Пожарский А.Ф., Гулевская А.В.и др. Практикум по органической химии

Подождите немного. Документ загружается.

181

а б

в з Мо

н с М о

Рис. 54. Запрещенное термическое (а) и разрешенное фотохимическое

(б) взаимодействие орбиталей при [2π+2π]-циклоприсоединении

Дополнительную информацию об особенностях реакций цикло-

присоединения можно найти в рекомендованной литературе.

Рекомендуемая литература

Вассерман А. Реакция Дильса-Альдера. М.: Мир, 1968.1.

Вудворд Р., Гоффман Р. Сохранение орбитальной симметрии. М.: 2.

Мир, 1971.

Джилкрист Т., Сторр Р. Органические реакции и орбитальная сим-3.

метрия. М.: Мир, 1976.

Кери Ф., Сандберг Р. Углубленный курс органической химии. М.: 4.

Мир, 1981, Кн. 2. С.185–201.

3.6.2. Прописи синтезов

Тетракис-1,2,3,4-(метоксикарбонил)циклобутан

MeOH

HCl

MeO

C CO

MeMeO

hν

Теоретически в ходе фотодимеризации малеинового ангидрида и

последующей этерификации может образоваться несколько изомер-

ных циклобутанов (1–4), различающихся своими точками плавления.

Целью этого синтеза является не только получение продукта [2π+2π]-

циклоприсоединения, но и установление его пространственного стро-

ения по температуре плавления.

X X

1 (цис,цис,цис)

203

2 (цис,транс,цис)

145

X X

3 (цис,цис,транс)

73–74

4 (транс,транс,транс)

127

182

Реактивы: малеиновый ангидрид (примечание) – 5 г, хлористый

метилен – 30 мл, метанол – 5 мл, конц. соляная кислота.

Посуда и оборудование: колба коническая на 250 мл с полиэти-

леновой пробкой, колба круглодонная на 20 мл, химический стакан на

10 и 50 мл, холодильник Либиха, воронка с гвоздиком, пробирка для

отсасывания, пипетка, мерная посуда на 10 и 50 мл, электроплитка.

В конической колбе на 250 мл растворяют 4–5 г малеинового

ангидрида в 30 мл хлористого метилена. Закрывают колбу полиэти-

леновой пробкой и оставляют на подоконнике в лаборатории до сле-

дующей недели. Помимо этого для реакции необходимо 6–8 часов

яркого солнечного света. Фотопродукт осаждается из раствора в виде

бесцветных мелких игольчатых кристаллов на стенках и дне колбы.

Избыток хлористого метилена осторожно удаляют с помощью пипет-

ки. А осадок растворяют в 3–5 мл метанола при нагревании. К полу-

ченному раствору прибавляют 4 капли конц.HCl и смесь кипятят 1 час.

Упаривают раствор досуха. Твердый остаток перекристаллизовывают

из метанола.

Определяют точку плавления продукта реакции, которая позво-

лит решить задачу и ответить на вопрос: какой из четырех возможных

изомеров (1–4) образовался? Ответ: образовался изомер 2 с т. пл.

145 °С.

Примечание

Продажный малеиновый ангидрид содержит значительное коли-

чество малеиновой кислоты. Перед началом синтеза его необходимо

перекристаллизовать из хлороформа или бензола, отбросив нерас-

творившуюся часть.

Контрольные вопросы

Почему из четырех возможных стереоизомеров (1–4) продуктом 1.

фотодимеризации малеинового ангидрида и последующей этери-

фикации является соединение 2?

Триптицен

- N

, - CO

Реактивы: антраниловая кислота – 2 г, амилнитрит – 1.8 г, антра-

цен – 2.5 г, малеиновый ангидрид – 3 г, ацетон – 11 мл, хлористый ме-

тилен – 70 мл, ксилол – 20 мл, 15 % раствор КOH, метанол, пентан.

183

Посуда и оборудование: трехгорлая колба на 100 мл, конические

колбы на 50 и 100 мл, прибор для перегонки жидкостей в вакууме

на 50 мл, насадка Вюрца, алонж, стеклянная мешалка, холодильник

Либиха, делительная воронка на 100 мл, пробирка для отсасывания,

коническая воронка с гвоздиком, мерная посуда на 20, 100 мл, водя-

ная баня, мотор, электроплитка.

В трехгорлой колбе на 100 мл, снабженной механической мешал-

кой, водяным холодильником и капельной воронкой, смешивают 2.5 г

антрацена, 1.8 г свежеперегнанного амилнитрита и 40 мл хлористого

метилена. К полученной смеси при перемешивании и нагревании на

водяной бане в течение 2 часов прикапывают раствор 2 г антранило-

вой кислоты в 11 мл сухого ацетона. Затем колбу снабжают насадкой

Вюрца и нисходящим холодильником и отгоняют из реакционной мас-

сы хлористый метилен и образовавшийся амиловый спирт. К остатку

прибавляют 3 г малеинового ангидрида и 20 мл ксилола, нагревают

30 мин на электроплитке и по охлаждении прибавляют 30 мл воды и

30 мл хлористого метилена. Переливают реакционную смесь в де-

лительную воронку, нижний органический слой отделяют и промыва-

ют 2–3 раза равным объемом 15 % раствора КОН. Из полученного

раствора частично отгоняют растворитель в вакууме. Выпавший по

охлаждении раствора триптицен отфильтровывают и промывают сна-

чала метиловым спиртом, а затем пентаном. Выход 1.8 г (50 %).

Триптицен – бесцветные кристаллы с т. пл. 252–253 °С. R

0.43

(Al

, бензол – петролейный эфир, 1:10). ИК спектр (KBr), ν, см

-1

: 1464

(С-С аром.), 2969 (С-Н), 3069 (С-Н аром.).

Контрольные вопросы

Почему антрацен в отличие от бензола легко вступает в реакции 1.

Дильса-Альдера?

Какое из взаимодействующих веществ в проведенной Вами реак-2.

ции выступает в роли диена, а какое в роли диенофила?

Зачем в реакционную смесь прибавляют малеиновый ангидрид?3.

3,6-Эндоксо-1,2,3,6-тетрагидрофталевый ангидрид

O O

Реактивы: малеиновый ангидрид – 2 г, фуран – 1.4 г, абс. диэти-

ловый эфир -10 мл.

Посуда и оборудование: колба круглодонная на 20 мл, колба кони-

ческая на 20 мл, насадка Вюрца, холодильник Либиха, алонж, кониче-

ская воронка с гвоздиком, мерная посуда на 10 мл, водяная баня.

184

В круглодонной колбе на 20 мл суспендируют 2 г мелкорастертого

малеинового ангидрида в 10 мл абс. диэтилового эфира и прибав-

ляют 1.4 г фурана. Реакция протекает постепенно при слабом разо-

гревании. Реакционную смесь оставляют на холоду на ночь. Продукт

циклоприсоединения выделяется в виде бесцветных кристаллов на

стенках колбы. Отгоняют диэтиловый эфир из реакционной смеси,

остаток представляет собой практически чистый 3,6-эндоксо-1,2,3,6-

тетрагидрофталевый ангидрид. Выход количественный.

3,6-Эндоксо-1,2,3,6-тетрагидрофталевый ангидрид – бесцветные

кристаллы с т.пл. 125 °С (разл.). ИК спектр (KBr), n, см–1: 1790, 1859

(С=О), 3002 (С–Н). Спектр ПМР (CDCl

, 400 МГц), δ, м.д.: 3.18 (с, 2Н,

CHCO), 5.46 (м, 2Н, OCH), 6.58 (м, 2Н, C=CH).

3-Метил-3,6-эндоксо-1,2,3,6-тетрагидрофталевый ангидрид

O O

Реактивы: малеиновый ангидрид – 3 г, cильван (2-метилфуран) –

2.45 г, абс. диэтиловый эфир.

Посуда и оборудование: колба коническая на 20 мл с притертой

пробкой, коническая воронка с гвоздиком, мерная посуда на 10 мл.

В конической колбе с притертой пробкой смешивают 3 г мелко-

растертого малеинового ангидрида с 8 мл абс. диэтилового эфира.

К образовавшейся суспензии приливают 2.75 мл сильвана, при этом

смесь сразу окрашивается в желтый цвет. Через 3–4 часа малеиновый

ангидрид растворяется и образуется гомогенный, слегка мутноватый

желтый раствор. Спустя сутки начинают появляться первые кристал-

лы (нужно потереть о стенки колбы стеклянной палочкой!). Через 5–6

дней образовавшиеся в значительном количестве бесцветные кри-

сталлы отфильтровывают, промывают небольшими порциями эфира

и сушат в эксикаторе над безводным CaCl

. Выход 90–98 %.

3-Метил-3,6-эндоксо-1,2,3,6-тетрагидрофталевый ангидрид –

бесцветные кристаллы с т.пл. 74–75 °С (разл.).

3.7. Электрофильное замещение в ароматическом ядре

3.7.1. Теоретические основы метода

Программа семинара

Причины склонности ароматических соединений к реакциям

электрофильного замещения. Типы электрофилов. Роль катализато-

ров (кислот Льюиса) при электрофильном замещении. σ-Комплексы

и факторы, определяющие их устойчивость. Реакции нитрования,

185

галоидирования, азосочетания, алкилирования и ацилирования

по Фриделю-Крафтсу. Правила ориентации в моно- и дизамещен-

ных бензола. Группы орто- пара- и мета-ориентанты. Активация и

дезактивация бензольного кольца по отношению к электрофилам.

Термодинамический и кинетический контроль в некоторых реакциях

электрофильного замещения и его причины. π-Комплексы и катион-

радикалы в реакциях электрофильного замещения.

Методические указания

Общие положения. Реакции электрофильного замещения – пре-

вращения вида:

ArH + E

→ ArE + H

где ArH – молекула субстрата, E

– электрофильный реагент.

Большинство реакций электрофильного замещения требует приме-

нения катализатора – обычно кислоты Льюиса. Роль катализатора

состоит в активации электрофильного агента путем создания или

увеличения на нем положительного заряда. Например, соли железа в

реакции бромирования способствуют поляризации связи Br-Br:

Br Br FeBr

FeBr

–

+ +

Аналогично, кислоты при алкилировании бензола олефинами

протонируют последние, что ведет к образованию активного электро-

фила – карбокатиона.

CH CH

Реакции электрофильного замещения включают две главные

стадии – присоединение электрофила к бензольному кольцу с об-

разованием σ-комплекса (об образовании π-комплексов см. ниже) и

стадию отщепления протона (ароматизацию), ведущую к конечному

продукту:

+ E

E H

σ−комплекс

Для большинства реакций электрофильного замещения скорость-

определяющей является первая стадия. Кинетическое уравнение ре-

акции имеет вид v = k [ArH][E

], т. е. она второго суммарного порядка,

первого по субстрату и электрофилу. Поэтому реакции электрофиль-

ного замещения в ароматическом ряду обозначают символом S

2Ar.

σ-Комплекс – это фактически резонансно-стабилизированный

карбениевый ион. В нем связь С-Е осуществляется за счет пары

π-электронов, ранее принадлежащих бензольному кольцу. Четыре

186

оставшихся π-электрона делокализованы на пяти углеродных атомах.

Строение σ-комплекса может быть представлено как мезомерной

структурой, показанной выше на схеме, так и набором следующих ре-

зонансных структур:

E H E H E H

Правила ориентации в монозамещенных бензола. В монозаме-

щенных бензола заместитель ориентирует вступающий электрофил

преимущественно в орто-пара или мета-положения. Соответственно

все заместители подразделяются на два больших класса: орто-пара-

ориентанты и мета-ориентанты; орто-пара-ориентирующей способ-

ностью обладают группы, имеющие доступные π-электроны или не-

поделенные электронные пары, которые они могут предоставлять в

сопряжение с бензольным кольцом. Это группы – π-доноры. К ним, в

частности, относятся:

ОН, ОR, NH

, NHR, NR

, F, Cl, Br, I, CH

=CH, CH≡C, C

В результате донирования этими группами электронов в орто-

и пара-положениях бензольного кольца наводится отрицательный

π-заряд. Поэтому именно сюда направляется атака электрофила.

+ +

или

Особняком стоят метил и другие алкильные группы, у которых нет

π-электронов или неподеленных электронных пар, но которые также

являются орто-пара-ориентантами. Алкильные группы слабые ин-

дуктивные доноры. Кроме того, σ-электроны связей С-Н, смежных с

бензольным кольцом, могут, хотя и слабо, участвовать в сопряжении

с π-электронами кольца. Это так называемое σ,π-сопряжение, которое

полезно сравнить с π,π-сопряжением:

CH H

CH CH

δ-

σ,πсопряжение π,πсопряжение

187

Поскольку орто-пара-ориентанты увеличивают π-электронную

плотность в ядре, они активируют последнее к электрофильному

замещению по сравнению с бензолом. Исключение составляют га-

логенбензолы, которые реагируют с электрофилами труднее бензо-

ла. Это объясняется тем, что в них –I-эффект галогена превалиру-

ет над +М-эффектом, т. е. галогены – более сильные σ-акцепторы,

чем π-доноры. Такие группы как ОН, OR, NH

, NR

тоже обладают

–I-эффектом, но он у них слабее +М-эффекта. В результате эти груп-

пы активируют бензольное кольцо:

OCH

δ-

дезактивация (–I > +M) активация (+M > –I)

По способности активировать бензольное кольцо к электрофиль-

ному замещению орто-пара-ориентанты образуют следующий ряд:

> NH

> OH > OCH

> NHCOCH

> CH

> C

, CH

=CH > Hal.

Все мета-ориентанты являются электроноакцепторами. Они де-

лятся на две категории:

1) группы с кратными связями, обладающие –I и –М-эффектом (так

называемые электромерные заместители):

C N , N

–

+ ,

и т.п.

2) группы, не содержащие кратных связей и обладающие только

–I-эффектом (индуктивные заместители):

CCl

N(CH

)

S(CH

)

, , ,

+ +

Схема π-электронного взаимодействия электромерных замести-

телей и бензольного кольца:

или

δ+

δ+ δ+

–

188

Таким образом, положительный π-заряд наводится в орто- и пара-

положениях, в результате чего электрофил атакует мета-положения,

менее подверженные влиянию электроноакцепторной группы. По

сравнению с бензолом мета-ориентанты дезактивируют кольцо к

электрофильному замещению. Поэтому при наличии в кольце группы-

дезактиватора многие реакции электрофильного замещения (алкили-

рование и ацилирование по Фриделю-Крафтсу, формилирование по

Вильсмейеру, азосочетание и др.) становятся невозможными. По де-

зактивирующей способности мета-ориентанты располагаются в та-

кой последовательности:

N(CH

)

> NO

> SO

> CN > CF

> COCH

> COOH > CHO.

Правила ориентации в дизамещенных бензола. В дизамещенных

бензола место вступления заместителей зависит от природы заме-

стителей, силы их влияния и взаимного расположения. Наиболее про-

стыми являются случаи так называемой согласованной ориентации,

когда два заместителя ориентируют электрофил в одно и то же по-

ложение:

OCH

Во всех других случаях ориентация носит несогласованный ха-

рактер (пунктирные стрелки в приведенных ниже структурах показы-

вают менее предпочтительные места вступления электрофила):

NHCOCH

CHO

Место вступления нового заместителя в дизамещенных бензола

можно определить исходя из следующих правил:

согласованное влияние оказывают заместители одного типа, ког-1)

да они находятся в мета-положении или заместители разных ти-

пов, если они находятся в орто-пара-положениях друг к другу;

несогласованная ориентация имеет место, когда однотипные за-2)

местители расположены в орто-пара-положениях друг к другу, а

заместители различных типов – в мета-положении.

189

в случае несогласованной ориентации заместителей разных типов 3)

место вступления электрофила диктует орто-пара-ориентант.

при несогласованной ориентации заместителей одного типа ме-4)

сто вступления электрофила определяет более сильный ориен-

тант.

из-за пространственных помех электрофил практически не 5)

вступает в положения, расположенные между двумя замести-

телями. Таковы, например, положения 2 в резорцине и в мета-

нитроацетанилиде.

Выше явления ориентации рассматривались с точки зрения рас-

пределения зарядов в бензольном кольце. Есть альтернативный и,

строго говоря, более последовательный способ анализа, основанный

на рассмотрении факторов, способствующих стабилизации или деста-

билизации соответствующих σ-комплексов. Так, при электрофильном

орто-пара-замещении в катионе триметиланилиния образующийся

σ-комплекс неустойчив, поскольку положительный заряд в π-системе

делокализован таким образом, что часть его находится на атоме, с

которым связан положительно заряженный азот (см. среднюю из трех

представленных ниже резонансных структур):

N(CH

)

H E

N(CH

)

H E

N(CH

)

H E

+ + +

С другой стороны, при электрофильном замещении в мета-

положение получается более устойчивый σ-комплекс, в котором поло-

жительные заряды на азоте и в π-системе максимально разделены:

N(CH

)

N(CH

)

N(CH

)

+ + +

+ +

В результате энергетически более выгодным оказывается путь, ког-

да электрофил присоединяется к мета-положению. Студентам следу-

ет разобрать аналогичные ситуации для электрофильного замещения

в соединениях типа анилина, стирола, нитробензола. Рекомендуется

также в каждом случае построить кривые потенциальной энергии, со-

ответствующие замещению в различные положения.

Термодинамический и кинетический контроль в реакциях элек-

трофильного замещения. Как правило, в реакциях S

2Ar обратимой

является только первая стадия. Однако в некоторых случаях (суль-

190

фирование, ацилирование) обратимость характерна и для второй ста-

дии. Это приводит к последствиям двоякого рода. Во-первых, можно

удалить уже введенный заместитель, что иногда бывает желательно

с синтетической точки зрения. Этот прием, например, используют при

получении 2,6-динитротолуола:

2 HNO

> 100

> 120

Как вы представляете себе механизм элиминирования сульфо-

группы при кипячении 2,6-динитротолуол-4-сульфокислоты в воде?

Во-вторых, в реакциях с обратимой стадией ароматизации стро-

ение образующихся продуктов нередко зависит от температуры.

Обычно при пониженной температуре реакция идет преимущественно

в сторону более быстро образующегося изомера. Например, при суль-

фировании толуола при температуре ниже 100

С больше образуется

о-толуолсульфокислоты, чем п-толуолсульфокислоты. Это объясня-

ется тем, что в толуоле отрицательный заряд несколько выше в орто-

положениях, скорость сульфирования которых поэтому больше по

сравнению с пара-положением. Кроме того, здесь работает так назы-

ваемый статистический фактор: орто-положений два, а пара – одно,

поэтому вероятность вхождения электрофила в орто-положение в

отсутствии других факторов в принципе вдвое выше. Однако если

проводить сульфирование при 120–150

С практически единственным

продуктом реакции оказывается п-толуолсульфокислота. Последняя

в этих условиях термодинамически более устойчива и поэтому из-за

обратимости второй стадии равновесие скатывается в ее сторону.

Принято говорить, что при пониженной температуре процесс протека-

ет в условиях кинетического контроля, а при повышенной – в условиях

термодинамического контроля:

+ H

кинетический

контроль

(100

с)

термодинамический

контроль

(120150

с)

π-Комплексы и катион-радикалы в реакциях электрофильного за-

мещения. Приведенный выше механизм реакций электрофильного