CH - РНИМУ им. Н.И.Пирогова

Органическая химия
Курс лекций
для студентов фармацевтического факультета
Бауков Юрий Иванович
профессор кафедры
общей и биоорганической химии
Белавин Иван Юрьевич
профессор кафедры
общей и биоорганической химии
Российский национальный исследовательский
медицинский университет им. Н.И. Пирогова,
г. Москва
1
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
Алкены и их реакционная способность
● Ненасыщенные и ароматические углеводороды
● Алкены и циклоалкены
● Реакции электрофильного присоединения
○ Присоединение галогенов
○ Присоединение галогеноводородов
– Региоселективность реакций гидрогалогенирования
○ Присоединение воды (гидратация)
○ Особенности присоединения к производным алкенов с
электроноакцепторными группами
○ Присоединение карбокатионов к алкенам
● Окисление алкенов
● Восстановление алкенов
● Приложение: справочный и дополнительный материал
3
Ненасыщенные и ароматические углеводороды
CH2=CH—CH=CH2
CH2=CH2
Этилен
Циклопентен
Бензол
1,3-Бутадиен
HC
CH
Ацетилен
Нафталин
4
Алкены и циклоалкены
 Алкены ─
Типичные реакции алкенов – реакции присоединения
Алкен
Продукт
Реагент
+
H2
Тип реакции
Pd
C C
H H
+
С
Cl2
C C
Cl Cl
С
+
+
HCl
H+
H2O
C
C
H
Cl
C C
H OH
(исходный уровень)
5
Реакции электрофильного присоединения
Особенности строения алкенов
С С
+
Е+
6
Результат электрофильного присоединения
с участием -связи
-Связь
-Связь
C
E
C
Nu
C
C
E
Y
Общая схема реакций присоединения
–
+
C
C
E
медленно
C
E
C
Nu
быстро
C
C
E
Nu
7
Реакции электрофильного присоединения AE
C
C
X2
X
C
C X
H
C
C X
(X = Cl, Br, I)
C
C
C
C
C
C
HX
(X = F, Cl, Br, I)
H2O
H2SO4
H
C
C OH
H
C
C OSO3H
Присоединение галогенов к алкенам
Хлорирование
o
CH3CH2
CH
CH2
+
CHCl3, 0 C
Cl2
CH3 CH2 CH(Cl) CH2Cl
o
CH3
CH
CH
CH3
+
Cl2
CCl4, _10 C
CH3 CH(Cl) CH(Cl) CH3
Бромирование
 Быстрое обесцвечивание раствора брома без выделения HBr
– качественная проба на наличие двойной связи.
+
Br2
H2O или CCl4, 20 C
Br
Br
9
Механизм реакции присоединения галогенов к алкенам
Основные стадии:
1.
2.
3.
Br
Br2
С
С
(1)
С
С
Br +
Br -
Br+
(2)
C
C
+
Br–
(3)
Br
Br
алкен
Увеличение скорости реакции
CF3—CH=CH2
<< CH2=CH2 < CH3—CH=CH2 <
CH3
CH3
C=CH2
10
Выделение галогенониевых солей в индивидуальном виде
+
36–40°
X
Строение
установлено
методом
РСА
Y–
X = Br, Y– = Br3–, CF3SO3–;
X = I, Y– = CF3SO3–
соль диадамантилиденгалогенония
Подтверждение существования циклических бромониевых
ионов в растворе жидкого SO2 методом ЯМР 1Н
o
CH3CH
Br
C(CH3)2
SbF5, SO2 (ж), 60 C
F
3-бромо-2-метил-2-фторобутан
CH3 CH
C(CH3)2
SbF6
Br
бромониевый ион
* другие экспериментальные факты в пользу предлагаемого механизма
и энергетическую диаграмму этой реакции см. в Приложении
11
Стереоселективность реакции галогенирования
 Стереоселективность –
анти-присоединение с образованием транс-аддуктов
+
H
Br2
H
H
Br
Br
H
+
H
H
Br
Br
Равновесие между ионом галогенония и карбокатионом
C
C
Br
C
C
Br
12
Присоединение галогеноводородов к алкенам
•
Пропускание газообразных HCl или HBr через алкен или его
раствор в усусной кислоте или нитрометане.
CH2
CH2
+ HBr
+
Легкость
присоединения:
HCl
CH3 CH2 Br
Cl
R2C=CHR ≈ R2C=CH2 > RCH=CHR ≈ RCH=CH2
13
Схема механизма реакций гидрогалогенирования
Н

+H
Н
С
С

Cl
Н
Н
Н
Н
Н
С
+Н
Н
H
С
Н
+
С
Н
Cl
Н
Н
+
С
+ Cl-
Н
Основные стадии:

(медленная стадия);

(быстрая стадия).
14
Региоселективность реакций гидрогалогенирования
Эмпирическое правило В.В. Марковникова (1869)
 При взаимодействии галогеноводородов и других реагентов типа
НХ с несимметричными алкенами
(CH3)2C
CH2 + HCl
(C2H5)2O
CH3
H CH2 C
Cl
CH3
Марковников Владимир
Васильевич
1837 – 1904
CH3
+
HBr
CH3
CH3COOH
Br
H
 Региоселективность –
15
Факторы, определяющие направление реакции
а
CH3
+
CH
–
CH2
CH
CH3
б
CH3
CH2
CH2
CH3
CH
CH3
Cl
конечный продукт
(I)
вторичный карбокатион
H+
пропен
(пропилен)
CH3
Cl–
Cl–
CH3
CH2 CH2Cl
не образуется
(II)
первичный карбокатион
Электронный и пространственый факторы
Стабильность карбокатионов:
R
C
C
карбокатион
R
R
R
C
H
C
H
R
R
H
третичный
вторичный
первичный
16
Механизм присоединения галогеноводородов
для случая несимметричных алкенов
(CH3)2C
(CH3)2C(Br)
+ HBr
CH2
CH2H

Br
Br
H
CH3
H
C
C
H
CH3
H
Br
(1)
CH3 C
CH3
C H
H
(2)
CH3
Br
CH3
C
H
C
H
H
TS1, -комплекс

CH3
CH3
C
H
+ Br
C
H
H
(3)
CH3
C
CH3
Br
TS2
H
(4)
C
H
H
CH3
Br
H
C
CH3
C
H
H
конечный продукт
17
Энергетическая диаграмма электрофильного
присоединения HBr к несимметричным алкенам
CH3
C
CH3
TS1
Энергия
TS2
H
C
H
H
Br
Br
H
CH3
CH3
CH3 C
CH3
C
H
C
H
H
C H
H
Координата
реакции
18
Присоединение к алкенам
хлорноватистой и бромноватистой кислот
Cl2 + H2O
Br2 + H2O
CH3
+
CH
–
CH2 +
пропен
(пропилен)
Br2 + H2O
–
+
HCl + HO
Cl
–
HBr + HO
CH3
CH
CH2
OH
Br
+
Br
+
CH3
CH
CH2
Br
Br
19
Присоединение воды (гидратация)
Катализаторы – сильные кислоты (серная, азотная, хлорная)
CH2 CH2
этилен
CH3
C
CH2
H2O, H+
CH3CH2OH
H2O, H+
CH3
CH3
CH3
C CH3
OH
Схема механизма реакции гидратации
H
C
C
H
медленно
O
O
+
C
H
C
быстро
H
C
H
C
–H+
быстро
C
C
H
OH
20
Региоселективность
реакции гидратации
а
CH3
CH3
CH3
+
C
–
CH2
C CH3
+
H2O; H
CH3
CH3
C CH3
OH
конечный продукт
H+
CH3
2-метилпропен
(изобутилен)
б
CH3
CH
CH3
CH2
+
H2O; H
CH3
CH3
CH
CH2 OH
не образуется
21
Реакция с концентрированной
серной кислотой
H2SO4
CH2
CH2
O
H2O
CH3CH2O S OH
O
CH3
CH
CH2
H2SO4
O
(CH3)2CHO S OH
O
– H2SO4
CH3CH2OH
H2O
– H2SO4
(CH3)2CHOH
реакции используются для промышленного получения
этилового и изопропилового спиртов
22
Особенности присоединения к производным алкенов с
электроноакцепторными группами

C

C
реакции идут в более
жестких условиях
(по сравнению с обычными
алкенами)
HX
C
C
X
Y = COOH, CN, NO2, CF3
H
Y
Y
Пример:
фактически
не образуется
CF3
CH
CH2
HBr
CF3
CH
Br
CH2H
+
CF3
CH
CH2Br
H
23
Факторы, определяющие направление
антимарковниковского присоединения
одноименные заряды
на соседних атомах
а
F
F
F
+
C
CH
CH3
Br–
CF3
CH
CH3
Br
F
F
+
C
–
CH
+
CH2
не образуется
H+
F
б
F +
F C
F
Br–
CH2
CH2
CF3
CH2 CH2 Br
конечный
продукт
24
Особенности реакций присоединения на примере
гидратации ,-ненасыщенных карбоновых кислот

CH2

CH
O
C
O
H2O
OH (H2SO4, 100
HO
0C)
R
R
+
CH
 – +
CH C
CH2
CH2 CH
CH2
C
+ O
C
OH
O  – H+
OH
одноименные заряды
на соседних атомах
OH
R – алкил, арил
OH
R
CH
CH2
C
O
H2O
OH – H+
R
CH
CH2
C
O
OH
25
Современная интерпретация региоселективности
электрофильного присоединения к алкенам
(правила Марковникова)
Направление присоединения реагентов типа НХ к
несимметричным алкенам
 Таким образом правило Марковникова без оговорок
применимо

Механизм присоединения должен включать либо образование
свободного карбокатиона (что на практике наблюдается редко),
либо интермедиата с карбокатионным характером.
26
Присоединение карбокатионов к алкенам
R
C C
+
R C
C C
C
R
H
+ H
H
Присоединение карбокатионов к алкенам
─ промышленный способ получения «изооктана», используемого для
повышения антидетонационной способности бензина
 Обработка 2-метилпропена 60%-ной H2SO4, 70 C
СH2
С
CH3
CH3
2-метилпропен
(изобутилен)
H
CH3
CH3
C
СH2 С(CH3)2
CH3
(CH3)3C—CH—C
H
трет-бутильный
катион
CH3
"Димерный карбокатион"
1)
(CH3)3C—CH C(CH3)2
CH2—H
2)
+ (CH3)C—CH2C(CH3) CH2
"Диизобутилены"
[H]
(CH3)3CCH2CH(CH3)2
2,2,4-триметилпентан ("изооктан")
27
Реакции нуклеофильного присоединения
Nu
+
C
+
C
Nu
C
C
Y
+
H
H
Nu
C
C
Y
Y
(Nu)
присоединение аммиака к акриловой кислоте
O
H3NCH2
CH
I
O
CH2
CH
C
перенос
OH протона
H3NCH2
CH2 C
O
диполярный ион
-аминопропионовой
кислоты
NH3
C
акриловая
кислота
O
OH
O
CH2
CH(NH3) C
II
OH
28
Реакции радикального присоединения
М. Хараш (1933)  присоединение HBr (но не HCl или HI)
CH3
CH
CH2
+
HBr
(C6H5COO)2
CH3
бензоилпероксид
пропен
(пропилен)
CH2
CH2 Br
1-бромопропан
Примеры реакций радикального присоединения к алкенам
CHCl3
C6H5COO
R
CH
CH2
CBr4
CCl3Br
COCl2
R
CH2
CH2 CCl3
R
CH(Br)
CH2 CBr3
R
CH(Br)
CH2 CCl3
R
CH(Cl)
CH2 C(O)Cl
29
Механизм реакций радикального присоединения AR
•

C6H5 C

O
O
C

C6H5
h
2 C6H5 C
бензоилпероксид
O
бензоил-радикал
•
C6H5COO
CH3
CH
+
C6H5COOH
HBr
CH3
CH2 + Br
+ Br
CH
CH2Br
вторичный радикал
CH3
CH
CH2Br + HBr
CH3
CH2
CH2Br + Br
•
Br
2 CH3
+ Br
CH
Br2
CH2Br
CH3
CH
CH
CH3
CH2Br CH2Br
30
Реакции радикального аллильного замещения
CH2
CH3
CH
Cl2
+
300 0C
пропен
(пропилен)
CH2
CH
CH2Cl
+
HCl
аллилхлорид
O
H2C
C
CH
CH
O
C
(C6H5COO)2
+
NBr
H2C
H2C
C
CH
CBr +
NH
H2C
C
O
N-бромосукцинимид
C
продукт радикального
бромирования
в аллильное положение
C
O
31
Окисление алкенов
мягкое окисление 
жесткое окисление 
Продукты окисления:

Эпоксиды

1,2-Диолы

Кетоны

Карбоновые
кислоты

Диоксид
углерода
32
Эпоксидирование
O
Ag, 300 0C
H2C
CH2 +
0.5 O2
H2C
этилен
CH2
этиленоксид
O
C
O
C
+
R
C
O OH
пероксикислота
алкен
O
+
C6H5
C
O
циклогексен
CH2Cl2, 25 0C
OH
пероксибензойная
кислота
C
C
эпоксиды
(оксираны)
H
O
+ C6H5COOH
H
1,2-эпоксициклогексан
бензойная
кислота
33
Гидроксилирование (синтез 1,2-диолов)

Обесцвечивание водного раствора перманганата калия на холоду

20 °С
+ 2 KMnO4 + 4 H2O
3
+ 2 MnO2 + 2 KOH
OH OH
алкен
1,2-диол
реакция Е.Е. Вагнера, 1898
H
H
+ MnO4
циклогексен
O
O
H
O
Mn
H2O
O
циклический интермедиат
OH
OH
H
циc-циклогександиол-1,2,
37%
аналогично реагирует OsO4,
для которого удалось выделить промежуточные интермедиаты
34
Озонолиз
O
C
C
+
O3
O
C
C
O
озонид
алкен
• Восстановительный гидролиз озонидов 
O
O
CH2
C2H5
CH
O3
C
H2C
O
C2H5 Zn, H O, CH COOH
2
3
O
H2C
H
O
+
формальдегид
бутен-1
C
C2H5
H
пропаналь
• Окислительный гидролиз озонидов —
O
O
O
R'
RHC
O
озонид
C
H2O2, CH3COOH
RCOOH
+
R'
C
R"
R"
карбоновая
кислота
кетон
35
Жесткое окисление
Сильные окислители при нагревании (KMnO4/H+, K2Cr2O7, CrO3, HNO3)
• Ненасыщенный атом углерода, связанный с двумя органическими
радикалами, превращается в
CH3
O
[O]
C
CH
CH3
CH3
CH3
2-метилбутен-2
C
CH3
ацетон
+ CH3COOH
уксусная кислота
Примеры реакций жесткого окисления:
CH3(CH2)7CH CH(CH2)7COOH
олеиновая кислота
HNO3
CH3(CH2)7COOH +
HOOC(CH2)7COOH
нонановая кислота
азелаиновая кислота
CH3
+
(CH3)2CH(CH2)3CH CH CH2 KMnO4, H3O
3,7-диметилоктен-1
CH3
(CH3)2CH(CH2)3CH COOH + CO2
2,6-диметилоктановая кислота, 45%
36
Восстановление алкенов
Каталитическое гидрирование 
катализатор
C
C
H
+
H
алкен
CH2
CH2
C
C
H
H
продукт восстановления
Ni, 100 °C
+ H2
CH3
этилен
CH3
этан
Стереоселективность реакции гидрирования 
H
PtO2, CH3COOH, 25 0C
H
CH3 + H2
CH3
CH3
CH3
1,2-диметилциклогексен
цис-1,2-диметилциклогексан, 82%
O
+
циклогексен-1-он-3
H2
Pd/C, C2H5OH
O
циклогексанон
37
Приложение
(справочный и иллюстративный материал)
Дополнительный экспериментальный материал
по присоединению галогенов к алкенам
o
CH3
CH
CH2
+
Br2
CCl4, 0 C
пропен
CH3 CH(Br) CH2Br
1,2-дибромопропан, 99%
o
+
Br2
Br
CCl4, 0 C
Br
циклогексен
транс-1,2-дибромоциклогексан
38
Экспериментальные факты,
свидетельствующие в пользу предлагаемого механизма AE
присоединения галогенов к алкенам
CH3
C
CH
CH3
CH3
+
Br2
LiCl в спирте
CH
CH2
CH
CH3
Cl Br
3-бромо-2-хлоро-2-метилбутан
2-метилбутен-2
R
(CH3)2C
+
I+ Cl
R
CH
CH2
I
Cl
39
Стереоселективность присоединения
в случае -диастереомеров
Присоединение брома к малеиновой и фумаровой кислотам
H
COOH
C
Br
Br
C
a
Br
C
b
COOH
HOOC
H
HOOC
Br
малеиновая кислота
Br
H COOH
a
C
COOH
C
Br
Br
C
HOOC
C
Br
H
фумаровая кислота
(транс-бутендиовая кислота)
COOH
H
COOH
CS
CS
Br
HOOC
H
b
a
2,3-дибромоянтарная кислота (рацемат)
(цис-бутендиовая кислота)
H
Br
+
CR
H
H
Br
CR
Br
Br
C
H
COOH
H
H
b
H
H
HOOC
Br
Br
CR
CS
H
COOH
Br
COOH
a
COOH
Br
+
CS
R
C
Br
H
HOOC
b
мезо-2,3-дибромоянтарная кислота
40
Механизм присоединения галогенов
для случая несимметричных алкенов
(CH3)2C
CH2
+
(CH3)2C(Br)
Br2
CH2Br
1,2-дибромо-2-метилпропан
2-метилпропен
(изобутилен)
Br

Br
CH3
H
C
Br
C
(1)
H
CH3
субстрат
Br
реагент
CH3 C
CH3
CH3 C
CH3
C
H
H
бромониевый ион
CH3
C
CH3
C
CH3 C
CH3
Br
TS1, -комплекс
C
H
H
бромониевый ион

Br
+ Br
(2)
C H
H
Br
(3)
Br
(4)
H
H
Br
TS2
TS1 > TS2
Br
CH3
CH3
C
Br
C
H
H
конечный продукт
41
Энергия
Энергетическая диаграмма электрофильного
присоединения брома к несимметричным алкенам
TS1
TS2
Br
Br
Br
CH3 C
CH3
C H
H
CH3 C
CH3
C
H
H
бромониевый
ион
Br
CH3
C
CH3
исходные
соединения
C
H
H
Br
продукты
реакции
Координата
реакции
TS1 > TS2
42
Важные экспериментальные факты (1)
Влияние алкильных заместителей на легкость присоединения HHal
R2C=CHR ≈ R2C=CH2 > RCH=CHR ≈ RCH=CH2
Перегруппировки с 1,2-миграцией алкильной группы
CH3
Cl
CH
CH2
трет-бутилэтилен
HCl
(CH3NO2)
CH3 C
CH
CH3
CH3 Cl
нормальный продукт
присоединения, 17%
CH3
(CH3)3C
CH3 C
CH
CH3
CH3
Cl
CH3
CH3
CH3 C
CH3
Cl
CH
CH3
CH3 C
CH3
CH
CH3
CH3
аномальный продукт
присоединения, 83%
(согласуются с механизмом, включающим образование карбокатионов
в стадии, определяющей скорость реакции)
43
Важные экспериментальные факты (2)
Кинетика гидрогалогенирования алкенов
 = k[алкен] [HHal]2
(включает две последовательные стадии,
поскольку одновременное столкновение трех молекул маловероятно)
Стереохимия гидрогалогенирования алкенов
 образование продуктов анти-присоединения
CH3
CH3
1,2-диметилциклогексен
+
HBr
H
CH3
Br
CH3
транс-1-бромо-1,2-диметилциклогексан
(в случае промежуточного образования карбокатиона следовало ожидать
получения смеси цис,транс-изомеров конечного продукта)
44
Механизм присоединения галогеноводородов
к несимметричным алкенам, не включающий промежуточное
образование карбокатионов
(CH3)2C
CH2
+
(CH3)2C(Cl)
HCl
CH2H
2-хлоро-2-метилпропан
2-метилпропен
(изобутилен)
 реакция протекает как анти-присоединение: алкен взаимодействует с первой
молекулой HHal, являющейся источником протона, и практически одновременно со второй молекулой HHal  источником галогенид-иона, располагающейся со стороны, противоположной той, откуда приходит протон.
 в результате одна молекула HHal играет роль электрофильного, а вторая
молекула HHal  нуклеофильного реагента.
Br
H
Br
C
Br
H
C
H Br
C
C
H
45
Более детальная схема механизма гидратации алкенов
OH
(CH3)2C
CH2
+
10% H2SO4, 25 0C
H2O
(CH3)2C
2-метилпропен
(изобутилен)
2-метилпропанол-2
H H O
C
C
H
CH3
H
H
CH3 C
CH3
H
(1)
субстрат
H
O
CH3
C
CH3
TS2
H
C H
H
реагент
H
H
H2O CH3 C
C H
H
CH3
(2)
H
O
H
H2O
(4)
O
CH3 C
CH3
HO
C H 2
(3)
H
интермедиат I
(карбокатион)
TS1

H

H
O
CH3
CH3
H
H
H
H
O
H
H
H
C H
H
CH3 C
H
O
CH3
интермедиат II
(ион оксония)
TS1 > TS2 >> TS3

C H
H
TS3
H3O+
(5)
H
CH3
C
C
H3C
HO
H
H
конечный
продукт
46
Энергия
Энергетическая диаграмма электрофильного
присоединения H2O к несимметричным алкенам
H
TS1
TS2
O
H
O
интермедиат I
(карбокатион)
H
H
H
CH3 TS2
C C H
CH3
H
интермедиат
TS3
H
CH3 C
исходные
соединения
CH3
C H
H
интермедиат II
(ион оксония)
Координата
продукты
реакции
реакции
TS1 > TS2 >> TS3
47