Пальм В.А. Введение в теоретическую органическую химию

Подождите немного. Документ загружается.

+ 2 NaCl

СООН

@JH

+2ИСl

НЕКОТОРЫЕ

РЕАКЦИИ,

СВОЙСТВЕННЫЕ

АКТИВИРОВАННОМУ

АРОМАТИЧЕСКОМУ

ЯДРУ

339

Молекулы

фенола

сшиваются

посредством

м;тиленовых

мостиков

n-положениях

относительно

гидроксильнои

группы

возникает

высокомолекулярный

продукт

поликонденсации

феноло-формальде

гидная

смола.

Исключительно

легко

подвергается

электрофильному

замещениН?

фенолятный

ион.

Сухой

фенолят

натрия

реагирует

при

повышеннои

температуре

С0

+ - +

:O-Na •

ONa

Q\a-

OV+ r

L9J

_-он

+C6HsON~

OONa+

с.н.он

0)"-

При

подкислении

продукта

реакции

образуется

салициловая

кис-

лота:

Азотистая

кислота,

по

аналогии

азотной,

обладает

свойствами

вторичного

основания:

ON-OH+H+

';:!

NO++H

Вследствие

большей

резонансной

стабилизации активированного

состояния

происходит

ориентация

электрофильного

замещения

пре

имущественно

а-положение.

Вследствие

активирующего

влияния

гидроксильной

группы

реак

ции

электрофильного

замещения

фенолах

идут

легко.

Характерным

частным

случаем

такого

замещения

является

реакция

фенола

фор

мальдегидом

кислой

среде,

где

формальдегид

присутствует

.виде

протонированной.формы

(точнее

комплекса

ионом

гидроксония):

он

ОН.

ОН

,-ОН

2ОН

ИрН;

си;

~+H2C=O-H

+Н

----

н н

----

наличия

R-заместителя

положении,

занятом

гетероатомом.

Для

пиридина,

например,

получается

следующее

распределение

зарядов,

обусловленное

большей

электроотрицательностью

азота

по

сравнению

углеродом:

19J~---

Эта так

называемая ацидофобность

фурана

пиррола,

сочетании

их

высокой

активностью,

требует

особых

предосторожностей

при

про

ведении

реакции

электрофильного

замещения

такими

ароматическими·

гетероциклами.

Сульфирование

этих

соединений

все

же

возможно,

если

качестве

сульфирующего

агента

использовать

комплексы

пиридина

с.н.ы-эо..

При

рассмотрении

ориентации

электрофильного

замещения

пяти

членных

гетероциклах

(например,

тиофене)

следует

отметить,

что

при

замещении

а-положение

для

модели

активированного

состояния

возможны

три предельные

структуры:

-11

I~E

J/E

'-I/E

"'-S/"'-H

"'-s

"'-н

~S/"'-H

З38

Для

~-замещения

таких

структур только

две:

/Е

~S)~HHvH

Замещение

ориентировано

~-положение.

пятичленных

ароматических

гетероциклах

одним

гетероато

мом

(пиррол,

фуран,

тиофен)

электронная

пара

гетероатома,

входящая

состав

ароматического

секстета

электронов,

более

или

менее

равно-

мерно

распределена

по

всему

циклу,

вследствие

чего

реакции

элекгро

фильнаго

замещения

этими

соединениями

идут

очень

легко.

Однако

надо

иметь

ввиду,

что

сильно

кислотных

средах

(в

условиях

нитро

вания

сульфирования)

пиррол

фуран

осмоляются.

Это

связано,

по

видимому,

исчезновением

ароматического

характера

гетероцикла

при

протонировании

его

как

основания.

Возникает

очень

активная

бла~

годаря

наличию

положительного

заряда

дненовая

система,

быстро

вступающая

различные

реакции

полимеризации:

Нитрозильные

катионы

NO+

способны

участвовать

вдектрофильном

замещении

ароматического

углерода

при

наличии

ароматическом

ядре

таких

активирующих

заместителей,

как

-он

или

-N(CH

3)2'

При

таком

нитрозировании

образуются

ароматические

нитрозосое

динения:

но-@

нно,

HO-@-NO

O=ON-OH

2О

rnaBa

ХХI

НУКЛЕОФИЛЬНОЕ

ПРИСОЕДИНЕНИЕ

ПОЛЯРНltlМ

,-r-СВЯЗЯМ

Дальнейшая

судьба

продукта

присоединения

нуклеофила

зависит

от

строения

карбонильного

соединения.

Продукты

присоединения

нуклеофилов

альдегидам

кетонам

содержат

только

одну

электроотрицательную

уходящую

группу,

со

ответствующую

атаковавшему

нуклеофилу.

Поэтому

единственной

возможностью

избежать

диссоциации

.образованием

исходных

про

дуктов

под

влиянием

выталкивающего

действия

отрицательно

заря

женного

атома

кислорода

является

присоединение

протона

атому

кислорода.

Для

этого

необходимо

присутствие

реакционной

cpeд~

хотя

бы

слабой

кислоты.

Наличие

характер

последующих

стадии

зависит

от

природы

атакующего

нуклеофила.

Если

карбонильное

соединение

является

сложным

эфиром,

галоге

нангидридом

или

амидом

карбоксильной

кислоты

т.

Д.,

то

продукте

его

взаимодействия

нуклеофилом

имеется

две

электроотрицательные

уходящие

группы.

При

последующей

гетеролитической

диссоциации

может

отщепиться

та

из

них,

которая

имел

ась

исходном

соединении.

При

этом

возникает

новое

карбонильное

соединение

конечным

ре

зультатом

является

нуклеофильное

замещение

карбонильного

Sp2-

углеродного

атома:

ПРИСОЕДИНЕНИЕ

КАРБОНИЛЬНОА

ГРУППЕ

ВОЗМОЖНЫЕ

ПОСЛЕДУЮЩИЕ

СТАДИИ

Благо~аря

наличию

дробного

положительного

заряда

частично

вакантнои

орбитали

на

карбонильном

углероде

расположен

ТИпичный

центр

электрофильности:

Из

второй

предельной

структуры

следует,

что

карбонильная

группа

неотличима

от

иона

карбония,

котором

положительно

заряженным

углеродом

связ:н

отрицательно

заряженный

кислород.

Исходя

из

эгои

предельнои

структуры

можно

заключить,

что

б о

и л

ь

н и

с в

й с т в

е а

11,

к т

о в к

б о н

я.

Действительно

они

способны

как

взаимодействию

различными

нуклеофилами,

Ta~

перегруппировкам

миграцией

заместителей

Проявлению

кар

бокислотных

свойств.

Особенности

конечного

результата

обусловлены

присутст~ием

отрицательно

заряженного

атома

'кислорода,

обладаю

щего

своиствами

СИльноосновного

центра

активной

выталкивающей

группы.

Обратимое

взаимодействие

карбонильных

соединений

ну

клео

филами

ОСУществляется

по

схеме:

-с=о

---

-с-о:

R-~_yl

у:&-

(:0-

...1

Y~C-Y

",)

...",

Y:/~-

R-C-Y

Ниже

приведены

схемы

реющий

альдегидов

кетонов

разными

нуклеофилами.

Гидратация.

Если

атакующим

нуклеофилом

является

вода

или

ион

гидроксила,

альдегиды

кетоны

реагируют

по

схеме:

0:-

ОН

I I

R-C-R'

+Н

2О:;::::::

-C-R'

R-C-R'

I . I

+ОН

он

:0-

ОН

-н,о

R-C-R'+:OH-:;::::::

R-C-

R'==:R-C-R'+:OH-

I I

ОН

НУКЛЕОФИЛЬНОЕ

ПРИСОЕДИНЕНИЕ

АЛЬДЕГИДАМ

КЕТОНАМ

результате

устанавливается

равновесие

между

альдегидом

или

кетоном

его

гидратной

формой.

Поскольку

нуклеофильность

:ОН

существенно

выше,

чем

воды,

щелочной

среде

равновесие

устанав

ливается

намного

быстрее,

чем

нейтральной

происходит

щелоч

ной

катализ.

Положение

равновесия

опрелеляется

для

этих

реакций

основном

стабильностью

исходного

соединения.

случае

альдегидов

кетонов

341

I n·-

у-с-о

У:

-с=о

(\&-

-с=о

или

S40

кетонами

Продукты

реакции

(ОН

I I

В-С-В

x-~

альдегидами

---

кетонами

идут

по

схеме:

0:-

он

I ,

I r

X-NH

В-С-В

. 1 I

X-NH

Таблица

Продукты

реакции

разлвчных

нуклеофилов

альдеrидами

кетонами

в-с-В

Нуклеофил

конечном

счете

карбонильная

группа

замещается

группой

C=N-X,

причем

промежуточным

ступенями

служат

приведенные

на

схеме

быстрые

таутомерные

равновесия.

зависимости

от

характера

нуклеофила

заместителя

-Х,

соединенного

атомом

азота,

обра

зуются

классы

соединений,

перечисленные

в табл.

58.

гидами

при

этом

существенную

роль

играет

гиперконъюгация.

Поэтому

сте

пень

гидратации

альдегидов,

как

правило,

больше,

чем

кетонов,

формальдегид

же

находится

водном

растворе на

98%

гидратной

форме.

Электроотрицательные

заместители

алкильных

группах

альдеги

дов

или

кетонов

приводят

индукционной

дестабилизации

преимуще

ственно

исходного состояния

то

же

время

конечном

состоянии

возможна

дополнительная

резонансная

стабилизация

,благодаря

-R-

характеру

групп,

которых

первый

атом углерода

связан

сильно

электроотрицательными

заместителями.

Перечисленные

факторы

спо

собствуют

смещению

равновесия

сторону

образования

гидратной

формы.

Именно

поэтому

трихлороэтанал

(хлорал)

известен

в'

виде

гид

ратной

формы

(хлоралгидрат),

которая

теряет

воду

толькопол

дейст

вием

:ильных

обезвоживающих

агентов

(например,

концентрированной

сер

нои

ки:лоты).

~езонансная

стабилизация

хлоралгидрата

отражается

следуюшеи

схемои:

:ОН

ОН

ССl

з-С-Н

нСlзС:-С-Н

I I

ОН он

полуадеталь

ю-

ОН

+ I

-С-

R' +

к-он

+=:

-C-OR"

, I

R' R'

полунеталь

то

же

время

молекуле

хлорала

отсутствует

стабилизующая

гипер

конъюгация.

Образование

полуацеталей

и полукеталей.

Взаимодействие

со

спиртом

качестве

нуклеофила

приводит

образованию

полуаце

талей

полукеталей.

Эти реакции

аналогичны

гидратации

альдегидов

кетонов:

R-C-H

н'он

'0-

,(:.:,

' ___

R-C-OR

I I

ОН

I r

R-C-OR

нн,

Первичные амины

R"-NH

Гидроксиламин

ми.он

Гидразин

2N-NH

Фенилгидразин

Алдимины

R-C=NH

-Замещенные

алДИМИНЫ

(так

называемые

основания

Шиффа)

R-C=N-R"

О'

Алдоксимы

R-C=N-

R-C=N-NH

Фенилгидразоны

R-6=N-NИ-@

Кетимины

R-C-R'

N-Замещенные

кетимины

NR"

R-C-R'

N-OH

етоксимы

-С-

N-NH

Гидразоны

R-C-R'

Фенилгидразоны

N-NНС

6Н

R-C-R'

Образование

иминов,

оксимов,

гидразснов

семикарбазонов.

Если

центром

нуклеофильности

атакующего

нуклеофила

является

атом

азота,

соединенный

двумя

атомами

водорода,

реакции

альде-

Семикарбазид

2N-C-NH-NH

Семикарбазоны

R:'-~=N-NH-CONH2

Семикарбазоны

N-NH-CONH

R-C-R'

Значение

а*

для

-С-СНз

равно

1,67,

в то

время

ка!<

для

СН(ОН)20НО

равно

1,05:

Гидразоны,

фенилгидразоны

их

замещенные

фенильной

группе,

также

семикарбазоны

хорошо

кристаллизуются

обладают

харак

терными

точками

плавления.

Поэтому

получение

их

используется

для

идентификации

альдегидов

кетонов.

342

343

Реакции

алкилмагнийгалогенидами

(реактивом

Гриньяра)

O:-(МgХ)+

" 1

+НХ'

H-С-Н+RМgХ

-+Н-С-Н

--+

R-СН2~ОН+МgХз

Формальде~ид

первичиые

спирты

O:-(МgХ)+

ОН

+НХ

R-С-Н+RМgХ

R-CH-R'

--+

R-CH-R'

+МgХ

ОН

R',

C-

S-

ОН

, I

R'C-S-O-H

н>

11.

альдегиды

O:-(МgХ)+

+НХ

R-C-R'

+R"MgX

R-C-R'

--..

кетоиы

R""':'C-OR' +

У;-

-ион

R-C-OH

R-C-O:

2О

:0-

+:он-

с.::н

У'

в-е-У

R-C-Y

-=-------

ОН

Конечным

продуктом

являются

карбоксилатные

ионы

(раствор

соли

карбоксильной

кислоты),

после

подкисления-карбоксильная

кислота.

Нейтральный

катализированный

алкоголятными

ионами

ал-

когояиз:

:0-

I '

R-C-Y

G6H

R-C-Y

Э.

НУКЛЕОФИЛЬНАЯ

АКА НА

АНГИДРИДЫ

ГАЛОГЕНАНГИДРИДЫ

КАРБОКСИЛЬНЫХ

КИСЛОТ,

ИХ

СЛОЖНЫЕ

ЭФИРЫ,

АМИДЫ

ДРУГИЕ

АНАЛОГИЧНЫЕ

ПРОИЗ80ДНЫЕ

Рассматриваемые

этом

разделе

карбонильные

соединения

соответ-

ствуют

общему

типу

_~_

У,

где

может

быть

-OOCR',

атом

га

логена,

-OR',

-NH

-NR2

т.

д.

зависимости

от

характера

ата

кующего

нуклеофила

эти

соединения

способны

следующим

реакциям.

Нейтральный

гидролиз:

(:0

+н

2о

-н"

"'-1

v,"~-

- C- Y

R-C-Y

R-C..LY---

R-C

......

о-

---

(ОН

ОН

Конечным

продуктом

является

карбоксильная

кислота.

Щелочной

гидролиз:

вторичные

спирты

он

R-С-R'+МgХ

третичные

спирты

Реакции

осуществляются

обычно

среде

абсолютного

этилового

эфира.

Продукт

присоединения

алкоголят

разлагают

водным

раствором

кислоты

(НХ),

что

приводит

образованию

спирта

соли

магния

(MgX2)'

Эти

реакции

являются

лабораторными

способами

по

лучения

первичных,

вторичных

третичных

спиртов.

Если

качестве

карбонильного

соединения

взять

С0

получаются

соответствующие

карбоксилаты,

превращающиеся

после

подкисления

карбоксильные

кислоты:

~-"

нсг

RMgCI+O=C=O

R-С-О:-(МgСI)+

--+

-С-ОН+МgСI

Эга

реакция

также

имеет

препаративное

значение.

Присоединение

синильной

кислоты

HCN +Z

Н+

:CN-

0:-

R",

+Н+

R",

/ОН

C- CN

_-+

/С,,_

-сн

получают

сх.-гидроксинитрилы

(так

называемые

"'/C=O+:CN-

Таким

способом

циангидрины)

Образование

бисульфитны''

пронаводных

(присоединение

NаНSО

)

:-0

ОНО

"'с=о+

:~-O:-(Na+)

R"'/6_

~=O(Na+):;:z

R"'/_t_~_О:-(Nа+)

R'/

R' I

R'"

ОН ОН

Образующиеся

бисульфитные

производные

альдегидов

представ

ляют

собой

соли

се-гидроксисудьфокислог.

Будучи

хорошо

крисгалли

зующимися

соединениями,

они

могут

быть

легко

осаждены

промыты

органическими

растворителями,

вследствие

чего

находят

применение

при

выделении

из

смесей

очистке

альдегидов.

При

добавлении

би

сульфитному

производному

кислоты

образуются

неустойчивые

а-гид

роксисульфокислоты,

при

разложении

(гетеролитической

диссоциации)

которых

получается

исходный

альдегид:

344

34~

Таблица

Электр6фИЛЬНОСТЬ

классов

органических

соединений

Получаются

сложные

эфиры

карбоксильных

кислот.

Если исходным

соединением

также

является

сложный

эфир,

но

иной

алкильной

груп

пой,

чем у

спирта,

среде

которого

ведется

реакция,

то

такой

ал

кого

лиз

называется

перезтерификацией.

Аммонолиз:

Класс

соединеНий

Факторы,

влияющие

на

электрофильность

Конечным

продуктом

является

амид

карбоксильной

кислоты.

Если

вместо

аммиака

взять

первичный

амин,

возникает

N-замещенный

амид

карбоксильной

кислоты,

если

взять

вторичный

амин,

то

,N-диза

мещенный

амид

карбоксильной

кислоты.

При

реакции

гидразином

получаются

гидразиды

карбоксильных

кислот

-с!-

нн-лен,

Т.

д.

Реакция

галогенангидридов

карбоксильных

кислот.

Реагируя

солями

карбоксильных

кислот,

они

образуют

ангидриды

кислот:

Эффективная

электроотрицательность

уходящей

группы

-O-C-R-

несколько

меньше,

чем

га-

логенов.

то

же

время,+R-влияние

этой груп

пы

еще

достаточно

мало,

поскольку

атом

кисло:

рода связан

сильно

электроотрицательнои

ацильнОЙ

группой

Малая

эффективная

электроотрицательность

ами-

ногруппы

комбинирована

ее

очень

интенсивным

+R-влиянием

+R-Влияние

двух

алкоксигрупп

-OR

сущест

венно

понижает

активность

Эффективная

электроотрицательность

атома

во

дор

ода'

мала,

но

него

отсутствует

также

+ R-

ха

рактер

Алкильный

заместитель

менее

электроотри

цателен,

чем

Н,

спо~обен

гиперконъюгации

карбонильной

группои

уходящая

группа

-OR'

хотя

более

элен

т

роотрицательна,

чем

или

алкильные

заместите

ли,

обладает

то

же

время

ярко

выраженным

+R-характером,

что

оказывает

определяющее

влияние

Определяющим

является

большая

эффективная

электроотрицательность

.атома

галогена,

чему

про

тиводействует

их слабый

+R-эффект

(О

·n11n·

RO-C-OR

Амиды

кислот

(О

-11

П:

R-c-NH

Ангидри

ды

кислот

О О

R-C-O-C-R

Галогенангидриды

R-С-F(Сl,

Вг,

Сложные

эфиры

угольной

кислоты

Альдегиды

R-C-H

Кетовы

R-C-R'

Сложные

эфиры

карбок

сильных

кислот

R-C-NH

У:

"J.-

В-С-О-С-В

У:

в-с4

О-С-В

- +

-н

с·

тиокарбонильными

соединениями,

содержащими

тион

бонильных

соединений

(-С-),

аналогичны

реакциям

кар

нильных

соединении.

О'

В-С-У

R'MgX

---

+Nн

R-C-Y

Реакции

,,_

В-С-'У

B~C-O:

ную

группу

(здесь

- F,

С],

Вг

или

1).

Взаимодействие

аякилмагвийгалогенидами.

Эта

реакция

при

водит

образованию

кетонов,

случае

производных

муравьиной

кислоты

(R -

это

Н)

образованию

альдегидов:

г:(;ПМgХ)+

-J

" 1

R-C-Y

R-C-R

MgXY

а'

ОТНОСИТЕЛЬНАЯ

ЭЛЕКТРОФИЛЬНОСТЬ

КАРБОНИЛЬНЫХ

СОЕДИНЕНИЯ

Карбамид

(мочевина)

ее

замещенные

азота

произ

водные

+R-Влияние

двух

амидных

aTOM~B

азота

зывает

сильное

инактивирующее

.!Iеиствие

ока-

Электрофильность

данного

карбонильного

соединения

тем

больше,

чем

менее

оно

стабилизировано

чем

больше

стабилизирующее

ин

дукционное

взаимодействие

активированном

состоянии

между

отри

цательно

заряженным

кислородом

электроотрицательными

замести

телями,

включая

уходящую

группу

У.

346

·ClfI

•

С-

347

I(ласс

соединений

Карбоксилатные

анионы'

0:-

R-C-O;-HR-C=O

родолженuе

табл.

Факторы.

влияющие

на

элентрофильность

Благодаря

сильному

полярному

резонансу

электрофильный

центр

почти

полностью

подавлен:

Карбоксилаты

способны

взаимодействовать

толь

ко

очень

активными

нуклеофилами

типа

металл

органических

соединений

исходном

состоянии

имеется

сопряжение

между

л-электронной

сис

темой

карбонильной

группой, которое

активированном

состоянии,

сходным

продуктом

присоединения

нуклеофила,

исчезает:

0:-

2с=сн-С-У+:ОН-

-...

2С=СН-С-У

ЬН

Поскольку

энергетический

эффект

стабилизации,

обусловленный

сопряжением,

составляет

около

ккал'мал», то

замедляющее

действие

этого

эффекта

очень

велико

скорость

падает

примерно

100000

раз.

•

При

этом

после

подкисления

образуются

кетовы:

•

+НСl

R-COO-+R

MgCl....

RR·COO-(МgСl+)--+RR'С(ОН)

-...RR'C=O

-МgСl.

• + •

РЕАКЦИИ

нУКЛЕОФИЛЬНОГО

ПРИСОЕДИНЕНИЯ

АЛДИМИНАМ

КЕТИМИНАМ

ИХ

проИЗВОДНЫМ

ЩЕЛОЧНОЙ

ГИДРОЛИЗ

НИТРИЛОВ

11 11

:;=R-C-R'+X~NH-

R-C-R'+X-NH

R-C=N-X+:OH-:;=

-C-N-

-Х:;=

R-C-NH-X:;=

I I

ОН

0:-

качестве

модели

активированного

состояния

может

рассматри

ваться

продукт

присоединения

нуклеофила

карбонильному

соедине

нию.

Само

карбонильное

соединение

(исходное

состояние)

стабилизи

руется,

пер.вую

очер~дь,

полярным

сопряжением

+R-заместителей

карбонильнои

группои

(включая

гиперконъюгацию).

зависимости

от

присутствия

электроотрицательной

уходящей

группы

ее

природы

различные

классы

карбонильных

соединений

можно

расположить

приведенный

табл,

ряд

по

убывающей

ак

тивности

их

качестве

электрофилов

(при

одних

и тех

же

заместите-

лях

R). .

Падени.е

активности

пределах

каждого

из

классовкарбонильных

соединении,

приведенных

табл,

59,

определяется

последовательностью

убывания

эффективной

электроотрицательности

заместителей

R-.

этому

добавляется

существенное

стерическое

влияние,

поскольку

процессе

активации

карбонильный

углеродный

атом

переходит

из

состояния

Sp2

зр",

что

служит

причиной

возникновения

стерическнх

преп~тствии.

качестве

класси.ческого

примера

стерических

препят

ствии

можно

привести

щелочнои

гидролиз

сложных

эфиров:

0:-

. I

R-C-OR'

;ОН-;::::

R-C-OR'

-...

R-C-O:-+R'OH

ОН

Структурная

единица

-С

= N

-Х

является,

по

электронному

I •

строению,

аналогом

карбонильной

группы.

связи

меньшеи

электро-

отрицательностью

азота

по

сравнению

кислородом

концентрация

отрицательн.ого

заряда

на

атоме

азота

энергетически

менее

выгодна,

чем на

атоме

кислорода

(сравните

относительной

кислотностью

О-Н

N-Н-кислот).

Поэтому

соединения

рассматриваемого

этом

разделе

типа

менее

электрофильны,

чем

аналогично

построенные

карбониль-

ные

соединения.

Практически

наиболее

важной

реакцией

является

щелочной

гид-

ролиз:

Как

видно

из

этой

схемы,

альдимины,

кетимины,

альдоксимы,

ке

токсимы,

гидразоны

замещенные

гидразоны

семикарбазоны

прев

ращаются

при

щелочном

гидролизе

соответствующие

альдегиды

или

кетоны.

349

По

электронному

строению

нитрильная

группа

также

аналогична

карбонильной

группе:

_C==NH-C=N:-

Поэтому

нитрильного

углеродного

атома

находится

активный

влек

:грофильный

центр.

Чем,

более

объемистыми

разветвленными

являются

заместители

R ,

тем

больше

стерические

препятствия,

замедляющие

гидролиз.

Любое

резонансное

взаимодействие

участием

карбонильной

груп

пы

стабилизирует

исходное

состоя

ни-е

уменьшает

активность

соот

ветствующего

карбонильного

производного.

Очень

сильное

инакти

вирующее

влияние

оказывают,

например,

л-электронные

системы,

непосредственно

связанные

карбонильной

группой,

поскольку

348

Наиболее

известен

щелочной

гидролиз

нитрилов:

ОН ОН

+он-

н-

I .

он-

R-C=

N--+

R-C=N:-

--+

R-С=NН+=z:

R-C-NH

--+

+---

-+R

С-О:

- +

NН

Возникающий

на

первой

макростадии

амид

кислоты

гидролизуется

согласно

схеме

рассмотренной

на

стр.

345,

карбоксилатный

анион:

После

подкисления

качестве

конечного

продукта

реакции

образуется

карбоксильная

кислота.

Это

общий

метод

синтеза

карбоксильных

кислот.

Гидролиз

циангидринов

является

общим

методом

синтеза

сс-гидро

ксикислот:

ОН ОН

R' I +I<OH R'

)C-'-CN--+

/"С-СООН

R R

НУКnЕОФИЛЬНОЕ

ПРНСОЕДИНЕНИЕ

КРАТНОА

уrЛЕРод·уrЛЕРодноА

связи

Электрофильность

двойных

тройных

углерод-углеродных

связей

обычно

столь

низка,

что

реакции

нуклеофильного

присоединения

ни

ми

практически

не

идут.

Если

же

кратной

связью

сопряжена

актив

ная

-R-группа,

возникает

электрофильный

центр,

аналогичный

кар

бонильной

группе:

-С=С-С=Он-С-С=С-О:-

1 I I I I I

/0:-

+/0:-

-C=C-N~

H-C-C=N

т.

д.

I I

"'0:-

Такие

системы

могут

взаимодействовать

различными

нуклеофи

лами

по

схеме

« I

Y:-+-C=C-C=O+=Z:Y-C-C=C-O:-

--+

У-С-С=С-ОН-+

111

+---

111

+=z:

-С-СН-С=О

1 I I

Аци-форма

(в

случае.

карбонильного

соединения

-'--:-

енол),

являю

щаяся

промежуточным

продуктом,

находится

таутомерном

равно

весии

конечным

продуктом,

структура

которого

соответствует

при

соединению

Н-У

кратной.

углерод-углеродной

связи.

Благодаря

наличию

второго

электрофильного

центра,

конкурирую

щего

карбонильным

центром

при

реакции

нуклеофилом,

сопря

женные

альдегиды

кетоны

способны

реакции

«аномального»

нук

леофильноге

присоединения.

Реакции

протекают

так,

будто

электро-

3БО

фильвые

свойства

карбонильного

углерода

переданы

углероду,

нахо

дящемуся

конце цепн

сопряжения

Это

явление,

характерное

для

систем

типа

R(CH=CH)n-

(где

заместитель

-R-типа),

называется

винилогией.

Приведем

несколько

примеров

нуклеофильного

присоединения

винилогическим

структурам

(брутто-схемы):

н н

+Н.О

СН

-с

---->-

НОСН

-СН

2-С

Н Н

+NH.

СН

=СН-С=О

--+

-СН

2-СН

2-С=0

I .

+H.N-NH.

СН

=СН

-с=

NH-CH

2-CH

-С

0->-

+H.N-NH.

___

2N-NН-СН

2-СН

2-С=N-NН

РЕАКЦИИ

НУКЛЕоФильноrо

ПРИ

СОЕДИНЕНИЯ

КЕТЕНАМ

кетенах

RR'C=C=O

sр-углерод

связан

одной

л-связью

атомом,

кислорода,

вторая

л-связь

между

углеродными

атомами

располо:

жена

относительно

первой

перпендикулярнои

плоскости

случаи

кумулированных

двойных

связей.

Поэтому

кетенах

присутствует

типичный

центр

электрофильности

карбонильного

типа,

так

K~K

между

двумя

двойными

связями

отсутствует

электронное

взаимодеи

ствие.

Реакции

электрофильного

присоединения

кетенам

идут

по

схеме

Образующаяся

вначале

енольная

форма

превращается

;аутомер:

ное

ей

карбонильное

производное,

котором

карбонильнои

группои

связана

уходящая

группа

-У,

соответствующая

атакующе~у

нукле

офилу

У:6.-

Приведем

некоторые

брутто-схемы

для

реакции

незаме-

351

щенного

кетена

нуклеофилами

+Н,О(ОН-)

СН

2=С=О

СНзСООН

+ROH

СН

2=С=О

--+

СНз-СООR

-нн,

СН

2=С=О--+

СН

з-СОNН

+СН.СООН

11,

СН

2=С=О

~СН

-С-О-С-СН

Т.

д.

Благодаря

большей

электроотрицательности

sр2_углерода

по

срав

нению

sрЗ_углероДом

кетены

более

активные

электрофнлы,

чем

аль

дегиды

кетоны,

соответствии

приведенными

схемами

из

них

легко

получить

карбоксильные

кислоты

их

сложные

эфиры,

амиды

ан

гидриды,

также

другие

производные.

РЕАКЦИIIi

НУКЛЕОФЮ'lьноrо

ПРИСОЕДИНЕНИЯ

АЗОТИСТОМ

киепотв

2О

Молекула

азотистой

кислоты

характеризуется

присутствием

влек

трофильного

реакционного

центра

карбонильного

типа

на атоме

азота

соединенном

двойной

связью

более

электроотрицательным

кислород:

ным

атомом:

+ '

H-O-N=OHH-O-N=O:-

Вследствие

этого

молекула

азотистой

кислоты

способна

взаимодей

ствовать

нуклеофилами

последующим

образованием

цвиттер-иона

подверженного

гетеролитической

диссоциации:

ь:

(?-~

-н"

(?"r.~+

У:

HO-N=o

'. '

HO-N-Y

Y-N-OH

Y-N=O

2О

При

этом

качестве

нуклеофила

может

выступать

также

азотистая

кислота

или

ее

анион,

вследствие

чего

возникает равновесие

между

HNO;

N20

З.

Этот

окисел

азота

является

еще

более

активным

электро

филом,

чем

азотистая

кислота.

Поэтому

качестве

электрофила,

реа

гирующего

присутствии

азотистой

кислоты

нуклеофилами,

часто

выступает

~+,,3

O=N-OH

HO-N=O

.....

O=N-O-N=O

2О

зависимости

от

природы

атакующего

нуклеофила

У:А-

первичный

продукт

реакции

-N=O

может

изменяться

вследствие

вторичных

,кислотно-основных(таутомерных)

равновесий.

При

этом

важно,

что

352

все

рассматриваемые

реакции

идут

кислой

среде,

поскольку

HNO

получается

при

добавлении

NaN0

кислоте

2S0

•

не1

т.д.).

Наиболее

важны

реакции

азотистой

кислоты

аминами

нитросо

единениями.

и и

о т и

й к

о т

и.

Вторичные

амины

дают

азотистой

кислотой

нитрозамины

после

не

скольких

промежуточных

превращений:

J1,

,R,+~CY

в,

су

R'\

#'NH

HO-N=O

Rvf-N-OH

Ry"N-N~Н2

:;:::=

RvN-N=О+Н2О

первичными

аминами

реакция

идет

аналогично,

однако

образо

вавшийся

при

этом

нитрозамин

способен

дальнейшему

превращению:

.._

+н+.-:"""\

R-N-N=O

R-N=N-OH

R-'N=N-OH

R-N=N

2О

Обрааующийся

конечном

счете

ион

диазония

обладает

очень

влек

троотрицательной

положительно

заряженной

уходящей

группой,

поэтому

он

подвержен

быстрой

гетеролитической

диссоциации

обра

зованием иона

карбония

молекулярного

азота:

Ионы

диазония,

или.

соли

диазония

[Ar-

N]CI-,

получаю-

щиеся

при

взаимодействии

ароматических

первичных

аминов,

HN0

несколько

более

стабильны

вследствие

сопряжения

между

двумя

л

электронными

системами

при

достаточно

низких

температурах они

могут

существовать

длительное

время-в

кислом

водном

растворе,

раз

лагаясь

соответствии

приведеиной

схемой

лишь

при

нагревании

раствора

до

50-600

С.

Поэтому

реакция

первичных

ароматических

аминов

азотистой

кислотой

называется

дuазоmuрованuеJt.

зависимости

от

строения

при

взаимодействии

алифатического

первичного

амина

HN0

образуется

спирт

ROH

(реакция

или

алкен

(реакция

Еl).

Однако

если

исходном

аминопроиэводном

а

положении

аминогруппе

расположена

-R-группа

или

л-электронная

система,

имеется

возможность

для

стабилизации

диазониевого

про

из-

водного

без

потери

группы

- N= N.

Такие

соединения

являются

до-

статочно,

сильными

карбокислотами

и,

отдавая

протон,

могут

превра

титься

соединения

типа

цвиттер-ионов.

При

этом

возникают

так

на

.зываемые

алифатические

диаэосоединения.

Это

особенно

типично

для

сложных

эфиров

а-аминокислот:

О О

-н+

11..

iO-С:-СН

2-N

N--+

i-С-СН-N=аN

диазоуксусный

вфир

353

11.

НУКЛЕОФИЛЬНОЕ

ПРИСОЕДИНЕНИЕ

ДИАЗОНИЕВЫМ

ИОНАМ

Диазониевая

группа

-N

= N:

соответствует

определению

электро-

фильного

центра

карбонильного

типа,

поск~льку

положительно

за

ряженный

атом

азота

существенно

более

электроотрицателен,

чем

нейтральный.

Это

видно

также

из

соответствующей

предельной

струк-

•• +

туры:

-N=N:.

Один

пример

электрофильного

присоединения

ароматическим

диазониевым

ионам

азосочетание

уже

был

приведен

выше,

по

скольку

эта

реакция

может

рассматриваться

качестве

электро

фильного

замещения

ароматическом

ядре.

Добавим

этому

еще

не

сколько

характерных

примеров.

При

присоединении

арилдиазониевому

иону

гидроксильного

иона

образуется

диазогидрат,

способный

кислотной

диссоциации

(О-Н-ки

слота),

переходя

при

этом

диазотатный

анион.

Как

для

диазотатного

аниона,

так

для

диазогидрата

возможны

два

геометрических

изоме

ра

син-

анти-,

результате

устанавливаются

следующие

равнове

сия:

Алифатические

диазосоединения,

не

содержащие

-R-заместителя,

образуются

только

щелочной

среде

например

при

реакции

хлоро

форма

гидраЗIIНОМ:

-н+

.,-

+СНСl

-н"

2N-NH

----l-

2N-NH-CHCI

СГ

-:~

-С)-

·n

г'.

-СГ

H2N-N~

СН\,...

- H

2N-N=CHCI

НN=N-СЦ2-СI-

Сl

HN=N=CH

P~=N=CH2

:N=N-ён

е а

а з

т о й к

л о

н и

т р

е

и я

и.

азотистой

кислотой

способны

взаимодействовать

первичные

вторичные

алифатические

нитросоединения,

относящиеся

числу

карбокислот.

Первая

стадия

реакции

сводится

диссоциации

нитросоединения

качестве

карбокислоты.

Образовавшийся

при

этом

карбанион

реагирует

качестве

нуклеофила

азотистой

кислотоп

соответствии

приведеиной

на

стр.

352

общей

схемой

нуклеофильного

присоединения

HNO

случае

вторичных

нитросоединений

реакция

на

этом

кончается

образуется

так

называемый

псевдонитрол,

содержащий

нитрозо

нитрогруппы,

связанные

одним

тем

же

атомом

углерода.

случае

первичного

нитросоединения

сохраняется

еще

одна

а-С-Н-связь,

способная

диссоциации,

вследствие

чего

имеет

место

смещенное

вправо

таутомерное

равновесие

и в качестве.

конечного

продукта

об·

разуется

нитролова

кислота:

он

"'-

. / +

N=N

;:::Ar-N

=N+:OH-;:::

сuн-диазо-

катион

диазония

гидрат

N=N

он

анmu-диазогидрат

псевдонитрол

ннтроловая

кислота

10.

НУКЛЕОФИЛЬНОЕ

ПРИСОЕДИНЕНИЕ

АЛКИНАМ

Углерод

sр-состоянии

достаточно

электроотрицателен

для

того,

чтобы

нуклеофильная

атака

на

тройную

связь

осуществлял

ась в

не

которых

случаях

измеримой

скоростью.

Так,

ацетилен

способен

нуклеофильному

присоединению

алкоксильных

ионов,

например

н-с=

С-Н+С;Н

2н

6о-сн=ё-н-+

+C.H.QH

---+

~H60-CH=CH2+C2H60:

этилвиниловый

эфир

Таким

же

способом

из

l-аЛКИНQВ

R-C=CH

могут

быть

полу·

чены

различные

замещенные

виниловые

эфиры

R-CH

=CH-OR'.

354

Ar i!

0:-

"'-

N=N+H+

сuн-диазотатны/l

анион

Qнmu-диазотатный

анион

зависимости.

от

рН

среды

равновесие

сдвинуто

либо

сторону

диазониевого

катиона

(кислая

среда).

либо

сторону

диазотатных

ани

онов,

из

которых

анmи-изомер

более

устойчив.

ВтороЙ.характерноЙ

реакцией

нуклеофильного

присоедицения

арилдиазониевым

ионам

является

их

взаимодействие

ароматическими

аминами

слабокислой

среде:

+..

C6Hii-N

N+C

6-NH

2:;:::

6-N

N-NH

2-C

6:;:::

:;:::

6-N

=N-NH-C

6+H+

диазоамннобенаен

Как

видно

из

схемы,

при

высокой

кислотности

среды

диазоамино

бензен

переходит

протонированную

форму,

которая

легко

разлага

ется

обратно

ароматический

амин

(анилин) и

катион

диазония.

При

реакции

диазониевых

катионов

цианид-ионами

образуется

диазоцианид,

также

способный

существовать

в син-

анmи-формах:

Ar-N-N+-:CN

Ar-N=N-CN

355

Глава

XXII

РЕАКЦИИ

НУКЛЕОФИЛЬНОГО

ЗАМЕЩЕНИЯ

АРаМА

ТИЧЕСКОМ

ЯДРЕ

РЕАIЩИИ

ТИПА

SN1

СОЛЯМИ

ДИАЗОНИЯ

При

повышенной

температуре

ароматические

катионы

диазония

претерпевают

достаточно

быструю

гетеролитическую

диссоциацию,

превращаясь

молекулярный

азот

ионы

карбония

положительным

зарядом

на атоме

углерода

ароматического

цикла:

Дестабилизирующ"ее

индукционное

взаимодействие

электроотрица

тельных

заместителеи

реакционным

центром

более

интенсивно

активированном

состоянии,

напоминающем

ион

карбония,

чем

ис

ходном,

поскольку

процессе

активации

расстояние

между

положи

тельным

зарядом

заместителем

уменьшается.

то

же

время

исходное

состояние

стабилизируется

заместителями

типа

+R,

способными

по

лярному

сопряжению

реакционным

центром,

обладающим

-R-xa-

рактером:

СНз-~N=N:'-

снз-О~N

N:-

Такое

сочетание

направлений

влияния

индукционного

эффекта

полярного

сопряжения

встречается

редко

Р и

имеют

противопо

ложные

знаки:

р<О

p~>O.

Ясно,

что

простейший

вариант

уравнения

Гамметта

Тафта

для

этой

реакционной

серии

не

должен

соблюдаться.

Арил~ные

катионы,

возникающие

первой

стадии

реакции,

быстро

взаимодеиствуют

нуклеофилами,

присутствующими

реакционной

среде:

Ar-Nt

"'-"-+Аг++N

Аг+

у;6-

---+

Аг-

Брутто-реакция

соответствует

нуклеофильному

замещению

по

механизму,

аналогичному

Пользуясь

этой

реакцией,

можно

за

мещать

группу

-Nt

различными

группами.

По

усло~иям

получения

ионов

диазония

вода

всегда

присутствует

реакционнои

среде.

Поэтому

при

реакции

арильными

катионами

все

остальные

нуклеофилы

должны

конкурировать

молекулами

воды

Поскольку

электрофильный

центр

арильном

катионе

относится

к

числу

мягких,

эту

конкуренцию

успешно

выдерживают

достаточно

мягкие

нуклеофилы,

например

иодид-ион:

Ar-Ni

+Н

2О

---+

Ar-OH+H++N

Ar-N;

+1;-

~Ar-

I+N

356

Замещение

диазониевой

группы

на

атом

фтора

возможно

при

пиро

лизе

тетрафторборида

диазония

(кристаллического):

[ArN~J

[BF4"J

---+

ArF +

ВF

з+

Более жесткие

нуклеофилы

не

способны конкурировать

молекула

ми

воды.

Тем

не

менее,

они

способны

реакции

замещения,

если

поль

зоваться

методикой

Зандмейера,

применяя

качестве

катализаторов

соли

одновалентной

меди:

+CuCN

ArNi

----...

Аг

-CN

+ N

+CuBr

ArNi

----+

Аг-

Вг

+ BrN

Механизм

реакции

Зандмейера

не соответствует

простой

схеме.

Высказано

мнение,

что

Сц"

играет

здесь

роль

окислительно

восстановительного

катализатора

качестве

промежуточногопро

дукта

образуется

свободный

радикал

Ar·.

5ИМОЛЕКУЛЯРНЫЕ

РЕАIЩИИ

НУКЛЕОФИЛЬНОГ9.

ЗАМЕЩЕНИЯ

АРОМАТИЧЕСКОМ

РЯДУ

Механизм

этого

типа

реакций

аналогичен

нуклеофильному

присое

динению

кратной

связи

винилогических

соединениях,

подобно

тому

как

рассмотренное

выше

электрофильное

замещение

аромати

ческом

ряду

аналогично

электрофильному

присоединению

двойным

связям.

Нуклеофильная

атака

направлена

на атом углерода

составе

аро

матического

цикла,

соединенный

электроотрицательной

уходящей

группой.

обычных

условиях

эта

реакция

слишком

медленна

и,

чтобы

иметь

практическое

значение,

соответствующая

л-связь

ароматиче

ского

цикла

должна

быть

поляризована либо -R-заместителем,

на

ходящимся

сопряженном

положении

уходящей

группой,

либо

присутствием

цикле

гетерсагома.

Сам

процесс

напоминает

реакции

карбонильных

соединений

типа

-е-

у.

На

первой

стадии

образуется

продукт

присоединения

ароматическому

циклу,

стабилизированный

вследствие

делокализации

заряда

участием

-R-заместителя

или

гетероатома.

На

второй

ста

дии

срабатывает

механизм

выталкивания

электроотрицательной

yxo~

357