Спирты как слабые OH-кислоты

Образование межмолекулярной водородной связи в газовой и конденсированной фазе определяет различие в кислотности первичных, вторичных и третичных спиртов.

В водном растворе и конденсированной фазе кислотность уменьшается в ряду:

В таблице 1 приведены величины pKa некоторых спиртов, которые наглядно иллюстрируют уменьшение кислотных свойств при переходе от первичных к третичным спиртам.

Существует два различных объяснения влияния заместителей на кислотные свойства спиртов. Одно из них, наиболее традиционное, основано на индуктивном дейстии заместителей. Атом галогена, находящийся при -углеродном атоме спирта, обладает ярко выраженным -I эффектом. Последний поляризацией связей На1-С, С-С, С-0 приводит к поляризации гидроксильной группы и увеличению эффективного положительного заряда на атоме водорода гидроксильной группы. Поляризация гидроксильной группы способствует более легкой диссоциации с образованием алкоголят-аниона и протона. Поэтому р-хлорэтанол должен проявлять свойства более сильной кислоты, чем этанол, а -фторэтанол должен быть более сильной кислотой, чем р-хлорэтанол, так как фтор обладает более сильным -I эффектом, чем хлор. По этой самой причине 2,2,2-трифторэтанол, содержащий три атома фтора, должен быть гораздо более сильной кислотой, чем монофторэтанол. Данные, представленные в таблице 1, согласуются с такой интерпретацией.

Таблица 1. Кислотность спиртов в водном растворе

ROH	pKa	ROH	pKa
(CH3)3COH	18,0	FCH2CH2OH	13,9
(CH3)2CHOH	17,1	CF3CH2OH	12,4
CH3CH2OH	15,9	CF3CH2CH2OH	14,6
CH3OH	15,5	CF3CH2CH2CH2OH	15,4
HOH	15,7	(CF3)3COH	5,4
ClCH2CH2OH	14,3

Индуктивный эффект имеет тенденцию к затуханию, если атом галогена более удален от гидроксильной группы. Действительно, 3,3,3-трифторпропанол оказывается более слабой кислотой, чем трифторэтанол, а 4,4,4-трифторбутанол практически не отличается по кислотности от незамещенного первичного спирта. Другое объяснение изменения кислотности спиртов никак не связано с индуктивным влиянием заместителей. Это объяснение основывается на стабильности алкоголят-анионов, образующихся при диссоциации спиртов. Анионы 2-фторэтанола и, особенно, 2,2,2-трифторэтанола гораздо более стабильны, чем незамещенный этилат-ион, так как положительный конец диполя связи C^+d-F^-d расположен ближе к отрицательно заряженному атому кислорода, чем его отрицательный конец. Поэтому электростатические силы притяжения преобладают над отталкиванием двух одноименно заряженных частиц, а это стабилизирует анион F₃ССН₃СO^- по сравнению с анионом СН₃СН₂СO^-

Приведенное объяснение носит название "эффекта поля" и оно не требует привлечения особых, часто умозрительных химических понятий типа нуклеофильного, мезомерного и других эффектов. Алкильные группы, обладающие +I эффектом, дестабилизируют алкоксид-ион и рКа третичного бутилового спирта в воде выше, чем для первичных и вторичных спиртов.

Спирты как слабые ОН-кислоты реагируют со щелочными, щелочноземельными металлами, алюминием, галлием, таллием с образованием ионных или ковалентных алкоголятов.

Алкоголяты могут быть получены при действии на спирты сильных оснований - гидридов или амидов щелочных или щелочноземельных металлов, а также реактивов Гриньяра.

Спирты проявляют свойства не только слабых кислот, но и слабых оснований Льюиса, т.е. они обладают амфипротонными свойствами. Как основания Льюиса спирты образуют донорно-акцепторные комплексы с галогенидами и оксигалогенидами фосфора, серы или с другими кислотами Льюиса. С сильными минеральными кислотами спирты образуют соли алкоксония. На этих свойствах основаны многие важные реакции замещения гидроксильной группы на галоген, дегидратации и этерификации спиртов с помощью органических и минеральных кислот и их производных.

2. Замещение гидроксильной группы на галоген

Замещение гидроксильной группы на галоген относится к числу наиболее важных реакций органического синтеза. Существует большое число методов замены гидроксильной группы на галоген. Они различаются регио- и стереоселективностью, а выходы спиртов коляблются в весьма широких пределах.

А. Получение алкилгалогенидов из спирта и галогеноводородов

Реакционная способность галогеноводородов уменьшается в ряду

Скорость реакции с HF слишком мала для прямого превращения спиртов в алкилфториды. Скорость реакции замещения резко снижается в ряду

.

Для получения третичных алкилгалогенидов обычно достаточно насытить третичный спирт газообразным галогеноводородом при 0-10^о или обработать водной соляной или бромистоводородной кислотами в течение короткого времени при 0-20^о. Для получения первичных и вторичных алкилбромидов и алкилиодидов обычно требуется нагревание смеси спирта, концентрированной бромистоводородной кислоты и концентрированной серной кислоты в течение нескольких часов. Вместо концентрированных водных растворов HBr можно использовать бромиды натрия и калия и концентрированую серную кислоту.

Спирты как слабые основания Льюиса при протонировании образуют соли алкоксония. Протонирование гидроксильной группы превращает плохую уходящую группу OH в хорошую уходящую группу - воду.

Механизм последующего нуклеофильного замещения зависит от природы радикала спирта. Для первичных спиртов реализуется S_N2 - механизм замещения воды в катионе алкоксония на галоген.

Хлорид-ион в гидроксилсодержащих растворителях сильно сольватирован и проявляет свойства более слабого нуклеофила по сравнению с бромид- и иодид-ионами. Поэтому для получения алкилхлоридов при взаимодействии первичных спиртов с соляной кислотой используют электрофильный катализатор - безводный хлорид цинка. Смесь соляной кислоты и хлорида цинка носит название реактива Лукаса. Хлорид цинка как жесткая кислота Льюиса координируется по атому кислорода, облегчая тем самым замещение гидроксильной группы.

Реакционная способность спиртов по отношению к реактиву Лукаса уменьшается в ряду

Третичные и, по-видимому, вторичные спирты взаимодействуют с галогеноводородами по механизму S_N1 с образованием карбокатиона в качестве интермедиата. При этом в реакционной смеси в высокой концентрации находится галогенид-ион - более сильный нуклеофильный агент, чем вода. Поэтому карбокатион стабилизируется не выбросом протона или рекомбинацией с молекулой воды, а взаимодействием с галогенид-ионом как наиболее сильным нуклеофилом.

Характерной особенностью процессов с участием карбокатионов являются перегруппировки. Эта реакция может также сопровождаться перегруппировками. Атом водорода при соседнем атоме углерода может мигрировать в виде гидрид-иона к карбокатионному центру. Это смещение называется 1,2-гидридным сдвигом. Роль подобным перегруппировок возрастает тогда, когда в результате гидридного сдвига образуется более стабильный карбокатион.

Так, например, при нагревании 3-метилбутанола-2, насыщенного газообразным бромистым водородом, в качестве единственного продукта реакции образуется 2-бром-2-метилбутан вместо нормального продукта замещения гидроксила на бром - 2-бром-3-метилбутан. Ниже приведена предполагаемая последовательность превращений, включающая изомеризацию вторичного крбокатиона в более стабильный третичесый карбокатион за счет 1,2-гидридного сдвига.

Перегруппировка может наблюдаться и в том случае, если два карбокатиона близки по стабильности. При нагревании с бромистоводородной кислотой пентанол-2 и пентанол-3 образуют смесь 2-бром- и 3-бромпентана за счет перегруппировки двух вторичных карбокатионов.

Перегруппировка может происходить не только за счет 1,2-миграции гидрид-иона, но также в результате скелетной изомеризации, когда мигрирует алкильная группа. Так, например, если структурные факторы способствуют образованию третичного карбокатиона, первичный спирт претерпевает перегруппировку Вагнера-Меервейна.

Пентанол-1 в тех же условиях образует только 1-бромпентан без продуктов перегруппировки и это превращение протекает по S_N2-механизму. Однако первичные спирты с разветвленной цепью дают некоторое количество изомерного галогенида.

Таким образом, замещение гидроксильной группы спиртов на галоген под действием галогеноводородов без изомеризации осуществляется только для третичных спиртов и нормальных алканолов-1. Для получения индивидуальных алкилгалогенидов из спиртов, способных к изомеризации, следует применять другие методы.

Б. Получение алкилгалогенидов из спиртов и галогенидов фосфора

Для превращения спиртов в алкилгалогениды применяют различные тригалогениды, пентагалогениды и оксигалогениды фосфора: PBr₃, PCl₅, PCl₃, POCl₃, PI₃ (получается из красного фосфора и иода непосредственно во время реакции). Для получении первичных и вторичных галогенидов на три моля спирта можно расходовать только один моль трехбромистого или трехиодистого фосфора.

Механизм замещения гидроксильной группы первичных или вторичных спиртов на бром или иод в реакциях с PBr₃ или PI₃ в точности не установлен. Наиболее разумное предположение заключается в том, что первоначально из спирта образуется трииалкилфосфит (RO)₃P и три молекулы HX. Далее происходит постадийное нуклеофильное замещение фосфитной группировки в протонированной форме фосфита под действием галогенид-иона.

Замещение двух других фосфитных группировок происходит по аналогичному механизму. Реакция катализируется третичными аминами: пиридином, N,N-диметиланилином, триэтиламином и др. и для вторичных спиртов сопровождается 100%-ной инверсией конфигурации асимметрического атома углерода. Принимая во внимание, что PI₃ не стабилен даже при 20^оС, замещение гидроксильной группы на иод проводят при взаимодействии первичного или вторичного спирта, красного фосфора и иода.

При обработке первичных спиртов PCl₃ образуются соответствующие диалкилфосфиты и лишь одна молекула спирта превращается в алкилхлорид; вторичные спирты при этом, в основном, дегидратируются.

Предполагают, что сначала образуется триалкилфосфит, который только частично расщепляется выделяющимся хлористым водородом.

Если проводить эту реакцию в присутствии оснований, связывающих выделяющийся хлористый водород, то образуются только триалкилфосфиты.

Вторичные спирты в реакции с PCl₃ подвергаются, главным образом, дегидратации с образованием алкенов. Это неудивительно, если принять во внимание, что галогениды и оксигалогениды фосфора проявляют свойства типичных кислот Льюиса, способствующих этому нежелеательному процессу.

Замещение гидроксильной группы под действием РВгз и других галогенидов и оксигалогенидов фосфора происходит с инверсией конфигурации у асимметрического атома углерода, связанного с гидроксильной группой и часто сопровождается перегруппировками. Так, пентанол-3 в реакции с трехбромистьш фосфором в эфире образует 85% 3-бромпентана и 15% 2-бромпентана - продукта перегруппировки. З-Метилбутанол-2 и неопентиловый спирт с трехбромистьм фосфором также дают смесь двух изомерных галогенидов, в которых доминирует продукт изомеризации.

Применение третичных оснований, таких, как пиридин, хинолин, N,N-диметиланилин в смеси с РВг₃, РI₃, РС1₅, РОС1₅, несколько уменьшает долю продукта перегруппировки, но не устраняет ее полностью. Таким образом, галогениды и оксигалогениды фосфора не могут быть рекомендованы в качестве региоселективных или региоспецифических реагентов для замещения гидроксильной группы в спиртах.