3.2.1. Гомолитическое замещение водорода

3.2.1.1. Прямое галогенирование

Процесс галогенирования может быть расчленен на стадии, представленные уравнениями (1) — (4), рядом приведены изменения энтальпии на каждой стадии реакции метана с соответствующим галогеном. Эти данные иллюстрируют некоторые из проблем, возникающих при прямом галогенировании, и частично объясняют различия, которые наблюдаются при реакциях каждого галогена с углеводородами.

Стехиометрия цепной реакции (4) представляет собой алгебраическую сумму стадий роста цепи (2) и (3), и поэтому общее изменение энтальпии при галогенировании метана представляет собой сумму стадий (2) и (3). Очевидно, что наблюдаемые при галогенировании различия в изменении энтальпии очень важны, некоторые следствия этого будут обсуждены ниже.

(1) Селективность галогенирования.

Рассмотрим ряд факторов, влияющих на селективность реакции:

(а) Природа переходного состояния при отрыве водорода. Переходные состояния в этом случае могут быть представлены несколькими возможными типами:

Согласно постулату Хэммонда, переходное состояние в сильно экзотермичных реакциях близко к начальному состоянию, т. е. разрыхление связи невелико, и, следовательно, природа этой связи мало влияет на течение реакции. Только в случае фтора стадия отрыва атома водорода галогеном из углеводорода является экзотермичной и, соответственно, фторирование относится к наименее селективным реакциям галогенирования.

(б) Структура радикала, образующегося в результате отрыва атома водорода. Этот фактор играет наиболее важную роль в тех реакциях, в которых переходное состояние сходно с продуктами реакции, т. е. при сильно эндотермичном галогенировании, и объясняет, хотя бы частично, хорошо известный порядок галогенирования .

(в) Полярные эффекты. Поскольку атака атомом галогена является электрофильным процессом, то большая реакционная способность третичного водорода обусловлена алкильными группами, которые, являясь донорами электронов, могут повышать электроннную плотность в этом положении: .

Простым примером влияния полярных факторов может служить сравнение активности метильного радикала и атома хлора в реакции с пропионовой кислотой [16]. Очевидно, что атака более электрофильного атома хлора при -положении к карбоксильной группе будет ингибироваться.

Аналогично, присутствие атомов галогена в углеводородной цепи ингибирует дальнейшее галогенирование в соседние положения [1а]. Например, при хлорировании 1-хлорбутана при и -трифторпентана при хлором продукты монохлорирования распределяются следующим образом:

Эти результаты ясно показывают, что для получения высших полигалогенированных производных требуются более жесткие условия.

(г) Образование мостиков между соседними атомами [17, 18]. В принципе при замещении очень быстро должна протекать инверсия радикала, однако в некоторых случаях наблюдается стереоселективность, например бромирование (1) по схеме (5) приводит к оптически активным продуктам.

Проще всего можно было бы объяснить этот результат тем, что промежуточный радикал имеет очень малое время жизни и реагирует с бромом с большей скоростью, чем скорость инверсии. Однако были получены данные, которые заставляют думать, что стереоселективность может быть обусловлена образованием атомами брома или хлора мостика с соседним радикальным центром. Особенно убедительные доказательства в пользу образования мостика найдены в случае циклогексановой системы (2), при бромировании которой был получен диаксиальный продукт (3) [схема (6)].

(д) Растворитель. Хотя растворители влияют на течение гемолитических реакций существенно слабее, чем на гетеролитические процессы, однако они могут существенно влиять на селективность галогенирования. Это связано с тем, что некоторые растворители ведут себя как слабые акцепторы и способны образовывать комплексы с атомами галогена, что уменьшает экзотермичность стадии отрыва водорода и повышает селективность процесса. Так, сероуглерод образует комплексы с хлором, что приводит к увеличению селективности при хлорировании 2,3-диметилбутана. Из данных, приведенных в табл. 3.1, можно видеть, что селективность реакции с увеличением концентрации сероуглерода возрастает [10].

Таблица 3.1. Хлорирование 2,3-диметилбутна в присутствии при [1, р. 568]

(2) Селективность при простом фторировании [18а].

Поскольку фторирование относится к экзотермичным реакциям, не удивительно, что число примеров селективного образования связи ограничено. Однако удивительно, что фторирование адамантанов и стероидов свободными фтором или [19, 20] протекает с высокой селективностью [схемы (7), (8)].

Ингибиторы радикальных процессов, подавляя некоторые реакции, в то же время увеличивают их селективность. Эти факты являются сильным доводом в пользу одновременного протекания в таких системах гомолитических и гетеролитических процессов. Фотофторирование аланина приводит к аланину (4) [уравнение , входящему в состав противомикробного препарата, который, согласно [21], vitro и vivo эффективен против различных типов бактерий.