Компьютерные технологии при изучении темы "Молекулярные перегруппировки"

Эта же смесь спиртов образуется и при действии азотистой кислоты на циклогептиламин (II):



2.Механизм перегруппировки.

Механизм перегруппировки Демьянова аналогичен механизму пинаколиновой и ретропинаколиновой перегруппировок.

Так, образование циклогексилкарбинола при действии азотистой кислоты на циклогексилметиламин (I) может быть объяснено следующей схемой:

Однако карбониевый ион (V) может претерпевать перегруппировку типа ретропинаколиновой, в результате чего возникает карбониевый катион (VI), а из него- циклогептанол:

Т.е. пара электронов как нуклеофил атакует атом углерода, на котором находится недостаток электронной плотности, причем образование новой связи и разрыв старой происходит синхронно, т. е. перегруппировка является внутримолекулярной.

При действии азотистой кислоты на циклогептиламин образуется карбониевый катион (VI), который реагирует с водой, дает циклогептанол:

А претерпевая перегруппировку типа пинаколиновой, образует карбониевый ион (V), и из него циклогексилкарбинол:

3.Побочные реакции.

Перегруппировка Демьянова может сопровождаться образованием олефинов за счет отщепления протона от карбониевых ионов (V), (VI) или (VII):



Реагирует ли азотистая кислота с циклогексилметиламином или циклогептиламином, в реакционной смеси устанавливается равновесие между карбониевыми ионами 5 и 6. Это является причиной образования одинаковой смеси спиртов в обоих случаях. Таким образом, в данной перегруппировке побочная реакция-образование циклических олефинов.

Сужение и расширение циклов наблюдается не только при реакции олефинов с азотистой кислотой, но и в других случаях, когда образуются карбониевые ионы.

Н.Я.Демьянов и Н.М .Кижнер установили, что при действии бромистоводородной кислоты на циклопропилкарбинол образуется циклопропилбромметан и бромциклобутан, из циклобутанола при действии бромистоводородной кислоты получается циклопропилкарбинол:



Перегруппировка Наметкина.

1.Общие сведения о перегруппировке.

Переход б-метилкамфена в 4-метилизоборнеол в условиях кислотного катализа называется перегруппировкой Наметкина, иначе ее называют камфеновой перегруппировкой второго рода. Данная перегруппировка наблюдается в ряду терпенов.(21)

2.Механизм перегруппировки.

Камфеновая перегруппировка второго рода была открыта Наметкиным и Брюсовой.



Механизм перегруппировки Наметкина заключается в изомеризации углеродного скелета по типу ретропинаколиновой или, при обратном процессе, - пинаколиновой перегруппировки.

Рассмотрим механизм:

1.К б-метилкамфену (I) идет присоединение воды по двойной связи в соответствии с правилом Марковникова (II).

2.Дальнейшая протонизация дает оксониевый ион (III). Как известно, вода - это хорошо уходящая группа. Вследствие этого, соединение (III) превращается в открытый карбкатион (IV).

3.Затем собственно здесь начинается перегруппировка: атака нуклеофила (пары электронов) по положительному реакционному центру. То есть миграция группы, имеющей избыток электронов (?СН3) к атому, несущему положительный заряд (карбкатион), стабилизация карбкатиона, одновременный уход ?СН3 группы и атака его по карбкатиону обуславливает тот факт, что данная перегруппировка является внутримолекулярной (интрамолекулярной).

4. В месте ухода?СН3 группы появляется новый реакционный центр, который может сразу перейти в конечный продукт (4-метилиззоборнеол), либо сразу при взаимодействии с водой, либо претерпевающий перегруппировку (VII).

Таким образом, перегруппировка Наметкина является нуклеофильной, внутримолекулярной перегруппировкой.

3.Зависимость продуктов перегруппировки от различных факторов.

Состав и структура продуктов камфеновой перегруппировки определяется относительной скоростью ряда параллельных изомеризации. Например, для производных борнеола (VII) возможны: 1,2-гидридный сдвиг (а), 142-миграция группы СН3 (б), перемещение мостика (в) и сужение алицикла (г). Однако в основном реализуется путь (г), поскольку в случае (а) образуется менее стабильный вторичный карбкатион (IX), путь (б) запрещен Бредта правилом, по пути (в) получается термодинамически невыгодный четырехчленный цикл:



Карбкатион X может далее элиминировать протон, присоединить нуклеофил или претерпеть перегруппировку, например 1,2-сдвиг мостиковой группы СН3. Камфеновую перегруппировку применяют для синтеза различных производных терпенового ряда, например, камфоры из о-пинена, изоборнилацетата из камфена. Камфеновая перегруппировка I рода открыта Е. Е. Вагнером в 1899, II рода - С. С. Наметкиным в 1924.

Перегруппировка Вагнера -Меервейна

1.Общие сведения о перегруппировке.

Перегруппировка Вагнера -Меервейна является нуклеофильной, интрамолекулярной, стереоспецифической, протекает в ненасыщенной системе без изомеризации с миграцией от атома углерода к другому атому углерода. (22)

Перегруппировки Вагнера-Меервейна, общее название реакций, протекающих с 1,2-миграцией группы R(H, алкил или алициклич. фрагмент, арил, ацил, алкоксикарбонил и др.) к карбкатионному центру, возникающему в молекуле при нуклеофильном замещении, присоединении к кратной связи или элиминировании:



где Х-уходящая группа, например ОН, Nj, Hal, Y~ -внешний нуклеофил, Е+ - электрофильный агент, например Н + , AlkCO + .

Перегруппировку Вагнера-Меервейна относят к секстетным перегруппировкам и подразделяют на пинаколиповые и ретропинаколиновые перегруппировки. Родственной этой перегруппировке является Демьянова перегруппировка.

Перегруппировку Вагнера-Меервейна претерпевают, как правило, углеводороды и их производные, имеющие разветвленный углеродный скелет. В ряду алициклических соединений часто сопровождается расширением или сужением цикла. С данной перегруппировкой конкурируют другие реакции карбкатионов-фрагментация, депротонирование, присоединение нуклеофила. Протеканию перегруппировки способствуют увеличение диэлектрической проницаемости растрителя и уменьшение его основности, а также прочное связывание уходящего аниона, напр. в виде комплексных анионов А1С14-, SbClg.

2. Механизм перегруппировки.

Примером перегруппировки Вагнера -Меервейна является превращение борнеола в камфен под действием катализаторов кислотного характера, это камфеновые перегруппировки I рода; изомеризация, сопровождающая дегидратацию спиртов, например уравнение 1; превращениекамфолитовой кислоты в изо-лаунолевую (2).



3.Применение.

Перегруппировку Вагнера-Меервейна используют в промышленности, например при получении камфоры изпинена, изоборнилацетата из камфена, а также терпенофенолов - промежуточных продуктов в синтезе кедрола, санталидола и некоторых других душистых веществ.

Перегруппировка Вагнера-Меервейна открыта Е.Е. Вагнером в 1899 при исследовании превращения бициклических терпенов, подробно изучены X. Меервейном в 1910-1927.

Перегруппировка Курциуса

1.Общие понятия о перегруппировке.

Перегруппировка Курциуса основана на термическом разложении азидов карбоновых кислот в щелочной среде в изоционаты (23).

Данная перегруппировка является интрамолекулярной, стереоспецифической, нуклеофильной, протекает без изомеризации, с миграцией от атома углерода к атому азота в алифатическом ряду.

2.Механизм перегруппировки.

При нагревании азидов кислот происходит перегруппировка, механизм которой можно представить следующей схемой:



1.На первой стадии от молекулы азида(1) отщепляется азот, образуя при этом неустойчивое соединение (2)

2.Промежуточное неустойчивое соединение, образующееся сразу вслед за отщеплением молекулы азота, содержит атом азота с секстетом электронов, т. е., незаполненной (вакантной) орбиталью. Такие атомы электрофильны наподобие катионов, хотя формально они нейтральны. Они близки в этом отношении к атому углерода в карбенах и могут быть названы карбеноидными.

3.Далее алкил в этом промежуточном соединении мигрирует к азоту вместе с парой электронов связи, и они заполняют вакантную орбиталь азота. При этом на атоме азота не возникает отрицательного заряда, поскольку одновременно свободная пара электронов азота образует связь с углеродом, и образуется молекула алкилизоционата (эфира изоциановой кислоты(3)):

4.При дальнейшем гидролизе изоционата получаем алкилкарбоминовую кислоту (4), которая распадается с получением амина(5) и углекислого газа.

Само удаление молекулы азота из азида может тоже происходить одновременно или почти одновременно с начинающейся перегруппировкой, так что « карбеноидная молекула» ни на момент не существует в свободном состоянии.

Реакции Шмидта

1.Общие сведения о перегруппировке.

Перегруппировка Шмидта основана на превращении карбоновых кислот или их эфиров в изоционаты под действием азотистоводородной кислоты.

Перегруппировка Шмидта является нуклеофильной, интрамолекулярной, протекает без изомеризации с миграцией от атома углерода к атому азота в насыщенных системах, является не стереоспецифической.

2.Механизм перегруппировки(24)

1.Так как азотоводородная кислота содержит электронодефицитный атом азота, а на атоме кислорода гидроксильной группы имеется избыток электронной плотности, то происходит присоединение протона водорода с образованием соединения содержащего ион оксония(1)

2. Далее происходит отщепление молекулы воды с образованием карбкатиона (2).

3. К карбкатиону присоединяется азотистоводородная кислота, после чего образуется неустойчивое соединение (3).

4. Так как азот хорошая уходящая группа, то происходит отщепление азота с образованием неустойчивого соединения (4), которое изомеризуется с образованием изоционата(5). Как промежуточного соединения.

5.Реакция завершается гидратацией изоцианата, приводящей к карбаминовой кислоте, которая претерпевает самопроизвольное декарбоксилирование с образованием амина(6)

4.Если реакцию проводить в спиртовом, а не в водном растворе (азотистая кислота получается при этом из амилнитрита и хлористого водорода), то получаются уретаны(7)

3.Доказательства механизма перегруппировки.

Стадией, лимитирующей скорость реакции, является отщепление N2 от соединения(3), однако вполне вероятно, что отщепление N2 и миграция R происходят одновременно, т. е. здесь мы сталкиваемся со случаем внутреннего замещения по механизму SN1. Можно поэтому ожидать, что чем сильнее выражены электронодонорные свойства R, тем выше должна быть скорость реакции; это предположение было подтверждено при изучении скорости разложения кислот, содержащих в ядре электронодонорные заместители. В реакции азиды образуются при действии на гидразид нитрита натрия и кислоты; если реакцию проводить в спиртовом, а не в водном растворе (азотистая кислота получается при этом из амилнитрита и хлористого водорода), то получаются уретаны. В перегруппировках, протекающих с изменением углеродного скелета, мигрирующая группа сохраняет свою конфигурацию. Другая общая особенность таких реакций состоит в том, что если проводить перегруппировку двух различных, но очень сходных соединений в одном растворе, то не удается наблюдать образования смешанных продуктов. Это свидетельствует о том, что группа N в процессе миграции никогда не освобождается, т, е. все эти перегруппировки являются внутримолекулярными.

Изомеризация парафиновых углеводородов.

1.Общие сведения о перегруппировке.

При действии на парафиновые углеводороды катализаторов кислотного характера, подобно серной кислоте или смеси галоидного алюминия и соответствующего галоидоводорода , происходит изомеризация с образованием более разветвленного парафинового углеводорода, например:

Данная перегруппировка является нуклеофильной, интрамолекулярной, происходит с изомеризацией в алифатическом ряду с миграцией от атома углерода к другому атому углерода.

2.Механизм перегруппировки.

Изомеризация н- бутана в изобутан происходит только в присутствии следов олефина, кислорода или воды.

Эти примеси участвуют в первоначальном образовании небольших количеств вторичного н- бромистого бутила по одной из схем:

Подтверждением схемы б) служит тот факт, что при реакции бромистого алюминия с кислородом образуется бром.

То, что в реакции в) каталитическая активность связана главным образом не с гидроксилом, а с атомом брома вытекает из наблюдения, согласно которому соединение, хотя и обменивает дейтерий на водород н-бутана, но скорость этого обмена не пропорциональна скорости изомеризации.

После первоначального образования вторичного н- бромистого бутила реакция изомеризации протекает как цепной процесс с участием карбониевых ионов.

Механизм перегруппировки можно представить следующей схемой:

1.На первой стадии происходит взаимодействие бромистого алюминия с 2-бромбутаном (1), в результате чего образуется соединение (2), содержащий карбкатион.

2.Так как бром отошел вместе с парой электронов, то на атоме углерода возникает недостаток электронной плотности. Метильная группа , находящаяся в конце цепи вместе с парой электронов атакует атом углерода, на котором имеется недостаток электронной плотности, образуя при этом неустойчивое соединение (3).

3.В связи с большой активностью каркатиона он стремиться стабилизироваться за счет присоединения водорода от бутана, находящегося в реакционной смеси, в результате чего образуется изобутан (4) и карбониевый катион, т.е. идет цепной процесс(25).

3.Применение перегруппировки.

Данная перегруппировка имеет большое значение, так как с помощью реакций изомеризации парафиновых углеводородов можно получать ценное моторное топливо

Перегруппировка Вольфа

1.Общие сведения о перегруппировке

Перегруппировка Вольфа основана на превращении диазометилкетонов под действием воды, спиртов, аммиака, аминов в производные кислот в присутствии окиси серебра.

Перегруппировка является нуклеофильной, интрамолекулярной, стереоспецифической, протекает без изомеризации в насыщенных системах с миграцией от атома углерода к другому атому углерода.

Эта перегруппировка рассматривается отдельно от истинных карбкатионных перегруппировок, поскольку она включает миграцию к незаряженному, хотя и электронодифицитному атому углерода, а не к положительно заряженному атому углерода.

2.Механизм перегруппировки.



1. При отщеплении от диазометилкетона (1) азота под влиянием катализатора или температуры образуется промежуточный бирадикал(2)- карбен.

2. Карбен (2) претерпевает перегруппировку: так как кислород более электроотрицателен чем углерод, то он оттягивает на себя электронную плотность, мезомерно передавая это воздействие на радикал, вследствие чего на радикале возникает недостаток электронной плотности.

3.В связи с этим он может отакавать электронодифицитный атом углерода. Так как образующееся соединение (3) неустойчиво, оно переходит в кетен (4).

4.Образующийся кетен очень реакционноспособен, поэтому легко дает производные кислот.(5).

3.Побочные реакции.

Бирадикал-карбен (2) может претерпевать и иную перегруппировку в зависимости от того какими реагентами действовать на диазометилкетон. Так при действии на диазометилкетон водой и муравьиной кислотой в отсутствии катализатора в качестве побочного продукта образуются оксиметилкетоны:

Это происходит за счет того, что карбен присоединяет атом, имеющий заполненную валентную оболочку.

Образование в качестве промежуточного соединения кетена, а не оксиметилкетона было доказано тем, что удалось выделить промежуточно- образующийся кетен.

4.Доказательства правильности механизма перегруппировки.

Превращение карбонильной группы диазометилкетона в карбоксильную, с несомненностью установлено следующим циклом реакции, проведенных с применением радиоактивного углерода:

Если третичный радикал, связанный с карбоксильной группой диазометил-кетон, содержит ассиметричный атом углерода, то перегруппировка Вольфа протекает с сохранением конфигурации.

Если ассиметричный атом не третичный, а вторичный, перегруппировка протекает с рацемизацией, что, по-видимому, обусловлено предварительной таутомеризацией диазометилкетона на поверхности катализатора.

Электрофильные перегруппировки в алифатическом ряду

К электрофильным (или катионотропным) перегруппировкам относятся такие перегруппировки, в ходе которых происходит миграция группы, имеющей недостаток электронов, к атому, несущему отрицательный заряд или неподеленную электронную пару (30, 31). Рассмотрим их подробней.

Перегруппировка Стевенса

1.Общие сведения о перегруппировке

Перегруппировка Стевенса основана на миграции структурного фрагмента от атома азота четвертичной аммонийной соли под действием основания к соседнему углеродному атому.

Перегруппировка Стевенса является нуклеофильной, интрамолекулярной, стереоспецифической, протекает без изомеризации в алифатическом ряду, с миграцией структурного фрагмента от атома азота к атому углерода.

Впервые реакция была изучена на следующем примере:

2.Общая схема и механизм перегруппировки

Общая схема перегруппировки:

Перегруппировка изучена в случае таких четвертичных аммонийных солей, у которых:

R- 1. ацетил

2. бензоил

3. замещенный бензоил

4. винил

5. фенил

R- 1.бензил

2. замещенный бензил

3.б- фенилэтил

4.бензилгидрил

5.9- ференил

6.фенацил

Механизм можно представить следующей схемой:

1.На первой стадии при действии на соединение (I) иона гидроксила, происходит образование хорошей уходящей группы- воды.

2.Вследствии того, что б- водородный атом в соединении (I) является подвижным, происходит отрыв воды и образование карбаниона(III).Так как на атоме азота имеется недостаток электронной плотности , он оттягивает на себя пар электронов, тем самым создавая недостаток электронной плотности на радикале, вследствии чего он может атаковать карбанион.

3.Далее происходит одновременное разрыхление связи между радикалом и атомом азота и образование между радикалом и карбанионом, следствием чего является образование конечного продукта- амина (IV)

3.Влияние заместителей на протекание перегруппировки.

Заместители в радикале ?R(бензил) увеличивают скорость перегруппировки по мере возрастания их электронооттягивающей способности:



Заместители в радикале R, наоборот, замедляют реакцию по мере возрастания их электронооттягивающих свойств

4.Возможности протекания перегруппировки с сульфониевыми соединениями:

Перегруппировка Арбузова

1. Общие сведения о перегруппировке.

Перегруппировка Арбузова- это превращение полных эфиров кислот трехвалентного Р под действием алкилирующих или арилирующих реагентов в фосфорильные соединения с образованием связи С-Р.

Перегруппировка Арбузова является нуклеофильной, интрамолекулярной, протекает без изомеризации, с миграцией от атома улерода к атому кислорода в алифатических системах, не стереоспецифическая.

2.Механизм перегруппировки.

1 1.На первой стадии происходит органического галогенида к эфиру трехвалентного фосфора с образованием промежуточного квазифосфониевого соединения типа (1). Первая стадия_ бимолекулярное, нуклеофильное замещение второго порядка.

2Далее происходит разрыв связи углерода с кислородом с образованием эфира фосфористой кислоты и галогеналкила.

3.Влияние структуры исходного эфира трехвалентного фосфора и галогенсодержащего реагента на легкость (и возможность) протекания перегруппировки.

В процессе длительного изучения реакций Арбузова были сформулированы обобщения, связывающие влияние структуры исходного эфира трехвалентного фосфора и галогенсодержащего реагента на легкость (и возможность) протекания между ними реакции. Активность производного трехвалентного фосфора зависит от величины электронной плотности (подвижности неподеленной электронной пары) на атоме фосфора. Электронодонорные заместители у атома фосфора, увеличивая электронную плотность на нем, повышают реакционную способность этих соединений с галогенсодержащими соединениями, относящимися к группе электрофильных реагентов. Электроноакцепторные заместители, снижая электронную плотность на атоме фосфора, будут затруднять протекание реакции. В некоторых случаях низкую активность эфира трехвалентного фосфора в реакции Арбузова можно компенсировать повышенной активностью галогенопроизводного.

Если в производном P(III) наряду с атомом фосфора имеется еще один центр алкилирования, реакция протекает неоднозначно. Так, в случае тиоэфиров Р(III) взаимодействие с галоидными алкилами осуществляется в двух направлениях: по схеме реакции Арбузова и с замещением алктиольной группы у трехвалентного фосфора на атом галогена. Это объяснялось возможностью конкурирующего алкилирования атомов фосфора и серы на первой стадии реакции

В течение нескольких десятков лет в литературе дискутировался вопрос о соотношении этих направлений. По последним данным превалирует направление по схеме реакции Арбузова, тогда как направление с сохранением координации атома фосфора является незначительным.

4.Различные продукты реакции, образующиеся при использовании разных реагентов.

Если вводимый в реакцию алкилгалогенид идентичен образующемуся, его берут в каталитических количествах, в других случаях - в избытке.

В реакцию вступают фосфиты (R'O)3P, фосфониты RP(OR')2, фосфиниты R2P(OR'), а также их производные, содержащие хотя бы одну группу OR'. Заместители у атома Р, понижающие его нуклеофильность, уменьшают реакц. способность соединения. Так, галогенфосфиты реагируют обычно только в присутствии кислот Льюиса. Ариловые эфиры вступают в реакцию с трудом, при этом удается выделить промежуточно образующееся квазифосфониевое соединение типа I.

Триметилфосфит и другие метиловые эфиры в присутствии кислот Льюиса дают те же продукты, которые образовались бы в реакции Арбузова, например:

В качестве алкилирующих и арилирующих агентов в реакции Арбузова могут участвовать алкил- и алкиленгалогениды, галогенпроизводные гетероциклические соединения, галогенкарбонильные соединения, ангидриды карбоновых кислот. При применении галогенарилов и галогенгетероциклических соединений реакцию Арбузова обычно проводят в условиях фотохимической активации (через стадию образования комплекса с переносом заряда).

Винилгалогениды вступают в реакцию Арбузова с трудом, однако в этом случае реакция катализируется NiCl2, что позволяет получать некоторые винилфосфорильные соединения. Для синтеза соединения, содержащих алкильные заместители вположении, используют реакцию триалкилфосфитов с 1-нитро-1-алкеном:

Геминальные и другие дигалогеналканы в зависимости от соотношения реагентов образуют различные соединения:

Четыреххлористый углерод образует как трихлорметильные фосфорильные соединений [например, (RO)2P(O)CC13], так и дихлорметилендифосфорильные [напр., (RO)2P(O)--CC12--(O)P(OR)2]; реакция ускоряется пероксидами или УФ-облучением.

Вицинальные галогенпроизводные, содержащие хотя бы у одного атома С два электроноакцепторных заместителя, с полными фосфитами реагируют не по схеме реакции Арбузова:



Перфторолефины взаимод. с триалкилфосфитами с образованием в качестве промежуточных соединений фосфоранов:

Реагенты, молекулы которых содержат электрофильные атомы Н, Hal, S, N и другие, вступают в реакции, родственные реакции Арбузова , в этом случае связь С--Р не образуется, например:

Полные тиолфосфиты обычно взаимодействуют с алкилгалогенидами и галогенациламинами не по схеме реакции Арбузова . Промежуточно здесь образуются не квазифосфониевые, а квазисульфониевые соединения, распадающиеся до галогентиофосфитов, например:



Реакции Арбузова широко используют для получения соединений со связью С--Р, в том числе пестицидов, лекарственных препаратов, экстрагентов и др. Реакция открыта А. Е. Арбузовым в 1905.

5.Возможность протекания перегруппировки по другому направлению.

В некоторых случаях гомолитический механизм может направлять процесс по схеме реакции Арбузова, тогда как в обычных условиях взаимодействие протекает в другом направлении. Так, хлорацетон как a-галогенкарбонильное соединение в обычных условиях реагирует с триалкилфосфитами по схеме реакции Перкова с образованием диалкилизопропенилфосфата. При фотолизе смеси хлорацетона с триалкилфосфитом протекает реакция Арбузова с образованием ацетонилфосфоната.

Это еще один удачный пример применения гомолитической реакции Арбузова для синтеза функционально замещенных фосфорорганических соединений.

Галоген альдегиды игалогенкетоны в зависимости от строения реагентов и условий протекания реакции образуют винилфосфаты (Перкова реакция)иликетофосфонаты:

Ацилгалогениды в р-ции с триалкилфосфитами образуют кетофосфонаты

Выводы

Таким образом, универсальность реакции Арбузова (как ее классического варианта, так и новых видов) состоит в том, что она может быть осуществлена с широким выбором электрофильных реагентов в условиях гетеро- и гомолитического взаимодействия. Не исключается возможность протекания реакции по двум механизмам в одном процессе. Предпочтение тому или иному варианту реакции Арбузова отдают с учетом конкретных препаративных целей. Эта реакция принесла всемирное признание ее автору, дала ключ к пониманию структуры органических соединений фосфора и тем самым подтвердила плодотворность основных положений теории химического строения А.М. Бутлерова.

Значение новых идей в науке проверяется временем. Прошедшие десятилетия не состарили реакцию Арбузова. Наоборот, в химии фосфорорганических соединений, которая своим становлением и развитием во многом обязана этой реакции, в настоящее время нет другого столь универсального метода синтеза. И хотя химия органических соединений фосфора располагает широким арсеналом синтетических методов (в том числе и приводящих к образованию новых фосфоруглеродных связей), тем не менее реакция Арбузова продолжает оставаться важнейшей.

Реакция Арбузова позволяет вводить фосфорсодержащий заместитель с различным числом фосфоруглеродных связей в другие органические молекулы. Можно сказать и по-другому: с помощью этой реакции мы получаем возможность вводить к атому фосфора самые различные фрагменты органических молекул. Если же в последних имеются функциональные группы или кратные связи, то такие соединения могут явиться исходными для дальнейших синтезов. Направления дальнейших химических превращений будут определяться природой функциональных групп, фосфорсодержащего заместителя и их взаимным влиянием. Вот в чем уникальность и неисчерпаемые синтетические возможности реакции Арбузова.

Перегруппировка Виттига.

1.Общие сведения о перегруппировке.

Перегруппировка Виттига заключается в превращении простых эфиров при металлировании или другом аналогичном воздействии в спирты с перемещением одной алкильной группы в - положение другой. Только такие группы, как бензил или аллил, образующие достаточно устойчивые анионы, т.е. способные легко подвергаться металлированию, вызывают миграцию.

Приведем пример:

Перегруппировка Виттига является электрофильной,внутримолекулярной, стереоспецифической, протекает без изомеризации, с миграцией от атома углерола к другому атому углерода в насыщенных системах.

2.Механиз перегруппировки.

1.Перегруппировка Виттига происходит в результате обработки эфиров фениллитием. Первая стадия процесса состоит в замещении - водородного атома бензильной или другой реакционноспособной алкильной группы на литий. (см. Схему перегруппировки стадия I)

2.Виттиг предположил, что в металлическом производном либо уже имеется, либо легко образуется карбанион, к отрицательному центру, которого перемещается в виде электрофильного остатка другая алкильная группа, имеющая только шесть электронов в оболочке с главным квантовым числом 2. (см. Схему перегруппировки стадия II)

3.Доказательства механизма перегруппировки и ее стереоспецифичности.

Хаузер и Кантор проводили эту же реакцию путем обработки эфиров амидом калия в жидком аммиаке с последующим добавлением этилового эфира. Условия этой реакции соответствуют предложенному Виттигом механизму реакции. Были получены некоторые качественные данные по относительным скоростям миграции различных алкильных групп. В случае 9-флуорениловых эфиров Виттиг наблюдали следующую последовательность скоростей: аллил, бензил> метил, этил> фенил. Из исследования Хаузера и Кантора следует, что втор-бутил> трет-бутил. Тот факт, что в ряду простых ненасыщенных алкильных групп неопептильная и трет-бутильная группы обладают относительно низкими скоростями миграции, указывает на согласованное изменение связей с мигрирующей группой. Мигрирующая группа перемещается от ониевого атома к углеродному атому, т.е. от центра, предрасположенного к потере катиона, к углеродному центру, способному сохранять отрицательный заряд и реагировать в форме аниона, это доказывает механизм реакции. Причем при введении в систему щелочи, скорость увеличивается, т.е. при наличии щелочи полностью образуется анионный центр,- это подтверждает двух стадийный механизм реакции. Это же может служить доказательством стереоспецифичности перегруппировки.

4. Доказательства электрофильности перегруппировки.

Электрофильность перегруппировки доказывается следующим образом. При рассмотрении II-стадии (т.е. непосредственно самой перегруппировка), мы видим, что наличие С6Н5- группы позволяет стабилизировать карбанион образующийся на II-стадии - который является нуклеофильной составляющей реакции. Электрофильная составляющая образуется за счет сдвига электронной плотности к атому кислорода. (-ониевый атом) Таким образом, мигрирующая группа выступает в качестве электрофильной составляющей. А так как атака происходит именно этой группой, то мы можем сказать, что данная перегруппировка является электрофильной.

Перегруппировки в ароматическом ряду.

Известно большое число примеров ароматических соединений, у которых атомы или группы атомов, связанные с азотом или кислородом заместителя, под действием кислот переходят в орто- или пара- положение ароматического кольца. Реакции такого рода называются ароматическими перегруппировками.

Электрофильные перегруппировки в ароматическом ряду

Ароматическими электрофильными перегруппировками называются такие перегруппировки, в ходе которых мигрирующая группа переходит из боковой цепи в ароматическое ядро как электрофильная частица(32).

Рассмотрим некоторые из них

Перегруппировка Фриса.

1.Общие сведения о перегруппировке

Перегруппировка Фриса, превращение сложных эфиров фенолов в орто- или пара-ацилфенолы под действием к-т Льюиса, напр.:



Перегруппировка Фриса проводят в органическом растворителе (обычно в PhNO2, PhCl, CS2, Cl2CHCHCl2) или в его отсутствие (обычно, когда требуется нагревание св. 70 0C).

В качестве кислоты Льюиса обычно используют AlCl3 (в стехиометрическом или несколько большем количестве), реже - TiCl4, SnCl4, FeCl3, ZnCl2- В некоторых случаях хорошие результаты дает применение безводного HF.

Перегруппировка Фриса является электрофильной, протекает с миграцией от атома кислорода к атому углерода в ароматических системах без изомеризации не стереоспецифично, вопрос об интрамолекулярности или об интермолекулярности не решен однозначно.

2.Влияние заместителей на протекание перегруппировки.

В реакцию вступают эфиры одно- и многоатомных фенолов алифатических и ароматических карбоновых кислот. В качестве заместителей в ароматическом ядре могут присутствовать AIk, OAIk, RC(O), Hal и др. Присутствие мета-ориентирующего заместителя обычно препятствует перегруппировка Фриса .Алкильные группы в орто-положении и пара(мета)-положении способствуют миграции ацильной группы в основном соотв. в пара- и орто-положение. Нередко в жестких условиях наблюдается миграция алкильных заместителей, что обусловлено каталитическим действием кислоты Льюиса.

Низкие температуры (25-60 0C) способствуют образованию па-ра-ацилфенолов, более высокие - орто-производных (например, при 25 0C из м-крезилацегата образуется 80% пара-ацильного производного, а при 165 0C - 95% орто-замещенного продукта). Выходы конечных продуктов и соотношение образующихся изомеров колеблются в очень широких пределах и зависят как от строения сложного эфира, так и условий проведения реакцции.

3.Механизм перегруппировки.

Механизм перегруппировка Фриса до конца не выяснен. Предполагают, что перегруппировка идет целиком по межмолекулярному или внутримолекулярному механизму, либо частично по тому и другому пути. Как и в Фриделя - Крафтса реакции вначале между субстратом и кислотой Льюиса образуется комплекс типа

R(ArO)C =

Перегруппировку Фриса можно осуществлять также при действии УФ облучения в отсутствие катализатора (так называется фотоперегруппировка Фриса). В этом случае р-ция идет по радикальному механизму (вначале образуется радикальная пара [ArO· ·COR], стабилизированная клеткой растворителя).

При действии трифторметансульфокислоты на арилбензоаты перегруппировка Фриса протекает обратимо (достигается равновесие). При нагревании пара-ацилфенолов (конечных продуктов перегруппировка Фриса) с H₂SO₄ или H₃PO₄ образуются с хорошим выходом соответствующие сложные эфиры фенолов.

4.Реакции подобные перегруппировке Фриса.

В реакцию, подобную перегруппировка Фриса, вступают эфиры сульфокислот, например:



5.Применение перегруппировки.

Перегруппировка Фриса широко используют в синтезе фенолкетонов. Она имеет определенные преимущества перед реакцией Фриделя -Крафтса, в частности, зачастую обеспечивает более высокие выходы конечных продуктов. Перегруппировка открыта К. Фрисом и Ж. Финком в 1908.

Перегруппировка Кляйзена аллилариловых эфиров

1.Общие сведения о перегруппировки.

Термическая перегруппировка аллилфениловых в аллилфенолы с образованием С-аллильных производных носит название перегруппировки Кляйзена(33).

Перегруппировка Кляйзена является электрофильной, интрамолекулярной, нестереоспецифичной, протекает с миграцией от атома углерода к другому атому углерода в ароматических системах без изомеризации.

В 1912 году Л.Кляйзен открыл эту интересную и своеобразную перегруппировку аллиловых эфиров фенолов в аллилфенолы, которая стала прототипом для многих родственных сигматропных перегруппировок.

2.Механизм перегруппировки.

Аллиловый эфир фенола при нагревании до 200-220оС превращается в орто-аллилфенол, т.е. аллильная группа мигрирует в орто-положение бензольного кольца.



Если оба орто-положения заняты заместителями, то аллильная группа перемещается в пара-положение:

Установлено, что и орто- и пара-перегруппировки являются внутримолекулярными реакциями первого порядка, которые сопровождаются инверсией мигрирующей аллильной группы, т.е. аллильная группа присоединяется к бензольному кольцу своим -углеродным атомом.

Из этого следует, что переходное состояние перегруппировки Кляйзена должно быть циклическим шестизвенным. Такое переходное состояние включает шесть -электронов и является ароматическим, что составляет движущую силу этой термической перегруппировки. На последней стадии происходит изомеризация циклогексадиенона в о-аллилфенол. Эта стадия полностью аналогична изомеризации кетона в енольную форму.



2,4-Циклогексадиенон является интермедиатом перегруппировки аллилариловых эфиров. Такой интермедиат может быть выделен при перегруппировке аллилового эфира 2,6-диметилфенола, когда аллильная группа мигрирует в пара-положение, поскольку енолизация кетона в фенол в этом случае не может происходить из орто-положения. Конечным результатом двух последовательных миграций аллильной группы является сохранение структуры мигрирующей группы.

Кроме того, при проведении перегруппировки в присутствии малеинового ангидрида 2,4-циклогексадиенон улавливается в виде аддукта диенового синтеза.

Миграция аллильной группы характерна не только для аллиловых эфиров фенолов. Аллиловые эфиры енолов также подвергаются аллильной перегруппировке. Например, аллилвиниловые эфиры в результате миграции аллильной группы превращаются в ,-ненасыщенные карбонильные соединения.



Диазоамино - аминоазоперегруппировка

1. Общие сведения о перегруппировке.

Диазоамино- аминоазоперегруппировка является электрофильной, не стереоспецифичной, интеомолекулярной в ароматическом ряду.

2. Механизм перегруппировки и доказательства интермолекулярности перегруппировки.

Диазоаминобепзол, образующийся из хлористого фенилдиазония и анилина, превращается при нагревании с солянокислым анилином в n-аминоазобензол.

При этом группа С₆Н₅--N₂ мигрирует от азотного атома к n-углеродному атому бензольного кольца. Из диазоаминотолуола

в котором n-положение занято, в присутствии солянокислого n -толуидина образуется с небольшим выходом 4',5-диметил-2-аминоазобензол:



в котором мигрирующая группа С₇Н₇--N₂--находится в орто-положении к аминогруппе.

При нагревании диазоамипотолуола с солянокислыми анилином или о-толуидином мигрирующая группа СН₃С₆Н₄-- N₂--вступает в ядра анилина или о-толуидина, к результате чего образуются 4-метил-4'-амииоазобен-зол или 3,4'-диметил-4-аминоазобензол;

Эти данные показывают, что перегруппировка протекает интермолекулярно.

При изучении кинетики перегруппировки было установлено, что скорость превращения диазоаминобензола пропорциональна концентрации солянокислого анилина; если же вместо солянокислого анилина брать другие соли анилина, то скорость процесса меняется в зависимости от силы вязанной анилином кислоты. Из этого следует, что в перегруппировке участвует свободная кислота.

Если нагревать диазоамииобснзол в кислой среде с добавлением в-паф-тола, то удается выделить анилин и продукт азосочетапия хлористого фснил-диазопия с (в-нафтолом (бензолазонафтол) с выходом 90% от теории.

С другой стороны, было найдено, что реакция хлористого фенил-диазония с анилином в нейтральной, слабо щелочной или слабо кислой среде протекает по двум независимым направлениям, одно из которых приводит к образованию диазоаминобензола, а другое n-аминоазобензола. Повышение кислотности благоприятствует второму направлению, которое становится единственным при достижении определенной концентрация* кислоты.

Все эти факты приводят к выводу, что диазоамино-аминоазо перегруп-пировка протекает через стадию образования хлористого арилдиазония и свободного амина, которые затем вступают в реакцию азосочетания;

Перегруппировка нитрозаминов.

1.Общие сведения о перегруппировке.

Перегруппировка нитрозаминов, протекает при их обработке их кислотами(соляной и бромистоводородной) и приводит к образованию изомеров и и перходу нитрозогруппы в ароматическое кольцо.

Перегруппировка является электрофильной, интермолекулярной, протекает с миграцией от атома азота к атому углерода в ароматическом ряду без изомеризации н стереоспецифично.

2.Механизм перегруппировки.

Перегруппировка имеет интермолекулярный характер и протекает по следующей схеме:



1.Вначале под действием кислоты происходит расщепление нитрозамина на вторичный амин и нитрозилгалогенид.

2. На второй стадии перегруппировки нитрозилгалогенид нитрозирует амин в ядро.

3.Доказательства интермолекулярного характера перегруппировки.

Экспериментальные данные подтверждают интермолекулярный механизм перегруппировки. Так, в некоторых случаях, когда выход продукта перегруппировки был низок, он мог быть повышен добавлением в реакционную смесь азотистокислого натрия. Наоборот, при проведении перегруппировки в присутствии мочевины С нитрозированнные вещества вовсе не образуются; получаются лишь вторичные амины.

При перегруппировке нитрозогруппа может войти и в другую молекулу. Так, например, при действии на N-нитрозо-N-метиланилин спиртовым хлористым водородом в присутствии диметиланилина образуются диметиланилин и п-нитрозодиметиланилин.

Нуклеофильные перегруппировки в ароматическом ряду

Ароматическими нуклеофльными перегруппировками называются такие перегруппировки, в ходе которых мигрирующая группа переходит из боковой цепи в ароматическое ядро как нуклеофильная частица с электронной парой, которой она была связана в боковой цепи.

Рассмотрим некоторые из них.

Перегруппировка Соммелета.

1. Общие сведения о перегруппировке.

Перегруппировка Соммелета является нуклеофильной, интермолекулярной, не стереоспецифической, протекает в ароматических системах.

При действии сильных нуклеофильных агентов на бензил триалкил аммониевые соединения происходит перегруппировка, наблюдаемая Соммелетом, в ходе которой триалкиламмониевая группа присоединяется к ортоуглеродному атому бензольного кольца при помощи б-углеродного атома одной из алкильных групп.

Четвертичные аммониевые соли, имеющие достаточно подвижный б-водородный атом, при действии сильных оснований (NaOH, LiC₆H₅) теряют этот водород в виде протона, причем образуется илид, который и подвергается электрофильной перегруппировке.

2.Механизм перегруппировки.

Перегруппировка Соммлета происходит в том случае, если в схеме R - алкилы. Ее течение таково:

Под действием основания происходит отрыв ионом гидроксила б-водородного атома в исходном соединении, в результате чего образуется карбанион. У атома углерода, непосредственно связанного с ароматическим ядром в результате отрыва водородного атома образуется пара электронов,и на этот атом углерода происходит перенос протона. Этот же атом углерода оттягивает на себя за счет заместителя триалкиламмониевой группы электронную плотность в ароматическом ядре и этим способствует перегруппировке триалкиламмониевой группы к ортоуглеродному атому бензольного ядра при помощи б-углеродного атома одной из алкильных групп. За чсет индуктивного эффекта триалкиламмониевой группы происходит присоединение именно в орто положение.

Использование заместителей в ароматическом ядре замедляют реакцию по мере возрастания электроноакцепторных (электронооттягивающих) свойств. Это понятно, т.к. электронооттягивающие заместители, оттягивая свободную электронную пару в карбанионе затрудняют миграцию триалкиламмониевой группы. Перегруппировка Соммелета является интрамолекулярной (внутримолекулярной), т.к. мигрирующая группа не способна вступать в ароматическое ядро других молекул. Попытки обнаружить продукты обмена между двумя четвертичными аммониевыми солями были безрезультатны. Увеличение полярности растворителя будет способствовать стабилизации 2 стадии реакции и тем самым улучшать перегруппировку.

Данная перегруппировка сходна с перегруппировкой Стевенса. Имеются даже доказательства, что эти перегруппировки могут идти параллельно.

Перегруппировка Бамбергера

1.Определение и общие сведения о перегрупировке.

Перегруппировка Бамбергера - это перегруппировка гидроксиламинов под действием разбавленной серной кислоты в п-аминофенолы. Перегруппировка гидроксиламинов является нуклеофильной, интермолекулярной, протекает с миграцией от атома углерода к атому азота, в ароматической системе.

2.Развитие представлений о механизме перегрупировки.

Вопрос о механизме данной перегруппировки вызвал противоречивые толкования. Бамбергер рассматривал их как «межмолекулярные процессы» с промежуточным образованием соединения одновалентного азота. Для этого он провел широкое сравнительное исследование продуктов, из арилгидроксиламинов и соответствующих арилазидов при отщеплении последними азота. Он обнаружил, что состав продуктов обоих реакций в общем один и тот же, что заставило его предположить существование одинакового промежуточного продукта, а именно соединения одновалентного азота.

Дьюар классифицировал эту перегруппировку как внутримолекулярную и электрофильную, основываясь на своей теории «р - комплекса», но эти предположения не являются действительными.

Современная точка зрения сформулирована Юкавой и она состоит в том, что перегруппировка гидроксиламинов является межмолекулярной, нуклеофильной реакцией и не имеет ничего общего с теорией «р - комплекса»

3. Механизм перегруппировки гидроксил амина.

Рассмотрим механизм данной перегруппировки:

1.На первой стадии реакции к гидроксиламину присоединяется протон и образуется оксониевый катион(1)

2.Так как вода хорошая уходящая группа, она отщепляется и образует катион (2),у которого углеродный атом в п - положении имеет частичный положительный заряд.

3.Катион (2) реагирует с молекулой нуклеофильного реагента с образованием неустойчивого соединения (3). Продукт представленный формулой (3), имеет заряд карбониевого иона, который может находиться не только п-положении, как показано на схеме, но и орто-положении, так что, используя для карбониевого иона различные валентные структуры, можно объяснить в общем случае образование орто- и пара- продуктов.

4.В соединении (3) путем перехода протона от п-углеродного атома к атому азота получается изомерный конечный продукт.

4. Побочные реакции в перегрупировке в присутствии различных нуклиафильных реагентов.

В качестве нуклеофила может выступать не только отщепившаяся молекула воды, но и другие нуклеофильные реагенты, находящиеся в реакционной смеси. Например

Появление в конечном веществе вместо гидроксила других групп показывает, что перегруппировка является интермолекулярным процессом. Так как источником этих групп служат нуклеофильные молекулы - этиловый спирт, метиловый спирт, анион хлора, фенол, анилин - то, необходимо предположить, что в ходе перегруппировки образуется электрофильное промежуточное соединение (2), что и было доказано Бамбергером.

Вторая и третья стадия схемы отображают образование карбониевого иона, которое затем присоединяет нуклеофильный реагент в положение отличное от первоначального. Это форма мономолекулярного нуклеофильного замещения с перегруппировкой SN1. Допустимо, что при некоторых обстоятельствах обе стадии сливаются в одну, что соответствует SN2 механизму. Механизм в этом случае можно выразить так:

Наиболее вероятен механизм SN1

5. Варианты протекания перегрупировки в случае когда пара-положение занято.

Если пара-положение занято, то в присутствии соляной кислоты получаются хиноидные структуры:

Которые при гидролизе дают хиноны:

Образование соединения (4) не возможно, так как вместо водорода в пара-положении стоит метильная группа.

Перегруппировка нитроаминов.

1.Общие сведения о перегруппировке.

Перегруппировка арилнитроаминов, протекает при их обработке водными растворами сильных кислот или соляной кислоты в сред органического растворителя и приводит к образованию главным образом о-нитроанилина (34).

Перегруппировка является нуклеофильной, может протекать как по интрамолекулярному, так и по интермолекулярному механизму, протекает с миграцией от атома азота к атому углерода.

2.Механизм перегруппировки.

Были высказаны три предположения о механизме реакции. Согласно первому предположению перегруппировка протекает по интрамолекулярному механизму- реакция 2. Согласно второму предположению по интемолекулярному механизму- реакция 1.Согласно третьей гипотезе все три реакции протекают одновременно и независимо друг от друга.



Механизм перегруппировки, ели учитывать только интермолекулярную реакцию(3), можно представить следующей схемой

Бензидиновая перегруппировка.

1.Общие сведения о пергруппировке.

Превращение гидразобензола в 4, 4- диаминобифенил, названный бензидином, под действием сильных кислот было открыто в 1845 году Н.Н. Зининым.

Это превращение впоследствии получило название бензидиновой перегруппировки. В настоящее время этим термином объединяют целую группу родственных перегруппировок, приводящих к образованию смеси орто- и пара-изомерных производных диаминодифенила.

При перегруппировке самого гидразобензола получается смесь диаминов, содержащая 70 % бензидина и 30% 2, 4- диаминобифенила.

2.Механизм перегруппировки.

Значительное влияние на направление перегруппировки гидрозобензола оказывает заместитель, они играли бы еще большую роль, если бы эти перегруппировки не были очень жесткими, в них часто происходит отщепление заместителя, препятствующие перегруппировке.

H₂CO3_, СО₂Н - легко отщепляются, хуже - Cl, CH₃ - COO, аклоксильный радикал OR , а также - NRCOC₃ , NR₂, алкильные радикалы не относящиеся вообще.

Вопросами о механизме бензидиновой перегруппировки стали интересоваться в начале нашего столетия. Необходимо было объяснить каким образом молекула гидробензола может «вывернуться на изнанку»,не распадаясь на части:

Одновременно в результате орто -миграции образуется 2,4 диаминодифенил:

Если в молекуле исходного гидразобензола одно или обе пара положения заняты заместителями, то образуется орто и пара семидины.

Сначала перегруппировка бензидиновая предполагала, что она протекает с разрывом связи N-N и образованием2-х радикалов или ионов.

3.Доказательства интрамолекулярности.

В настоящее время точно установлено, что перегруппировка носит интра характер (внутренний). Доказательством послужило то, что при перегруппировки 2-метил-2'-этоксигидразобензола, содержащего радиактивный углерод С* в метильной, группе не образуется свободный радикал, О- CH₃C₆ H₄-NH, т.к. иначе они могли бы реагировать друг с другом давая радиохимически активных ортотолидин.

На самом деле реакция не протекает таким образом.

При изучении перегруппировки 2,2-диметоксигидразобензола и 2,2'- диэтоксигидразобензола образуются соединения следующего строения:



Скорость бензидиновой перегруппировки пропорциональна концентрации С₆H₅ -NH-NH-C₆H₅ и пропорционально квадрату концентрации Н ^{+ :}