридинОпН-Ыа+ + NH3 Nнатриевая соль ^аминопириданаИ>+ Li:HС6Н5^>С<Н52,-фенилпиридин(6) + Na+NH2~'^" [^НNамидN 'мипиридин[ Na+ 2^нагревание[О] + С6Н5 и > JфенилпитпийЬгпиридини+^^ (OU + Na+NH2- + Н:Н2-аминопиридинОпН-Ыа+ + NH3 Nнатриевая соль ^аминопириданаИ>+ Li:HС6Н5^>С<Н52,-фенилпиридин
(6) + Na+NH2~'^" [^Н
NамидN 'ми
пиридин[ Na+ 2
^нагревание
[О] + С6Н5 и > J
фенилпитпийЬг
пиридини+
^^ (OU + Na+NH2- + Н:Н
2-аминопиридин
ОпН-Ыа+ + NH3 N
натриевая соль ^аминопиридана
И>+ Li:H
С6Н5^>С<Н5
2,-фенилпиридин
(6) + Na+NH2~'^" [^Н
NамидN 'ми
пиридин[ Na+ 2
^нагревание
[О] + С6Н5 и > J
фенилпитпийЬг
пиридини+
^^ (OU + Na+NH2- + Н:Н
2-аминопиридин
ОпН-Ыа+ + NH3 N
натриевая соль ^аминопиридана
И>+ Li:H
С6Н5^>С<Н5
2,-фенилпиридин
Как мы уже убедились в разд. 26.11, механизм нуклеофильного замещения в ароматическом ряду вполне аналогичен механизму электрофильного замещения. Реакция включает две стадии; скорость первой стадии — образова-
ние заряженной частицы — определяет скорость суммарной реакции. В электрофильном замещении интермедиат заряжен положительно; в нуклеофильном замещении интермедиат заряжен отрицательно. Способность кольца размещать заряд определяет стабильность промежуточного соединения и переходного состояния, приводящего к его образованию, и, следовательно, определяет скорость реакции.
Нуклеофильная атакав положение 4Нуклеофильная атакав положение 4Н ZН ZNINIНуклеофильная атака в положение 4 приводит к карбаниону, представляющему собой гибрид структур I, II и III
Нуклеофильная атакав положение 4
Нуклеофильная атакав положение 4
Н Z
Н Z
N
I
N
I
IIIII
особенно устойчив",отрицательный заряд
на азоте
Атака в положение 3 дает карбанион, представляющий собой гибрид структур IV, V и VI
Нуклеофильная атакав положение 3
(Атака в положение 2 напоминает атаку в положение 4.)
Все эти структуры гораздо более устойчивы, чем соответствующие структуры, образующиеся при атаке производных бензола, что связано с электроноакцепторным влиянием атома азота. Структура III особенно устойчива, поскольку в ней отрицательный заряд локализован на атоме, который более всего склонен его принимать, — на электроотрицательном атоме азота. Поэтому понятно, что нуклеофильное замещение протекает быстрее для пиридинового кольца по сравнению с бензольным и быстрее в положения 2 и 4, чем в положение 3.
Одна и та же причина — электроотрицательность атома азота — обусловливает малую реакционную способность пиридина в реакциях электрофильного замещения и его высокую активность в реакциях нуклеофильного замещения .
Основность пиридина
Пиридин представляет собой основание и имеет Кь = 2,3-10~9. Таким образом, он гораздо более сильное основание, чем пиррол (А6 ~ 2,5- 1Сги), но гораздо слабее, чем алифатические амины (Кь ~ 10 л).
В пиридине имеется пара электронов (на s/Аорбитали), которая может обобществляться с протоном кислоты; в пирроле нет такой пары, поэтому, принимая протон кислоты, пиррол одновременно утрачивает ароматичность кольца.
Меньшую основность пиридина по сравнению с алифатическими аминами объяснить несколько труднее, но и она укладывается в общую схему рассуждений. Отвлечемся на некоторое время от пиридина; обратимся к вопросу об
основности углеродных аналогов аминов — карбанионов и используе м подход, рассмотренный в разд. 8.10.
Бензол — более сильная кислота, чем алкан, что следует из его способности вытеснять алканы из их солей; это, естественно, означает, что фенил- анион С8Н5 является более слабым основанием, чел алкил-анион R~.
R:~Na+ + СбН6:НR:H +CeH6:~Na+
болееболееболееболее
сильноесильнаяслабаяслабое
основание кислотакислотаоснование
Аналогично ацетилен —- более сильная кислота, чем бензол, а ацетилид-ион является более слабым основанием, чем фенил-анион.
CeH6:"Na+ + НС=С:НболееболеесильноесильнаяоснованиекнслотаCeH6:"Na+ + НС=С:НболееболеесильноесильнаяоснованиекнслотаС,Н6:Н + HCsC~:Na+ болееболееслабаяслабоекислотаоснованиеС,Н6:Н + HCsC~:Na+ болееболееслабаяслабоекислотаоснование
CeH6:"Na+ + НС=С:Нболееболее
сильноесильная
основаниекнслота
CeH6:"Na+ + НС=С:Нболееболее
сильноесильная
основаниекнслота
С,Н6:Н + HCsC~:Na+ болееболее
слабаяслабое
кислотаоснование
С,Н6:Н + HCsC~:Na+ болееболее
слабаяслабое
кислотаоснование
Таким образом мы получим следующие ряды кислотности углеводородов и основности их анионов:
Относительная кислотность: HC=C:H>CeH6:H>R:H
Относительная основность: HCsC": < С8НВ:~ < R:~
Наблюдаемую последовательность можно объяснить, рассмотрев электронную конфигурацию карбанионов. В алкил-, фенил- и ацетиленид-анионах свободные пары электронов занимают соответственно sp3-, sp-- и sp-орбитали. Степень доступности этой пары для образования связи с протоном кислоты и определяет основность данного аниона. При переходе от sp8- к sp8- и sp-орбиталям р-характер орбитали уменьшается и возрастает степень s-характера. Далее, электрон на р-орбитали находится на некотором расстоянии от ядра и удерживается им относительно слабо; с другой стороны, электрон на s-орбитали расположен ближе к ядру и удерживается сильнее. Из трех рассматриваемых анионов наиболее сильным основанием будет алкил-ион, поскольку его пара электронов удерживается слабее всего на 5р3-орбитали. Ацетиленид- ион —■ наиболее слабое из этих оснований, поскольку его пара электронов удерживается прочнее всего на sp-орбитали.
Пиридин находится в таком же отношении к алифатическим аминам, как фенил-анион по отношению к алкил-аниону. Пара электронов, обусловливающая основность пиридина, занимает 8р2-орбиталь; она удерживается прочнее и менее доступна для обобществления с протоном кислоты, чем пара электронов в алифатическом амине, занимающая $р3-орбиталь.
Задача 36.13. Предскажите относительную основность аминов (RCH2NH2), иминов (RCH=NH) и нитрилов (RC=N).
Пиридин широко используют в органической химии как растворимое в воде основание, например при ацилировании по Шоттену — Бауману (разд. 20.8).
Задача 36.14. Этилбромсукцинат можно превратить в непредельный эфир —этилфума- рат при действии пиридина. Какова функция пиридина? Какие преимущества имеет пиридин в этой реакции перед обычным спиртовым раствором КОН?
Пиридин, аналогично другим аминам, обладает нуклеофильными свойствами и реагирует с алкилгалогенидами с образованием четвертичных солей аммония
пиридинпиридиниодид "М-метпилпиридиния (иодметилат пиридина)иодид "М-метпилпиридиния (иодметилат пиридина)
пиридин
пиридин
иодид "М-метпилпиридиния (иодметилат пиридина)
иодид "М-метпилпиридиния (иодметилат пиридина)
Задача 36.15. Пиридин, подобно любым другим третичным аминам, можно превратить (действием надбензойной кислоты) в N-окись пиридина, которая имеет следующее строение:
К-окпсъ вприВчна
В противоположность самому пиридину N-окись пиридина легко подвергается нитрованию, главным образом в положение 4. Как вы объясните его реакционную способность и такое направление реакции?
Задача 36.16. N-Окиси пиридинов активны не только в реакциях электрофильного замещения, но также в реакциях нуклеофильного замещения, особенно в положения 2 и 4. Например, обработка N-окиси 4-нитропиридина бромистоводородной кислотой приводит к N-окиси 4-бромпиридина. Как вы объясните подобную реакционную способность и такое направление реакции?
Задача 36.17. Кислород из N-окиси пиридина можно легко удалить обработкой PC1S. На основании этой информации предложите практически удобный путь получения 4-нитро- И 4-бромпиридина.
Восстановление пиридина
Каталитическое гидрирование пиридина приводит к насыщенному гетероциклическому соединению — пиперидину C5HUN.
Н2, Pt, на, 25=с,3стм>Н2, Pt, на, 25=с,3стм>
Н2, Pt, на, 25=с,3стм>
Н2, Pt, на, 25=с,3стм>
пиривин ио = 2,3 • io-»)пиривин ио = 2,3 • io-»)nunepuBuH (Кь = 2 • 10-3)nunepuBuH (Кь = 2 • 10-3)
пиривин ио = 2,3 • io-»)
пиривин ио = 2,3 • io-»)
nunepuBuH (Кь = 2 • 10-3)
nunepuBuH (Кь = 2 • 10-3)
Пиперидин (Кб — 2-10~3) обладает обычной основностью вторичных аминов. Как и пиридин, его часто используют в качестве основного катализатора в таких реакциях, как реакция Кнёвенагеля [задача 27.31(д), стр. 827] или присоединение по Михаэлю (разд. 32.8).
Как и пирролидиновое кольцо, пиперидиновое и пиридиновое кольпа содержатся в ряде алкалоидов, включая никотин, стрихнин, кокаин и резерпин (стр. 1015).
Задача 36.18. Почему нельзя использовать пиперидин вместо пиридина в методе Шотте’ на — Баумана?
КОНДЕНСИРОВАННЫЕ КОЛЬЦА
Хинолин. Синтез Скраупа
Хинолин (CgH7N) содержит бензольное и пиридиновое кольца, соединенные, как показано в формуле I
I хинолинI хинолин№ = 3 • 10-»)№ = 3 • 10-»)
I хинолин
I хинолин
№ = 3 • 10-»)
№ = 3 • 10-»)
В целом свойства хинолина вполне соответствуют тому, что можно было ожидать на основании свойств уже изученных пиридина и нафталина.
Задача 36.19. Объясните следующие свойства хинолина: а) Обработка его смесью азотной и серной кислот дает 5- и 8-нитрохинолины, а при действии дымящей серной кислоты образуются хинолин-5- и хинолин-8-сульфокислоты. б) Окисление КМпО4 приводит к пирндин-2-дикарбоновой кислоте (хинолиновой кислоте), в) Обработка амидом натрия дает 2-аминохинолнн, а алкнллитием — 2-алкилхииолин.
Задача 36.20. 8-Оксикинолин находит широкое применение в аналитической химии. Предложите метод его синтеза.
Хинолин содержится в каменноугольной смоле. Хотя некоторые производные хинолина можно получить в результате реакций замещения из хинолина, однако чаще всего их синтезируют из производных бензола циклизацией.
Вероятно, наиболее общим методом синтеза замещенных хинолинов является синтез Скраупа. В простейшем случае сам хинолин получают взаимодействием анилина с глицерином, концентрированной серной кислотой, нитробензолом и сульфатом железа(П):
СН2ОНh2so4. FeS0< /х/х.
Юки +СНОН + C6H5NO2 -Д^^^. ЮЮ) + с6н$кн2+н2о
нитробензоланилин СН2ОНхинолин
глицерин
По-видимому, этот синтез включает следующие стадии:
Дегидратацию глицерина действием горячей серной кислоты, дающую непредельный альдегид — акролеин
СН2—СН—СН2 H9SO4, нагревание
| I I>- СН2=СН—ОНО + 2Н2О
ОН он он
глицеринакролеин
Нуклеофильное присоединение анилина к акролеину, приводящее к (Мфениламино)пропионовому альдегиду
анилинанилинСН2СН2СН СНСН СНакролеинакролеинр-(<рениламино)пропионовый альвегивр-(<рениламино)пропионовый альвегив
анилин
анилин
СН2
СН2
С
Н СН
С
Н СН
акролеин
акролеин
р-(<рениламино)пропионовый альвегив
р-(<рениламино)пропионовый альвегив
Электрофильную атаку ароматического кольца электронодефицитным карбонильным углеродом протонированной альдегидной группы (фактически именно эта стадия и является стадией циклизации)
Окисление нитробензолом, приводящее к ароматизации вновь образующегося кольца
\Д.-вигидрохинолин\Д.-вигидрохинолинхинолинхинолин+ С6Н5МН2 + 2Н2О+ С6Н5МН2 + 2Н2О
\Д.-вигидрохинолин
\Д.-вигидрохинолин
хинолин
хинолин
+ С6Н5МН2 + 2Н2О
+ С6Н5МН2 + 2Н2О
Сульфат железа(П) каким-то^образом несколько умеряет слишком бурное течение реакции.
Итак, реакция, казавшаяся на первый взгляд очень сложной, в действительности представляет собой последовательность простых стадий, на каждой из которых осуществляется достаточно хорошо знакомая нам реакция: кислот- но-катализируемая дегидратация, нуклеофильное присоединение к аф-непре- дельному карбонильному соединению, электрофильное ароматическое замещение и окисление.
Если варьировать природу основных реагентов в этом синтезе, то можно получить самые разнообразные производные хинолина, например:
5,6- бензохинолин (1- азиренашпрен)5,6- бензохинолин (1- азиренашпрен)анилин + кротоновый альдегид> 2-метилхинолин (хинальдин)З-нитро-4-аминоанизол + глицерин> 6-метокси-8-нитрохинолин
5,6- бензохинолин (1- азиренашпрен)
5,6- бензохинолин (1- азиренашпрен)
2.-<минонафталин 4- глицерин*
Вместо нитробензола часто используют мышьяковистую кислоту H3AsO4 (как окислитель), с которой реакция протекает менее бурно; иногда в качестве катализатора применяют окись ванадия. Серную кислоту можно заменить фосфорной или другими кислотами.
Задача 36.21. Напишите все стадии перечисленных выше синтезов Скраупа.
Задача 36.22. Дегидратация глицерина, приводящая к акролеину, включает стадии кис- лотио-катализируемой дегидратации и кето-енольного таутомерного равновесия. Укажите возможные стадии в этой дегидратации. (.Указание: какая из ОН-групп легче будет элиминироваться — первичная или вторичная?)
Задача 36.23. Какое соединение образуется при применении синтеза Скраупа к следующим соединениям: а) о-нитроанилину; б) о-аминофенолу; в) о-феннлендиамнну; г) м-фе- нилендиамину; д) п-толуидииу?
Задача 36.24. Приведите схему синтеза 6-бром- н 8-метнлхинолинов.
Задача 36.25. В модификации синтеза Скраупа, предложенной Дебнером и Миллером, вместо глицерина применяют альдегиды, кетоны или смесь альдегидов и кетонов. Если, например, используют ацетальдегид, то при взаимодействии с анилином образуется 2-ме- тилхинолин (хинальдин'), а) Объясните образование этого продукта, б) Предскажите, какой продукт получится из метилвиннлкетона. в) Какое соединение образуется из смеси бензальдегида и пировиноградной кислоты CHSCOCOOH?
Задача 36.26. Объясните образование 2,4-диметилхииолииа из анилина и ацетилацетона (пентанднона-2,4) по реакции Дебнера — Миллера. (Указание: см. разд. 30.8.)
Изохинолин. Синтез Бишлера— Напиральского
Изохинолин (CgH7N) содержит бензольное и пиридиновое кольца, соединенные, как показано в формуле I
1изохинолин1изохинолин(Кь = 1,1 • Ю«)(Кь = 1,1 • Ю«)
1
изохинолин
1
изохинолин
(Кь = 1,1 • Ю«)
(Кь = 1,1 • Ю«)
Как и в случае хинолина, свойства изохинолина вполне соответствуют тому, что можно было ожидать на основании уже известных свойств пиридина и нафталина
Задача 36.27. Объясните следующие свойства изохииолина (указание: вспомните ориентацию в реакциях р-замещенных нафталинов, разд. 35.13):
Нитрование дает 5-нитроизохинолин.
Обработка амидом калия КМН2 приводит к 1-аминоизохинолину, а обработка ал- киллнтием — к 1-алкилизохинолину; 3-замещенные продукты при этом не образуются.
1-Метилизохииолии реагирует с бензальдегидом с образованием соединения II, в то время как 3-метилизохинолин не вступает в такую реакцию. (Указание: см. задачу 27.13(b), стр. 827.1
СН=СНС6Н5 ПСН=СНС6Н5 П
СН=СНС6Н5 П
СН=СНС6Н5 П
Важным методом получения производных изохинолина является синтез Бишлера — Напиральского. В этой* реакции ацильное производное Р-фенилэтиламина циклизуется под действием кислот (часто Р2О6) с образованием дигидроизохинолинов, которые далее могут подвергаться ароматизации.
i-мешияизохииолинi-мешияизохииолинсн2 ^сн Агн О—С хсн3сн2 ^сн Агн О—С хсн3И-(2-ф№илзлшл)ацетамад
i-мешияизохииолин
i-мешияизохииолин
сн2 ^сн Агн О—С хсн3
сн2 ^сн Агн О—С хсн3
Задача 36.28. К какому общему типу реакций относится реакция замыкания цикла? Какова при этом функция кислоты? (Проверьте ваши ответы в разд. 25.21.)
Задача 36.29. Приведите схему синтеза М-(2-фенилэтил)апетамида из толуола и алифатических и неорганических реагентов.
ЗАДАЧИ
Напишите структурные формулы и назовите основные продукты, образующиеся при взаимодействии пиридина со следующими реагентами (во всех ли случаях будут проте
и) уксусным ангидридом, к) беизолсульфохлоридом,л) этилбромидом, м) бенз илхлор и дом, н) надбензойной кислотой, о) надбензойной кислотой, затемHNO3, H2SO4, п) Н2, Pt.и) уксусным ангидридом, к) беизолсульфохлоридом,л) этилбромидом, м) бенз илхлор и дом, н) надбензойной кислотой, о) надбензойной кислотой, затемHNO3, H2SO4, п) Н2, Pt.кать реакции?):
и) уксусным ангидридом, к) беизолсульфохлоридом,
л) этилбромидом, м) бенз илхлор и дом, н) надбензойной кислотой, о) надбензойной кислотой, затем
HNO3, H2SO4, п) Н2, Pt.
и) уксусным ангидридом, к) беизолсульфохлоридом,
л) этилбромидом, м) бенз илхлор и дом, н) надбензойной кислотой, о) надбензойной кислотой, затем
HNO3, H2SO4, п) Н2, Pt.
Вг2, 300 °C,
H2SO4, 350 °C,
ацетилхлоридом, А1С13, г) KNO3, H2SO4, 300 °C, д) NaNH2, нагревание, е) СвН5Ы, ж) разб. НС1, з) разб. NaOH
Напишите структурные формулы и назовите основные продукты следующих реакцнйг
тиофен + конц. H2SO4,
тиофен + уксусный ангидрид, ZnCl2,
тиофен + ацетилхлорид, Т1С14,
тиофен 4- дымящая азотная кислота в уксусном ангидриде,
вещество (г) + Sn, НО,
тиофен + 1 моль Вг2,
продукт (е) + Mg; затем СО2; затем Н+,
пиррол + пиридин:5О3,
пиррол + диазотированная сульфаниловая кислота,
вещество (и) + SnO2,
пиррол + Н2, Mi* С4НеМ,
м) фурфурол + ацетон + основание,
хинолин + HNO3/H2SO4,
о) N-окись хинолина + HMO3/H2SO4, п) изохинолин + н-бутиллитий.
Пиррол можно восстановить цинком в уксусной кислоте в пирролин (С4Н7М).
Какие структурные формулы возможны для пирролина?
На основании следующих данных уточните, какую структуру имеет пирролин: пирролин + О3; затем Н2О; затем Н2О2» А(С4Н,О4М), хлоруксусная кислота + NH3> 6(C2H5O2N), Б + хлоруксусная кислота> А.
Фуран и его производные чувствительны к протонным кислотам. Следующие реакции служат иллюстрацией того, что при этом происходит:
2,5-диметилфуран + разб. H2SO4» А(С6Н10О2), А + NaOI > янтарная кислота.
Что представляет собой соединение А?
Напишите вероятную последовательность стадий образования соединения А из 2,5-диметилфурана.
Пиррол реагирует с формальдегидом в горячем пиридине с образованием смеси продуктов, из которой можно выделить с небольшим выходом соединение с формулой (C6H6N)4. Какова структура этого соединения? (.Указание-, см. разд. 25.21 и стр. 1015 )
Существуют три изомерные пиридинкарбоновые кислоты (C6H4N)COOH: Act. пл. 137 °C, Бет. пл. 234—237 °C и В с т. пл. 317 °C. Их структуры были доказаны следующим образом:
нагревание
хинолин + КМпО4, ОН-> дикислота (Q7H5O4N)>- Б, т. пл.
234—237 °C,
нагревание
изохинолин + КМпО4, ОН > дикислота (C-Hr.O,N)>- Б, т. пл.
234—237 °C, и В, т. пл. 317 °C.
Какие структуры следует приписать кислотам А, Б и В?
а) Какие структуры возможны для соединения А?
синтез Скраупа
ж-толуидин + глицерин>- AfCuHeN).
На основании следующих данных уточните, какую структуру в действительности имеет соединение А:
синтез Скраупа
2,3-диаминотолуол + глицерин(CjeHIaN2),
Б + NaNO2, НС1; затем Н3РО2 » В.
Укажите все стадии в возможных синтезах следующих веществ из бензола, толуола и любых необходимых алифатических и неорганических реагентов:
1-фенилизохинолина,д) 2-метилхинолин-6-карбоновой кисло-
1-бензилизохинолина,ты,
1,5-диметилизохинолина,е) 1,8-диазафенантрена (указание: ис-
6-нитрохинолина,пользуйте дважды синтез Скраупа).
1,8-виазафенантрен
Укажите все стадии ъ синтезах следующих соединений, используя любые необходимые реагенты:
Р-цианопиридина из Р-пиколина,
2-метилпиперидина из пиридина,
5-аминохинолина из хинолина,
этил-5-нитро-2-фуроата из фурфурола,
фурилакриловой кислоты из фурфурола,
1,2,5-трихлорпентана из фурфурола,
альдегида 3-индолкарбоновой кислоты из индола.
Напишите структурные формулы соединений А — Я, получающихся в результате следующих синтезов гетероциклических систем:
этилмалонат + мочевина, основание, нагревание> A (C4H4O3N2), пиримидин (1,3-диазин);
ацетонилацетон + H2N — NH2 ——» B(C6H10N2), Б + воздух > B(CeH8N2), пиридазин (1,2-диазин);
ацетилацетон + H2N — NH2 > r(C6H8N2), пиразол-,
бутапдион-2,3 + о-С6Н4(МН2)2 » Д(С10Н10М2), хиноксалин;
этиленгликоль + фосген» Е(С5Н4О3), 1,3-диоксоланон;
антраниловая кислота + хлоруксусная кислота * Ж(С8Н,О4Ь1),
Ж + основание, сильное нагревание .» 3(C8H7ON), индоксил, промежуточное вещество в синтезе индиго;
аминоацетон > И(СвН10М2),
И + воздух » K(CfiH8N2), пиразин (1,4-диазнн);
этилендиамин + этилкарбонат » Л(СзНеОМ2), имидазолидон;
о-С6Н4(МН2)2 + уксусная кислота, сильное нагревание —-►
>■ М(С8Н8М2), бензимидазол;
этил-о-аминобензоат + малоновый эфир > H(C14H17OSN), нерастворимо в
разбавленной кислоте),
C2H6ONa
н> O(C12HnO4N),
О + кислота, слабое нагревание > П(СеН7О2М), хинолин;
повторите последовательность (к), исходя из этил-З-аминопиридин-2-карбокси- лата » \,3-диазонафталин;
м) бензальацетофенон + KCN + уксусная кислота ► Р^еН^ОМ),
Р + СН3ОН, Н+, Н2О > С(С17Н16О3) + NH*
С 4- фенилгидразин —— T(C22HlBON2), дигидро-1,2-диазин;
н) акриловая кислота-)- H2N—NH2 > Y(C3H8O2N2) > Ф(С3Н6ОМ2), пи-
разолидон;
синтез Скраупа
о) o-CeH4(NH2)2 + глицерин> Х(С]2НВМ2), 4,5-диазафенантрен;
п) ди-(о-нитрофенил)ацетилен + Вг2 ——* Ц(С!4НвО4Н2Вг2),
Ц+Sn, НС1 >4 (C14HI2N2Br8),
нагревание
Ч*- {O(C14H11N2Br)J » Щ(С14Н1еМ2), содержит четыре кон
денсированных ароматических кольца;
р) x-C1CcH4CH2CH2CH2NHCH3 + CeHBLi > Э(СцН18М), тетрагидрохинолин,
с) o-C1C,H4NHCOC,Hb + KNH2/NH3 » Ю(С1аНеОЧ), бензоксазел;
т) транс-1 + основание > H(C13H16ON), оксазолин.
...OTs
^/^NHCOC^,I
у) Объясните, почему ^пс-изомер соединения I вступает в реакцию (т) гораздо медленнее, чем транс-изомер?
Структура папаверина (C2oH2i04N), одного из алкалоидов опиума, была установлена путем следующего синтеза:
3,4-диметокснбензилхлорид + KCN —-» A(C10HuO2N),
А + водород, Ni * B(C10H18O2N),
РС1ь
А + водная кислота, нагревание » В *- Г(С10НцО3С1),
Б 4 Г * Д(С2.Н28О8^,
Д + Р2О6, нагревание> E(C20H23O4N),
Е 4 Pd, 200 °C ♦ папаверин.
Плазмохин (называемый также памаквином), противомалярийный лекарственный препарат, был синтезирован следующим образом:
окись этилена 4 диэтиламин —-* A(CeH16ON),
А + SOC12 » B(CeH14NCl),
Б + натрацетоуксусный эфир > B(C12H23O3N),
В 4 разб. H2SO4, слабое нагревание > r(CgHlsON) 4 СО2 4 С2Н8ОН,
Г + Н2, Ni > WC6H2]ON),
Д 4 конц. НВг —-» E(CgH20NBr),
синтез Скраупа
4-амино-З-нитроанизол 4 глицерин»- Ж(C10H8O3N2),
Ж 4 Sn 4 НС1 > 3(C10H10ON2),
Е + 3 > плазмохин (CleH2eON3).
Какова наиболее вероятная структура плазмохина?
(—уНикотин, алкалоид табака, можно получить следующим путем:
никотиновая кислота 4- SOC12, нагревание » никотиноилхлорид (CeH4ONCl),
никотиноилхлорид 4 C2H6OCH2CH2CH2CdCl > A(CUH18O2N),
А 4- NH3, Н2, катализатор » B(CnH18ONa),
Б 4 НВг 4- сильное нагревание > B(C,H12N2) 4- этилбромид,
В 4 CH3I, NaOH >(±)-никотин (C10H14N2), (±)-никотин4 (4)-винная кислота >Г 4- Д (для обоих C14H2OO6N2), Г 4 NaOH > (—)-никотин 4- тартрат натрия.
Какова структура (±)-никотина? Напишите уравнения для всех приведенных реакций. 14. Красная и синяя окраска многих цветов и фруктов обусловлена наличием в них антоцианинов, гликозидов пирилиевых солей. Начальным членом ряда этих пирилиевых солей является хлорид флавилия, который можно синтезировать следующим образом:
альдоль
салициловый альдегид 4- ацетофенон >- А(С18Н12О2),
А 4- НС1 > хлорид флавилия — соль, содержащая три ароматических кольца.
Хлорид флавилия
Какова структура соединения А?
Приведите вероятную последовательность реакций, приводящих от соединения А к хлориду флавилия.
Объясните ароматический характер конденсированной системы колец.
Тропиновая кислота (C,H13O4N) образуется при расщеплении атропина, алкалоида растения белладонна, Atropa bdladonna. Ее эквивалент нейтрализации равен 94 ± 1. Она не реагирует с бензолсульфохлоридом, холодным разб. КМпО4 или Вг2/СС14.
Исчерпывающее метилирование дает следующие результаты:
тропнновая кислота 4" СН31 > A(CeHieO4NI),
А 4" Ag2O, затем сильное нагревание > B(C.H18O4N),
Б 4- СН31 ► B(C10H18O4NI),
В 4 А&О, затем сильное нагревание > Г(С7Н8О4) 4" (CH3)3N 4" Н2О,
Г 4 Н2, Ni : гептандиовая кислота (пимелиновая кислота).
Какие структуры вероятны для тропиновой кислоты?
Тропиновая кислота образуется при окислении СгО3 тропинона, структура которого по данным синтеза следующая:
,СН3
тропинок
На основании этих данных уточните структуру тропиновой кислоты.
Тропилиден, циклогептатрней-1,3,5, получают из тропинона (задача 15). Покажите, каким образом это можно сделать. (Указание: см. задачу 21, стр. 729.)
Восстановление тропинона (задача 15) дает тропин и псевдотропин, оба с формулой СеН16ОМ. При нагревании с основанием тропин превращается в псевдотропин. Напишите вероятные структурные формулы тропина и псевдотропина и объясните ваш ответ.
Арекаидин (C7HnO2N), алкалоид орехов бетеля, получается следующим образом: реакция Михаэля этилакрилат + NH3> A(C6HnO2N),
реакция Михаэля А + этилакрилат>- B(C10HltO4N),
реакция Дикмана_
Б + этилат натрия>- B(CeH13O3N),
В + бензоилхлорид Г(С15Н17О4М),
Г + Н2, Ni > Д (QsHj.O.N),
Д + кислота, нагревание* E(CeH3O2N), гувацин, другой алкалоид орехов бетеля, + CeH6COOH + QHbOH,*--
Е + СН31 , ■» арекаидин (С,НПО2М).
Какова наиболее вероятная структура арекаидина и гувацина?
Что даст гувацин при дегидрировании?
Напишите структурные формулы соединений А — Ж: тиофен + гексанон-3 + H2SO4 > A(C14H18S2),
А + (СН3СО)2О + НС1О4> Б(С16Н20О82), Б + М2Н4 + КОН 4- нагревание» B(CieH22S2), В + СвН6М(СН3)СНО» Г(С17Н22О32), альдегид, Г 4" Ag2O * Д(С17Н22О252),
Д разделяют на антиподы, (+)"Д + Си, хинолин, нагревание » СО2 4~ (+)-E(C18H22S2),
(+)-Е + Н2/М1 » Ж(С1вН34), оптически неактивен. '
Что означает отсутствие оптической активности у соединения Ж?
а) Объясните ароматические свойства кольца имидазола.
Расположите атомы азота гистамина (вещества, играющего важную роль в механизме многих аллергических реакций) в порядке их предполагаемой основности и аргументируйте предложенный вами ряд
N—<Н2СН2МН2
'N'Н
гистамин
37
Аминокислоты и белки
Введение
Название протеины (белки) произошло от греческого proteios, что означает первый. Это название оказалось очень удачным. Из всех химических соединений белки, вероятно, наиболее важны, поскольку они являются основой всего живого.
Белки не только составляют существеннейшую часть каждой клетки всех живых организмов, но и обеспечивают их жизнедеятельность. Белки являются главными составляющими кожи, мышц, сухожилий, нервов и крови, а также ферментов, антител и многих гормонов.
(Только нуклеиновые кислоты можно сравнить с белками по их значению в жизнедеятельности организмов, поскольку нуклеиновые кислоты регулируют синтез белков.)
С химической точки зрения белки представляют собой высокополимерные вещества. Они являются полиамидами и исходными мономерами, для их синтеза служат а-аминокислоты. В состав одной молекулы белка может входить несколько сотен или даже тысяч остатков аминокислот, причем известно более двадцати аминокислот, остатки которых входят в состав белка. Число возможных комбинаций, образуемых остатками аминокислот в молекуле белка, а следовательно, и число различных белковых молекул почти беспредельно. По- видимому, для развития и жизнедеятельности организма животного необходимо наличие десятков тысяч различных белков, причем для каждого вида животных этот набор белков специфичен.
В настоящей главе мы сначала рассмотрим химию аминокислот, а затем кратко обсудим получаемые из них белки. Наша главная цель при этом состоит в том, чтобы показать, каким образом выводятся структуры этих невероятно сложных молекул, и продемонстрировать, что в конце концов химия белков основана на тех же принципах органической структурной теории: на представлениях об углах и длинах связей, величине и размерах групп, водородных связях, резонансе, кислотности и основности, оптической активности, конфигурации и конформации.
Структура аминокислот
В табл. 37.1 приведены структурные формулы и названия 26 аминокислот, обнаруженных в белках. Некоторые из них, отмеченные жирным шрифтом, являются незаменимыми, и эти аминокислоты должны содержаться в пище молодого животного для его нормального развития; эти аминокислоты, очевидно, не могут синтезироваться в организме животного из других веществ, содержащихся в пище.
Название3
Сокращение
Формула
Глицин
Gly
h3nch2coo-
(+)-Аланнн
Ala
CH3CHCOO' 1
+NHS
(+)-Валии
Vai
(CH3)2CHCHCOO~
4h3
(—)-Лейцин
Leu
(CH3)2CHCH2CHCOO- 1
+NH3
(+)-Изолейцин
He
CH3CH2CH(CH3)CHCOO-
+NH3
+)-Аспарагиновая кислота
Asp
HOOCCH2CHCOO~
4NH3
(—)-Аспарагин
Asp-NH2
H2NCOCH2CHCOO' 1 +NH3
(+)-Глутаминовая кислота
Glu
HOOCCH2CH2CHCOO~ 1 +NH3
(Ч-)-Глутамин
Glu-NH2
H2NCOCH2CH2CHCOO~
+NH3
(+)-Лизии
Lys
H2NCH2CH2CH2CH2CHCOO' +NH3
(—)-Оксилизин
Oly
H3NCH2CHCH2CH2CIICOO-
OH-+NH3
(+)-Аргинии
Arg
H2NCNHCH2CH2CH2CHCOO- 1
+nh2nh2
(—)-Серин
Ser
HOCH2CHCOO- +NH3
(—)-Треонин
Tre
CH3CHCHCOO"
HO +NH3
(—)-Цистеин
Cys
HSCH2CHCOO~ +NH3
(—)-Цистин
Cys—S—S—Cys
"OOCCHCH2—S—S—CH2CHCOO~ 11
+NH3+NH3
(—)-Метионин
Met
CH3SCH2CH2CHCOO~ J ^NHa
Продолжение табл. 37./
Название3
Сокращение
Формула
(—)-Фенилаланин
Phe
<^^СН2СНСОО"
+МН3
(—)-Тирозин
ТУГ
HO<Q>CH2CHCOO- ' +NH3
(+) - 3,5-Дибромтирозин
Вт НО^>СН2СНСОО-
Br+NH3
(+)-3,5-Дииодтирозин
но@сн2снсоо-
I+NH3
(—)-Триптофан
ТгУ
СН2СНСОО~
(<VHh3 н
(—)-Пролин
Pro
J—coo- +N
н ^н
но г1
(—)-Оксипролин
Орг
J- COO- +N
Н^ \
(—)-Гистидин
His
^^СН2СНСОО“ н +NH3
(+)-Тироксин
II
НО ©°о СН:СНСОО- 1I-\и3
а Жирным шрифтом выделены незаменимые аминокислоты.
Все аминокислоты представляют собой а-аминокарбоновые кислоты; в двух случаях (пролин и оксипролин) аминогруппа образует часть пирролидинового цикла. Подобная общность структуры придает всем аминокислотам одинаковые химические свойства и среди них — способность образовывать длинные полиамидные цепи, лежащие в основе белков. Мы и будем рассматривать главным образом эти общие химические свойства.
В остальном структуры всех соединений могут изменяться в очень широких пределах. Помимо карбоксильной группы и а-аминогруппы, некоторые аминокислоты содержат вторую карбоксильную группу (например, аспарагиновая или глутаминовая кислота) или потенциальную карбоксильную группу в виде карбоксамидной (например, аспарагин); такие кислоты называют кислыми аминокислотами. Некоторые аминокислоты содержат вторую основную группу, в роли которой может быть аминогруппа (например, лизин), гуанидо- группа (аргинин) или имидазольная группа (гистидин); такие кислоты называют основными аминокислотами. Некоторые аминокислоты содержат бензольную или гетероциклическую систему, фенольные или спиртовые гидроксильные группы, атомы серы или галогенов. Каждой из этих циклических систем или функциональных групп присущи свои характерные реакции.
Аминокислоты как биполярные ионы
Хотя аминокислоты обычно изображают как соединения, содержащие амино- и карбоксильную группу H2NCHRCOOH, некоторые их свойства, как физические, так и химические, не согласуются с этой структурой.
Во-первых, в противоположность аминам и карбоновым кислотам аминокислоты представляют собой нелетучие кристаллические вещества, плавящиеся с разложением при довольно высокой температуре.
Во-вторых, они не растворимы в неполярных растворителях типа петро- лейного эфира, бензола или эфира и заметно растворимы в воде.
В-третьих, их водные растворы ведут себя подобно растворам веществ с высоким дипольным моментом.
В-четвертых, константы кислотности и основности для групп СООН и NH2 необычайно малы. Например, для глицина Ко = 1,6-10~10 и Кь = — 2,5-10'12, в то время как для большинства карбоновых кислот Ко ~ 10~в, а для алифатических аминов Кь ~ 10~4.
Все эти свойства вполне соответствуют структуре диполярного иона (I) для аминокислот**
H3N—CHR—COO*
Iаминокислоты: биполярные ионы
Физические свойства — температура плавления, растворимость, высокие дипольные моменты — отвечают ожидаемым для подобных солей. Кислотно-основные свойства также становятся понятными, если учесть, что измеряемая Ка
в действительности относится к кислотности иона аммония RNHS
H3NCHRCOO“ + Н2О 4=* Н3О+ + H2NCHRCOO“кислота
„[Н3О+] fH2NCHRCOO*l
[H3NCHRCOO~]
а Кь в действительности относится к основности карбоксилат-иона
H3NCHRCOO- + Н2О ^=а: H3NCHRCOOH + ОН-
основание
[H3NCHRCOOH] [ОН-]
Кь =+
[H3NCH2COO-|
В водном растворе кислотность и основность кислоты и ее сопряженного +
основания (например, СН3СООН и СН3СОО- или CH3NH3 и CH3NH2) связаны уравнением Ка- Кь = Ю-14. На этом основании можно рассчитать, что Ко = +
= 1,6- 10-10для МН3-группы глицина означает Кь = 6,3- 10-5для МН2-группы, что кажется вполне приемлемой величиной для алифатического амина. Аналогично Кь = 2,5-10-12 для группы СОО глицина означает, что Ка = 4-10-3 для СООН-группы, что кажется вполне приемлемой величиной для карбоновой кислоты, содержащей сильную электроноакцепторную (увеличивающую +
кислотность) NH3-rpynny.
При подщелачивании раствора аминокислоты диполярный ион I превращается в анион II; более сильное основание, гидроксил-ион, отрывает протон от иона аммония и вытесняет более слабое основание — амин
H3NCHRCOO- + ОН-H3NCHRCOO- + ОН-H2NCHRCOO- + Н2ОH2NCHRCOO- + Н2ОIболее сильнаякислотаIболее сильнаякислотаболеесильноеоснованиеболеесильноеоснованиеIIболее слабоеоснованиеIIболее слабоеоснованиеболееслабаякислотаболееслабаякислота
H3NCHRCOO- + ОН-
H3NCHRCOO- + ОН-
H2NCHRCOO- + Н2О
H2NCHRCOO- + Н2О
Iболее сильнаякислота
Iболее сильнаякислота
болеесильноеоснование
болеесильноеоснование
IIболее слабоеоснование
IIболее слабоеоснование
болееслабаякислота
болееслабаякислота
Если подкислить раствор аминокислоты, то диполярный ион I превращается в катион III; более сильная кислота Н3О+ отдает протон карбоксилат-иону и вытесняет более слабую карбоновую кислоту
HgNCHRCOO- + Н8О+HgNCHRCOO- + Н8О+H3NCHRCOOH + Н2ОH3NCHRCOOH + Н2ОIболее сильноеоснованиеIболее сильноеоснованиеболеесильнаякислотаболеесильнаякислотаIIIболее слабаякислотаIIIболее слабаякислотаболееслабоеоснованиеболееслабоеоснованиеИтак, кислой группой не СООН-, a NH3-rpynna,Итак, кислой группой не СООН-, a NH3-rpynna,В аВ апростых аминокислотахпростых аминокислотахтипа глицина являетсятипа глицина являетсяосновной — не NH2-rpynna, а группа СОО-.основной — не NH2-rpynna, а группа СОО-.
HgNCHRCOO- + Н8О+
HgNCHRCOO- + Н8О+
H3NCHRCOOH + Н2О
H3NCHRCOOH + Н2О
I
более сильноеоснование
I
более сильноеоснование
болеесильнаякислота
болеесильнаякислота
IIIболее слабаякислота
IIIболее слабаякислота
болееслабоеоснование
болееслабоеоснование
Итак, кислой группой не СООН-, a NH3-rpynna,
Итак, кислой группой не СООН-, a NH3-rpynna,
В а
В а
простых аминокислотах
простых аминокислотах
типа глицина является
типа глицина является
основной — не NH2-rpynna, а группа СОО-.
основной — не NH2-rpynna, а группа СОО-.
Задача 37.1. В сильнощелочном растворе аминокислота содержит две основные группы — NH2 и СОО-. Какая из них будет более основной? К какой группе будет предпочтительно присоединяться протон при прибавлении кислоты к раствору? Какое соединение при этом образуется?
Задача 37.2. В сильнокислом растворе аминокислота содержит две кислые группы — NHf и СООН. Какая из них будет более кислой? Какая группа будет легче отдавать протон при прибавлении основания к раствору? Какое соединение при этом образуется?
Задача 37.3. Объясните, почему п- и о-аминобензойные кислоты (антраниловая кислота) не образуют в заметной степени диполярного иона, а n-аминобензолсульфокислота (сульфаниловая кислота) образует. (Указание; какова величина Кь для большинства ароматических аминов?)
Необходимо иметь в виду, что ионы II и III, содержащие свободную NHS- или СООН-группу, находятся в равновесии с диполярным ионом I; поэтому аминокислоты вступают в реакции, характерные для аминов и карбоновых
кислот. По мере удаления иона II, например при реакции с бензоилхлоридом, равновесие сдвигается в сторону образования иона II, так что постепенно аминокислота полностью бензоилируется.
н+ + н+ +
H2NCHRCOO“ ч^: H3NCHRCOO~ ^4 H3NCHRCOOHII I III
В тех случаях, когда это возможно, желаемую реакцию можно ускорить, создавая нужную концентрацию кислоты или основания в растворе так, чтобы увеличить концентрацию реакционноспособной частицы.
Задача 37.4. Каким образом можно ускорить а) этерификацию аминокислоты и б) ацетилирование аминокислоты?
Изоэлектрическая точка аминокислот
Если раствор аминокислоты поместить в электрическое поле, то в зависимости от кислотности или основности раствора будет наблюдаться различная картина. В сильнощелочном растворе концентрация анионов II превышает концентрацию катионов III и наблюдается миграция аминокислоты по направлению к аноду.
н+ +н+ +
H2NCHRCOO" ^^ь H3NCHRCOO~ ч=^ H3NCHRCOOH
IIIШ
В сильнокислом растворе имеется значительный избыток катионов III и будет наблюдаться миграция аминокислоты к катоду. Если концентрации ионов II и III равны друг другу, то не будет наблюдаться никакого видимого движения; в этих условиях любая молекула одно и то же время проводит в состоянии и катиона и аниона, поэтому любое незначительное смещение в направлении одного из электродов немедленно компенсируется равным смещением в направлении другого электрода. Концентрация ионов водорода, при которой данная аминокислота не движется под влиянием электрического поля, называется изоэлектрической точкой данной аминокислоты.
+
Моноаминомонокарбоновая кислота H3NCHRCOO~ имеет несколько большую величину кислотности по сравнению с основностью (например, для глицина Ка = 1,6-КН°, а Kh = 2,5- К)-12). Если кристаллы такой аминокислоты прибавить к воде, то образующийся раствор будет содержать больше анионов II
(H2NCHRCOO~), чем катионов III (H3NCHRCOOH). Эту «избыточную» ионизацию иона аммония в амин (I < > II 4- Н+) можно подавить прибавлением кислоты для того, чтобы была достигнута изоэлектрическая точка, которая вследствие этого будет несколько сдвинута в область кислых значений pH. Например, для глицина изоэлектрическая точка лежит при pH 6,1.
Задача 37.5. а) В какую сторону (кислую или щелочную от нейтральной величины pH 7) будет сдвинута изоэлектрическая точка для моноаминодикарбоиовой и диами номоиокар- боновой кислот? Сравните каждую из этих изоэлектрических точек с изоэлектрической точкой для глицина.
Аминокислота обычно обнаруживает самую низкую растворимость в растворе при изоэлектрической точке, поскольку при этом концентрация диполяр-
ного иона максимальна. Если же раствор будет более щелочным или более кислым, то тем самым увеличивается концентрация одного из более растворимых ионов (II или III).
Задача 37.6. Объясните, почему сульфаниловая кислота растворяется в щелочах, но не растворяется в кислотах.
Задача 37.7. Предложите способ разделения смеси аминокислот на три группы: моноаминомонокарбоновые, моноаминодикарбоновые (кислые аминокислоты) и диамииомонокар- боновые (основные аминокислоты).
Конфигурация природных аминокислот
Как видно из структур, приведенных в табл. 37.1, каждая аминокислота, за исключением глицина, содержит по крайней мере один асимметрический ато.м углерода. Если аминокислоты получают в результате кислотного или щелочного гидролиза белков, то каждая аминокислота, за исключением глицина, оказывается оптически активной. Стереохимическое изучение этих природных аминокислот показало, что все они имеют одинаковую конфигурацию по атому углерода, несущему «-аминогруппу, и эта конфигурация та же, что и в ь-(—)- глицериновом альдегиде.
ъ-аминокислоша.ъ-аминокислоша.сн2он l глицериновый альбегиЗ
ъ-аминокислоша.
ъ-аминокислоша.
Задача 37.8. Напишите все возможные стереохимические формулы для аминокислоты треонина. Встречающийся в природе треоиин был так назван вследствие его конфигурационного родства с тетрозой треозой; на основании этого приведите правильную конфигурацию природного треонина.
Задача 37.9. Помимо треонина, в табл. 37.1 приведены еще четыре аминокислоты, которые могут существовать более чем в двух стереоизомерных формах, а) Какие это кислоты? б) Сколько изомеров возможно в каждом случае? Отметьте энантиомеры, диастереомеры и лезо-соединения.
Синтез аминокислот
Мы рассмотрим лишь один из многих методов синтеза аминокислот, а именно аминирование а-галогенкислот. Если учитывать всевозможные варианты этого метода, то он, вероятно, является наиболее общим, хотя, как и в случае любого другого метода, нельзя считать, что его можно применять для синтеза всех аминокислот.
В некоторых случаях «-хлор- или а-бромкислоты подвергают прямому аммонолизу действием большого избытка (почему?) концентрированного водного аммиака, например:
СН3СН2СООНСН3СН2СООНэ- СН3СНСООН»• сн3снсоо-
СН3СН2СООН
СН3СН2СООН
ХН3
пропионоваякислотапропионоваякислота
пропионоваякислота
пропионоваякислота
а-бромпропио- новая кислота
аланин, выход70%
Необходимые для этого а-галогенкислоты или а-галогенэфиры можно синтезировать по методу Геля — Фольгарда — Зелинского (галогенирование незамещенных кислот, разд. 18.19) или по модифицированному методу синтеза при помощи малонового эфира, обычно применяемого для синтеза незамещенных кислот, например:
Na+Na+'СООС2Н5~ сн_СООС2Н5_'СООС2Н5~ сн_СООС2Н5_С6НВСН2С1С6НВСН2С1натрмалоновыйэфирнатрмалоновыйэфирСООС2НВНС—СН2С6НВСООС2Н5этилбензил-малонатСООС2НВНС—СН2С6НВСООС2Н5этилбензил-малонаткон>.нагреваниекон>.нагреваниесоон на I—>- Н-С-СН2С6Н5I соон бензилмалоновая кислотасоон на I—>- Н-С-СН2С6Н5I соон бензилмалоновая кислота
Na+
Na+
'СООС2Н5~ сн
_СООС2Н5_
'СООС2Н5~ сн
_СООС2Н5_
С6НВСН2С1
С6НВСН2С1
натрмалоновыйэфир
натрмалоновыйэфир
СООС2НВ
НС—СН2С6НВ
СООС2Н5этилбензил-малонат
СООС2НВ
НС—СН2С6НВ
СООС2Н5этилбензил-малонат
кон>.нагревание
кон>.нагревание
соон на I
—>- Н-С-СН2С6Н5
I соон бензилмалоновая кислота
соон на I
—>- Н-С-СН2С6Н5
I соон бензилмалоновая кислота
Вг2, эфир,кипячение
СООН NHs, избытокнагревание |
С6Н8СН2СНСОО- ^ С6Н5СН2СНСООН ■<Вг—С—СН2СвН8
III
+NH3ВтСООН
фенилаланин,суммарный выход 35%
Фталимид палияФталимид палия+ С1СН2СООС2Н5этил хлор ацетат+ С1СН2СООС2Н5этил хлор ацетатВыходы значительно выше при использовании фталимидного синтеза по Габриэлю (разд. 29.8); вместо а-галогенкислот обычно применяют а-галогенэфиры (почему?). Дальнейшей модификацией является комбинация синтеза при помощи малонового эфира и реакции Габриэля, так называемый фталимидомалоновый метод.
Фталимид палия
Фталимид палия
+ С1СН2СООС2Н5
этил хлор ацетат
+ С1СН2СООС2Н5
этил хлор ацетат
ОТ NCH2COOC2H5
НС1,Н2Оу
ООN-K+N-K+СГ+Н3ЫСН2СООН хлореидрат сличила (суммарный выход 89 ЭДСГ+Н3ЫСН2СООН хлореидрат сличила (суммарный выход 89 ЭД। фталевая т кислота.। фталевая т кислота.СООС2Н5СООС2Н5О фталимид калияО фталимид калияСООС2Н5Вг—СНСООС2Н5Вг—СНСООС2Н5INaСООС2Н5INaфтпалимидомаломовый Эфирфтпалимидомаломовый ЭфирСООС2Н5 этилброммалонатСООС2Н5 этилброммалонатОН СООС2Н5XN—C”Na+сх ।|j COOC2H5оизбыток С1СН2СООС2Н3> нагреваниеОН СООС2Н5XN—C”Na+сх ।|j COOC2H5оизбыток С1СН2СООС2Н3> нагреваниеООНООССН2СНСОО-+ NH3НООССН2СНСОО-+ NH3II СООС2Н5[ОТ )N-C—СН2СООС2Н$СООС2Н5II СООС2Н5[ОТ )N-C—СН2СООС2Н$СООС2Н5
О
О
N-K+
N-K+
СГ+Н3ЫСН2СООН хлореидрат сличила (суммарный выход 89 ЭД
СГ+Н3ЫСН2СООН хлореидрат сличила (суммарный выход 89 ЭД
। фталевая т кислота.
। фталевая т кислота.
СООС2Н5
СООС2Н5
О фталимид калия
О фталимид калия
СООС2Н5
Вг—СН
СООС2Н5
Вг—СН
СООС2Н5
INa
СООС2Н5
INa
фтпалимидомаломовый Эфир
фтпалимидомаломовый Эфир
СООС2Н5 этилброммалонат
СООС2Н5 этилброммалонат
О
Н СООС2Н5
XN—C”Na+
сх ।
|j COOC2H5
о
избыток С1СН2СООС2Н3> нагревание
О
Н СООС2Н5
XN—C”Na+
сх ।
|j COOC2H5
о
избыток С1СН2СООС2Н3> нагревание
О
О
НООССН2СНСОО-+ NH3
НООССН2СНСОО-+ NH3
II СООС2Н5
[ОТ )N-C—СН2СООС2Н$
СООС2Н5
II СООС2Н5
[ОТ )N-C—СН2СООС2Н$
СООС2Н5
аспарагиновая нислотпсь
(суммарный выход 45%)
Эти синтетические аминокислоты оптически неактивны, поэтому их необходимо разделять на антиподы, если целью является получение оптически активных веществ для сравнения с природными кислотами или для синтезов пептидов (разд. 37.10).
Задача 37.10. Различные аминокислоты получались следующими способами:
Прямой аммонолиз-, глицин, аланин, валин, лейцин, аспарагиновая кислота.
Синтез Габриэля-, глицин, лейцин.
Синтез при помощи малонового эфира-, валин, изолейцин.
Фталимидомалоновый метод: серин, глутаминовая кислота, аспарагиновая кислота.
Перечислите исходные вещества, необходимые для синтеза в каждом случае, и приведите полную последовательность реакций для одного примера из каждой группы. Задача 37.11. При взаимодействии ацетальдегида со смесью KCN и NH4C1 (синтез Штрек- кера) образуется соединение CaH6N2 (какова его структура?), которое при гидролизе дает аланин. Покажите, как синтез Штреккера можно применить для синтеза глицина, лейцина, изолейцина, валина и серина (в качестве исходного вещества используйте С2Н5ОСН2СН2ОН). Все необходимые при этом карбонильные соединения необходимо получить из легко доступных веществ.
Задача 37.12. а) Синтез аминокислот по реакции восстановительного аминирования (разд. 22.11) проиллюстрирован ниже на примере синтеза лейцина:
C^HjONa
этилизовалерат + этилоксалат>■ A(CUH1SO5), кипячение
А + 10%-ная H2SO4 »■ Б(С6Н10О3) + СО2 + С2Н5ОН,
6Pd, нагревание
Б + NH3 + Н2-* лейцин.
Приведите схему синтеза аланина, а также глутаминовой кислоты по этому методу.
Реакции аминокислот
Реакции аминокислот в общем соответствуют реакциям соединений, содержащих амино- и карбоксигруппы. Кроме того, возможны также реакции, характерные для имеющихся в их молекулах других групп.
Задача 37.13. Предскажите, какие соединения образуются при реакции глицина со следующими реагентами:
водн. NaOH,д) NaNO8 + НС1,
водн. НС1,е) С2Н5ОН + H2SO4,
бензоилхлорид + води. NaOH,ж) бензилхлоркарбонатом
уксусным ангидридом,С6Н5СН2ОСОС1.
Задача 37.14. Предскажите, какие соединения образуются в результате следующих реакций:
N-бензоилглицин (гиппуровая кисло- ж) пролин + метилиодид, та^ + SOC12,з) тирозин + диметилсульфат + NaOH,
продукт (а) + NH3,и) глутаминовая кислота + 1 моль
продукт (а) + аланин,NaHCO3,
продукт (а) -р С2Н5ОН,к) глутаминовая кислота + избыток
тирозин + Вг2 (водн.),этилового спирта + H2SO4 т нагре-
аспарагин + горячий водный NaOH, вание.
Задача 37.15. Реакция первичных алифатических аминов с азотистой кислотой приводит к количественному выделению азота в виде газа, что является основой метода определения аминного азота по Ван-Слайку. Какой объем азота (при нормальных условиях) выделится при обработке 0,001 моля следующих аминокислот: а) лейцина; б) лизина; в) пролина?
Задача 37.16. При действии на раствор 9,36 мг неизвестной аминокислоты избытка азотистой кислоты было получено 2,01 мл азота при 748 мм рт. ст. и 20 °C. Каков минимальный молекулярный вес этого соединения? Может ли эта кислота быть одной из природных аминокислот? Если да, то какой именно?
Пептиды. Геометрия пептидной связи
Пептиды — это амиды, образующиеся в результате взаимодействия аминогрупп и карбоксильных групп аминокислот. Амидная группа —NHCO— в таких соединениях часто называется пептидной связью.
HsNCH2CONHCH2COO-HsNCH2CONHCH2COO-Gly-Glyглицилглицин(дипептид)Gly-Glyглицилглицин(дипептид)В зависимости от числа аминокислотных остатков в молекуле пептиды классифицируются как дипептиды, трипептиды и т.д. вплоть до полипептидов. Условились считать пептиды с молекулярным весом до 10 000 полипептидами, а пептиды с большим молекулярным весом — белками, например:
HsNCH2CONHCH2COO-
HsNCH2CONHCH2COO-
Gly-Glyглицилглицин(дипептид)
Gly-Glyглицилглицин(дипептид)
H8NCH2CONHCHCONHCHCOO~" I I
CH3 CH2C6H8
Gly-Ala-Pheглицилаланилфеннлаланин(трипептид)
H3NCHCO(NHCHCO)„NHCHCOO-
R R R
полипептид
Структуры полипептидов удобно изображать при помощи стандартных сокращений (табл. 37.1). В такой сокращенной записи принято писать N-концевой аминокислотный остаток (имеющий свободную ами
рис. 37.1. Геометрия пептидной связи.рис. 37.1. Геометрия пептидной связи.Связь углерод — азот иесит в значительной степени характер двойной связи. Углерод карбонильной группы, азот и связанные с ними атомы лежат в одной плоскости.Связь углерод — азот иесит в значительной степени характер двойной связи. Углерод карбонильной группы, азот и связанные с ними атомы лежат в одной плоскости.
рис. 37.1. Геометрия пептидной связи.
рис. 37.1. Геометрия пептидной связи.
Связь углерод — азот иесит в значительной степени характер двойной связи. Углерод карбонильной группы, азот и связанные с ними атомы лежат в одной плоскости.
Связь углерод — азот иесит в значительной степени характер двойной связи. Углерод карбонильной группы, азот и связанные с ними атомы лежат в одной плоскости.
ногруппу) с левой стороны формулы, а С-концевой аминокислотный остаток (имеющий свободную карбоксильную группу) с правой стороны.
Согласно данным рентгеноструктурного анализа аминокислот и дипептидов, вся амидная группа является плоской: углерод карбонильной группы, азот и четыре связанных с ними атома лежат в одной плоскости. Поскольку длина связи углерод — азот, равная 1,32 А (13,2-10^2 нм), меньше длины обычной простой связи углерод — азот, равной 1,47 А (14,7- Ю^2 нм), то, следовательно, связь углерод — азот носит в значительной степени характер двойной связи (примерно 50%); в результате углы связей при азоте близки к углам связи у тригонального атома углерода (рис. 37.1).
Задача 37.17. а) Какая структура или структуры обусловливают возникновение частично двоесвязанного характера связи углерод — азот? Что означает этот резонанс с позиций теории молекулярных орбиталей?
Задача 37.18. Прн комнатной температуре N.N-диметилформамид имеет следующий
ПМР-спектр:'
а синглет, г 7,12 (6 2,88), ЗН
b синглет, г 7,03 (6 2,97), ЗН
с синглет, г 1,88 (6 8,02), 1Н
При повышении температуры сигналы протонов а и b уширяются и сливаются; наконец, при 170 ?С они сливаются в один острый синглет, а) Как вы объясните эти наблюдения? б) Какое (отношение имеют эти данные к вопросу о структуре пептидной связи? ^Указание; см. разд. 13.13 и 37.8.)
Изучение пептидов проводилось главным образом как необходимый этап при изучении более сложных веществ — белков. Однако пептиды сами по себе — очень важные вещества: например, трипептид глутатион встречается в большинстве живых клеток; нонапептид окситоцин является гормоном, вырабатываемым задней долей гипофиза и вызывающим сокращение матки; а-кортикотропин, состоящий из 39 аминокислотных остатков, входит в состав адренокортикотропного гормона АКТГ.
H3NCHCH2CH2CONHCHCONHCH2COOH или Glu-Cys-Gly
COO-CH2SH
глутатион
(глута.милцистеинилелицин)
СН3СН3сн3снсн3снОНОНСН2СН2nh2nh2о=со=сCHNHCOCHNHCOCHCH2sCHNHCOCHNHCOCHCH2sилиилиNHNHS I ,сн2S I ,сн2lie -Tyr-Cys SGlu-^sp-Cys $-Pro-Leu-GIy(NH2)H2N nh2lie -Tyr-Cys SGlu-^sp-Cys $-Pro-Leu-GIy(NH2)H2N nh2
СН3
СН3
сн3сн
сн3сн
ОН
ОН
СН2
СН2
nh2
nh2
о=с
о=с
CHNHCOCHNHCOCH
CH2
s
CHNHCOCHNHCOCH
CH2
s
или
или
NH
NH
S I ,сн2
S I ,сн2
lie -Tyr-Cys S
Glu-^sp-Cys $-Pro-Leu-GIy(NH2)
H2N nh2
lie -Tyr-Cys S
Glu-^sp-Cys $-Pro-Leu-GIy(NH2)
H2N nh2
CHCONHCHCONHCHCQN.
сн2сн2conh2сн2сн2conh2сн2conh2сн2conh2сн2снН3С хсн3сн2снН3С хсн3
сн2
сн2
conh2
сн2
сн2
conh2
сн2
conh2
сн2
conh2
сн2
сн
Н3С хсн3
сн2
сн
Н3С хсн3
окситоцин
Ser-Tyr-Ser-Met-Glu-His-Phe-Arg-Try-Gly-Lys-Pro-Val -jLGly-Lys-Lys-Arg-Arg-Pro-Val-Lys-Val-Tyr-Pro-Ala-Gly-]LGlu-Asp-Asp-Glu-Ala-Ser-Glu-Ala-Phe-Pro-Leu-Glu-Phe
«.-кортикотропин овцы
Мы рассмотрим два аспекта химии пептидов: каким образом устанавливается их строение и как их можно синтезировать в лаборатории.
Определение структуры пептидов.
Определение концевых групп.
Частичный гидролиз
Для того чтобы выяснить структуру данного пептида, необходимо знать следующее: а) какие аминокислоты входят в состав молекулы; б) сколько аминокислот каждого вида имеется в молекуле; в) в какой последовательности связаны они в цепи.
Для определения состава пептида его подвергают гидролизу (в кислом растворе, поскольку щелочь вызывает рацемизацию) и определяют количество каждой из образующихся при этом аминокислот. Одним из наилучших способов анализа смесей аминокислот является разделение смеси на компоненты хроматографией, а иногда, после превращения в метиловые эфиры (зачем?), газовой хроматографией.
Зная весовое содержание каждой из полученных аминокислот, можно вычислить число молей каждой аминокислоты и тем самым установить относительное число различных аминокислотных остатков в пептиде. Таким способом мы устанавливаем то, что называется «эмпирической формулой» пептида, т. е. относительное содержание остатков различных аминокислот в пептиде.
Задача 37.19. Анализ продуктов гидролиза сальмина — полипептида, выделяемого из спермы лосося, дал следующие результаты:
Содержание,г/100 г сальмина
Изолейцин1,28
Аланин0,89
Валин3,68
Глицин3,01
Серин7,29
Пролин6,90
Аргинин86,40
Каково относительное число остатков различных аминокислот в сальмине; иными словами, какова его эмпирическая формула? (Почему сумма весов аминокислот превышает 100 г ?)
Для вычисления «молекулярной формулы» пептида, т. е. устанойления действительного числа каждого из остатков в молекуле пептида, необходимо знать его молекулярный вес. Молекулярный вес можно определить как химическими, так и различными физическими методами: измерение осмотического давления или рассеяние света, изучение поведения при ультрацентрифугировании, дифракции рентгеновских лучей.
Задача 37.20. Молекулярный вес сальмина (см. предыдущую задачу) близок к 10 000. Рассчитайте число аминокислотных остатков каждого рода, входящих в состав молекулы, т. е. молекулярную формулу.
Задача 37.21. Установлено, что белок содержит 0,29% триптофана (мол. вес 204). Каков минимальный молекулярный вес белка?
Задача 37.22. а) Гемоглобин лошади содержит 0,335% железа. Каков минимальный молекулярный вес белка? б) Измерение осмотического давления дало для молекулярного веса величину около 67 000. Сколько атомов железа входит в состав молекулы?
Наконец, остается выполнить самую трудную часть задачи — выяснить, в какой последовательности связаны между собой аминокислотные остатки, т. е. структурную формулу пептида. Для решения этого вопроса используют комбинацию двух методов: определение концевых групп и частичный гидролиз.
Определение концевых групп заключается в идентификации аминокислотных остатков на концах пептидной цепи. Применяемая методика основана на том, что остатки на концах цепи отличаются по свойствам от всех остальных звеньев и друг от друга: один (N-концевой остаток) содержит свободную аминогруппу, а другой (С-концееой остаток) — свободную карбоксильную группу в «-положении к пептидной связи.
Очень успешный метод идентификации N-концевого остатка (разработанный в 1945 г. Ф. Сэнджером в Кембриджском университете) основан на исполь-
зовании 2,4-динитрофторбензола (ДНФБ), который вступает в реакцию нуклеофильного замещения со свободной аминогруппой с образованием N-ди- нитрофенильного производного (ДНФ). Замещенный пептид подвергают гидролизу до аминокислот, после него N-концевой остаток, меченный 2,4-динитро- фенильной группой, выделяют и идентифицируют.
o2n@>f no2 2-,4SuHumpQ- фшорбензолo2n@>f no2 2-,4SuHumpQ- фшорбензолщелочная
o2n@>f no2 2-,4SuHumpQ- фшорбензол
o2n@>f no2 2-,4SuHumpQ- фшорбензол
NO2 r r' меченый пептидNO2 r r' меченый пептидh2nchconhchco~ ^^>o2n
NO2 r r' меченый пептид
NO2 r r' меченый пептид
R R'пептид
i
eodH.
HC1,нагревание
o2no2n^Q^NHCHCOOH + +H3NCHCOOH,um.a
o2n
o2n
NO2 Rr-
N- (2,4- динитрофенил)аминокислотаN- (2,4- динитрофенил)аминокислотанемеченая аминокислота.немеченая аминокислота.
N- (2,4- динитрофенил)аминокислота
N- (2,4- динитрофенил)аминокислота
немеченая аминокислота.
немеченая аминокислота.
Другой метод определения N-концевых групп (разработанный в 1950 г. П. Эдманом в Университете Лунда, Швеция) основан на реакции между аминогруппой и фенилизотирцианатом, приводящей к образованию замещенной мочевины (ср. разд. 29.14). Гидролиз соляной кислотой в мягких условиях селективно удаляет N-концевой остаток в виде фенилтиогидантоина, который затем идентифицируют. Большое преимущество этого метода состоит в том, что он не затрагивает остальной части пептида; поэтому анализ можно вновь повторить и идентифицировать при этом следующую концевую группу в укороченном пептиде. В идеале этот метод можно использовать многократно до полного определения всей последовательности звеньев, аминокислота за аминокислотой; однако на практике это оказывается неосуществимым.
щелочная^
средаI
C6H5NCS + H2NCHCONHCHCO~► С6Н^—С—NHCHCONHCHCO~
фенилизо-IIтиоцианатККпептидфенилизо-IIтиоцианатККпептидIII
фенилизо-II
тиоцианатКК
пептид
фенилизо-II
тиоцианатКК
пептид
SR R'
меченый пептид
H2O, HC1
S
с
сен5ьГ \н + I i2nchco~
,СCHR R'
продукт
Оразложениея
пептида (ренилтиогидантоин (на один остаток меньше)
Наиболее успешным методом определения С-концевых остатков является не химический метод, а ферментативный. Селективное удаление С-концевого звена осуществляется при помощи фермента карбоксипептидазы (из поджелудочной железы), которая расщепляет лишь ту пептидную связь,которая расположена в «-положении к свободной «-карбоксильной группе в полипептид- ной цепи. Анализ можно повторить на укороченном пептиде с тем, чтобы идентифицировать новый С-концевой остаток и т. д.
Однако на практике невозможно определить последовательность остатков в длинной пептидной цепи путем ступенчатого удаления концевых остатков.
Вместо этого цепь подвергают частичному гидролизу (кислотному или ферментативному) и образующиеся фрагменты — дипептиды, трипептиды и т. д. — идентифицируют при помощи метода определения концевых групп. Как только удастся идентифицировать достаточное число подобных небольших фрагментов, можно установить последовательность звеньев во всей цепи.
Разберем предельно простой пример: существует шесть возможных способов соединения трех аминокислот, образующих глутатион. Частичный гидролиз до дипептидов — глутамилцистеина Glu-Cys и цистеинилглицина Cys- Gly показывает, что цистеин находится в середине молекулы и правильной последовательностью звеньев будет Glu-Cys-Gly
Glu-Cys + GlyGlu -J- Cys-Gly
глутамил- глицинглутамине- цистеинил-
цистеинвая кислота глицин
1Glu-Cys-Glyi
глутамилиистеинилглицин,глутатион
Таким путем были установлены структуры окситоцина и «-кортикотропина (стр. 1047). Одним из наиболее замечательных достижений в этой области было установление полной последовательности аминокислот в молекуле инсулина, выполненное в Кембриджском университете группой, руководимой Ф.Сэнджером, который за эту работу был удостоен Нобелевской премии в 1958 г. (см. задачу 12, стр. 1067). Число пептидов и белков, структуры которых полностью расшифрованы, постоянно увеличивается; сюда относится гемоглобин, содержащий четыре цепи, в каждой из которых имеется более 140 аминокислотных остатков, и химотрипсиноген, цепь которого содержит 246 остатков.
Как и всегда, структура, приписанная пептиду, окончательно подтверждается его синтезом при помощи метода, позволяющего однозначно получить соединение с данной структурой. Эта проблема будет обсуждена в следующем разделе.
Задача 37.23. Установите последовательность аминокислотных остатков в следующих пептидах:
Asp, Glu, His, Phe, Vai (запятая указывает на то, что последовательность неизвестна) дает Val-Asp + Glu-His + Phe-Val + Asp-Glu.
Cys, Gly, His2, Leu2, Ser дает Cys-Gly-Ser + His-Leu-Cys + Ser-His-Leu.
Arg, Cys, Glu, GIy2, Leu, Phe2, Туг, Vai дает Var-Cys-Gly + Gly-Phe-Phe + Glu-Arg-Gly + Tyr-Leu-Val + Gly-Glu-Arg.
Синтез пептидов
Разработаны методы полимеризации аминокислот (в некоторых случаях ди- или трипептидов), приводящие к образованию полипептидов с большим молекулярным весом. Эти продукты являются очень важными модельными веществами для изучения, например, вопроса о характере рентгенограмм или ИК-спектров для пептидов известного и сравнительно простого строения.
Однако цель большей части работ по синтезу пептидов заключается в получении соединений, идентичных природным. Метод, пригодный для осуществления этой цели, должен позволять соединять оптически активные аминокислоты в цепи заданной длины и с заданной последовательностью звеньев. Синтезы такого рода не только подтвердили конкретные структуры, приписанные природным пептидам, но и позволили окончательно доказать (и это имеет фун-
даментальное значение), что пептиды и белки действительно являются полиамидами.
Первым осуществил синтез пептидов Эмиль Фишер (полученный им пептид содержал 18 аминокислотных остатков). Тем самым он подтвердил свое предположение о том, что белки содержат амидную связь. Отметим, что в химии пептидов и белков Э. Фишер сыграл ту же основополагающую роль, что и в химии углеводов, что неоспоримо свидетельствует о гениальной одаренности этого ученого.
Основная проблема при синтезе пептида — проблема защиты аминогруппы. При взаимодействии карбоксильной группы одной аминокислоты и аминогруппы другой аминокислоты необходимо исключить возможность реакции между карбоксильной группой и аминогруппой молекул одной и той же аминокислоты. Например, при получении глицилаланина необходимо предотвращать одновременное образование глицилглицина. Реакцию можно направить в нужную сторону, если в одну из аминогрупп ввести заместитель, который сделает эту аминогруппу нереакционноспособной. Существует большое число подобных защитных групп; из их числа необходимо выбрать такую группу, которую можно в дальнейшем удалить без разрушения пептидных связей.
Защита аминогруппыЗащита аминогруппыH8NCHCOO~* Q—NHCHCOOH* Q—NHCHCOC1
Защита аминогруппы
Защита аминогруппы
III
RRR
Образованиепептидной связиОбразованиепептидной связиQ—NHCHCOC1 + HgNCHCOO~ ♦ Q—NHCHC—NHCHCOOHIII III
Образованиепептидной связи
Образованиепептидной связи
RRR ОR
Удаление защитнойгруппыУдаление защитнойгруппыQ—NHCHC—NHCHCOOH > H3NCHC—NHCHCCOO'I IIII IIII
Удаление защитнойгруппы
Удаление защитнойгруппы
R ОRR ОR
пептид
Мы можем, например, пробензоилировать (Q = С6Н6СО) глицин, затем превратить его в хлорангидрид, ввести хлорангидрид в реакцию с аланином и получить таким образом бензоил глицилаланин. Но если мы попытаемся удалить бензоильную группу гидролизом, то одновременно подвергнем гидролизу другие амидные связи (пептидные связи) и тем самым разрушим тот пептид, который хотели синтезировать.
Из многочисленных методов, которые разработаны для защиты аминогруппы, рассмотрим лишь один: ацилирование бензилхлоркарбонатом, называемым также карбобензоксихлоридом. (Этот метод был разработан в 1932 г. М. Бергманом и Л. Зервасом в Берлинском университете, позднее в институте Рокфеллера.) Реагент СвН6СН2ОСОС1 является одновременно и сложным эфиром и хлорангидридом угольной кислоты НОСООН; он легко получается при взаимодействии бензилового спирта с фосгеном СОС12. (В какой последовательности нужно смешивать спирт и фосген?)
активированныйСвНвСН2ОН
С0 + °2 " уголь 200^ С1—С—С1 > CeH^O-C-Cl
УГОЛЬ, ZUU V
оо
фосгенкарбобензоксихлорид
(карбонилхлорид)(бензилхлоркарбонат)
Подобно любому хлорангидриду, реагент может превращать амин в амидC,HS-CH2O-C-C1 + HgNR * QHgCHjO-C-NHR
Д амин амид Д
Подобные амиды, однако, отличаются от большинства амидов в одном отношении, которое очень существенно для синтеза пептидов. Карбобензоксигруппу можно отщепить действием реагентов, не затрагивающих пептидной связи: каталитическим гидрированием или гидролизом раствором бромистого водорода в уксусной кислоте.
С6НВСН3 +С6НВСН3 +ГНО—С—NHR"ГНО—С—NHR"—> со2 + rnh2—> со2 + rnh2
С6НВСН3 +
С6НВСН3 +
ГНО—С—NHR"
ГНО—С—NHR"
—> со2 + rnh2
—> со2 + rnh2
карбаминоваякислота,неустойчива
С6Н5СН2Вг + ГНО—С—NHR] > СО2 + RNH2
Проиллюстрируем метод ацилирования карбобензоксихлоридом на примере синтеза глицилаланина (Gly-Ala):
С6НВСН2ОСОС1 + H3NCH2COO-> CeHsCH»OCONHCH2COOHкарбобензилокси- глицинкарбобеизоксиглицин
хлорид|
I SOC12
QH5CH2OCONHCH2COC1хлораигидридкарбобензоксиглицина
C6HBCH2OCONHCH2COC1 + H3NCHCOO"
СН3
алании
С6НВСН2ОСОМ1 ICH2CONHCHCOOH
сн8карбобензоксиглицилаланинН2, Pd +
C6HbCH2OCONHCH2CONHCHCOOH > H3NCH2CONHCHCOO- + CeHBCH3 4- со2
СН3сн3
глицилаланинGly-Ala
Задача 37.24. а) Как можно распространить описанный выше метод синтеза на получение трипептида глицилаланилфенилаланина (Gly-Ala-Phe)? б) Как можно использовать метод ацилирования карбобензоксихлоридом для получения аланилглицина (Ala-Gly)?
Выдающимся достижением явился синтез пептидного гормона окситоцина, выполненный в Корнелльском медицинском колледже В. Дю Виньо, получившим в 1955 г. Нобелевскую премию за эту и другие работы. В 1963 г. был опубликован полный синтез инсулина, содержащего 51 аминокислоту в последовательности, расшифрованной ранее Сэнджером.
Белки. Классификация и функция. Денатурация
Белки подразделяются на два больших класса: фибриллярные белки, нерастворимые в воде, и глобулярные белкй, растворимые в воде или водных растворах кислот, оснований или солей. (Из-за большого размера моле-
кул образующиеся растворы являются коллоидными.) Различие в растворимости этих двух классов соединений обусловлено различиями в форме молекул, что и отражено в первом приближении в их названиях.
Молекулы фибриллярных белков вытянуты в длину, нитеобразны и склонны группироваться одна подле другой с образованием волокон; в некоторых случаях они удерживаются рядом многочисленными водородными мостиками. В результате этого межмолекулярные силы, которые должны быть преодолены растворителем, очень сильны.
Молекулы глобулярных белков сложены в компактные клубочки, которые часто по форме приближаются к шару. Водородные связи в этом случае являются внутримолекулярными, и площадь соприкосновения между отдельными молекулами невелика. В этом случае межмолекулярные силы относительно слабы.
Характер молекулярных и межмолекулярных структур определяет не только растворимость белка, но также и общий тип выполняемых им функций.
Фибриллярные белки служат основным строительным материалом животных тканей, т. е. выполняют ту функцию, которая более всего им подходит: они нерастворимы и склонны к образованию волокон. К их числу относятся следующие белки: кератин — в коже, волосах, ногтях, рогах и перьях; коллаген — в сухожилиях; миозин — в мускулах; фиброин — в шелке.
Глобулярные белки выполняют ряд функций, связанных с поддержанием и регуляцией жизненных процессов, — функций, требующих подвижности и, следовательно, растворимости. К их числу относятся следующие белки: все ферменты, многие гормоны, например инсулин (из поджелудочной железы), тироглобулин (из щитовидной железы), адренокортикотропный гормон (АКТГ) (из гипофиза); антитела, ответственные за аллергические реакции и обеспечивающие защиту от чужеродных организмов; альбумин яиц; гемоглобин, являющийся переносчиком кислорода из легких в ткани; фибриноген, который превращается в нерастворимый фибриллярный белок фибрин, что вызывает свертывание крови.
Внутри каждого из этих двух больших классов белки далее подразделяются на основании их физических свойств, особенно растворимости: например, альбумины (растворимы в воде, коагулируют при нагревании), глобулины (не растворимы в воде, растворимы в разбавленных солевых растворах) и т. д.
Необратимое осаждение белков, называемое денатурацией, происходит под действием тепла, сильных кислот или оснований или различных других агентов. Коагуляция яичного белка при нагревании — пример денатурации белка яичного альбумина. Крайняя легкость денатурации многих белков очень затрудняет их изучение. Денатурация вызывает глубокие изменения в белке и полностью уничтожает их физиологическую активность. (По-видимому, денатурация вызывает изменения во вторичной структуре белков, разд. 37.16).
Явление денатурации свойственно лишь еще одному классу соединений, нуклеиновым кислотам (разд. 37.17). Хотя полипептиды и очень близки белкам, однако они не подвергаются денатурации, вероятно, вследствие того, что их молекулы имеют меньший размер и менее сложны.
Структура белков
Структуру белков можно рассматривать на нескольких уровнях. Самый низший уровень — первичная структура белков, в которой рассматривается, каким образом атомы связываются друг с другом ковалентными связями с образованием цепей молекулы белка. Следующий уровень — вторичная структура, рассматривающая вопрос о том, каким образом эти цепи складываются в пространственные структуры типа колец, листов или компактных сфероидов,
форма которых обусловлена водородными мостиками, связывающими друг с другом различные цепи или различные участки одной и той же цепи. Постепенно выясняются и более высокие уровни структурной организации белков, такие, как переплетение свернутых цепей с образованием веревкообразных структур или слипание нескольких индивидуальных молекул с образованием агрегатов. Рассмотрим сначала первичную структуру белков.
Пептидная цепь
Белки состоят из пептидных цепей, т. е. из аминокислотных остатков, соединенных амидными связями. Они отличаются от полипептидов более высоким молекулярным весом (выше 10 000) и более сложной структурой.
ООО
Пептидная структура белков подтверждается рядом данных: гидролиз, белков кислотами, основаниями или ферментами дает пептиды и, в конце концов, аминокислоты; в ИК-спектрах белков имеются полосы, характерные для амидной группы; основываясь на пептидной связи, можно построить вторичные структуры, в точности отвечающие данным рентгеноструктурного анализа.
Боковые цепи. Изоэлектрическая точка.
Электрофорез
К каждому третьему атому пептидной цепи присоединена боковая цепь. Ее структура зависит от того, к остатку какой кислоты она относится: —Н для глицина, —СН3 для аланина, —СН(СНз)а для валина, —СН2СвН6 для фенилаланина и т. д.
ннн
III
•N—CH—С—N—CH—С—N—СН-С-
IIIIIII II
R ОR ОR" О
Некоторые из этих боковых цепей содержат основные группы: NH2 в лизине или имидазольное кольцо в гистидине. Некоторые из боковых цепей содержат кислые группы: СООН в аспарагиновой или в глутаминовой кислоте. Таким образом, вдоль пептидной цепи расположены положительно и отрицательно заряженные группы. Поведение молекулы белка в электрическом поле
Н о н оN-CH-C—N-CH-C
сн2 I СОО-сн2 I СОО-(СН2)4+ NH3(СН2)4+ NH3
сн2 I СОО-
сн2 I СОО-
(СН2)4
+ NH3
(СН2)4
+ NH3
определяется относительным числом положительных и отрицательных зарядов, которое в свою очередь зависит от кислотности раствора. В изоэлектрической точке число положительных и отрицательных зарядов в точности одинаково, и белок не перемещается в электрическом поле; как и для аминокислот.
в этой точке растворимость белка минимальна. В более кислой, чем изоэлектрическая точка, области pH число положительных зарядов превышает число отрицательных зарядов и белок движется к катоду; в более основной, чем изоэлектрическая точка, области pH число отрицательных зарядов превышает число положительных зарядов и белок движется к аноду.
Все белки содержат пептидный скелет, но для каждого из них характерна своя последовательность боковых групп, которая и определяет его свойства. Если белки имеют различные соотношения числа кислых и основных боковых групп, то вследствие этого их изоэлектрические точки отличаются друг от друга. В растворе с заданной концентрацией ионов водорода некоторые белки движутся по направлению к катоду, а другие — по направлению к аноду; в зависимости от величины заряда, а также от величины и размера молекулы различные белки движутся с неодинаковой скоростью. Подобное различие в поведении в электрическом поле лежит в основе одного из методов разделения и анализа белковых смесей — электрофореза;
Боковые группы влияют на свойства белков не только вследствие их кислых или основных свойств; большую роль играют также другие свойства этих групп, а также размер и форма. Например, постоянная волнистость волос зависит от изменений в дисульфидных (—S—S—)поперечных связях из-за наличия цистеиновых боковых цепей; основное различие между шелком и шерстью обусловлено различием в небольших боковых группах (в фиброине шелка преобладают Н- и СН3-группы); прочность сухожилия связана с плоским строением пирролидинового цикла и способностью ОН-группы оксипролина к образованию водородных связей. Замена одной глутаминовой боковой цепи в молекуле гемоглобина (всего содержится 300 боковых цепочек) на цепь, валина является, по-видимому, причиной заболевания серповидноклеточной анемией, приводящей к смертельным исходам.
Изучение последовательности аминокислот в гемоглобине используют для выяснения вопросов эволюции в новой области науки — химической палеогенетике. Например, p-цепь гемоглобина лошади отличается от соответствующего белка человека в 26 местах (от общего числа 146), свиньи — в 10 местах, а гориллы — всего лишь в одном месте. Подсчитано, что в среднем удачная замена аминокислоты может произойти примерно один раз за десять миллионов лет (удачной считается замена, увеличивающая шансы на выживание). (Подобная замена обеспечивается заменой в последовательности оснований в молекуле нуклеиновой кислоты, разд. 37.18).
Сложные белки. Простетические группы
Молекулы некоторых белков содержат также небелковые остатки, называемые простетическими группами; такие белки называются сложными белками (протеидами). Характер простетической группы теснейшим образом связан со специфической биологической ролью белка.
Например, простетической группой гемоглобина является гемин. Как видно из его структуры, гемин содержит железо,
НООССН2СН2
сн2сн,соон
гемин
связанное с пиррольной системой, известной под названием порфин (сравните со структурой хлорофилла, стр 1015). Именно образование обратимого комплекса кислород — гемин делает возможным для гемоглобина перенос кислорода из легких в ткани. Окись углерода образует аналогичный, но более стабильный комплекс; тем самым окись углерода связывает гемоглобин, делает невозможным перенос кислорода и вызывает смерть. Гемин отделяется от пептидного остатка (глобина) белка при гидролизе в мягких условиях; эти две единицы связаны, как предполагают, при помощи амидной связи между карбоксильной группой гемина и аминогруппой полипептида.
Многие ферменты содержат простетические группы. Кофермент. 1 (фермент дегидрирования, встречающийся в дрожжах) содержит, например, в качестве простетической группы никотинамидадениндинуклеотид (НАД). Эта
простетическая группа состоит из двух молекул D-рибозы, связанных фосфат, ным мостиком, конденсированной гетероциклической системы, известной под названием аденина, и никотинамида в виде четвертичной аммониевой соли Характерная биологическая функция этого фермента включает превращение никотинамидного остатка в дигидроструктуру.
н н
OCONH2+2H^> |M)CONH2
НАД
восстановленный НАД
Подобно никотинамиду, многие молекулы, образующие простетические группы ферментов, являются витаминами, т. е. веществами, которые должны присутствовать в пище для обеспечения правильного роста и нормальной жизнедеятельности организма; безусловно, необходимость в таких веществах связана с их функцией как простетических групп.
Вторичная структура белков
Итак, белки состоят из полипептидных цепей. Каким же образом эти цепи расположены в пространстве и относительно друг друга? Вытянуты ли они друг около друга, образуют ли кольца и петли или сложены в независимые сфероиды?
Большая часть наших сведений о вторичной структуре белков получена методом рентгеноструктурного анализа. Для многих белков рентгенограммы
37 J Аминокислоты и белки позволили обнаружить наличие правильных повторений некоторых структурных единиц. Например, для фиброина шелка расстояние между такими единицами (период идентичности) составляет 7,0 А (0,7 нм), для а-кератина нерастянутой шерсти — 1,5 и 5,1 А (0,15 и 0,51 нм).
Дальнейшая задача состоит в построении структур, которые объясняют появление характеристичной картины дифракции рентгеновских лучей и в то же время согласуются с такими сведениями о первичной структуре, как данные о длинах и углах связей, плоское строение амидной группы, сходство конфигураций всех звеньев относительно асимметрического атома углерода (все ь-ряда), размер и последовательность расположения боковых групп. Ключевым моментом при решении этой задачи является учет стабилизующего влияния водородных связей (5—10 ккал/моль на одну водородную связь) и того принципа, что наиболее устойчивой структурой будет структура, допускающая образование максимального числа водородных связей. Кроме того, на основании данных по изучению более простых соединений принимается, что связь N—Н-—О почти линейна и водород расположен на линии связи между кислородом и азотом или отклоняется от нее не более чем на 20°. Во всей этой работе очень полезным оказалось изучение более простых синтетических полипептидов, содержащих аминокислотные остатки одного вида.
Прогресс, достигнутый в ходе решения столь сложный проблемы, был, естественно, результатом усилий многих исследователей. Среди них — Лайнус Полинг (Калифорнийский технологический институт), получивший в 1954 г. Нобелевскую премию. В 1951 г. Полинг писал: «Четырнадцать лет назад профессор Р. Кори и я, предприняв очень энергичные, но безуспешные попытки решить задачу построения удовлетворительной модели конфигурации полипептидных цепей в белках, решили попытаться справиться с этой задачей косвенным методом, тщательно изучив кристаллы аминокислот, простых пептидов и родственных соединений для того, чтобы получить абсолютно надежные и подробные сведения о структурных характеристиках веществ подобного рода и в конце концов получить возможность уверенного предсказания точных конфигураций полипептидных цепей в белках» [Record. Chern. Prog., 12, 156—157 (1951)]. Эта работа на простых веществах, проводившаяся в течение более 14 лет, позволила в конце концов Полингу с сотрудниками предложить структуру, которая, вероятно, является важнейшей вторичной структурой в химии белков — а-спираль.
Рассмотрим некоторые из предложенных вторичных структур.
В качестве отправной точки удобно рассматривать структуру (вероятно, гипотетическую), в которой пептидные цепи полностью вытянуты в форме плоского зигзага.
Эти цепи вытянуты вдоль друг друга и образуют плоские листы. Каждая цепь связывается при помощи водородных мостиков с двумя соседними цепями (рис. 37.2). В этой структуре период идентичности, т. е. расстояние между альтернирующими аминокислотными остатками, составляет 7,2 А (0,72 нм). (Отметим, что альтернирующие боковые цепи лежат с одной и той же стороны от плоскости чертежа.) Однако пространственная сближенность между боковыми группами делает эту идеализированную плоскую структуру невозможной, если не считать случая синтетического полиглицина.
Пространство, необходимое для размещения боковых групп малого или среднего размера, может быть создано, если пептидные цепи слегка изогнуть:
Цепи все еще находятся одна возле другой, удерживаемые водородными связями. Подобный изгиб приводит к образованию «сложенного листа» с несколько меньшим расстоянием между альтернирующими аминокислотными
Рис. 37.2. Гипотетическая плоская структура белка.
Цепи полностью вытянуты. Соседние цепи ориентированы в противоположном направлении Между соседними цепями образуются водородн ые связи Боковые группы R пространственно сближены.
остатками (рис. 37.3). Подобная структура, называемая £-формой,была предложена для фиброина шелка, в котором период идентичности составляет 7,0 А (0,7 нм) и который по конфигурации ближе всего к полностью вытянутой плоской структуре листа. Существенно, что хотя в фиброине шелка имеется около 15 типов аминокислот, 46% звеньев составляет глицин, не имеющий боковых групп, а еще 38% — аланин и серин с небольшими боковыми группами — СН8 и СН2ОН.
Боковые группы большого размера лучше всего могут быть размещены в структуре совсем иного рода. Каждая цепь закручена так, что образуется спираль (как винтовая лестница). Между различными участками одной и той же цепи возникают водородные связи, фиксирующие структуру спирали. Для а-кератина (нерастянутая шерсть, волосы, рога, ногти) Полинг предложил спираль, в которой на один виток (шаг спирали) приходится 3,6 аминокислотных остатка (рис. 37.4). Согласно моделям, подобная спираль, содержащая 3,6 аминокислотных остатка на виток, образует пространство, достаточное для размещения боковых цепочек, и позволяет образоваться всевоз-
Рис. 37.3. Структура «сложенного листа» (P-форма), предложенная Полингом для фиброина шелка.
Цепи изогнуты для того, чтобы образовалось пространство, допускающее размещение небольших боковых групп. Соседние цепи ориентированы в противоположном направлении; водородные связи между соседними цепями.
Рис. 37.4. Структура а-спирали, предложенная Полингом для а-кератииа.
В такой структуре имеется пространство, в котором вполне могут разместиться объемистые боковые группы. Правая спираль содержит 3,6 аминокислотных остатка на каждый виток; водородные связи внутри одной, цепи.
можным водородным связям. Она также объясняет наблюдаемую величину 1,5 А (0,15 нм) для периодического расстояния, поскольку именно таково расстояние между аминокислотными остатками, измеренное вдоль оси спирали. Для того чтобы уложиться в такую спираль, все аминокислоты должны иметь одну и ту же конфигурацию, что и наблюдается в действительности; кроме того, поскольку они имеют с-конфигурацию, то спираль должна быть правой, как показано на схеме. В настоящее время становится все более очевидным, насколько фундаментальное значение в химии белков имеет структура а-спирали.
«-спираль (правая)«-спираль (правая)[Для того чтобы объяснить период идентичности, равный 5,1 А (0,51 нм) в а-кератине, необходимо рассмотреть то, что является собственно третичной структурой. Полинг предположил, что каждая спираль сама может быть закручена в сверхспираль, имеющую один виток на 35 витков а-спирали. Шесть подобных суперспиралей могут быть заплетены вокруг седьмой вытянутой спирали подобно семижильному кабелю.)
«-спираль (правая)
«-спираль (правая)
При вытягивании шерсти а-кератин превращается в р-ке- ратин, что сопровождается изменением характера рентгено
грамм. Предполагается, что при этом спирали разворачиваются и цепи вытягиваются друг около друга с образованием плоской структуры листа p-типа. При этом происходит разрыв водородных связей внутри спирали, и они заменяются водородными связями между соседними цепями. Из-за большего размера боковых групп пептидные цепи менее растянуты (период идентичности 6,4 А (0,64 нм)], чем в фиброине шелка [период идентичности 7,0 А (0,7 нм)(.
Миозин, фибриллярный белок мышцы, имеет структуру а-спирали. Предполагается, что сокращение мышцы сопряжено с обратимым переходом а-спирали в ^-спираль.
Помимо рентгенограмм, характерных для а- и [3-форм белков, известен еще один тип рентгенограмм, а именно для коллагена — белка сухожилий и кожи. На уровне первичной структуры коллаген характеризуется высоким содержанием остатков пролина и оксипролина и частым повторением фрагмента Gly-Pro-Opr. Присутствие пирролидинового кольца в пролине и оксипролине может несколькими способами воздействовать на вторичную структуру. Азот амидной группы не содержит водорода, способного к образованию
остаток прелинаостаток прелинаостаток оксипролина]остаток оксипролина]
остаток прелина
остаток прелина
остаток оксипролина]
остаток оксипролина]
-водородных связей. Плоское строение пятичленного кольца в сочетании с плоским строением амидной группы не допускает вытягивания пептидной цепи, необходимого для P-структуры, и мешает компактному закручиванию а-спирали.
Структура коллагена сочетает спиральное строение белков a-типа с меж- молекулярными водородными связями белков 0-типа. Три пептидные цепи, каждая в форме левой спирали, закручены вокруг друг друга с образованием трехтяжной правой сверхспирали. Небольшие по размеру остатки глицина, находящиеся через каждые два звена в каждой из цепей, образуют пространство, в котором вполне могут разместиться объемистые пирролидиновые кольца двух других цепей. Три цепи удерживаются друг около друга сильными
водородными связями между остатками глицина и ОН-группами оксипролина.
При кипячении с водой коллаген превращается в хорошо знакомый растворимый в воде белок желатин; при охлаждении раствор не дает снова коллагена, а образует гель. Молекулярный вес желатина равен одной трети молекулярного веса коллагена. Очевидно, эта обработка приводит к разделению ветвей спирали, разрыву межмолекулярных водородных связей и замене их на водородные связи с молекулами воды.
Что касается растворимых глобулярных белков (например, гемоглобина, инсулина, гамма-глобулина, яичного альбумина), то вопрос о характере вторичной структуры еще сложнее. Накапливаются данные, согласно которым и в этом случае а-спираль играет ключевую роль. Подобные длинные пептидные цепи не одинаковы по структуре по всей длине: отдельные их участки свернуты в спирали и являются относительно жесткими; другие участки образуют петли, скручены случайным образом и довольно подвижны. Установлено, что при денатурации белка спиральные участки раскручиваются и цепь в целом приобретает неупорядоченное строение. (Однако опыт показывает, что в определенных условиях раскручивание и возникновение спирали могут быть обратимыми процессами: белок возвращается к исходной вторичной структуре, поскольку это расположение является наиболее стабильным для цепи с данной последовательностью аминокислот.)
В своих физиологических функциях белки очень высокоспецифичны. Например, фермент может расщеплять а-глюкозиды, но не р-глюкоз иды или фермент будет отщеплять лишь С-концевые аминокислотные остатки в полипептиде. Биологическая активность белка зависит не только от характера его простетической группы (если она вообще имеется) и данной последовательности аминокислот, а также от формы его молекулы. Как сказал Э. Фишер в 1894 г. «... фермент и глюкозид должны подходить друг к другу, как ключ к замку...».
По-видимому, жесткие спиральные участки в цепи глобулярного белка необходимы для поддержания нужной формы молекулы. Денатурация приводит к раскручиванию спиралей и разрушению характеристичной формы молекулы белка, в результате чего она утрачивает свою специфическою биологическую активность.
В 1962 г. М. Перутц и Дж. Кендрью (Кембриджский университет) были удостоены Нобелевской премии по химии за работу по установлению структуры гемоглобина и родственного ему миоглобина — молекулы, способной «хранить» кислород. На основании данных рентгеноструктурного анализа и зная аминокислотную последовательность (стр. 1050), они определили трехмерную структуру этих очень сложных молекул: совершенно точно для миоглобина и почти точно для гемоглобина. Они установили, например, что молекула закручена в а-спираль на протяжении шестнадцати звеньев, начиная с концевого N-звена, после чего цепь поворачивает под прямым углом. Исследователи смогли даже сказать, почему она поворачивает: в углу находится звено аспарагиновой кислоты, карбоксильная группа которой нарушает водородные связи, необходимые для продолжения спирали, что и приводит к изменению формы цепи. Четыре сложенные цепи гемоглобина образуют вместе сфероидную молекулу с размерами 64 А х 55 А х 50 А. Четыре плоские группы гема, каждая из которых содержит атом железа, способный связывать молекулу кислорода, укладываются в отдельных карманах в этой сфере. Когда переносится кислород, то цепи слегка смещаются, в результате чего эти карманы становятся немного меньше по размеру; Перутц описал гемоглобин как «дышащую молекулу». Эти карманы «оторочены» углеводородными остатками аминокислот; подобное неполярное окружение предотвращает перенос электронов между кислородом-и-ионом-железа-н-денуекает комплексообразование, необходимое для переноса кислорода.
Нуклеопротеиды и нуклеиновые кислоты
В каждой живой клетке содержатся нуклеопротеиды — вещества, состоящие из белков, соединенных с природными полимерами иного типа — нуклеиновыми кислотами. Вероятно, во всей химии не найдется столь же интересных для изучения веществ, как нуклеиновые кислоты, ибо они являются носителями наследственной информации. Рассмотрим кратко структуру нуклеиновых кислот для того, чтобы в следующем разделе познакомиться с тем, как связана их структура с той жизненно важной (в буквальном смысле этого слова) ролью, которую они играют в наследственности.
Хотя химически нуклеиновые кислоты резко отличаются от белков, они сходны с ними в одном: в молекулах всех нуклеиновых кислот имеется одинаковая (по природе, а не по величине) длинная цепь, являющаяся скелетом молекулы, а к этому скелету прикреплены различные группы, природа и последовательность'1 расположения которых специфичны для каждой нуклеиновой кислоты.
Если скелетом молекулы белка является полиамидная цепь (полипептид- ная цепь), то скелетом молекулы нуклеиновой кислоты служит полиэфирная цепь (полинуклеотидная цепь). Сложноэфирная связь образуется между фосфорной кислотой (кислотный остаток) и сахаром (спиртовой остаток)
основание О основание О
I II I И
— сахар—О—Р—О—сахар—О—Р—О"*
О ополинуклеотивмая цепь
Сахаром является D-рибоза (стр. 946) для класса нуклеиновых кислот, называемых рибонуклеиновые кислоты (РНК), и D-2-дезоксирибоза — для класса, называемого дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК). (Приставка 2-дезокси означает отсутствие ОН-группы при С-2.) Остатки сахара находятся в фуранозной форме и связаны с фосфатом через С-3 и С-5 гидроксильные группы (рис. 37.5).
К атому С-1 каждого сахара при помощи 5-связи присоединено одно из определенного числа гетероциклических оснований. Звено основание — сахар называют нуклеозидом, а звено основание — сахар — фосфорная кислота — нуклеотидом. Пример нуклеотида приведен на рис. 37.6.
В ДНК в качестве оснований встречаются аденин и гуанин, содержащие циклическую систему пурина, и цитозин, тимин и 5-метилцитозин, содержащие пиримидиновую систему. РНК содержит аденин, гуанин, цитозин и урацил (рис. 37.7).
Соотношение этих оснований и последовательность их расположения вдоль полинуклеотидной цепи различны в каждой нуклеиновой кислоте. Первичную структуру нуклеиновых кислот изучают практически так же, как и структуру белков: кислоту расщепляют гидролизом и идентифицируют фрагменты. Именно таким путем после семи лет работы Р. Холли и сотрудники (Корнельский университет) определили точную последовательность 77 нуклеотидов в молекуле РНК одного из типов (стр. 1065).
Что же можно сказать о вторичной структуре нуклеиновых кислот? Приведенная ниже картина находится в соответствии как с химическими данными, так и с результатами рентгеноструктурного анализа. Две полинуклеотидные цепи, идентичные, но ориентированные в противоположном направлении, закручены друг относительно друга в двойную спираль, имеющую диаметр 18 А (1,8 нм) (схематически показана на рис. 37.8). Обе спирали являются правыми и содержат по 10 нуклеотидов на один виток.
Рис. 37.5. Дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) кислоты.
Рис. 37.6. Нуклеотид: адениновое звено РНК.
В данном случае нуклеозидом является аденозин, а гетероциклическим основанием — адении.
В ДНК две спирали связаны друг с другом через определенные интервалы при помощи водородных связей. Изучение молекулярных моделей показало, что водородные связи могут образоваться лишь между аденином и тимином и между гуанином и цитозином; водородные связи между другими парами оснований не позволят им разместиться в структуре двойной спирали. В соответствии с этим представлением отношения аденин : тимин и гуанин : цитозин равны 1 : 1.
Гораздо менее изучена структура РНК, хотя и в этом случае также предполагается спиральная структура.
До сих пор мы обсуждали лишь одну составную часть нуклеопротеинов — нуклеиновую кислоту. Имеются данные, согласно которым в одном из нуклео-
Рис.Рис.37.7.37.7.аденинаденинцитозинцитозингуанингуанинГетероциклические основания ДНК и РНК-Гетероциклические основания ДНК и РНК-Рис. 37.8. Схематическое изображение двойной спирали, предложенной для ДИК-Обе спирали являются правыми и направлены в противоположном направлении; содержат по ю аминокислотных остатков на виток. Водородные связи между спиралями.Рис. 37.8. Схематическое изображение двойной спирали, предложенной для ДИК-Обе спирали являются правыми и направлены в противоположном направлении; содержат по ю аминокислотных остатков на виток. Водородные связи между спиралями.
Рис.
Рис.
37.7.
37.7.
аденин
аденин
цитозин
цитозин
гуанин
гуанин
Гетероциклические основания ДНК и РНК-
Гетероциклические основания ДНК и РНК-
Рис. 37.8. Схематическое изображение двойной спирали, предложенной для ДИК-
Обе спирали являются правыми и направлены в противоположном направлении; содержат по ю аминокислотных остатков на виток. Водородные связи между спиралями.
Рис. 37.8. Схематическое изображение двойной спирали, предложенной для ДИК-
Обе спирали являются правыми и направлены в противоположном направлении; содержат по ю аминокислотных остатков на виток. Водородные связи между спиралями.
протеинов (встречающемся в сперме рыбы) полиаргининовая цепочка лежит в одной из полостей двойной спирали, удерживаемая электростатическими силами между отрицательно заряженными фосфатными группами полинуклеотида (которые направлены наружу от спирали) и положительно заряженными гуанидиновыми группами аргининового остатка.
Химия и наследственность.
Генетический код
Каким же образом связана структура нуклеиновых кислот с их функциями в наследственности? Нуклеиновые кислоты контролируют наследование свойств на молекулярном уровне. Двойная спираль ДНК является хранилищем наследственной информации организма. Информация записана в виде последовательности оснований в полинуклеотидной цепи; это сообщение, написанное при помощи алфавита, состоящего из четырех букв — А, Г, Т и Ц (аденин, гуанин, тимин и цитозин).
ДНК должна не только сохранять информацию, но и использовать ее. Эти функции обеспечиваются следующими ее свойствами: а) молекулы ДНК обладают способностью к дупликации, т. е. могут обеспечить возможность синтеза других молекул ДНК, идентичных исходным; б) молекулы ДНК могут направлять совершенно точным и определенным образом синтез белков, специфичных для данного вида.
Рассмотрим сначала вопрос о саморепликации. Последовательность оснований в одной из цепей двойной спирали контролирует последовательность в другой цепи. Эти две цепи так же точно подогнаны друг к другу, как рука и перчатка (сравнение Ф. Крика). После того как они разделятся, вокруг руки «вырастает» новая перчатка, а внутри перчатки «вырастает» новая рука. Таким образом сохраняется и передается новому поколению исходная структура.
Далее рассмотрим вопрос регулирования синтеза белков. Принимается, что данная последовательность оснований в полинуклеотидной цепи опреде-
ляет последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Молекулу белка можно уподобить длинному предложению, написанному при помощи алфавита, состоящего из 20 букв — двадцати различных аминокислотных остатков. Но наследственная информация записана при помощи алфавита, состоящего из четырех букв, причем она записана в виде кода, в котором каждое слово состоит из трех букв и, по-видимому, соответствует определенной аминокислоте.
Интенсивные исследования были направлены не только на разгадку кода, но и на выяснение механизма передачи информации. Молекула ДНК служит матрицей для синтеза молекул РНК- Предполагается, что двойная спираль ДНК частично раскручивается и на отдельных ее цепях образуются цепи РНК- Этот процесс напоминает, таким образом, саморепликацию ДНК с той разницей, что эти новые цепи содержат рибозу вместо дезоксирибозы.
Последовательность оснований в цепи РНК отлична от их последовательности в цепи ДНК, но она полностью определяется последней: там, где в цепи ДНК находится аденин, в цепи РНК стоит урацил; против гуанина — цитозин; против тимина — аденин; против цитозина — гуанин. Таким образом, последовательность ААТЦАГТТ в ДНК превращается в последовательность УУАГУЦАА в РНК.
Один из видов РНК, так называемая РНК-посредник, или информационная РНК, переносит информацию на рибосому, где собственно и происходит синтез белка. В рибосому к информационной РНК поступает набор транспортных РНК, каждая из которых связана с определенной аминокислотой (о последовательности оснований в одной из этих 20 транспортных РНК, а именно об РНК, переносящей аланин, и шла речь на стр. 1062). Порядок поступления молекул транспортной РНК в рибосому, а следовательно, и последовательность включения аминокислотных остатков в белковую цепь зависит от последовательности оснований в цепи информационной РНК- Так, ГУА является кодовым «словом» для аспарагиновой кислоты, УУУ — для фенилаланина, УГУ — для валина. Существует 64 трехбуквенных «слова» (64 кодона)) и лишь двадцать аминокислот, и поэтому одной и той же аминокислоте могут соответствовать несколько кодонов: для аспарагина — АДА и АУА, для глутаминовой кислоты — ГАА и АГУ.
Отличие в единственном основании в молекуле ДНК или единичная ошибка в считывании кода вызывает изменение в последовательности аминокислотных остатков. Тот микроскопический дефект в молекуле гемоглобина, который является причиной серповидноклеточной анемии (стр. 1055), был прослежен до единичного гена — участка цепи ДНК, в котором, по-видимому, произошла замена кодона ТЦА на АЦА. Имеются данные в пользу того, что антибиотики способны, изменяя рибосому, вызывать ошибки в считывании кода, которые могут привести к гибели организма.
Таким образом, структура нуклеиновой кислоты определяет структуру молекулы белка. Структура молекулы белка определяет вид и способ его влияния на процессы жизнедеятельности. Иными словами, все более вскрывается та определяющая роль, которую играет в биологии форма и размер молекул.
В начале этой книги мы отметили, что теория строения составляет основу органической химии. Можно высказать еще более категоричное утверждение: теория строения является основой для понимания сущности явления жизни.
ЗАДАЧИ
Укажите все стадии в синтезе фенилаланина из толуола и любых необходимых алифатических и неорганических реагентов при помощи следующих методов:
прямого аммонолиза,г) фталимидомалоиового метода,
синтеза Габриэля,д) синтеза Штреккера,
синтеза при помощи малоновогое) восстановительного аминирова-
эфира,ния.
а) Напишите структурные формулы всех промежуточных соединений в следующем синтезе пролина:
фталимид калия + броммалоновый эфир -♦ А,
C2H5ONa
А + Вг(СН2)3Вг B(C,eHMOeNBr),
Б + ацетат калия > B(C,0H2SO8N),
В + NaOH, нагревание; затем Н+, нагревание > Г(С5НПО3М),
Г + НС! > [Д(С6Н10О2НС1)1 ► пролин.
Приведите возможную схему синтеза лизина с помощью фталимидомалонового метода.
Напишите структурные формулы всех промежуточных соединений в следующих синтезах аминокислот:
реакция Михаэля
этилапетамидомалонат [CHgCONHCHfCOOQHJJ + акролеин*
>. A(C12H,,O,N).
А + KCN + уксусная кислота > Б^зН^ОеМд),
Б + кислота + нагревание » BfCuHjgOjNy),
В + Н2, катализатор, в уксусном ангидриде »[Г(С13Н24О5К2)1, уксусный ангидрид
Т—» Д(С16Н2вОвН2),
Д + ОН , нагревание; затем Н+; затем нагревание ♦ (±)-лизин;
реакция Михаэля
акрилонитрил + этилмалоиат » E(C,0II]5O4N),
Е + Не, катализатор > DKfCi.HnOgNH ► 3(CgH13O3N).
3 + SO2C1, в СНС!„ * H(QH12O3NC1),
И + НС1, нагревание » K(C5H10O2NCI),
основание
К *• (±)-пролин;
глутаминовая кислота была получена из акролеииа при помощи синтеза Штреккера. Покажите, каким образом это можно сделать. (.Указание: см. разд. 32.6.)
Исходя из аналогии с поведением оксикислот (гл. 31), предскажите структуры соединений, которые образуются при нагревании следующих аминокислот:
а-аминокислоты, глицин > C4HeO2N2 (дикетопиперазин),
р-аминокислоты, CH3CH(NH2)CH2COOH>С4Н,О2,
у-аминокислоты, CH3CH(NH2)CH2CH2COOH> C6H,ON (лактам),
о-аминокислоты, H2NCH2CH2CH2CH2COOH »C5H,ON(лактам).
а) Покажите, каким образом связана специфическая диполярная структура гистидина, приведенная в табл. 37.1. с ответом на задачу 20 (б), стр. 1036.
Напишите две возможные диполярные структуры для лизина. Приведите доводы, подтверждающие справедливость структуры, данной в табл. 37.1.
Ответьте на вопрос (б) для аспарагиновой кислоты.
Ответьте на вопрос (б) для аргинина (указание: см. задачу 29.35, стр. 876).
Ответьте на вопрос (б) для тирозина.
а) Бетаин (С6НПО2М) встречается в мелассе сахарной свеклы. Он представляет собой растворимое в воде твердое вещество, которое плавится с разложением при 300 °C; не реагирует с основаниями, но реагирует с соляной кислотой, давая кристаллическое вещество CsH12O2NC1. Бетаин можно получить двумя путями: обработкой глицииа иодистым метилом или при взаимодействии хлоруксусной кислоты с триметиламином.
Напишите структурную формулу бетаина, объясняющую указанные свойства.
Тригонеллин (CjH,O2N) представляет собой алкалоид, встречающийся в кофейных зернах; он также выделяется из организма как продукт метаболизма никотиновой кислоты. Он не растворим в бензоле или эфире и растворим в воде, давая нейтральный раствор; не реагирует с кипящей водной кислотой или основанием. Его синтез был осуществлен следующим образом:
никотиновая кислота + СН31 + КОН > А(СаН10О2М1),
А + Ag2O + Н2О, слабое нагревание —-* тригонеллин + Agl + СН3ОН. Какая структура тригонеллина отвечает всем этим свойствам?
В нуклеиновых кислотах встречаются, в частности, три следующих основания: урацил, тимин и цитозин (их структура приведена на рис. 37.7). Они были синтезированы следующим образом:
реакция Михаэля
мочевина + этилакрилат* (A(C6H12O3N2)] *
♦ B(C4H6O2N2) + QHgOH,
Б + Вг2 в уксусной кислоте > В(С4Н5О2М2Вг),
В + кипящий пиридин > урацил(С4Н4О2М2).
Напишите структурные формулы соединений А, Б и В.
Тимин (CBH4O2N2) был получен таким же путем, но только вместо этилакрилата исходили из этилметакрилата СНа=С(СН3)СООС2Нв.
Напишите уравнения всех стадий этого синтеза.
Урацил + РОС13, нагревание» f(C4H2N2CI2), атомы хлора у различных атомов углерода,
Г + NH3 (спирт), 100 °C > Д(С4Н4М3С1) и E(C4H4N3C1),
Д + CH3ONa > Ж(СБН7ОМ3),
Ж + НС1 (води.) » цитозин (C4HBON3).
Напишите структурные формулы соединений Г—Ж.
Для урацила возможны шесть таутомерных структур. Какие это структуры?
Аминогруппу можно защитить ацилированием фталевым ангидридом с образованием N-замещенного фталимида. Защитную группу можно удалить обработкой гидразином H2N—NH2 (см. задачу 29.27, стр. 871), причем в этом случае не затрагиваются пептидные связи. Напишите уравнения реакций, показывающие, каким образом эту методику (разработанную Дж. Шиханом, Массачусетский технологический, институт) можно применить для синтеза глицилаланина (Gly-Ala) и аланилглицина (Ala-Gly).
Элементный анализ цитохрома с— фермента, участвующего в процессах окисления — восстановления, показал содержание 0,43% Fe и 1,48% S. Какой минимальный молекулярный вес фермента? Каково минимальное число атомов железа и атомов серы на молекулу фермента?
Белок ^-лактоглобулин, выделяемый из сырной сыворотки, имеет молекулярный вес 42020 ф- 105. При гидролизе 100 мг белка кислотой с последующим подщелачиванием получено 1,31 мг аммиака.
Откуда выделился аммиак и сколько примерно таких групп содержится в молекуле?
Полный гидролиз 100 мг белка требует участия 17 мг воды.
Сколько амидных связей на молекулу при этом расщепляется?
Учитывая результаты (а) и (б), а также наличие в белке четырех N-концевых групп (четыре пептидные цепи в молекуле), укажите, сколько аминокислотных остатков входит в состав этого белка.
Полная структура грамицидина S — полипептида со свойствами антибиотика — была установлена следующим образом:
Анализ продуктов гидролиза дал эмпирическую формулу Leu, Огп, Phe, Pro,
Vai. (Орнитин, Огп, H3NCHECH2CH2CH(NH2)COO~,— редко встречающаяся аминокислота.) Интересно, что фенилаланин имеет необычную D-конфигурацию.
Определение молекулярного веса дает примерную величину 1300. На этом основании рассчитайте молекулярную формулу грамицидина S.
Определение С-концевого звена дает отрицательный результат; определение N- концевого звена при помощи ДНФБ приводит к ДНФ—NHCH2CH2CH2CH(NH3)COO~ в качестве единственного продукта. На какую структурную особенность пептидной цепи это указывает?
Частичный гидролиз грамицидина S дал следующие ди- и трипептиды:
Leu-PhePhe-ProPhe-Pro-Val
Orn-LeuVal-OrnPro-Val-Orn
Val-Orn-Leu
Какова структура грамицидина S?
Структура инсулина была определена Сэнджером (разд. 27.9). на основании следующих данных. Используйте их для самостоятельного вывода последовательности аминокислотных остатков в белке.
Бычий инсулин имеет молекулярный вес порядка 6000 и состоит из двух полипеп- тидных цепей, связанных дисульфидными мостиками цистиновых остатков. Эти цепи можно отделить друг от друга окислением, которое превращает звенья Суз—S—S—Суз или Суз в соответствующие сульфокислоты (CysSO3H).
Одна из цепей (А) состоит из 21 аминокислоты, является кислотой и имеет эмпирическую формулу
GlyAlaVal2Leu2I leCys4Asp2Glu4Ser2Tyr2.
Другая цепь (Б) состоит из 30 аминокислот, является основанием и имеет эмпирическую формулу
Gly3Ala2Val3Leu4ProPhe3Cys2ArgHis2LysAspGlu3SerThrTyr2.
(Цепь А имеет четыре амидные группы в качестве боковых групп, а цепь Б — две такие группы, но пока мы их не будем учитывать.)
Обработка цепи Б 2,4-динитрофторбензолом (ДНФБ) с последующим гидролизом дала ДНФ-Phe и ДНФ-Phe-Val; при обработке цепи Б карбоксипептидазой она теряет аланин.
Кислотный гидролиз цепи Б дал следующие трипептиды:
Glu-His-Leu Gly-Glu-Arg His-Leu-Cys Leu-Cys-GlyGlu-His-Leu Gly-Glu-Arg His-Leu-Cys Leu-Cys-GlyLeu-Val-Cys Leu-Val-Glu Phe-Val-Asp Pro-Lys-Ala Ser-His-LeuLeu-Val-Cys Leu-Val-Glu Phe-Val-Asp Pro-Lys-Ala Ser-His-LeuTyr-Leu-Val Val-Asp-Glu Val-Cys-Gly Val-Glu-AlaTyr-Leu-Val Val-Asp-Glu Val-Cys-Gly Val-Glu-Ala
Glu-His-Leu Gly-Glu-Arg His-Leu-Cys Leu-Cys-Gly
Glu-His-Leu Gly-Glu-Arg His-Leu-Cys Leu-Cys-Gly
Leu-Val-Cys Leu-Val-Glu Phe-Val-Asp Pro-Lys-Ala Ser-His-Leu
Leu-Val-Cys Leu-Val-Glu Phe-Val-Asp Pro-Lys-Ala Ser-His-Leu
Tyr-Leu-Val Val-Asp-Glu Val-Cys-Gly Val-Glu-Ala
Tyr-Leu-Val Val-Asp-Glu Val-Cys-Gly Val-Glu-Ala
При этом также выделены и идентифицированы многие дипептиды, из которых имеют значение два следующих: Arg-Gly и Thr-Pr>.
На основании этих данных постройте, насколько возможно полно, цепь Б. Среди многочисленных тетрапептидов и пентапептидов, полученных при гидролизе цепи Б, были обнаружены следующие:
His-Leu-Val-GluTyr-Leu-Val-Cys
Ser-His-Leu-ValPhe-Val-Asp-Glu-His
Насколько полно вы можете теперь реконструировать цепь Б? Какие аминокислотные остатки остались еще неиспользованными?
Ферментативный гидролиз цепи Б дал недостающие фрагменты:
Val-Glu-Ala-LeuHis-Leu-Cys-Gly-Ser-His-Leu
Tyr-Thr-Pre-Lys-AlaTyr-Leu-Val-Cys-Gly-Glu-Arg-Gly-Phe-Phe
Какова полная последовательность звеньев в цепи Б бычьего инсулина?
Обработка ДНФБ цепи А дает ДНФ-Gly; было показано, что С-концевой группой является аспарагиновая кислота Asp. Кислотный гидролиз цепи А дал следующие трипептиды:
Cys-Cys-AlaGlu-Leu-Glu
Glu-Asp-TyrLeu-Tyr-Glu
Glu-Cys-CysSer-Leu-Tyr
Glu-Glu-CysSer-Val-Cys
Среди других пептидов, полученных при кислотном гидролизе цепи А, обнаружены следующие:'*
Cys-AspTyr-CysGly-Ile-Val-Glu-Glu
На основании этих данных постройте, насколько возможно полно, цепь А. Много ли остается неиспользованных аминокислотных остатков?
Данные, приведенные выше, позволяют установить последовательность четырех частей цепи А, но остается неясным, какой из двух центральных фрагментов, Ser-Val-Cys или Ser-Leu-Tyr, стоит первым. Этот вопрос был решен ферментативным гидролизом цепи А действием пепсина, что привело к пептиду, не содержавшему аспарагиновой кислоты (Asp) или тирозина (Туг). Гидролиз этого пептида дал Ser-Val-Cys и Ser-Leu.
Какова теперь полная структура цепи А бычьего инсулина?
В инсулине цистеиновые звенья (Cys) образуют дисульфидные цистиновые мостики Cys—S—S—Cys. Остаток 7 цепи А (нумерация от N-концевого остатка) связан с остатком 7 цепи Б, остаток 20 цепи А — с остатком 19 цепи Б; кроме того, имеется также связь между остатками 6 и 11 цепи А.
Остатки 5, 15, 18 и 21 в цепи А и остатки 3 и 4 цепи Б содержат амидные группы.
Напишите структурную формулу полной молекулы инсулина. (Обратите внимание на то, что дисульфидная петля в цепи А представляет собой 20-атомное пентапептид- ное кольцо того же размера, что и кольцо в окситоцине.)
При определении N-концевой группы цепи Б в инсулине в действительности получаются в равных количествах два различных ДНФ-производных аминокислот. Одним из них является ДНФ-Phe. Какой аминокислотой могла бы быть другая?
Что бы образовалось, если бы эта вторая аминокислота была N-концевой?
Список литературыдля углубленного изучения^
Общая литература
Несмеянов А. Н., Несмеянов Н. А., Начала^органической химии, изд-во «Химия», М., т. I, 1969; т. II, 1970.
Неницеску К. К., Органическая химия, ИЛ, Москва, т. I, 1962; т. II, 1963.
Крам Д., Хэммонд Дж., Органическая химия, изд-во «Мир», М., 1968.
Физер Л., Физер М., Органическая химия, т. I и II, изд-во «Химия», М., 1966.
Робертс Дж., Касерио М., Органическая химия, т. 1 и 2, изд-во «Мир», М., 1968.
Барле Р., Пьер Ж.-П., Пособие для изучающих органическую химию, изд-во «Мир», М., 1971.
Гото Т., Хирата И., Стоун Г., Современная органическая химия в вопросах и ответах, изд-во «Мир», М., 1971.
Общий практикум по органической химии, изд-во «Мир», М., 1965.
Реутов О. А., Теоретические основы органической химии, изд-во МГУ, 1964.
Темникова Т. И., Теоретические основы органической химии, изд-во «Химия», Л., 1968.
Беккер Г., Введение в электронную теорию органических реакций, изд-во «Мир», М„ 1965.
Сондерс У., Ионные реакции в алифатическом ряду, изд-во «Мир», М., 1967.
Бреслоу Р., Механизмы органических реакций, изд-во «Мир», М., 1968.
Сайкс П., Механизмы реакций в органической химии, изд-во «Мир», М., 1971.
Ингольд К., Теоретические основы органической химии, изд-во «Мир», М., 1973.
Гаммет Л., Основы физической органической химии, изд-во «Мир», М., 1972.
Лейдлер К., Кинетика органических реакций, изд-во «Мир», М., 1966.
Жданов Ю. А., Минкин В. И., Корреляционный анализ в органической химии, изд-во Ростовского университета, 1966.
Пальм В. А., Основы количественной теории органических реакций, изд-во «Химия», Л., 1967.
Пространственные эффекты в органической химии, под ред. М. Ньюмена, ИЛ, М., 1960.
Современные проблемы физической органической химии, изд-во «Мир», М., 1967.
Новые проблемы физической органической химии, изд-во «Мир», М., 1969.
Методы и достижения в физико-органической химии, изд-во «Мир», М., 1973.
Пакетт Б., Основы современной химии гетероциклических соединений, изд-во «Мир», М., 1971.
Кирмсе В., Химии карбенов, изд-во «Мир», М., 1966.
Успехи органической химии, т. 1, ИЛ, М., 1963; тт. 2—5, изд-во «Мир», М., 1964— 1968.
Реакции и методы исследования органических соединений, сборники статей, тт. 1 — 12, Госхимиздат, М., 1951—1963; тт. 13—23, изд-во «Химия», М., 1964—1973.
Органические реакции (сборники статей), тт. 1 —10, ИЛ, М., 1948—1963; тт. 11 —14, изд-во «Мир», М., 1965—1967.
Серрей А., Справочник по органическим реакциям. Именные реакции в органической химии, Госхимиздат, М., 1962.
Терентьев А. И., ЯновскаяЛ. А., Химическая литература и пользование ею, изд-во «Химия», М., 1967.
• Список литературы для углубленного изучения составлен канд. хим. наук С. И. Якимовичем.
Структура молекул и внутримолекулярные силы
Реутов О. А., Теоретические основы органической химии, изд-во МГУ, 1964, гл. 1, стр. 5.
Темникова Т. И., Теоретические основы органической химии, изд-во «Химия», Л., 1968, гл. II, стр. 40; гл. III, стр. 122; гл. IV, стр. 128.
Беккер Г., Введение в электронную теорию органических реакций, изд-во «Мир», М., 1965, гл. 1, стр. 13; гл. 2, стр. 45.
Инголд К., Теоретические основы органической химии, изд-во «Мир», М., 1973, гл. 1, стр. 11; гл. II, стр. 37; гл. III, стр. 101.
Уэланд Г., Резонанс в органической химии, Госхимиздат, М., 1947.
Паулине Л., Природа химической связи, Госхимиздат, М., 1947.
Татевский В. М., Квантовая механика и теория строения молекул, изд-во МГУ, М„ 1965.
Базилевский М. В., Метод молекулярных орбит и реакционная способность органических молекул, изд-во «Химия», М., 1969.
Робертс Дж., Расчеты по методу молекулярных орбит для химиков-оргаииков, изд-во «Мир», М„ 1965.
Стрейтвивер Э., Теория молекулярных орбит для химиков-органиков, изд-во «Мир», М., 1965.
Дьюар М., Теория молекулярных орбиталей в органической химии, изд-во «Мир», М„ 1972.
Вудворд Р., Хоффман Р., Сохранение орбитальной симметрии, изд-во «Мир», М., 1971.
Дьюар М., Сверхсопряжение, изд-во «Мир», М., 1965.
Спайс Дж., Химическая связь и строение, изд-во «Мир», М., 1966.
Грей Г., Электроны и химическая связь, иэд-во «Мир», М., 1967.
Коулсон Ч., Валентность, изд-во «Мир», М., 1965.
Маррел Дж., Кетта С., Теддер Дж., Теория валентности, изд-во «Мир», М., 1968.
Пиккок Т., Электронные свойства ароматических и гетероароматических молекул, изд-во «Мир», М., 1969.
Пиментел Г., Как квантовая механика объясняет химическую связь, изд-во «Мир», М„ 1973.
Хигаси К., Баба X., Рембаум А., Квантовая органическая химия, изд-во «Мир»,, М., 1967.
Изомерия и стереохимия
Терентьев А. П., Потапов В. М., Основы стереохимии, изд-во «Химия», М.-Л., 1964.
Потапов В. М., Стереохимия, изд-во «Химия», М., 1974.
Илиел Э., Стереохимия соединений углерода, изд-во «Мир», М., 1965.
Илиел Э., Основы стереохимии, изд-во «Мир», М., 1971.
Блага К. Червинка О., Ковар П., Основы стереохимии и конформационного анализа, изд-во «Химия», Л., 1974.
Добен У., Питцер К.» Конформационный анализ, в кн. «Пространственные эффекты в органической химии», под ред. М. Ньюмена, ИЛ, Москва, 1960, стр. 9.
Стереохимия производных циклогексана, ИЛ, М., 1958.
Илиел Э., Аллинжер Н., Энжиал С., Моррисон Г., Конформационный анализ, изд-во «Мир», М„ 1969.
Избранные проблемы стереохимии, под ред. Н. Аллинжера и Э. Илиела, изд-во «Мир», М., 1970.
Успехи стереохимии, под ред. В. Клайна и П. де ла Мара, Госхимиздат, М., 1961.
Клабуновский Е. И., Асимметрический синтез. Госхимиздат, М., 1960.
Клабуновский Е. И., Стереоспецифический катализ, изд-во «Наука», М., 1968.
Моррисон Дж., Мошер Г., Асимметрические органические реакции, изд-во «Мир», М„ 1973.
Кислоты и основания
Реутов О. А., Теоретические основы органической химии, изд-во МГУ, 1964, гл, 1, стр. 108.
Темникова Т. И., Теоретические основы органической химии, изд-во «Химия», Л., 1968, гл. VI, стр. 200.
Беккер Г., Введение в электронную теорию органических реакций, изд-во «Мир», 1965, гл. 2, стр. 45.
Ингольд К., Теоретические основы органической химии, изд-во «Мир», М., 1973, гл. XIV, стр. 909.
Альберт А., Сержент Е., Константы ионизации кислот и оснований, изд-во «Химия», М. — Л., 1964.
Хэммонд Дж., Пространственные факторы в раииовесиых системах, в ки. «Пространственные эффекты в органической химии», под ред. М. Ньюмена, ИЛ, М., 1960, стр. 431.
Барлин Дж. Б., Перрен Д. Д., «Предсказание силы органических кислот», Усп. хим., 37, 303 (1968).
Кошкина И. М., Основность аминов, в кн. «Современные проблемы органической химии», вып. 2, под ред. К. А. Оглоблина, изд-во ЛГУ, 1971, стр. 92.
Номенклатура
Справочник химика, т. 2, изд-во «Химия», Л. — М., 1964. Справочник химика, дополнительный том, изд-во «Химия», Л., 1968.
Колодников Г. В., Сборник задач и упражнений по органической химии, изд-во ЛГУ, Л., 1971.
Потапов В. М., Стереохимия, изд-во «Химия», М., 1974.
Свободные радикалы
Реутов О. А., Теоретические основы органической химии, изд-во МГУ, М., 1964, гл. 5, стр. 340.
Темникова Т. И., Теоретические основы органической химии, изд-во «Химия», Л., 1968, гл. XXX, стр. 849; гл. XXXI, стр. 920.
Беккер Г., Введение в электронную теорию органических реакций, изд-во «Мир», М„ 1965, гл. 9, стр. 521.
Ингольд К., Теоретические основы органической химии, изд-во «Мир», М., 1973, гл. XVII, стр. 1017.
Уоллинг Ч., Свободные радикалы в растворе, ИЛ, М., 1960.
Прайер У., Свободные радикалы, Атомиздат, М., 1970.
Карбониевые ионы
Темникова Т. И., Теоретические основы органической химии, изд-во «Химия», Л., 1968, гл. VII, стр. 244.
Бетел Д., Голд В. Карбониевые ионы, изд-во «Мир», М., 1970.
Столяров Б. В., Карбониевые ионы; их строение и перегруппировки, в ки. «Современные проблемы органической химии», вып. 1, под ред. И. А. Дьяконова и Б. В. Иоффе, изд-во ЛГУ, Л., 1969, стр. 5.
Депо Н. К., Ионы карбония, в ки. «Современные проблемы физической органической химии», изд-во «Мир», М., 1967, стр. 393.
Ола Г. А., Питтман Ч., мл.. Спектроскопические свойства алкилкарбониевых ионов в растворах сильных кислот, в кн. «Новые проблемы ^физической органической химии», изд-во Мир», М., 1969,стр. 338.
Ли К., Протонированные ‘циклопропаны, в кн. «Методы и достижения в физикоорганической химии», изд-во «Мир», М., 1973, стр. 362.
Карбанионы и таутомерия
Реутов О. А., Теоретические основы органической химии, изд-во МГУ, М., 1964, гл. 10, стр. 618.
Темникова Т. И., Теоретические основы органической химии, изд-во «Химия», Л., 1968, гл VII, стр. 244; гл. XX, стр. 574.
Ингольд К., Теоретические основы органической химии, изд-во «Мир-, М., 1973, гл. XI, стр. 657.
Крам Д., Основы химии карбанионов, изд-во «Мир», М., 1967.
Айрис К. К., Карбанионы в органическом синтезе, изд-ио «Химия», Л., 1969.
Суворова Г. Н., Карбанионы. Строение и пространственная стабильность, в ки. «Современные проблемы органической химии», вып. 1, под ред. И. А. Дьяконова и Б. В. Иоффе, изд-во ЛГУ, Л., 1969, стр. 49.
Кольцов А. И., Хейфец Г. М., «Изучение кето-еиольной таутомерии с помощью спектров ПМР», Усп. хим., 40, 1646 (1971).
Кольцов А. И., Хейфец Г. М., «Изучение таутомерии с помощью спектров ядериого магнитного резонанса*, Усп. хим., 41, 877 (1972).
Катрицкий А. Р., «Прототропная таутомерия гетероциклических соединений», Усп. хим., 41, 700 (1972).
Нуклеофильное замещение в алифатическом ряду
Реутов О. А., Теоретические основы органической химии, изд-во МГУ, 1964, гл. 2, стр. 126.
Темникова Т. И., Теоретические основы органической химии, изд-во «Химия», Л., 1968, гл. X, стр. 314.
Беккер Г., Введение в электронную теорию органических реакций, изд-во «Мир», М., 1965, гл. 4, стр. 124.
Ингольд К., Теоретические основы органической химии, изд-во «Мир», М., 1973, гл. VII, стр. 351.
Илиел Э., Замещение у насыщенного атома углерода, в кн. «Пространственные эффекты в органической химии», под ред. М. Ньюмена, ИЛ, М., 1960, стр. 65.
Электрофильное и нуклеофильное замещение в ароматическом ряду
Реутов О. А., Теоретические основы органической химии, изд-во МГУ, М., 1964» гл. 8, стр. 454.
Темникова Т. И., Теоретические основы органической химии, изд-во «Химия», Л., 1968, гл. XI, стр. 359.
Беккер Г., Введение в электронную теорию органических реакций, изд-во «Мир», М., 1965, гл. 7, стр. 367.
Ингольд К., Теоретические основы органической химии, изд-во «Мир», М., 1973, гл. VI, стр. 227.
Хэммонд Дж., Хаусорон М., Пространственные факторы при реакции замещения в ароматических соединениях, в кн. «Пространственные эффекты в органической химии», под ред. М. Ньюмена, М., ИЛ, 1960, стр. 174.
Берлинер Э., Реакции электрофильного ароматического замещения, в кн. «Современные проблемы физической органической химии», изд-во «Мир», М., 1967, стр. 444.
Росс С. Д., Реакции нуклеофильного замещения в ароматических соединениях, в кн. «Современные проблемы физической органической химии», изд-во «Мир», М., 1967, стр. 33.
Присоединение к углерод-углеродным кратным связям
Реутов О. А., Теоретические основы органической химии, изд-во МГУ, М., 1964, гл. 4, стр. 223.
Темникова Т. И., Теоретические основы органической химии, изд-во «Химия», Л., 1968, гл. XIV, стр. 422; гл. XVI, стр. 490.
Беккер Г., Введение в электронную теорию органических реакций, изд-во «Мнр», М„ 1966, гл. 7, стр. 367.
Ингольд К., Теоретические основы органической химии, изд-во «Мнр», М., 1973, гл. XIII, стр. 783.
де ла Мар П., Болтон Р., Электрофильное присоединение к ненасыщенным системам, изд-во «Мир», М., 1968.
Алкены, под ред. С. Патай, изд-во «Химия», Л., 1969.
Химия ацетиленовых соединений, под ред. Г. Г. Вийе, изд-во «Химия», М., 1973.
Успехи химии ацетиленовых соединений, под. ред. Г. Г. Вийе, нзд-во «Химия», М„ 1973.
Вассерман А., Реакции Дильса — Альдера, изд-во «Мир», М., 1968.
Онищенко А. С., Диеновый синтез, нзд-во АН СССР, М., 1963.
Аксенов В. С., Строение 1,3-диеновых углеводородов и их реакции с электрофильными реагентами, в кн. «Современные проблемы органической химии», вып. 2, под ред. К- А. Оглоблина, изд-во ЛГУ, Л., 1971, стр. 16.
УоллингЧ., Хойзер Э., Свободнорадикальные реакции присоединения к олефинам с образованием углерод-углеродных связей, в кн. «Органические реакции», т. 13, изд-во «Мир», М., 1966, гл. III, стр. 103.
Цвейфель Ж., Броун Г., Гидратация олефинов, диенов и ацетиленов путем гидроборирования, в кн. «Органические реакции», т. 13, изд-во «Мир», М., 1966, гл. I, стр. 7.
Паркам У. Э., Швейцер Э. Э., Галогенциклопропаны из галогенкарбенов, в кн. «Органе’ е кие реакции», т. 13, изд-во «Мир», М., 1966, гл. II, стр. 66.
Отщепление
Реутов О. А., Теоретические основы органической химии, изд-во МГУ, М., 1964. гл. 3, стр. 197.
Темникова Т. И., Теоретические основы органической химии, изд-во «Химия», Л., 1968, гл. XIII, стр. 398.
Беккер Г., Введение в электронную теорию органических реакций, изд-во «Мир», М„ 1965, гл. 5, стр. 187.
Ингольд К., Теоретические основы органической химии, изд-во «Мир», М., 1973, гл. IX, стр. 537.
Алкены, под ред. С. Патай, изд-во «Химия», Л., 1969.
Крам Д., Реакции элиминирования, приводящие к алкенам, в кн. «Пространственные эффекты в органической химии», под ред. М. Ньюмена, ИЛ, М., 1960, стр. 314.
Кебрих Г., «Реакции элиминирования в ряду олефинов», Усп. хим., 37, 608 (1968).
Нэс Г. Р., Получение олефинов пиролизом ксантогенатов. Реакция Чугаева, в кн. «Органические реакции», т. 12, изд-во «Мир», М., 1965, гл. II, стр. 71.
Окисление
Темникова Т. И., Теоретические основы органической химии, нзд-во «Химия». Л 1968, гл. XXXII, стр. 964.
Уотерс У., Механизмы окисления органических соединений, изд-во «Мир». М. 1966.
Белов В. М., Хейфиц Б. А., Вирезуб С. И., Окисление карбонильных соединений перекисью водорода и надкислотами (реакция Байера — Виллигера), в кн. «Реакции и методы исследования органических соединений», т. 10, химия, М., 1961, стр. 7.
Ганстон Ф. Д., Методы гидроксилирования, в кн. «Успехи органической химии», т. 1, ИЛ, М., 1963, стр. 114.
СвернД., Получение а-окисей и а-гликолей из соединений с этиленовыми связями при помощи надкислот, в кн. «Органические реакции»,р. 7, ИЛ, М., 1956, гл. VII, стр. 476.
Джексон Э. Л., Окисление иодной кислотой, в кн. «Органические реакции», т. 2. ИЛ, М., 1950, гл. VIII, стр. 362.
Юрьев Ю. К-, Левина Р. Я-, Шабаров Ю. С., Практические работы по органической химии, выпуск IV, изд-во МГУ, М., 1969, гл. II, стр. 82.
Восстановление и гидрирование
Джекман Л. М., Реакции гидрирования — дегидрирования, в кн. «Успехи органической химии», т. 2, изд-во «Мир», М., 1964, стр. 328.
Катализ. Стереохимия и механизмы органических реакций, изд-во «Мир», М., 1968.
Ахрем А. А., Решетова И. Г., Титов Ю. А., Восстановление ароматических соединений по Берчу, в кн. «Реакции и методы исследования органических соединений», т. 20, изд-во «Химия», М., 1969, стр. 5.
Родионов В. М., Ярцева Н. Г., Реакции Кижнера, в кн. «Реакции н методы исследования органических соединений», т. 1, Госхимиздат, М., 1951, стр. 7.
Мартин Э., Восстановление по Клемменсену, в кн. «Органические реакции», т. 1, ИЛ, М., 1948, гл. VII, стр. 196.
Уайлдс А. Л., Восстановление алкоголятами алюминия (Восстановление по Меер- вейну — Пондорфу), в кн. «Органические реакции», т. 2, ИЛ, М., 1950, гл. 5, стр. 194.
Браун В. Г., Восстановление алюмогидридом лития, в кн. «Органические реакции», т. 6, ИЛ, М., 1953, гл. VII, стр. 409.
Юрьев Ю. К-, Левина Р. Я-, Шабаров Ю. С., Практические работы по органической химии, вып. IV, изд-во МГУ, М., 1969, гл. Ill, стр. 150.
Перегруппировки
Реутов О. А., Теоретические основы органической химии, изд-во МГУ, М., 1964, гл. 9, стр. 538.
Темникова Т. И., Теоретические основы органической химии, изд-во «Химия» Л., 1968, гл. XVIII—XXIX, стр. 527.
Беккер Г., Введение в электронную теорию органических реакций, изд-во «Мир». М., 1965. гл. 8, стр. 462.
Ингольд К., Теоретические основы органической химии, изд-во «Мир», М., 1973, гл. X, стр. 599; гл. XI, стр. 657; гл. XII, стр. 737.
Крам Д., Внутримолекулярные перегруппировки, в кн. «Пространственные эффекты в органической химии», ИЛ, М., i960, стр. 261.
Родина Л, Л., Коробицына И. К., «Перегруппировка Вольфа», Усп. хим., 36, 611 (1967).
Кнунянц И. Л., Фабричный Б. П., Бекмановская перегруппировка, в кн. «Реакции и методы исследования органических соединений», т. 3, Госхимиздат, Л., 1954, стр. 137.
Данилов С. Н., Молекулярные перегруппировки и внутримолекулярное окисление— восстановление, в кн. «Реакции и методы исследования органических соединений», т. 4, Госхимиздат, М., 1956, стр. 159.
Неллис Э. С., Хэн Дж. Ф., Реакция Гофмана, в кн. «Органические реакции», т. 3, ИЛ, М., 1951, гл. VIII, стр. 255.
Вольф Г., Реакция Шмидта, в ки. «Органические реакции», т. 3, ИЛ, М., 1951, гл. VIII, стр. 293.
Смит П. А. С., Реакция Курциуса, в кн. «Органические реакции», т. 3, ИЛ, М., 1951, гл. IX, стр. 322.
Карбонилсодержащие соединения
Реутов О. Л., Теоретические основы органической химии, изд-во МГУ, М., 1964, гл. 4, стр. 317; гл. 6, стр. 414.
Темникова Т. И., Теоретические основы органической химии, изд-во «Химия», Л., 1968, гл. XV, стр. 461; гл. XVI, стр. 490.
Беккер Г., Введение в электронную теорию органических реакций, изд-во «Мир», М., 1965, гл. 6, стр. 240.
Ингольд К., Теоретические основы органической химии, изд-во «Мнр», М., 1973, гл. XIII, стр. 784; гл. XIV, стр. 909; гл. XV, стр. 935.
Дженкс У. Р., Механизм и катализ простых реакций карбонильной группы, в кн. «Современные проблемы физической органической химии», изд-во «Мир», М., 1967, стр. 342.
Дженкс В. Р., Катализ в химии и энзимологии, изд-во «Мир», М., 1972.
Суманов С. И., Кост А. Н., «Нуклеофильное присоединение аминогруппы к активированной двойной углерод-углеродной связи», Усп. хим., 38, 1933 (1969).
Вульфсон Н. С., Виноградов Л. X., Реакция Реформатского, в кн. «Реакции и методы исследования органических соединений», т. 17, изд-во «Химия», М., 1967, стр. 7.
Монинская И. В., Реакция Гаттермана — Коха, в кн. «Реакции и методы исследования органических соединений», т. 7, Госхимиздат, М., 1958, стр. 277.
Вульфсон Н. С., Зарецкий В. И., Реакция Дикмана, в кн. «Реакции и методы исследования органических соединений», т. 12, Госхимиздат, М., 1963, стр. 7.
Якерсон В. И., Рубинштейн А. М., Каталитическая кетонизация карбоновых кислот и термическое разложение их солей, в кн. «Реакции и методы исследования органических соединений», т. 13, изд-во «Химия», М., 1964, стр. 127.
Терентьев А. И., Кост А. Н., Реакция цианэтилирования, в кн. «Реакции в методы исследования органических соединений», т. 2, Госхимиздат, М., 1952, стр. 47.
Хаузер Ч. Р., Бойд Б. Е., Конденсация сложных эфиров и смежные реакции, в кн. «Органические реакции», т. 1, Издатнилит, Москва, 1948, гл. IX, стр. 345.
Мак-Эльвен С. М., Синтезы ацилоинов, в кн. «Органические реакции», т. 4, ИЛ, М., гл. III, стр. 215.
Джонсон У. С., Образование циклических кетонов путем внутримолекулярного ацилирования, в кн. «Органические реакции», т. 2, ИЛ, М., 1950, гл. IV, стр. 128.
Ширли Д. А., Синтез кетонов из галогенангидридов кислот и металлоорганических соединений магния, цинка и кадмия, в кн. «Органические реакции», т. 8, ИЛ, М., 1956, гл. II, стр. 44.
Айд В., Бак Н. С., Синтезы бензоинов, в кн. «Органические реакции», т. 4, ИЛ, М., 1951, гл. IV, стр. 229.
Гейстман Т. А., Реакция Канниццаро, в кн. «Органические реакции», т. 2, ИЛ, М., 1950, гл. III, стр. 106.
Краунз Н., Реакция Гаттермана — Коха, в кн. «Органические реакции», т. 5, ИЛ, 1951, гл. V, стр. 271.
Блик Ф. Ф., Реакция Манниха, в кн. «Органические реакции», т. 1, Издатинлит, М., 1948, гл. X, стр. 299.
Клетцель М. С., Реакция диенового синтеза с малеиновым ангидридом, в кн. «Органические реакции», т. 4, ИЛ, М., 1951, гл. I, стр. 7.
Азотсодержащие соединения
Темникова Т. И., Теоретические основы органической химии, изд-во «Химия». Л., 1968, гл. XII, стр. 391.
Ингольд К-, Теоретические основы органической химии, изд-во «Мир», М., 1973, гл. VIII, стр. 507.
Овербергер Ч. Дж., Ансельм Ж.-П., Лобмардино Дж. Г., Органические соединения со связями азот — азот, изд-во «Химия», Л., 1970.
Катрицкий Л., Лаговская Дж. Л., Химия гетероциклических соединений, ИЛ, М., 1963.
Китаев Ю. П., Бузыкин Б. И., «О реакционной способности гидразонов», Усп. хим., 41, 995 (1972).
Ворожцов И. Н., Основы синтеза промежуточных красителей, Госхимиздат, М., 1955, гл. III, стр. 119; гл. V, стр. 231; гл. VIII, стр. 399; гл. IX, стр. 419; гл. X, стр. 466.
Цоллингер Г., Химия азокрасителей, Госхимиздат, Л., 1960.
Дьяконов И. Л., Алифатические диазосоединения, нзд-во ЛГУ, Л., 1958.
Химия нитро- и нитрозогруппы, под ред. Фойера, тт. 1 и 2, изд-во «Мир», М., 1972.
Перекалин В. В., Сопова Л. С., Непредельные нитросоединения, изд-во «Химии», Л., 1966.
Кудрин Л. Н., Воробьев В. Г., Аминокетоны, изд-во «Медицина», М., 1970.
Зильберман Е. Н., Реакции нитрилов, изд-во «Химия», М., 1972.
Полимеры и полимеризация
Трилор Л., Введение в науку о полимерах, изд-во «Мнр», М., 1973.
Каргин В. А., Слонимский Г. Л., Краткие очерки по физике-химии полимеров, изд-во «Химия», М., 1967.
Берлин А. А., Вольфсон С. Л-, Кинетический метод в синтезе полимеров, изд-во «Химия», М., 1973.
Френкель С. Я., Полимеры. Проблемы, перспективы, прогнозы, в сб. «Физика сегодня и завтра», изд-во «Наука», Л., 1973.
Оудиан Дж., Основы химии полимеров, изд-во «Мир», М., 1974.
Природные соединения, аминокислоты, протеины, химия биологических процессов
Кочешков Н. К., Торгов И. В., Ботвиник М. М., Химия природных соединений (углеводы, нуклеотиды, стероиды, белки), изд-во АН СССР, М., 1961.
Ахрем А. А., Титов Ю. А., Стероиды и микроорганизмы, изд-во «Наука», М., 1970.
Спейси М., Баркер С., Углеводы живых тканей, изд-во «Мир», М., 1965.
Кочетков Н. К., Бочков А. Ф., Дмитриев Б. Л., Усов А. И., Чижов О. С., Шибаев В. Н., Химия углеводов, изд-во «Химия», М., 1967.
Методы химии углеводов, изд-во «Мир», М., 1967.
Солдатенков С. В., Биохимия органических кислот растений, изд-во ЛГУ, Л., 1971.
Кочетков Н. К., Бурдовский Э. Н., Свердлов Е. Д., Симукова Н. А., Турчин- ский М. Ф., Шибаева В. Н., Органическая химия нуклеиновых кислот, изд-во «Химия», М„ 1970.
Нуклеиновые кислоты, изд-во «Мир», М., 1965.
Дэвидсон Дж., Биохимия нуклеиновых кислот, изд-во «Мир», М., 1968.
Майстер А., Биохимия аминокислот, ИЛ, М., 1961.
Гринштейн Дж., Виниц М., Химия аминокислот и пептидов, изд-во «Мир, М., 1965.
Шредер Э., Любке К.» Пептиды, изд-во «Мир», М., т. 1, 1967; т. 2, 1969.
Гауровиц Ф., Химия и функции белков, изд-во «Мир», М., 1965.
Химия белков, изд-во «Мир», М., 1969.
Уотсон Д., Молекулярная биология гена, изд-во «Мир», М., 1967.
Физер Л., Физер М., Стероиды, изд-во «Мнр», М., 1964.
Использование изотопов
Меландер Л., Изотопные эффекты в скоростях реакций, изд-во «Мир», М., 1964,
Халеви Е. А., Вторичные изотопные эффекты, в кн. «Современные проблемы физической органической химии», изд-во «Мир», М., 1967, стр. 95.
Мэррей А., Уильямс Л., Синтезы органических соединений с изотопами водорода, ИЛ, М., 1961.
Мэррей А., Уильямс Л., Синтезы органических соединений с изотопами углерода, ИЛ, М., ч. I и II, 1961.
Мэррей А., Уильямс Л., Синтезы органических соединений с изотопами галоидов, азота, кислорода, фосфора, серы, ИЛ, М., 1962.
Методы исследования органических соединений
Климова В. А., Основные микрометоды анализа органических соединений, изд-во «Химия», М., 1967.
Бобранский Б., Количественный анализ органических соединений, Госхимиздат, М., 1961.
Бельчер Р., Субмикрометоды анализа органических веществ, изд-во «Мир», М.. 1968.
Вайбель С., Идентификация органических соединений, ИЛ, М., 1957.
Черонис Н. Д., Ma Т. С., Микро- и полумикрометоды органического функциональ- вого анализа, изд-во «Химия», М., 1973.
Установление структуры органических соединений физическими и химическими методами, под ред. А. Вайсберга, изд-во «Мир», М., кн. I и II, 1967.
Мак-Нейр Г., Бонелли Э., Введение в газовую хроматографию, изд-во «Мир», М., 1970.
Столяров Б. В., Савинов И. М., Витенберг А. Г., Руководство к практическим работам по газовой хроматографии, изд-во ЛГУ, Л., 1973.
Руководство по газовой хроматографии, изд-во «Мир», М., 1969.
Методы-спутиики в газовой хроматографии, под ред. Л. Эттре, У. Мак-Фаддена, изд-во «Мир», М., 1972.
Ахрем А. А., Кузнецова А. И., Тонкослойная хроматография, изд-во «Наука», М., 1965.
Хроматография в тонких слоях, под ред. Э. Шталя, изд-во «Мир», М., 1965.
Детерман Г., Гель-хроматография, изд-во «Мир», М., 1970.
Иоффе Б. В., Рефрактометрические методы химии, нзд-во «Химия», Л., 1974.
Бранд Дж., Эглинтон Г., Применение спектроскопии в органической химии, изд-во «Мир», М., 1967.
Рао Ч. Н. Р., Электронные спектры в химии, изд-во «Мир», М., 1964.
Свердлова О. В., Электронные спектры в органической химии, изд-во «Химия», Л„ 1973.
Титов Ю. А., Левина И. С., Ультрафиолетовые спектры поглощения стероидных соединений, в ки. «Реакции и методы исследования органических соединений», т. 18, изд-во «Химия», М., 1967, стр. 5.
Беллами Л., Инфракрасные спектры сложных молекул, ИЛ, М., 1963.
Беллами Д., Новые данные по ИК-спектрам сложных молекул, изд-во «Мир», М., 1971.
Наканиси К., Инфракрасные спектры органических соединений, изд-во «Мир», М., 1965.
Ионин Б. И., Ершов Б. А., ЯМР-спектроскопия в органической химии, изд-во «Химия», Л., 1967.
Робертс Дж., Введение в анализ спектров высокого разрешения, ИЛ, М., 1963.
Бхакка Н., Уильямс Д., Применение ЯМР в органической химии, изд-во «Мир», М., 1966.
Байбл Р., Интерпретация спектров ядерного магнитного резонанса, Эмпирический подход, Атомиздат, М., 1969.
Гереон Ф., Спектроскопия ЭПР высокого разрешения, изд-во «Мир», М., 1973.
Полякова А. А., Хмельницкий Р. А., Введение в масс-спектрометрию органических соединений, изд-во «Химия», Л., 1966.
Будвикевич Г., Джерасси К., Уильямс Д., Интерпретация масс-спектров органических соединений, изд-во «Мир», М., 1966.
Бентли Т., Джонстон Р., Механизм и структура в масс-спектрометрии: сравнение с другими химическими процессами, в кн. «Методы и достижения в физико-органнческой химии», изд-во «Мир», М., 1973.
Милн Дж. У. А., «Применение масс-спектрометрии высокого разрешения в орга- вической химии», Усп. хим., 39, 190 (1970).
Ответы на задачи
11Строение и свойстваСтроение и свойства
1
1
Строение и свойства
Строение и свойства
а) Плоское, углы между связями 120°; б) линейное, углы между связями I804. 1.3. Тетраэдрическое (sp3). 1.4. Структура (а), но не (б). 1.5. СО2, линейное; BF3, плоское, тригональное, углы между связями 120°. 1.6. а) СН3ОН > СН3МН2; б) CH3SH > > СН3ОН; в) HgO^NH*. 1.7. а) Н3(+; б) NH*; в) H2S; г) Н2О. 1.8. а) СЩ > >NH? > ОН” > F”; б) NHS > Н2О > HF; в) SH” -> СГ; г) F” > СГ > Вг” > Г; д) ОН” > SH” > SeH”. 1.9. CH3NH2 > СН3ОН > CH3F. «.10. а) ОН” > Н,О >
> Н3О+; б) NH2 > NH3; в) Sa” > SH” > H2S.
1. Ионные соединения: (а), (г), (е), (и), (л). 5. Октаэдрическое строение. 10. а) Н3О+; б) HCI; в) НС1 в бензоле.
| Метан
а) —6 ккал; б) +14 ккал; в) —104 ккал. 2.2. а) +46, +15, —21 ккал; б) +36, +31, —17 ккал; в) +37, —33, —71 ккал. 2.4. а) (%С + %Н) < 100%; б) 34,8%. 2.5. а) 69,6% С1; б) 70,4 %С1;в) 24,85 мг; г) 26,49 мг; е) 27,44 мг. 2.6. а) СН„; б) С.Н6С1,. 2.7. а) 79,8; б) С6Н6; в) 78. 2.8. С4Н8О2.
А — 93,8% С, 6,3% Н; Б — 64,0% С, 4,5% Н, 31,4% С1; В — 62,0% С, 10,3% Н, 27,7% О. 2. а) 45,9% С, 8,9% Н, 45,2% С1; б) 52,1% С, 13,1% Н, 34,8% О; в) 54,5% С, 9,1% Н, 36,3% О; г) 41,8% С, 4,7% Н, 18,6% О, 16,3%N, 18,6% S; д) 20,0% С, 6,7% Н, 26,6% О, 46,7%М; е) 55,6% С, 6,2% Н, 10,8% О, 27,4% С1. 3. а) СН2; б) СН; в) СН2О; г) CsHsOCl; д) С3Н10М2; е) С3Н4О2С12. 4. C,oH21O4N. 5. C14H14O3N.SNa. 6. а) 85,8% С, 14,3% Н; б) СН2; в) СвН12. 7. С2Н4О2. 8. СН2О. 9. CleH10O2N2. 10. С4Н1е. 11. а) 942; б) 6. 12. а) —129; б) —44; в) —24; г) —2; д) —9; е)—14, ж) —11; з) первая стадия +46; вторая стадия +10, —9, —10; третья стадия —19, —5,—1. 13. а) +58, +21, —45; б) £акт стадии роста цепи > 21 ккал. 14. б) Маловероятно, поскольку Е№1 для реакции с С12 значительно меньше.
I Стереохимия. 1
1. 2 (зеркальные изображения). 3.2. а) 3; б) 2; в) 3 (два являются зеркальными изображениями); г) 1. 3.3. а) —39,0°; б) —2,4°; в) —0,6°. 3.4. Использование более короткой или более длинной трубки для измерения вращения. 3.5. г) Зеркальные изображения; а, б. 3.7. Третичный, вторичный, первичный, метил. 3.8. в) Недиссимметричное соединение, нет энантиомеров.
Равные, но противоположные по знаку вращения; противоположные R,S-обоз- начення; все другие свойства одинаковы. 4. а) Винт, ножницы, катушка ниток; б) перчатка, туфель, свитер, повязанный шарф; в) спираль, двойная спираль; г) зашнурованный футбольный мяч, ствол ружья; д) рука, нога, ухо, нос, Вы сами. 5. а) Пилить; б) открывать бутылку с молоком; в) бросать мяч.
| Алканы
1. в) 2,2; г) нет. 4.2. в) Предсказано 6 (в действительности 7), 3; г) да. 4.3. Ван- дерваальсово отталкивание между «большими* метильными группами. 4.4. д) Для (а): 3 конформера, 2 энантиомера; для (6): 3 конформера, 2 энантиомера; для (в): 1 конформер; е) для (а): количество энантиомеров меньше; для (6): количество энантиомеров больше. 4.5. б) Оба неактивны: один не диссимметричен, а другой представляет рацемическую модификацию. 4.6. а) Нуль; б) присутствует скошенная конформация; в) преобладает анти- конформация; г) уменьшается количество скощенной конформации. 4.15. а) 44%1-С1, 56% 2-С1; б) 64% первичного, 36% третичного; в) 55% первичного, 45% третичного; г) 21 % 1-CI, 53% 2-CI, 26% 3-CI; д) 28% 1-С1-2-СН8, 23% 2-С1-2-СН3, 35% 3-С1-2-СН3, 14% 1-СЬЗ-СН3; е) 45% 1-С1-2,2,3-(СН3)3, 25% 3-С1-2,2,3-(СН3)3, 36% 1-С1-2,3,3-(СНа)а; ж) 33% 1-С1-2,2,4-(СН3)3, 28% 3-С1-2,2,4-(СН3)3, 18% 4-С1-2,2,4-(СН3)3, 22% 1-С1-2,4,4- (СН3)3. 4.16. а) 4% 1-Вг, 96% 2-Вг; б) 0,6% первичного, 99,4% третичного; в) 0,3% первичного, 99,7% третичного; г) 1% 1-Вг, 66% 2-Вг, 33% З-Вг; д) 0,3% 1-Вг-2-СН3, 90% 2- Вг-2-СН3, 9% 3-Вг-2-СН3, 0,296 1-Вг-3-СН3; е) 0,6% 1-Вг-2,2,3-(СН3)3, 99% 3-Вг-2,2,3- (СН3)3, 0,4% 1-Вг-2,3,3-(СН3)3; ж) 0,5% 1-Вг-2,2,4-(СН3)3, 9% 3-Вг-2,2,4-(СН3)3, 90% 4- Вг-2,2,4-(СН3)3, 0,3% 1-Вг-2,4,4-(СН3)3. 4.17. 40 : 1. 4.18. 1,15 : 1. 4.25. а) 4; в) ни один. 4.26. 50%н-гексана, 33 96 2-метилпентана, 17% 3-метилпентана. 4.27. а) Пропан, 3 : 1; н-бутан, 1,5 : 1; изобутан, 9 : 1; б) нет; г) третичный > вторичный > первичный (1,49 : : 1,15 : 1). 4.28. 75% н-бутана, 25% изобутана; а) не произвольна. 4.29. Водород. 4.30. а) Отщепление — присоединение. 4.31. 2,7-Диметилектан.
д) 6. 6. Одно монохлор-, трн дихлор-, четыре трихлорпронзводных. 7. (в), (б), (д), (а), (г). 8. а) З-Метилгексан; б) 2,3-Диметилгептан. 12. б) 2-Метилгептан, 50%; два других по 25% каждого. 13. а) 1-, 2- и 3-хлоргексаны; б) 1-, 2-, 3- и 4-хлор-2-метилпентаны и 1-хлор-4-метилпентан; в) 1- ,3- и 4-хлор-2,2,4-триметилпентаиы и 1-хлор-2,4,4-триметил- пентан; г) 1- и 3-хлор-2,2-диметилбутаны и 1-хлор-3,3-диметилбутан. 14. Соотношение изомеров как н задаче 13: а) 16, 42, 42%; б) 21, 17, 26, 26, 10%; в) 33, 28, 18, 22%; г) 46,39, 15%. 16. А — СН3СС12СН3; Б— C1CHZCH2CHSC1; В— СН3СНС1СН2С1; Г— СН3СН2СНС12; Д—CHgCHClCHC^. Неактивные соединения из активного соединения В: СН3СС12СН2С1 и С1СН2СНС1СН2С1. 17. 12% скошенной конформации в виде нерасще- пляемой рацемической модификации), 88% онти-конформации. 20. а) Произвольна; в) неактивный 3-метилгептан. 23. а) 2650 г; б) 8710 ккал; в) 170 г. 24. По методу Кариуса: моно 45,3% С1; ди 62,8% С1. Молекулярный вес, определенный по плотности паров: моно 78,5; ди 113. 25. З-Бромгексан. 28. а) Газообразный метан; 1,49 мг СН3ОН; б) 59, н-пропиловый или изопропиловый спирт; в) 3; СН2ОНСНОНСН2ОН.
J Алкены. I. Строение и получение
ж) Не образуется. 5.5. ж) Не образуется. 5.7. а) (СН„)2С=СНСН3; б (СН3)2С=СНСН3; в) (СН3)2С=С(СН3)2.
(б), (г), (ж), (з), (и), (л) (3 изомера). 4. б) 4 обладают геометрической изомерией. 5. Отличаются все свойства, кроме (з); м) дипольный момент. 11. а) (СН3)2С=СНСН3 (основной продукт реакции) и СН2=С(СН3)С2Н5.
| Алкены. II. Реакции двойной углерод-углеродной связи
в) Бутен-1 649,8, цис-бутен-2 648,1, транс-бутен-2 647,1; г) пентен-1 806,9, цис-пентен-2 805,3, транс-нентен-2 804,3. 6.2. а) Н3О*; НВг, б) НВг; в) НВг. 6.10. Реагирует с НС1 (минимальная £акт 26 ккал) нли с НВг (минимальная £аКТ 10 ккал). 6.13. А — алкан; Б — вторичный спирт; В — алкилгалогенид; Г — алкен; Д — третичный спирт.
. Третичный радикал более устойчив, чем вторичный, и образуется быстрее, г) Стадии (2) и (4) протекают с трудом с НС1. 16. Гексен-3. 17. mpem-C4HgCl + Mg» ♦ MgCl2 + ызо-С4Н10 + пзо-С4Н6.
77Стереохимия. IIСтереохимия. II
7
7
Стереохимия. II
Стереохимия. II
(в), (г), (д), (ж). 7.4.—0,89°. 7.6. е) R, R : мезо ^29 : 71. 7.7. а) 5 фракций: две оптически неактивны, остальные оптически активны; б) 5, все оптически неактивны; в) 6, все оптически неактивны; г) 2, обе оптически неактивны.
1. Две пары энантиомеров: (а), (б), (д), (м); 1 пара энантиомеров, 1 мезо-форма: (в), (г), (з); 4 пары энантиомеров: (е); 1 пара энантиомеров, 2 мезо-формы: (ж); 2 диастереомера: (и); 3 пары энантиомеров, 1 мезо-форма: (к); 1 пара энантиомеров: (л). 2. а) 3; б) 5; в) 7 (5 оптически активны); г) 7 (6 оптически активны); д) 1; е) 3, ж) 5; з) 2 (1 оптически активна); и) 2. 3. А — (S, S)-; Б—(R, S)-; В—(S, S)-; Г—(2R, 38)-4-бромбутан- триолы-1,2,3; Д—(R,R)-; Е—(R,S)-.1. Две пары энантиомеров: (а), (б), (д), (м); 1 пара энантиомеров, 1 мезо-форма: (в), (г), (з); 4 пары энантиомеров: (е); 1 пара энантиомеров, 2 мезо-формы: (ж); 2 диастереомера: (и); 3 пары энантиомеров, 1 мезо-форма: (к); 1 пара энантиомеров: (л). 2. а) 3; б) 5; в) 7 (5 оптически активны); г) 7 (6 оптически активны); д) 1; е) 3, ж) 5; з) 2 (1 оптически активна); и) 2. 3. А — (S, S)-; Б—(R, S)-; В—(S, S)-; Г—(2R, 38)-4-бромбутан- триолы-1,2,3; Д—(R,R)-; Е—(R,S)-.5 I Алкины и диены8.4. Пропан. 8.5. Н присоединяется к концевому С. 8.6. Гекса диен-1,3. 8.7. а) 56—60 ккал. 8.9. в) Равновесное состояние. 8.11.14С будет распределен равномерно между С-1 и С-3.8.12. Орлон, СН2=СН—CN; саран, СНа=СС1а; тефлон, CF2=CF2. 8.17. Полимер изопрена «голова к хвосту».7. Реакция не идет для (ж) — (о). 8. Реакция не идет для (ж) — (о.) 14. а) —42,2 ккал. 15. а) Две плоскости СНа-групп перпендикулярны 19. Полимеризация алкена, полученного из вторичного нли третичного спирта, под действием кислоты. 20. Чтобы можно было проводить вулканизацию. 21. А — мезо-форма, соответствует изотактическому полимеру; Б —рацемическая форма, соответствует синдиотактическому полимеру. 25. Циклогексен. 26. Гексатриен-1,3,5. 27. б) Мирцен (СН3)2С=СНСН2СНаС(=СН2)СН=СН2. 28. а) Дигидромирцен (СН3)2С=СНСН2СНаС(СН3)=СНСН3; б) 1,4-присоединение. 29. в) Два звена фарнезила, соединенные по принципу «головак голове», образуют скелет сквалена.5 I Алкины и диены8.4. Пропан. 8.5. Н присоединяется к концевому С. 8.6. Гекса диен-1,3. 8.7. а) 56—60 ккал. 8.9. в) Равновесное состояние. 8.11.14С будет распределен равномерно между С-1 и С-3.8.12. Орлон, СН2=СН—CN; саран, СНа=СС1а; тефлон, CF2=CF2. 8.17. Полимер изопрена «голова к хвосту».7. Реакция не идет для (ж) — (о). 8. Реакция не идет для (ж) — (о.) 14. а) —42,2 ккал. 15. а) Две плоскости СНа-групп перпендикулярны 19. Полимеризация алкена, полученного из вторичного нли третичного спирта, под действием кислоты. 20. Чтобы можно было проводить вулканизацию. 21. А — мезо-форма, соответствует изотактическому полимеру; Б —рацемическая форма, соответствует синдиотактическому полимеру. 25. Циклогексен. 26. Гексатриен-1,3,5. 27. б) Мирцен (СН3)2С=СНСН2СНаС(=СН2)СН=СН2. 28. а) Дигидромирцен (СН3)2С=СНСН2СНаС(СН3)=СНСН3; б) 1,4-присоединение. 29. в) Два звена фарнезила, соединенные по принципу «головак голове», образуют скелет сквалена.9 Циклические алифатические углеводороды9 Циклические алифатические углеводороды9.3. а) Притяжение. 9.5. а) 0 ккал; б) 2,7 ккал; в) 1,8 ккал + неопределенное взаимодействие метильных групп; г) 0 ккал; д) 0 ккал; е) 3,6 ккал. 9.6. б) 3,6 ккал. 9.7. а) цис > транс; б) транс > цис; в) 1,8 ккал/моль в каждом случае. 9.8. Больше чем: а) 3,2 ккал; б) 6,8 ккал; в) 2,3 ккал. 9.9. Разделимы: б, г; мезо-формы: в (диене имеют асимметрических атомов углерода). 9.10. а) д; б) а; в) в, е; г); д) б; е) нет. 9.11. Пары энантиомеров: а, б, в, г; нет мезо-форм. Ни одна из пар не является разделимой рацемической модификацией. 9.12. а) ццс-Присоединение; б) синглет, потому что в жидкой фазе. 9.13. б) Триплет, потому что в газовой фазе с инертным газом. 9.14. а) Внедрение; б) синглет. 9.15. а) г^яс-Присоединение. 9.17. д) Для такой же степени ненасыщенности существует еще по два водорода на каждое кольцо. 9.18. Все имеют формулу СвН12; нет9.3. а) Притяжение. 9.5. а) 0 ккал; б) 2,7 ккал; в) 1,8 ккал + неопределенное взаимодействие метильных групп; г) 0 ккал; д) 0 ккал; е) 3,6 ккал. 9.6. б) 3,6 ккал. 9.7. а) цис > транс; б) транс > цис; в) 1,8 ккал/моль в каждом случае. 9.8. Больше чем: а) 3,2 ккал; б) 6,8 ккал; в) 2,3 ккал. 9.9. Разделимы: б, г; мезо-формы: в (диене имеют асимметрических атомов углерода). 9.10. а) д; б) а; в) в, е; г); д) б; е) нет. 9.11. Пары энантиомеров: а, б, в, г; нет мезо-форм. Ни одна из пар не является разделимой рацемической модификацией. 9.12. а) ццс-Присоединение; б) синглет, потому что в жидкой фазе. 9.13. б) Триплет, потому что в газовой фазе с инертным газом. 9.14. а) Внедрение; б) синглет. 9.15. а) г^яс-Присоединение. 9.17. д) Для такой же степени ненасыщенности существует еще по два водорода на каждое кольцо. 9.18. Все имеют формулу СвН12; нетданных о размерах кольца.4. а) 4; б) 6; в) 7; г) 9; д) 5; е) 2; ж) все экваториальные. 5. А — цис-диметил; Б — трояс-диметил. 7. г) В транс-изомере оба больших заместителя (другое кольцо) занимают экваториальное положение; д) существует высокий энергетический барьер (£акт) между декалинами, т. к. происходит разрыв связи. 11. а) транс-Присоединение. 13. а), б), в) 2 (1 оптически активный); г) 2. 16. а) 2; б) 4; в) 1; г) 3; Д) 4; 17. а) 1; б) 2; -------- ...20. б) Iданных о размерах кольца.4. а) 4; б) 6; в) 7; г) 9; д) 5; е) 2; ж) все экваториальные. 5. А — цис-диметил; Б — трояс-диметил. 7. г) В транс-изомере оба больших заместителя (другое кольцо) занимают экваториальное положение; д) существует высокий энергетический барьер (£акт) между декалинами, т. к. происходит разрыв связи. 11. а) транс-Присоединение. 13. а), б), в) 2 (1 оптически активный); г) 2. 16. а) 2; б) 4; в) 1; г) 3; Д) 4; 17. а) 1; б) 2; -------- ...20. б) I13. а), б), в) 2 (1 оптически активный); г) 2. 16. а) 2; б) 4; в)13. а), б), в) 2 (1 оптически активный); г) 2. 16. а) 2; б) 4; в)в) 1; г) 3; д) 3; е) 5; ж) 4. 18. б)в) 1; г) 3; д) 3; е) 5; ж) 4. 18. б)лимонен л-ментанлимонен л-ментана-терпинена-терпинен
1. Две пары энантиомеров: (а), (б), (д), (м); 1 пара энантиомеров, 1 мезо-форма: (в), (г), (з); 4 пары энантиомеров: (е); 1 пара энантиомеров, 2 мезо-формы: (ж); 2 диастереомера: (и); 3 пары энантиомеров, 1 мезо-форма: (к); 1 пара энантиомеров: (л). 2. а) 3; б) 5; в) 7 (5 оптически активны); г) 7 (6 оптически активны); д) 1; е) 3, ж) 5; з) 2 (1 оптически активна); и) 2. 3. А — (S, S)-; Б—(R, S)-; В—(S, S)-; Г—(2R, 38)-4-бромбутан- триолы-1,2,3; Д—(R,R)-; Е—(R,S)-.
1. Две пары энантиомеров: (а), (б), (д), (м); 1 пара энантиомеров, 1 мезо-форма: (в), (г), (з); 4 пары энантиомеров: (е); 1 пара энантиомеров, 2 мезо-формы: (ж); 2 диастереомера: (и); 3 пары энантиомеров, 1 мезо-форма: (к); 1 пара энантиомеров: (л). 2. а) 3; б) 5; в) 7 (5 оптически активны); г) 7 (6 оптически активны); д) 1; е) 3, ж) 5; з) 2 (1 оптически активна); и) 2. 3. А — (S, S)-; Б—(R, S)-; В—(S, S)-; Г—(2R, 38)-4-бромбутан- триолы-1,2,3; Д—(R,R)-; Е—(R,S)-.
5 I Алкины и диены
8.4. Пропан. 8.5. Н присоединяется к концевому С. 8.6. Гекса диен-1,3. 8.7. а) 56—60 ккал. 8.9. в) Равновесное состояние. 8.11.14С будет распределен равномерно между С-1 и С-3.8.12. Орлон, СН2=СН—CN; саран, СНа=СС1а; тефлон, CF2=CF2. 8.17. Полимер изопрена «голова к хвосту».
7. Реакция не идет для (ж) — (о). 8. Реакция не идет для (ж) — (о.) 14. а) —42,2 ккал. 15. а) Две плоскости СНа-групп перпендикулярны 19. Полимеризация алкена, полученного из вторичного нли третичного спирта, под действием кислоты. 20. Чтобы можно было проводить вулканизацию. 21. А — мезо-форма, соответствует изотактическому полимеру; Б —рацемическая форма, соответствует синдиотактическому полимеру. 25. Циклогексен. 26. Гексатриен-1,3,5. 27. б) Мирцен (СН3)2С=СНСН2СНаС(=СН2)СН=СН2. 28. а) Дигидромирцен (СН3)2С=СНСН2СНаС(СН3)=СНСН3; б) 1,4-присоединение. 29. в) Два звена фарнезила, соединенные по принципу «головак голове», образуют скелет сквалена.
5 I Алкины и диены
8.4. Пропан. 8.5. Н присоединяется к концевому С. 8.6. Гекса диен-1,3. 8.7. а) 56—60 ккал. 8.9. в) Равновесное состояние. 8.11.14С будет распределен равномерно между С-1 и С-3.8.12. Орлон, СН2=СН—CN; саран, СНа=СС1а; тефлон, CF2=CF2. 8.17. Полимер изопрена «голова к хвосту».
7. Реакция не идет для (ж) — (о). 8. Реакция не идет для (ж) — (о.) 14. а) —42,2 ккал. 15. а) Две плоскости СНа-групп перпендикулярны 19. Полимеризация алкена, полученного из вторичного нли третичного спирта, под действием кислоты. 20. Чтобы можно было проводить вулканизацию. 21. А — мезо-форма, соответствует изотактическому полимеру; Б —рацемическая форма, соответствует синдиотактическому полимеру. 25. Циклогексен. 26. Гексатриен-1,3,5. 27. б) Мирцен (СН3)2С=СНСН2СНаС(=СН2)СН=СН2. 28. а) Дигидромирцен (СН3)2С=СНСН2СНаС(СН3)=СНСН3; б) 1,4-присоединение. 29. в) Два звена фарнезила, соединенные по принципу «головак голове», образуют скелет сквалена.
9 Циклические алифатические углеводороды
9 Циклические алифатические углеводороды
9.3. а) Притяжение. 9.5. а) 0 ккал; б) 2,7 ккал; в) 1,8 ккал + неопределенное взаимодействие метильных групп; г) 0 ккал; д) 0 ккал; е) 3,6 ккал. 9.6. б) 3,6 ккал. 9.7. а) цис > транс; б) транс > цис; в) 1,8 ккал/моль в каждом случае. 9.8. Больше чем: а) 3,2 ккал; б) 6,8 ккал; в) 2,3 ккал. 9.9. Разделимы: б, г; мезо-формы: в (диене имеют асимметрических атомов углерода). 9.10. а) д; б) а; в) в, е; г); д) б; е) нет. 9.11. Пары энантиомеров: а, б, в, г; нет мезо-форм. Ни одна из пар не является разделимой рацемической модификацией. 9.12. а) ццс-Присоединение; б) синглет, потому что в жидкой фазе. 9.13. б) Триплет, потому что в газовой фазе с инертным газом. 9.14. а) Внедрение; б) синглет. 9.15. а) г^яс-Присоединение. 9.17. д) Для такой же степени ненасыщенности существует еще по два водорода на каждое кольцо. 9.18. Все имеют формулу СвН12; нет
9.3. а) Притяжение. 9.5. а) 0 ккал; б) 2,7 ккал; в) 1,8 ккал + неопределенное взаимодействие метильных групп; г) 0 ккал; д) 0 ккал; е) 3,6 ккал. 9.6. б) 3,6 ккал. 9.7. а) цис > транс; б) транс > цис; в) 1,8 ккал/моль в каждом случае. 9.8. Больше чем: а) 3,2 ккал; б) 6,8 ккал; в) 2,3 ккал. 9.9. Разделимы: б, г; мезо-формы: в (диене имеют асимметрических атомов углерода). 9.10. а) д; б) а; в) в, е; г); д) б; е) нет. 9.11. Пары энантиомеров: а, б, в, г; нет мезо-форм. Ни одна из пар не является разделимой рацемической модификацией. 9.12. а) ццс-Присоединение; б) синглет, потому что в жидкой фазе. 9.13. б) Триплет, потому что в газовой фазе с инертным газом. 9.14. а) Внедрение; б) синглет. 9.15. а) г^яс-Присоединение. 9.17. д) Для такой же степени ненасыщенности существует еще по два водорода на каждое кольцо. 9.18. Все имеют формулу СвН12; нет
данных о размерах кольца.
4. а) 4; б) 6; в) 7; г) 9; д) 5; е) 2; ж) все экваториальные. 5. А — цис-диметил; Б — трояс-диметил. 7. г) В транс-изомере оба больших заместителя (другое кольцо) занимают экваториальное положение; д) существует высокий энергетический барьер (£акт) между декалинами, т. к. происходит разрыв связи. 11. а) транс-Присоединение. 13. а), б), в) 2 (1 оптически активный); г) 2. 16. а) 2; б) 4; в) 1; г) 3; Д) 4; 17. а) 1; б) 2; -------- ...20. б) I
данных о размерах кольца.
4. а) 4; б) 6; в) 7; г) 9; д) 5; е) 2; ж) все экваториальные. 5. А — цис-диметил; Б — трояс-диметил. 7. г) В транс-изомере оба больших заместителя (другое кольцо) занимают экваториальное положение; д) существует высокий энергетический барьер (£акт) между декалинами, т. к. происходит разрыв связи. 11. а) транс-Присоединение. 13. а), б), в) 2 (1 оптически активный); г) 2. 16. а) 2; б) 4; в) 1; г) 3; Д) 4; 17. а) 1; б) 2; -------- ...20. б) I
13. а), б), в) 2 (1 оптически активный); г) 2. 16. а) 2; б) 4; в)
13. а), б), в) 2 (1 оптически активный); г) 2. 16. а) 2; б) 4; в)
в) 1; г) 3; д) 3; е) 5; ж) 4. 18. б)
в) 1; г) 3; д) 3; е) 5; ж) 4. 18. б)
лимонен л-ментан
лимонен л-ментан
а-терпинен
а-терпинен
10 Бензол
а) +5,6 ккал; б) —26,8 ккал. 10.2. а) 824,1 ккал; б) на 35,0 ккал больше. 10.10. орто 104°C; мета 63°C, пара 142°С. 10.13. 26,0%. 10.14. 22,8%. 10.15. 18,5%. 10.16. 25,9, 22,9 и 18,6%. 10.17. а) 242, С«Н4Вг2; б) 153, С12Н12; в) 59, CH4ON2.
а) 3; б) 3; в) 3; г) 6; д) 10; е) 6. 3. а) 2, 3, 3, 1,2; б) 5, 5, 5, 2, 4 (не считая стереоизомеров); в) ни один. 4. а) 2; б) 3; в) 1; г) 4; д) 4; е) 2; ж) 4; з) 4; и) 2; к) 1; л) 3; м) 2. 5. а) 1; б) 1; в) 2; г) 1; д) 2; е) 3; ж) 2. 6. Да. 7. в) Нет, орто-изомер будет диссимметричным и возможно существование энантиомеров. 9. а) При л=3, 5,7, 9; при л=5 геометрия молекулы не соответствует требованиям ароматичности; б) С,Н9 . 11. а) 33,6% С; 2,4% Н, 63,7% Вг; б) С7НвВг2; в) С,Н6Вг2; г) 10 возможных структур. 12. а) С6НвС10
Ц J Электрофильное замещение в ароматическом ряду
СН3СН3г) Механизм соучастием карбониевых ионов. 11.5. a) R— С=О+; б) Аг'—N=N+; в) №. 11.6.6) D< 11.7. а) 2,05; б) 1,02 моля НС1: 1 моль DCI. 11.8.
СН3
СН3
СНз1 СН3 ^^4 * 11-9. а) 6,77; б) да; в, нет; г) да.
Н Н
А1СЦ-А1СЦ-12 Арены
А1СЦ-
А1СЦ-
12.5.12.5.СН3 СИзГ^СНз СНз<^>СН3
12.5.
12.5.
СЩ СНз
2.12. а) Аналогично рис. 2.3, с £акт = 19 ккал и Mi = 11 ккал; б) 8 ккал; в) пространственные препятствия для соединения.
.—СН2СвН4СН2СвН4СН2СвН4—.6. в) Полярный фактор. 17. 2-, 3-, 4-, 5- и 6-Фе- нилдодеканы. 24. Этилбензол. 25. б) А — трснс-СвНБСН=СНСвНБ; Б—СвНБС=ССвН6; В — ч^-СвНБСН=СНСвН6; Г—СвНБСН2СН2С,НБ. 26.
индан ,индан ,
индан ,
индан ,
27. А и Б — рацемический и жезо-СвН6СН(СН3)СН(СН3)СвН5; В—[СвНБС(СН3)2]2.
13 Спектроскопия и строение органических соединений
13.1. а) (СН3)3С^; СН2=СН—СН2; СН3СН£; СН2=С№.
13.2.13.2.сн3 сн3 сн3сн3
13.2.
13.2.
\/II
Р-каротинР-каротинсн3
Р-каротин
Р-каротин
13.3. а) А — пентадиен-1,4; Б и В — цис- и транс-пентадиены-1,3. 13.4. а) 2, 1; б) 1, 2, 3, 4 (1,2-дибромпропан); в) 3, 2; г) 2, 4, 3; д) 3, 1; е) 2, 4, 3, 5; ж) 2, 4; з) 3, 1, 5. 13.6. Один сигнал. 13.7. Подача электронов метильными группами. 13.9. а) Неопентилбензол; б) изобутиленбромид (СН3)2СВгСН2Вг; в) бензиловый спирт С6НБСН2ОН. 13.12. а) Этилбензол; б) 1,3-дибромпропан; в) н-пропилбромид. 13.15. а) Н на замещенном углероде; б) 82% экваториального Вг (аксиальный Н при С-1). 13.17. а) 81% экваториального Вг; б) 72% экваториального Вг; в) 59% экваториального Вг. 13.18. 82,5% конформации с аксиальным Вг и экваториальным СН3.13.21. а) СН3-; б) СН3СНСН3, СН3СН2СНСН8; в) (СЯН5)3С-. 13.22. в) н-Октан, СдЩ; 2,2,4-триметнлпентан, mpem-C4H*. 13.23. Аллильные ионы. 13.24. С6Н5С(СН3)2; т/е 119(СвН5СНС2Н5). 13.25. Циклогексан.
а) СН2С1СНС1СС13; б) СН2С1СС12СН3; в) (СН3)2СНСН2С1; г) СвН5С(СН3)3; д) СвНБСН2СН(СН3)2; е) индан (см. ответ на задачу 26, гл. 12); ж) СвН6СН2СС1(СН8)2; з) 1-фенил-1-метилцнклопропан; и) С6Н5(СН2)3Вг; к) CH2C1CF2CH3. 2. X — транс-1,3-дибром- транс-1,3-диметилциклобутан; ¥—цис,цис-изомер. 3. См. ответ на задачу 11.8. 4. 1,2-
Диметилциклопропен. 6.Диметилциклопропен. 6.7. а) ееееее, еееааа; 6) еееееа; в) ееееаа, ееаееа7. а) ееееее, еееааа; 6) еееееа; в) ееееаа, ееаееа
Диметилциклопропен. 6.
Диметилциклопропен. 6.
7. а) ееееее, еееааа; 6) еееееа; в) ееееаа, ееаееа
7. а) ееееее, еееааа; 6) еееееа; в) ееееаа, ееаееа
с) ееееее, не изменяется; еееааа, расщепляется на два пика равной площади. 8. а) Изопропилбензол; б) изобутилен; в) феиилацетилеи. 9. а) Изобутилбензол; б) мрет-бутилбен- зол; в) п-цимол(п-изопропилтолуол). 10. а) а-феиилэтилбромид СвН„СНВгСН б) mpcm-амилбензол; в) втор-бутилбромид. 11. Л — а-метилстирол CgH6C(CH3)=CH2.
[4 Алкилгалогениды
.4. а) 1,9%; б) 16,4%; в) 66,2%; г) 95,1%; д) 99,0%. 14.5. а) Оптическая чистота: бромида 60%; спирта 40%; 6)33% рацемизации, 67% обращения конфигурации; в) 17% атаки с фронта, 83% атаки с тыла. 14.7. СН3 300; С,Н5 24; uso-CgH; 1; mpem-CtHe 1410. 14.11. Все атомы хлора занимают экваториальное положение. 14.14. Пиролиз ацетатов: цис-элиминироваиие.
А — (1R,2S; lS,2R)-l,2-диxлop-l-фeнилпpoпaн; Б — (1R,2R; 1S.2S)-1,2-дихлор-1-фенилпропан. 17. 1,1-Днметилцнклопропан; 1,1-ди метилциклопропан-2-D. 18.
(СН3)3С+, (СН3)2СН+. 19. а) 1-Метилциклопропен; б) циклопропен. 20.
24.а) С4Н4С1; б) нет; в) 175; Г — С,.Н4(СН2С1)2, одна возможная структура из многих. 25. a) QH4Br; б) С4Н6Вг2; в) А—1,2-дибромбутан; Б—бутен-1.26. а) А—3 кольца; Б — 3 кольца; б) А — n-дибензилбензол; Б—9,10-дигидроаитрацен (см. разд. 35.17).
1515Спирты. 1. Получение и физические свойства
15
15
.1. Внутримолекулярная водородная связь в цис-изомере (см. разд. 25.2). 15.3. а) Лейцин изопентиловый спирт; изолейцин» оптически активный пентиловый
спирт. 15.5. Спирты с нечетным числом атомов углерода НО(СН2СН2)ПСН2СН2СН3. 15.6. цис-Гидратация. 15.8. цис-Присоединение, сохранение конфигурации или транс-присоединение, обращение конфигурации. 15.10. цис-Присоединение, сохранение конфигурации.
Внутримолекулярная водородная связь между ОН и X. 10. а) Копростаидиол- ЗР, 6Р, полученный цис-гидратацией с более пространственно затрудненной «верхней» стороны молекулы; б) цис-гидратация снизу приводит к а-ОН при С-11.
15 I Спирты. II. Реакции
16.2. Свободнорадикальное хлорирование неопентана. 16.11. Изменить концентрацию. 16.12. а) Первичный, триплет; б) вторичный, дублет; в) третичный, синглет. 16.14. а) 31, СН2=ОН; 45, СН3СН=ОН; 59, (СН3)2С=ОН.
а) Два образуют йодоформ; в) одни дает отрицательную пробу. 6. 368 кг. 15. Б—НОСН2СН2ОН; Г—НОСН2СООН; Ж—НОСН2СН(ОН)СН2ОН; К—СН2=СНСООН; Н—НОСН2С=СН; П—СН3СОСН3; У—CH3COONa; X — диацетат цис-циклогександиола- 1,2; Ч — триацетат Ц (то же, что и Ж); Ю — 3-метилбифенил л-СН3СвН4СеН6; ДД — оптически активный 2,4,6,8-тетраметилнонан; ЕЕ — леэо-2,4,6,8-тетраметилнонан. 16. a) R3C+, стабилизованный перекрыванием свободной р-орбитали с л-облаками колец; б) метильные группы расположены несимметрично; плоскость, в которой расположены метильные группы и тригональный углерод, перпендикулярна кольцу и делит его пополам. 20. А — СвН5СН2СНОНСН3; Б — С6Н5СН(СН3)СН2ОН. 21. А — 1,2,2-трифенилэтанол; Б — 1,1,2-трифеиилэтанол. 22. а) cmop-Бутиловый спирт; б) изобутиловый спирт; в) этиловый эфир. 23. а) а-фенилэтиловый спирт; 6) Р-фенилэтиловый спирт; в) метилбензиловый эфир. 24. А — 2-метилпропен-2-ол-1; Б — изобутиловый спирт. 25. 3,3-Диметил- бутанол-2. 26. Гераииол(СН3)2С=СНСН2СН2С(СН3)=СНСН2ОН. 27. а) То же, что и в задаче 26; б) геометрические изомеры; в) в гераниоле Н и СН3 имеют транс-ориентацию.
17 I17 IПростые эфирыПростые эфиры
17 I
17 I
Простые эфиры
Простые эфиры
а) Конфигурация (—)-эфира такая же, как и (—)-спирта; б) максимальное вращение —18,3°. 17.6. а) Практически полное обращение конфигурации. 17.17. 4. 17.18. а) 73, СН3СН=ОСН2СН3; 87, СН3СН2СН(СН3)6=СН2; 45, СН3СН=ОН.
Полиизобутилен. 12. А — З-бром-4-метокситолуол; Б — о-метоксибеизилбромид; В — о-бромфенетол. 14. л-Метиланизол. 15. n-Метоксибеизиловый спирт. 16. а) Этил- mpem-бутиловый эфир; б) ди-н-пропиловый эфир; в) диизопропиловый эфир. 17. А—п- метилфенетол; Б — этилбензиловый эфир; В — З-фенилпропанол-1.
18 J Карбоновые кислоты
91 при 110 °C, 71 при 156 °C; ассоциация наблюдается даже в газовой фазе, причем она уменьшается с повышением температуры. 18.2. б) 2-Метилдекаиовая кислота; в) 2,2-диметилдодекановая кислота; г) этиловый эфир н-октилмалоновой кислоты н-С#Н17СН(СООСгН5)2. 18.3. б) 2-Метилбутаиовая кислота. 18.4. а) п-Бромбензойная кислота; б) n-бромфенилуксусная кислота. 18.7. a) F > Cl > Вг > I. б) оттягивание электронов. 18.11. о-Хлорбензойная кислота. 18.12. а) 103; б) этоксиуксусная кислота. 18.13. а) два, 83; б) эквивалент нейтрализации = мол. вес/количество кислых водородов в молекуле; в) 70, 57. 18.14. Карбонат натрия. 18.16. 105, CeH5C=O°; 122.М1"; 77, CeHg
И. В — н-С1вН33Вг; Е—н-С1вН3зСООН. 20. A— HCsCMgBr; Г — ОНССН2СООН. 26. Эквивалент нейтрализации равен 165; о-иитробензойиая кислота. 27. А — л-этилбен- зойная кислота; Д — 3,5-диметилбензойная кислота. 28. Нервоновая кислота, цис- или транс-СН3(СН2)7СН=СН(СН2)13СООН (на самом деле, транс-изомер). 29. Троповая кислота СвН5СН(СН2ОН)СООН; атропровая кислота СвН6С(=СН2)СООН; гидратропо- вая кислота СВН5СН(СН3)СООН. 30. а) СН3СНС1СООН; б) С1СН2СООСН3; в) ВгСН2СООСН2СН3; г) СН3СН2СНВгСООН; д) СН3СН2ОСН2СООН. 31. а) Кротоновая кислота; б) миндальная кислота; в) л-нитробензойная кислота.
1919Альдегиды и кетоны. 1Альдегиды и кетоны. 1
19
19
Альдегиды и кетоны. 1
Альдегиды и кетоны. 1
RCH(OH)2. 19-6. Адипиновая кислота НООС(СН2)4СООН. 19.7. а)1;б)1;в) 1; г) 2 (оба оптически активны); д) 2; е) не изменяется. 19.11. а) Синтез простых эфиров по Вильямсону; б) ацетали (циклические). 19.19. Внутримолекулярная «перекрестная» реакция Канниццаро. 19.24. 29, HCsO; 43, СН3С=О. 19.25. а) CgH3 или НС=Оь; б) НС=О+; в) C>hL 19.26. а) СН3С=ОП б) 105, С6Н5С~О+; 77, С6Н5+; 120, М+; 43, СН3С=О+. 19-27. а) 44, СН2=СНОН+; б) а. 58; ₽, 44.
Г—СвН5СН2СНгС(ОН)(СН2)2. 17. Про
тонированный альдегид является электрофилом, а двойная связь — нуклеофилом. 19. Кресло: в А все СС13-группы занимают экваториальное положение; в Б две СС13-группы занимают экваториальное положение, одна — аксиальное. 21.
R RMgX (С*Н6)2С=О + RMgX> (C6H6)2C=O-MgX >■ Третичный спирт
Н2о
(СеН6)2С=О
Гидрид-ион переносится от (СВН5)3СНО~ к избытку С6Н5СНО. 25. (СН3)2С= =СНСН2СН2С(СН3)=СНСНО, цитраль а (Н и СН3 находятся в транс-положении), цитраль b (Н и СН3 находятся в цис-положении); дегидроцитраль (СН3)2С=СНСН= =СНС(СН3)=СНСНО. 26. Карвотанацетон (5-изопропил-2-метилциклогексен-2-он-1). 27. а) Бутаион-2; б)изомасляный альдегид; в) бутен-2-ол-1. 28. а) Пентанои-2; б) метил- изопоопилкетон; в) метилэтилкетон. 29. А — анисовый альдегид; Б — л-метоксиацетофе- нон; В — изобутирофеион.
20 J Функциональные производные карбоновых кислот
Основность уходящей группы: СГ < RCOO~ < OR* < NH^. 20.6. Структура II в разд. 20.16. 20.10. Октадеканол-1 и бутанол-1. 20.11. a) RCOC1; б) RCOO'NH,, RCONH2, RCN, амиды с низким молекулярным весом, амины; в) RCOO~NHj; г) (RCO)2O; д) RCOOR'. 20.12. а) 102; в) 4; г) нет. 20.13. а) Два, 97; б) эквивалент омыления = мол. вес/число сложноэфирных групп в молекуле; в) 297. 20.14. а) 74, СН2=С(ОН)ОСН3; 59, CH2=C(OH)NH2; 6)43, С3Н7+; 74, СН2=С(ОН)ОСН^; 71, С3Н7С=О+; в) 105, С6Н5С=О+; 77, С„Н^; 122, С6Н6СООН+; г) 119, АгСе=О+; 91, С,Н|; 118, (М — СН3ОН)+; 150, №.
Нуклеофильное замещение; б) противоположный знак вращения; в) (+)-окта- нол-2; (—)-октанол-2. 14. а) Спермацет (н-гексадециловый эфир н-гексадекаиовой кислоты). 16. а) 5 НО-групп; б) 2 НООС-группы; в) 2 НО-группы; г) 3 НО-группы; д) одна НООС-группа; галловая кислота (3,4,5-триоксибеизойная кислота). 17. И — иидеи (см. гл. 12, задача 26); Л — транс-2-метилциклогексанол. 18. Прогестерон
19. а) Этилацетат; б) метакриловая кислота; в) фенилацетамид. 20. а) н-Пропилфор- миат; б) метилпропионат; в) этилацетат. 21. А — бензилацетат; Б — метиловый эфир фенилуксусной кислоты; В — гидрокоричная кислота С6Н5СН2СН2СООН. 22. Этиловый эфир анисовой кислоты. 23. А — винилацетат.
2121Сульфокислоты и их производные
21
21
6). Электрофильное замещение, в ароматическом ряду, при котором Н+является атакующим агентом. 21.4. б) Электрофильное замещение в ароматическом ряду, при котором NH2- и ОН-группы активируют ^кольцо и направляют заместитель в орто- и лара-положения. 21.8. а) —13,8^6) +13,8°. 21.10. а) транс-Элиминирование. 21.11.
другими основаниями; хорошая уходя-другими основаниями; хорошая уходя-18. Бимолекулярное18. БимолекулярноеСлабоосновной аннон RO8O3 легко замещается щая группа.
другими основаниями; хорошая уходя-
другими основаниями; хорошая уходя-
18. Бимолекулярное
18. Бимолекулярное
а) л-Ксилол; б) м-ксилол. 13. Сахарин
замещение, в котором пирофосфат-ион является уходящей группой.
22 Амины. I. Получение и физические свойства
.3. R:~ подвергается быстрому обращению конфигурации аналогично R3N:.
а) Путресцин— 1,4-диаминобутан; б) кадаверин— 1,5-диаминопентаи. 7. Пара энантиомеров: (а), (в), (д), (е); одно оптически неактивное соединение, (б); оптически неактивная пара цис- и транс-изомеров, (г).
2323Амины. II. РеакцииАмины. II. Реакции
23
23
Амины. II. Реакции
Амины. II. Реакции
.6. Пентадиен-1,3 (образующийся при термической изомеризации пентадиена-1,4); 2-метилбутадиен-1,3 (изопрен). 23.7. а) транс-Элиминироваиие; б) ментен-2. 23.8. а) Чис-Элимннироваиие; б) реакция Гофмана, транс-, дегидрогалогенирование, транс; сульфонаты, транс; пиролиз ацетатов, цис. 23.11. а) н-Бутильный карбониевый ион. 23.12. б) 2-Метилбутен-2, 2-метилбутен-1, mpem-пентиловый спирт. 23.13. Уходящие группы: С1~ 2> Н2О > ОН~. 23.15. А — этиламии; Б — диметиламин.
На основание —О'" не действуют межионные силы и ие происходит образования водородных связей. 12. Плохую уходящую группу (ОН-) превратили в хорошую ЮТз-). 17. A—CeH5CONHCeH5; Б—CeH6NH2; В—С6Н6СООН. 18. Новокаин -i-H2NC6H4COOCH2CH2N(C2H5)2. 19. а) Б—C,H6NBr3; б) А—л-толуидин. 20. А—М-ме- тил-М-фениламид n-толуиловой кислоты. 21. К — циклооктатетраен-1,3,5,7. 22. А — N- (п-бромфенил)бензолсульфамид. 23. А—CeH5NH3Cl . 24. а) н-Бутиламин; б) М-метил- формамид; в) о-анизидии. 25. а) а-Фенилэтиламин; б) Р-фенилэтиламин; в) п-толуидин. 26. А — п-фенетидин (n-этоксианилин); Б — N-этилбеизиламин; В — кетон Михлера. л,п'-быс-(диметиламино)бензофенон.
24 I Соли диазония
4. а) Оттягивание электронов делает ион диазония более сильным электрофилом.
24.6.
QH^HR + ArNJQH^HR + ArNJ№ + CeH6NR—N=N—Ar,I№ + CeH6NR—N=N—Ar,I
QH^HR + ArNJ
QH^HR + ArNJ
№ + CeH6NR—N=N—Ar,I
№ + CeH6NR—N=N—Ar,I
CeHBNHR + ArNg > H+ + n-Ar—N=N—C6H4NHR.
II
Соединение I образуется быстрее; II более устойчиво. 24.7. а) 2'-Бром-4-окси-3,4'-диметилазобензол. 24.8. Восстановление азосоединения, полученного сочетанием N.N-Диметил- аиилина с какой-нибудь солью диазония (обычно ~O3SCeH4N^ из сульфаниловой кислоты).
A—2,4-(HO)2CeH3N=NC6HtCeH4N=NCeH3(OH)2-2,4; Б—(CH3)2NC6H4N= =NCeH4N=NC6H4N(CH3)2; В — n-HOCeH4N=NCeH4NO2-n; Г — o-CH3CeH4N= = МС6Н4СН3-о; Д — n-HOCeH4N=NCeH4N=NCeH4N=NCeH4N=NCeH4OH-n. 9. Реакция CeH6Ng происходит по механизму SnE реакция n-O2NCeH4Nj— по механизму 5^2.
25 I Фенолы
На внутримолекулярную водородную связь разбавление не влияет. 25.4. Бензол, пропилен, HF. 25.6. R переходит (1,2-сдвиг) с сохранением конфигурации от В к О в промежуточном соединении R3BOOH с замещением ОН . 25.11. п-Бромфенилбензоат п-ВгСвН4ООСС6Н8. 25.14. а) HSO^-Группа замещается электрофильными агентами, в данном случае нитроний-катионом.
Реакция не идет в случаях (б), (в), (е), (о). 6. Реакция идет только в случаях (в), (р), (т), (У)> (Ф)» (х)- 7. Реакция идет только в случаях '(в), (з), (и), (к), (л), (м), (о). 12. а) НСНО; б) НОСН2(СН2)4СОСН3. 13. а) Фенолы; г) внутримолекулярная водородная связь. 14. а) Нуклеофильное замещение в алифатическом ряду; б) электрофильное замещение в ароматическом ряду. 16. Фенацетин n-CH3CONHC6H4OC2H5; кума-
райрайкумараион-3кумараион-3карвакрол (2-метил-5-изопропилфенол); тв-карвакрол (2-метил-5-изопропилфенол); тв-
рай
рай
кумараион-3
кумараион-3
карвакрол (2-метил-5-изопропилфенол); тв-
карвакрол (2-метил-5-изопропилфенол); тв-
мол(5-метил-2-изопропилфенол); гексэстрол[3,4-бис-(п-оксифенил)гексан]. 17. Адре- налин[1-(3,4-диоксифенил)-2(М-метиламино)этанол]. 18. Феллаидраль (4-изопропил-3,4,5- 6-тетрагидробензальдегид). 19. А — л-крезол. 20. А — n-аллиланизол; Б — п-пропе- нилаиизол. 21. А — изопропилсалицилат. 22. Хавибетол (2-метокси-5-аллилфенол). 23. А—CeH5NHOH; Б — n-HOCeH4NH2; г) 2-метил-4-аминофенол. 24. а-Терпинеол[2-(4-ме- тил-3-циклогексенил)пропанол-2]. 25. Конифериловый спирт [3-(4-окси-3-метоксифе- иил)пропен-2-ол-1]. 26. Горденин п-НОС6Н4СН2СН2М(СН3)2 или n-HOC6H4CH(CH3)N(CH3)2 (на самом деле первое соединение). 27. А - 2-(и-ацетамидофенилазо)-4-метилфе- иол; Б — 2,4-(HO)2CeH3N=NC6H4N(CH3)3-n; В —2-бром-4'-окси-3',4-диметилазобензол. 28. А — 5-(п-НОС6Н4Н=МСвН4С6Н4Н=М)-2-оксибензойная кислота. 29. А—пиперональ; Б — ванилин; В — эвгенол; Г — тимол; Д — изоэвгенол; Е — сафрол.
26 ] Арилгалогениды
а) СН3СНС1+; б) СН3СН^; в) СН3СН2; д) +СН2СН2С1; е) СН3СНС1*; з) индуктивный эффект; и) мезомерный эффект. 26.3. б) Нуклеофильное замещение в ароматическом ряду; в) оттягивание электронов.
1. Реакция не происходит в случаях (б), (в), (г), (д), (е), (ж), (л), (м), (о), (п). 2. Реакция не происходит в случаях (з), (и), (к), (л), (н), (о), (п). 5. п) С6Н6 + HC=CMgBr. Рацемические модификации: (е), (з), (л). Оптически активное соединение: (о). 11.
ArF + R2NH
— /Е :В — /Г
Аг< *- Аг< > ArNR2 + F".
XNHRXNR2
13. а) 28, N2; 44, СО2; 76, дегидробеизол СвН4; 152, бифенилен
• б) ан
траниловая кислота. 14. Тетрафенилметан. 16.
CHj
27 Альдегиды и кетоны. II. Карбанионы
27.1. III, в котором отрицательный заряд находится на кислороде, т. е. на атоме, который лучше других может нести этот заряд. 27.3. Порядок уменьшения делокализации отрицательного заряда аниона. 27.6. б) Трудность возникновения второго отрицательного заряда. 27.7. Ожидаемая скорость рацемизации должна быть вдвое больше скорости обмена. 27.10. а) Обе реакции происходят через одну и ту же медленную стадию (2), стадию образования енола. 27.11. a) HSO7; б) D2O. 27.12. Катализ: а, в, г. 27.14. Образуется смесь продуктов альдольной конденсации. 27.15. Электрофилом является протонированный альдегид, нуклеофилом — енол. 27.23. а) у-Водород будет кислым. 27.28. Тройная альдольная конденсация с последующей перекрестной реакцией Канниццаро. 27.32. Элиминирование приводит к бутену-I и бутену-2. 27.35. А — (С6Н5)3Р=СНОСвН6; Б — С2Н5С(СН3)=СНОСвНв; В—С2Н5СН(СН3)СНО; общий путь получения альдегидов. 27.36.
А — 1-фенилциклопентен; Б — (С,Н6)3Р=СНСН2СН=Р(СвН5)3;
1. д) Аллилбензол. 2. д) Метиленциклогексан. 3. а) Реакция не идет; н) С6Н5СН= =СНСН=СН2; о) СвН5СН=СНОС6Н5; п) СВН3СН2СНО. 11. Дегидроцитраль (СН3)2С= =СНСН=СНС(СН3)=СНСНО, образующийся в результате альдольной конденсации по у-углеродному атому а,Р-непредельного альдегида.
14. Пиперин
СН=СНСН=СНС—N^ ^
О
15. A—(CDs)2C—Cs=CD.
28
Гликоли и эпокиси
.1. Бромистый винил. 28.5. 1 НЮ4: (а), (б), (в), (д); 4НЮ4 : (е), (ж); реакция ие идет: (г). 28.6. А—(СН3)3С(ОН)СН2ОН; Б — циклогександиол-1,2: В —2-оксициклогексанон; Г — НООССН(ОН)СН(ОН)СООН; Д—НОСН2СН(ОН)СН(ОН)СН,ОН; Е— НОСН2СН(ОН)СОСНО; Ж—НОСН2СН(ОН)СНО; 3—НОСН„(СНОН)4СНО; И— НОСН2(СНОН)4СООН. 28.17. а) СеН5СНС1СН2ОН; б) С6Н5СН(ОН)СН2ОСН,; в) CH3CH(OH)CH2NHCeH5; г) (СН3)2СС1СН(ОН)СН3. 28.18. цис > мезо; транс >
рацемическая модификация. 28.19. Рацемическая модификация: (а), (в), (г); мезо: (б). 28.21. а) транс-Изомер; б) рацемат; в) мезо-форма; г) рацемат, трео; д) рацемат, эра- тро; е) все оптически неактивны. 28.22. а) транс-Присоединение.
а) мезо-Бутандиол-2,3. 5. А — декандиол-1,10; Б — гександиол-2,5; В — гексаи- диол-1,6; Д — пентандиол-1,5; Е — глицерин; Ж — гександиол-3,4; 3—З-метил-6-этил- октандиол-3,6; Л — рацемический трео- 1-фенилпропантриол-1,2,3; М — 2,5-диметилгек- син-З-Диол-2,5; Н — бутиндиол-1,4,; О — бутаидиол-1,4; П — 1,1,4.4-тетрафенилбутаи-
диол-1,4. 9. А — пропаидиол-1,3; Б — пропандиол-1,2; В — 2-метоксиэтанол; Г — диметоксиметанол (диметилацеталь формальдегида); Д — а-оксипропионовый альдегид; Е — оксиацетои; Ж — Р-оксипропиоиовый альдегид; 3 — пропионовая кислота; И — этил- формиат; К — метилацетат; Л — ^цс-циклопропандиол-1,2;
н—сн2—сн—СН2ОН.н—сн2—сн—СН2ОН.оо
н—сн2—сн—СН2ОН.
н—сн2—сн—СН2ОН.
о
о
10. А — С6Н6СОСН(ОН)СвН5 (бензоин); Б — С6Н5СОСОС«Н5 (бензил); В — цикло- (СНОН)в; Г — ^кс-октадеценовая-9 кислота; Д — 9,10-диоксиоктадекановая кислота;
Е — СвН5СООСН2СН(ОН)СН2ОН; Ж — глицерин; 3 — пинакон; И — пинаколин.
11.11.ВВ13.13.сноснон-4-он н—|—он СН2ОНн-4-он н—|—он СН2ОН(или энантиомер)(или энантиомер)п-<-)-эритроза.п-<-)-эритроза.СНО НО-1-Н H-f-OH сн,он п-(—)-лреозаСНО НО-1-Н H-f-OH сн,он п-(—)-лреоза(или энантиомеру(или энантиомеру
11.
11.
В
В
13.
13.
сно
сно
н-4-он н—|—он СН2ОН
н-4-он н—|—он СН2ОН
(или энантиомер)
(или энантиомер)
п-<-)-эритроза.
п-<-)-эритроза.
СНО НО-1-Н H-f-OH сн,он п-(—)-лреоза
СНО НО-1-Н H-f-OH сн,он п-(—)-лреоза
(или энантиомеру
(или энантиомеру
а) 2 диастереомера (цис и трансу, б) ии один ие является оптически активным; в) изомер, в котором ОН-группа и боковая цепь, имеющая другую ОН, находятся в цос-положе- иии друг к другу. 15. в) Оба ОН занимают аксиальное положение; конформация стабилизована водородной связью. 16. Твист-конформация; обе mpem-бутильные группы занимают «экваториальное» положение. 17. б) транс-Изомер; внутримолекулярная водородная связь между ОН и кислородом кольца. 19. а) Холин HOCH2CH2N(CH3)3OH"; б) ацетилхолин CH3COOCH2CH2N(CH3)SOH-. 23. а) Нуклеофильное замещение; б) обращение конфигурации. 24. А — С1СН2СН(ОН)СН2ОСН3, сохранение конфигурации;
Б — СН3ОСН2СООН; В — СН3ОСН2СН—СН2; Г — СН2—СН2;Д — СвН5СН2СнзОН;
V сн2-о
Е — рацемический транс-2-х лорциклогексанол, обращение конфигурации; Ж — рацемический трйнс-2-метилциклогександиол-1,2, обращение конфигурации- 3 — я-С4Н6ОСН2СН2ОН; И — я-С4Н8ОСН2СНО; К — рацемический и мезо*- НОСН2СН(ОН)СН(ОН)СН2ОН; Л — рацемический бутандиол-2,3; М — мезо-бу- тандиол-2,3. 25. Через циклический бромониевый ион. В результате половина молекул реагирует с обращением конфигурации у обоих атомов углерода, а половина — с сохранением конфигурации у обоих атомов углерода (двойная инверсия для одного). «29. а) 5а,бр и 5р,6а; 2р,3а и 2а,ЗР; б) предпочтительное образование бромониевого иона в результате менее затрудненной атаки снизу. Ион бромония раскрывается через анти-пе- реходное состояние с образованием диаксиального дибромида.
29 | Дикарбоновые кислоты
5. а) Диэфир; б) моиоэфир; в) то же самое, что и (б); г) моноэфир моноамид; д) диамид; е) циклический диамид; ж) моноэфир. 29.10. Кислотный гидролиз амидных связен,
Н Н
2CN"; 5Н2, катализатор. 29.12. — N(CH2)5CON(CH2)6C—. 29.13. Циклогексанон. II
О
Малеиновая кислота является цис-, а фумаровая — транс-бутендикарбоновой кислотой НООС—СН=СН— СООН. 29.20. Ж — нафталин (см. рис. 35.2, стр. 1001).
Конечный продукт реакции — 1-фенилнафталин (ср. задачу 35.18п). 29.22. 9,10-Ан- трахинон (см. разд. 35.18). Ацилирование по Фриделю — Крафтсу. 29.23. а) о-(п-Толуил)- беизойная кислота (стр. 1006); б) 2-метил-9,10-антрахинон (стр. 1006). 29.26. Нуклеофильное замещение: первичный > вторичный > третичный. 29.27. Гидразид фталевой
кислотыО
а) Этиловый эфир бензальмалоновой кислоты С6Н5СН=С(СООС2Н5)2. 29.34. Дегидратация аммониевых солей при нагревании. 29.39. Нуклеофильное присоединение по карбонильной группе. 29.42. б) Нуклеофильное присоединение. 29.43. Ь1,М-Ди-(п-нит- рофенил)мочевина (n-O2NCeH4NH)2C=O. 29.44. в) Левовращающий, имеет ту же конфигурацию, что и амин в разд. 22.14. 29.46. Уретан RNHCOOCH3. 29.47. а) Амид; б) н-ва- леранилид (N-фенил-н-валерамид). 29.48. а) Полиуретаны; б) поли(оксипропилеи)гли- коли (см. задачу 28.16, стр. 845) и 1,2,5-CH3C6H3(NCO)2.
Реакция не идет в случаях (л), (м), (и), (о). 8. Реакция не идет в случаях (к), (о), (п). 14. а) Циклический ангидрид; б) циклический кетой, СО2; в) циклический кетон, СО2; г) СвН5СН2СООН, СО2. 16. В — циклогексан-1,3-дикарбоновая кислота; Е — циклогексан-1,4-дикарбоновая кислота; 3 — янтарная кислота; К — циклобутан-1,2-дикарбоновая кислота. 17. А — гексадиен-1,5; Д •— 2,5-диметилциклопентанкарбоновая кислота. 18. Б — H2NCONHNO2; В — H2NCONHNH2, семикарбазид. 19. В — цис-1,2-ци- клопропан-(СН2СООН)2. 22. а) цыс-Кислота: только эта кислота может образовывать циклический ангидрид. 26. А ■— гексаметилбензол; Б — С6(СООН)„; В — триангидрид соединения Б. 27. Гемипиновая кислота (3,4-диметоксифталевая кислота); метагемипи- новая кислота (4,5-диметоксифталевая кислота). 28. а) Метильные группы находятся в транс-положен ни в соединениях А и В; в цис-положении в соединениях Б, Г и Д; б) соединение А можно расщепить. 29. а) Этиладипат; б) этиловый эфир этилфенилмало- иовой кислоты; в) этиловый эфир ацетамидомалоновой кислоты.
3030КетокислотыКетокислоты
30
30
Кетокислоты
Кетокислоты
.4. а) Внутримолекулярная конденсация по Клайзену, приводящая к циклизации; б) 2-карбэтоксициклогексанон; г) этиловый эфир 2,5-дикетоциклогексан-1,4-дикарбоновой кислоты. 30.7. б) Гександион-2,4; в) 1,3-дифенилпропандион-1,3 (дибеизоилметан); г) 2-(С2Н5ООССО)-циклогексанон. 30.8. а) С6Н6СООС2НБ и С6Н5СН2СООС2Н5; б) C^HgOOCCOOCsHs и этилглутарат; в) этилфталат и СН3СООС2Н5. 30.9. Нуклеофильное замещение (8^2); первичный > вторичный > третичный; арилгалогениды не используются. 30.10. а) СН3СОСН,СН2СООН, у-кетокислота; б) С6НБСОСН2СОСН3, СН3СОСН2СН2СОСН3, два дикетона. 30.12. А — С2Н5ООССОСН(СН3)СООС2Н5. 30.14. а) Заряженный конец теряет СО2. 30.17. Дает относительно устойчивый анион С6Н5С=С-.. 30.20. 6,8% енола.
Циклопентанон. 8. б) Внутримолекулярная альдольная конденсация; г) дает 3-метилциклогексен-2-он-1. 9. б) Йодоформная проба. 11.
. СН3СОСН2СООС2НБ + CH3MgI » CH4f + (CH3COCHCOOC2H6)_Mg2+r.
.Неролидол RCH2C(CH3) (ОН) СН=СН2. 14. Ментон (2-изопропил-5-метилциклогек- санон). 15. а) а, енол—СН3; Ь, кето—СН3; с, кето—СН7—", d, енол—СН=; е, енол—ОН. Соотношения а : b и 2d : с одинаковы (5,5 и 5,6) и дают 85% енола; б) полностью енол; сопряжение с кольцом.
3131ОксикислотыОксикислоты
31
31
Оксикислоты
Оксикислоты
.5. —О(СН2)еСОО(СН2)8СОО(СН2)еСО—. 31.6. a) HOCH2CH2CH2CONH2; б) НОСН2СН2СН2СН2ОН; в) НОСН2СН2СН2СООС2Н6. 31.7. а) Дикетопиперазин, шести- члеиный циклический диамид; б) ненасыщенная кислота; в) у-лактам, пятичленный цик - лический амид, г) 6-лактам, шестичленный циклический амид. 31.8. a) R; б) R; в) 8; г) R. 31.9. (8)-( + )-бутанол-2. 31.10. а) 1:3, б) изомер ь-ряда будет зеркальным изображением изомера п-ряда. 31.11. a) 8,8; б) R,R; в) R,S. 31.13. Три изомера: п,ь и мезо. 31.14. Четыре изомера: два d и два ь.
В — лимонная кислота (НООССН2)2С(ОН)СООН; Д — е-оксикапроновая кислота; Е — С1СН2СН(ОН)СН2С1; К—лимонная кислота (см. В); Н — кумарин (см. задачу 27.27, стр. 826); С — 1-фенилионанон-З. 8. В — НООС(СНОН)2СООН; Г — СН3(СНВг)2СООН; Ж — С6Н5(СНОН)3С6Н5; 3 — НООС(СНОН)2СООС,Н5; И — НООССН(ОН)СН(ОСОСН3)СООН; К — НООС(СНОН)2СООН; Л — НООС(СНОН)2СООСН3; О — НООС(СНОН)3СООН; С — НООС(СНОН)3СООН; Т —[CeH4NHCH(CH3)C2Hs]2; У—3 фракции (2 мезо, одна рацемат). 9.
СНОН—1-ОНН—|—ОНСН2ОНD-(—)- эритроза.СНОН—1-ОНН—|—ОНСН2ОНD-(—)- эритроза.СНО HO-I-H Н—|—ОН СН2ОНD-(—Утреоза,СНО HO-I-H Н—|—ОН СН2ОНD-(—Утреоза,
СНО
Н—1-ОН
Н—|—ОН
СН2ОН
D-(—)- эритроза.
СНО
Н—1-ОН
Н—|—ОН
СН2ОН
D-(—)- эритроза.
СНО HO-I-H Н—|—ОН СН2ОН
D-(—Утреоза,
СНО HO-I-H Н—|—ОН СН2ОН
D-(—Утреоза,
НН2, 2, 1, 2. 12. а) 4 изомера. 13. А — мезо-, Б — рацемат. 16. Камфороиовая кислота НООССН2С(СН3)(СООН)С (СН3)2СООН. 17. Пантотеновая кислота
Н
Н
HOCH2C(CH3)2CH(OH)CONHCH2CH2COOH. 16. Теребовая кислота
терпениловая кислотатерпениловая кислота17. Фосфат-иои (Н2РО4) — лучшая17. Фосфат-иои (Н2РО4) — лучшаяСН3
терпениловая кислота
терпениловая кислота
17. Фосфат-иои (Н2РО4) — лучшая
17. Фосфат-иои (Н2РО4) — лучшая
О—.СНз
,=V—сн2соонн
уходящая группа, чем ОН~.
32 I а,$-Непр сдельные карбонильные соединения
32.2. А — С6Н6СН2СН2СНО; Б — С6Н5СН2СН2СН2ОН; В — СвН3СН=СНСН2ОН.
г)—СН2СН— (орлон), —СН2СН— (акрилоид), —СН2С(СН3)— (плексиглас).
CNCOOCHgCOOCHg
а) цис-Гидроксилирование; б) малеиновая кислота> рацемическая1 модификация, фумаровая кислота> мезо-форма; в) малеиновая кислота> рацемическая модификация, фумаровая кислота► мезо-форма. 32.7. Все менее устойчивы, чем 1. 32.8. Амид. 32.11. Б —СН3СН(СН2СООН),; Г — 6-кетокапроновая кислота; Д — СН3СОСН2СН2СН(СООС2Н3)2; Е — С6Н5СН(СН2СОС6Н5),; 3 — Н,С= =СНСН(СООН)СН2СН2СООН; И — С2Н3ООССН=С(СООСгН3)СН(СООС2Н5)СОСН3; К — НООССН=С(СООН)СН2СООН.32.12.а) А — Н2С=С(СООС2Н6)2; в) глутаровая кислота. 32.16. 1,4-Дифенилбутадиен-1,3 + малеиновый ангидрид; бутадиен-1,3 + цикло- пентен-2-он; бутадиен-1,3 (2 моля). 32.17. а) 3-Этоксипентадиен-1,3 + п-бензохинон; б) 5-метокси-2-метилбензохинон-1,4 + бутадиен-1,3. 32.19. а) Легкость окисления; б) легкость восстановления. 32.20. n-Нитрозофенол подвергается кето-енольной таутомерии с образованием монооксима.
a) CeH5COCH2CH(CeH3)CH(CN)COOC2H3;
е) СН3СОСН2С(СН3)2СН(СООС2Н3)СОСН3; з) (С2Н5ООС)2СНСН2СН(СООС2Н5)2; к) O2NCH2CH2CH2COOCH3м) O2NC(CH2CH2CN)3; н) С13ССН2СН2СМ.
5. А — (С2Н5ООС)2СНСН(СвН3)СН2СОСНгСН(С6Н5)СН(СООС2Н5)2;
Б — (C2H5OOQ2CHCH(CeH5)CH2C6CH=-CHCeH5; В — 4,4-дикарбэтокси-З,5-дифенилциклогексанон. 6. г) 4-Ацетилциклогексен; ж) 5-нитро-4-фенилциклогексен; з) 1,4-дигидро- 9,10-антрахинон. 7. а) Гексатриен-1,3,5 + малеиновый ангидрид; б) 1,4-диметилцик- логексадиен-1,3 4-малеиновый ангидрид; в) бутадиен-1,3 + бензальацетон; г) бутадиен-1,3 + ацетилендикарбоновая кислота; д) циклопентадиен-1,3 + п-бензохинон; е) 1,Г-бициклогексенил [см. задачу 6(6)] + 1,4-нафтохинон [см. задачу 6(з)]; ж) циклопентадиен-1,3 4- кротоновый альдегид; з) циклогексадиен-1,3 + метилвинилкетои; и) циклопентадиен-1,3 (2 моля). 8. цис-Присоединение. 9. а) Рацемическая модификация; б) мезо-форма; в) 2 .мезо-формы; г) мезо-форма. 11. С6Н5СН(С2Н3)СН2СОСН3, 4-фенилгексанон-2. 12. Д — глицериновый альдегид; Ж — аконитовая кислота НООССН=С(СООН)СН2СООН; И — трикарбаллиловая кислота НООССН(СН2СООН)2; К — «тетрациклои» (тетрафенилциклопентадиенои); М — тетрафеиилфталевый ангидрид- О — пентафенилбензол; У — (СН3)2С(СН2СООН)2; X — СН3СНОНС = ССН,- Ц — СН3СОС=ССН3; Ч — ацетилацетон; Ш — (СН3)2С=СНСООН; Ю — НООССН=
33 Углеводы. I. Моносахариды
а) 3; б) 8. 33.3. Глюкоза + 5Н1О4> 5НСООН + НСНО. 33.4. А — глю
коновая кислота; Б — сорбит; В — сахарная кислота; Г — глюкуроновая кислота. 33.5. Фруктоза. Альдоза» озазон> озон» 2-кетоза. 33.6. Конфигурации при С-3, С-4 и С-5 идентичны. 33.7. а) 2 тетрозы; б) 4 пентозы, 8 гексоз (см. задачу 33.1); в) о; г) ь- 33.9. I — (+)-аллоза; II — (+)-альтроза; VI — (—)-идоза; VII — (+)- галактоза; VIII — (+)-талоза. 33.13. ь-(+)-Гулоза. 33.14. а) 36,2% с, 63,8% р. 33.17. а) СН3ОН, НООССНО и D-глицериновая кислота. 33.18. НСНО вместо НСООН. 33.19. а) Шестичленное кольцо; б) НСООН, ОНС—СНО и НОСН2СНО. 33.20. а) Шестичленное кольцо; б) энантиомер. 33.21. а) Пятичленное кольцо; б) оптически активный, ь-ряд; в) энантиомер.
Д и Д' — аллит и галактит; Е — сорбит (или гулит); 3 — сорбит (или гулит); И и И' — аллит и галактит; О — рибит; П — арабит (или ликсит). 5. а) А — гликозид .люкуроновой кислоты; г) НОСНг(СНОН)3СОСООН. 6. а) 5 атомов углерода, пятичленное кольцо; б) С-1 и С-4; в) А — метил-а-о-арабинофуранозид. 7. Салицин (о-(оксиметил)- фенил-р-о-глюкопиранозид]. 8. Индикан (р-о-глюкопиранозид). 9. Биоиноноза — пентаоксициклогексанон, в котором ОН-группы находятся в транс-положении друг к другу. 11. а) А —о-рибоза; Б — D-арабиноза; б) 3-фосфат. 12. а) Протон при С-1 больше всех дезэкранироваи двумя кислородами; б) А — p-аномер; Б — а-аномер; в) В — Р-ано- мер; Г — а-аномер; г) Д — а-манноза; Е — р-маниоза; Ж — р-глюкоза; 3 — а-глюкоза.
13. l-(—)-Мукароза13. l-(—)-Мукарозад) а-гликозид; е) р-аномер. 14.
13. l-(—)-Мукароза
13. l-(—)-Мукароза
а) Аномерный эффект (разд. 33.18) стабилизует а-аномер; б) аномерный эффект стабилизует аксиальное расположение атомов хлора. 15. а) На основании пространственных факторов — ни один; аномерный эффект благоприятствовал бы аксиальному расположению ОСОСН3 при С-1; б) ничего не говорит: в любой конформации две ОСОСН3-группы занимают экваториальное положение, а две — аксиальное; в) отношение площадей пиков е : а должно быть 2:1, если ОСОСН3 при С-1 все аксиальные; 1:1, если половина из них аксиальны; 0,5 : 1, если нет аксиальных. Отношение 1,46 : 1,00 показывает, что группа ОСОСН3 при С-1 занимает аксиальное положение в 79% молекул.
34 | Углеводы. II. Дисахариды и полисахариды
D-Глюкоза и D-эритроза; присоединяется к другому кольцу по С-4. 34.8. D-Галактоза и D.эритроза. 34.10. С)2Н20О]0, не восстанавливается. 34.11. Сахароза является а-глюкозидом. 34.13. а) Большая группа занимает аксиальное положение. 34.14. а) 3 молекулы НСООН на молекулу амилозы; б) количество молей НСООН/3= количество молей амилозы; вес амилозы/количество молей амилозы = мол. вес амилозы; мол. вес амило- зы/вес (162) на единицу глюкозы = количество единиц глюкозы на молекулу амилозы; в) 474 . 34.15. Поли-а-С-глюкопиранозид; единица, образующая цепь, присоединение по С-1 и С-6; единица, связывающая цепь, присоединение по С-1, С-3 и С-6; концевая группа, присоединение по С-1. 34.16. Поли-р-С-ксилопиранозид; звено, образующее цепь, при-
соединение по С-1 и С-4; звено, связывающее цепь, присоединение по С-1, С-3 и С-4; концевое звено, присоединение по С-1.
Генциобиоза [6-О-(р-п-глюкопиранозил)-п-глюкопираноза]. 2. а) Трегалоза (а-р- глюкопиранозил-а-п-глюкопиранозид); б) изотрсгалоза (а-п-глюкопиранозил-Р-п-глю- копиранозид); неотрегалоза (р-о-глюкопиранозил-р-о-глюкопиранозид). 4. Рафиноза, а-р-галактозильный остаток присоединен к С-6 глюкозного звена сахарозы; мелибиоза [6-О-(а-р-галактопиранозил)-р-глюкопираноза]. 5. а) Мелезитоза, а-р-глюкопирано- зильный остаток присоединен к С-3 фруктозного звена сахарозы; тураноза [3-0-(а-р-глю- копиранозил)-р-фруктофураноза]. 6. Паноза, а-р-глюкопиранозильный остаток присоединен к С-6 невосстановленной части мальтозы; изомальтоза [6-О-(а-р-глюкопирано- зил)-р-глюкопираноза]. 7. б) р-Глюкуроновая кислота; в) р-ксилоза. 12. В — р-НОСН2СН(ОН)СН(ОН)СООН; Г — НООССНО. 13. а) 3 молекулы НСООН на одну молекулу целлюлозы; в) 1390 остатков глюкозы.
J Многоядерные ароматические соединения
.1. 2; 10; 14. 35.3. б) транс-Декалин более устойчив; обе большие группы (другое кольцо) в каждом кольце занимают экваториальное положение; в) цис-присоединение, контроль скорости; транс-присоединение, равновесный контроль. 35.4. Бензильное замещение, отщепление НВг приводит к сопряженному алкенилбензолу; бензил-аллильное замещение; отщепление приводит к ароматическому кольцу. 35.5. а) Кадален [4-изопро- пил-1,6-диметилнафталин]; б) кадинен имеет такой же углеродный скелет, как и кадален, в соответствии с изопреновым правилом. 35.8. а) Через дегидробензол; б) прямое замещение —F амином; в) происходит и прямое замещение, и отщепление — присоединение. 35.9. Бензол-1,2,4-трикарбоновая кислота; бензол-1,2,3-трикарбоновая кислота. 35.17. Дезактивирующая ^ацильная группа превращена в активирующую алкильную группу. 35.19. Фенантрен (см. разд. 35.19 и рис. 35.3, стр. 1008). 35.20. 23 ккал/моль; 31 ккал/моль. 35.22. а) Более устойчивое тетрагидросоединение; б) обратимое сульфирование дает более устойчивое соединение. 35.24. а) 1-Нитро-9,10-антра- хиион; б) 5-нитро-2-метил-9,10-антрахинон (и небольшое количество 8-нитроизомера).
35.29. Пирен35.29. Пирен
35.29. Пирен
35.29. Пирен
1-, 5- и 8-Нитро-2-метилнафталин. 6. Е — фенантрен. 8. А — 1,2-бензантрацен; Б — хризен. 9. а-Нафтол. 10. а) Реакция Дильса — Альдера; в) Б — мезо-форма; В — рацемическая модификация. 11. г) Р-Тетралон (2-кето-1,2,3,4-тетрагидронафталин). 12. а) Циклодекандион-1,6; б) бипиклический ненасыщенный кетон, в котором одно коль
цо является семичлениым, а другое — пятичленным. 13. а) Азулен
диполем С—G. 14. а)диполем С—G. 14. а)бл-электронов в каждом кольце; б) от семичленного кольца к пятичленному; увеличенный
диполем С—G. 14. а)
диполем С—G. 14. а)
Семичленное кольцо остается аро
матическим; б) протонирование происходит по С-1; азулен при нейтрализации; в) дейтерирование через электрофильное замещение при С-1 и С-3 и дейтерирование по С-1 сравнимы с протонированием в (б); при нейтрализации должен образоваться 1,3-ди- дейтероазулен; г) по С-1.. 15. Нуклеофильное замещение в семичленном кольце поС-4;
пятичленное кольцо остается ароматическим, сопряжение в семичлен
ном кольце. 16. Эвдалеи (7-изопропил-1-метилнафталин). 17. В — 3,3'-диметилбифенил; Ж3,4'-диметилбифенил; К — гексафенилэтан; М — тетрафенилметан; Н — 1,3,5-три- фенилбензол. 18. Группа N2 активирует молекулу по отношению к нуклеофильному
замещению в ароматическом кольце. 19. а) А — метиленовый мостик между 9- и 10-положением фенантрена; б) беспорядочное включение метилена в «-пентан; в) три продукта
включения и один продукт присоединения. 20.включения и один продукт присоединения. 20.д-<^]^> ;д-<^]^> ;каждое кольцокаждое кольцо
включения и один продукт присоединения. 20.
включения и один продукт присоединения. 20.
д-<^]^> ;
д-<^]^> ;
каждое кольцо
каждое кольцо
имеет 6 л-электронов. 21. а) Через дегидробензол; б) прямое замещение сопровождается отщеплением — присоединением; фторид наименее реакционноспособен в реакции образования дегидробензола, наиболее реакционноспособен в реакции прямого замещения (разд. 26.15); пиперидин сдвигает равновесие (1) влево и имеет тенденцию препятствовать образованию дегидробензола.
| Гетероциклические соединения
Б—[•—СН(СООС2Н5)СОСН3]2. 36.3. Группа СООН дезактивирует кольцо. 36.4. Два звена исходного вещества, связанные СН2-группой в положениях 5. 36.5. Натриевая соль фуранкарбоновой кислоты и фуриловый -спирт (реакция Канниццаро). 36.10. Гигрин (2-aцeтoнил-N-мeтилпиppoлидин); гидриновая кислота (М-метилпирроли- дин-2-карбоновая кислота). 36.11. Ориентация в пара-положение определяется активирующей МНа-группой. 36.13. Амин > имин > нитрил. 36.18. Пиперидин, вторичный амин, должен сам проацилироваться. 36.23. а) 8-Нитрохиволин; 6) 8-оксихинолин (хи- нолинол-8); в) 4,5-диазафенантреи; г) 1,5-диазафенаитреи; д) 6-метилхииолии. 36.28. Электрофильное ароматическое замещение или катализируемое кислотами нуклеофильное присоединение по карбонильной группе в зависимости от того, с какой точки зрения рассматривать.
Реакция не идет в случаях (в), (з), (и), (к). 3. В пирролиие двойная связь находится между С-3 и С-4. 4. А — ацетонилацетон. 5. Порфин с таким же скелетом, как и гемин, стр. 1055. 6. А — 2-СООН; Б — 3-СООН; В — 4-СООН. 7. а) 5- или 7-Метилхи- нолин; б) В — 7-метилхинолин. 9. д) Реакция Перкина; ж) реакция Реймера — Тимаиа. 10. (См. ниже исходные циклические системы.) А — 2,4,6-триокси-1,3-диазии; В — 3,6-диметил-1,2-диазин; Г —3,5-двметил- 1,2-диазол; Д — 2,3-диметил- 1,4-диазанафталин; Е — 1,3-диоксоланон-2 (этиленкарбонат); 3—индолол-3 (индоксил, см. задачу 8, стр. 962); К—2,5-диметил-1,4-диазнн; Л — 1,3-диазолидои-2 (имидазолидон-2, ?ти- ленмочевина); М — 4,5-бенз-2-метил-1,3-диазол (2-метилбензимидазол); П—■ 2,4-диокси- хинолин; Ф— 1,2-диазолидон-З (пиразолидон-3); X — 4,5-диазафенантрен; Ш—два индольных остатка, сочлененных в положениях 2,3—2',3'; Э—М-метил-1,2,3,4-тетрагид- рохинолин; Ю — 2-феиилбевзоксазол; Я—бензольное кольцо соединения Ю полностью гидрировано.
!,Л диазин (пиримидин)!,Л диазин (пиримидин)1,Z-диазин (пиридазин)1,Z-диазин (пиридазин)/.2 биазол (пиразол)/.2 биазол (пиразол)1,4диаза на.ф талин (хиноксалин)1,4диаза на.ф талин (хиноксалин)индол (бензпирроп )индол (бензпирроп )1,4-даазии (пиразин)1,4-даазии (пиразин)1,3-диазол (имидазол)1,3-диазол (имидазол)1,3-диоксола.н1,3-диоксола.нбенз 1,3-ди азо л (бензимидазол)бенз 1,3-ди азо л (бензимидазол)1.5 дисм-фенантрен (4,5 фенантролин)1.5 дисм-фенантрен (4,5 фенантролин)бензоксазолбензоксазол
!,Л диазин (пиримидин)
!,Л диазин (пиримидин)
1,Z-диазин (пиридазин)
1,Z-диазин (пиридазин)
/.2 биазол (пиразол)
/.2 биазол (пиразол)
1,4диаза на.ф талин (хиноксалин)
1,4диаза на.ф талин (хиноксалин)
индол (бензпирроп )
индол (бензпирроп )
1,4-даазии (пиразин)
1,4-даазии (пиразин)
1,3-диазол (имидазол)
1,3-диазол (имидазол)
1,3-диоксола.н
1,3-диоксола.н
бенз 1,3-ди азо л (бензимидазол)
бенз 1,3-ди азо л (бензимидазол)
1.5 дисм-фенантрен (4,5 фенантролин)
1.5 дисм-фенантрен (4,5 фенантролин)
бензоксазол
бензоксазол
Б — 3,4-(CH3O)2C6H3CH2CH2NH2; Г — 3,4-(СН3О)2СвН3СН2СОС1; Д — амид; Е — 1-замещеииый 7,8-Диметокси-3,4-дигидроизохинолин; папаверин, соответствующий замещенный изохинолин. 12. Е — (QHg^NC^CH^H^HBrCHs; 3 — 8-амиио-6-мето- ксихинолин; плазмохин, 8-ами ио-группа в соединении 3 алкилирована Е. 13. Никотин [2-(3-пиридил)-М-метилпирролидин]. 14. А — о-оксибензальацетофенои; в) кислород дает пару электронов для завершения ароматического секстета. 15. Тропииовая кислота 2-СООН-5-СНгСООН-М-метилпирролидин. 17. Псевдотропин имеет экваториальную ОН-группу, ои более устойчив. 18. а) Гувацин (1,2,5,6-тетрагидропиридин-З-карбоиовая кислота); арекадин (N-метилгувацин); б) никотиновая кислота. 19. Ж — один энантиомер этил-я-пропил-я-бутил-я-гексилметаиа; молекулярная диссимметрия не обязательно дает заметную оптическую активность (см. разд. 3.13). 20. Алифатическая NH2 J> «пиридиновый» N )> «пиррольный» NH.
37 | Аминокислоты и белки
.1. NH2 }> СОО-; протон переходит к МН2 с образованием H3NCHRCOO“. 37.2. СООН > МН3; СООН дает протон для образования H3NCHRCOO“. 37.5. а) По кислотной части; б) по основной части; в) более кислый и более основной, чем глицин. 37.8. 4 изомера. 37.9. Cys-S—S-Cys,Oly,Opr,Ile. 37.11. Промежуточным соединением для Ala является CH8CH(NH2)CN. 37.12. А — (СН3)2СНСН(СООС2Н6)СОСООС2Н5; Б — (СН3)2СНСН2СОСООС2Н6. 37.15. а) 22,4 мл; б) 44,8 мл; в) нет М2. 37.16. Минимальный молекулярный вес 114; возможно, валин. 37.19. Салмин, AlaArg50Gly4IleProe- Ser,Val3. 37.20. То же самое по эмпирической формуле (предыдущая задача). 37.21. 70300. 37.22. а) 16700; б) 4. 37.23. a) Phe-Val-Asp-Glu-His, б) His-Leu-Cys-Glv-Ser-His-Leu; в) Tvr-Leu-Val-Cys-Gly-Glu-Arg-Gly-Phe-Phe. 37.24. a) Cbz-Gly-Ala, SOC12; Phe; Н2, Pd; б") С6Н5СН2ОСОС1, Ala; SOC1,; Gly; H2, Pd.
Г—HOCH2CH2CH2CH(NH3)COO-. 3. а) A—CH3CON'HC(COOC2HJ2CH2CH2CHO; Д — CH3CONHC(COOC2H5)2CH2(CH2)2CH2NHCOCH;i;
б) E — NCCH2CH2CH(COOC2H6)2; И — H3NCH2(CH2)2CHC!COO'. 4- а) Дикетопиперазин, циклический диамид; б) ненасыщенная кислота; в) у-лактам, пятичлениый циклический амид; г) б-лактам, шестичленный циклический амид. 6. а) Бетаин (CH3)3NCH2COO ; б) тригонеллин (N-метилпиридиний-З-карбоксилат) (биполярный ион). 7. А—C2H5OOCCH2CH2NHCONH2; Б—диоксидигидро-1,3-диазин (см. выше исходную циклическую систему диазина); В — диоксидигидро-5-бром- 1,3-диазин; Д — 2-хлор-4-амиио-1,3-диазин; Е — 4-хлор-2-амино-1,3-диазии. 9. Минимальный молекулярный вес 13 000; минимум один атом железа и шесть атомов серы. 10. а) Приблизительно 32 СОМН2-группы; б) 395—398 пептидных связей плюс СОМН2-группы; в) 367—370 остатков аминокислот.
грамицидин S (циклический декапептид)грамицидин S (циклический декапептид)Val-Orn-Leu-Phe
грамицидин S (циклический декапептид)
грамицидин S (циклический декапептид)
Pro Pro
Phe-Leu-Orn-Val
Бычий инсулин
ЦепьА;j|NHS NH,
Gly-Ile—Val-Glu-Glu-CysCys-Ala-Ser-Val-Cys-Ser-Leu-Tyr-Glu-Leu-Glu-Asp-Tyr-CysAsp IIII
ПНг SS NH,
Цепь 5:sI
Fhe-Val-Asp-Glu-His-LeuCys-GlyScr-HisTeu-Val-Glu-Aia-Leu-Tyr-I^u-Val-CyrGly-j
*—Glu-Arg-Gly-Phe-Phe-Tyr-Thr-Pro-Lys-Ala
ж) ДНФ-ПН(СН2),СН(ПН^)СОО- из е-аминогруппы Lys. Если Lys является концевой группой, то образуется его ди-ДНФ-производное, а не ДНФ-Phe.
Предметный указатель
Абиетиновая кислота 991
Агар 982
Адениловая кислота 963
Аденин 963, 1062, 1063, 1064
Аденозин 963, 1063
Аденокортикотропный гормон 1047, 1053 Адипиновая кислота 575, 584 , 860, 861, 862, 864, 866, 874, 1022
Адипонитрил 693
Азеотропы 486
Азиды 879
Азобензол 744, 745, 746
Азоксибензол 745
Азоксисоединения 745
Азосоединения 737, 738, 739, 742—747, 992, 997
Азулен 1012
Аконитовая кислота 929
Акриловая кислота 915, 917 Акрилонитрил 915, 916, 920 Акролеин 614 915, 916, 917, 925, 1030, 1032
Аланин 697, 1043, 1045, 1054
Р-Аланин 870, 871, 912
(-|-)-Аланин 1038
Ализарин 980, 981, 1007
Алкалоиды 226, 543, 1022, 1029
Алканы 93—142
анализ 139 и сл., 401, 434, 436 внедрение метилена 133—136 галогенирование 116—122, 223, 445 гомологические ряды 102 и сл. горение 116, 136 и сл.
изомеры 98—102 классификация 93 крекинг ПО, 137 и сл. номенклатура 103—107 пиролиз ПО, 137 и сл. присоединение к алкеиам 175, 194 и сл. растворимость 109 реакции 115 и сл.
синтез 111 —115, 447 строение 138 и сл. хлорирование 117 и сл.
Алкенилбензолы 358, 359
анализ 391
реакции 386, 387 и сл.
Алкенилбензолы
синтез 385 и сл.
сопряженные, устойчивость 387 и сл.
Алкены 143—210
алкилирование 175, 194 и сл.
анализ 204—206, 401, 410, 434—435, 436
галогенирование 174, 179 и сл., 191
и сл., 445, 857
гидратация 174, 185, 482
гидрирование 112, 173 и сл., 177 и сл.
гидроборирование — окисление 175, 237, 487, 489—492
гидроксилирование 176, 199, 832, 833. 847—850
гидроформилирование 484 димеризация 175, 193 и сл. номенклатура 150 и сл. 180 озонолиз 176, 203—204
перекисный эффект 182 и сл., 196—198 полимеризация 252—259
реакции 172—210
— замещения 176, 200—203
— присоединения алканов 175, 194 и сл.
— — бромистого водорода 174, 183, 196—198
воды 174, 185, 482 и сл.
— — галогенов 174, 179 и сл., 191 и сл., 445, 857
— — галогеиоводородов 174, 180—183. 192 и сл.
— — ионные 197, 200 н сл.
— — метилена 176
— — правило Марковникова 175, 176.
182 и сл., 197
свободных радикалов 175, 196— 198, 299
— — стереоспецифичность291—293.
847—853
— — электрофильные 173, 185—190, 192
— стереохимия 291—293, 849—852
синтез 153—159, 160—162 , 237, 468, 517, 827—828
устойчивость 157, 178 и сл., 321 и сл.
элиминирование по Гофману 708, 713 и сл.
эпокиси 841, 844
Алкидные смолы 864
Алкилазиды 683 9-Алкилантрацен 1007 Алкилариловые эфиры 534, 536—538, 540, 545, 754, 763—764
Алкилацетоуксусный эфир 889
Алкилбензолы 358, 359, 360—377 алкилирование 362, 363—367, 371 и сл., 447
анализ 390, 433—436 галогенирование 368, 369, 372—376 гидрирование 368, 369 замещение 369, 372—376 нитрование 371 номенклатура 358 и сл.
окисление 368, 369 и сл., 390, 558
реакции 368—376 синтез 361—367, 371 и сл. сульфирование 368, 371
Алкилбораиы 487, 489
Алкилбромиды 50, 117, 443, 788, 789
Алкилгалогениды 50, 442—475, 788
анализ 471, 472, 786
восстановление 112, 447, 448 гидролиз 448—462, 483, 488, 833 дегидрогалогенирование 153 и сл., 155— 158, 233, 447, 462—470
замещение нуклеофильное 446, 447, 449— 462, 633
номенклатура 442 и сл.
реакции 240 и сл., 446—470, 693, 696— 698, 871—874, 889—891
синтез 175, 182, 183, 185 и сл., 196— 198, 444—446
структура 442 и сл.
элиминирование 447, 448, 462 и сл., 464—469
Алкилдигалогениды, реакции 233
вицинальные, дегалогенирование 154, 155
Алкилизоцианаты 879
Алкилкарбонаты 875, 876
Алкилфенолы 767
N-Алкилфталнмиды 870
Алкилфториды 444
Алкилхлориды 50, 117, 442, 443, 788, 789
Алкнлхлоркарбонаты 875, 876
Алкильные карбоииевые ионы 160, 162— 165, 166—169, 364—365
Алкильные свободные радикалы 46—48, 119—122, 124 и сл., 374, 379—381
Алкильный сдвиг 167 и сл.
Алкинилбензолы 358, 359, 389 и сл.
Алкины
анализ 260, 401, 410, 434, 435, 436
восстановление 154
гидратация 236, 241—242 кислотность 236, 237—239 номенклатура 231 озонолиз 260
реакции 234—242, 445
синтез 233—236, 447, 469 строение 228—231
Аллеи (пентадиен-1,2) 242, 244, 262
Аллены 243, 244, 262
Аллилбензол см. З-Феинлпропен
Аллилбромид 442, 443, 858
Аллилдиазометан 474
Аллиловый спирт 476, 479, 833, 896
Аллил хлористый (аллилхлорид) 176, 201, 443, 444, 833
Аллильные свободные радикалы 200—203, 251, 374, 377 и сл., 380
Аллильный карбониевый ион 246 и сл.
Н-)-Аллоза 947
Алмаз 984
Алфены (а-алкены) 258, 485, 654
Алфол-процесс 484 и сл.
Алфол-спирты 259
Алюмогидрид лития 492, 565, 576, 607, 608, 642, 651, 1022
Альбумины 1053, 1061
Альгин 962
Альгиновая кислота 982
Альдегиды 493, 587—627, 810—830 алифатические, синтез 592, 593, 596 анализ 401, 410, 601, 603, 606, 610, 611, 616
ароматические, синтез 591, 593, 596 бимолекулярное восстановление 833— 834
восстановительное аминирование 602, 692—694, 698—699
восстановление 601, 602, 607, 608 галогенирование 605
конденсация альдольная 605, 606, 615, 812—813, 820—822
— Перкина 813, 825—826
непредельные 606, 607, 825—826, 916
номенклатура 588
окисление 601, 605—606 реакции 601—605, 811—814 — Виттига 814, 827—828 — Каиииццаро 604, 614—616 — присоединения 487, 493, 494, 599— 600, 602, 603, 604, 607, 608—610, 612,612—613, 616, 813, 814, 820— 829
синтез 203—204, 509, 591, 592—593, 596, 635, 760, 769 и сл.
структура 587
Альдогексозы 932—934, 958
аномеры 951, 953
конфигурации 941—945, 953 конформации 959—960 превращение в эпимеры 941 производные, номенклатура 936 расщепление по Руффу 940—941 синтез Килиани — Фишера 939—940
Альдозы 932, 939—940
конфигурации 938, 946—947 конформации 959—960 озазоиы 938—939
окисление 936—939
производные, номенклатура 935—936 расщепление по Руффу 940—941
синтез Килиани — Фишера 939—940
Альдоли 605, 812, 820, 823
Альдольная конденсация 484, 605, 607, 812, 813, 820—823, 826—827, 887, 916
Альдопеитозы 939 и сл., 940—941, 943, 944, 946—947
Альтраровая кислота 947
Амиды карбоновых кислот 563, 576, 584, 628, 629, 630 , 638—639
анализ 657—658, 724, 725 гидролиз 638 и сл.
замещение нуклеофильное 633 замещенные 706, 715—717 — анализ 657, 724, 725
Амиды карбоновых кислот
— гидролиз 716—717
— синтез 673, 706, 715—717, 1051
кислотность 674
номенклатура 629
расщепление по Гофману 639, 693, 694, 700—701, 877
реакции 638—639
синтез 563, 576, 635, 637, 638, 641, 1051
Амилоза 972 , 973—976
Амилопектин 972, 976—978
Аминоазулен 1012
о-Амииоацетанилид 695
л-Амииоацетофеиои 497
Амииобеизойные кислоты 552, 572, 686, 720, 1041
2-Амино-1,1-дифеиилпропаиол-1 838
Аминокислоты 577, 870, 1037—1068
как диполярные ионы 1140 и сл.
кислые 1040
конфигурация 1043
незаменимые 1037, 1038—1039
основные 1040
природные 1038—1039, 1043
реакции 1045
синтез 692, 1043—1045
структура 1037, 1040
2-Аминонафталин 1031
2-Амиио-4-иитро-М-метиланилин 696
4-Амиио-2-нитротолуол 696
2-Амино-4-нитрофенол, w-пропиловый эфир 764
2-Аминопентан 699
З-Амииопропановая кислота 870
Р-Амииопропиоиитрил 920
•а-Аминопропиоиовая кислота см. Аланин
Амииопнридины 808, 1026
Аминофенолы 751
Аминояитарная кислота см. Аспарагиновая кислота
Амины 684—734
алкилирование 707, 712
анализ 401, 410, 714, 717, 722, 723, 724—725
ароматические, ацетилирование 706, 718
— галогенирование 718
— нитрование 718 и сл.
— основность 709
— реакции 707, 717—723, 724, 735— 736, 738, 742—744
— сульфирование 719
ацилирование 715—717
нитрозирование 707, 721—723 , 736
номенклатура 684—685
основность 686, 687, 705, 708 и сл., 709—712
производные 724, 728, 879, 880
реакции 704—734, 1051
синтез 447, 639, 691—694, 696—700, 713, 870, 877, 879
соли 685, 687 и сл., 689—690, 705
стереохимия 688—689
структура 684
элиминирование ио Гофману 708. 713
Ангидриды карбоновых кислот 628, 629— 630, 636—638, 865—866
реакции 636—638, 825 и сл., 867—868
Д9(11>-Андростен 499 , 525
Анетол 591, 754
Анизидины 686, 709, 804
Анизол 534, 537, 681, 743
Анилин 684, 686, 691, 705, 709, 711—712. 801, 802 ацетилирование 706, 718, 721 ацилирование 716 бромирование 707, 718 диазотирование 737 метилирование 700 нитрование 718 реакции 692 и сл., 706, 716, 743, 1030, 1031
— электрофильного замещения 353 сульфирование 718. 719
Анилиния бисульфат 718 нон 710, 719 хлорид 685, 691. 704
Анисовая кислота 552, 764
Анисовый альдегид (п-метоксибензальде- дегид) 590, 591, 615
Аннулены 329
Аномерный эффект 960 Аномеры 951, 952, 953 Антибиотики 720, 1015 Антоцианины 1035 Антраниловая кислота 552, 808, 870, 1041
9,10-Аитрахинои 983, 1004, 1006 Антрахиноновые красители 1007 Антрахиноны, синтез 1006—1007 Антрацен 390, 983, 1002—1009 Аитрои 1007 Арабаи 981
(—)-Арабиноза 943 и сл., 946, 947 Аргинин 1038, 1040 Арекаидин 1036 Арены 357—394 номенклатура 358 и сл. реакции 368—376, 386—389, 558, 559 структура 358 и сл. физические свойства 359—360. 361
Арилгалогениды 442, 781—809 аммонолиз 692, 694, 785—793 анализ 806 галогенирование 785 гидролиз 757, 785 замещение нуклеофильное 447, 781, 785—786, 790—794, 796—798 нитрование 785 номенклатура 322 реакции 763, 784 и сл.
синтез 331, 340 и сл., 372 и сл., 737, 739 и сл., 783—784
структура 781—789 сульфирование 785 Арилизоцианаты 879 Арилмагнийхлориды 785, 1022 Арилоксиуксусные кислоты 771 Ароматические свойства 301, 313—316 Ароматический секстет бензола 313 нафталина 985, 986, 993, 999 пиридина 1023 пиррола 1017
Асимметрический атом углерода 82 и сл.ъ 130—133
Аспарагин 1038, 1040
Аспарагиновая кислота (амииоянтарная кислота) 919, 1038, 1044, 1045, 1054, 1061
Ассоциированные жидкости 481
Асфальт 110
Атропин 1035
Атропиновая кислота 584
Ацетали 604, 612—614, 955, 956
Ацетальдегид 236, 557, 588, 590 диэтилацеталь 604 реакции 494, 557, 601, 602 , 604, 693, 812, 820, 821, 822, 823, 1032, 1045 синтез 241, 513, 590 и сл., 596 циангидрин 602
Ацетальдоксим 604
Ацетальдоль 812
Ацетамид 563, 629, 637, 641, 647, 674, 867
п-Ацетамидобензолсульфамид 673 л-Ацетамидобеизолсульфохлорид 673, 721 Ацетанилид 672, 687, 706, 717, 718, 721, 784
Ацетилацетон 810, 885, 888, 891, 895, 898, 899
Ацетилен 231—232, 262, 444, 557, 590 гидратация 236, 241 и сл., 557, 590 кислотность 238 и сл., 241, 1028 реакции 241, 854, 1018 синтез 42 структура 228—231
Ацетиленид-иои 696, 1028
Ацетилениды металлов 236, 238, 239, 469, 814
Ацетилмочевина 877 1-Ацетилнафталии 988, 994 2-Ацетилнафталии 988, 994 Ацетилсалициловая кислота 768 2-Ацетилфуран 1019
Ацетилхлорнд 563, 628, 629, 994 2о-Ацетоксихолестанон-3, ЯМР-спектр 425 Ацетон 236, 589, 590, 603, 604, 829, 892, 895 биомолекулярное восстановление 834 восстановительное аминирование 693 галогенирование 814—817, 818—820 конденсация альдольная 812, 821, 824 и сл.
— Клайзена 88 реакции присоединения 494, 514, 603, 604
— Реформатского 904 синтез 483, 592 , 755
Ацетонилацетон 985, 891, 1019 Ацетотолуидиды 686, 716, 718, 741 Ацетоуксусная кислота 885, 892 Ацетоуксусный эфир 885, 886 и сл., 889— 891, 892, 893—896, 900
Ацетофенон (метилфенил кетон) 495, 589, 590, 594, 699, 813, 823, 867.
Ацилазиды 873
Ацилий-ион 580, 597, 618, 765
Ацилирование 596 и сл., 715—717, 1051 (см. также Фриделя — Крафтса ацилирование)
Байера
проба 199, 205, 206
теории напряжения 269 и сл., 272—273 Бакелит см. Фенолформальдегидная смола
Барбитураты 877
Барбитуровая кислота (малонилмочевииа) 877, 878
Бардана — Сенгупты синтез 1009
Бекмановская перегруппировка 865
Белки 1037—1068
анализ концевых групп 1048 и сл.
волокна 1053, 1057—1061
глобулярные 1052, 1061
денатурация 1053
изоэлектрическая точка 1055 классификация 1052 и сл. пептидные цепи 1056 простетическая группа 1055, 1061 синтез, генетический код 1064—1065 сложные 1055—1056 а-спираль 1057—1060 структура 1053—1061 фибриллярные 1052 электрофорез 1055
Бенедикта реактив 855, 932
Бензальацетон 813, 824, 915
Бензальацетофенон 813, 824, 919, 922
Бензальдегид 588, 590
диэтилацеталь 612
конденсация альдольная 813, 824
— Перкина 813, 825, 826
реакции 824, 827, 874, 901
— присоединения 602, 603, 612, 698 синтез 591
феинлгидразон 604, 938
Беизальхлорид 369, 373, 443, 591, 769
Бензамид 629, 635, 639, 674, 728, 870
Бензанилид 686, 716, 865
1,2-Бенз-9,10-антрахинон 1007
Бензгидрол 622
Бензидин 686, 747
Бензидиновая перегруппировка 746—747
Бензин НО, 137
Бензил 616
Бензиламин 686, 692, 697, 699
Бензилацетат 563, 629
о-Бензилбепзойная кислота 1007
Бензилбромид см. Бензил бромистый
Бензил бромистый (бензилбромид) 374, 443, 445, 462, 537
Бензилмалоновая кислота 1044
Бензил-п-нитрофениловый эфир 537
Бензиловая кислота 616
Бензиловый спирт 476, 479, 563, 640
Бензилхлорид (хлористый бензил) 349, 369 , 373, 442 , 443, 475, 488, 516, 559, 692, 693, 697, 706, 1044
Бензил хлористый см. Бензилхлорид
Бензилхлоркарбонат (карбобензоксихлорид) 876, 1051 — 1052
Бензвльный
карбанион 818
карбониевый ион 358, 387—388, 504 свободный радикал 358, 374, 375 и сл. 378—379, 388 и сл.
Бензоат натрия 554, 562 , 565, 641, 716
Бензоилацетон, ПМР-спектр 899
2-Беизоилбензойиая кислота 867, 869, 885, 1006, 1007
л-Беизоилбензойная кислота 497
Бензоилглицилалании 1051
Бензоилглицин 1051
0-Бензоилпропионовая кислота 885, 1С0)
2-Бензоилтиофен 1019
Беизоилхлорид (хлористый бензоил) 563, 574, 594, 597, 628, 629, 635, 636, 650, 716, 758, 891
Бензоин 938
Бензойная кислота 551, 552, 557, 563, 572, 574, 628, 674, 842
реакции 563, 564 и сл., 574, 597, 640, 650
синтез 370, 371, 386, 557, 635, 639, 641
Бензол 266, 301—329, 360—361, 565 алкилирование 305, 331, 341 и сл. ароматические свойства 301, 309 и сл., 313—316
ацилирование 305, 331, 1001 бромирование 337
галогенирование 305, 331, 340 и сл. гидрирование 266, 305 и сл.
масс-спектр 398
нитрование 305, 331, 337—339 окисление 862
орбитали 310—312
реакции 304—306, 313, 330—331 резонанс 307—310
стабильность 304—307, 309
структура 302 и сл., 308 и сл., 323 и сл., 329
сульфирование 305, 331, 340
Бензолсульфанилид 706
Беизолсульфокислота 305, 322, 340, 667, 668, 669, 674
Бензолсульфонат натрия 669, 754
Беизолсульфохлорид 716, 724
Бензол-1,2,4,5-тетракарлоновая кислота (пиромеллитовая кислота) 370
Беизотрихлорид 369, 373 , 443, 557
Бензофенон 589, 590, 594, 650, 827, 834 оксим 704, 728, 865
5,6-Бензохинолин 1031 п-Бензохинон 925, 926 Беизпинакон 834
3,4-Бензпирен 1010
Бетаин 814, 827, 1066
Биоинояоза 962
Бишлера — Напиральского синтез 1032
Боджерта—Кука синтез 1009
Боразол 312
Борнеол 962
З-Бром-4-амииотолуол 718
Броманизолы 804
n-Броманилиния хлорид 717
Броманилины 686, 694, 707, 718, 741
9-Бромантрацен 1005 п-Бромацетанилид 707, 718, 784 Бромацетон 814
n-Бромацетофенои, бензаль 924 л-Бромбензальдегид 593
Бромбензамиды 638, 694
Бромбензоилхлориды 639, 640
Бромбензайные кислоты 552, 553, 558, 584
Бромбензол 305, 322, 367, 393, 538, 539, 781, 782, 788, 803
З-Бромбутанол-2 -858 л-Бром-в/пор-бутилбензол 559 1-Бром-1,2-дифенилпропан 465 и сл. а-Бромизовалериановая кислота 564
Р-Броммасляиая кислота 917
Броммезитилен 561 1-Бром-2-метилбутаи 501 1-Бром-З-метилбутан 517 1-Бром-2-метилиафталии 998
2-Бром-1-метилциклогексан 853
Бромнафталииы 983, 988, 992
Бромнитробеизолы 337, 741
D-(—)-3-Бром-2-оксипропионоваякисло
та 906
2-Бромоктаи 225, 451, 452, 457, 458, 538, 678
Бромоиия ион 853
Бромоформ 44
Бромпиридины 1025, 1026
1-Бромпропанол-2 858
2-Бромпропаиол-1 858
1-Бромпропеи-1 233
2-Бромпропен 405, 407, 422
З-Бромпропен-1 см. Аллилбромид
а-Бромпропионовая кислота 551, 697, 1043.
N-Бромсукцинимид 176, 201, 870
м-Бромтолуол 595, 741
о-Бромтол^ол 558, 736, 740, 784
л-Бромтолуол 593, 740, 784
9-Бромфенантрен 1005
л-Бромфенилдиазонийхлорид 741
1-Бром-1-фенилэтан (о-фенилэтилбромид) 358, 373, 443, 445, 454, 501
Бромфенолы 751, 759, 767
о-Бромфторбеизол 806
Бромциклогексан см. Циклогексилбромид.
2-Бромциклогексанол 858
2-Бромциклогексаиои 812
1-Бромциклогексен 853
З-Бромциклогексен 176
Бромциклопентаи 268
а-Бромэфиры 874, 901 и сл.
Бутадиеи-1,3 242, 244, 248, 403, 865
полимеризация 254
реакции Дильса — Альдера 925 — присоединения 245 и сл., 251 и сл. синтез 243
сополимеризация 255, 389
Бутадиенстирольный каучук 255, 389
н-Бутан 97, 98 и сл., 108, 112, 115, 117, 118, 121, 135, 243, 267, 269, 274, 281, 444, 1018
Бутаидиол-1,2 832
Бутандиол-1,4 832
Бутандиол-2,3 291, 292
(+)-Бутанол-2 907
Бутаны 97—99
Бутен-1 146, 148, 150, 151, 243, 490
реакции 146, 176, 182, 207, 243
синтез 154, 155, 169, 501
Бутен-2 146, 147, 150, 151, 152,' 177, 178, 179, 189
геометрические изомеры цис и транс 148- — — стереохимия реакций 291—293 гидрирование 146
дегидрирование 243
присоединение галогеноводородов 182
синтез 154, 155, 166, 167, 169, 501, 504
Бутеи-З-ол-2 478, 507
н-Бутилазулеи 1012
втор-Бутиламин 686
я-Бутиламин 686, 700, 722
трет-Бутиламии 685, 686
М-я-Бутиланилии 693
Бутилацетат 629, 647, 678
Бутилацетилен см. Гексин-1
Бутилбензоат 643, 659, 676—677
п-втор-Бутилбензойная кислота 559
Бутилбензолы 360, 364, 365, 370, 6э2
впгор-Бутилбромид (бромистый втор-бутил) 443, 678
я-Бутилбромид (бромистый я-бутил) 233, 443, 505, 559, 561, 880
mpem-Бутилбромид (бромистый mpem-бу- тил) 183, 443, 449, 454, 455, 456 , 459, 561
транс-4-трет-Бутил-1 -бромциклогексан 432
Бутилены 146—148
втор-Бутилиодид 182, 443, 678
я-Бутилиодид 443
трет-Бутилиодид 182, 443
втор-Бутилкарбинол см. 2-Метилбута- нол-1
Бутилкаучук 256
втор-Бутиловый спирт 154, 159, 225, 482, 483, 504, 513 , 592 , 643 и сл., 676, 677 я-Бутиловый спирт 154, 159, 166, 479, 480, 483, 490, 501, 505, 515, 526, 593, 607, 823
mpem-Бутиловый спирт 476, 479, 501, 502, 561
реакции 159, 364, 445, 501, 505
синтез 184, 483, 488
(+)-emop-Б ути лтози лат 676, 677
.м-(я-Бутил)толуол 598
п-трет-Б утилтолуол, ПМР-спектр 413
(4-)-втор-Бугилфенилкетон, рацемизация 815
л-трет-Бутилфеиол 759 трет-Бутилфторид 474 втор-Бутилхлорид 443 дегидрогалогенирование 468 синтез 121, 213, 444 стереохимия 212 и сл., 220—222 энантиомеры 79, 82, 87, 130 и сл.
я-Бутилхлорид см. я-Бутил хлористый трет-Бутилхлорид см. mpem-Бутил хлористый
я-Бутил хлористый (я-бутилхлорид, I-хлор- бутан) 117, 121, 154, 155, 365, 443
mpem-Бутил хлористый (mpem-бутилхло- рид, 2-хлор-2-метилпропаи)
реакции 209 , 442 . 443 , 471, 488, 759 синтез 117. 121, 187, 445, 501, 505
mpem-Бутнльный свободный радикал 121, 380
Бутии-1 231, 232, 239, 240
Бутин-2 (диметилацетилеи) 231, 232, 235, 239
Бутиидиол-1,4 1018
я-Бутиральдегид см. я-Масляный альдегид у-Бутиролактои 901, 904
я-Бутирофенон (я-пропилфеинлкетон) 589, 590, 602
Бухерера реакция 997
Вазелин ПО
Валентное состояние 19
я-Валериановая кислота 552, 559, 650, 874
амид 629
я-Валериановый альдегид (пеитаналь) 590, 592
я-Валероилхлорид 629 , 650 я-Валеронитрил 559, 561, 562 Валин 1038, 1045, 1053
Ван-дер-Ваальса
напряжение 99, 274 и сл.
отталкивание 30, 99, 274
притяжение 30
радиус 30, 274 силы 29 и сл.
Ванилин 590, 591, 754
Ван-Слайка определение аминогрупп 1045
Вератровый альдегид (3,4-диметоксибенз- альдегид) 605
Вератрол 772, 884
Вильямсона синтез 536—538, 539
Винилалкиловые эфиры 621
Винилацетат, полимеризация 648
Винил бромистый (винилбромид) 443, 782
В инилгалогеинды
и арилгалогеииды 782, 787—789, 806
нуклеофильное замещение 782
синтез 233, 444
структура 782 , 787—789
Виниловый спирт 241
Винил хлористый (винилхлорид) 182, 189, 253, 406, 442, 443, 444, 782, 788
Винильный свободный радикал 201 и сл., 374
Винная кислота 78, 661, 830, 907—909
(±)-Виниая кислота 901, 909
D-(—-)—Винная кислота 901, 908, 909, 911, 947, 948
Б-(+)-Виниая кислота 901, 904, 909 мезо-Вннная кислота 908 , 911, 947
Витамины 259, 299, 830, 1015
Виттига реакция 814, 827—828
Внедрения реакция 134—136
Водородные связи 274, 479—482
внутримолекулярные 752, 896
межмолекулярные 630, 751
Волновое число 399, 401
Волновые
уравнения 12
функции 12
Вращение свободное 94 и сл.
Вюрца реакция 112 и сл., 114 и сл., 267,
814
Габриэля синтез 693
аминокислот 1044 и сл.
первичных аминов 694, 870
Галактаровая кислота 947
(+)-Галактоза 935, 947, 970
D-Галактуроновая кислота 962
Галловая кислота 661
Галогенгидрины 175, 192 и сл., 833, 841
а-Галогенкислоты 564
аминирование 1043
реакции 577, 912, 1043—1044
синтез 577
Галогенуксусные кислоты 572, 584
Галоформная реакция 601, 606, 632, 830
Гаммаглобулин 1061
Гаттермана реакция 738
Гвайякол 772, 826
Гекса-О-ацетилсорбит 934
3,3,4,4,5,5-Гексадейтероциклогексанол, ПМР-спектр 426
Гексадеканол-I (я-гексадециловый спирт, цетиловый спирт) 479, 651
Гексадиеи-1,5 244
Гексадиен-2,4 246
Гексаметилендиамин 686, 864, 865, 1022 я-Гексан 108, 134
Гексанол-1 844
Гексанон-2 590, 893
Гексаион-3 524, 590
Гексафенилэтан 381, 383, 456
Гексахлоран 329 1,2,3,4,5,6-Гексахлорциклогексаиы 437, 468 Гексен-1 151, 557
Гексен-2 204
Гексен-3 204, 235
н-Гексилбензол 598
н-Гексилиодид 443, 475 4-н-Гексилрезорцин 607, 765
Гексин-1 (бутилацетилен) 232, 233
Гексины 232, 233, 235
Гексоза 932
Гелля — Фольгарда — Зелинского реакция 564, 565, 577, 1044
Гемин 752, 1014, 1055
Гемипиновая кислота 884
Гемоглобин 1018, 1050, 1053, 1055. 1056, 1061
Генетический код 1064—1065
(+)-Генциобиоза 980
н-Гептан 108, 137, 444
Гептановая кислота 934
Гептанол-3 593
Гептанол-4 650
Гептанон-3 (этил-н-бутилкетон) 593, 650
Гераниаль 623
Геранилпирофосфат 263, 683
Гераниол 527, 623
Гетероциклические соединения 1014—1036 конденсированные циклы 1030—1032-, пятичлеиные циклы 1015—1023 циклические системы 1015—1018, 1023—
1024, 1030
шестичлениые циклы 1023—1029
Гигрин 1022
Гигриновая кислота 1023
Гидразобензол 746, 747
Гидразоны 603
Гидразосоединения 746—747
о-Гидразотолуол 747
Гидратроповая кислота 584
Гидрид-ион, перенос при алкилировании 195
Гидридный сдвиг 167 и сл.
Гидроароматические соединения 990—991
Гидроборирование 175, 237, 487, 489— 492, 1022
Гидроборирование — окисление 487, 489, 756
Гидрокоричная кислота 826
Гидроформилирование 484
Гидрохинон 183, 389, 750, 751, 926
Гидрохиноны 926
Гиперкоиъюгация 320, 380—381
Гиппуровая кислота 1045
Гнромагнитиое отношение 404
Гистамин 1036
Гистидин 1038, 1040, 1055
Гликоген 931, 978
Гликолевая кислота 584, 901
Гликоли 831—840, 847—852 номенклатура 831 образование, стереохимия 950 и сл. окисление иодной кислотой 835
Гликоли пииаколиновая перегруппировка 836— 837
реакции 834—838
синтез 199, 832—834
структура 831 и сл.
Гликоли 831
Глифталевая смола 865
Глицериды 641, 651, 653
Глицерилстеарат (тристеарин) 657
Глицерин 474, 641, 653 и сл., 831, 832, 833, 864. 1030, 1031
D-(—)-Глицернновая кислота 901, 905, 906
О-(+)-Глицериновый альдегид 905, 906, 908, 909. 948. 949
Глицилалаиии 1051, 1052
Глицилглицин 1051
Глицин (а-аминоуксусная кислота) 692, 720. 870. 904. "1038, 1041, 1042. 1043— 1045, 1050, 1052. 1058, 1060
Глобин 1056
Глобулины 1053
Глутамилцистеин 1050
Глутаминовя кислота 882, 891. 1038. 1045.
1050, 1055
Глутаровая кислота 860. 861
Глутаровый ангидрид 867
Глутатион 1047, 1050
(+)-Глюкоза 661, 931, 932—934, 950, 951, 978
аномеры 950, 951, 960
ацетилирование 933, 934, 953
восстановление 933, 934
глюкозиды 955
конфигурация 941—944, 948, 949
конформация 950, 955—956. 958
молекулярные модели 935, 953
номенклатура производных 936
озазон 938
озон 938
окисление 931, 933, 934, 944, 948
в полисахаридах 972—979
реакции 933, 934
стереоизомеры 934—935
структура 932—934
а- и Р-формы 950
энантиомеры 935
эпимеры 939
Глюкозиды 949—952, 953, 954, 956, 9 66 и сл.
Глюконовая кислота 934, 936, 937, 941, 947, 969
Глюконола ктоны 939, 941
a-D-Глюкопираноза 959
P-D-Глюкопираиоза 959
Гомологи 102
Гомологические ряды 102 и сл.
Гординей 776
Горение
алканов 116, 136 и сл.
метана 42
теплоты 42
в элементном анализе 68, 69
Гормоны половые 498
Гофмана
расщепление амидов 639, 693 , 694,
700 и сл., 877
элиминирование аминов 708, 713—715
Грамицидин S 1067
Графит 984
Гриньяра реактив 112—114, 493, 806
из арилгалогенидов 785 растворители 534, 536, 540 и сл. реакции 493,496,598—599 , 602,
607 и сл., 649 и сл., 843—844, 845, 880
Гуанидин 876, 878
Гуаини 1062, 1063, 1064
(+)-Гулоза 935, 945, 948, 949
(—)-Гулоза 948
Дакрон 864
Дебнера — Мюллера синтез 1032
Дегидробеизол 781, 801—806
Дегидроцнтраль 830
Дезоксирибонуклеиновые кислоты 1062— 1065
Декалин 298, 983, 987, 989
Декстраны 978
Декстрин 973
Декстроза 971
Денатуранты 485
Денатурация 1053, 1061
Детергенты 645—655
1,8-Диазафеиаитрен 1034
Диазометан 133, 135, 141, 298
Диазония ион 743, 838
Диазония соли 735, 738, 739, 742—744
замещение азота 736—740, 756
номенклатура 735
реакции 696, 736—738, 739, 740—746, 756, 783
синтез 693, 707, 721, 722, 736
структура 735
Диазотирование 735, 740
Диаксиальные взаимодействия 279 и сл.
Диалкилацетоуксусиый эфир 889 М,М-Диалкилгидроксиламины 708, 714
Диалкиламалоновый эфир 872
Диаминобензойные кислоты 325
Диарилкарбинолы 621
Диарилкетоиы, синтез 597
Диастереомеры 73 , 80, 148—149, 211, 216—218, 281—283
образование второго асимметрического атома 220—222, 907
расщепление 224—226, 867—868
Диацетоиовый спирт (4-окси-4-метилпеи- таиои-2) 812, 821, 822
Дибеизаитрацен 983, 1010
3,5-Дибром-4-амииотолуол 718
Дибромбензолы 303, 309, 323, 782
2,3-Дибромбутаи 292, 858, 859
Дибромбутеи-2 245
3,4-Дибромбутен-1 245
9,10-Дибром-9,10-дигидроаитрацен 1005
9,10-Дибром-9,10- дигидрофенантрен 1005
1,3 - Дибром - 1,3 - диметилциклобутаны, ПМР-спектр 437
1,2-Дибром-2-метилпропан 180, 420
4,6-Дибром-2-метилфенол 767
2,6-Дибром-4-иитроанилин 742
7,7-Дибромноркаран, восстановление 448 5а,6Р-Дибром-Зр-оксихолестан 859
3,5-Дибромпиридин 1025
Дибромпропан (пропиленбромид) 174, 180, 233, 488
Дибромпропан 269
Дибром-1-феиилэтан, ПМР-спектр 422
2Р,За-Дибромхолестан 859
1,2-Дибромциклогексан 268, 853
Дибромциклопентан, цис-транс-изоме- ризация 283, 290
Дибромэтан (этилендибромид) 415, 416, 418 и сл., 443
Дибромэтаи 102, 180, 192, 442, 443- Ди-н-бутиламин 706, 716 Ди-(н-бутил)бензиламии 706
2,4-Ди-/прет-бутилциклогександиол-1,4
857
Дивиниловый эфир 534, 539 9,10-Дигидроаитрацеи 1004 Дигидромирцен 263 1,2-Дигидронафталин 983, 987, 989 Дигидропенталеи 1013 9,10-Дигидрофенантреи 1004 1,2-Дигидрохинолин 1031 Диглим 489 Диенофил 924
Диены 242—261, 924 и сл.
анализ 260 номенклатура 242 синтез 243 сопряженные 243— 252 , 254 и сл. — Дильса — Альдера реакция 924—925, 928
— полимеризация 254—256
— реакции присоединения 245—252
— резонанс 318 и сл.
— устойчивость 244, 321 и сл. устойчивость 244, 321 и сл.
Диизопропилкетои (2,4-диметилпеитанон-З) 603
Дииодбензолы 781, 782
Дикарбонильные соединения, енольные таутомеры 895
Дикарбоновые кислоты 860—884 ароматические 860, 862 влияние нагревания 865—866 номенклатура 860 образование ангидридов 865 и сл. поликонденсация 864 и сл. реакции 863—866 синтез 861—863, 937 циклические ангидриды, реакции 867— 869
Ди кетопиперазин 904, 1066
Дикмана конденсация 814, 826, 887
Дильса — Альдера реакция 924—925, 928 Диметиламин 684, 686, 691, 693, 705, 722, 794
ЗР-Диметиламиноконанинон-6 525 4-(Диметиламино)-3-метилбутеи-1 714 5-(Диметиламино)пентен-1 714 Днметиламмония нитрат 705
N,N-Диметиланилин 684, 686, 692 , 700,
705, 707, 722
N.N-Диметиланилиния ацетат 705 Диметилацетилен см. Бутин-2 Диметилацетоуксусиая кислота 892 5,10-Диметил-1,2-бензантрацен 1010 2,4-Диметилбензолсульфокислота 669 2,3-Диметилбутадиен-1,3 244 2,3-Диметилбутанол-2 642 3,3-Диметилбутанол-1 487, 490 3,3-Диметилбутанол-2 166 Диметилбутаны 108, 115 2,3-Диметилбутеи-1 166, 169, 177 2,3-Диметилбутен-2 166, 169, 177 3,3-Диметилбутен-1 150, 487, 490
Диметилглиоксимат никеля, хелаты 752 2,3-Ди-О-метил-D-глюкоза 977 N.N'-Диметилмочевина 876 Диметилолмочевина 878 3,7-Диметилоктанол-3, ацетат, гидролиз 647
2,5-Диметилпнррол 1019
Диметил-н-пропнламин 706
Диметилсульфат как метилирующий агент
536, 681, 758
2,5-Диметилтнофен 1019
Диметилэтилуксусная кислота 559 М,М-Диметилформамид 471, 1046 Диметилфталат 657 2,5-Диметилфуран 1019 2,4-Диметилхинолин 1032
N, N-Диметил-о-хлоранилин, производные 728
Диметилциклогексан 285—287
Диметилциклогексан 265, 369
2,5-Диметилциклопентан-1,1-дикарбоновая кислота 884
3,5-Диметилциклопентен 268
1,2-Диметилциклопропаны (цис и транс) 283, 293, 437
Диметилэтиламин 693
3,4-Диметокснбензиловый спирт 605, 826
Диметиоксиянтарная кислота 957, 958 М,М'-Ди-(2-нафтил)мочевина 880
2,4-Динитроанизол 764, 794
2,4-Динитроанилин 686, 786, 793
3,5-Динитробензоилхлорид 574, 629, 636 3,5-Динитробензойная кислота 574, 636 2,4-Динитро-М-метиланилин 696 1,5-Динитронафталин 985, 998 1,8-Динитронафталин 998
2,4-Диннтронафтол-1 998
2,4-Динитротолуол 696
N-(2,5-Динитpoфeнил)aминoкиcлoты 1049 2,4-Динитрофенилдиазонийхлорид 743 2,4-Динитрофенол 751, 757, 763, 786, 793 2,4-Динитрофторбензол 808, 1049
2,4-Динитрохлорбензол 692, 757, 764, 782,
786, 793, 807
Диоксан 534, 543, 683
2,3-Диоксибутановая кислота 911
Дипептиды 1046
Диполь 25
Диполь-дипольное взаимодействие 29,
101 и сл., 274, 481
Дипольные моменты 25—27
Диполярный ион (цвиттер-ион) 720, 1040— 1043
Дисахариды 932, 965—972
Диссимметричные молекулы
с двумя асимметрическими атомами углерода 220—222
с оптически активными реагентами 224— 226
реакции 212—215
свободнорадикальное хлорирование 223—224
Диссимметрия молекулы и энантиомерия 81—85
Дифениламин 183, 389, 684, 711
Дифенилбутадиен-1,3 827
2,3-Дифенилбутандиол-2,3, пинаколиновая перегруппировка 856
Дифеиилбутен-2-он-1 823
Дифенилметан 359, 360, 363, 475
Дифениловый эфир 533, 534
1,2-Дифенилпропанон-1 838
1,2-Дифенилпропен-1 465—467, 715
Дифенилциклопропенои 621
1,2-Дифенилэтан (стильбен) 359, 360, 363, 392
Дифенилэтанол 622
Дифенилэтилен 827
Дифтордихлорметан (фреон-12) 444
Дифтортетрахлорэтан, ЯМР-МЕ 431
Р,Р-Дифтор-а ,а, Р-трибромпропионовая кислота, нитрил, ЯМР-**Р 431
2,4-Дихлоранилин 737
Дихлорбензойные кислоты 578, 584
Дихлорбензолы 737, 782
1,2-Дихлорбутан 212, 218
Дихлорбута н 693
2,3-Дихлорбутан 219—222
3,3-Дихлор-1,2-диметилциклопропан 295
Ди хлор-1,1 -дифторэта н, ПМР-спектр 423
Дихлормета н (хлористый метилен) 43, 263
1,2-Дихлор-2-метилбутан 223
Дихлорметилен 294 и сл., 769 и сл.
Дихлорпентан, стереоизомеры 216— 218
1,2-Дихлорпропан (пропилендихлорид) 200, 429
1,3-Дихлорпропан 267
Дихлоруксусная кислота 564, 572
Дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-Д) 764
транс-1,2-Дихлорциклогексан 857
Дихлорэтан 443
Дихлорэтан 102, 420, 443
1,2-Дихлорэтилен 149
Ди-Р-хлорэтиловый эфир 539
Ди-(Р-цианэтил)амин 920
Дициклопентадиенилжелезо (ферроцен) 314
Диэтиленгликоль 489, 844
Диэтиловый эфир 36, 480, 533, 534, 535, 536
абсолютный 536
внедрение метилена 135—136
Диэтилоксония соли 541
Г4,М-Диэтил-о-толуидии, производные 728
Ендиолы 937
Енолы 241, 819—822, 894—895
Желатин 1061
Желчные кислоты 498
Жирные кислоты 484, 652 Жиры 557, 576, 651—656
Зандмейера реакция 736—737, 738 и сл.
ОД-Идаровая кислота 962
Изоалканы 106
Изобутан 97, 108, 154
конформации 97
меченный D 129
реакции 118, 121, 129, 175
Изобутилбензол 358, 360
Изобутилбромид 183, 443, 873, 890
Изобутилен 146, 147, 148, 151, 177, 189, 488 алкилирование 175, 194 и сл. — Фриделя — Крафтса 364 димеризация 175, 193, 256 озонолиз 176 окись 846 ПМР-спектр 406, 422 полимеризация 256 и сл. реакции 490 — присоединения 180, 183, 184, 185, 187, 193 синтез 561
Изобутилмагиннбромид 518
Изобутиловый спирт 477, 479, 483, 516, 518, 558, 640'
Изобутил хлор ид см. Изобутил хлористый Изобутил хлористый (изобутилхлорнд, 1-хлор-2-метилпропан) 117, 121, 365, 443
Изобутнльный свободный радикал 121 Изовалернановая кислота 553, 564, 874 Изокапроновая кислота 553, 873 Изолейцин 483, 874, 1038, 1045 Изомасляная кислота 553, 558 Изомерия 36 и сл.
геометрическая 145, 148 и сл.. 211
Изомеры 36 геометрические 211 конфигурационные 211 конформационные 99—101, 211
Изоникотииовая кислота 1015 гидразид 1024
Изооктан см. 2,2,4-Триметилпентан Изопентиловый спирт 479, 809 Изопентилпирофосфат 259, 683, 913 Изопрен (2-метнлбутадиен-1,3) 254 и сл., 258 и сл.
Изопреновое правило 259
Изопропилбензол (кумол) 360, 365, 755 Изопропилбромид см. Изопропил бромистый
Изопропил бромистый (изопропилбромид) 400, 421, 443..
ПМР-спектр 421
реакции 114, 346, 454, 459, 471 синтез 183, 500
Изопропил-н-бутилкетон (2-метилгепта- нон-3) 594
p-Изопропилглутаровая кислота 623 Изопропилиодид см. 2-Иодпропан Изопропиловый спирт 135, 174, 184, 477, 479, 482, 490, 500, 515, 592
Изопропилфторид, ПМР-спектр 474
Изопропилхлорид см. Изопропил хлористый
Изопропил хлористый (изопропилхлорид, 2-хлорпропан) 82, 113, 114, 117, 120, 187, 405, 443
Изопропильный свободный радикал 120, 380
Изопропилянтариая кислота 623 Изотопные
метки 129—130, 643, 802, 816—817 эффекты 343 и сл., 671
Изотопный обмен 643 и сл.
Изофталевая кислота 370, 552, 860, 861 Изохннолин 1014, 1015, 1032 Изоцианаты 879 гидролиз 701
Изоэвгенол 591, 754
Изоэлектрическая точка 1042, 1055
Илиды 814, 827, 828
Имиды 869—871
Имины 698, 699
Ингибиторы 48 и сл.
Индан 394
Инданон 829
Индантрен 1007
Индантреновый золотисто-желтый GK 1007
Инден 394
Индикан 962
Индоксил 962, 1034
Индол 1015, 1021
Индуктивный эффект 164, 348 и сл.
алкильных групп 152, 164, 190, 348, 508
галогенов 573
Инициирование цепи 46, 48, 119
Инсулин 72, 1052, 1061, 1067—1068
Инфракрасные спектры 395, 399—4 02, 434—435"
валентные колебания С—С и С—Н 435
водородная связь 481 и сл.
деформационные колебания С—Н 435
длины волн 399
—интерпретация 401 и сл.
и структура 435
характеристические частоты поглощения 401
частота 399, 401
Иодбензол 322, 737, 782
2-Иодгексан 934
1-Иод-1-метилциклопентаи 268
1-Иоднафталин 992
2-Иодоктан, рацемизация 473
Йодоформная проба 520, 601, 616
Иодпентаны 182
2-Иодпропан (изопропилиодид) 174, 181.
443
Иодтолуолы 781, 782, 808
Иодфенолы 751
Йодоформ (трииодметан) 443, 812
Ион-дипольные взаимодействия 31, 32
Ионная пара 31
Ионные соединения 28
Ионы 28
гидратированные 32
молекулярные 397
сольватированные 32, 156
Кадаверин 704
Кадалин 991
Кадинен 991
Кадмийорганические соединения 594, 595.
598—599, 635, 814'
Каменноугольная смола 361, 557, 754, 983, 1018, 1024, 1030
Каменноугольный газ 361
Камфан 299
Камфора 327
Камфороновая кислота 912
Канниццаро реакция 604 и сл., 607, 614—
616, 821
Каприловая кислота 551, 552
Каприловая кислота 551, 552, 590
Капролактам 865
Капроновая кислота 551, 552, 760
Карбамат аммония 876—877
Карбаматы см. Уретаны
Карбаминовая кислота, 875, 1052 Карбанионы 795, 811, 814—818 в альдольной конденсации 812, 813, 821, 822, 824—828 нз ацетоуксусного эфира, 886, 923 в галогенировании кетонов 812, 814—817 в дегидрогалогенировании 464 в конденсации Клайзена 886 — Перкина 600, 813, 825—826 из малонового эфира 871 и сл„ 922 в нуклеофильном замещении в ароматическом ряду 794—796 пиридина 1028 — присоединении 921, 922 основность 1028 присоединение к альдегидам и кетонам 605, 812—813, 820—822 размеры 818 рацемизация 816—817 реакция 812—814 резонанс 811, 871, 920 стереохимия 817—818 устойчивость 796—798 Карбитол 844 Карбобензоксиглиции 1052 Карбобеизоксихлорнд см. Бензилхлоркар- бонат
Карбоксипептидаза 1049
Карбониевые ионы 159 и сл. алкилирование 195, 364—366 в дегидратации спиртов 160—162, 503, 840 классификация 163 образование 165, 166—169, 185, 186, 194, 195, 246 и сл.. 340, 345, 346. 347—349, 353 и сл., 364, 387—388, 455, 710, 717, 918 перегруппировки 166—169, 364—366, 700— 703
реакции 160—162, 185 и сл., 193 и сл.. 195, 365
сольватация 161 стереохимия 456—458, 702—703, 853 структура 160, 457, 458 третичные 470 устойчивость 162—165, 387 и сл.
Карбоновые кислоты 551—586 алифатические 556—557, 564, 572, 577 анализ 401, 410, 578—580 ароматические 347 и сл., 370, 553, 557—559, 564, 572 восстановление 564, 576 и сл. галогенирование 564, 577 декарбоксилирование 564 и сл. нз жиров 651, 652 ИК-поглощение 401 ионизация 566 кислотность 565, 566, 569 и сл., 571—573 а,р-непредельные 557, 576, 652, 902. 915, 917, 919—920, 921 и сл.
номенклатура 551, 553 и сл. производные 584, 677 растворимость 552, 554 и сл. реакции 562—566 синтез 204, 477, 502, 509, 558—562, 601, 606, 635, 739, 768, 825—826, 827, 871—874, 892—894, 901—903
соли 554. 555 и сл., 562, 578
Карбоновые кислоты функциональные производные 562—565, 628—666
эквивалент нейтрализации 578 этерификация 563, 574—575, 642—645 2-Карбэтоксициклопентанон 887 Каротины 296, 403 Карвоментендиол-3,8 621 Карвоментол 623
Карвоментон 623
Карвон 991
(+)-Карвотанацетон 623
Каталитический реформинг 111, 361
Каучук 243, 254 и сл., 258, 261, 656, 830, 845, 880
а-Кератин 1053, 1057, 1058, 1059, 1060
Р-Кератин 1060
Кёрнера метод определения абсолютной ориентации 324 и ат., 332
Керосин 110
Кетали 612, 614
Кетен 133, 636
Кето-енольиая таутомерия 241, 893—897, 918, 919 и сл.
Кетозы 932, 937
Кетокислоты 885—899 декарбоксилирование 565 и сл., 891—892 в синтезе Хеуорса 1001, 1002 структура 885—886
из тетра-О-метил-С-глюкозы 957
а-Кетокислоты 891
Р-Кетокислоты декарбоксилирование 889, 891 и сл. в синтезах 889—891, 892—893 а-Кетомасляная кислота 891
7-Кетонорборнен 929
Кетоны 493, 587—627, 810—811 алифатические, синтез 593, 594, 595 анализ 601, 603, 605—606, 610, 616, 617—618
ароматические, синтез 305, 331, 594, 595, 596—598
восстановительное аминирование 692—693, 694, 698—699
восстановление 362, 598, 601, 602, 607, 608, 833, 834, 1001
галогенирование 605, 812, 814—820 енолизация 819 и сл.
конденсация альдольная 605, 812, 813, 820—822
— Клайзена 888 непредельные 916 номенклатура 589 окисление 601, 605 и сл. расщепление 619 реакции 601—605, 812—814 — Виттига 814
— присоединения 602, 603, 608, 609—610, 611 и сл., 813
нуклеофильного 599 и сл., 812— 814
синтез 204, 305, 331, 510, 593, 595—599, 635. 889—891
в синтезе Гриньяра 487, 493, 602, 607 и сл. структура 587 и сл.
циклические 606, 865, 866, 1001, 1002 2-Кето-З-оксидигидробензофуран 910 Кетопентозы 932, 963
4-Кето-1,2,3,4-тетрагидрофенантрены 1008
Р-Кетоэфиры 885, 886—887
•у-Кетоэфиры 599, 891
Кижнера — Вольфа восстановление 362, 598, 607
Килиана — Фишера синтез 939—940, 947
Кислоты 32—35
Бренстеда — Лоури 33
Льюиса 34
Клайзена конденсация 814, 886—887, 892 и сл.
Клемменсена восстановление 362, 598, 607, 1001
Кнёвенагеля реакция 826, 827, 874, 1029
Кокаин 226, 1029
Коллаген 1053, 1060, 1061
Кольбе реакция 331, 760, 768
Коиго-красиый 747, 1011
Конессин 525
Конифериловый спирт 776
Константы основности 708—709
Конфигурации 87, 148 и сл.
абсолютная 87, 904, 905, 907, 909, 947—949
аномеров 951
геометрических изомеров 148 и сл.
D и L 905—907, 948, 949
обращение 450, 451 и сл., 675—678,
838 и сл., 905
относительные 905, 907 и сл., 942, 947— 949
правила старшинства 88—90
R и S 87—91, 906
соотношение 213 и сл., 905—910
циклических соединений 282—283
Конформационный анализ 101 и сл., 273—281
диаксиальные взаимодействия 279 и сл.
1,2-сдвнг 838—839
торсионное напряжение 96
и ЯМР 428—433
Конформация 94
анти 98
ванны 275, 276, 278
и диполь-дипольное взаимодействие 101 и сл.
заслоненная 94 и сл.
заторможенная 94, 95, 275
конверта 298
кресла 275, 276, 278, 281
определение 95
полукресла 277, 278 и 1,2-сдвиг 838—839 скошенная 95, 275 твист 276, 277, 281 устойчивость 273—275, 281, 285—286 и ЯМР 428—433
Коричная кислота 813, 825, 826, 830, 919
Коричный альдегид 607, 813, 814, 824, 914, 915
Коричный спирт 479, 607, 842
Кортизон 498, 925
а-Кортикотропин 1047, 1050
Коупа
реакция 827, 874
элиминирование окисей аминов 708, 714—715, 727
Кофейная кислота 829
Кофермент I 1056
Красители
азо 696, 638, 745, 747, 1011
антрахиноновые 1007
Крахмал 483, 485, 931, 965, 972 и сл.
м-Крезол 750, 760, 808
о-Крезол 737, 760, 767
п-Крезол 757, 758, 808
Крекинг 110, 137 и сл.
Кротоновая кислота 584, 915, 917, 920
Кротоновый альдегид 607, 812, 822, 823, 825, 915, 1031
Ксилаиы 978, 982
Ксиларовая кислота 946
(+)-Ксилоза 946, 947, 948, 978
Ксилолы 358, 359, 360 и сл., 370, 372,
411, 412, 557, 669
Кумарин 826, 910
Кумол см. Изопропилбензол
Курциуса реакция 879
Кьельдаля метод определения азота 326
Лактам 702, 904, 1066
Лактиды 903
Лактобионовая кислота 969, 970
Р-Лактоглобулин 1067
(+)-Лактоза 965, 970
Лактозазон 969
Лактоны 903, 904, 912, 940
Лауриловый спирт (додеканол-1) 479, 651,
654
Лауриновая кислота 551, 552 , 576, 652
Левулиновая кислота 623, 885
Левулоза 971
Лейцин 483, 874, 891, 1038, 1045
Лецитины 857
Лизин 1038, 1055
Ликопин 296
(—)-Ликсоза 946
Лимонен 300, 475
Линалоол 532
Линдлара катализатор 237
Линолевая кислота 552, 652, 655
Линоленовая кислота 552, 652, 655
Литийорганические соединения 805—806,
1026
Лукаса проба 506, 519
Малеиновая кислота 861, 862, 866, 915
Малеиновый ангидрид 861, 862, 915, 925
Малоновая кислота 565, 860, 861, 862, 865, 892
Малоновый эфир в синтезах 447, 814, 871— 874, 877, 889, 1044, 1045
Мальтобиоиова я кислота 965, 966
(+)-Мальтоза 965—968, 973
Маннан 982
(+)-Манноза 935, 938, 939, 943, 944, 945
P-D-Маннопираноза 959
Маннуроновая кислота 936, 962, 982
Марковникова правило 174, 181—182, 183, 184, 185, 187, 197, 483
Масла 651, 652, 655 и сл.
«-Масляная кислота 552, 557, 572, 629, 639
«-Масляный альдегид (бутаналь, «-бутиральдегид) 570, 571, 588, 590, 593, 612, 619, 629, 693, 823
Масс-спектры 397—399
Мевалоновая кислота, производные 913
Мезитнлен (1,3,5-триметилбензол) 346, 360, 393, 410, 412, 437, 561, 637, 743
Мезитиленкарбоновая кислота (2,4,6-три- метнлбензойная кислота) 561, 584
Мейера анализ енолов 894 и сл. (+)-Мелецитоза 981 Мелибиоза 981 п-Ментан 300
Ментен-2 468, 683
Ментен-3 468, 683
Ментилхлорид, Е2-реакция 468, 474
(—)-Ментол 594
Ментон 898
Метагемипиновая кислота 884 Метакриловая кислота 603, 915 Метан 18—21, 25, 26, 31, 39—71, 108, 109 бромирование 44, 59 и сл. галогенирование 42—48, 59—61, 119 окисление 42, 232 реакции 41 и сл.
строение 18 и сл., 39—40, 74 хлорирование 42—48, 444
Метанол см. Метиловый спирт
Метилакрилат 915, 916
Метилаллилфенилбензиламмонийиоднд, конфигурационные изомеры 690
Метиламин 35, 684, 686, 691, 698, 919, 920 4-(N-Meтнлaминo)-4-мeтилпeнтaнoн-2 919 п-Метиланизол 764 2-Метил-9,10-антрахинон 1006 Метилацетат 499, 629 , 637 , 649 Метилбенз илами н 692 n-Метилбензилбромид, нуклеофильное замещение 462
Метилбензилкетон 524, 837 л-Метилбензиловый спирт 564 Метилбензоат 563
Метилбромид см. Метил бромистый
Метил бромистый (метилбромид) 115, 443, 449 и сл., 454, 459, 700, 873, 890 цкс-4-Метил-1-бромциклогексан, ПМР и конформации 432
2-Метилбутадиен-1,3 см. Изопрен 2-Метилбутановая кислота 214, 502 , 554, 558
2-Метилбутанол-179,82,83,84,166,
213—215, 477,494,501,502,526,558
З-Метилбутанол-1517,526
З-Метилбутанол-2478,490,505,526
2-Метилбутен-1 151, 177 2-Метилбутен-2 151, 177, 182, 204, 459, 490, 682 реакции присоединения 187 синтез 166, 169, 517
З-Метилбутен-1 151, 177, 517 2-Метилбутен-2-овая кислота 609, 928 З-Метилбутен-2-овая кислота 601 Метил-в/иор-бутиламин 700 Метил-н-бутилкетон (гексанон-2) 514 Метил-трет-бутилкетон (пинаколин) 812, 836
Метил-тре/п-бутиловый эфир 533, 536 Метилвалерат 650 а-Метилвалериановая кислота 873 2-Метилгексанол-2 (диметил-н-бутилкар- бинол) 494, 514—515
5-Метилгексанон-2 890
Метил-а-о-глюкозид 950, 952, 953, 955
Метил-Р-о-глюкознд 950, 952, 953, 955, 957, 958
Метил-р-о-глюкопнранозид 958 1-Метил-3,4-дигидроизохинолин 1032 М-Метил-2,4-динитроанилин 692 Метилен 134—136, 293—295
Метилентрифенилфосфоран 814
Метилен хлористый см. Дихлорметан Метиленциклогексан 814
Метилизобутилкетон 590 Метнлизомочевина 878 1-Метил-7-изопропилфенантрен 991 1-Метилизохинолии 1032
Метилиодид см. Метил иодистый
Метил иодистый (метилиодид) 113, 443 а-Метнлкапроновая кислота 933
Метил-4-кето-7-метилоктаноат 599
Метилкетоны 601, 606, 616, 619 а-Метилкорнчная кислота 606, 813 Р-Метилкротоновый альдегид 929 Метиллаурат 651
Метилмагнийиодид 113, 642
Метилмезитилкетон 637
Метилметакрилат 915, 916
1-Метилнафталин 983
2-Метилнафталин 983, 988, 998 2-Метил-1,4-нафтохинон 988
Метил-о-нитрофениловый эфир 758 6-Метокси-8-нитрохинолин 1031 Метиловый оранжевый 745
Метиловый спирт (метанол) 478, 479, 485, 518, 563, 589, 615 реакции 589, 654 синтез 42 , 450, 484, 604 токсичность 484 2-Метил-4-оксиацетофенон 760 4-Метил-2-оксиацетофенон 760 Метилолеат 642 Метилолмочевина 878 •у-Метилпараконовая кислота 910 2-Метилпентан 116, 134 З-Метилпентан 108, 116, 134 З-Метилпентанол-2 513 З-Метилпентанол-З 513 4-Метилпентанол-2 526 2-Метилпентеи-2 204
З-Метилпиридии (р-пиколин) 1024 N-Метилпиридинийиодид 1029 2-Метилпирролидин 714 З-Метилпирролидин 714
Метил-н-пропиламин 706
Метил-н-пропилкетои (пеитанон-2) 590, 699
Метил-н-пропилмалоновый эфир 873
Метилтерефталат 862, 864
Метил-Р-2,3,4,6 - тетра-О-метил-D- глюкозид 955, 956
N-Метилтолуидины, производные 728 3-Метил-1-фенилбутанол-2 540 и сл.
Метилфепилкетон см. Ацетофенон
Метил-а-фенилэтиловый эфир, рацемизация 818
Метил-р-В-фруктофуранозид 959 Метилфторид см. Метил фтористый Метил фтористый (метилфторид) 444 2-Метилхинолин 1031
Метил хлористый 25, 26, 42, 43, 151, 363, 443
Метилхолантрен 983, 1010 Метилциклогексан 265, 279, 369 1-Метилциклогексен 853 транс-2-Метилциклопентанол 487, 679 З'-Метил-l ,2-циклопентанофенантрен 991
1-Метилциклопентен 268, 487
З-Метилциклопентен 679
Метилциклопропанон 406 5-Метилцитозин 1062, 1064
Метильный свободный радикал 46—48, 60 и сл„ 61—63, 72, 377, 380
Метилэтиламин 685, 692, 706
Метилэтилацетилен см. Пентин-2 N-Метил-М-этилбеизамид 706 Метилэтилкетон (бутанон-2) 589, 590, 592, 603, 609, 700
а-Метилянтарная кислота 874 п-Метоксибензиловый спирт 615 Метоксибензойные кислоты 552, 572 см.
также Анисовая кислота 4-Метокси-4-метилпентанон-2 917 4-Метоксинафталин 1012 Метоксиуксуеная кислота 578 Механизм реакции 45
Миграция арильной группы 702
Миндальная кислота 602, 816, 901
Миоглобин 1061
Миозин 1053, 1060
Мирцен 263
Михаэля реакция 814, 921—923, 926, 927, 928, 1029
Молекулы
гибридные 307 и сл.
модели 10
полярность 25 и сл.
силы внутримолекулярные 23 и сл. — межмолекулярные 29 и сл.
Молекулярный вес, методы определения 70 и сл., 327, 398, 974—975
Молочная кислота 77, 79, 82, 901, 903, 970 (+)-Молочная кислота 225, 901, 906 D-(—)-Молочная кислота 906 Ь-(+)-Молочная кислота 906 (±)-Мол очная кислота 901 Мольозонид 203
Моиоалкилацетоуксусиый эфир 889
Моиоалкилмалоновый эфир 872
Мономеры 253
Моносахариды 931—1023 конфигурации 938, 943—949 метилирование 950, 955—956 ПМР-спектры 963—964
Моноэтилглутарат 867
Мочевина 736, 875, 876, 877, 878, 879, 882
Мочевиноформальдегидиые смолы 878
Муравьиная кислота 329, 459, 551, 552, 556, 570, 571, 572, 844, 865 эфиры 650
Мутаротация 950, 952, 965, 971
Мыла 653 и сл.
Надбензойиая кислота 841, 842
Найлон 6 865
Найлон 66 864, 1022
Напряжение угловое 270, 272—273
Натрацетоук'сусный эфир 886
Натрмалоновый эфир 872, 1044
Нафталин 361, 557, 983, 984—1002
алкилирование 995
ароматические свойства 986
ацилирование 988, 994—995, 1007, 1008 восстановление 987, 989—990 галогенирование 988, 992 и сл.
дегидрирование 990
Нафталии
нитрование 985, 987, 992 и сл.
окисление 862, 987, 988
производные 984 и сл., 993, 997—1002, 1004 и сл., 1008
реакции 986—988
— электрофильного замещения 986, 987—988, 993—994
сульфирование 988, 995—996
Нафталин-1-сульфокислота 983, 988, 995 Нафталин-2-сульфокислота 983, 988, 995, 997
Нафталин-2-сульфонат натрия 757, 996
Нафтены 109, 266
1(или а)-Нафтиламин 983, 985, 996
2(или Р)-Нафтиламин 983
а-Нафтилизоцианат 879
4-[1(или 2)-Нафтил]-4-кетобутановая кислота 995
у-[1(или 2)-Нафтил]масляная кислота 1002 а-Нафтилуретан 526, 879 1-(а-Нафтил)циклогексен 990 Нафтионовая кислота 747 о-(2-Нафтоил)бензойная кислота 1007
Р-[1(или 2)-Нафтоил] пропионовая кислота 1008
P-Нафтойная кислота 989, 994, 995
Нафтол-1 (а-нафтол) 983, 996, 998
Нафтол-2 (Р-нафтол) 724, 757, 983, 985, 007000
Нафтохинон 927, 983, 987
Неионные соединения 29
Неоментилхлорид, Е2 элиминирование 467, 474
Неопентан 108, 397, 445
Неопентилбромид 459
Неопентиловый спирт (2,2-диметилпропа- нол-1) 365, 505, 507, 564, 604, 642
Неопентил хлористый 445, 474
( [ )-Неотрегалоза 980
Нервоновая кислота 584
Нерол 300, 532
Неролидол 898
Нефть 9, 109. 360, 361
Никотин 1015, 1029, 1035
Никотинамидадениндинуклеотид 1015, 1056 Никотиновая кислота 1015, 1024, 1026 Нитрилы 559. 561, 602 и сл., 608—609, 736, 739, 939—940 алифатические 447, 561 ароматические 447, 739 восстановление 691, 693, 694 гидролиз до кислот 559 , 560 , 561, 739 номенклатура 562 ИК-спектры 401
З-Нитро-4-аминоанизол 1031 1-Нитро-2-аминонафталин 1013 о-Нитроанизол 758
л-Нитроанилин 686, 692, 696, 709, 719,,737 п-Нитроанилин 686, 692, 709, 718, 742, 879
о-Нитроацетанилид 686, 695, 794
л-Нитроацетанилид 686, 718
n-Нитроацетофенон (метйл-ц-нитрофенил- кетон) 599
л-Нитробензальдегид 497
п-Нитробензальдегид 588, 593, 609. 615, 813
л-Нитробензиловый спирт 477, 615
п-Нитробензоилхлорид 593, 594, 597, 599, 758
Нитробеизойные кислоты 552, 572
мета 323, 564, 597
пара 370, 551, 558
Нитробензол 305, 322, 350 и сл., 367, 597, 691, 741, 746, 784, 1030
Нитробензофеноны 597, 757
Нитрозирование 331, 707, 721—723, 760, 768
М-Нитрозоамины 722
М-Нитрозодиметиламин 722 л-Нитрозо-К,М-диметиланилин 685, 707, 722, 794
М-Нитрозо-М-метиланилин 722 4-Нитрозо-2-метилфенол 760
Нитрозоний-ион 722’, 723, 743, 768 п-Нитрозофенол 768 л-Нитрокоричная кислота 813 л-Нитроминдальная кислота 609 М-Нитромочевина 882 1(или а)-Нитроиафталин 983, 985, 987, 998
2(или Р)-Нитронафталин 983 1-Нитронафтол-2 1013 Нитроний-ион 338, 993 З-Нитропиридин 1025
4-Нитропиридин, N-окись 1029 1-Нитропропан 692
о- и п-Нитротолуолы 323, 368, 370, 371, 740
п-Нитротолуол 540, 558, 593, 695, 739, 740, 741
п-Нитрофенилацетат 758 п-Нитрофенилизоцианат 879 п-Нитрофенил-п-толилкетон 594 м-Нитрофенол 737, 751 о-Нитрофенол 751, 759, 766 п-Нитрофенол 537, 640, 751, 752, 758, 759, 766, 793
З-Нитрофталевая кислота 985
Норадреналин 829
Норкаран 448
Нуклеиновые кислоты 963, 1037, 1062— 1065
Нуклеозиды 1062
Нуклеопротеиды 1062—1065
Нуклеотиды 1062
Нуклеофильное замещение
в алифатическом ряду 354, 366, 449— 450, 632—634, 795, 814
в ароматическом ряду 354, 790—792, 796—798, 800—801
бимолекулярное, механизм 781—786, 792—795, 799 и сл.
гетероциклических соединений 1024— 1027
катализ 506, 632 и сл., 641, 770 сравнение с присоединением 631, 781 — с элиминированием 240 и сл., 446, 469, 488 и сл., 537 , 697 , 781
уходящая группа 446
элиминирования — присоединения механизм 781, 785, 786 и сл., 800—805 Нуклеофильное присоединение
к алкинам 234
к альдегидам и кетонам 699—601, 608 и сл., 612, 615 , 630, 812—813
к а,Р-непредельиым карбонильным соединениям 916, 919—923
Нуклеофильные реагенты 446, 461
Ньюмена проекции 95, 281
Обрыв цепи 48
Озазоны 938
Озонид 203
Озоны 938
Окись мезитила (4-метилпентен-3-он-2)
812, 822, 915, 916, 917, 919, 923
Окись этилена 487, 495, 655, 833, 841, 843—847, 857
Оксалат натрия 861
п-Оксиазобензол [(п-фенилазо)феиол] 737, 745
3-(М-Оксиамино)-3-феиилпропановая кислота 919
Оксиальдегиды 957
Р-Оксиальдегиды 820, 822—823
о-Оксибензиловый спирт 761
о-Оксибензойная кислота см. Салициловая кислота
n-Оксибензойная кислота 552, 750
4-Оксибензол-1,3-дисульфокислота 671
а-Оксиизомасляная кислота 584, 901
а-Оксикетоны 855
Р-Оксикетоны 820, 822—823 Оксикислоты 900, 901, 904—909 а-Оксикислоты 577, 900, 903 Р-Оксикислоты 900 у-Оксикислоты 900, 903, 904 6-Оксикислоты 900, 903, 904
Р-Окси-а-метилвалериановый альдегид 820
4-Окси-4-метилпентаион-2 см. Диацетоновый спирт
Оксиметилфенолы 770
Оксимы 603, 616
Оксипролин 1039, 1040, 1055, 1060
p-Оксипропионовая кислота 917 Окситоцин 1014, 1047, 1050, 1052 8-Оксихинолин 1030
Р-Оксиэфиры, дегидратация 902 Оксония
ионы 33, 160, 765
соли 541
Оксо-синтез 484
Окта-О-ацетилцеллобиоза 978
1,4,5,8,11, 12,13,14-Октагидро-9,10-антрахи • нон 925
1,2,3,4,5,6,7,8-Октагидронафталии 1012 А1 .’-Окталон 923
Окта-О-метил-о-мальтобионовая кислота 966
Р-Октан 108, 396
Октановое число 137
Октанол-1 642
Октанол-2 451, 475, 538, 677, 678, 683
Октен-1 151, 175, 400
Олеиловый спирт 642
Олеиновая кислота 551, 552, 652, 655, 858
Омыление 653
Оптическая активность 75—77, 81 и сл., 84, 86 и сл., 130—133
и изомерия 78—82 и синтез 130—133 удельное вращение 77 и сл. Оптическая изомерия
азотсодержащих соединений 688—690
аномеров 951, 952, 953, 965
и асимметричная молекула 81—92
Оптическая изомерия
и асимметрический атом углерода 82 и сл., 130—133
диастереомеры см. Диастереомеры и диссимметрия 86 и сл.
и конфигурация 87—88, 91 мезо-соединения см. мезо-Соединения энантиомеры см. Энантиомеры эпимеры см. Эпимеры
Оптическая чистота 215 и сл.
Орбитали
атомные 12—14
гибридные 18—20, 145, 228—230
— sp 21, 228—230
— sp2 21, 61—73, 143 и сл.
— sp» 19, 20, 239
молекулярные 15 и сл.
перекрывание 16, 272 и сл., 310
р 13 и сл., 143, 144
s 13 и сл.
и угловое напряжение 272 и сл.
о 17
Ориентаиты
мета 332, 335
орто-пара 332, 335
Орлон 254, 916
Орнитин 1067
Ортоэфиры 614
Основания 32—35
Бренстеда — Лоури 33, 35
Льюиса 34—35
Пальмитиновая кислота 552
(+)-Паноза 981
Пантотеновая кислота 912
Папаверин 543, 1035
Пара-красный 745
Паральдегид 591
Парафин ПО
Параформальдегид 589, 590
Паули принцип исключения (или запрета) 14 и сл.
Пектин 962, 982
Пектиновая кислота 982
Пенициллин G 1015
Пента-О-ацетилглюкоза 934
цис- и транс-3,3,4,5,5-Пентадейтеро-4- mpem-бутилциклогексанол, ПМР и конформации 433
Пентадиен-1,2 см. Аллен
н-Пеитан 108, 135, 263, 479
Пентанол-1 см. «-Пентиловый спирт
Пентанои-2 см. Метил-«-пропилкетон
Пентаэритрит 826, 832
Пентен-1 151, 177, 179, 204
Пентен-2 182, 263
цис и транс 151, 177, 179
н-Пентиламии 693
трет-Пентилбензол 365, 434
н-Пентил-2,4-диоксифеиилкетон 760
н-Пентилиодид (2-иод-2-метилбутан) 443
mpem-Пентилиодид (2-иод-2-метилбутан) 182
н-Пеитиловый спирт (пентанол-1) 479, 483, 501, 592
mpem-Пентиловый спирт 477, 479
2-Пентилуретан 876
н-Пентилфенилкетон 594, 598
н-Пентилхлорид (2-хлор-2-метилбутан) 105, 443, 501
трет-Пеитилхлорид 187, 505, 559 Пентин-1 232, 263
Пентин-2 (метилэтилацетилен) 232, 233, 240, 260
Пентозаны 1018
Пеитозы 932, 1018
Пептиды 1046—1052
Переходное состояние 64—67, 126 и сл. и реакционная способность 66 и сл.
Переэтерификация 640, 641, 647—649 Перкина конденсация 605, 813, 825 и сл., 916
н-Перфторгептан 444 Петролейный эфир ПО Пикриновая кислота (2,4,6-тринитрофенол) 671, 751, 757, 763, 766, 793
а-Пиколин 1015
Р-Пиколин 1015, 1024, 1026
■у-Пиколин 1015
Пинаколин см. Метил-трет-бутилкетон Пинакон 832, 834, 836
Пинаконы 602, 833, 834, 836—840 Пиперидин 830, 874, 924, 992, 1013, 1015, 1029
Пиперин 830
Пиперовая кислота 830 Пиперональ 590, 592 Пиперониловая кислота 830 Пиран 958
Пиранозиды 958
Пиранозы, конформационный анализ 959— 960
Пирен 983, 1009
Пиридин 312, 636, 1015, 1023—1029 Пиридин-З-сульфокислота 1025 Пирокатехин 750, 751 Пироксилин 979
Пиромеллитовая кислота см. Бензол- 1, 2,4,5-тетра карбоновая кислота
Пиррол 329, 1014, 1015, 1016—1018, 1019, 1021, 1022, 1033
Пирролидин 1014, 1015, 1021, 1022 Пирролин 1033
Пиррол-2-карбоиовая кислота, альдегид 1020
Плазмохин (памаквин) 1035 Пластификаторы 654 Полиамиды 864, 865, 1037 Полибутадиен 254 Поливинилацетат 648 Поливинилбууираль 612 Поливиниловый спирт 612, 648 Поливинилхлорид 253 цис-Полиизопрен 254 Поликонденсация 253, 864 Полимеризация 252—259, 656 инициаторы 253 ионная 256—259 свободнорадикальная 198, 253 и сл., 656
Полимеры 253, 916
Поли(оксипропилен)гликоли 845 Полипропилен 257, 258, 262, 655 атактический 257, 258 изотактический 257, 258 синдиотактический 257
Полисахариды 932, 972—980 Полистирол 389 Полихлоропрен 255
Полиэтилен 252, 257
Полуацетали 612, 613, 756, 950, 951, 966 и сл.
Поляризация молекул 191 Поляриметр 75 и сл.
Полярность 24—27, 151 и сл. Потенциалы ионизации 162 и сл. Праймвероза 980 5а-Прегнанол-За-он-20 525 Прегненолон 661 Принцип максимального перекрывания 17 микроскопической обратимости 162
1,2- и 1,4-Присоединение 243, 245—247 249 и сл.
цис- и транс-Присоединенне 289—293 Природный газ 109 Прогестерон 661
Пролин 1039, 1040, 1060
Пропан 108, 109, 269
реакции 117, 118, 120, 134 синтез 174
строение 96 и сл.
Пропанол-1 см. н-Пропиловый спирт н-Пропиламин 686, 692, 706 н-Пропилбензол 358, 360, 393, 400, 421 н-Пропилбромид см. Пропил бромистый Пропил бромистый (н-пропилбромид) 183, 445, 538, 873, 890
Пропилен 146, 148, 150, 151, 180, 189, 377 галогенирование 192 и сл., 200, 444, 833, 857 гидрирование 177 гидроборирование 490, 491 и сл. окись 841, 846, 857 полимеризация 257 реакции 176, 180, 183, 184, 187, 193, 857 синтез 155, 713
Пропиленбромид см. 1,2-Дибромпропан Пропнленгликоль 176, 831, 832, 845, 857 Пропиленхлоргидрин (1-хлор пропанол-2) 175, 192, 193, 526, 841, 857
Пропнленхлорнд см. 1,2-Дихлорпропан я-Пропилиодид 181, 269, 443 н-Пропиловый спирт (пропанол-1) 479, 483, 488, 490, 502, 505 н-Пропил-л-толилкетон 595, 598 н-Пропилхлорид см. Пропил хлористый Пропил хлористый (н-пропилхлорид) 113, 114, 117, 365, 405, 443, 480, 505 я-Пропильный свободный радикал 120 Пропин 232, 233 Пропионовая кислота 499, 697, 1043 Пропионовый альдегид 502, 590, 618, 820
Пропионовый ангидрид 813, 825 Простетические группы 1055 Простые эфиры 533—550
анализ 543—544 водородная связь 534 замещенные 538—540 ИК-спектры 401, 544, 772 номенклатура 533 и сл. протонированные 540, 541 как растворители 534, 536, 541 расщепление 540—542, 543, 764 реакции 540—542
синтез 447, 534 и сл., 536—538, 758, 763—764
структура 533 и сл.
Простые эфиры
Цейзеля метод 543, 764
циклические 542 и сл., см. также Эпокиси
Протокатехиновая кислота 830
Протонолиз 331
Псевдотропин 1036
Путресцин (1,4-диаминобутан) 704, 929
Разрыв связи
гетеролитический 231
гомолитический 199, 231
Раста метод определения молекулярного веса 327
Растворимость 31 и сл.. 359
Растворители
апротонные 471
протонные 471
Расщепление 139
иодной кислотой 835
озоном 203 и сл.
перманганатом 204
(+)-Рафиноза 981
Рацемизация частичная 457
Рацемические модификации 85—86. 131—
133
расщепление 224—226
Реакции
замещения 42
конкурентные 334, 344
окислительно-восстановительные 510— 512
свободнорадикальные 375
стереоселективные 237, 258, 290—293. 465
стереоспецифические 293, 465. 468
четырехцентровые 492
экзотермические 51, 54
эндотермические 51, 54
5м1-Реакции 454—462, 800—801 кинетика 455 и сл.
лимитирующая стадия 455 механизм 454 и сл.
нуклеофильные реагенты, влияние 46) перегруппировка 459 и сл.
полярность растворителей 461 реакционная способность 458 в сл. стереохимия 456 и сл.
электронные факторы 459
5^2-Реакция 450—454, 632 и сл., 800— 801
кинетика 450, 795
механизм 450
нуклеофильные реагенты, влияние 461
полярность растворителей 461
пространственные факторы 453 реакционная способность 452—454 сравнение с SnI 460—462 стереохимия 451—452, 675—678
Реакционная способность 44 н сл., 127
и сл., 448
Резерпин 1015, 1029
Резонанса теория 307 и сл., 317 и сл.. 320 и сл., 352—354, 569 и сл.
Резонансная стабилизация алкильного радикала 379 и сл. аллильного радикала 377 и сл. бензильного карбониевого иона 387 и сл. — радикала 378 и сл.
Резонансная стабилизация трифенилметильного радикала 383 и сл. фенола 761
Резорцин 607, 750, 751, 760
Реймера — Тимана реакция 331, 591, 593,
760, 769 и сл., 1019
Реформатского реакция 813, 900—902
Рибит 946
(—)-Рибоза 946, 1056, 1062
Рибонуклеиновые кислоты 1062, 1063 и генетический код 1064—1065 информационные 1065
Рибулоза 963
Розанова превращение 949
Рост цепи 48, 119
Руберитровая кислота 980
Руффа расщепление 940—941
Салицилат натрия 760, 768
Салициловая кислота 552, 572, 584, 750, 768
Салициловый альдегид (о-оксибензальде- гид) 588, 590, 591, 760, 769, 928
Салицин 962
Сальмин 1048
Саран 254
Сафрол 592, 754
Сахар инвертированный 971
Сахар см. Углеводы
Сахарин 682
Сахарная кислота (глюкаровая кислота) 934, 936, 937, 945, 948
(+)-Сахароза 933, 965, 970—972, 978
Свободные радикалы 46
гиперконъюгация 380
делокализация иеспаренных электронов
378, 379, 384
классификация 122—126, 202, 273—274
Легкость образования 125 и сл.
обнаружение 72, 375 и сл., 433
образование 46—48, 49, 72, 119—122,
123—125, 163, 196—203, 223—224, 250—252, 254, 374 и сл.
Панета зеркало 72
перегруппировка 128—130
ПМР 384, 433
в полимеризации алкеиов, 198, 252 и сл.
— диенов 253 и сл.
— стирола 389
присоединение к алкенам 175, 196—199, 200—203, 299
— к алкенилбензолам 387—389
— к диенам 250 и сл., 253 и сл.
и рацемизация 690
реакции 375, 376
резонансная стабилизация 377—381,
383—384
стереохимия 223—226, 690
структура 61—64
триарилметильный 383 трифенилметильный 381—384 устойчивость 124—126, 197, 203, 377—
381, 383—384
устойчивые 381—384
Связи
аксильиые 279—281
гибридные 309
длины 17, 788
ион-дипольные 31, 156
Связи
ионные И, 21
ковалентные 11 и сл., 16—23, 24 и сл., 50, 145, 230
Н—Н 17
Mg — галоген 113
N—О 309
N=O 309
пептидные 1046, 1051
л 143—145, 147, 172 и сл., 230, 273, 402, 403, 571, 631
полярность 24 и сл.
о 17, 63, 94, 144
С — галоген 50, 156, 787—789
С—Н 20, 21, 50, 94 и сл., 145, 146, 156, 230, 320
С—Li 806
С—Mg 113, 493, 806
С—N 689, 1046
С—С 50 , 94—96, 307, 320, 428—430. 984, 986, 1016, 1023
С=С 143—145, 148, 173, 189
— изолированные 242, 243
— кумулированные 243
— сопряженные 242, 917
С=С 228—231, 233—236, 237, 241 и сл.. 260, 435
экваториальные 279—281
энергия диссоциации 50, 124
1,2-Сдвиг 700, 701—702, 755, 838—839 Себациновая кислота 861 Семикарбазоны 603, 611
Серии 1038, 1045
Силы
внутримолекулярные 23 и сл. межмолекулярные 29 и сл.
Сквалеи 260, 263
Скорости реакций 56—58
константы 449
Скраупа синтез 1030 и сл.
Сложные эфиры
серной кислоты 669
сульфокислот 669, 673, 674—681 переэтерификация 640, 641 фенолов 640, 758, 764 и сл. циклические см. Лактоны
Смазочные масла 110
лезо-СоеДи нения 218—220
Соляровое масло ПО Сополимеризация 255 и сл. Сорбит 934, 936 Спектроскопия 395—441 Спермацет 660 Спермин 929 а-Спираль белка 1057—1060 Спирты 476—533
анализ 518—520
ароматические 514
водородная связь 480—482
вторичные 476, 487, 510, 650 дегидратация 154, 158—159, 160—162, 501, 503 и сл.. 534 и сл.
источники 482—485, 654 кислотность 507—509 классификация 158 номенклатура 477 и сл. окисление 477, 509—510 окисление — восстановление 510—512 первичные 476, 487, 494, 509, 592, 656 перегруппировки 446
Спирты производные 518 и сл., 526, 879 протонированные 34, 506 разделение 225, 867—868 реакции 455, 500—518, 535, 604, 612— 614, 654 и сл., 694
реакционная способность 503 и сл., 506
синтез 484, 486—489, 564, 576, 601— 602 , 605, 606—607, 642, 650, 654 спектры 401, 410, 521 и сл.
структура 476
третичные 410, 476, 487 физические свойства 478. 479, 480 этерификация 502 , 563 , 574—575, 634, 637, 639, 640, 647—649, 654, 673
Стеариновая кислота 562, 563,636,
638
амид 629, 636, 638
Стеароилхлорид 563, 629, 636 Стереоизомерия 70
циклических соединений 281—289 Стереоизомеры 73
взаимопревращения 99 и сл. классификация 211 и сл. конфигурация 87, 99 число теоретически возможных 77, 218 и сл.
Стереохимия 73—92, 211—227 азота 688—690 гидроборирования — окисления 490 и сл. Гофмана расщепления 702 — элиминирования 714 и сл. карбанионов 817—818 карбониевых ионов 457 и сл., 702 конформаций см. Конформационный анализ
Коупа элиминирования 714, 727 оксикислот 904—909 присоединения галогенов 852—853 8№-реакций 451 и сл., 675—678 свободных радикалов 223 и сл. 1,2-сдвига 701—702 стероидов 497 и сл.
Е2-элиминирования 465—468
Стероиды 497—498
Стигмастерин 661
Стильбен см. 1,2-Дифенилэтан
Стирол (фенилэтилен) 255, 359, 360 окись 841 полимеризация 389 реакции 386, 841 синтез 385—386, 504, 675 стабилизаторы 389
Столкновение атомов 52 и сл. теория 65 частота 56, 58, 120, 121 энергия 56, 57
Стрихнин 226, 1029
Сукцинамат аммония 867
Сукцинамовая кислота 867 Сукцинимид 201, 861, 870 Сукциноилсульфатиазол 721 Сульфамеразин 721
Сульфамидные препараты 720—721 Сульфамиды 673, 674, 681, 706, 720— 721;
Сульфаниламид 679, 686, 720—721 Сульфаниловая кислота 671, 686, 719— 720, 1041, 1043
Сульфокислоты 667—683
алифатические 667
анализ 681
ароматические 667—672
кислотность 668, 670, 674
номенклатура 667
реакции 668, 669, 670—672, 674
синтез 668
соли 668, 669
структура 667
эфиры 672 , 674—675
Сульфонаты, щелочное сплавление 670, 757
Сульфохлориды 668, 672 и сл., 681
Талидомид 882
Таутомерия 242
Таутомеры 242
Температура
кипения 30 и сл.
плавления 28 и сл.
Теория строения 10—И
Теплоты
активации 66
гидрирования 177
реакции 51 и сл.
сгорания 42, 306 и сл.
Теребовая кислота 912
Терефталевая кислота (бензол-1,4-дикар- боновая кислота) 370, 552, 860, 861
метиловый эфир см. Метилтерефталат
Терпениловая кислота 912
Терпены 259
Терпингидрат 300
а-Терпинен 300
у-Терпинен 259
а-Терпинеол 300, 776, 912
Тестостерон 498
Тетрагалогениды, дегалогенирование 233
1,2,3,6-Тетрагидробензальдегид 925
5,8,9,10-Тетрагидро-1,4-нафтохинон 925
Тетрагидротиофен 1022
Чис-1,2,3,6-Тетрагидрофталевый ангидрид
925
Тетрагидрофуран 489, 534, 543, 727, 785,
1015, 1022
Тетралин (1,2,3,4-тетрагидронафталин) 983, 987, 989, 1001
а-Тетралон 1001, 1002
1,2,4,5-Тетраметилбензол (дурол) 360, 370
2,3,4,6-Тетра-О-метил-р-глюкоза 956, 957, 966, 974, 975, 977
2,3,5,6-Тетра-О-метил-р-глюконовая кислота 966, 967
2,3,4,6-Тетра-О-метил-р-глюкопираноза 966
Тетраметиленсульфон (сульфолан) 471,
1022
Тетраметилсвииец 72
Тетраметилсилан 409
2,2,4,4-Тетраметилциклобутандион-! ,3 930
Тетраметилэтилен 930
Тетрафенилэтилен 360
Тетрахлорбензофенон 990
Тетрахлоргидрохиион 990
Тетрахлорметан см. Четыреххлористый
углерод
Тетрациклон 929
Тетраэтилсвинец 49, 137
Тетроза 932
Тефлон 254
Тиамин 1015
Тимин 1062, 1053, 1064, 1067
Тимол 754, 774 Тиомочевина 878 Тиофен 1014, 1015, 1016—1018, 1019 Тирамин 829 Тироглобулин 1053 Тозилаты 675—679 Тозилхлориды 675, 679
Толуол 266, 322, 334, 358, 360, 361, 363, 367, 557 алкилирование 368, 372 ацилирование 594, 497, 1000 галогенирование 368, 369, 373—376, 444, 445, 488, 516, 591, 697 гидрирование 369 ПМР-спектр 411, 412 резонансная стабилизация 378 и сл. сульфирование 332, 333, 368, 371 электрофильное замещение, ориентация 333, 337, 350, 368 о-Толидин 747 и-Толилдиазонийбромид 735, 740 Толилдиазонийхлорид 735, 740, 783 л-Толил-л-нитробензиловый эфир 758 Толленса реактив 601, 605, 616, 855, 932, 936, 950, 953, 964, 970
Толуидины 685, 686, 709
мета 728
орто 716, 736, 737, 740
пара 695, 718, 738, 740, 741 о-(л-Толуил)бензойная кислота 1006 л-Толуиловая кислота 553, 564, 572 о-Толуиловая кислота 559, 572 л-Толуиловая кислота 572, 739, 862 Толуиловые ангидриды 590, 825 о-Толунитрил 559, 736 л-Толунитрил 562, 739 .и-Толуолсульфокислота 327, 332 о-Толуолсульфокислота 368 л-Толуолсульфокислота 667, 668, 669 л-Толуолсульфонат натрия 669, 757 л-Толуолсульфохлориды 675, 758 Торсионная энергия 96 Торсионное напряжение 96, 274 Трегалоза 980 (—)-Треоза 856, 911, 947, 948 2,4,6-Триброманилин 323, 671, 685, 707, 718
1,2,3-Трибромбензол 742 3,4,5-Трибромнитробензол 742 3,4,5-Трибромфенилдиазонийхлорид 742 2,4,6-Трибромфенол 759, 767 1,1,2-Трибромэтан, ПМР-спектр 415, 416, 419
Три-л-бутилфосфин, окись 858 Тригонеллин 1066 Трикарбаллиловая кислота 929 Триметиламин 684, 686, 713 2,4,6-Триметилбензойная кислота см. Ме- зитиленкарбоновая кислота
2,3,6- Тр и - О- мети л-П-глюкоза974—975,
977, 978,
Триметиленгликоль 831, 832, 863 Триметилоксиглутаровая кислота 957, 958 2,2,4-Триметилпентан (изооктан) 107, 137, 193 и сл.
масс-спектр 396
Триметил-н-пропиламмония
гидроокись 713
иодид 706
Триметилуксусная кислота 553,561,
563
Триметилфениламмонийиодид 692
Триметилхлорметан, восстановление 448
2,4,6-Тринитроанизол 793
1,3,5-Тринитробензол 355, 565
2,4,6-Тринитротолуол 355, 361
Тринитрофенетол 800
2,4,6-Тринитрофенилдиазонийхлорид 743
Тринитрофенол см. Пикриновая кислота
2,4,6-Тринитрохлорбензол 782, 793
Триоза 932
Триоксан 589, 590
Трипептиды 1046, 1047
Триптицен 1011
Трифениламин 686, 711
Трифенилкарбинол 477, 479, 642, 650
Триоенилметан 360, 363
Трифенилметил-радикал 381—384
Трифенилфосфин, окись 827
Трифенилхлорметан 363, 381, 383
Трихлорацетальдегид, тример 621
Трихлоруксусная кислота 564, 572
-Трихлор-2,2-бпс-(л-хлорфенил)эта н
(ДДТ) 620
Трихлорэтан, мации 429
ПМР-спектр и конфор-ПМР-спектр и конфор-Триэтиламин 686, 691
ПМР-спектр и конфор-
ПМР-спектр и конфор-
Триэтилбор 489
Триэтиленгликоль 844
Тропилиден 1036
Тропилий-ион (циклогептатриепил-катион)
314, 315, 434
Тропилиевый карбониевый ион 434
Тропин 1036
Тропиновая кислота 1035
Тропинон 1036
Троповая кислота 584
Трополон 774
Тураноза 981
Углеводы (сахара) 931—982 восстанавливающие 932 дисахариды 964—972 классификация 932 метилирование 955—956 моносахариды 931—964 невосстанавливающие 932 номенклатура 932 определение 931, 932 ПМР-спектры 963—964 полисахариды 972—980 ферментативный гидролиз 483, 485 этерификация 638, 979
Углы связей 18—20
Уголь 9, 360, 361
Удельное вращение 77 и сл.
Уксусная кислота 502, 551, 552, 554, 562—564, 628, 637, 692, 862
Ультрафиолетовая спектроскопия 395, 402—403
Урацил 1062, 1064, 1066
Уреаза 877
У рейды 877
Уретаны 875, 876, 879
Уксусный ангидрид 594, 629, 636, 637, 716, 758, 813, 825, 867
Фактор вероятности 56, 58, 66
Фарнезилпирофосфат 263
Фелинга раствор 855, 932, 936, 950, 953, 964, 970
Фелландраль 775
₽-Фелландрен 299
Фенантрен 390, 983, 1002—1008
9,10-Фенантренхинон 983, 1004
Фенетол (этилфениловый эфир) 534, 758
2-(Фенилазо)пиролл 1020
п-(Фенилазо)фенол см. п-Оксиазобензол
1-Фенилазонафтол-2 998
4-Фенилазонафтол-2 998
Фенилаланин 871, 1039, 1044, 1054
М-(Фениламино)пропионовый альдегид
1030
Фенилацетальдегид 590, 593
Фенилацетамид (ацетанилид) 563, 706
Фенилацетилхлорид 563, 593
Фенилацетонитрил (бензилцианид) 559, 693
Фенилбензоат 355, 636, 758
1-Фенилбута диен-1,3 814
4-Фенилбутен-З-овая кислота 1011 2-Фенилгексанол-2 495
Фенилгидразин 603, 611, 920, 938
Фенилгидразоны 603, 611 Фенилглиоксаль 616 Фенилдиазонийборфторид 737 Фенилдиазонийхлорид 707, 735, 736, 737, 743
Фенилендиамины 326, 684 , 692 , 709
Р-Фенилизопропилбромид 454 2-Фенил-1-иодпропанол-2 837 Фенилкарбитол 844 Фениллитий 786, 805, 1026 Фенилмагнийбромид 495, 514, 642 у-Фенилмасляная кислота 553, 575, 1001 1-Фенилнафталин 990 Фенил-п-нитробеизиловый эфир 539 2-Фенилпиридин 1026 1-Фенилпропандиол-1,2 837, 855 З-Фенилпропандиол-1,2 856 1-Фенилпропанол-2 385, 504, 677 2-Фенилпропанол-2 501 1-Фенилпропен 386, 387, 474, 504 2-Фенилпропен 393, 501
З-Фенилпропен (аллилбензол) 358, 359, 386, 393
3-Фенилпропен-2-ол-1 см. Коричный спирт (+)-а-Фенилпропиоамид 702 Фенилпропиоловая кислота 826, 892 о-Фенилпропионовая кислота 879 а-Фенилпропионовый альдегид 837
Фенилтиогидантоин 1049
Фенилтозилат, гидролиз 679
Фенилуксусная кислота 551, 552, 559, 563, 572
1-Фенил-1-хлорэтан 385
1-Фенилэтанол (а-фенилэтиловый спирт) 385, 445, 477, 479, 501, 504, 514
2-Фенилэтанол (Р-фенилэтиловый спирт) 478, 479, 494, 844
а-Фенилэтиламин 686, 699, 702, 879 р-Фенилэтиламин 686, 693, 1032 М-(2-Фенилэтил)ацетамид 1032
а-Фенилэтилбромид см. 1-Бром-1-фенил- этан
Р-Фенилэтилбромид 443, 464 и сл.
а-Фенилэтиловый спирт см. 1-Фенилэтанол
Р-Фенилэтиловый спирт см. 2-Фенилэтанол а-Фенилэтилтозилат 679 Р-Фенилэтилтозилат 675 а-Фенилэтилхлорид 225, 369, 443, 458 Р-Фенилэтилхлорид 369, 443 2-Феноксиэтанол 843
Фенол 322, 537, 636, 742, 751, 868
гидрирование 266 кислотность 751 реакции 845; см. также Фенолы — электрофильного замещения в ароматическом ряду 757 и сл. 765—766 синтез 754—756, 785, 793 сополимеризация 761, 770
Фенол-2,4-дисульфокислота 766
Фенолсульфокислоты 759, 766
Фенолформальдегидные смолы 761, 770—
771
Фенолфталеин 868
Фенолы 476 , 750—780 алкилирование 759, 767 анализ 401, 521, 753, 771—772 ацилирование 759, 767 галогенирование 759, 767 ионизация 761 и сл. карбоксилирование 760, 768 кислотность 744, 751, 757, 761—762 нитрование 759, 766 нитрозирование 760, 768 номенклатура 750 окисление 750 полимеризация 761 простые эфиры 537 и сл., 539, 758, 763 и сл.
реакции 331, 737, 738 и сл., 760, 761, 768, 769, 770—771
— замещения в кольцо 759—760, 765 и сл.
— электрофильного замещения 757. 764—765
синтез 536—538, 670, 737, 738, 739 и сл.. 756—757, 758, 763—764
соли 753, 757
сочетание с солями диазония 738 и сл., 739, 742, 743, 760
структура 750
сульфирование 674, 759, 766
Фенолят натрия 538, 539, 754, 760, 843, 845"'
Фенолят-ион 537, 744, 753, 761, 765, 845 Фенония ион 339
Ферментативный гидролиз белков 1043 глюкозидов 953 и сл. дисахаридов 965, 968, 971 крахмала 973 мочевины 877 пептидов 1049 и сл.
Ферменты 84, 1055
Ферроцен см. Дициклопентадиенилжелезо
Фибрин 1053
Фибриноген 1053
Фиброин 1053, 1055, 1057, 1058, 1059
Фишера
конфигурация (+)-глюкозы 941—945 структура белка 1051, 1061
Фишера
формулы сахаров 935, 938, 946, 947— 949, 951
Флавилийхлорид 1035
Флороглюцин (1,3,5-триоксибензол) 774
Формалии 589
Формальдегид 494, 518, 588, 590
реакции 487, 494, 604, 615, 761, 770— 771, 854, 878, 923
синтез 487, 494, 589 и сл.
Формиат натрия 571, 615, 861
Формилциклобутан 620
Формилциклопентан 840
Формула молекулярная, методы определения 67 и сл., 70
эмпирическая, расчет 69 и сл.
Фосген 875, 877, 1051
Фотосинтез 931, 962, 972
Фриделя — Крафтса
алкилирование 305, 331, 341 и сл., 362, 363—367, 371 и сл., 447, 759, 767 ацилирование 305, 594—598, 635, 637, 759, 767, 867—869, 988, 994—995, 1000, 1001, 1006, 1008, 1016, 1020
Фриса перегруппировка 595, 759, 764, 765, 767
D-(—)-Фруктоза 933, 947, 958
Фруктуроновая кислота 962
Фталат аммония 869
Фталамовая кислота 869
Фталевая кислота 370, 552, 557, 861, 862, 865, 985
Фталевый ангидрид 629, 861, 862 , 864, 865, 867, 868, 869, 870, 882 , 987, 1006, 1007
Фталилид 861, 869, 870
Фталимид калия 870, 1044
Фталимидомалоновый метод 1044, 1045 Фталоцианин меди 1015
Фторанизолы 805
Фторбензол 737, 782, 786, 803
о-Фторбензофенон 632 1-Фтор-2-метилнафталин 993 и-Фторнитробензол, реакция с азидом 808 Фторорганические соединения, синтез 444, 737, 738, 739, 782, 783
Фторуглероды 444
Фторфенолы 751
Фумаровая кислота 861, 866, 915, 919 Фуран 1014, 1015, 1016—1018, 1019, 1022, 1033
Фуранкарбоновая кислота 1015. 1020
Фуранозиды 958
Фуран-2-сульфокислота 1019
Фурфурол 982, 1015, 1018, 1020
Хавибетол 775
Хелатообразование 751—752, 896
Хеуорса синтез 1000—1002
Химотрипсиноген 1050
(—)-Хинии 225
Хинолин 1014, 1015, 1030—1032
Хиноны 926, 988—989
Кинсберга проба 674, 723
Хиральность 82
Хлора нгидриды карбоновых кислот 628, 629—630, 634—636
восстановление 593, 635
Хлорангидриды карбоновых кислот превращение в амиды 635, 637, 706, 716 — в кетоны 594, 598 и сл., 635 реакции 634—636, 876 — нуклеофильного замещения 634 присоединения 634 синтез 562 и сл., 573 и сл., 636 спектры 657
Хлоранилины 686, 709, 728
Хлорацетат натрия 862 м-Хлорбензальдегид 605 м-Хлорбензиловый спирт 605 Хлорбензойные кислоты 552, 572, 584, 781, 808
Хлорбензол 322, 782, 785, 786 реакции 334, 691, 754, 801—803 — нуклеофильного замещения 754, 787, 792—797, 800 и сл.
— электрофильного замещения 790—792 синтез 305 структура 787—789
1-Хлор-З-бромциклобутан 474 З-Хлорбутен-1 443, 462 З-Хлор-2-бутилацетат 857 Хлоргексены 246 2-Хлоргидрохинон 926 2-Хлор-2,3(или 3,3)-диметилбутан 190 Хлориодметансульфокислота, энантиомеры 79, 81
1-Хлор-1-иодэтан 182, 792
Хлорметан (хлористый метил) 42 8-(+)-1-Хлор-2-метилбутан 223, 224 2-Хлор-2-метилбутан см. Пентилхлорид 1-Хлор-2-метилпропанол-2 857 1-Хлорнафталин 983, 992, 1013 2-Хлорнафталин 1013 1-Хлорнафтол-2 1013 л-Хлорнитробензол 323, 781, 784, 797 и сл. о-Хлорнитробензол 793 п-Хлорнитробензол 793, 797 Хлорония ион 853 Хлоропрен 255 Хлорофилл 752, 931, 1015, 1019 Хлороформ (трихлорметаи) 43, 760, 769 4-Хлорпиридин 808, 1026 2-Хлорпропанол-1 526 р-Хлорпропионовый альдегид 917 л-Хлорстирол 387
Хлорсульфокислота 668, 673
Хлортолуолы 373, 393, 736, 782, 783 Хлоругольная кислота 875 Хлоруксусная кислота 564, 572, 577, 692, 758, 862
2-Хлор-1-фенилпропан 385 1-Хлор-1-фенилэтан 375 2-Хлор-1-фенилэтан 375 Хлорфенолы 750, 751 трояс-2-Хлорциклогексанол 857 Хлорциклопропан 264, 268 p-Хлорэтиловый спирт см. Этиленхлор- гидрин
Холестан 299
Холестандиол-3р,6а 491, 499
Холестанол-3, окисление 503 Холестанон-3 503, 525
Холестен-2, бромирование 859
Холестерин 260, 491, 497, 499, 859, 991 Холин 857
Хризамин G 745
Хризен 983, 1009
Хюккеля правило 313 и сл.
Цейзеля метод 543, 764
(+)-Целлобиоза 965, 968, 970
Целлофан 980
Целлюлоза 931, 968, 972, 978—980
Цепные реакции 48—53
алканов 116, 118 и сл.
хлорирования метана 48
Церевитинова метод определения активного водорода 142
Цианамид 875, 878
Циангидрины 602, 608 и сл., 900, 939—940 3-Циан-1,3-дифенилпропанон-1 919 Циануксусный эфир (этилцианацетат) 874, 922
Ц иглера — Натта
катализатор 257, 258
полимеризация этилена 258, 484
Циклизация 266, 267, 361
антраценовых производных 1006—1007 нафталиновых производных 1000—1002 фенантреновых производных 1007—1008 Циклические алифатические углеводороды 264—300; см. также Циклоалканы, Циклоалкены анализ 295—297 геометрическая изомерия 281—285 дегидрирование 266
диаксиальное взаимодействие 279 и сл. источники промышленные 266 и сл. конформационный анализ273—281,
285—289
небольшие циклы 269 и сл.
номенклатура 264 и сл.
относительные устойчивости 270—272, 272 и сл. 285—289
раскрытие цикла 270
реакции 268—269
синтез 266 и сл., 293—295
стереоизомерия 281—289
угловое напряжение 270, 272 и сл. Циклические ангидриды 865—871 Циклоалканы 109, 264, 265, 266, 270—272
анализ 295—297
каталитический реформинг 266 конформационный анализ 273—279 небольшие циклы 268 и сл.
раскрытие цикла 269
реакции 111, 268 и сл.
синтез 267
Циклоалкены 264, 265, 296
гидроксилирование 289—291, 847—852 присоединение 289—291, 847—852 реакции 268
Циклоалкины, анализ 296
Циклобутан 264, 265, 271, 272, 273
конформационные превращения 277, 278 относительная устойчивость 270 и сл. раскрытие цикла 269, 274 реакции 268—269
Циклобутан - 1,3-дикарбоновые кислоты 283, 882
Циклобутаноны, ИК-спектр 618
Циклогексадиен-1,3 265, 305—306, 925
Циклогексан 265, 271
анализ 296
конформации 272, 275—279
Циклогексан окисление 862 ПМР 430, 431 производные, конформации 287—289 синтез 266
Циклогександикарбоновые кислоты 866, 882
Циклогександиол-1,3 285, 289, 856, 857
Циклогександиолы-1,2 832
Циклогексанкарбоновая кислота 551, 552 Циклогексанол 266, 426, 476, 479, 501, 503, 505, 612, 699, 812, 814, 840, 862, 874, 923
Циклогексен 176, 268, 292, 293, 296, 304, 306, 310, 501, 841, 857
Циклогексилалии 686, 699 Циклогексилацетат 675
Циклогексилбромид 432 , 442, 443 , 505, 699
Циклогексилтазилат 675
Циклогептадиенил-анион 314, 315
Циклогептан 265, 271
Циклогептатриенил-катион см. Тропилий- ион
Циклогептатриенил-радикал 314 Циклодекан 271, 272 Циклодекандион-1,6 299, 856 Циклооктан 265, 271 Циклооктатетраен-1,3,5,7 317 Циклопентадиеи-1,3 264, 265, 314, 924 Циклопентан 264, 265, 270, 271, 277, 278, 289, 602, 833, 866 гидроксилирование 290, 833, 848—849 конформационный анализ 277, 279 окисление 282, 290, 842 окись 833, 842, 848, 849 присоединение брома 290
Циклопентан-1,2-дикарбоновыекислоты
866
Циклопентан-1,3-дикарбоновые кислоты 283
Циклопентандиол-1,2 282—285, 290, 481, 833, 835, 847—850
Циклопентанкарбоновая кислота 874 Цнклопентанол 479, 607
Циклопентанон 601, 607, 618, 679, 866
Циклопропан 264, 265, 267, 268, 271 и сл. анализ 395 и сл.
ПМР, химический сдвиг 411 раскрытие цикла 270, 273 реакции 268—269 синтез 294—295, 447 угловое напряжение 270, 273
Циклопропанкарбоновая кислота 874
Циклопропаноны 621
п-Цимол 360, 475
(—)-Цистеин 1038, 1055
Цитозин 1062, 1063, 1064, 1067
Цитохром с 1067
Цитраль 623, 830
Цитронеллол 259
Четвертичные аммониевые производные гидроокиси 713 ион 708
соли 690, 692, 694, 698, 707—708, 713—
715, 724, 1029
Четырехбромистый углерод 44, 443
Четыреххлористый углерод (тетрахлорме- тан) 25, 26, 43, 443, 448
Чикаго синий 6В 745
Число изомеров 74 и сл., 302, 309
Чичибабина реакция 1026
Шелк 979, 980"
Шиффа реакция 616
Шоттена — Баумана реакция 636, 640, 716, 1028
Шредингера уравнение 12
Штреккера синтез аминокислот 1045
Щавелевая кислота 860, 861, 865
Эвгенол 392, 591, 754
Эвдалин 1012
Эвдесмол 1012
Эквивалент
нейтрализации 578
омыления 657
Электромагнитное излучение
длины волн 399
поглощение 399—405
Электромагнитный спектр 399
Электронные конфигурации 15
Электронный
парамагнитный резонанс (ЭПР) 384
спиновый резонанс 395, 433
Электроотрицательность 24, 35, 238 и сл., 481
Электрофильное замещение 313 и сл., 330—356
активирующие группы 332, 333, 334— 336, 347—354 , 707, 758
в алкилбеизолах 368, 371—373, 703
и аминогруппы 335, 353, 354
в антрацене 1004—1006
в арилгалогенидах 785 и сл., 789—792
в ароматических аминах 707, 710, 717— 720
— эфирах 542
в бензоле 304—305, 313, 337—343
галогенов 335, 781
и гидроксильные группы 353, 354
дезактивирующие группы 332, 333, 334— 336, 347—354 , 565, 781, 785 и сл., 789—792
и замещающие группы 332—334
и изотопные эффекты 343—344
в изохинолине 1032
в индоле 1021
как карбоиий-иовная реакция 353 и сл., 596—597
в карбоновых кислотах 564—565
механизм 342 и сл., 344—347
в нафталине 985, 986, 987—988, 992— 996, 997—1000
нитрозирование в кольцо 722 и сл., 768 ориентация 332, 333, 335—338, 347 и сл., 349—354
в пиридине 1024—1029
в пирроле 1019—1621
реакционная способность 333 и сл., 335, 347—349, 354
в тиофене 1019—1021
в фенантрене 1004—1006
в фенолах 353, 354 , 757—761, 763, 769, 770—771
в ферроцене 314 и сл.
Электрофильное замещение
в фуране 1019—1021
в хинолине 1030
Электрофильное присоединение
к алкенам 173—176
— механизм 185—187, 191—195
— направление присоединения 187—190
— реакционная способность 187—190
— стереохимия 852
к алкенилбензолам 386—389
к алкинам 234—236
к а,р-непредельным карбонильным соединениям 917—918, 921 и сл.
перегруппировки 190
полимеризация 256—259
к сопряженным диеиам 245—250
стереоспецифическое 291—293, 853
Электрофильные агенты 173
Элементный анализ
качественный 68, 325, 472
количественный 68, 69, 326 и сл.
Элиминирование 240, 462—470, 675
а- 295
Р- 295
по Гофману, исчерпывающее метилирование 708
по Коупу 708, 714 и сл.
El-механизм 463, 503 и сл.
Е2-механизм 462—470
сравнение с замещением 240 и сл., 447, 469 и сл., 488, 503, 537,„697
транс 465—468
Эмульсин 962 , 968
Энантиомерия 78—85, 283—289
и оптическая активность 80 и сл.
и тетраэдрический атом углерода 78 и сл. Энантиомеры 73, 75, 78, 80, 81, 83, 87, 211
конфигурационные 87
конфигурация 87
конформационные 87
расщепление 85—86, 224—226, 284, 285, 867—868
сравнение свойств 83—85
Энергетический фактор 56, 58, 59
Энергия
активации 52—53, 123
делокализации 311
диссоциации связей 50 и сл., 124
кинетическая 53, 56
потенциальная 53—55, 64, 67 резонанса 308, 318—319, 986, столкновений 53 и сл.
Энтальпия активации 66
Энтропия 568
активации 66, 568
Эпимеры 939, 941
Эпокиси 833, 841—852
Эргостерин 498
(—)-Эритроза 856, 911, 947
Эстрон 498
Этан 108, 109
галогенирование 117, 118
конформационный анализ 94 и сл.
синтез 115
строение 93 и сл.
Этанол см. Этиловый спирт
Этиладипат 575, 887
Этилакрилат 920
Этиламин 686, 692
Этил-п-аминобензоат 692
N-Этиланилин, производные 728
Этилат натрия 502, 827, 843, 872, 886, 887, 888, 889
Этилацетат 502, 629, 641, 647, 867, 886, 888
Этилацетоацетат см. Ацетоуксусный эфир
Этилбензилмалонат 1044
Этилбензоат 629, 635, 641, 642, 643, 650,
888
Этилбензоилацетат 885, 888
Этилбензол 357, 358, 360
а-дейтеро, энантиомеры 80
реакции 358, 368, 369, 370, 373 и сл.,
385, 386
синтез 385
Этилбромацетат 891, 901
Этил-о-бромбензоат 640
Этилбромид см. Этил бромистый
Этил-а-бромизобутират 903
Этил бромистый (этилбромид) 113, 115,
233, 443, 454, 459, 460, 700
ПМР-спектр 415, 416, 419
Этил-а-бромпропионат 874, 901
Этилбромсукцинат 1028
Этил-н-бутиламин 700
Этил-трет-бутиловый эфир 538
Этилен 151, 539
алкилирование 195
бромирование 192
галогенгидрины из 192, 833
гидратация 482
гидрирование 177 гидроксилирование 199
окись 833, 841
относительная реакционная способность 189
— устойчивость 157, 179
полимеризация 485
синтез 154, 159
строение 143—145
Этиленбромгидрин (2-бромэтанол) 192, 442, 843, 857
Этиленгликоль 499, 831, 832, 833, 834, 843, 864
Этил-2,4-динитрофениловый эфир 786
Этилендиамин 684, 686
Этилендибромид см. Дибромэтан
Этиленхлоргидрин (Р-хлорэтиловый спирт)
474, 526, 539, 833
Этил-а-изобутилацетоацетат 890
Этилизобутилмалонат 873
Этилизобутират 642
Этилиодид см. Этил иодистый
Этил иодистый 181, 443, 445, 501, 758
Этил-у-кетовалерат 900
Этилкротонат 919, 922
Этилмалонат см. Малоновый эфир
Этил-а-метилакрилат, реакция Михаэля 922
Этилметилмалонат, реакция Михаэля 922
Этил-а-метил-а-н-пропилацетоацетат 890
Этилнеопентиловый эфир 459
Этил-п-нитробензоат 692
Этиловый спирт (этанол) 34, 36, 477, 479, 485—486, 509, 557, 575, 612 абсолютный 486
ИК-спектр 481 и сл.
реакции 154, 158—159, 445, 501, 511, 513, 535, 590, 596, 604, 612
Этиловый спирт
синтез 184, 482, 483, 485, 489, 641, 642
Этилоксалат 888, 891, 928
Этилоксалилацетат 888
Этил-Р-оксибутират 900
Этил-у-оксивалерат 900
Этил-Р-оксиизовалерат 901, 902
Этил-Р-окси- Р-фенил- ос - метилпропионат 901
Этил-З-оксо-2-метилпентаноат 887
Этилоктаноат 642
2-Этилоктановая кислота 557
Этилпальмитат 651
Этил-трет-пентиловый эфир 459
Этил-н-пропил-н-бутил-н-гексилме?аи, энантиомерия 86
Этилпропионат 629, 644, 887, 888, 891
Этилтолуолы 358, 393, 512
Этилтриметилацетат 563, 642
Этилфенилацетат 629, 888
Этил-а-фенилбензоилацетат 888
Этил-у-фенилбутират 575
Этилфенилкетон 837
Этилфенилмалоиат 888
Этилформиат 629, 650, 888
Этилформилацетат 888
Этилфумарат 1028
Этил хлористый (этилхлорид, хлорэтан) 117, 405—407, 428, 443, 692
Этилцианацетат см. Циануксусный эфир
Этил-Р-цианбутират 919
Этилциклогексан 386, 809
Этилциннамат 915, 922
Этильный свободный радикал 49, 380
2-Этоксиоктан 538
Этоксиуксусная кислота 578
2-Этоксиэтанол 533, 843
Эфиры карбоновых кислот 628, 629, 639— 651
аммонолиз 641, 647
анализ 401, 410, 657
восстановление 642, 650—651
гидрогенолиз 651
гидролиз 641, 642—647
конденсация Клайзена 827, 886—887
нуклеофильное замещение 633, 639
расщепление 643 и сл., 680
реакции 640—651
синтез 447, 563, 574—575, 637, 639—640
орто-Эффект 573, 712
(+)-Яблочная кислота 901, 905
(—)-Яблочная кислота 225, 901
Ядерного магнитного резонанса (ЯМР) спектроскопия 404—433
амидов 658, 725
аминов 658, 725
влияние температуры 430, 431, 432
вращение вокруг простой связи 427—430
двойного резонанса метод 426 дейтериевая метка 422 и сл., 427 карбоновых кислот 580, 658 кетокислот 898, 899
константы взаимодействия 417, 423— 425, 432 и сл.
и конформационный анализ 428—433 магнитный момент 404
молекулярные изменения 427—430 моносахаридов 963—964
Ядерного магнитного резонанса спектроскопия многоядерных ароматических соединений 1012
площадь пика и число протонов 413
протоны 404 и сл., 407, 408, 410—412, 420, 426, 428—430
сигналы 405—411, 415—423
сложных эфиров 659
спектрометры 395, 428
спин-спиновое взаимодействие 415—423 спиртов 522
Ядерного магнитного резонанса спектроскопия и структура 405, 431 и сл., 436 сульфокислот 681 углеводородов 436 фенолов 772 фтора 422 и сл., 431 химические сдвиги 408—412
Янтарная кислота 860, 861, 862 , 865, 870 Янтарный ангидрид 861, 867, 870, 1001.
1007,1008
Содержание
Предисловие 5
Предисловие авторов 7
Строение и свойства 9
Органическая химия 9
Теория строения 10
Представление о химической связи до 1926 г Ц
Квантовая механика 12
Атомные орбитали 12
Электронная конфигурация. Принцип запрета Паули 14
Молекулярные орбитали 15
Ковалентная связь 16
Ковалентная связь: угол связи. Гибридные орбитали 18
Неподеленные пары электронов 21
Внутримолекулярные силы 23
Полярность связей 24
Полярность молекул 25
Строение и физические свойства 27
Температура плавления 28
Межмолекулярные силы 29
Температура кипения 30
Растворимость 31
Кислоты и основания 32
Изомерия 36
Задачи 37
О задачах для проверки 38
Метан
ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ. ПЕРЕХОДНОЕ СОСТОЯНИЕ 39
Углеводороды 39
Строение метана 39
Физические свойства 40
Источники 41
Реакции 41
Окисление. Теплота сгорания 42
Хлорирование: реакция замещения 42
Контроль за реакцией хлорирования 43
Реакции с другими галогенами: галогенирование 44
Относительная реакционная способность 44
Механизм реакции 45
Механизм хлорирования. Свободныерадикалы 45
Цепные реакции 48
Ингибиторы 48
Проверка механизма хлорирования 49
50 515253 5658 596164 66 6768696950 515253 5658 596164 66 6768696970717071Энергия диссоциации связей
50 51
52
53 56
58 59
61
64 66 67
68
69
69
50 51
52
53 56
58 59
61
64 66 67
68
69
69
70
71
70
71
Теплота реакции
Энергия активации
Течение реакции: изменение энергии
Скорость реакции
Относительные скорости реакции
Реакционная способность галогенов по отношению к метану . . . .
Строение метильного радикала. 5р2-Гибридизация
Переходное состояние
Реакционная способность и переходное состояние
Молекулярная формула: ее фундаментальное значение
Качественный элементный анализ: углерод, водород и галоген . . .
Количественный элементный анализ: углерод, водород и галоген . .
Эмпирическая формула
Определение молекулярного веса: метод определения плотности пара. Молекулярная формула Задачи
Стереохимия. I 73
Стереохимия и стереоизомерия 73
Число стереоизомеров и тетраэдрический атомуглерода 73
Оптическая активность. Плоскополяризованный свет 75
Поляриметр 76
Удельное вращение 77
Открытие энантиомерии 78
Энантиомерия и тетраэдрический атом углерода 78
Энантиомерия и оптическая активность 80
Предсказание энантиомерии. Диссимметрия 81
Асимметрический атом углерода 82
Энантиомеры 83
Рацемическая модификация 85
Оптическая активность: более подробное рассмотрение 86
Конфигурация 87
Обозначения конфигурации: R и S 87
Правила старшинства 88
Обозначения конфигурации соединений с несколькими асимметрическими атомами 91
Задачи 91
Алканы
9393СВОБОДНОРАДИКАЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ
93
93
Классификация органических соединений 93
Строение этана 93
Свободное вращение вокруг простой углерод-углеродной связи. Конформации. Торсионное напряжение 94
Пропан ‘и бутаны 96
Конформации н-бутана. Вандерваальсовоотталкивание 98
Конформационные изомеры 99
Конформационный анализ. Диполь-дипольные взаимодействия . . .101
Высшие алканы. Гомологический ряд 102
Номенклатура 103
Алкильные группы 104
Тривиальные названия 106
Номенклатура IUPAC 106
Типы углеродных и водородных атомов 107
Физические свойства 107
Промышленные источники 109
Получение в промышленности н в лаборатории 111
Методы синтеза 111
Реактив Гриньяра 113
Реакция Вюрца 114
Реакции 115
Галогенирование 117
Механизм галогенирования 119
Ориентация при галогенировании 120
Относительная реакционная способность алканов в реакциях галогенирования 122
Легкость отщепления атомов водорода. Энергияактивации 123
Устойчивость свободных радикалов 124
Легкость образования свободных радикалов 125
Переходное состояние при галогенировании 126
Направление реакции и реакционная способность 127
Реакционная способность и избирательность 127
Отсутствие перегруппировок свободных радикалов. Изотопные метки 128
Синтез и оптическая активность. Возникновение асимметрического атома углерода 130
Метилен (карбен). Внедрение 133
Горение 136
Пиролиз: крекинг . . . 137
Определение строения 138
Анализ алканов 139
Задачи . .140
Алкены. I. Строение и получение
ЭЛИМИНИРОВАНИЕ (ОТЩЕПЛЕНИЕ) . . - .. .I43
Ненасыщенные углеводороды .143
Строение этилена. Двойная утлерод-утлеродная связь 143
Гибридизация и размер орбиталей 145
Пропилен 146
Бутилены 146
Диастереомерия: геометрическая изомерия 148
Высшие алкены 150
Общие названия.. 150
Номенклатура IUPAC 150
Физические свойства 151
Промышленные источники 153
Методы синтеза 153
Дегидрогалогенирование алкилгалогенидов 155
Механизм дегидрогалогенирования 156
Направление реакции и реакционная способность при дегидрогалогенировании 157
Дегидратация спиртов 158
Теория карбониевых ионов 159
Механизм дегидратации спиртов 160
Устойчивость карбониевых ионов. Распределение заряда 162
Легкость образования карбониевых ионов 165
Перегруппировки карбониевых ионов 166
Направление реакции и реакционная способность при дегидратации 169
Задачи 170
Алкены. II. Реакции деойной углерод-углеродной связи
ЭЛЕКТРОФИЛЬНОЕ И СВОБОДНОРАДИКАЛЬНОЕ ПРИСОЕДИНЕНИЕ . . . - 172
Функциональная группа 172
Реакции двойной утлерод-утлеродной связи: присоединение . . . .172
Гидрирование.Теплота гидрирования 177
Теплота гидрирования и устойчивость алкенов 178
Присоединениегалогенов 179
Присоединениегалогеноводородов. ПравилоМарковникова... .180
Присоединениебромистого водорода. Влияниеперекисей....182
Присоединение серной кислоты 183
Присоединение воды. Гидратация 185
Электрофильное присоединение: механизм 185
Электрофильное присоединение: направление присоединения и реакционная способность 187
Электрофильное присоединение: перегруппировки 190
Механизм присоединения галогенов .191
Образование галогенгидринов 192
Присоединение алкенов. Димеризация 193
Присоединение алканов. Алкилирование 194
Свободнорадикальное присоединение. Механизм присоединения бромистого водорода, инициируемого перекисями 196
Другие реакции свободнорадикального присоединения 198
Гидроксилирование. Образование гликолей 199
Реакции замещения. Галогенирование. Аллильный водород . . . .200
Ориентация и реакционная способность при замещении 201
Озонолиз. Определение структуры методом расщепления 203
Диализ алкенов 204
Задачи 207
О синтезах 209
Стереохимия.II 211
Классификация стереоизомеров 211
Реакциистереоизомеров 212
Реакциидиссимметричныхмолекул. Разрыв связи 212
Реакции диссимметричных молекул. Относительные конфигурации 213
Оптическая чистота 215
Стереоизомеры: диастереомеры 216
Стереоизомеры: л^зо-формы 218
Реакции диссимметричных молекул. Образование второго асимметрического атома углерода 220
Реакции диссимметричных молекул. Механизм свободнорадикального хлорирования 223
Реакции диссимметричных молекул с оптически активными реагентами. Расщепление 224
Задачи 226
Алкины и диены 228
Введение 228
Алкины 228
Строение ацетилена. Тройная углерод-углеродная связь . . .228
Высшие алкины. Номенклатура 231
Физические свойства алкинов ..231
Промышленный источник ацетилена 231
Методы синтеза алкинов 233
Реакции алкинов . .234
Реакции присоединения алкинов 236
Восстановление алкинов в алкены. Стереоселективные реакции . .237
Кислотность алкинов. Очень слабые кислоты 237
Образование ацетиленидов тяжелых металлов 239
Реакция ацетиленидов натрия с алкилгалогенидами. Сравнение реакций замещения и элиминирование......240
Гидратация алкинов. Таутомерия . ... . 241
Диены 242
Строение и номенклатура диенов • 242
Методы синтеза и свойства диенов .. ..243
Устойчивость сопряженных диенов 244
Электрофильное присоединение к сопряженным диенам. 1,4-Присоединение 245
1,2- и 1,4-Присоединение. Скорость и равновесие 248
Свободнорадикальное присоединение к сопряженным диенам: направление присоединения 250
Свободнорадикальное присоединение к сопряженным диеиам: реакционная способность . .. . .251
Полимеризация ■ ■252
Свободнорадикальная полимеризация алкенов 252
Свободнорадикальная полимеризация диенов. Натуральный каучук и его заменители . . .254
Сополимеризация 255
Ионная полимеризация 256
Изопрен и изопреновоеправило . . . 259
Анализ алкинов и диенов 260
Задачи 261
9 Циклические алифатические углеводороды 264
Ациклические и циклические соединения 264
Номенклатура 264
Физические свойства 265
Промышленные источники 266
Методы синтеза 267
Реакции 268
Реакции соединений с малыми циклами. Циклопропан и циклобутан 268
Теория напряжения Байера 269
Теплоты сгорания и относительная стабильность циклоалканов . .270
Орбитальное описание углового иапряжеиия 272
Факторы, влияющие на устойчивость конформаций 273
12Конформации циклоалканов 275
Экваториальные и аксиальные связи в циклогексане 279
14. Стереоизомерия циклических соединений. Диастереомерия: цис- и транс-изомеры 281
Стереоизомерия циклических соединений. Энантиомерия 283
16. Стереоизомерия циклических соединений. Конформационный анализ 285
цис- и тринс-Лрнсоединение к циклическим алкенам 289
18. цис- и трснс-Присоединение к ациклическим алкенам. Стереоспецифические реакции 291
19. Присоединение метиленов 293
Замещенные метилены. а-Элиминирование 294
Анализ циклических алифатическихуглеводородов 295
Задачи 297
/0 Бензол
РЕЗОНАНС АРОМАТИЧНОСТЬРЕЗОНАНС АРОМАТИЧНОСТЬ301301
РЕЗОНАНС АРОМАТИЧНОСТЬ
РЕЗОНАНС АРОМАТИЧНОСТЬ
301
301
10-1. Алифатические и ароматические соединения 301
2. Структура бензола 301
Молекулярная формула. Число изомеров. Структура Кекуле . . .302
Стабильность бензольного кольца. Реакции бензола 304
Устойчивость бензольного кольца. Теплоты гидрирования и сгорания 305
Длины углерод-углеродных связей в бензоле 307
Теория резонанса 307
Резонансная структура бензола 308
Длины связей в бензоле 309
Число изомеров 309
Стабильность бензола 309
Орбитальное представление структуры бензола 310
Изображение бензольного кольца 312
Ароматические свойства (4л + 2)-Правило Хюккеля 318
Применение теории резонанса 317
Резонанс в сопряженных диенах 318
Резонанс в алкенах. Гиперконъюгация 320
Стабильность диенов и алкенов: альтернативная интерпретация . .321
Номенклатура производных бензола 322
Метод Кернера определения абсолютной ориентации 323
Качественный элементарный анализ: азот и сера 325
Количественный элементный анализ: азот и сера: . .: 326
Определение молекулярного веса: понижение температуры замерзания. Метод Раста 327
Задачи 328
/ /Электрофильное замещение в ароматическом ряду 336
Введение 330
Влияние заместителей• 331
Определение ориентации 332
Определение относительнойреакционной способности 333
Классификация 'заместителей 334
Ориентация в дизамещенныхбензолах 335
Ориентация и синтез 336
Г 1*
Механизмнитрования 338
Механизмсульфирования 340
Механизмгалогенирования 340
Механизмалкилированияпо Фриделю — Крафтсу 341
Механизм электрофильного замещения в ароматическом ряду: общие положения 342
Изотопный эффект 343
Механизм электрофильного замещения в ароматическом ряду: Две стадии 344
Реакционная способность и ориентация 347
Теория реакционной способности 348
Теория ориентации 349
Подача электронов за счет эффекта резонанса 352
Связь с другими реакциями карбониевыхионов 354
Задачи 355
Арены . . . . •• • ■357
Жирноароматические углеводороды ..357
Строение и номенклатура 358
Физические свойства 359
Промышленные источники алкилбензолов 360
Методы синтеза алкилбензолов- 361
Алкилирование по Фриделю —• Крафтсу 363
Механизм алкилирования по Фриделю —Крафтсу 364
Ограничения для реакции алкилированияпоФриделю — Крафтсу 366
Реакции алкилбензолов 368
Гидрирование алкилбензолов 369
Окисление алкилбензолов 369
Нитрование алкилбензолов'.371
Сульфирование алкилбензолов . .371
Алкилирование алкилбензолов по Фриделю—Крафтсу 371
Галогенирование алкилбензолов в кольцо и в боковую цепь . . . .372
Бромирование алкилбензолов в боковую цепь: ориентация и реакционная способность 373
Хлорирование алкилбензолов в боковую цепь: ориентация и реакционная способность. Полярные факторы при свободнорадикальных реакциях 375
Резонансная стабилизация свободного аллильного радикала . . .377
Резонансная стабилизация свободного бензильного радикала . . .378
Резонансная стабилизация свободных алкильных радикалов. Гиперконъюгация 379
Трифенилметил: устойчивыйсвободныйрадикал 381
Получение алкенилбензолов.Сопряжение с кольцом 385
Реакции алкенилбензолов 386
Присоединение к сопряженным алкенилбензолам: ориентация. Устойчивость бензильного карбониевогоиона 387
Присоединение к сопряженным алкенилбензолам: реакционная способность 388
Полимеризация стирола 389
Алкинилбензолы; 389
Анализалкилбензолов 390
Анализалкенил- и алкинилбензолов 391
Задачи 391
Спектроскопия и строение органических соединений • ■■ •395
Установление строения: спектральные методы 395
Масс-спектры 396
Электромагнитный спектр 399
Инфракрасный спектр 399
Ультрафиолетовый спектр 402
Спектр ядерного магнитного резонанса (ЯМР) 404
ЯМР. Число сигналов. Эквивалентные и неэквивалентные протоны 405
ЯМР. Положение сигналов. Химический сдвиг 408
ЯМР. Площадь пика и определение числа протонов 413
ЯМР. Расщепление сигналов. Спин-спиновое взаимодействие . . .415
ЯМР. Константы взаимодействия 423
ЯМР. Сложные спектры. Дейтериевая метка 425
Магнитная эквивалентность протонов: более подробное рассмотрение 427
ЯМР и конформационный анализ . .. . 431
Спектр электронного парамагнитногорезонанса (ЭПР) 433
Спектральный анализ углеводородов 434
Спектральный анализ углеводородов. Инфракрасные спектры . . .434
Спектральный анализ углеводородов.ЯМР-спектры 436
Об анализе спектров 436
Задачи . . . .. . 436
Алкилгалогениды
НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ В АЛИФАТИЧЕСКОМ РЯДУ■ 442
Строение 442
Номенклатура .... 442
Физические свойства . . .. .. . . .443
Промышленные источники.. 443
Методы синтеза . 444
Реакции 446
Скорость реакции: влияниеконцентрации. Кинетика 448
Кинетика реакции нуклеофильного замещения в алифатическом ряду. Реакции первого и второго порядка .: 449
5ы2-Реакция: механизм и кинетика 450
5ы2-Реакция: стереохимия . . .451
5ы2-Реакция:реакционная способность 452
SnI-Реакция:механизм и кинетика. Стадия, определяющая скорость 454
СтереохимияБ^Ьреакций 456
5мГРеакция:реакционная способность 458
5ы1-Реакция:перегруппировки 459
Сравнение 5^1- и §1у2-реакций ..460
Элиминирование (отщепление): Е2 и Е1. . ..462
Доказательства Е 1-механизма . . . 463
Доказательства Е2-механизма . . . 464
Сравнение реакций элиминирования и замещения . .. .469
Апротонные растворители .. .470
Анализ алкилгалогенидов 471
Спектральный анализ алкилгалогенидов 472
Задачи 472
Спирты. I. Получение и физические свойства.. .476
Строение спиртов .476
Классификация ....... . .. . .476
Номенклатура 477
Физические свойства ..478
Водородная связь. Ассоциация . .. .479
Промышленные источники . . .. .. .482
Этиловый спирт 485
95%-ный спирт: азеотропная смесь ... .485
Абсолютный спирт 486
Методы синтеза ..48 >
Гидроборирование — окисление 489
Направление присоединения в реакции гидроборирования490
Механизм реакции гидроборирования 491
Синтез спиртов с помощью реактивов Гриньяра .. . .493
Продукты синтезов Гриньяра..494
Планирование синтезов Гриньяра 495
Ограничения синтеза Гриньяра 496
Стероиды .497
Задачи"."498
Спирты. II. Реакции 500
Химия ОН-группы 500
Реакции 500
Дегидратация 503
Реакции с галогеиоводородами 504
Реакция с галогеиоводородами:механизм 506
Спирты как кислоты 507
Окисление спиртов 509
Уравнивание окислительно-восстановительных реакций 510
Методы синтеза 513
Синтезы с использованием спиртов 516
Анализ спиртов. Характерные реакции. Проба Лукаса. Йодоформная реакция 518
Спектральный анализ 521
Задачи 522
Простые эфиры 533
Строение и номенклатура 533
Физические свойства 533
Промышленные источники. Ды идратация спиртов 534
Перекиси в эфирах 535
Абсолютный эфир 533
Опасности при работе с этиловым эфиром 536
Синтез Вильямсона 536
Получение замещенных эфиров 538
Реакции простых эфиров. Расщепление кислотами 540
Электрофильное замещение в ароматическихэфирах 542
Циклические эфиры 542
Анализ простых эфиров 543
Спектральный анализ простых эфиров 544
Задачи 545
Карбоновые кислоты 551
Структура551
Номенклатура . . . ... ........551
Физические свойства . . 554
Солн карбоновых кислот 555
Промышленные источники 556
Методы синтеза 558
Синтез Гриньяра 560
Нитрильный синтез 561
Реакции 562
Ионизация карбоновых кислот. Константа кислотности 566
Равновесие 567
Кислотность карбоновых кислот 569
Структура карбоксилат-ионов . 570
Влияние заместителей на кислотность. 571
Превращение в хлорангидриды кислот. . . . 573
Превращение в сложные эфиры 574
Превращение в амиды 576
Восстановление кислот в спирты 576
Галогенирование алифатических кислот. Реакция Геля — Фольгарда ~ Зелинского 577
Диализ карбоновых кислот. Эквивалент нейтрализации 578
Спектральный анализ карбоновых кислот 579
Задачи 581
Альдегиды и кетоны. I.
НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ПРИСОЕДИНЕНИЕ 587
Структура 587
2. Номенклатура 588
Физические свойства .. .589
Промышленные источники получения.. .589
Методы синтеза 592
Синтез альдегидов окислением 596
Синтез кетонов ацилированием по Фриделю —Крафтсу 596
Синтез кетонов с использованием кадмийорганических соединений 598
Реакции. Нуклеофильное присоединение 599
Окисление 605
Восстановление 606
Присоединениереактивов Гриньяра 607
Восстановлениегидридами металлов 608
Присоединениецианид-иона 608
Присоединениебисульфита 609
Присоединениепроизводных аммиака 610
Присоединение спиртов. Образование ацеталей 612
Реакция Канниццаро 614
Анализ альдегидов и кетонов 616
Спектроскопический анализ альдегидов и кетоиов 617
Задачи 619
20 Функциональные производные карбоновых кислот НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ В АЦИЛЬНОЙ ГРУППЕ . • -..628
Структураi 628
Номенклатура 628
Физические свойства 629
Нуклеофильное замещение в ацильной группе. Роль карбонильной группы 630
Нуклеофильное замещение: сравнение алкильнойиацильной групп 633
Хлорангидриды 634
Получение хлорангидридов 634
Реакции хлорангидридов 634
Превращение хлорангидридов в производныекислот 635
Ангидридыкислот 636
Методы синтеза уксусного ангидрида 636
Реакции ангидридов кислот 637
Амиды 638
Методы синтеза амидов ..638
Реакцииамидов 638
Гидролизамидов 639
Сложные эфиры 639
Методы синтеза сложных эфиров .. .639
Реакции сложных эфиров 640
Щелочной гидролиз сложных эфиров . . .642
Кислотный гидролиз сложных эфиров 646
Аммонолиз сложных эфиров 647
Переэтерификация 647
Реакции сложных эфиров с реактииом Гриньяра .649
Восстановление сложных эфиров ..650
Жиры 651
Нахождение жиров в природе н их состав 651
Гидролиз жиров. Омыление. Мыло 653
Жиры как источники чистых кислот и спиртов 654
Детергенты 654
Непредельные жиры. Отвердение жиров. Высыхающие масла . . .655
Анализ производных карбоновых кислот. Эквивалент омыления . . .656
Спектральный анализ производных карбоновых кислот657
Задачи . . . 659
21 Сульфокислоты и их производные ■.. .667
Структура и номенклатура сульфокислот 667
Физические свойства сульфокислот 667
Методы синтеза сульфокислот 668
Реакции сульфокислот 669
Десульфирование . 670
Сульфохлориды 672
Амиды сульфокислот 673
Эфиры сульфокислот•674
Стереохимическое обращение 675
Сравнение производных сульфокислот с производными карбоновых кислот 679
Анализ сульфокислот 681
Спектральный анализ сульфокислот 681
Задачи 681
22 Амини. I. Получение и физические свойства.684
Структура 684
Классификация 684
Номенклатура 684
Физические свойства аминов 685
Соли аминов . . 687
Стереохимия азота 688
Промышленные источники 691
Методы синтеза 691
Восстановление ннтросоединений. .. . 695
Аммонолиз галогенпроизводных 696
Восстановительное аминирование 698
Методы синтеза вторичных и третичных аминов 700
Расщепление амидов по Гофману 700
Стереохимия 1,2-сдвигов. Мигрирующая группа 701
Миграция арильных групп . . . 703
Задачи ...702
23 Амины. П. Реакции705
Реакции 705
Основность аминов.Константа основности 708
Структура и основность 709
Влияние заместителей на основность ароматических аминов . . . .711
Соли четвертичного аммония. Исчерпывающее метилирование. Элиминирование по Гофману". .712
Превращение аминов в замещенные амиды 715
Замещение в кольцо ароматических аминов . .717
Галогенирование ароматических аминов 718
Нитрование ароматических аминов 718
Сульфирование ароматических аминов. Диполярныеионы..719
Сульфамиды. Сульфамидные препараты 720
Реакция аминов с азотистой кислотой721
Анализ аминоц. Проба Кинсберга . . . 723
Анализ замещенных амидов 724
Спектральный анализ аминов и замещенныхамидов....724
Задачи .726
24 Соли диазония 735
Строение и номенклатура .. . .. . .735
Физические свойства 735
Методы синтеза ...735
Реакции 736
Замещение на галоген. Реакция Зандмейера . . . .738
Замещение на CN. Синтез карбоновых кислот . .739
Замещение на ОН. Синтезфенолов 739
Замещение на Н 740
Синтезы с использованием солей диазония 740
Реакция сочетания. Синтезазосоединений .742
Азосоединения .744
Гидразосоединения. Бензидиновая перегруппировка 746
Задачи 748
25 Фенолы 750
1.Структура и номенклатура 750
Физические свойства 750
Соли фенолов 753
Промышленные источники 754
Феиол из гидроперекиси кумола. Миграция к электронодефицитному атому кислорода 754
Методы синтеза 756
Реакции 757
Кислотность 761
Влияние заместителей на кислотность 763
Образование простых эфиров. Синтез Вильямсона 763
Образование сложных эфиров. Перегруппировка Фриса . . . .764
Замещение в кольцо 765
Нитрование 766
Сульфирование 766
Галогенирование 767
Алкилирование и ацилирование по Фриделю— Крафтсу 767
Нитрозирование 768
Сочетание с солями диазония 768
Реакция Кольбе. Синтез фенол карбоновых кислот 768
Реакция Реймера — Тимана. Синтез ароматических альдегидов, содержащих ОН-группу. Дихлорметилен 769
Реакция с формальдегидом. Фенолформальдегидные смолы . . . .770
Анализ 771
Спектральный анализ фенолов ..771
Задачи 772
26 Арилгалогениды
НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ В АРОМАТИЧЕСКОМ РЯДУ781
Структура 781
Номенклатура 782
Физические свойства 782
Промышленные источники . . 783
Методы синтеза . . 783
Реакции 784
Низкая реакционная способностьарил- и винилгалогенидов . , . .786
Структура арил- и винилгалогенидов 787
Влияние галогена на реакцию электрофильного замещения в ароматическом рядуэ .789
Нуклеофильное замещение в ароматическом ряду: бимолекулярный механизм 792
Бимолекулярный механизм нуклеофильного замещения в ароматическом ряду 794
Реакционная способность при нуклеофильном замещении в ароматическом ряду 796
Ориентация при нуклеофильном замещении в ароматическом ряду 797
Оттягивание электронов за счет резонансного эффекта 798
Данные в пользу наличия двух стадий в бимолекулярном замещении 799
Нуклеофильное замещение в алифатическом и ароматическом рядах 800
Механизм элиминирования — присоединения при нуклеофильном замещении в ароматическом ряду. Дсгидробензол 801
Анализ арилгалогенидов .806
Задачи . ..806
27 Альдегиды и кетоны. II. Карбанионы ■810
Кислотность ct-водородных атомов 810
Реакции с участием карбанионов 811
Галогенирование кетонов, промотируемое основаниями814
Стереохимия карбанионов 817
Галогенирование кетонов, катализируемое кислотами.Енолизация819
Альдольная конденсация. Присоединение альдегидов икетонов..820
Дегидратация продуктов альдольной конденсации 822
Применение альдольной конденсации в синтезе . . 823
Перекрестная альдольная конденсация 824
Конденсация Перкина. Присоединение ангидридов. .825
Реакции, родственные альдольной конденсации826
Реакция Виттига '827
Задачи . . . " 828
ИЗОИЗОСодержание
ИЗО
ИЗО
28 Гликоли и эпокиси 831
Полифуикциональиые соединения 831
Гликоли .831
Структура и номенклатура гликолей 831
Физические свойства гликолей 831
Методы синтеза гликолей 832
Реакции гликолей 834
Окисление гликолей иодной кислотой 835
Пинаколиновая перегруппировка 836
Стереохимия 1,2-сдвигов: центр, к которому осуществляется миграция 838
Стереохимия 1,2-сдвигов: конформационные эффекты 839
Эпокиси 841
Методы синтеза эпокнсей 841
Реакции эпокисей 842
Раскрытие кольца эпокисей, катализируемое кислотами 844
Раскрытие кольца эпокисей, катализируемое основаниями . . . .844
Реакция окиси этилена с реактивом Гриньяра 845
Направление раскрытия кольца эпокисей 846
Стереохимия образования гликолей. Циклические соединения . . .847
Стереохимия образования гликолей. Ациклические соединения . .850
Стереохимия присоединения галогена 852
Задачи 854
29 Ликарбоновые кислоты 866
Номенклатура 860
Физические свойства 860
Источники получения 861
Реакции 863
Поликонденсация 864
Влияние нагревания 865
Реакции циклических ангидридов ..867
Имиды. Синтез чистых первичных аминов по Габриэлю869
Синтез карбоновых кислот при помощи малонового эфира 871
Угольная кислота и родственные соединения 874
Функциональные производные угольной кислоты 874
Фосген 875
Мочевина. Барбитураты 876
Цианамид 878
Изоцианаты'879
Задачи 880
30 Кетокислоты ■■ ■ ■885
Структура и свойства 885
Получение Р-кетоэфиров. Конденсация Клайзена 886
Перекрестная конденсация Клайзена 888
Синтез кетонов при помощи ацетоуксусного эфира 889
Декарбоксилирование кетокислот 891
Синтез кислот при помощи ацетдуксусного эфира 892
Кето-енольная таутомерия и ацетоуксусный эфир 893
Состав кето-енольных смесей .894
Кислоты и основанияикето-енольная таутомерия 896
Задачи 897
31 Оксикислоты. 903
Методысинтеза 900
МетодысинтезаР-оксикислот.Реакция Реформатского 901
Дегидратация. Образование лактона 903
Стереохимия оксикислот 904
Оптические ряды. Глицериновый альдегид 905
Винная кислота. Относительные конфигурации 907
Задачи 910
32 а,^-Непредельные карбонильные соединения 914
Структура и свойства 914
Номенклатура 915
Методы синтеза 916
Взаимодействие функциональных групп 916
Электрофильное присоединение 917
Нуклеофильное присоединение 919
Сравнение реакций нуклеофильного и электрофильного присоединения 921
Присбедннекие по Михаэлю 921
Реакция Днльса — Альдера 924
Хиноны . .926
Задачи 926
33 Углеводы. I. Моносахариды 931
Введение . . 931
Определение и классификация 932
(4-)-Глюкоза: альдогексоза 932
(—)-Фруктоза: 2-кетогексоза 933
Стереоизомеры (-Ь)-глюкозы. Номенклатура производных альдоз 934
Окисление. Действие щелочей ... 936
Образование озазона. Эпимеры 938
Увеличение длины углеродной цепи альдоз. Синтез Килиане — Фишера 939
Уменьшение длины цепи альдоз. Расщепление по Руффу 940
Превращение альдозы в ее эпимер .. .941
II. Конфигурация (4-)-глюкозы. Доказательство Фишера 941
Конфигурация альдоз 946
Семейство альдоз. Абсолютная конфигурация 947
Циклическая структура с-(+)-глюкозы.Образование глюкозидов 949
Конфигурация при С-1 953
Метилирование 955
Определение размера цикла 956
Конформация 959
Задачи 960
34 Углеводы. II. Дисахариды и полисахариды- 965
Дисахариды 965
(Н-)-Мальтоза 965
(-(-)-Целлобиоза 968
(Ц-)-Лактоза 970
(+)-Сахароза 970
Полисахариды 972
Крахмал 972
Структура амилозы. Определениеконцевыхгрупп 973
Структура амилопектина 976
Структура целлюлозы 978
Реакции целлюлозы 979
Нитрат целлюлозы 979
Ацетат целлюлозы 979
Искусственный шелк. Целлофан 980
Простые эфиры целлюлозы 980
Задачи 980
35 Многоядерные ароматические соединения 983
Конденсированные ароматическиесоединення 983
Нафталин 984
Номенклатура производных нафталина 984
Структура нафталина 985
Реакции нафталина 986
Окисление нафталина 988
Восстановление нафталина 989
Дегидрирование гндроароматических соединений. Ароматизация .990
Нитрование и галогенирование нафталина 992"
Ориентация электрофильного замещения в нафталине 993
Ацилирование нафталина по Фриделю—Крафтсу 994
Сульфирование нафталина 995
Нафтолы 996
Ориентация в реакциях электрофильного замещения производных нафталина 997
Синтез производных нафталина циклизацией. Синтез Хеуорса . . . 1030
Антрацен и фенантрен1032
Номенклатура производных антрацена и фенантрена1002
Структура антрацена и фенантрена1003
Реакция антрацена и фенантрена1003
Получение антрацена циклизацией. Антрахиноны1036
Получение производных фенантрена циклизацией1007
Канцерогенные углеводороды1010
Задачи 1010
36 Гетероциклическис соединения -■1014
Гетероциклические системы1014
Пятичленные циклы 1015
Структуры пиррола, фурана и тиофена1015
Источники получения пиррола, фурана и тиофена1018
Электрофильное замещение в пирроле, фуране н тиофене. Реакционная способность н ориентация1019
Насыщенные пятичленные гетероциклы1021
Шестичленные циклы1023
Структура пиридина1023
Источники получения пиридиновых соединений1024
Реакции пиридина1024
Электрофильное замещевие в пиридине1024
Нуклеофильное замещение в пиридине1026
Основность пиридина 1027
Восстановление пиридина1029
Конденсированные кольца1030
Хинолин.СинтезСкраупа1030
Изохннолин. СинтезБишлера — Напиральского1032
Задачи 1033
37 Аминокислотыи белки1037
Введение ... 1037
Структура аминокислот 1037
Аминокислоты как диполярные ионы1040
Изоэлектрическая точка аминокислот1042
Конфигурация природных аминокислот 1043
Синтез аминокислот 1043
Реакции аминокислот1045
Пептиды. Геометрия пептидной связи1046
Определение структуры пептидов. Определение концевых групп. Частичный гидролиз1047
Синтез пептидов1050
Белкн. Классификация и функция. Денатурация1052
Структура белков 1053
Пептидная цепь 1054
Боковые цепи. Изоэлектрическая точка.Электрофорез . . . .1054
Сложные белкн. Простетические группы1055
Вторичная структура белков 1056
Нуклеопротеиды и нуклеиновые кислоты1062
Хнмня и наследственность. Генетический код№64
Задачи1065
Список литературы для углубленного изучения1069
Ответы на задачи 1077
№93№93Предметный указатель .
№93
№93
Р. Моррисов, Р. Бойд
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Редактор Г. Шкляева
Художник В. Акопов
Художественный редактор Н. БлиновТехнический редактор И. Дерва
Задача 36.8. В старом методе получения адипиновой кислоты и гексаметилендиамина,
необходимых для производства найлона 66 (разд. 29.5), исходным веществом служил те- трагидрофуран. Используя только известные вам химические реакции, предположите воз
Задача 36.9. Какие соединения образуются при взаимодействии пирролидина со следующими реагентами:
а) води НС1,г) беизолсульфохлоридом 4* води.
б) води. NaOH.NaOH,
в) уксусным ангидридом,д) метилиодидом, а затем водн. NaOH,
е) повторная обработка метилиодидом, далее Ag,O и сильное нагревание.
Задача 36.10. Алкалоид гигрин встречается в растении кока. Какова его структура на
основании следующих данных?
Р. Моррисон
Р. Бойд
тгглияр- 1«но в БТИ
Organic Chemistry
Second Edition
ROBERT THORNTON MORRISONand
ROBERT NEILSON BOYD
Professors of ChemistryNew York University
Allyn and Bacon, Inc.
Boston
1970
ВМоррисон ВБойд
Перевод с английского канд. хим. наук В. М. ДЕМЬЯНОВИЧ и доктора хим. наук В. А. СМИТА
Под редакцией профессора
И. К. КОРОБИЦЫНОЙ
Издательство «МИР»
Москва 1974
Органическая хг&ыия
ДК 547.1
Книга представляет собой современный курс органической химии. Авторы избрали классический путь построения учебника по органической химии, расположив весь материал по классам органических соединений. В то же время им удалось избежать обычного недостатка традиционных курсов по органической химии — перенасыщения частными фактическими сведениями в ущерб рассмотрению общих вопросов теории. При обсуждении материала авторы постоянно привлекают данные современных физико- химических методов.
Учебник предназначен для студентов, аспирантов и преподавателей химических вузов. Современный уровень подачи материала и большой объем фактических данных делает книгу интересной для всех химиков-органиков.
20504-098М 041(01)-74 98—7420504-098М 041(01)-74 98—74Редакция литературы по химии
20504-098
М 041(01)-74 98—74
20504-098
М 041(01)-74 98—74
© Перевод иа русский язык, «Мир», 1974