Файл: 1. Теория химического строения А. М. Бутлерова. Современные представления о строении.pdf

Устойчивы только соединения, начиная с циклооктина. Циклические углеводороды с кратными свя- зями по химическим свойствам принципиально ничем не отличаются от соответствующих углеводо- родов жирного ряда, за исключением особой склонности к реакциям изомеризации в момент реак- ции. Кратные связи в боковой цепи несколько более реакционно способны, чем находящиеся в цик- ле.
Так, например, 4-винил-l-циклогексен присоединяет бром последовательно по стадиям:
23.
Способы получения и химические свойства галогеналкилов.
24.
Химические свойства галогеналкилов. Механизм нуклеофильного замещения (SN1, SN2).
25.
Галогенопроизводные предельных углеводородов. Химические свойства, механизм нук-
леофильного замещения (SN1, SN2).
26.
Моногалогенопроизводные предельных углеводородов. Механизм нуклеофильного заме-
щения (SN1, SN2).
27.
Галогенопроизводные непредельных углеводородов. Хлористый винил, хлористый аллил,
особенности их электронного строения. Подвижность галогена в реакциях нуклеофильного за-
мещения.
Моногалогенопроизводные получают из предельных углеводородов реакцией замещения, из олефи- нов - присоединением галогеноводородов, из спиртов - реакцией с галогеноводородами и галогени- дами фосфора.
1. Получение моногалогенопроизводных из предельных углеводородов реакцией замещения атомов водорода галогенами.
2. Присоединение галогеноводородов к олефинам идет обычно на холоду. Этот способ особенно удобен для получения моногалогенопроизводных, так как реакция не сопровождается образованием побочных продуктов - полигалогенопроизводных, как это происходит при использовании первого метода.
3. Очень часто галогенопроизводные получают замещением гидроксильной группы спиртов галоге- ном: а) действием галогеноводородов или б) галогенидов фосфора в) хлористого тионила
Легче всего замещается галогеном гидроксил у третичного атома углерода. В этом случае часто до- статочно взболтать спирт с концентрированной галогеноводородной кислотой. В первичных спиртах гидроксил при действии галогеноводородов замещается только в присутствии катализаторов: кислот, галогенидов цинка и т. д.
Применение хлористого тионила SOCl2 для получения хлоралкилов особенно удобно, так как все побочные продукты этой реакции - растворимые в воде газы, которые легко отделяются от получен- ного галогеналкила.
4. Моногалогенопроизводные получают действием галогенов на сухие серебряные соли карбоновых кислот. При этом углеродная цепь укорачивается на один углеродный атом:
5. Фтористые алкилы получают обменной реакцией из хлористых, бромистых или йодистых алкилов действием фторидов Hg, Ag, Со, Sb и др. Например:
Химические свойства

Галогеналкилы - один из наиболее реакционноспособных классов органических соединений. С их помощью вводят в различные органические соединения алкильные радикалы, т. е. они являются ал- килирующими реагентами. Наиболее характерны для них реакции нуклеофильного замещения (SN), а также отщепления (Е).
При нуклеофильном замещении нуклеофил атакует молекулу, предоставляя для образования новой связи свои электроны. Электроны разрывающейся связи уходят вместе с освобождающимся ионом.
Такие реакции идут только в жидкой фазе, обычно в растворах. В жидкой фазе затрата энергии на диссоциацию значительно ниже (около 251,2 кДж/моль), чем в газовой, благодаря выделению тепло- ты гидратации (сольватации) ионов.
Скорость замещения атомов галогенов в галогеналкилах весьма различна и в значительной степени зависит от строения радикалов, с которыми связан атом галогена, а также от природы галогена, нук- леофила и растворителя.
В случае бромистого метила и бромистого этила скорость гидролиза пропорциональная концентра- ции как гидроксильных ионов, так и галогеналкила (реакция нуклеофильного замещения второго по- рядка SN2).
В случае третичного бромистого бутила скорость реакции зависит только от концентрации галоге- налкила и не зависит от концентрации гидроксильных ионов (реакция нуклеофильного замещения первого порядка SN1). Гидролиз третичного бромистого бутила проходит по механизму SN1. Это - двухстадийный процесс. Первая стадия - обратимая диссоциация галогеналкила на ионы (мономоле- кулярная реакция):
Диссоциация идет медленно с образованием интермедиата - карбениевого катиона, который далее быстро реагирует с молекулами растворителя или реагента, способными давать пару электронов для заполнения вакантной орбитали углеродного атома:
В случае бромистого метила реакция имеет совершенно другой одностадийный механизм - SN2.
Гидроксильный ион атакует молекулу бромистого метила, вытесняя бром в виде иона, причем раз- рыв связи углерод - галоген и образование новой связи углерод - кислород происходит одновремен- но:
По способности к замещению галогены располагаются в ряд I>Bг>CI, совпадающий с рядом увели- чения основности. Нуклеофильная активность реагентов увеличивается в ряду Н2ОГалогенопроизводные способны также отщеплять галогеноводороды с образованием олефинов, т. е. выступать в реакции β-элиминирования. Наиболее часто элиминирование в растворах проходит по ионным мexaнизмам Еl и Е2.
Реакции, протекающие по Е1-механизму, не требуют присутствия каких-либо реагентов, но необхо- дим ионизирующий растворитель. Стадией, определяющей скорость реакции, является образование интермедиата - карбениевого иона, который переходит в стабильное соединение (олефин), отщепляя протон:
Реакции отщепления типа Еl обычно сопровождаются реакциями замещения SN1. Разветвленность алкильной группы благоприятствует увеличению выхода олефина. Реакции отщепления, протекаю- щие по механизму Е2, требуют присутствия основания. Отрыв протона и потеря галогена происходят одновременно (без образования промежуточного соединения) через переходное состояние, в котором нуклеофильный реагент образует связь с протоном в той мере, в какой происходит отщепление гало- гена, например:
Скорость такой реакции пропорциональна концентрации обоих реагентов. Обычно одновременно с отщеплением происходит и нуклеофильное замещение по механизму SN2. Если имеется возмож- ность для отщепления галогеноводорода в двух направлениях, образуется преимущественно более разветвленный (энергетически более выгодный) олефин - правило Зайцева.

Активность оснований в реакциях, протекающих по механизму Е2, изменяется в том же направле- нии, что и их сила:
При обоих механизмах скорость отщепления галогеноводородов убывает в ряду: третичные> вто- ричные> первичные и I>Br>CI.
1. При каталитическом гидрировании галогеналкилов или действии на них водорода в момент выде- ления, а также иодоводорода происходит замещение атома галогена водородом:
2.
Действуя раствором соли галогеноводородной кислоты в спирте или ацeтонe на галогенопроиз- водные, можно заменить один галоген другим. Если заменяют хлор бромом или йодом, то следует вести реакцию с солями щелочных металлов, хлориды которых хуже растворимы, чем бромиды или йодиды.
3. Большое значение (для получения спиртов из углеводородов) имеет реакция галогеналкилов с во- дой (гидролиз). Гидролиз ведут в присутствии едких щелочей или карбонатов щелочных металлов при нагревании, иногда при температуре выше температуры кипения воды:
4. При действии на галогеналкилы алкоголятов образуются простые эфиры:
Кроме того, в больших или меньших количествах образуются непредельные углеводороды.
5. При взаимодействии с аммиаком и аминами галогеналкилы алкилируют их с образованием соот- ветствующих первичных, вторичных или третичных аминов, а также солей аммониевых оснований
6. Реакцией галогеналкилов с солями синильной кислоты получают цианистые алкилы (нитрилы) и изонитрилы. Пользуясь этой реакцией, можно перейти от предельных углеводородов к карбоновым кислотам
7. При нагревании с солями органических кислот галогеналкилы дают сложные эфиры:
8. При нагревании с нитритом серебра они образуют нитросоединения и эфиры азотистой кислоты:
Атакующая в этой реакции нуклеофильная частица - ион NO2 проявляет двойственную реакционную способность, т. е. может присоединять радикал по азоту (механизм SN2) или кислороду (механизм
SN1):
Механизм реакции, а следовательно, и ее направление сильно зависят от природы растворителя.
Сольватирующие растворители (вода, спирты) способствуют образованию эфира.
9. При действии на галогеналкилы многих металлов галоген замещается металлом. Это наиболее важный метод синтеза металлорганических соединений. Например:
10. При действии спиртового раствора едких щелочей или органических соединений (хинолин, ди- метиланилин) галогеналкилы отщепляют галогеноводород и дают олефины. Например:
Механизм реакции:
Для получения непредельных галогенопроизводных могут быть использованы следующие методы.
1. Отщепление галогеноводородов от предельных ди- и полигалогенопроизводных:

2. Прямое галогенирование алкенов обычно проводят при высоких температурах. Для каждого алке- на имеется критическая температура, выше которой замещение является главной реакцией. Разветв- ленные алкены уже при обычной температуре дают продукты замещения аллильного типа:
Химические свойства. Большой интерес представляют различия в химических свойствах непредель- ных галогенопроизводных в зависимости от положения атома галогена и двойной связи. По этому признаку все непредельные галогенопроизводные могут быть разделены на три группы: с атомами галогена при углероде с двойной связью (I), с атомами галогена в α-положении к двойной связи (II) и остальные галогенопроизводные с атомом галогена, удаленным от двойной связи (III):
Для галогенопроизводных первой группы характерна малая реакционная способность атома галогена и двойной связи. Здесь атомы галогена далеко не всегда можно заместить на какие-либо другие ато- мы и группы. Реакции присоединения по двойной связи идут очень медленно. Взаимное влияние двойной связи и атома галогена объясняется сопряжением между свободными электронами атомов галогена и двойной связью. В результате этого сопряжения связь галогена с углеродом укорачивает- ся. Укорочение связи C-Hlg можно объяснить и большей электроотрицательностью sр2- гибридизи- рованного атома углерода по сравнению с sp3-гибридизированным. Он сильнее притягивает элек- троны связи. Последняя становится короче и, следовательно, прочнее. Малая вероятность замещения галогена по механизму SN1 обусловлена также тем, что молекулы винильных галогенидов стабили- зованы сопряжением.
Атом фтора у двойной связи значительно более подвижен, чем атомы других галогенов. Он легко замещается в реакциях с нуклеофилами.
Индукционный эффект атома галогена сильно уменьшает электронную плотность двойной связи, благодаря чему затрудняется электрофильное присоединение. Присоединение идет по правилу Мар- ковникова:
Этиленовые фторпроизводные очень часто в реакциях присоединения не подчиняются обычным правилам, определяющим направление присодинения, вследствие сильной электроотрицательности атома фтора. В случае галогенопроизводных второй группы атом галогена легко замещается. Это объясняется большой устойчивостью (благодаря сопряжению) карбениевого иона, возникающего при диссоциации галогенопроизводного типа
Галогенопроизводные третьей группы существенно не отличаются по свойствам от предельных га- логенопроизводных, с одной стороны, и от олефинов - с другой.
Orдельные представители.
Хлористый винил при обычных условиях - бесцветный газ. Получают его либо присоединением хло- роводорода к ацетилену, либо отщеплением хлороводорода от дихлорэтана:
Хлористый аллил - бесцветная жидкость с т. кип. 45 С. Получается температурным хлорированием пропилена. Применяется как исходное вещество для получения аллилового спирта и глицерина:

2. Синтез спиртов осуществляется действием металлорганических, в частности магнийорганических. соединений на альдегиды, кетоны, сложные эфиры.
Синтез спиртов с помощью магниорганических соединений, разработанный Гриньяром, проходит по следующей общей схеме. В альдегидах, кетонах и сложных эфирах имеется карбонильная группа, в которой элeктронное облако смещено к атому кислорода. Благодаря этому смещению у атома угле- рода возникает некоторый положительный заряд, а у атома кислорода - дробный отрицательный за- ряд. В магнийгалогеналкиле R-МgВг остаток R ведет ceбя как нуклеофильная частица, легко присо- единяющаяся к углеродному атому карбонильной группы. Реакция проходит по схеме:
Полученное соединение (магнийбромалкоголят) легко гидролизуется с образованием соответствую- щего спирта:
Синтезы по этой схеме с муравьиным альдегидом приводят к первичным спиртам:
Со всеми другими альдегидами образуются вторичные спирты:
Взаимодействием магнийгалогеналкилов с кетонами получают третичные спирты:
Взаимодействие магнийгалогеналкилов со сложными эфирами (кроме эфиров муравьиной кислоты) также приводит к третичным спиртам, причем с большим выходом, чем из кетонов. Сложные эфиры муравьиной кислоты в этих условиях образуют вторичные спирты. Реакция идет в две стадии: сна- чaла, как обычно, происходит присоединение магнийорганического соединения по группе >С=О, а затем в реакцию вступает новая молекула магнийгалогеналкила. При этом алкил последнего стано- вится на место эфирной группы OR.
3. Спирты получают также гидратацией (присоединение воды) этиленовых углеводородов. Реакция проходит в строгом соответствии с правилом Марковникова.
Восстановление альдегидов, кетонов и сложных эфиров в присутствиии Со, Cu, Pt, Pd и некоторых других катализаторов приводит к образованию спиртов: первичных - при восстановлении альдегидов и сложных эфиров и вторичных - при восстановлении кетонов:
Химические свойства
Химические свойства спиртов обусловлены присутствием реакционноспособной гидроксильной группы. Реакции с участием этой группы проходят с разрывом связи О-Н или С-О.
1. Кислотно-основные свойства. Спирты - вещества нейтральные, но в незначительной степени они проявляют амфотерные свойства. При взаимодействии спиртов со щелочными металлами водород гидроксила замещается металлом с образованием алкоголятов:
Алкоголяты легко разлагаются водой:
Так как спирты более слабые кислоты, чем вода, кислотные свойcтвa спиртов убывают в следующем порядке: первичные > вторичные> третичные.
Как и вода, спирты проявляют и основные свойства: они реагируют на холоду с сильными кислота- ми, образуя соли алкилоксония·:
Основные свойства спиртов убывают в противоположном порядке по сравнению с кислотными.
2. Этерификация. Спирты взаимодействуют с минеральными и органическими кислотами с образо- ванием соответствующих сложных эфиров и воды:
Реакция образования сложных эфиров минеральных и органических кислот обратима: на определен- ной стадии наступает равновесие. Скорость образования сложных эфиров при одной и той же кисло- те для первичных спиртов примерно в 2 раза больше, чем для вторичных, и в 20 раз больше, чем для третичных.
3. Дегидратация. При действии на спирты водоотнимающих веществ происходит межмолекулярное или внутримолекулярное отщепление воды. Водоотнимающими веществами являются кислоты
(H2SО4, Н3РО4 , щавелевая, бензолсульфокислота и др.), оксиды (алюминия, тория и др.), -