27.3. Галогенирование кетонов, промотируемое основаниями

а) Кинетические данные. Ацетон реагирует с бромом, образуя бромацетон; реакция ускоряется основаниями (например, гидроксил-ионом, ацетат-ионом и т. д.).

Изучение кинетики показывает, что скорость реакции зависит от концентрации ацетона и основания и не зависит от концентрации брома-.

С ситуацией подобного рода мы уже встречались в разд. 14.12; поскольку скорость реакции не зависит от то отсюда однозначно следует, что не принимает участия в реакции, скорость которой измеряют.

Кинетика вполне согласуется со следующим механизмом: основание медленно отрывает протон [стадия (1)] от ацетона, давая карбанион I,

который далее быстро реагирует с бромом [стадия (2)] и приводит к бромацетону.

Стадия (I), генерация карбаниона, является лимитирующей, поскольку ее скорость определяет суммарную скорость всей последовательности реакций. Как только образуются карбанионы, они немедленно захватываются молекулами брома.

Убедительные данные в пользу такой интерпретации следуют из изучения кинетики иодирования. В этом случае скорость реакции также зависит от концентраций ацетона и основания, но не зависит от концентрации иода. Кроме того (и это более существенно), при данной концентрации ацетона и бромирование и иодирование протекают с одинаковыми скоростями. Это означает, что в уравнении скорости реакции

константа сохраняет свое значение независимо от природы галогена. Конечно, именно этого и следовало ожидать в соответствии с предлагаемым механизмом, поскольку в обоих случаях константа скорости относится к одной и той же реакции — отрыву протона от кетона.

Все сказанное пока доказывает лишь одно: ацетон и основание медленно реагируют, образуя некий интермедиат, который далее реагирует быстро с галогеном. Если учесть, что в реакции принимает участие основание, то наиболее вероятным интермедиатом является карбанион. Однако можно себе представить и другие возможности: например, можно предположить, что основание, выступая в роли нуклеофила, присоединяется к углероду карбонильной группы (известная реакция), а этот интермедиат каким-то образом реагирует далее с галогеном.

б) Стереохимические доказательства. Приведенные ниже доказательства показывают более определенно, что атакуется -углеродный атом. Если оптически активный кетон, -втор-бутилфенилкетон, поместить в раствор, содержащий основание, то вскоре раствор теряет свою оптическую активность. Получается оптически неактивный -втор-бутилфенилкетон — кетон рацемизовался.

Потеря оптической активности означает, что должна была разорваться связь с асимметрическим атомом углерода. Образование карбаниона удовлетворяет этому требованию. Отрыв протона основанием дает карбанион, который в этом случае (разд. 27.4) является плоским. В отсутствие реагента типа брома единственное, что может сделать карбанион, это оторвать обратно протон от молекулы Но протон может присоединиться с любой из сторон карбаниона и в зависимости от этого дать тот или иной энантиомер (рис. 27.1). Если вероятность присоединения с обеих сторон одна и

та же, как этого следует ожидать, то энантиомеры будут образовываться в одинаковых количествах. Поэтому при регенерации кетона из карбаниона он будет получаться в форме рацемической модификации.

Реакция, которую мы описали только что как наиболее вероятный путь рацемизации, является именно реакцией образования карбаниона, которая была предположена нами выше как лимитирующая стадия в галогенировании.

Рис. 27.1. Рацемизация сопряженного карбаниона. Протон присоединяется с любой из сторон плоского карбаниона — по пути а или б, давая энантиомеры в равных количествах.

В полном соответствии с этим объяснением находится тот факт, что константы скорости рацемизации и бромирования данного кетона равны друг другу.

(см. скан)

в) Данные, полученные при помощи изотопных меток. Последнее звено в цепи доказательств служит прямым доказательством того, что отщепление -водородного атома является лимитирующей стадией галогенирования.

Когда оптически активный втор-бутилфенилкетон оставляют стоять в тяжелой воде содержащей основание то выделяемый обратно кетон не только не обладает оптической активностью, но также содержит дейтерий в -положении.

Более того, скорость обмена протия на дейтерий в кетоне идентична скорости рацемизации:

Скорость рацемизации скорость обмена

Таким образом, имеются исчерпывающие доказательства того, что молекула теряет конфигурацию в результате отщепления иона водорода. Когда же карбанион захватывает обратно ион водорода, то, во-первых, этот ион водорода статистически равновероятно может атаковать любую из сторон карбаниона и, во-вторых, этот ион водорода (также в силу статистических причин) почти наверняка будет ионом дейтерия, поскольку кислота (растворитель) является почти чистой

Установив таким образом, что карбанион образуется в качестве интермедиата при рацемизации и обмене водорода, и зная взаимозависимость между рацемизацией и галогенированием, можно сделать вполне обоснованное заключение, что карбанион является интермедиатом также и в реакции галогенировании.

(см. скан)