Similar presentations:
Химия углеводородов. Часть 2
1.
Лекция 4Химия углеводородов ч.2
Физтех, 1 курс. Весна 2016
2. Алкины
углеводороды, содержащие в цепи одну и более кратных (тройных) связей С≡С.Моноалкины образуют гомологический ряд с общей формулой CnH2n-2 (изомерны
ациклическим диенам)
Алкин
Формула
Т. кип.,
С
Т. пл.,
С
Этин
HC CH
- 84
- 82
Пропин
CH3C CH
- 23
- 104
Пентин-2
CH3CH2C CCH3
55
- 101
Пентин-1
CH3CH2C CH
40
- 95
Пентен-1
CH3CH2CH=CH2
30
- 165
Пентан
CH3CH2CH2CH3
36
- 130
Физтех, 1 курс. Весна 2016
В природе алкины практически
не встречаются : например,
карбин – искусств. полиин
2
3. Алкины, строение
Физтех, 1 курс. Весна 20163
3
4. Алкины, строение
Факторы, ответственные за меньшую активность алкиновВЗМО алкина
располагает ся
ниже, чем
ВЗМО алкена
Физтех, 1 курс. Весна 2016
4
5. Алкины, строение
ат ака элект рофила (E+)от щепление Н+, образование
ацет иленид-аниона (для
терминальных алкинов)
Причина большей кислотности С-Н ацетиленов, по
сравнению с алкенами и алканами: значительный sхарактер связи С-Н и, как следствие, повышенная
электроотрицательность sp-гибридного атома углерода
благодаря тому, что электроны s-орбитали находятся
ближе к ядру, чем p-электроны, и прочнее с ним связаны
ат ака неэлект рофильного реагент а (Н2, R2BH, окислит ели)
Физтех, 1 курс. Весна 2016
6
6
6. Алкины, строение
Алкины, ПЛАцетилен
ДЕГИДРОГАЛОГЕНИРОВАНИЕ ВИЦ- И ГЕМ-ДИГАЛОГЕНИДОВ
Физтех, 1 курс. Весна 2016
7
7
7.
Алкины, ХСПРИСОЕДИНЕНИЕ ГАЛОГЕНОВ
Образование цис-дибромида объясняют
открытый винильный катион
Физтех, 1 курс. Весна 2016
протеканием
реакции
через
9
9
8.
Алкины, ХСРЕАКЦИЯ С ГАЛОГЕНВОДОРОДАМИ
Образуется гем-дигалогениды за
счет
стабилизации
катиона
взаимодействием с неподеленной
парой атома галогена
Физтех, 1 курс. Весна 2016
10
10
9.
Физтех, 1 курс. Весна 2016 ГИДРАТАЦИЯ АЛКИНОВтаутомеры
ХС
один из возможных механизмов реакции Кучерова
присоединение воды протекает
ПО правилу Марковникова
и лишь иногда ПРОТИВ…
Присоединение кислот также происходит ПО правилу Марковникова
винилацетат
11
11
10.
Физтех, 1 курс. Весна 2016ГИДРИРОВАНИЕ (ДРУГИЕ РЕАКЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ)
HC CH + H2
CH2
CH2 + H2
Pt
CH2
Pt
CH2 + H°; H° = - 42 ккал/моль
CH3
ХС
более
экзотермична
CH3 + H°; H° = - 33 ккал/моль
гидрирование алкинов можно остановить на стадии образования алкена,
однако на большинстве катализаторов реакция приводит к алкану
Катализатор Линдлара
Механизм аналогичен
гидрированию алкенов
цис-алкен
CH3(CH2)3C
C(CH2)3CH3
Na
жидкий NH3, - 33 °С
CH3(CH2)3
H
C
C
H
100 %de
(CH2)3CH3
(78%)
транс-алкен
12
12
11.
Физтех, 1 курс. Весна 2016ГИДРОБОРИРОВАНИЕ
ХС
дисиамилборан
пирокатехинборан
стереоспецифичное
син-присоединение;
региоселективно
(-BR2
присоединяется к наименее пространственно затрудненному концу тройной
связи) (для несимметричных алкинов)
Реакция ацетиленов с BH3 неселективна и часто приводит к смеси полимерных продуктов
14
14
12. ГИДРИРОВАНИЕ (ДРУГИЕ РЕАКЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ)
Физтех, 1 курс. Весна 2016ХС
СН-кислотность
ацетиленов
ЭО атома
углерода
«s»-характер
ВЗМО, как
мера ЭО
метил анион
25% «S»
Винил-анион
33% «S»
Ацетиленид-ион
50% «S» 19
19
13.
АЦЕТИЛЕНИД-ИОНАцетилениды меди (I) и серебра – качественная реакция на ≡CH (историческое
значение)
RC CH + Ag(NH3)2OH
RC CAg + H2O + 2NH3
Алкилирование терминальных ацетьиленов
RC1
C
+
R2CH2Br
ГМФТА или ДМСО
R1CCCH2R2 + Br
бимолекулярное нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода
Первичные алкилбромиды или иодиды
Физтех, 1 курс. Весна 2016
20
20
14.
Физтех, 1 курс. Весна 20161) HC CH
NaNH2
жидкий NH3
- 33 °С
HC C Na
2) CH3(CH2)3C CH + н-C4H9Li
н-пентилбромид
ТГФ - ГМФТА
25 °С
CH3(CH2)3I
жидкий NH3
- 33 °С
ГМФТА - ТГФ
- 25 °С
CH3(CH2)3C C
HC CH2CH2CH2CH3 + NaI
CH3(CH2)3C C
Li
(CH2)4CH2 + LiBr
(90%)
21
21
15.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Реакция Фаворского
R1 d- d+
KOH
C O + HC CH абс. эфир
R2
HC CH + NaNH2
R1
C OK
R2 C CH
жидкий N H 3
- 33 °C
HC CNa
NH4Cl
H2O; 0 °C
C
R2
OH
жидкий N H 3 - эфир; - 33 °C
OH
C CH
(85%)
Синтез Реппе (1925)
HCHO + HCHO + HC CH
C CH
O
O Na
C CH
HOH
R1
Cu
C C
100 атм
Cu
HC CCH2OH + HOCH2C CCH2OH
23
23
16.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Димеризация
Тримеризация
3HC CH
Реппе, 1948 г
(CO)2Ni[P(C6H5)3]2
60 - 70 °C; 15 атм
(80%)
Ранее использовали
активированный уголь,
>4000С – Зелинский, 1919
Окислительное сочетание алкинов
Реакция Глазера-Эглинтона
Реакция Кадио–Ходкевич
C6H13C CBr + HC CCH2CH3
Cu2Cl2
C4H9NH2; CH3OH
C6H13C C C CCH2CH3
(90%)
C6H13C CH
C4H9Li
эфир, - 78 °С
C6H13C CLi
Br2
эфир, - 78 °С
C6H13C CBr + LiBr
24
24
17.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Реакция Дильса-Альдера
АЦЕТИЛЕН-АЛЛЕНОВАЯ ПЕРЕГРУППИРОВКА И
МИГРАЦИЯ ТРОЙНОЙ СВЯЗИ
CH3
А. Е. Фаворский в 1888 г
Cl
C Cl
CH
KOH
спирт; 120 °C
C
CH3
KOH
спирт; 170 °C
C
CH2
CH2
C
CH3
CH3
CH3
или основной
Al2O3
прототропная перегруппировка
25
25
18.
Физтех, 1 курс. Весна 2016самый стабильный
термодинамический контроль
CH3(CH2)5C
C(CH2)5CH3
CH3(CH2)11C
CK
K NH(CH2)3NH2 (KAPA)
NH2(CH2)3NH2; 20 °C; 5 мин
H2O
CH3(CH2)11C
(89%)
CH
26
26
19.
Физтех, 1 курс. Весна 2016СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
27
27
20. АЦЕТИЛЕНИД-ИОН
Арены1825 г.: бензол - выделен М.Фарадеем из светильной жидкости,
установлена эмпирическая формула СnНn.
1833 г.: Э.Мичерлих впервые синтезировал чистый бензол
сплавлением бензоата натрия с
NaOH и установил его молекулярную формулу С6Н6.
В последующие годы из продуктов переработки каменного угля коксового газа и каменноугольной смолы - были выделены другие
ароматические углеводороды.
«ароматический» - выделенный из различного рода ладанов,
ароматических масел и бальзамов (а многие такие соединения
содержали радикал фенил С6Н5)
Физтех, 1 курс. Весна 2016
28
21.
Признаки ароматичности(реакционная способность)
реакции электрофильного ароматического замещения
Физтех, 1 курс. Весна 2016
29
22.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Формула Кекуле
Углерод - четырехвалентен
Бензол, являясь формально ненасыщенными соединениями, инертен
в реакциях присоединения.
1865 г: А.Кекуле, формула гексагонального 1,3,5-циклогексатриена
30
23.
Физтех, 1 курс. Весна 2016орто-(1,2), мета-(1,3)- и пара-(1,4)-изомеры
Вопрос: сколько существует изомерных триметибензолов С6Н3(СН3)3
31
24.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Геометрия молекулы бензола – все углы СС-С = 120°, все связи С-С одинаковы и
равны 1.397Å.
Резонансный
гибрид
32
25. АЦЕТИЛЕН-АЛЛЕНОВАЯ ПЕРЕГРУППИРОВКА И МИГРАЦИЯ ТРОЙНОЙ СВЯЗИ
Физтех, 1 курс. Весна 2016Необходимо приложить 36.6 ккал/моль, чтобы заставить бензол
реагировать как триен
33
26.
Физтех, 1 курс. Весна 201634
27.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Правила ароматичности
Правило Хюккеля 1930 г.
Плоские моноциклические сопряженные углеводороды
будут ароматическими, если цикл содержит (4п + 2) πэлектронов, где п = 1, 2, 3 .... Число (4п + 2) называется
хюккелевским числом электронов (то есть числа 2, 6, 10,
14). Соединения, содержащие 4п π-электронов в такой
сопряженной системе, являются антиароматическими.
Соединения, в которых отсутствует система сопряженных двойных связей, называется неароматическими
ароматичность представляет собой особую стабилизацию
делокализованной циклической π -системы, содержащей
(4n+2) π-электронов
35
28.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Аннулены
полностью сопряженные
моноциклические полиены
Циклооктатетраен нeплоский, потому что он неароматичен (обратное
«неароматичен, потому что
неплоский» неверно)
36
29.
Критерии ароматичности:энергетический, структурный, магнитный
выигрыш по энергии, в сравнении с системой несопряженных
двойных связей - также называется энергией резонанса
Хюккель (ЭД)
Полная энергия
стабилизации
бензола равна
сумме эмпирической энергии делокализации (36
ккал/моль) плюс
энергия для деформации связей
1,3,5-циклогексатриена и превращения его в симметричную структуру Кекуле (27
ккал/моль).
Физтех, 1 курс. Весна 2016
37
30. Формула Кекуле
Физтех, 1 курс. Весна 2016Структурные критерии ароматичности
копланарность
необходима для параллельности осей атомных p-орбиталей,
которая необходима для их эффективного перекрывания
степень выравненности связей
Одинарная связь
Сsp3 - Сsp3 = 1,544 Å (в алмазе и алканах),
Сsp3 - Сsp2 = 1,544 Å (в пропилене),
Сsp2 - Сsp2 = 1,544 Å (в бутадиене-1,3)
Двойная связь
в этилене 1,330 Å
1,397 Å
нм
нм
нм
38
31.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Магнитный критерии ароматичности
При помещении ароматического вещества в однородное магнитное поле (ЯМР
спектроскопия) возникает так называемый «кольцевой ток» из-за наличия
замкнутой системы π−электронов.
Ароматические соединения характеризуются наличием диамагнитного кольцевого тока (диатропные соединения).
В результате сигналы всех внешних протонов
ароматического кольца дезэкранируются и
смещены в область более слабого поля.
Протоны, расположенные внутри кольца,
экранируются и их сигналы смещаются в
область более сильного поля
39
32.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Ароматические катионы и анионы
40
33.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Антиароматические катионы и анионы
Антиароматичны
циклопропенил-анион
циклопентадиенил-катион
Неароматичен
циклогептатриенил-анион
(должен быть антиароматичен,
но становится неплоским)
41
34.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Гетероциклические пяти- и шестичленные
ароматические соединения
1е
π-электроноизбыточные системы (6
электронов в
пятичленном
цикле)
2е
1,3-окасазол, 1,3-тиазол,
имидазол,
пиразол
42
35. Правила ароматичности
Физтех, 1 курс. Весна 20161е
2е
π-дефицитные
гетероциклы, 6
электронов на 6
атомов, но
плотность
смещена к
атому азота
согласно индексу ароматичнoсти ЭДОЭ 5-членные гетероциклы менее ароматичны, чем бензол, пиридин и хинолин по ароматичности сравнимы с бензолом
43
36. Аннулены
Физтех, 1 курс. Весна 2016Ароматические углеводороды
44
37.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Лабораторные методы синтеза ароматических
углеводородов
тримеризация ацетиленов
Реппе, 1948 г
3HC CH
(CO)2Ni[P(C6H5)3]2
60 - 70 °C; 15 атм
(80%)
Реакция Вюрца-Фиттига
вторичные алкилбромиды и алкилйодиды – низкий выход, третичные
алкилгалогениды не дают продукта сочетания
47
38.
Физтех, 1 курс. Весна 2016ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
АРОМАТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Гидрирование
Для гидрирования над никелем Ренея требуются температура 120150 oС и давление порядка 100-150 атм, образуется (если есть
заместители) смесь цис- и транс-изомеров, в которой преобладает
термодинамически наиболее стабильный транс-изомер
другие катализаторы – Pt, PtO2
циклогексадиены и циклогексены таким образом получить нельзя
51
39.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Восстановление по Бёрчу
1944 год
Одноэлектронный перенос
Х
52
40.
Физтех, 1 курс. Весна 2016НСМО
EWG - акцепторные
группы присоединение
по 1,4-положениям
EDG - донорные
группы –
присоединение по 2,5положениям
53
41.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Окисление боковой цепи
дихромат натрия в серной кислоте, оксид хрома (VI) в уксусной кислоте,
перманганат калия или 20-40%-я азотная кислота
57
42.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Окисление боковой цепи
58
43.
Физтех, 1 курс. Весна 2016ЭЛЕКТРОФИЛЬНОЕ
ЗАМЕЩЕНИЕ В АРОМАТИЧЕСКОМ РЯДУ
Одним из наиболее характерных свойств ароматических
соединений является их склонность к реакциям электрофильного
ароматического замещения (SEAr)
59
59
44.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Примеры реакций электрофильного
ароматического замещения
60
60
45.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Примеры реакций электрофильного
ароматического замещения
61
61
46.
Физтех, 1 курс. Весна 201662
62
47. Реакция Вюрца-Фиттига
Физтех, 1 курс. Весна 2016Общий механизм реакций ароматического электрофильного
замещения
63
63
48.
Физтех, 1 курс. Весна 2016нециклическая
четырехэлектронная
сопряженная система
пентадиенильного
катиона (С=С-С=С-C+)
64
64
49.
Физтех, 1 курс. Весна 201665
65
50.
Физтех, 1 курс. Весна 2016эту стадию часто
опускают при
написании
механизма
66
66
51.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Структура
сигма-комплекса
четырехэлектронная
сопряженная система пентадиенильного катиона
резонансно-стабилизированная частица
67
67
52.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Изотопный обмен водорода как простейшая реакция
электрофильного замещения
При введении в раствор HCl или DCl в алкилбензолах AlCl3 или
AlBr3 он начинает проводить электрический ток. Такие растворы
окрашены, и их окраска изменяется от желтой до оранжево-красной
при переходе от пара-ксилола к пентаметилбензолу.
В ArH-DCl-AlCl3 атомы водорода ароматического кольца уже
обмениваются на дейтерий
68
68
53.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Нитрование
смесь концентрированных азотной и серной кислот при 45-50 oС «нитрующая смесь»
азотная кислота в органических растворителях: уксусной кислоте,
нитрометане и т.д.
ацетилнитрат AcONO (смешанный ангидрид, образующийся в
результате реакции между азотной кислотой и уксусным
ангидридом)
69
69
54.
Физтех, 1 курс. Весна 201670
70
55.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Галогенирование
В реакциях замещения аренового водорода на галогены активность
галогенов уменьшается в ряду Сl2 > Br2 > I2. В качестве
электрофильных галогенирующих агентов в реакции используются
молекулярные галогены или комплексы галогенов с разнообразными кислотами Льюиса (FеСl3, FеВr3, АlCl3, АlBr3 и др.).
71
71
56.
Физтех, 1 курс. Весна 201672
72
57.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Сульфирование
Обратимая реакция!!!
В качестве сульфирующего агента употребляют: 98-100%-ю серную
кислоту, олеум, содержащий от 20 до 60% SO3 в безводной серной
кислоте. Эффективным сульфирующим агентом является
хлорсульфоновая кислота (серный ангидрид и хлористый водород)
73
73
58.
Физтех, 1 курс. Весна 201674
74
59. ЭЛЕКТРОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ В АРОМАТИЧЕСКОМ РЯДУ
Физтех, 1 курс. Весна 201675
75
60.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Превращения сульфогруппы
Кипячение водного раствора приводит к десульфированию
Сульфокислоты, подобно карбоновым кислотам, образуют
галогенангидриды, ангидриды, амиды и сложные эфиры. Методы их
получения аналогичны методам, применяемым для получения
производных карбоновых кислот.
76
76
61.
Физтех, 1 курс. Весна 201677
77
62.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Алкилирование аренов по Фриделю-Крафтсу
Способность атома галогена в RX к комплексообразованию с
жесткой кислотой Льюиса резко уменьшается от фтора к йоду.
Ряд активности алкилгалогенидов в реакции Фриделя-Крафтса
также уменьшается в рzду RF > RC1 > RBr > RI
Винилгалогениды и фенилгалогениды неактивны в этой реакции
78
78
63.
Физтех, 1 курс. Весна 201679
79
64.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Изомеризация
Вторичные алкилгалогениды в реакции алкилирования
ароматических углеводородов более реакционноспособны, чем
первичные, поэтому доля изомеризованного продукта оказывается
выше, чем алкилбензола с первичной алкильной группой
80
80
65.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Обратимость алкилирования: изомеризация в присутствии HHal и
кислоты Льюиса происходит на стадии образования аренониевого
иона за счет внутримолекулярного 1,2-сдвига Alk группы. В жестких условиях изомеризация алкилбензолов приобретает межмолекулярный характер, в результате чего из ксилолов образуется смесь,
содержащая полиметилбензолы, толуол и бензол
81
81
66.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Другие алкилирующие агенты
82
82
67.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Триарилметилкатионы, анионы и радикалы
83
83
68.
Физтех, 1 курс. Весна 201684
84
69.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Ацилирование аренов по Фриделю-Крафтсу
85
85
70.
Физтех, 1 курс. Весна 201686
86
71.
Физтех, 1 курс. Весна 2016стабилизирует, но не может реагировать этим центром, нет вакантных
орбиталей
87
87
72.
Физтех, 1 курс. Весна 201688
88
73.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Синтетическое применение – получение 1-фенилалканов
89
89
74.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Формилирование
по Гаттерману-Коху (возможно образуется «хлористый
формил») – плохо для фенолов, аминов
по Вильсмейеру и А. Хааку (вместо POCl3 можно COCl2, SOCl2)
фенолы,
амины
90
90
75.
Физтех, 1 курс. Весна 201691
91
76.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Электро-фильное замещение в произ-водных бензола
Статистика – 2:2:1
??? Какие изомеры образуются
??? В каких случаях скорость реакции выше
92
92
77.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Количественная оценка ориентирующего влияния заместителей
основывается на вычислении величин так называемых факторов
парциальных скоростей.
93
93
78.
Физтех, 1 курс. Весна 2016К ориентантам I рода относятся:
OH, OR, OCOR, SH, SR, NH2, NHR, NR2, NHCOR, N=N-, CH3, CH2R, CHR2, CR3, CH2Cl, CH2OH,
CH2NH2, CH2NR2, CH2COOH, CH2CH2COOH, F, Cl,
Br, I
К ориентантам II рода относятся:
SO3H, NO2, COOH, COOR, CONH2, COCl, SO2R, NO,
+
+
+
CHO, COR, CN, CCl3; CF3, NH3 , N R3, CH2N R3
Смешанная ориентация:
+
CH2F, CHCl2, CH2NO2, CH2CH2NO2, CH2CH2N R3
94
94
79.
Физтех, 1 курс. Весна 201698
98
80.
Физтех, 1 курс. Весна 20161. Сильные электрофилы: NO2+, комплексы Cl2 и Br2 с кислотами
Льюиса, HSO3+, H2S2O7.
2. Электрофилы средней силы: комплексы алкилгалогенидов и
ацилгалогенидов с кислотами Льюиса комплексы спиртов с
сильными кислотами Льюиса и Бренстеда (ROH·BF3).
3. Слабые электрофилы
ArN+≡N, CH2=N+H2, NO+, оксид углерода (IV) CO2.
Сильные электрофилы взаимодействуют с соединениями ряда
бензола, содержащими как электронодонорные, так и практически
любые электроноакцепторные заместители.
Электрофилы второй группы реагируют с бензолом и его
производными, содержащими электронодонорные заместители или
атомы галогенов.
Слабые электрофилы взаимодействуют только с производными
бензола, содержащими очень сильные электронодонорные
100
заместители (+M)-типа (-OH, -OR, -NH2, -NR2, -O- и др.).
100
81.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Электрофильное замещение в
полизамещенных бензолах
Согласованная и несогласованная ориентация
101
101
82.
Физтех, 1 курс. Весна 2016102
102
83.
Физтех, 1 курс. Весна 2016103
103
84.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Реакции ипсо-замещения
104
104
85.
Физтех, 1 курс. Весна 2016К реакциям ипсо-замещения относятся реакции протолиза
HCl
105
105
86.
Физтех, 1 курс. Весна 2016Из ипсо-комплекса может образоваться продукт
замещения группы Х путем отщепления катиона Х+.
ипсо-Замещение встречается при Х=Alk, Br, SO3H, Cl.
Для других замещенных бензолов (X = OH, NR2, NO2,
CN, COR, F) ипсо-замещение не происходит, так как эти
заместители должны отрываться в виде малоустойчивых
катионов Х+.
106
106
87.
Коротко о главном1. Химические свойства полиненасыщенных углеводородов –
привязаны к «характеру-p-связи» и их взаимному влиянию.
2. Алкины, близки по своим свойствам к алленам, и могут
проявлять себя как слабые CH-кислоты.
3. Ароматичность, как совокупность статичных (структурных) и
динамичных (ХС) проявляемых характеристик является
ключевым
термином,
определяющим
физическое
и
химическое поведение аренов.
4. Резонансные структуры позволяют однозначно предсказывать
регио- и (диа)стереонаправленность продуктов реакций
протекающие через ионные интермедиаты.
Физтех, 1 курс. Весна 2016
125