Реакції нуклеофільного заміщення в спиртах

     

     При обробці первинних спиртів PCl₃ утворюються відповіді диалкілфосфіти і тільки одна молекула спирту перетворюється на алкілхлорид; вторинні спирти при цьому, в основному, дегідратують.

     Припускають, що спочатку утворюється триалкілфосфіт, який тільки частково розщеплюється під дією хлоргідрогену.

     Якщо  приводити цю реакцію в присутності  основ, які зв’язують гідрогенхлорид, який виділяється, то утворюються тільки триалкілфосфати.

     Вторинні  спирти з РСІ₃ піддаються, головним чином, дегідратації з утворенням алкенів. Це не дивно, якщо прийняти до уваги, що галогеніди і оксогалогеніди фосфору виявляють властивості типових кислот Льюїса, які сприяють цьому небажаному процесу [7].

     Заміщення гідроксильної групи під впливом РВrз та інших галогенідів і оксогалогенідів фосфору відбувається з інверсією конфігурації біля асиметричного атома гідрогену, зв’язаного з гідроксильною групою і часто супроводжується перегрупуванням. Так, пентанол-3 в реакції з бромфосфітом в ефірі утворюється 85% 3-бромпентану і 15% 2-бромпентану – продукту перегрупування. 3-Метилбутанол-2 і неопентиловий спирт з трибромфосфітом також дають суміш двох ізомерних галогенідів, в яких домінує продукт ізомеризації [21].

     

     

     Використання  третинних основ, таких, як піридин, хінолін, N,N-диметиланілін в суміші з РВг₃, РI₃, РС1₅, РОС1₅, дещо зменшують відсоток продукту перегрупування, але не видаляють її зовсім. Таким чином, галогеніди і оксогалогеніди фосфору не можуть бути рекомбіновані в якості регіоселективних реагентів для заміщення гідроксильної групи в спиртах [5].

     Синтез  диетилфосфата.

     

     В тригорлу колбу на 500 мл, оснащену мішалкою, капельною воронкою і зворотнім холодильником з відводом для поглинання НСІ поміщують 85 мл абс. етилового спирту. Колбу охолоджують до 0^оС і протягом 1 години по краплям вносять 43,5 мл PCl₃ . реакційну суміш доводять до температури 20^оС і переливають в колбу Кляйзена. НСІ, що виділився і C₂H₅Cl відганяють в вакуумі до тих пір, поки не встановиться тиск6-8 мм рт. ст. (~1 година), залишок переганяють в вакуумі. Вихід 57 г (83%), т. кип. 66 - 67^о/8 мм, n_D²⁰=1,4086. [3]

     3.3. ВЗАЄМОДІЯ СПИРТІВ З ТІОНІЛХЛОРИДОМ.

     Тіонілхлорид перетворює первинні і вторинні спирти в алкілгалогеніди з виходом 70-90%. Варто розрізняти два різновиди цієї реакції: в присутності чи відсутності основ (піридин, триетиламін, диметиланілін та ін.).

     Раніше  вважали, що за відсутності розчинників  або в таких розчинниках, як патролейний ефір і ароматичні вуглеводні, заміщенні гідроксильної групи на хлор з SOCl₂ протікає як внутрішньомолекуляряне S_Ni нуклеофільне заміщення в хлорсульфіті, який, як було виявлено, першопочатково утворюється при взаємодії SOCl₂ зі спиртом при низьких (-30оС і нище) температурі . За цим механізмом внутрішньомолекулярне заміщення оксиду сірки (ІV) хлором в хлор сульфіті повинно відбуватися з тієї ж сторони, звідки відщеплюється група SO₂. Отже, внутрішньомолекулярне нуклеофільне заміщення повинно супроводжуватися повним зберіганням конфігурації біля асиметричного атома гідрогену. Для цього процесу був запропонований механізм з чотирьох ланковим перехідним станом.[11]

     В наш час встановлено, що процес такого механізму не реалізується, а реакція  протікає з утворенням в якості інтермедіату йонних пар.

     Детальне  вивчення стереохімії термічного розщеплення  оптично активного 2-октилхлорсульфіта показало явну невідповідність з механізмом S_Ni. За відсутності розчинника чи петролейного ефіру утворюється 2-хлороктан з поворотом конфігурації, що безперечно вказує на заміщення хлорсульфітної групи в результаті атаки хлорид-йону з тилу. При термічному розкладі 2-октилхлорсульфіта в діоксані спостерігається зберігання конфігурації, але цей результат варто розглядати як наслідок подвійної інверсії конфігурації. На першій стадії діоксан в якості нуклеофільного агента заміщає хлор сульфіт у звичайному процесі бімолекулярного нуклеофільного заміщення [4].

     

     На другій стадії хлорид-йон заміщує діоксан в оксонієвому катіоні.

     Подвійне  обертання рівносильно збереженню конфігурації біля асиметричного атома гідрогену. Аналогічно можна описати перетворення спиртів в хлориди і броміди під дією хлор окису і бром окису фосфору [17].

     При заміщенні гідроксилу у вторинних спиртах за допомогою тіонілхлориду або хлорокисі фосфору в присутності основ спостерігаєтяся обертання конфігурації. В цьому випадку має місце звичайне бімолекулярне нуклеофільне заміщення в хлор сульфіті під дією хлорид-йону як нуклеофілу. Джерелом хлорид-йону виступає гідрохлорид третинного аміну, утвореного при взаємодії спирту, тіонілхлориду і третинного аміну [18].

     

     Заміщення гідроксилу на галоген в реакції  спиртів з галогенідами і оксогалогенідами фосфору, арсенію, сульфуру і селену в присутності основ завжди приводить до інверсії конфігурації біля хірального атома гідрогену. Для вторинних спиртів з заміщенням конкурує елімінування з утворенням алкенів, які стають домінуючими для третинних спиртів.

     Добування трет-алкілхлоридів і трет-алкілбромідів при взаємодії третинних спиртів з SOCl₂, POCl₃, POBr₃, PBr₅ не ефективно, так як головним напрямком реакції стає елімінування. Трет-алкілгалогеніди отримують при взаємодії спиртів з газоподібними HCl і HBr в індиферентному розчиннику при 0-10^оС, перегрупування і ізомеризація при заміщенні гідроксильної групи первинних і вторинних спиртів на хлор під дією тіоніл хлориду в присутності піридину або іншої третинної основи при 0^о-(-10^о) відбувається в значно меншому ступені в порівнянні з заміщенням з PBr3 або PCl₅ в суміші з піридином [7].

     

     

     3.4. ВЗАЄМОДІЯ СПИРТІВ ІЗ КВАЗІФОСФОРНИМИ СОЛЯМИ.

     Для регіоселективного заміщення ОН-групи в останні роки широкого розповсюдження отримали квазифосфорні солі – адукти ароматичних третинних фосфітів з галогенами, тетрагалогенметанами або N-галогенсукцинімідом. Реакції протікають за м’яких умов і з високим ступенем інверсії конфігурації. Трифенілфосфін утворює міцні комплекси з бромом і хлором, які перетворюють спирти в алкілгалогеніди з високою регіоселективністю. Метод особливо зручний для вторинних і первинних спиртів, але не ефективний для третинних спиртів, для яких можна спостерігати ізомеризації і перегрупування. Інколи в якості добавки використовується піридин як слабка основа [20].

     

     На  першій стадії реакції спирт витісняє галогенід-йон з ковалентно побудованої сполуки п’ятивалентного фосфору з утворенням йоного фосфонієвого інтермедіата або ковалентного фосфорна, який потім нуклеофільно атакується галоген-йоном з відщепленням трифенілфосфіноксида.  

     Згідно  даної схеми кінцевим стереохімічним результатом повинно бути обертання  конфігурації біля асиметричного атома гідрогену, при якому відбувається заміщення гідроксилу на галоген [21].

     Аналогічно  спирти можна перетворити в галогеніди з обертанням конфігурації при взаємодії з комплексами трифенілфосфіну і тригалогенметаном, CCl₃CN або CCl₃COOEt. В цьому випадку реакційна здатність спиртів зменшується в ряду:

     первинний > вторинний > третинний

     

     

     

     

     Заміщення гідроксилу на хлор за допомогою систем трифенілфосфін-чотирихлористий  карбон і трифенілфосфін - CCl₃COOC₂H₅ в первинних алілових спиртах відбувається практично без алілових перегрупувань. [11]

     Відсутність алільних перегрупувань для первинних алільних спиртів вигідно відрізняє цей спосіб заміщення гідроксильних груп на галоген від інших [11].

     3.5. ЗАМІЩЕННЯ СУЛЬФАТНОЇ ГРУПИ В АЛКІЛСУЛЬФАТАХ НА ГАЛОГЕН.

     Даний метод використовується для заміщення  гідроксильної групи в первинних  і вторинних спиртах на галогени. Спирти спочатку естерифікують за допомогою хлорангідридів сульфокислот, залишок сульфокислоти є чудовою відщеплюючою групою і легко заміщається в м’яких умовах під дією галогенід-йона, при чому алкілсульфати можуть бути виділені і очищені. Заміщення на галоген відбувається в ДМФА, ДМСО або ацетоні і супроводжується повною інверсією конфігурації [7].

     

     Для вторинних алілових спиртів заміщення групи на галоген, як правило, супроводжується перегрупуванням, ступінь якого залежить від структурних факторів і умов проведення реакції (низька температура сприяє більшій стерео селективності) [10].

     

     Для добування первинних і вторинних алкілфторидів і, в меншій ступені, алкілхлоридів надзвичайно ефективним виявився метод міжфазного переносу з використанням в якості каталізатора краун-поліефірів або солей тетраалкіламонію або фосфору. Для добування алкілфторидів в якості каталізатора переходу із твердої фази в розчин використовуються краун-поліефіри. Але для добування хлоридів можна використовувати і солі тетраалкіламонію [1].  

     Розділ  ІV. ПРАКТИЧНА РОБОТА

     1. БРОМИСТИЙ ІЗО-ПРОПІЛ

     КВr + Н₂SO₄ → НBr + KHSO₄

     CH₃CH(OH)CH₃ + HBr → CH₃CH(Br)СH₂ + H₂O

     Реактиви  та обладнання:

     Етиловий  спирт – 8 мл.

     КВr– 11,9 г.

     H₂SO₄ –14,9 мл.

     Кругло  донна колба

     Водяний холодильник

     Алонж

     Плоскодонна колба

     У кругло донну колбу наливають спирт, додають 6 мл води, потім при постійному перемішуванні і охолодженні поступово приливають сульфатну кислоту. Суміш охолоджують до кімнатної температури і додають тонкоподрібнений бромід калію.

     Реакційну суміш нагрівають на пісочній бані доти, доки в приймач не перестануть  надходити маслянисті краплі, що опускаються  на дно. У випадку сильного спінювання реакційної маси нагрівання на деякий час припиняють. Після закінчення реакції за допомогою лійки бромистий  ізо-пропіл  відокремлюють від води, збирають його в суху пробірку чи плоскодонну колбу. Для висушування бромистого ізо-пропілу додають кілька кусочків прожареного хлориду кальцію.

     Через 20-30 хв бромистий ізо-пропіл стає прозорим і його переганяють, для чого використовують такий самий прилад, що й для одержання, але з сухими частинами приладу. Переганяти можна без попереднього відокремлення хлориду кальцію [6].