Химия · Органическая химия · 3 курс

SN1, SN2 и элиминирование

Заменяем один бром: почему то инверсия, то рацемат, то алкен?

Ситуация

На комбинате «Навоиазот» в Навои производят поливинилхлорид (ПВХ) — из него делают трубы, оконные рамы и линолеум. Мономер ПВХ, винилхлорид, в мире получают в основном в две стадии: присоединением хлора к этилену получают 1,2-дихлорэтан, затем при нагревании отщепляют от него HCl. А в химической лаборатории студенты синтезируют из спиртов галогеналканы и простые эфиры. Везде происходит одно и то же — от углерода уходит связанный галоген или OH-группа. Почему в одном случае оптически активное вещество переходит в обращённую конфигурацию, в другом получается рацемат, а в третьем вместо замещения образуется алкен?

Тема

Нуклеофильное замещение и элиминирование. Комплекс ПВХ «Навоиазота»: из этилена и хлора — дихлорэтан, отщеплением HCl от него — винилхлорид. Затем лаборатория органического синтеза: из спиртов галогеналканы и…

Ключевые понятия

SN2: атака с тыла, вальденовское обращение
SN1: карбокатион и сольволиз
E1/E2: Зайцев и Гофман

Формулы

v = k_{2} [RX] [Nu^{-}] (S_{N} 2), v = k_{1} [RX] (S_{N} 1)

SN2 — одна стадия, второй порядок; SN1 — медленная стадия ионизации, первый порядок.

\lg \frac{k}{k_{0}} = m Y

Уравнение Грюнвальда–Уинстейна: Y — ионизирующая сила растворителя (в 80 %-ном этаноле Y = 0; для t-BuCl m = 1).

k = \frac{1}{t} \ln \frac{1}{1 - x}, t_{1 / 2} = \frac{\ln 2}{k}

Кинетика первого порядка: x — доля, прореагировавшая к моменту t (опыт с индикатором).

Δ Δ G^{‡} = - R T \ln \frac{k_{1}}{k_{2}} \approx - 5,71 \lg \frac{k_{1}}{k_{2}} кДж/моль

Отношение скоростей — разность барьеров (25 °C): быстрее в 10 раз ⇔ барьер ниже на ≈ 5,7 кДж/моль.

CH_{2} = CH_{2} + Cl_{2} \overset{\overset{}{FeCl_{3}}}{\to} ClCH_{2} - CH_{2} Cl, ClCH_{2} - CH_{2} Cl \overset{\overset{}{t}}{\to} CH_{2} = CHCl + HCl

Винилхлорид: электрофильное присоединение (40–70 °C), затем дегидрохлорирование (≈ 500 °C, в промышленности — термический радикальный путь).

Теория

Органические реакции: теории и классификация

В истории органической химии сначала появились теория радикалов (Ю. Либих и Ф. Вёлер, 1830-е годы: группы атомов, переходящие в реакциях без изменения, — «радикалы» бензоил, этил) и теория типов (Ш. Жерар, О. Лоран: вещества принадлежат «типу» воды, аммиака, HCl или водорода). В 1861 году А. М. Бутлеров изложил теорию химического строения: атомы в молекуле соединены в определённом порядке в соответствии с их валентностью, свойства вещества зависят не только от состава, но и от этого строения, атомы оказывают друг на друга взаимное влияние. Это объяснило изомерию: структурные изомеры (цепи, положения, межклассовые — бутанол и диэтиловый эфир, оба C₄H₁₀O) и пространственные изомеры (геометрические, оптические). Классы соединений выделяют по функциональной группе: углеводороды, галогенпроизводные, спирты, простые эфиры, альдегиды и кетоны, карбоновые кислоты, амины и другие. Взаимное влияние атомов — индуктивный (−I: Br, OH, C=O; +I: алкильные группы) и мезомерный (±M) эффекты, гиперконъюгация. Теории кислот и оснований: Аррениус; Брёнстед–Лоури (доноры и акцепторы протона); Льюис (акцепторы и доноры электронной пары — нуклеофил является основанием Льюиса); Пирсон (жёсткие и мягкие кислоты и основания: I⁻ — мягкий, легко поляризуемый, сильный нуклеофил, но слабое основание). Классификация реакций: по результату — замещение (S), присоединение (A), отщепление, или элиминирование (E), перегруппировка; по типу реагента — радикальные (R), нуклеофильные (N), электрофильные (E). Обозначения: $S_{N} 1$ , $S_{N} 2$ , $S_{E}$ , $S_{R}$ , $A_{E}$ , $A_{N}$ , $E 1$ , $E 2$ — цифра указывает число частиц, участвующих в стадии, определяющей скорость (обозначения SN1/SN2 и E1/E2 ввели в 1930-е годы К. Ингольд и Э. Хьюз). Радикальный и электрофильный механизмы — в эксперименте «Радикальный и электрофильный механизмы».

SN2: атака с тыла и вальденовское обращение

Бимолекулярное нуклеофильное замещение идёт в одну стадию: нуклеофил подходит к углероду с противоположной стороны от связи C–X (180°), образование новой связи и разрыв старой происходят одновременно. В переходном состоянии три заместителя лежат в одной плоскости, а Nu и X находятся на «полусвязях» — красные стрелки на сцене: пара электронов нуклеофила → к углероду, пара электронов связи C–X → к X. В результате заместители выворачиваются, как зонтик на ветру, — вальденовское обращение (обозначение R/S каждый раз пересчитывается по правилам CIP: если меняется старшинство, при обращении буква может и не измениться). Скорость $v = k [RX] [Nu^{-}]$ . Субстрат: решает пространственное затруднение с тыла — относительная скорость для бромидов CH₃ ≈ 30, первичный 1, вторичный ≈ 0,02, третичный ≈ 0; замедляет и β-разветвление (неопентил ≈ 10⁻⁵). Нуклеофил: заряженный сильнее нейтрального (CH₃O⁻ > CH₃OH); по периоду растёт с основностью (NH₂⁻ > OH⁻ > F⁻), по группе в протонном растворителе — с поляризуемостью (I⁻ > Br⁻ > Cl⁻ > F⁻): малые анионы прочно сольватируются водородными связями. Полярные апротонные растворители (ДМСО, ДМФА, ацетон) оставляют анион «голым»: реакция CH₃I + Cl⁻ в ДМФА идёт в ≈ 10⁶ раз быстрее, чем в метаноле (Паркер), порядок галогенидов меняется на F⁻ > Cl⁻ > Br⁻ > I⁻. Уходящая группа тем лучше, чем слабее она как основание (чем сильнее сопряжённая кислота): I⁻ > Br⁻ > Cl⁻ ≫ F⁻; тозилат очень хорош, OH⁻, RO⁻, NH₂⁻ — плохие (поэтому спирт сначала протонируют). Аллильные и бензильные галогениды быстро реагируют и по SN2, и по SN1; винильные и арильные галогениды (бромбензол) по этим путям не замещаются.

SN1: карбокатион, сольволиз, рацемизация, перегруппировка

Мономолекулярное замещение идёт в две стадии: медленная ионизация (гетеролитический разрыв C–X; карбокатион — плоский sp²-углерод, вакантная p-орбиталь) и быстрая атака нуклеофила. Скорость зависит только от субстрата: $v = k [RX]$ . Устойчивость карбокатионов: третичный > вторичный ≫ первичный > CH₃⁺ (+I-эффект алкильных групп и гиперконъюгация); аллильный и бензильный катионы стабилизированы резонансом. Скорость сольволиза бромидов в муравьиной кислоте CH₃ 1 : C₂H₅ 1,7 : (CH₃)₂CH 45 : (CH₃)₃C ≈ 10⁸ — порядок, обратный порядку для SN2. Нуклеофил (чаще всего сам растворитель — сольволиз: вода, спирт) атакует плоский катион с обеих сторон с почти равной вероятностью, поэтому из оптически активного субстрата получается рацемат (на практике уходящий анион отчасти заслоняет одну сторону, поэтому обращение немного преобладает). Полярный протонный растворитель сольватирует ионы и стабилизирует переходное состояние: уравнение Грюнвальда–Уинстейна $\lg (k / k_{0}) = m Y$ ; для t-BuCl при 25 °C $k_{0}$ = 9,1·10⁻⁶ с⁻¹ (80 %-ный этанол, Y = 0), в чистом этаноле Y = −2,03, в воде Y = +3,49 — с ростом доли воды реакция резко ускоряется. Карбокатионы перегруппировываются: от соседнего атома мигрирует H (гидрид) или CH₃ с парой электронов, и образуется более устойчивый катион — 3-метилбутан-2-ол с HBr даёт в основном 2-бром-2-метилбутан. В лаборатории трет-бутилхлорид получают из трет-бутилового спирта и концентрированной HCl при комнатной температуре по пути SN1.

Элиминирование: E2, E1, Зайцев и Гофман; получение алкенов

Если основание отнимает протон у β-углеродного атома, вместо замещения идёт элиминирование и образуется связь C=C. E2 — одностадийная, $v = k [RX] [B^{-}]$ ; β-H и уходящая группа должны находиться в одной плоскости, на противоположных сторонах — антипериплоскостно (на сцене основание, H и Br почти на одной линии). E1 — через общий с SN1 карбокатион; на второй стадии слабое основание (растворитель) отнимает β-H. Правило Зайцева: обычно основной продукт — более замещённый, более устойчивый алкен: из 2-бромбутана + C₂H₅O⁻ получается 81 % бутена-2 и 19 % бутена-1. Объёмистому основанию трудно подойти к внутреннему, экранированному водороду — если оно отнимает протон у крайней CH₃-группы, возрастает доля направления по Гофману (менее замещённый алкен). Конкуренция (55 °C, C₂H₅ONa в этаноле): CH₃CH₂Br — 90 % SN2, 10 % E2; (CH₃)₂CHBr — 21 % SN2, 79 % E2; (CH₃)₃CBr — только элиминирование; (CH₃)₃CBr в чистом этаноле (25 °C) — 81 % SN1, 19 % E1. Сильное основание и высокая температура благоприятствуют элиминированию, слабое основание — сильный нуклеофил (I⁻, CN⁻, N₃⁻) и низкая температура — замещению (при элиминировании число частиц растёт, ΔS > 0). Получение алкенов (способы создания двойной связи): дегидрогалогенирование галогеналканов (KOH в спирте), дегидратация спиртов (H₂SO₄, H₃PO₄, Al₂O₃), дегалогенирование вицинальных дигалогенидов цинком, неполное гидрирование алкинов на катализаторе Линдлара, дегидрирование алканов, реакция Виттига. Номенклатура: главная цепь содержит двойную связь, суффикс «-ен» и наименьший номер для двойной связи (бутен-1, 2-метилбутен-2); изомерия — цепи, положения двойной связи, цис/транс, межклассовая с циклоалканами. В промышленности винилхлорид получают из 1,2-дихлорэтана при ≈ 500 °C термическим (радикально-цепным) отщеплением HCl; в лаборатории то же самое делает спиртовой раствор KOH по пути E2.

Спирты: виды, получение, кислотно-основные и химические свойства

Предельные одноатомные спирты $C_{n} H_{2 n + 1} OH$ — первичные, вторичные, третичные; двухатомные — гликоли (этиленгликоль — антифриз), диэтиленгликоль и полиэтиленгликоли (ПЭГ, HO(CH₂CH₂O)ₙH — в косметике и лекарствах); трёхатомный — глицерин. Получение: гидратация алкенов (в промышленности этилен + водяной пар, H₃PO₄, ≈ 300 °C), гидролиз галогеналканов, восстановление карбонильных соединений и синтез с реактивами Гриньяра, брожение; метанол в промышленности — из синтез-газа: $CO + 2 H_{2} \overset{}{\to} CH_{3} OH$ (Cu/ZnO, 5–10 МПа, ≈ 250 °C); этиленгликоль — гидратацией оксида этилена. Кислотно-основные свойства: по кислотности спирты близки к воде — метанол чуть сильнее, остальные слабее (pKa: CH₃OH 15,5, H₂O 15,7, C₂H₅OH 15,9, (CH₃)₃COH ≈ 18; CF₃CH₂OH 12,4 — −I-эффект), с щелочными металлами дают алкоголяты; в сильной кислоте кислород протонируется (R–OH₂⁺, pKa ≈ −2) — спирт выступает как основание. Химические свойства: замена OH на галоген (HX: третичный — SN1, первичный — SN2; PCl₅, PBr₃, SOCl₂); дегидратация — внутримолекулярная (алкен; для этанола ≈ 170 °C) или межмолекулярная (простой эфир; ≈ 140 °C); окисление — первичный → альдегид → кислота, вторичный → кетон, третичный окисляется с трудом; дегидрирование — над нагретой медью (≈ 300 °C) первичный спирт даёт альдегид и H₂. Простые эфиры: синтез Вильямсона (RO⁻ + R′X, SN2; R′ должен быть первичным, иначе преобладает E2), нагревание спиртов с H₂SO₄, диоксан-1,4 — из диэтиленгликоля. Межфазный катализ: соль тетраалкиламмония или фосфония (Q⁺X⁻) переносит анион (CN⁻, OH⁻) из воды в органическую фазу — 1-хлороктан почти не реагирует при нагревании с водным раствором NaCN, а с 1–2 мол. % соли фосфония за ≈ 2 часа даёт нитрил (Старкс, 1971). Из галогеналканов получают металлоорганические соединения: $RX + Mg \overset{}{\to} RMgX$ (Гриньяр, в сухом эфире), $RX + 2 Li \overset{}{\to} RLi + LiX$ , реакция Вюрца ( $2 RX + 2 Na \overset{}{\to} R - R + 2 NaX$ ) — их применение в эксперименте «Карбонильные соединения и синтез». Применение: растворители, топливо (биоэтанол), антифриз, лекарства и косметика, сырьё для полимеров. Школьный уровень — «Спирты и простые эфиры».

Лабораторные работы (L6–L8), безопасность и модель

L6 — синтез алкенов: циклогексен (циклогексанол + H₃PO₄, перегонка, 83 °C), гептен-1, 2-метилбутен-2, пентен-2; двойная связь определяется бромной водой (цвет исчезает; подробнее — «Радикальный и электрофильный механизмы»). L7 — замещение у sp³-углерода: этилбромид (этанол + KBr + H₂SO₄, перегонка под слой ледяной воды), н-бутилбромид, этилиодид (красный фосфор + иод), трет-бутилхлорид (SN1); иодоформ — галоформная реакция. L8 — простые эфиры: дибутиловый и диизоамиловый эфиры (с водоотделителем), диоксан-1,4. Пробы на реакционную способность: раствор NaI в ацетоне (NaBr и NaCl в ацетоне не растворяются — помутнение служит признаком SN2) и раствор AgNO₃ в этаноле (осадок AgBr — признак SN1). Кинетика: t-BuCl гидролизуется в водном этаноле; в растворе есть бромтимоловый синий и немного NaOH — как только образующаяся HCl нейтрализует щёлочь, цвет из синего становится жёлтым, время записывают и добавляют следующую порцию. Безопасность: с концентрированными H₂SO₄ и HCl работайте в защитных очках и перчатках, кислоту вливайте в воду, а не наоборот; галогеналканы — алкилирующие, токсичные вещества, работайте в вытяжном шкафу; эфиры и алкены очень легко воспламеняются — используйте не открытый огонь, а электронагреватель; диоксан и диэтиловый эфир при длительном хранении накапливают взрывчатые пероксиды; при попадании щёлочи в глаза немедленно промойте их большим количеством воды; не нюхайте и не пробуйте реактивы. Модель: относительные скорости SN2 и нуклеофильность — учебниковые значения (25 °C), ускорение в апротонном растворителе по анионам — приближённая модель (порядок Паркера); времена в пробирках проб — качественно подогнанная под опыт модель; значения Y — линейная интерполяция по таблице, pH для бромтимолового синего рассчитан как для идеального водного раствора; источник соотношения продуктов (опыт или модель) указан в окне результата; молекулы схематичны (1 Å ≈ 4,5 см), энергетические диаграммы схематичны; лабораторное время ускорено.

Знаете ли вы?

В 1896 году Пауль Вальден превратил (−)-яблочную кислоту в (+)-яблочную с помощью PCl₅ и затем влажного Ag₂O — это первый пример химического превращения одного энантиомера в другой; явление по его имени называют «вальденовским обращением».
В 1935 году в Лондоне Э. Хьюз с коллегами добавили радиоактивные иодид-ионы к оптически активному 2-иодоктану: скорость падения оптической активности оказалась в пределах точности измерения вдвое больше скорости обмена иода — значит, каждое замещение обращает конфигурацию.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Кислоты, эфиры и мыло — 10 класс
Углеводы: глюкоза и крахмал — 10 класс
Распознавание органических веществ — 10 класс
Стереохимия и конформации — 2 курс
Радикальный и электрофильный механизмы — 3 курс
Ароматическое кольцо и азокрасители — 3 курс
Карбонильные соединения и синтез — 3 курс
Гетероциклы и ДНК — 3 курс
Аминокислоты и белки — 3 курс
Физика макромолекул — 3 курс