= 242,7 кДж/моль.
Стадия 2 – развитие цепи (образование метильного радикала):
Сl• + CH4 → •CH3 + HCl,  = 8,4 кДж/моль.
Стадия 3 – рост цепи (взаимодействие метильного радикала с молекулой хлора):
•CH3 + Cl2 → CH3Cl + Сl•,  = - 111,7 кДж/моль.
Стадия 4 – обрыв цепи (взаимодействие двух свободных радикалов):
Сl• + Сl• → Cl2,  = - 242,7 кДж/моль
•CH3 + Сl• → CH3Cl,
•CH3 + •CH3 → CH3CH3.
Теплоты отдельных стадий и относительные высоты энергетических барьеров, соответствующих этим стадиям, показаны на энергетической диаграмме (рис. 1.1). Хлорирование метана является экзотермической реакцией и протекает с выделением значительного количества тепла.
Р и с. 1.1. Энергетическая диаграмма стадий развития цепи
при хлорировании метана
При хлорировании пропана хлором на свету при т. 25°С образуется смесь из 57% 2-хлорпропана и 43% 1-хлорпропана.
Различная устойчивость промежуточно образующихся алкильных радикалов определяет относительную активность третичных, вторичных и первичных СН-связей в алканах:
 ,
т.е. величины относительной активности вторичной и первичной СН-связей равны 4:1:
Относительная активность подсчитана с учетом статистического фактора. Поскольку в молекуле пропана имеется шесть первичных СН-связей и лишь две вторичные СН-связи, содержание 1-хлорпропана в смеси продуктов хлорирования следует разделить на 6, а содержание 2-хлорпропана – на 2.
Реакция хлорирования пропана при 25°С протекает, таким образом, региоселективно. Региоселективная реакция – реакция, в ходе которой химическим изменениям подвергается преимущественно одно из двух или нескольких положений молекулы субстрата.
Региоселективные реакции чрезвычайно распространены в органической химии. Реакции называются полностью (100%) региоселективными (региоспецифическими), если изменениям подвергается только одно положение. Реакции называют частично (Х%) региоселективными, если изменение по одному положению преобладает над остальными положениями. Различие можно проводить и на полуколичественном уровне и различать высокую и низкую региоселективность.
Региоспецифичность в значительной мере зависит также от температуры. В частности, при хлорировании пропана при 450°С образуется 25% 2-хлорпропана и 75% 1-хлорпропана.
Различную активность третичных, вторичных и первичных СН-связей при галогенировании алканов можно проиллюстрировать соответствующей энергетической диаграммой, приведенной на рис. 1.2.
Р и с. 1.2. Сравнение энергий образования пропильного
и изопропильного радикалов
Основными факторами при рассмотрении устойчивости алкильных радикалов являются эффект сверхсопряжения (гиперконъюгации), положительный индукционный эффект алкильных групп и пространственный эффект.
3 +I эфф., 9 σС-Н связей 2 +I эфф., 6 σС-Н связей +I эфф., 3 σС-Н связи
Положительный индукционный эффект алкильных групп и явление гиперконьюгации (перекрывание σ-орбиталей соседних С-Н связей с р-орбиталью, на которой находится неспаренный электрон) приводит к делокализации электронной плотности в радикале и его стабилизации. Накопление метильных групп у радикального центра увеличивает стабильность соответствующего радикала.
Таким образом, устойчивость радикалов уменьшается в ряду:
 .
В отличие от описанного выше хлорирования алканов, бромирование является более селективной реакцией. Так, атом брома настолько мало активен, что если в субстрате имеются только первичные атомы водорода, как, например, в неопентане, то реакция протекает очень медленно или вообще не идет. В то же время 2-метилпропан (изобутан) можно селективно бромировать до трет-бутилбромида с высоким выходом.
Галогенирование йодом можно осуществить, используя активирующее облучение УФ-светом. Йод легко диссоциирует на атомы, но реакция протекает с трудом из-за низкой активности атомов йода, кроме того, образующийся HI восстанавливает алкилйодид. Поэтому при проведении реакции йодирования образующийся HI связывают окислителями (HNO3, H2O2).
Алканы можно галогенировать также смешанными галогенидами (ICl, IBr, BrCl) и хлористым сульфурилом, например, в присутствии дибензоилпероксида:
 .
Следует отметить, что алканы в определенных условиях могут реагировать и с электрофильными реагентами, хотя эта реакция для алканов в принципе не характерна и имеет ограниченное значение.
При электрофильном хлорировании алканов чаще всего используют хлорсульфоновую кислоту (HSO3Cl) или безводную фтористоводородную кислоту в смеси с кислотой Льюиса (SbCl5). Выходы хлорпроизводных в этом случае изменяются в пределах от 2-5% (для метана) до 55-60% (для высших алканов). Особенность реакции электрофильного галогенирования состоит в ее высокой селективности: из метана образуется только СН3Сl и не образуются СН2Сl2, СНСl3, ССl4:
 .
1.1.2. АЛЛИЛЬНОЕ ГАЛОГЕНИРОВАНИЕ АЛКЕНОВ
Взаимодействие гомологов этилена с галогенами (Cl2, Br2) при высоких температурах (>400°С) ведет к замещению атома водорода в аллильном положении на галоген и называется аллильным замещением. Двойная связь при этом сохраняется.
Реакция протекает аналогично галогенированию алканов по механизму SR. Высокая температура способствует гомолизу молекулы хлора и образованию радикалов.
Замещению водорода в аллильном положении способствует высокая устойчивость аллильного радикала, стабилизированного резонансом:
Удобным методом аллильного галогенирования является взаимодействие с N-галогенсукцинимидами в ССl4 в присутствии пероксидов (реакция Воля – Циглера).
Так, при бромировании циклогексена N-бромсукцинимидом (NBS) в ССl4 образуется 3-бромциклогексен:
Бромирование алкенов NBS представляет собой цепной радикальный процесс с участием атома брома. Атом брома образуется при фотолизе или термической гомолитической диссоциации молекулярного брома, образующегося в очень низкой концентрации из NBS и следов HBr.
1.1.3. Галогенирование боковой цепи
ароматических соединений
Реакция протекает по свободнорадикальному механизму.
Так, при хлорировании горячего толуола хлором на свету или в присутствии перекисей происходит последовательное замещение атомов водорода на галоген и образуется смесь хлористого бензила, хлористого бензилидена и бензотрихлорида:
 
Для хлорирования боковой цепи можно использовать хлористый сульфурил (SO2Cl2) с добавлением перекисных соединений. Для высших алкилбензолов хлорирование имеет весьма ограниченную область применения, так как этот процесс не отличается региоселективностью. Так, например, при хлорировании этилбензола на свету образуется смесь продуктов:
Бромирование алкилбензолов также осуществляется и на свету, и при нагревании (но при полном отсутствии кислот Льюиса, как и в случае хлорирования) или N-бромсукцинимидом в ССl4. В реакцию могут вступать различные алкилбензолы: этилбензол, изопропилбензол и др. В этом случае бромирование протекает исключительно в α-положение с образованием бензилбромида, что указывает на высокую селективность реакции бромирования.
В препаративном отношении удобно использовать N-бромсукци-нимид:
Различие в селективности хлорирования и бромирования связано с более высокой реакционной способностью атомарного хлора, а более реакционноспособный реагент, как правило, менее селективен.
Реакция галогенирования (Br2, Cl2) протекает по цепному радикальному механизму аналогично галогенированию алканов. В случае галогенирования толуола на стадии роста цепи образуется бензильный радикал, устойчивость которого объясняется его резонансной стабилизацией:
1.2. ЗАМЕЩЕНИЕ ВОДОРОДА ГАЛОГЕНАМИ У АРОМАТИЧЕСКОГО (sp2-ГИБРИДИЗОВАННОГО) АТОМА УГЛЕРОДА
1.2.1. Галогенирование бензола
Галогенирование ароматических соединений можно осуществлять различными галогенирующими агентами. Свободные галогены, например, Cl2 и Br2, могут легко реагировать с активированными ароматическими системами (амины, фенолы), но не могут реагировать с бензолом. Для поляризации молекулы галогена с целью получения электрофильной атакующей частицы необходимо применение в качестве катализатора кислот Льюиса, таких как AlCl3, FeBr3 и т.д.:
Реакция протекает по механизму электрофильного замещения, включающего ряд стадий:
Стадия 1 – образование электрофильного агента Е+. Молекула брома активируется по схеме кислотно-основной реакции с кислотой Льюиса:
Стадия 2 – свободный катион брома или ион в составе ионной пары является активным электрофильным агентом, способным реагировать с бензолом; при этом сначала образуется π-комплекс – электрофильный агент вакантной орбиталью координируется с π-электронной системой молекулы бензола:
Роль электрофильного агента на этой стадии может выполнять и донорно-акцепторный комплекс. Образование π-комплекса протекает быстро и не лимитирует скорость всего процесса.
Стадия 3 – образование σ–комплекса. π–Комплекс превращается в карбениевый ион, в котором положительный заряд делокализован между пятью углеродными атомами, находящимися в состоянии sp2-гибридизации. Один атом, атакованный электрофилом, находится в состоянии sp3-гибридизации. σ–Комплекс, таким образом, не является ароматической системой. Стадия образования σ–комплекса является медленной и определяет скорость всей реакции.
Стадия 4 – на этой стадии σ–комплекс стабилизируется с регенерацией ароматического секстета π–электронов за счет отщепления протона.
Механизм электрофильного бромирования бензола иллюстрируется энергетической диаграммой реакции (рис. 1.3).
Р и с. 1.3. Энергетическая диаграмма реакции электрофильного
бромирования бензола
На практике в качестве катализатора галогенирования применяют, как правило, железные стружки. Галогенид железа (III) в таком случае образуется непосредственно в реакционной массе при взаимодействии железных стружек с галогеном.
Так же проводят и хлорирование бензола.
Реакционная способность элементарного йода в реакциях электрофильного замещения в ароматическом ядре незначительна, так что прямое йодирование возможно только в случае активированных ароматических систем. Йодирование бензола элементарным йодом проводят только в присутствии окислителя (обычно азотной кислоты, Н2О2, HIO3 и др.)
Окислители превращают йод в катион I+, который является сильным электрофилом и, кроме того, препятствуют образованию HI.
Для галогенирования аренов можно применять также смешанные галогениды, например, монохлорид брома (BrCl) или йода (ICl):
1.2.2. Галогенирование замещенных
ароматических соединений
Катионы галогена могут взаимодействовать и с замещенными ароматическими соединениями. Заместители влияют как на скорость реакции галогенирования, так и на место вступления галогена.
Направление ориентирующего действия заместителей объясняется скоростью образования промежуточного -комплекса и, следовательно, его устойчивостью.
Имеющийся в бензольном кольце заместитель принимает участие в распределении положительного заряда и, следовательно, стабилизирует или дестабилизирует -комплекс, т.е. заместитель направляет (ориентирует) вступление галогена в определенное положение в бензольном кольце. Различают 3 группы заместителей.
1. Заместители –СН3, –R, обладающие +I-эффектом, слабо активируют бензольное кольцо, заместители –NH2, –NHR, –NR2, –OH – сильно, а –NHCOCH3, –OCH3, –OR умеренно активируют бензольное кольцо в реакциях электрофильного галогенирования. Эти заместители обладают +М, –I эффектами. Все перечисленные выше заместители являются электронодонорными и ориентируют вступление галогена в орто- (2) и пара- (4) положения бензольного кольца.
Так, галогенирование фенола протекает в мягких условиях при действии бромной воды и приводит к образованию 2, 4, 6-трибромфенола:
Аналогично при галогенировании бромной водой анилина образуется 2, 4, 6-триброманилин:
Для получения моногалогенпроизводных анилин предварительно N-ацилируют и после галогенирования снимают ацетильную защиту:
Галогенирование N-ацетиланилина (ацетанилида) осуществляется при комнатной температуре и без катализатора вследствие его высокой реакционной способности.
2. Вторая группа заместителей – галогены (Cl, Br, I, F), выступающие в качестве заместителей в бензольном кольце – проявляют –I, +М эффекты, являются электроноакцепторами и дезактивируют бензольное кольцо в реакциях электрофильного галогенирования. Однако ориентируют вступление второго галогена в орто- и пара-положения.
3. Электроноакцепторные заместители, обладающие –I и –М эффектами:
дезактивируют бензольное кольцо в реакциях электрофильного замещения и ориентируют вступление галогена в мета-положение бензольного кольца.
При галогенировании ароматических соединений, содержащих электроноакцепторные дезактивирующие заместители, применение катализатора обязательно. Как правило, эти реакции протекают при повышенных температурах. Нитробензол, например, бромируют при температуре 135-145°С в присутствии железа, а бензальдегид реагирует с бромом при наличии более энергичного катализатора – безводного хлорида алюминия.
1.2.3. Галогенирование ароматических соединений
с конденсированными ядрами
Галогенирование нафталина протекает в отсутствие катализатора и приводит к образованию -галогеннафталина с примесью небольших количеств β-изомера (≈5%):
При дальнейшем действии галогена образуется смесь ди- (1,4-, 1,5-, 1,8-) и полигалогенидов. Проведение галогенирования нафталина при высокой температуре (500С) приводит к образованию - и -галогензамещенных нафталина примерно в равных количествах.
При галогенировании замещенных нафталина направление реакции определяется природой имеющихся заместителей. Так, при бромировании -метилнафталина в ССl4 при 40С образуется 1-бром-4-метилнафталин:
Для бромирования нафталина и его замещенных часто используют мягкий бромирующий агент – бромид йода (IBr) в ледяной уксусной кислоте или хлороформе. При бромировании нафталина, 1-нафтола и 1-метоксинафталина бромидом йода получают соответственно 1-бромнафталин, 4-бром-1-нафтол, 4-бром-1-метоксинафталин.
Антрацен и фенантрен, подобно нафталину, легко вступают в реакцию галогенирования. Под действием N-бромсукцинимида без катализатора антрацен и фенантрен бромируются в ядро. Бромирование также можно осуществить в таком индифферентном растворителе, как четыреххлористый углерод. При этом образуются 9, 10-дибромантрацен и 9-бромфенантрен:
1.2.4. Галогенирование гетероциклических соединений
Галогенирование простейших пятичленных и шестичленных гетероциклических соединений, обладающих ароматическим характером, – фурана, пиррола, тиофена, пиридина и хинолина, – протекает как реакция электрофильного замещения.
Фуран, пиррол и тиофен вступают в реакции легче, чем бензол, тогда как пиридин и хинолин менее реакционноспособны.
Таким образом, сравнительная реакционная способность по отношению к электрофильному замещению, в частности галогенированию, может быть представлена следующим рядом:
Галогенирование производных фурана, пиррола и тиофена протекает преимущественно в положение 2 (-положение). Хлорирование и бромирование проводят в растворителе (диоксан, тетрахлорметан) при охлаждении. При этом образуются моно- и дигалогенфураны, замещение происходит в положение 2 или в положения 2 и 5:
2-бромфуран получают при действии на фуран диоксандибромида (1:1) при 0С:
Легко протекает галогенирование в ряду пиррола. В качестве хлорирующего агента применяют сульфурилхлорид. Бромирование проводят элементарным бромом, йодирование – йодом в растворе йодида калия.
Тиофен легко хлорируется, и, в зависимости от количества применяемого хлора, образуется смесь моно-, ди-, три- и тетрахлортиофенов.
2-Хлортиофен можно получить действием на тиофен сульфурилхлорида:
2-Бромтиофен получают бромированием тиофена рассчитанным количеством брома или N-бромсукцинимида:
Действие на тиофен йода в присутствии оксида ртути (для окисления образующегося йодоводорода) является удобным методом получения 2-йодтиофена (выход 75%). Вместо оксида ртути для окисления образующегося HI чаще применяют азотную кислоту (выход 70%):
Пониженная реакционная способность пиридина связана с тем, что неподеленная пара электронов атома азота наиболее легко взаимодействует с положительно заряженными частицами, образуя соли пиридиния, которые и вступают в реакцию с электрофильными реагентами. Галогенирование производных пиридина и иона пиридиния происходит преимущественно в положение 3 (-положение).
Хинолин вступает в реакции электрофильного замещения, как и пиридин, в виде солей, так как первоначально хинолин под действием электрофильных агентов превращается в N-замещенный хинолиниевый ион. Галогенирование хинолина происходит в положения 5 и 8 через соответствующие соли. Такая ориентация в реакциях электрофильного замещения возникает в результате дезактивации пиридиниевого ядра при протонировании.
1.3. ЗАМЕЩЕНИЕ ВОДОРОДА ГАЛОГЕНАМИ
У SP-ГИБРИДИЗОВАННОГО АТОМА УГЛЕРОДА
Замещение водорода у атома углерода в состоянии sp-гибридизации может протекать непосредственно или через металлоорганические соединения, из которых затем, без промежуточного их выделения, можно получить и галогенацетилены, либо через реакции отщепления.
Методы хлорирования, бромирования и йодирования ацетиленов в щелочных растворах гипогалогенидов применяются для галогенирования и других алкинов, алкинолов и ацетиленмонокарбоновых кислот.
Наиболее быстро протекает реакция с гипойодитом, медленнее – с гипохлоритом.
Следует отметить, что первые представители ряда – хлорацетилен, дихлорацетилен, бромацетилен – весьма нестабильны и проявляют пирофорные свойства, т.е. воспламеняются при соприкосновении с воздухом.
1.4. ПРИСОЕДИНЕНИЕ ГАЛОГЕНОВ И ГАЛОГЕНОВОДОРОДНЫХ КИСЛОТ К АЛКЕНАМ, АЛКИНАМ И АЛКАДИЕНАМ
Реакции присоединения галогенов и галогеноводородных кислот по двойной связи относятся, так же, как и галогенирование алканов, к реакциям прямого галогенирования.
1.4.1. Присоединение галогенов к алкенам,
алкинам и алкадиенам
Присоединение галогенов является основным препаративным методом получения вицинальных дигалогенидов, которые имеют большое значение для синтеза ацетиленов и диенов.
Присоединение брома можно использовать для очистки олефинов и для качественного определения двойной связи.
Присоединение йода используется также для количественного определения двойной связи (йодное число).
Скорость реакции галогенирования алкенов зависит от природы галогена и строения олефина. Фтор очень активен и вызывает деструкцию алкена. Присоединение йода к алкенам в большинстве случаев представляет собой обратимую реакцию, равновесие которой смещено в сторону исходных реагентов. Активность галогена в реакциях с алкенами снижается в следующем ряду:
F2 > Cl2 > Br2 > I2.
Реакция присоединения галогенов облегчается при увеличении числа заместителей у двойной связи. Это объясняется большей поляризацией этиленовой связи под влиянием заместителей и увеличением устойчивости промежуточных радикалов или ионов благодаря сверхсопряжению.
Присоединение галогенов к олефинам протекает в основном по ионному механизму.
Реакционная способность олефинов в реакциях присоединения галогенов по электрофильному механизму изменяется в следующем порядке:
Типичным примером реакции электрофильного присоединения галогенов к алкенам является, например, реакция бромирования этилена в неполярных растворителях (СCl4, CHCl3):
Механизм электрофильного присоединения брома к этилену приведен ниже.
На основании большого числа экспериментальных данных известно, что на первой стадии происходит поляризация молекулы галогена под действием π-электронов кратной связи. Атом галогена, приобретающий некоторый дробный положительный заряд, образует с электронами π-связи нестабильный интермедиат, называемый π-комплексом. Следует отметить, что в π-комплексе галоген не образует направленной связи с конкретным атомом углерода. π-Комплекс – это донорно-акцепторное взаимодействие электронной пары π-связи как донора и галогена как акцептора.
Далее π-комплекс превращается в циклический бромониевый катион:
Циклический бромониевый катион более стабилен, чем открытый 2-бромэтил-катион. Причина такой стабильности состоит в том, что в циклическом бромониевом ионе все атомы имеют по восемь электронов во внешнем электроном слое, в то время как в 2-бромэтил-катионе у атома углерода имеется лишь шесть электронов. Образование циклического бромониевого катиона сопровождается гетеролитическим разрывом связи BrBr и отщеплением бромид-аниона.
Далее к циклическому бромониевому катиону присоединяется бромид-анион:
При этом трехчленный цикл раскрывается, а бромид-ион образует ковалентную связь с атомом углерода. Продуктом такого присоединения оказывается вицинальный дибромид. В связи с тем, что в бромониевом ионе с одной стороны атом углерода экранирован положительно заряженным атомом брома и бромид-анион может атаковать σ-комплекс только с противоположной стороны, реакция алкенов с бромом протекает как анти-присоединение.
Такое направление реакции можно подтвердить на примере получения транс-1,2-дибромциклогексана при бромировании циклогексена бромом. Образование такого продукта можно объяснить только промежуточным образованием циклического бромониевого иона. Цикл этого иона раскрывается с образованием (а,а)-транс-1,2-дибромциклогексана (аксиальное анти-присоединение), который затем переходит в более устойчивый конформер (е,е):
Вместе с тем имеются примеры присоединения галогенов по двойной С=С-связи, в которых не предполагается образования промежуточного циклического галогенониевого иона. В частности, присоединение брома к арилалкенам, вероятнее всего, идёт через открытый карбкатион, образующийся в составе тесной ионной пары и стабилизированный сопряжением с арилом. Следствием такого хода реакции является продукт син-присоединения:
Следует отметить, что склонность хлора к образованию такого иона существенно меньше и присоединение хлора протекает, как правило, с образованием открытой формы карбкатиона. Такой карбениевый катион является плоским и присоединение к нему не будет стереоспецифичным.
Тройная связь в реакциях с галогенами менее реакционноспособна, чем двойная. Это подтверждает, например, следующая реакция:
Галогены могут присоединяться к сопряженным диенам с образованием продуктов 1,2- и 1,4-присоединения, причем соотношение продуктов зависит от строения диенового углеводорода, от природы галогена и условий реакции.
Реакции присоединения протекают в основном по ионному механизму. При взаимодействии диенового углеводорода с галогеном по ионному механизму образуется π-комплекс, который быстро превращается в сопряженный карбениевый катион, изображаемый с помощью граничных структур I и II или тождественной структуры III, имеющей частичные положительные заряды на атомах С2 и С4 сопряженной системы:
Карбкатионы, образующиеся в реакциях электрофильного присоединения к сопряженным диенам, представляют собой карбкатионы аллильного типа. Они более устойчивы, чем третичные карбкатионы, и по этой причине сопряженные диены в реакциях электрофильного присоединения более реакционноспособны, чем алкены и алкины.
Далее катион III присоединяет анион хлора в положение 2 или 4 с образованием продуктов 1,2- и 1,4-присоединения:
Относительные количества продуктов 1,2- и 1,4-присоединения зависят от условий проведения реакции – температуры, природы растворителя и продолжительности процесса. Продукт 1,4-присоединения термодинамически более устойчив, в то время как продукт 1,2-присоединения образуется с большей скоростью (Еакт.1,2 < Еакт.1,4). Если галогенирование диенового углеводорода проводят при низкой температуре, то обратная реакция не протекает, и в этих условиях основным продуктом реакции является продукт 1,2-присоединения, скорость образования которого больше, т.е. реакция кинетически контролируема (рис. 1.4).
Р и с. 1.4. Энергетическая диаграмма 1,2- и 1,4-присоединения
Если реакция идет при повышенной температуре, то возможна и обратная реакция дегидрогалогенирования. В реакционной массе накапливается продукт 1,4-присоединения как термодинамически более стабильный. В этом случае состав продуктов реакции определяется термодинамическим контролем. Например, реакция бромирования дивинила подчиняется, в зависимости от температуры, кинетическому или термодинамическому контролю.
Термодинамический контроль:
Кинетический контроль:
При радикальном присоединении галогенов к диенам преимущественно образуется продукт 1,4-присоединения.
Если присоединение галогенов к олефинам проводят в водном растворе, то получают галогенгидрины:
Однако в препаративном отношении более выгодно получение хлоргидринов путем прямого присоединения хлорноватистой кислоты:
Смешанные галогены присоединяются к алкенам в соответствии с поляризацией связи Hal Hal.
Начальной стадией при этом является образование более устойчивого карбкатиона:
1.4.2. Присоединение галогенводородных кислот к алкенам,
алкинам и алкадиенам (гидрогалогенирование)
Гидрогалогенированием называют присоединение галогеноводорода по кратной углерод-углеродной связи.
Олефины присоединяют все галогеноводороды. Реакционная способность галогеноводородов в этой реакции возрастает с ростом силы кислоты:
Наиболее легко реагирует йодистый водород. Фтористый водород вступает в эту реакцию значительно труднее.
При проведении реакции применяют различные растворители: пентан, бензол, дихлорметан, хлороформ, уксусную кислоту.
Механизм реакции присоединения обычно рассматривается как ионный. Присоединение протона приводит к образованию карбениевого иона, который затем присоединяет анион.
Однако образование свободных карбениевых ионов ввиду их высокой реакционной способности, за исключением наиболее устойчивых, является весьма маловероятным процессом. Рассмотрим механизм гидробромирования на примере этилена.
Присоединение бромистого водорода к этилену можно рассматривать как тримолекулярный процесс (AdE3), в котором одна молекула галогеноводорода поляризует π-связь с образованием π-комплекса, а вторая молекула дает анион:
 
Для реакции гидрогалогенирования возможен молекулярный механизм присоединения, в котором полностью исключается образование ионов и реакция проходит через циклическое переходное состояние:
Механизм реакции определяется многими факторами, особенно полярностью среды и структурой алкена. В полярных растворителях преобладают ионные механизмы, в неполярных растворителях и газовой фазе – молекулярные.
В случае несимметричных алкенов реакция гидрогалогенирования протекает по двум направлениям:
Основным продуктом является продукт присоединения по правилу Марковникова. Такая направленность легко объясняется классической электронной теорией (статический эффект): молекула несимметричного замещенного алкена является поляризованной, а алкильные группы как электронодонорные определяют место наиболее вероятного присоединения протона:
Реакции гидрогалогенирования несимметричных алкенов отличаются высокой региоселективностью, что подтверждает предложенный механизм, и происходят в соответствии с правилом Марковникова.
Правило Марковникова (1869 г.):
при присоединении галогеноводорода к несимметричному алкену водород преимущественно присоединяется к более гидрогенизированному (имеющему большее число атомов водорода) атому углерода.
Такое направление реакции определяется относительной стабильностью образующихся на первой стадии карбениевых катионов:
Причины высокой региоселективности этой реакции хорошо видны на её энергетической диаграмме (рис. 1.5). Различие в энергиях образования первичного и вторичного пропильных катионов слишком велико, чтобы можно было ожидать образования 1-бромпропана.
Р и с. 1.5. Энергетическая диаграмма реакции гидробромирования пропена
Как видно из энергетической диаграммы, более устойчивому карбениевому иону отвечает переходное состояние с меньшей энергией, которое обеспечивает большую скорость реакции.
Легкость образования карбениевых катионов, их устойчивость и реакционная способность уменьшаются в следующей последовательности:
Влияние алкильных заместителей у двойной связи на скорость присоединения описывается следующей последовательностью:
R2C=CHR > RCH=CHR > RCH=CH2.
Это согласуется с предлагаемым выше механизмом, по которому в стадии, определяющей скорость реакции, происходит образование наиболее стабильного карбениевого катиона.
При наличии рядом с двойной связью электроноакцепторного заместителя реакция идёт против правила Марковникова. Теоретическим объяснением этого результата является различие в энергиях образования соответствующих промежуточных карбкатионов. В таком случае более стабильным оказывается первичный (т. е. менее замещенный) карбкатион, в котором дестабилизирующее действие электроноакцепторного заместителя слабее.
Было отмечено, что в присутствии кислорода или каталитических количеств пероксидов присоединение HBr к несимметричным алкенам осуществляется против правила Марковникова. Наиболее эффективными инициаторами такого присоединения являются такие пероксиды, как пероксид бензоила (С6Н5СОО)2, трет-бутилгидропероксид (СН3)3С-О-ОН, пероксид водорода (Н2О2) и др. Объяснение этого явления было дано М. Карашем (1933 г.). Он доказал, что механизм реакции в этом случае является цепным радикальным, что приводит к региоселективности гидробромирования алкена (перекисный эффект Караша).
Бромистый водород взаимодействует с пероксидом водорода, образуя радикал брома, который присоединяется по кратной связи с образованием более стабильного радикала. Образующийся радикал далее продолжает цепь:
Аномальное гидрогалогенирование, инициируемое перекисями, характерно только для HBr, но не для HF, HCl или HI. Однако есть целый ряд других соединений с подходящей энергией связи, которые могут присоединяться по двойной связи по радикальному механизму подобно радикальному присоединению HBr, например, четыреххлористый и четырехбромистый углерод, бромтрихлорметан:
При присоединении галогеноводородов к сопряжённым диенам образуются два структурных изомера. Примером является реакция 1,3-бутадиена с НBr.
Относительные количества продуктов 1,2- и 1,4-присоединения зависят от условий проведения реакции – температуры, природы растворителя, продолжительности процесса. Продукт 1,4-присоединения термодинамически более устойчив, в то время как 1,2-присоединение протекает с большей скоростью
 .
Если гидробромирование диенового углеводорода проводят при низкой температуре, обратная реакция дегидробромирования не протекает. В этих условиях основным продуктом реакции оказывается продукт 1,2-присоединения, т.е. реакция кинетически контролируема. Энергетическая диаграмма присоединения бромистого водорода к 1,3-бутадиену приведена на рис. 1.6.
Р и с. 1.6. Энергетическая диаграмма реакции присоединения
бромоводорода к 1,3-бутадиену
Если реакция идёт при повышенной температуре, имеет место обратная реакция дегидробромирования. В реакционной смеси накапливается продукт 1,4-присоединения, так как он термодинамически более стабилен (по правилу Зайцева как более замещенный алкен). В этих условиях состав продуктов реакции определяется термодинамическим контролем. Важно отметить, что при повышенной температуре индивидуальный 1,2-аддукт постепенно превращается в равновесную смесь с 1,4-аддуктом. Например, нагревание до 45°С реакционной смеси, полученной при -80°С, ведет к получению 15% 1,2-аддукта и 85% 1,4-аддукта, т.е. при повышенной температуре реакция термодинамически контролируема.
1.5. ГАЛОГЕНИРОВАНИЕ СОЕДИНЕНИЙ
С КАРБОНИЛЬНОЙ ГРУППОЙ
Галогенирование карбонильных соединений относится к числу наиболее подробно изученных реакций. Галогенирование альдегидов и кетонов осуществляется исключительно в α-положение и не ускоряется при облучении.
Галогенирование карбонильных соединений обычно проводят действием раствора брома, хлора или йода в уксусной кислоте, хлора в соляной кислоте, комплекса брома с диоксаном или N,N-диметилформамидом (ДМФА).
Способность альдегидов и кетонов реагировать с галогенами (Cl2, Br2, I2) с замещением атомов водорода при α-углеродном атоме является следствием СН-кислотности. Поэтому галогенирование альдегидов и кетонов катализируется как кислотами, так и основаниями.
Скорость реакции галогенирования в присутствии катализатора (основания или кислоты) не зависит от природы и концентрации галогена, но зависит от концентрации катализатора. Его роль заключается в ускорении процесса енолизации карбонильного соединения. Скорость галогенирования в присутствии основания намного выше, чем в кислой среде, однако моногалогенкарбонильные соединения получают обычно в присутствии кислот. В этих условиях образующийся моногалогенкетон медленнее подвергается енолизации (а соответственно и последующему галогенированию), чем исходный кетон.
Механизм реакции, катализируемой кислотой, включает следующие стадии:
Стадия 1. Медленное образование енола:
Стадия 2. Быстрое электрофильное присоединение галогена по С=С-связи енола:
Реакция завершается образованием сопряженной кислоты α-галогенкетона и последующим её депротонированием.
В щелочной среде реакцию трудно остановить на стадии моногалогенирования, поскольку в этих условиях моногалогенпроизводное быстрее подвергается енолизации (а следовательно, и последующему галогенированию), чем исходный альдегид или кетон. Поэтому в указанных условиях легко образуются продукты полного галогенирования.
Реакция метилкетона с галогеном (Cl2, Br2, I2) в концентрированном растворе щелочи приводит к получению тригалогенметилкетона, который легко расщепляется щелочью (галоформная реакция).
Продуктами реакции являются карбоновая кислота (в виде натриевой соли) и галоформ (хлороформ).
Реакцию с йодом применяют для идентификации метилкетонов по образованию желтого осадка CHI3 (йодоформная реакция).
Галогенирование карбоновых кислот проводят галогеном (кроме йода) в различных условиях.
Фторирование ведет к перфторкарбоновым кислотам. В промышленности это осуществляется электрохимически в растворе жидкого HF. Продуктом реакции являются ацилфториды:
Хлорирование карбоновых кислот происходит при нагревании и освещении реакционной массы. При хлорировании уксусной кислоты образуются все три возможных продукта:
Хлорирование других карбоновых кислот (пропионовой, масляной и т.д.) дает не только α-, но также β- и γ-замещенные, т.е. в этих условиях реакция протекает неселективно.
Региоселективное α-галогенирование (хлорирование и бромирование) достигается в методе Геля-Фольгарда-Зелинского. Для введения хлора и брома в α-положение к карбоксильной группе карбоновую кислоту обрабатывают хлором или бромом в присутствии каталитических количеств красного фосфора:
Первоначально образующийся бромид фосфора (III) превращает карбоновую кислоту в бромангидрид, енольная форма которого легко присоединяет бром.
Для этой реакции необходимы только каталитические количества PBr3, поскольку образовавшийся бромангидрид бромуксусной кислоты, взаимодействуя с исходной карбоновой кислотой, превращается в α-бромкарбоновую кислоту, регенерируя при этом бромангидрид уксусной кислоты.
Для галогенирования галогенангидридов кислот можно применять N-хлор- и N-бромсукцинимиды, что позволяет провести реакцию в очень мягких условиях. Последующий гидролиз приводит к α-галогензамещенным кислотам.
Йодзамещенные кислоты нельзя получать прямым йодированием, их получают реакцией нуклеофильного замещения α-бром- или α-хлорзамещенных кислот действием йодида натрия в ацетоне или ДМФА. Аналогично получают и α-фторзамещенные карбоновые кислоты.
2. НЕПРЯМОЕ ГАЛОГЕНИРОВАНИЕ
2.1. ПОЛУЧЕНИЕ АЛКИЛГАЛОГЕНИДОВ ЗАМЕЩЕНИЕМ
ГИДРОКСИЛЬНОЙ ГРУППЫ НА ГАЛОГЕН
Замещение гидроксильной группы на галоген принадлежит к числу наиболее важных реакций в повседневной практике органического синтеза, играющих ключевую роль в самых разнообразных химических превращениях. Существует большое число методов замены гидроксильной группы спирта на галоген. Они отличаются различной региоселективностью и стереоселективностью, а выходы спиртов колеблются в весьма широких пределах. Методы замещения гидроксила на галоген основаны на реакции спиртов с галогеноводородами, а также с галогенидами или оксигалогенидами фосфора и серы.
2.1.1. Получение алкилгалогенидов из спиртов
и галогеноводородов
ROH + HHal → RHal + H2O
Реакционная способность галогеноводородов уменьшается в ряду HI > >HBr > HCl >> HF. Скорость реакции с HF слишком мала для прямого превращения спиртов в алкилфториды. Скорость реакции замещения резко снижается в ряду третичный > вторичный > первичный спирт. Для получения третичных алкилгалогенидов обычно достаточно насытить третичный спирт газообразным галогеноводородом при 0-10°С или обработать водной соляной, бромистоводородной или йодистоводородной кислотами в течение короткого промежутка времени при 0-20°С. Для получения первичных и вторичных алкилбромидов и алкилйодидов обычно требуется нагревание смеси спирта, концентрированной бромистоводородной или йодистоводородной кислоты в присутствии концентрированной серной кислоты в течение нескольких часов. Вместо концентрированных водных растворов HBr и HI можно использовать бромиды и йодиды натрия и калия и концентрированную серную кислоту. Выходы алкилгалогенидов по этому методу обычно составляют 75-90%:
Спирты как слабые основания Льюиса при протонировании образуют соли алкилгидроксония. Протонирование гидроксильной группы превращает «плохую» уходящую группу ОНˉ в «хорошую» уходящую группу – воду:
Механизм последующего нуклеофильного замещения зависит от природы радикала спирта. Для первичных спиртов реализуется SN2-механизм замещения воды в катионе алкилгидроксония на галоген:
Ниже приведён механизм образования пропилбромида из н-пропилового спирта.
Стадия 1 – протонирование гидроксильной группы:
Стадия 2 – замещение молекулы воды (как уходящей группы) на атом брома:
В реакциях SN2 реакционная способность первичных спиртов RCH2OH ниже, чем таковая в метаноле. Это связано с ростом пространственных затруднений для атаки алкилгидроксониевого иона галогенид-ионом при замене Н на R.
Хлорид-ион в гидроксилсодержащих растворителях сильно сольватирован и проявляет свойства более слабого нуклеофильного агента по сравнению с бромид- и йодид-ионами. Поэтому для получения алкилхлоридов при взаимодействии первичных спиртов с соляной кислотой используют электрофильный катализатор – безводный хлорид цинка. Смесь соляной кислоты и хлорида цинка носит название реактива Лукаса.
Третичные спирты и, по-видимому, вторичные спирты взаимодействуют с галогеноводородами по механизму SN1 с образованием карбкатиона в качестве интермедиата. При превращении третичного спирта в третичный алкилгалогенид в реакционной смеси в высокой концентрации находится более сильный нуклеофильный агент, чем вода, галогенид-ион. Поэтому карбкатион стабилизируется в основном не выбросом протона или рекомбинацией с молекулой воды, а с помощью захвата галогенид-иона как наиболее сильного из конкурентов нуклеофила. Ниже приведён механизм взаимодействия третичного бутилового спирта с HBr.
Стадия 1 – протонирование гидроксильной группы:
Стадия 2 – отщепление молекулы воды и образование карбкатиона:
Стадия 3 – стабилизация карбкатиона за счёт присоединения бромид-иона:
Стадия 3 сопровождается образованием побочного продукта (алкена) за счёт стабилизации карбкатиона путём отщепления протона:
В реакциях спиртов, протекающих по механизму SN1, реакционная способность уменьшается в ряду:
CH2=CHCH2OH C6H5CH2OH > (CH3)3COH> > (CH3)2CHOH.
Другой характерной особенностью реакции, протекающей по механизму SN1с участием карбениевых катионов, являются перегруппировки с образованием более стабильного карбениевого катиона.
Например, неопентиловый спирт при взаимодействии с HCl образует 2-хлор-2-метилбутан:
Из-за стерических затруднений он реагирует с HCl не по механизму SN2, а по механизму SN1. Образующийся при этом первичный карбениевый катион перегруппировывается в более стабильный третичный за счет 1,2-сдвига метильной группы с парой электронов:
2.1.2. Получение алкилгалогенидов из спиртов
и галогенидов фосфора
Для превращения спиртов в алкилгалогениды применяют различные три- и пентагалогениды фосфора: PBr3, PCl5, POCl3 или PI3, получаемый из красного фосфора и йода непосредственно во время реакции. Для первичных и вторичных спиртов на три моля спирта требуется только один моль трибромида или трийодида фосфора:
3 ROH + PBr3 → 3 RBr + H3PO3
ROH + PBr5 → RBr + POBr3 + HBr
Галогениды и оксигалогениды фосфора относятся к умеренно сильным кислотам Льюиса. Замещение гидроксильной группы на галоген под действием PBr3 и других галогенидов и оксигалогенидов фосфора происходит с инверсией конфигурации у асимметрического атома углерода, связанного с гидроксильной группой. Замещение гидроксила на галоген под действием PBr3, PI3, PCl5, POCl3 часто сопровождается изомеризацией и перегруппировками. Применение третичных оснований, таких как пиридин, хинолин, N,N-диметиланилин, в смеси с PBr3, PI3, PCl5, POCl3 несколько уменьшает долю продукта перегруппировки, но не устраняет её полностью. Таким образом, тригалогениды и оксигалогениды фосфора не могут быть рекомендованы в качестве селективных реагентов для замещения спиртовой гидроксильной группы. Эти реагенты следует применять только в наиболее простых случаях, где перегруппировка и изомеризация невозможны.
Тионилхлорид превращает первичные и вторичные спирты в алкилхлориды с выходом 70-90%. Реакция протекает в присутствии слабых оснований (пиридин, триэтиламин, диэтиламин).
Третичные спирты преимущественно подвергаются дегидратации при взаимодействии с SOCl2 с образованием алкенов:
2.2. ПОЛУЧЕНИЕ АЛКИЛГАЛОГЕНИДОВ
ПРИ ЗАМЕЩЕНИИ ДРУГИХ УХОДЯЩИХ ГРУПП
Галогенпроизводные могут быть получены при замещении сульфонатной группы в алкилсульфонатах на галоген.
Этот метод широко используется для замены гидроксильной группы в первичных и вторичных спиртах на фтор, хлор, бром или йод. С этой целью спирты предварительно этерифицируют с помощью хлорангидридов сульфокислот, обычно п-толуолсульфохлорида (тозилхлорида, TsCl), метансульфохлорида (мезилхлорида, MsCl) или трифторметансульфохлорида (трифлатхлорида, TfCl) с получением тозилатов, мезилатов или трифлатов:
 
Остаток п-толуолсульфокислоты или другой сульфокислоты является превосходной уходящей группой и легко замещается в мягких условиях под действием галогенид-иона. Алкилсульфонаты легко могут быть выделены и очищены. Замещение тозилоксигруппы на галоген обычно осуществляется в ДМФА, ДМСО или ацетоне и сопровождается полной инверсией конфигурации:
 
Для аллильных спиртов замещение сульфонатной группы на галоген, как правило, сопровождается перегруппировкой. Доля продукта перегруппировки зависит от структурных факторов и условий проведения реакции, при низких температурах реакция протекает более региоселективно:
В последнее время для получения алкилгалогенидов из алкилсульфонатов и других алкилгалогенидов широкое применение нашёл метод межфазного катализа. Метод межфазного переноса реагентов с использованием в качестве катализаторов фазового переноса четвертичных солей аммония, краун-эфиров и криптандов
|