Реакції нуклеофільного заміщення в спиртах

     Реакції, які протікають за механізмом S_Ni, дуже рідко зустрічаються. Одним із прикладів може бути взаємодія спирту з SOCl₂ :

     

На схемі можна  побачити, що в реакціях S_Ni конфігурація реакційного центру залишається незмінною [15]. 

     РОЗДІЛ ІІ.ФАКТОРИ, ЩО ВПЛИВАЮТЬ НА РЕАЦІЙНУ ЗДАТНІСТЬ

     2.1. ВПЛИВ ПРИРОДИ НУКЛЕОФІЛУ

     Природа нуклеофіла справляє великий вплив на швидкість і механізм реакції заміщення. Фактором, який кількісно описує цей вплив виступає нуклеофільність – відносна величина, що характеризує здатність впливу реагента на швидкість хімічної реакції нуклеофільного заміщення.

     Нуклеофільність – величина кінетична, тобто впливає виключно на швидкість реакції. Цією здатністю вона принципово відрізняється від основності, яка виступає як термодинамічна величина, і визначає положення рівноваги.

     В ідеальному випадку природа нуклеофіла не впливає на швидкість реакції S_N1, у зв’язку з тим, що лімінуюча стадія цього процесу від цього не залежить. В той же час природа реагенту може впливати на хід процесу й кінцевий продукт реакції [1].

     Для реакцій S_N2 можна виділити наступні принципи, за якими визначається вплив природи нуклеофіла:

• Негативно заряджений нуклеофіл (наприклад, NH₂^- ) завжди сильніше ніж його спряжена кислота (NH₃), за умови, що вона також проявляє нуклеофільні властивості.
• При порівнянні нуклеофілів, які атакують атоми розміщені в одному періоді періодичної системи Д.І. Менделєєва, зміна їхньої сили відповідає зміні їх основних властивостей: CH₃^- > NH₂^- > OH^- > F^-
• З верху вниз в періодичній системі нуклеофільні властивості звичайно зростають: I^- > Br^- > CI^- > F^-.
• Виключення з попереднього пункту: (C₂H₅)₃P > (C₂H₅)₃As > (C₂H₅)₃N.
• Якщо в положені, що відповідає атому на який іде атака, є вільні електронні пари, то нуклеофільні властивості зростають (α-ефект):

     HOO^- > HO^-, N₂H₄ > NH₃

     Слід  мати на увазі, нуклеофільні властивості різних реагентів порівнюють по відношенню до певного обраного стандарту за умови дотримання правил проведення реакцій (термодинамічні параметри і розчинник). На практиці для реакцій S_N2 використовують рівняння Свена-Скота:

     ,

     де: k, k₀ - константи швидкості реакції субстрату з відповідним нуклеофілом і водою (або іншим стандартом, наприклад – етанолом);

     S – параметр чутливості субстрату  до заміни нуклеофілу ( в якості стандарту нуклеофілу, коли S = 1, обирають CH₃Br або CH₃I);

     n- параметр нуклеофільності [2].

     2.2.ВПЛИВ ГРУПИ, ЩО ВІДЩЕПЛЮЄТЬСЯ

     Фактором, що кількісно описує вплив групи, яка відщеплюється у процесі реакції є нуклеофугність – відносна величина, що характеризує здатність впливу нуклеофуга на швидкість хімічної реакції нуклеофільного заміщення.

     Для опису нуклеофугності, звичайно, важко підібрати один параметр, який би повністю визначив залежність швидкість реакції від природи групи, яка відщкнлюється. Часто в якості міри нуклеофугності для реакцій S_N1 слугують константи сольволіза.

     Емпірично можна користуватися наступним правило –– група, що відщеплюється іде тим легше, чим слабша вона, як самостійна частка.

     Хорошими  нуклеофугами виступають наступні групи: N₂⁺, OCIO₃^-, OTs^-, FSO₃^-, CF₃SO₃^-, CH₃SO₃^- [14]

     2.3.ВПЛИВ РОЗЧИННИКА.

     Очевидно, що для реакцій S_N1, чим вища полярність розчинника, тим вища швидкість реакції заміщення( для нейтрального субстрату). Якщо ж субстрат несе позитивний заряд – спостерігається зворотна залежність – підвищення полярності розчинника вповільнює реакцію. При порівнянні протонних і апротонних розчинників, слід відмітити, що якщо розчинник здатний утворити водневий зв'язок з групою, що відщеплюється, він підвищує швидкість реакції для нейтральних субстратів [13].

     Для реакцій S_N2 вплив розчинника оцінити важче. Якщо в перехідному стані заряд розподілено аналогічно вихідному стані або знижено, апротонні полярні розчинники уповільнюють реакцію. Якщо такий заряд виникає тільки в перехідному стані, полярні розчинники прискорюють реакцію. Протонні полярні розчинники здатні утворювати зв'язок з аніонами, що утруднює протікання реакції.

     Роблячи узагальнення, можна емпірично відзначити: для більшості субстратів при збільшенні полярності розчинника швидкість S_N1 реакції зростає, а S_N2 –знижується.

     Інколи  оцінюють вплив розчинника розглядають  його іонізуючу силу (Y), використовуючи рівняння Уінстера-Грюнвальда (1948р.):

     ,

     де: k, k₀ - константа швидкості сольволіза стандартного субстрату (в якості стандарту використовують трет-бутилхлорид) в заданому і стандартному розчиннику в (якості стандарту використовують 80% етанол).

     m – параметр чутливості субстрату до іонізуючої сили розчинника.

     Значення Y для деяких розчинників: вода – 3,493; мурашина кислота – 2,054; метанол  – -1,090;етанол (100%) – -2,033; диметилформамід – -3,500.

     Існують і альтернативні I-параметр, введений в 1969 році Другаром і Декрооком. Він аналогічний Y-фактору, але в якості стандарту була обрана S_N2 реакція між три-н-пропіламіном і йодистим метилом при 20°С [20]. 

     РОЗДІЛ ІІІ. ВЛАСТИВОСТІ ОДНОАТОМНИХ СПИРТІВ.

     Багато  властивостей спиртів обумовлені наявністю  гідроксильної групи. Температура  кипіння метанолу на 150 ^оС вище, ніж етану, незважаючи на те, що їх молекулярні маси близькі. Етанол має температуру кипіння на 123 ^оС вище, ніж пропан і т.д. З іншого боку етанол кипить на 104 ^оС вище, ніж ізомерний йому газоподібний диметиловий ефір. Ці особливості спиртів пояснюються створенням міцної міжмолекулярної водневого зв'язку; цим же пояснюється чудова розчинність нижчих спиртів у воді, де виникають міжмолекулярного водневі зв'язки між молекулами спирту і води [7].

     Заміщення гідроксильної групи на галоген  відноситься до числа найбільш важливих реакцій органічного синтезу. Існує  велика кількість методів заміни гідроксильної групи на галоген. Вони розрізняються регіо- та стереоселективністю, а виходи спиртів коливаються в досить широких межах [1].

     3.1.ВЗАЄМОДІЯ  СПИРТІВ З ГАЛОГЕНОВОДНЯМИ. 

     Реакційна здатність галоген оводнів зменшується  у ряд у:

     HI > HBr > HCI > HF.

     Швидкість реакції з HF занадто мала для прямого  перетворення спиртів у алкілфториди. Швидкість реакції заміщення різко знижується в ряду:

     Третинні > вторинні > первинні.

     Для отримання третинних алкілгалогенідів зазвичай достатньо збагатити третинний спирт газоподібним галогеноводнем при 0-10 ^оС або обробити водною соляною або бромводневою кислотами протягом короткого часу при 0-20 ^оС. Для отримання первинних і вторинних алкілбромідів і алкілйодидів зазвичай потрібно нагрівання суміші спирту, концентрованої бром водневої кислоти та концентрованої сірчаної кислоти протягом декількох годин. Замість концентрованих водних розчинів HBr можна використовувати броміди натрію і калію і концентровану сірчану кислоту [9].

     

     

     

     

     Спирти, як слабкі основи Льюїса при протонуванні утворюють солі алкоксонія. Протонування гідроксильної групи перетворює погану групу, що відщеплюється OH в гарну відщеплюючи групу - воду.

     

     Механізм  подальшого нуклеофільного заміщення залежить від природи радикала спирту. Для первинних спиртів реалізується S_N2 - механізм заміщення води в катіонних алкоксонія на галоген [10].

     Хлорид-йони в гідроксовмісних розчинниках дуже сильно сольватовані і виявляють властивості більш слабкого електроліту у порівнянні з бромід – і йодид-йонами. Тому для отримання алкілхлоридів при взаємодії первинних спиртів з хлоридною кислотою використовують електрофільний каталізатор – безводний цинк хлорид. Суміш хлоридної кислоти з цинк хлоридом називаєть реактивом Лукаса. Цинк хлорид, як жорстка кислота Льюїса, координує по атому оксигена, полегшуючи тим самим заміщення гідроксильної групи [7].

     

     Реакційна здатність спиртів по відношенню до реактиву Лукаса зменшується в ряду:

       С₆Н₅СН₂ОН > СН₂=СНСН₂ОН > R₃СОН > R₂СНОН > R₂СН₂ОН

     Третинні  і вторинні спирти взаємодіють з галогеноводнями за механізмом S_N1 з утворенням карбкатіону в якості інтермедіата. При цьому в реакційній суміші у великою концентрацією знаходиться галогенід-йон – більш сильний нуклеофільний агент, ніж вода. Тому карбкатіон стабілізується не викидом протона чи рекомбінацією з молекулою води, а взаємодією з галогенід-йоном як найсильнішим нуклеофілом [9].

     

     Характерною особливістю процесів за участю карбкатіонів є перегрупування. Ця реакція також може супроводжуватися перегрупуваннями. Атом гідрогену біля сусіднього атома карбону може мігрувати у вигляді гідрид-йону до карбкатіоного центру. Цей зсув називається 1,2-гідридним зсувом. Роль подібного перегрупування збільшується тоді, коли в результаті гідридного зсуву утворюється більш стабільний карбкатіон [7].

     

     Так, наприклад, при нагріванні 3-метилбутанолу-2, насиченого газоподібним гідроген бромідом, в якості єдиного продукту реакції утворюється 2-бром-2-метилбутан замість нормального продукту заміщення гідроксилу на бром-2-бром-3-метилбутан. Нижче наведена умовна послідовність перетворень, яка включає ізомеризацію вторинного карбкатіону в більш стабільний третинний карбкатіон за рахунок 1,2-гідридного зсуву.

     Перегрупування  може відбуватися і тому випадку, якщо два карбкатіона близькі за стабільністю. При нагрівання з бромною кислотою пентаном-2 і пентаном-3 утворюється суміш 2-бром- і 3-бромпентану за рахунок перегрупування двох вторинних карбкатіонів [17].

     

     

     Перегрупування  може відбуватися не тільки за рахунок 1,2-міграції гідроген-йону, але також в результаті ланцюгової ізомерії, коли мігрує алкільна група. Так, наприклад, якщо структурні фактори сприяють утворенню третинного карбкатіона, первинні спирти здатні до перегрупування Вагнера-Меєрвейна.

     

     Пентанол-1 в тих самих умовах утворюється тільки на 1-бромпентан без продуктів перегрупування і це перетворення протікає по S_N2-механизму. Проте первинні спирти з розгалуженою структурою дають певну кількість ізомерного галогеніду [15].

     

     Таким чином, заміщення гідроксильної  групи спиртів на галоген під  дією галоген оводнів без ізомеризації протікає тільки для третинних спиртів  і нормальних алканолів. Для отримання індивідуальних алкілгалогенідів із спиртів, здатних до ізомеризації, слід застосовувати інші методи [18].

     3.2. ВЗАЄМОДІЯ СПИРТІВ З ГАЛОГЕНІДАМИ ФОСФОРУ.

     Для перетворення спиртів в алкілгалогеніди використовують різноманітні тригалогеніди, пентагалогеніди, і оксогалогеніди фосфору: PBr₃, PCl₅, PCl₃, POCl₃, PI3 (отримують із червоного фосфору і йоду безпосередньо під час реакції). Для отримання первинних і вторинних спиртів на три моль спирту можна використати тільки один моль триброміду або три йодиду фосфору.

     Механізм  заміщення гідроксильної групи  первинних чи вторинних спиртів на бром або йод в реакціях з PBr₃ або PI₃ точно не встановлено. Найбільш вірогідне припущення полягає в тому, що спочатку із спирту утвориться триалкілфосфіт (RO)₃P і три молекули НХ. В подальшому відбувається нуклеофільне заміщення фосфорного угрупування в протонній формі фосфіту під дією галогенід-йону [19].

     Заміщення двох інших фосфорних угрупувань відбувається за аналогічним механізмом. Реакція каталізуються третинними амінами: піридином, N,N-диметиланіліном, триетиламіном та ін., і для вторинних спиртів супроводжується 100%-вою інверсією конфігурації асиметричного атома гідрогену. Беручи до уваги, що РІ₃ не стабільний навіть при 20 ^оС, заміщення гідроксильної групи на йод проводять при взаємодії первинного або вторинного спирту, червоного фосфору і йоду [13].