Введение

Класс реакций замещения, включающих нуклеофилы и ациловые соединения. В этом типе реакции нуклеофил , такой как алкоголь, амины или энолат , смещает оставшуюся группу ацилового производного , такого как кислотный галоид, ангидрид или эфир. Полученный продукт представляет собой соединение, содержащее карбонил, в котором нуклеофил занял место исходящей группы, присутствующей в исходном ациловом производном. Поскольку ациловые производные реагируют с широким разнообразием нуклеофилов, и поскольку продукт может зависеть от конкретного типа ацилового производного и нуклеофила, реакции нуклеофильной ацилозамещения могут использоваться для синтеза различных продуктов.

Механизм реакции

Карбонильные соединения реагируют с нуклеофилами с помощью механизма добавления: нуклеофил атакует карбонильный углерод, образуя тетраэдрический промежуток. Эта реакция может быть ускорена кислотными условиями, которые делают карбонил более электрофильным, или базовыми условиями, которые обеспечивают более анионный и, следовательно, более реактивный нуклеофил. Сам тетраэдрический промежуточный продукт может быть алкоголем или алкоксидом, в зависимости от рН реакции. Тетраэдрический промежуточный элемент ацилового соединения содержит заместитель, присоединенный к центральному углероду, который может выступать в качестве выходящей группы. После того, как тетраэдрические промежуточные формы, он разрушается, воссоздавая карбонильную C = O связь и выбросив оставшуюся группу в реакции устранения. В результате этого двухэтапного процесса добавления/удаления нуклеофил заменяет оставшуюся группу на карбонильном соединении посредством промежуточного состояния, не содержащего карбонила. Оба этапа являются обратимыми, и в результате реакции нуклеофильной ацилозамещения являются равновесными процессами. Поскольку равновесие будет благоприятствовать продукту, содержащему лучший нуклеофил, исходящая группа должна быть сравнительно бедным нуклеофилом, чтобы реакция была практичной.

Кислотные условия

В кислотных условиях карбонильная группа ацилового соединения 1 протонируется, что активирует его к нуклеофильной атаке. На втором этапе протонированный карбонил 2 подвергается атаке нуклеофила (H−Z), чтобы получить тетраэдрический промежуточный 3. Передача протонов от нуклеофила (Z) к выходящей группе (X) дает 4, которая затем разрушается, чтобы выбросить протонированную выходящую группу (H-X), давая протонированное карбонильное соединение 5. Потеря протона дает замещающий продукт 6. Поскольку последний этап включает потерю протона, реакции нуклеофильной ацилозамещения считаются каталитическими в кислоте. Также обратите внимание, что в кислотных условиях нуклеофил обычно существует в протонированной форме (т.е. H-Z вместо Z-).

Основные условия

При основных условиях нуклеофил (Nuc) атакует карбонильную группу ацилового соединения 1, чтобы получить тетраэдрический алкоксид промежуточный 2. Промежуточный продукт разрушается и выталкивает исходящую группу (X), чтобы получить продукт замещения 3. Хотя нуклеофильные реакции замены ацилов могут быть каталитизированы основанием, реакция не произойдет, если исходящая группа является более сильным основанием, чем нуклеофил (т.е. исходящая группа должна иметь более высокий pKa, чем нуклеофил). В отличие от кислотно-катализованных процессов, и нуклеофил, и выходящая группа существуют в качестве анионов при основных условиях. Этот механизм подтверждается экспериментами по маркировке изотопов. Когда этилпропионат с кислородной 18-этокси-группой обрабатывается гидроксидом натрия (NaOH), кислород 18-этикетки полностью отсутствует в пропионовой кислоте и встречается исключительно в этаноле.

Тенденции реактивности

Существует пять основных типов ациловых производных. Кислотные галоиды наиболее реактивны по отношению к нуклеофилам, за ними следуют ангидриды, эфиры и амиды. Карбоксилатные ионы по существу не реагируют на нуклеофильную замещение, поскольку они не имеют исходящей группы. Реактивность этих пяти классов соединений охватывает широкий диапазон; относительные скорости реакции кислотных хлоридов и амидов различаются в размере 1013 раз. Основным фактором определения реактивности ациловых производных является способность группы покидать, которая связана с кислотностью. Слабые основания лучше выходят из групп, чем сильные основания; вид с сильной конъюгированной кислотой (например, соляная кислота) будет лучшей выходящей группой, чем вид с слабой конъюгированной кислотой (например, уксусной кислотой). Таким образом, ион хлорида является лучшей выходящей группой, чем ион ацетата. Реактивность ациловых соединений к нуклеофилам снижается по мере увеличения базисности исходящей группы, как показано в таблице. Название соединения Структура оставляющая группу pKa конъюгированной кислоты Ацетилхлорид -7 Ацетильный ангидрид 4.76 Этил ацетат 15.9 Ацетамид 38 Ацетатный анион N/a N/a Еще один фактор, который играет роль в определении реактивности ациловых соединений, - это резонанс. Амиды имеют две основные формы резонанса. Оба являются основными участниками общей структуры, настолько, что амидная связь между карбонильным углеродом и амидным азотом имеет значительный характер двойной связи. Энергетический барьер для вращения вокруг амидной связи составляет 7585 кДж/моль (1820 ккал/моль), что намного больше, чем значения, наблюдаемые для нормальных одиночных связей. Например, связь CC в этане имеет энергетический барьер всего 12 кДж/моль (3 ккал/моль). Кислотные галиды гидролизуются в присутствии воды для получения карбоновых кислот, но этот тип реакции редко полезен, поскольку карбоновые кислоты обычно используются для синтеза кислотных галидов. Большинство реакций с кислотными галидами проводятся в присутствии не нуклеофильного основания, такого как пиридин, для нейтрализации гидрогаловой кислоты, которая образуется в качестве побочного продукта. Кислотные галоиды будут реагировать с углеродными нуклеофилами, такими как гринарды и энолаты, хотя в результате могут возникать смеси продуктов. Хотя углеродный нуклеофил вначале будет реагировать с кислотным галидом, чтобы получить кетон, кетон также подвержен нуклеофильной атаке и может быть преобразован в третичный алкоголь. Например, при обработке бензоилхлорида (1) двумя эквивалентами реагента Гринарда, такими как метилмагнезийбромид (MeMgBr), получается 2 фенил 2 пропанол (3) с отличным результатом. Хотя ацетофенон (2) является промежуточным средством в этой реакции, его невозможно изолировать, потому что он быстро реагирует со вторым эквивалентом MeMgBr после образования. В отличие от большинства других углеродных нуклеофилов, литий-диалкилкупараты, часто называемые реагентами Гилмана, могут добавляться к кислотным галидам только один раз, чтобы получить кетоны. Реакция между кислотным галоидом и реагентом Гилмана не является нуклеофильной реакцией замещения ацилов, однако, и, как полагают, протекает по пути радикалов. В процессе ацилирования FriedelCrafts кислотные галиды выступают в качестве электрофилов для электрофильной ароматической замещения. Кислота Льюиса, такая как хлорид цинка (ZnCl2), хлорид железа (FeCl3) или хлорид алюминия (AlCl3) координуется с галогеном на галокислотном галиде, активируя соединение к нуклеофильной атаке активированным ароматическим кольцом. Для особенно богатых электронами ароматических колец реакция будет протекать без кислоты Льюиса.

Тиоэстер

Химический состав тиоэстеров и кислотных галоидов схож, реактивность напоминает, но менее выраженную, чем у кислотных хлоридов.

Ангидриды

Химический состав галоидов кислоты и ангидридов схож. Хотя ангидриды не могут быть преобразованы в кислотные галоиды, они могут быть преобразованы в остальные ациловые производные. Ангидриды также участвуют в реакциях типа Шоттен-Бауманна для получения эфиров и амидов из спиртов и аминов, а вода может гидролизовать ангидриды в соответствующие им кислоты. Как и в случае с кислотными галидами, ангидриды также могут реагировать с углеродными нуклеофилами, чтобы получить кетоны и/или третичные спирты, и могут участвовать как в ацилировании Фридель-Крафтса, так и в синтезе кетона Вайнереба. Кислотно-катализованный гидролиз эфиров также является равновесным процессом, по сути, обратным реакции этерификации Фишера. Поскольку алкоголь (действующий как исходящая группа) и вода (действующая как нуклеофил) имеют схожие значения pKa, реакции вперед и назад конкурируют друг с другом. Как и при трансэстерификации, использование большого избытка реагента (воды) или удаление одного из продуктов (алкоголя) может способствовать переходной реакции. Базовый гидролиз эфиров, известный как сапонификация, не является равновесным процессом; полный эквивалент основания потребляется в реакции, которая производит один эквивалент алкоголя и один эквивалент карбоксилатной соли. Омывание эфиров жирных кислот является важным промышленным процессом, используемым в производстве мыла. Конкретным примером этого является перестройка BakerVenkataraman, в которой ароматический ортоацилоксикетон подвергается внутримолекулярной нуклеофильной подмене ацила и последующему перестройке для образования ароматического β-дикетона. Перестановка Чана является еще одним примером перестановки, возникающей в результате внутримолекулярной нуклеофильной реакции замещения ацила.

Амиды

Из-за низкой реактивности амиды не участвуют в почти стольких реакциях нуклеофильной замещения, как другие ациловые производные. Амиды стабильны для воды и примерно в 100 раз более стабильны для гидролиза, чем эфиры. Здесь фениллитий 1 атакует карбонильную группу DMF 2, получая тетраэдрический промежуточный 3. Поскольку анион диметиламида является плохой выходящей группой, промежуточный элемент не разрушается, и не происходит другое нуклеофильное добавление. При кислотном обработке алкоксид протонируется, чтобы дать 4, затем амины протонируют, чтобы дать 5. Удаление нейтральной молекулы диметиламина и потеря протона дают бензальдегид, 6.

Карбоновые кислоты

Карбоновые кислоты не особенно реактивны к нуклеофильной замещению, хотя они могут быть преобразованы в другие ациловые производные. Преобразование карбоновой кислоты в амид возможно, но не просто. Вместо того, чтобы действовать как нуклеофил, амины будут реагировать как основание в присутствии карбоновой кислоты, чтобы дать аммониевую карбоксилатную соль. Нагрев соли до температуры выше 100 °C оттолкнет воду и приведет к образованию амида. Этот метод синтеза амидов имеет важное промышленное значение, а также имеет лабораторные применения. В присутствии сильного кислотного катализатора карбоновые кислоты могут конденсироваться и образовывать кислотные ангидриды. Однако конденсация дает воду, которая может гидролизовать ангидрид обратно в исходные карбоновые кислоты. Таким образом, образование ангидрида путем конденсации является равновесным процессом. В условиях кислотного катализатора карбоновые кислоты будут реагировать с спиртами, образуя эфиры через реакцию этерификации Фишера, которая также является равновесным процессом. Альтернативно, диазометан может быть использован для преобразования кислоты в эфир. В то время как реакции этерификации с диазометаном часто дают количественные урожаи, диазометан полезен только для образования метилэстеров.