Реакционная способность насыщенных углеводородов (реакции SR у С sp3).

В насыщенных углеводородах - алканах и циклоалканах - имеются только sp³-гибридизованные атомы углерода. Представители алканов и циклоалканов приведены в табл. 3.1. Для этих углеводородов характерны неполярные C_sn3-C_sn3 и практически неполярные C_sp3-H σ-связи,

sp sp sp

обладающие достаточной прочностью (см. табл. 2.1), что объясняет инертность алканов в большинстве гетеролитических реакций.

Алканам свойственны радикальные реакции замещения S_R. Аналогично ведут себя обычные циклоалканы, содержащие 5-7 атомов углерода в цикле.

Циклопропан по реакционной способности напоминает ненасыщенные соединения. Так, он реагирует с галогеноводородами с расщеплением трехчленного цикла.

Циклобутан гораздо устойчивее циклопропана, но и для него известны реакции с раскрытием цикла.

В условиях организма важнейшими реакциями по связи С-Н являются химические процессы с участием окислителей (см. 3.1.1).

Взаимодействие органических соединений с молекулярным кислородом служит типичным примером радикальных процессов.

Таблица 3.1. Насыщенные углеводороды

реагировать с соединениями, содержащими связи С-Н, по радикальному механизму с образованием гидропероксидов или продуктов их дальнейших превращений.

Производные пероксида водорода, в котором один или два атома водорода замещены органическим радикалом, называют гидропе- роксидами и пероксидами соответственно.

В целом насыщенные углеводороды являются наиболее трудно окисляющимися органическими соединениями. Для их окисления необходимы жесткие условия (например, горячая хромовая смесь); более мягкие окислители на них не действуют. Однако в условиях организма окисление с участием связи С-Н является составной частью ряда химических процессов, например, пероксидного окисления липидов (см. Приложение 10-2). Для осуществления этих реакций важно начальное появление в системе свободных радикалов, которые могут возникать в результате взаимодействия ионов металлов переменной валентности (Fe²⁺ и др.) либо с молекулярным кислородом, либо с гидропероксидами.

С участием образовавшихся радикальных частиц (обозначим их Х') начинаются и развиваются обычные стадии цепного процесса

Способность связи С-Н к окислению увеличивается, если она расположена рядом с двойной связью или ароматическим кольцом. В реакциях с кислородом наиболее активны связи С-Н у третичного атома углерода и особенно у атома углерода, находящегося в соседнем положении с двойной связью в аллильном или бензильном фрагментах соответствующих соединений.

Образующиеся in vivo алкилпероксильные радикалы RO-O^. сравнительно малоактивны, поэтому они довольно избирательно вступают в последующие реакции, атакуя, например, лишь связи С-Н в аллильном фрагменте (если он имеется в молекуле) и связи О-Н в некоторых фенолах. В случае фенолов образуются еще менее активные арилоксильные радикалы ArO^., уже не способные реагировать с новой молекулой субстрата RH, и соответственно на этом прерывается развитие цепного процесса. В таком случае говорят об антиоксидантном действии фенолов (см. 15.5).

Окисление под действием атмосферного кислорода называется автоокислением. Следствием автоокисления часто бывает порча пищевых продуктов при хранении.

Примером автоокисления служит образование гидропероксидов при стоянии на свету и воздухе широко используемого в медицин- ской практике диэтилового эфира. Кислород атакует в молекуле диэтилового эфира прежде всего связи С-Н, находящиеся в α-положении к эфирному атому кислорода.

Гидропероксиды и пероксиды легко взрываются, поэтому перед употреблением эфира следует убедиться в отсутствии в нем гидро- пероксидов. Для этого проводят пробу с раствором иодида калия в разбавленной уксусной кислоте. Появление желтой окраски свидетельствует о присутствии гидропероксидов.

20. Электрофильное замещение (S_E) в ароматических углеводородах. Реакции галогенирования, нитрования, сульфирования, алкилирования, ацилирования.

Ароматическим углеводородам бензольного ряда (аренов) (табл. 3.3) свойственны реакции, не приводящие к нарушению ароматической системы, т. е. реакции замещения. Арены не склонны вступать в реакции присоединения или окисления, ведущие к нарушению ароматичности.

По этой причине при окислении гомологов бензола и других ароматических соединений в жестких условиях (нагревание с пер- манганатом калия или дихроматом калия в кислой среде) окисляются только боковые углеводородные радикалы. Отметим, что более низкая токсичность толуола по сравнению с бензолом объясняется именно легкостью его окисления in vivo в бензойную кислоту.

Окисление непосредственно бензольного цикла с его раскрытием и получением малеинового ангидрида осуществляется в чрезвычайно жестких условиях (достаточно обратить внимание на температуру!).

Таблица 3.3. Ароматические соединения бензольного ряда

Наиболее типичные для ароматических соединений реакции электрофильного замещения S_E приведены на примере бензола на схеме 3.2.

Схема 3.2. Реакции электрофильного замещения в бензоле

Общее описание механизма реакций электрофильного замещения S_E.

Наличие π-электронной плотности с двух сторон плоского ароматического цикла (см. 2.3.2) ведет к тому, что бензольное кольцо является нуклеофилом и в связи с этим склонно подвергаться электрофильной атаке. В общем виде реакции замещения протона в бензольном коль- це на другие электрофилы можно представить следующим образом:

Механизм таких реакций включает ряд общих стадий. Первичной стадией является генерирование электрофильной частицы. Она обычно образуется путем взаимодействия реагента EY с катализатором и может представлять собой либо электронодефицитную часть поляризованной молекулы реагента Ε^δ+-Υ^δ-, либо частицу Е+ с полным положительным зарядом (после гетеролитического разрыва связи).

Предполагают, что электрофильная частица, атакуя ароматический субстрат, сначала образует нестойкий π-комплекс, в котором она одновременно связана со всеми π-электронами ароматической системы.

Наиболее важна стадия образования σ-комплекса (самая медленная стадия реакции). Электрофил «забирает» два электрона π-системы и образует σ-связь с одним из атомов углерода бензольного кольца. В σ-комплексе ароматичность нарушена, поскольку один из атомов углерода кольца перешел в sp³ -гибридизованное состояние. Некоторые σ-комплексы удалось выделить в индивидуальном виде.

На последней (быстрой) стадии реакции происходит отщепление протона от σ-комплекса. Ароматическая система восстанавливается (недостающая до секстета пара электронов возвращается в бензо-

льное ядро). Отщепляющийся протон связывается с нуклеофильной частью реагента.

Алкилирование. Арены вступают в реакции алкилирования при участии комплексов алкилгалогенида с галогенидами металлов - AlCl₃, FeCl₃, ZnCl₂ и др.

Реакция алкилирования представляет собой общий способ получения гомологов бензола - алкилбензолов.

Алкилирование часто не останавливается на стадии монозамещения и протекает дальше, поскольку введение первой алкильной группы в молекулу бензола активирует ее в реакциях электрофильного замещения.

В реакциях алкилирования помимо алкилгалогенидов могут быть использованы и другие источники карбокатионов - алкены и спирты (в кислой среде).

Галогенирование. Замещение свободным хлором или бромом в бензоле непосредственно не происходит, например, бензол не обесцвечивает бромную воду. Реакция проходит только в присутствии катализаторов, в частности FeCl₃.

В качестве электрофила выступает либо комплекс галогена с FeCl₃, в котором связь между атомами галогена сильно поляризована,

либо катион галогена, образовавшийся в результате диссоциации этого комплекса.

Сульфирование. Бензол сульфируют дымящей серной кислотой, содержащей избыток растворенного в ней оксида серы(VI).

Сульфогруппа может легко удаляться из бензольного ядра, что используется в синтезе бактерицидных препаратов. Так, наиболее общий способ получения фенолов основан на сплавлении ароматических сульфоновых кислот со щелочами.