Кіріспе

Нуклеофилдер мен ацил қосылыстарын қамтитын алмастыру реакцияларының класы Нуклеофилдік ацил алмастыру (SNAcyl) нуклеофилдер мен ацил қосылыстарын қамтитын алмастыру реакцияларының класын сипаттайды. Реакцияның бұл түрінде нуклеофил , мысалы, спирт, амин немесе энолат ацил туындысының қалдыру тобын ығыстырады мысалы, қышқыл галоид, ангидрид немесе эфир. Нәтижесінде алынған өнім - карбонилді қосылыстар, онда нуклеофил бастапқы ацил туындысында бар шығып бара жатқан топтың орнын алады. Ацил туындылары әр түрлі нуклеофилдермен әрекеттеседі, ал өнімнің туындысы және нуклеофилдің белгілі бір түріне байланысты болуы мүмкін, сондықтан нуклеофилдік ацил алмастыру реакциялары әр түрлі өнімдерді синтездеу үшін пайдаланылуы мүмкін.

Реакция механизмі

Карбонил қосылыстары нуклеофилдермен қосу механизмі арқылы әрекеттеседі: нуклеофил карбонил көміртегін шабуылдап, тетраэдрлік аралықты құрайды. Бұл реакцияны карбонилді электрофилдірек ететін қышқылдық жағдайлармен немесе аниондырақ, сондықтан реактивтірек нуклеофилді қамтамасыз ететін базалық жағдайлармен жеделдетуге болады. Реакцияның рН-на байланысты тетраэдрлік аралық зат спирт немесе алкоксид болуы мүмкін. Ацил қосылысының тетраэдрлік аралық құрамында орталық көміртекке қосылған алмастырғыш бар, ол шығып баратын топ ретінде әрекет ете алады. Тетраэдрлі аралық формалардан кейін ол құлап, карбонил C = O байланысын қайта жасап, шығып бара жатқан топты жою реакциясында шығарады. Осы екі сатылы қосу/алып тастау процесінің нәтижесінде нуклеофил карбонил қоспасында карбонилсіз аралық күй арқылы шығып бара жатқан топтың орнын алады. Екі қадам да кері айналады, сондықтан нуклеофилдік ацил алмастыру реакциялары тепе-теңдік процестері болып табылады. Теңгерім ең жақсы нуклеофилді құрайтын өнімге оң әсер ететіндіктен, реакция тиімді болу үшін шығып бара жатқан топ салыстырмалы түрде нашар нуклеофил болуы керек.

Қышқылдық жағдай

Қышқыл жағдайда 1-ацил қосылысының карбонил тобы протондалады, бұл оны нуклеофилдік шабуылға белсендіреді. Екінші кезеңде протонды карбонил 2 нуклеофилдің (H-Z) шабуылға ұшырап, тетраэдрлік аралық 3 береді. Нуклеофилден (Z) шығып бара жатқан топқа (X) протонның көшірілуі 4 береді, ол кейін протонды шығып бара жатқан топты (H-X) шығарып тастау үшін құлады, бұл протонды карбонил қосылысы 5 береді. Протонның жоғалуы 6-ны алмастыру көбейтіндісін береді. Соңғы қадамда протонның жоғалуы болғандықтан, нуклеофилдік ацил алмастыру реакциялары қышқылда каталитикалық деп саналады. Сонымен қатар қышқылдық жағдайда нуклеофилдің протоналы түрінде (яғни Z-дің орнына H-Z) болатынын ескеріңіз.

Негізгі шарттар

Негізгі жағдайларда нуклеофил (Nuc) 1 ацил қосылысының карбонил тобына шабуыл жасап, тетраэдрлік алкоксид аралық 2-ке ие болады. Аралық топ құлап, шығып бара жатқан топты (X) шығарып, 3-ші орынбасарлық өнімді береді. Нуклеофильдік ацил алмастыру реакциялары негізді катализациялауға мүмкіндік беретін болса да, егер шығып бара жатқан топ нуклеофилден күштірек болса, реакция болмайды (яғни шығып бара жатқан топтың нуклеофилден жоғары pKa болуы керек). Қышқылмен катализделетін процестерден айырмашылығы, нуклеофил мен шығып бара жатқан топ та негізгі жағдайларда анион ретінде болады. Бұл механизмді изотоптарды таңбалау эксперименттері де растайды. Этил пропионаты мен оттегі 18-мен таңбаланған этилокси тобы натрий гидроксидімен (NaOH) өңделген кезде, пропион қышқылынан оттегі 18-мен таңбаланған этилокси тобы мүлдем жоқ және тек этанолда ғана кездеседі.

Реактивтілік үрдісі

Ацил туындыларының бес негізгі түрі бар. Қышқыл галоидтары нуклеофилдерге қарай ең көп реакцияға ие, содан кейін ангидридтер, эфирлер және амидтер келеді. Карбоксилат иондары нуклеофилдік алмастыруға қарсы реакцияға жатпайды, өйткені оларда шығу тобы жоқ. Осы бес құрамдас заттардың реактивтілігі кең ауқымды қамтиды; қышқыл хлоридтері мен амидтердің салыстырмалы реакциялық жылдамдықтары 1013 есеге өзгешеленеді. Ацил туындыларының реактивтілігін анықтаудың негізгі факторы қышқылдықпен байланысты топты қалдыру қабілеті болып табылады. Әлсіз негіздер күшті негіздерге қарағанда жақсы шығып барады; күшті конъюгат қышқылы бар түрлер (мысалы, тұз қышқылы) әлсіз конъюгат қышқылы бар түрлерге қарағанда жақсы шығып барады. Осылайша, хлорид ионы ацетат ионына қарағанда жақсы шығып кету тобы болып табылады. Кестеде көрсетілгендей, ацил қосылыстарының нуклеофилдерге реактивтілігі шығып бара жатқан топтың базалықлығы өскен сайын төмендейді. Құрамынан шығу тобы pKa қосылған қышқыл Ацетил хлориді -7 Ацет ангидриді 4.76 Этил ацетаты 15.9 Ацетамид 38 Ацетат анионы N/a N/a Ацетил қосылыстарының реактивтілігін анықтауда рөл атқаратын тағы бір фактор - резонанс. Амидтерде екі негізгі резонанстық формалар бар. Екі элемент де жалпы құрылымына үлкен үлес қосады, сондықтан карбонил көміртегі мен амид азот арасындағы амид байланысы қос байланыстың маңызды сипатына ие. Амид байланысы бойынша айналудың энергия кедергісі 7585 кДж/моль (1820 ккал/моль) - қалыпты бірлік байланыстар үшін байқалатын мәндерден әлдеқайда жоғары. Мысалы, этанның CC байланысының энергия кедергісі 12 кДж/моль (3 ккал/моль) ғана. Қышқыл галидтер судың қатысуымен карбоксил қышқылдарын өндіру үшін гидролизделеді, бірақ бұл реакция өте сирек қолданылады, өйткені карбоксил қышқылдары әдетте қышқыл галидтерін синтездеу үшін қолданылады. Қышқыл галоидтармен реакциялардың көпшілігі жанама өнім ретінде қалыптасқан гидрогаль қышқылын бейтараптандыру үшін пиридин сияқты нуклеофилдік емес негіздің қатысуымен жүргізіледі. Қышқыл галидтері көміртек нуклеофильдерімен, мысалы, Гринардтар мен энолаттармен әрекеттеседі, бірақ өнімдердің қоспалары болуы мүмкін. Көміртегі нуклеофилі ең алдымен қышқыл галидімен реакцияға келіп, кетонды пайда етсе, кетон нуклеофилді шабуылға ұшырайды және үшінші спиртке айналуы мүмкін. Мысалы, бензоилхлоридті (1) метилмагнезийбромиді (MeMgBr) сияқты Гринард реагентінің екі эквивалентімен өңдеу кезінде 2 фенил 2 пропанолды (3) өте жақсы өнімділікпен алады. Ацетофенон (2) осы реакцияның аралық бөлігі болса да, оны оқшаулау мүмкін емес, өйткені ол MeMgBr екінші эквивалентімен тез реакцияға түседі. Көбінесе басқа көміртегі нуклеофилдерінен айырмашылығы, литий диалкилкупараттары жиі Гилман реагенттері деп аталады кетонды алу үшін қышқыл галидтерге бір рет ғана қосылады. Алайда қышқыл галоид пен Гилман реагентінің арасындағы реакция нуклеофилдік ацил алмастыру реакциясы емес, ол радикалдық жол арқылы жүреді деп есептеледі. Фридель-Крафц ацилирлеуінде қышқыл галидтері электрофильдік ароматты алмастыру үшін электрофильдік ретінде әрекет етеді. Люис қышқылы мысалы, мырыш хлориді (ZnCl2), темір ((III) хлориді (FeCl3) немесе алюминий хлориді (AlCl3) қышқыл галоидтағы галогенге координаттар береді, қосылысты белсенді ароматтық сақина арқылы нуклеофилдік шабуылға белсендіреді. Әсіресе электронға бай ароматты сақиналар үшін реакция Льюис қышқылысыз өтеді.

Тиостерлер

Тиоэстерлер мен қышқыл галоидтарының химиялық құрамы ұқсас, реактивтілігі қышқыл хлоридтерін еске түсіреді, бірақ жұмсақ.

Ангидридтер

Қышқыл галидтері мен ангидридтердің химиялық құрамы ұқсас. Ангидридтер қышқыл галоидтарға айналуы мүмкін болмаса да, олар қалған ацил туындыларына айналуы мүмкін. Ангидридтер сондай-ақ Schotten-Baumann түріндегі реакцияларға қатысады, олар спирттер мен аминдардан эфирлер мен амидтер береді, ал су ангидридтерді олардың тиісті қышқылдарына гидролиздей алады. Қышқыл галидтері сияқты, ангидридтер де көміртегі нуклеофильдерімен реакцияға түсіп, кетондар мен / немесе үшінші спирттер алады және Фридель-Крафтс ациляциясына да, Вайнреб кетон синтезіне де қатыса алады. Эстерлердің қышқылмен катализделген гидролизі де тепе-теңдік процесінде болады. Бұл Фишердің этерификациялық реакциясының кері түрі. Алкоголь (кетуші топ ретінде әрекет етеді) және су (нуклеофил ретінде әрекет етеді) ұқсас pKa мәндеріне ие болғандықтан, алдыңғы және кері реакциялар бір-бірімен бәсекелеседі. Трансэстерификация кезінде реакция құралының көп мөлшерін (су) пайдалану немесе өнімдердің бірін (алкогольді) алып тастау алдыңғы реакцияны ынталандыра алады. Эстерлердің саптау деп аталатын негізгі гидролизі тепе-теңдік процесінде емес; реакцияда толық базалық эквивалент тұтынылады, ол бір алкоголь эквиваленті мен карбоксилат тұзының бір эквивалентін береді. Май қышқылдарының эфирлерін мыстандыру сабын өндіруде қолданылатын өнеркәсіптік маңызды процесс болып табылады. Бұған нақты мысал ретінде Бейкер-Венкатараман қайта үйлестірілуі келтіріледі, онда ароматты ортоацилоксикетон молекулалық нуклеофилді ацил алмастырудан өтеді және одан кейінгі қайта үйлестіруден ароматты β дикетон пайда болады. Чанның қайта орналасуы - молекулааралық нуклеофилдік ацил алмастыру реакциясының нәтижесінде болатын қайта орналасудың тағы бір мысалы.

Амидтер

Реактивтілігі төмен болғандықтан, амидтер басқа ацил туындылары сияқты көптеген нуклеофилдік алмастыру реакцияларына қатыспайды. Амидтер суға тұрақты және гидролизде эфирлерге қарағанда 100 есе тұрақты. Мұнда фениллитий 1 ДМФ 2 карбонил тобына шабуыл жасайды, тетраэдрлі аралық 3 береді. Диметиламид анионы кеміп кетуші топ болғандықтан, аралық топ құлдырап кетпейді және басқа нуклеофилді қосылулар болмайды. Қышқылдық өңдеу кезінде алкоксид 4 берілу үшін протондалады, содан кейін амин 5 берілу үшін протондалады. Диметиламиннің бейтарап молекуласын жою және протонның жоғалуы бензальдегидті береді, 6.

Карбоксил қышқылдары

Карбоксил қышқылдары нуклеофилдік алмастыруға ерекше реактивті емес, бірақ олар басқа ацил туындыларына айналуы мүмкін. Карбоксил қышқылын амидке айналдыру мүмкін, бірақ оңай емес. Нуклеофил ретінде әрекет етудің орнына, карбоксил қышқылының қатысуымен амин негіз ретінде реакцияға түседі және аммоний карбоксилатының тұзын береді. Тұзды 100 °C-тан жоғары температураға қыздыру суды шығарып, амидтің пайда болуына әкеледі. Амидтерді синтездеудің бұл әдісі өнеркәсіптік маңызды және зертханалық қолданыста да бар. Күшті қышқыл катализаторының қатысуымен карбоксил қышқылдары қышқыл ангидридтерін қалыптастыру үшін конденсацияланады. Алайда конденсация суды шығарады, ол сусыз қышқылдарды бастапқы карбоксил қышқылдарына қайта гидролиздей алады. Осылайша, сусызданудың конденсация арқылы пайда болуы тепе-теңдік процессі болып табылады. Қышқыл катализацияланған жағдайда карбоксил қышқылдары спирттермен Фишердің этерификациялық реакциясы арқылы эфирлер пайда болады, бұл да тепе-теңдік процесі. Диазометанды қышқылдарды эфирге айналдыру үшін де қолдануға болады. Диазометанмен этерификациялық реакциялар жиі сандық өнімді береді, ал диазометан тек метил эфирлерін қалыптастыру үшін пайдалы.