А. Реакции с галогеноводородами

Реакции замещения гидроксильной группы

 

Многие важные реакции спиртов осуществляются путем атаки a-атома углерода (электрофильного центра) нуклеофилом. В результате происходит разрыв связи С-О и замещение гидроксильной группы. Но гидроксид-анион является настолько сильным нуклеофилом, что вытеснение его из молекулы спирта невозможно.

 

Nu^- + R-OH ® реакция не пойдет

 

Чтобы осуществить нуклеофильное замещение гидроксильной группы в спиртах, последние необходимо модифицировать таким образом, чтобы гидроксильная группа превратилась в хорошую уходящую группу. Одним из способов такой модификации является перевод атома кислорода гидроксильной группы в оксониевую форму. Протонирование спиртов превращает плохую уходящую группу (ОН^-) в хорошую уходящую группу (Н₂О). Протонирование приводит и к увеличению положительного заряда на атоме углерода связанном с гидроксильной группой, т.к. ОН₂⁺ сильнее оттягивает электроны, чем ОН. Все это делает возможным прохождение с протонированными спиртами реакций S_N2.

 

 

Следует только иметь в виду, что вторичные спирты часто, а третичные при этом всегда превращаются в алкены.

Получение алкилгалогенидов из спиртов и галогеноводородов

 

Одной из наиболее важных реакций в повседневной практике органического синтеза является замещение гидроксильной группы на галоген. Существует несколько методов замены гидроксильной группы спирта на галоген.

 

А. Реакции с галогеноводородами

Один из самых старых методов основан на реакции спиртов с галогеноводородами. Условия протекания реакции зависят от строения спирта и природы галогеноводородной кислоты. Наибольшей активностью обладают спирты аллильного и бензильного типов, а также третичные спирты. Они реагируют с большей скоростью, чем вторичные, а последние превосходят первичные спирты. С увеличением длины углеводородного радикала реакционная способность спиртов каждого типа понижается. Реакционная способность галогеноводородных кислот, действующих как катализатор и источник нуклеофила, падает в последовательности HI > HBr > HCl >> HF, что связано с уменьшением силы кислоты и уменьшением нуклеофильности при переходе от иодид-иона к хлорид-иону.

Иодо- и бромоводородная кислоты легко взаимодействуют со всеми спиртами. Но иодоводородная кислота способна также восстанавливать как исходные спирты, так и образующиеся иодопроизводные в углеводороды, что ограничивает ее применение.

Скорость реакции с HF слишком мала для прямого превращения спиртов в алкилфториды.

Для получения третичных алкилгалогенидов обычно достаточно насытить третичный спирт газообразным галогеноводородом при 0-10^оС или обработать водной соляной, бромистоводородной или йодистоводородной кислотой в течение короткого промежутка времени при 0-20^оС. Первичные спирты реагируют, в основном, по механизму S_N2, а третичные - S_N1.

Третичные спирты реагируют с концентрированными HCl, HBr и HI очень быстро. При смешивании третичного спирта с концентрированной соляной кислотой при обычной температуре через несколько минут образуется, нерастворимый в воде, трет-бутилхлорид. Водорастворимые низкомолекулярные первичные и вторичные спирты в этих условиях не реагируют.

 

   (44)

 -метил-2-пропанол          2-метил-2-хлорпропан

                                    (трет-бутилхлорид)

 

Реакция проходит по механизму S_N1:

 

(М 4)

 

Водонерастворимые третичные спирты превращают в галогенуглеводороды пропусканием газообразных галогеноводородов через их растворы в эфире или тетрагидрофуране (ТГФ).

Для получения первичных и вторичных алкилбромидов и алкилиодидов обычно требуется нагревание смеси спирта и концентрированной бромистоводородной или йодистоводородной кислоты в течение нескольких часов или пропускание сухого галогенводорода в спирт.

 

 (45)

 

Первичные спирты реагируют по механизму S_N2:

 

(М 5)

 

Во вторичных спиртах замещение гидроксильной группы происходит по обоим механизмам, что приводит к образованию основного и перегруппировочного продуктов. Так при реакции 3-пентанола с HBr наряду с 3-бромпентаном образуется некоторое количество 2-бромпентана:

 

(46)

                                          80%                 20%

 

Упр.9. Опишите механизм реакции:

 

(47)

 

Ответ:

 

(М 6)

 

Это реакция кислотно катализируемого замещения спиртов. Она проходит по механизму S_N1, характерному для третичных спиртов.

Важной характерной особенностью процессов с участием карбокатионов являются перегруппировки, и поэтому замещение гидроксильной группы спиртов на галоген под действием галогеноводородов без изомеризации осуществляется только для третичных и неразветвленных первичных спиртов.

Перегруппировки происходят и со спиртами с разветвлением у b-атома углерода. При обработке неопентилового спирта бромоводородной кислотой образуется продукт перегруппировки:

 

  (48)

                                     2-бром-2-метилбутан

 

Причиной такого результата является нуклеофильная внутримолекулярная 1,2-перегруппировка (1,2-алкильныйный сдвиг):

 

(М 7)

 

Упр.10. При нагревании 3-метил-2-бутанола, насыщенного газообразным бромоводородом, в качестве единственного продукта реакции образуется 2-бром-2-метилбутан. Напишите эту реакцию и опишите ее механизм.

Упр.11. При взаимодействии неопентилового спирта с бромоводородом в качестве единственного продукта реакции образуется 2-бром-2-метилбутан. Напишите эту реакцию и опишите ее механизм.

Для получения алкилхлоридов при взаимодействии первичных спиртов с соляной кислотой используют катализатор - безводный хлорид цинка. Хлорид цинка как жесткая кислота Льюиса координируется по атому кислорода, облегчая тем самым замещение гидроксильной группы:

 

(49)

 

(М 8)

 

Смесь соляной кислоты и хлорида цинка носит название реактива Лукаса.

Реакционная способность спиртов по отношению к реактиву Лукаса уменьшается в ряду: C₆H₅CH₂OH > CH₂=CHCH₂OH > 3^o > 2^o > 1^o.

Различие в реакционной способности между первичными (до С₆), вторичными и третичными спиртами при их взаимодействии с хлооводородной кислотой лежит в основе пробы Лукаса. При взаимодействии спиртов с реактивом Лукаса галогеноалканы образуются с различными скоростями. Третичные спирты реагируют очень быстро с выделением нерастворимого в воде хлоралкана. Вторичные спирты сначала растворяются, но вскоре раствор мутнеет, и через некоторое время появляются капли хлоралкана. Растворы первичных спиртов, за исключением аллилового и бензилового, в реактиве Лукаса остаются прозрачными.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: