Лекция № 9. Галллогенпроизводные

1. Методы получения.

2. Химические свойства

2.1. Реакции нуклеофильного замещения.

2.2. Реакции элиминирования.

Галогенпроизводные — это производные
углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода замещены на галоген.
В зависимости от типа гибридизации атома углерода, связанного с атомом галогена,
различают следующие основные типы галогенпроизводных.

1. Галогенирование алканов.
   
   RH + Hal₂ ® RHal + HHal

   Hal=Cl, Br.

2. Гидрогалогенирование алкенов и
   алкинов.
   
   RCH=CH₂ + HHal ® RCHHalCH₃

   RCє CH + 2HHal ® RCHal₂CH₃

3. Присоединение галогенов к алкенам и
   алкинам
   
   RCH=CH₂ + Hal₂ ® RCHHalCH₂Hal
   RCє CH + 2Hal₂ ® RCHal₂CHHal₂
   Hal=Cl,
   Br.
   
4. Взаимодействие спиртов с галогеноводородами и
   галогенидами фосфора и серы например:
   
   ROH + HBr ® RBr +H₂O
   ROH +
   PCl₅ ® RCl + POCl₃ + HCl
   ROH + SOCl₂ ® RCl + SO₂ +
   HCl
   
5. Заместительное галогенирование алкенов и
   алкилбензолов, например:
   

   Галогенпроизводные, содержащие
   связь 

6. Гидрогалогенирование алкинов.

   RCє CH + HHal ® RCHal=CH₂

7. Галогенирование аренов, например:

Галогенпроизводные содержат два основных реакционных центра – связь С-Hal и
связь С-Н в b -положении к
атому галогена. Атом углерода, связанный с атомом галогена несет частичный
положительный заряд и может атаковаться нуклеофилами. Атом водорода в b -положении
обладает слабыми кислотными свойствами и может отщепляться под действием
оснований.

Таким образом, основные типы реакций,
характерные для галогенпроизводных, – это реакции нуклеофильного замещения
(S_N) и элиминирования (E), причем
различие в реакционной способности галогенпроизводных, содержащих
связи в этих
реакциях очень велико.

Галогенпроизводные, содержащие кратные связи или
бензольное кольцо, вступают также в реакции, характерные для ненасыщенных и
ароматических углеводородов, с учетом влияния на эти реакционные центры атома
галогена, что было рассмотрено ранее (присоединение галогеноводородов к
винилхлориду, электрофильное замещение в галогенаренах).

Общая схема реакции:

Нуклеофил отдает субстрату свою пару электронов,
за счет которой образуется новая связь, а галоген уходит со своей парой
электронов в виде галогенид-аниона. При этом происходит алкилирование нуклеофила.

Для нуклеофильного замещения у атома углерода в
состоянии sp³-гибридизации
установлено два основных механизма: бимолекулярное нуклеофильное
замещение (S_N2)
и мономолекуляное нуклеофильное замещение (S_N1).

Бимолекулярное нуклеофильное
замещение.
Бимолекулярное нуклеофильное замещение – это
синхронный процесс, который протекает в одну стадию. Разрыв старой и образование
новой связи происходят одновременно. Нуклеофил атакует субстрат со стороны,
противоположной уходящей группе (с тыла), и постепенно вытесняет ее из молекулы:

Энергетическая диаграмма процесса имеет
вид:

1. Кинетический признак

Скорость реакции зависит от
концентрации и субстрата, и нуклеофила. Реакция имеет второй общий порядок
(первый по субстрату и первый по нуклеофилу) и описывается кинетическим
уравнением:

v=k[RHal][Y]

1. Стереохимический признак

Если нуклеофильное замещение происходит у асимметрического атома
углерода, то имеет место обращение конфигурации, так как в переходном состоянии
три нереагирующие группы и центральный атом углерода находятся в одной
плоскости, а входящая и уходящая группы расположены на одной прямой,
перпендикулярной этой плоскости. В результате структура выворачивается, как
зонтик:

Мономолекуляное нуклеофильное
замещение.
Мономолекулярное нуклеофильное замещение протекает в
две стадии:

На первой стадии под действием растворителя
происходит гетеролитический разрыв связи в субстрате, в результате чего
образуется карбокатион. Процесс протекает медленно и определяет скорость реакции
в целом. На второй стадии карбокатион быстро реагирует с нуклеофилом, давая
продукт замещения.

Энергетическая диаграмма процесса имеет
вид:

S_N1-реакции имеют следующие основные
признаки.

1. Кинетический признак

Скорость реакции зависит только от
концентрации субстрата, поскольку нуклеофил не участвует в лимитирующей стадии
процесса. Реакция имеет первый порядок и описывается кинетическим
уравнением:

v=k[RHal]

1. Cтереохимический признак

Если нуклеофильное замещение происходит у асимметрического атома
углерода, то, как правило, образуется рацемическая смесь, так как атака
нуклеофилом плоского карбокатиона с обоих сторон равновероятна:

Факторы, влияющие на ход нуклеофильного
замещения

Легкость протекания реакции и ее механизм зависят от многих факторов, среди
которых можно выделить следующие:

• строение углеводородного радикала субстрата;
• природа уходящей группы;
• сила нуклеофила;
• природа растворителя.

Влияние строения углеводородного
радикала.

Реакционная способность первичных, вторичных и третичных алкилгалогенидов в
реакциях нуклеофильного замещения различна, причем порядок реакционной
способности зависит от механизма реакции.

Скорость реакций, протекающих по механизму S_N1, зависит от стабильности карбокатиона, образующегося на
первой стадии реакции. Таким образом, реакционная способность алкилгалогенидов в
реакциях S_N1 возрастает в
ряду:

который соответствует ряду стабильности
карбокатионов:

Успех реакции S_N2 определяется эффективностью атаки нуклеофила на
положительно заряженный реакционный центр субстрата. Поэтому электронодонорные
радикалы R, понижая положительный заряд на реакционном центре, замедляет
нуклеофильную атаку. В то же время увеличению объема R затрудняет подход
нуклеофила к реакционному центру. Совместное действие индуктивного и объемного
эффектов определяет ряд реакционных способностей субстратов в реакциях
нуклеофильного замещения:

Высокой реакционной способностью независимо от
механизма реакции обладают аллил- и бензилгалогениды. В процессе
S_N1 они дают карбокатионы,
стабилизированные засчет сопряжения:

Влияние природы уходящей группы.

Реакционная способность алкилгалоненидов зависит
от прочности связи углерод – галоген, которая уменьшается в ряду:

Не менее важно, чтобы уходящая группа была
термодинамически стабильна. (Она должна быть более устойчива, чем атакующий
субстрат нуклеофил). Хорошими (относительно устойчивыми) уходящими группами
являются слабые основания. Галогенид-анионы – хорошие уходящие группы. Их
относительная стабильность возрастает по мере уменьшения их основности в
ряду:

Параллельно увеличивается и реакционная
способность алкилгалогенидов независимо от того, по какому из двух механизмов
протекает реакция:

Влияние природы нуклеофила.

Нулеофильность – это способность
частицы взаимодействовать с атомом углерода, несущим целый или частичный
положительный заряд. Нуклеофильность является кинетической характеристикой и
определяется константами скоростей соответствующих реакций.

Нуклеофилы, как и основания, могут быть сильными и слабыми. Единой шкалы
нуклеофильности не существует, так как относительная сила нуклеофила может
изменяться в зависимости от природы субстрата и растворителя. Однако можно
выделить следующие основные закономерности.

1) Отрицательно заряженные нуклеофилы сильнее, чем нейтральные молекулы
(сопряженные им кислоты):

2) Для элементов одного периода с ростом
электроотрицательности атома нуклеофильность уменьшается:

3) Электронодонорные заместители увеличивают,
электроноакцепторные – уменьшают нуклеофильность. Например, для
кислородсодержащих нуклеофилов установлен следующий ряд реакционной
способности:

В рассмотренных примерах порядок нуклеофильности
реагентов совпадает с порядком их основности и объясняется теми же причинами.
Однако сила нуклеофила определяется не только его основностью, но и поляризуемостью.

4) Для элементов одной
подгруппы с возрастанием заряда ядра нуклеофильность увеличивается, несмотря на
уменьшение основности:

Рост нуклеофильности связан с увеличением
поляризуемости атомов и ионов по мере увеличения их радиуса. Чем выше
поляризуемость нуклеофила, тем легче деформируется его электронное облако и тем
в большей степени он способен передать электронную плотность на субстрат.

Такой порядок нуклеофильности может быть
объяснен также с позиций принципа ЖМКО. Основность по Бренстеду проявляется во
взаимодействии с жесткой кислотой Н⁺, в то время как нуклеофильность проявляется во
взаимодействии с более мягким кислотным центром – атомом углерода, для которого
предпочтительным будет взаимодействие с мягкими основаниями Льюиса –
RS^— и I^—.

Кроме того, относительная сила нуклеофилов
зависит от природы растворителя. Чем меньше размер аниона, тем лучше он
сольватируется полярными протонными растворителями (т.е. растворителями,
способными образовывать с анионом водородные связи), что снижает его реакционную
способность. При замене растворителя порядок реакционной способности нуклеофилов
может меняться на противоположный.

В соответствии с механизмами
S_N2 и S_N1 природа нуклеофила оказывает влияние на ход
S_N2-реакции, так как нуклеофил
участвует в лимитирующей (и единственной) стадии процесса, и не влияет на
скорость реакций, протекающих по механизму S_N1, лимитирующая стадия которых протекает без участия
нуклеофила.

Влияние природы растворителя

Растворитель влияет на скорость и механизм
реакций нуклеофильного замещения.

Протеканию реакции по механизму
S_N1 способствуют
сильноионизирующие растворители. К ним относятся полярные протонные растворители
(вода, спирты, карбоновые кислоты), так как они хорошо сольватируют ионные
интермедиаты: отрицательно заряженную уходящую группу – за счет водородных
связей, карбокатион – за счет свободных пар электронов.

Влияние растворителя на
S_N2-реакции проявляется в меньшей
степени и зависит от распределения зарядов в исходном и переходном состояниях.
Как правило, их скорость уменьшается с ростом полярности растворителя и
увеличивается при переходе от протонных растворителей к апротонным
(диметилформамид, диметилсульфоксид, ацетонитрил). В апротонных растворителях,
которые не способны к образованию водородных связей, нуклеофил (а это, как
правило, анион) в меньшей степени сольватирован и, следовательно, обладает
большей силой, что важно для S_N2-реакции.

Таким образом, протеканию реакций по механизму S_N2 способствуют:

• субстрат с углеводородным радикалом малого
  объема (первичным);
• апротонный растворитель;
• сильный нуклеофил.

Реализации механизма S_N1 способствуют:

• субстрат с углеводородным радикалом
  разветвленного строения (третичным);
• полярный протонный
  растворитель;
• слабый нуклеофил.

По легкости замещения галогена независимо от механизма
реакции галогенпроизводные располагаются в следующий ряд:

аллил- и бензилгалогениды >
алкилгалогениды > винил- и арилгалогениды

Галогенпроизводные, содержащие связь (винил- и арилгалогениды), обладают очень низкой реакционной
способностью. Реакция протекает по иному механизму. Малую подвижность галогена в
винил- и арилгалогенидах объясняют увеличением прочности связи C-Hal за счет
сопряжения пары электронов галогена с электронами p -связей:

Примеры реакций нуклеофильного
замещения

Реакции нуклеофильного замещения галогена широко используются в органическом
синтезе. С их помощью можно заменять галоген на другие функциональные группы или
углеводородные радикалы и получать из галогенпроизводных любые классы
органических соединений.

Примеры синтетического использования галогенпроизводных алифатических
углеводородов приведены в таблице.

Таблица 7. S_N-реакции
галогенпроизводных

Винил- и арилгалогениды инертны по отношению к
нуклеофильным реагентам. Замещения галогена в галогенбензолах возможно только в
очень жестких условиях, например:

Введение электроноакцепторных заместителей в орто— и пара-положения к галогену активизируют галогенарены в
S_N-реакциях:

Аналогично 2,4-динитрофторбензол взаимодействует
с аминогруппами аминокислот и пептидов, что используется для установления их
аминокислотного состава:

2.2. Реакции
элиминирования

В процессе элиминирования (дегидрогалогенирования) от молекулы
галогеноводорода отщепляется HHal и образуется алкен.

Элиминирования протекает под действием сильных
оснований – концентрированных растворов гидроксидов щелочных металлов в спирте,
алкоголятов или амидов щелочных металлов. Основания отщепляют протон из b -положения,
одновременно из молекулы уходит галоген в виде галогенид-аниона:

Если возможно образование двух разных продуктов
элиминирования, то преимущественно образуется наиболее замещенный у двойной
связи алкен, который является термодинамически более стабильным (правило
Зайцева):

Механизм реакций элиминирования

Реакции элиминирования могут протекать, по мономолекулярному (Е1) или
бимолекулярному (Е2) механизмам.

Е1-реакции протекают параллельно с реакциями S_N1 и включают две стадии. Сначала образуется карбокатион,
от которого затем отщепляется под действием основания протон:

Реакции Е2 протекают параллельно с реакциями
S_N2 и включают одну стадию, в
ходе которой одновременно происходит разрыв старых и образование новых
связей:

Механизм элиминирования (Е1 или Е2) определяется
теми же факторами, что и соответствующие процессы нуклеофильного замещения
(S_N1 и S_N2).

Конкуренция реакций нуклеофильного замещения
и элиминирования

Процессы элиминирования и нуклеофильного замещения всегда протекают
параллельно, так как все нуклеофилы одновременно являются и основаниями:

Соотношение продуктов элиминирования и замещения
зависит от природы реагентов и условий проведения реакции. Подбирая условия
реакции и реагент, можно добиться преимущественного протекания реакции в нужном
направлении.

Факторы, способствующие протеканию
элиминирования:

1) Высокая основность реагента.

Сильные основания будут атаковать в первую
очередь атом водорода в b -положении, а не углерод. Так, под действием
алкоголят-анионов, которые являются сильными основаниями, протекает в основном
элиминирование, в то время как менее основные тиолят-анионы реагируют по атому
углерода и дают продукты замещения:

CH₃-CHI-CH₃ +
C₂H₅O^—Na⁺® CH₃-CH=CH₂ + C₂H₅OH + NaI

CH₃-CHI-CH₃ +
C₂H₅S^—Na⁺® (CH₃)₂CH-S-C₂H₅ +NaI

Протеканию элиминирования способствует не только
высокая основность, но и большой объем реагента, что затрудняет его атаку по
атому углерода. Поэтому третичные алкоголят-анионы дают в основном продукты
элиминирования.

2) Малополярные растворители.

Один и тот же реагент – гидроксид калия, в водном растворе реагирует как
нуклеофил с образованием продуктов замещения, а в менее полярном растворителе –
спирте дает в основном продукты элиминирования:

3) Высокая температура.

Реакции элиминирования имеют большую энергию активации, чем реакции
замещения, и поэтому их скорость возрастает в большей степени при увеличении
температуры.

4) Протеканию элиминирования способствует большой объем углеводородного
радикала субстрата, что затрудняет атаку реагента по атому углерода. Склонность
галогенпроизводных к реакциям элиминирование возрастает в ряду:

Взаимодействие оснований с третичные алкилгалогениды приводит в основном к
элиминированию: