ЛЕКЦИЯ №1 Любая химическая реакция сопровождается разрывом старых и образованием

ЛЕКЦИЯ №1
Теоретические основы органической химии
Любая химическая реакция сопровождается разрывом старых и образованием
новых связей. Поэтому основным для понимания химического процесса является
знание характеристики химических связей. Молекулы органических соединений
построены в основном из атомов, связанных друг с другом ковалентными
связями, образующимися в результате обобществления двух электронов
связанных друг с другом атомов. Ковалентная связь не диссоциирует, она
является жесткой и если для ионной связи, например, невозможно отличить
растворы эквимолекулярных количеств NaCl и KBr и NaBr и KCl. Ионы
существуют независимо друг от друга, и нейтрализация заряда является чисто
статической, то для ковалентно связанных молекул эквимолекулярные связи
CH3CH2CH2Cl и CH3CH2CH2Br и CH3Cl и будут иметь различные характеристики.
-связи. Жесткость ковалентной связи влечет за собой различия в свойствах
двух молекул, имеющих одинаковую брутто формулу, но различный порядок
связи:
CH3CH2CH2Cl
CH3 CH CH3
0
ò.êè ï . 46 Ñ
Cl
ò.êè ï . 36,50 Ñ
Ковалентную связь отличает насыщаемость и направленность в
пространстве.
Ионные связи в индивидуальных органических соединениях встречаются
редко, причем атом углерода в них может быть как положительно, так и
отрицательно заряженным (органические катионы и анионы).
Примеры:
[(CH3)2NC6H4]3C+Cl- ;
(O2NC6H4)3C-Na+
В растворе многие органические соединения благодаря взаимодействию с
растворителем могут образовывать ионы, например:
R
R
R
C(CN)2
R
NO2
CN
ð-ð
R
R
+ O2N
C
CN
В органических молекулах могут реализоваться донорно-акцепторные
(семиполярные) связи – результат сочетания ковалентной и ионной связи. Они
обладают жесткостью присущей ковалентной связи, но образующие ее атомы
несут электрический заряд, как в случае ионных связей.
Примеры:
1
R
R
N
Ê
O
R
N_î êè ñè
òðåò. àì è í î â
öè êëï åí òàäè åí è ëè é
àí è î í
Образование ковалентной связи
Менее стабильные связи, комплексные соединения, образуются за счет
перераспределения электронной плотности. В зависимости от участия в их
образовании электронных пар или -связей различают n- и -комплексы.
Например, n-комплекс образуется при переходе электронной пары от атома
азота в амине, например к металлу или при образовании оксониевых солей:
CH3
CH3 N
CH3
+
CH3
CH3 N
CH3
+
Ag
Ag
(C2H5)2O
+
BF3
C2H5O BF3
-комплексы образуются при взаимодействии ненасыщенных фрагментов с
электрофилами или диенов с диенофилами.
Водородные связи. Она образуется за счет взаимодействия очень кислого
протона, связанного с гетероатомами с донором электронов, например,
гетероатомом другой молекулы.
O H O
R C
O
C
R
è ëè
R
O R
H H
O H O
Водородная связь может возникать и между атомами в одной молекуле, что
приводит к хелатообразованию:
O H
ÑH3
C
O
H
O
ñàëè öè ëî âàÿ
êè ñëî òà
H
è ëè
C
Ñ
O
N
O
C
H
H3C
O
àöåòè ëàöåòî í
O
è ëè
î -í è òðî ôåí î ë
Для описания химической ковалентной связи предложено несколько теорий.
Одна из них – это теория Льюиса, называемая правилом октета: «При
образовании молекул из атомов второго периода происходит заполнение внешней
электронной оболочки с образованием устойчивой восьмиэлектронной системы».
С помощью этой теории хорошо описываются -связи между элементами второго
периода, так как у них 1s электроны значительно отличаются по энергии от 2s и
2p электронов и в образовании с-связей не участвуют. В большинстве случаев
2
теория октета хорошо описывает строение органических соединений, хотя она не
учитывает волновые свойства электрона и согласно этой теории пара электронов
локализуется в поле двух ядер.
С развитием взглядов о теории строения атомов и открытием волновой
природы электрона возникает новая теория – теория валентной связи, согласно
которой при образовании ковалентной связи происходит увеличение электронной
плотности в межъядерном пространстве, за счет этого ядра жестко удерживаются
в молекуле.
Теория резонанса. В том случае, когда молекула проявляет особые свойства,
которые не описываются одной какой-либо структурой, а только набором
предельных структур говорят о резонансном гибриде, а предельные формы
называются резонансными структурами:
Условия резонанса.
Резонанс возникает в том случае, когда имеется возможность взаимодействия
-электронов и неподеленных пар гетероатомами или свободных орбиталей или
делокализации отрицательного заряда с участием -системы. Расположение
атомов не изменяется, изменяется только распределение электронной плотности.
Резонанс имеет тем большее значение, чем более близкие по энергии
предельные структуры.
Химические следствия резонанса.
1. Системы, способные к резонансу, обладают более низкими энергиями.
Например:
Двойные связи бензола проявляют меньшие сродство к электрофильным
реагентам:
(
C C
)
í åò ðåçî í àí àí û õ ñòðóêòóð
Карбонильная группа сложных эфиров менее реакционноспособна по
отношению к нуклеофилам, чем карбонильная группа кетонов:
R
O
R C R
í åò ðåçî í àí ñí û õ
ñòðóêòóð
R C O
O
R
R C O
R
Винильные галогенпроизводные менее реакционноспособны. Чем винильные
и арилгалоганиды:
3
C C Hal
C C Hal
C C Hal
í åò ðåçî í àí ñí û õ
ñòðóêòóð
Hal
Hal
Hal
2. Повышение реакционной способности.
Если отщепление приводит к структуре, способной к резонансу, то такое
отщепление облегчено за счет понижения энергии образующегося гибрида
резонансных структур.
C C CH2Hal
Hal
+
CH2
Hal +
CH2Hal
CH CH CH2
C CH CH2
CH2
CH2
CH2
Фенолы и енолы являются более кислыми спиртами из-за способности к
резонансу образующихся анионов
OH
Í
+
+
O
O
O
O
Водород в -положении к карбонильной группе является боле кислыми,
поскольку образующийся при этом анион способен существовать в виде
резонансных структур:
RCH2CHO
H+
+
RCH CHO
R CH CH O
-
Перенос центра реакционной способности. Реакции, проходящие через
образование резонансных структур могут приводить к разным продуктам,
участвующим в резонансе.
C CH CH2
OH
CH CH2
C CH CH2OH
+
C
OH
4
Физические следствия резонанса
Энергия резонанса. Энергия резонанса уменьшает теплоты сгорания, а для систем – теплоты гидрирования.
Природа ковалентной связи с позиций теории молекулярных орбиталей.
Согласно этой теории электроны в молекулах не принадлежат одному атому
или паре атомов; они принадлежат всей молекуле и находятся на молекулярных
орбиталях.
По способу формирования мо отдаленно напоминают делокализованные
ковалентные связи, образующиеся в условиях резонанса.
В аналитическом виде МО орбиталь является линейной комбинацией
атомных орбиталей (МО ЛКАО):
Q = c1x1 + c2x2 + … cnxn, где xi – функции атомных орбиталей;
сi – коэффициент, характеризующий вклад
данной орбитали в молекулярную орбиталь.
Расчет орбиталей осуществляется методами квантовой механики. Заполнение
молекулярных орбиталей подчиняется тем же правилам, что и заполнение
атомных орбиталей.
Методами квантовой механики рассчитано, что образующиеся из двух
атомных орбиталей две молекулярные орбитали не равнозначны по энергии. В
первом приближении расщепление орбиталей симметрично.



где  - резонансный интеграл.
При рассмотрении многоатомных молекул более строгим является подход, в
котором молекулярные орбитали строятся как линейная комбинация всех
атомных орбиталей. Согласно другому принимается во внимание взаимодействие
только тех атомных орбиталей, которые участвуют в образовании связи с
образованием локализованных молекулярных двухцентровых орбиталей. При
использовании второго подхода необходимо наиболее полное перекрывание
атомных орбиталей, это достигается при использовании гибридных (sp, sp2 или
sp3) орбиталей. Тип гибридизации зависит от строения молекулы и достаточно
хорошо описывает строение таких систем.
Для расчета -систем применяют метод Хюккеля (МОХ). При этом в расчет
берут только р-орбитали и в методе Хюккеля могут быть рассчитаны плоские
молекулы.
Строение органических соединений по методу МО.
Алканы. Простые связи (С−С) в первом приближении содержат одну
связывающую  и одну разрыхляющую * орбиталь. Ось симметрии – прямая.
соединяющая центры атомов.
5
+
+
+
_
+
+
орбиталь
_
_орбиталь
В алканах -связи в значительной степени локализованы.
Простейшим классом соединений, в которых связи в значительной степени
делокализованы являются 1,3-диены и сопряженные полиены.
В непредельных углеводородах, содержащих сопряженные С=С или СС –
связи -орбитали кратных связей могут возмущаться за счет бокового
перекрывания. В результате образуется делокализованная -система, орбитали
которой охватывают всю сопряженную систему и называются молекулярными орбиталями. Сопряженные системы могут быть линейными или циклическими.
Минимальные сопряженные системы сосотоят из трех р-орбиталей.
ÑH2 CH CH2
àëëè ëüí û é
êàòè î í

í åñâÿç. óðî âåí ü
ð

Такого типа молекулярные орбитали образуют любые аллельные системы, в
том числе алильный радикал СН2=СНСН2, аллильный анион СН2=СНСН,
циклопропенилий катион, циклопропенилий радикал, циклопропенилий анион.
Четырехатомной системе соответствуют
è
Согласно правилу Вудварда максимальное перекрывание обеспечивается
долями одного заряда.
6




Пентадиеновая система:
Гексатриеновая система:
Так как суммарная энергия электронов для сопряженных систем не
изменяется, то не изменяются и коллективные свойства молекул, т.е. зависящие
от общего электронного состояния молекул. Однако из-за делокализации ряд
параметров отклоняется от аддитивных значений. Это ясно видно при измерении
теплот гидрировании различных изомерных соединений.
254,1 êÄæ/ì î ëü
238,7 êÄæ/ì î ëü
126,6 êÄæ/ì î ëü
Теплота гридрировании бутадиена до бутана на 14,6-15,5 кДж/моль меньше,
чем для изолированных диенов или удвоенная теплота гидрировании алкенов
(исходя из принципа аддитивности). Это является следствием в бутадиене
дополнительно стабилизирующего эффекта.
Теория молекулярных орбиталей хорошо объясняет устойчивость
ароматических соединений и почему анулены с 4n + 2 электронами являются
ароматическими, а не отвечающие этому правилу – нет. Рассмотрим бензол
циклооктатетраен. Все углеродные атомы бензола находятся в sp2-гибридном
состоянии. Физическими методами было определено, что молекула бензола –
плоская, а рентгеноструктурный анализ показал, что диены всех С–С – связей
одинаковы.
7
Для описания молекулы бензола методом квантовой химии Хюккель
разделил все электроны, участвующие в образовании молекулярных орбиталей на
два типа: электроны, орбитали которых симметричны внутримолекулярной оси
(-электроны) и электроны, орбитали которых несимметричны относительно
внутримолекулярной межъядерной оси (-электроны). Не учитывая вклад 1s
электронов, не участвующих в образовании связи и не рассматривая электроны,
участвующие в образовании -связей, Хюккель сводит проблему ароматичности к
взаимодействию 6р-электронов находящихся на -орбиталях.
Шесть 2р орбиталей атомов углерода бензола позволяют построить шесть молекулярных орбиталей.
Å





Где  – в грубом приближении – это энергия 2р-атомной орбитали
 – энергия взаимодействия между двумя 2р-орбиталями.
Шесть -электронов бензола будут располагаться на трех связывающих
орбиталях. Энергия резонанса бензола составляет 2 (150,6 кДж/моль). Это
значение (расчетное) близко экспериментально найденной величине,
вычисленной из теплот гидрирования.
öèêëî ãåêñàòåòðàåí
361,6
153,1
208,4
öèêëî ãåêñåí
120,5
öèêëî ãåêñàí
Становиться понятным, почему циклооктатетраен, имея подобное строение
не проявляет свойств ароматичности, а ведет себя как обыкновенное насыщенное
соединение. У циклооктатетраена 8 -электронов, из них шесть лежат на
связывающих орбиталях, а два на несвязывающих. Причем согласно правилу
8
Гунда электроны на несвязывающих орбиталях располагаются изолированно и
имеют параллельные спины, таким образом, циклооктатетарен представляет
собой триплетный бирадикал, этим и объясняется его высокая реакционная
способность.
Å




Успех квантово-химических методов позволили ввести понятие
ароматичности – это аномально низкая энергия невозбужденного состояния,
вызванная делокалдизацией -электронов. А Хюккель сформулировал условия,
при которых это выполняется. Из метода молекулярных орбиталей становится
понятно, почему циклопропилий катион – ароматическая система, а анион и
радикал – нет.
Å



Графический метод определения ароматичности
Поскольку квантово-химические оценки ароматичности требуют проведения
достаточно сложных расчетов, был предложен сравнительно простой
графический метод оценки энергий молекулярных -орбиталей и ароматичности
аннуленов и их ионов. Суть этого метода, основанного на применении круга
Фроста, состоит в следующем.
1. Соединение рисуют в виде правильного многоугольника, число вершин
которого соответствует числу атомов в цикле.
2. Вписывают этот многоугольник одной из вершин вниз в окружность,
диаметр которой соответствует уровню энергии несвязывающих орбиталей.
3. каждое пересечение вершин этого многоугольника с кругом Форста дает
относительный уровень энергии одной или двух молекулярных орбиталей.
4. Полученные МО заполняются -электронами, имеющимися в молекуле
исследуемого соединения.
9
5. К ароматическим относятся те соединения, в которых имеющиеся в
молекуле -электроны полностью заселяют связывающие орбитали в
ароматических соединениях остаются свободными.
Правило Хюккеля и его толкование в рамках теории Мо успешно объясняет
ароматических гетероциклических соединений.

è
O
NH
Ï èðèäèí áî ëåå
óñòî é÷èâ



N

10
ЛЕКЦИЯ №2
Нецелочисленные кратные связи.
В том случае когда –система взаимодействует с неподеленной парой
гетероатома, например, в соединениях типа СН2=СНСl, СН2=СНOR,
CH2CHNR2 энергия несвязывающей орбитали, на которой находится
неподеленная пара электронов, существенно выше, чем энергия связывающих –
орбиталей. Происходит взаимодействие несвязывающей орбитали как с , так и с
* орбиталями двойной связи. В результате происходит уменьшение суммарной
энергии электронов по сравнению с молекулами с локализованной связью. Это
различие в энергии называется энергией сопряжения.

n

Изменяются и другие характеристики молекулы – длины связей, дипольные
моменты и т.д. Экспериментальным подтверждением взаимодействия орбиталей
является уменьшение длины связи с-х, теплот гидрирования.
Степень сопряжения зависит от энергии взаимодействия орбиталей, она тем
больше, чем более эффективно, когда орбитали близки по размерам и
симметричны, т.е. наилучшее взаимодействие будет -связи с элементом второго
периода, это можно проследить на изменении разницы вычисленной и
экспериментальной длин связей.
Связь
CH3
CH2
C
CH2
F
CH Cl
CH2
CH Br
Длина связи 0,138 – 0,1324=0,0056 0,17270,169=0,0038 0,1880,186=0,002
При сравнении гетероатомов внутри одного периода сопряжение
уменьшается в ряду N>O>F, так как с увеличением атомного номера понижается
энергия несвязывающей орбитали и уменьшается сопряжение.
Нецелочисленные кратные связи могут образовываться при взаимодействии
-системы и вакантных р или d-орбиталей.
H
H
H
H
C
C
H
C O
C
C
H
В данном случае возникает перекрестное сопряжение.
11
Сверхсопряжение. Экспериментально подтверждено, что электронные пары
 Н-С связи в -положении к -системе участвуют в резонансе. Например,
имеется вклад следующих структур.
H3C C C
H
H
H
H C C C
H
H
H
H C C C
H
H
H H
H
H
Этот эффект изученной Беккером Натаном. Называется сверхсопряжением,
изменяется в следующем ряду:
CH3 > CH3CH2 > (CH3)2CH > (CH3)3C
Эффект обратного сверхсопряжения. ОН обнаружен для перфторалканов, для
которых характерна меньшая длина связи C-F и большая энергия ее образования
по сравнению с монофторалкананми. Было высказано предположение о
способности связи C-F в перфторалканах к делокализации электронов, что
приводит
к
дополнительному
электростатическому
взаимодействию
разноименных зарядов на атомах.
F
F
C
F
F
F
F
+
+
C
F
F
F
C
F
F
F
+ F
+
C
F
+ F
F
Взаимное влияние атомов в органических соединениях.
Поляризация связей. Введение любого заместителя в органическую молекулу
влияет на перераспределение электронной плотности. Способность заместителей
оказывать влияние на состояние ковалентно-связанных атомов характерно именно
для органических соединений. Обычно влияние -системы и -связей слабо
связано и рассматривается раздельно.
Если влияние заместителя передается по -связи, то вызываемая этим
поляризация связи называется индуктивным эффектом (I). Если заместитель
имеет положительно или отрицательно заряженные атомы, то вокруг них
создается электрическое поле, которое действует не только по линии связи, но и
через пространство. Аналогично действуют заместители, образующие
сильнополярные связи. Такое действие заместителя называется эффектом поля (Fэффект). Если с -системой связана двойная связь или заместитель, содержащие
неподеленные пары электронов, то в сопряжение включается
-система, такой
эффект перераспределения электронной плотности называется мезомерным
эффектом (М, Т, С – обозначают по разному, в последнем случае он
называется эффектом заместителя).
Индуктивный эффект и эффект поля тесно связаны друг с другом, но эффект
поля более общее понятие, поскольку учитывает влияние более удаленных
атомов. В общем виде эффект поля и индуктивный эффект пропорционален
электроотрицательности заместителей и они меняются параллельно.
12
Для оценки полярного эффекта выбирают какую-либо характеристику
заместителя и следят за ее изменением. Например, можно использовать кислотноосновное равновесие карбоновых кислот.
Вещество
Ка • 105
Вещество
Ка • 105
CH3CH2COOH
1,34
CH3OCH2COOH
29,4
CH3COOH
1,76
F−CH2COOH
25,9
CH2=CH−CH2COOH
4,52
N≡C−CH2COOH
35,6
C6H5CH2COOH
4,88
На основании этих данных по степени поляризации связи заместители можно
расположить в ряд:
CN > F > CH3O > C6H5 > CH2=CH
Прямым методом, позволяющим оценивать относительные значения
положительного заряда, возникающего на углеродах, связанных с заместителем
является ПМР-спектроскопия.
Вещество
CH4
CH3NO2
CH3F
CH3Cl
CH3Br
Δ, м.д.
0
3,91
4,0
2,71
2,32
Вещество
CH3I
CH3SCH3
CH3OCH3
CH3N(CH3)2
CH3CH3
Δ, м.д.
1,85
1,90
2,03
2,03
0,75
Корреляция химических сдвигов с электроотрицательностью:
м.д.
-2
-1
0
+1
+2
Si
C
N
O
+3
+4
F
0
2
1
3
4
ýëåêòðî î òðè öàòåëüí î ñòü
Неоднозначно влияют на изменение электронного состояния молекулы
алкильные заместители. В растворах +I эффект изменяется следующим образом:
(CH3)3C > (CH3)2CH > C2H5 > CH3, что согласуется с относительной кислотностью
спиртов в водных растворах.
CH3OH > C2H5OH > (CH3)2CHOH > (CH3)3COH
В газовой фазе этот ряд изменяется на противоположный. Полагают, что
причина состоит в дополнительном эффекте сольватации в водных растворах,
Который тем выше, чем менее экранирован заряженный центр молекулы.
13
Полярный эффект заместителя по мере увеличения длины связи быстр
затухает и в -положении его влияние очень мало, эффект поля при удаленном
расположении заместителя может не совпадать с I-эффектом заместителя в том
случае, когда группы сближены в пространстве, т.е. в жестких системах.
COOH
HOOC
COOH
HOOC
ýô ô åêò ï ðàêòè÷åñêè î äèí àêî â,
õî òÿ ÷èñëî ñâÿçåé ðàçí î å
COOH
C
x
C
õ
Í
Âr Cl
ðÊà 4,42 4,70 4,90
В данном случае уменьшение кислотности не может быть объяснено в
рамках индуктивного эффекта. Но ориентация в пространстве такова, что дипольдипольное взаимодействие дестабилизирует анион.
Эффект сопряжения (мезомерный эффект). В данном случае происходит
перекрывание р или -орбиталей заместителей с орбиталями -системы. В
результате помимо обычной -связи заместитель оказывается связанным с системой посредством дополнительного электронного облака. В отличие от
индуктивного эффекта, когда происходит лишь изменение полярности  и
связи, при сопряжении электронное облако частично смещается в область
соседней -связи.
R
CH3
O CH CH2
CH2
CH C O
Количественная оценка влияния заместителей
Корреляционное уравнение Гамета.
lg(к x к н )  
lg( k x k н )  
Kн и кх – константы равновесия незамещенного и замещенного соединения; kx
и kн – константы скоростей реакций незамещенного и замещенного соединения; 
– константа оценки влияния заместителя,  – чувствительность процесса к смене
заместителя.
σ – Константы Гамета
В качестве стандартной серии для установления σ-констант Гаммет
исследовал серию производных ароматических соединений.
14
HO
x C6H4 COO + H3O
x C6H4 COOH 2
Величина константы зависит от типа заместителя х и коррелируется с
изменением электронной плотности на атом кислорода. ρ принято равным 1, если
растворитель Н2О,
t  25C   x  lg
K( xC 6 H 4 COOH)
 pKa( xC 6 H 5 COOH)  pKa(C 6 H 5 COOH)
K(C 6 H 5 COOH)
σх= 0.
Если К уменьшается (заместитель увеличивает электронную плотность на атоме
кислород) => σ имеет отрицательный знак. Для акцепторных заместителей σ
положительно.
Каждый набор констант σ можно использовать только для определенной
серии. Если вид сопряжения изменяется, например для хPh–CH2COOH, то нужно
сикать другие корреляции. Т.е., σ имеют множественное значение и зависят от
структуры.
Стерические константы заместителей.
Экранирование заместителем реакционного центра может в значительной
степени изменять скорость реакции. В
алифатическом ряду константы
стерического влияния определяются из соотношения:
lg( k x k CH )  ES , δ – konst, ES – конст. стерического влияния.
3
станд. замест.
Реакция для определения ЕS
H+
x CH2COOH
x CH2COOC2H5 + H2O
Реакция малочувствительна к влиянию и позволяет изучать стерические
факторы.
Кислоты и основания.
Существуют два общепризнанных определения кислот и оснований –
Бренстеда и Льюиса.
Кислотой Бренстеда АН является соединение, которое может выступать в
качестве донора протона, акцептор протона называется основанием Бренстеда.
A + BH
AH + B
В зависимости от того с каким элементом в молекуле связан атом водорода
(O, N, S, C), различают ОН-кислоты, NH-кислоты, SH_кислоты, СН-кислоты.
R C
O
R C
OH
SH
O
H+
O
S
+
+
H
CH3NH3Cl
CH3NH2 + HCl
CH3NO2 + C2H5O-
CH2NO2 + C2H5OH
Кислотность и основность по Бренстеду является частичным случаем более
широкого представления о кислотах и основаниях данного Льюисом. Основание
Льюиса – это молекула (или анион), которые являются донором электронной
15
пары. Молекула или катион являющиеся акцептором неподеленной праы
называются кислотой Льюиса.
(C2H5)2O+BF3
(C2H5)2O + BF3
î ñí î âàí è å
(CH3)3N B (CH3)3
B(CH3)3 + (CH3)3N
êè ñëî òà
Кислоты Льюиса также можно разделить на С-, N-, O- и т.д. кислоты.
(ÑÍ 3)3Ñ
C-êè ñëî òà
BF3
B-êè ñëî òà
C6H5
C(CH3)2
O(CH3) Î -êè ñëî òà
H
Аналогично можно ранжировать и основания Льюиса.
Брестедовская кислотность иосновность. В растворе соединения являющиеся
кислотами Брестеда диссоциируют, образовавшиеся ионы сольватируются
растворителем
R H + Sol
+
[R]Sol + [H Sol]
[R H Sol]
Sol – молекула растворителя.
Положение равновесия зависит от характеристик растворителя (его
основности, диэлектрической проницаемости). Чем больше диэлектрическая
проницаемость растворителя, тем легче проходит диссоциация, в то же время, чем
меньше основность растворителя (меньше эффект сольватации), тем больше
различие между константами диссоциации кислот.
Способность соединения АН к ионизации оценивается константой
кислотности АН в воде.
[A  ][H3O  ]
ka 
[AH ]
AH
H2O
A + H3O+
Константа основности kb оценивается в соответствии с равновесием:
BH+
B + H2O
Вода
2H2O
участвует
в
обоих
+ OH
процессах
[BH]  [OH]
kb 
[B]
благодаря
автопротолизу
H3O+ + OH
Самоионизация наблюдается и для некоторых органических соединений –
метанола, уксусной кислоты.
Способность растворителя передавать протон другой молекуле того же
растворителя называется автопротолизом и характеризуется константой
автопротолиза: kавто = [ROH2] + [RO]
Кавто является характерной для каждого амфотерного растворителя. Н2О – 14;
СН3ОН – 16,7; С2Н5ОН – 19,1. Любой термодинамический цикл процесса
диссоциации АН в растворе можно представить в следующем виде:
16
A- + H+
A + H
AH + Sol
AHSol
IV
+
II
-
H Sol + A
III
V
H+Sol + A-Sol
VI
I
Следовательно растворитель оказывается существенное влияние на процесс
диссоциации, чем выше выигрыш в энергии в результате сольватации ионов, тем
сильнее будет ионизация кислоты.
Например, RCOOH слабые кислоты в воде, но они полностью ионизируются
при растворении в жидком аммиаке, причем карбоновые кислоты практически
одинаково ионизованы в жидком аммиаке т сравнимы по силе с минеральными.
Следовательно, чем более сильные кислоты то для сравнения их активности
следует взять менее поляризуемые растворители. Например в ледяной уксусной
кислоте: Ка(HClO4)=1,6 • 10-4; HBr – 4 •10-5; H2SO4 – 6 • 10-7; HCl – 1,4 • 10-7; HNO3
– 4,2 • 10-8; ССl3COOH – 2,3 • 10-10.
Если для кислот и оснований Брестеда существует одна шкала (рКа),
характеризующая сродство оснований к протону, то для кислот Льюиса такой
однозначности нет. Тем не менее и в кислотности основности Льюиса образуют
прочные связи, а с другими – нет. Для объяснения этих и рядя других явлений
Пирсон предложил принцип жестких и мягких кислот и оснований (принцип
ЖМКО).
Протонная и Льюисовская основность связаны между собой уравнением
log k k o  aP  bH
B + A
где k – константа равновесия реакции î ñí . ê-òà
H2O + HA
ê-òà
ko – константа равновесия реакции
AB
H3O+ + A-
Р – поляризуемость основания,
Н – константа диссоциации сопряженной кислоты ВН/константу
диссоциации Н3О+ в воде,
а и b – эмпирические коэффициенты, зависящие от природы кислоты А.
Из этого уравнения следует, что на реакцию кислоты А с основаниями
Льюиса, обладающими высокой активностью влияет в основном параметр Н,
который ее характеризует, а реакция оснований с низкой протонной активностью
связана в основном с поляризуемостью (Р) основания.
Основание Льюиса называется мягким (Р > Н)
его донорный атом легко
поляризуем. Донорный атом жесткого основания трудно поляризуем и его
реакционная способность определяется в основном сродством к протону (Н>P).
Принцип ЖМКО – «жесткие» основания Льюиса предпочитают
координироваться с жесткими кислотами; мягкие основания – с мягкими
кислотами.
17
Нам можно использовать этот принцип для предсказания химического
превращения:
Ê
CH3 OH + H I
ãàç
ãàç
CH3 I + H OH
ãàç
ãàç
СН3 – мягкая кислота, ¯ОН – жесткое основание, I¯ - мягкое основание.
Мягкая кислота +СН3 должна реагировать с мягким основанием (I¯). Равновесие
сдвинуто вправо k ≈ 109.
+
CH3
CH3
C
C
O
SR
+ RO-
CH3
C
O
OR
+ RS-
O
жесткая кислота реагирует с жестким основанием ¯ОR ,
равновесие сдвинуто вправо. Действительно, и та и другая реакции протекают
относительно легко.
Классификация оснований в рамках ЖМКО:
Жесткие
Пограничные
−
−
H2O, HO , CH3COO , C6H5NH2, C5H5N
RO−, R2O, ROH, NH3, N3−
RNH2, N2H4, F−, Cl−, Br−
PO43−, ClO4−
Мягкие
RS, RSH, R2S
I−, SCN−, R3P
CN−, CO
H−, R−, C2H4, C6H6
Классификация кислот
Жесткие
H , Li , Na+, K+
Mg2+, Ca2+, Al3+
BF3, AlCl3
RC+O (R−C+=O)
+
+
Пограничные
Zn , Sn2+
B(CH3)3
R3C+
SO2
Мягкие
Cu , Ag , Hg+
Pd2+, CH3Hg+
I2, Br2, ICN
карбены
2+
2+
+
Водородная связь – это взаимодействие х-Н с у, имеющим неподеленную
пару электронов
x
H + y
x
H
y
Образование водородных связей может осуществляться при участии πсистемы. Атом водорода является кислотой, поскольку проявляет себя как
акцептор электронов, а атом у или π-система является донором электронов, т.е.
выступает в качестве основания. Таким образом, образование водородных связей
– это кислотно-основное взаимодействие. Степень передачи электронной
плотности от донора к водороду зависит от растворителя и тем больше, чем более
полярным является растворитель. В воде и других сильно полярных
растворителях может происходить полная ионизация.
Обычно образуются комплексы 1:1, но бывают и более сложные комплексы,
например.
18
C6H5
O H
O
C6H5
O H
Водородные связи могут быть как межмолекулярные, так и
внутримлекулярные.
Водородные связи обрзуются главным образом за счет двух составляющих –
кулоновского взаимодействия и переноса заряда. Современные квантовохимические расчетыпоказывают, что основным является кулоновское
взаимдействие.
Водородная связь тем прочнее, чем более сильным является основание и
падает в ряду R3N > R2O > F.
Энергия образования водородной связи колеблется от 12 до 33 кДж/моль и
лишь в небольших случаях она достигает 60-8- кДж/моль. Образование
водородных связей в органических молекулах влияет на их свойства (физические,
химические, спектральные), такие как температура кипения, растворимость в
полярных растворителях и т.д.
Элементарные реакции.
основными реакциями в органической химии могут быть следующие типы
разрыва связи:
гетероциклическое расщепление, сопровождающееся образованием катионов
и анионов:
А−В → А+ + В−
Гомолитическое расщепление, сопровождающееся образованием радикалов:
А−В → А• + •В
Перестройка орбиталей без возникновения ионов или свободных радикалов,
например, в случае диенового синтеза:
+
Структура продуктов, образующихся при гетероциклическом разрыве.
Карбокатионы – это соединения, содержащие положительно заряженный
атом углерода. Они могут быть двух типов:
1) карбокатионы с трехвалентным атомом углерода, которые на внешней
электронной оболочке имеют секстет электронов и вакантную орбиталь.
Гиидридизация центрального атома sp2, заместители располагаются относительно
центрального атома под углом 120. Вакантная р-орбиталь перпендикулярна
основной плоскости иона.
R
R
C 1200
R
;
Известны карбокатионы, с локализованными положительным зарядом у πсистемы.
2) катионы ониевого типа, содержащие пентаориентированный атом
углерода. Ониевыми ионами называются катионы, в которых валентность
19
положительно заряженного атома повышена на единицу из за взаимодействия
нейтральной молекулы с протоном или другой заряженной частицей.
+
R OH + H
(CH3)3N
+
R Cl + Ph
ROH2;
RClPh
(CH3)4N+I-,
+ CH3I
àðåí î í è åâû é
èî í
ЛЕКЦИЯ №3
Методы гидрирования карбкатионов.
1. Гетероциклический распад по связи С−Н, где Н отделяется в виде протона:
O
NaH
CH3C CH2COOEt
CH3
C CHCOOEt
Na+
2. Гетероциклический распад диазосоединений:
N2BF4
+ F + N2 + BF3
3. Присоединение электронов к кратным связям:
C C
+ E
C C
E
4. Окисление алкилгалогенидов солями переходных металлов:
R Hal + SbCl5
+
R
+ SbCl6
Образующиеся катионы могут быть стабильными как в случае
ацетоуксусного эфира или нестабильными (живущими только в период
химической реакции), но в любом случае они кинетически самостоятельны.
Маложивущие
кинетически
самостоятельные
частицы
называются
интермедиатами.
Эффективность образования ионов зависит от их устойчивости и
стабилизирующей силы растворителя. Вероятность образования катиона из
органической молекулы связано с устойчивостью образующегося иона А−.
Устойчивость основания будет тем больше, чем более сильной является
сопряженная ему кислота НА. Именно по этой причине спирты, простые и
сложные эфиры не дают в обычных условиях карбкатионы:
R OH
R+ + OH ;
R OR'
R+ + R'O ,
так как Н2О и RHO− слабые кислоты и −ОН и RO− малоустойчивы. Катионы могут
быть стабилизированы растворителем или комплексообразлвателем. Наибольшее
стабилизация происходит при пониженных температурах суперкислотами:
R Hal + SbF5
780C
SO2ClF
R+[SbF5Hal]
20
Методы регистрации карбкатионов.
1. Для стабильных карбкатионов
при
установлении
равновесия
+
R + X
RX
меряют константу обычными методами, применяемыми для
определения электролитической диссоциации. Большинство карбкатионов не
обладают достаточной стабильностью, обеспечивающей необходимую их
концентрацию в растворе для определения ее электрической проводимости. Для
регистрации таких карбкатионов используют физико-химические методы анализа.
При существовании валентноненасыщенных частиц при снятии УФ спектра
раствора наблюдается смещение в длинноволновую область в том случае, если
образующийся карбкатион вступает в сопряжение с π-системой и чем это
сопряжение больше тем и больше сдвиг.
305 í ì
200 120 í ì
397 í ì
Для регистрации карбкатионов можно использовать ЯМР-спектроскопию

5
4
(CH3)3C+[SbF6]
(CH3)3CCF + SbF5
(CH3)3CF
3
2

0
1
6
5
4
3
2
1
0
Можно также использовать ловушки для карбкатионов, наилучшей ловушкой
является азид-ион. Если активность воды принять за единицу, то активность азидиона составляет 3•104. При реакции в кислых средах используют
тетрагидротиофен. Этот метод позволяет следить за перегруппировкой
первичного карбкатиона в более стабильный вторичный карбкатион.
CH3
CH CH2OH
CH3
CH3
H+
CH3
CH CH2OH2 - H O
2
CH3
CH3
C CH3
CH CH2
CH3
+
S
CH3
S
CH2
H3C
CH
CH3
На время жизни карбкатиона влияет структура субстрата и среда, в которой
осуществляется его генерация. Основное влияние оказывает структура субстрата
за счет полярного эффекта и эффекта сопряжения.
CH3
+
CH2
è ëè
CH3O CH2
Для количественной оценки стабильности карбкатиона используют
определение энергии Гиббса и сравнение их с энергией стандартного
карбкатиона. Т. е. мерой устойчивости является относительные энергии Гиббса.
21
[R  ][X  ]
к
[RX ]
R+ + X
R X
G  RT ln к
В качестве стандартного соединения используют трифенилметильный катион
Ph3C+, относительную стабильность оценивают в одинаковых условиях,
определямый параметр обозначают G R , используют следующий обменный
процесс:

R+Y + RX
RX + (R')+Y
где (R′)+ - трифенилметильный катион, R – исследуемый катион. С
применением этого подхода были определены следующие значения G R для
некоторых типов катионов.
Катион
4 CH3 C6H4C(C6H5)2 4 CH3O C6H4CPH2 4 (CH3)2NC6H4CPH2

G R

6,7
+кДж/моль
18,8
68,1
Принять 1 за ноль можно расположить изучаемые заместители по
стабилизирующему эффекту в ряд (CH3)2N > CH3O > CH3.
Аналогичный используемый метод для изучения изменения энтальпий дал
результаты 2
Катион
(CH3)3C+
(CH3)2C+
CH3CH2+
CH3+
ΔН, ккал/моль
174
194
225
258
Неклассические карбкатионы.
Они образуются вследствие делокализации σ−σ или π−σ электронов
заместителей не находящихся в сопряжении. Например:
p-p
OSO2Ar
+
+
ArSO3
H
p-p
Cl
+
p-p
x
Cl ;
x
Винильные и арильные катионы
С6Н5+
Эти
катионы
крайне
неустойчивы
из-за
большей
электроотрицательности углерода, при котором образуется (+) по рсавнению с
алкильными катионами. Квантовохимические расчеты показали, что С+ –
углерод в этом случае имеет sp-гибридное состояние.
Карбанионы. Карбанионами называются отрицательно заряженные частицы,
содержащие атом углерода с неподеленной парой электронов. Карбанионы могут
иметь плоское или пирамидальное строение. Примером плоской структуры может
22
быть тритиланион (трифенилметильный анион). Пирамидальную структуру имеет
триптицил-анион. Последний тип анионов может существовать в виде антиподов
из-за жесткости структуры.
Ph
Ph
С
Ph
плоская
пирамидальная форма
Образование карбанионов.
(Li)
1. RCH2Hal + Mgр-ль
R CH2MgHal (или R CH2H )
2. Отрыв протона при действии оснований
CH3
NaOEt
CH COOEt
+
C COOEt] Na
[CH3
NO2
NO2
BuLi
N
3.
N
CH3
C C O
C
CH2Li
+ CO2 ;
Достаточно распространенными являются гетероанионы, например:
O
фенолят
анион
R2NH
C N
BuLi
R2NLiN
R3C O Na
+ BuH
+ Nu
H C C O
CNu
+ R2NH
C
NaNH2
аокоголят
анион
амидионы
N
илинанионы
R
енамины
C N
R
амиданионы
N
N
H
Na
+
NH2
NaNO2
N2Cl
диазоанионы
Дианионы – несущие два отрицательных заряда.
Их получают действием очень сильных оснований на некоторые субстраты.
Например:
23
CH3CCH2COOR
B-
O
CH3C CHC
O
O
C6H5
CH2CN
2BuH
ТГФ
O
B-
CH3C CHC
OR
O
анион Хаузера
OR
C6H5C C N
Влияние структурных факторов на стабильность карбанионов.
Из-за малого сродства атома углерода к электрону карбанионы тем
устойчивее, чем больше делокализован отрицательный заряд, а это происходит
при наличии у этого атома углерода электроотрицательных заместителей. К числу
устойчивых карбанионов относятся циклические структуры, в которых заряд
распределен по циклу с образованием ароматической системы.
Ph3
C
участие трех ароматичских
заместит. стабилизирует
Количественную оценку влияния заместителей на устойчивость карбанионов
проводили, изучая константу равновесия.
RH + R'M
R M + R'H
где R´M – металлоорганическое соединение. В соответствии с этим методом
составлены шкалы С−Н – кислот. Не одна шкала, потому что влияет как
структура взятого металлоорганического соединения, так и условия реакций. В
соответствии с этими определениями:
t
C4H9 > изо C3H7 > C2H5 > CH3 > PhCH2
C >
> CH3CH2 > CH3 > PhCH2
Реакции, интермедиатами в которых являются карбкатионы ил карбанионы и
если они образуются у асимметрического атома углерода проходят с
рацемизацией оптически активного центра.
Свободные радикалы и ион-радикалы. Свободными радикалами называются
незаряженные частицы (атом или остаток молекулы) имеющие в своем составе
неспаренные электроны. В органических свободных радикалах неспаренный
электрон может быть в основном у атомов углерода, азота или кислорода, реже у
других элементов. Подобно катионам и анионам спиновая плотность в радикалах
не локализована на одном атоме, а распределена на многие атомы, но на
радикальном центре она наибольшая. Чем более делокализована спиновая
плотность, тем более устойчивым является радикал. Так же как и карбкатионы
радикалы могут быть достаточно стабильными, а могут выступать только в
качестве интермедиатов. Одним из важнейших свойств свободных радикалов
является их парамагнетизм, обусловленный наличием неспаренного электрона. В
связи с этим для регистрации радикалов широко применяется метод ЭПР
(электронный парамагнитный резонанс). ЭПР позволяет не только регистрировать
свободные радикалы, но и определять их концентрацию.
24
Различают два типа радикалов – σ-радикалы и π-радикалы. В σ-радикалах
неспаренный электрон остается на σ-орбитали и гибридизация атома углерода
сохраняется при образовании радикала. Примеры σ-радикалов:
H
C O
C C
H
H
H
Как правило делокализация электронной плотности в σ-радикалах невелика.
π-радикалы, как правило, образуются у насыщенного атома, при этом
неспаренный электрон располагается на р-орбитали, а гибридизация атома
углерода изменяется с sp3 на sp2. В зависимости от заместителя радикал может
иметь либо плоское, либо пирамидальное строение. Так СН3 и другие СН3СН и
СН3−СН−СН3 радикалы – плоского строения. F3C и (СН3)3С; радикалы –
пирамидального строения с быстрой инверсией, РhСН2 – радикал – плоский.
Свободные радикалы могут быть термодинамически стабильными или
кинетически стабильными. Термодинамически стабильными будут те радикалы,
электронная плотность которых существенно делокализована с участием
соседних групп. В алифатическом ряду радикалы по уменьшению стабильности
располагаются в ряд (CH3)3 > (CH3)2CH > C2H5 > CH3.
Кинетически стабильными являются те радикалы, которые в силу своих
структурных особенностей (чаще всего из-за пространственных эффектов
оказываются менее реакционно способными). Стерические затруднения могут
настолько велики, что свободные радикалы могут очень длительное время
существовать и в растворе и в твердом виде. Примеры таких кинетически
стабильных радикалов:
ONa
2(CH3)3C C C(CH3)3
+ 2Na
2(CH3)3
C C(CH3)3
O
O
O
C
O
Радикалы, в которых значительная спиновая плотность находится на гетероатоме. К ним относятся феноксильные и нитроксильные радикалы.
Из
фено-ксильных
радикалов
наиболее
известен
2,4,6-тритретбутилфеноксильный ра-дикал. Нитроксильные радикалы образуются
Ag O
окислением оксимов R2N−OH  R2NO/
2
O
Из других типов радикалов – гидразильные свободные радикалы
25
(C6H5)2N N
(2,4,6
NO2Ph)
Генерирование свободных радикалов.
Свободные радикалы образуются при гомолитческом разрыве связи в
следующих процессах:
1.Термическое разложение перекисей ацилов:
t
RCOO OOCR
2RCOO
2CO2 + R
2. Разложение металлоорганических соединений
R2Hg
t
2R
+ Hg
3. Фотолиз органических соединений:
h
(CH3)2C O
2CH3 + CO ; (CH3)3COCl h
(CH3)3CO
+ Cl
4. Реакции окисления:
O
(C6H5)3CBr
(CH3)3CN C(CH3)3
(C6H5)3C
Карбены. Атом углерода в карбенах на внешней электронной оболочке имеет
шесть электронов. Четыре электрона участвуют в образовании ковалентных
связей, у углерода остается две несвязывающие орбитали, одна из которых π- и
одна σ-орбиталь.
С
R
R
В зависимости от того, на каких орбиталях располагаются оставшиеся два
электрона, карбен может иметь следующие комбинации σ2, р2 и σр. Если
электроны находятся на одной орбитали, то они имеют антипараллельные спиныи
такое состояние называется синглетным. Если электроны располагаются на
разных орбиталях, то состояние спина может быть и синглетным и параллельным
– триплетным. Более стабильным для карбена является триплетное состояние.
Синглетное состояние более устойчиво для тех карбенов, которые имеют
заместители с неподелнной парой электронов, например,
Ели карбенный атом углерода входит в цикл, содержащий π-связь или
несколько сопряженных π-связей, то электронное состояние этого карбена
зависит от числа π-связей. Если их число соответствует формуле 4n+2, , то
электронная состояние карбена – синглетное. Это понятно.
Так как р-орбиталь включается в сопряжение, то оба электрона на σорбиталии с антипараллельными связями.
;
Методы получения карбенов.
1. Реакции α-элиминирования.
26
Z
C
C Y
Y
BuLi
a) PhCH2Cl
+ Z+
C
+ Y
PhCH
-Cl
CCl2 + H2O + NaCl
PhCHCl
б) CH3Cl + NaOH
2. Дегалогенирование.
Hal
+ Na
C
C
+ 2NaHal
Hal
C
CH2I2 + Zn (или (CH3)2Zn)
F
F
Zn
C
Br
C
I
C
+ BuLi
F2C
Br
Комплекс Симпсона-Смита
I
+ HBr + BuBr
3. Дегалогендекарбоксилирование.
Cl3CCOONa
t
CO2 + NaCl + CCl2
4. Разложение имидов.
(CH3)3NCH3 PhLi (CH3)3NCH2
(CH3)3N + CH2
Cu
PhPCH2OC4H9 BuLi Ph3P + CHOC4H9
CH2N2
NaH
(CH3)2SCH3I
(CH3)2S O + CH2
CH2
O
Как видно из вышеописанного карбены либо образуются в виде
индивидуальной частицы, либо существуют в виде комплекса в качестве
интермедиата в химической реакции, как например комплекс Симмонса – Смита.
Реакции, которые протекают без образования карбена как кинетически
самостоятельной частицы, но в результате которых образуются присоединения
карбена к непредельному соединению называются карбеноидными.
Для карбенов наиболее характерны два типа реакции – [2+1]
циклоприсоединение и внедрение.
R C C
R
CH2
Cu
+ CHCl
R C C R;
CH2
CHCl
Cl
Стереохимия присоединения зависит от спинового состояния карбена.
Синглетные карбены присоединяются по двойной связи стереоспецифично (цисприсоединение) в то время как присоединение триплетных карбенов
нестереоспецифично.
Внедрение карбена может проходить по свободно-радикальному или
синхронному механизму.
27
A
X
A
B + C
BCXY
X
Y
X
Y
C
A
Y
C
A
B
B
При триплетном состоянии возможны только реакции через образование
радикальной пары, что зафиксировано методом ХПЯ (химическая поляризация
ядер).
Ион-радикалы.
Они
образуются
в
реакциях
одноэлектронного
восстановления, например:
Na
Na+
Механизмы химических реакций.
Под механизмом органических реакций в настоящее время понимают
совокупность и последовательность всех превращений, происходящих на пути от
реагентов к продуктам реакций. В данную совокупность входит изучение
элементарных стадий и набор продуктов, образующихся в результате их
реализаций, включая стереохимию процесса, анализ переходного состоянияи
энергетические параметры процесса.
Предполагаемый механизм всегда является вероятностным и его право на
описание какого-либо процесса должно доказываться. При получении
отрицательного результата механизм отвергается, положительный увеличивает
его правдоподобность, но не является окончательным. При установлении
механизма реакции лучше всего разбить процесс на стадии, постараться выделить
или хотя бы зарегистрировать промежуточные частицы, а может получить
косвенными путями. Затем уже с применением полученного интермедиата
вовлечь его в предполагаемое превращение и выяснить продукты реакции и таким
образом последовательно смоделировать весь процесс в целом.
Наиболее важную информацию о механизме реакции дает изучение
кинетических закономерностей процесса – определение скоростей, энергии
активации и т.д. Изучение кинетических закономерностей позволяет определить
молекулярность реакции(сколько участвует в определенной элементарной
стадии). Следует учитывать однако, что даже в случае элементарных стадий
порядок реакции может не коррелироваться с ее молекулярностью. Это
происходит в том случае, когда один или несколько компонентов реакции берутся
в избытке, причем в существенном избытке и в этом случае его концентрация в
ходе реакции не будет существенно меняться и реакция будет иметь
псевдонулевой порядок по этому компоненту несмотря на то, что в реакции он
участвует. Рассмотрим пример. Пусть схема реакции имеет вид:
A + B
k1
k-1
C
C + D
k2
E
Согласно методу квазистационарных концентраций Боденштейн вывел
соотношение:
28
k1k 2[A][B][D]
k 1  k 2[D]
Случай 1): k-1<< k2[D]  k-1 + k2[D] ≈ k2[D]  υ = k1[A][D]

Отсюда следует, что реакция суммарный второй порядок и лимитирующей
является первая стадия.
Случай 2): k-1 >> k2D  k-1 + k2[D] ≈ k-1  υ = (k1/k-1)k2[A][B][D]
Отсюда следует, что реакция имеет суммарный третий порядок, скорость
пропорциональна [Д], зависит не от константы скорости k, а от константы
равновесия K1 и k2. Таким образом, в этом случае лимитирующей стадией будет
вторая.
Т.е. ни в одном, ни в другом случае кинетические закономерности не
позволяют судить о молекулярности процесса.
ЛЕКЦИЯ №4
Понятие о переходном состоянии.
В общем случае течение химических реакций определяется
двумя
факторами: изменением свободной энергии системы и скоростью превращения.
Первый фактор – термодинамический, вторая ? реакций решающее значение
имеет скорость превращения и для больших скоростей реакция часто протекает
по термодинамически менее выгодному направлению. Для обратимых реакций и
протекающих достаточно быстро направление определяется термодинамикой
прцесса. Для обратимых реакций, протекающих достаточно медленно
направление реакции определяется совокупностью факторов. В большинстве
случаев реакции подчиняются кинетическому контролю. Представление о том,
как протекают реакции может составлено при использовании теории переходного
состояния (активного комплекса в этом состоянии одновременно с разрыхлением
связи углерода с уходящей группой происходит его взаимодействие с атакующей
частицей, образуется двоесвязанное состояние RX + Y → Y∙∙∙R∙∙∙X, которое и
носит название переходного состояния или активного комплекса. Для достижения
этого состояния необходима затрата энергии и поэтому переходному состоянию
соответствует максимум на энергетической кривой. Разность между энергией
переходного состояния и энергией первоначальной системы называется энергией
активации и это та энергия, которая необходима для реагирующих частиц в
состояние активного комплекса.
Например для реакций нуклеофильного замещения
R Hal + Nu
Nu
Nu
R Hal
R Hal
R Nu + Hal
Ea
RNu + Hal
29
Подтверждением предплагаемой структуры переходного состояния является
тот факт, что энергия активации меньше энергии диссоциации связи, т.е.
одновременно с разрушением связи С−Hal идет образование связи С−Na, что
компенсирует энергетические затраты.
Таким образом, органические реакции чаще всего протекают не через стадию
образования свободных ионов, а через активированный комплекс.
Для более сложных систем возможно существование нескольких преходных
состояний.
B + R2CH CXR2
R2C CXR2
R2
R
R-1
R2
BH + R2C CXR2
C CR2 + X
Реакции элиминирования. В случае а) лимитирующая стадия, отрыв протона;
б) первая стадия обратима, а лимитирующая вторая стадия.
Осложнения в определение активационного параметра вносит растворитель,
он может по разному сольватировать исходное, конечное и переходное состояния.
Следует отметить, что переходное состояние не является промежуточным
соединением. Всякое промежуточное соединение, даже самое малоустойчивое,
соответствует некоторому минимуму не энергетической кривой, для перехода из
которого в конечное состояние необходимо преодолеть некоторый
энергетический барьер. При этом второй максимум – это второе переходное
состояние. Промежуточные соединения являются настоящими химическими
соединениями, в то время как переходное состояние таковыми не является и к
нему неприменимы такие понятия как валентность, степень окисления и т.д.
Кинетические изотопные эффекты. Очень часто в органической химии
одного изотопа в ? молекуле (в основном водорода на дейтерий или тритий)
приводит к изменению скорости этой реакции. Более тяжелые изотопы, как
правило, реагируют хуже. Это явление называется кинетическим изотопным
эффектом.
Е0, как следует из квантовой механики меньше реальной энергии молекулы
из-за колебаний атомов в ней.
Ереальн−Е0 = 0,5hη, h – постоянная Планка, η – частота колебаний (валентных)
С−Н или С−D.
Из
m
выражения
для
гармонических
колебений

1 1
, где
2 m
ma  m b
 энергия С−Н связи несколько больше энергии С−D-связи, этим
ma  m b
и объясняется ее большая реакционная способность в реакциях замещения. Для
других атомов также наблюдается кинетический изотопный эффект, но так как
разница в массах у Н и D или Н и Т наибольшая, то кинетический изотопный
эффект наиболее заметен именно для водорода.
Максимальный кинетический эффект наблюдается в радикальных реакциях,
потому что в этом случае образуется наиболее симмтеричное переходное
30
состояние, с нарушением симметрии переходного состояния кинетический
изотопный эффект уменьшается.
Установление кинетического изотопного эффекта может оказаться очень
полезным при определении механизма реакции. Например, сильный изотопный
эффект наблюдается в реакции:
CH3
H2CrO4
CH OH
CH3
CH3
C O
CH3
Это означает, что разрыв связи С−Н происходит на лимитирующей стадии.
В реакциях нуклеофильного замещения в пиридине кинетического
изотопного эффекта обнаружено не было. Это свидетельствует о том, что на
лимитирующей стадии разрыва связи С−Н не происходит, т.е. скорость
определяющей является первая стадия нуклеофильного присоединения к кольцу
пиридина.
V1
N
NH2
NH2
N
H
V1 << V2
V2
-H
N
NH2
Растворители и их роль в химических процессах. Органические реакции чаще
всего проводят в растворах. Растворитель активно участвует в химической
реакции, не только изменяя скорость, но и нередко меняя коренным образом
направление процесса. Например:
ArN2+X
Ar +
N2 + X (в апротонных неполярных)
Ar +
N2 + X (в растворах с высокой нуклеофильностью (Рy, DMSO))
Или
Br(CH2)11OTS
LiAlH4
(CH3)(CH2)10Br + CH3(CH2)10OTS
В эфире на 80% происходит образование бромида, если реакцию проводить в
диглиме, то наоборот образуется тозилат.
Струкрурная сетка растворителя изменяется при внесении в него
реагирующих частиц за счет включения органических соединений во
взаимодействие с растворителем, который сольватирует как само вещество, так и
образующиеся во время реакции интермедиаты изменяя энтальпию и энтропию
системы. Система, состоящая из растворителя и сольватированных молекул
растворенного вещества, находится в состоянии динамического равновесия, и в
результате постоянного обмена сольваты имеют сравнительно небольшое время
жизни. В результате диффузии сольватированные частицы взаимодействующих
веществ могут оказаться в одной сольватной оболочке – «клетке». В такой
«клетке» и протекает реакция между веществами в растворе. Время пребывания в
сольватной оболочке невелико (10-8-10-11 сек) и зависит от вязкости растворителя.
За это время либо происходит реакция либо сольватная «клетка» разрушается и
частицы выходят в объем раствора.
Межмолекулярные взаимодействия в растворах можно подразделить:
31
1.
Силы,
обусловленные
электростатичесикм
взаимодействием,
неспецифическое взаимодействие, в которые входят ориентационные,
индукционные и дисперсионные силы.
2. Силы, обусловленные химическим взаимодействием.
В первом случае в основном сольватация осуществляется за счет имеющихся
(ориентация) или наведенных дипольных моментов ( индукционные), а также
мгновенно возникающих диполей (дисперсионные), оказывающих влияние на
диполь-дипольное взаимодействие.
Во втором случае в результате взаимодействия растворителя и растворенного
вещества образуется комплексы различной степени прочности. Подобное
взаимодействие получило название – специфическая сольватация.
В соответствии типами межмолекулярных взаимодействий растворители
подразделяются на следующие группы.
1. Апротонные диполярные с большим дипольным моментом и высокой
диэлектрической проницаемостью, Склонные к образованию прочных донорноакцепторных комплексов.
2. Протонодонорные растворители, т.е. содержащие подвижный атом
водорода. Такого рода растворители способны к образованию с растворенным
веществом водородных связей.
3. Апротонные растворители не способны к образованию прочных
комплексов с малой диэлектрической проницаемостью.
Растворитель, особенно если между ними и растворенным веществом имеет
место специфическое взаимодействие, оказывает существенное влияние на
процессы в органической химии. Они оказывают влияние на скорость химической
реакции и на константу равновесия.
Изменение положения равновесия при смене растворителя с различной
сольватацией, участвующих в равновесии частиц.
Характеристика отдельных типов механизмов.
Диссоциативные нуклеофильные процессы. Нуклеофильное замещение –
наиболее изученный тип органических реакций. В данном случае в широких
пределах можно варьировать как взятые в реакцию субстраты, так и реагенты, и
растворители, и условия реакции. Для теоретической органической химии при
изучении реакций нуклеофильного замещения важно понять две вещи.
1. От каких факторов зависит результата реакции.
2. Как научиться предсказывать изменение реакционной способности при
изменении структуры реагирующих веществ и условий проведения реакции.
Реакция замещения может протекать как по пути дисоционого процесса, так
и синхронного.
RX
k1
RX + Y
R + X
[Y
R + Y
R X]
k2
RY
или
RY + X
Эти процессы отличаются стереохимическим результатом реакции и
уравнениями кинетического описания процессов. Для первого случая υ=k[Rx].
Для второго случая υ=k[Rx][Y‾]. Для реакций второго типа скорость процесса от
природы нуклеофила. Например, в реакции:
32
C4H9Br + R
C4H9R + Br
при R=C6H5S‾ скорость возрастает в 1300 раз по сравнению с R=C6H5O‾.
Первый порядок реакции не всегда свидетельствует о том, что процесс
мономолекулярный. Он может быть псевдомономолекулярным, если один из
реагентов взят в избытке, как например в случае сольволиза, омыления или
переэтерификации, в этом случае изменениями концентрации одного из реагентов
можно пренебречь и тогда эта величина входит в константу. Одним из признаков
реализации SN1 механизма являет эффект общего иона, замедление реакции при
добавлении аниона, идентичного с Х. Этим же объясняется и уменьшение
скорости при увеличении степени конверсии. При диссоциации происходит
увеличение в растворе концентрации Х‾, т.е. замедление процесса. Другим
фактором ускоряющим реакцию по пути образования карбкатиона (SN1) является
стабилизация карбкатионного центра за счет заместителей, как было это
разобрано выше. Чем больше стабилизация тем скорость выше, стабилизация тем
выше, чем больше алкильных заместителей, или чем больше перераспределение
заряда в соответствии с теорией резонанаса.
Вещество
kотн
Вещество
kотн
CH2=CH−CH2Cl
1,0
(CH3)3CCl
4∙104
CH3−CH=CH−CH2Cl
2∙103
C6H5CH(CH3)
8∙104
(CH3)2C=CH−CH2Cl
3∙106
(C6H5)2CHCl
4∙107
CH2=CH−C(CH3)2Cl
107
(C6H5)3CCl
2∙1010
(CH3)2CHCl
0,1
Увеличивает скорость SN1 реакции и возможность делокализации
отрицательного заряда уходящей группы. В соответствии с этим TSO‾ – лучшая
уходящая группа, чем Hal‾ тем более, чем ОН‾.
В карбкатионе, который образуется при отщеплении Х‾ центральный атом,
как уже говорилось имеет sp2- гибридизацию (угол 120°). В исходном состоянии
угол составляет 109°. Т.е. чем объемнее заместители тем с большей скоростью
будет протекать реакция SN1 из-за образования стерического менее напряженного
состояния на лимитирующей стадии. При диссоциации в ходе реакции SN1
переходное состояние отличается большей полярностью, поэтому увеличение
диэлектрической проницаемости растворителя способствует сольватации
переходного состояния, тем самым понижая его энергию и ускоряя реакцию.
Взаимодействие нуклеофила с образовавшимися карбкатионом может идти
двумя путями:
1) образование продукта замещения;
2) элиминирования.
Если на первой стадии реакции образуется кинетически независимый
карбкатион, то природа уходящей группы оказывает малое влияние на скорость
реакции. Соотношение же продуктов замещения и элиминирования определяется
и структурой субстрата и типом нуклеофила, причем больше всего типом
нуклеофила, за характеристику которого можно взять его основность. С ростом
основности увеличивается скорость и той и той реакции.
33
Ионопарный механизм нуклеофильного замещения. В этом случае, когда не
фиксируется образования кинетически самостоятельного катиона и соотношение
продуктов замещения и отщепления зависит от среды, в которой осуществляется
реакция можно сделать вывод, что в переходном состоянии образуются ионные
пары, например:
Ad
H
OSO2Ar
Ad
H
H
Ad
+ OSO2Ar
H O
O
O
S
H O
OH
Ad
H
Ar
Ad =
Характерным для протекания реакции в ионной паре является полное
сохранение конфигурации.
Для примера, как могут быть получены доказательства об образовании
ионных пар в ходе химической реакции рассмотрим процесс:
R
S
R+ + SCN
C N
R+
RSCN
S (1)
RNCS + R+ + SCN R'OH
SCN
R N C
ROR' (2)
Представим, что изомеризация тиоцианатов в тиоизоцианаты может
проходит по вариантам (1) или (2). В варианте (1) реакция идет по механизму SN1,
нуклеофилом является сама уходящая пара. Однако если добавить в реакционную
массу меченый тиоцианат-ион, то включение метки в конечный продукт
происходит только на 5% при полной изомеризации, что не согласуется с
течением реакции по SN1 механизму (было бы ~ 50:50). Следовательно, на 95%
реакция идет в ионной паре и только на 5% по SN1 типу. Аналогичные результаты
получены, если реакцию проводить в присутствии спиртов, простые эфиры
образуются в не большом количестве. Четкое доказательство участия ионных пар
в реакциях нуклеофильного замещения получено при изучении сольволиза
аллилхлоридов.
CH3
CH3
C CH CH2
Cl
CH3
CH3
CH3
CH
C
Cl
CH2
CH3
CH3
C CH CH2
OCOCH3
CH3
CH3
50 : 50
CH3
C
C CH2Cl
C C CH2OCOCH3
Для описания переходного состояния SN2 процесса была предложена
следующая модель – в переходном состоянии происходит изменение
гибридизации атакуемого атома углерода, sp3-sp2, при дальнейшем движении
системы по маршруту реакции вновь происходит изменение гибридизации sp3sp2.
Трактовка
причин
обращения
конфигурации,
основанная
на
электростатическом отталкивании нуклеофила и уходящей группы не является
34
строгой. Стереохимию можно более точно описать используя метод возмущения
молекулярных орбиталей. Реакция осуществляется за счет несвязывающей
орбитали с-х – связи.
x C X
а
n
б

В случае б взаимодействие приводит к понижению энергии и от этого подход
с противоположной стороны от уходящей группы (б) является
преимущественными. В отличие от реакций SN1, где роль нуклеофила менее резко
выражена, для SN2 реакций. Влияние растворителя на скорость реакции зависит
от электрического состояния исходного и переходного состояния


R X 
полярные
увеличение
апротонные
уменьшение
уменьшение
увеличение
1) Y + RX
[Y
2) Y + RX
[Y

R X
3) Y + RX
[Y
R X
4) Y + RX
[Y

R Y
Перегруппировки. Перегруппировкой называется процесс перемещения
мигрирующей группы от одного атома той же молекулы к другому, которое
сопровождается разрывом одной и образованием другой σ-связи.
W
W
A B
A B
А – начальное место миграции, В – конечное место миграции. При этом
атомы А и В могут быть непосредственно связаны друг с другом или разделены
группой атомов. Все перегруппировки делятся на два типа – межмолекулярные и
внутримолекулярные. Это деление условно, потому что многие перегруппировки
в зависимости от условий реакции могут протекать по тому или иному типу,
например, перегруппировка Валлаха:
Ar
+
Ar
+ 2H
N N
N N
OH2
OH
H
Ar
N N
OH2
Ar
ArN N
N N
OH
OH
OH
При УФ облучении же реакция протекает внутримолекулярно
N N
OH
h
N N
OH
35
В ходе внутримолекулярной перегруппировки мигрирующая группа W все
время сохраняет связь с системой А-В, образование σ-связи происходит
синхронно с разрывом.
W
A B
I
W
A B
II
Состояние I – ациклическая открытая система, а состояние II – участвующие
в реакции электроны образуют циклическую систему.
Циклическая система может быть ароматической и не ароматической. Если
переходное состояние ароматично, то оно предпочтительнее состояния №2.
Подавляющее большинство
. полярных перегруппировок проходит через
ароматическое переходное состояние.
Классификация внутримолекулярных перегруппировок.
В основу классификации можно положить два фактора: 1) характер
переходного состояния; 2) характер мигрирующей группы – анион, катион,
радикал.
Если перегруппировка идет через ароматическое состояние с полной
делокализацией электронов ее относят к перициклическим радикалам. В
соответствии с классификацией Вудворда-Гофмана такие процессы называют
сигматропными перегруппировками. Каждая сигматропная перегруппировка
имеет порядок, обозначаемый буквами i и j в виде [i, j]. В большинстве случаев
сигматропные перегруппировки представляют собой миграцию σ-связи, соседней
с сопряженной π-системой. Начальное и конечное положение σ-связи
обозначается цифрой 1, конечное цифрами i и j.
36
I
R
R
C
C
R
C
C
C
R
R
C
[1,2] сигматропный сдвиг
CH2
CH CH2
CH2
CH CH2
CH2
CH CH2
CH2
CH CH2
CH2
CH CH2
CH2
CH CH2
I
1C
1
C
C C
1
1
C
новое положение
2
2

C1
2
-система
мигрир.
-ñâÿçü
1
3
1
1
3
1
3
3

H
H
3
2
[3,3] сигматропный сдвиг
2
2
1
[3,3] сигматропный сдвиг
1
[1,3] сигматропный сдвиг
1
3
2
По
характеру
конечного
центра
миграции
(внутримолекулярные) делятся на четрые типа:
1) перегруппировки к электронодефицитному центру
нуклеофильными или анионотропными.
W
A
ЛЕКЦИЯ №5
сигматропные
называются
W
B
A
B
При этом перегруппировывающаяся частица не обязательно должна быть
заряженной, важно, чтобы конечное место миграции имело дефицит электронов
(секстет). Поэтому такие перегруппировки называются секстетными.
Тип 2. Перегруппировки к электроноизбыточному центру (электрофильные
перегруппировки).
W
A
W
B
A
B
Обычно такого типа перегруппировки происходят при генерации анионов из
С−Н – кислот (Виттига, Стивенса и др.).
Тип 3. Перегруппировки свободных радиклов.
37
W
A
W
B
A
Cl
Cl
например
Cl
Br
C CH CH2
,
B
Cl
C
Cl
Cl
CH CH2Br
Cl
C
Cl
CH CH2Br
Cl
Br Cl
Br2
Cl
C CH CH2Br + CCl3 CHBrCH2Br
47%
Cl 53%
Тип 4. Перегруппировки нейтральных π-систем. Эти реакции протекают при
термической или фотхимической активации. Эти реакции называются
кольчатоцепной таутомерией. Строго – эти перегруппировки не относятся к
сигматропным. Они идут лишь с разрушением и регенирацией связи, например:
R
R
R
R
R
R
R
R
электроциклич.
перегруппировка
сигматропная перегруппировка Коупа
Теория сигматропных перегруппировок.
W
W
A
A
B
B
A
W
W
A
W
A
B
W
B
A
Хюккелем высказано предположение,
супраповерхностей трехчленный цикл
что
sp2
H
3
C
участвуют 4 электрона
B
в
переходном
sp2
C
C
участвуют 2 электрона
B
C
C
C
состоянии
H
sp3
sp
Доказательством образования трехчленного состояния является инертность
адамантилкатиона в 1,2-миграциях.
H
H
H
H
H
H
H
H
H
Причина состоит в том, что в адамантилкатионе 2р-орбиталь, несущая
положительный заряд и sp3-орбиталь углерода, содержащая мигрирующую
группу, не могут принять компланарного состояния для образования
трехчленного перекрывания.
38
Если мигрирует не атом водорода, а алкильные группы, то граничной
орбиталью R будет не S, а два π-орюиталь или гибридная сп3 – орбиталь атома
углерода. Согласно рассмотрению переходного сотояния, а нуклеофильные
перегруппировки проходит через выгодное переходное состояние (А), и
стереохимия мигрирующей алкильной группы сохраняется впродукте реакции.
+
Т.о., рассмотрение возможных переходных состояний позволяет прогназировать
стереохимичение реакции [1,2] – сигматропного сдвига алкильных заместителей.
[1,2] – миграция арильных групп протекает с делокализацией заряда на
ароматическом кольце.
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
Точно такое же переходное состояние для радикала.
Более дальнее нуклеофильные перегруппировки встречаются реже, 1,3–
гидридный сдвиг впервые наблюдали Реутов и Шаткин.
CH3
14
CH2CH2
CH2
HNO3 H
NH2 HClO4
H
14
CH2 CH2
CH2
HOCH2
CH2
14
CH2
CH2
14
CH3 (
1,5)
H
CH2
CH2
CH2
(A)
Переходное состояние (А), предложенное для описания 1,3-гидридного
сдвига гомологично структуре, предложенной для описания 1,2-гидридного
сдвига. Такие перегруппировки, где промежуточные атомы не участвуют в
образовании переходного состояния называются гомо-1,2-сигматропными
перегруппировками. Цифры уже без скобок, чтобы не путать с истинными [1,2]перегруппировками.
39
[1,3]-Сигматропные
перегруппировки.
Истинной
[1,3]-сигматропной
перегруппировкой является изомеризация аллильных систем .
1W
W1
[1,2]
1
1
3
3
2
2
Число электронов принимающих участие в перегруппировке равно 4 (два π и
два σ-электрона) Для изомеризации пропилена взаимодействие граничных
орбиталей можно изобразить следующим образом.
H
H
или
разрешена по симметрии,
но запрещена стереохимически
разрешена стерически,
но заперещена по симметрии
Вследствие ограничений [1,3]-сигматропные перегруппировки не протекают
термически, они могут проходить только при облучении.
R
R
h
H
ACO
H
ACO
H
H
Если радикал R у центра перегруппировки оптически активен, то
наблюдается инверсия. Выяснено, что в том случае, когда инверсии не
происходит реакция проходит через образование радикальной пары и она может
проходить через образование радикальной пары и она может протекать
термически.
Ph
H
Me
NC
0
250 C
NC
CN
NC
Me
Ph
Me
Me
Ph
NC
Me
H
NC
Me
переходное состояние
[1,5]-сигматропный сдвиг:
W
W
W
при термической
активации
W
при фотохимической
Примеры:
40
H
H H
1
2
1
5
3
H
[1,5] D
D
0
D
200 C
4
[1,5] H
D
0
200 C
[1,7]-перегруппировка. Таких примеров известно немного:
1
H3C
CN
CN
7
H3C
6
1
1,7
5
2
3
4
CH3
CH3
Перегруппировки [1,3], [1,5], [1,7] называются нечетными и чем больше
разница между i и j, тем реже они реализуются, если только не являются
трансанулярными для полициклических соединений.
Сигматропные перегруппировки [1,2], [1,4] или [1,6] называются четными
сигматропными перегруппировками. Четные перегруппировки наблюдаются
только для заряженных частиц (катионов, анионов) или для систем, в которых
имеется гетероатом с дефицитом электронов.
Примеры:
HO
Me
Me
Me
Pr
HO
Pr
Me
Me
[1,4]
Me
Me
Me
[1,4]
;
Me
N
O
N
O
R
O
O
R
Для [3,3] сигматропных перегруппировок переходное состояние напоминает
π-систему бензола, но в отличие от бензола аллильные фрагменты смещены друг
относительно друга и перекрываются не обеими, а лишь одной долей концевых рорбиталей.
для бензола
-система в
перегруппировки Коула
Нуклеофильные перегруппировки с электронодефицитному атому углерода.
Вагнера-Мейервейна. Промежуточными в пере7руппировке ВагнераМейервейна явялется образование карбкатиона. Наиболее часто она встречается в
циклических системах, но описаны и более простые ациклические варианты.
41
H3C
CH3
CH3
OH
OH2
изоборнеол
-H+
H2C
CH2
камфен
-
Br
H
(CH3)2CCH2OH
неопентиловый
спирт
(CH3)3CCH2Br
CH3
CH3
H2O
C CH2
Br
(CH3)2CCH2CH3
OH
(CH3)2C
CH2
EtOH
B
CH2CH3
OEt
(CH3)2C
CH2CH3
(CH3)2C
CHCH3
К аналогичного типа перегруппировкам относятся перегруппировки
Демьянова, Фаворского. Перегруппировка Вагнера-Мейервейна обычно
направлена в сторону образования более устойчивого карбкатиона. Если в
молекуле имеется несколько групп, способных к миграции, то направление
миграции определяется стабилизирующим влиянием заместителя на вторичный
образующийся катион.
Me
14
Ph C CH CH2
+
H
Ph
Me
14
C C Me + Me
Me I
миграция Ме
14
C C
Ph
Me Me II
миграция Ph
Больше образуется II с миграцией метильной группы, потому что в
результате миграции образуется очень устойчивый бензильный катион
Me
Ph
C CH CH2
H+
C CH Me
C CH Me
Me Me
Me
Me Me
Если же реакция протекает по механизму SN без реализации явного
карбкатиона, то быстрее мигрирует Ph группа, лучше стабилизирующая
переходное состояние.
2
H
Me
C C Me
Me
OTS
Me
Me
C
Me
CH Me
Ph
C C
Me
Me
42
Т.е. на направление реакции решающее значение оказывает механизм,
проходит он через кинетически стабильный катион или через активированный
комплекс.
Нуклеофильная миграция неуглеродсодержащих групп.
Перегруппировка в таких случаях проходит через циклические ионы типа
бромониевых или оксониевых ионов.
Br
Br
CH3
CH CH2
Br
CH3
CH3CH CH2
CH CH2
OSO2Ar
OSO2Ar
OSO2Ar
В переходном состоянии образования иона бромония участвуют только две
орбитали: пустая орбиталь карбкатионного центра несвязывающая орбиталь
атома брома. Еще один пример:
C
O
C
C
C
O
O
C
C
C
O
C
R
R
C
O
R
Перегруппировки к электронодефицитным гетероатомам.
К электронодефицитному азоту. Алкильные и арильные группы очень
склонные мигрировать от атома углерода к электронодефицитному атому азота.
Реакция проходит через циклические состояния и имеет первый кинетический
порядок, Конфигурация мигрирующего радикала сохраняется в продуктах
реакции, внутри мигрирующей группы перегруппировок не происходит. все это
говорит в пользу согласованных процессов.
R
O C
R C N X
O
H
O C N
N X
R + X
R
R C N X
O C
NH
O C NH R + X
X
O
Сюда относятся такие перегруппировки как Гофмана, Курциуса, Шмидта,
Бекмана, Лоссена, а также при сольволизе аза-циклов.
AgNO2
MeOH
N
N
Cl
- AgCl
Cl
N
N
Nu
+
Ag
Перегруппировки к электронодефицитному атому кислорода описываются
следующей схемой.
R
C O
X
X
C O + X
43
Х – это как правило Н2О и R−COO−. Реакция протекает через синхронное
перераспределение электронов, а не через образование катиона R−O+ (из-за
высокой электроотрицательности кислорода).
Сюда относятся перегруппировки гидропероксидов в кислой среде и
перегруппировка Байера-Виллмгера.
Двухстадийные 1,2-перегруппировки. Такого типа перегруппировки
проходит сначала через образование циклического переходного состояния с
последующей миграцией.
W
W
A
B
A
B
W
Nu
A
B
Nu
X
К ним относятся, например, перегруппировка Фаворского.
H
R1
R3
C C C
R5O
R4
R1 R3
R5O
C C C
O
R2 O X
R4
R2 H
Cl
COOR
+ OR
O
С применением меченых атомов было обнаружено, что реакция не явялется
сигматропной перегруппировкой.
Cl
Cl
O
COOH
O
O
O + OH
OH
H
Миграция амногруппы, например в перегруппировке Небера также проходит
через циклическое состояние.
O
Br
Ph
OH2
CH CH COPh
Ph
N
CH CH COPh
N
N
O
O
Ph
CH CH COPh
OH
Или:
RCH2
C
R'
N OTS
OEt
R CH C
R'
NH2 O
Электрофильные перегруппировки.
44
К электрофильным перегруппировкам относятся процессы, в которых
мигрирующая группа переходит к электроноизбыточному центру.
К ним относятся:
Перегруппировка Стивенса
R
Z CH2
N
R
NaNH2
R
R
ZCH N R
R
Z CH NR2
R
Предполагается, что по механизму эти перегуппировки
радикальными диссоциативно-рекомбинационными процессами:
CH3
CH3
Z CH N CH3
CH3
Z CH N CH3
CH3
CH3
являются
CH3
Z CH N CH3
Z CH N CH3
CH3
CH3
Радикальные пары обнаруживаются и с помощью ПМР и методом ХПЯ.
Валентная таутомерия.
Она хорошо изучена для полициклических структур:
;
CN
200C
CN
CF3
CF3
Валентную таутомерию нельзя путать с резонансными структурами. Если
резонансные структуры эквивалентны, то валентные таутомеры не обязательно
будут эквивалентными. Например, в последнем случае между циклогептатриеном
и норпарадиеном при 20С существует быстрое равновесие, хотя данные
структруы не являются эквивалентными.
Термические радикальные перегруппировки.
Примеров перегруппировок для радикалов известно гораздо меньше, чем для
карбкатионов. Это объясняется двумя причинами: 1)разница в энергии между
первичными, вторичными и третичными радикалами гораздо меньше, чем между
соответствующими карбкатионами; 2) 1,2-миграция в карбкатионах происходит
через ароматическое Хюккелевское состояние, тогда как миграция в радикалах
является трехэлектронным процессом и в переходном состоянии неспаренный
электрон находится на разрыхляющей орбитали:
разв. МО
R
C
C
связ. МО
R
C
C
Поэтому в радикальных процессах в радикале миграции Alk реакции
выгодное идти через стадию отщепления-присоединения, а не через циклическое
переходное состояние. При миграции ароматическое радикала из-за стабилизации
с участием ароматического кольца реализуется и трехцентровое состояние.
45
C
C
C
C
C
C
Перициклические реакции циклоприсоединения.
Простейший реакцией циклоприсоединения является димеризация этилена с
образованием циклобутана, ее удается осуществить лишь фотохимически (при
термической активации она не происходит). Для того, чтобы объяснить это с
точки зрения теории возмущения орбиталей рассмотрим что происходит при
взаимодействии двух молекул этилена:
этилен

этилен



Из двух π-связей молекул этилена образуются две σ-связи молекулы
циклобутана. При циклоприсоединении орбитали двух π-связей превращаются в
орбитали двух σ-связей.
При взаимодействии двух молекул этилена образуется начальный комплекс –
димер (CH2=CH2)2 – тесная пара двух молекул этилена сближенных настолько,
что стало возможно взаимное возбуждение орбитлаей. Однако возбуждение это
мало и различие между энергией начального комплекса и двух изолированных
молекул этилена мало.
При димеризациии этилена π и π* орбитали взаимодействуют следующим
образом:
π и π* не могут взаимодействовать по симметрии. А раз невозможно π-π*
взаимодействие, то могут возмущаться две пустые π*-π* или две заполненные π-π
орбитали и поэтому в комплексе СН2=СН2 будут отталкиваться друг от друга. Т.е.
в основном электронном состоянии при термической активации молекулы
этилена будут отталкиваться. И действительно этилен димеризуется только
фотохимически. При фотохимической активации один из электронов π-орбитали
переходит на π* уровень и в реакцию вступает возбужденная и невозбужденная
молекула этилена:
СН2=СН2 + (СН2=СН2)* → циклобутан
Если возбужденная молекула находится в триплетном состоянии, то
диаграмма расщепления будет выглядеть следующим образом.
46




 


Это состояние является триплетным бирадикалом, который в ходе реакции
претерпевает инверсию в синглетный бирадикал, вступающий во взаимодействие.
основное состояние
СH2 CH2 + CH2 CH2
основн.
возб. сост
сост.
Реакция Дильса-Альдера.
В реакции Дильса-Альдера участвуют шесть π-орбиталей (4π-орбитали
бутадиена или другой 4s-сопряженной диеновой системы и две π-орбитали
олефина).
Строение орбиталей.
 



бутадиен
этилен
Исходя из строения граничных орбиталей очевидно, что эта реакция
разрешена в основном состоянии и, следовательно, может проходить термически.
В то время как в возбужденном состоянии реакция маловероятна.
Из рассмотрения этих примеров и других аналогичных случаев становится
очевидным, что если реакция запрещена в основном состоянии, то она разрешена
в возбужденном и проходит фотохимически. И наоборот, для реакций,
разрешенных в основном состоянии, проходящих термически, маловероятен
фотохимический вариант.
47
Смысл разрешенная и запрещенная состоит в том, что «запрещенная» будет
иметь намного большую энергию активации по сравнению с «разрешенной».
Запрещенные по симметрии перициклические (проходящие через циклическое
переходное состояние) реакции могут идти иными путями – например, через
цвиттерионные или бирадикальные интермедиаты.
Таким образом, при анализе запрещенности или разрешенности
перциклических реакций решающее значение имеет энергия промежуточного
комплекса. Если она меньше суммарной энергии реагентов, то реакции
циклоприсоединения протекают достаточно легко.
При анализе перциклических реакций применяют несколько методов, одним
из которых является метод корреляционных диаграмм молекулярных орбиталей.
В этом методе рассматривается изменение энергии участвующих в реакции
орбиталей при превращении реагентов в продукты реакции. Для построения
корреляционной диаграммы необходимо:
1) определить элементы симметрии. В качестве примера рассмотрим реакцию
циклопррисоединения этилена. Если приближенно считать, молекула
циклобутана плоская (на самом деле один из атомов выходит из плоскости на
20), то элементами симметрии являются вертикальная σ и горизонтальная σ′
плоскости и ось второго порядка С2, перпендикулярная плоскости, при этом σ и σ′
симметрия 2(СН2=СН2) и (СН2)4 описывается полностью.
2. Определение симметрии участвующих в циклоприсоединении орбиталей,
причем СН2=СН2 рассматривается не как отдельная молекула, а как ансамбль
двух молекул, учасвутющих в реакции циклоприсоединения. Две нижние МО
2(СН2=СН2) образуются по принципу: нижняя π+π′, более высокорасположенная
π-π′. На них будут располагаться 4π электрона в основном электронном
состоянии. Две верхние образуются из π* и π* перекрыванием в сн-фазе т антифазе. Таким образом, пара сближающихся молекул этилена описывается
четырьмя орбиталями.
Лекция №6
Для молекулы, образующегося циклобутана МО орбитали образуются σ±σ' и
*
σ +σ*.
''
E
3) этап – нанесение на диаграмму корреляционных линий, связывающих
каждую орбиталь реагента со строго определенной орбиталью продукта. При
нанесении корреляционных линий используют принцип сохранения орбитальной
симметрии Вудварда. Это означает, что в ходе реакции симметричные
(относительно какой-то операции симметрии) орбитали реагента переходят в
симметричные (относительно той же операции симметрии) орбитали продукта. А
48
антисимметричные – соответственно в антисимметричные. Следовательно,
корреляционные линии должны соединять те же орбитали реагента и продукта,
которые имеют одинаковую симметрию.






Элементы симметрии

'
'
'
Особенностью диаграммы является то, что связывающий уровень реагента
коррелируется с разрыхляющим уровнем продукта, и наоборот разрыхляющий
уровень продукта коррелируется со связывающим уровнем реагента. Получается,
что основное состояние этилена коррелируется с дважды возбужденным
состоянием
циклобутана.
Это
ознанчает,
что
для
превращения
2СН2=СН2
ЦИКЛОБУТАН существует барьер в обоих направлениях. Если же
фотохимически один электрон переведен на несвязывающий уровень, то такого
барьера нет. Потому что, если возбужденное состояние реагента коррелируется с
возбужденным или основным состоянием продукта, или если основное состояние
реагента коррелируется с основным состоянием продукта, то численное значение
энергии активации, связанное с орбиталной симметрией будет невелико.
Наоборот, если основное состояние реагента коррелируется с возбужденным
состоянием продукта – это сильно повышает энергию активации. Поэтому для
этилена возможна только фотохимическая димеризация.
Для реакций [4+2] – циклоприсоединения коррелируется основное с
основным и возбужденное с возбужденным состоянием. Реакция разрешена
термически.
Чтобы сформулировать правила отбора для реакций циклоприсоединения,
необходимо посчитатаь общее число электронов N, принимающих участие в
образовании циклического переходного состояния в случае (4q+2) при q=0, 1, 2…
реакции разрешены термически, а при 4r, где r=1, 2… - разрешены
фотохимически.
Неперециклическое [4+2] циклоприсоединение.
49
В большинстве случаев реакции [4+2] циклоприсоединения явялются
согласованными процессами. В некоторых случаях реакции могут идти по иному
пути через образование цвиттер-ионных или бирадикальных интермедиатов.
+
CN
CN
CN
CN
NR2
CN
NR2
CN
NR2
Или:
Me2N
NMe
+
O
NMe2
CH3
O
цвиттер-ион
Ретроконденсации.
Ретроконденсация Дильса-Альдера известна также давно, как и сама реакция
[4+2] циклоприсоединения. Существует правило, чем труднее идет реакция
Дильса-Альдера, тем легче протекает реакция ретроконденсации и наоборот, если
цикл образуется легко, то обратная реакция идет трудно. Классическим примером
ретроконденсации Дильса-Альдера явяляется получение циклопентадиена из его
димера.

2
Очень часто ретроконденсацию используют в сочетании с прямой реакцией
Дильса-Альдера. Это дает возможность получить многие трудно доступные
соединения.
Например:
O
O
+
O
O
H2O2
OH
O
O
4200C
O
O
+
O
Согласно принципа обратимотси ретрореакция должна идти через
переходное состояние, аналогично прямой реакции. Доказательством того, что
ретродиеновые процессы действительно относятся к перицицклическим реакциям
50
служит то факт, что диен-диазогомонорборнен легко отщепляет азот при -10°С,
давая циклогексадиен-1,3, в то время как насыщенный аналог лишь при 200°С
дает ациклическое соединение.
N
N
+ N2 ;
-100C
2000C
N
+ N2
N
Заменой двойной связи может служить циклопропановый фрагмент.
N
0
25 С
+ N2
N
1,3-Диполярное циклоприсоединение.
Если вместо бутадиена в реакцию с алкеном ввести аллильный анин, то такая
реакция приводит к аниону циклопентана, а в реакции участвует 4+2 электрона, а
она моделирует реакцию Дильса-Альдера и проходит по супраповерхностному
пути. Взаимодействие протекает через следующее взаимодействие граничных
орбиталей.
Корреляционная диаграмма очень похожа на диаграмму [4π+2π] ДильсаАльдера. Отличие состоит лишь в том, что в реакции Дильса-Альдера образуется
двойная связь, а в реакции 1,3-диполярного присоединения – несвязывающая рорбиталь, с отрицательным зарядом. Реакции с участием аллильного катиона или
подобных ему реагентов встречаются нечасто. Однако известно достаточно число
нейтральных трехатомных реагентов изоэлектронных аллильному катиону, т.е. с
распределенными четырьмя электронами между тремя центрами. Такие
стабильные или нестабильные частицы, представляющие собой систему из трех
атомов, между которыми распределены 4π-электрона называются 1,3-диполями.
Их можно выделить в свободном виде или получить в ходе химической реакции.
Хемотропные реакции циклоприсоединения.
Например
+ SO2
t
X
O
S
O
x
перех.сост.
[2+2] циклоприсоединение – это реакции образования трехчленных циклов
взаимодействием с двойной связью карбенов и нитренов:
R
C C
+ CH2
;
+ NR
N
азиридины
Присоединение карбена нестереоспецифично, как об этом было сказано
раньше, потому что идет через бирадикал триметилена, а присоединение
дигалокарбенов идет как реакция 2+2 типа с участием синглетных карбеноав и
стереоспецифично.
51
CH2 + H2C CH2
CH2
Cl
CCl2 + CH2
CH2
CH2
Cl
CH2
Двухэлектронные электроциклические реакции.
Простейшая из них:
Они используются для расширения циклов.
Cl
+ CHCl
1200C
дигидрооксепин
O
O
O
Br
CHBr
Ag+
t
OH
Ценность этой реакции в том, что легко можно получать средние циклы.
Трехцентровые четырехэлектронные реакции.
C
;
Защитные группы в огранической химии.
В препаративной орагнической химии часто прибегают к временному
блокированию или защите тех функциональных групп, которые могут
участвовать в реакциях, проводимых по другим группам молекулы. Многие из
этих защитных групп нашли применение в промышленной органической химии.
Защита спиртовых групп.
а) в виде простых эфиров. Эта реакция наибольшее значение имеет в химии
углеводов. Их метилируют диметилсульфатом или CH3I в сильно щелочной среде.
Обычно ее трудно снять и она применяется в основном для идентификации
углеводов.
б) трет-бутилная защита.
ROH + Me2C CH2
H+
ROCMe3
Наиболее подходящий катилизатор – концентрированная серная кислота и
BF3−H3PO4. Полученные эфиры устойчивы к действию щелочей, но
расщепляются кислотами.
в) аллиловые эфиры.
ROH + CH2
CH
CH2Br
NaOH
ROCH2CH CH2 t-BuOK
DMSO
ROCH CH CH3
После изомеризации (сами аллильные эфиры устойчивы) они легко
расщепляются HgCl2.
г)бензиловые эфиры.
52
ROH + C6H5CH2Cl KOH
бзл.
R O CH2C6H5
,
устойчивы к действию щелочей и кислот, NaIO4, Pb(OAc)4, но легко
расщепляются Н2/Pd.
д) триплетная защита широко используется для защиты первичных групп,
особенно она активна в химии сахаров.
Py
ROH + Ph3CH
1000C
ROCPh3
CH2OCPh3
CH2OH
O
O
OH
OMe
HO
+ Ph3CCl
OH
OMe
HO
OH
OH
Тритоловые эфиры легко кристаллизуются. Очищенные таким образом
соединения гидрируют для снятия тритильной защиты.
е) триметильная защита.
ROH + Me3SiCl → R−OSiMe3 легко перегоняются. Снимается гидролизом в
кислой среде.
ж) ацетали и кетали
H
POCl3
или HCl
+ ROH
O
O
Or
Защита устойчива к сильным щелочам; реактивам Гриньяра,
аликилгалогенидам и LiAcH4, но легко снимается гидролизом в кислой среде.
и) ацетаты.
ROH + AcCl (Ac2O + Py)
ROAc
Ацетаты легко гидролизуются как основаниями так и кислотами.
к) бензоаты и нитробензоаты имеют преимущество перед ацетатами из-за
легкой кристаллизации. Снимается также как и ацетальная.
ROH + Ph
C
O
Py
Cl
O
R OCPh
л) формиаты. Эфиры муравьиной кислоты и спиртов получают обработкой
90%-ной НСООН в присутствии HClO4 и MeOH.
ROH + HCCOH
HClO4/MeOH
O
H C
R
Основная ценность этой защиты состоит в том, что, как правило ее можно
удалить избирательно, не затрагивая имеющихся в молекуле других защитных
групп действием бикарбоната калия в водном метаноле.
м) трифторацетаты. Устойчивость ацетильной защиты к гидролизу,
катализируемому основаниями можно понизить заменой трех атомов водорода в
ацетате на галоген:
53
Py
ROH + (CF3CO)2O
RO CCF3
O
Она удаляется обработкой бикарбонатом калия в водном метаноле
Защита карбонильных групп.
Карбонильная группа в альдегидах и кетонах одна из наиболее
чувствительных функциональных групп в органической химии и поэтому
большое внимание уделяется ее защите. Основные требования к защитным
группам для альдегидов и кетонов следующие: они должны легко вводиться, быть
инертными к нуклеофильным реагентам и легко удаляться.
1) ацетали и кетали.
R C
R'
+ HOCH2CH2OH
R C R'
O
O
H+
H2C
O
CH2
Диоксалановая защита наиболее часто применяемая из защитных групп
альдегидов и кетонов. Она устойчива в щелочной и нейтральных средах. Она
легко удаляется в слабокислой среде. Ациклические ацетали и кетали получают в
основном из альдегидов.
R CHO + CH3OH
R C
R'
+ HC(OEt)3
O
/
NH4Cl H2O
R CH
OCH3
Очень мягкий метод
OCH3
R C R'
EtO
OEt
2) тиоацетали и тиокетали.
+
R C
R'
O
H
+ HOCH2CH2SH
или ZnCl2
R C R'
O(S) S
Можно использовать BF3. Получающиеся соединения устойчивы не только в
щелочных, но и в слабокислотных средах. В спиртах при действии сильных
минеральных кислот они расщепляются достаточно легко. Их можно снять
гидрированием в спиртах действием H2/Ni−Re.
3) енолы и ен-амины.
R C CH2R' + Me3SiCl
O
R C CH R'
OSiMe3
R C CH2R' + Et2NH
R C CH R'
NEt2
O
4) оксимы.
С O + NH2OH
NEt2
C N OH
Это хорошая защитная группа, однако удалять ее достаточно трудно.
Гидролиз проводят в кислых условиях как правило в присутствии другого
54
карбонильного соединения, можно снимать окислением, в том числе действием
озона.
5) циангидринная защита, ее часто применяют для стероидов, где оксофункции в силу стерических причин по разному реагируют с HCN.
R C
R C R'
HO
CN
R' + HCN
O
Защита карбоксильных групп. При проведении органических синтезов часто
необходимо защитить карбоксильную группу, чтобы осуществить химические
трансформации не затрагивать ее 1) в виде эфиров. В качестве мягких
метилирующих агентов ( на считая получения эфиров по Фишеру и действием
диазометана) являются :
CH3
2R COOH +
RCOOH
+
N
CH3
N
OCH3
CH3
OCH3
O
CH3
C
N
N
C O + 2RCOOCH3
O
R
CO2
C
N
N
+
CH3OH
RCOOCH3
Сложно-эфирные группы снимаются нагреванием с водным ацетоном в
щелочной среде. Часто в качестве защитных групп применяют бензиловые эфиры,
которые устойчивее алкиловых эфиров и снимаются при гидрировании в
присутствии Pd/C.
Защита кратных связей.
1) Гидрохлорирование или получение галогенгидринов.
R CH CHR'
Cl2/H2O
+ HCl
R CH2
R CH CH R'
CH R'
Cl
OH Cl
Регенерацию осуществляют в первом случае действием Zn/Cu – пары, во
втором случае переводят в эпоксид и регенерируют действием трифенилфосфина,
или Zn и NaI.
Для защиты олефинов можно использовать обратимость реакции ДильсаАльдера.
Таутомерия и двойственная реакционная способность.
Термин таутомерия был введен Лааром. Словом таутомерия он обозначал
явление, при котором вещество вступает в химические реакции в соовтетствии с
возможными двумя формулами, т.е. по существу обладает двойственной
реакционной способностью. Однако правильнее описывал это явление Бутлеров,
объясняя его динамической изомерией. К ним относятся кето-енольная
таутомерия.
55
CH C OH ; CH3C C CH2C6H5
CH C O
CH3C C CH2
C6H5
O OH
O O
Кето-енольные таутомеры (например ацетоуксусный эфир) при низких
температурах устойчивы и не превращаются друг в друга при обычной
температуре таутомерные превращения протекают легко.
Изомерные соединения, устойчивые при обычных условиях способны к
взаимному превращению, например при действии катализаторов.
Например:
CH2
OH
CH CH2COO
CH3
CH CH COO
Фаворский обнаружил, что бромистый пропил и бромистый изопропил,
являющееся при обычных условиях устойчивыми изомерами, при нагревании при
250°С в запаянной трубке образуют равновесную смесь:
0
CH3
CH2
CH2
Br
250 C
CH3
CH
CH3
Br
Из приведенных примеров следует, что между явлением таутомерии и
изомерии не существует четкой границы. Вещества изомерные при определнных
условиях, могут быть таутомерами при других.
Подавляющее большинство изученных таутомерных превращений носит
гетероциклический характер. Если в ходе таутомерных превращений в молекуле
происходит перемещение в виде катионов – это катионотропная таутомерия, если
в виде анионов – анионотропная таутомерия.
В соответствии с кинетическими механизмами, таутомерные превращения
разделяются на бимолекулярные и тримолекулярные. Мономолекулярные
таутомерные превращения не зафиксированы. При тримолекулярных процессах
таутомерные превращения проходят по гетеролитческому механизму однако
органического иона в явном виде не образуется. Сюда относятся многие виды
трехуглеродной таутомерии, например:
C6H5
C6H5
C6H5
CH CH CH C6H5
C6H5
C CH CH2 C6H5
а также таутомерия оснований ШИффа.
Ph
CH N CH
Ph
Ph
Ph
C
Ph
N CH2
Ph
Изомеры этих соединений вполне устойчивы при обычных условиях, но в
спиртовом растворе под действием алкоголятов натрия происходит их
таутомеризация и устанавливается равновесие двух таутомеров. Таутомерные
превращения представляют собой тримолекулярный процесс – одновременная
атака вещества алкоголят-ионом и спиртом.
56
Ph
Ph
Ph
C N CH
H
Ph
Ph
H
RO
C N CH C6H5 + ROH + RO
H
OR
Анионтропная таутомерные превращения 1,2- и 1,4-дибромбутенов также
предсатвляетсобой тримолекулярную реакцию.
СH2
CH CH CH2
Br
Br
Br
СH2
+
CH CH CH2 + HBr + H
Br
H
Br
+
H
Наиболее распространенными
превращения, а именно:
N C
прототропные
таутомерные
лактам-лактимная таутомерия
N C
H O
С
являются
OH
С
C
- кетимид-енаминная таутомерия
C
NH2
H NH
С N
- нитрого-изонитрозо таутомерия
С N
H O
OH
С
C
С N
C N H таутомерия цианогруппы
H
Механизм прототропных превращений:
CH C O
CH C O
H+
OH
-H+
C C OH
C C OH
C
C
O
+H+
катализ Н+
C C OH
Механизм анионтропных превращений .
На
основании
взаимных
превращений
α-фенилаллилового
C6H5CH(OH)CH=CH2 циннамилового C6H5CH=CHCH2OH спиртов Бартоном и
Ингольдом сформулирован ряд общих положений о механизме анионтропных
превращений.
Оказалось, что n-нитробензоат α-фенилаллилового спирта при кипячении в
Ac2O гладко превращается в n-нитробензол циннамилового спирта:
C6H5−CHX−CH=CH2 → C6H5−CH=CH−CH2X (X = n−O2NC6H4COO)
Поскльку в присутствии уксуснокислого тетраметиламмония образуется
смесь циннамил−n−нитробензоата и циннамилацетата, ясно, что в входе
превращения происходит полное отщепление Х¯ и образование кинетически
57
независимого катиона. Анионтропное превращение, следовательно, может быть
изображено следующим образом:
R CHX CH CH2
[R CH
CH
+
CH2]
R CH CH CH2X
+ X
Анионтропное превращение облегчается тремя факторами:
1, Способностью образовывать устойчивый анион. Так, спирты (Х=ОН) не
способны к таутомерии, в то время как эфиры уксусной кислоты (Х=ОСОСН3), и
галогениды (особенно бромиды) способны к анионтропии.
2. С увеличением ионизационной силы среды протекание анионтропных
превращений облегчается .
3. Анионтропия облегчается с возрастанием электронодонорных свойств
радикала R.
H < CH3 < C6H5 < nCH3C6H4, что объясняется устойчивостью катиона
[R
+
CH CH CH2]
Механизм анионтропных превращений в протонодонорных растворителях
близок к механизму мономолекулярного нуклеофильного замещения SN1.
Анионтропные превращения, протекающие в анионтропных растворителях
или без растворителя, имеют, по-видимому, иной механизм.
CH
CH
R
CHR
*CH
R
*
CHR
C
H X
X
Чаще всего они идут по усредненному механизму.
Таутомерное равновесие характеизуется положением и скоростью его
установления в различных средах. Большое влияние на таутомерное равновесие
оказывает характер растворителя и вид применяемого катализатора. Но прежде
всего, конечно структура субстрата.
Вещество
Время взаимопревращений
OH
O
Равновесие устанавливается практически мгновенно
N
N
H
CH3
CCH2COOC2H5
OH
O
CH3
C CH
O
CH3C CHCOOC2H5
COC6H5
COC6H5
O
CH3
C CH CC6H5
OH CC6H5
O
Равновесие устанавливается через
20-30 минут при комнатной
температуре
Равновесие устанавливается в
течение
нескольких
недель.
Изомеры устойчивы при обычных
условиях.
58
Опытным путем установлены закономерности таутомерного равновесия в
разбавленных растворах. Мейером показано, что константа таутомерного
равновесия пропорциональна константе енолизации данног вещества и константе,
характеризующей енолизующую способность данного растворителя:
kT=EL (ф-ла Мейера)
где kT – константа таутомерного равновесия,
Е – константа енолизации,
L – константа, характеризующая енолизующую способность растворителя.
Для ацетоуксусного эфира, принятого за стандартное вещество E=1.
Тот факт, что растворитель оказывает влияние на енолизацию видно из
следующей таблицы.
Содержание енольной формы в растворах ацетоуксусного эфира в различных
растворителях.
Вода
40 %
CH3Cl
8,2
25% МеОН
0,83
Нитробензол
10,1
50% EtOH
2,18
Этилацетат
12,9
MeOH
6,87
Бензол
16,2
EtOH
10,52
Диэтиловый эфир
27,1
PrOH
12,45
Сероуглерод
32,6
Ацетон
7,3
Гексан
46,4
ЛЕКЦИЯ №7
Второе важное соотношение, характеризующее таутомерное равновесие в
разбавленных растворах – уравнение Димрота.
L
kT  G e
Lk
KT – константа таутомерного равновесия,
Lк и Lе – растворимости кетонной и енольной формы в данном растворителе,
G – константа, характерная для данного растворителя.
Многочисленные данные исследования таутомерного кето-енольного
равновесия в расвторах свидетельствует о том, что оно представляет собой
кислотно- основное равновесие двух ксилот: кетона и енола, образующие при
ионизации одни и те же, общие им обеим, анионы енолятного строения. Переход
протона от кетона к енолу и обратно осуществляется при участии растворителя
или катилизатора. С физико-химической стороны таутомерное кето-енольное
равновесие явялется сложным случаем кислотно-основного протолитического
равновесия в растворе. Оно отличается от обычного кислотно-основного
равновесия: 1) одному роду анионов соответствует две кислоты и, следовательно
анион обладает двумя константами основности (присоединение протона к двум
различным центрам аниона); 2) одна из форм, участвующих в равновесии
(кетонная форма) является псевдокислотной, ионизация которой протекает
медленно. В остальном к этим процессам применимы общие закономерности
кислотно-основного равновесия.
Частным случаем таутомерии является:
59
2. Получение новых знаний в области синтеза биологически активных
веществ, включение полученных знаний в спецкурсы магистров и в отдельные
разделы оргнической химии, химии пищи, химии пищевых и биологически
активных добавок, медицинской химии.
3. Разработка новых схем синтетических трансфрмаций природных
биомолекулс целью создания базы данных о биологической активности
структруных аналогов.
4. Направленный синтез физиологически активных соединений на основе
доступного возобнавляемого сырья.
2.1. Краткий обзор состояния научно-технической проблемы (сравнение с
отечественным и зарубежным уровнем).
Несмотря на богатый спектр биологической активности веществ,
содержащихся в отходах сельскохозяйственного производства, интерес к ним как
альтернативному источнику флавоноидов, липидов, сахаристых веществ
относительно невелик. Только треть получаемой в год лузги гречихи
используется в гидролизной промышленности, освоены методы получения
пищевого красителя (патент 2086588 Россия), есть данные по ее применению при
производстве пива (Пищевая технология, 2004, №4,с.38). Освоены и внедряются
некоторые процессы с использованием микроскопических грибов, а именно:
производство продуктов кормового назначения, микробиологический синтез
антибиотиков (Вестник МГУ, сер. Биология, 1996г. №1, с.61-70, патент США
S702929). Однако эти работы проводятся в основном на соевой муке и сложных
углеводных средах. Для отходов масличного производства предложено получение
концентрата лицитина и жома подсолнечника. Отличается высокий
терапевтический эффект продуктов окисления оливкового, облепихового и
подсолнечного масла (Озон 2005). Тем не менее систематических исследований
по комплексной переработке отходов масличных культур (подсолнечника, тыквы,
калины), стварок и вегетативной массы гречихи, овса и ряда других отходов
зерновых производств, по целенаправленным химическим трансформациям в
60