Язык, электронные эффекты и стереохимия

Формулы, номенклатура, резонанс, кислотность, конфигурации

• Модуль 1. Введение и язык органической химии — Читать и записывать структуры любых органических соединений, называть их по IUPAC и переводить условие задачи на язык формул.
• Модуль 2. Электронные эффекты, кислотность и интермедиаты — Объяснять и предсказывать кислотность, основность, устойчивость интермедиатов и направление реакций через электронные эффекты и энергетику.
• Модуль 3. Стереохимия — Изображать и определять конфигурации и конформации, считать стереоизомеры и предсказывать стереохимический результат реакции.

Углеводороды

Алканы, алкены, алкины, диены, арены: реакции и механизмы

• Модуль 4. Алканы и циклоалканы — Получать и превращать алканы и циклоалканы, рассчитывать состав продуктов радикального галогенирования и решать задачи на формулу по сгоранию.
• Модуль 5. Алкены — Предсказывать продукт присоединения к алкену с учётом регио- и стереохимии, устанавливать структуру по продуктам окисления и планировать простые синтезы.
• Модуль 6. Алкины и диены — Использовать ацетилениды и реакции алкинов для наращивания цепи, управлять стереохимией гидрирования, предсказывать продукты 1,2/1,4-присоединения и реакции Дильса–Альдера.
• Модуль 7. Ароматические соединения — Объяснять ароматичность, планировать синтез полизамещённых бензолов с нужной ориентацией, предсказывать реакции боковой цепи и нуклеофильного замещения.

Замещение, отщепление и кислородные соединения

SN1/SN2, E1/E2, металлоорганика, спирты, эфиры, фенолы

• Модуль 8. Галогенпроизводные: замещение и элиминирование — Выбирать механизм замещения или отщепления по субстрату, реагенту и условиям, предсказывать стереохимию и использовать металлоорганику для образования связей C–C.
• Модуль 9. Спирты, простые эфиры, эпоксиды — готовится
• Модуль 10. Фенолы и хиноны — готовится

Карбонильная химия

Альдегиды, кетоны, еноляты, кислоты и их производные

• Модуль 11. Альдегиды и кетоны — готовится
• Модуль 12. Енолы и еноляты — готовится
• Модуль 13. Карбоновые кислоты — готовится
• Модуль 14. Производные карбоновых кислот — готовится

Азотистые соединения и гетероциклы

Амины, диазоний, нитросоединения, гетероциклы

• Модуль 15. Амины — готовится
• Модуль 16. Соли диазония, нитросоединения и другие азотсодержащие соединения — готовится
• Модуль 17. Гетероциклические соединения — готовится

Природные соединения и биохимия

Углеводы, пептиды, липиды, нуклеиновые кислоты, метаболизм

• Модуль 18. Углеводы — готовится
• Модуль 19. Аминокислоты, пептиды, белки — готовится
• Модуль 20. Липиды, терпены, стероиды, нуклеиновые кислоты — готовится
• Модуль 21. Основы биохимии для олимпиад — готовится

Структура, механизмы и синтез

Спектры, перегруппировки, перициклические реакции, кросс-сочетание, ретросинтез, полимеры

• Модуль 22. Спектроскопия и установление структуры — готовится
• Модуль 23. Механизмы: перегруппировки, перициклические и радикальные реакции — готовится
• Модуль 24. Металлоорганика и современный синтез — готовится
• Модуль 25. Ретросинтез и планирование синтеза — готовится
• Модуль 26. Полимеры — готовится

Олимпиадная практика

Расчёты, качественные задачи, промышленность, эксперимент, пробные туры

• Модуль 27. Расчётные задачи органической химии — готовится
• Модуль 28. Качественные задачи, идентификация и разделение — готовится
• Модуль 29. Промышленная органическая химия и химия в жизни — готовится
• Модуль 30. Экспериментальный тур по органике — готовится
• Модуль 31. Пробные туры — готовится

Уроки 1–8: 8 уроков, 79 заданий.

Критерий освоения: Диагностика с разбором ошибок; уроки — от 70 %, проверка модуля — от 80 %; по брутто-формуле C5H10O выписать все изомеры заданного класса и назвать их.

Типичные ошибки: Путают брутто-формулу с изомером; теряют водороды в скелетных формулах; неверно выбирают главную цепь и старшую группу; считают степень ненасыщенности без учёта азота и галогенов.

Урок 1. Входная диагностика

Проверить, что вы помните из школьной органики: классы веществ и их формулы, простейшие названия и реакции, расчёты по формуле и уравнению.

Как устроен курс

Олимпиадная органика начинается там, где заканчивается школьная: не «назовите вещество», а «установите строение вещества \(\ce{C5H10O}\), если оно даёт серебряное зеркало и обесцвечивает бромную воду». Чтобы дойти до таких задач, нужен прочный фундамент, и его мы проверяем прямо сейчас.

В курсе 31 раздел и 247 занятий. Основной маршрут — 223 занятия: они покрывают региональный этап ВсОШ и перечневые олимпиады первого уровня («Ломоносов», «Высшая проба», «Покори Воробьёвы горы»). Ещё 24 занятия углублённые — они помечены как «У» и нужны для заключительного этапа и IChO. Каждый урок состоит из трёх порций: короткая теория с реакциями, историей и лайфхаками, затем задания к ней. Урок зачтён от 70 %, проверка раздела — от 80 %; то, в чём вы ошиблись, вернётся через два дня, две недели и месяц.

Этот урок нового не объясняет. Он показывает, где у вас «протекает»: в формулах, в названиях, в реакциях или в вычислениях. Решайте честно, без справочников — иначе диагностика ничего не покажет.

Что вы уже знаете: классы и реакции

Школьный курс даёт «портреты» классов: алканы замещают водород, алкены и алкины присоединяют, спирты и кислоты обмениваются водородом гидроксила, альдегиды окисляются до кислот. Проверим, насколько эти портреты у вас рабочие — то есть можете ли вы по ним предсказать продукт, а не только узнать реакцию в списке.

Расчёты

Расчётная часть органической задачи почти всегда сводится к трём шагам: найти количество вещества, установить формулу, сравнить с молярной массой. Ошибки здесь обидные — химия понята, а балл потерян. Проверьте себя на трёх типах: массовая доля, формула по сгоранию и число изомеров.

Главное: Диагностика показывает, где именно вы теряете баллы: в формулах и названиях, в самих реакциях или в арифметике. Всё, что не получилось, разбирается в модулях 1–5, а тренировать нужно именно эти места.

Урок 2. Органическая химия на олимпиаде

Понять, чем олимпиадная органика отличается от школьной, какие задачи встречаются на ВсОШ и перечневых олимпиадах и как оформить решение, чтобы получить все баллы.

Что такое органическая химия

Название придумал Йёнс Якоб Берцелиус в 1807 году: органическими он назвал вещества, которые получаются в живых организмах, а неорганическими — вещества «минерального царства». В этом делении был скрыт целый мировоззренческий тезис — витализм: считалось, что органические вещества создаёт только «жизненная сила», а в колбе их получить нельзя.

Сегодня органическая химия — это химия соединений углерода (кроме нескольких «неорганических» по традиции: \(\ce{CO}\), \(\ce{CO2}\), карбонатов, карбидов, цианидов). Почему именно углерод? Три причины. Во-первых, четыре валентности и одинаковая склонность связываться и с водородом, и с самим собой. Во-вторых, прочность связей \(\ce{C-C}\) (348 кДж/моль) и \(\ce{C-H}\) (413 кДж/моль): цепи не рвутся при обычных температурах. В-третьих, кремний тоже четырёхвалентен, но связь \(\ce{Si-Si}\) вдвое слабее, а \(\ce{Si-O}\) гораздо прочнее — поэтому кремний «предпочитает» силикаты, а не цепи.

В 1861 году Александр Бутлеров сформулировал теорию химического строения: свойства вещества определяются не только составом, но и порядком связей атомов в молекуле, и этот порядок можно установить химическим путём. Именно это положение делает возможной главную олимпиадную задачу — установление структуры по реакциям.

Какие задачи бывают на олимпиаде

На региональном этапе ВсОШ в 10 классе органика — одна-две задачи из пяти, в 11 классе — две-три; на заключительном этапе она есть в обоих теоретических турах. У перечневых олимпиад («Ломоносов», «Высшая проба») задачи ближе к школьным, но с «изюминкой» — неожиданным реагентом или расчётом. Все эти задачи сводятся к нескольким типам.

Задание обычно многочастное: пункт «а» решается из условия, пункт «б» — из ответа на «а». Поэтому неверный первый шаг тянет за собой все остальные, а частично верное решение всё равно оценивается — если ход рассуждений записан.

Как оформлять решение

Жюри оценивает не ответ, а решение: за верную формулу без обоснования дают часть баллов, за обоснованный ход с арифметической ошибкой — почти всё. Значит, писать нужно так, чтобы каждый шаг был виден.

• Структурные формулы, а не названия: название можно понять по-разному, формула — нет. Стереохимию (клинья, цис/транс) показывайте там, где она есть в вопросе.
• Уравнения — с условиями над стрелкой: температура, катализатор, растворитель, избыток. Коэффициенты — расставленные, побочные продукты — записанные.
• Каждый вывод — с аргументом: «серебряное зеркало ⇒ альдегид», «\(\Omega = 4\) ⇒ бензольное кольцо», «две группы \(\ce{CH3}\) эквивалентны ⇒ симметричная молекула».
• Числа — со значащими цифрами и единицами; промежуточные результаты не округляйте.

Главное: Олимпиадная задача по органике проверяет не память, а умение рассуждать от данных к структуре и от структуры к реакциям. Баллы дают за обоснованные шаги: формула, уравнение с условиями, аргумент.

Урок 3. Атом углерода и химическая связь

Связывать тип гибридизации атома углерода с геометрией молекулы, длинами и энергиями связей, а строение молекулы — с её физическими свойствами.

Гибридизация и геометрия

У атома углерода в основном состоянии конфигурация \(1s^2 2s^2 2p^2\) — всего два неспаренных электрона, а связей он образует четыре. Возбуждение \(2s^1 2p^3\) даёт четыре неспаренных электрона, но три из них на p-орбиталях под прямыми углами, а четвёртый — на сферической s. Метан же имеет четыре одинаковые связи под углами \(109{,}5^\circ\). Разрешает противоречие идея гибридизации: четыре орбитали смешиваются в четыре равноценные \(sp^3\)-орбитали, направленные к вершинам тетраэдра.

• \(sp^3\): четыре σ-связи, тетраэдр, \(109{,}5^\circ\) (алканы, спирты, амины — все атомы с четырьмя одинарными связями).
• \(sp^2\): три σ-связи в плоскости под \(120^\circ\) и одна негибридная p-орбиталь, перпендикулярная плоскости; её боковое перекрывание с соседней p-орбиталью и есть π-связь (алкены, карбонильная группа, бензол).
• \(sp\): две σ-связи на одной прямой (\(180^\circ\)) и две p-орбитали — две π-связи (алкины, нитрилы, \(\ce{CO2}\)).

Полезно помнить, что гибридизация — способ описания, а не физический процесс: атом не «гибридизуется перед реакцией». Но это описание точно предсказывает геометрию, и олимпиадные задачи на форму молекул решаются простым подсчётом: сколько у атома соседей и неподелённых пар, такова и гибридизация.

Длины, энергии и полярность связей

Длина и прочность связи между одними и теми же атомами зависят от кратности и от гибридизации. Чем больше общих электронных пар, тем короче и прочнее связь; чем больше s-характер орбиталей, тем связь короче.

Обратите внимание: двойная связь \(\ce{C=C}\) (614) заметно слабее двух одинарных (\(2\cdot348 = 696\)). Разность 614 − 348 = 266 кДж/моль — это энергия π-связи, и она на 80 кДж/моль меньше σ-связи. Поэтому алкену выгодно превратить π-связь в две σ-связи: присоединение экзотермично. Тройная связь ещё «выгоднее» для присоединения — на неё приходится две слабые π-связи.

Полярность связи определяется разностью электроотрицательностей (по Полингу: C 2,55; H 2,20; N 3,04; O 3,44; F 3,98; Cl 3,16; Br 2,96; I 2,66). Связь \(\ce{C-H}\) почти неполярна, \(\ce{C-O}\) и \(\ce{C-Cl}\) — заметно полярны, а \(\ce{C-Mg}\) в реактиве Гриньяра полярна «наоборот»: углерод несёт частичный отрицательный заряд. Направление полярности связи — первое, что нужно увидеть, чтобы понять, куда пойдёт реакция.

Строение и физические свойства

Температура кипения, растворимость и агрегатное состояние — частые ключи в задачах: «жидкость», «газ с запахом», «растворим в воде». Они определяются тем, как молекулы удерживают друг друга.

• Дисперсионные силы есть у всех молекул; они растут с числом электронов (то есть с молярной массой) и с площадью контакта. Поэтому пентан кипит при \(36\,^\circ\)C, а его разветвлённый изомер неопентан, почти шарик, — при \(9{,}5\,^\circ\)C.
• Диполь-дипольные взаимодействия добавляют полярные группы: ацетон (\(\ce{C3H6O}\), \(56\,^\circ\)C) кипит выше бутана (\(\ce{C4H10}\), \(-0{,}5\,^\circ\)C) при близкой массе.
• Водородные связи — самые сильные: этанол (\(78\,^\circ\)C) и диметиловый эфир (\(-24\,^\circ\)C) имеют одну формулу \(\ce{C2H6O}\), но у эфира нет группы \(\ce{O-H}\). Карбоновые кислоты образуют димеры, поэтому уксусная кислота кипит при \(118\,^\circ\)C.

Растворимость подчиняется правилу «подобное растворяется в подобном»: вещество растворимо в воде, если может образовывать с ней водородные связи и углеводородная часть невелика. Спирты до \(\ce{C3}\) смешиваются с водой неограниченно, бутанол — 8 г на 100 г, гексанол почти нерастворим.

Главное: Три типа гибридизации задают всю геометрию органики: \(sp^3\) — тетраэдр, \(sp^2\) — плоскость, \(sp\) — прямая. Чем больше s-характер, тем короче и прочнее связь, а слабость π-связи объясняет, почему кратные связи реагируют присоединением.

Урок 4. Формулы и изомерия

Переходить между молекулярными, структурными и скелетными формулами, считать степень ненасыщенности и перечислять структурные изомеры без пропусков и повторов.

Пять способов записать молекулу

Молекулярная (брутто-) формула \(\ce{C5H12}\) говорит только о составе. Структурная показывает все связи, сокращённая структурная — группы (\(\ce{CH3CH(CH3)CH2CH3}\)), скелетная — только углеродный остов: атомы углерода стоят в вершинах и на концах ломаной, атомы водорода при углероде не пишутся вовсе. Гетероатомы (O, N, Cl…) и водород при них пишутся всегда.

Скелетная формула — рабочий язык органической химии, и олимпиадные условия всё чаще даются именно ею. Читать её нужно уверенно: у каждого атома углерода четыре связи, поэтому число «невидимых» водородов равно \(4 - (\text{число нарисованных связей})\), где двойная связь считается за две.

Пространственные формулы (клинья и пунктир) добавляют третье измерение: сплошной клин — связь к зрителю, штриховой — от зрителя. Они понадобятся в разделе 3.

Степень ненасыщенности

Насыщенный ациклический углеводород имеет состав \(\ce{C_nH_{2n+2}}\) — больше водорода в молекулу не поместится. Каждая двойная связь или цикл уменьшает число атомов водорода на два, тройная связь — на четыре. Величина, которая считает эти «потери», называется степенью ненасыщенности (или числом эквивалентов ненасыщенности):

где \(C\), \(H\), \(N\), \(X\) — число атомов углерода, водорода, азота и галогенов. Кислород и сера в формулу не входят: двухвалентный атом можно вставить в любую связь, не меняя числа водородов. Галоген занимает место водорода, поэтому вычитается вместе с ним; трёхвалентный азот, наоборот, добавляет одно «место».

Пример: \(\ce{C5H10O}\), \(\Omega = (10 + 2 - 10)/2 = 1\). Это может быть альдегид, кетон, ненасыщенный спирт, циклический спирт или эфир — но не насыщенный спирт. Дальше выбирают по химическим свойствам.

Структурная изомерия

Изомеры — вещества одного состава, но разного строения. Бутлеров не только ввёл это понятие, но и предсказал изомерию бутана, а в 1866 году получил изобутан — так теория строения впервые предсказала существование вещества.

Структурная изомерия бывает трёх видов:

• изомерия углеродного скелета: пентан и 2-метилбутан;
• изомерия положения (заместителя, кратной связи, функциональной группы): бут-1-ен и бут-2-ен, пропан-1-ол и пропан-2-ол;
• межклассовая изомерия (метамерия): этанол и диметиловый эфир, пропаналь и ацетон, бутен и циклобутан, аминокислоты и нитросоединения.

Особый случай — таутомерия: изомеры, которые самопроизвольно переходят друг в друга (енол и кетон). О ней — в разделе 12. Пространственную изомерию (геометрическую и оптическую) разберём в разделе 3.

Считать изомеры нужно системно, иначе будут повторы и пропуски. Для алканов: сначала самая длинная цепь, затем цепь на один атом короче с одним заместителем во всех неэквивалентных положениях, затем с двумя заместителями, и так далее. Для производных: к каждому скелету перебираем неэквивалентные положения группы. Число изомеров алканов растёт стремительно: \(\ce{C5H12}\) — 3, \(\ce{C6H14}\) — 5, \(\ce{C7H16}\) — 9, \(\ce{C8H18}\) — 18, \(\ce{C10H22}\) — 75.

Главное: Степень ненасыщенности — первый расчёт в любой задаче на структуру: она говорит, сколько циклов и кратных связей нужно «спрятать» в молекуле. Изомеры перечисляют системно: сначала цепи, потом положения, потом функциональные группы.

Урок 5. Функциональные группы и классы

Узнавать функциональные группы в любой записи формулы, относить вещество к классу, определять старшую группу и предсказывать по «портрету» класса его типичные реакции.

Что такое функциональная группа

Углеводородный скелет инертен: алканы не реагируют ни с кислотами, ни со щелочами, ни с большинством окислителей при обычных условиях. Химическое «лицо» молекуле придают функциональные группы — атомы или группы атомов с полярными или кратными связями. Молекулы с одной и той же группой ведут себя похоже независимо от скелета, поэтому органику учат по классам.

Обратите внимание на «ловушки» записи: в \(\ce{CH3COOCH3}\) атом кислорода между двумя углеродами — сложный эфир, а не кислота; в \(\ce{CH3CONH2}\) группа \(\ce{C=O}\) соседствует с азотом — амид, а не амин; \(\ce{HCOOH}\) содержит и альдегидную, и карбоксильную «половинки» — муравьиная кислота даёт серебряное зеркало.

Старшинство групп

Если групп несколько, название строится по одной — старшей: она даёт суффикс и определяет нумерацию, остальные превращаются в префиксы. Порядок старшинства (по убыванию):

Кратные связи, галогены, нитро- и алкоксигруппы старшими не бывают: кратная связь входит в название суффиксом «-ен/-ин» после главной цепи, а галоген, \(\ce{NO2}\) и \(\ce{OR}\) — только префиксами. Запомнить порядок помогает логика окисления: чем выше степень окисления углерода в группе, тем группа старше (кислота > альдегид > спирт), а среди производных кислот — сама кислота, потом её эфиры, галогенангидриды, амиды, нитрилы.

Пример: \(\ce{CH3-CO-CH2-CH2-COOH}\) — старшая группа \(\ce{COOH}\), цепь из пяти атомов, кетонная группа у четвёртого: 4-оксопентановая кислота.

Гомологические ряды и портреты классов

Вещества одного класса, отличающиеся на группу \(\ce{CH2}\), образуют гомологический ряд с общей формулой: алканы \(\ce{C_nH_{2n+2}}\), алкены и циклоалканы \(\ce{C_nH_{2n}}\), алкины и алкадиены \(\ce{C_nH_{2n-2}}\), арены \(\ce{C_nH_{2n-6}}\), насыщенные одноатомные спирты и простые эфиры \(\ce{C_nH_{2n+2}O}\), альдегиды и кетоны \(\ce{C_nH_{2n}O}\), кислоты и сложные эфиры \(\ce{C_nH_{2n}O2}\), амины \(\ce{C_nH_{2n+3}N}\). Общая формула — рабочий инструмент расчётных задач: неизвестное вещество записывают как \(\ce{C_nH_{2n+2}}\) и находят \(n\) из молярной массы или продуктов сгорания.

Свойства в ряду меняются плавно: температуры кипения растут примерно на \(20\)–\(30\,^\circ\)C на каждую группу \(\ce{CH2}\), растворимость в воде падает, а химическое поведение остаётся тем же. Поэтому достаточно знать «портрет» класса.

Главное: Функциональная группа — это адрес реакционной способности: увидели группу — знаете, какие реагенты с ней работают. Старшинство групп задаёт название, а гомологический ряд — общую формулу и плавное изменение свойств.

Урок 6. Номенклатура IUPAC: углеводороды и галогениды

Называть алканы, алкены, алкины, циклические и ароматические углеводороды и их галогенпроизводные по IUPAC, а по названию восстанавливать структуру; знать тривиальные названия, без которых не обойтись.

Алканы: главная цепь и нумерация

Систематическая номенклатура IUPAC (Международного союза теоретической и прикладной химии) выросла из Женевских правил 1892 года; современные рекомендации — 2013 года. Название алкана строится так.

1. Главная цепь — самая длинная непрерывная цепь атомов углерода; при равной длине — та, у которой больше заместителей. Цепь не обязана быть нарисована по прямой: в скелетной формуле она часто «уходит в ветку».
2. Нумерация — с того конца, который даёт заместителям наименьшие номера: сравнивают наборы номеров по первому различию (2,3,5 меньше, чем 2,4,5).
3. Заместители — префиксы в алфавитном порядке (метил раньше этила, бром раньше хлора), с номерами; одинаковые заместители объединяют умножающими приставками ди-, три-, тетра-, которые при расстановке по алфавиту не учитываются. Если наборы номеров с обоих концов одинаковы, меньший номер получает заместитель, который в названии стоит первым.
4. Числа отделяют от слов дефисами, друг от друга — запятыми: 2,2,4-триметилпентан (изооктан, эталон октанового числа 100).

Сложные заместители (изопропил, трет-бутил) имеют собственные названия; по IUPAC их можно назвать и систематически — (1-метилэтил), (1,1-диметилэтил), — тогда в алфавитном порядке учитывается первая буква полного названия в скобках.

Алкены, алкины, циклы

Для непредельных углеводородов главная цепь обязана включать кратную связь, даже если есть более длинная цепь без неё. Нумеруют так, чтобы кратная связь получила наименьший номер; номер ставят перед суффиксом: бут-1-ен, пент-2-ин (допустима и старая запись 1-бутен). Если есть и двойная, и тройная связь, обеим дают наименьшие номера, а при равенстве двойная связь получает меньший: пент-1-ен-4-ин; суффиксы — «-ен» затем «-ин». Несколько двойных связей — «-диен», «-триен»: бута-1,3-диен.

Циклические углеводороды получают приставку «цикло-»: циклогексан, циклогексен, метилциклопропан. Кольцо нумеруют так, чтобы заместители (или кратная связь) имели наименьшие номера; в циклоалкене атомы двойной связи — всегда 1 и 2. Если боковая цепь длиннее кольца, кольцо может стать заместителем: 1-циклопропилгексан.

Арены, галогенпроизводные, тривиальные названия

Бензол с одним заместителем называют как замещённый бензол: метилбензол (толуол), этилбензол, хлорбензол, нитробензол. Два заместителя — положения 1,2 (орто-, o-), 1,3 (мета-, m-), 1,4 (пара-, p-): 1,2-диметилбензол — o-ксилол. Остаток бензола как заместитель — фенил \(\ce{C6H5-}\), остаток толуола по метильной группе — бензил \(\ce{C6H5CH2-}\). Не путайте: фенол — \(\ce{C6H5OH}\), фенил — \(\ce{C6H5-}\).

Галогены в названиях — всегда префиксы: 2-бромбутан, 1,2-дихлорэтан, трихлорметан (хлороформ). Порядок — алфавитный вместе с другими заместителями: 1-бром-2-хлорэтан.

Тривиальные названия — не «отсталость», а язык лабораторий и олимпиадных условий. Их надо знать: изобутан, изопентан, неопентан, изопрен (2-метилбута-1,3-диен), ацетилен, толуол, ксилолы, стирол (винилбензол), кумол (изопропилбензол), нафталин, хлороформ, фреоны, винил (\(\ce{CH2=CH-}\)), аллил (\(\ce{CH2=CH-CH2-}\)), изопропил, трет-бутил.

Главное: Название IUPAC — это алгоритм: главная цепь, нумерация с наименьшими номерами, префиксы по алфавиту. Кто владеет алгоритмом, тот читает любую формулу и не теряет баллы на «неправильном названии».

Урок 7. Номенклатура IUPAC: функциональные производные

Называть спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и их производные, амины и полифункциональные соединения по IUPAC; свободно пользоваться тривиальными названиями, принятыми в олимпиадных задачах.

Спирты, альдегиды, кетоны

Спирты: главная цепь содержит атом углерода с гидроксилом, суффикс «-ол» с номером: пропан-2-ол, бутан-1-ол, 2-метилпропан-2-ол. Несколько гидроксилов — «-диол», «-триол» с сохранением полного названия алкана: этан-1,2-диол (этиленгликоль), пропан-1,2,3-триол (глицерин). Циклические спирты — циклогексанол; фенолы — по тривиальным названиям: фенол, крезолы (метилфенолы), гидрохинон (бензол-1,4-диол).

Альдегиды: группа \(\ce{CHO}\) всегда на конце цепи и всегда получает номер 1, поэтому номер не пишут: этаналь, 2-метилпропаналь, бут-2-еналь. Если группа \(\ce{CHO}\) при кольце — «карбальдегид»: циклогексанкарбальдегид; ароматический — бензальдегид.

Кетоны: суффикс «-он» с номером карбонильного атома: пропанон (ацетон), бутанон (номер не нужен), пентан-2-он, пентан-3-он, циклогексанон. Рациональные названия кетонов по радикалам тоже в ходу: метилэтилкетон (бутанон), диэтилкетон, ацетофенон (метилфенилкетон).

Кислоты, их производные, амины

Карбоновые кислоты: суффикс «-овая кислота», карбоксильный углерод — номер 1: этановая, 2-метилпропановая, бут-2-еновая. Группа при кольце — «карбоновая кислота»: циклогексанкарбоновая, бензойная (бензолкарбоновая). Дикислоты — «-диовая»: этандиовая (щавелевая), бутандиовая (янтарная).

Производные кислот называют от кислоты. Соли и сложные эфиры — «-оат»: ацетат натрия (этаноат натрия), этилацетат = этилэтаноат: сначала спиртовый остаток, затем анион кислоты. Галогенангидриды — «-оилхлорид»: ацетилхлорид (этаноилхлорид). Амиды — «-амид»: ацетамид (этанамид); заместители при азоте помечают буквой N: N-метилацетамид. Нитрилы — «-нитрил» с сохранением всех атомов углерода: этаннитрил \(\ce{CH3CN}\) (ацетонитрил), бензонитрил.

Амины называют двумя способами: по радикалам — метиламин, диэтиламин, триметиламин, анилин (фениламин); по IUPAC — суффикс «-амин» к названию цепи: этанамин, пропан-2-амин, N-метилэтанамин (заместители при азоте — с N). Соли аминов: хлорид метиламмония.

Полифункциональные соединения

Когда групп несколько, работает порядок старшинства из урока 5: старшая — суффикс, остальные — префиксы, нумерация от старшей. Так возникают названия, которые нужно уметь и читать, и составлять.

• 2-гидроксипропановая кислота — молочная: старшая \(\ce{COOH}\), гидроксил у второго атома.
• 2-аминопропановая кислота — аланин; 2-аминоэтановая — глицин.
• 3-гидроксибутаналь — альдоль, продукт альдольной реакции ацетальдегида.
• 4-гидрокси-4-метилпентан-2-он — «диацетоновый спирт».
• 2-оксопропановая кислота — пировиноградная; 3-оксобутановая — ацетоуксусная.
• 2-гидроксибензойная кислота — салициловая; её ацетильное производное — аспирин.

Обязательный минимум тривиальных названий: формальдегид, ацетальдегид, бензальдегид, ацетон, ацетофенон; кислоты — муравьиная, уксусная, пропионовая, масляная, валериановая, стеариновая, пальмитиновая, олеиновая, щавелевая, малоновая, янтарная, адипиновая, бензойная, фталевая, акриловая, молочная, пировиноградная, салициловая; спирты — метиловый, этиловый, изопропиловый, этиленгликоль, глицерин; фенол, анилин, мочевина.

Главное: Суффикс называет старшую группу, номера ставят старшей группе наименьшие, всё остальное — префиксы по алфавиту. Тривиальные названия кислот, кетонов и аминов знать обязательно: условия задач написаны на них.

Урок 8. Практикум: язык органики

Отработать переходы «название — структура — брутто-формула», подсчёт изомеров и использование степени ненасыщенности как первого шага в задаче на структуру.

От названия к структуре и обратно

Первое упражнение практикума — восстановить по названию структуру и брутто-формулу. Делайте это письменно: нарисуйте скелет, поставьте группы, пересчитайте водороды по валентности. Брутто-формула — ваша проверка: если она не сошлась с общей формулой класса, ошибка в структуре.

Изомеры по брутто-формуле

Второе упражнение — перечисление изомеров. Действуйте по алгоритму: скелеты по убыванию длины цепи → положения функциональной группы на каждом скелете → другие классы с той же формулой. Записывайте каждую структуру — в уме изомеры теряются.

Степень ненасыщенности как ключ

Третье упражнение — использовать \(\Omega\) для сужения вариантов. Сначала брутто-формула (из сгорания или из условия), затем \(\Omega\), затем список классов, совместимых с \(\Omega\), и только потом химические пробы.

Главное: Язык органики — инструмент, а не тема для зубрёжки: по брутто-формуле вы считаете \(\Omega\), по \(\Omega\) сужаете классы, по названию восстанавливаете структуру и проверяете её составом. Этот круг повторяется в каждой олимпиадной задаче.

Открыть модуль курса

Уроки 9–16: 8 уроков, 77 заданий.

Критерий освоения: Ранжировать 6–8 кислот и оснований с обоснованием; нарисовать все значимые резонансные структуры; объяснить кинетический и термодинамический контроль на примере.

Типичные ошибки: Смешивают индуктивный и мезомерный эффекты; рисуют резонансные структуры с нарушением октета или перемещением атомов; сравнивают основность по одной причине; путают устойчивость продукта с быстротой его образования.

Урок 9. Полярность связей и индуктивный эффект

Оценивать полярность связей и молекул по электроотрицательностям и симметрии, различать +I и −I заместители и предсказывать, как индуктивный эффект меняет кислотность и распределение зарядов.

Полярность связей и молекул

Связь между атомами с разной электроотрицательностью полярна: электронная пара смещена к более электроотрицательному атому, и на нём возникает частичный отрицательный заряд \(\delta-\), на партнёре — \(\delta+\). Меру полярности даёт дипольный момент связи; для молекулы дипольные моменты связей складываются как векторы, поэтому симметричная молекула может быть неполярной при полярных связях: \(\ce{CCl4}\) и \(\ce{CO2}\) имеют \(\mu = 0\).

Дипольный момент — ключ в задачах на строение: если из двух изомеров один неполярен, это симметричный (транс-, пара-, тетраэдрический) изомер. Полярность связи говорит и о реакционной способности: атом с \(\delta+\) ждёт нуклеофила, атом с \(\delta-\) — электрофила или протона.

Индуктивный эффект

Смещение электронной плотности по цепи σ-связей под действием заместителя называют индуктивным эффектом (\(I\)). Заместитель, оттягивающий электроны на себя, проявляет \(-I\)-эффект; отдающий их в цепь — \(+I\)-эффект. Отсчёт ведут от водорода: его эффект принимают за нуль.

• \(-I\): галогены, \(\ce{-OH}\), \(\ce{-OR}\), \(\ce{-NH2}\), \(\ce{-NO2}\), \(\ce{-CN}\), \(\ce{-CHO}\), \(\ce{-COOH}\), \(\ce{-COOR}\), \(\ce{-NR3+}\) (самый сильный), \(sp^2\)- и \(sp\)-углерод (винил, фенил, этинил) — все более электроотрицательные, чем \(sp^3\)-углерод.
• \(+I\): алкильные группы (слабый эффект, растёт от метила к трет-бутилу), отрицательно заряженные группы \(\ce{-O^-}\), \(\ce{-COO^-}\), металлы (\(\ce{-MgBr}\), \(\ce{-Li}\)).

Главное свойство \(I\)-эффекта — быстрое затухание: через каждую σ-связь передаётся примерно треть, так что за три связи эффект почти исчезает. Отсюда прямое следствие для кислотности: хлор у \(\alpha\)-атома масляной кислоты снижает \(pK_a\) на две единицы, у \(\gamma\)-атома — на 0,3. Каждый следующий галоген у того же атома добавляет ещё порядок: хлоруксусная кислота 2,86, дихлоруксусная 1,3, трихлоруксусная 0,65, трифторуксусная 0,2 — почти минеральная кислота.

Практика: заряды и кислотность

Индуктивный эффект объясняет не только кислотность. Он определяет, какой атом в молекуле электрофильный: в хлорэтане это \(\alpha\)-углерод, в ацетоне — углерод карбонила, в ацетонитриле — углерод нитрильной группы. Он же объясняет ряд основности: электроноакцепторные заместители снижают электронную плотность на азоте и ослабляют основание (трифторэтиламин на три порядка слабее этиламина).

Главное: Индуктивный эффект передаётся по σ-связям и быстро затухает: заместитель у α-атома меняет кислотность на два порядка, у γ-атома — уже едва заметно. Знак эффекта определяют электроотрицательность и заряд заместителя.

Урок 10. Сопряжение, мезомерный эффект и резонанс

Находить сопряжённые системы, писать резонансные структуры по правилам и оценивать их вклад, различать +M и −M заместители и объяснять через них устойчивость ионов и распределение зарядов.

Сопряжение

Если две π-связи разделены ровно одной σ-связью, их p-орбитали перекрываются «боком» через промежуточный атом: возникает единая π-система из четырёх электронов на четырёх атомах. Такое расположение называют сопряжением (\(\pi\)–\(\pi\)-сопряжение); в бута-1,3-диене центральная связь короче обычной одинарной (147 пм против 154), а вращение вокруг неё затруднено.

p-Орбиталь с неподелённой парой, пустая p-орбиталь или одиночный электрон тоже могут сопрягаться с π-связью (\(p\)–\(\pi\)-сопряжение): хлорэтен, енолят-ион, аллильный катион, аллильный радикал. Сопряжение всегда понижает энергию системы — это видно по теплотам гидрирования:

Пятнадцать килоджоулей для диена — заметно, а полтораста для бензола — это уже особое качество, ароматичность (раздел 7).

Резонанс: правила и вклады

Одну структурную формулу для делокализованной системы написать нельзя: ни одна из них не показывает, что обе связи C–O в ацетат-ионе одинаковы. Поэтому пишут несколько резонансных структур и понимают, что реальная молекула — их «наложение», резонансный гибрид. Резонанс — это не колебание между структурами: ацетат-ион не «мигает».

Правила написания резонансных структур:

1. Двигаются только электроны (π-электроны и неподелённые пары); положения ядер и σ-связи не меняются.
2. Изогнутая стрелка идёт от источника электронов (пары или π-связи) к тому месту, где они окажутся (к атому или между атомами — новая связь).
3. Атомы второго периода не могут иметь больше восьми электронов; суммарный заряд сохраняется.
4. Число неспаренных электронов не меняется.

Вклад структур неодинаков. Больший вклад имеют структуры, у которых: больше ковалентных связей; полные октеты у всех атомов; отрицательный заряд на более электроотрицательном атоме, положительный — на менее; меньше разделение зарядов. Для карбонильной группы \(\ce{C=O}\) ↔ \(\ce{C+-O-}\) вторая структура даёт малый, но важный вклад — она объясняет, почему нуклеофилы атакуют углерод.

Мезомерный эффект

Смещение электронов по сопряжённой системе под действием заместителя называют мезомерным эффектом (\(M\)). Он передаётся по π-системе без затухания и обычно сильнее индуктивного.

• \(+M\) (доноры): заместители с неподелённой парой на атоме, соединённом с π-системой: \(\ce{-O^-}\), \(\ce{-NH2}\), \(\ce{-NR2}\), \(\ce{-OH}\), \(\ce{-OR}\), \(\ce{-NHCOR}\), галогены (слабо), а также алкильные группы — через гиперконъюгацию (урок 11).
• \(-M\) (акцепторы): заместители с кратной связью к электроотрицательному атому: \(\ce{-NO2}\), \(\ce{-CN}\), \(\ce{-CHO}\), \(\ce{-COR}\), \(\ce{-COOH}\), \(\ce{-COOR}\), \(\ce{-SO3H}\).

Часто знаки \(I\) и \(M\) противоположны, и нужно знать, какой эффект побеждает. У \(\ce{-OH}\), \(\ce{-OR}\), \(\ce{-NH2}\) побеждает \(+M\): они увеличивают электронную плотность в кольце (фенол и анилин реагируют с бромной водой без катализатора). У галогенов побеждает \(-I\): хлорбензол менее активен, чем бензол, но ориентация замещения всё равно определяется \(+M\) — в орто- и пара-положения.

Главное: Резонансные структуры — не разные молекулы, а способ описать одну делокализованную систему. Больше всего вклад у структур с полными октетами и зарядом на подходящем атоме; делокализация всегда стабилизирует.

Урок 11. Гиперконъюгация и делокализация

Объяснять устойчивость карбокатионов, радикалов и алкенов через гиперконъюгацию и делокализацию, пользоваться энергиями диссоциации связей и узнавать аллильные и бензильные положения в молекуле.

Гиперконъюгация и ряд устойчивости

Метильная группа не имеет неподелённых пар, но всё же отдаёт электронную плотность соседней π-системе или пустой орбитали. Причина — гиперконъюгация: σ-связь \(\ce{C-H}\) соседнего атома перекрывается с пустой p-орбиталью карбокатиона (или с π-орбиталью). Электроны σ-связи частично «размазываются» на соседний атом, и заряд делокализуется. Чем больше алкильных групп у катионного центра, тем больше таких связей и тем устойчивее катион:

Разница между соседними членами ряда — порядка 60–80 кДж/моль в газовой фазе; в растворе она меньше, но остаётся решающей. Тот же ряд действует для радикалов (третичный радикал устойчивее первичного, хотя различия меньше: 400 против 421 кДж/моль по энергиям диссоциации), и по той же причине более замещённые алкены устойчивее менее замещённых — правило Зайцева в термодинамической форме.

Аллильные и бензильные системы

Если катионный центр, радикал или анион соседствует с π-связью, делокализация становится «настоящим» резонансом: аллильный катион \(\ce{CH2=CH-CH2+}\) — это две равноценные структуры, и заряд поделён между крайними атомами поровну. Бензильный катион \(\ce{C6H5CH2+}\) распределяет заряд по орто- и пара-положениям кольца. Поэтому аллильные и бензильные катионы по устойчивости сравнимы с третичными, а радикалы — заметно устойчивее любых алкильных.

Количественная мера — энергия диссоциации связи \(\ce{C-H}\) (\(D\), кДж/моль), то есть энергия образования радикала:

Обратите внимание на винильную и арильную связи: они прочнее всех, потому что образуются \(sp^2\)-орбиталями, а винильный катион и радикал не имеют делокализации. Отсюда правило: реакции по аллильному и бензильному положению идут легко (галогенирование NBS, окисление боковой цепи), а винильные и арильные галогениды инертны в замещении.

Делокализация заряда и кислотность

Если сопряжённое основание кислоты стабилизировано делокализацией, кислота сильнее. Карбоновые кислоты (\(pK_a \approx 4\)–5) сильнее спиртов (\(pK_a \approx 16\)) на 11 порядков потому, что карбоксилат-ион — резонансный гибрид двух равноценных структур, а алкоголят-ион локализован. Фенол (\(pK_a = 10\)) сильнее циклогексанола (\(pK_a = 18\)), потому что заряд фенолят-иона уходит в кольцо. Ацетон (\(pK_a \approx 19\)) — кислота, хотя в нём нет ни O–H, ни N–H: α-водород отрывается с образованием енолят-иона, у которого заряд делокализован между углеродом и кислородом. Два карбонила по бокам (\(\ce{CH3COCH2COCH3}\), \(pK_a = 9\)) делают C–H-кислоту сравнимой с фенолом.

Тот же принцип «в обратную сторону» действует на основания: делокализованная пара — плохое основание (анилин, амиды, пиррол), локализованная — хорошее (алкиламины).

Главное: Устойчивость катиона или радикала растёт с числом соседних σ-связей C–H и особенно резко — при сопряжении с π-системой. Ряд «третичный > вторичный > первичный > метильный» и особая роль аллильных и бензильных положений объясняют половину механизмов курса.

Урок 12. Кислоты в органической химии

Пользоваться шкалой pKa: сравнивать кислоты по элементу, резонансу, индуктивному эффекту, гибридизации и сольватации, предсказывать положение кислотно-основного равновесия и выбирать основание для депротонирования.

Шкала pKa

Сила кислоты \(\ce{HA}\) в воде описывается константой \(K_a = [\ce{H+}][\ce{A-}]/[\ce{HA}]\) и её показателем \(pK_a = -\lg K_a\): чем меньше \(pK_a\), тем сильнее кислота. Шкала охватывает почти шестьдесят порядков — от серной кислоты до этана, и её опорные точки нужно знать наизусть.

Значения выше 16 в воде измерить нельзя — такие кислоты слабее самой воды, и их \(pK_a\) получают в других растворителях (ДМСО) с пересчётом; поэтому в справочниках они «плавают» на единицу-две. Для сравнений это не мешает.

От чего зависит сила кислоты

Кислота сильнее, если её сопряжённое основание устойчивее. Пять факторов, которые действуют на устойчивость аниона, стоит проверять в таком порядке.

1. Элемент. В периоде кислотность растёт с электроотрицательностью: \(\ce{CH4}\) (50) < \(\ce{NH3}\) (38) < \(\ce{H2O}\) (15,7) < \(\ce{HF}\) (3,2). В группе — с размером атома, потому что заряд на большом атоме «размазан»: \(\ce{HF}\) (3,2) < \(\ce{HCl}\) (\(-7\)); тиолы (10,6) сильнее спиртов (16).
2. Резонанс. Делокализованный анион устойчивее: кислоты (5) сильнее спиртов (16), фенол (10) сильнее циклогексанола (18).
3. Индуктивный эффект. Акцепторы рядом с центром усиливают кислоту (хлоруксусные кислоты), доноры ослабляют.
4. Гибридизация. Чем больше s-характер орбитали, несущей пару, тем ниже её энергия: этан (50) < этилен (44) < ацетилен (25).
5. Сольватация. Маленький анион лучше сольватируется водой: в воде метанол (15,5) сильнее трет-бутанола (18), а в газовой фазе — наоборот. Сольватация объясняет и «неправильный» порядок основности аминов (урок 13).

Эти же факторы объясняют, почему ацетон — кислота, а диэтиловый эфир — нет, почему нитрометан (\(pK_a\) 10,2) сравним с фенолом и почему для отрыва протона от алкина нужен амид натрия.

Положение равновесия и выбор основания

Реакция \(\ce{HA + B^- <=> A^- + HB}\) смещена в сторону более слабой кислоты, а константа равновесия равна \(K = 10^{\,pK_a(\ce{HB}) - pK_a(\ce{HA})}\). Разность в две единицы \(pK_a\) даёт \(K = 100\) — практически полное превращение; разность в одну единицу — 90 %. Отсюда правило выбора основания: сопряжённая кислота основания должна быть слабее субстрата минимум на 2–3 единицы.

Обратная задача — «что выделится при действии кислоты»: кислота вытесняет из соли более слабую кислоту. Уксусная кислота (\(pK_a\) 4,76) вытесняет угольную (6,4) из гидрокарбоната — идёт газ; фенол (10) — не вытесняет: фенол с \(\ce{NaHCO3}\) не реагирует. Это классический способ различить фенол и карбоновую кислоту.

Главное: Равновесие переноса протона смещено в сторону более слабой кислоты, а его константа равна \(10^{\Delta pK_a}\). Чтобы депротонировать субстрат нацело, нужно основание, сопряжённая кислота которого слабее субстрата хотя бы на две-три единицы pKa.

Урок 13. Основания и нуклеофилы

Сравнивать основность аминов и других оснований, различать основность и нуклеофильность, учитывать растворитель и стерику, узнавать кислоты и основания Льюиса и применять принцип ЖМКО к выбору реакционного центра.

Основность

Основность измеряют \(pK_a\) сопряжённой кислоты (\(pK_{aH}\)): чем он больше, тем сильнее основание. Алкиламины — самые сильные нейтральные основания органики (\(pK_{aH}\) 10–11), потому что неподелённая пара азота локализована и доступна.

Что определяет основность:

• \(+I\)-эффект алкилов повышает плотность на азоте — метиламин сильнее аммиака. Но триметиламин слабее диметиламина: чем меньше атомов водорода у аммониевого иона, тем хуже его сольватирует вода. В газовой фазе порядок «правильный»: \(\ce{(CH3)3N} > \ce{(CH3)2NH} > \ce{CH3NH2} > \ce{NH3}\).
• Сопряжение пары с π-системой резко снижает основность: анилин (4,6), ацетамид (\(-0{,}5\), протонируется по кислороду), пиррол (пара — часть ароматического секстета, протонирование разрушает ароматичность).
• Гибридизация: пара на \(sp^2\)-орбитали пиридина (5,2) удерживается прочнее, чем на \(sp^3\) у пиперидина (11,1); нитрилы (\(sp\)) почти не основания.
• Резонансная стабилизация катиона делает основание сильнее: гуанидиний-ион имеет три равноценные структуры — гуанидин почти так же силён, как щёлочь. Амидины (DBU) — на том же принципе.

Нуклеофильность

Нуклеофил — частица с парой электронов, атакующая атом с дефицитом электронов. Основность — термодинамическая величина (положение равновесия с протоном), нуклеофильность — кинетическая (скорость атаки на углерод). Они связаны, но не совпадают.

Закономерности:

1. Для одного и того же атома нуклеофильность растёт с основностью: \(\ce{CH3O-} > \ce{HO-} > \ce{CH3COO-} > \ce{CH3OH}\); заряженная частица всегда сильнее нейтральной.
2. В группе нуклеофильность растёт вниз (в протонном растворителе): \(\ce{I-} > \ce{Br-} > \ce{Cl-} > \ce{F-}\), \(\ce{RS-} > \ce{RO-}\), хотя основность падает. Причины — поляризуемость крупного атома и слабая сольватация: маленький \(\ce{F-}\) «закутан» в водородные связи. В апротонных растворителях (ДМСО, ДМФА, ацетон) сольватация снимается, и порядок галогенидов обращается.
3. Объёмные частицы — плохие нуклеофилы при высокой основности: трет-бутилат калия отрывает протон (элиминирование), но почти не замещает. На этом строится выбор основания для E2 против SN2.

Кислоты Льюиса и принцип ЖМКО

По Льюису кислота — акцептор электронной пары, основание — донор. Кислоты Льюиса органической химии: \(\ce{H+}\), карбокатионы, \(\ce{BF3}\), \(\ce{AlCl3}\), \(\ce{FeBr3}\), \(\ce{ZnCl2}\), \(\ce{TiCl4}\), атом углерода карбонильной группы. Основания Льюиса: амины, спирты, эфиры, карбанионы — и даже алкены (π-электроны). Кислоты Льюиса активируют электрофилы: \(\ce{AlCl3}\) вытягивает хлорид из хлоралкана, создавая карбокатион для реакции Фриделя–Крафтса.

Принцип жёстких и мягких кислот и оснований (ЖМКО, Пирсон, 1963) уточняет, кто с кем реагирует охотнее. Жёсткие частицы — маленькие, с высокой плотностью заряда, малополяризуемые: \(\ce{H+}\), \(\ce{Li+}\), \(\ce{Mg^2+}\), \(\ce{BF3}\), карбонильный углерод; \(\ce{F-}\), \(\ce{HO-}\), \(\ce{RO-}\), \(\ce{H2O}\), \(\ce{NH3}\). Мягкие — крупные, поляризуемые: \(\ce{Ag+}\), \(\ce{Hg^2+}\), \(\ce{Cu+}\), \(\ce{I2}\), \(\ce{Br2}\), \(sp^3\)-углерод галогеналкана; \(\ce{I-}\), \(\ce{RS-}\), \(\ce{CN-}\) (по углероду), \(\ce{CO}\), алкены, фосфины. Правило: жёсткое предпочитает жёсткое, мягкое — мягкое.

Применения, которые встречаются в задачах:

• цианид-ион амбидентен: с галогеналканами (мягкий \(sp^3\)-углерод) реагирует углеродом — нитрилы; с \(\ce{AgCN}\) (серебро «занимает» углерод) образуются изонитрилы;
• енолят-ион: жёсткие электрофилы (силилхлориды, протон) идут на кислород, мягкие (алкилиодиды) — на углерод;
• \(\ce{Hg^2+}\) и \(\ce{Ag+}\) активируют мягкие алкины и алкены (гидратация по Кучерову, оксимеркурирование);
• ртуть и свинец ядовиты, потому что связываются с мягкими тиольными группами ферментов.

Главное: Основность — равновесие, нуклеофильность — скорость. Для одного атома они меняются вместе, но крупные поляризуемые частицы нуклеофильнее, чем основнее, а объёмные основания — наоборот; ЖМКО подсказывает, какой из двух центров атакует.

Урок 14. Реакционные интермедиаты

Знать строение и ряды устойчивости карбокатионов, карбанионов, радикалов и карбенов, предсказывать перегруппировки карбокатионов и способы генерирования каждого интермедиата.

Карбокатионы

Карбокатион — атом углерода с шестью электронами и положительным зарядом: \(sp^2\), плоский, пустая p-орбиталь перпендикулярна плоскости. Он образуется при протонировании алкенов, ионизации спиртов в кислоте, отщеплении уходящей группы от галогеналканов (SN1) и распаде солей диазония.

Ряд устойчивости объединяет всё, что вы знаете о делокализации:

Катион с гетероатомом рядом (\(\ce{CH3O-CH2+}\), оксокарбениевый ион) исключительно устойчив: пара кислорода даёт структуру \(\ce{CH3-O+=CH2}\) с полными октетами — это интермедиат гидролиза ацеталей и гликозидов. Ацилий-ион \(\ce{R-C#O+}\) устойчив по той же причине и участвует в ацилировании по Фриделю–Крафтсу.

Главное свойство карбокатионов — перегруппировки. Если рядом с катионным центром есть атом с водородом или алкильной группой, а их миграция даёт более устойчивый катион, она происходит быстрее любой другой реакции (1,2-гидридный или 1,2-алкильный сдвиг):

Карбанионы и радикалы

Карбанион — углерод с неподелённой парой и отрицательным зарядом: пирамидальный (\(sp^3\)), быстро инвертирующий, как аммиак. Алкильные группы его дестабилизируют (\(+I\)-эффект «давит» на заряд), поэтому ряд устойчивости обратен катионному: \(\ce{CH3-} >\) первичный \(>\) вторичный \(>\) третичный. Стабилизируют карбанион акцепторы с \(-M\)-эффектом (енолят, нитронат, бензильное и аллильное положения — они плоские, \(sp^2\)), s-характер (ацетиленид) и соседние атомы с высокой электроотрицательностью. Свободные алкильные карбанионы в растворе не живут; их роль играют металлоорганические соединения — реактивы Гриньяра и литийорганика, где связь \(\ce{C-Mg}\) поляризована так, что углерод ведёт себя как нуклеофил.

Радикал — атом с одним неспаренным электроном, почти плоский. Устойчивость растёт как у катионов: третичный > вторичный > первичный > метильный, а аллильный и бензильный — устойчивее всех алкильных (энергии диссоциации связей из урока 11). Радикалы возникают при гомолизе: свет (\(\ce{Cl2 ->[h\nu] 2Cl.}\)), нагрев пероксидов и азосоединений (перекись бензоила, AIBN), а живут они миллисекунды — кроме «персистентных» радикалов, защищённых стерически.

Карбены, нитрены, ион-радикалы

Карбен — нейтральный двухвалентный углерод с шестью электронами: \(\ce{:CH2}\), \(\ce{:CCl2}\). В синглетном карбене два «лишних» электрона спарены на \(sp^2\)-орбитали, а p-орбиталь пуста — он и нуклеофил, и электрофил сразу; в триплетном они не спарены. Дихлоркарбен получают действием сильного основания на хлороформ (α-элиминирование): \(\ce{CHCl3 + KOH -> :CCl2 + KCl + H2O}\); метилен — фотолизом диазометана \(\ce{CH2N2 ->[h\nu] :CH2 + N2}\). Карбены присоединяются к алкенам, давая циклопропаны, причём синглетные — стереоспецифично (цис-алкен даёт цис-циклопропан); внедряются в связи \(\ce{C-H}\); дихлоркарбен атакует фенолят в реакции Реймера–Тимана (раздел 10). Реагент Симмонса–Смита \(\ce{ICH2ZnI}\) — «карбеноид»: переносит \(\ce{CH2}\) на алкен без свободного карбена.

Нитрен \(\ce{R-N:}\) — азотный аналог карбена, образуется при распаде азидов \(\ce{R-N3 -> R-N: + N2}\); перегруппировки Гофмана и Курциуса формально идут через нитрены, хотя миграция происходит согласованно.

Ион-радикалы несут и заряд, и неспаренный электрон. Катион-радикал \(\ce{M^{+.}}\) — молекулярный ион в масс-спектрометрии; анион-радикалы образуются при восстановлении аренов натрием в аммиаке (реакция Бёрча) и кетонов натрием (кетил бензофенона, синий, — индикатор сухости растворителя).

Главное: Интермедиат — реальная, но короткоживущая частица; её устойчивость решает, по какому пути пойдёт реакция. Карбокатионы и радикалы стабилизируют алкилы и сопряжение, карбанионы — акцепторы; карбокатион, который может стать устойчивее, обязательно перегруппируется.

Урок 15. Механизмы и энергетика реакций

Классифицировать реакции и записывать их обозначения (SN1, SN2, E1, E2, AdE, SEAr), читать энергетический профиль, находить лимитирующую стадию, применять постулат Хэммонда и различать кинетический и термодинамический контроль.

Классификация реакций и механизмов

Органические реакции классифицируют по трём признакам.

• По результату: замещение (S, substitution), присоединение (Ad), отщепление (E, elimination), перегруппировка, окисление–восстановление.
• По способу разрыва связи: гомолитический (образуются радикалы, реакции обозначают буквой R) и гетеролитический — ионный. Ионные реакции делят по природе атакующей частицы: нуклеофильные (N) и электрофильные (E).
• По молекулярности лимитирующей стадии: мономолекулярные (1) и бимолекулярные (2).

Отсюда обозначения, которые нужно читать без запинки: \(S_N1\) и \(S_N2\) — нуклеофильное замещение моно- и бимолекулярное, \(E1\) и \(E2\) — отщепление, \(E1cB\) — отщепление через сопряжённое основание (карбанион), \(Ad_E\) — электрофильное присоединение (к алкенам), \(Ad_N\) — нуклеофильное (к карбонилу), \(S_EAr\) — электрофильное ароматическое замещение, \(S_R\) — радикальное замещение.

Механизм записывают стрелками: каждая изогнутая стрелка — движение пары электронов от нуклеофила (пара, π-связь) к электрофилу (атом с \(\delta+\), пустая орбиталь). Промежуточные частицы — интермедиаты — существуют реально, хотя и недолго; переходные состояния — только максимумы на пути, их выделить нельзя.

Энергетический профиль и постулат Хэммонда

На энергетическом профиле по горизонтали откладывают координату реакции, по вертикали — энергию (точнее, свободную энергию Гиббса). Высота барьера \(E_a\) (или \(\Delta G^\ddagger\)) определяет скорость: по уравнению Аррениуса её рост на 6 кДж/моль замедляет реакцию примерно в 10 раз при комнатной температуре. Разность уровней продуктов и реагентов \(\Delta H\) (или \(\Delta G^\circ\)) определяет равновесие и не зависит от пути.

В многостадийной реакции скорость задаёт лимитирующая стадия — та, у которой самое высокое переходное состояние относительно исходных веществ. Катализатор открывает другой путь с меньшим барьером, но не меняет \(\Delta H\) и положение равновесия.

Постулат Хэммонда (1955) связывает строение переходного состояния с энергией: переходное состояние похоже на ту частицу, к которой оно ближе по энергии. В экзотермической стадии оно «раннее», похоже на реагенты; в эндотермической — «позднее», похоже на продукты. Следствие огромной важности: образование карбокатиона эндотермично, значит, его переходное состояние похоже на сам катион — и всё, что стабилизирует катион, ускоряет его образование. Так объясняется кинетическая сторона правила Марковникова и разница в селективности: бром (эндотермичный отрыв водорода, позднее переходное состояние) «выбирает» третичный водород в 1600 раз охотнее первичного, а хлор (экзотермичный отрыв, раннее переходное состояние) — лишь в 5 раз.

Кинетический и термодинамический контроль

Если из одних реагентов могут получиться два продукта, состав смеси зависит от того, обратима ли реакция. При низкой температуре, когда продукты обратно не превращаются, побеждает тот, что образуется быстрее, — через более низкий барьер: это кинетический контроль. При высокой температуре или длительном времени устанавливается равновесие, и накапливается более устойчивый продукт: термодинамический контроль.

Классический пример — присоединение \(\ce{HBr}\) к бута-1,3-диену. Аллильный катион захватывает бромид по двум положениям: при \(-80\,^\circ\)C преобладает 1,2-продукт (3-бромбут-1-ен, около 80 %), при \(+40\,^\circ\)C — 1,4-продукт (1-бромбут-2-ен, около 80 %) с более замещённой двойной связью. Если 1,2-продукт нагреть, он превращается в 1,4- — лучшее доказательство того, что при высокой температуре реакция обратима.

Другие примеры из курса: сульфирование нафталина (α-сульфокислота при \(80\,^\circ\)C, β — при \(160\,^\circ\)C), еноляты кетонов (кинетический — менее замещённый, с LDA при \(-78\,^\circ\)C; термодинамический — более замещённый, при равновесии), реакция Дильса–Альдера (эндо-продукт кинетический, экзо — термодинамический).

Главное: Профиль реакции — её паспорт: барьеры задают скорость, разность уровней — равновесие, а число ям — число интермедиатов. Кинетический контроль выбирает самый низкий барьер, термодинамический — самую глубокую яму.

Урок 16. Практикум: эффекты и интермедиаты

Отработать сравнение кислотности, основности и нуклеофильности, написание и оценку резонансных структур, ряды устойчивости интермедиатов и чтение энергетических профилей на задачах олимпиадного уровня.

Кислоты и основания

Перед сравнением напишите сопряжённое основание каждой кислоты и найдите, что стабилизирует его заряд: элемент, резонанс, индуктивный эффект, гибридизация. Для оснований — наоборот: что делает пару доступной или недоступной.

Эффекты и резонанс

Задачи на эффекты решаются в два хода: определить знак и силу эффектов каждого заместителя, затем понять, что происходит с зарядом — стабилизируется или нет. Резонансные структуры пишите все, а потом вычёркивайте те, что нарушают правила.

Интермедиаты и профили

Ряды устойчивости и постулат Хэммонда позволяют предсказывать продукты, не зная «правил»: ищите самый устойчивый интермедиат — он образуется быстрее и определяет продукт при кинетическом контроле; при термодинамическом сравнивайте сами продукты.

Главное: В любой задаче на реакционную способность вопрос сводится к трём: где электроны (эффекты и резонанс), кто устойчивее (интермедиаты) и какой барьер ниже (профиль). Практикум закрепляет все три ответа.

Открыть модуль курса

Уроки 17–25: 9 уроков, 87 заданий.

Критерий освоения: Задачи на 3–4 стереоцентра с проекциями Фишера и креслом; пробный тур модулей 1–3 — от 70 %.

Типичные ошибки: Определяют R/S при младшем заместителе «на зрителя» без инверсии; путают энантиомеры и диастереомеры; не видят мезо-формы; считают, что любая смесь хиральных молекул оптически активна.

Урок 17. Конформации алканов

Строить проекции Ньюмена, различать заслонённые и заторможенные конформации, оценивать торсионное и стерическое напряжение и считать заселённости конформеров.

Этан: вращение вокруг σ-связи

Одинарная связь допускает вращение, и молекула может принимать разные конформации — расположения атомов, переходящие друг в друга поворотом вокруг связи без её разрыва. Удобный способ их изображать — проекция Ньюмена: смотрим вдоль связи C–C, ближний атом углерода рисуем точкой с тремя связями, дальний — кругом, из-за которого выходят три другие связи.

В этане две крайние конформации: заслонённая (двугранный угол между связями C–H \(0^\circ\)) и заторможенная (\(60^\circ\)). Заторможенная ниже по энергии на 12 кДж/моль — это торсионное напряжение заслонённой формы: три пары связей C–H выстроены друг против друга, и их электронные пары отталкиваются (плюс потеря стабилизирующей гиперконъюгации σ–σ*). Барьер 12 кДж/моль мал: при комнатной температуре молекула поворачивается миллиарды раз в секунду, но всё же в каждый момент почти все молекулы — в заторможенных конформациях.

Бутан: анти и гош

В бутане при вращении вокруг связи C2–C3 конформации различаются взаимным расположением метильных групп. Заторможенных две: анти (метилы под \(180^\circ\)) и гош (под \(60^\circ\)); гош выше анти на 3,8 кДж/моль — метильные группы слегка мешают друг другу. Это стерическое напряжение, оно отличается от торсионного: не отталкивание связей, а столкновение объёмных групп. Заслонённых форм тоже две: с метилом против водорода (16 кДж/моль) и с метилом против метила (19 кДж/моль, максимум на профиле).

При \(25\,^\circ\)C доли анти- и гош-конформеров относятся как \(1 : 2e^{-3{,}8/RT} \approx 70 : 30\) (гош-конформеров два — правый и левый). Отсюда правило: углеродная цепь алкана предпочитает зигзаг, в котором все связи анти, — именно так рисуют скелетные формулы.

Практика: конформации и заселённости

Заселённости конформеров подчиняются распределению Больцмана: отношение чисел молекул в двух состояниях равно \(e^{-\Delta E/RT}\) (при одинаковых статистических весах). При \(298\) К разность в 5,7 кДж/моль даёт отношение 1 : 10, разность в 11,4 — 1 : 100. Это позволяет по одному числу (разности энергий) сказать, «есть ли» менее выгодная форма в смеси.

Главное: Вращение вокруг σ-связи не свободно: заслонённые конформации выше заторможенных на 12 кДж/моль, а гош-взаимодействие двух метилов стоит 3,8 кДж/моль. Все линейные цепи предпочитают зигзаг с анти-расположением.

Урок 18. Циклоалканы и циклогексан

Объяснять напряжение малых циклов, изображать кресло циклогексана с аксиальными и экваториальными связями, проводить инверсию и предсказывать устойчивый конформер замещённых циклогексанов по A-значениям.

Напряжение циклов

Адольф Байер в 1885 году предположил, что циклы плоские, а их напряжение определяется отклонением углов от тетраэдрического: в циклопропане угол \(60^\circ\), в циклопентане \(108^\circ\) (почти идеально), а циклогексан с углом \(120^\circ\) должен быть напряжён. Опыт показал другое: напряжение циклов измеряют по теплотам сгорания в расчёте на группу \(\ce{CH2}\) (у ненапряжённого алкана 658 кДж/моль).

Циклогексан не напряжён вовсе — потому что он не плоский. Трёхчленный цикл напряжён и по углам (связи «банановые», перекрывание орбиталей вне линии между ядрами), и по заслонению всех связей C–H; отсюда его химия, похожая на химию алкенов: циклопропан присоединяет водород над никелем и бром при нагревании, раскрываясь. Циклобутан слегка изогнут, циклопентан имеет форму «конверта».

Кресло циклогексана и инверсия

Конформация кресла: атомы C1 и C4 отогнуты в противоположные стороны от плоскости остальных четырёх, все связи заторможены, все углы близки к \(111^\circ\). Двенадцать связей C–H делятся на два типа: шесть аксиальных, параллельных оси кольца и чередующихся вверх–вниз, и шесть экваториальных, направленных наружу примерно в плоскости кольца.

Кресло переходит в другое кресло через полукресло и твист-ванну (барьер около 45 кДж/моль, при комнатной температуре — сотни тысяч раз в секунду). При инверсии каждая аксиальная связь становится экваториальной и наоборот, а «верх» и «низ» заместителей относительно кольца сохраняются. Ванна на 30 кДж/моль выше кресла (заслонённые связи и столкновение «флагштоковых» водородов), твист-ванна — на 23; они лишь промежуточные формы.

Замещённые циклогексаны

Аксиальный заместитель сталкивается с двумя аксиальными водородами по ту же сторону кольца (положения 3 и 5) — 1,3-диаксиальное взаимодействие, эквивалентное двум гош-взаимодействиям. Поэтому заместитель предпочитает экваториальное положение, а мера предпочтения — A-значение, разность энергий конформеров.

Трет-бутильная группа при 20 кДж/моль «запирает» кольцо: практически все молекулы имеют её в экваториальном положении, и это используют, чтобы изучать реакции заведомо аксиальных или экваториальных групп. Для дизамещённых циклогексанов сначала определяют конфигурацию (цис/транс), затем перебирают два кресла: транс-1,2- и транс-1,4-, цис-1,3-изомеры могут поставить обе группы экваториально, цис-1,2-, цис-1,4- и транс-1,3- — только одну. Побеждает конформер, где экваториальна более объёмная группа.

Декалин — два сочленённых кресла; транс-декалин жёсткий и не инвертирует, цис-декалин подвижен и на 11 кДж/моль менее устойчив. Стероиды — четыре кольца с транс-сочленениями, и весь их скелет плоский и жёсткий.

Главное: Циклогексан не плоский: в кресле все связи заторможены и углы тетраэдрические, поэтому напряжения нет. Инверсия меняет аксиальные положения на экваториальные, а объёмные заместители «выбирают» экваториальное положение — чем больше группа, тем сильнее.

Урок 19. Геометрическая изомерия

Определять цис/транс- и E/Z-конфигурацию двойных связей и циклов по правилам Кана–Ингольда–Прелога, считать геометрические изомеры и связывать конфигурацию с физическими свойствами.

Цис/транс и E/Z

Вращение вокруг \(\ce{C=C}\) требует разрыва π-связи (около 270 кДж/моль), поэтому два расположения заместителей — пространственные изомеры, которые не переходят друг в друга при обычных условиях. Если у каждого атома двойной связи по одинаковому заместителю (например, по метилу), говорят о цис- (по одну сторону) и транс-изомерах. Для трёх и четырёх разных заместителей это описание неоднозначно, и IUPAC использует обозначения E/Z.

Правила старшинства Кана–Ингольда–Прелога:

1. Сравнивают атомы, непосредственно связанные с \(sp^2\)-углеродом: старше тот, у кого больше атомный номер (Br > Cl > O > N > C > H).
2. При равенстве идут дальше по цепи и сравнивают наборы атомов второго слоя по первому различию: \(\ce{-CH(CH3)2}\) (C,C,H) старше \(\ce{-CH2CH3}\) (C,H,H).
3. Кратная связь считается как соответствующее число одинарных связей с «дублированными» атомами: \(\ce{-CH=O}\) это (O,O,H), \(\ce{-C#CH}\) — (C,C,C).

Если старшие заместители у обоих атомов по одну сторону — Z (zusammen, вместе), по разные — E (entgegen, напротив). Обратите внимание: транс не всегда E. У 2-бром-1-хлорпропена старшие Br и Cl могут стоять по одну сторону при «транс»-расположении метила и хлора.

Геометрическая изомерия есть и у циклов: в 1,2-диметилциклопропане метилы либо по одну сторону плоскости кольца (цис), либо по разные (транс).

Свойства геометрических изомеров

Цис- и транс-изомеры — разные вещества. Транс-изомеры обычно симметричнее: имеют меньший дипольный момент, лучше упаковываются в кристалл (выше температура плавления) и на несколько кДж/моль устойчивее (заместители не мешают друг другу). Классическая пара — малеиновая (цис) и фумаровая (транс) бутендиовые кислоты: температуры плавления 130 и \(287\,^\circ\)C, \(pK_{a1}\) 1,9 и 3,0 (в цис-изомере вторая карбоксильная группа стабилизирует моноанион водородной связью), только малеиновая кислота даёт ангидрид при нагревании.

Превратить один изомер в другой можно, временно разорвав π-связь: нагреванием до \(400\)–\(500\,^\circ\)C, светом (фотоизомеризация), катализом кислотами или радикалами (обратимое присоединение \(\ce{Br.}\) или \(\ce{I.}\)). Так превращают малеиновую кислоту в фумаровую (следы брома на свету) и дешёвые жиры с цис-связями — в транс-жиры при гидрировании.

Практика: E/Z и подсчёт изомеров

Число геометрических изомеров у соединения с \(n\) независимыми двойными связями, каждая из которых может быть E или Z, равно \(2^n\); симметрия молекулы уменьшает это число. Двойная связь в конце цепи (\(\ce{CH2=}\)) и связь с двумя одинаковыми заместителями у одного атома изомеров не дают. В циклах до семи атомов транс-двойная связь невозможна.

Главное: Двойная связь и цикл не вращаются, поэтому положение заместителей «по одну» или «по разные стороны» — конфигурация, а не конформация. E/Z-обозначения через старшинство заместителей работают всегда, а цис/транс — только для двух одинаковых пар.

Урок 20. Хиральность и энантиомеры

Находить стереоцентры и элементы симметрии, присваивать конфигурацию R/S, связывать оптическую активность с энантиомерным составом и вычислять энантиомерный избыток.

Хиральность и стереоцентр

Предмет хирален (от греческого «рука»), если его нельзя совместить с зеркальным отражением: руки, винт, спираль. Молекула хиральна, если у неё нет плоскости симметрии и центра инверсии (точнее, никакой зеркально-поворотной оси). Самый частый источник хиральности — стереоцентр: атом углерода с четырьмя разными заместителями. Такая молекула и её зеркальное отражение — пара энантиомеров.

Конфигурацию стереоцентра обозначают R или S по правилам Кана–Ингольда–Прелога: заместителям присваивают старшинство (как для E/Z), молекулу ориентируют так, чтобы младший заместитель (обычно H) смотрел от наблюдателя, и следят за обходом 1 → 2 → 3: по часовой стрелке — R (rectus), против — S (sinister). Если младший заместитель смотрит на наблюдателя, ответ меняется на противоположный.

Энантиомеры имеют одинаковые температуры кипения и плавления, растворимость, спектры и реакционную способность с ахиральными реагентами. Различаются они только там, где есть другая хиральность: в плоскополяризованном свете, в реакциях с хиральными реагентами и катализаторами, в ферментах и рецепторах. Поэтому (R)-карвон пахнет мятой, а (S)-карвон — тмином; (S)-ибупрофен действует, а (R) — нет.

Оптическая активность

Раствор одного энантиомера вращает плоскость поляризации света: правовращающий (+) — по часовой стрелке для наблюдателя, смотрящего навстречу лучу, левовращающий (−) — против. Знак вращения не связан с обозначением R/S: (R)-глицериновый альдегид правовращающий, а (R)-молочная кислота — левовращающая.

Мерой служит удельное вращение \([\alpha]_D^{20} = \dfrac{\alpha}{l\cdot c}\), где \(\alpha\) — измеренный угол, \(l\) — длина кюветы в дециметрах, \(c\) — концентрация в г/мл; индекс D — жёлтая линия натрия (589 нм). Эквимолярная смесь энантиомеров — рацемат — оптически неактивна; частично обогащённый образец вращает пропорционально энантиомерному избытку:

Рацемат образуется всегда, когда хиральный продукт получают из ахиральных реагентов без хирального «помощника»: оба энантиомера возникают с равной скоростью. Чтобы получить один энантиомер, нужны хиральный катализатор, хиральный реагент, фермент или разделение рацемата (урок 23).

Практика: R/S и ee

При определении R/S по объёмной формуле проще всего действовать так: если H направлен от наблюдателя (штриховой клин) — читайте обход как есть; если на наблюдателя (сплошной клин) — определите обход и поменяйте ответ; если H в плоскости — мысленно поменяйте местами H и заместитель, который направлен от наблюдателя, определите ответ и снова поменяйте его.

Главное: Молекула хиральна, если не совпадает со своим зеркальным отражением; чаще всего причина — атом с четырьмя разными заместителями. Энантиомеры различаются только в хиральном окружении: во вращении плоскости поляризации, в реакциях с другими хиральными молекулами, в живом организме.

Урок 21. Несколько стереоцентров

Считать стереоизомеры соединений с несколькими стереоцентрами, узнавать мезо-формы, работать с проекциями Фишера и определять по ним конфигурацию.

Диастереомеры и мезо-формы

С \(n\) стереоцентрами молекула может иметь до \(2^n\) стереоизомеров. У 2-бром-3-хлорбутана их четыре: (2R,3R), (2S,3S), (2R,3S) и (2S,3R). Пары (R,R)/(S,S) и (R,S)/(S,R) — энантиомеры (все центры обращены), а, например, (R,R) и (R,S) — диастереомеры: стереоизомеры, не являющиеся зеркальными отражениями. Диастереомеры — разные вещества с разными температурами плавления, растворимостью и спектрами; их можно разделить обычной перекристаллизацией или хроматографией.

Если два стереоцентра несут одинаковые наборы заместителей (2,3-дибромбутан, винная кислота), изомер (R,S) совпадает со своим отражением (S,R): у него есть плоскость симметрии, он ахирален и называется мезо-формой. Стереоизомеров тогда три: пара энантиомеров и мезо-форма. Винная кислота: (R,R) — природная правовращающая, (S,S) — левовращающая, мезо — неактивная; рацемат (R,R)+(S,S) — «виноградная кислота» Пастера.

Циклы подчиняются тем же правилам: у 1,2-диметилциклогексана цис-изомер — мезо-форма, транс — пара энантиомеров; у 1,4-диметилциклогексана стереоцентров нет, есть только цис и транс.

Проекции Фишера

Эмиль Фишер в 1891 году придумал способ рисовать стереоцентры без клиньев: молекулу ориентируют так, чтобы главная цепь шла вертикально и уходила от наблюдателя, а горизонтальные связи были направлены к нему; затем проецируют на плоскость. Крест — стереоцентр, вертикаль — «от нас», горизонталь — «к нам».

Правила обращения с проекцией:

• поворот на \(180^\circ\) в плоскости листа сохраняет конфигурацию, поворот на \(90^\circ\) — обращает её;
• обмен местами двух любых заместителей обращает конфигурацию, два обмена — возвращают;
• выводить проекцию из плоскости (переворачивать «с изнанки») нельзя.

Конфигурацию R/S по Фишеру определяют так: если младший заместитель на вертикали (от наблюдателя) — читаем обход старших как есть; если на горизонтали (к наблюдателю) — ответ противоположный. Для молекул с несколькими центрами каждый центр рассматривают отдельно.

Исторические обозначения D/L (по глицериновому альдегиду) относятся к проекции Фишера: у D-ряда группа OH (или \(\ce{NH2}\)) при нижнем стереоцентре справа, у L-ряда — слева. Природные сахара — D-ряд, природные аминокислоты — L-ряд; D/L не связаны напрямую с R/S: L-аланин — это (S), а L-цистеин — (R).

Практика: подсчёт стереоизомеров

Алгоритм: найти все стереоцентры (атомы с четырьмя разными группами) и стереогенные двойные связи; проверить симметрию; посчитать \(2^n\) и вычесть мезо-совпадения. Не забывайте, что атом углерода в цикле тоже может быть стереоцентром, если два «пути» вокруг кольца различны.

Главное: Два стереоцентра дают до четырёх стереоизомеров: две пары энантиомеров, связанные между собой как диастереомеры. Симметричная молекула теряет одну пару — появляется мезо-форма. Проекция Фишера — стандартный способ записи, и её правила нельзя нарушать.

Урок 22. Хиральность без стереоцентров и прохиральность

Узнавать осевую, планарную и спиральную хиральность, атропоизомеры, различать гомотопные, энантиотопные и диастереотопные группы и грани карбонильной группы.

Осевая хиральность

Молекула без стереоцентра может быть хиральной, если у неё нет плоскости и центра симметрии. Самый известный случай — осевая хиральность: заместители расположены на концах оси во взаимно перпендикулярных плоскостях, как в аллене с двумя разными заместителями на каждом конце (пента-2,3-диен). Кумулены с нечётным числом двойных связей хиральны по той же причине, с чётным — дают E/Z-изомеры.

Атропоизомеры — конформеры, которые не переходят друг в друга из-за высокого барьера вращения: у бифенилов с четырьмя объёмными орто-заместителями (например, 6,6′-динитродифеновая кислота) вращение вокруг связи между кольцами заторможено настолько, что энантиомеры выделяют по отдельности. Барьер выше 90 кДж/моль означает время жизни больше суток при комнатной температуре. На осевой хиральности бинафтолов (BINOL) и бифосфинов (BINAP) построены важнейшие катализаторы асимметрического синтеза.

Спираны (два цикла с одним общим атомом) хиральны при подходящих заместителях, а алкилиденциклоалканы — аналоги алленов, где одна π-связь заменена кольцом.

Планарная и спиральная хиральность

Планарная хиральность возникает, когда плоский фрагмент с заместителем «закреплён» относительно другой части молекулы так, что плоскость симметрии исчезает: [2.2]парациклофаны с заместителем в кольце, транс-циклооктен (кольцо слишком мало, чтобы двойная связь «перевернулась»), монозамещённые ферроцены с двумя разными заместителями в одном кольце. Спиральная хиральность — у гелиценов: шесть и более орто-конденсированных бензольных колец закручиваются в правую или левую спираль; их удельное вращение достигает тысяч градусов.

Общий критерий один: хиральна любая молекула без зеркально-поворотных осей симметрии (\(S_n\)), включая плоскость (\(S_1\)) и центр инверсии (\(S_2\)). Молекула может иметь стереоцентры и быть ахиральной (мезо), а может не иметь ни одного и быть хиральной.

Прохиральность

Два одинаковых заместителя у одного атома могут быть неравноценны в хиральном окружении. В этаноле \(\ce{CH3CH2OH}\) два водорода группы \(\ce{CH2}\) энантиотопны: замена любого из них на дейтерий даёт энантиомеры (R)- и (S)-1-дейтероэтанола; ахиральный реагент их не различает, а фермент алкогольдегидрогеназа отнимает строго один из них (pro-R). В хиральной молекуле два водорода одной группы \(\ce{CH2}\) диастереотопны: замена даёт диастереомеры, и такие протоны видны в спектре ЯМР как разные сигналы даже без всякого фермента. Одинаковые же во всех отношениях группы (три водорода метила) называют гомотопными.

Плоский карбонильный атом имеет две грани: Re и Si (по обходу старшинства заместителей, если смотреть на грань). Ахиральный нуклеофил атакует обе грани с равной вероятностью — рацемат; хиральный реагент или фермент выбирает одну грань — так НАДН восстанавливает пировиноградную кислоту только до (S)-молочной.

Главное: Стереоцентр — не единственный источник хиральности: ось (аллены, бифенилы), плоскость (циклофаны, ферроцены) и спираль (гелицены) тоже делают молекулу несовместимой с отражением. Прохиральность объясняет, почему ферменты различают «одинаковые» водороды и грани.

Урок 23. Стереохимия реакций

Различать стереоспецифические и стереоселективные реакции, предсказывать стереохимический результат присоединения, замещения и отщепления, знать способы разделения рацематов и идею асимметрического синтеза.

Стереоспецифичность и стереоселективность

Реакция стереоселективна, если из одного исходного вещества преимущественно образуется один из возможных стереоизомеров продукта (E2 даёт больше транс-алкена). Реакция стереоспецифична, если стереоизомерные исходные вещества дают стереоизомерные продукты — стереохимия результата однозначно задана стереохимией исходного вещества и механизмом. Любая стереоспецифическая реакция стереоселективна, но не наоборот.

Эти правила — рабочий инструмент задач: «получен только мезо-продукт» означает анти-присоединение к транс-алкену (или син- к цис-алкену); «сохранилась оптическая активность, но знак сменился» — инверсия в \(S_N2\); «продукт неактивен» — рацемизация через катион.

Откуда берётся один энантиомер

Если стереоцентр возникает из ахиральных реагентов в ахиральных условиях, энантиомеры образуются с одинаковой скоростью — получается рацемат. Так синтетическая молочная кислота неактивна, а мышечная — только (S). Получить один энантиомер можно тремя путями.

• Разделение рацемата (расщепление). Пастер разделял кристаллы руками — редкая удача. Обычный способ — превратить энантиомеры в диастереомеры с помощью хирального реагента: рацемическую кислоту обрабатывают одним энантиомером хирального амина (бруцин, хинин, α-фенилэтиламин) или рацемический амин — винной кислотой; диастереомерные соли различаются растворимостью и разделяются кристаллизацией, затем кислоту возвращают. Другие способы — кинетическое расщепление ферментами (липазы ацилируют один энантиомер быстрее) и хроматография на хиральных сорбентах.
• Хиральный источник. Природа даёт чистые энантиомеры — аминокислоты, сахара, терпены («хиральный пул»); их превращают в целевые молекулы, сохраняя стереоцентры.
• Асимметрический синтез. Хиральный катализатор направляет атаку на одну грань: гидрирование с родиевыми комплексами и хиральными фосфинами (Ноулз, синтез L-ДОФА, 1968), эпоксидирование аллиловых спиртов по Шарплессу (1980), гидрирование по Нойори — Нобелевская премия 2001 года. Ферменты делают то же с энантиомерным избытком, близким к 100 %.

Практика: стереохимия реакций

В задачах на стереохимию реакций сначала запишите механизм, затем — «стереохимическую подпись» (син/анти, инверсия/рацемизация), затем нарисуйте продукт с клиньями и проверьте, не является ли он мезо-формой и не получился ли рацемат.

Главное: Механизм реакции задаёт её стереохимию: син- или анти-присоединение, инверсия или рацемизация, анти-отщепление. Из ахиральных реагентов без хирального помощника всегда получается рацемат, а разделить его можно только с помощью другой хиральной молекулы.

Урок 24. Практикум по стереохимии

Отработать на олимпиадных задачах подсчёт стереоизомеров, определение R/S и E/Z, конформационный анализ с A-значениями и расчёты с оптической активностью.

Стереоизомеры и дескрипторы

Начинайте с перечисления стереоэлементов: стереоцентры, двойные связи с двумя разными заместителями у каждого атома, оси и плоскости хиральности. Затем ищите симметрию — она уменьшает счёт.

Конформации и энергии

Для замещённых циклогексанов складывайте A-значения экваториальных предпочтений и гош-взаимодействия между соседними экваториальными группами (3,8 кДж/моль для двух метилов в 1,2-положении). Заселённости — по Больцману.

Оптическая активность и реакции

Расчёты по вращению: \([\alpha] = \alpha/(l\cdot c)\), \(ee = [\alpha]_{\text{набл}}/[\alpha]_{\text{макс}}\), доля главного энантиомера \(50 + ee/2\). Стереохимия реакций — по «подписям» урока 23.

Главное: Стереохимическая задача решается по цепочке: найти стереоэлементы → проверить симметрию → посчитать изомеры → присвоить дескрипторы → оценить энергии конформеров или состав по вращению.

Урок 25. Пробный тур: строение и стереохимия

Решить задачи по строению и стереохимии в формате олимпиадного тура: установление структуры с учётом стереоизомерии, конформационный анализ, расчёты по оптической активности.

Задача 1. Изомеры C₄H₈Br₂

Условие как на туре: определите число структурных и стереоизомеров и выберите вещество по свойствам. Считайте письменно, стереоизомеры — с проекциями.

Задача 2. Конформации и вращение

Две расчётные задачи: конформер по A-значениям и состав образца по вращению.

Задача 3. Стереохимия в цепочке

Установите стереохимию продуктов, следуя механизмам.

Главное: В туре стереохимия редко идёт отдельной задачей — она встроена в установление структуры. Ищите стереоэлементы во всех найденных структурах и проверяйте, согласуется ли их число с данными условия.

Открыть модуль курса

Уроки 26–32: 7 уроков, 67 заданий.

Критерий освоения: Цепочка из 5 стадий с алканами; расчёт изомеров и состава продуктов хлорирования; формула по сгоранию с проверкой.

Типичные ошибки: Считают бромирование неселективным; забывают цепной характер и продукты рекомбинации; путают Вюрца с Кольбе; в задачах на сгорание не учитывают избыток кислорода.

Урок 26. Алканы: строение, свойства, источники

Связывать строение алканов с их физическими свойствами, знать источники углеводородов и процессы переработки нефти и газа, понимать, что такое крекинг, риформинг и октановое число.

Гомологический ряд и физические свойства

Алканы — углеводороды состава \(\ce{C_nH_{2n+2}}\), в которых все атомы углерода \(sp^3\)-гибридны и связаны только σ-связями. Старое название «парафины» (от латинского parum affinis, «мало сродства») точно описывает их химию: при обычных условиях они не реагируют с кислотами, щелочами, окислителями в растворе, металлами.

С ростом цепи температура кипения растёт примерно на \(20\)–\(30\,^\circ\)C на группу \(\ce{CH2}\) (дисперсионные силы растут с числом электронов и площадью контакта), а разветвление её снижает: неопентан кипит на \(27\,^\circ\)C ниже пентана. \(\ce{C1}\)–\(\ce{C4}\) — газы, \(\ce{C5}\)–\(\ce{C16}\) — жидкости, дальше — твёрдые парафины. Все алканы легче воды и в ней нерастворимы, но хорошо растворяют жиры и друг друга.

Изомерия — только структурная (скелета); с ростом \(n\) число изомеров растёт взрывообразно (раздел 1). Названия — по IUPAC; в нефтехимии для разветвлённых изомеров привычны приставки изо- (метил у второго атома) и нео- (два метила у второго атома).

Нефть, газ и их переработка

Природный газ — это в основном метан (до 98 %) с примесью этана, пропана и бутанов; попутный нефтяной газ богаче гомологами. Нефть — смесь сотен углеводородов (алканы, циклоалканы — «нафтены», арены) с примесями серо-, азот- и кислородсодержащих соединений. Первичная переработка — перегонка: разделение на фракции по температурам кипения.

Бензина в нефти мало, поэтому тяжёлые фракции подвергают крекингу — расщеплению цепей при \(450\)–\(550\,^\circ\)C (термический, радикальный механизм) или на алюмосиликатных катализаторах при \(450\,^\circ\)C (каталитический, через карбокатионы, даёт больше разветвлённых и ароматических продуктов): \(\ce{C16H34 -> C8H18 + C8H16}\). Риформинг превращает линейные алканы в разветвлённые, циклоалканы и арены над платиной на оксиде алюминия при \(500\,^\circ\)C: гексан → бензол + 4 \(\ce{H2}\). Изомеризация на кислотных катализаторах даёт разветвлённые изомеры.

Качество бензина оценивают октановым числом: стойкость к детонации в двигателе сравнивают со смесью изооктана (2,2,4-триметилпентана, 100) и гептана (0). Разветвлённые алканы, циклоалканы и арены имеют высокие октановые числа, линейные — низкие. Раньше его повышали тетраэтилсвинцом, теперь — риформингом, алкилированием и добавками (МТБЭ, этанол).

Практика: формулы и свойства

Типовые расчёты на алканы: формула по молярной массе или плотности, по продуктам сгорания, объёмные отношения при горении газов. Общая формула \(\ce{C_nH_{2n+2}}\) — главный инструмент: \(M = 14n + 2\).

Главное: Алканы — насыщенные, неполярные, химически инертные при обычных условиях углеводороды; их свойства меняются плавно по гомологическому ряду. Вся нефтехимия начинается с разделения и превращения алканов.

Урок 27. Получение алканов

Получать алканы гидрированием, реакцией Вюрца, электролизом по Кольбе, декарбоксилированием солей, из металлоорганики и восстановлением карбонильных соединений; выбирать метод под заданный скелет.

Гидрирование и восстановление

Самый универсальный лабораторный метод — присоединение водорода к кратным связям на металлических катализаторах (Ni, Pd, Pt) при небольшом давлении: получается алкан с тем же скелетом. Восстановить до алкана можно и карбонильные соединения — по Кижнеру–Вольфу (гидразин и щёлочь, нагрев) или Клемменсену (амальгама цинка и соляная кислота), а галогеналканы — водородом на палладии, иодоводородом при нагревании или через металлоорганику.

Гидрирование — ещё и аналитический метод: по объёму поглощённого водорода считают число кратных связей (задачи на смеси алкенов и алканов).

Сшивание: реакции Вюрца и Кольбе

Скелет можно построить из двух одинаковых кусков. Реакция Вюрца (1855): галогеналкан и натрий в сухом эфире дают алкан с удвоенным числом атомов углерода. Реакция идёт через натрийорганическое соединение \(\ce{R-Na}\), которое замещает галоген во второй молекуле. Взяв два разных галогеналкана, получают смесь трёх продуктов — поэтому метод годится только для симметричных алканов. Внутримолекулярный вариант с 1,n-дигалогенидами (цинк вместо натрия, реакция Фрейнда) даёт циклоалканы.

Электролиз по Кольбе (1849) — радикальный аналог реакции Вюрца: из соли карбоновой кислоты \(\ce{RCOO-}\) получают алкан \(\ce{R-R}\). Обе реакции удваивают углеродный остаток — типичный ход «наращивания цепи» в олимпиадных цепочках.

Декарбоксилирование и практика синтеза

Укорочение цепи на один атом углерода — сплавление соли карбоновой кислоты со щёлочью (реакция Дюма): \(\ce{CH3COONa + NaOH ->[t] CH4 + Na2CO3}\). Так в лаборатории получают метан; для высших кислот выходы ниже. В промышленности метан выделяют из природного газа, а синтетические алканы получают из синтез-газа по Фишеру–Тропшу (\(\ce{nCO + (2n+1)H2 ->[Co, 200 ^\circ C] C_nH_{2n+2} + nH2O}\)) — так в ЮАР делают бензин из угля.

Карбид алюминия с водой даёт метан (\(\ce{Al4C3 + 12H2O -> 3CH4 + 4Al(OH)3}\)) — единственный «карбидный» способ получения алкана; карбид кальция даёт ацетилен.

Главное: Алканы получают либо «насыщением» (гидрирование, восстановление), либо «сшиванием» двух остатков (Вюрц, Кольбе), либо «укорочением» (декарбоксилирование). Для симметричных алканов работает сшивание, для любых других — гидрирование или восстановление.

Урок 28. Радикальное замещение

Писать цепной механизм галогенирования алканов, объяснять селективность хлорирования и бромирования постулатом Хэммонда и рассчитывать состав продуктов; знать сульфохлорирование и нитрование по Коновалову.

Цепной механизм

Единственная реакция, в которую алканы вступают легко, — замещение водорода на галоген под действием света или при нагревании: \(\ce{CH4 + Cl2 ->[h\nu] CH3Cl + HCl}\). В темноте при комнатной температуре смесь не реагирует, а на свету идёт цепная реакция.

Инициирование — гомолиз связи \(\ce{Cl-Cl}\) (243 кДж/моль) под действием кванта света. Рост цепи — две повторяющиеся стадии: атом хлора отрывает водород от алкана (\(\ce{Cl. + CH4 -> HCl + CH3.}\)), а метильный радикал забирает атом хлора у молекулы \(\ce{Cl2}\) (\(\ce{CH3. + Cl2 -> CH3Cl + Cl.}\)), возвращая атом хлора в цикл. Обрыв — рекомбинация любых двух радикалов. На один поглощённый фотон приходится до \(10^4\) актов замещения — квантовый выход намного больше единицы, признак цепного процесса.

Реакция не останавливается на монозамещении: хлорметан реагирует с хлором так же охотно, как метан, и получается смесь \(\ce{CH3Cl}\), \(\ce{CH2Cl2}\), \(\ce{CHCl3}\), \(\ce{CCl4}\). Чтобы получить преимущественно монохлорид, берут большой избыток алкана.

Фтор реагирует со взрывом даже в темноте (стадии роста сильно экзотермичны), иод не реагирует вовсе (отрыв водорода иодом эндотермичен на 140 кДж/моль). Хлор и бром — рабочие реагенты.

Селективность: хлор против брома

Если в алкане есть атомы водорода разных типов, продукты образуются не в отношении числа атомов. Хлорирование пропана при \(25\,^\circ\)C даёт 45 % 1-хлорпропана (шесть первичных H) и 55 % 2-хлорпропана (два вторичных): каждый вторичный водород реагирует в \(3{,}8\) раза быстрее первичного, третичный — в 5 раз. У брома различия огромны: \(1 : 82 : 1600\); бромирование 2-метилпропана даёт больше 99 % трет-бутилбромида.

Причина — в термохимии стадии отрыва водорода. Для хлора она экзотермична (\(\ce{H-Cl}\) 432 кДж/моль прочнее \(\ce{C-H}\) 413), переходное состояние раннее, похоже на исходный алкан, и разница в устойчивости будущих радикалов сказывается слабо. Для брома отрыв эндотермичен (\(\ce{H-Br}\) только 366 кДж/моль): переходное состояние позднее, почти радикал, и его энергия зависит от того, первичный это радикал или третичный. Постулат Хэммонда в чистом виде: чем менее выгодна стадия, тем она избирательнее.

Состав продуктов считают так: для каждого типа водорода умножают число таких атомов на относительную активность, суммируют и делят. Обратная задача тоже встречается: по составу продуктов находят относительные активности.

Другие радикальные реакции

Тот же цепной механизм лежит в основе нескольких промышленно важных реакций алканов.

Во всех этих реакциях избирательность подчиняется тому же ряду: третичный > вторичный > первичный, а аллильные и бензильные положения реагируют легче всех (урок 11).

Главное: Радикальное замещение — цепная реакция: инициирование, рост, обрыв. Селективность определяется устойчивостью радикала и «поздним» переходным состоянием: бром выбирает третичный водород в 1600 раз охотнее первичного, хлор — только в 5.

Урок 29. Окисление и другие реакции алканов

Записывать горение и каталитическое окисление алканов, вести расчёты по теплотам сгорания и объёмам газов, знать дегидрирование, ароматизацию и пиролиз.

Горение и его термохимия

Горение алканов — главный источник энергии цивилизации: \(\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}\), \(\Delta H = -890\) кДж/моль. Общее уравнение: \(\ce{C_nH_{2n+2} + \frac{3n+1}{2}O2 -> nCO2 + (n+1)H2O}\). При недостатке кислорода образуются угарный газ и сажа — этим объясняется коптящее пламя тяжёлых углеводородов.

Теплота сгорания растёт на \(\approx 650\) кДж/моль на группу \(\ce{CH2}\), а в расчёте на грамм — падает: доля «богатого энергией» водорода уменьшается. Метан — самое «чистое» топливо: на единицу теплоты выделяется меньше всего \(\ce{CO2}\). Изомеры различаются теплотами сгорания на единицы кДж/моль, и по этой разности сравнивают их устойчивость (так измеряют напряжение циклов, урок 18).

Каталитическое окисление и синтез-газ

Контролируемое окисление алканов — основа промышленности «C1-химии». При \(700\)–\(900\,^\circ\)C над никелем метан с водяным паром даёт синтез-газ: \(\ce{CH4 + H2O -> CO + 3H2}\) (паровая конверсия), а неполное окисление кислородом — \(\ce{2CH4 + O2 -> 2CO + 4H2}\). Из синтез-газа получают метанол (\(\ce{CO + 2H2 ->[ZnO/Cr2O3, 250 ^\circ C, 50 \text{ атм}] CH3OH}\)), алканы по Фишеру–Тропшу, водород для аммиака. Пиролиз метана при \(1500\,^\circ\)C даёт ацетилен, при \(1000\,^\circ\)C без доступа воздуха — сажу и водород.

Жидкофазное окисление воздухом на солях кобальта и марганца превращает бутан в уксусную кислоту, а высшие парафины — в смесь жирных кислот для мыла (так делали в СССР). Циклогексан окисляют в смесь циклогексанола и циклогексанона — сырьё для капролактама и адипиновой кислоты. Метан над специальными катализаторами при \(400\)–\(600\,^\circ\)C с воздухом даёт формальдегид.

Дегидрирование, ароматизация, крекинг

При \(500\)–\(600\,^\circ\)C на оксиде хрома или платине алканы отщепляют водород: этан → этилен, бутан → бутены и бутадиен (сырьё для каучука), а \(\ce{C6}\)–\(\ce{C8}\) алканы циклизуются и ароматизируются (дегидроциклизация, Казанский и Платэ, 1936): гексан → бензол, гептан → толуол. Крекинг при \(450\)–\(550\,^\circ\)C рвёт связи C–C посередине цепи: бутан даёт этан и этилен либо метан и пропен.

В задачах эти реакции — источник «неожиданных» продуктов: из бутана можно получить и бутадиен, и изобутан, и этилен, смотря какие условия указаны над стрелкой.

Главное: При обычных условиях алканы окисляются только горением, а при высокой температуре и на катализаторах превращаются в алкены, арены, синтез-газ и кислородсодержащие продукты. Термохимия горения — самый частый расчёт с алканами.

Урок 30. Циклоалканы

Объяснять реакционную способность малых циклов напряжением, получать циклоалканы из дигалогенидов и аренов, предсказывать реакции раскрытия цикла и превращения циклогексана.

Малые циклы: почему они реагируют

Циклопропан и циклобутан несут напряжение 115 и 110 кДж/моль (урок 18): «банановые» связи циклопропана слабы и обладают частичным π-характером. Поэтому трёхчленный цикл вступает в реакции присоединения с раскрытием, как алкен, — но заметно менее охотно: бромная вода обесцвечивается при нагревании, водород присоединяется над никелем при \(80\,^\circ\)C (циклобутан — при \(200\,^\circ\)C, циклопентан и выше не раскрываются). Присоединение \(\ce{HBr}\) к замещённым циклопропанам идёт по правилу Марковникова: связь рвётся между наиболее и наименее замещёнными атомами, водород идёт к менее замещённому.

Циклопентан, циклогексан и большие циклы напряжены слабо и химически — обычные алканы: радикальное галогенирование, горение, инертность к кислотам и окислителям. Замещение в циклогексане даёт единственный монохлорид (все 12 атомов водорода эквивалентны) — удобный ключ для задач на установление структуры.

Получение циклоалканов

Три главных способа: замыкание цепи, насыщение ароматического кольца и достройка цикла из алкена.

В олимпиадных цепочках цикл чаще всего «появляется» из дигалогенида с цинком или из бензола гидрированием; выбирайте по числу атомов углерода в кольце.

Циклогексан в промышленности

Циклогексан — сырьё для найлона. Окисление воздухом на кобальтовых катализаторах при \(150\,^\circ\)C даёт смесь циклогексанола и циклогексанона («анол-анон»); её окисляют азотной кислотой до адипиновой кислоты \(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\) (компонент найлона-6,6) или через оксим циклогексанона и перегруппировку Бекмана превращают в капролактам (найлон-6). Дегидрирование циклогексана над платиной при \(300\,^\circ\)C — обратная реакция гидрирования бензола; равновесие смещается к бензолу при повышении температуры и понижении давления (принцип Ле Шателье для реакции с ростом числа молей газа).

Циклогексан кипит при \(81\,^\circ\)C, почти как бензол (\(80\,^\circ\)C); разделить их перегонкой нельзя — используют экстрактивную ректификацию или химические свойства (бензол сульфируется, циклогексан нет).

Главное: Малые циклы ведут себя как алкены — присоединяют с раскрытием, средние и большие — как алканы. Циклогексан особый: он легко получается из бензола и легко в него превращается, а его окисление — путь к найлону.

Урок 31. Практикум: задачи на алканы

Отработать расчётные задачи на алканы: формула по молярной массе и продуктам сгорания, смеси газов, объёмные отношения, состав продуктов галогенирования, изомеры.

Формула алкана

Порядок действий: молярная масса (из плотности, из данных сгорания или из массы известного количества) → \(n\) из \(14n + 2 = M\) → проверка по продуктам сгорания. Если \(n\) получается дробным, вещество не алкан или данные относятся к смеси.

Смеси и объёмы

Для смесей газов вводите переменные объёмов (или молей), пишите уравнение горения для каждого компонента и составляйте баланс по \(\ce{CO2}\) или по кислороду. Плотность смеси по воздуху даёт среднюю молярную массу — ещё одно уравнение.

Состав продуктов галогенирования

Считайте по типам водорода: число атомов данного типа умножьте на относительную активность (хлор \(1 : 3{,}8 : 5\), бром \(1 : 82 : 1600\)), разделите на сумму. Для брома результат почти всегда «один продукт».

Главное: Все расчёты на алканы держатся на общей формуле \(\ce{C_nH_{2n+2}}\), уравнении горения и балансе объёмов; состав продуктов замещения — на числе атомов водорода и их относительной активности.

Урок 32. Практикум: цепочки и механизмы

Решать цепочки превращений с алканами и циклоалканами, узнавать реакции по условиям над стрелкой и писать радикальные механизмы со стадиями.

Цепочки превращений

Чтобы расшифровать цепочку, идите от известного вещества, проверяя число атомов углерода на каждом шаге: сшивание (Вюрц, Кольбе) удваивает, декарбоксилирование и крекинг уменьшают, замещение и гидрирование сохраняют.

Механизмы и селективность

В задачах на механизм требуется записать стадии, указать интермедиаты и объяснить состав продуктов. Помните: инициирование — гомолиз, рост — два чередующихся акта, обрыв — рекомбинация; селективность — через устойчивость радикала и постулат Хэммонда.

Задачи на установление структуры

Число монохлорпроизводных — классический ключ: гексан даёт 3, 2-метилпентан — 5, 2,2-диметилбутан — 3, 2,3-диметилбутан — 2, циклогексан — 1. Совместите его с молярной массой и симметрией.

Главное: Цепочки с алканами строятся из десятка реакций: галогенирование, Вюрц, Кольбе, декарбоксилирование, гидрирование, крекинг, дегидрирование, ароматизация, изомеризация, окисление. Условия над стрелкой однозначно указывают на нужную.

Открыть модуль курса

Уроки 33–41: 9 уроков, 82 задания.

Критерий освоения: Восстановить алкен по продуктам озонолиза; выбрать реагенты для четырёх вариантов гидратации; цепочки с алкенами.

Типичные ошибки: Марковников «по водороду» без карбокатиона; забывают перегруппировки; путают условия мягкого и жёсткого окисления KMnO4; не различают син- и анти-присоединение.

Урок 33. Строение, устойчивость, получение

Связывать строение двойной связи с реакционной способностью, сравнивать устойчивость алкенов, получать их дегидратацией, дегидрогалогенированием, дегалогенированием и частичным гидрированием алкинов с предсказанием основного продукта.

Двойная связь

Алкены \(\ce{C_nH_{2n}}\) содержат двойную связь \(\ce{C=C}\): σ-связь из \(sp^2\)-орбиталей и π-связь из негибридных p-орбиталей. Все шесть атомов при двойной связи лежат в одной плоскости, углы \(120^\circ\), длина связи 134 пм против 154 у одинарной. Энергия π-связи около 265 кДж/моль — на 80 меньше σ-связи; поэтому вращение вокруг \(\ce{C=C}\) невозможно без её разрыва (геометрическая изомерия, урок 19), а превращение π-связи в две σ-связи выгодно: алкены присоединяют.

Второе следствие строения: π-электроны лежат вне линии связи и доступны электрофилам — алкены нуклеофильны. Именно поэтому их главная реакция — электрофильное присоединение, \(Ad_E\).

Физические свойства — как у алканов: \(\ce{C2}\)–\(\ce{C4}\) газы, дальше жидкости; нерастворимы в воде, чуть полярнее алканов (цис-изомеры имеют дипольный момент). Этилен — самое многотоннажное органическое вещество в мире (более 200 млн т в год): полиэтилен, оксид этилена, стирол, винилхлорид.

Устойчивость алкенов и правило Зайцева

Устойчивость алкенов сравнивают по теплотам гидрирования: все бутены дают бутан, и чем меньше тепла выделяется, тем ниже была энергия алкена.

Чем больше алкильных групп при двойной связи, тем алкен устойчивее (гиперконъюгация и \(+I\)-эффект, урок 11); транс-изомер устойчивее цис (нет столкновения заместителей). Отсюда правило Зайцева (1875): при отщеплении \(\ce{HX}\) водород уходит от менее гидрогенизированного соседнего атома углерода, и получается более замещённый алкен. Правило нарушается, когда основание объёмное (трет-бутилат калия отрывает самый доступный протон — правило Гофмана) или уходящая группа объёмная (четвертичные аммониевые основания, урок 15).

Получение алкенов

Алкены получают отщеплением (элиминированием) двух групп от соседних атомов, крекингом и частичным гидрированием алкинов.

Промышленный источник — пиролиз и крекинг: этилен и пропилен получают из этана и нафты при \(800\,^\circ\)C.

Главное: π-Связь слабее σ-связи и легко превращается в две σ-связи — алкены присоединяют. Чем больше алкилов при двойной связи, тем алкен устойчивее (Зайцев), и отщепление ведёт именно к нему, если основание не объёмное.

Урок 34. Электрофильное присоединение HX

Писать механизм электрофильного присоединения галогеноводородов, применять правило Марковникова через устойчивость карбокатиона, предсказывать перегруппировки и пероксидный эффект.

Механизм и правило Марковникова

Галогеноводороды присоединяются к алкенам: \(\ce{CH2=CH2 + HBr -> CH3CH2Br}\). Реакционная способность растёт с силой кислоты: \(\ce{HI} > \ce{HBr} > \ce{HCl} \gg \ce{HF}\). Механизм — электрофильное присоединение \(Ad_E\): π-электроны атакуют протон, образуется карбокатион, затем анион присоединяется к катионному центру.

Для несимметричных алкенов Марковников (1869) сформулировал правило: водород присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода. Причина — в первой стадии: протонирование по концевому атому даёт вторичный (или третичный) катион, по среднему — первичный, а разница в устойчивости в десятки кДж/моль означает разницу скоростей в тысячи раз. Правило лучше формулировать так: электрофил присоединяется так, чтобы образовался более устойчивый карбокатион. В такой форме оно работает и для «нестандартных» случаев: \(\ce{CH2=CH-CF3}\) присоединяет HBr против «водородного» правила (бром идёт к концевому атому), потому что \(\ce{CF3}\) дестабилизирует соседний катион; \(\ce{CH2=CH-OCH3}\) даёт катион у атома с кислородом — он стабилизирован парой кислорода.

Стереохимия \(Ad_E\) HX не строгая: плоский катион атакуется с обеих сторон, продукт с новым стереоцентром — рацемат.

Перегруппировки

Если образовавшийся катион может стать устойчивее миграцией водорода или алкила от соседнего атома, он перегруппировывается быстрее, чем захватит анион (урок 14). Так 3-метилбут-1-ен с HCl даёт в основном 2-хлор-2-метилбутан: вторичный катион у C2 после 1,2-гидридного сдвига превращается в третичный у C3. Перегруппировка — надёжный признак катионного механизма: если продукт с «неожиданным» скелетом, катион там точно был.

Пероксидный эффект Хараша

В 1933 году Хараш и Майо объяснили, почему в разных лабораториях присоединение HBr к аллилбромиду давало разные продукты: в присутствии пероксидов (или на свету) реакция идёт по радикальному механизму и «против Марковникова». Атом брома присоединяется к алкену первым — так, чтобы образовался более устойчивый радикал, — а затем радикал отрывает водород от HBr:

Эффект есть только у HBr: для HCl стадия отрыва водорода эндотермична (связь \(\ce{H-Cl}\) слишком прочна), для HI — эндотермична стадия присоединения иода. В задачах «HBr, пероксиды» или «HBr, \(h\nu\)» означают анти-марковниковский продукт; без пероксидов (в темноте, с ингибиторами) — обычный.

Главное: \(Ad_E\) идёт в две стадии: медленное образование карбокатиона и быстрый захват аниона. Правило Марковникова — следствие устойчивости катиона; если катион может перегруппироваться, он перегруппируется; с пероксидами HBr идёт радикально и «против Марковникова».

Урок 35. Гидратация и родственные реакции

Выбирать метод гидратации алкена под нужный спирт: кислотная гидратация, оксимеркурирование–демеркурирование, гидроборирование–окисление; знать присоединение спиртов и кислот.

Кислотная гидратация и оксимеркурирование

Вода — слабый электрофил, поэтому нужен кислотный катализатор: протон даёт карбокатион, вода его захватывает, и после потери протона получается спирт по Марковникову. Реакция обратима (дегидратация — та же реакция справа налево), идёт с перегруппировками и в промышленности применяется для этилена и пропилена: \(\ce{CH2=CH2 + H2O ->[H3PO4/SiO2, 300 ^\circ C, 70 \text{ атм}] CH3CH2OH}\).

Оксимеркурирование–демеркурирование — лабораторный способ получить марковниковский спирт мягко и без перегруппировок: ацетат ртути(II) в водном ТГФ даёт циклический меркуриниевый ион, вода атакует более замещённый атом, затем боргидрид натрия заменяет ртуть на водород: \(\ce{RCH=CH2 ->[\text{1) Hg(OAc)2, H2O; 2) NaBH4}] RCH(OH)CH3}\). В спирте вместо воды получаются простые эфиры (алкоксимеркурирование).

Гидроборирование–окисление

Боран \(\ce{BH3}\) (в виде комплекса с ТГФ) присоединяется к алкену за одну согласованную стадию: бор — к менее замещённому атому (он объёмнее и электрофильнее, а частичный положительный заряд в переходном состоянии — на более замещённом атоме), водород — к более замещённому, оба с одной стороны (син). Три молекулы алкена дают триалкилборан, который пероксид водорода в щёлочи окисляет до спирта с сохранением положения и стереохимии:

Итог — спирт «против Марковникова», без перегруппировок, син-стереоспецифично. 1-Метилциклогексен даёт транс-2-метилциклогексанол (OH и метил по разные стороны, потому что H и OH — по одну). Герберт Браун получил за гидроборирование Нобелевскую премию 1979 года.

Практика: выбор реагента

Задачи на гидратацию проверяют, знаете ли вы три метода и их «подписи»: кислота — Марковников с перегруппировками; ртуть — Марковников без перегруппировок; боран — анти-Марковников, син, без перегруппировок. Ниже — типичные задания.

Главное: Три способа присоединить воду дают два разных спирта: кислота и ртуть — по Марковникову, боран — против. Гидроборирование ещё и син-стереоспецифично и не перегруппировывается: это главный инструмент синтеза первичных спиртов из алкенов.

Урок 36. Галогенирование и галогенгидрины

Объяснять анти-присоединение галогенов через галогениевый ион, предсказывать стереохимический результат (рацемат, мезо-форма, транс-продукт) и региохимию образования галогенгидринов.

Бромониевый ион и анти-присоединение

Бромная вода обесцвечивается алкенами — школьная проба на кратную связь. Механизм: неполярная молекула \(\ce{Br2}\) поляризуется электронами π-связи, отдаёт \(\ce{Br+}\), и образуется циклический бромониевый ион, в котором бром связан с обоими атомами бывшей двойной связи. Бромид-ион атакует один из атомов с тыла (как в \(S_N2\)), и два атома брома оказываются по разные стороны — анти-присоединение.

Стереохимические следствия — любимая тема олимпиад:

• циклогексен даёт только транс-1,2-дибромциклогексан (рацемат);
• цис-бут-2-ен даёт рацемическую пару (2R,3R)/(2S,3S)-2,3-дибромбутана, транс-бут-2-ен — мезо-форму;
• концевые алкены дают продукт с одним стереоцентром — рацемат.

Хлор реагирует так же (хлорониевый ион менее устойчив, и у арилалкенов возможна частичная потеря стереоспецифичности); иод присоединяется обратимо и невыгодно; фтор — со взрывом. Растворитель — \(\ce{CCl4}\) или \(\ce{CH2Cl2}\) в темноте (на свету пошло бы аллильное замещение).

Галогенгидрины

Если бромирование вести в воде, бромониевый ион раскрывает не бромид (его мало), а вода: получается бромгидрин — 2-бром-1-спирт. Вода атакует более замещённый атом углерода, потому что на нём в бромониевом ионе больше положительного заряда (частичный карбокатионный характер): из пропена получается 1-бром-2-пропанол, OH — «по Марковникову», бром — к концевому атому. Стереохимия — анти, как при бромировании. Практичнее использовать N-бромсукцинимид (NBS) в водном ДМСО: он даёт низкую концентрацию брома без избытка бромида.

Галогенгидрины при действии оснований замыкаются в эпоксиды (внутримолекулярное \(S_N2\)) — это лабораторный путь к оксиранам и промышленный путь к оксиду пропилена: \(\ce{CH3CH(OH)CH2Cl + NaOH -> \text{оксид пропилена} + NaCl + H2O}\).

Практика: стереохимия присоединения

Определяйте стереохимический результат по «подписи» реакции (син или анти), затем проверяйте симметрию продукта: мезо или пара энантиомеров.

Главное: Бром присоединяется через циклический бромониевый ион, поэтому два атома входят с разных сторон: цис-алкен даёт рацемат, транс — мезо-форму. В воде ион раскрывается водой по более замещённому атому — галогенгидрин «по Марковникову».

Урок 37. Окисление алкенов

Различать мягкое окисление (син-диолы), жёсткое окисление и озонолиз, предсказывать их продукты по типу замещения двойной связи и восстанавливать структуру алкена по продуктам расщепления.

Мягкое окисление: реакция Вагнера

Разбавленный раствор перманганата калия на холоду (проба Байера, реакция Вагнера, 1888) окисляет алкен до вицинального диола: фиолетовая окраска исчезает, выпадает бурый \(\ce{MnO2}\) — вторая школьная проба на кратную связь. Механизм — циклический манганатный эфир, поэтому обе группы OH входят с одной стороны: син-присоединение. Тетраоксид осмия \(\ce{OsO4}\) (каталитически, с \(\ce{H2O2}\) или N-оксидом N-метилморфолина) делает то же чище и с лучшими выходами.

Жёсткое окисление и озонолиз

Горячий перманганат в кислой среде (или дихромат) разрывает двойную связь полностью. Судьба каждого атома двойной связи зависит от числа его водородов: \(\ce{=CH2}\) окисляется до \(\ce{CO2}\), \(\ce{=CHR}\) — до карбоновой кислоты \(\ce{RCOOH}\), \(\ce{=CR2}\) — до кетона \(\ce{R2C=O}\) (дальше не окисляется).

Озонолиз мягче: озон присоединяется, давая озонид, который разлагают либо восстановительно (цинк и вода, диметилсульфид) — тогда получаются альдегиды и кетоны, либо окислительно (\(\ce{H2O2}\)) — кислоты и кетоны. Озонолиз — главный метод установления положения двойной связи: продукты «складывают» обратно.

Циклический алкен при расщеплении даёт одну дикарбонильную молекулу: циклогексен → гександиаль (озонолиз) или адипиновая кислота (перманганат). Симметричные продукты указывают на симметричный алкен; единственный продукт — на симметричный алкен или цикл.

Эпоксидирование, Вакер и практика

Перкислоты (надуксусная, мета-хлорнадбензойная — mCPBA) переносят атом кислорода на двойную связь за одну согласованную стадию (реакция Прилежаева, 1909): син-стереоспецифично, цис-алкен даёт цис-эпоксид. Оксид этилена в промышленности получают прямым окислением этилена кислородом на серебре при \(250\,^\circ\)C — миллионы тонн для этиленгликоля и ПАВ. Процесс Вакера (1959): \(\ce{CH2=CH2 + 1/2O2 ->[PdCl2, CuCl2, H2O] CH3CHO}\) — этилен окисляется в ацетальдегид на палладии; высшие алкены дают метилкетоны.

Главное: Холодный перманганат и OsO₄ дают син-диолы, горячий перманганат и озон разрывают двойную связь: \(\ce{=CH2}\) уходит в \(\ce{CO2}\) (или формальдегид при озонолизе), \(\ce{=CHR}\) даёт кислоту (или альдегид), \(\ce{=CR2}\) — кетон. По продуктам расщепления структуру алкена восстанавливают однозначно.

Урок 38. Гидрирование, аллильные реакции, полимеризация

Знать условия и стереохимию каталитического гидрирования, объяснять аллильное замещение через аллильный радикал, узнавать важнейшие полимеры по мономерам и получать циклопропаны из алкенов.

Каталитическое гидрирование

Молекулярный водород не реагирует с алкенами без катализатора: барьер слишком высок. На поверхности платины, палладия или никеля (Ренея) водород адсорбируется атомами, алкен ложится на поверхность плоскостью, и оба атома водорода присоединяются с одной стороны — син-присоединение. Реакция идёт при комнатной температуре и небольшом давлении, экзотермична (около 120 кДж/моль) и используется как аналитический метод: по объёму поглощённого водорода считают число кратных связей, по теплоте — устойчивость изомеров.

Селективность: менее замещённые двойные связи гидрируются быстрее (легче ложатся на поверхность), кратные связи гидрируются раньше бензольного кольца, а в гомогенном катализе (катализатор Уилкинсона \(\ce{RhCl(PPh3)3}\)) можно восстановить концевую связь, не трогая внутреннюю. Гидрирование жиров превращает жидкие масла в твёрдый маргарин (побочно — транс-жиры).

Аллильное замещение

Положение рядом с двойной связью — аллильное — имеет самую слабую связь C–H (372 кДж/моль, урок 11): образующийся радикал делокализован. Поэтому при высокой температуре или низкой концентрации галогена алкен не присоединяет, а замещает аллильный водород. Промышленно: пропен + \(\ce{Cl2}\) при \(500\,^\circ\)C → аллилхлорид (сырьё для глицерина и эпихлоргидрина). В лаборатории — N-бромсукцинимид (NBS) в \(\ce{CCl4}\) с инициатором: он поддерживает ничтожную концентрацию \(\ce{Br2}\), при которой присоединение не успевает, а цепное замещение идёт.

Аллильный радикал несимметричен у большинства алкенов, поэтому продуктов два: бут-1-ен с NBS даёт 3-бромбут-1-ен и 1-бромбут-2-ен (аллильная перегруппировка). Циклогексен даёт единственный 3-бромциклогексен — удобный субстрат для дальнейших синтезов.

Полимеризация и циклопропанирование

При радикальной полимеризации инициатор превращает молекулы алкена в цепь: \(\ce{nCH2=CH2 -> (-CH2-CH2-)_n}\). Пероксиды при \(200\,^\circ\)C и 1500 атм дают полиэтилен низкой плотности (разветвлённый), катализаторы Циглера–Натты (\(\ce{TiCl4}\)/\(\ce{Al(C2H5)3}\)) при обычном давлении — линейный полиэтилен высокой плотности и стереорегулярный полипропилен (Нобелевская премия 1963). Подробно — в разделе 26; здесь — узнавать мономеры.

Карбены присоединяются к двойной связи, давая циклопропаны (раздел 2): дихлоркарбен из хлороформа и трет-бутилата калия — 1,1-дихлорциклопропаны, реагент Симмонса–Смита (\(\ce{CH2I2}\), Zn/Cu) — незамещённые циклопропаны, стереоспецифично.

Главное: Двойная связь реагирует не только присоединением: при высокой температуре или с NBS замещается аллильный водород, а при полимеризации молекулы «сшиваются» по π-связи. Гидрирование — син-присоединение и удобный аналитический инструмент.

Урок 39. Практикум: структура по продуктам окисления

Восстанавливать строение алкенов по продуктам озонолиза и жёсткого окисления, учитывая симметрию, циклы и число молей продуктов.

Озонолиз

При восстановительном озонолизе каждый атом двойной связи становится карбонильным: \(\ce{=CH2}\) → формальдегид, \(\ce{=CHR}\) → альдегид, \(\ce{=CR2}\) → кетон. Число молей продуктов на моль алкена показывает число двойных связей; одинаковые продукты — симметрию; единственный дикарбонильный продукт — цикл.

Жёсткое окисление

Горячий подкисленный перманганат даёт из тех же фрагментов кислоты и кетоны, а \(\ce{=CH2}\) уходит в углекислый газ (объём газа — тоже данные!). Если в продуктах только кислоты, все атомы двойных связей несли по одному водороду.

Комбинированные задачи

Соединяйте данные: брутто-формула и \(\Omega\), объём водорода (число связей), продукты озонолиза (положение), оптическая активность или число стереоизомеров (стереохимия).

Главное: Продукты расщепления двойной связи — «половинки» алкена: сложите их карбонильными атомами. Один продукт означает симметричную связь или цикл; кислота вместо альдегида — жёсткое окисление; \(\ce{CO2}\) — концевая группа \(\ce{=CH2}\).

Урок 40. Практикум: синтезы с алкенами

Планировать двух-трёхстадийные синтезы с участием алкенов: перемещать двойную связь, выбирать реагент под регио- и стереохимию продукта, получать из алкена спирты, галогениды, диолы, эпоксиды и карбонильные соединения.

Перемещение двойной связи

Концевую двойную связь переводят во внутреннюю парой реакций: марковниковское присоединение HBr (галоген на C2), затем отщепление спиртовой щёлочью по Зайцеву (связь между C2 и C3). Обратно — внутреннюю в концевую — анти-марковниковским присоединением HBr с пероксидами (галоген на C1) и отщеплением объёмным основанием (Гофман) или через гидроборирование → спирт → дегидратация не годится (Зайцев). Изменить положение уходящей группы можно теми же парами реакций.

Выбор реагента

Одна и та же двойная связь под действием разных реагентов даёт разные классы. Ниже — карта: за каждым продуктом закреплён свой реагент.

Цепочки

В цепочках с алкенами следите за числом атомов углерода и за условиями над стрелками; двойная связь может «появляться» (отщепление) и «исчезать» (присоединение) несколько раз.

Главное: Алкен — перекрёсток синтеза: из него получаются почти все классы соединений, а сам он — из спирта или галогенида отщеплением. Пара «присоединение HX — отщепление» перемещает двойную связь, а выбор реагента задаёт региохимию и стереохимию.

Урок 41. Практикум: расчёты

Решать расчётные задачи на алкены: формула по присоединению брома или водорода, состав смесей алкен–алкан, выход продуктов присоединения, задачи с объёмами газов.

Формула по присоединению

Масса брома или объём водорода дают количество двойных связей, а с массой навески — молярную массу: \(M = m/n\), \(n_{\text{C}} = M/14\). Для алкадиенов и алкинов на моль вещества приходится два моля \(\ce{Br2}\) — не забывайте проверять степень ненасыщенности.

Смеси алкен–алкан

При гидрировании объём смеси уменьшается на объём поглощённого водорода, равный объёму алкена. При пропускании через бромную воду алкен поглощается, алкан проходит: убыль объёма — объём алкена. Комбинируйте с плотностью смеси и продуктами сгорания.

Выход и объёмы

Промышленные задачи: выход спирта при гидратации, объёмы газов при н. у., пересчёт на массу продукта. Не забывайте, что этилен и пропилен — газы, а их гидратация обратима: выход за проход мал, но непрореагировавший газ возвращают в цикл.

Главное: Один моль двойных связей — один моль \(\ce{Br2}\) или \(\ce{H2}\): это главный расчётный ключ. Формула алкена \(\ce{C_nH_{2n}}\), \(M = 14n\); смеси с алканами решаются по разности объёмов до и после гидрирования.

Открыть модуль курса

Уроки 42–49: 8 уроков, 72 задания.

Критерий освоения: Синтез заданного алкена из ацетилена за 4–5 стадий; задача на Дильса–Альдера с регио- и стереохимией.

Типичные ошибки: Кучеров даёт «альдегид» из любого алкина; путают Линдлара и Na/NH3; забывают s-цис-конформацию диена и эндо-правило; 1,4-продукт считают всегда основным.

Урок 42. Алкины: строение, получение, кислотность

Объяснять строение тройной связи, получать алкины из дигалогенидов и карбида кальция, использовать кислотность концевых алкинов и ацетилениды для наращивания цепи.

Тройная связь

Алкины \(\ce{C_nH_{2n-2}}\) содержат тройную связь: одна σ-связь из \(sp\)-орбиталей и две π-связи из взаимно перпендикулярных p-орбиталей. Фрагмент \(\ce{C-C#C-C}\) линеен (\(180^\circ\)), связь короткая (120 пм) и прочная (839 кДж/моль), но каждая π-связь по отдельности слабее, чем в алкене. Ацетилен — газ, горящий в кислороде при \(3000\,^\circ\)C (сварка, резка), при сжатии взрывается — его хранят растворённым в ацетоне в баллонах с пористым наполнителем.

Циклические алкины устойчивы, начиная с восьмичленного (циклооктин) — линейный фрагмент не помещается в малый цикл. Тройная связь не даёт геометрической изомерии (нет заместителей «по сторонам»), поэтому у алкинов только структурная изомерия — скелета, положения и межклассовая (с диенами и циклоалкенами: \(\ce{C4H6}\) — бутины, бутадиены, циклобутен, метилциклопропен).

Получение алкинов

Первое отщепление от вицинального дигалогенида идёт легко (спиртовая щёлочь), второе — от винилгалогенида — трудно, нужен нагрев или амид натрия. Обратите внимание на пункт 5: положение тройной связи можно двигать — щёлочь при нагревании смещает её внутрь цепи (более устойчивый дизамещённый алкин), амид натрия — к концу (ацетиленид концевого алкина осаждается, сдвигая равновесие).

Кислотность и ацетилениды

Атом водорода при \(sp\)-углероде — самый кислый среди углеводородов: \(pK_a\) ацетилена 25 (этилен 44, этан 50). Причина — высокий s-характер орбитали: половина s-вклада удерживает электронную пару ближе к ядру и стабилизирует анион. Ацетилен вытесняется из ацетиленидов водой, но сам вытесняет аммиак из амида натрия: \(\ce{HC#CH + NaNH2 -> HC#CNa + NH3}\). Реактивы Гриньяра и бутиллитий тоже депротонируют алкины.

Ацетилениды тяжёлых металлов — серебра и меди(I) — нерастворимы и осаждаются из аммиачных растворов: белый \(\ce{AgC#CAg}\) и красно-бурый \(\ce{CuC#CCu}\). Это качественная реакция на концевую тройную связь, отличающая бут-1-ин от бут-2-ина (внутренний алкин с серебром не реагирует). Сухие ацетилениды серебра и меди взрывоопасны; их разлагают кислотой.

Ацетиленид-ион — сильный нуклеофил: с первичными галогеналканами он даёт удлинённые алкины, с карбонильными соединениями — ацетиленовые спирты (Фаворский, 1900), с оксидом этилена — гомопропаргиловые спирты. Так за две-три стадии строят скелет нужной длины.

Главное: \(sp\)-Углерод делает тройную связь короткой, линейной и электрофильно менее активной, чем двойная, а концевой водород — кислым (\(pK_a\) 25). Ацетилениды — главные нуклеофилы для построения связи C–C в олимпиадных синтезах.

Урок 43. Присоединение к алкинам

Предсказывать продукты присоединения HX, галогенов, воды и водорода к алкинам с учётом регио- и стереохимии, получать альдегиды и кетоны через енолы и выбирать метод частичного гидрирования.

Присоединение галогеноводородов и галогенов

Тройная связь присоединяет электрофилы медленнее двойной: винильный катион менее устойчив, чем алкильный. Но присоединение идёт дважды — сначала до винилгалогенида, затем до гем-дигалогенида, оба раза по Марковникову (второй галоген встаёт к атому, уже несущему галоген: катион стабилизирован парой галогена).

Присоединение брома к алкинам идёт медленнее, чем к алкенам, поэтому бромная вода обесцвечивается алкином не мгновенно; но при избытке брома реакция доходит до тетрабромида, и один моль алкина обесцвечивает два моля брома — это ключ расчётных задач на смеси.

Гидратация: реакция Кучерова

Вода присоединяется к алкинам только в присутствии солей ртути(II) в серной кислоте (Кучеров, 1881). По Марковникову получается енол — спирт с гидроксилом при двойной связи; енолы неустойчивы и таутомеризуются в карбонильные соединения: из ацетилена — ацетальдегид, из любого другого алкина — кетон.

Кето-енольная таутомерия — обратимый перенос протона от кислорода к углероду; равновесие для простых кетонов сдвинуто к кето-форме на 99,99 % (раздел 12). Гидратация внутренних несимметричных алкинов даёт смесь двух кетонов, поэтому синтетически ценны концевые (метилкетоны) и симметричные алкины.

Альдегид из концевого алкина получают гидроборированием объёмным бораном (дисиамилборан, 9-BBN) с последующим окислением: бор садится на концевой атом, енол таутомеризуется в альдегид — «анти-марковниковская гидратация».

Гидрирование и виниловые производные

Полное гидрирование на никеле или платине превращает алкин в алкан (два моля водорода). Остановиться на алкене можно двумя способами, и они дают разные изомеры.

• Катализатор Линдлара — палладий на карбонате кальция, отравленный свинцом или хинолином: водород присоединяется на поверхности син, образуется цис-алкен; алкен на «отравленном» катализаторе дальше не гидрируется.
• Натрий (или литий) в жидком аммиаке: одноэлектронное восстановление через анион-радикал и винильный анион; транс-расположение заместителей выгоднее — транс-алкен. Концевые алкины в этих условиях просто депротонируются, поэтому метод работает для внутренних.

Виниловые производные — присоединение к ацетилену нуклеофилов в щёлочи (химия Реппе, 1930-е): спирты дают простые виниловые эфиры, уксусная кислота — винилацетат (сырьё поливинилацетата и клея ПВА), \(\ce{HCN}\) — акрилонитрил.

Главное: Алкины присоединяют дважды и по Марковникову; гидратация даёт енол, который таутомеризуется в кетон (из ацетилена — в ацетальдегид). Линдлар даёт цис-алкен, натрий в аммиаке — транс: две реакции, которые задают стереохимию продукта.

Урок 44. Окисление, димеризация, тримеризация

Записывать окисление и озонолиз алкинов, окислительное сочетание по Глазеру, димеризацию ацетилена в винилацетилен, тримеризацию в бензол и другие реакции Реппе.

Окисление алкинов

Перманганат калия в нейтральной среде на холоду окисляет внутренний алкин до 1,2-дикетона (мягкое окисление: \(\ce{RC#CR' -> RCO-COR'}\)); в кислой среде при нагревании тройная связь рвётся до двух карбоновых кислот. Концевой фрагмент \(\ce{#CH}\) окисляется до \(\ce{CO2}\) (муравьиная кислота неустойчива к окислению). Озонолиз с водной обработкой тоже даёт кислоты, а не альдегиды: озонид алкина гидролизуется до кислот.

Проба с перманганатом не отличает алкин от алкена (обесцвечивают оба); отличает — аммиачный раствор серебра (только концевые алкины) и количество брома (алкин поглощает вдвое больше).

Димеризация и тримеризация

Ацетилен способен присоединяться сам к себе. В присутствии хлорида меди(I) и хлорида аммония он димеризуется в винилацетилен (Ньюленд, 1931) — сырьё для хлоропренового каучука: \(\ce{2HC#CH ->[CuCl, NH4Cl] CH2=CH-C#CH}\); гидрохлорирование даёт хлоропрен \(\ce{CH2=CH-CCl=CH2}\). Над активированным углём при \(600\,^\circ\)C (Зелинский, 1927) или с никелевыми катализаторами (Реппе) три молекулы замыкаются в бензол; замещённые алкины дают 1,3,5- и 1,2,4-тризамещённые бензолы. Четыре молекулы над \(\ce{Ni(CN)2}\) дают циклооктатетраен.

Окислительное сочетание концевых алкинов — реакция Глазера (1869): \(\ce{2RC#CH ->[CuCl, O2, NH3] RC#C-C#CR}\) — даёт диины; вариант Кадио–Ходкевича соединяет два разных алкина. Карбонилирование ацетилена с водой над карбонилом никеля даёт акриловую кислоту, со спиртами — акрилаты (Реппе).

Практика: алкины в цепочках

Цепочки с алкинами используют три «двигателя»: наращивание цепи ацетиленидом, гидратацию по Кучерову (карбонильное соединение) и частичное гидрирование (стереохимически определённый алкен).

Главное: Тройная связь окисляется до двух карбоновых кислот, а концевая — до кислоты и \(\ce{CO2}\); ацетилен «сшивается» в димер, тример и циклы под действием солей меди и никеля — так из угля и извести когда-то делали каучук и бензол.

Урок 45. Диены: строение и присоединение

Различать сопряжённые, изолированные и кумулированные диены, объяснять 1,2- и 1,4-присоединение через аллильный катион и предсказывать состав продуктов при кинетическом и термодинамическом контроле.

Типы диенов и сопряжение

Углеводороды с двумя двойными связями делят на три типа: сопряжённые (связи через одну одинарную: бута-1,3-диен), изолированные (через две и более: пента-1,4-диен) и кумулированные (у одного атома: аллен \(\ce{CH2=C=CH2}\)).

Изолированные диены ведут себя как два независимых алкена. Кумулированные — особый случай: центральный атом \(sp\)-гибридный, две π-связи перпендикулярны, а заместители на концах лежат в перпендикулярных плоскостях (осевая хиральность, урок 22); аллены неустойчивее изомерных алкинов и изомеризуются в них при действии оснований.

Сопряжённые диены выделяются устойчивостью (энергия сопряжения 15 кДж/моль, урок 10), укороченной центральной связью (147 пм) и предпочтением s-транс-конформации (s-цис выше на 12 кДж/моль, но именно она нужна для реакции Дильса–Альдера). Изопрен (2-метилбута-1,3-диен) — «строительный блок» терпенов и природного каучука; бутадиен — сырьё для синтетического каучука, его получают дегидрированием бутана и бутенов или по Лебедеву из этанола.

1,2- и 1,4-присоединение

Электрофил (протон, бром) присоединяется к концевому атому сопряжённого диена: образуется аллильный катион, делокализованный между положениями 2 и 4. Нуклеофил может атаковать любой из них, и получаются два продукта: 1,2-аддукт (присоединение по одной двойной связи) и 1,4-аддукт (по концам системы, с перемещением двойной связи в середину).

Соотношение продуктов зависит от условий (урок 15): при \(-80\,^\circ\)C преобладает 1,2-продукт (кинетический — образуется быстрее, бромид «ближе» к тому атому, где заряд больше), при \(+40\,^\circ\)C — 1,4-продукт (термодинамический — дизамещённая двойная связь устойчивее). Бром ведёт себя так же: 3,4-дибромбут-1-ен и 1,4-дибромбут-2-ен. Полное присоединение двух молей даёт тетрабромид.

Практика: диены в задачах

Задачи на диены: подсчёт присоединяемого брома или водорода (две связи), предсказание 1,2/1,4-продуктов, стереохимия 1,4-аддуктов (транс), различие сопряжённых и изолированных диенов по теплотам гидрирования.

Главное: Сопряжённый диен — единая π-система: электрофил присоединяется к концу, аллильный катион захватывает нуклеофил по положению 2 или 4. При низкой температуре быстрее образуется 1,2-продукт, при равновесии накапливается более устойчивый 1,4-продукт.

Урок 46. Реакция Дильса–Альдера

Узнавать пары диен–диенофил, предсказывать продукт [4+2]-циклоприсоединения с учётом стереоспецифичности, эндо-правила и региоселективности, применять реакцию и её обратный вариант в синтезе.

Диен, диенофил и согласованный механизм

В 1928 году Отто Дильс и Курт Альдер описали реакцию сопряжённого диена с алкеном, дающую циклогексен, — самый мощный способ построить шестичленный цикл (Нобелевская премия 1950). Диен должен быть способен принять s-цис-конформацию; диенофил («любящий диен») реагирует тем лучше, чем сильнее у него электроноакцепторные группы: малеиновый ангидрид, акролеин, акрилонитрил, эфиры акриловой кислоты, хиноны, тетрацианэтилен. Этилен реагирует с бутадиеном лишь при \(200\,^\circ\)C и давлении.

Механизм согласованный: шесть π-электронов (четыре от диена, два от диенофила) перемещаются одновременно через циклическое переходное состояние; интермедиатов нет, катализатор не нужен (кислоты Льюиса ускоряют). Следствия:

• стереоспецифичность: цис-диенофил даёт цис-дизамещённый продукт (диметилмалеат → цис-диэфир), транс — транс; геометрия диена тоже переносится в продукт;
• диен, не способный к s-цис-конформации (циклические с закреплённой s-транс, например, 2,3-ди-трет-бутилбутадиен), не реагирует;
• циклопентадиен «зафиксирован» в s-цис и реагирует настолько легко, что димеризуется сам при комнатной температуре; при \(170\,^\circ\)C димер распадается обратно — ретро-реакция Дильса–Альдера.

Эндо-правило и региоселективность

Когда диенофил несёт заместитель с π-системой (C=O, CN), возможны два аддукта: эндо (заместитель обращён «внутрь», под диен) и экзо. Правило Альдера: при кинетическом контроле преобладает эндо-продукт — π-орбитали заместителя дополнительно взаимодействуют с орбиталями диена в переходном состоянии (вторичные орбитальные взаимодействия). Экзо-аддукт устойчивее, и при нагревании через ретро-реакцию смесь уравновешивается в его пользу (урок 15). Классика — циклопентадиен и малеиновый ангидрид: эндо-аддукт образуется почти количественно при \(0\,^\circ\)C.

Несимметричные диены и диенофилы дают преимущественно «орто» (1,2) и «пара» (1,4) продукты, а не «мета» (1,3): донор в диене (например, метил у C1 или C2) и акцептор диенофила оказываются рядом или напротив. Мнемоника: 1-замещённый диен даёт «орто», 2-замещённый — «пара» (как на рисунке с изопреном и метилвинилкетоном).

Практика: синтез с Дильсом–Альдером

В синтетических задачах реакцию используют «вперёд» (собрать цикл) и «назад» (ретросинтетически разрезать циклогексен на диен и диенофил: найдите в кольце двойную связь, отсчитайте атомы 3 и 6 от неё — это концы диена; связи 1–2… точнее, связи между C3–C4 и C5–C6 — те, что образовались).

Главное: Дильс–Альдер за одну стадию строит шестичленный цикл из сопряжённого диена и алкена с акцепторной группой. Реакция согласованная: геометрия диенофила сохраняется, диен нужен в s-цис-форме, эндо-продукт образуется быстрее, а заместители занимают «орто» или «пара» положения.

Урок 47. Каучуки и полимеризация диенов

Описывать 1,4- и 1,2-полимеризацию диенов, строение натурального каучука и гуттаперчи, вулканизацию и важнейшие синтетические каучуки; решать расчётные задачи на состав сополимеров и вулканизатов.

Натуральный каучук и полимеризация диенов

Сопряжённые диены полимеризуются по трём направлениям: 1,4-присоединение (звено \(\ce{-CH2-CH=CH-CH2-}\) с двойной связью в цепи, цис или транс), 1,2-присоединение (звено с винильной боковой группой) и их смеси. Натуральный каучук — цис-1,4-полиизопрен из млечного сока гевеи; молекулы свёрнуты в клубки и растягиваются в разы, возвращаясь обратно (энтропийная упругость). Гуттаперча (и балата) — транс-1,4-полиизопрен, жёсткий и неэластичный: цепи вытянуты и кристаллизуются.

Радикальная полимеризация бутадиена (натрий, пероксиды) даёт смешанный полимер, богатый 1,2-звеньями и транс-1,4; стереорегулярный цис-1,4-полибутадиен и цис-полиизопрен, неотличимый от натурального, получают на катализаторах Циглера–Натты и литийорганике (1950-е). Озонолиз натурального каучука даёт левулиновый альдегид \(\ce{CH3-CO-CH2-CH2-CHO}\) — так Гарриес доказал его строение (урок 37).

Вулканизация

Сырой каучук липкий, течёт на жаре и трескается на морозе. В 1839 году Чарльз Гудьир случайно нагрел каучук с серой и получил резину: атомы серы образуют мостики \(\ce{-S_x-}\) между цепями по аллильным положениям и оставшимся двойным связям, цепи больше не скользят друг относительно друга. 2–3 % серы дают мягкую резину, 30 % — твёрдый эбонит. Ускорители (тиазолы, тиурамы) и оксид цинка сокращают время вулканизации с часов до минут; сажа как наполнитель повышает прочность в разы (шины — чёрные именно поэтому).

Резина стареет: кислород и озон присоединяются по оставшимся двойным связям, цепи рвутся. Антиоксиданты (замещённые фенолы и амины) перехватывают радикалы.

Синтетические каучуки

Сополимеры получают эмульсионной радикальной полимеризацией смеси мономеров; состав сополимера считают по массовым долям звеньев — типичная расчётная задача.

Главное: Полимеризация диена оставляет в каждом звене двойную связь, и её геометрия решает всё: цис-полиизопрен — эластичный каучук, транс — твёрдая гуттаперча. Сера сшивает цепи через оставшиеся двойные связи — вулканизация превращает липкую массу в резину.

Урок 48. Практикум: алкины и диены в цепочках

Решать цепочки с алкинами и диенами: наращивать цепь через ацетилениды, получать карбонильные соединения гидратацией, управлять стереохимией частичного гидрирования и собирать циклы по Дильсу–Альдеру.

Наращивание цепи и стереоконтроль

Схема «ацетилен → ацетиленид → алкилирование → второе алкилирование → частичное гидрирование» позволяет получить любой внутренний алкен заданной геометрии с нужными заместителями. Выбор последней стадии (Линдлар или Na/NH₃) задаёт цис или транс.

Карбонильные соединения и циклы из алкинов и диенов

Гидратация по Кучерову, гидроборирование и озонолиз алкинов дают карбонильные соединения и кислоты; Дильс–Альдер даёт циклогексены, из которых гидрированием и окислением получают производные циклогексана и ароматические кольца.

Цепочки с зашифрованными веществами

Ключи для алкинов: осадок с аммиачным серебром (концевая тройная связь), два моля брома на моль, кетон при гидратации; для диенов: два моля брома или водорода, 1,4-присоединение, продукт Дильса–Альдера с малеиновым ангидридом.

Главное: Тройная связь — «заготовка»: из неё делают алкен любой геометрии, кетон или альдегид, удлиняют цепь на нужное число атомов. Диен даёт шестичленный цикл за один шаг. Умение соединять эти операции решает большинство синтетических задач регионального этапа.

Урок 49. Практикум: расчёты и структуры

Решать расчётные задачи на алкины и диены: формула по массе брома или водорода, осадок ацетиленида, смеси углеводородов разных классов, продукты озонолиза диенов.

Формулы и осадки

Молярная масса алкина \(M = 14n - 2\); масса осадка ацетиленида серебра больше массы алкина на \(107{,}9 - 1{,}0 = 106{,}9\) г на моль концевых групп. Диин или диацетиленид: считайте число кислых атомов водорода.

Смеси

Смесь алкан + алкен + алкин: бромная вода поглощает алкен и алкин (по 1 и 2 моля), аммиачное серебро осаждает только концевой алкин, сгорание даёт общий баланс углерода. Три данных — три неизвестных.

Структура по озонолизу и сгоранию

Диены и алкины при озонолизе дают по продукту на каждый фрагмент; циклические диены — один продукт с несколькими карбонильными группами. Сгорание — как для всех углеводородов; \(\Omega = 2\) у \(\ce{C_nH_{2n-2}}\) означает алкин, диен, циклоалкен или бицикл.

Главное: Один моль тройной связи или сопряжённого диена принимает два моля \(\ce{Br2}\) или \(\ce{H2}\); концевой алкин отдаёт один протон серебру. Комбинация этих отношений с формулами \(\ce{C_nH_{2n-2}}\) решает задачи на смеси алкан–алкен–алкин.

Открыть модуль курса

Уроки 50–59: 10 уроков, 91 задание.

Критерий освоения: Синтез тризамещённого бензола с обоснованием порядка стадий; пробный тур по углеводородам — от 70 %.

Типичные ошибки: Правило Хюккеля применяют к неплоским системам; Фридель–Крафтс к нитробензолу и анилину; неверный порядок стадий в синтезе; окисление боковой цепи без α-H; галогены считают мета-ориентантами.

Урок 50. Бензол и ароматичность

Объяснять особую устойчивость бензола, применять правило Хюккеля к кольцам, ионам, аннуленам и гетероциклам, различать ароматические, антиароматические и неароматические системы.

Строение бензола

Бензол \(\ce{C6H6}\) открыл Фарадей в 1825 году в светильном газе; формула со степенью ненасыщенности 4 обещала бурную химию алкенов, но бензол не обесцвечивает ни бромную воду, ни перманганат, а с бромом на железе даёт продукт замещения. Кекуле в 1865 году предложил кольцо с чередующимися связями, но и оно не объясняло, почему все шесть связей одинаковы (139 пм — между одинарной 154 и двойной 134) и почему орто-дизамещённых бензолов не два, а один.

Ответ дала теория резонанса: две структуры Кекуле — один гибрид, шесть p-электронов делокализованы над и под плоскостью кольца. Мера устойчивости — энергия резонанса: гидрирование бензола выделяет 208 кДж/моль, а «три двойные связи» дали бы \(3\cdot120 = 360\); разница 150 кДж/моль — это то, что теряет кольцо при присоединении. Поэтому бензол реагирует так, чтобы кольцо сохранилось: замещением.

Гомологи бензола \(\ce{C_nH_{2n-6}}\) — толуол, ксилолы (три изомера), этилбензол, кумол, мезитилен (1,3,5-триметилбензол), стирол (винилбензол). Арены — жидкости с характерным запахом, легче воды, отличные растворители; бензол канцерогенен, толуол — нет.

Правило Хюккеля

Эрих Хюккель в 1931 году вывел из квантовой механики критерий ароматичности. Молекула (или ион) ароматична, если она: 1) циклическая; 2) плоская; 3) полностью сопряжённая — у каждого атома кольца есть p-орбиталь; 4) содержит \(4n + 2\) π-электронов (\(n = 0, 1, 2, \dots\): 2, 6, 10, 14…). Система с \(4n\) электронами при тех же условиях антиароматична — менее устойчива, чем аналог с открытой цепью — и стремится нарушить плоскостность.

• Циклопентадиенид-анион (6 электронов) ароматичен: циклопентадиен — углеводород с \(pK_a\) 16. Тропилий-катион \(\ce{C7H7+}\) (6) ароматичен: бромид тропилия — ионная соль. Циклопропенил-катион (2 электрона, \(n = 0\)) — тоже.
• Циклобутадиен (4) антиароматичен и существует лишь при 35 К; циклооктатетраен (8) избегает антиароматичности, приняв форму «ванны», — это неароматический полиен, который обесцвечивает бромную воду.
• Аннулены: [18]аннулен плоский и ароматичный, [10]аннулен не может стать плоским из-за внутренних водородов.
• Гетероциклы: пиридин (пара азота на \(sp^2\)-орбитали в плоскости кольца, в π-системе 6 электронов), пиррол, фуран, тиофен (пара гетероатома входит в π-систему: \(4 + 2 = 6\)) — ароматичны (раздел 17).

Полициклические арены (нафталин 10, антрацен 14) удовлетворяют правилу как целое; для отдельных колец оно не применяется буквально.

Практика: ароматичность в задачах

На олимпиадах ароматичность спрашивают через «неожиданные» свойства: почему циклопентадиен — кислота, тропон — основание, а бензол не присоединяет бром. Ответ всегда один: считаем π-электроны образующейся частицы.

Главное: Бензол — плоское кольцо с шестью делокализованными π-электронами и энергией резонанса 150 кДж/моль; он замещает, а не присоединяет. Ароматична любая плоская циклическая сопряжённая система с \(4n + 2\) π-электронами — от циклопропенил-катиона до порфирина.

Урок 51. Электрофильное ароматическое замещение: механизм

Писать механизм электрофильного ароматического замещения через σ-комплекс, генерировать электрофилы для нитрования, галогенирования и сульфирования и объяснять обратимость сульфирования.

σ-Комплекс

Бензол — слабый нуклеофил: шесть π-электронов прочно связаны. Реагируют с ним только сильные электрофилы, которые обычно нужно генерировать катализатором. Электрофил присоединяется к атому кольца, образуя σ-комплекс (аренониевый ион): атом стал \(sp^3\), ароматичность потеряна, а положительный заряд делокализован по трём атомам (орто, орто′, пара к месту атаки). Затем основание отрывает протон от этого атома, и кольцо снова ароматично — замещение вместо присоединения.

Первая стадия — лимитирующая (потеря ароматичности стоит энергии), вторая — быстрая: замена водорода на дейтерий не меняет скорость нитрования, значит, разрыв C–H не входит в лимитирующую стадию. Это отличает \(S_EAr\) от радикального замещения, где отрыв водорода и есть медленный шаг.

Условия реакций и обратимость

Нитрование ведут нитрующей смесью (\(\ce{HNO3}\) + \(\ce{H2SO4}\)) при \(50\)–\(60\,^\circ\)C: серная кислота протонирует азотную и даёт нитроний-ион. Второй нитрогруппе нужно \(100\,^\circ\)C и дымящая кислота (нитрогруппа дезактивирует кольцо), третьей — сплав нитрата с \(\ce{H2SO4}\) при \(150\,^\circ\)C: так получают тринитротолуол из толуола.

Сульфирование обратимо: серная кислота при нагревании десульфирует, и это используют двояко — сульфогруппу ставят, чтобы «занять» пара-положение, проводят нужную реакцию, а затем снимают её паром; и сульфокислоты как промежуточные продукты (щелочное плавление даёт фенолы). Соли сульфокислот — поверхностно-активные вещества (алкилбензолсульфонаты в стиральных порошках).

Галогенирование: хлор и бром с кислотами Льюиса (\(\ce{FeCl3}\), \(\ce{AlCl3}\), железные опилки); без катализатора и на свету идёт радикальное замещение в боковую цепь или присоединение к кольцу (гексахлорциклогексан из бензола на свету — старый инсектицид).

Практика: уравнения и расчёты

Расчётные задачи на арены — выход нитрования, объём водорода при гидрировании, установление формулы гомолога по сгоранию с проверкой \(\Omega = 4\).

Главное: Электрофил атакует π-систему, образуя аренониевый ион с делокализованным зарядом; отщепление протона возвращает ароматичность. Медленная стадия — образование σ-комплекса, поэтому всё, что стабилизирует его, ускоряет замещение.

Урок 52. Алкилирование и ацилирование по Фриделю–Крафтсу

Проводить алкилирование и ацилирование бензола, предвидеть перегруппировки и полиалкилирование, знать ограничения реакции Фриделя–Крафтса и обходить их через ацилирование с восстановлением.

Алкилирование

Шарль Фридель и Джеймс Крафтс в 1877 году обнаружили, что хлорид алюминия заставляет галогеналканы алкилировать бензол: \(\ce{C6H6 + C2H5Cl ->[AlCl3] C6H5C2H5 + HCl}\). Кислота Льюиса вытягивает галогенид, электрофил — карбокатион (или поляризованный комплекс для первичных галогенидов). Алкилировать можно и алкенами с кислотами (\(\ce{HF}\), \(\ce{H3PO4}\)) — так в промышленности из бензола и пропилена делают кумол, из этилена — этилбензол (сырьё для стирола); и спиртами в серной кислоте.

Три недостатка алкилирования:

1. Перегруппировки: 1-хлорпропан даёт в основном изопропилбензол, поскольку первичный катион превращается во вторичный до атаки на кольцо.
2. Полиалкилирование: алкильная группа активирует кольцо, и продукт реагирует быстрее исходного бензола; чтобы получить моноалкилбензол, бензол берут в большом избытке.
3. Ограничения: реакция не идёт с сильно дезактивированными кольцами (нитробензол — отличный растворитель для Фриделя–Крафтса именно потому, что сам не реагирует) и с аминами, фенолами (они связывают \(\ce{AlCl3}\)); винил- и арилгалогениды не дают карбокатионов.

Ацилирование

Ацилхлориды и ангидриды с хлоридом алюминия дают ацилий-ион \(\ce{R-C#O+}\) — устойчивый (резонанс с кислородом), не склонный к перегруппировкам электрофил. Продукт — арилкетон: ацетофенон из ацетилхлорида, бензофенон из бензоилхлорида. Кетонная группа дезактивирует кольцо, поэтому реакция останавливается на монозамещении. Кислоты Льюиса нужно брать больше стехиометрического количества: продукт связывает \(\ce{AlCl3}\) в комплекс.

Комбинация ацилирование → восстановление карбонила (Клемменсен: Zn(Hg)/HCl; Кижнер–Вольф: \(\ce{N2H4}\)/KOH) даёт линейные алкилбензолы без перегруппировок: пропилбензол из бензола — только так. Внутримолекулярное ацилирование замыкает циклы (тетралон из 4-фенилбутаноилхлорида).

Формилирование (введение группы CHO) требует особых методов: Гаттерман–Кох — CO и HCl с \(\ce{AlCl3}\)/\(\ce{CuCl}\) для бензола и алкилбензолов; Вильсмайер–Хаак — ДМФА и \(\ce{POCl3}\) для активированных колец (фенолы, амины, гетероциклы).

Практика: Фридель–Крафтс в синтезе

Планируя введение алкила, спросите: перегруппируется ли катион, активирует ли заместитель кольцо, совместима ли молекула с кислотой Льюиса. Если хоть один ответ «да» (для первых двух) или «нет» (для третьего) — идите через ацилирование.

Главное: Алкилирование идёт через карбокатион: он перегруппировывается и активирует кольцо для второго алкила. Ацилирование через ацилий-ион лишено обоих недостатков, а восстановление кетона по Клемменсену или Кижнеру даёт линейный алкилбензол — так и получают то, что алкилирование дать не может.

Урок 53. Ориентация замещения

Классифицировать заместители как активирующие или дезактивирующие, орто/пара- или мета-ориентанты, объяснять ориентацию через устойчивость σ-комплексов и предсказывать положение второго и третьего заместителя.

Активация и дезактивация

Заместитель в кольце меняет скорость замещения и его направление. Доноры электронов (по \(+M\) или \(+I\)) повышают электронную плотность и стабилизируют σ-комплекс — кольцо активировано; акцепторы дезактивируют. Ряд по убыванию активации:

Объяснение — через σ-комплексы. При атаке в орто- или пара-положение к донору одна из трёх резонансных структур несёт положительный заряд на атоме, соединённом с заместителем, и донор с парой электронов (OH, NH₂, Cl) даёт четвёртую структуру с полным октетом; при атаке в мета такой структуры нет. Для акцептора та же структура, наоборот, самая невыгодная (заряд рядом с \(\delta+\) карбонильного углерода), и он «выталкивает» электрофил в мета — не потому, что мета активировано, а потому, что орто и пара дезактивированы сильнее.

Галогены — классическое исключение: индуктивно оттягивают электроны (дезактивация), но парой стабилизируют орто/пара-σ-комплексы (ориентация). Соотношение орто : пара зависит от объёма заместителя: толуол даёт 58 % орто-нитротолуола, трет-бутилбензол — только 16 %.

Дизамещённые и полизамещённые бензолы

Если в кольце уже два заместителя, их «указания» могут совпадать или спорить. Правила:

1. Побеждает более сильный активатор (орто/пара-ориентанты сильнее мета): в пара-нитротолуоле бромирование идёт в орто к метилу.
2. Если оба орто/пара-ориентанта в мета-положении друг к другу, положение между ними (2 в 1,3-дизамещённом) стерически недоступно — электрофил идёт в 4 или 6.
3. Объёмный электрофил (трет-бутил, сульфогруппа) и объёмный заместитель предпочитают пара.

Планируя синтез, порядок стадий определяют по ориентации: чтобы получить пара-нитробензойную кислоту, сначала нитруют толуол (орто/пара), затем окисляют метил; чтобы получить мета-изомер, сначала окисляют (COOH — мета-ориентант), затем нитруют. Порядок стадий — самый частый вопрос в задачах на синтез замещённых бензолов.

Практика: предсказание продуктов

Три вопроса к любому заместителю: донор или акцептор? орто/пара или мета? сильный или слабый? Ответы на них плюс стерика дают продукт.

Главное: Доноры электронов ускоряют замещение и направляют его в орто- и пара-положения, акцепторы замедляют и направляют в мета; галогены — исключение: замедляют, но направляют в орто/пара. Всё это следует из того, какие резонансные структуры σ-комплекса заместитель стабилизирует.

Урок 54. Реакции боковой цепи и восстановление

Предсказывать реакции алкилбензолов по бензильному положению — галогенирование, окисление до кислот, замещение бензильных галогенидов — и восстанавливать кольцо по Бёрчу или гидрированием.

Бензильное положение

Атом углерода, соединённый с кольцом, называют бензильным. Связь C–H у него слабая (375 кДж/моль): бензильный радикал и катион делокализуют неспаренный электрон или заряд по кольцу (орто- и пара-положения). Следствия:

• бром на свету или NBS замещает бензильный водород: толуол → бензилбромид (в кольцо — только с \(\ce{FeBr3}\) в темноте);
• бензилгалогениды замещаются нуклеофилами очень быстро и по \(S_N1\), и по \(S_N2\) (переходное состояние тоже стабилизировано кольцом): бензилхлорид + вода → бензиловый спирт;
• окисление: горячий перманганат или дихромат превращает любую боковую цепь с бензильным водородом в карбоксильную группу, сколько бы атомов углерода в ней ни было; трет-бутилбензол без бензильного водорода не окисляется.

Восстановление кольца

Ароматическое кольцо гидрируется труднее алкена: нужны никель при \(150\)–\(200\,^\circ\)C и давление или родий/рутений при комнатной температуре; все три двойные связи восстанавливаются сразу (частично гидрированный циклогексадиен реагирует быстрее бензола), боковая цепь и кольцо гидрируются раздельно (стирол → этилбензол при мягких условиях, затем → этилциклогексан).

Восстановление по Бёрчу (1944) — натрий в жидком аммиаке со спиртом — даёт 1,4-циклогексадиен: два электрона и два протона присоединяются в пара-положения. Региохимия: электронодонорные заместители (OR, R) оказываются при двойной связи, акцепторы (COOH) — при \(sp^3\)-атоме. Анизол по Бёрчу даёт 1-метокси-1,4-циклогексадиен — енольный эфир, который гидролизуется в циклогексенон: путь от аренов к стероидным синтезам.

Практика: боковая цепь в синтезе

Бензильное положение — точка входа к спиртам, альдегидам, кислотам и аминам ароматического ряда; окисление боковой цепи — способ «превратить» алкильную группу в карбоксильную, поменяв заодно её ориентирующее действие.

Главное: Бензильное положение — «аллильное» положение аренов: радикал и катион там стабилизированы кольцом, поэтому боковая цепь галогенируется на свету, окисляется до карбоксильной группы и легко замещается. Кольцо же восстанавливается либо целиком (гидрирование), либо до 1,4-диена (Бёрч).

Урок 55. Нуклеофильное ароматическое замещение

Различать два механизма нуклеофильного ароматического замещения — присоединение–отщепление через комплекс Мейзенгеймера и отщепление–присоединение через дегидробензол, знать условия каждого и предсказывать продукты.

Присоединение–отщепление

Хлорбензол не гидролизуется даже кипящей щёлочью: нуклеофил должен атаковать электронообогащённое кольцо, а уходящая группа — покинуть \(sp^2\)-атом. Ситуация меняется, если в орто- или пара-положениях к галогену стоят сильные акцепторы: они принимают отрицательный заряд промежуточного σ-комплекса (анион Мейзенгеймера) на нитрогруппу, и замещение идёт легко.

• хлорбензол + NaOH: только \(350\,^\circ\)C и 300 атм (метод Дау для фенола, через дегидробензол);
• 4-нитрохлорбензол + NaOH: \(130\,^\circ\)C;
• 2,4-динитрохлорбензол: раствор соды при \(100\,^\circ\)C;
• 2,4,6-тринитрохлорбензол (пикрилхлорид): гидролизуется водой.

Порядок реакционной способности галогенов обратен \(S_N2\): F > Cl > Br > I — лимитирует присоединение нуклеофила, а самый электроотрицательный фтор сильнее всего стабилизирует анионный интермедиат. Именно поэтому реактив Сэнгера — 2,4-динитрофторбензол — метит N-концевую аминокислоту пептидов (раздел 19).

Дегидробензол

Без акцепторов замещение галогена возможно только под действием очень сильного основания — амида калия в жидком аммиаке. Механизм иной: основание отрывает протон в орто-положении к галогену, затем уходит галогенид, и образуется дегидробензол (бензин, арин) — молекула с формально тройной связью в кольце; нуклеофил присоединяется к ней, и протон возвращается. Поскольку арин симметричен, нуклеофил может встать на любой из двух его атомов: хлорбензол с меткой \(\ce{^{14}C}\) у атома с хлором даёт анилин с меткой на C1 и C2 поровну (Робертс, 1953). Замещение с «переездом» в соседнее положение называют кине-замещением: 4-хлортолуол даёт смесь мета- и пара-толуидина.

Дегидробензол — не только интермедиат \(S_NAr\): его генерируют из антраниловой кислоты через соль диазония или из орто-галогенфторбензолов и ловят диенами (реакция Дильса–Альдера с фураном или антраценом — доказательство существования).

Практика: замещение в кольце

Ключевые вопросы к задаче на нуклеофильное замещение: есть ли акцепторы в орто/пара к уходящей группе, какой нуклеофил и какое основание, возможны ли изомеры (арин). Уходящей группой в \(S_NAr\) может быть и нитрогруппа, и алкоксигруппа.

Главное: Электронодостаточное кольцо нуклеофилов не пускает. Замещение галогена возможно либо в кольце с сильными акцепторами в орто/пара-положениях (через анионный σ-комплекс), либо под действием сверхсильного основания через дегидробензол — тогда нуклеофил может встать и в соседнее положение.

Урок 56. Полициклические арены

Знать строение и реакционную способность нафталина, антрацена и фенантрена: положения α/β и 9,10, кинетическое и термодинамическое сульфирование, окисление до фталевого ангидрида и антрахинона, присоединение по средним кольцам.

Нафталин

Нафталин \(\ce{C10H8}\) — два сочленённых кольца, десять π-электронов, энергия резонанса 255 кДж/моль (на кольцо меньше, чем у бензола: 128 против 150). Положения неэквивалентны: четыре α (1, 4, 5, 8) и четыре β (2, 3, 6, 7); связь C1–C2 короче (136 пм), чем C2–C3 (142) — в отличие от бензола, связи нафталина «помнят» структуру Кекуле.

Электрофильное замещение идёт в α-положение: σ-комплекс при атаке в α сохраняет ароматичным второе кольцо в двух резонансных структурах из семи, при атаке в β — только в одной. Нитрование и бромирование дают α-продукты. Сульфирование — обратимая реакция, и здесь проявляется кинетический и термодинамический контроль: при \(80\,^\circ\)C — α-нафталинсульфокислота (быстрее), при \(160\,^\circ\)C — β (устойчивее, нет отталкивания с пери-водородом положения 8).

Окисление разрушает одно кольцо: над \(\ce{V2O5}\) при \(400\,^\circ\)C нафталин даёт фталевый ангидрид (промышленное сырьё для пластификаторов и алкидных смол); хромовая смесь на холоду — 1,4-нафтохинон. Гидрирование ступенчато: тетралин (одно кольцо), декалин (оба).

Антрацен и фенантрен

Антрацен (линейный) и фенантрен (угловой) — \(\ce{C14H10}\), 14 π-электронов. Их средние кольца — самые реакционноспособные положения 9 и 10: присоединение брома, реакция Дильса–Альдера с малеиновым ангидридом (антрацен как диен!), окисление до антрахинона и фенантренхинона. Причина — в энергии резонанса: при реакции по 9,10-положениям антрацена остаются два независимых бензольных кольца (\(2\cdot150 = 300\) кДж/моль), теряется лишь \(350 - 300 = 50\) кДж/моль.

Фенантрен устойчивее антрацена (энергия резонанса 385 против 350 кДж/моль): угловая система «богаче» структурами Кекуле (пять против четырёх). Фенантреновый скелет лежит в основе стероидов; антрахинон — основа ализарина и целого класса красителей.

Практика: конденсированные системы

Задачи на полициклические арены — это подсчёт изомеров замещения (у нафталина два монозамещённых, у антрацена три), объяснение α/β-селективности и «цепочки через фталевый ангидрид».

Главное: Конденсированные арены ароматичны как целое, но энергия резонанса на кольцо у них меньше, чем у бензола, поэтому они реагируют легче: нафталин замещается в α-положение, антрацен и фенантрен присоединяют по 9,10-положениям, а окисление «съедает» одно кольцо целиком.

Урок 57. Практикум: синтез замещённых бензолов

Планировать многостадийные синтезы замещённых бензолов: выбирать порядок введения групп по ориентации, использовать защитную сульфогруппу, ацилирование–восстановление и окисление боковой цепи.

Порядок стадий

Алгоритм: 1) выпишите все заместители продукта и их взаимное расположение; 2) для каждого — донор он или акцептор, чем его вводят и в каком виде (нитрогруппа появляется как \(\ce{NO2}\), аминогруппа — из неё восстановлением; карбоксил — окислением алкила; галоген — прямо); 3) найдите такой порядок, при котором каждая следующая группа попадает на своё место; 4) проверьте совместимость условий (Фридель–Крафтс не идёт на дезактивированном кольце и на анилине).

Обход ограничений

Три типичные ловушки и их решения: линейный алкил — через ацилирование и восстановление; амино- или гидроксигруппа рядом с кислотой Льюиса — защита ацилированием (анилин → ацетанилид) или другой порядок; нужный мета-заместитель при аминогруппе — нитровать до восстановления нитрогруппы.

Задачи на распознавание и цепочки

В цепочках с аренами читайте условия над стрелкой: \(\ce{FeBr3}\) — кольцо, свет — боковая цепь, \(\ce{KMnO4}\) — окисление цепи, \(\ce{AlCl3}\) + галогенид — Фридель–Крафтс, Zn(Hg)/HCl — восстановление кетона.

Главное: Порядок стадий — главное решение в синтезе замещённых бензолов: сначала ставят группу, которая направит следующую в нужное место. Ацилирование вместо алкилирования, сульфогруппа как заглушка и окисление боковой цепи — три инструмента, которые меняют правила игры.

Урок 58. Практикум: расчётные задачи на арены

Решать расчётные задачи на арены: формула гомолога по массе и сгоранию, выход нитрования и гидрирования, смеси бензол–циклогексен, число изомеров.

Формула и изомеры

Гомологи бензола: \(M = 14n - 6\); \(\Omega = 4\) означает кольцо, \(\Omega = 5\) — кольцо плюс двойная связь (стирол) или второе кольцо. Число изомеров: \(\ce{C8H10}\) — 4, \(\ce{C9H12}\) — 8, дизамещённые бензолы — 3 (орто, мета, пара).

Выходы и смеси

Бензол не реагирует с бромной водой и холодным перманганатом — по убыли массы или объёма находят долю непредельных примесей; при гидрировании кольцо поглощает три моля водорода.

Комбинированные задачи

Соединяйте данные: сгорание даёт формулу, число моно- и динитропроизводных — симметрию, окисление — число и тип боковых цепей.

Главное: Формула \(\ce{C_nH_{2n-6}}\) и степень ненасыщенности 4 сразу выдают бензольное кольцо; в смесях кольцо «не видно» для бромной воды и холодного перманганата, но требует три моля водорода при гидрировании.

Урок 59. Пробный тур: углеводороды

Решить задачи регионального этапа по всем классам углеводородов: установление структуры, цепочки, механизмы и расчёты в формате тура.

Задача 1. Три углеводорода

Установите структуры по данным и запишите уравнения.

Задача 2. Синтез и механизм

Спланируйте синтез и объясните селективность.

Задача 3. Расчёт

Расчётная задача на смесь углеводородов.

Главное: Задачи на углеводороды в турах комбинируют классы: алкан узнают по числу монохлоридов, алкен — по озонолизу, алкин — по осадку с серебром, арен — по \(\Omega = 4\) и окислению боковой цепи. Решайте письменно, с уравнениями и условиями.

Открыть модуль курса

Уроки 60–68: 9 уроков, 90 заданий.

Критерий освоения: Таблица «субстрат × условия → механизм и продукт» без ошибок; цепочка с реактивом Гриньяра и эпоксидом.

Типичные ошибки: SN2 у третичных субстратов; забывают инверсию; Зайцев вместо Гофмана при объёмных основаниях; Гриньяр при наличии OH/NH; не учитывают перегруппировки в SN1.

Урок 60. Галогенпроизводные: классификация, получение, свойства

Классифицировать галогенпроизводные по типу атома углерода, получать их из алканов, алкенов и спиртов, объяснять полярность и реакционную способность связи C–X и знать важнейшие представители.

Классификация и связь C–X

Галогенпроизводные \(\ce{R-X}\) делят по атому углерода, несущему галоген: первичные (\(\ce{RCH2X}\)), вторичные (\(\ce{R2CHX}\)), третичные (\(\ce{R3CX}\)); аллильные (\(\ce{CH2=CH-CH2X}\)) и бензильные (\(\ce{C6H5CH2X}\)) — с галогеном рядом с π-системой; винильные (\(\ce{CH2=CHX}\)) и арильные (\(\ce{C6H5X}\)) — с галогеном при \(sp^2\)-атоме. Первые пять активны, последние два инертны в замещении: в них связь C–X короче и прочнее, а \(sp^2\)-углерод не подпускает нуклеофил.

Углерод несёт \(\delta+\) и атакуется нуклеофилами, а галогенид-ион уходит тем легче, чем слабее связь и чем стабильнее анион (слабее сопряжённое основание): \(\ce{I-} > \ce{Br-} > \ce{Cl-} \gg \ce{F-}\). Фторалканы почти не реагируют с нуклеофилами — отсюда устойчивость тефлона и фреонов.

Физические свойства: галогеналканы тяжелее и выше кипят, чем алканы (полярность, масса); полигалогениды (хлороформ, \(\ce{CCl4}\), дихлорметан) — тяжёлые негорючие растворители; в воде нерастворимы.

Получение

Для синтеза чаще всего берут спирт: замещение гидроксила галогеном — контролируемый способ поставить галоген в нужное место.

Реакции в обзоре

Три главных типа реакций галогенпроизводных: нуклеофильное замещение (уроки 61–62), элиминирование (урок 63) и образование металлоорганики (урок 64). Замещение даёт спирты (щёлочь в воде), простые эфиры (алкоголяты), нитрилы (KCN), амины (аммиак), сложные эфиры (соли кислот), тиолы (NaSH), алкины (ацетилениды), другие галогениды (Финкельштейн). Отщепление даёт алкены и алкины. Металлы — реактивы Гриньяра и литийорганику, а натрий — реакцию Вюрца.

Главное: Связь C–X полярна, а галогенид-ион — хорошая уходящая группа: галогенпроизводные — универсальные электрофилы и «стартовая площадка» для замещения и отщепления. Реакционная способность растёт от фтора к иоду и от винильных к аллильным.

Урок 61. Реакция SN2

Описывать механизм SN2: кинетику, стереохимию, зависимость скорости от субстрата, нуклеофила, уходящей группы и растворителя; предсказывать продукты с обращением конфигурации.

Механизм и стереохимия

Кристофер Ингольд и Эдуард Хьюз в 1930-х годах разделили нуклеофильное замещение на два механизма по кинетике. В бимолекулярном замещении \(S_N2\) нуклеофил атакует атом углерода с тыла — со стороны, противоположной уходящей группе; в переходном состоянии обе связи частично образованы, три остальных заместителя лежат в одной плоскости; затем связь C–X рвётся, а заместители «выворачиваются» как зонтик на ветру. Скорость \(v = k[\ce{RX}][\ce{Nu}]\).

Стереохимическое следствие — обращение конфигурации (инверсия Вальдена, 1896): (R)-2-бромбутан со щёлочью даёт (S)-бутан-2-ол. Обращается именно геометрия; буква R/S меняется, если старшинство заместителей сохранилось.

От чего зависит скорость

Четыре фактора.

1. Субстрат. Чем больше заместителей у реакционного центра, тем труднее тыловая атака: относительные скорости с \(\ce{I-}\): \(\ce{CH3Br}\) 145, \(\ce{C2H5Br}\) 1, \(\ce{(CH3)2CHBr}\) 0,008, \(\ce{(CH3)3CBr}\) — не идёт. Даже разветвление у соседнего атома мешает: неопентилбромид \(\ce{(CH3)3CCH2Br}\) реагирует в \(10^5\) раз медленнее этилбромида. Аллильные и бензильные субстраты — быстрее обычных первичных (переходное состояние стабилизировано π-системой).
2. Нуклеофил (урок 13): \(\ce{RS-} > \ce{I-} > \ce{CN-} > \ce{RO-} > \ce{OH-} > \ce{Br-} > \ce{NH3} > \ce{Cl-} > \ce{H2O}\) в протонных растворителях; сильнее основание — сильнее нуклеофил для одного атома; крупнее и поляризуемее атом — сильнее.
3. Уходящая группа: \(\ce{I-} > \ce{Br-} > \ce{Cl-} \gg \ce{F-}\); тозилат \(\ce{TsO-}\) и мезилат — превосходные уходящие группы, поэтому спирты переводят в тозилаты (урок 70). \(\ce{OH-}\) и \(\ce{OR-}\) — плохие уходящие группы: спирты не замещаются без активации кислотой.
4. Растворитель. Полярные апротонные (ДМСО, ДМФА, ацетон, ацетонитрил) сольватируют катион, но не анион — «голый» нуклеофил активнее в \(10^3\)–\(10^4\) раз; протонные (вода, спирты) «закутывают» анион водородными связями и замедляют реакцию.

Практика: SN2 в задачах

Типовые задания: предсказать продукт и его конфигурацию, выбрать растворитель и нуклеофил, оценить изменение скорости, объяснить «неожиданную» инертность неопентильных субстратов.

Главное: SN2 — одностадийная атака нуклеофила с тыла: скорость пропорциональна обеим концентрациям, конфигурация обращается, а разветвление у реакционного центра резко замедляет реакцию. Полярные апротонные растворители ускоряют SN2 в тысячи раз.

Урок 62. Реакция SN1

Описывать механизм SN1 через карбокатион: кинетику, рацемизацию, перегруппировки и сольволиз; сравнивать SN1 и SN2 и предсказывать, какой механизм реализуется.

Механизм

Третичные галогениды не реагируют по \(S_N2\) (тыл закрыт), но легко гидролизуются водой: трет-бутилбромид в водном ацетоне даёт трет-бутанол, причём скорость не зависит от концентрации и природы нуклеофила: \(v = k[\ce{RX}]\). Механизм мономолекулярного замещения \(S_N1\): медленная ионизация субстрата в карбокатион и галогенид-ион (растворитель стабилизирует оба), затем быстрый захват катиона нуклеофилом и потеря протона (если нуклеофил нейтральный).

Карбокатион плоский, и нуклеофил атакует его с обеих сторон: из оптически активного субстрата получается рацемат (на практике — с небольшим избытком продукта инверсии, потому что уходящий анион ещё прикрывает одну сторону). Катион может перегруппироваться (урок 14): 3-бром-2,2-диметилбутан в воде даёт 2,3-диметилбутан-2-ол. Сольволиз — замещение, где нуклеофил — растворитель (вода, спирт, муравьиная кислота).

SN1 против SN2

Вторичные субстраты — «поле битвы»: сильный нуклеофил в апротонном растворителе — \(S_N2\), слабый в протонном — \(S_N1\). Аллильные и бензильные — легко по обоим механизмам.

Практика: предсказание продуктов

Определите механизм, затем: инверсия или рацемат, будет ли перегруппировка, не победит ли элиминирование (урок 63).

Главное: SN1 — двухстадийный путь через карбокатион: скорость зависит только от субстрата, конфигурация теряется, а катион успевает перегруппироваться. Его выбирают третичные, аллильные и бензильные субстраты в полярных протонных растворителях.

Урок 63. Реакции E2 и E1

Различать механизмы E2 и E1, применять правило Зайцева и Гофмана, требование анти-перипланарности в открытых цепях и циклогексанах, предсказывать конкуренцию замещения и отщепления.

E2: согласованное отщепление

При нагревании галогеналкана со спиртовой щёлочью основание отрывает протон от β-атома, электроны связи C–H образуют π-связь, и одновременно уходит галогенид: одностадийное бимолекулярное отщепление \(E2\), \(v = k[\ce{RX}][\ce{B}]\). Требование геометрии: связи C–H и C–X должны быть анти-перипланарны (в одной плоскости, под \(180^\circ\)) — только так σ-орбитали превращаются в π-связь. Отсюда стереоспецифичность: из данного диастереомера получается определённый геометрический изомер алкена.

В циклогексанах анти-перипланарны только аксиальные связи: уходящая группа должна быть аксиальной, β-водород — тоже. Ментилхлорид (Cl экваториален в устойчивом конформере) реагирует в 200 раз медленнее неоментилхлорида и даёт «не-зайцевский» алкен — единственный, где есть анти-аксиальный водород.

Региохимия: по Зайцеву (более замещённый алкен), если основание не объёмное (KOH, NaOEt); по Гофману (менее замещённый), если основание объёмное (\(\ce{(CH3)3COK}\)), уходящая группа объёмная (\(\ce{NR3+}\)) или субстрат — фторид.

E1 и E1cB

В слабоосновных протонных условиях третичные галогениды ионизируются в карбокатион, который может либо захватить нуклеофил (\(S_N1\)), либо отдать β-протон растворителю (\(E1\)): продукты идут вместе, отщепление растёт с температурой. \(E1\) даёт зайцевский алкен (термодинамический контроль через катион), рацемизации/стереоспецифичности нет, возможны перегруппировки. Механизм \(E1cB\) (через карбанион) реализуется, когда β-водород кислый (рядом с C=O, \(\ce{NO2}\)), а уходящая группа плохая (\(\ce{OH-}\)): дегидратация альдолей.

Замещение или отщепление

Температура смещает к отщеплению; водный раствор — к замещению, спиртовой — к отщеплению.

Главное: Сильное основание отрывает β-протон одновременно с уходом галогена (E2, анти-перипланарно, по Зайцеву — или по Гофману с объёмным основанием); слабое основание в протонном растворителе даёт катион (E1). Выбор между SN и E решают сила и объём основания, тип субстрата и температура.

Урок 64. Металлоорганические соединения

Получать реактивы Гриньяра, литийорганические соединения и купраты, использовать их как источники нуклеофильного углерода в реакциях с карбонильными соединениями, CO₂, эпоксидами и галогенидами, учитывать несовместимые группы.

Реактивы Гриньяра

Виктор Гриньяр в 1900 году получил, растворяя магний в эфирном растворе галогеналкана, соединения \(\ce{RMgX}\) (Нобелевская премия 1912). Эфир (диэтиловый или ТГФ) обязателен: он координирует магний и стабилизирует реагент; вода, спирты, кислоты — недопустимы. Связь C–Mg сильно полярна: углерод — карбанионный нуклеофил и очень сильное основание (\(pK_a\) алкана 50).

Несовместимые группы в субстрате: \(\ce{OH}\), \(\ce{NH2}\), \(\ce{COOH}\), \(\ce{C#CH}\) (кислые водороды протонируют реагент), \(\ce{C=O}\), \(\ce{CN}\), \(\ce{NO2}\), эфиры кислот (реагируют). Если такие группы нужны в молекуле, их защищают (ацетали для карбонила, силильные эфиры для OH — раздел 24).

Литий- и медьорганические соединения

Литийорганика (\(\ce{RLi}\), из галогенида и лития в гексане или эфире) ещё активнее реактивов Гриньяра: бутиллитий депротонирует даже слабые C–H-кислоты и присоединяется к затруднённым кетонам. Диалкилкупраты лития (реагенты Гилмана, \(\ce{R2CuLi}\), из \(\ce{2RLi + CuI}\)) — «мягкие» нуклеофилы: замещают галоген в галогеналканах и винилгалогенидах (кросс-сочетание Кори–Хауса, связь C–C без Вюрца), присоединяются к енонам по 1,4 (сопряжённо), реагируют с хлорангидридами до кетонов и не трогают обычные кетоны и эфиры.

Практика: металлоорганика в синтезе

Планируя синтез спирта через Гриньяр, разрежьте связь C–C у карбинольного углерода: один фрагмент — из реактива Гриньяра, другой — из карбонильного соединения. У третичного спирта таких разрезов три, у вторичного — два, у первичного — один (формальдегид) или оксид этилена.

Главное: В связи C–Mg и C–Li углерод несёт отрицательный заряд: металлоорганика — сильный нуклеофил и сильное основание. Она строит связи C–C с карбонилами, CO₂ и эпоксидами, но гибнет от любой O–H и N–H группы, поэтому синтез планируют с защитой.

Урок 65. Аллильные, бензильные, винильные и арилгалогениды

Объяснять особую активность аллильных и бензильных галогенидов, предсказывать аллильную перегруппировку и SN2′, объяснять инертность винильных и арильных галогенидов и применять гем- и виц-дигалогениды в синтезе.

Аллильные и бензильные системы

Аллильный катион \(\ce{CH2=CH-CH2+}\) делокализован по двум атомам (урок 14), поэтому даже первичный аллилхлорид легко ионизируется в воде — по \(S_N1\) он реагирует быстрее третичных субстратов. В \(S_N2\) он тоже активнее обычных первичных: переходное состояние стабилизировано перекрыванием с π-системой (аллилхлорид с иодидом реагирует примерно в 80 раз быстрее пропилхлорида, бензилхлорид — в 200 раз). Бензильный катион делокализован по кольцу (три структуры с зарядом в орто- и пара-положениях), и бензилгалогениды столь же активны.

Несимметричная аллильная система даёт смесь продуктов: катион из 1-хлорбут-2-ена и из 3-хлорбут-1-ена один и тот же, вода атакует оба его конца — образуются бут-2-ен-1-ол и бут-3-ен-2-ол. Это аллильная перегруппировка. Она возможна и без катиона: нуклеофил атакует дальний конец двойной связи, которая при этом смещается, а галоген уходит одновременно (\(S_N2'\)) — так реагируют объёмные нуклеофили с затруднёнными аллилгалогенидами.

Винильные и арильные галогениды

Винилхлорид не гидролизуется даже кипящей щёлочью, хлорбензол требует 350 °C и 300 атм (метод Дау, урок 57). Причины: связь \(\ce{C(sp^2)-X}\) короче и прочнее (выше \(s\)-характер орбитали углерода), неподелённая пара галогена сопряжена с π-системой и связь частично двойная, тыловая атака невозможна (мешает плоскость π-системы), а винильный и фенильный катионы крайне неустойчивы — пустая орбиталь лежит в плоскости и не перекрывается с π-электронами. Замещение идёт лишь особыми путями: \(S_NAr\) через анион Мейзенгеймера при нитрогруппах в орто- и пара-положениях, через дегидробензол при действии амида натрия, а также с участием металлов.

Зато винил- и арилгалогениды образуют реактивы Гриньяра и литийорганику и вступают в реакции кросс-сочетания на палладии (Хек, Судзуки, Соногашира — раздел 24): в современном синтезе это главный способ соединять \(sp^2\)-атомы углерода.

Полигалогенпроизводные

Гем-дигалогениды (\(\ce{R-CHX2}\), оба галогена у одного атома) получают из альдегидов и кетонов действием \(\ce{PCl5}\) или из алкинов присоединением двух молекул \(\ce{HX}\); их гидролиз возвращает карбонильное соединение, а двукратное дегидрогалогенирование даёт алкин. Виц-дигалогениды (\(\ce{X-CH2-CH2-X}\)) получают из алкенов; спиртовая щёлочь отщепляет от них две молекулы HX (алкин), а цинк — оба галогена сразу (алкен: так двойную связь «прячут» под бромом и возвращают). Тригалогенметильная группа \(\ce{-CX3}\) гидролизуется до карбоксильной.

Знаменитые представители: хлороформ \(\ce{CHCl3}\) (первый ингаляционный анестетик, 1847; на свету окисляется до фосгена, поэтому хранится с добавкой этанола), четырёххлористый углерод (растворитель и огнетушащее средство, ядовит для печени), дихлорметан (растворитель, экстракция кофеина), тефлон \(\ce{(-CF2-CF2-)_n}\) (полимер тетрафторэтилена, не реагирует ни с чем, кроме расплавленных щелочных металлов), галотан \(\ce{CF3CHBrCl}\) (анестетик), ДДТ.

Главное: Аллильные и бензильные галогениды реагируют по обоим механизмам быстрее любых алкильных, а несимметричные аллильные дают смесь продуктов через делокализованный катион. Винильные и арильные инертны к нуклеофилам, зато образуют металлоорганику и вступают в кросс-сочетание. Гем- и виц-дигалогениды — мостик между карбонильными соединениями, алкенами и алкинами.

Урок 66. Практикум: выбор механизма

По субстрату, реагенту и условиям определять механизм (SN1, SN2, E1, E2), предсказывать продукт, его стереохимию и региохимию, включая циклогексаны и перегруппировки.

Алгоритм

1. Субстрат: метильный или первичный — только \(S_N2\)/\(E2\); третичный — \(S_N1\)/\(E1\) или \(E2\); вторичный — по реагенту; аллильный и бензильный — всё быстро; винильный и арильный — ничего.
2. Реагент: сильный нуклеофил и слабое основание (\(\ce{I-}\), \(\ce{RS-}\), \(\ce{CN-}\), \(\ce{N3-}\)) — замещение; сильное основание (\(\ce{RO-}\), \(\ce{OH-}\) в спирте, \(\ce{NH2-}\)) — отщепление (у первичных при мягких условиях — замещение); объёмное основание — \(E2\) по Гофману; вода или спирт без основания — сольволиз (\(S_N1\) + \(E1\)).
3. Растворитель и температура: апротонный — \(S_N2\); протонный — \(S_N1\); нагрев — к отщеплению.
4. Стереохимия: \(S_N2\) — инверсия, \(S_N1\) — рацемат, \(E2\) — анти-перипланарно (в циклогексане — диаксиально).
5. Проверка: не перегруппируется ли катион, есть ли β-водород, нет ли несовместимых групп.

Стереохимия и региохимия

Стереохимический ответ пишите так: определите механизм, затем «инверсия» или «рацемат», затем проверьте, не изменилось ли старшинство заместителей — иначе буква R/S может остаться прежней при обращении геометрии. Для \(E2\) нарисуйте проекцию Ньюмена или кресло: анти-перипланарный водород определяет и региохимию, и геометрию алкена.

Сложные случаи

Один субстрат в трёх условиях — три разных продукта. Разберите на примере 2-бром-3-метилбутана: вода даёт перегруппированный третичный спирт, этилат — зайцевский алкен, иодид — продукт замещения с инверсией.

Главное: Три вопроса — какой субстрат, какой нуклеофил (или основание), какой растворитель — задают механизм; механизм задаёт стереохимию (инверсия или рацемат), региохимию (Зайцев или Гофман) и возможность перегруппировок. В циклогексанах решает аксиальное положение уходящей группы и β-водорода.

Урок 67. Практикум: галогенпроизводные в синтезе

Строить цепочки превращений через галогенпроизводные (спирт, алкен, алкин, нитрил, амин, кислота, металлоорганика) и планировать синтез спиртов через реактивы Гриньяра.

Карта превращений

Планирование синтеза

Ретросинтетический ход для спирта: карбинольный углерод \(\ce{C-OH}\) разрезаем по любой связи C–C — получаем «реактив Гриньяра + карбонильное соединение». Число разных разрезов равно числу разных заместителей у этого атома. Для кислоты \(\ce{RCOOH}\) — разрез \(\ce{R-MgX + CO2}\) или \(\ce{R-CN}\) с гидролизом. Для алкена — дегидрогалогенирование, для алкина — двойное.

Главное: Галогенпроизводное — узел цепочки: из него делают спирты, алкены, нитрилы, амины, эфиры и металлоорганику, а получают из спиртов, алкенов и алканов. Планируя синтез спирта, режьте связь у карбинольного углерода: один фрагмент — реактив Гриньяра, другой — карбонильное соединение.

Урок 68. Практикум: расчёты

Устанавливать формулу галогенпроизводного по массовой доле галогена, плотности паров, продуктам сгорания и осадку галогенида серебра; считать выходы в реакциях Вюрца, гидролиза, дегидрогалогенирования и Гриньяра; решать задачи на смеси.

Формула по составу и по осадку

Для моногалогеналкана \(\ce{C_nH_{2n+1}X}\): \(M = 14n + 1 + A_X\); из массовой доли \(w = A_X/M\) сразу находят \(M\) и \(n\). Плотность паров даёт \(M\) напрямую. Щелочной гидролиз переводит весь галоген в галогенид-ион, а нитрат серебра (после подкисления азотной кислотой — иначе выпадет оксид серебра) осаждает его количественно: \(n(\ce{AgX}) = n(\ce{RX})\) для моногалогенидов. Продукты сгорания дают число атомов углерода на моль.

Выходы и смеси

Реакция Вюрца: \(\ce{2RX + 2Na -> R-R + 2NaX}\) — на моль алкана два моля галогенида. Дегидрогалогенирование: моль алкена на моль моногалогенида, два моля щёлочи на моль дигалогенида. Карбоксилирование Гриньяра: \(\ce{RX -> RMgX -> RCOOH}\), один к одному. В смесях двух галогенидов составляйте систему: масса смеси и моль осадка (или газа).

Главное: Ключ ко всем расчётам — моль галогенпроизводного: его дают массовая доля галогена, плотность паров, осадок AgX после гидролиза или объём газа. Дальше — стехиометрия уравнения и выход.

Открыть модуль курса