ТГФ ДМСО ДМФА ГМФТА

Лекция Галогенпроизводные.

Номенклатура.

Окончание галогенид - фторид, хлорид, бромид, иодид.

В приставке: название галогена с указанием положения в цепи.

втор-бутилхлорид, 2-бутилхлорид или 2-хлорбутан,

(в данном примере не указана конфигурация хирального центра)

В связи с высокой электроотрицательностью, галогены проявляют –I эффект по отношению к связанному с ними атому углерода. За счет этого, на атом углерода наводится частичный положительный заряд, то есть он проявляет электрофильные свойства (в качестве примера можно привести алкилирование по Фриделю-Крафтсу ароматических соединений).

Методы получения.

1. Действие галогенов (Cl₂, Br₂) на предельные углеводороды (алканы) по радикальному механизму (см. лекцию 1)

2. Присоединение галогенов и галогеноводородов к алкенам диенам и алкинам (см. лекции 2 и 3)

3. Взаимодействие ароматических соединений с галогенами в присутствии кислот Льюиса (см. лекцию 4)

4. реакция спиртов с галогенидами фосфора, серы и с галогеноводородами. Например, реакция первичного спирта с PCl₅: R-CH₂-OH + PCl₅ ® R-CH₂-Cl + HCl + POCl₃ с образованием алкилхлорида и хлорокиси фосфора. Или реакция третичного спирта с концентрированной соляной кислотой: R₃C-OH + HCl(конц) ® R₃C-Cl + H₂O.

5. Получение фтористых алкилов действием фторида серебра на алкилиодиды.

6. Синтез арилфтоидов заменой ароматической нитрогруппы на фтор под действием фторида цезия S_NAr, и введение фтора термолизом тетрафторборатов арилдиазония.

7. Реакция замены галогенов в галогенпроизводных на йод под действием иодида калия или натрия в ацетоне (реакция Финкельштейна)

Химические свойства:

Реакция нуклеофильного замещения. (S_N)

В зависимости от молекудярности подразделяюи два механизма:

S_N1Мономолекулярная реакция (общая скорость реакции зависит только от концентрации галогенпроизводного).

механизм S_N1:

Так как реакция идет через плоское Sp² переходное состояние (карбокатион) то при использовании хирального (оптически активного) субстрата в результате реакции образуется рацемический продукт.

Конкурирующим процессом для реакции S_N1является реакция мономолекулярного элиминирования Е1 где первая стадия механизма полностью совпадает с первой стадией механизма S_N1.

Скорость-лимитирующая стадия такая же как и в реакции SN1, поэтому на соотношение продуктов не влияет сила основания и полярность растворителя, и это соотношение одинаково для данного конкретного субстрата в любых условиях.

Скорость депротонирования промежуточного карбокатиона, в общем случае, меньше чем реакция его с нуклеофилом, поэтому в продуктах данной реакции преобладает продукт S_N1, однако скорость реакции элиминирования сильнее зависит от температуры и при повышенных температурах начинает преобладать процесс элиминирования.Смещение равновесия в сторону образования продукта замещения (S_N1) можно осуществить используя большой избыток нуклеофильного агента (например в качестве растворителя). Смещение равновесия в сторону Е1 достигается повышением температуры (термодинамический контроль) и использованием ненуклеофильного окружения (инертный растворитель и ненуклеофильная среда).

S_N2Бимолекулярная реакция (общая скорость реакции зависит как от концентрации галогенпроизводного так и атакующего нуклеофила).

Исходя из пирамидальной структуры переходного состояния, при использовании оптически активного субстрата наблюдается обращение конфигурации хирального центра.

Конкурирующим процессом для реакции S_N2является реакция бимолекулярного элиминирования Е2

На соотношение продуктов влияют многие факторы, основным из которых является соотношение основности и нуклеофильности атакующей частицы.

Скорости реакций нуклеофильного замещения и элиминирования в данном случае сопоставимы. В общем случае, преобладание продукта реакции Е2 обусловливается большим размером атакующей частицы (затруднен подход к углеродному центру для осуществления замещения). Увеличение силы нуклеофила по сравнению с его основностью, а также применение в качестве реакционной среды полярных апротонных растворителей таких как тетрагидрофуран (ТГФ), диметилсульфоксид (ДМСО), диметилформамид (ДМФА) или гексаметилфосфатриамид (ГМФТА), способствующих диссоциации реагента и селективной сольватации противоиона наоборот смещает равновесие в сторону процесса S_N2.

ТГФ ДМСО ДМФА ГМФТА

Температурная зависимость реакций бимолекулярного замещения и элиминирования сходна с мономолекулярными процессами.

«Сила» нуклеофила.

Если отбросить факторы сольватации в растворе и рассматривать процесс замещения в газовой фазе, то выстраивается достаточно простой ряд нуклеофильности (данные получены исследованием кинетики реакций замещения в газовой фазе методом ионного циклотронного резонанса ИЦР):

OH^- > F^- > CH₃O^- > CH₃S^- > CN^- ~ Cl^- > Br^-> I^-

Видно, что сила нуклеофила увеличивается с уменьшением радиуса частицы и увеличением локализованного отрицательного заряда.

При переходе от газовой фазы к раствору скорость реакций S_N2 уменьшается более чем на 10 порядков! За счет сольватации исходных частиц резко понижается их потенциальная энергия, а энергия переходного состояния [Nu-C-X]^- с делокализованным зарядом уменьшается незначительно. Следовательно, возрастает энергия активации процесса в целом и уменьшается скорость. Полярные протонные растворители сильнее сольватируют маленькие «жесткие» анионы, а большие «мягкие» остаются менее сольватированными и, следовательно, более реакционно-способными. Поэтому при проведении реакции замещения в этих растворителях ряд силы нуклеофилов (на примере галогенов) меняется на противоположный:I^- > Br^-> Cl^- > F^-. При проведении реакции в полярных апротонных растворителях сравнительная нуклеофильность близка к последовательности в газовой фазе, но скорость процесса несопоставимо ниже.

Таким образом, чем сильнее основные свойства атакующей частицы и слабее ее нуклеофильные свойства, тем больше образуется продукта бимолекулярного элиминирования, и наоборот.