Органическая химия€¦ · М. Хараш (1933) присоединение hbr...
TRANSCRIPT
Российский национальный исследовательский
медицинский университет им. Н.И. Пирогова,
г. Москва
Органическая химия
Курс лекций
для студентов фармацевтического факультета
Бауков Юрий Иванович
профессор кафедры
общей и биоорганической химии
1
Белавин Иван Юрьевич
профессор кафедры
общей и биоорганической химии
Лекция 05
Ненасыщенные углеводороды (1).
Алкены и их реакционная способность
Исходный уровень к лекции 06
– алкены (школьный курс);
Исходный уровень к лекции 07
– ацетиленовые углеводороды
(школьный курс)
2
● Ненасыщенные и ароматические углеводороды
○ Присоединение галогенов
● Восстановление алкенов
● Приложение: справочный и дополнительный материал
3
● Окисление алкенов
● Алкены и циклоалкены
Алкены и их реакционная способность
● Реакции электрофильного присоединения
○ Присоединение галогеноводородов
○ Особенности присоединения к производным алкенов с
электроноакцепторными группами
– Региоселективность реакций гидрогалогенирования
○ Присоединение воды (гидратация)
○ Присоединение карбокатионов к алкенам
3
CH2=CH2
Этилен
CH2=CH—CH=CH2
1,3-Бутадиен
HC CH
Ацетилен
Бензол Нафталин
Циклопентен
Ненасыщенные и ароматические углеводороды
4
Алкены и циклоалкены
(исходный уровень)
Типичные реакции алкенов – реакции присоединения
5
Алкены ─
Тип реакцииПродукт
СС
Алкен
+ H2O C C
H OH
H+
Реагент
+ Cl2 C C
Cl Cl
+ HCl C C
H Cl
+ H2 C C
H H
Pd
Особенности строения алкенов
6
Реакции электрофильного присоединения
СС + Е+
Результат электрофильного присоединения
с участием -связи
Общая схема реакций присоединения
C C C C
E Y
E Nu
-Связь -Связь
7
C C C C
E Nu
C C
Eмедленно
E+
быстро
Nu–
Реакции электрофильного присоединения AE
C C
C C XXC C
C C XH
C C C C OHH
C C C C OSO3HH
X2
(X = Cl, Br, I)
HX
(X = F, Cl, Br, I)
H2O
H2SO4
Хлорирование
Присоединение галогенов к алкенам
CH CH2 + Cl2CH3CH2 CH3 CH2 CH(Cl) CH2ClCHCl3, 0
oC
CH CH3 + Cl2CHCH3 CH3 CH(Cl) CH(Cl) CH3
CCl4, _10
oC
Быстрое обесцвечивание раствора брома без выделения HBr
– качественная проба на наличие двойной связи.
Бромирование
+ Br2Br Br
H2O или CCl4, 20 C
9
1.
2.
3.
Основные стадии:
Механизм реакции присоединения галогенов к алкенам
алкен
10
CF3—CH=CH2 CH3—CH=CH2 C=CH2
CH3
CH3
CH2=CH2<< < <
Увеличение скорости реакции
(3)(2)+
Br+C
Br
CBr–
Br
Br
СС+
-
СС
Br
Br
(1)
Br2
Выделение галогенониевых солей в индивидуальном виде
Подтверждение существования циклических бромониевых
ионов в растворе жидкого SO2 методом ЯМР 1Н
Строение
установлено
методом
РСА
11
3-бромо-2-метил-2-фторобутан бромониевый ион
C(CH3)2CH3CH
Br F
SbF6
SbF5, SO2 (ж), 60 oC
CH3 CH C(CH3)2
Br
+ 36–40°
Y–
X
соль диадамантилиденгалогенония
X = Br, Y– = Br3–, CF3SO3
–;
X = I, Y– = CF3SO3–
* другие экспериментальные факты в пользу предлагаемого механизма
и энергетическую диаграмму этой реакции см. в Приложении
Равновесие между ионом галогенония и карбокатионом
анти-присоединение с образованием транс-аддуктов
Стереоселективность реакции галогенирования
H H
+ Br2
Br
BrH
H
Стереоселективность –
12
C C
BrBr
C C
+
Br Br
H H
Присоединение галогеноводородов к алкенам
13
• Пропускание газообразных HCl или HBr через алкен или его
раствор в усусной кислоте или нитрометане.
Легкость
присоединения: R2C=CHR ≈ R2C=CH2 > RCH=CHR ≈ RCH=CH2
CH2 CH2 + HBr CH3 CH2 Br
+ HCl Cl
14
Схема механизма реакций гидрогалогенирования
Основные стадии:
(медленная стадия);
(быстрая стадия).
С
Н
Н
С
Н
Н
Н С
Н
Н
С
Н
Н
Cl+ H Cl
С
Н
Н
H С
Н
Н
+
+ Н+
+ Cl-
Эмпирическое правило В.В. Марковникова (1869)
При взаимодействии галогеноводородов и других реагентов типа
НХ с несимметричными алкенами
Региоселективность реакций гидрогалогенирования
Региоселективность –
15
Марковников Владимир
Васильевич 1837 – 1904
(CH3)2C CH2 + HCl(C2H5)2O
C Cl
CH3
CH3
CH2H
CH3 + HBrBr
CH3
H
CH3COOH
Стабильность карбокатионов:
Факторы, определяющие направление реакции
C
карбокатион третичный вторичный первичный
C R
R
R
C H
R
R
C H
R
H
16
а
б
CH3 CH
Cl
CH3
CH3 CH2 CH2Cl
пропен (пропилен)
не образуется
конечный продуктH+
(II) первичный карбокатион
(I)вторичный карбокатион
CH3 CH2 CH2
CH3 CH CH3Cl–
Cl–
+ –CH CH2CH3
Электронный и пространственый факторы
Механизм присоединения галогеноводородов
для случая несимметричных алкенов
TS1, -комплекс
TS2 конечный продукт
17
(CH3)2C CH2 + HBr (CH3)2C(Br) CH2H
CCH3
CH3
CH
H
H Br
Br
CCH3
CH3
CH
HHCCH3
CH3
C H
H(1)
(2)
H
BrBr
Br+(3) C
CH3
CH3
CH
HBr
HCCH3
CH3
CH
HH
(4)
CH3
CCH3
C
H
HH
Br
Энергетическая диаграмма электрофильного
присоединения HBr к несимметричным алкенам Э
н е
р г
и я
К о о р д и н а т а р е а к ц и и
TS2
TS1
18
CCH3
CH3
CH
HBr
H
CCH3
CH3
CH
HH
CCH3
CH3
C H
H
H
Br
Присоединение к алкенам
хлорноватистой и бромноватистой кислот
–Br2 + H2O HBr + HO Br
+
Cl2 + H2O+
HCl + HO Cl–
19
пропен
(пропилен)
–+CH CH2 + Br2 + H2OCH3 + CH CH2 CH3
BrBr
CH CH2 CH3
BrOH
Катализаторы – сильные кислоты (серная, азотная, хлорная)
Присоединение воды (гидратация)
Схема механизма реакции гидратации
20
этилен
CH2 CH2CH3CH2OH
H2O, H+
OH
CH3C CH3
CH3
C CH2
CH3
CH3
H2O, H+
C C C C
H OH
медленно
H+
C C
H
OH H
быстро
–H+
быстро
O
C C
H
21
Региоселективность
реакции гидратации
конечный продукт
не образуется
2-метилпропен
(изобутилен)
H++ –
C CH2
CH3
CH3
б
CH3
CH CH2 OHCH3CH3
CH CH2CH3
H2O; H+
а
OH
CH3C CH3
CH3
CH3
C CH3CH3
H2O; H+
реакции используются для промышленного получения
этилового и изопропилового спиртов
22
Реакция с концентрированной
серной кислотой
CH2 CH2 CH3CH2OHCH3CH2O S OH
O
O
H2SO4
– H2SO4
H2O
CH CH2CH3(CH3)2CHOH(CH3)2CHO S OH
O
O
H2SO4
– H2SO4
H2O
Особенности присоединения к производным алкенов с
электроноакцепторными группами
Пример:
реакции идут в более
жестких условиях
(по сравнению с обычными
алкенами)
23
C C
YC C
X H
Y
Y = COOH, CN, NO2, CF3
HX
CF3 CH CH2 CF3 CH
H
CH2Br+CF3 CH CH2H
Br
фактически не образуется
HBr
Факторы, определяющие направление
антимарковниковского присоединения
24
не образуется
конечный
продукт
H+
бCF3 CH2 CH2 Br
Br–
C CH2 CH2F
F
F +
+–CH CH2C
F
F
F
+
а
Br
CF3 CH CH3
одноименные заряды на соседних атомах
Br–C CH CH3
FFF
+
Особенности реакций присоединения на примере
гидратации ,-ненасыщенных карбоновых кислот
25
CH2 CH COH
O
CH2 CH2 COH
OHO
H2O
(H2SO4, 100 0C)
H+
R CH2 CH COH
O
COH
OCH2CHR C
OH
OCH2CHR
OH
R – алкил, арил
R CH CH COH
O
+
– –+ +
одноименные заряды на соседних атомах
H2O
– H+
26
Современная интерпретация региоселективности
электрофильного присоединения к алкенам
(правила Марковникова)
Механизм присоединения должен включать либо образование
свободного карбокатиона (что на практике наблюдается редко),
либо интермедиата с карбокатионным характером.
Направление присоединения реагентов типа НХ к
несимметричным алкенам
Таким образом правило Марковникова без оговорок
применимо
27
Присоединение карбокатионов к алкенам
Присоединение карбокатионов к алкенам
─ промышленный способ получения «изооктана», используемого для
повышения антидетонационной способности бензина
Обработка 2-метилпропена 60%-ной H2SO4, 70 C
C CH3
CH3
CH3
трет-бутильный катион
ССH2CH3
CH3
2-метилпропен(изобутилен)
"Димерный карбокатион"
1) 2)
"Диизобутилены"
(CH3)3C—CH C(CH3)2 +
H(CH3)3C—CH—C
H
CH2—H
CH3
С(CH3)2СH2
(CH3)C—CH2C(CH3) CH2
R C CH
+ C CR
+ HR C C
H
(CH3)3CCH2CH(CH3)2
2,2,4-триметилпентан ("изооктан")
[H]
присоединение аммиака к акриловой кислоте
28
Реакции нуклеофильного присоединения
I
II
акриловая кислота
CH2 CH CO
OH
H3NCH2 CH CO
OH
CH2 CH(NH3) CO
OH
H3NCH2 CH2 CO
O
NH3диполярный ион
-аминопропионовой кислоты
перенос
протона
+C CNu YNu
(Nu)
+ C C
Y
C CNu Y
H
H+
М. Хараш (1933) присоединение HBr (но не HCl или HI)
Примеры реакций радикального присоединения к алкенам
29
CH CH2 + HBrCH3
(C6H5COO)2
пропен (пропилен)
CH2 CH2 CH3 Br
1-бромопропан бензоил-пероксид
CH CH2RC6H5COO
CHCl3
CBr4
CCl3Br
COCl2CH(Cl) CH2 R C(O)Cl
CH2 CH2 R CCl3
CH(Br) CH2 R CBr3
CH(Br) CH2 R CCl3
Реакции радикального присоединения
Механизм реакций радикального присоединения AR
•
•
•
30
C6H5 C O O C C6H5
бензоилпероксид
2 C6H5 C O
бензоил-радикал
h
CH CH2 CH3 + Br CH CH2Br CH3
вторичный радикал
CH CH2Br CH3 + HBr CH2 CH2Br CH3 + Br
C6H5COO + HBr C6H5COOH + Br
Br + Br Br2
CH CH2Br 2 CH3CH CH CH3 CH3
CH2BrCH2Br
Реакции радикального аллильного замещения
31
N-бромосукцинимид
C CH CH +
CH2C
H2CC
NBr
O
O
CH2C
H2CC
NH
O
O
C CH CBr +
продукт радикального бромирования
в аллильное положение
(C6H5COO)2
пропен (пропилен)
аллилхлорид
CH2 CH CH3 + Cl2 CH2 CH CH2Cl + HCl300 0C
мягкое окисление
жесткое окисление
Эпоксиды
1,2-Диолы
Кетоны
Карбоновые
кислоты
Диоксид
углерода
32
Окисление алкенов
Продукты окисления:
Эпоксидирование
33
этилен этиленоксид
H2C CH2 + 0.5 O2 H2C CH2
OAg, 300 0C
+ CO
O
R
OH
эпоксиды (оксираны)
пероксикислотаалкен
C C
O
C C
+ CO
O
C6H5
OH
H
H
O C6H5COOH
пероксибензойная кислота
1,2-эпокси-циклогексан
циклогексен бензойная кислота
+ CH2Cl2, 25 0C
Гидроксилирование (синтез 1,2-диолов)
Обесцвечивание водного раствора перманганата калия на холоду
реакция Е.Е. Вагнера, 1898
аналогично реагирует OsO4,
для которого удалось выделить промежуточные интермедиаты
34
+ 2 KMnO4 + + 2 KOH+ 4 H2O 2 MnO2320 °С
OH OH
1,2-диолалкен
циклогексен
+ MnO4
H
H
OHOH
циc-циклогександиол-1,2, 37%
циклический интермедиат
H
H
O
OMn
O
O
H2O
Озонолиз
• Окислительный гидролиз озонидов —
• Восстановительный гидролиз озонидов
35
C C
алкен
+ O3
O
C
O
C
O
озонид
CH2 CH C2H5
O
H2C
O
C
O
C2H5
HH2C O + C C2H5
O
H
бутен-1 формальдегид пропаналь
O3 Zn, H2O, CH3COOH
O
RHC
O
C
O
R'
R"RCOOH + R' C R"
O
озонид карбоновая кислота
кетон
H2O2, CH3COOH
Жесткое окисление
Сильные окислители при нагревании (KMnO4/H+, K2Cr2O7, CrO3, HNO3)
• Ненасыщенный атом углерода, связанный с двумя органическими
радикалами, превращается в
Примеры реакций жесткого окисления:
36
2-метилбутен-2
C CHCH3
CH3
CH3CH3 C CH3 + CH3COOH
O
ацетон уксусная кислота
[O]
+
олеиновая кислота
CH3(CH2)7CH CH(CH2)7COOH CH3(CH2)7COOH HOOC(CH2)7COOH
нонановая кислота азелаиновая кислота
HNO3
(CH3)2CH(CH2)3CH CH CH2
CH3
(CH3)2CH(CH2)3CH COOH
CH3
+ CO2
3,7-диметилоктен-1 2,6-диметилоктановая кислота, 45%
KMnO4, H3O+
Каталитическое гидрирование
Стереоселективность реакции гидрирования
37
CH2 CH2 + H2
этилен
CH3 CH3
этан
Ni, 100 °C
+ H2CH3
CH3
CH3
CH3
HH
1,2-диметилциклогексен цис-1,2-диметилциклогексан, 82%
PtO2, CH3COOH, 25 0C
O
циклогексен-1-он-3
+ H2
O
циклогексанон
Pd/C, C2H5OH
Восстановление алкенов
C C +
алкен
H H
продукт восстановления
катализатор
H
C C
H
38
пропен 1,2-дибромопропан, 99%
циклогексен транс-1,2-дибромоциклогексан
CH CH2 + Br2CH3 CH3 CH(Br) CH2BrCCl4, 0
oC
+ Br2
Br
Br
CCl4, 0 oC
Дополнительный экспериментальный материал
по присоединению галогенов к алкенам
Приложение
(справочный и иллюстративный материал)
Экспериментальные факты, свидетельствующие в пользу предлагаемого механизма AE
присоединения галогенов к алкенам
39
C CHCH3
CH3CH3
+ Br2
Cl
(CH3)2C CH
Br
CH3
3-бромо-2-хлоро-2-метилбутан 2-метилбутен-2
LiCl в спирте
CH CH2 + R CH CH2 R I
Cl
I+ Cl
Присоединение брома к малеиновой и фумаровой кислотам
Стереоселективность присоединения
в случае -диастереомеров
C
C
COOHH
H COOH
(цис-бутендиовая кислота)
малеиновая кислота
2,3-дибромоянтарная кислота (рацемат)
Br
C
C
COOHH
HOOC H
BrBr C
C
H
COOHH
HOOC Br
Br
a b
a
b+
HOOC
C
C
H
BrH
Br COOH
R
RS
SBr Br
Br
C
C
COOHH
H COOH
Br Br
ba
a
b
+C
C
H
HCOOH
HOOC Br
Br
R
S
H
C
C
H
Br
Br COOH
HOOC
RS
фумаровая кислота
мезо-2,3-дибромоянтарная кислота
(транс-бутендиовая кислота)
C
C
COOHH
HOOC H
Br Br
40
Механизм присоединения галогенов
для случая несимметричных алкенов
(CH3)2C CH2 + Br2 (CH3)2C(Br) CH2Br
1,2-дибромо-2-метилпропан 2-метилпропен(изобутилен)
субстрат TS1, -комплекс реагент бромониевый ион
TS2
TS1 > TS2 конечный продукт бромониевый ион
CCH3
CH3
CH
H
Br Br
Br
CCH3
CH3
CH
H
Br
CCH3
CH3
C H
H
Br
Br
(1)
(2)
Br
Br
CCH3
CH3
CH
H
Br
+(3) (4)
CCH3
CH3
CH
H
Br
Br
C
CH3
CH3
CH
H
Br
41
Э н
е р
г и
я
К о о р д и н а т а р е а к ц и и
Энергетическая диаграмма электрофильного
присоединения брома к несимметричным алкенам
исходные
соединения
продукты
реакции
TS2
TS1
бромониевый
ион
TS1 > TS2
CCH3
CH3
CH
H
Br
Br
CCH3
CH3
CH
H
Br
42
CCH3
CH3
C H
H
Br
Br
Важные экспериментальные факты (1)
Влияние алкильных заместителей на легкость присоединения HHal
Перегруппировки с 1,2-миграцией алкильной группы
R2C=CHR ≈ R2C=CH2 > RCH=CHR ≈ RCH=CH2
(согласуются с механизмом, включающим образование карбокатионов
в стадии, определяющей скорость реакции)
43
CH CH2(CH3)3C
трет-бутилэтилен
CH3
HCl
(CH3NO2)
Cl CH3 C CH
CH3
CH3
CH3
Cl
CH3 C CH
CH3
CH3
CH3
нормальный продукт присоединения, 17%
аномальный продукт присоединения, 83%
ClCH3 C CH
CH3
CH3
CH3Cl
CH3 C CH
CH3
CH3
CH3
Кинетика гидрогалогенирования алкенов
Важные экспериментальные факты (2)
= k[алкен] [HHal]2
Стереохимия гидрогалогенирования алкенов
(включает две последовательные стадии,
поскольку одновременное столкновение трех молекул маловероятно)
образование продуктов анти-присоединения
(в случае промежуточного образования карбокатиона следовало ожидать
получения смеси цис,транс-изомеров конечного продукта)
CH3
Br
CH3
H+ HBrCH3
CH3
1,2-диметилциклогексен транс-1-бромо-1,2-диметил-
циклогексан
44
Механизм присоединения галогеноводородов
к несимметричным алкенам, не включающий промежуточное
образование карбокатионов
реакция протекает как анти-присоединение: алкен взаимодействует с первой
молекулой HHal, являющейся источником протона, и практически одновре-
менно со второй молекулой HHal источником галогенид-иона, располага-
ющейся со стороны, противоположной той, откуда приходит протон.
в результате одна молекула HHal играет роль электрофильного, а вторая
молекула HHal нуклеофильного реагента.
(CH3)2C CH2 + HCl (CH3)2C(Cl) CH2H
2-хлоро-2-метилпропан 2-метилпропен(изобутилен)
45
C C
Br H
Br H
H Br
H
C C
Br
Более детальная схема механизма гидратации алкенов
(CH3)2C CH2
2-метилпропен(изобутилен)
+ H2O10% H2SO4, 25 0C
(CH3)2C CH3
OH
2-метилпропанол-2
субстрат TS1
реагент
интермедиат I
(карбокатион)
TS3
TS1 > TS2 >> TS3
интермедиат II
(ион оксония) конечный
продукт
TS2
HO
C
CH3
CH
H
H
H3C
H2O
(4)C
CH3
CH3
C H
H
HO
H H
CCH3
CH3
C H
H
HOH H
H O H
CCH3
CH3
C H
H
HOH H
H O H
H3O+
(5)
46
H2O
(3)CCH3
CH3
CH
H (1)
H OH
H CCH3
CH3
C H
H
H
H2O
(2)C
CH3
CH3
C H
H
H
O
H
H
Э н
е р
г и
я
К о о р д и н а т а р е а к ц и и
исходные
соединения продукты
реакции
TS2
TS1
интермедиат
TS1 > TS2 >> TS3
Энергетическая диаграмма электрофильного
присоединения H2O к несимметричным алкенам
TS2
TS3 интермедиат I
(карбокатион)
интермедиат II
(ион оксония)
CCH3
CH3
C H
H
H
CCH3
CH3
C H
H
HOH H
H O H
47