Механизмы реакций органических соединений

Механизмы реакций органических соединений. 

      6.1. Почему при взаимодействии стильбена (1,2-дифенилэтилена) с бромом в среде метилового спирта наряду с соответствующим дибромпроизводным образуется 2-бром 1-метокси -1,2-дифенилэтан (бромметоксистильбен)? Как можно объяснит, что при протекании реакции в среде метилового спирта, чем при использовании в качестве растворителя чистого спирта? 

Решение.

      Упомянутые  реакции сносятся к реакциям электрофильного  присоединения (АЕ). На первой медленной  реакции электрофильная молекула брома, атакующая двойную связь,  разрывает п- связь и образует пару карбокатион- анион Br-.

      В среде метанола концентрация полярных молекул СН3ОН, способных представить  карбокатиону свою пару электронов для  образования п- связи, в много, молекулы спирта могут приблизиться к катионному центру с противоположной стороны раньше, чем туда переместиться  образовавшийся ион Br^-, таким образом, преобладает реакция (1):

      Если  для проведения реакции использовать раствор NaBr в СН₃ОН, то соотношения концентраций молекул СН₃ОН и ионов Br^- изменится в пользу последних, поэтому реакция в большей степени будет протекать по направлению (2), т.е. выход бромметосиетильбена уменьшается. 
 
 

     6.2. Для перехода от циклоалканонов к карбоновым кислотам с тем же числом атомов углерода, но меньшим размером кольца достаточно часто используют реакцию Фаворского-обработку щелочью α-галогенкетона. В ряде случаев таким путем удается получить труднодоступные иными путями соединения. Предложите механизм и продукты следующих реакций.

Решение.

      На  Первой стадии реакции происходит снятие α-протона основанием- гидроксид- ________. Далее происходит циклизация образовавшегося карбониона в соответствующий циклопропаном с уходом галогена, нуклеофильная атака гидроксид- анионом карбонильного атома углерода циклопропанона и последующее раскрытие циклопрапнового кольца: 
 
 

     6.3. При взаимодействии соединения (1) с фталимидом калия в условиях реакции Габриеля вместо ожидаемого N-замещенного фталимида, который образуется лишь в небольших количествах (<5%), в качество основного продукта получается вещество, не содержащее азота.

     - Объясните механизм его образования. 

Решение.

      -2,5-дифенил-3,6-диметоксикарбонил-1,4-диокин.

-Образование1,4-диоксина  происходит в результате нуклеофильного  замещения атома хлора атомом  кислорода мезамерного аниона, генерируемого из (1) действием основания на первой стадии, и отщеплением гидрохлорида внутримолекулярным отщеплением  HCl.

      6.4. Рассмотрите схему реакции:

-Напишите структурные  формулы неизвестного веществ и предложите механизм реакции. 

Решение.

      Образующийся  полукеталь (А) неустойчив, и дальше кольчато-цепным таутомерным превращением образует промежуточный продукт (Б), который внутримолекулярным присоединением ОН- группы по более реакционноспособному формильному фрагменту образует вещество (В), дегидратация которого в кислых условиях приводит к конечному продукту.

     6.5. Реакция циклопентанона с бензилиденмалононитрилам в кислой среде в зависимости от соотношения исходных субстратов протекает с образованием различных соединений:

Объясните существенно  различные результаты обсуждаемых  взаимодействий. 

Решение.

     6.6. Изомеризация напряженных углеводородов (например, карбоциклических – гомологов циклопропана) под действием ионов металлов имеет не столько практическую, столько теоретическую ценность. Известно, что на первой стадии происходит присоединение иона металла по наиболее напряженной п- связи, что приводит к ее разрыву и образованию карбокатиона. Например:

     Естественно предположить, что в том случая, когда возможно образование нескольких катионов, образуется наиболее устойчивый.

      -? Исходя из вышесказанного, напишите  следующей реакции (3б.).

     Иногда  возможно дополнительное стабилизирующее  связывание между атомами и какой-либо группой в образовавшемся карбокатионе.

-? Напишите механизмы реакций. 

Решение.

     6.7. Взаимодействие бензоилгидразина с двойным избыткам 1,3-дибромпропина в качестве единственного продукта реакции дает гидробромид Х. Установите структуру этой соли, назовите его и приведите механизм реакции. 

Решение.

      На  первой стадии реакции происходит отцепление молекулы бромистого водорода, приводящее к образованию 1,2-замешенного гидразина. В результате амидимидной таутомерии образующегося 1,2-замещенного гидразина получается другой ацетиленовый интермедиат, который в условиях реакции циклизуется в 1,3,4-оксадиазин. Последний, реагируя еще с одной молекулой 1,3-дибромпропана образует 6-бромметилиден-4-(3-бром-2-пропин-1-ил)-2-фенил-5Н-1,3,4-оксадиазингидробромид (Х).

     6.8. В одной из работ обнаружено, что нагревание в течение 20 ч иодида 1,4,6-триметил-2-(этоксикарбонилметил) пиримидиния при 100^оС с видно-спиртовым раствором диэтиламина дает в качестве основного продукта реакции соединение (1).

     Дайте объяснение этому экспериментальному факту и назовите гетероцикл (1). 

Решение.

По-видимому, далее  на стадии превращения раскрытой  формы (А) происходит мягкий, неполный гидролиз енаминовой группы. Далее  образовавшийся енол превращается в  соединение (1) –этиловый эфир 1,2-дигидро-2-оксо-4,6-диметилникотиновой кислоты.

     6.9. Часто для предсказания направления протекания реакции бывает полезно иметь в виду, что возможны превращения, «обратные» хорошо известным реакциям – так называемые ретро-реакции. Ниже приводится цепочка, в которой ключевой является ретро-альдольная реакция.

     Приведите структурные формулы Х и Y. 

Решение.

     6.10. Рассмотрите следующие реакции сужения циклов:

Решение.

     6.11. Рассмотрите следующие реакции расширения циклов:

Решение.

     6.12. Реакция Кори может быть использована для получения оксиранов по схеме;

     Предложите  механизм реакции.

     Каких двух продуктов, содержащих трехчленный  цикл, можно было бы ожидать при взаимодействии Ph-CH=CH-C(O)-Ph c (CH₃)₂S(O)=CH₂? 

Решение.

     Можно предложить два механизма этого  превращения:

     Первый  представляется более реальным, поскольку  атака нуклеофильным кислородом по сере, связанной с другим атомом кислорода и, следовательно, обладающей определенными электрофильными свойствами, более вероятна, чем атака в определенной мере электрофильным атомом углерода по электрофильному углеродному атому кетона.

     Вторая  реакция протекает по следующему механизму.

6.13. Ниже приводится возможный способ синтеза производных изохинолинов:

      Известно, что исходное соединение, Х, Y- изомеры.

     -? Напишите структурные формулы неизвестных веществ. 

     Решение.

    Как правило, облучение вызывает гомологический разрыв в качестве интермедиатов  процесса. Известно, что реагент, продукт  и промежуточное соединения –  изомеры. Можно считать, что в  ходе реакции не протекает фрагментация или полимеризация.

    Представляется  мало вероятным, что гомологическому  разрыву подвергаются связи бензольного  кольца. Следовательно, превращение  затрагивают три связи циклобутанового  кольца. Кроме того, не следует ожидать  разрыва связей с образованием радикала на атоме углерода бензольного кольца, поскольку сложно предложить осмысленный механизм перегруппировки П- системы с образованием более или менее стабильного соединения. Поэтому остается единственный правдоподобный вариант:

     6.14. Дана следующая схема превращений:

-? Установите структуры неизвестных  промежуточных соединений. 

Решение.

      Перегруппировка начинается с раскрытия цикла  по связи С₍₂₎-С₍₃₎. В дальнейшем при повышении температуры происходит термическое элиминирование молекулы цианистого водорода с образованием линейной сопряженной структуры (Б), в которой возможна миграция иминного фрагмента к электрофильному атому углерода приближенной нитрильной группы дицианометиленового звена с последующей циклизацией в конечный пиррол.

      Определяющим  для такой миграции, по–видимому, является [4+2]- взаимодействие, в котором  участвует и ароматический заместитель. 
 
 

     6.15. Реакция хлоризомасленого альдегида с бензоилацетонитрилом в присутствии карбоната калия в зависимости от условий проведения процесса протекает с образованием различных продуктов.

-? Объясните  различные пути протекания реакции. 

Решение.

     6.16. Ниже приводится механизм озонирования алкенов

     -? Какие продукты выделены, если  озонолиз алкена (записанного в  общем виде, аналогичном указанному  в описании механизма) проводить  в среде метанола? Окислением метанола пренебречь.

     -? Какие продукты будут выделены, если озонолиз проводить в  среде (R₃)₂C=O?

     -? Для определения механизма реакции  часто применяется метод изотопных  “меток”.

     В какой группе конечного озонида  будет находиться изотоп ¹⁸О, если при проведении озонолиза в среде (R₃)₂C=O использовать: а) ¹⁸О₃; б) (R₃)₂C=¹⁸O. 

     Решение.

     На  процессы присоединения озона к  алкену и диссоциации образующегося  аддукта среда не должна оказывать  заметного влияния, если пренебречь ее возможным взаимодействием с озоном непосредственно (в условии задачи исключается окисление метанола); кетоны окисляются в жестких условиях, поэтому окисление кетона в условиях озонолиза при достаточно низких температурах вряд ли возможно.

     Рассмотрим  рекомбинацию частиц, которые образуются на второй стадии:

     Этот  процесс включает в себя нуклеофильную  атаку атомом кислорода кетона по атому углерода кетоксида. Метанол  – более сильный нуклеофил, поэтому  в его среде следует искать продукт взаимодействия кетоксида с метанолом.

     Во  втором случае – когда имеется  избыток другого кетона – роль нуклеофила по отношению к кетоксиду  играет именно этот другой кетон, так  как его концентрация существенно  выше и, следовательно, вероятность взаимодействия с кетоксидом выше (по кинетическим соображениям.).

     Т.е. в данном случае получается смесь  кетона R₁R₂C=O  и озонида (R₃)₂C(OO)(O)CR₁R₂.

     Ответим на третий вопрос.

           а) смешанный озонид получается из молекул кетоксида, в которых атомы кислорода меченные, и молекул кетона с обычными атомами кислорода, т.е. меченный атом кислорода будут находиться в пероксидной группе смешанного озонида.

     б) В этом случае имеем взаимодействие меченного кетона и немеченного  кетоксида, т.е. изотопная метка ¹⁸О будет в эфирной группе смешанного озонида.

     6.17. При обработке этилацетата натрия в присутствии спирта он восстанавливается в этанол (восстановление по -----------). В отсутсвии спирта эта реакция идет по иному пути и приводит к α-гидроксикетону.

     -? Напишите уравнения протекающих  реакций с приведением их механизма. 

     Решение.

      В присутствии спирта молекула сложного эфира получает от двух атомов натрия два электрона и превращается при этом в дианион. Последний пртонируется спиртам по атому углерода и затем, отщепляя алкоксид-анион, переходит в альдегид. Альдегид восстанавливается натрием в дианион, который в результате протонирования по атому углерода дает алкоголят первичного спирта, гидролиз которого и пиводит к конечному спирту:

      В отсутствии спирта происходит восстановительная  конденсация по следующей схеме:

     6.18. Элиминирование азота из циклических азосоединений, проводимое фотохимически или термически, находит широкое применение для  синтеза напряженных циклических систем.

     -? Напишите структуры циклических  углеводородов, которые образуются  из следующих циклических азосоединений:

     При термическом разложении циклизация иногда сопровождается образованием алкенов, например:

     -? Объясните образование алкена  в данной реакции. 

     Решение.

     Образование алкена в этом случае объясняется  внутримолекулярным диспрпорционированием, происходящим через переходное состояние. 
 
 

     6.19. При окислении метилкетонов с помощью гипохлорита натрия происходит ниже следующая реакция:

     -? Предложите механизм данной реакции  (гипохлорит-ион является основанием).

     -? Используя ответ на предыдущий  вопрос, укажите продукт окисления  4,4,6,6-тетраметилциклогексадиона-1,3. 

     Решение.

     Указанный в задаче дикетон будет реагировать  по следующей схеме:

     6.20. Метилизопропилкетон был подвергнут следующим превращениям:

     Известно, что вещества А и В –изомеры, а в ПМР - спектре Х  присутствуют два синглета при б= 1,3 м.д. и б= 2,1 м.д.

     -? Определите строение неизвестных  в задаче веществ.

     -? Какой изомер – А или В  –образуется в большем количестве?

     -? Напишите механизмы всех стадий. 

     Решение.

           Первая стадия –галогенирование кетона в кислой среде – протекает  через промежуточное образование  енола. Примерный механизм превращения:

       Бромирование на первой стадии идет преимущественно по третичному атому  углерода, т.к. промежуточно образующийся енол более устойчив. Следовательно, изомер В образуется в большем  количестве.

     При обработке щелочью оба бромопроизводных образуют один и тот же продукт, причем, судя по ПМР – спектру, все протоны данного вещества алкильные. Наиболее вероятна схема, при которой осуществляется внутримолекулярная реакция нуклеофильного замещения с образованием трехчленного цикла – она, во – первых, более вероятна (особенно в том случае, когда имеет место механизм S_N2 замещения при третичном атоме углерода), а во – вторых, в случае межмолекулярного процесса, вероятнее всего, образовались бы разные продукты для двух бромпроизводных.

     Механизм  раскрытия Х выглядит следующим  образом:

     6.21. Объясните механизм реакции:

     Решение.

     6.22. Рассмотрите следующую схему превращений:

     В качестве побочного продукта в реакции  восстановления образуется соединение со структурной формулой.

     В состав ациклического интермедиата не входит азот.

     -? Напишите структурные формулы  известных в задаче веществ. 

     Решение.

     Первая  стадия - восстановление по Берчу.

     При нагревании вещества Х со щелочью  возможно раскрытие цикла по схеме:

     Последняя стадия – альдольная конденсация. Метильные  протоны являются более кислыми, чем метиленовые.

     6.23. Конденсация этилового эфира 2,2-дихлор-3-оксо-3-метилпропионовой кислоты с основаниями в присутствии альдегидов протекает по схеме:

     В качестве побочных продуктов, из реакции выделяется производные 1,4-циклогександионов следующей структуры:

     -? Приведите возможный механизм  образования побочных продуктов. 

     Решение.

     Образования основного продукта реакции идет по схеме:

       Образования побочных продуктов идет через дихлорацильный анион:

     6.24. Реакцией с азотистоводородной кислотой кетоны превращаются в амиды.

     -? Предположите механизм реакции.

     -? Какие амиды получаются при протекании следующих реакций:

     Решение.

     6.25 Часто изонитрильную группу изображают в виде . отображает ли эта структура истинное распределение зарядов? Для ответа на этот вопрос рассмотрите следующую схему превращений:

     Известно, что Х – продукт конденсации.

     -? Напишите механизм реакции и  структурную формулу продукта  Х.

     -? Отражает ли формула изонитрильного соединения реальное распределение электронной плотности? 

     Решение.

     На  первой стадии происходит конденсация  по типу альдольной, где СН- кислотой является изоционид.

     Исходя  из общих соображений об электроотрицацельности, углерод - более электрофилен, чем азот, т.е. замыкание цикла атакой кислорода интермедиата атома углерода изоцианидной группы выглядит достаточно логично, а запись изонитрильной группы в виде R-N⁺≡C^- не отражает истинного распределения зарядов. 
 
 

     6.26. Приведите механизмы следующих реакций:

     Решение.

     6.27. Напишите разумные структуры для изомеров А и Б, образующихся в следующей реакции:

     Решение.

     Карбониевый ион, получающийся при отщеплении бензолсульфонатной группы от исходного соединения, относится  к типу гамоалиллного или неопентильного катиона.

     Соединение  Б -вероятно –продукт протекание перегруппировки  Вагнера-Меервейна:

     6.28. Если перокси эфир А, в котором карбонильный атом кислорода мечен ¹⁸О, подвергнуть серии превращений, показанных на схеме, то весь ¹⁸О будет обнаружен в бензиловом спирте. Перегруппировка А→Б представляет собой гетероциклическую реакцию и ее скорость резко возрастает при переходе от неполярного к полярному растворителю. Приведите механизм этой перегруппировки. Введение какого заместителя в бензаотную группу – п- нитро – или м –метокси – группы – вызывает  большее увеличение скорости?

     Решение.

     Реакция сходна с перегруппировкой Вагнера  – Меервейна и может быть представлена следующим образом:

     Для переходного состояния в этой реакции можно предложит три возможные структуры (а, б и в):

Распределение метки в продуктах реакции  следующее:

     Наличие всего меченого кислорода в бензиловым спирте, получающемся при восстановлением  сложного эфира б алиминогидридом лития, показывает, что реакция протекает по схеме (а) и, таким образом, карбонильная группа сохраняет свою индивидуальность при перегруппировке. Этот может происходить при промежуточном образовании очень тесной пары, в которой сложноэфирный атом кислорода ближе к образующемуся карбоний -ионному центру, чем карбонильный атом кислорода. При этом реакция протекает настолько быстро, что атомы кислорода не имеют возможности поменяться местами.

     Поскольку переходное состояние включает частичный  или полное образование аниона кислоты, то следует ожидать, что его стабилизация приведет к увеличению скорости реакции. Это должно наблюдаться при введении в бензольный цикл электроноакцепторного заместителя (NO₂-группы.). 
 

     6.29. Взаимодействие реактивов Гриньяра с карбонильными соединениями с последующим гидролизом промежуточное образующеюся аддукта используется в синтезе спиртов, например:

     Однако, на практике встречаются реакции, которые  не приводят к образованию ожидаемых  спиртов. Эти реакции известны под названиям «аномальные реакции Гриньяра.»