Российский национальный исследовательский

медицинский университет им. Н.И. Пирогова,

г. Москва

Органическая химия

Курс лекций

для студентов фармацевтического факультета

Бауков Юрий Иванович

профессор кафедры

общей и биоорганической химии

1

Белавин Иван Юрьевич

профессор кафедры

общей и биоорганической химии

Лекция 05

Ненасыщенные углеводороды (1).

Алкены и их реакционная способность

Исходный уровень к лекции 06

– алкены (школьный курс);

Исходный уровень к лекции 07

– ацетиленовые углеводороды

(школьный курс)

2

● Ненасыщенные и ароматические углеводороды

○ Присоединение галогенов

● Восстановление алкенов

● Приложение: справочный и дополнительный материал

3

● Окисление алкенов

● Алкены и циклоалкены

Алкены и их реакционная способность

● Реакции электрофильного присоединения

○ Присоединение галогеноводородов

○ Особенности присоединения к производным алкенов с

электроноакцепторными группами

– Региоселективность реакций гидрогалогенирования

○ Присоединение воды (гидратация)

○ Присоединение карбокатионов к алкенам

3

CH2=CH2

Этилен

CH2=CH—CH=CH2

1,3-Бутадиен

HC CH

Ацетилен

Бензол Нафталин

Циклопентен

Ненасыщенные и ароматические углеводороды

4

Алкены и циклоалкены

(исходный уровень)

Типичные реакции алкенов – реакции присоединения

5

Алкены ─

Тип реакцииПродукт

СС

Алкен

+ H2O C C

H OH

H+

Реагент

+ Cl2 C C

Cl Cl

+ HCl C C

H Cl

+ H2 C C

H H

Pd

Особенности строения алкенов

6

Реакции электрофильного присоединения

СС + Е+

Результат электрофильного присоединения

с участием -связи

Общая схема реакций присоединения

C C C C

E Y

E Nu

-Связь -Связь

7

C C C C

E Nu

C C

Eмедленно

E+

быстро

Nu–

Реакции электрофильного присоединения AE

C C

C C XXC C

C C XH

C C C C OHH

C C C C OSO3HH

X2

(X = Cl, Br, I)

HX

(X = F, Cl, Br, I)

H2O

H2SO4

Хлорирование

Присоединение галогенов к алкенам

CH CH2 + Cl2CH3CH2 CH3 CH2 CH(Cl) CH2ClCHCl3, 0

oC

CH CH3 + Cl2CHCH3 CH3 CH(Cl) CH(Cl) CH3

CCl4, _10

oC

Быстрое обесцвечивание раствора брома без выделения HBr

– качественная проба на наличие двойной связи.

Бромирование

+ Br2Br Br

H2O или CCl4, 20 C

9

1.

2.

3.

Основные стадии:

Механизм реакции присоединения галогенов к алкенам

алкен

10

CF3—CH=CH2 CH3—CH=CH2 C=CH2

CH3

CH3

CH2=CH2<< < <

Увеличение скорости реакции

(3)(2)+

Br+C

Br

CBr–

Br

Br

СС+

-

СС

Br

Br

(1)

Br2

Выделение галогенониевых солей в индивидуальном виде

Подтверждение существования циклических бромониевых

ионов в растворе жидкого SO2 методом ЯМР 1Н

Строение

установлено

методом

РСА

11

3-бромо-2-метил-2-фторобутан бромониевый ион

C(CH3)2CH3CH

Br F

SbF6

SbF5, SO2 (ж), 60 oC

CH3 CH C(CH3)2

Br

+ 36–40°

Y–

X

соль диадамантилиденгалогенония

X = Br, Y– = Br3–, CF3SO3

–;

X = I, Y– = CF3SO3–

* другие экспериментальные факты в пользу предлагаемого механизма

и энергетическую диаграмму этой реакции см. в Приложении

Равновесие между ионом галогенония и карбокатионом

анти-присоединение с образованием транс-аддуктов

Стереоселективность реакции галогенирования

H H

+ Br2

Br

BrH

H

Стереоселективность –

12

C C

BrBr

C C

+

Br Br

H H

Присоединение галогеноводородов к алкенам

13

• Пропускание газообразных HCl или HBr через алкен или его

раствор в усусной кислоте или нитрометане.

Легкость

присоединения: R2C=CHR ≈ R2C=CH2 > RCH=CHR ≈ RCH=CH2

CH2 CH2 + HBr CH3 CH2 Br

+ HCl Cl

14

Схема механизма реакций гидрогалогенирования

Основные стадии:

(медленная стадия);

(быстрая стадия).

С

Н

Н

С

Н

Н

Н С

Н

Н

С

Н

Н

Cl+ H Cl

С

Н

Н

H С

Н

Н

+

+ Н+

+ Cl-

Эмпирическое правило В.В. Марковникова (1869)

При взаимодействии галогеноводородов и других реагентов типа

НХ с несимметричными алкенами

Региоселективность реакций гидрогалогенирования

Региоселективность –

15

Марковников Владимир

Васильевич 1837 – 1904

(CH3)2C CH2 + HCl(C2H5)2O

C Cl

CH3

CH3

CH2H

CH3 + HBrBr

CH3

H

CH3COOH

Стабильность карбокатионов:

Факторы, определяющие направление реакции

C

карбокатион третичный вторичный первичный

C R

R

R

C H

R

R

C H

R

H

16

а

б

CH3 CH

Cl

CH3

CH3 CH2 CH2Cl

пропен (пропилен)

не образуется

конечный продуктH+

(II) первичный карбокатион

(I)вторичный карбокатион

CH3 CH2 CH2

CH3 CH CH3Cl–

Cl–

+ –CH CH2CH3

Электронный и пространственый факторы

Механизм присоединения галогеноводородов

для случая несимметричных алкенов

TS1, -комплекс

TS2 конечный продукт

17

(CH3)2C CH2 + HBr (CH3)2C(Br) CH2H

CCH3

CH3

CH

H

H Br

Br

CCH3

CH3

CH

HHCCH3

CH3

C H

H(1)

(2)

H

BrBr

Br+(3) C

CH3

CH3

CH

HBr

HCCH3

CH3

CH

HH

(4)

CH3

CCH3

C

H

HH

Br

Энергетическая диаграмма электрофильного

присоединения HBr к несимметричным алкенам Э

н е

р г

и я

К о о р д и н а т а р е а к ц и и

TS2

TS1

18

CCH3

CH3

CH

HBr

H

CCH3

CH3

CH

HH

CCH3

CH3

C H

H

H

Br

Присоединение к алкенам

хлорноватистой и бромноватистой кислот

–Br2 + H2O HBr + HO Br

+

Cl2 + H2O+

HCl + HO Cl–

19

пропен

(пропилен)

–+CH CH2 + Br2 + H2OCH3 + CH CH2 CH3

BrBr

CH CH2 CH3

BrOH

Катализаторы – сильные кислоты (серная, азотная, хлорная)

Присоединение воды (гидратация)

Схема механизма реакции гидратации

20

этилен

CH2 CH2CH3CH2OH

H2O, H+

OH

CH3C CH3

CH3

C CH2

CH3

CH3

H2O, H+

C C C C

H OH

медленно

H+

C C

H

OH H

быстро

–H+

быстро

O

C C

H

21

Региоселективность

реакции гидратации

конечный продукт

не образуется

2-метилпропен

(изобутилен)

H++ –

C CH2

CH3

CH3

б

CH3

CH CH2 OHCH3CH3

CH CH2CH3

H2O; H+

а

OH

CH3C CH3

CH3

CH3

C CH3CH3

H2O; H+

реакции используются для промышленного получения

этилового и изопропилового спиртов

22

Реакция с концентрированной

серной кислотой

CH2 CH2 CH3CH2OHCH3CH2O S OH

O

O

H2SO4

– H2SO4

H2O

CH CH2CH3(CH3)2CHOH(CH3)2CHO S OH

O

O

H2SO4

– H2SO4

H2O

Особенности присоединения к производным алкенов с

электроноакцепторными группами

Пример:

реакции идут в более

жестких условиях

(по сравнению с обычными

алкенами)

23

C C

YC C

X H

Y

Y = COOH, CN, NO2, CF3

HX

CF3 CH CH2 CF3 CH

H

CH2Br+CF3 CH CH2H

Br

фактически не образуется

HBr

Факторы, определяющие направление

антимарковниковского присоединения

24

не образуется

конечный

продукт

H+

бCF3 CH2 CH2 Br

Br–

C CH2 CH2F

F

F +

+–CH CH2C

F

F

F

+

а

Br

CF3 CH CH3

одноименные заряды на соседних атомах

Br–C CH CH3

FFF

+

Особенности реакций присоединения на примере

гидратации ,-ненасыщенных карбоновых кислот

25

CH2 CH COH

O

CH2 CH2 COH

OHO

H2O

(H2SO4, 100 0C)

H+

R CH2 CH COH

O

COH

OCH2CHR C

OH

OCH2CHR

OH

R – алкил, арил

R CH CH COH

O

+

– –+ +

одноименные заряды на соседних атомах

H2O

– H+

26

Современная интерпретация региоселективности

электрофильного присоединения к алкенам

(правила Марковникова)

Механизм присоединения должен включать либо образование

свободного карбокатиона (что на практике наблюдается редко),

либо интермедиата с карбокатионным характером.

Направление присоединения реагентов типа НХ к

несимметричным алкенам

Таким образом правило Марковникова без оговорок

применимо

27

Присоединение карбокатионов к алкенам

Присоединение карбокатионов к алкенам

─ промышленный способ получения «изооктана», используемого для

повышения антидетонационной способности бензина

Обработка 2-метилпропена 60%-ной H2SO4, 70 C

C CH3

CH3

CH3

трет-бутильный катион

ССH2CH3

CH3

2-метилпропен(изобутилен)

"Димерный карбокатион"

1) 2)

"Диизобутилены"

(CH3)3C—CH C(CH3)2 +

H(CH3)3C—CH—C

H

CH2—H

CH3

С(CH3)2СH2

(CH3)C—CH2C(CH3) CH2

R C CH

+ C CR

+ HR C C

H

(CH3)3CCH2CH(CH3)2

2,2,4-триметилпентан ("изооктан")

[H]

присоединение аммиака к акриловой кислоте

28

Реакции нуклеофильного присоединения

I

II

акриловая кислота

CH2 CH CO

OH

H3NCH2 CH CO

OH

CH2 CH(NH3) CO

OH

H3NCH2 CH2 CO

O

NH3диполярный ион

-аминопропионовой кислоты

перенос

протона

+C CNu YNu

(Nu)

+ C C

Y

C CNu Y

H

H+

М. Хараш (1933) присоединение HBr (но не HCl или HI)

Примеры реакций радикального присоединения к алкенам

29

CH CH2 + HBrCH3

(C6H5COO)2

пропен (пропилен)

CH2 CH2 CH3 Br

1-бромопропан бензоил-пероксид

CH CH2RC6H5COO

CHCl3

CBr4

CCl3Br

COCl2CH(Cl) CH2 R C(O)Cl

CH2 CH2 R CCl3

CH(Br) CH2 R CBr3

CH(Br) CH2 R CCl3

Реакции радикального присоединения

Механизм реакций радикального присоединения AR

•

•

•

30

C6H5 C O O C C6H5

бензоилпероксид

2 C6H5 C O

бензоил-радикал

h

CH CH2 CH3 + Br CH CH2Br CH3

вторичный радикал

CH CH2Br CH3 + HBr CH2 CH2Br CH3 + Br

C6H5COO + HBr C6H5COOH + Br

Br + Br Br2

CH CH2Br 2 CH3CH CH CH3 CH3

CH2BrCH2Br

Реакции радикального аллильного замещения

31

N-бромосукцинимид

C CH CH +

CH2C

H2CC

NBr

O

O

CH2C

H2CC

NH

O

O

C CH CBr +

продукт радикального бромирования

в аллильное положение

(C6H5COO)2

пропен (пропилен)

аллилхлорид

CH2 CH CH3 + Cl2 CH2 CH CH2Cl + HCl300 0C

мягкое окисление

жесткое окисление

Эпоксиды

1,2-Диолы

Кетоны

Карбоновые

кислоты

Диоксид

углерода

32

Окисление алкенов

Продукты окисления:

Эпоксидирование

33

этилен этиленоксид

H2C CH2 + 0.5 O2 H2C CH2

OAg, 300 0C

+ CO

O

R

OH

эпоксиды (оксираны)

пероксикислотаалкен

C C

O

C C

+ CO

O

C6H5

OH

H

H

O C6H5COOH

пероксибензойная кислота

1,2-эпокси-циклогексан

циклогексен бензойная кислота

+ CH2Cl2, 25 0C

Гидроксилирование (синтез 1,2-диолов)

Обесцвечивание водного раствора перманганата калия на холоду

реакция Е.Е. Вагнера, 1898

аналогично реагирует OsO4,

для которого удалось выделить промежуточные интермедиаты

34

+ 2 KMnO4 + + 2 KOH+ 4 H2O 2 MnO2320 °С

OH OH

1,2-диолалкен

циклогексен

+ MnO4

H

H

OHOH

циc-циклогександиол-1,2, 37%

циклический интермедиат

H

H

O

OMn

O

O

H2O

Озонолиз

• Окислительный гидролиз озонидов —

• Восстановительный гидролиз озонидов

35

C C

алкен

+ O3

O

C

O

C

O

озонид

CH2 CH C2H5

O

H2C

O

C

O

C2H5

HH2C O + C C2H5

O

H

бутен-1 формальдегид пропаналь

O3 Zn, H2O, CH3COOH

O

RHC

O

C

O

R'

R"RCOOH + R' C R"

O

озонид карбоновая кислота

кетон

H2O2, CH3COOH

Жесткое окисление

Сильные окислители при нагревании (KMnO4/H+, K2Cr2O7, CrO3, HNO3)

• Ненасыщенный атом углерода, связанный с двумя органическими

радикалами, превращается в

Примеры реакций жесткого окисления:

36

2-метилбутен-2

C CHCH3

CH3

CH3CH3 C CH3 + CH3COOH

O

ацетон уксусная кислота

[O]

+

олеиновая кислота

CH3(CH2)7CH CH(CH2)7COOH CH3(CH2)7COOH HOOC(CH2)7COOH

нонановая кислота азелаиновая кислота

HNO3

(CH3)2CH(CH2)3CH CH CH2

CH3

(CH3)2CH(CH2)3CH COOH

CH3

+ CO2

3,7-диметилоктен-1 2,6-диметилоктановая кислота, 45%

KMnO4, H3O+

Каталитическое гидрирование

Стереоселективность реакции гидрирования

37

CH2 CH2 + H2

этилен

CH3 CH3

этан

Ni, 100 °C

+ H2CH3

CH3

CH3

CH3

HH

1,2-диметилциклогексен цис-1,2-диметилциклогексан, 82%

PtO2, CH3COOH, 25 0C

O

циклогексен-1-он-3

+ H2

O

циклогексанон

Pd/C, C2H5OH

Восстановление алкенов

C C +

алкен

H H

продукт восстановления

катализатор

H

C C

H

38

пропен 1,2-дибромопропан, 99%

циклогексен транс-1,2-дибромоциклогексан

CH CH2 + Br2CH3 CH3 CH(Br) CH2BrCCl4, 0

oC

+ Br2

Br

Br

CCl4, 0 oC

Дополнительный экспериментальный материал

по присоединению галогенов к алкенам

Приложение

(справочный и иллюстративный материал)

Экспериментальные факты, свидетельствующие в пользу предлагаемого механизма AE

присоединения галогенов к алкенам

39

C CHCH3

CH3CH3

+ Br2

Cl

(CH3)2C CH

Br

CH3

3-бромо-2-хлоро-2-метилбутан 2-метилбутен-2

LiCl в спирте

CH CH2 + R CH CH2 R I

Cl

I+ Cl

Присоединение брома к малеиновой и фумаровой кислотам

Стереоселективность присоединения

в случае -диастереомеров

C

C

COOHH

H COOH

(цис-бутендиовая кислота)

малеиновая кислота

2,3-дибромоянтарная кислота (рацемат)

Br

C

C

COOHH

HOOC H

BrBr C

C

H

COOHH

HOOC Br

Br

a b

a

b+

HOOC

C

C

H

BrH

Br COOH

R

RS

SBr Br

Br

C

C

COOHH

H COOH

Br Br

ba

a

b

+C

C

H

HCOOH

HOOC Br

Br

R

S

H

C

C

H

Br

Br COOH

HOOC

RS

фумаровая кислота

мезо-2,3-дибромоянтарная кислота

(транс-бутендиовая кислота)

C

C

COOHH

HOOC H

Br Br

40

Механизм присоединения галогенов

для случая несимметричных алкенов

(CH3)2C CH2 + Br2 (CH3)2C(Br) CH2Br

1,2-дибромо-2-метилпропан 2-метилпропен(изобутилен)

субстрат TS1, -комплекс реагент бромониевый ион

TS2

TS1 > TS2 конечный продукт бромониевый ион

CCH3

CH3

CH

H

Br Br

Br

CCH3

CH3

CH

H

Br

CCH3

CH3

C H

H

Br

Br

(1)

(2)

Br

Br

CCH3

CH3

CH

H

Br

+(3) (4)

CCH3

CH3

CH

H

Br

Br

C

CH3

CH3

CH

H

Br

41

Э н

е р

г и

я

К о о р д и н а т а р е а к ц и и

Энергетическая диаграмма электрофильного

присоединения брома к несимметричным алкенам

исходные

соединения

продукты

реакции

TS2

TS1

бромониевый

ион

TS1 > TS2

CCH3

CH3

CH

H

Br

Br

CCH3

CH3

CH

H

Br

42

CCH3

CH3

C H

H

Br

Br

Важные экспериментальные факты (1)

Влияние алкильных заместителей на легкость присоединения HHal

Перегруппировки с 1,2-миграцией алкильной группы

R2C=CHR ≈ R2C=CH2 > RCH=CHR ≈ RCH=CH2

(согласуются с механизмом, включающим образование карбокатионов

в стадии, определяющей скорость реакции)

43

CH CH2(CH3)3C

трет-бутилэтилен

CH3

HCl

(CH3NO2)

Cl CH3 C CH

CH3

CH3

CH3

Cl

CH3 C CH

CH3

CH3

CH3

нормальный продукт присоединения, 17%

аномальный продукт присоединения, 83%

ClCH3 C CH

CH3

CH3

CH3Cl

CH3 C CH

CH3

CH3

CH3

Кинетика гидрогалогенирования алкенов

Важные экспериментальные факты (2)

= k[алкен] [HHal]2

Стереохимия гидрогалогенирования алкенов

(включает две последовательные стадии,

поскольку одновременное столкновение трех молекул маловероятно)

образование продуктов анти-присоединения

(в случае промежуточного образования карбокатиона следовало ожидать

получения смеси цис,транс-изомеров конечного продукта)

CH3

Br

CH3

H+ HBrCH3

CH3

1,2-диметилциклогексен транс-1-бромо-1,2-диметил-

циклогексан

44

Механизм присоединения галогеноводородов

к несимметричным алкенам, не включающий промежуточное

образование карбокатионов

реакция протекает как анти-присоединение: алкен взаимодействует с первой

молекулой HHal, являющейся источником протона, и практически одновре-

менно со второй молекулой HHal источником галогенид-иона, располага-

ющейся со стороны, противоположной той, откуда приходит протон.

в результате одна молекула HHal играет роль электрофильного, а вторая

молекула HHal нуклеофильного реагента.

(CH3)2C CH2 + HCl (CH3)2C(Cl) CH2H

2-хлоро-2-метилпропан 2-метилпропен(изобутилен)

45

C C

Br H

Br H

H Br

H

C C

Br

Более детальная схема механизма гидратации алкенов

(CH3)2C CH2

2-метилпропен(изобутилен)

+ H2O10% H2SO4, 25 0C

(CH3)2C CH3

OH

2-метилпропанол-2

субстрат TS1

реагент

интермедиат I

(карбокатион)

TS3

TS1 > TS2 >> TS3

интермедиат II

(ион оксония) конечный

продукт

TS2

HO

C

CH3

CH

H

H

H3C

H2O

(4)C

CH3

CH3

C H

H

HO

H H

CCH3

CH3

C H

H

HOH H

H O H

CCH3

CH3

C H

H

HOH H

H O H

H3O+

(5)

46

H2O

(3)CCH3

CH3

CH

H (1)

H OH

H CCH3

CH3

C H

H

H

H2O

(2)C

CH3

CH3

C H

H

H

O

H

H

Э н

е р

г и

я

К о о р д и н а т а р е а к ц и и

исходные

соединения продукты

реакции

TS2

TS1

интермедиат

TS1 > TS2 >> TS3

Энергетическая диаграмма электрофильного

присоединения H2O к несимметричным алкенам

TS2

TS3 интермедиат I

(карбокатион)

интермедиат II

(ион оксония)

CCH3

CH3

C H

H

H

CCH3

CH3

C H

H

HOH H

H O H

47