Автор работы: Пользователь скрыл имя, 11 Марта 2012 в 16:23, доклад
Спиртами называются соединения, содержащие одну или несколько гидроксильных групп. По их числу спирты подразделяются на одноатомные, двухатомные, трехатомные и т.д. Длины связей и валентные углы в метиловом спирте приведены ниже.
Скорость реакции с HF слишком мала для прямого превращения спиртов в алкилфториды. Скорость реакции замещения резко снижается в ряду
.
Для получения третичных алкилгалогенидов обычно достаточно насытить третичный спирт газообразным галогеноводородом при 0-10о или обработать водной соляной или бромистоводородной кислотами в течение короткого времени при 0-20о. Для получения первичных и вторичных алкилбромидов и алкилиодидов обычно требуется нагревание смеси спирта, концентрированной бромистоводородной кислоты и концентрированной серной кислоты в течение нескольких часов. Вместо концентрированных водных растворов HBr можно использовать бромиды натрия и калия и концентрированую серную кислоту.
Спирты как слабые основания Льюиса при протонировании образуют соли алкоксония. Протонирование гидроксильной группы превращает плохую уходящую группу OH в хорошую уходящую группу - воду.
Механизм последующего нуклеофильного замещения зависит от природы радикала спирта. Для первичных спиртов реализуется SN2 - механизм замещения воды в катионе алкоксония на галоген.
Хлорид-ион в гидроксилсодержащих растворителях сильно сольватирован и проявляет свойства более слабого нуклеофила по сравнению с бромид- и иодид-ионами. Поэтому для получения алкилхлоридов при взаимодействии первичных спиртов с соляной кислотой используют электрофильный катализатор - безводный хлорид цинка. Смесь соляной кислоты и хлорида цинка носит название реактива Лукаса. Хлорид цинка как жесткая кислота Льюиса координируется по атому кислорода, облегчая тем самым замещение гидроксильной группы.
Реакционная способность спиртов по отношению к реактиву Лукаса уменьшается в ряду
Третичные и, по-видимому, вторичные спирты взаимодействуют с галогеноводородами по механизму SN1 с образованием карбокатиона в качестве интермедиата. При этом в реакционной смеси в высокой концентрации находится галогенид-ион - более сильный нуклеофильный агент, чем вода. Поэтому карбокатион стабилизируется не выбросом протона или рекомбинацией с молекулой воды, а взаимодействием с галогенид-ионом как наиболее сильным нуклеофилом.
Характерной особенностью процессов с участием карбокатионов являются перегруппировки. Эта реакция может также сопровождаться перегруппировками. Атом водорода при соседнем атоме углерода может мигрировать в виде гидрид-иона к карбокатионному центру. Это смещение называется 1,2-гидридным сдвигом. Роль подобным перегруппировок возрастает тогда, когда в результате гидридного сдвига образуется более стабильный карбокатион.
Так, например, при нагревании 3-метилбутанола-2, насыщенного газообразным бромистым водородом, в качестве единственного продукта реакции образуется 2-бром-2-метилбутан вместо нормального продукта замещения гидроксила на бром - 2-бром-3-метилбутан. Ниже приведена предполагаемая последовательность превращений, включающая изомеризацию вторичного крбокатиона в более стабильный третичесый карбокатион за счет 1,2-гидридного сдвига.
Перегруппировка может наблюдаться и в том случае, если два карбокатиона близки по стабильности. При нагревании с бромистоводородной кислотой пентанол-2 и пентанол-3 образуют смесь 2-бром- и 3-бромпентана за счет перегруппировки двух вторичных карбокатионов.
Перегруппировка может происходить не только за счет 1,2-миграции гидрид-иона, но также в результате скелетной изомеризации, когда мигрирует алкильная группа. Так, например, если структурные факторы способствуют образованию третичного карбокатиона, первичный спирт претерпевает перегруппировку Вагнера-Меервейна.
Пентанол-1 в тех же условиях образует только 1-бромпентан без продуктов перегруппировки и это превращение протекает по SN2-механизму. Однако первичные спирты с разветвленной цепью дают некоторое количество изомерного галогенида.
Таким образом, замещение гидроксильной группы спиртов на галоген под действием галогеноводородов без изомеризации осуществляется только для третичных спиртов и нормальных алканолов-1. Для получения индивидуальных алкилгалогенидов из спиртов, способных к изомеризации, следует применять другие методы.
Б. Получение алкилгалогенидов из спиртов и галогенидов фосфора
Для превращения спиртов в алкилгалогениды применяют различные тригалогениды, пентагалогениды и оксигалогениды фосфора: PBr3, PCl5, PCl3, POCl3, PI3 (получается из красного фосфора и иода непосредственно во время реакции). Для получении первичных и вторичных галогенидов на три моля спирта можно расходовать только один моль трехбромистого или трехиодистого фосфора.
Механизм замещения гидроксильной группы первичных или вторичных спиртов на бром или иод в реакциях с PBr3 или PI3 в точности не установлен. Наиболее разумное предположение заключается в том, что первоначально из спирта образуется трииалкилфосфит (RO)3P и три молекулы HX. Далее происходит постадийное нуклеофильное замещение фосфитной группировки в протонированной форме фосфита под действием галогенид-иона.
Замещение двух других фосфитных группировок происходит по аналогичному механизму. Реакция катализируется третичными аминами: пиридином, N,N-диметиланилином, триэтиламином и др. и для вторичных спиртов сопровождается 100%-ной инверсией конфигурации асимметрического атома углерода. Принимая во внимание, что PI3 не стабилен даже при 20оС, замещение гидроксильной группы на иод проводят при взаимодействии первичного или вторичного спирта, красного фосфора и иода.
При обработке первичных спиртов PCl3 образуются соответствующие диалкилфосфиты и лишь одна молекула спирта превращается в алкилхлорид; вторичные спирты при этом, в основном, дегидратируются.
Предполагают, что сначала образуется триалкилфосфит, который только частично расщепляется выделяющимся хлористым водородом.
Если проводить эту реакцию в присутствии оснований, связывающих выделяющийся хлористый водород, то образуются только триалкилфосфиты.
Вторичные спирты в реакции с PCl3 подвергаются, главным образом, дегидратации с образованием алкенов. Это неудивительно, если принять во внимание, что галогениды и оксигалогениды фосфора проявляют свойства типичных кислот Льюиса, способствующих этому нежелеательному процессу.
Замещение гидроксильной группы под действием РВгз и других галогенидов и оксигалогенидов фосфора происходит с инверсией конфигурации у асимметрического атома углерода, связанного с гидроксильной группой и часто сопровождается перегруппировками. Так, пентанол-3 в реакции с трехбромистьш фосфором в эфире образует 85% 3-бромпентана и 15% 2-бромпентана - продукта перегруппировки. З-Метилбутанол-2 и неопентиловый спирт с трехбромистьм фосфором также дают смесь двух изомерных галогенидов, в которых доминирует продукт изомеризации.
Применение третичных оснований, таких, как пиридин, хинолин, N,N-диметиланилин в смеси с РВг3, РI3, РС15, РОС15, несколько уменьшает долю продукта перегруппировки, но не устраняет ее полностью. Таким образом, галогениды и оксигалогениды фосфора не могут быть рекомендованы в качестве региоселективных или региоспецифических реагентов для замещения гидроксильной группы в спиртах.
В.Получение алкилхлоридов из спиртов и тионилхлорида
Тионилхлорид превращает первичные и вторичные спирты в алкилгалогениды с выходом 70-90%. Следует различать две разновидности этой реакции: в присутствии или отсутствии основания ( пиридин, триэтиламин, диметиланилин, и др.).
Ранее полагали, что в отсутствии растворителей или в таких растворителях, как петролейный эфир и ароматические углеводороды, замещение гидроксильной группы на хлор с SOCl2 протекает как внутримолекулярное SNi нуклеофильное замещение в хлорсульфите, который, как было установлено, первоначально образуется при взаимодействии SOCl2 со спиртом при низкой (-30оС и ниже) температуре. По этому механизму внутримолекулярное замещение двуокиси серы хлором в хлорсульфите должно происходить с той же стороны, откуда отщепляется уходящая группа SO2. Следовательно, внутримолекулярное нуклеофильное замещение должно сопровождаться полным сохранением конфигурации у асимметрического атома углерода. Для этого процесса был предложен механизм с четырехзвенным переходным состоянием.
В настоящее время установлено, что процесс такой механизм не реализуется, а реакция протекает с образованием в качестве интермедиата ионных пар.
Детальное исследование стереохимии термического разложения оптически активного 2-октилхлорсульфита
показало явное несоответствие с механизмом SNi. В отсутствие растворителя или петролейном эфире образуется 2-хлороктан с обращением конфигурации, что определенно указывает на замещение хлорсульфитной группы в результате атаки хлорид-ионом с тыла. При термическом разложении 2-октилхлорсульфита в диоксане наблюдается сохранение конфигурации, но этот результат следует рассматривать как следствие двойной инверсии конфигурации. В первой стадии диоксан в качестве нуклеофильного агента замещает хлорсульфит в обычном процессе бимолекулярного нуклеофильного замещения.
Во второй стадии хлорид-ион замещает диоксан в оксониевом катионе.
Двойное обращение равносильно сохранению конфигурации у асимметрического атома углерода. Аналогично можно описать превращение спиртов в хлориды и бромиды под действием хлорокиси и бромокиси фосфора.
При замещении гидроксила во вторичных спиртах с помощью тионилхлорида или хлорокиси фосфора в присутствии оснований наблюдается обращение конфигурации. В этом случае имеет место обычное бимолекулярное нуклеофильное замещение в хлорсульфите под действием хлорид-иона как нуклеофила. Источником хлорид-иона служит гидрохлорид третичного амина, образующийся при взаимодействии спирта, тионилхлорида и третичного амина.
Замещение гидроксила на галоген в реакции спиртов с галогенидами и оксигалогенидами фосфора, мышьяка, серы и селена в присутствии оснований всегда приводит к инверсии конфигурации у хирального атома углерода. Для вторичных спиртов с замещением конкурирует элиминирование с образованием алкенов, которое становится доминирующим для третичных спиртов.
Получение трет-алкилхлоридов и трет-алкилбромидов при взаимодействии третичных спиртов с SOCl2, POCl3, POBr3, PBr5 не эффективно, так как главным направлением реакции становится элиминирование. Трет-алкилгалогениды получаются при взаимодействии спиртов с газообразными HCl и HBr в индифферентном растворителе при 0-10оС.
Перегруппировки и изомеризации при замещении гидроксильной группы первичных и вторичных спиртов на хлор под действием тионилхлорида в присутствии пиридина или другого третичного основания при 0о-(-10о) происходят в значительно меньшей степени по сравнению с замещением с PBr3 или PCl5 в смеси с пиридином.
Г. Получение алкилгалогенидов из спиртов и квазифосфониевых солей
Для региоселективного замещения OH-группы в последние годы широкое распространение получили квазифосфониевые соли - аддукты ароматических третичных фосфинов с галогенами, тетрагалогенметанами или N-галогенсукцинимидом. Реакции протекают в мягких условиях и с высокой степенью инверсии конфигурации. Трифенилфосфин образует прочные комплексы с бромом и хлором, которые превращают спирты в алкилгалогениды с высокой региоселективностью. Метод особенно удобен для для вторичных и первичных спиртов, но не эффективен для третичных спиртов, для которых можно ожидать изомеризации и перегруппировки. Иногда в качестве добавки используют пиридин как слабое основание.
В первой стадии реакции спирт вытесняет галогенид-ион из ковалентно построенного соединения пятивалентного фосфора с образованием ионного фосфониевого интермедиата или ковалентного фосфорана, который затем нуклеофильно атакуется галогенид-ионом с отщеплением трифенилфосфиноксида.
Согласно этой схеме конечным стереохимическим результатом должно быть обращение конфигурации у асимметрического атома углерода, при котором происходит замещение гидроксила на галоген.
Аналогично спирты можно превратить в галогениды с обращением конфигурации при взаимодействии с комплексами трифенилфосфина и тетрагалогенметаном, CCl3CN или CCl3COOEt. В этом случае реакционная способность спиртов уменьшается в ряду:
Замещение гидроксила на хлор с помощью систем трифенилфосфин-
Отсутствие аллильных перегруппировок для первичных аллиловых спиртов выгодно отличает этот способ замещения гидроксильной группы на галоген от других.
Д. Замещение сульфонатной группы в алкилсульфонатах на галоген
Этот метод широко используется для замещения гидроксильной группы в первичных и вторичных спиртах на галогены. Спирты сначала этерифицируют с помощью хлорангидридов сульфокислот, т.к. остаток сульфокислоты является превосходной уходящей группой и легко замещается в мягких условиях под действием галогенид-иона, причем алкилсульфонаты могут быть выделены и очищены. Замещение на галоген обычно осуществляется в ДМФА, ДМСО или ацетоне и сопровождается полной инверсией конфигурации.