Получение простых эфиров по Вильямсону

Наиболее простым методом получения простых эфиров является реакция алкоголятов щелочных металлов с алкилгалогенидами или алкилсульфонатами (реакция Вильямсона, 1852 г.).

В отличие от межмолекулярной дегидратации спиртов реакция Вильямсона пригодна для синтеза как симметричных, так и несимметричных простых эфиров.

 

Получение простых эфиров по Вильямсону представляет собой обычную реакцию бимолекулярного нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода с помощью алкоксид- или феноксид-ионов. Если простой эфир содержит вторичную или третичную алкильные группы, ее следует вводить с помощью алкоголята, но не алкилгалогенида или алкилсульфоната, поскольку в противном случае преимущественно или исключительно будет происходить Е2-элиминирование.

Наилучшие результаты достигаются в том случае, когда в качестве алкилирующего агента используются первичные алкил-, аллил- и бензилгалогениды и сульфонаты.

Окисление спиртов

Окисление первичных спиртов в альдегиды и вторичных спиртов в кетоны является одним из важнейших превращений функциональных групп и оценкой избирательного действия реагента, используемого в качестве окислителя.

Третичные спирты не окисляются, а в жестких условиях окисление сопровождается деструкцией углеродного скелета. Наиболее широкое применение для окисления спиртов нашли реагенты на основе переходных металлов - хрома (VI), марганца (VII), марганца (IV).

Самостоятельную и наиболее сложную проблему при окислении первичных спиртов до альдегидов составляет дальнейшее окисление альдегидов до карбоновых кислот. Для предотвращения окисления альдегидов в карбоновые кислоты в качестве окислителя используют комплексы хромового ангидрида с третичными аминами, которые уменьшают окислительную способность окислителя и делают окисление более селективным. Лучшими реагентами для окисления первичных спиртов в альдегиды являются комплекс CrO₃ с двумя молями пиридина (реагент Саррета-Коллинза) и хлорхромат пиридиния C₅H₅N⁺H^.CrO₃^.Cl^- (реагент Кори) в хлористом метилене. Реагент Саррета-Коллинза получается при медленном введении оксида хрома (VI) к пиридину при 10-15^оС. Оранжевый комплекс CrO₃ c пиридином и HСl получается при добавлении пиридина к раствору CrO₃ в 20%-ной соляной кислоте. Оба эти реагента растворимы в CH₂Cl₂ или CHCl₃.

Ниже приведены некоторые наиболее типичные примеры окисления первичных спиртов до альгедигов комплексами оксида хрома VI.

Оба окислителя обеспечивают очень высокие выходы альдегидов, однако хлорхромат пиридиния имеет важное преимущество, так как он не затрагивает двойную и тройную связи и может быть использован для получения ненасыщенных альдегидов.

Для получения a,b-ненасыщенных альдегидов окислением замещенных аллиловых спиртов универсальным окислителем является оксид марганца (IV) MnO₂. Этот реагент окисляет в петролейном эфире или хлористом метилене ненасыщенные спирты с одной или несколькими двойными или тройными связями без изомеризации и перегруппировки, что с успехом используется в синтезе природных соединений.

Комплексы хромового ангидрида с пиридином окисляют и вторичные спирты до кетонов с почти количественными выходами.

Однако чаще всего для окисления вторичных спиртов используют реактив Джонса - раствор строго рассчитанного количества CrO₃ в водной серной кислоте. Важное достоинство реагента Джонса состоит в том, что вторичные спирты, содержащие двойную или тройную связь, быстро окисляются до кетонов без затрагивания кратных связей.

Первичные спирты окисляются реактивом Джонса до карбоновых кислот.

Механизм оксиления спиртов под действием хромового ангидрида подробно изучен. Эта реакция включает несколько стадий. Сначала из спирта и CrO₃ образуется сложный эфир хромовой кислоты. Во второй, ключевой, стадии имеет место окислительно-восстановительное элиминирование, приводящее к образованию альдегида или кетона и частицы, содержащей Cr(IV). При окислении дейтерированного CH₃CD(OH)CH₃ и недейтерированного пропанола-2 наблюдается кинетический изотопный эффект К_Н/K_D=7. Столь значительный первичный кинетический изотопный эффект показывает, что элиминирование является наиболее медленной стадией, определяющей скорость всего процесса.

Установлено, что частицы, содержащие хром (IV), также принимают участие в окислении спирта.

Окисление под действием соединений Cr (IV) можно полностью подавить с помощью солей, содержащих ионы Mn (II) или Ce (III), которые окисляются Cr (IV). Каталитические количества Ce (IV) также подавляют эту побочную реакцию, поскольку Ce (IV) катализируют диспропорционирование Cr(IV) на Cr(III) и Cr (VI).

Для третичных спиртов, не содержащих атомов водорода при карбонильном углероде, эфиры хромовой кислоты могут быть выделены.

Раствор хромового ангидрида в трет-бутиловом спирте также используется для окисления первичных и вторичных спиртов. Раствор хромового ангидрида в уксусной кислоте нередко употребляется в качестве окислителя вторичных спиртов до кетонов.

Механизм дальнейшего окисления альдегидов до карбоновых кислот по существу аналогичен механизму окисления спиртов. В водной среде альдегид находится в равновесии с геминальным 1,1-диолом, который образует сложный эфир с хромовым ангидридом. При элиминировании НCrO₃^- из этого сложного эфира получается карбоновая кислота.

Поэтому для того, чтобы избежать дальнейшего окисления альдегида, окисление первичных спиртов следует проводить в апротонной среде при полном отсутствии влаги. Этому условию в полной мере удовлетворяют реагенты Коллинза и Кори, для которых в качестве растворителей используют тщательно обезвоженный хлористый метилен.

В последние тридцать лет разработано несколько эффективных способов окисления первичных и вторичных спиртов с помощью ДМСО или комплексов ДМСО с электрофильными агентами. Тозилаты первичных спиртов, также как и бензилтозилаты, окисляются в альдегиды при нагревании в ДМСО в течение 10-30 минут при 120-150^оС в присутствии гидрокарбоната натрия как слабого основания.

ДМСО в этой реакции выполняет роль нуклеофильного агента, который замещает тозилоксигруппу по обычному SN2 механизму с образованием алкоксисульфониевой соли. Катион алкоксисульфониевой соли далее подвергается окислительно-восстановительному элиминированию по механизму, аналогичному для окислительно-восстановительного элиминирования из сложных эфиров хромовой кислоты. Гидрокарбонат-ион является основанием в этой Е2 реакции элиминирования, приводящей к диметилсульфиду и альдегиду. В качестве примера приведем получение гептаналя и и-бромбензальдегида.

Слабый нуклеофильный агент ДМСО легко превращается в сильный электрофильный агент, который реагирует со спиртами уже ниже 0^oС в мягких условиях. Необходимую активацию ДМСО проводят с помощью серного ангидрида, трифторуксусного ангидрида, N-хлорсукцинимиджа или N,N-дициклогексилкарбодиимида C₆H₁₁N=C=NC₆H₁₁ (ДЦГК). Во всех случаях в качестве реакционноспособного интермедиата образуется активированная алкоксисульфониевая соль, которая далее подвергается внутримолекулярной окислительно-восстановительной фрагментации.

Для окисления первичных и вторичных спиртов до альдегидов и кетонов в мягких условиях эффективен комплекс ДМСО с SOs, образующийся при взаимодействии пиридинсульфотриоксида с ДМСО.

SO₃ в качестве электрофильной частицы может быть заменен трифторуксусным ангидридом или ДЦГК (реактив Пфитцера-Моффата). Этот реагент в настоящее время употребляется наиболее часто.

Приведем для иллюстрации два примера окисления спиртов комплексами ДМСО.

Эти методы окисления вытеснили старый громоздкий способ окисления вторичных спиртов по Оппенауэру, который заключается в нагревании спирта с алкоголятом алюминия в присутствии карбонильного соединения в качестве акцептора гидрид-ионов. Этот процесс обратим (обратная реакция называется восстановлением по Меервейну-Понндорфу-Верлею). Равновесие можно сместить вправо, если выбрать сильный акцептор гидрид-иона - п-хинон, бензофенон, хлоранил (2,3,5,6-тетрахлор-1,4-бензохинон).

Окисление спиртов по Оппенауэру в теоретическом отношении представляет собой пример окислительного процесса с переносом гидрид-иона от восстановителя к окислителю в одну стадию, в то время, как в выше описанных процессах окисление спиртов осуществляется в несколько стадий с последовательным переносом одного или нескольких электронов.

Для получения альдегидов и кетонов из первичных и вторичных спиртов можно пользоваться реакцией каталитического дегидрирования. Так в промышленности из метанола получают формальдегид, из бутилового спирта -масляный альдегид и из циклогексанола - циклогексанон. В качестве катализатора используется медь, серебро, хромит меди.