7.6: Додаткові теми щодо реакції нуклеофільної заміщення
- Page ID
- 24662
Наші дискусії досі зосереджені на фундаментальних концепціях щодо механізму S N 1 та S N 2, і реакції, про які ми дізналися, протікають регулярно. Існують деякі інші умови, які можуть бути «додані» до основних реакцій нуклеофільного заміщення, щоб реакція виглядала інакше або більш складною. Однак добре розуміння основних понять нам дуже корисно для вирішення різних ситуацій. Реакція може виглядати інакше, але по суті все одно та ж.
7.6.1 Реакція S N 1 з перебудовою карбокатіонів
Давайте подивимося на реакцію S N 1.
З вторинним субстратом і нейтральним нуклеофілом (CH 3 COOH) це реакція S N 1, і сольволіз, що CH 3 COOH діє як розчинник і нуклеофіл. Передбачається давати ацетат як продукт, а ацетат замінити Br. Однак, як показано в рівнянні реакції, ацетат не був введений на вуглець з виходом групи Br, а був підключений до наступного вуглецю замість цього. У чому причина несподіваної структури продукту?
Для реакцій включають проміжну карбокацію, це загальні явища, що карбокатіон може перебудовуватися, якщо така перебудова призводить до більш стабільного карбокатіону, і це називається карбокатіонной перебудовою. Через перестановку карбокатів продукт вищевказаної реакції відрізняється від очікуваного. Це можна пояснити за допомогою покрокового механізму нижче.
Коли Br — листя, початковий утворений карбокат є вторинним. Група CH 3 на наступному вуглеці потім зміщується своїми електронами зв'язку до позитивно зарядженого вуглецю і створює новий більш стабільний третинний карбокат. Потім третинний карбокат реагує з нуклеофілом CH 3 COOH, щоб дати кінцевий продукт ацетату. Зсув групи СН 3 з електронною парою, і такий хід називається 1,2-метанідезсувом. «1,2- «тут відносяться до руху відбуваються між двома сусідніми вуглецями, не обов'язково означає С1 і С2.
Крім групи СН 3, атом Н в інших реакціях може зміщуватися також з електронною парою, якщо такий зсув може призвести до більш стабільного карбокації. Зсув водню називається 1,2-гідридним зрушенням. Пара заміток про перестановці карбокатиона:
- Будь-яка реакція, яка включає карбокатіонний проміжний продукт, може мати перестановку.
- Не всі карбокації переставляють. Карбокати переставляються лише в тому випадку, якщо вони стають більш стабільними в результаті перестановки.
- Зсув, як правило, 1,2-shift, це означає, що він відбувається між двома сусідніми вуглецями.
7.6.2 Внутрішньомолекулярна реакція нуклеофільної заміщення
Для реакцій, які ми дізналися раніше, субстрат з вихідною групою і нуклеофіл завжди є двома окремими сполуками. Насправді це можливо для однієї сполуки, що містить як вихідну групу, так і нуклеофіла, і реакція відбувається всередині однієї молекули. Така реакція називається внутрішньомолекулярної (intra, лат. «всередині») реакцією. Циклічний продукт отримують з внутрішньомолекулярної реакції.
Поговоримо про механізм реакції, який раціоналізує структуру і стереохімію продукту для наступної реакції.
У вищевказаній реакції реагент має дві функціональні групи, бромід (Br) і спирт (ОН). З'єднання з двома функціональними групами називається біфункціональної молекулою. У цьому реагенті Br з'єднаний на третинному вуглеці, який є хорошим субстратом для реакції SN1, а OH також є хорошим нуклеофілом для S N 1, тому реакція заміщення може відбуватися в межах однієї молекули за допомогою механізму S N 1. Отже, реакція відбувається між одним кінцем молекули, Br, яка діє як вихідна група, і іншою частиною молекули, OH, яка діє як нуклеофіл. В результаті в якості продукту утворюється шестичленний циклічний ефір.
Оскільки реакція відбувається з механізмом S N 1, проміжний проміжний продукт карбокату знаходиться в тригональній площинній формі, і нуклеофіл може атакувати з обох сторін карбокатіону, щоб дати обидва енантіомери. Тому продукт являє собою рацемічну суміш, яка є оптично неактивною. Це узгоджується зі стереохімічною особливістю реакції S N 1, яку ми дізналися раніше.
Зазвичай, якщо внутрішньомолекулярна реакція може виробляти п'ять- або шестичленне кільце як продукт, реакція буде дуже сприятливою через особливу стабільність п'яти- або шестичленного кільця.
7.6.3 Перетворення поганої групи, що залишає групу на хорошу групу
У ранніх дискусіях про вихід з груп (розділ 7.3) ми згадували важливість хорошої групи виходу як для реакцій S N 1, так і S N 2, що реакція заміщення не відбудеться, є поганою залишаючи групу присутній. Однак для деяких ситуацій бідна група, що залишає, може бути перетворена на хорошу групу, що залишає, щоб зробити реакцію здійсненною. Ми побачимо пару стратегій для такої мети.
За кислотним каталізатором H +
Приклад: Запропонувати механізм раціоналізації реакції.
Останні три кроки в вищевказаному механізмі є стандартнимиступенями механізму S N 1. Однак реакція не продовжиться без першого кроку. На першому етапі, який є кислотно-лужною реакцією, протон швидко переноситься в групу ОН і отримує протонування спирту. За протонацією група OH перетворюється на H 2 O, тобто набагато слабша база, тому хороша група виходу. На кроці 2 молекула води відходить з електронною парою і залишає після себе проміжний проміжний продукт карбокації. Наступні кроки - це лише S N 1, що пояснює, чому продукт є рацемічною сумішшю. Кислота Н + була регенерована на етапі 4 і може бути повторно використана для подальших реакцій, тому для початку процесу необхідна лише каталітична кількість Н +.
За сульфонілхлоридомІнший широко застосовуваний метод перетворення OH групи в кращу групу виходу є шляхом введення сульфонатного ефіру. Коли спирт вступає в реакцію з сульфонілхлоридом, при наявності слабкої основи утворюється сульфонатний ефір.
Як наведено вище приклад, коли використовується р -толуенсульфонілхлорид (тозилхлорид, TSCl), отриманий ефір - п-толуенсульфонат (тозилат, OTS). Чи виглядає tosyl group знайомим для вас? Так, ми дізналися про з цим видом в розділі 3.2. Як кон'югатна основа сильної кислоти р -толуенсульфонової кислоти (ЦОГ), OTS є дуже слабкою основою і, отже, відмінною групою, що йде. Піридин тут виступає слабкою основою для нейтралізації побічного продукту HCl і полегшення реакції до завершення. Докладний механізм для цієї реакції в даному курсі не потрібно.
Крім введення OT, інші зазвичай застосовуються сульфонілхлориди включають MScL і TfCl, а сульфонатний ефір ОМ (мезилат) і OTF (трифлат) утворюються відповідно.
Після того, як первинний спирт був перетворений в OT (або OmS, OtF), він є хорошим субстратом для реакції S N 2. З відповідним нуклеофілом, доданим на окремій стадії, наприклад CH 3 O -, реакція S N 2 відбувається легко, щоб дати ефір як кінцевий продукт, як показано нижче.
Загальний синтез бутилметилового ефіру з 1-бутанолу включає два окремих етапи: перетворення ОН в OT, а потім заміна OT на CH 3 O через реакцію S N 2. Два етапи повинні виконуватися один за одним, однак вся схема синтезу також може бути показана нижче:
Примітка:
- Рисунок 7.6j представляє загальний і звичайний спосіб показати багатоступінчастий синтез в органічній хімії. Умови реакції (реагент, каталізатор, розчинник, температура тощо) для кожного етапу показані зверху та знизу стрілки рівняння. Показані тільки структури вихідного матеріалу і кінцевого продукту (виробів), а конструкції проміжних виробів для кожного етапу не включаються.
- Окремі кроки потрібно позначити як 1), 2) тощо для належного порядку, їх не можна змішувати між собою.