Реакції заміщення гідроксильної групи
Багато важливих реакції спиртів здійснюються шляхом атаки a-атома вуглецю (електрофільного центру) нуклеофілом. У результаті відбувається розрив зв'язку С-О і заміщення гідроксильної групи. Але гідроксид-аніон є настільки сильним нуклеофілом, що витіснення його з молекули спирту неможливо.
Nu - + R-OH ® реакція не піде
Щоб здійснити нуклеофільне заміщення гідроксильної групи в спиртах, останні необхідно модифікувати таким чином, щоб гідроксильна група перетворилася на гарну йде групу. Одним із способів такої модифікації є переклад атома кисню гідроксильної групи в оксоніевую форму. Протонування спиртів перетворює погану йде групу (ОН -) в гарну йде групу (Н 2 О). Протонування призводить і до збільшення позитивного заряду на атомі вуглецю пов'язаному з гідроксильною групою, тому що ВІН 2 + сильніше відтягує електрони, ніж ВІН. Все це робить можливим проходження з протоновані спиртами реакцій S N 2.
Слід тільки мати на увазі, що вторинні спирти часто, а третинні при цьому завжди перетворюються на алкени.
1.1. Отримання алкилгалогенидов зі спиртів і галогеноводородов
Однією з найбільш важливих реакцій у повсякденній практиці органічного синтезу є заміщення гідроксильної групи на галоген. Існує кілька методів заміни гідроксильної групи спирту на галоген.
Йодо-і бромоводородная кислоти легко взаємодіють з усіма спиртами. Але іодоводородная кислота здатна також відновлювати як вихідні спирти, так і утворюються іодопроізводние на вуглеводні, що обмежує її застосування.
Швидкість реакції з HF занадто мала для прямого перетворення спиртів у алкілфторіди.
Для отримання третинних алкилгалогенидов зазвичай достатньо наситити третинний спирт газоподібним галогеноводородов при 0-10 о С або обробити водної соляної, бромістоводородной або йодістоводородной кислотою протягом короткого проміжку часу при 0-20 о С. Первинні спирти реагують, в основному, за механізмом S N 2, а третинні - S N 1.
Третинні спирти реагують з концентрованими HCl, HBr і HI дуже швидко. При змішуванні третинного спирту з концентрованою соляною кислотою при звичайній температурі через кілька хвилин утворюється, нерозчинний у воді, трет-бутілхлорід. Водорозчинні низькомолекулярні первинні і вторинні спирти в цих умовах не реагують.
(44)
-Метил-2-пропанол 2-метил-2-хлорпропан
(Трет-бутілхлорід)
Реакція проходить за механізмом S N 1:
(М 4)
Водонерозчинні третинні спирти перетворюють на галогенні вуглеводні пропусканням газоподібних галогеноводородов через їх розчини в ефірі або тетрагідрофурані (ТГФ).
Для отримання первинних і вторинних алкілбромідов і алкіліодідов зазвичай потрібно нагрівання суміші спирту і концентрованої бромістоводородной або йодістоводородной кислоти протягом декількох годин або пропущення сухого галогенводородов на спирт.
(45)
Первинні спирти реагують по механізму S N 2:
(М 5)
У вторинних спиртах заміщення гідроксильної групи відбувається по обох механізмів, що призводить до утворення основного і перегруппіровочного продуктів. Так при реакції 3-пентанола з HBr поряд з 3-бромпентаном утвориться деяка кількість 2-бромпентана:
(46)
80% 20%
Упр.9. Опишіть механізм реакції:
(47)
Відповідь:
(М 6)
Це реакція кислотно катализируемого заміщення спиртів. Вона проходить за механізмом S N 1, характерному для третинних спиртів.
Важливою характерною особливістю процесів за участю карбокатіонів є перегрупування, і тому заміщення гідроксильної групи спиртів на галоген під дією галогеноводородов без ізомеризації здійснюється тільки для третинних і нерозгалужених первинних спиртів.
Перегрупування відбуваються і зі спиртами з розгалуженням у b-атома вуглецю. При обробці неопентілового спирту бромоводородной кислотою утворюється продукт перегрупування:
(48)
2-бром-2-метілбутан
Причиною такого результату є нуклеофільних внутрішньомолекулярний 1,2-перегрупування (1,2-алкільнийний зрушення):
(М 7)
Упр.10. При нагріванні 3-метил-2-бутанолу, насиченого газоподібним бромоводородом, в якості єдиного продукту реакції утворюється 2-бром-2-метілбутан. Напишіть цю реакцію і опишіть її механізм.
Упр.11. При взаємодії неопентілового спирту з бромоводородом в якості єдиного продукту реакції утворюється 2-бром-2-метілбутан. Напишіть цю реакцію і опишіть її механізм.
Для отримання алкілхлорідов при взаємодії первинних спиртів з соляною кислотою використовують каталізатор - безводний хлорид цинку. Хлорид цинку як жорстка кислота Льюїса координується по атому кисню, полегшуючи тим самим заміщення гідроксильної групи:
(49)
(М 8)
Суміш соляної кислоти і хлориду цинку носить назву реактиву Лукаса.
Реакційна здатність спиртів по відношенню до реактиви Лукаса зменшується в ряду: C 6 H 5 CH 2 OH> CH 2 = CHCH 2 OH> 3 o> 2 o> 1 o.
Різниця в реакційній здатності між первинними (до С 6), вторинними і третинними спиртами при їх взаємодії з хлооводородной кислотою лежить в основі проби Лукаса. При взаємодії спиртів з реактивом Лукаса галогеноалкани утворюються з різними швидкостями. Третинні спирти реагують дуже швидко з виділенням нерозчинного у воді хлоралкана. Вторинні спирти спочатку розчиняються, але незабаром розчин каламутніє, і через деякий час з'являються краплі хлоралкана. Розчини первинних спиртів, за винятком аллилового і бензилового, в реактиве Лукаса залишаються прозорими.
Галогеніди та оксигалогенідов фосфору відносяться до помірно сильним кислотам Льюіса, а їх аніони є нуклеофилами.
(50)
Механізм:
(М 9)
Утворений HOPBr 2 далі реагує зі спиртом по аналогічного механізму, і в кінцевому підсумку, всі три атома галогену беруть участь в реакції.
Заміщення гідроксильної групи на галоген в цих реакціях відбувається з інверсією конфігурації.
Заміщення гідроксильної групи первинних і вторинних спиртів на галоген під дією трибромідом фосфору та інших галогенідів і оксигалогенідов фосфору відбувається з перегрупуванням:
(51)
(85%) (15%)
Упр.12. Напишіть реакцію (R)-2-бутанолу з трибромідом фосфору і опишіть її механізм.
Оскільки заміщення гідроксильної групи на галоген за допомогою галогенідів фосфору часто супроводжується ізомеризації і перегрупування, ці реагенти слід застосовувати тільки в простих випадках, де перегрупування і ізомеризація неможливі.
.
При взаємодії трифенілфосфіну з галогенами утворюються стабільні комплекси. Ці комплекси перетворюють спирти в алкілгалогенід:
(52)
(53)
Механізм:
(М 10))
Метод особливо зручний для первинних і вторинних спиртів, для яких можна очікувати ізомеризації і перегрупування.
Упр.13. Напишіть реакцію неопентілового спирту з комплексом трифенілфосфіну з хлором і опишіть її механізм.
Відповідь.
(54)
неопентіловий спирт неопентілхлорід
Упр.14. Напишіть реакцію 3-метил-2-бутанолу з комплексом трифенілфосфіну з бромом і опишіть її механізм.
Спирти можна перетворити на хлориди або броміди при взаємодії з трифенілфосфіну і тетрагалогенідамі вуглецю:
(55)
Механізм цієї реакції більш складний. Заміщення відбувається зі зверненням конфігурації.
Упр.15. Напишіть реакції: (а) 2-пентанола з трифенілфосфіну і тетрабромідом вуглецю, (б) гераніол з трифенілфосфіну і тетрахлорид вуглецю, (в) транс-2-Бутен-1-олу з трифенілфосфіну і тетрахлорид вуглецю.
Багато важливих реакції спиртів здійснюються шляхом атаки a-атома вуглецю (електрофільного центру) нуклеофілом. У результаті відбувається розрив зв'язку С-О і заміщення гідроксильної групи. Але гідроксид-аніон є настільки сильним нуклеофілом, що витіснення його з молекули спирту неможливо.
Nu - + R-OH ® реакція не піде
Щоб здійснити нуклеофільне заміщення гідроксильної групи в спиртах, останні необхідно модифікувати таким чином, щоб гідроксильна група перетворилася на гарну йде групу. Одним із способів такої модифікації є переклад атома кисню гідроксильної групи в оксоніевую форму. Протонування спиртів перетворює погану йде групу (ОН -) в гарну йде групу (Н 2 О). Протонування призводить і до збільшення позитивного заряду на атомі вуглецю пов'язаному з гідроксильною групою, тому що ВІН 2 + сильніше відтягує електрони, ніж ВІН. Все це робить можливим проходження з протоновані спиртами реакцій S N 2.
Слід тільки мати на увазі, що вторинні спирти часто, а третинні при цьому завжди перетворюються на алкени.
1.1. Отримання алкилгалогенидов зі спиртів і галогеноводородов
Однією з найбільш важливих реакцій у повсякденній практиці органічного синтезу є заміщення гідроксильної групи на галоген. Існує кілька методів заміни гідроксильної групи спирту на галоген.
А. Реакції з галогеноводородами
Один з найстаріших методів заснований на реакції спиртів з галогеноводородами. Умови протікання реакції залежать від будови спирту і природи галогеноводородной кислоти. Найбільшою активністю володіють спирти аллильной і бензильного типів, а також третинні спирти. Вони реагують з більшою швидкістю, ніж вторинні, а останні перевершують первинні спирти. Зі збільшенням довжини вуглеводневого радикала реакційна здатність спиртів кожного типу знижується. Реакційна здатність галогеноводородних кислот, що діють як каталізатор і джерело нуклеофіл, падає в послідовності HI> HBr> HCl>> HF, що пов'язано зі зменшенням сили кислоти і зменшенням нуклеофільність при переході від йодид-іона до хлорид-іону.Йодо-і бромоводородная кислоти легко взаємодіють з усіма спиртами. Але іодоводородная кислота здатна також відновлювати як вихідні спирти, так і утворюються іодопроізводние на вуглеводні, що обмежує її застосування.
Швидкість реакції з HF занадто мала для прямого перетворення спиртів у алкілфторіди.
Для отримання третинних алкилгалогенидов зазвичай достатньо наситити третинний спирт газоподібним галогеноводородов при 0-10 о С або обробити водної соляної, бромістоводородной або йодістоводородной кислотою протягом короткого проміжку часу при 0-20 о С. Первинні спирти реагують, в основному, за механізмом S N 2, а третинні - S N 1.
Третинні спирти реагують з концентрованими HCl, HBr і HI дуже швидко. При змішуванні третинного спирту з концентрованою соляною кислотою при звичайній температурі через кілька хвилин утворюється, нерозчинний у воді, трет-бутілхлорід. Водорозчинні низькомолекулярні первинні і вторинні спирти в цих умовах не реагують.
-Метил-2-пропанол 2-метил-2-хлорпропан
(Трет-бутілхлорід)
Реакція проходить за механізмом S N 1:
Водонерозчинні третинні спирти перетворюють на галогенні вуглеводні пропусканням газоподібних галогеноводородов через їх розчини в ефірі або тетрагідрофурані (ТГФ).
Для отримання первинних і вторинних алкілбромідов і алкіліодідов зазвичай потрібно нагрівання суміші спирту і концентрованої бромістоводородной або йодістоводородной кислоти протягом декількох годин або пропущення сухого галогенводородов на спирт.
Первинні спирти реагують по механізму S N 2:
У вторинних спиртах заміщення гідроксильної групи відбувається по обох механізмів, що призводить до утворення основного і перегруппіровочного продуктів. Так при реакції 3-пентанола з HBr поряд з 3-бромпентаном утвориться деяка кількість 2-бромпентана:
80% 20%
Упр.9. Опишіть механізм реакції:
Відповідь:
Це реакція кислотно катализируемого заміщення спиртів. Вона проходить за механізмом S N 1, характерному для третинних спиртів.
Важливою характерною особливістю процесів за участю карбокатіонів є перегрупування, і тому заміщення гідроксильної групи спиртів на галоген під дією галогеноводородов без ізомеризації здійснюється тільки для третинних і нерозгалужених первинних спиртів.
Перегрупування відбуваються і зі спиртами з розгалуженням у b-атома вуглецю. При обробці неопентілового спирту бромоводородной кислотою утворюється продукт перегрупування:
2-бром-2-метілбутан
Причиною такого результату є нуклеофільних внутрішньомолекулярний 1,2-перегрупування (1,2-алкільнийний зрушення):
Упр.10. При нагріванні 3-метил-2-бутанолу, насиченого газоподібним бромоводородом, в якості єдиного продукту реакції утворюється 2-бром-2-метілбутан. Напишіть цю реакцію і опишіть її механізм.
Упр.11. При взаємодії неопентілового спирту з бромоводородом в якості єдиного продукту реакції утворюється 2-бром-2-метілбутан. Напишіть цю реакцію і опишіть її механізм.
Для отримання алкілхлорідов при взаємодії первинних спиртів з соляною кислотою використовують каталізатор - безводний хлорид цинку. Хлорид цинку як жорстка кислота Льюїса координується по атому кисню, полегшуючи тим самим заміщення гідроксильної групи:
Суміш соляної кислоти і хлориду цинку носить назву реактиву Лукаса.
Реакційна здатність спиртів по відношенню до реактиви Лукаса зменшується в ряду: C 6 H 5 CH 2 OH> CH 2 = CHCH 2 OH> 3 o> 2 o> 1 o.
Різниця в реакційній здатності між первинними (до С 6), вторинними і третинними спиртами при їх взаємодії з хлооводородной кислотою лежить в основі проби Лукаса. При взаємодії спиртів з реактивом Лукаса галогеноалкани утворюються з різними швидкостями. Третинні спирти реагують дуже швидко з виділенням нерозчинного у воді хлоралкана. Вторинні спирти спочатку розчиняються, але незабаром розчин каламутніє, і через деякий час з'являються краплі хлоралкана. Розчини первинних спиртів, за винятком аллилового і бензилового, в реактиве Лукаса залишаються прозорими.
Б. Дією галогенідів фосфору
Для перетворення спиртів у алкілгалогенід застосовують різні три-і пентагалогеніди фосфору: PBr 3, PCl 3, POCl 3 або PI 3. Останній отримують з червоного фосфору і йоду безпосередньо під час реакції:Галогеніди та оксигалогенідов фосфору відносяться до помірно сильним кислотам Льюіса, а їх аніони є нуклеофилами.
Механізм:
Утворений HOPBr 2 далі реагує зі спиртом по аналогічного механізму, і в кінцевому підсумку, всі три атома галогену беруть участь в реакції.
Заміщення гідроксильної групи на галоген в цих реакціях відбувається з інверсією конфігурації.
Заміщення гідроксильної групи первинних і вторинних спиртів на галоген під дією трибромідом фосфору та інших галогенідів і оксигалогенідов фосфору відбувається з перегрупуванням:
(85%) (15%)
Упр.12. Напишіть реакцію (R)-2-бутанолу з трибромідом фосфору і опишіть її механізм.
Оскільки заміщення гідроксильної групи на галоген за допомогою галогенідів фосфору часто супроводжується ізомеризації і перегрупування, ці реагенти слід застосовувати тільки в простих випадках, де перегрупування і ізомеризація неможливі.
.
В. Дія квазіфосфоніевих солей
Набагато більш регіоселективно заміщення досягається при використанні квазіфосфоніевих солей.При взаємодії трифенілфосфіну з галогенами утворюються стабільні комплекси. Ці комплекси перетворюють спирти в алкілгалогенід:
Механізм:
Метод особливо зручний для первинних і вторинних спиртів, для яких можна очікувати ізомеризації і перегрупування.
Упр.13. Напишіть реакцію неопентілового спирту з комплексом трифенілфосфіну з хлором і опишіть її механізм.
Відповідь.
неопентіловий спирт неопентілхлорід
Упр.14. Напишіть реакцію 3-метил-2-бутанолу з комплексом трифенілфосфіну з бромом і опишіть її механізм.
Спирти можна перетворити на хлориди або броміди при взаємодії з трифенілфосфіну і тетрагалогенідамі вуглецю:
Механізм цієї реакції більш складний. Заміщення відбувається зі зверненням конфігурації.
Упр.15. Напишіть реакції: (а) 2-пентанола з трифенілфосфіну і тетрабромідом вуглецю, (б) гераніол з трифенілфосфіну і тетрахлорид вуглецю, (в) транс-2-Бутен-1-олу з трифенілфосфіну і тетрахлорид вуглецю.