Присоединение к алкенам галогенов

Присоединение галогенов

Алкены реагируют с бромом и хлором с образованием продуктов присоединения по двойной связи одной молекулы галогена с выходом близким к количественному. Фтор слишком активен и вызывает деструкцию алкенов. Присоединение йода к алкенам в большинстве случаев представляет собой обратимую реакцию, равновесие которой смещено в сторону исходных реагентов.

Присоединение брома и хлора к алкенам происходит по ионному, а не по радикальному механизму. На основании большого числа экспериментальных данных для этой реакции был предложен механизм, включающий несколько последовательных стадий. На первой стадии происходит поляризация молекулы галогена под действием электронов π-связи. Атом галогена, приобретающий некоторый дробный положительный заряд, образует с электронами π-связи нестабильный интермедиат, называемый π-комплексом или комплексом с переносом заряда. Следует отметить, что в π-комплексе галоген не образует направленной связи с каким-нибудь конкретным атомом углерода; в этом комплексе просто реализуется донорно-акцепторное взаимодействие электронной пары π-связи как донора и галогена как акцептора.

Далее π-комплекс превращается в циклический бромониевый ион. В процессе образования этого циклического катиона происходит гетеролитический разрыв связи Br-Br и пустая р-орбиталь sp2-гибридизованного атома углерода перекрывается с р-орбиталью “неподеленной пары” электронов атома галогена, образуя циклический ион бромония.

На последней, третьей стадии анион брома как нуклеофильный агент атакует один из атомов углерода бромониевого иона. Нуклеофильная атака бромид-иона приводит к раскрытию трехчленного цикла и образованию вицинального дибромида (vic-рядом). Эту стадию формально можно рассматривать как нуклеофильное замещение SN2 у атома углерода, где уходящей группой является Br+.

Для бромирования алкенов скорость реакции, как правило, описывается следующим уравнением: v = k’[алкен][Br2] + k’’[алкен][Br2]2, которое в редких случаях упрощается до v = k’[алкен][Br2].

На основании кинетических данных можно сделать вывод о том, что в определяющей скорость стадии принимает участие одна или две молекулы брома. Второй порядок по брому означает, что с бромониевым ионом реагирует не бромид-ион Br-, а трибромид-ион (Br3-), образующийся при взаимодействии брома и бромид-иона (Br2 + Br- = Br3-). Это равновесие сдвинуто вправо.

Циклические ионы бромония иногда могут быть выделены в чистом виде, если пространственные препятствия мешают их раскрытию при действии нуклеофилов:

Наиболее ценную информацию о механизме этой реакции представляют данные по стереохимии присоединения. Присоединение галогена к двойной связи представляет собой стереоспецифический процесс (процесс, в котором образуется только один из возможных стереоизомеров; в стереоселективном процессе наблюдается преимущественное образование одного стереомера) анти-присоединения для алкенов и циклоалкенов, у которых двойная связь не сопряжена с бензольным кольцом. Для цис- и транс-изомеров бутена-2, пентена-2, гексена-3, циклогексена, циклопентена и других алкенов присоединение брома происходит исключительно как анти-присоединение.

Анти-присоединение галогенов к двойной связи позволяет отвергнуть механизм одностадийного синхронного присоединения одной молекулы галогена к двойной связи, которое может осуществляться только как син-присоединение. Анти-присоединение галогена не согласуется также и с образованием открытого карбкатиона RCH+-CH2Hal в качестве интермедиата. В открытом карбокатионе возможно свободное вращение вокруг С-С-связи, что должно приводить после атаки аниона брома к образованию смеси продуктов как анти-, так и син-присоединения. Стереоспецифическое анти-присоединение галогенов явилось главной причиной создания концепции бромониевого или хлорониевого ионов в качестве дискретных промежуточных частиц. Эта концепция идеально удовлетворяет правилу анти-присоединения, поскольку нуклеофильная атака галогенид-иона возможна с анти-стороны по любому из двух атомов углерода галогенониевого иона по SN2 механизму.

В случае несимметрично замещенных алкенов это приводит к двум энантиомерам трео-формы при присоединении брома к цис-изомеру или к энантиомерам эритро-формы при галоидировании транс-изомера. Это действительно наблюдается при присоединении брома, например, к цис- и транс-изомерам пентена-2.

В случае бромирования симметричных алкенов, например, цис- или транс-гексенов-3 образуются или рацемат (D,L-форма), или мезо-форма дибромида.

Анти-присоединение хлора или брома характерно для алкенов, у которых двойная связь не сопряжена с π-электронами бензольного кольца. Для стирола, стильбена и их производных наряду с анти-присоединением имеет место и син-присоединение галогена, которое в полярной среде может стать даже доминирующим.

В этих примерах бромониевый ион, образующийся на первой стадии, оказывается менее выгоден, чем образующийся при его раскрытии чрезвычайно стабильный бензильный катион. И присоединение, вероятно, идёт преимущественно через образование тесной ионной пары типа:

Сопряжённое присоединение

В тех случаях, когда присоединение галогена к двойной связи проводится в среде нуклеофильных растворителей, растворитель эффективно конкурирует с галогенид-ионом при раскрытии трехчленного цикла галогенониевого иона:

Образование продуктов присоединения с участием растворителя или какого-либо иного “внешнего” нуклеофильного агента носит название реакции сопряженного присоединения. При взаимодействии брома и стирола в метаноле образуется два продукта: вицинальный дибромид и бромэфир, соотношение которых зависит от концентрации брома в метаноле:

В сильно разбавленном растворе доминирует продукт сопряженного присоединения, а в концентрированном растворе, напротив, преобладает вицинальный дибромид. В водном растворе всегда преобладает галогенгидрин (спирт, содержащий галоген при β-углеродном атоме) − продукт сопряженного присоединения.

В случае несимметричных алкенов в реакциях сопряженного присоединения галоген всегда присоединяется к атому углерода, содержащему наибольшее количество атомов водорода, а нуклеофильный агент к углероду с меньшим количеством атомов водорода. Изомерный продукт с иным расположением присоединяющихся групп не образуется. Это означает, что образующийся в качестве интермедиата циклический галогенониевый ион должен иметь несимметричную структуру с двумя различающимися по энергии и прочности связями С1-Hal и С2-Hal и большим положительным зарядом на внутреннем атоме углерода С2, что можно графически выразить следующим способом:

Поэтому нуклеофильной атаке растворителем подвергается атом углерода С2

галогенониевого иона несмотря на то, что он более замещен и стерически менее доступен.

Один из лучших препаративных методов синтеза бромгидринов заключается в гидроксибромировании алкенов с помощью N-бромсукцинимида (NBS) в бинарной смеси диметилсульфоксида (ДМСО) и воды.

Данную реакцию можно проводить в воде и без ДМСО, однако выходы бромгидринов в этом случае несколько ниже.

Суммируя приведенные данные по стереохимии, сопряженному присоединению, влияние заместителей в алкене, а также перегруппировкам в реакциях присоединения галогенов по двойной связи, следует отметить, что они находятся в хорошем соответствии с механизмом электрофильного присоединения с участием циклического галогенониевого иона. Таким же образом могут быть интерпретированы данные по присоединению к алкенам смешанных галогенов, для которых стадийность присоединения определяется полярностью связи двух атомов галогена:

Дата добавления: 2014-12-08