Лабораторная работа по дисциплине «Органическая химия» для ВлГУ

Теоретические основы 4.1. Нуклеофильное замещение в алифатическом ряду   В реакцию вступают: субстрат – органическое соединение с электронодефицитным атомом углерода, нуклеофильный реагент – соединение или анион, имеющий неподеленную электронную пару  на внешнем электронном уровне. Суть взаимодействия сводится к образованию новой ковалентной связи между электронодефицитным углеродом и нуклеофилом за счет электронной пары нуклеофила. При этом нуклеофил вытесняет из субстрата акцепторный заместитель, который обеспечивал дефицит электронной плотности на атоме углерода. В качестве субстратов чаще всего выступают галогенопроизводные, спирты, соли аминов. Механизм реакции зависит, прежде всего, от строения субстрата. Рассмотрим его на примере галогенопроизводных (алкилгалогенидов).   4.2.Реакции первичных алкилгалогенидов. Механизм S_N2 Механизм S_N2 – замещение нуклеофильное бимолекулярное – реализуется в основном в первичных галогенопроизводных, протекает в одну стадию и заключается в следующем:

медленно

  В результате атаки субстрата нуклеофилом реализуется пе­реходное состояние, несколько более богатое энергией, чем ис­ходный и конечный продукты. При этом нуклеофил Y, атакуе­мый атом углерода и уходящий атом брома находятся на одной прямой, а остальные три валентности атакуемого атома углеро­да расположены в плоскости, перпендикулярной этой прямой, под углами друг к другу, равными 120°:   В таком переходном состоянии нуклеофил еще не образовал ковалентной связи с атакуемым атомом углерода, а атом брома еще не окончательно вытеснен из субстрата в виде аниона. Отрицательный заряд нуклеофила в переходном состоянии рассредоточен между вступающей и уходящей груп­пами. Реакция завершается образованием ковалентной связи С—Y с одновременным вытеснением атома галогена в виде аниона. Образование новой ковалентной связи С—Y и разрыв связи С—Br происходят синхронно, а скорость всего процесса опреде­ляется скоростью образовании переходного состояния и  зависит от следующих факторов:

1. нуклеофильной реакционной способности реагента;
2. основности нуклеофильного реагента;
3. концентрации реагента;
4. величины положительного заряда на атакуемом атоме углерода в субстрате;
5. энергии связи и характера уходящей группы;
6. строения радика­лов, связанных с атакуемым атомом углерода;
7. природы раство­рителя.

Нуклеофильная реакционная способность реагента. Нуклеофильная реакционная способность (нуклеофильность) реагента – это способность аниона или нейтраль­ной молекулы образовывать за счет неподеленной пары р-электронов ковалентную связь с электронодефицитным атомом углерода субстрата. Чем больше нуклеофильная реакционная способность, тем выше при прочих равных условиях скорость реакции, протекаю­щей по механизму S_N2. У разных элементов эта способность различна и зависит от положения их в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Чем правее в пределах одного пе­риода находится элемент, тем больше заряд его ядра, с большей силой ядро удерживает электроны и тем ме­нее реакционноспособны его неподелённые электронные пары, на­ходящиеся на внешней оболочке. В ряду таких элементов, как углерод, азот, кислород и фтор наибольшую нуклеофильность имеет углерод, а наименьшую — фтор. Соединения и ионы этих элементов можно расположить в следующие ряды по убыванию нуклеофильной реакционной способности: Нуклеофильная реакционная способность не зависит от числа электронных nap у атома элемента. Несмотря на то, что у иона F^— четыре неподеленные пары электронов, а у карбаниона только одна, ион ^—СН₃ — несравненно более реакционноспособный нуклеофил. Следует заметить, что по нуклеофильной реакционной спо­собности нейтральные молекулы значительно уступают соответствующим анионам: Естественно, что двухзарядный анион S^2- — более сильный нуклеофил, чем однозарядный аннон HS^—, и, тем более, чем нейтральная молекула H₂S. В вертикальных рядах элементов, принадлежащих к одной и той же группе, нуклеофильная реакционная способность возрастает с увеличением радиуса атома. Так, из галогенов наибольшей нуклеофильной силой обладает йод. Это объясняется тем, что неподеленные пары электронов у йода нахо­дятся на большем расстоянии от ядра, притяжение их к ядру ослаблено, что облегчает взаи­модействие их с атомом углерода, имеющим дефицит электрон­ной плотности. Таким образом, нуклеофильная сила уменьшается в рядах: На нуклеофильную силу атома одного и того же элемента существенно влияет природа атомов и групп, непосредственно связанных с ним ковалентной связью. Электронодонорные груп­пы (например, -СН₃) увеличивают нуклеофильную силу, а электроноакцепторные  (-C₆H₅   и СН₃СО-),  наоборот, ослабляют: На нуклеофильную реакционную способность влияют также объем и число заместителей. Например, реакционная способ­ность третичных алифатических аминов несколько ниже, чем первичных и вторичных, так как заместители создают простран­ственные затруднения, экранируя неподеленную пару электронов, определяющую нуклеофильные свойства атома азота. В некоторые нуклеофильные реагенты, например CN^—        (:N≡C:) и NO₂^— (:Ö=N—Ö) , одновременно входят два или несколько атомов с неподеленными парами электронов. Такие ионы на­зывают амбидентными. По причинам, рассмотренным выше, в реакциях, протекаю­щих по механизму S_N2, они реагируют атомами с большей нуклеофильностью. При этом в первом случае образуется нитрил с новой С–С связью, а во втором случае нитросоединение с новой связью С–N. Основность нуклеофильных реагентов. Основность – это способность элемента присоединять и удерживать протон. Свойство основности прямо противоположно кислотности, поэтому, чем более сильным основанием является соединение, тем меньшими кислотными свойствами оно обладает. Каждый нуклеофильный реагент в большей или меньшей степени является ос­нованием. Это означает, что он способен не только предостав­лять свою неподеленную пару электронов электронодефицитному атому углерода, но и отщеплять от суб­стратов с подвижными атомами водорода протон. Поэтому всегда в большей или меньшей степени па­раллельно с реакцией нуклеофильного замещения атома галоге­на протекает конкурирующая реакция – реакция дегидрогалогенирования (элиминирования галогеноводорода) с образованием алкена, вследствие чего вы­ход продукта нуклеофильного замещении снижается. Для первичных галоидпроизводных вероятнее всего элиминирование по механизму E₂ (элиминирование бимолекулярное): При элиминировании протона реагент Y:- связывается с од­ним из α-атомов водорода, так как вследствие -I-эффекта галогена именно они получают большую возможность отщепляться в виде протона. Реагент Y^— действует в данном случае не как нуклеофил, а как основание. Основность, как и нуклеофильная реакционная способность, зависит от положения элемента в Периодической системе эле­ментов Д. И. Менделеева. В периоде справа налево увеличивается основность (уменьшается кислотность), в группах сверху вниз уменьшается основность (увеличивается кислотность). Так, HI — намного более сильная кислота, чем HF, и, следовательно, I- обладает менее основными свой­ствами, чем F-. При оценке основности решающую роль играет размер иона: чем меньше радиус иона, тем сильнее он притягивает к себе протон и тем больше его основность. По аналогичным причинам нуклеофильная реакционная спо­собность аннона RS- больше, чем RO-, в то время как RO- зна­чительно более сильное основание, чем RS-. Основность, как и нуклеофильная реакционная способность, зависит также от природы заместителей, непосредственно свя­занных с ответственным за нуклеофильные свойства атомом. Электронодонорные группы увеличивают основность, а электроноакцепторные — понижают: При элиминировании в большинстве случаев соблюдается правило Зайцева: преимущественно образуются более энергетически устойчивые алкены с большим числом алкильпых групп при атомах углерода, связанных кратной связью (водород отрывается от менее гидрированного атома углерода). Концентрация нуклеофильного реагента. В тех случаях, ког­да не используется подавляющий избыток нуклеофила, скорость реакции нуклеофильного замещения при прочих равных услови­ях прямо пропорциональна концентрации нуклеофильного ре­агента. Частичный положительный заряд на атакуемом атоме углерода. Чем больше дефици­т электронной плотности (положительный заряд) на атакуемом атоме углерода субстрата, тем  легче протекает реакция нуклеофильного за­мещения. Энергия связи и характер уходящей группы X в реагирующей молекуле. Из эксперименталь­ных данных следует, что по реакционной способности галогенпроизводные располагаются в ряд: Это объясняется тем, что энергия связи С-F значительно выше, чем энергия связи атома углерода с остальными галогенами, и это оказывает решающее влияние на способность замещения его на нуклеофильные реагенты. Кроме того, тенденция к отщеплению в виде анионов возрастает у галогенов с увеличением поляризуемости их электронных оболочек. При рассмотрении вопроса о легкости замещения группы X надо учитывать и то, что в реакциях нуклеофильного замеще­ния, как правило, более сильный нуклеофил вытесняет более слабый. Вытеснение группы X в виде бо­лее сильного, чем реагент Y, нуклеофила (например, в виде ОН^— или NH₂^— из спиртов и аминов) крайне энергетически не­выгодно. Из анионов наиболее слабыми нуклеофилами являются галогенид-ионы; к тому же они способны создать наибольший де­фицит электронной плотности на атакуемом атоме углерода суб­страта. Поэтому галогенид-ионы считаются «хорошими» уходящими группами. Гидроксид-ионы и амид-ионы, напротив, очень сильные нуклеофилы и «плохие» уходящие группы. Их замещение крайне затруднено. Такие группы, как –NO₂ или –CN вытеснить не удается вообще. Строение и размер радикалов R в субстрате. Большое влия­ние на скорость реакций, протекающих по механизму S_N2, оказывают  размер и число углеводородных  радикалов,  связанных с атакуемым атомом углерода. Нуклеофильное замещение атома гало­гена по механизму S_N2 в изопропилгалогениде осуществляется труднее и с меньшим выхо­дом, чем в этил- и метилгалогенидах. Уменьшение реакционной спо­собности в этом случае связано в основном с пространственными затруднениями, создаваемыми нуклеофильному реагенту алкильными группами, имеющими больший объем, чем атомы водорода. Таким образом, скорость реакций, протекающих по механизму S_N2, наибольшая для простейших – первичных – алкилгалогенидов и наименьшая для объемных третичных галоидпроизводных. Природа растворителя. При проведении реакций с первичны­ми алкилгалогенидами обычно используют апротонные, лучше полярные, растворители, в молекулы которых входят атомы с неподеленными парами р-электронов: диоксан, диэтиловый эфир, ТГФ, ДМФА, ДМСО, нитробензол и т.д. В молекулах приведенных выше растворителей избыточ­ная электронная плотность сосредоточена на одном, реже — на двух атомах с неподеленными парами электронов, в то время как положительный заряд рассредоточен на большом числе ато­мов водорода, кислотность каждого из которых вследствие этого незначительна. Поэтому такие растворители способны специфи­чески сольватировать катионы щелочных металлов (они чаще всего входят в состав нуклеофила), координи­руясь с ними отрицательным концом диполя; тем самым они де­лают анион более «свободным», т. е. повышают его нуклеофильную силу и, следовательно, ускоряют реакции нуклеофильного замещения.   4.3.            Реакции третичных алкилгалогенидов. Механизм S_N1 Механизм S_N1 – замещение нуклеофильное мономолекулярное – реализуется, в основном, в третичных галогенопроизводных, протекает в две стадии  и заключается в следующем. В данном случае в отличие от механизма S_N2 разрыв связи С—Hal и образование связи С—Y не происходят синхрон­но. На первой стадии идет гетеролиз алкилгалогенида с образо­ванием имеющего плоское строение карбокатиона: этот процесс протекает медленно и лимитирует скорость всей реакции. На второй стадии, образовавшийся карбокатион очень быстро, подобно неорганическому ио­ну, взаимодействует с нуклеофильным реагентом Y:^— . Данный механизм полностью согласуется со сравнительно высокими значениями энергии активации, наблюдаю­щимися обычно при гетеролитическом разрыве связей. Рассмотрим факторы, влияющие на скорость реакции по механизму S_N1. Нуклеофильная реакционная способность реагента практически не сказывается на скорости реакции, так как образовавшийся на первой стадии карбокатион практически мгновенно реагирует с любым нуклеофилом. В большей степени здесь сказывается электроотрицательность элемента, несущего неподеленную электронную пару. Именно поэтому амбидентные нуклеофилы реагируют в таких реакциях преимущественно более электроотрицательным элементом: кислородом в анионе NO₂^— с образованием эфиров азотистой кислоты, азотом в анионе CN^—  образованием изонитрилов. Основность нуклеофильных реагентов. Нуклеофильные ре­агенты, обладающие высокой основностью, с еще большей лег­костью, чем при реакциях, протекающих по механизмам S_N2 и E₂ , отщепляют от карбокатиона протон. Происхо­дит отщепление галогеноводорода – двухстадийная мономолекулярная реакция элиминирования E₁. Первая стадия – образование карбокатиона (аналогично S_N1). Далее вторая стадия: При использовании таких агентов как этоксид натрия (сильный нуклеофил, являющийся одновременно сильным основанием), реак­ция нуклеофильного замещения практически не идет, преобладает элиминирование. Концентрация нуклеофильного реагента. На стадии, определяющей ско­рость всего процесса (образование карбокатиона), участвует только молекула субстрата, поэтому концентрация нуклеофила практически не оказывает влияние на скорость, которая зависит только от концентрации алкилгалогенида. Частичный положительный заряд на атакуемом атоме углерода и энергия связи и характер уходящей группы X в реагирующей молекуле влияют аналогично механизму S_N2. Строение и размер радикалов. В отличие от механизма S_N2,  в данном случае большой размер радикалов, связанных с цент­ральным атомом углерода, оказывает благоприятное влияние на скорость реакции. В этом случае образуются более устойчивые карбокатионы, в которых наблюдается значительная делокализация положительного заряда. По этой причине соединения, в которых третичный атом углерода связан с фенильными или винильными группа­ми, особенно легко реагируют по механизму S_N1, так как гетеролиз таких соединений значительно облегчен. Природа растворителя. Для реакций, протекающих по механизму S_N1, подбор соответствующего растворителя имеет перво­степенное значение, так как ионизирующая способность растворителя оказывает решающее влияние на скорость лимитирую­щей стадии реакции—гетеролиз алкилгалогенида. При проведении таких реакций используют протонные растворители, важнейшие из которых – вода, муравьиная и уксусная кислоты, метиловый и этиловый спирты. Молекулы этих растворителей способствуют диссоциации алкилгалогенида на ионы, так как они способны сольватировать не только имеющую недостаток электронной плотности алкиль­ную группу, но и атом галогена, на котором сосредотачивается избыточная электронная плотность, образуя с ним водородные связи. Происходящая при этом сольватация нуклеофильного ре­агента, вызывающая уменьшение его нуклеофильной силы, не влияет на скорость реакции, так как образовавшийся карбокатион немедленно реагирует с веществами, обладающими даже незначительной нуклеофильной реакционной способностью. Перегруппировки, сопровождающие реакции нуклеофильного замещения. Если при замещении по механизму S_N2 единствен­ной конкурирующей реакцией является элиминирование по меха­низму E₂ с образованием алкенов, то для реакций, протекаю­щих по механизму S_N1 характерно значительно большее число побочных процессов, снижающих выход собственно продукта нуклеофильного замещения. Наряду с элиминированием Е₁ сам карбокатион может претерпевать перегруппировку, приводящую к образованию другого, более ста­бильного карбокатиона. Такие перегруппировки заключаются в миграции к атому углерода, несущему положительный заряд, гидрид-иона (гидридный сдвиг) или карбаниона (метильный сдвиг). Гидридный сдвиг иллюстрирует следующий пример: Метильный сдвиг иллюстрирует реакция замещения в неопентилбромиде. Несмотря на то, что этот бромид — первич­ный алкилгалогенид, он практически не способен к реакциям нуклеофильного замещения по механизму S_N2 из-за пространст­венных затруднений, создаваемых разветвленным трет-бутильным радикалом. В присутствии водных растворов солей серебра он реагирует по механизму S_N1. При этом первоначально образовавшийся первичный карбокатион перегруппировывается в более энергетически выгодный тре­тичный карбокатион, который затем и реагирует по трем  возможным направлениям: Гидролиз 1-хлор-2-бутена, протекающий по механизму S_N1, сопровождается аллильной перегруппировкой и образуется смесь двух изомерных спиртов: Это объясняется тем, что в первоначально образовавшемся карбокатионе вследствие высокой поляризуемости связи С=С происходит делокализация положительного заряда: Следует заметить, что при гидролизе 1-хлор-2-бутена в условиях, благоприятствующих механизму S_N2, аллильная пе­регруппировка все равно наблюдается, хотя причины, порож­дающие ее, несколько иные. В этом случае вследствие -I-эф­фекта атома галогена дефицит электронной плотности возника­ет не только на атоме С-1, непосредственно связанном с галоге­ном, но и на атоме С-3, входящем в винильную группу, вследст­вие легкой поляризуемости π-связи. Поэтому атака нуклеофильного реагента с приблизительно одинаковой степенью вероят­ности направляется как на атом С-1, так и на атом С-3.          4.4. Особенности нуклеофильного замещения в спиртах             Спирты так же как алкилгалогениды могут вступать в реакции нуклеофильного замещения, так как в силу акцепторного влияния кислорода на атоме углерода, связанном с гидроксильной группой, имеется дефицит электронной плотности. Однако  положительный заряд на углероде в спиртах меньше, чем в алкилгалогенидах, что снижает скорость нуклеофильного замещения, а ОН-группа – «плохая» уходящая группа, так как она является сильным нуклеофилом. Поэтому нуклеофильное замещение в спиртах ограничено. Независимо от механизма замещения оно проводится  в кислой среде, где сначала осуществляется протонирование гидроксила. При этом ОН-группа превращается в оксониевую группу Н₂О⁺, которая, обладая низкой энергией, является «хорошей» уходящей группой. Кроме того, после протонирования положительный заряд на углероде значительно увеличивается по сравнению с непротонированной формой. Протонированный спирт реагирует далее по механизмам   S_N2 или S_N1 с рассмотренными выше закономерностями.   Лабораторная работа 4.1 СИНТЕЗ БРОМИСТОГО БУТИЛА   Реактивы: н-Бутиловый спирт …………………. 23 мл (18 г) бромистый калий …………………… 37 г серная кислота (r=1,84) ……………. 30 мл   Собирают установку для синтеза, состоящую из нагревателя, круглодонной колбы и обратного холодильника. В круглодонную колбу вливают 35 мл воды, добавляют бромистый калий и бутиловый спирт, присоединяют обратный холодильник. В форштос холодильника вставляют воронку и через неё небольшими порциями (по 2-3 мл) при постоянном помешивании приливают 30 мл концентрированной серной кислоты. В колбу бросают кипелки и осторожно нагревают смесь до слабого кипения, кипятят в течение 1,5 часов. Затем заменяют обратный холодильник на нисходящий (холодильник Либиха), усиливают нагревание и отгоняют бромистый бутил в приемник с водой. Перегонку заканчивают, когда маслянистые капли бромистого бутила не будут опускаться на дно приемника. Содержимое приемника переносят в делительную воронку, тщательно отделяют нижний слой от воды, собирая его в сухую колбу. Для удаления следов воды бромистый бутил «осушают» безводным хлоридом кальция в течение 10-15 минут, периодически встряхивая колбочку. Когда жидкость становится прозрачной, процесс сушки считают законченным. Бромистый бутил отделяют от твердого осадка хлорида кальция декантацией (сливанием через край) в перегонную колбу. Прибор для простой перегонки предварительно тщательно высушивают. Приемник взвешивают. Медленно перегоняют бромистый бутил,  отбирая фракцию, кипящую в пределах 98÷ 103ºС. Определяют объем полученного продукта, измеряют его показатель преломления. Выход 25 г (~70 %). Контрольные вопросы:

1. Зачем в реакционную смесь добавляется вода?
2. Какую роль в синтезе выполняет серная кислота? Почему её добавляют малыми порциями, при постоянном перемешивании?
3. Почему продукт реакции рекомендуют собирать под слоем воды?
4. Почему в процессе «осушения» бромистого бутила безводным хлоридом кальция смесь рекомендуют периодически встряхивать?
5. Чем отличаются механизм S_N1и S_N2? Перечислите условия, которые благоприятствуют протеканию реакции замещения по тому или другому механизму?