Технология нуклеофильного замещения функциональных групп в органических соединениях (стр. 1 из 7)
Содержание
Ведение
1. Нуклеофильное замещение галогена в молекуле органического соединения
1.1 Основные сведения о механизме реакции
1.2 Основные факторы, влияющие на ход процесса нуклеофильного замещения
1.3 Замена атома галогена на - ОН, - ОR, - OН, - SН и -SRгруппы
1.4 Замена атома галогена на группы -NН2,-NНR,-NR2
1.5 Замена атома галогена на -СN и -SO3Na
2. Нуклеиновое замещение сульфогруппы
2.1 Общие сведения о процессе
2.2 Примеры осуществления нуклеофильной замены сульфогруппы в промышленности
3. Особенности техники безопасности при проведении процессов нуклеофильной замены галогена и сульфогруппы
Заключение
Список использованных источников
Введение
Атом галогена в молекуле органического соединения с успехом может быть замещен на другие группы атомов, что создает широкие возможности для синтеза биологически активных соединений, исходя из галогенпроизводных. Так, на основе галогензамещенных могут быть получены амины, спирты, фенолы, эфиры, тиолы, сульфиды, алкилнитриты и нитроалканы, нитрилы и изонитрилы, лкены, алкены и др. соединения.
Реакции нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода являются одной из наиболее изученных в органической химии с точки зрения механизма. Основной вклад в установление в установление механизма внесён английской школой химиков во главе с К. Ингольдом. Уже в 30-х годах ХХ столетия на основе фундаментальных исследований кинетики и стереохимии было представлено два предельных механизма нуклеофильного замещения – бимолекулярное нуклеофильное замещение SN2 и мономолекулярное замещение SN1.
Реакции нуклеофильного замещения галогена и сульфогруппы являются весьма важными и распространенными в органическом синтезе и синтезе лекарственных веществ, а так же витаминов. [1]
1. Нуклеофильное замещение галогена в молекуле органического соединения
1.1 Основные сведения о механизме реакции
Нуклеофильное замещение в ряду галогеналканов может осуществляться как по SN1, так и по SN2 механизмам. В первом случае лимитирующей скорость процесса стадией является диссоциация галогеналкана по связи С - Hal с образованием карбкатиона:
(1)Таким образом, скорость процесса в этом случае не должна зависеть от концентрации нуклеофила. При достаточно большом времени существования иона карбения для оптически активных галогеналканов должна наблюдаться рацемизация. При соизмеримых величинах констант скоростей последовательных стадий процесса одна сторона катиона будет экранирована сольватированным галогенид-анионом и атака нуклеофила будет более вероятна с другой стороны, что приведет к преимущественному обращению конфигурации. Однако основной причиной отсутствия полной рацемизации является то, что во многих случаях продукты реакции образуются не из свободных карбкатионов, а из ионных пар.
(2)Молекула исходного соединения может диссоциировать с образованием контактной ионной пары (а), сольватно – разделённой ионной пары (b) и диссоциированных сольватирорванных ионов (с). В контактной ионной паре ассиметрия в значительной мере сохраняется, а потому нуклеофильная атака приводит к обращению конфигурации. При атаке сольватно – разделённой ионной пары селективность снижается, что приводит к общей рецемизации. Если образуется свободный радикал, то рецемизация должна быть полной. Обычно обращение конфигурации при механизме SN1 составляет от 5 до 20%.
В случае молекулярного замещения может протекать ряд побочных процессов, протекающих через стадию образования иона карбения, в частности элиминирование (Е1):
(3)Бимолекулярное замещение SN2 обычно происходит как синхронный процесс:
(4)При этом механизме нуклеофил Y приближается к субстрату со стороны, противоположной проходящей группе. Реакция представляет собой одностадийный процесс, в котором промежуточное соединение не образуется. Связь С-Y образуется одновременно с разрывом связи С-Х. В переходном состоянии исходная sp3-гибридизацию с примерно перпендикулярной р-орбиталью. Одна доля этой р-орбитали перекрывается с нуклеофилом, а вторая с уходящей группой. Поэтому механизм SN2, В котором происходила бы фронтальная атака, иногда не наблюдается.
При таком механизме скорость процесса существенно зависит как от природы, так и от концентрации нуклеофила. Реакция всегда сопровождается обращением конфигурации. Побочной может быть реакция Е2. [2]
Необходимо помнить о том, что термины SN1 и SN2 указвают лишь на молекулярность, но не на порядок реакции. Поэтому скорость реакции, протекающей по механизму SN2, будет отвечать уравнению второго порядка лишь в случае, когда оба компонента находятся в малых контролируемых концентрациях. При большом избытке нуклеофильного агента реакция может протекать по первому или дробному. Аналогичное положение может создаться, когда оба компонента не являются кинетически независимыми (например, при образовании ионных пар при неполярных растворителях). Ингольд отмечает, что и для реакции SN1 не всегда характерен первый порядок.
Очевидно, что влияние полярности среды на скорость и механизм процесса будет достаточно сильным.
Тип механизма (SN1 или SN2) зависит от структуры реагирующих соединений. Природа галогена обычно мало влияет на механизм реакции, но значительно изменяет ее скорость. С увеличением разветвленности R начинает преобладать механизм SN1, так как при этом создаются стерические препятствия для прохождения реакции по механизму SN2 и увеличивается стабильность промежуточного карбкатиона. Чем выше нуклеофильность реагента, тем вероятнее механизм SN2. [1]
Аллилгалогениды легко вступают в реакции нуклеофильного замещения. В условиях, благоприятных для протекания мономолекулярных реакций, образуется смесь двух соединений, так как промежуточный мезомерный аллилкатион может в зависимости от условий приводить к двум разным продуктам:
(5)При механизме SN2 перегруппировка не происходит:
(6)Если подход сильного нуклеофила к атому углерода при галогене стерически затруднен, то в неполярном растворителе реакция может идти с аллильной перегруппировкой при сохранении механизма SN2:
(7)В ароматическом ряду (галоген в ядре) замещение идёт значительно труднее.
По мономолекулярному механизму реакция протекает лишь в исключительных случаях. Примером может служить получение гидроксисоединений из солей диазония:
(8)Обычно нуклеофильная замена галогена в ароматическом ядре протекает по биомолекулярному механизму SNAr. В отличие от описанного для алкилгалогенидов реакция идёт не по синхронному механизму, так как атакующий нуклеофил способен образовывать новую связь раньше, чем порвётся старая, и первая стадия обычно определяет скорость всей реакции:
(9)Существование таких отрицательно заряженных σ-комплексов было доказано экспериментально:
(10)Подобные интермедиаты представляют собой устойчивые соли, называемые солями Мейзенгеймера, со времени обнаружения их в 1902 г было выделено большое число таких солей, строение нескольких интермедиантов такого типа было подтверждено данными ЯМР и pентгеноструктурного анализа. Однако описанный механизм не является единственно возможным. С помощью меченого атома углерода было показано что в арилгалогенидах, не содержащих активирующих групп, замещающая группа становится не только к тому атому углерода, где был галоген, но в равной степени и к соседнему атому:
(11)Идентичность соседних положений при отсутствии других заместителей в ядре объясняется тем, что реакция идет по механизму отщепления-присоединения (кинезамещения) через стадию образования 1,2-дегидродензола:
(12)Промежуточное образование дегидробензола было доказано как физико-химическими, так и чисто химическими методами. Так, при действии амальгамы лития на l-фтор-2-бромбензол в присутствии диенофилов промежуточно образующийся 1 ,2-дегидробензол вступает с ними в реакцию Дильса-Альдера:
1.2 Основные факторы влияющие на ход процесса нуклеофильного замещения
Условия проведения и ход реакций нуклеофильной замены галогена зависит от многих факторов. При выборе оптимальных условий проведения процесса необходимо учитывать особенности химического строения субстрата и нуклеофильного реагента, полярность среды, природу уходящего галогена.
Относительно связи строения субстрата и его реакционной способности нужно отметить следующее. Скорости SN1 реакций алкильных производных возрастают в ряду: первичный алкил, вторичный, третичный. Так, константы скоростей реакций гидролиза алкилбромидов при 50 ºС для R-С2Н5; (СН3)2СН-; (СН3)3С- относятся соответственно как 1 : 11,6 : 1,2·106. Пространственные препятствия в этом случае не имеют большого значения. Более того, увеличение объема заместителей дестабилизирует исходное состояние в большей степени, чем переходное, что должно приводить к увеличению скорости диссоциации. Особенности строения молекулы субстрата, приводящие к стабилизации образующегося карбкатионa, должны приводить к ускорению реакции SN1 замещения. Это достигается, в частности, при наличии в α-положении к реакционному центру фенильных или аллильных заместителей, а также атомов, имеющих неподелённую пару электронов.