Тема 8. Галогенопохідні вуглеводнів: номенклатура, ізомерія, способи одержання, хімічні властивості та їх застосування у фармації. Реакції нуклеофільного заміщення та елімінування. Методи галогенування органічних сполук. Малий практикум.

Тема 9. Нітросполуки. Методи нітрування органічних сполук. Малий практикум.

План

Галогенопохідні вуглеводнів:

1. Класифікація, номенклатура і ізомерія галогенпохідних алканів.

2. Способи одержання галогенпохідних вуглеводнів. Механізми введення атомів галогену в молекули органічних сполук (S_R, S_E, S_N, A_E). Пряме і непряме галогенування органічних сполук. Галогенуючі реагенти. Одержання галогенпохідних вуглеводнів.

3. Фізичні властивості галогеналканів. Характеристика зв’язку карбон-галоген. Фактори, що визначають реакційну здатність (рухливість галогену) галогенпохідних вуглеводнів всіх типів.

4. Хімічні властивості галогенпохідних вуглеводнів.

5. Реакції нуклеофільного заміщення. Механізми реакцій S_N1 і S_N2

6. Реакції відщеплення (елімінування). Механізми реакцій Е₁ і Е₂. Правило Зайцева.

7. Умови, що впливають на перебіг конкурентних реакцій нуклеофільного заміщення та елімінування.

8. Ди- іполігалогенпохідні вуглеводнів.

9. Галогенпохідні вуглеводнів – вихідні речовини в синтезі інших класів органічних сполук.

10. Методи ідентифікації галогенпохідних вуглеводнів.

11. Основні представники, їх медичне, біологічне та промислове значення.

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ.

Введення в молекулу органічної сполуки рухливих атомів галогену приводить до одержання достатньо реакційноздатної сполуки, що дозволяє легко їх заміщувати на інші атоми та групи атомів (-OH, -NH₂, -NO₂, -CN, -SHтощо). Це обумовлює використання галогенпохідних вуглеводнів як вихідні і проміжні речовини для органічного синтезу інших класів і, зокрема, для синтезу лікарських препаратів.

Введення атомів галогенів в молекули вуглеводнів обумовлює також їх вплив на фізіологічну активність синтезованих сполук. Зокрема, метилхлорид, етилхлорид, хлороформ, фторотан, трихлоретилен виявляють наркотичну дію, йодоформ – антисептичну дію, перфторвуглеводні – володіють здатністю розчиняти та переносити кисень кров’яним руслом. Наявність атомів Брому зумовлює заспокійливу дію препаратів. Введення атомів галогенів в боковий ланцюг похідних ароматичних вуглеводнів або карбонільних сполук обумовлює лакриматорні властивості.

Галогенпоідні вуглеводнів при взаємодії з нітритом натрію перетворюються на нітросполуки, які мають значне практичне значення в органічній хімії. Вони використовуються як розчинники, вибухові речовини (тринітропохідні), реагенти для виявлення органічних лікарських засобів, а також як вихідні речовини для синтезу інших класів органічних сполук (зокрема амінів). Ряд синтетичних лікарських засобів містять у своїй структурі нітрогрупу (фалімінт, фурацилін – антисептик, левоміцетин – антибіотик, тощо).

Галогенопохідні вуглеводнів широко використовуються в органічному синтезі, багато з них знайшли використання в фармації та медицині. Наприклад, фторетан виявляє сильну наркотичну дію і використовується в медицині для місцевого знеболювання при невралгіях, нейроміозитах, невеликих поверхневих розрізах. Йодоформ з давнїх часів застосовується як антисептичний засіб у стоматології, а також у формі присипок і мазей для лікування інфікованих ран і виразок. Фторетан виявляє сильну наркотичну дію і низьку токсичність, тому він широко застосовується в медичній практиці як засіб для комбінованого інгаляційного наркозу. Перфторвуглеводні використовують в якості основи для створення кровозамінників ( перфторан, чи так названа “блакитна кров“ ). Дифтордихлорметан (фреон-12) використовується як хладагент у холодильних установках, а також як пропелент у виробництві аерозольних лікарських препаратів.

Таким чином, уміння інтерпретувати хімічну будову й властивості галогенопохідних вуглеводнів необхідне для вивчення таких дисциплін, як фармацевтична хімія, токсикологічна хімія, фармакологія, фармакогнозія.

Після цього вам потрібно ознайомитися із цілями заняття , обміркувати й усвідомити важливість вивчення цієї теми.

1. Класифікація, номенклатура і ізомерія галогенпохідних алканів.

Похідні вуглеводнів, в яких один або декілька атомів Гідрогену заміщені на атоми галогенів (-F, -Cl, -Br, -J), називають галогенпохідними вуглеводнів.

У залежності від природи вуглеводневого радикала галогенопохідні підрозділяють на аліфатичні, аліциклічні та ароматичні.

Серед аліфатичних розрізняють насичені (галогеналкани) та ненасичені (галогеналкени, галогеналкіни). Ароматичні галогенопохідні поділяють на сполуки, у яких атом галогену безпосередньо зв’язаний з ароматичним ядром (галогенарени), та речовини, що містять атом галогену в боковому ланцюзі (арилалкілгалогеніди).

Галогеналкани Галогеналкени Галогенарени

С_nH_2n+1Hal C_nH_2n-1Hal Ar-Hal

C₂H₅Cl CH₂=CH–Cl C₆H₅–Cl

Арилалкілгалогеніди

C₆H₅–CH₂–Cl

У відповідності з природою атома галогену галогенопохідні поділяють на:

фторпохідні, наприклад: тетрафторкарбон*

хлорпохідні, наприклад: хлороформ*, тетрахлоркарбон

бромпохідні, наприклад: бромоформ*

йодпохідні, наприклад: йодоформ*

За числом атомів галогену в молекулі розрізняють моно-, ди-, три- та полігалогенопохідні вуглеводнів:

–       моногалогенпохідні – СН₃-СН₂-Сl (хлоретан); СН₃–Сl (хлорметан)

–       дигалогенпохідні – Br-CH₂–CH₂–Br (1,2-дибромоетан); СH₃–CHCl₂ (1,1-дихлороетан)

–       три-, тетра- та полігалогенпохідні: СHCl₃ (хлороформ);

СHJ₃ (йодоформ); ССl₂=CHCl (трихлоретилен);

CCl₄ (тетрахлоретан); СF₂Cl₂ (фреон-12)

СF₃ – CH(Cl)Br (2-бромо-1,1,1-трифлуоро-2-хлороетан – фторотан)

За положенням атомів галогену галогеналкани поділяють на – первинні, вторинні та третинні.

Номенклатура та ізомерія

За замісниковою номенклатурою ІЮПАК назви галогенопохідних вуглеводнів складають аналогічно назвам відповідних вуглеводнів Атоми галогенів, що входять до складу сполук, позначаються в назві у вигляді префікса, до якого додають назву родоначальної структури. За родоначальну структуру в аліфатичних галогенопохідних береться головний вуглецевий ланцюг, в аліциклічних і ароматичних – цикл. Наприклад:

СН₃−СН(Br)−СН₂−СН₃ −Cl − Br

2-бромбутан хлорциклогексан бромбензен

Якщо при родоначальній структурі є декілька замісників (галогени та вуглеводневі радикали), то у назві перелічують їх в алфавітному порядку. Атоми Карбону родоначальної структури нумерують у цьому випадку таким чином, щоб замісник, який позначений у назві першим, мав найменший номер, наприклад:

СН₃ – СН – СН₂ – СН – СН₃ СН₃ – СН – СН₂ – СН – СН₃.

Вr СН₃ Сl СН₃

2-бром-4-метилпентан 2-метил-4-хлорпентан

У галогеналкенах та галогеналкінах нумерацію атомів вуглецю головного ланцюга проводять так, щоб найменші номери дістали атоми Карбону кратного зв’язку:

СН₂Сl – СН₂ – СН(СН₃) – СН = СН₂ СН º С – СН₂Вr.

5-хлор -3-метилпентен-1 3-бромпропін

Для найпростіших галогенопохідних використовують раціональну номенклатуру, згідно з якою назву складають з назви вуглеводневого радикала, зв’язаного з галогеном, та суфікса -фторид, -хлорид, -бромід або -йодид:

СН₃С1 С₂Н₅Вr С₆Н₅СН₂С1

метилхлорид етилбромід бензилхлорид

Для галогенопохідних, у яких усі наявні атоми водню у молекулі заміщені на галоген, у назвах використовують префікс пер-:

СF₃ – СF₃ СF₂ = СF_2..

перфторетан перфторетилен

За деякими галогенопохідними збереглися тривіальні назви:

СН₃СІ СНСІ₃ СНВr₃ СНІ₃ СН₂ = С (СІ) – СН = СН₂

хлористий метил хлороформ бромоформ йодоформ хлоропрен

Для галогенопохідних вуглеводнів характерна структурна, геометрична та оптична ізомерія.

Структурна ізомерія зумовлена різною структурою Карбонового скелета молекули та різним положенням атомів галогенів у ланцюзі. Так, хлорбутан С₄Н₉СІ існує у вигляді чотирьох структурних ізомерів:

СН₃СН₂СН₂ – СН₂СІ 1-хлорбутан

СН₂(СІ) – СН(СН₃) – СН₃ 2-метил-1-хлорпропан

СН₃ – СН(СІ) – СН₂ – СН₃ 2-хлорбутан

СН₃ – СН₂ – СНСІ – СН₃ 2-метил-2-хлорпропан

СН₃

Полігалогенопохідні можуть бути представлені декількома структурними ізомерами, що відрізняються взаємним розміщенням атомів галогенів, наприклад:

СН₂(С1) – СН (С1) – СН₃ СН₂ (С1) – СН₂ – СН₂(С1) СН₂ – С(С1₂) – СН₃.

1,2-дихлорпропан 1,3-дихлорпропан 2,2-дихлорпропан

Дигалогенопохідні з атомами галогенів у одного й того ж атома Карбону називають гемінальними (гем-похідні), у сусідніх атомів вуглецю – віцинальними (віц-похідні).

Для галогеналкенів, що мають різні замісники при атомах вуглецю, які утворюють подвійний зв’язок, поряд зі структурною ізомерією можлива геометрична ізомерія, наприклад: цис-1-хлорпропен і транс-1-хлорпропен.

Для галогеналканів, що містять у своїй структурі асиметричний атом Карбону, характерна оптична ізомерія Так, 2-хлорбутан СН₃СН₂СНСІСН₃ існує у вигляді двох дзеркальних ізомерів (енантіомерів).

2. Способи одержання галогенпохідних вуглеводнів. Механізми введення атомів галогену в молекули органічних сполук (S_R, S_E, S_N, A_E). Пряме і непряме галогенування органічних сполук. Галогенуючі реагенти. Одержання галогенпохідних вуглеводнів.

Галогенування — це спосіб введення галогенів у молекули органічних сполук. Інша назва - галоїдування. Здійснюється шляхом реакції заміщення атому або радикалу у органічній молекулі атомом галогену, або шляхом реакції приєднання атома галогену до молекули органічної речовини. Механізм заміщення або приєднання атому галогену в сполуках аліфатичного ряду — вільно-радикальний. В ароматичних сполуках заміщення проходить по іонному, а приєднання — по вільно-радикальному або електрофільному (взаємодія з подвійним зв'язком) механізму. Заміщення гідроксильної групи -ОН на галоген здійснюється під дією концентрованих галогенвмісних кислот (HHal), а також PBr₃, POCl₃, SOCl₂. Заміщення кисню у карбонільній групі внаслідок взаємодії з PCl₅ призводить до утворення гемдигалогенідів.

Галогенування може бути прямим і непрямим.

Пряме галогенування здійснюється як приєднання до кратних зв‘язків в субстраті або як реакція заміщення атомів гідрогену (навіть в аліфатичних сполуках при дії галогенів):

>С=С< + Hlg2 → >CHlg–CHlg<

R₃CH + Hlg₂ → R₃C–Hlg + HHlg

Непряме галогенування — це заміщення на галоген інших функціональних груп в молекулах субстрату (найчастіше гідроксильної, діазонієвої груп, одного галогена іншим):

RХ + HlgY → R–Hlg + XY (Х = Hlg′, N₂ +, OH і ін.,

Y = Br, I, SOCl, POHlg2, РHlg2, РHlg4, Н і ін.)

Хлор, бром, йод часто ще вводять в проміжні продукти з метою надання їм певної регіореактивності. Галогени при тому здатні взаємозамінятися, а також бути заміненими на інші групи (пр. на гідрокси-, меркапто-, аміногрупи).

Розглянемо на початку реакції прямого галогенування.

Залежно від своєї природи, галогени по різному реагують з органічними сполуками. Найенергійніше взаємодіє флуор, найслабкіше — йод.

З молекулярним флуором (F₂) рідко працюють (лише при низьких температурах, розводячи азотом), але для введення флуору використовують його сполуки, які спроможні заміщувати функціональні групи (пр. діазонієву, хлор) в субстраті на флуор.

Для введення інших галогенів використовуються їх прості сполуки (Hlg₂), а також галогеновмісні реагенти (пр. тіоніл (сульфініл) хлорид SOCl₂, сульфоніл (сульфурил) хлорид SO₂Cl₂), здатні за тим чи іншим механізмом передавати галоген субстратові.

Хлор, як газоподібний реагент, використовують з балонів, де він перебуває стисненим до 6,6 ат при 20 °С, струмінь хлору зневоднюють пропусканням через концетровану сульфатну кислоту або пентаоксид фосфору. Для лабораторних цілей хлор можна отримувати дією концентрованої хлоридної кислоти на оксидант — перманганат калію. Бром, що є рідиною (т.кип. 59 °С), зневоднюють додаванням пентаоксиду фосфору.

Хлорування проводять в паровій або, найчастіше, в рідкій фазах. В останньому випадку, як і бромування, його здійснюють в надлишкові самого субстрату, в хлоровмісних розчинниках (напр. в ССl₄), в оцтовій кислоті, в нітробензені, в сульфатній кислоті і навіть у воді, а бромування ще, крім того, добре вдається в діоксані та піридині.

Реакції галогенування далі подаватимуться за механізмами (приєднання і заміщення), та передовсім за їх електронною природою, що визначається електронним характером реагуючих частинок — радикальних чи іонних, тобто гемолітичним (радикальним) чи гетеролітичним (іонним) механізмами в різних структурних варіаціях лікарських речовин та напівпродуктів.

Механізм, а відтак спрямування реакції галогенування істотно залежить від наявності каталізаторів або ініціаторів процесу.

1. Галогенування алканів

Галогенування за участю радикальних частинок пов‘язане з гомолітичним розривом (гомолізом) хімічних зв‘язків в субстраті та, передовсім, в галогені, як простій речовині (тобто в Hlg2) і реагенті, що забезпечує ланцюговий процес виникнення радикалів субстрату й утворення продуктів реакції. Такі реакції викликаються (ініціюються) т.зв. ініціаторами — речовинами з низькою енергією розриву зв‘язку (пероксидами, порофорами — похідними аліфатичних діазосполук, як наприклад динітрил азоізомасляної кислоти (ДАК) і ін.), які при термічній або фотохімічній дії на них здатні легко генерувати радикальні частинки й ініціювати радикальний процес.

Виниклий радикал хлору продовжує ланцюг з субстратом. Звісно, ініціатори повинні підбиратися так, аби їх продукти перетворення могли легко відділятися від цільового продукту реакції.

Швидкістьвизначальною стадією процесу зазвичай є радикальне розщелення С–Н зв′язку, кінетична активність якого змінюється в послідовності: третинний С–Н > вторинний С–Н > первинний С–Н, тому склад продукту залежить від селективності відриву протона. Реактивність галогенів в радикальних реакціях падає від хлору до йоду. Йодування за ланцюговим механізмом і зовсім не спостерігається, оскільки відрив гідрогену радикалами йоду від зв’язків С–Н є ендотермічним.

Взаємодія алканів з галогенами проходить при УФ-опромінюванні. Метод дозволяє одержати хлор- і бромалкани. Недоліком цього способу є утворення суміші моно-, ди- та полігалогеналканів.

Прикладом радикального галогенування з застосуванням згаданого вище ініціатора ДАК є одержання 2,6-бісхлорметилпіридину із 2,6-лутидину, проміжного продукту в синтезі ліків.

Галогенільним радикалам притаманні електрофільні властивості, зокрема відповідно з високою спорідненістю до електрона атома хлору (17 група періодичної системи елементів).

Завдяки великому перепадові швидкостей хлорування (внаслідок сильної зміни залишкового заряду на атомі карбону з входженням кожного наступного атома хлору в метильну групу) вдається регулювати подачею кількості хлору. До речі, швидкість реагування бромільного радикалу набагато менша за хлорильний, так що, наприклад, бензотрибромід вже й не одержується.

Гомоліз викликається і безпосередньою дією фізичних факторів, здебільше світла або й високої температури (хоча вибірковість радикальних реакцій з підвищенням температури падає), які радикалізують передовсім молекули галогену, як такі, що мають низькі енергії зв‘язків (в ккал/моль для F₂ 38, Cl₂ 58, Br₂ 46, I₂ 36), а ті вже продовжують ланцюгову реакцію з субстратом.

Hlg2 + hν → 2 Hlg˙

Джерелом радикалізованих частинок можуть бути й різні носії галогенів — сполуки, в які входить галоген з низькою енергією зв‘язку.

Радикальним процесам сприяє підвищення температури, гетеролітичні перебігають при нижчих температурах.

а. Фторування

C_nH_2n+2 + (3n+1)F₂ ® nCF₄ + (2n+2)HF;

R-H + 2CoF₃ ® R-F + 2CoF₂ + HF

б. Хлорування і бромування – реакції S_R.

C_nH_2n+2 + Hal₂ ® C_nH_2n+1Hal + HНal.

Гетеролітичне галогенування передбачає виникнення і участь в процесі галогенування іонних частинок реагенту внаслідок поляризації його молекул, що здійснюється за допомогою каталізаторів, або завдяки сольватуючій дії полярних розчинників. Каталізаторами хлорування виступають кислоти Льюїса, такі як солі важких металів FeCl₃ (використовують навіть саме залізо, оскільки під дією хлору воно кородує до солі), SbCl₃, AlCl₃, сульфатна кислота, йод, які здатні генерувати електрофільні частинки реагенту Hlg+.

FeCl₃ + Cl₂ → Cl+ + FeCl₄￣

H₂SO₄ + Cl₂ → Cl+ + HCl + HSO₄￣

ICl + Cl₂ → ICl₃ → ICl₂￣ + Cl+

Вважається, що сам катіон галогену, наприклад хлороній іон Сl+, не існує як кінетично незалежна частинка, а лише в комплексі з каталізатором (Ctl) або розчинником як частина поляризованої молекули хлору:

Cl Cl...E (E = каталізатор Ctl, або розчинник,

що здатні поляризувати молекулу хлору)

До субстрату за таким механізмом приєднується галогенкатіон як поляризований галоген в комплексі з сіллю важкого металу або електрофільного розчинника. Молекули субстрату, своєю чергою, повинні мати легко поляризовні кратні зв‘язки (можуть знаходитися і в кон‘югованих системах, пр. в бензені, або утворюватися внаслідок таутомеризації реакційної ланки).

Галогенування в ароматичне ядро. Велике значення мають реакції прямого галогенування в ароматичному кільці, наприклад в бензені. Галогенування в ядро, на відміну від галогенування в бічний ланцюг, провадиться переважно не для активації субстрату, аби потім галоген був заміщеним, а для входження в кінцеву субстанцію.

Бензен хлорується, важче бромується, але практично не йодується. В присутності каталізаторів гетерогенного галогенування відбувається процес електрофільного заміщення галогенами, швидкість якого помітно залежить від наявності замісників в ароматичному ядрі. Кожен із атомів галогену далі сповільнює входження наступного атома в ароматичне ядро, наприклад у випадку хлору в 7–8 разів.

Галогени характеризуються не надто великими додатніми величинами σ-Гамета (σм ~ 0.35; для Cl, Br, I σо, σп ~ 0.2, для F 0.2, 0.06), але і їх резонансні константи σо R, що відбивають здатність до полярної кон’югації, мають відповідні від‘ємні значення (σо R ~ –0.2). Попри все галогени зберігають властивості орієнтантів першого роду в ароматичних системах, а їхній сумарний пасивуючий вплив на подальше заміщення стає не таким вже й надто істотним.

Ароматичне ядро сильно активується до галогенування замісниками першого роду. Вони здатні віддавати свої електрони в кон‘юговану систему за мезомерним ефектом, збільшуючи нуклеофільність ароматичного ядра особливо в орто- й пара- положеннях — реакція тоді відбувається навіть без участі каталізаторів при кімнатній температурі або й при охолодженні.

Замісники другого роду, для котрих σ-константи замісників мають додатні значення пасивують ароматичне кільце щодо галогенування, як електрофільної реакції. Тоді процес доводиться провадити при нагріванні.

Перебіг гетеролітичних реакцій галогенування ароматичних систем близький за механізмом до гетеролітичного галогенування кратних зв‘язків, оскільки йдеться про взаємодію ненасичених систем з галогеном. Істотна відмінність полягає в тому, що в процесі приєднання зв‘язується також галогенід аніон, а в ароматичних циклах, після приєднання галогену, відбувається повернення дезароматизованого катіона до первісного стану ароматичності, як більш термодинамічно вигідного для системи, з відщепленням НХ. Отже, суть механізму такої електрофільної реакції на прикладі хлорування за участю каталізатора.

Хлорування за допомогою газоподібного хлору в каталітичних умовах спрямовується в бензенове кільце. Цьому сприяють електронодонорні замісники і полярні розчинники, наприклад крижана оцтова або мурашина кислоти.

Для хлорування використовується, крім молекулярного газоподібного хлору, також і різні хлоридні сполуки, здатні легко в реакціях передавати свій хлор на субстрат (пр. SOCl₂, SO₂Cl₂, PCl₃, PCl₅, гіпохлорити й гіпоброміти, і ін.).

Йодування від інших процесів галогенування відрізняється тим, що гідроген йодид, який утворюється підчас реакції заміщення гідрогену в субстраті, здатний зворотно взаємодіяти з продуктом реакції, відновлюючи його до вихідного вуглеводню.

R–Н + I₂ ® R–І + HI

Тому йодування ведуть в присутності лагідних оксидантів (HIO, HNO3), які спроможні генерувати І⁺ чи I₂, або зв‘язувачів гідроген йодиду — оксиду ртуті, лугів, калієвих солей слабких кислот, це може бути й аміногрупа в субстраті, яка даватиме сіль з гідроген йодидом.

Здійснюють реакцію дією на субстрат калій йод дихлоридом (KICl2), йод монохлоридом (ICl), або ж йодом в йодидові калію в воді або в спирті, часто в присутності основних агентів (трет-амінів, карбонатів або бікарбонатів лужних металів).

Легко піддаються прямому йодуванню похідні бензену, які містять орієнтанти першого роду, при тому може вступати в ядро кілька атомів йоду.

Ароматичні йодиди використовуються для пригнічення або активації (залежно від доз) щитовидних гормонів.

Ефективним йодуючими засобами є калій йод дихлорид, йод монохлорид.

в. Хлорування і бромування – реакції S_Е.

г. Хлорування і бромування – реакції S_R та S_Е.

3. Отримання похідних йоду – реакція Фінкельштейна – реакції S_N:

R-Cl + NaI ® R-I + NaCl.

4. Добування зі спиртів – реакції S_N.

При одержанні галогеналканів зі спиртів використовують наступні галогенуючі реагенти:

А) галогеноводні (НС1, НВг, НІ),

Б) галогеніди фосфору (РС1₃, РСl₅, РВr₃, РВr₅, Р + І₂)

В) тіоніл-хлорид SОС1₂.

Взаємодія спиртів з галогеноводнями проходить за такою схемою:

R-OH + HHal ® R-Hal + H₂O

За допомогою цієї реакції можна одержати хлор-, бром- та йодалкани.

З більш високими виходами галогеналкани утворюються при взаємодії спиртів з галогенідами фосфору (III) або фосфору (V), а також тіонілхлоридом:

3С₂Н₅ОН + РСl₃ ® 3С₂Н₅С1 + Н₃РО₃;

С₂Н₅ОН + РС1₅ ® С₂Н₅С1 + НСІ + РОСl₃;

С₂Н₅ОН + SОСІ₂ ® С₂Н₅С1 + НС1 + SО₂.

Реакція з тіонілхлоридом дуже зручна тим, що всі побічні продукти є газоподібними речовинами та легко відходять з реакційного середовища.

Взаємодія відбувається зворотно лише у присутності сильних мінеральних кислот, наприклад, концентрованої сульфатної кислоти.

5. Взаємодія галогеноводнів або галогенів з ненасиченими вуглеводнями – приєднання до алкенів, алкінів або алкадієнів – реакції A_E.

Реакція електрофільного приєднання галогенів до подвійного зв‘язку здійснюється навіть без каталізатора, в полярному розчинникові (в оцтовій кислоті, в хлоралканах), при кімнатній температурі або при охолодженні, (одначе, коли наявні електроноакцепторні групи в молекулі — при нагріванні, з каталізатором).

Реакція стереоспецифіна й перебігає переважно як транс-приєднання.

Як випливає зі схеми, залежно від замісників біля етиленового зв’язку та умов ведення процесу, галогенування може перебігати як тільки приєднання, або як приєднання-відщеплення, коли після приєднання галогену далі під впливом температури або основного реагента відщеплюється гідроген галогенід і регенерується етиленовий зв’язок. В першому випадку одержуються дигалогенетанова ланка в молекулі, в другому — галогенетенова.

Флуорування кратних зв’язків вдається здійснити за допомогою сполук флуору з інертними газами. З інтергалоїдною сполукою IF в галогензаміщених олефінах іде йодгалогенування.

Перфлуорування ароматичних зв’язків нафталену протікає при нагріванні з СoF3 або AgF2, при цьому одержується кровозамінник.

Галогенування етиленових похідних можна провадити в карбон тетрахлориді або в карбон дисульфіді.

Провадячи реакцію бромування в воді (Br2 + H2O → HOBr + HBr), до кратного зв’язку можна приєднати бром і гідроксильну групу, як наприклад у випадку коричного спирту.

Цікавим є приєднання до подвійних зв’язків інтергалоїдних сполук, наприклад, хлорид йоду (ICl): приєднується напочатку йодоній іон (I+), а потім хлорид іон (Cl–).

В гідрогалогенуванні, одначе, виступає негативно заряджений галогенід іон, хоча реакція розпочинається, як електрофільна — з приєднання протона до кратного зв’язку. З огляду на високу поляризацію гідроген галогенідів в полярних середовищах (в граничному випадку аж до дисоціації на іони) чи в середовищах π-систем, каталізатори стають не потрібними. Проте до кон‘югованих зв’язків, зокрема ароматичних, ці реагенти не приєднуються за звичайних умов.

Регіоорієнтація гідрогенгалогенування визначається природою замісників при кратному зв’язку. До стиролу (для Ph σп –0.01) галоген приєднується в α-положення бокового ланцюга.

Подібно до подвійних зв’язків, відбувається гідро галогенування бананових зв’язків в тричленних циклах, зокрема оксиранового, що використовується для введення флуору в стероїдні системи.

За допомогою цього методу можна одержати фтор-, хлор-, бром- та йодалкани.

6. Взаємодія альдегідів та кетонів з галогенуючими реагентами – одержання гемінальних дигалогенпохідних

3. Фізичні властивості галогеналканів. Характеристика зв’язку карбон-галоген. Фактори, що визначають реакційну здатність (рухливість галогену) галогенпохідних вуглеводнів всіх типів.

Фізичні властивості

За звичайних умов нижчі галогеналкани − безбарвні гази або рідини з своєрідним солодкуватим запахом, середні − рідини, вищі − тверді речовини Температура кипіння зростає зі збільшенням атомної маси галогену, числа атомів галогену (за виключенням фторпохідних) та довжиникарбонового ланцюга молекули. Нижчі галогеналкани| практично нерозчинні у воді, але легко розчиняються в органічнй розчинниках: Деякі з них самі є ефективними розчинниками. Багато з них мають наркотичну дію.

4. Хімічні властивості галогенпохідних вуглеводнів.

5. Реакції нуклеофільного заміщення. Механізми реакцій S_N1 і S_N2

6. Реакції відщеплення (елімінування). Механізми реакцій Е₁ і Е₂. Правило Зайцева.

7. Умови, що впливають на перебіг конкурентних реакцій нуклеофільного заміщення та елімінування.

Хімічні властивості

Галогеналкани є досить реакційноздатними речовинами. Найбільш характерні для них реакції нуклеофільного заміщення (S_N) та відщеплення (Е). Крім того, вони вступають також у реакції відновлення та взаємодію з металами (металування).

А. Реакції нуклеофільного заміщення (S_N)

Галогеналкани є електрофільними реагентами внаслідок полярності зв’язку С−Наl зі зміщенням до атому галогену. В результаті атом галогену набуває часткового негативного (-d), а атом карбону − часткового позитивного (+d) заряду. Тому останній може взаємодіяти з нуклеофільним реагентом.

У процесі атаки нуклеофіл надає пару електронів для утворення хімічного зв’язку з електронодефіцитним атомом карбону, а атом галогену відщеплюється від молекули галогеналкану:

Таку реакцію називають реакцією нуклеофільного заміщення і позначають символом S_N.

Нуклеофільними реагентами можуть бути речовини, що містять у молекулах атоми з неподіленими парами електронів (NН₃, R—NН₂, НОН та ін.), або речовини, що утворюють при дисоціації аніони (нуклеофільні частинки): NаОН (ОН⁻), С₂Н₅ОNа (С₂Н₅О₋), KСN (СN⁻), NаNО₂ (NО₂⁻), СН₃СООNа (СН₃СОО⁻), КВг (Вг⁻),та ін.

В результаті нуклеофільного заміщення в структуру нуклеофілу вводиться алкільний замісник, тобто відбувається алкілування нуклеофілу. Тому галогеналкани є алкілуючими реагентами.

Схильність галогеналканів до реакцій S_N визначається полярністю з’язку С−Наl (статичний фактор). Не зважаючі на найбільшу полярність зв’язку С−F, реакційна здатність галогеналканів у реакціях S_N зменшується в ряді: R−І > R−Вг > R−С1 > R−F, що пояснюється поляризовністю зв’язку С−Наl, тобто здатністю додатково поляризуватися при підході нуклеофільного реагенту (динамічний фактор). Відомо, поляризовність зв’язку тим більша, чим більш об’ємна та рухлива електронна оболонка атомів, які утворюють зв’язок. Серед галогенів найвищу поляризовність має атом йоду, найнижчу − атом фтору. Враховуючи низьку поляризовність зв’язку С− F, фторалкани практично не вступають у реакцію нуклеофільного заміщення. Активність решти галогеналканів у відношенні до нуклеофілів спадає в ряді: R−І > R−Вг > R−СІ.

У залежності від будови галогеналкану, природи нуклеофілу та розчинника реакції нуклеофільного заміщення проходять за двома основними механізмами: механізмом S_N1 та механізмом S_N2.

За механізмом S_N2 (бімолекулярне нуклеофільне заміщення) реакція відбувається в одну стадію через утворення перехідного стану, у побудові якого бере участь як молекула галогеналкану, так і нуклеофільний реагент. Нуклеофіл атакує електрофільний центр молекули галогеналкану з боку, протилежного зв’язку С—НаІ (атака з тилу).

При зближенні нуклеофілу з галогеналканом утворюється перехідний стан − нестійке сполучення двох реагентів, який знаходиться у рівновазі з вихідними реагентами. Йому відповідає максимум на енергетичній діаграмі реакції. В міру дальшого зближення реагентів у перехідному стані відбувається синхронний процес розриву зв’язку С−НаІ та утворення зв’язку С−Nu. Швидкість реакцій, які проходять за механізмом S_N2, залежить від концентрації обох реагентів і описується кінетичним рівнянням другого порядку: v = k[R−Hal][Nu].

Фактори, які сприяють перебігу реакцій за механізмом S_N2.

Реакційна здатність галогеналканів за механізмом S_N2 тим вища, чим більший частковий позитивний заряд на атомі вуглецю, зв’язаному з галогеном. Тому серед первинних галогеналканів активність зменшується в ряді: метил-, етил-, пропіл-похідні.

Значно більший вплив на реакційну здатність галогеналканів справляють просторові фактори. Чим більші кількість і об’єм замісників при атомі вуглецю, зв’язаному з галогеном, тим важче утворюється перехідний стан через просторові перешкоди. У зв’язку з цим за механізмом S_N2 легко реагують первинні, важче − вторинні галогеналкани. Третинні галогеналкани не вступають у реакції нуклеофільного заміщення за механізмом S_N2.

Вплив розчинника на ці процеси визначається механізмом сольватації. Протонні полярні розчинники − вода, спирти, мурашина кислота, ацетатна кислота та інші − добре сольватують як катіони, так і аніони. Сольватуючи нуклеофіл, вони знижують його реакційну здатність і відповідно уповільнюють реакції, що йдуть за механізмом S_N2. Апротонні полярні розчинники (диметилформамід НСОN(СН₃)₂, диметилсульфоксид (СН₃)₂SО, ацетон СН₃СОСН₃, ацетонітрил СН₃−СºN та ін.) сольватують тільки катіони, через це швидкість реакцій S_N2 у них підвищується.

За механізмом S_N1 реакція проходить у дві стадії.

На стадії І відбувається іонізація молекули галогеналкану з утворенням карбкатіона та галогенід-іона. Процес іонізації проходить повільно, а через це він визначає швидкість усієї реакції. В іонізації галогеналкану надає допомогу розчинник.

На стадії II катіон, oо утворився, швидко взаємодіє з нуклеофільним реагентом, утворюючи кінцевий продукт реакції:

Механізм нуклеофільного заміщення, який здійснюється за розглянутою схемою, називається мономолеку-лярним, оскільки в стадії, що визначає швидкість усього процесу (стадія І), бере участь молекула тільки одного реагенту (галогеналкану). Такий механізм позначають S_N1.

Швидкість реакцій, які проходять за таким механізмом, залежить тільки від концентрації галогеналкану, що описується кінетичним рівнянням першого порядку: v = k[R−Hal].

Фактори, що сприяють перебігу реакцій за механізмом S_N1.

1.Просторові перешкоди для атаки нуклеофілом електронодефіцитного атома Карбону;

2. Здатність сполук утворювати досить стійкі карбкатіони.

3. Висока іонізуюча та сольватуюча здатність розчинника.

За механізмом S_N1 відбувається нуклеофільне заміщення в третинних і за певних умов − у вторинних галогеналканів.

У молекулі третинного галогеналкану, наприклад трет-бутил-броміду (СН₃)₃С−Вг, три метильні групи утворюють просторову перешкоду для підходу нуклеофілу до електрофільного центру і, відповідно, його атака з тилу стає неможливою. Крім того, третинні галогеналкани в сильнополярних середовищах здатні до іонізації. Вона проходить тим легше, чим більш стабільні іони, що утворюються. Стійкість алкільних карбкатіонів зумовлена де-локалізацією позитивного заряду за рахунок +І-ефекту алкільних груп і зростає в ряді метил − етил − ізопроприл − ізобутил.

Тому утворення третинного карбкатіона для молекули енергетично вигідніше, ніж вторинного та тим більше − первинного. Через це третинні галогеналкани легко піддаються іонізації та найбільш реакційноздатні у реакціях, що ідуть за механізмом S_N1.

Вплив розчинника на перебіг реакцій за механізмом S_N1 зумовлений ефектом сольватації. Протонні полярні розчинники, такі, як вода, спирти, мурашина кислота, оцтова кислота, сприяють іонізації галогеналкану та добре сольватують карбкатіони і аніони, що утворюються, підвищуючи їх стійкість. Ці розчинники прискорюють реакції, які ідуть за механізмом S_N1.

Таким чином, первинні галогеналкани звичайно реагують за механізмом S_N2, третинні − за механізмом S_N1. Вторинні галогеналкани в залежності від природи нуклеофілу та розчинника можуть реагувати як за механізмом S_N1 та S_N2. Сильні нуклеофільні реагенти і апротонні полярні розчинники (нітробензол, диметилформамід, ацетонітрил та ін.) сприяють проходженню реакції за механізмом S_N2, а протонні полярні розчинники (вода, метиловий спирт, етиловий спирт, мурашина кислота, оцтова кислота та ін.), котрі мають високу сольватуючу здатність, сприяють взаємодії за механізмом S_N2.

Галогеналкани вступають у численні реакції нуклеофільного заміщення. Важливе синтетичне значення мають наступні реакції.

1. Гідроліз галогеналканів. При гідролізі галогеналкани утворюють спирти. Реакція з водою проходить повільно і є оборотною:

С₂Н₅Вr + НОН « С₂Н₅ОН + НВr

брометан етанол

Тому звичайно гідроліз проводять у присутності водних розчинів лугів або карбонатів лужних металів:

С₂Н₅Вr + NaОН « С₂Н₅Na + НВr.

2. Взаємодія з алкоголятами та фенолятами

При дії на галогеналкани алкоголятів і фенолятів утворюються етери (прості ефіри). Третинні галогеналкани утворюють як побічні продукти алкени.

С₂Н₅Вr + NaOC₂H₅ ® С₂Н₅−О−С₂Н₅

етилат натрію діетиловий ефір

Реакцію було відкрито у 1851 р. англійським хіміком А. У. Вільямсоном, і до цього часу вона використовується як один з кращих методів одержання простих ефірів.

3. Взаємодія з солями карбонових кислот

При дії на галогеналкани солей карбонових кислот у середовищі апротонного полярного розчинника (димєтилформамід, диметилсульфоксид) утворюються складні ефіри. Реакція проходить за механізмом S_N2.

С₂Н₅Вr + CH₃COONa ® + CH₃COOС₂Н₅ + NaВr

ацетат натрію етилацетат

4. Взаємодія з аміаком, алкіл- і ариламінами

При взаємодії галогеналканів з надлишком аміаку утворюється суміш первинних, вторинних і третинних амінів, а також солі четвертинних амонієвих основ. Наприклад:

С₂Н₅Вr + NH₃ ® С₂Н₅NH₂ + HВr.

етиламін

Аналогічно реагують галогеналкани з алкіл- і ариламінами.

5. Взаємодія з солями ціановодневої кислоти

Оскільки ціанід-іон є амбідентним нуклеофілом (має два нуклеофільні центри), при взаємодії галогеналканів з солями ціановодневої кислоти, у залежності від умов проведення реакції, утворюються нітрили або ізоціаніди (ізонітрили):

Первинні та вторинні галогеналкани з солями лужних металів ціановодневої кислоти (КCN, NaСN) в середовищі апротонного полярного розчинника (диметилформамід, ацетон) з високими виходами утворюють нітрили (механізм S_N2):

С₂Н₅Вr + NаСºN ® С₂Н₅−СºN + NaВr

пропанонітрил

Основними продуктами реакції вторинних і третинних галогеналканів з ціанідом срібла в середовищі протонного полярного розчинника є ізоціаніди (ізонітрили). Реакція відбувається за механізмом S_N1.

(СН₃)₂СНBr + AgCN ® (СН₃)₂СН −NºC + AgBr.

ізопропілізоціанід

6. Взаємодія з солями нітритної кислоти

Взаємодія галогеналканів з солями азотистої кислоти, що містять амбідентний нітрит-іон, проходить у залежності від умов проведення реакції з утворенням нітросполук або ефірів нітритної кислоти.

Первинні та вторинні галогеналкани з нітритом натрію за умов реакції S_N2 утворюють переважно нітросполуки:

С₂Н₅−Вr + NaNO₂ ® С₂Н₅ −NO₂ + NaВr.

нітроетан

Вторинні та третинні галогеналкани з АgNО₂ за умов реакції утворюють ефіри нітритної кислоти:

С₂Н₅ −Вr + AgNO₂ ® С₂Н₅ −O−N=O + AgВr.

ізопропілнітрит

Амбідентними називаються нуклеофіли, що здатні в залежності від механізму реакції (S_N1 або S_N2) приєднуватися до атома карбону різними атомами.

Правило Корнблюма:

Амбідентні нуклеофіли в реакціях нуклеофільного заміщення приєднуються місцем більшої електронної густини (більш електронегативним атомом) при реалізації механізму S_N1 та місцем більшої нуклеофільної сили при реалізації механізму S_N2.

Під нуклеофільною силою розуміють здатність атомів чи йонів віддавати неподільну електронну пару на утворення зв’язку з атомом Карбону.

Взаємодія з солями галогеноводневих кислот (реакція Фінкельштейна). За допомогою цієї реакції в молекулі галогеналкану можна замінити один галоген на інший. Взаємодія галогеналканів з солями галогеноводневих кислот є оборотним процесом. Для зміщення рівноваги праворуч використовують різну розчинність вихідних речовин і продуктів реакції. Реакція має практичне значення для одержання первинних фтор- і йодалканів з більш доступних хлор- і бромпохідних. Для добування йодидів реакцію проводять в ацетоні, тому що йодид натрію розчинний в ацетоні, а NaCl або NaВг, які утворюються у процесі взаємодії, випадають в осад:

С₂Н₅ −Вr + NaI ® С₂Н₅ −I + NaВr.

Б. Реакції елімінування (Е)

Кожний реагент, що містить атом з неподіленою парою електронів або з негативним зарядом, поряд з нуклеофільними властивостями виявляє також основні властивості. Отже, він здатний не тільки надавати пару електронів для утворення зв’язку з електрофільним атомом вуглецю, але і відщеплювати від молекули, яка має рухливі атоми водню, протон. У молекулі галогеналкану внаслідок −І-ефекту атома галогену атоми водню b-карбонового атома набувають рухливості:

Тому в більшості випадків паралельно з реакцією нуклеофіль-ного заміщення атома галогену проходить реакція відщеплення галогеноводню (р-елімінування) з утворенням алкену, наприклад:

Реакції нуклеофільного заміщення та елімінування конкурують одні з одними і за певних умов кожна з них може стати домінуючою. Відщеплення галогеноводню від галогеналкану стзє головним процесом у присутності нуклеофільних реагентів, що виявляють високу основність. До них відносяться спиртові розчини гідроксидів лужних металів (наприклад, спиртовий розчин NаОН, KОH або алкоголяти лужних металів (наприклад, С₂Н₅ONa). Елімінуванню сприяє також підвищення температури реакційної суміші та концентрації реагентів. Сприятливий впливv має збільшення числа замісників при електрофільному атомі Карбону. Тому особливо легко елімінування проходить у третинних галогеналканів. Якщо в молекулі галогеналкану е альтернативні шляхи відщеплення галогеноводню, то реалізується з них переважно той, при якому подвійний зв’язок утворюється при найбільш заміщеному атомі вуглецю. Тобто разом з галогеном відходить водень від найменш гідрогенізованого сусіднього атома Карбону (правило Зайцева):

Аналогічно нуклеофільному заміщенню, елімінування галогеналканів може проходити за бімолекулярним механізмом (Е2) та мономолекулярним механізмом (Е1).

Механізм Е2 (бімолекулярне елімінування) схожий з механізмом бімолекулярного нуклеофільного заміщення та може бути поданий такою схемою:

Швидкість реакції залежить від концентрації обох реагентів і описується кінетичним рівнянням другого порядку. Процеси розриву і утворення зв’язків у перехідному стзні відбуваються синхронно.

Різниця між механізмзми S_N2 і E2 полягає в тому, що в механізмі S_N2 частинка з неподіленою парою електронів або частинка, яка несе негативний заряд, атакує електрофільний атом вуглецю молекули галогєналкану, діючи при цьому як нуклеофіл, а в механізмі Е2 вона атакує атом водню при b-карбоновому атомі, діючи як основа. Тому процеси S_N2 і E2 є конкуруючими. Найлегше за механізмом Е2 відбувається елімінування в первинних галогеналканів.

Механізм Е1 (мономолекулярне елімінування) схожий з механізмом S_N1 і є двостадійним процесом. На стадії І, під впливом розчинника відбувається іонізація молекули галогеналкану з утворенням карбкатіона. Процес іонізації іде повільно та визначає швидкість реакції в цілому. На другій стадії карбкатіон, що утворився, стабілізується, відщеплюючи протон від b-карбонового атома з утворенням алкену.

Акцептором протона часто виявляється сам розчинник, наприклад вода, тому реакція, яка проходить за механізмом Е1, звичайно не вимагає присутності основи як реагенту. В реакції елімінування за механізмом Е1 найлегше вступають третинні галогеналкани.

В. Взаємодія з металами

Галогеналкани реагують з деякими металами, утворюючи металоорганічні сполуки. Найчастіше як метал використовують магній. При взаємодії галогеналканів з металічним магнієм у середовищі безводного діетилового ефіру утворюються магнійорганічні сполуки, відомі під назвою реактивів Гріньяра:

С₂Н₅С1 + Mg ® С₂Н₅ − Mg − С1

етилмагнійхлорид

Реактиви Гріньяра є надто реакційноздатними речовинами. їх активність зумовлена полярністю зв’язку С − Mg. Оскільки атом вуглецю має більшу електронегативність, ніж магній, зв’язок С − Mg поляризований таким чином, що на атомі карбону з’являється частковий негативний заряд, внаслідок цього магнійорганічні сполуки е сильними нуклеофільними реагентами і сильними основами.

При взаємодії галогеналканів з металічним натрієм металоорганічні сполуки утворюються як проміжні продукти.

Г. Відновлення галогеналканів

При відновленні галогеналканів утворюються алкани. Відновником найчастіше є водень у присутності каталізаторів гідрування (Pt, Pd):

С₂Н₅С1 ® С₂Н₆ + НС1.

Особливості хімії дигалогеналканів

Дигалогеналкани містять у своєму складі два атоми галогену. Атоми галогенів можуть знаходитись біля того самого атома Карбону (гемінальні дигалогеналкани), біля сусідніх атомів вуглецю (віцинальні дигалогеналкани) або розділені декількома карбон-карбоновими зв’язками.

Добувають їх приєднанням галогеноводнів до алкінів (утворюються гемінальні дигалогеналкани), приєднанням галогенів до алкенів (утворюються віцинальні дигалогеналкани

Хімічні властивості дигалогеналканів аналогічні властивостям моногалогеналканів. Вони вступають у різні реакції нуклеофільного заміщення та відщеплення, властиві галогеналканам.

При лужному гідролізі з віцинальних похідних утворюються гліколі:

СН₃−СН(СІ)−СН₂(СІ) + NaOH ® СН₃−СН(OH)−СН₂(OH) + NaCI.

1,2-дихлорпропан пропіленгліколь

В цих умовах гемінальні похідні утворюють спирти або кетони:

СН₃—СН(СІ₂) + NaOH ® СН₃—СН=O + NaCI + Н₂О;

дихлоретан ацетальдегід

СН₃−СН(СІ₂)−СН₃ + NaOH ® СН₃−СO −СН₃ + NaCI + Н₂О.

1,2-дихлорпропан ацетон

У присутності спиртових розчинів лугів при нагріванні гемінальні та віцинальні дигалогеналкани піддаються елімінуванню з утворенням алкінів:

СН₃—СН(СІ)—СН₂(СІ) ^{2NaOH, спирт. р-н} СН₃—С ºСН + NaCl + H₂O.

Особливості хімії галогеналкенів

Галогеналкенами називають похідні алкенів, у яких один або декілька атомів водню заміщені атомами галогенів.

За взаємним розміщенням подвійного зв’язку і атома галогену галогеналкени розділяються на три групи:

1. вінілгалогеніди − сполуки, що містять атом галогену біля Карбону, який утворює подвійний зв’язок:

СН₂ = СН−СІ СН₃СН = СН−Вг;

хлористий вініл 1-бромпропен

2. алілгалогеніди − сполуки, в яких атом галогену знаходиться в a-положенні до карбону, що утворює подвійний зв’язок:

СН₂ = СН−СН₂−СІ;

хлористий аліл

3. сполуки, в яких атом галогену і атом вуглецю, що утворює подвійний зв'язок, розділені двома та більше простими карбоновими зв’язками:

СН₂ = СН−СН₂−СН₂−Вг

4-бромбутен-1

Хімічні властивості галогеналкенів зумовлені наявністю в їх структурі двох угруповань: −С=С− −С − НаІ. По подвійному зв’язку вони здатні вступати в реакції, характерні для алкенів (приєднання, полімеризація та ін.,), а по зв’язку С − НаІ − в реакції заміщення та відщеплення. Реакційна здатність галогеналкенів залежить від взаємного розміщення атома галогену та подвійного зв’язку в молекулі.

Галогеналкени, що містять атом галогену біля Карбону, який утворює подвійний зв’язок (вінілгалогеніди), внаслідок взаємного впливу зазначених угруповань характеризуються низькою реакційною здатністю зв’язку С −НаІ і подвійного зв’язку. Атом галогену в цих сполуках малорухливий і мало заміщується на інші атоми та групи. Реакції приєднання за місцем розриву подвійного зв’язку також ідуть важче, ніж, наприклад, в етилені.

Причиною низької реакційної здатності зв’язку С−НаІ є спряження неподіленої пари електронів атома галогену з p-електронами подвійного зв’язку (атом галогену виявляє + М −ефект):

d− ∙∙

CН₂ = СН −СІ

У результаті спряження зв’язок С−НаІ вкорочується та стає значно міцнішим, ніж у галогеналканах. Тому реакції нуклеофільного заміщення для вінілгалогенідів у більшості випадків не відбуваються. При звичайній температурі вони практично не ідуть, а при нагріванні проходять побічні процеси відщеплення галогеноводню, приєднання за місцем розриву подвійного зв’язку, полімеризація.

У присутності концентрованих розчинів лугів вінілгалогеніди, що містять атом водню біля вуглецю, який утворює подвійний зв’язок, відщеплюють галогеноводень і перетворюються на алкіни:

СН₂ = С(СІ)−СН₃ + NаОН ® СН = С−СН₃ +NaCl + H₂O.

2-хлорпропен пропін

Поряд з цим у молекулі вінілгалогеніду атом галогену за рахунок сильного негативного індуктивного ефекту зменшує електронну густину подвійного зв’язку і тим самим знижує його реакційну здатність в реакціях електрофільного приєднання. Тому вінілгалогеніди приєднують галогени, галогеноводні та інші електрофїльні реагенти важче, ніж відповідні алкени. Приєднання галогеноводнів проходить за правилом Марковникова:

СН₂ = СН− СІ + НСІ ® СН₃− СНСІ₂.

хлористий вініл 1,1-дихлоретан

У присутності каталізаторів вінілгалогеніди легко вступають в реакції полімеризації, які знаходять широке застосування у виробництві полімерних матеріалів:

nСН₂ = СН−С1 ® (−CH₂−CHCl−)_n

полівінілхлорид

На відміну від вінілгалогенідів, у молекулах алілгалогенідів атом галогену виявляє підвищену рухливість. Алілгалогеніди вступають в реакції нуклеофільного заміщення легше, ніж галоген алкани. Заміщення, як правило, відбувається за механізмом S_N1.

Висока активність алілгалогенідів у реакціях нуклеофільного заміщення пояснюється їх схильністю до іонізації, оскільки при цьому утворюється досить стійкий алІльний катіон:

+

.^{CH2− СН− СН2Вг « СН2 = СН −СН2 + Вг−}

Стабільність алільного катіона зумовлена делокалізацією пози тивного заряду по спряженій системі:

.

Внаслідок електроноакцепторного впливу атома галогену, реакційна здатність подвійного зв’язку в алілгалогенідах нижча, ніж у відповідних алкенах, приєднання галогеноводнів іде за правилом Марковникова:

СН₂ = СН ® СН₂ ® С1 + НС1 ® СН₃−СНСІ−СН₂СІ.

хлористий аліл

Особливості хімічної поведінки ароматичних галогенопохідних

Ароматичними галогенопохідними називають похідні ароматичних вуглеводнів, у котрих один або декілька атомів водню заміщені атомами галогенів.

У залежності від положення атомів галогену ароматичні галогенопохідні підрозділяють на дві групи:

1) сполуки, в яких атоми галогену безпосередньо зв’язані з ароматичним ядром (галогенарени).

Br −

о-бромтолуол

Ці сполуки добувають прямим галогенуванням ароматичних вуглеводнів.

2) сполуки, що містять атоми галогену в боковому карбоновому ланцюзі (арилалкілгалогеніди)

−СН₂СІ

бензилхлорид

Для введення атома галогену в боковий вуглецевий ланцюг використовують галогенування алкіларенів. Процес відбувається у відсутності каталізатора за високих температур або при опромінюванні УФ-світлом. Реакція проходить за механізмом S_R.

Галогенування у боковий ланцюг іде, як правило, в a-положеніїя відносно бензольного ядра, оскільки в цьому випадку утворюється стійкий вільний радикал бензильного типу.

При надлишку галогену всі a-атоми водню в молекулі можуть бути заміщені на галоген.

Галогенопохідні бензолу і його гомологів є рідинами або кристалічними речовинами. Температури кипіння галогенаренів зростають в ряді: фтор-, хлор-, бром-, йодпохідні. Всі сполуки цього ряду нерозчинні у воді, але легко розчиняються в органічних розчинниках. Галогенопохідні з атомами галогену в a-положенні бокового ланцюга виявляють подразнюючу дію на слизові оболонки та тим самим викликають сльозотечу.

Хімічні властивості

Для ароматичних галогенопохідних характерні реакції нуклеофільного заміщення за участю зв’язку карбон-галоген, реакції електрофільного заміщення по ароматичному ядру та реакції з металами.

А. Реакції нуклеофільного заміщення для галогенопохідних, в яких атом галогену безпосередньо зв’язаний з бензольним кільцем, характеризуються низькою реакційною здатністю зв’язку карбон-галоген. Атом галогену в цих сполуках малорухливий і заміщується важко. В даному відношенні галогенарени схожі з вінілгалогенідами.

Як і у випадку вінілгалогенідів, причиною низької активності в цих галогенаренах є спряження неподіленої пари електронів атома галогену з p-електронною системою бензольного кільця:

У результаті спряження відбувається укорочення або зменшення полярності зв’язку, що приводить до його зміцнення, тому нуклеофільне заміщення атома галогену в галогенаренах відбувається лише за дуже жорстких умов.

Так, у молекулі хлорбензолу атом хлору заміщується на гідроксильну групу при дії концентрованого розчину NаОН при температурі понад 300 °С та тиску 150 атм:

Реакція з амоніаком відбувається при температурі 200 °С у присутності каталізатора − порошку міді або солей одновалентної міді (реакція Ульмана):

−СІ + NН₃ ® −NН₂ + NаСІ.

хлорбензол анілін

Рухливість атома галогену в галогенаренах різко зростає при наявності в орто- або пара-положеннях стосовно галогену сильних електроноакцепторних замісників, наприклад: NО₂, СООН, SО₃Н. Такі сполуки називають активованими галогенаренами. Підвищення реакційної здатності зв’язку карбон-галоген в активованих галогенаренах пов’язане зі збільшенням дробного позитивного заряду на атакованому атомі карбону під впливом електроноакцепторного замісника:

Так, у молекулі 4-нітро-1-хлорбензолу атом хлору легко заміщується на групи: ОН, NН₂, ОСН₃ та ін.:

NO₂− −СІ + NаОН ® NO₂− −ОН + NаСІ.

п-нітрохлорбензол п-нітрофенол

Реакції нуклеофільного заміщення активованого атома галогену проходять за механізмом S_N2.

Ароматичні галогенопохідні з атомом галогену при боковому ланцюзі легко вступають у різні реакції нуклеофільного заміщення. Сполуки, в яких атом галогену ізольовано від бензольного кільця двома та більше вуглець-вуглецевими зв'язками, за активністю в реакціях S_N нагадують галогеналкани.

По ароматичному ядру галогенарени вступають у звичайні реакції електрофільного заміщення: галогенування, нітрування, сульфування та ін. Як уже відзначалося, атом галогену, безпосередньо зв’язаний з ароматичним кільцем, виявляє негативний індуктивний та позитивний мезомерний ефекти, причому в статичному стані −I-ефект > + М-ефекту. Тому атоми галогену в цілому виявляють електроноакцепторні властивості стосовно бензольного кільця і тим самим знижують його реакційну здатність у реакціях S_E. Беручи участь у стабілізації s-комплексів, що утворюються при заміщенні в орто- та пара-положеннях, атоми галогенів виступають як орієнтанти І роду та спрямовують електрофільне заміщення в орто- та пара-положення.

В. Реакції з металами (металування)

Галогенарени легко вступають в реакції з металами − літієм, натрієм, магнієм. При взаємодії з магнієм у середовищі діетилового ефіру утворюються магнійорганічні сполуки (реактиви Гріньяра):

−Br + Mg ® −MgBr.

бромбензол фенілмагнійбромід

Нітрогенвмісні органічні сполуки.

Органічні сполуки, які містять у молекулі атоми Нітрогену, широко розповсюджені у природі. До них відносяться білкові речовини, багато важливих фізіологічно активних сполук, полімерних матеріалів, фарбники, лікарські препарати.

До групи найбільш простих по будові Нітрогенвмісних органічних сполук, у яких атом азоту пов'язаний з атомом вуглецю, можна віднести наступні:

деякі похідні карбонових кислот:

а) аміди R-СОО-NН₂

б) нітрили R-С=N

в) азиди (ацилазіди) R-СОО-N₃

г) гідрозіди (ацилгідрозіди) R-СОО-NН-NН₂

сполуки зі змішаними функціями, такі як аміноспирти, амінофеноли, амінокислоти, нітрокислоти та ін.

Нітросполуки:

1. Класифікація, номенклатура та ізомерія нітросполук.

2. Електронна будова нітрогрупи. Аци-нітро-таутомерія.

3. Способи одержання нітросполук аліфатичного та ароматичного ряду.

4. Фізичні і хімічні властивості нітросполук:

– вплив нітрогрупи на реакційну здатність вуглеводневого радикалу;

– аци-нітро-таутомерія і утворення солей;

– взаємодія з нітритною кислотою;

– утворення нітроспиртів;

– відновлення нітросполук.

5. Окремі представники. Ідентифікація нітросполук.

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ.

Нітросполуки - відносно токсичні речовини і відносяться до клітинних отрут загальної дії, особливо небезпечними для печінки. Але вони мають велике промислове значення. Нітросполуки - проміжні продукти в виробництві синтетичних барвників, миючих засобів, інгібіторів корозії, полімерів, інсектицидів, гербіцидів, адсорбентів та лікарських препаратів. Ряд нітросполук використовується в якості біологічно-активних речовин.

Сучасна фармацевтична промисловість широко використовує нітросполуки та їх похідні для створення лікарських препаратів. Наприклад, на основі нітросполук, маючих антибактеріальну дію, створені лікарські засоби такі як левоміцитин, синтоміцин, фуразолідон та ін.

Нітросполуками називаються речовини, які містять у молекулі нітрогрупу (-NO₂), азот якого пов'язаний з атомом вуглецю. У склад молекули органічної сполуки можуть входити одна або декілька нітрогруп. У залежності від будови радикалу, з яким пов'язана нітрогрупа, розрізняють аліфатичні, аліциклічні, ароматичні та гетероциклічні нітросполуки. Будова нітрогруп відрізняється рядом особливостей, які впливають на фізичні та хімічні властивості нітросполук. Атом азоту на своєму зовнішньому електронному рівні має чотири орбіталі, на яких можуть розташовуватися не більш восьми електронів. Тому формула нітрогрупи, як залишку нітратної кислоти, які містять десятиелектронне угрупування електронів у Нітрогену не відповідає дійсності.

Для найменування нітросполук до назви відповідного вуглеводню додають префікс "нітро", наприклад:

Добування. Основним засобом добування нітросполук є реакція нітрування. Нітрування може проводитися азотною кислотою, нітрующую сумішшю (суміш азотної та сірчаної кислот), оксидами азоту. У залежності від будови даної речовини, умов нітрування, характерна нітрующого агента під час реакції виникає декілька різних продуктів. Загальна схема реакції має наступний вид:

R - H R - NO₂

чи _{нітрування} чи

Ar - H ArNO₂

Нітрування алканів та циклоалканів може бути здійснено по реакції Коновалова чи у газовій фазі. Нітрування ароматичних сполук - є приклад реакції електрофільного заміщення.

Фізичні властивості. Нітросполуки жирного ряду - висококиплячі рідини, з приємним запахом, мало або зовсім не розчинні у воді. Ароматичні нітросполуки - рідини чи тверді речовини, з запахом гіркого миндалю, отруйні. Нітросполуки володіють великим електричним моментом диполя.

Хімічні властивості. Відновлення нітросполук. При поновленні нітросполук утворюються первинні аміни. Особливо велике промислове значення має відновлення ароматичних нітросполук:

С₆Н₅NO₂ ® С₆Н₅NН₂

^{нітробензен анілін}

Дія лугів на нітросполуки. При введенні у молекулу вуглеводню нітрогрупа швидко підвищується рухомість атомів водню у a-положенні. Первинні та вторинні нітросполуки придбали здібність розчинятися у лугах з утворенням солей. При дії кислот утворюється нітросполука у аци-нітроформі, яка переходить у нітроформу:

Взаємоперетворення двох форм нітросполук є типовим прикладом динамічної ізомерії (таутомерія):

_a ¤¤ О ¤ ОН

R-CH₂-N Û R-CH=N

О О

^{нітроформа аци-нітроформа}

Дія нітритної кислоти на нітросполуки. При взаємодії первинних нітросполук з нітритною кислотою утворюються нітролові кислоти, вторинних - псевдонітроли:

Третинні нітросполуки з азотистою кислотою не реагують.

Конденсація з альдегідами. Присутність рухомих a- водневих атомів у первинних та вторинних нітросполуках робить можливим їх конденсацію з альдегідами по альдольно-кротоновому типу:

Реакція бензольного ядра ароматичних нітросполук. Реакція заміщення у цьому випадку проходить складніше, ніж для самих вуглеводнів:

У присутності у бензольному ядрі декількох нітрогруп, вододіючих електроакцепторними властивостями, ядро у орто- та пара положеннях стає доступним для нуклеофільних реагентів:

Використання. Нітропарафіни використовуються у промисловості як розчинники, додаток до дизельного палева, понижуючий температуру їх загорання, при виробництві взривних речовин, пластмас, у реактивній техніці, як напівпродукт у синтезі амінів, альдегідів та кетонів, жирних кислот. Ароматичні нітросполуки - для до добування фарбників, пластмас та ін.