Сульфонаты как уходящие группы

8 заданий

Как получить сульфонат

linkОпора

Урок 90. Спирты в реакциях замещения: HX, SOCl₂, PBr₃ — превращать спирты в галогениды с нужной стереохимией
Урок 84. Стереохимия SN2 — предсказывать обращение конфигурации

В уроке 90 мы превращали спирт в галогенид действием \(\ce{PBr3}\) или \(\ce{SOCl2}\). Есть более универсальный способ: превратить группу OH в сульфонат. Сульфонат-ион — анион сильной кислоты, поэтому он очень хорошая уходящая группа (урок 85). После такой активации спирт вступает в замещение с любым подходящим нуклеофилом, и этот способ мы разберём в этом уроке.

Как превратить спирт в тозилат

Спирт обрабатывают тозилхлоридом \(\ce{TsCl}\) (п-толуолсульфонилхлоридом) в пиридине.
Атом кислорода спирта атакует серу, и уходит хлорид-ион; пиридин связывает выделяющийся HCl.
Связь C–O при этом не рвётся, поэтому конфигурация стереоцентра сохраняется.
Так же получают мезилаты (действием \(\ce{MsCl}\) и \(\ce{Et3N}\)) и трифлаты (действием \(\ce{Tf2O}\)).

Уходящая группа	\(pK_a\) сопряжённой кислоты
\(\ce{TfO-}\) (трифлат)	−14
\(\ce{TsO-}\) (тозилат)	−2,8
\(\ce{MsO-}\) (мезилат)	−1,9
\(\ce{HO-}\)	15,7 (не уходит)

Чем сильнее кислота, тем легче уходит её анион. Три атома фтора трифлата оттягивают электронную плотность и стабилизируют заряд, поэтому трифторметансульфоновая кислота \(\ce{CF3SO3H}\) сильнее толуолсульфоновой на 11 единиц \(pK_a\).

Примеры

1. Бутилтозилат. Бутан-1-ол с тозилхлоридом в пиридине образует бутилтозилат.

\[\ce{C4H9OH + TsCl ->[\text{пиридин}] C4H9OTs + HCl}\]

2. Тозилат в синтезе нитрила. (R)-Бутан-2-ол превращают в (R)-2-бутилтозилат, а тот с цианидом натрия образует (S)-2-метилбутаннитрил.

Тозилирование сохраняет конфигурацию, SN2 её обращает — Тозилирование сохраняет конфигурацию, \(S_N2\) её обращает

3. Трифлаты. Трифлат-ион уходит так легко, что алкилтрифлаты \(\ce{ROTf}\) реагируют даже со слабыми нуклеофилами.

errorТозилирование не затрагивает стереоцентр

При тозилировании реагирует атом кислорода, а не атом углерода. Поэтому у тозилата та же конфигурация, что у спирта, и та же буква: группа OTs, как и OH, — старший заместитель.

edit_noteПопробуйте сами

Зачем тозилирование проводят в пиридине?

expand_moreПоказать решение

Пиридин связывает выделяющийся хлороводород и служит растворителем.

Тозилат в синтезе

Тозилирование и следующая за ним стадия \(S_N2\) (урок 84) образуют универсальную схему. С её помощью группу OH заменяют на любой нуклеофил, и конфигурация при этом обращается ровно один раз.

Как спланировать замещение OH

Превратите спирт в тозилат; конфигурация сохраняется.
Проведите замещение \(S_N2\) нужным нуклеофилом в апротонном растворителе; конфигурация обращается.
В итоге конфигурация обращается один раз, и перегруппировок нет.
Если нужна исходная конфигурация, проведите два замещения \(S_N2\) подряд, например через иодид.

\[(R)\text{-}\ce{ROH} \xrightarrow{\ce{TsCl}} (R)\text{-}\ce{ROTs} \xrightarrow{\ce{CH3COO-}} (S)\text{-}\ce{ROCOCH3} \xrightarrow{\ce{KOH}} (S)\text{-}\ce{ROH}\]

Примеры

1. Нитрил с обращением. (S)-Пентан-2-ол с тозилхлоридом в пиридине образует (S)-тозилат, а тот с цианидом натрия в ДМСО — (R)-2-метилпентаннитрил \(\ce{C3H7CH(CH3)CN}\).

2. Сульфид. Пропан-1-ол превращают в пропилтозилат, а тот с метантиолятом натрия образует метилпропилсульфид.

3. Обращение конфигурации спирта (задача из пособия Сальникова, схема выше). (R)-Октан-2-ол \(\ce{C8H17OH}\) с тозилхлоридом образует тозилат. Ацетат натрия в ДМФА замещает тозилат-ион с обращением, и получается (S)-2-октилацетат. При гидролизе щёлочью связь у стереоцентра не затрагивается, поэтому образуется (S)-октан-2-ол.

errorТозилат и объёмное основание дают отщепление

Вторичный тозилат с трет-бутоксидом калия образует алкен (E2), а не продукт замещения. Для замещения берут хороший нуклеофил, который при этом слабое основание.

edit_noteПопробуйте сами

Как из (R)-гексан-2-ола получить (S)-2-азидогексан?

expand_moreПоказать решение

Сначала тозилхлоридом в пиридине получить (R)-тозилат, затем действием азида натрия в ДМФА провести замещение \(S_N2\) с обращением: образуется (S)-азид.

push_pinГлавное

Сульфонаты — тозилаты (TsO⁻, \(\ce{CH3C6H4SO3-}\)), мезилаты (MsO⁻, \(\ce{CH3SO3-}\)), трифлаты (TfO⁻, \(\ce{CF3SO3-}\)) — отличные уходящие группы: сопряжённые основания сильных кислот, заряд делокализован по трём атомам кислорода. Спирт + TsCl/пиридин даёт тозилат с сохранением конфигурации (связь C–O не рвётся); затем \(S_N2\) — обращение. Итог: замещение OH с обращением без перегруппировок.

Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.