|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
СИз-C-Cl + 2 H-NH2 —*• CH3-C-N(CH3)2 + HCl 5 страница
V=K[ R-На^ Тенденция R-X вступать в реакцию SN1 зависит от природы R и от уходящей группы Х. Для одного и того же "Х" скорость уменьшается в ряду: аллил > бензил> R трет.> R втор.> R перв. В каждой конкретной реакции нуклеофильное замещение осуществляется по обоим механизмам, только сравнительные скорости реакций могут сильно отличаться. В отдельных случаях получается не первый и не второй порядок реакции, а какой-то дробный, из которого можно вычислить отдельно скорости по SN1 и SN2. В протонном растворителе нуклеофильность аниона тем больше, чем больше размер аниона. Объясняют это различием энергии сольватации галоген - ионов. Общий порядок реакционной способности нуклеофилов в протонных растворителях следующий. ©©©о е© HS , RS > J > Br > RO > Cl > CH3-cCs > O-N' меркаптид иодид бромид алкоксид хлорид ацетат O нитрат ^О Если протонный растворитель заменить биполярным апротонным (ДМСО, ДМФА), то и порядок нуклеофильности изменится. Например, в диметилформамиде (ДМФА) порядок нуклеофильности для галогенов становится следующим: 0 0 0 Cl > Br > J Объясняют это тем, что апротонный растворитель не способен сольватировать анионы за счет образования водородных с ним. Благодаря этим обстоятельствам небольшой анион богаче энергией, чем большой, и является более сильным нуклеофилом. На скорость реакции нуклеофильного замещения, кроме силы нуклеофила, природы растворителя, оказывает влияние и природа уходящей группы. Необходимо учитывать, что сильные основания обычно бывают плохими уходящими группами. К их числу относятся, например, OH NH? RO0 R2N Ch3 H Существует обратное отношение между основностью частицы и ее способностью быть уходящей группой. Если соединение является сильной кислотой (например, НА), то отвечающий ей анион (например, А) будет слабым основанием. Например, NH3 - слабая кислота, ее анион NH2 - сильное основание. В органическом синтезе реакции нуклеофильного замещения используются очень широко. Реакции отщепления, элиминирования /Е/ Отщепление представляет собой процесс, обратный присоединению к двойным связям алкенов. В результате реакции отщепления образуется алкен и две более мелкие молекулы. Один из способов классификации реакций отщепления состоит в использовании греческого алфавита для обозначения атомов скелета, связанных с уходящими группами. Например, в 1 - хлорбутане, атом углерода, связанный с хлорм обозначают "а" соседний сним в, у, 6 и т. д. Если наряду с хлором отщепляется атом водорода, связанный с "а" углеродом, то говорят об а - элиминировании (отщеплении), если "Н" отщепляется в в -положении, то в - элиминирование и т. д. Реакции в - элиминирования являются конкурирующими для реакций нуклеофильного замещения. Аналогично реакциям SN могут протекать по двум различным механизмам: Е№2 - бимолекулярное элиминирование (отщепление) и Е№1 - мономо- лекулярное отщепление. Реакция отщепления, как правило, идет при действии сильных оснований, т. е. нуклеофильных реагентов, поэтому буква "N" часто опускается. Механизм этой реакции заключается в том, что атакующее основание ОН отрывает протон от в-углерода однрвременно с образованием двойной связи и уходом хлорид- иона от а-углеродного атома. Для R-X с данной группой R скорость отщепления изменяется в зависимости от Х в следующем порядке: J > Br > Cl > J При одном и том же "Х" скорость отщепления изменяется: третичный R > D вторичный R > первичный R. Пространственные препятствия оказывают на Е2-реакции слабое влияние по сравнению с реакциями SN2 и отщепление в случае третичных галогеналкилов проходит легко. Для проведения Е2 реакций обычно требуются сильные основания. В ряду оснований эффективность изменяется параллельно их силе. СПИРТЫ И ФЕНОЛЫ. СТРОЕНИЕ, ИЗОМЕРИЯ, НОМЕНКЛАТУРА Производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов водорода замещены гидроксильными группами (ОН) называют спиртами или алкоголями. Подобно предельным углеводородам, одноатомные спирты образуют гомологические ряды. Общая формула предельных спиртов - СпНгп+iOH. В зависимости от характера углеродного атома, при котором находится гидроксил, различают первичные, вторичные и третичные спирты. Изомерия. Номенклатура Изомерия спиртов зависит от строения углеводородной цепи и положения гидроксила в цепи. В основе названия спирта лежит наименование углеводорода, наличие же гидроксильной группы указывается окончанием -ол, с цифрой за ним, указывающей номер атома углерода, при котором стоит гидроксил. При этом углеродная цепь нумеруются таким образом, чтобы гидроксил имел самый малый номер. При наличии в соединении более старших заместителей (функций) гидроксильная группа обозначается префиксом гидрокси-. Наличие в соединении двух или более гидроксильных групп обозначается соответственно окончаниями -диол, -триол и т.д. Способы получения Одним из общих способов введения гидроксильной группы в молекулы органических соединений является гидролиз галогенпроизводных углеводородов в присутствии водных растворов щелочей. Щелочи ускоряют процесс и, нейтрализуя образующуюся кислоту, делают его необратимым. Способность галогенуглеводородов к гидролизу зависит от природы галоида и от того, с каким углеводородным атомом он связан. По легкости замещения галоиды располагаются в следующий ряд:1>Бг>С1>Е , т.е. легче всего гидролизуются иодиды. Синтез спиртов осуществляется действием металлорганических соединений на альдегиды и кетоны. A J CR (1) R R Полученное соединение (1) магнийбромалкоголят легко подвергается гидролизу с образованием соответствующего спирта. R \ hoh R ^ R— С — OMgBr------- ► R С—OH + HOMgBr r' R^ в) При взаимодействии реактивов Гринъяра со сложными эфирами образуются третичные спирты.
СНз-C -OMgBr HOH CH3—C —OH + HO -MgBr C2H5 C2H5 C2H5 C2H5 г) Рациональным способом получения ароматических спиртов является реакция метал- лорганических соединений с ароматическими радикалами с органическими окисями. HOH C6 H5 MgBr + CH2-CH2--------------- ► C H-CH2-CH2-OMgBr—► ----- ► C6H5-CH2-CH2-OH + Mg (OH )Br д) В промышленности 2-фенилэтанол-1 выгоднее получать взаимодействием бензола с окисью этилена в присутствии кислоты Льюиса в качестве катализатора ^ AlCl3 /CH2CH2OH Спирты также получают гидратацией (присоединением воды) этиленовых соединений. Реакция протекает в присутствии катализаторов: серная или фосфорная кислоты. Восстановлением альдегидов, кетонов и сложных эфиров водородом в присутствии катализаторов: Ni, Co, Pt, и др. При восстановлении альдегидов и сложных эфиров - первичные спирты, из кетонов - вторичные спирты.
Альдегиды в промышленности получают оксосинтезом, то есть гидрированием оксида углерода и карбонильных соединений на катализаторах. Этерификация Спирты взаимодействуют с минеральными и органическими кислотами с образованием соответствующих сложных эфиров и воды: СН3+-СН2oH-t-Ho|-NO2^СН3- СН2"^ -N02 СН3 - СН2~ O^ SO3 H—- СН3- СН2- O- so3h -i-ho - с -СН3—-
СН3 - СН2 O - с- СН^ H2SO4
этилацетат
Скорость образования сложных эфиров, как показал Н.А. Меншуткин, при действии одной и той же кислоты для первичных спиртов в два раза больше, чем - для вторичных и в 20 раз больше, чем для третичных. Реакции с участием С-О связи. Замещение гидроксильной группы на галоген. Гидроксильная группа спиртов способна замещаться галогеном при взаимодействии спиртов: а) с галогеноводородными кислотами; б) с галогенидами фосфора; в) с тионилхлоридом. Дегидратация При действии на спирты водоотнимающих средств происходит межмолекулярное или внутримолекулярное отщепление воды. Водоотнимающими средствами являются кислоты (H2S04, Н3РО4, НСООН, щавелевая кислота и другие), окиси (А12Оз, Th203) и другие, некоторые соли (CuS04, ZnC12 и т.д.). При межмолекулярной дегидратации спиртов получаются простые эфиры: R-OH + HO-R' ^ R-O- R' В случае внутримолекулярной дегидратации спиртов, на тех же катализаторах, но при более высокой температуре, образуются непредельные углеводороды. При этом водород отщепляется от менее гидрогенизированного атома углерода, находящегося по соседству с углеродом, несущим гидроксильную группу (правило Зайцева). Реакции отщепления воды могут проходить по Е1 и Е2 механизмам в зависимости от строения спирта и условий реакции. Дегидратация третичных спиртов в присутствии кислот идет по Е1 механизму. Окисление Спирты окисляются кислородом воздуха в присутствии медных и других катализаторов при 300-500°С, такими окислителями как хромовая смесь, KMnO4 и другие, а также дегидрируются при 100-180°С над Си, Ag, Ni, Pt, Pd. Во всех случаях первичные спирты дают альдегиды, вторичные кетоны. Третичные спирты окисляются очень трудно с разрывом углеводородного скелета и образованием смеси кислот и кетонов. Многоатомные спирты Производные углеводородов, в которых два или несколько атомов водорода замещены на гидроксильные группы, называют двух или многоатомными спиртами. Двухатомные спирты называются гликолями. Г ликоли могут быть получены аналогично одноатомным спиртам и другими способами. Здесь рассмотрим важнейшие из них. Гидролиз дигалогенпроизводных предельных углеводородов или хлоргидринов: Г идратация-окисей: /°\ н + сн2-сн2 +Н2° --------- H°CH-CH2°H Восстановлением эфиров дикарбоновых кислот: CH2-COOC2h5 4H2 cH-CH-OH I »- I 2 2 сн2 соос2н 5 LiAlH4 CH^CH^OH В отличие от одноатомных спиртов гликоли образуют гликоляты и с некоторыми оксидами нещелочных металлов, например с гидроксисдом меди, что говорит о более кислом характере протона ОН группы: CH^OH CH _O\ .. O-CH2 2 I [1]--------------------- + Cu (OH)_ - I 2 \х/ I 2 2 1 ' Cu ' I + H0° CH-OH ch-o/ xo-ch2 2 Дегидратация гликолей может иметь внутримолекулярный и межмолекулярный характер. Направление отщепления воды зависит от условий реакции. Образование глицератов меди. CH2-OH I CH _ OH + Cu(ОН)2 ► CH — OH Cu CH—OH + H,O I = I / \ I 2 CH-ОН CH^O O-CH2 то есть кислые свойства у глицерина выражены сильнее, чем у одноатомных спиртов. При действии водоотнимающих средств, таких как KHSO4 MgSO4 (безводная) получается акролеин. CH^OH MgSO4 CH2 CH-OH ► CH I -2H2O I CH^OH CH=O АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ. СТРОЕНИЕ, ИЗОМЕРИЯ, НОМЕНКЛАТУРА АЛЬДЕГИДОВ И КЕТОНОВ Альдегиды и кетоны представляют собой производные алканов в молекулах которых два геминальных атома водорода, замещены на кислород (или оксо-группу). Часто альдегидлы и кетоны объединяеют под общим названием карбонильных соединений, в молекулах которых имеется одна и таже функция: кислород, связанный двойной связью с атомом углерода. Различие между строением альдегидов и кетонов проявляется в характере связи карбонильной группы в молекуле. Альдегидами называют соединения с карбонильной группорй, в которых атом углерода этой группы связан по крайней мере с одним атомом водорода. Кетонами на зывается карбонилсодержащие соединения, в которых углерод карбонильной группы связан с двумя углеродными радикалами Характерное для альдегидов сочетание карбонильной группы с водородом называют альдегидной группой, а карбонильную группу кетона называют кетогруппой. Номенклатура ЮПАК. По номенклатуре ЮПАК название ациклических альдегидов иобразуют путем добавления окончания АЛЬ или ДИАЛЬ (для диальдегидов) к названию углеводорода, соответствующего главной цепи. Нумерацию начинают от углеродного атома, принадлежащего альдегидной группе. В названии номер при альдегидной группе не ставится. Названия циклических альдегидов образуют, добавляя окончание КАРБАЛЬДЕГИД Если в соединении имеется другая группа, имеющая преимущество по старшинству, то альдегидную группу ^называют ФОРМИЛ- или ОКСО-. CH3-CH2-CH2-CH—CH2-COOH 3- формилгексановая кислота И_ C_ CH2_COOH 3- оксопропионовая кислота O Названия ациклических кетонов по ЮПАК образуют из названия соответствующих углеводородов, прибавляя окончание -ОН или -ДИОН (для дикетонов); цифрой указывают номер атома карбонильной группы. Нумерацию начинают от ближайшего к кетонной группе конца цепи. Если в циклической системе группа -CH2 - замещена на группу >С=О , то к названию циклической системы добавляется окончание -ОН.
Изомерия Альдегиды и кетоны изомерны друг другу. Изомерия кетонов обусловлена изомерией радикалов и изомерией положения карбонильной группы и начинается с кетонов состава C5H10O. Изомерия альдегидов зависит от изомерии радикалов, связанных с альдегидной группой и начинается с альдегида состава C3H7-CHO. Способы получения 1. Окислением и каталитическим дегидрированием спиртов. При этом первичные спирты дают альдегиды, вторичные - кетоны. + 1/2 O2 Сг20з уО R-C' + H2O Cu, 3000 H R-CH2-OH H2 „О ■ —г R-c' + H2 Cu, 200 H
органических соединений. Реакционная способность карбонильных соединений определяется наличием карбонильной группы ( С=О ). Благодаря поляризации связи С=О, углеродный атом карбонильной группы обладает электрофильными свойствами и способен реагировать с нуклеофильными реагентами. Соответственно, атом кислорода является нуклеофилом. С другой стороны, поляризация связи С=О приводит к увеличению подвижности атомов водорода при атоме углерода, находящемся в a-положении к карбонильной группе. Следовательно, для карбонильных соединений характерны два типа химических превращений: 1) . Реакции нуклеофильного присоединения AdN с участием карбонильной группы. 2) . Реакции по a-водородному атому к карбонильной группе: галогенирование, конденсация. Альдегиды и кетоны различаются по целому ряду свойств. Например: альдегиды легче вступают в реакции: 1) Нуклеофильного присоединения. 2) В реакции окисления, которые протекают без изменения углеродной цепи, в то время как кетоны окисляются с разрывом углеродной цепи. 3) Полимеризуются под влиянием кислот. 4) Дают окрашивание с фуксинсернистой кислотой. Кетоны не способны к превращениям 3,4. Различия в реакциях нуклеофильного присоединения (AdN) для альдегидов и кетонов, по-видимому, объясняются совместным действием электронных и пространственных факторов. Рассмотрим строение карбонильной группы. Атом углерода карбонильной группы связан с тремя другими атомами - связями, используя sp2 гибридизацию. Таким образом, они расположены в одной плоскости под углом 1200 друг к другу. Оставшаяся р-орбиталь атома углерода перекрывается с р- орбиталью кислорода, образуя п- связь. При нуклеофильном присоединении углеродный атом, связанный с кислородом, переходит из sp2 гибридизации (тригональной) в sp3 гибридизацию ( тетраэдрическую). Кетоны, содержащие вторую алкильную группу, создают пространственные затруднения при нуклеофильной атаке и возникновению переходного состояния; с другой стороны, алкильные заместители, обладающие положительным индукционным эффектом, дестабилизируют переходное состояние. Диальдегиды и дикетоны, содержащие в одной молекуле две карбонильные группы, обладают всеми свойствами альдегидов и кетонов и могут реагировать как с участием одной, так и двух карбонильных групп. Присоединение синильной кислоты с образованием циангидринов (циангидринный
Синильная кислота малодиссоциирована, поэтому в качестве катализатора применяют основной катализатор, чтобы увеличить диссоциацию. При этом образуется циан-анион (сильный нуклеофил). Присоединение бисульфита натрия.
+ » R CH—SONa OH
При присоединении бисульфита натрия к карбонильным соединениям образуются кристаллические вещества, называемые бисульфитными производными альдегидов и Реакции альдегидов с реактивами Гриньяра приводят к образованию спиртов: первичных и вторичных, кетоны образуют третичные спирты. Присоединение спиртов (синтез полуацеталей). RC=O RO—H '• образуется сильный нуклеофил H(R) Kt\°H - алкоксил OR
H(R) H(R) + полуацеталь HO^ h°r R-C-OR -&°^- R-C-°r' H(R) H^° H(R) H(R) °R" , ------- ..R^-OR H(R) ацеталь Реакция с пятихлористым фосфором. При действии РС15 (РВг3) на альдегиды или кетоны кислород карбонильной группы замещается двумя атомами галогена: CHjC=0 + РС15 ► CH3CHCl2+ POCl3 H CH3C=O + РС15 СН3СС12СН3+ РОС13 СН3 Присоединение аммиака, гидроксиламина, гидразина и его производных. Реакции нуклеофильного присоединения-отщепления с замещением карбонильного кислорода. Присоединение аммиака позволяет различить альдегиды и кетоны. Альдегиды выделяют воду, образуя альдимины: NH3 O I CH3-С<^ + :NH3 ► CH3-С — O •« » nh2'~\ pH CHr С\ OH----------- - CH 3 CH =NH I —H2O H Альдимины легко циклизуются. Наиболее важное значение имеет реакция формальдегида с аммиаком с образованием гексаметилентетрамина -уротропина, синтезированного впервые А. М. Бутлеровым. /СН\ N )n -1 6H2С - O + NH3 ^(CH2)6N4 - [C^cH ch2 I ch2 \2CH2CH2 N С гидроксиламином, гидразином и его замещенными: фенилгидразином, семикарба- зидом, альдегиды и кетоны, выделяя воду, образуют оксимы, гидразоны, фенилгидра- зоны и семикарбазоны. Это кристаллические вещества. Они служат для качественного и количественного определения карбонильных соединений, а также для их выделения и очистки. Под действием разбавленных кислот все эти соединения, присоединяя воду, выделяют исходные соединения:
H2N-NH2 ^C =N_NH2 H2N-NH- C6H5 =N-NH-C6H5 H2N-NH- CO-NH2 )c =N-NH- CO-NH2 Гидразоны под действием твердых едких щелочей разлагаются с выделением азота и предельных углеводородов. Эта реакция позволяет перейти от альдегидов и кетонов к предельным углеводородам. Это реакция Кижнера: R\ / KOH R, t /С =N-NH2------------ ► Альдегиды восстанавливаются в первичные, а кетоны во вторичные спирты либо в результате каталитического гидрирования, либо путем использования таких восстановителей, как алюмогидрид лития LiAlH4 и боргидрид натрия NaBH4. H2(Ni,Pt,Pd)
Альдегиды легко окисляются в карбоновые кислоты с таким же, как в исходном альдегиде, числом углеродных атомов: R_ С =O lol /Р | --------------- R-^\OH H Kt Кетоны не окисляются слабыми окислителями, а под действием сильных окислителей их молекулы распадаются, образуя кислоты (иногда кетоны) с меньшим числом углеродных атомов. Различное отношение к действию слабых окислителей используется для качественного открытия альдегидов ( в отличие от кетонов ). Так, альдегиды окисляются аммиачным раствором оксида серебра (реакция серебряного зеркала), а кетоны не окисляются оксидом серебра и этой реакции не дают. ™ ^ г\ , А гл NH4OH „ 2 Л I R- С=° + Ag2° R“ С^Ш4 + 2Ag H Ag(NH3)2OH Кетоны окисляются труднее по правилам, установленным Поповым. Если кетонная группа связана с двумя одинаковыми первичными радикалами, то разрыв углеродной цепи возможен с двух сторон от карбонильной группы: 1 2 СН3-СН2- С _CH2-CH3KMnQ4 CH3-CH2-COOH+ CH_COOH о Однако, если радикалы разной длины, то группа СО останется с наиболее коротким радикалом. лп ^ _ ^ТТ KMnO4 C С CH Hсн 3-COOH+ CHjCOOH о Если один радикал первичный, а другой вторичный, то цепь рвется со стороны вторичного радикала. Сн-Сн_С_снз KMnO СНз_с = о + CH3-COOH СНз о СНз Если один радикал третичный, то С=О группа останется с ним. СНз CH3 ' KMnO4 С 3 CH_ С - ([^-СНг-СНз СНз- С -COOH + CH3_COOH СНзО Снз Альдегиды, особенно, их низшие представители, очень склонны к реакции полиме- ризациит в результате разрыва двойных связей альдегидных групп.
СН-кислоты. Реакции карбонильных соединений с участием а-водородных атомов. Реакции галогенов с карбонильными соединениями. При действии галогенов на альдегиды и кетоны происходит замещение атомов водорода в а- положении к карбонильной группе на галоген.
Альдольная и кротоновая конденсации. Реакциями конденсации называются различные процессы удлиннения цепи (уплотнения органических молекул), приводящие к образованию более сложных соединений, в результате возникновения новых связей между углеродными атомами. В реакцию вступают две молекулы, одна из которых реагирует свободной карбонильной группой, а другая- углеродным атомом, содержащим подвижный атом водорода в а-положении к карбонильной группе. Гидроксильный ион отрывает протон от а-углеродного атома молекулы альдегида или кетона, образуя сильный нуклеофил (енолят-анион), который атакует электрофильный углерод второй молекулы альдегида. В результате возникает новая С-С-связь, и образуется вещество, содержащее одновременно альдегидную и спиртовую группы: Это вещество было названо альдолем (альдегидо-алкоголь), а конденсация - реакцией альдольной конденсации. В альдольной конденсации могут участвовать молекулы разных альдегидов и кетонов. Кетоны вступают в реакцию,главным образом, за счет атомов углерода и водорода, находящихся в а-положении к карбонильной группе, сама же карбонильная группа кетонов в этих реакциях значительно менее активна, чем карбонильная группа альдегидов. Процессы альдольной конденсации имеют большое значение в природе: в частности, таким путем в растениях образуются молекулы углеводов. При соответствующих условиях реакция альдольной конденсации не останавливается на образовании альдоля; она может идти дальше при нагревании с отщеплением воды за счет подвижного а -водородного атома и гидроксила при в-углеродном атоме с образованием непредельного альдегида. От названия образующегося кротонового альдегида конденсация молекул карбонильных соединений, протекающая с выделением воды и образованием непредельных карбонильных соединений, получила название кротоновой конденсации. _ °н + CH_C=O------------------- >► CH_ C =O
HOH
Лекция 4 КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ Карбоновые кислоты являются реакционноспособным классом соединений. На их основе можно получить сложные эфиры, амиды, нитрилы и другие классы соединений. Многие представители карбоновых кислот и их производные находят широкое применение в народном хозяйстве, в медицине, в кожевенной промышленности, в пищевой промышленности. Как исходные мономеры в синтезе полимерных волокон, смол (орлон, нитрон) - исходным сырьем используется нитрилакриловой кислоты - НАК, получают орг. стекло на основе эфиров метакриловой кислоты и т.д.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|