Электрофильное алифатическое замещение

Для реакций электрофильного замещения наиболее характерные группы, которые отщепляются и могут существовать в состоянии с незаполненной валентной орбиталью, для полного наполнения которой необходима электронная пара. В случае ароматических систем такой группой чаще всего является протон. В алифатических системах протон тоже может отщеплятся, но его подвижность зависит от кислотности. В алканах подвижность протона очень низкая, но электрофильное замещение легко проходит в тех положениях, где протон более кислый, например в $\alpha$-положении к карбонильной группе или при ацетиленовом атоме углерода. Особенно склонны к реакциям электрофильного замещения металлоорганические соединения, так как при этом образуются положительно заряженные ионы металлов. Важным типом электрофильного замещения является анионное расщепление, которое включает разрыв связи $C-C$, при котором нуклеофугом является углерод. Различают четыре основных механизма: $Sel$, $Se2$ (с фронта), $Se2$ (с тыла) и $Sei$.

Электрофильное замещение с участием атома азота

1. Электрофил может связываться не только с атомом углерода, но и с неразделенной парой электронов атома азота.

   
   
   Рисунок 1.

   Дальнейшее превращение продукта присоединения зависит от природы заместителя $Y$, и других групп связанных с азотом.

2. $N$-нитрозованние. При обработке вторичных аминов азотистой кислотой образуются $N$-нитрозосоединения:

   
   
   Рисунок 2.

   Механизм реакции $N$-нитрозирования подобный начальной стадии диазотирования. Поскольку водород у атома азота отсутствует, то такое соединение является достаточно устойчивым и реакция заканчивается на стадии образования нитрозопроизводной.

3. Прямой синтез диазосоединений.

   
   
   Рисунок 3.

   Если водород достаточно кислый, тогда при обработке тозилазидом в присутствии оснований удается напрямую получить диазосоединения. Эта реакция известна как реакция диазопереноса, которая пригодна и для других реакционноспособных положений, например в положение 5 в циклопентадиене. Считается, что реакция проходит по механизму:

   
   
   Рисунок 4.

Ацилирование пo алифатических атоме углерода

Рисунок 5.

Олефины можно ацилировать ацилгалогенидами в присутствии каталитического количества кислот Льюиса; по сути это реакция Фриделя-Крафтса при алифатических атомах углерода. Продукт может образовываться двумя путями. Начальная атака олефина ацил-катионом $RCO$ приводит к карбокатионам:

Рисунок 6.

Промежуточный карбокатион может терять протон или реагировать с хлорид-ионом. Если он теряет протон то сразу образуется ненасыщенный кетон. При реакции с хлорид-ионом продуктом является $\beta$-галогенкетон, который можно выделить. Галогенкетон в условиях реакции теряет $HCl$ и дает ненасыщенный кетон. В случае несимметричных олефинов ацил-катион атакует преимущественно то положение, при котором имеется больше атомов водорода, что согласуется с правилом Марковникова. Вместо ацилгалогенидов можно использовать ангидриды или же карбоновые кислоты в присутствии каталитического количества протонных кислот.

Галогенирования карбоновых кислот

$\alpha$-Водород в карбоновых кислотах можно заместить на бром или хлор, используя в качестве катализатора галогениды фосфора. Эта реакция носит название Гелл-Фольгарда-Зелинского. С йодом и фтором эта реакция не идет. Если в $\alpha$-положении есть два атома водорода, замещению подвергается один или два атома; правда иногда трудно остановить реакцию на стадии замещения первого водорода. В действительности реакция проходит не с кислотой, а с ацилгалогенидами, которые образуются по реакции кислоты с катализатором. Для реакции необходимо меньше одного моля катализатора на моль субстрата, поскольку проходит реакция обмена между кислотой и ацилгалогенидом. Каждая молекула кислоты подвергается $\alpha$-галогенированию на стадии образования ацилгалогенидов и галоген катализатора не попадают в $\alpha$-положение.

Например, если при хлорировании использовать как катализатор $PBr_3$, имеет место образование $\alpha$-хлор-производного. Сами же ацилгалогениды подвергаются галогенированию при отсутствии катализатора. Это же относится к ангидридов карбоновых кислот и к другим производным, которые легко енолизуются, например малонового эфира, алифатических нитропроизводных. Считается, что реакция проходит через образование енола. При использовании в качестве катализатора хлорсульфоновой кислоты карбоновые кислоты подвергаются также $\alpha$-йодированию.

Миграция двойных связей

Двойные связи во многих ненасыщенных соединениях испытывают смещение под действием сильных оснований. При этом чаще всего получают равновесные смеси с большим содержанием термодинамически стабильных изомеров. Миграции способствует возможность образования сопряженных систем двойных связей или сопряжения с ароматическим системой. При отсутствии указанных условий действует правило Зайцева и двойная связь мигрирует к тому атома углерода, содержащий наименьшее количество атомов водорода. Это дает возможность предположить, что олефины с конечным двойной связью могут изомеризироваться в олефины с неконцевой двойной связью, несопряженных олефины в сопряженные.

1. Реакции, которые носят название прототропних перегруппировок, служат примером электрофильного замещения, которое сопровождается алильной перегруппировкой. Их механизм заключается в отрыве протона основой с образованием резонансно стабилизированного карбанионы, который взаимодействует с протоном по тому положению, которое приводит к образованию более стабильного олефина:

   
   
   Рисунок 7.

   Тройная связь также может подвергаться миграции в присутствии оснований:

   
   
   Рисунок 8.

   Но при этом образуютсяя промежуточные неустойчивые диены, которые образуют побочные продукты.

   Как правило, под действием сильных оснований, таких как $NaNH_2$, алкины с неконцевой тройной связью превращаются в алкины с конечной тройной связью. В присутствии более слабых оснований, таких как $NaOH$, преобладают более термодинамически стабильные алкины с неконцевой тройной связью. Иногда реакцию удается остановить на стадии образования аллена, что позволяет использовать эту реакцию в препаративных целях.

2. Перегруппировки двойных связей также может проходить под действием кислот. В этом случае сначала имеет место захват протона с образованием карбокатионы, и следующий отрыв протона. Если в ненасыщенных молекуле содержится гидроксильная группа, она может терять протон, что приводит к образованию кетонов, например в присутствии полифосфорной кислоты имеет место реакция:

   
   
   Рисунок 9.