Галогенпроизводные: замещение и элиминирование
О модуле
Выбирать механизм замещения или отщепления по субстрату, реагенту и условиям, предсказывать стереохимию и использовать металлоорганику для образования связей C–C.
Уроки 60–68: 9 уроков, 90 заданий, около 10 ч работы.
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.
Конспект модуля
menu_bookГалогенпроизводные: классификация, получение, свойства · урок 60expand_more
Классификация и связь C–X
Фреон десятилетиями считали образцом безопасности: негорюч, нетоксичен, ни с чем не реагирует. Тефлон не берёт даже царская водка. А иодметан — один из самых активных реагентов в лаборатории. Все три — галогенпроизводные, и различает их связь C–X. Галогенпроизводные \(\ce{R-X}\) делят по атому углерода, несущему галоген: первичные (\(\ce{R-CH2-X}\)), вторичные (\(\ce{R2CHX}\)), третичные (\(\ce{R3CX}\)); аллильные (\(\ce{CH2=CH-CH2-X}\)) и бензильные (\(\ce{C6H5-CH2-X}\)) — с галогеном рядом с π-системой; винильные (\(\ce{CH2=CH-X}\)) 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.
| Связь | Длина, пм | Энергия, кДж/моль | Дипольный момент \(\ce{CH3X}\), Д | \(pK_a\) кислоты HX |
|---|---|---|---|---|
| \(\ce{C-F}\) | 138 | 452 | 1,85 | 3,2 |
| \(\ce{C-Cl}\) | 177 | 339 | 1,87 | \(-7\) |
| \(\ce{C-Br}\) | 194 | 285 | 1,81 | \(-9\) |
| \(\ce{C-I}\) | 214 | 213 | 1,62 | \(-10\) |
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); хлорметан и хлорэтан — газы, дальше жидкости; полигалогениды (хлороформ, \(\ce{CCl4}\), дихлорметан) — тяжёлые негорючие растворители; в воде нерастворимы, но тяжелее её (бром- и иодпроизводные тонут).
edit_noteПолярность против прочности
Связь C–F самая полярная, а фторалканы самые инертные; связь C–I почти неполярна, а иодалканы самые активные. Реакция идёт не там, где больше \(\delta+\), а там, где связь легче рвётся и уходящая группа устойчивее: иодид — слабейшее основание среди галогенидов и лучше всего поляризуется. Полярность связи говорит, куда пойдёт нуклеофил, прочность — с какой скоростью.
auto_awesomeФреоны и озон
Хлорфторуглероды (фреоны, \(\ce{CCl2F2}\)) — негорючие, нетоксичные хладагенты, идеальные для холодильников и аэрозолей, — оказались разрушителями озонового слоя: в стратосфере УФ отрывает от них атом хлора, а один атом хлора уничтожает до \(10^5\) молекул озона по цепному механизму (Молина и Роуленд, Нобелевская премия 1995). Монреальский протокол 1987 года запретил их — единственный пример успешного глобального «химического» соглашения.
Получение
Галогенпроизводные получают из всех классов, которые мы уже прошли: замещением в алканах и аренах, присоединением к алкенам и алкинам, а чаще всего — из спиртов, где галоген встаёт точно на место гидроксила.
scienceПолучение галогенпроизводных
- \(\ce{CH3-CH2-CH3 + Br2 ->[h\nu] CH3-CH(Br)-CH3 + HBr}\) — радикальное галогенирование (бром селективен ко вторичному и третичному положению, хлор даёт смеси).
- \(\ce{CH3-CH=CH2 + HBr -> CH3-CH(Br)-CH3}\) — по Марковникову; \(\ce{CH3-CH=CH2 + HBr ->[ROOR] CH3-CH2-CH2-Br}\) — против.
- \(\ce{CH3-CH=CH2 + Br2 -> CH3-CH(Br)-CH2-Br}\) — вицинальные дигалогениды; алкины дают тетрагалогениды; \(\ce{CH3-C#CH + 2HBr -> CH3-CBr2-CH3}\) — гем-дигалогениды.
- \(\ce{(CH3)3C-OH + HCl -> (CH3)3C-Cl + H2O}\) — третичные спирты с HX на холоду; первичные — при нагревании с \(\ce{ZnCl2}\) (реактив Лукаса) или \(\ce{H2SO4}\).
- \(\ce{CH3-CH2-CH2-OH + SOCl2 -> CH3-CH2-CH2-Cl + SO2 + HCl}\); \(\ce{3CH3-CH2-CH2-OH + PBr3 -> 3CH3-CH2-CH2-Br + H3PO3}\) — без перегруппировок (урок 70).
- \(\ce{CH3-CH2-CH2-Cl + NaI ->[\text{ацетон}] CH3-CH2-CH2-I + NaCl v}\) — реакция Финкельштейна: NaCl нерастворим в ацетоне и выпадает, смещая равновесие.
- \(\ce{CH2=CH-CH3 + Cl2 ->[500\ ^\circ C] CH2=CH-CH2-Cl + HCl}\); \(\ce{C6H5-CH3 + Cl2 ->[h\nu] C6H5-CH2-Cl + HCl}\) — аллильные и бензильные.
- \(\ce{C6H6 + Br2 ->[FeBr3] C6H5Br + HBr}\); \(\ce{C6H5N2+Cl- ->[CuCl] C6H5Cl + N2}\) — арилгалогениды: электрофильным замещением или из солей диазония (Зандмейер, раздел 16).
- \(\ce{CH3-COOAg + Br2 ->[CCl4, t] CH3-Br + CO2 + AgBr}\) — реакция Бородина–Хунсдикера: галогенид на атом углерода короче кислоты.
Для синтеза чаще всего берут спирт: замещение гидроксила галогеном — контролируемый способ поставить галоген в нужное место. Из алкана прямой путь есть только к третичным бромидам (бром) и к единственному продукту у симметричных молекул.
Реакции в обзоре
Три главных типа реакций галогенпроизводных: нуклеофильное замещение (уроки 61–62), элиминирование (урок 63) и образование металлоорганики (урок 64). Замещение даёт спирты, простые эфиры, нитрилы, амины, сложные эфиры, тиолы, алкины, другие галогениды; отщепление — алкены и алкины; металлы — реактивы Гриньяра и литийорганику, а натрий — реакцию Вюрца.
scienceОдин бромид — десять классов
- \(\ce{CH3-CH2-CH2-Br + NaOH ->[H2O] CH3-CH2-CH2-OH + NaBr}\) — спирт.
- \(\ce{CH3-CH2-CH2-Br + KOH ->[\text{спирт}, t] CH3-CH=CH2 + KBr + H2O}\) — алкен.
- \(\ce{CH3-CH2-CH2-Br + CH3ONa -> CH3-CH2-CH2-O-CH3 + NaBr}\) — простой эфир (синтез Вильямсона).
- \(\ce{CH3-CH2-CH2-Br + KCN -> CH3-CH2-CH2-CN + KBr}\) — нитрил, цепь плюс один атом.
- \(\ce{CH3-CH2-CH2-Br + 2NH3 -> CH3-CH2-CH2-NH2 + NH4Br}\) — амин.
- \(\ce{CH3-CH2-CH2-Br + CH3-COONa -> CH3-COO-CH2-CH2-CH3 + NaBr}\) — сложный эфир.
- \(\ce{CH3-CH2-CH2-Br + NaSH -> CH3-CH2-CH2-SH + NaBr}\) — тиол.
- \(\ce{CH3-CH2-CH2-Br + HC#CNa -> HC#C-CH2-CH2-CH3 + NaBr}\) — алкин, цепь плюс два атома.
- \(\ce{CH3-CH2-CH2-Br + Mg ->[\text{эфир}] CH3-CH2-CH2-MgBr}\) — реактив Гриньяра.
- \(\ce{2CH3-CH2-CH2-Br + 2Na -> C6H14 + 2NaBr}\) — гексан по Вюрцу.
boltЧитайте реагент
Водный раствор щёлочи — спирт; спиртовой раствор при нагревании — алкен; аммиак — амин; цианид — нитрил; ацетиленид — алкин; магний в эфире — реактив Гриньяра; натрий — Вюрц. Одна таблица закрывает все цепочки с галогеналканами.
push_pinГлавное
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.
menu_bookРеакция SN2 · урок 61expand_more
Механизм и стереохимия
Пауль Вальден в 1896 году получил из (−)-яблочной кислоты (+)-хлорянтарную, а из неё — снова яблочную, но уже (+): где-то по дороге молекула «вывернулась наизнанку». Объяснение пришло через сорок лет. 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): (R)-2-бромбутан со щёлочью даёт (S)-бутан-2-ол. Обращается именно геометрия; буква R/S меняется, если старшинство заместителей сохранилось.
scienceSN2 в чистом виде
- \(\ce{CH3-Br + NaOH -> CH3-OH + NaBr}\) — самый быстрый субстрат: тыл открыт.
- (R)-\(\ce{CH3-CH(Br)-CH2-CH3 + NaOH ->[H2O]}\) (S)-\(\ce{CH3-CH(OH)-CH2-CH3 + NaBr}\) — инверсия Вальдена.
- \(\ce{CH3-CH2-Br + NaI ->[\text{ацетон}] CH3-CH2-I + NaBr}\) — Финкельштейн; с (S)-2-бромбутаном и иодидом рацемизация: иодид сам уходит, и каждая молекула обращается многократно.
- \(\ce{CH3-CH2-Br + (CH3)3N -> [(CH3)3N-CH2-CH3]+Br-}\) — реакция Меншуткина: нейтральный нуклеофил, четвертичная соль.
- \(\ce{CH3-CH2-Br + NaN3 ->[\text{ДМФА}] CH3-CH2-N3 + NaBr}\) — азид: путь к аминам без переалкилирования.
history_eduВальден и тайна обращения
Какая именно стадия цикла Вальдена шла с обращением, выяснил Ингольд, сопоставив кинетику и стереохимию: замещение с бимолекулярной кинетикой всегда обращает конфигурацию. Так родилось само понятие механизма реакции.
От чего зависит скорость
Четыре фактора.
- 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 \(\ce{(CH3)3C-CH2-Br}\) реагирует в \(10^5\) раз медленнее этилбромида. Аллильные и бензильные субстраты — быстрее обычных первичных (переходное состояние стабилизировано π-системой).
- 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.
- 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.
- 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.
| Растворитель | Тип | Относительная скорость \(\ce{CH3I + Cl-}\) |
|---|---|---|
| метанол | протонный | 1 |
| вода | протонный | 7 |
| ДМФА | апротонный | \(1{,}2\cdot10^6\) |
| ДМСО | апротонный | \(1{,}3\cdot10^6\) |
| ацетонитрил | апротонный | \(5\cdot10^3\) |
edit_noteПочему неопентил так медлителен
Формально неопентилбромид первичный, и катион он давать не может. Но при тыловой атаке нуклеофил упирается в три метильные группы соседнего четвертичного атома — «зонтик» не может раскрыться. Итог: замещение идёт в \(10^5\) раз медленнее, чем у этилбромида, а при попытке сольволиза молекула перегруппировывается. В задачах неопентильные субстраты — сигнал «замещения не будет».
boltПодпись SN2
Первичный (или метильный) субстрат, сильный нуклеофил, апротонный растворитель, инверсия — SN2. Если хоть два признака «против» (третичный субстрат, слабый нуклеофил, вода) — думайте об SN1.
Практика: SN2 в задачах
Типовые задания: предсказать продукт и его конфигурацию, выбрать растворитель и нуклеофил, оценить изменение скорости, объяснить «неожиданную» инертность неопентильных субстратов.
edit_noteСинтез Вильямсона: как выбрать пару
Метилпропиловый эфир можно «разрезать» двумя способами: \(\ce{CH3-X + C3H7O-}\) или \(\ce{C3H7-X + CH3O-}\). Оба субстрата первичные, обе пары сработают, но метилиодид реагирует быстрее и не даёт отщепления вовсе. Для трет-бутилэтилового эфира выбора нет: трет-бутилат калия и бромэтан; обратная пара (трет-бутилбромид и этилат) даст только 2-метилпропен.
push_pinГлавное
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.
menu_bookРеакция SN1 · урок 62expand_more
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): 2-бром-3,3-диметилбутан в воде даёт 2,3-диметилбутан-2-ол. Сольволиз — замещение, где нуклеофил — растворитель (вода, спирт, муравьиная кислота).
| Субстрат (сольволиз в 80 % этаноле, 25 °C) | Относительная скорость |
|---|---|
| \(\ce{CH3-Br}\) | 1 |
| \(\ce{CH3-CH2-Br}\) | 1 |
| \(\ce{(CH3)2CH-Br}\) | 12 |
| \(\ce{(CH3)3C-Br}\) | \(1{,}2\cdot10^6\) |
| \(\ce{C6H5-CH2-Br}\) | \(\approx 10^4\) |
scienceРеакции SN1
- \(\ce{(CH3)3CBr + H2O -> (CH3)3COH + HBr}\) — гидролиз третичного бромида (сольволиз).
- \(\ce{(CH3)3CCl + C2H5OH -> (CH3)3C-O-C2H5 + HCl}\) — этанолиз.
- \(\ce{C6H5-CH(CH3)-Br + H2O -> C6H5-CH(CH3)-OH + HBr}\) — бензильный субстрат: рацемат.
- \(\ce{(CH3)3C-CH(Br)-CH3 + H2O -> (CH3)2C(OH)-CH(CH3)2 + HBr}\) — перегруппировка вторичного катиона в третичный.
- \(\ce{(CH3)3CCl + AgNO3 ->[C2H5OH] (CH3)3C-O-C2H5 + AgCl v + HNO3}\) — нитрат серебра «вытягивает» галогенид: осадок AgCl выпадает мгновенно с третичными, медленно со вторичными и только при нагревании с первичными галогенидами — качественная проба на тип субстрата.
edit_noteСкорость и уходящая группа
Ионизация — лимитирующая стадия, поэтому уходящая группа важна и для SN1: трет-бутилиодид сольволизуется быстрее хлорида примерно в 100 раз, а трет-бутилфторид в воде не реагирует. Нуклеофил же на скорость не влияет никак: с гидроксидом и с водой трет-бутилбромид гидролизуется с одной и той же константой.
SN1 против SN2
| Признак | \(S_N1\) | \(S_N2\) |
|---|---|---|
| стадии | две (катион) | одна |
| кинетика | \(v = k[\ce{RX}]\) | \(v = k[\ce{RX}][\ce{Nu}]\) |
| субстрат | третичный > вторичный; аллильный, бензильный | метильный > первичный > вторичный |
| нуклеофил | слабый годится (вода, спирт) | нужен сильный |
| растворитель | полярный протонный (вода, спирты, HCOOH) | полярный апротонный (ДМСО, ДМФА, ацетон) |
| стереохимия | рацемизация | инверсия |
| перегруппировки | да | нет |
| уходящая группа | важна (лимитирующая ионизация) | важна |
Вторичные субстраты — «поле битвы»: сильный нуклеофил в апротонном растворителе — \(S_N2\), слабый в протонном — \(S_N1\). Аллильные и бензильные — легко по обоим механизмам.
edit_noteОдна и та же молекула — два механизма
2-Бромбутан с иодидом натрия в ацетоне даёт (S)-2-иодбутан из (R)-бромида: инверсия, SN2. Тот же (R)-2-бромбутан в кипящем метаноле без основания даёт почти рацемический 2-метоксибутан: слабый нуклеофил, протонный растворитель, катион — SN1. С этилатом натрия в этаноле замещения почти нет вовсе — идёт E2 (урок 63).
boltТри вопроса
Какой субстрат? Какой нуклеофил (сильный/слабый, объёмный)? Какой растворитель? Ответы дают механизм, а механизм — стереохимию и перегруппировки.
Практика: предсказание продуктов
Определите механизм, затем: инверсия или рацемат, будет ли перегруппировка, не победит ли элиминирование (урок 63). Проверьте себя пробой с нитратом серебра: если осадок галогенида серебра выпадает на холоду — субстрат склонен к ионизации, и это территория SN1.
push_pinГлавное
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.
menu_bookРеакции E2 и E1 · урок 63expand_more
E2: согласованное отщепление
Ментилхлорид и неоментилхлорид отличаются только положением одного заместителя, но отщепляют HCl с разницей в скорости в двести раз и дают разные алкены. Геометрия решает всё. 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.
scienceE2
- \(\ce{CH3-CH(Br)-CH2-CH3 + KOH ->[\text{спирт}, t] CH3-CH=CH-CH3 + KBr + H2O}\) (81 %, в основном транс) \(+ \ce{CH2=CH-CH2-CH3}\) (19 %).
- \(\ce{CH3-CH(Br)-CH2-CH3 + (CH3)3COK -> CH2=CH-CH2-CH3 + KBr + (CH3)3COH}\) (53 %) — Гофман с объёмным основанием.
- \(\ce{C6H5-CH(Br)-CH3 + NaOC2H5 -> C6H5-CH=CH2 + NaBr + C2H5OH}\) — стирол.
- \(\ce{(CH3)3C-Br + NaOC2H5 -> (CH3)2C=CH2 + NaBr + C2H5OH}\) — третичный субстрат с сильным основанием: только отщепление, замещения нет.
- Цис-1-бром-2-метилциклогексан \(\ce{+ NaOC2H5 ->}\) 1-метилциклогексен (Зайцев); транс-изомер \(\ce{->}\) 3-метилциклогексен — конформационный контроль.
- \(\ce{CH3-CH2-CH2-CH2-F + (CH3)3COK -> CH2=CH-CH2-CH3 + KF + (CH3)3COH}\) — фторид уходит плохо, переходное состояние карбанионное, региохимия по Гофману.
edit_noteСтереоспецифичность на примере
(1R,2R)-1-Бром-1,2-дифенилпропан с этилатом даёт только (Z)-1,2-дифенилпропен, а (1R,2S)-изомер — только (E). В каждом диастереомере есть лишь одна конформация, где H и Br анти-перипланарны, и заместители «заморожены» в ней: их взаимное положение переходит в геометрию алкена. Так по продукту E2 устанавливают конфигурацию исходного вещества.
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.
| \(E2\) | \(E1\) | \(E1cB\) | |
|---|---|---|---|
| кинетика | второй порядок | первый | второй (через анион) |
| основание | сильное, стехиометрическое | слабое (растворитель) | слабое или среднее |
| субстрат | любой с β-H (первичные — только E2) | третичный, вторичный | с кислым β-H и плохой уходящей группой |
| стереохимия | анти-перипланарно, стереоспецифично | нет требований | нет требований |
| региохимия | Зайцев (или Гофман) | Зайцев | к сопряжению с акцептором |
| перегруппировки | нет | да | нет |
scienceE1 и E1cB
- \(\ce{(CH3)3C-Br + C2H5OH ->[t] (CH3)2C=CH2 + (CH3)3C-O-C2H5 + HBr}\) — сольволиз: E1 и SN1 из одного катиона; при \(25\ ^\circ\)C алкена 20 %, при \(65\ ^\circ\)C — 36 %.
- \(\ce{(CH3)2CH-CH(Br)-CH3 + H2O ->[t] (CH3)2C=CH-CH3 + HBr}\) — E1 с перегруппировкой: вторичный катион гидридным сдвигом стал третичным, продукт — тризамещённый 2-метилбут-2-ен (Зайцев).
- \(\ce{CH3-CH(OH)-CH2-CHO ->[NaOH] CH3-CH=CH-CHO + H2O}\) — E1cB: енолят выталкивает гидроксид, продукт сопряжён с карбонилом.
- \(\ce{CH3-CH(OH)-CH2-NO2 ->[\text{основание}] CH3-CH=CH-NO2 + H2O}\) — нитроалкены по тому же механизму.
Замещение или отщепление
| Субстрат | Слабый нуклеофил/основание (вода, спирт) | Сильный нуклеофил, слабое основание (\(\ce{I-}\), \(\ce{RS-}\), \(\ce{CN-}\), \(\ce{N3-}\)) | Сильное основание (\(\ce{OH-}\), \(\ce{RO-}\)) | Объёмное основание (\(\ce{t\text{-}BuOK}\)) |
|---|---|---|---|---|
| метильный | медленно SN2 | SN2 | SN2 | SN2 |
| первичный | медленно SN2 | SN2 | SN2 (E2 при нагревании и разветвлении) | E2 (Гофман) |
| вторичный | SN1 + E1 | SN2 | E2 (в основном) | E2 (Гофман) |
| третичный | SN1 + E1 | SN1 + E1 | E2 | E2 |
Температура смещает к отщеплению; водный раствор — к замещению, спиртовой — к отщеплению.
edit_noteОдин субстрат, четыре реагента
2-Бромбутан: с водной щёлочью на холоду — в основном бутан-2-ол (SN2 с примесью E2); с иодидом натрия в ацетоне — 2-иодбутан (чистое SN2); с этилатом натрия при нагревании — бут-2-ен и бут-1-ен (E2, Зайцев); с трет-бутилатом калия — бут-1-ен (E2, Гофман); в кипящем этаноле без основания — смесь 2-этоксибутана и бутенов (SN1 и E1). Пять условий — пять ответов из одной таблицы.
boltСпирт или алкен
Первичный + щёлочь в воде — спирт. Любой + спиртовая щёлочь при нагревании — алкен. Третичный + любая щёлочь — алкен; третичный + вода — спирт. Эти четыре строки решают 90 % цепочек.
push_pinГлавное
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.
menu_bookМеталлоорганические соединения · урок 64expand_more
Реактивы Гриньяра
Как заставить атом углерода стать нуклеофилом? Связать его с металлом, который отдаст ему электроны. 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).
scienceРеакции реактивов Гриньяра
- \(\ce{RBr + Mg ->[\text{эфир}] RMgBr}\) — получение; работает для первичных, вторичных, третичных, винильных и арильных галогенидов.
- \(\ce{RMgBr + H2O -> RH + Mg(OH)Br}\) — гидролиз: реагент «убивается» водой; с \(\ce{D2O}\) — способ ввести дейтерий.
- \(\ce{RMgBr + HCHO -> R-CH2-OMgBr ->[H3O+] R-CH2-OH}\) — первичный спирт (цепь + 1 атом).
- \(\ce{RMgBr + R'-CHO -> R-CH(OH)-R'}\) — вторичный спирт; \(\ce{RMgBr + R'-CO-R'' -> RR'R''C-OH}\) — третичный.
- \(\ce{RMgBr + CO2 -> R-COOMgBr ->[H3O+] R-COOH}\) — карбоновая кислота (цепь + 1).
- \(\ce{RMgBr + C2H4O -> R-CH2-CH2-OMgBr ->[H3O+] R-CH2-CH2-OH}\) — с оксидом этилена: первичный спирт (цепь + 2).
- \(\ce{2RMgBr + R'COOR'' -> R'-C(OH)R2 + R''OH}\) — сложный эфир даёт третичный спирт с двумя одинаковыми R; \(\ce{RMgBr + R'-CN -> R-CO-R'}\) — кетон из нитрила (после гидролиза имина).
- \(\ce{2RMgBr + O2 -> 2ROMgBr}\); \(\ce{ROMgBr + H2O -> ROH + Mg(OH)Br}\) — окисление кислородом воздуха (через пероксид): ещё одна причина работать в инертной атмосфере.
- \(\ce{RMgBr + HC#C-R' -> HR + R'-C#C-MgBr}\) — с концевыми алкинами: реагент Иоцича вместо присоединения.
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).
edit_noteСчитаем атомы углерода
Реактив Гриньяра из бромэтана содержит два атома углерода. С формальдегидом получится пропан-1-ол (\(2 + 1\)), с ацетальдегидом — бутан-2-ол (\(2 + 2\)), с ацетоном — 2-метилбутан-2-ол (\(2 + 3\)), с углекислым газом — пропановая кислота (\(2 + 1\)), с оксидом этилена — бутан-1-ол (\(2 + 2\)), с этилацетатом — 3-метилпентан-3-ол (\(2 + 2 + 2\): две молекулы реагента). Прежде чем называть продукт, сложите атомы.
history_eduСухой эфир
Гриньяр начинал с работ Барбье, который вводил магний прямо в смесь галогенида и кетона; Гриньяр догадался сначала получить металлоорганику отдельно. Реакция стала главным инструментом синтеза спиртов и до сих пор входит в первую пятёрку самых используемых реакций.
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.
scienceЛитий и медь
- \(\ce{RBr + 2Li -> RLi + LiBr}\); \(\ce{2RLi + CuI -> R2CuLi + LiI}\).
- \(\ce{R2CuLi + R'X -> R-R' + RCu + LiX}\) — кросс-сочетание (первичные и винильные галогениды); \(\ce{(CH3)2CuLi + CH3-CH2-CH2-CH2-Br -> C5H12 + CH3Cu + LiBr}\) — пентан.
- \(\ce{R2CuLi + CH2=CH-CO-CH3 -> R-CH2-CH2-CO-CH3}\) — 1,4-присоединение к енону; реактив Гриньяра дал бы 1,2-присоединение.
- \(\ce{R2CuLi + R'-COCl -> R-CO-R'}\) — кетоны из хлорангидридов (Гриньяр «проскочил» бы до третичного спирта).
- \(\ce{BuLi + HC#C-R -> LiC#C-R + BuH}\) — депротонирование; \(\ce{BuLi + C6H5-CH3 -> C6H5-CH2-Li + BuH}\) — даже толуол.
- \(\ce{2CH3-CH2-Li + CH3-COOH -> CH3-CO-CH2-CH3 + \ldots}\) — литийорганика с карбоновой кислотой даёт кетон (через дилитиевую соль); Гриньяр лишь протонируется.
| Реагент | Основность | Нуклеофильность | С енонами | С хлорангидридами |
|---|---|---|---|---|
| \(\ce{RLi}\) | очень сильное основание | жёсткий, очень активен | 1,2 | третичный спирт |
| \(\ce{RMgX}\) | сильное основание | жёсткий | 1,2 (с \(\ce{CuI}\) — 1,4) | третичный спирт |
| \(\ce{R2CuLi}\) | слабое | мягкий | 1,4 | кетон |
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.
edit_noteЗащита перед Гриньяром
Нужен 5-гидроксипентан-2-ол из 4-бромбутан-1-ола и ацетальдегида. Прямо магний добавить нельзя: гидроксил тут же протонирует реагент. Порядок: защитить OH силиловым эфиром (TBDMSCl, имидазол) → магний в ТГФ → ацетальдегид → водная обработка → снять защиту фторидом тетрабутиламмония. Три лишние стадии, но без них реакция невозможна.
push_pinГлавное
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.
menu_bookАллильные, бензильные, винильные и арилгалогениды · урок 65expand_more
Аллильные и бензильные системы
Аллилхлорид гидролизуется тёплой водой, а его «сосед» 1-хлорпропан — нет; бензилхлорид «слезоточит», потому что реагирует с влагой слизистых. Причина одна: катион рядом с π-системой. Аллильный катион \(\ce{CH2=CH-CH2+}\) делокализован по двум атомам (урок 14), поэтому даже первичный аллилхлорид легко ионизируется — 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 нуклеофилы с затруднёнными аллилгалогенидами.
scienceАллильные и бензильные галогениды
- \(\ce{CH2=CH-CH3 + NBS ->[h\nu] CH2=CH-CH2-Br}\) — аллильное бромирование N-бромсукцинимидом (низкая концентрация \(\ce{Br2}\) исключает присоединение к двойной связи).
- \(\ce{CH2=CH-CH2-Cl + H2O -> CH2=CH-CH2-OH + HCl}\) — гидролиз аллилхлорида без катализатора.
- \(\ce{CH3-CH=CH-CH2-Cl + H2O -> CH3-CH=CH-CH2-OH + HCl}\) — и одновременно изомерный бут-3-ен-2-ол (аллильная перегруппировка).
- \(\ce{C6H5-CH3 + Cl2 ->[h\nu] C6H5-CH2-Cl + HCl}\); \(\ce{C6H5-CH2-Cl + NaOH ->[H2O] C6H5-CH2-OH + NaCl}\) — бензиловый спирт.
- \(\ce{C6H5-CHCl2 + H2O -> C6H5-CHO + 2HCl}\) — бензальдегид из бензальхлорида (гем-дигалогенид).
- \(\ce{C6H5-CCl3 + 2H2O -> C6H5-COOH + 3HCl}\) — бензойная кислота из бензотрихлорида.
- \(\ce{CH2=CH-CH2-Cl + Mg ->[\text{эфир}] CH2=CH-CH2-MgCl}\) — аллилмагнийхлорид; побочно — сочетание в гекса-1,5-диен.
- \(\ce{C6H5-CH2-Cl + KCN -> C6H5-CH2-CN + KCl}\) — фенилацетонитрил: цепь плюс один атом, путь к фенилуксусной кислоте.
edit_noteПочему хлор в аллилхлориде «горячий», а в винилхлориде «замороженный»
В обоих веществах хлор рядом с двойной связью, но в винилхлориде он на \(sp^2\)-атоме: пара хлора сопряжена с π-системой, связь укорочена и упрочнена, а катион на \(sp^2\)-атоме был бы очень неустойчив. В аллилхлориде хлор на \(sp^3\)-атоме через одну связь от π-системы: связь C–Cl обычная, а катион после её разрыва делокализован. Один атом углерода разницы — тысячи раз в скорости.
Винильные и арильные галогениды
Винилхлорид не гидролизуется даже кипящей щёлочью, хлорбензол требует 350 °C и 300 атм (метод Дау, урок 55). 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.
| Субстрат | \(\ce{NaOH}\), вода, 100 °C | \(\ce{Mg}\), эфир | \(\ce{NaI}\), ацетон |
|---|---|---|---|
| хлорбензол | не реагирует | фенилмагнийхлорид | не реагирует |
| винилхлорид | не реагирует | винилмагнийхлорид | не реагирует |
| бензилхлорид | бензиловый спирт | бензилмагнийхлорид | бензилиодид |
| аллилхлорид | аллиловый спирт | аллилмагнийхлорид | аллилиодид |
scienceЧто всё-таки делают винил- и арилгалогениды
- \(\ce{nCH2=CH-Cl ->[ROOR] (-CH2-CH(Cl)-)_n}\) — винилхлорид полимеризуется в ПВХ: двойная связь работает, хлор остаётся.
- \(\ce{CH2=CH-Cl + HCl -> CH3-CHCl2}\) — присоединение по Марковникову: катион у атома с хлором стабилизирован его парой.
- \(\ce{C6H5Br + Mg ->[\text{эфир}] C6H5MgBr}\); \(\ce{C6H5MgBr + CO2 -> C6H5-COOMgBr ->[H3O+] C6H5-COOH}\) — бензойная кислота из бромбензола.
- \(\ce{C6H5Br + 2Li -> C6H5Li + LiBr}\) — фениллитий.
- \(\ce{C6H5Br + CH2=CH-COOCH3 ->[Pd, \text{основание}] C6H5-CH=CH-COOCH3 + HBr}\) — реакция Хека; \(\ce{C6H5Br + C6H5B(OH)2 ->[Pd, Na2CO3] C6H5-C6H5}\) — Судзуки (раздел 24).
- \(\ce{C6H5Cl + 2NaOH ->[350\ ^\circ C, 300\ \text{атм}] C6H5ONa + NaCl + H2O}\) — метод Дау через дегидробензол.
boltГде стоит галоген
Галоген при двойной связи или в кольце — «замороженный»: замещать нуклеофилом не пытайтесь, но Гриньяр из него получится. Галоген у соседнего с π-системой атома — «горячий»: любое замещение идёт легко.
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 \(\ce{CF3-CHBrCl}\) (анестетик), ДДТ.
scienceДи- и полигалогениды
- \(\ce{CH3-CHO + PCl5 -> CH3-CHCl2 + POCl3}\) — гем-дихлорид из альдегида.
- \(\ce{CH3-CHCl2 + H2O -> CH3-CHO + 2HCl}\) — обратно (через нестойкий гем-диол).
- \(\ce{CH3-CH(Br)-CH2-Br + 2KOH ->[\text{спирт}, t] CH3-C#CH + 2KBr + 2H2O}\) — алкин из виц-дибромида.
- \(\ce{CH3-CH(Br)-CH2-Br + Zn -> CH3-CH=CH2 + ZnBr2}\) — дегалогенирование цинком.
- \(\ce{CHCl3 + 4NaOH -> HCOONa + 3NaCl + 2H2O}\) — гидролиз хлороформа (через дихлоркарбен) до формиата.
- \(\ce{2CHCl3 + O2 ->[h\nu] 2COCl2 + 2HCl}\) — окисление хлороформа на свету до фосгена: поэтому его хранят в тёмных склянках с этанолом.
- \(\ce{CCl4 + 2HF ->[SbCl5] CCl2F2 + 2HCl}\) — фреон-12 из четырёххлористого углерода (реакция Свартса).
- \(\ce{CHCl3 + 2HF ->[SbCl5] CHClF2 + 2HCl}\); \(\ce{2CHClF2 ->[700\ ^\circ C] CF2=CF2 + 2HCl}\) — тетрафторэтилен для тефлона.
history_eduДДТ: от Нобелевской премии до запрета
Пауль Мюллер в 1939 году обнаружил, что давно известный ДДТ убивает насекомых при ничтожных дозах; препарат остановил эпидемии тифа и малярии и принёс ему Нобелевскую премию 1948 года. Но ДДТ не разлагается, накапливается в жире и по пищевым цепям доходит до хищных птиц, у которых истончается скорлупа яиц. После книги Рейчел Карсон «Безмолвная весна» (1962) его запретили почти повсюду.
push_pinГлавное
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.
menu_bookПрактикум: выбор механизма · урок 66expand_more
Алгоритм
- 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.
- 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 (\(S_N1\) + \(E1\)).
- Растворитель и температура: апротонный — \(S_N2\); протонный — \(S_N1\); нагрев — к отщеплению.
- Стереохимия: \(S_N2\) — инверсия, \(S_N1\) — рацемат, \(E2\) — анти-перипланарно (в циклогексане — диаксиально).
- Проверка: не перегруппируется ли катион, есть ли β-водород, нет ли несовместимых групп.
edit_noteПрогоняем алгоритм
2-Бром-2-метилбутан в метаноле при нагревании. Субстрат третичный — SN2 исключён. Реагент — метанол: слабый нуклеофил и слабое основание, значит, сольволиз. Растворитель протонный — катион стабилизирован. Итог: SN1 и E1 из общего третичного катиона — 2-метокси-2-метилбутан плюс 2-метилбут-2-ен (главный алкен, Зайцев) и 2-метилбут-1-ен. Перегруппировка невозможна: катион уже третичный.
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.
edit_noteКогда инверсия не меняет букву
(R)-2-Бромбутан с азидом натрия даёт (S)-2-азидобутан: старшинство \(\ce{N3} > \ce{C2H5} > \ce{CH3} > \ce{H}\) повторяет старшинство при броме, и обращение геометрии обращает букву. А (S)-2-бромпентан с диэтилкупратом лития даёт (S)-3-метилгексан: геометрия обращена, но новая этильная группа по старшинству ниже пропила, порядок обхода меняется дважды — и буква остаётся прежней. Всегда пересчитывайте старшинство.
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.
edit_noteЦиклогексаны: смотрите на кресло
Транс-1-бром-2-метилциклогексан с этилатом даёт 3-метилциклогексен, «против Зайцева». В устойчивом кресле обе группы экваториальны, а для E2 бром должен стать аксиальным — кольцо переворачивается, и метил тоже уходит в аксиальное положение. Тогда водород при C2 экваториален и не может быть анти к брому; анти-перипланарный водород есть только у C6. У цис-изомера в реакционном кресле бром аксиален, а метил экваториален, водород при C2 аксиален — образуется зайцевский 1-метилциклогексен.
push_pinГлавное
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.
menu_bookПрактикум: галогенпроизводные в синтезе · урок 67expand_more
Карта превращений
| Из галогенпроизводного | Реагент | В галогенпроизводное | Реагент |
|---|---|---|---|
| спирт | \(\ce{NaOH}\), вода | из спирта | \(\ce{HX}\), \(\ce{PBr3}\), \(\ce{SOCl2}\) |
| алкен | \(\ce{KOH}\), спирт, \(t\) | из алкена | \(\ce{HX}\) (Марковников; с ROOR — против), \(\ce{X2}\) |
| алкин | \(\ce{2KOH}\) (спирт) из дигалогенида | из алкана | \(\ce{X2}\), свет |
| нитрил (цепь + 1) | \(\ce{KCN}\) | из алкина | \(\ce{HX}\) (1 или 2 моль) |
| амин | \(\ce{NH3}\) | аллильное положение | NBS |
| простой эфир | \(\ce{RONa}\) | боковая цепь арена | \(\ce{X2}\), свет |
| кислота (цепь + 1) | \(\ce{Mg}\); \(\ce{CO2}\); \(\ce{H3O+}\) | другой галогенид | \(\ce{NaI}\), ацетон |
| алкан (удвоение) | \(\ce{Na}\) | кольцо арена | \(\ce{X2}\), \(\ce{FeX3}\) |
| алкин (удлинение) | \(\ce{NaC#CR}\) (первичные) | из кислоты (цепь − 1) | \(\ce{Ag}\)-соль, \(\ce{Br2}\) (Хунсдикер) |
boltУдлинение цепи
На один атом: \(\ce{KCN}\) (затем гидролиз до кислоты или восстановление до амина) или Гриньяр + \(\ce{CO2}\)/\(\ce{HCHO}\). На два: Гриньяр + оксид этилена или ацетиленид + галогенид. На несколько: Гриньяр + альдегид или кетон, купрат + галогенид.
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.
edit_noteТри пути к пропановой кислоте из бромэтана
Через Гриньяр: магний, углекислый газ, подкисление — две стадии, годится для любого галогенида. Через нитрил: цианид калия, затем кипячение с кислотой — годится только для первичных и вторичных (третичные отщепляют HBr). Через алкен и озонолиз — не годится: цепь укоротится. Выбирайте путь по типу субстрата и по совместимости остальных групп с магнием.
push_pinГлавное
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.
menu_bookПрактикум: расчёты · урок 68expand_more
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.
edit_noteФормула по массовой доле
Бром составляет 65,0 % массы моногалогеналкана: \(M = 79{,}9/0{,}650 = 123\) г/моль; \(14n + 1 + 79{,}9 = 123\), \(n = 3{,}0\) — \(\ce{C3H7Br}\), 1- или 2-бромпропан. Если бы получилось \(n = 3{,}5\), вещество не моногалогеналкан: проверьте дигалогенид \(\ce{C_nH_{2n}Br2}\) или ненасыщенный галогенид.
boltПорядок действий
Моль по «якорю» (осадок, газ, массовая доля) \(\to\) молярная масса \(\to\) \(n\) из \(14n + 1 + A_X = M\) \(\to\) проверка суммы масс. Если \(n\) не целое — ищите ошибку в галогене или в числе галогенов.
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: \(\ce{RX -> RMgX -> R-COOH}\), один к одному. В смесях двух галогенидов составляйте систему: масса смеси и моль осадка (или газа).
push_pinГлавное
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.
Уроки модуля
- Урок 60. Галогенпроизводные: классификация, получение, свойстваАлкил-, аллил-, бензил-, винил- и арилгалогениды; получение из спиртов, алкенов, алканов; связь C–X и уходящие группы; фреоны, ДДТ.
- Урок 61. Реакция SN2Механизм, кинетика, инверсия Вальдена, влияние субстрата, нуклеофила, уходящей группы и растворителя.
- Урок 62. Реакция SN1Механизм, карбокатионы, рацемизация, перегруппировки, сольволиз; сравнение SN1 и SN2.
- Урок 63. Реакции E2 и E1Механизмы, правила Зайцева и Гофмана, анти-перипланарность, элиминирование в циклогексанах, E1cB; конкуренция замещения и отщепления — сводная таблица.
- Урок 64. Металлоорганические соединенияРеактивы Гриньяра, литийорганика, купраты Гилмана: получение, основность, реакции с карбонилами, CO2, эпоксидами, водой и D2O; несовместимые группы.
- Урок 65. Аллильные, бензильные, винильные и арилгалогенидыSN1 и SN2′ в аллильных системах, инертность винильных и арильных, полигалогенпроизводные, гем- и виц-дигалогениды в синтезе.
- Урок 66. Практикум: выбор механизмаПредсказание продукта и стереохимии по субстрату, реагенту и условиям.
- Урок 67. Практикум: галогенпроизводные в синтезеЦепочки с двумя-тремя функциональными переходами, Гриньяр в планировании.
- Урок 68. Практикум: расчётыФормула галогенпроизводного, реакция Вюрца, щелочной гидролиз с расчётом.
- Проверка модуля13 заданий по всем урокам · зачёт от 70 %