10.10: Превращение спиртов в алкилгалогениды

Этот урок посвящен превращению спиртов в соответствующие алкилгалогениды и механизму действия различных реагентов. Обычно гидроксильную группу сначала протонируют, чтобы превратить ее в стабильную уходящую группу. Следовательно, в зависимости от исходного спирта механизм следует одному из путей нуклеофильного замещения: S_N1 или S_N2. Третичные алкилгалогениды производятся с использованием двухэтапного механизма S_N1, происходящий через промежуточный карбокатион, который стабилизируется за счет гиперсопряжения. Однако для первичных спиртов протонирование гидроксильной группы приводит к согласованному пути S_N2. Вторичные спирты могут идти по любому механизму в зависимости от условий реакции.

Популярные реагенты, используемые для преобразования спиртов в соответствующие алкилгалогениды, включают галогениды водорода, такие как бромистый водород и хлористый водород. Однако, хотя с первым все просто, для второго требуется дополнительный катализатор, такой как хлорид цинка. Это катализирует превращение гидроксильной группы в уходящую группу лучшего качества, обеспечивая последующий путь S_N2. Другими реагентами выбора являются тионилхлорид и трибромид фосфора с аналогичным механизмом действия. В присутствии относительно слабых оснований, таких как пиридин/третичный амин, они образуют превосходную уходящую группу по сравнению с исходной уходящей группой воды.

Самый интересный класс реагентов — сульфонилы. Они реагируют со спиртами с образованием соответствующих мезилатов, тозилатов или трифлатов, что повышает их реакционную способность в реакции S_N2. У этих видов сульфонильной группе присуща резонансная стабилизация. Дополнительной резонансной стабилизации способствует бензольное кольцо тозильной группы, а дополнительную стабильность обеспечивает резко электроноакцепторный трифторметил в трифлате.

Стереохимия

Самое главное, что выбор реагента влияет на стереохимию образующегося продукта. Использование тионилхлорида приводит к инверсии конфигурации, тогда как тозилхлориды сохраняют хиральную конфигурацию в исходном спирте.

Спирты вступают в реакцию с галогенидами водорода с образованием соответствующих алкилгалогенидов.

В механизме первым шагом является протонирование гидроксильной группы. Впоследствии, в то время как третичные спирты взаимодействуют через механизм S_N1, первичные спирты предпочитают путь S_N2. Вторичные спирты могут протекать по любому из этих механизмов, где предпочтение определяется условиями реакции.

Вспомним, что механизм S_N1 происходит последовательно: потеря уходящей группы с последующей нуклеофильной атакой. Поскольку эта реакция протекает через промежуточный продукт карбокатиона, она подходит для третичного карбокатиона, который стабилизируется за счет гиперконъюгации.

Для первичных спиртов протонирование гидроксильной группы приводит к механизму S_N2. _Однако, в то время как механизм S N 2 прост с бромистым водородом, хлористый водород нуждается в дополнительном катализаторе — хлориде цинка.

Хлорид цинка, будучи ионным, ограничен водорастворимыми спиртами. Он преобразует их гидроксильную группу в лучшую уходящую группу, обеспечивая последующий процесс S_N2.

Более распространенным процессом для первичных спиртов является использование тионилхлорида. Первичный спирт взаимодействует с тионилхлоридом в присутствии пиридина или третичного амина, который образует соответствующий промежуточный продукт алкилхлорсульфита.

В результате, промежуточный продукт несет отличную уходящую группу — хлорсульфит, а не плохую уходящую группу, как вода. В дальнейшем при нуклеофильном замещении хлоридом образуется соответствующий алкилгалогенид. Бромирование трибромидом фосфора происходит по тому же пути.

Аналогичным образом, первичный и вторичный спирты реагируют с сульфонилами в присутствии пиридина с образованием соответствующих реакционноспособных продуктов. В данном случае анион сульфоната представляет собой слабое основание, дополнительно стабилизируемое резонансом, распространяющимся на замещенное ароматическое кольцо, что делает анион тозилата отличной уходящей группой для реакций S_N2. Впоследствии в результате реакции с галогенидом водорода образуются алкилгалогениды.

Интересно, что выбор реагента определяет стереохимию. В то время как тионилхлорид инвертирует хиральную конфигурацию нативного спирта, тозилхлориды сохраняют хиральную конфигурацию. В последнем случае алкоголь сначала подвергается инверсии, превращаясь в тозилат, а затем подвергается еще одной инверсии с механизмом S_N2.