3.3. Электрофильные углеродные частицы

Хотя существует несколько важных радикальных реакций, приводящих к образованию углерод-углеродной связи (например, арилирование, разд. 2.4.1), подавляющее большинство лабораторных методов соединения двух атомов углерода представляют собой реакции электрофилов и нуклеофилов, как это показано на схеме (3.2) или в одном из ее вариантов [(3.4) - (3.6) ]. В этой главе до сих пор мы лишь в самых общих чертах знакомились с этими процессами; сейчас же уделим внимание функциональным группам и другим особенностям молекул, которые обеспечивают электрофильный или нуклеофильный характер одного или нескольких атомов углерода.

3.3.1. Алкилирующие реагенты

Одной из первых реакций, с которой знакомятся большинство студентов при изучении органической химии, является нуклеофильное замещение в алкилгалогенидах (разд. 2,7,3, схема 2.10), поэтому читателю данной книги вряд ли нужно напоминать, что алкилгалогениды взаимодействуют с нуклеофилами благодаря отрицательному индуктивному эффекту галогена. В результате этого эффекта атом углерода, связанный с галогеном, становится электронодефицитным, т. е. электрофильным (см. Сайке, с. 37). Особенности механизма и стереохимии этих реакций, в частности отличие мономолекулярного -механизма (3.9) от бимолекулярного -мexaнизма (3.10), также должны быть известны большинству читателей (см. Сайке, гл. 4):

Для дальнейшего изложения в этой книге не обязательно различать механизмы поэтому мы представим реакцию алкилгалогенида с нуклеофилом просто следующим образом:

опуская при этом детали механизма. Поскольку в результате нуклеофил связывается с алкильной группой, говорят, что он

оказывается алкилированным, а весь процесс называют алкилированием.

В приведенных выше примерах X — галоген. Однако не только алкилгалогениды могут быть хорошими алкилирующими реагентами. Если любая другая связь достаточно поляризована, а анион стабилен и при этом не является ни сильным нуклеофилом, ни сильным основанием (т. е. представляет собой анион сильной кислоты), возможно нуклео-фильное замещение. Чаще всего наряду с алкилгалогенидами используют алкильные эфиры сульфокислот, особенно метан-сульфонаты (мезилаты, 3) и толуол--сульфбнаты (тозила-ты, 4). Для метилирования довольно часто применяют диме-тилсульфат (5). Один из наиболее сильных метилирующих агентов — метилфторсульфонат («волшебный метил», 6), однако он высокотоксичен.

Эфиры карбоновых кислот не являются эффективными алкилирующими реагентами, поскольку нуклеофилы реагируют преимущественно по карбонильной группе

(разд. 3.3.2). Спирты и простые эфиры (и их серусодержащие аналоги) также неэффективны как алкилирующие агенты, так как и представляют собой плохие уходящие группы (т. е. они не отвечают критериям, рассмотренным в предыдущем разделе). Оксираны (эпоксиды),например , могут выступать в качестве алкилирующих реагентов, несмотря на то что они не имеют хорошей уходящей группы так как реакция с нуклеофилом включает раскрытие цикла следовательно, уменьшает напряжение [реакция (3.11)].

Протонированные спирты (8) и эфиры (9), а также соли диазония (10) могут служить источниками карбениевых ионов а следовательно, потенциально могут быть алкилирующими агентами, но их образование, как правило, требует кислой среды, в которой углеродные нуклеофилы протонируются и становятся неактивными. Тем не менее соли триалкилоксония (11), например триметил- и триэтилоксонийфторбораты, являются сильными алкилирующими агентами. При этом интересна отметить, что триалкилсульфониевое соединение, -аденозил-метионин (12), — один из главных природных метилирующих агентов.

3.3.2. Карбонильные соединения

Читателю должен быть известен электрофильный характер карбонильных соединений и вытекающая из этого реакционноспособность таких молекул по отношению к нуклеофиам (см. Сайке, гл. 8). Углеродный атом карбонильной группы становится электрофильным в основном благодаря электроноакцепторному мезомерному эффекту кислорода; в то же время его электрофильность зависит от электронодонорной или электроноакцепторной способности других связанных с ним атомов или групп. Реакционная способность карбонильных соединений убывает в следующем порядке: Реакция карбонильных соединений с углеродными нуклеофилами может быть представлена следующей схемой:

Первоначально образующийся анион 13 может подвергнуться в дальнейшем одному из трех преаращений:

1. Если X — уходящая группа (т. е. образует стабильный анион), она удаляется в виде Конечный результат реакции -замещение группы X углеродным нуклеофилом; он связывается с ацильной группой, т. е. прошло ацилирование,

2. Если X не является уходящей группой, то анион 13 как бы «подбирает» протон из реакционной среды либо немедленно (если реакция проводится в протонном растворителе), либо в процессе обработки реакционной смеси. В таких случаях конечным результатом будет присоединение по карбонильной друппе:

3. Если X не является уходящей группой, а продукт присоединения (14) содержит подвижный водород, смежный с гидроксильной группой, за нуклеофильным присоединением может последовать отщепление воды [реакция (3.15)]. Такой процесс присоединения — отщепления называется реакцией конденсации.

Все эти реакции будут более подробно рассмотрены в гл. 4, 5 и 7,

3.3.3. Электрофильные азот-углеродные реагенты

Можно ожидать, что соединения, содержащие двойные связи должны быть подобны карбонильным соединениям в реакциях с нуклеофилами. Действительно, имины взаимодействуют с нуклеофилами [реакция (3.16)] в соответствии с этим предположением, однако такие реакции, как правило, имеют гораздо меньшее значение, чем соответствующие реакции карбонильных соединений. Однако если азот положительно заряжен, углерод приобретает высокую электрофильность: нуклеофильное присоединение к иминиевым солям [реакция (3.17)] — это ключ к важным синтетическим процессам, таким, как реакции Манниха и Вильсмейера — Хаака-Арнольда (разд. 5.4.3 и 5.4.2).

Соединения с цианогруппой также ведут себя как электрофилы [реакция (3.18)], причем нуклеофильное присоединение к таким соединениям приводит к образованию анионов иминов. Сами по себе свободные имины часто нестабильны, они гидрализуются до карбонильных соединений (см. Sykes, pp. 238- 239).

3.3.4. Электрофильные алкены

Казалось бы, не следует ожидать, что алкены, будучи электронообогащенными частицами, будут электрофилами: общеизвестно, что алкены являются нуклеофилами и реагируют с электрофилами. Однако если атом углерода, смежный с двойной связью, является электрофильным, то атака нуклеофила может пройти не только по нему, но и по противоположному концу двойной связи, как это показано на схемах (3.19) и (3.20) (см. Сайке, с. 194).

3.3.5. Карбены

Эти нейтральные злектронодефицитные частицы являются сильными электрофилами (см. Сайке, сс. 249, 268) и представляют интерес в основном из-за реакций с алкенами (разд. 7.2.3) и электронообогащенными аренами (разд. 5.4.2).