РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И
НАУКИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
ИНСТИТУТ ХИМИИ
КАФЕДРА ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Курсовая работа
по дисциплине «Органическая
химия»
ТЕМА «Способы получения вторичных
аминов»
студента 3 курса
специальности «Химия»
очная форма обучения,
группа 25 Х 122(2)
В. Е. Людикайнен
Проверила:
Д.С.Шапенова
Тюмень 2015
Регистрационный номер (кафедра)
Дата
________________
_______________2015
Оценка (зачет/незачет)
Дата
________________
_______________2015
Оглавление
Введение
Синтез вторичных аминов –
чрезвычайно важный раздел химии. Вторичные
амины важны и как прекурсоры к важным
соединениям в органическом синтезе, и
в биохимии и фармацевтике. Так, многие
биологически активные вещества содержат
фрагмент –NH- (например, адреналин). В связи
с тем, что часто вторичные амины используются
в фармацевтике, необходимы способы синтеза,
позволяющие в конце как можно проще
проводить очистку продуктов. Некоторые
субстраты слишком чувствительны к кислотным,
щелочным условиям, температуре и другим
факторам. В связи с этим необходимы способы
синтеза, позволяющие получать вторичные
амины в мягких условиях. Иногда (особенно
в вышеупомянутой фармацевтике) необходим
энантиоселективный синтез, так как очень
часто только один из энантиомеров данного
вещества обладает необходимой биологической
активностью. В связи с этим необходимы
методы с использованием хиральных
реагентов, катализаторов или растворителей.
Как видно синтез вторичных аминов в различных
отраслях науки требует разнообразных
методов синтеза. Мы рассмотрим некоторые
из множества способов синтеза.
Нуклеофильное замещение при - гибридизованном
атоме углерода
Нуклеофильное замещение при - гибридизованном
атоме углерода важно, так как является
чрезвычайно распространенным. Выделяют
3 основных механизма нуклеофильного
замещения при - гибридизованном
атоме углерода: 1, 2, i.
Общие представления о механизмах
реакции нуклеофильного замещения:
В общем виде реакцию нуклеофильного
замещения можно представить следующей
схемой: R׃X + Y: → R:Y + X׃
В
качестве нуклеофильного агента Y может
выступать как анион, так и нейтральная
молекула, обладающая хотя бы одной неподеленной
парой электронов (т. е. основание Льюиса),
например:
Y
═ H2O, ROH, H2S, RSH, NH3, OH-, OR-, SH-, SR-, Hal-, CN-, SCN-, NO2-, N3-, RCOO-, RC=CHR и т. д.
Замещаемая группа Х (называемая
уходящей группой) обычно обладает высокой
электроотрицательностью и может уходить
как в виде аниона, так и в виде незаряженной
молекулы, отщепляясь с электронами нарушающейся
связи:
Х = Hal, ОН, OR, OSО2R, OCOR, N+R3, S+R2 и т. д.
1.1 2
2- реакции протекают
в одну стадию, причем нуклеофил атакует электрофильный
центр с тылу, что сопровождается вальденовским
обращением конфигурации[1].
Реализации механизма 2 способствуют: нестойкость
потенциально возможного карбкатиона,
минимальные стерические препятствия
возле электрофильного центра, хорошая
уходящая группа, большая сила нуклеофила,
биполярные апротонные растворители.
Скорость таких реакций выражаются
кинетическим уравнением v=k[Субстрат][Nu]. То есть скорость
зависит как от концентрации нуклеофила,
так и о концентрации субстрата.
Знание строения активированного
комплекса в реакциях замещения дает возможность
предсказать, каким образом варьирование
структурных факторов скажется на скорости
реакции. Рассмотрим, как будет влиять
на скорость замещения строение субстрата.
Переходное состояние SN2-реакции близко
к тригональной бипирамиде, и у реакционного
центра находятся пять заместителей. Увеличение
стерического объема заместителей будет
приводить к увеличению стерического
отталкивания, причем оно будет большим
в переходном состоянии. Это приведет
к дестабилизации переходного состояния
относительно исходного и, следовательно,
к уменьшению скорости замещения. Так,
скорость осуществляющегося по SN2-механизму
замещения брома на хлор (диметилформамид,
250С) зависит
от строения алкильного радикала следующим
образом:
RBr + Cl- → RCl + Br-
R |
CH3 |
C2H5 |
CH(CH3)3 |
C(CH3)3 |
CH2C(CH3)3 |
-lg k |
0,30 |
1,87 |
3,61 |
4,96 |
7,07 |
Как видно из этих данных, стерические
препятствия увеличиваются не только
при переходе от первичных систем к вторичным
и третичным, но и при увеличении числа
разветвлений при углеродном атоме.
Замедление реакции за счет
стерических эффектов тем больше, чем
больше объем нуклеофила. Реакционная
способность циклических соединений зависит
от их конформации. Поскольку в переходном
состоянии атом углерода, у которого осуществляется
замещение, находится в состоянии гибридизации,
близком к sp2, и, следовательно,
происходит увеличение валентных углов,
скорость замещения в циклических системах
существенно зависит от размера цикла.
Это подтверждается данными по реакционной
способности циклоалкилбромидов CnH2n-lВr и изопропилбромида
по отношению к иодид-иону в ацетоне при
700С:
n |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
(CH3)2CHBr |
k * 107, л/(моль*с) |
0,01 |
0,98 |
208 |
1,29 |
127 |
130 |
В сильнонапряженных циклопропильной
и циклобутильной системах увеличение
валентного угла должно еще больше увеличивать
напряжение в цикле, что и приводит к малой
реакционной способности этих соединений.
В циклогексильной системе в активированном
комплексе появляются невыгодные взаимодействия
С─Н-связей, находящихся в заслоненной
конформации[6].
1
SN1 –реакции
протекают в две стадии: ионизация субстрата
и последующая нуклеофильная атака на
карбкатион. Причем, так как катион плоский,
то нуклеофил атакует электрофильный
центр с равной вероятностью с двух сторон,
что сопровождается рацемизацией
(неидеальной рацемизацией (незначительное
преобладание продукта инверсии) из-за
того, что сперва образуется контактная[2]
ионная пара, на стадии образования которой
проходит часть актов нуклеофильных атак).
Однако есть исключения: например, если
сольватация карбкатиона с одной стороны
отличается от таковой с другой стороны,
то может значительно преобладать
один из энантиомеров в продуктах реакции
(так называемые эффекты памяти). Такое
может наблюдаться, например, в реакциях
нуклеофильного замещения в 7-норборнилгалогенидах.
Реализации механизма SN1 способствуют:
стойкость образующегося карбкатиона,
значительные стерические препятствия
возле электрофильного центра, значительная
полярность возле разрывающейся в субстрате
связи, значительная диэлектрическая
проницаемость растворителя( лучше всего
подходят протонные растворители). Повышение
температуры способствуют таким реакциям,
по сравнению с 2, но еще больше способствуют
реакциям элиминирования E1. Скорость таких реакций выражаются
кинетическим уравнением v=k[Субстрат].
То есть скорость не зависит от концентрации
нуклеофила. Скорость увеличивается
при увеличении ионной силы раствора.
Более строгим кинетическим уравнением
реакции SN1 является
следующее:
.
Скоростьлимитирующей стадией
является ионизация субстрата- первая
стадия. В отличии от бимолекулярного
нуклеофильного замещения при насыщенном
атоме углерода, скорость реакции мономолекулярного
нуклеофильного замещения при насыщенном
атоме углерода практически не зависит
от силы нуклеофила:
Факторы, стабилизирующие образующийся
катион, должны приводить к ускорению
реакции SN1-замещения.
В связи с этим скорость SNl-реакций должна
возрастать при введении в α-положение
к реакционному центру заместителей, способных
делокализовать положительный заряд.
Поэтому введение фенильных или аллильных
заместителей, увеличивающих делокализацию
заряда за счет сопряжения, или алкильных
заместителей, способных к сверхсопряжению
с реакционным центром, увеличивает скорость
SNl-процессов.
Введение электронодонорных заместителей
должно еще больше стабилизировать образующийся
катион и, следовательно, увеличивать
скорость SNl-реакций.
Стабилизация образующегося
катиона возможна и в тех случаях, когда
в α-положении к реакционному центру находится
атом, имеющий неподеленную пару электронов.
Было показано, что α-хлорэфиры сольволизируются
по SN1-механизму:
ROCH2Cl → R─O─C+H2 ↔ R─O+═CH2
Введение электроноакцепторных
заместителей в уходящую группу приводит
к делокализации возникающего в ней отрицательного
заряда и к увеличению скорости SNl-замещения.
В ряду галогенпроизводных реакционная
способность изменяется в следующем порядке:
F << Сl < Br < I.
Это связано с уменьшением энергии
ионной диссоциации связи C-Hal в этом ряду.
Увеличения стабилизации уходящей
группы можно достигнуть, применяя катализаторы
электрофильного характера. Так, в случае
галогенпроизводных реакции ускоряются
в присутствии ионов серебра, способных
давать комплекс с галогенид-ионом. Спирты
не вступают в реакции мономолекулярного
замещения или отщепления из-за малой
стабильности уходящей группы - гидроксил-аниона
- и большой энергии диссоциации связи
О─С. Однако после протонирования по атому
кислорода реакция становится возможной,
так как в качестве уходящей группы выступает
нейтральная молекула воды:
(CH3)3COH ↔ (CH3)3C─O+H2 → (CH3)3C+ → Продукты.
В аналогичные реакции могут
вступать и простые эфиры. Трет-Бутиловый
эфир фенола стабилен в нейтральной среде,
но легко расщепляется водными растворами
кислот:
Особо важную роль играет увеличение
стабильности уходящей группы за счет
ее сольватации. Таким образом, стабилизация,
как образующегося катиона, так и уходящей
группы приводит к увеличению скорости
мономолекулярного замещения (и соответственно
отщепления).
В карбкатионе центральный
атом углерода имеет sр2-гибридизацию
и связи С─С находятся под углами около
1200 относительно
друг друга, в то время как в исходном соединении
углы между связями составляют около 1090. Если увеличивать
объем заместителей при центральном атоме
углерода, это приведет к стерическому
отталкиванию и увеличению энергии системы,
причем это увеличение энергии будет больше
в исходном состоянии, чем в близком по
геометрии к карбкатиону переходном состоянии.
Таким образом, увеличение объема заместителей
дестабилизирует исходное состояние в
большей степени, чем переходное, что должно
приводить к увеличению скорости диссоциации[1].
Важную роль играет при этом
и стерическое взаимодействие углеводородного
радикала с уходящей группой, которое
также уменьшается в переходном состоянии.
Чем больше объем углеводородного радикала,
тем в большей степени ускоряется реакция
при увеличении стерического объема уходящей
группы.
1.3 i
i- реакции протекают в две стадии:
ионизация субстрата и последующая нуклеофильная
атака частью противоиона образовавшейся
контактной ионной пары на карбкатион
с фронтальной стороны[3]. Причем в данном
случае сохраняется конфигурация за счет
того, что атака идет анионом в контактной
ионной паре[2]- а в таковой она может происходить,
только с фронтальной стороны.
Такой механизм довольно редко
встречается. Для его реализации необходимо,
чтобы субстрат мог образовывать ионную
пару, фрагмент аниона, который может атаковать
карбкатион. Примерами таких реакций могут
служить реакции субстратов типа ROSSO2Cl и ROCOCl.
Правило Корнблюма: в случае
амбидентных нуклеофилов( имеющих более
одного нуклеофильного центра) атака идет
по более жестким и содержащим большую
электронную плотность центром в случае SN1, и более мягким
центром в случае 2.
Суть в том, что в реакциях SN1 образуется
карбкатион, который является жесткой
кислотой Льюиса, который обладает соответственно
большим сродством к более жестким основаниям.
В реакциях же SN2 необходим
более деформируемый нуклеофил, так как,
во-первых, тут необходимо преодолевать
стерические препятствия и, во-вторых,
электрофильный центр является более
мягким.
Влияние различных факторов
на реакции нуклеофильного замещения
у насыщенного атома углерода:
Факторы |
SN1 |
SN2 |
Строение субстрата |
Реакционная способность падает в ряду:
Бензильный, аллильный
> третичный > вторичный > первичный |
Реакционная способность растет в ряду:
Бензильный, аллильный
< третичный < вторичный < первичный |
Вступающая группа |
Практически нет
влияния |
Чем больше нуклеофильность,
тем вероятнее протекание реакции |
Уходящая группа |
Чем ниже энергия
связи, тем легче протекает реакция |
Замещение затрудняется
с увеличением нуклеофильности (основности)
уходящей группы |
Стерические факторы |
Увеличение числа
алкильных заместителей и электронодонорных
групп у нуклеофильного центра способствует
протеканию реакции. |
Препятствуют атаке
нуклеофильного центра и затрудняют реакцию |
Влияние растворителя |
Реакции способствуют
протонные полярные растворители |
Влияние растворителя
сказывается значительно меньше, но реакцию
затрудняют растворители, сольватирующие
нуклеофил. В целом, лучше протекают с
апротонными полярными растворителя. |
Концентрация нуклеофила |
На скорость реакции
не влияет |
Скорость реакции
пропорциональна концентрации нуклеофила |