مکانیسم SOCl2 با الکل، با و بدون پیریدین: جایگزینی هسته دوست (SN2) در مقابل جایگزینی هسته دوست با بازگشت داخلی (SNi)

بیشتر اوقات، واکنش الکل ها با تیونیل کلرید به عنوان واکنش SN2 آموزش داده می شود. و در واقع، در مورد الکل های اولیه قطعا این مورد است. مشکل با الکل‌های ثانویه ایجاد می‌شود، جایی که واکنش را می‌توان یا به‌عنوان یک SN2 کلاسیک با وارونگی یا… به‌عنوان واکنشی با احتباس آموزش داد!؟ از طریق مکانیسم SNi. قسمت آخر چیزی است که این پست در مورد آن است.

فهرست مطالب

“متاسفم اما چه کسی این مکانیسم را به شما آموخت”؟
آنچه واقعاً در واکنش SOCl2 با الکل های ثانویه اتفاق می افتد: مکانیسم SNi
جایگزینی هسته دوست با بازگشت داخلی: SNi
افزودن SOCl2 و پیریدین منجر به وارونگی می شود (از طریق SN2)
پیریدین مکانیسم SNi را خاموش می کند
خلاصه: SOCl2 و الکل ها – SN2 در مقابل SNi
یادداشت ها: مدارس در آمریکای شمالی چگونه با این دوگانگی برخورد می کنند؟
(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر
1. تبدیل الکل ها به کلرید با SOCl2 با وارونگی حاصل می شود… درست است؟ خوب، شاید نه همیشه

مدتی پیش من این پست را در Reagent Friday منتشر کردم که در مورد مکانیسم تبدیل SOCl2 الکل‌های ثانویه به آلکیل کلرید با ثانویه از طریق مسیر SN2 بحث می‌کرد:

 

حدود شش ماه پیش این پست در نظرات وارد شد:

سیلی! اول از همه، ریکو درست می‌گوید که مکانیسمی که وارونگی را با SOCl2 نشان می‌دهد آن چیزی نیست که به صورت تجربی اتفاق می‌افتد. هنگامی که یک الکل ثانویه با SOCl2 (و هیچ چیز دیگر) درمان می شود، مسیر معمول احتباس است.

رکورد باید در این مورد مشخص شود، بنابراین این پست شامل موارد زیر می شود:

واقعاً در واکنش SOCl2 با الکل‌های ثانویه (مکانیسم SNi) چه اتفاقی می‌افتد و چرا احتباس ایجاد می‌کند.
چرا افزودن پیریدین به SOCl2 منجر به وارونگی (از طریق SN2) و نه ماندگاری می شود
چگونه اکثر کتاب‌های درسی و مدارس در سرتاسر آمریکای شمالی با این دوگانگی مکانیکی برخورد می‌کنند (نکته: اکثر آنها نمی‌کنند)
یک مربی چه کاری انجام دهد؟
2. آنچه واقعاً در واکنش SOCl2 با الکل های ثانویه اتفاق می افتد: مکانیسم SNi

در اواخر قرن نوزدهم، پل والدن یک سری آزمایشات اساسی را بر روی استریوشیمی واکنش های مختلف قندها (و مشتقات قند) انجام داد. والدن خاطرنشان کرد که وقتی (+)-مالیک اسید با PCl5 تیمار شد، محصول (–) اسید کلروسوکینیک بود – فرآیندی که با وارونگی استریوشیمی پیش می‌رفت. هنگامی که (+) اسید مالیک با تیونیل کلرید (SOCl2) درمان شد، با این حال محصول (+) -کلروسوکسینیک اسید بود. این با حفظ استریوشیمی ادامه می یابد.

چگونه می توانیم این را بفهمیم؟
واکنش اسید مالیک با PCl5 که منجر به وارونگی استریوشیمی می‌شود نمونه‌ای از چیزی است که ما اکنون واکنش SN2 می‌نامیم، و والدن اولین کسی بود که مشاهده کرد که استریوشیمی معکوس است. در واقع فرآیند وارونگی استریوشیمیایی مشاهده شده در طی واکنش SN2 گاهی به افتخار وی وارونگی والدن نامیده می شود. در زمانی که اکثر دانش آموزان در دوره های خود با SOCl2 مواجه می شوند، SN2 یک واکنش آشنا است.

آنچه بسیار کنجکاوتر است، مشاهده این است که اسید مالیک تیمار شده با SOCl2 منجر به جایگزینی با احتباس می شود. خوانندگان شارپ ممکن است به یاد بیاورند که اگر دو واکنش متوالی SN2 اتفاق بیفتد، می‌توان «نگهداری» استریوشیمی را به دست آورد [وارونگی مضاعف = حفظ]. شاید این چیزی است که اینجا می گذرد؟ آیا ممکن است اسید کربوکسیلیک اسید مالیس بتواند به عنوان یک هسته دوست در اولین SN2 (داخل مولکولی) عمل کند و سپس Cl- برای دومی وارد شود؟

3. جایگزینی هسته دوست با بازگشت داخلی: SNi

ایده خوبی است – اما این حفظ پیکربندی حتی در مواردی اتفاق می‌افتد که هیچ گروهی نمی‌تواند SN2 درون مولکولی را انجام دهد. حتما اتفاق دیگری در حال وقوع است. و بعد از کلی کار تجربی، این بهترین پیشنهادی است که داریم:

این SNi (جایگزینی هسته دوست با بازگشت داخلی) نامیده می شود: آنچه در اینجا اتفاق می افتد این است که SOCl2 با الکل هماهنگ می شود، با از دست دادن HCl و تشکیل یک گروه خروجی خوب (“کلروسولفیت”). گروه خروجی کلروسولفیت می تواند خود به خود خارج شود و یک کربوکاتیون تشکیل دهد، و زمانی که این کار را انجام داد، یک “جفت یونی صمیمی” تشکیل می شود، جایی که کربوکاتیون و گروه خروجی دارای بار منفی در فضا محکم با هم نگه داشته می شوند. از اینجا، کلر می تواند به عنوان یک هسته دوست عمل کند – در همان صورت که از آن خارج شده است، به کربوکاتیون حمله می کند – و پس از دفع SO2، تشکیل یک آلکیل کلرید با حفظ پیکربندی را داریم.

بنابراین گروه خروجی کلروسولفیت (SO2Cl) کاملاً خاص است که می تواند یک هسته دوست (کلر) را به همان وجهی که از آن خارج می شود با از دست دادن همزمان SO2 برساند.

اگر به همین جا ختم می شد، شاید زندگی ساده تر می شد. اما کمتر جالب! [این صدای باز شدن قوطی کرم است].

4. چرا افزودن SOCl2 و پیریدین منجر به وارونگی از طریق مکانیسم SN2 می شود

پیچش اینجاست. همانطور که مشخص است، اگر یک پایه ملایم – مانند پیریدین – اضافه کنیم، استریوشیمی این واکنش می تواند به وارونگی تغییر کند.

حفظ استریوشیمی تنها با SOCl2، وارونگی با SOCl2 و پیریدین. چه اتفاقی افتاده

پایان اینجا؟ پیریدین چگونه بر روند این واکنش تأثیر می گذارد؟

هر دو واکنش واسطه “کلروسولفیت” را تشکیل می دهند. اما وقتی پیریدین (نوکلئوفیل مناسب) وجود داشته باشد، می‌تواند به کلروسولفیت حمله کند و یون کلرید را جایگزین کند و یک واسطه باردار تشکیل دهد. اکنون، اگر گروه ترک با تشکیل یک کاربوکاتیون حرکت کند، هیچ جفتی در همان نزدیکی وجود ندارد که بتواند حمله کند.

به عبارت دیگر، با جابجایی یون کلرید، پیریدین مکانیسم SNi را خاموش می کند.

5. افزودن پیریدین به SOCl2 مکانیسم SNi را خاموش می کند

اگرچه SNi نمی تواند در اینجا رخ دهد، ما هنوز یک گروه ترک بسیار خوب و یک هسته دوست مناسب – یون کلرید – داریم و بنابراین کلرید از پشت به کربن حمله می کند و منجر به وارونه شدن پیکربندی و تشکیل پیوند C-Cl می شود. . البته این واکنش SN2 است.

6. خلاصه: SOCl2 و الکل ها، با یا بدون پیریدین – SN2 در مقابل SNi

نتیجه نهایی این است:

SOCl2 به علاوه الکل باعث حفظ پیکربندی می شود، SOCl2 به اضافه الکل به اضافه پیریدین باعث وارونگی پیکربندی می شود (SN2)

ممکن است بپرسید «این مکانیسم SNi چقدر رایج است؟ آیا این چیزی است که در تعداد زیادی از واکنش‌های دیگر که معمولاً در شیمی آلی مقدماتی با آن مواجه می‌شویم، رخ می‌دهد؟»

صادقانه بگویم، نه واقعا. مواردی وجود دارد که گونه‌هایی به نام کلروفرمات‌ها نیز می‌توانند با از دست دادن CO2 تحت SNi قرار گیرند، اما این موضوع در دوره معمولی سال اول شما اصلاً دیده نمی‌شود.

یادداشت

این ممکن است برای همه جالب نباشد، بنابراین من آن را در یادداشتی قرار می دهم.

اکثر کتاب‌های درسی و مدارس در سرتاسر آمریکای شمالی چگونه با این دوگانگی مکانیکی برخورد می‌کنند؟

تبدیل الکل ها به آلکیل هالیدها یک تبدیل مفید است زیرا الکل ها به خودی خود گروه های ترک ضعیفی هستند، در حالی که آلکیل کلریدها به راحتی در واکنش های جایگزینی و حذف شرکت می کنند. در بسیاری از دوره های مقدماتی شیمی آلی، SOCl2 به طور سنتی به عنوان نمونه ای از معرف استفاده می شود که الکل ها را به کلرید آلکیل تبدیل می کند.

هنگامی که من از مجموعه کتاب های درسی خود برای چگونگی پوشش دادن این مکانیسم مشورت کردم، در اینجا چیزی یافتم:

وید (ویرایش پنجم ص 463) تبدیل الکل ثانویه به آلکیل کلرید ثانویه را از طریق SNi (با حلال دی اکسان) نشان می دهد.
Solomons (8th ed p. 506-507) تبدیل الکل اولیه به آلکیل کلرید اولیه را از طریق SN2 نشان می دهد. هیچ اشاره ای به SNi یا استریوشیمی نشده است.
مک موری (6th ed p. 608) تبدیل الکل اولیه به آلکیل کلرید اولیه (SN2) را نشان می دهد. هیچ گونه استریوشیمی نشان داده نشده است.
Vollhardt (2nd ed p. 288) مکانیسم (SN2) را برای الکل اولیه نشان می دهد. بحثی در مورد SN2 وجود ندارد.
جونز (ویرایش دوم صفحه 830) SN2 از Cl را روی “R” نشان می دهد. هیچ اشاره ای به استریوشیمی نشده است
Clayden، Klein – هیچ اشاره ای به SOCl2 به عنوان یک معرف برای تبدیل الکل ها به آلکیل کلریدها نشده است.

فقط یک کتاب درسی (در این نمونه مسلماً ناقص) اصلاً مکانیسم SNi را ذکر کرده است. در چهار کتاب درسی که در آنها SOCl2 ذکر شده است، واکنش از طریق مکانیسم SN2 نشان داده شده است. هیچ علامت هشداری وجود ندارد که بگوید: «صبر کن! SN2 برای الکل های ثانویه اتفاق نمی افتد. اگر در کتاب درسی نباشد، به احتمال زیاد در دوره وجود نخواهد داشت. بنابراین تعجب آور نیست که رایج ترین تفسیر این است که وارونگی برای الکل های ثانویه رخ می دهد:
این منجر به موقعیت هایی مانند موارد زیر می شود. در اینجا بخشی از یک کلید امتحان از دانشگاه R1 بسیار نامشخص است:

این سوالی است که استریوشیمی را آزمایش می کند و از دانش آموزان انتظار می رود که بنویسند که SOCl2 با وارونگی در یک کربن ثانویه پیش می رود و از طریق مکانیسم SN2 پیش می رود.

استثناهایی وجود دارد. مدرسه دیگری *با شهرت مشابه) این واکنش را به عنوان SNi آزمایش می کند.

به طور خلاصه، حداقل در سراسر آمریکای شمالی، بحث در مورد استریوشیمی واکنش های SOCl2 با الکل های ثانویه یک آشفتگی بزرگ است. من هیچ داده ای برای پشتیبان گیری از این موضوع ندارم، اما در تمام ساعات تدریس خود با واکنش SNi SOCl2 که یک بار آموزش داده شده است، مواجه شده ام.

بنابراین یک مربی چه کاری باید انجام دهد؟

اول از همه، یک mea culpa. من SOCl2 را به‌صورتی ترسیم کردم که از طریق وارونگی و یک فرآیند SN2 پیش می‌رود، زیرا راهنمای معرف را در گسترده‌ترین زیربخش دانش‌آموزان هدف قرار داده‌ام، و اغلب به عنوان وارونگی آموزش داده می‌شود. باید واضح‌تر می‌گفتم که این موضوع پیچیده‌تر است و سردرگمی زیادی در مورد موضوع وجود دارد – بنابراین از نظردهندگانی مانند ریکو و دیگرانی که این موضوع را به من جلب کردند سپاسگزارم.

شیمی آلی بسیار غنی و عمیق است. با داشتن تجملاتی که قبلاً همه این چیزها را آموخته بودم، می توانم به گذشته نگاه کنم و برایم جالب باشد که فقط با تغییر از کربن اولیه به کربن ثانویه، یا از تغییر به گروه خروجی SO2Cl، می توان مکانیسم را از SN2 به SNi تغییر داد. گروه ترک می تواند هسته دوست خود را تهیه کند! چه باحال!

اگر من در یک کلاس مقدماتی با بار دوره کامل و بسیاری از دوره های آزمایشگاهی دیگر بودم، نگرش من ممکن بود متفاوت باشد: بیشتر شبیه، “Jeezus، YHGTBFKM، آیا این همیشه مبهم است.”

من از سایر مربیان پرسیده ام که وقتی با این موضوع مواجه می شوند چه کار می کنند. این چیزی است که یکی باید بگوید:

در سطح دوم سال / مقدمه، ما آن را بسیار ساده نگه می داریم. ما فقط در مورد آن صحبت می کنیم

SN2 بودن و با وارونگی حرکت می کند و بنابراین مکمل واکنش های HX است. ما اثرات حلال را برای واکنش های تیونیل کلرید نادیده می گیریم.

اینم یکی دیگه:

من آن را به صورت وارونگی آموزش می دهم. اکسیژن به گوگرد حمله می کند، کلرید را بیرون می زند. پیریدین اکسیژن را پروتونه می کند. کلرید به کربن حمله می کند، پیوند C-O شکسته می شود و پیوند pi دوم SO2 را تشکیل می دهد، کلرید را خارج می کند. وارونگی استریوشیمی به عنوان حمله کلرید شبیه SN2 است.

این حق مربیان است که نبردهای خود را انتخاب کنند. من کاملاً می‌توانم بفهمم که چگونه زمان و توجه عوامل محدودکننده هستند، و مربیان ناگزیر باید درباره مواردی که شامل می‌شود، مواردی که نادیده گرفته می‌شود و چه مقدار جزئیات را انتخاب می‌کنند سازش کنند. درس اساسی در اینجا – توجه به استریوشیمی الکل‌های کایرال هنگام تبدیل به کلریدهای آلکیل – در نهایت مهم‌تر از این است که آیا واکنش در شرایط خاص به SN2 یا SNi می‌رود. با این حال،   واقعاً خوب است که یکپارچگی بیشتری در مورد این واکنش از سوی نویسندگان کتاب درسی ببینیم تا همه از یک سرود می‌خوانند.

این مربی به بهترین وجه گفت:

برخی از همکاران من فقط از PCl5 استفاده می کنند و به زندگی خود ادامه می دهند: -)

(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر
Ueber die gegenseitige Umwandlung optischer Antipoden
والدن
شیمی. بر. 1896، 29 (1): 133-138
DOI: 10.1002/cber.18960290127
انتشار اصلی در وارونگی والدن.

ردیابی توسعه این مکانیسم واکنش از طریق ادبیات جالب است. مقالات اولیه در مورد مکانیسم تطبیق مشاهدات مبنی بر اینکه وارونگی پیکربندی با پایه (مانند پیریدین) و حفظ پیکربندی بدون پایه مشاهده شده است، اختلاف نظر داشتند.

سینتیک واکنش و وارونگی والدن قسمت ششم ارتباط جهت گیری فضایی با مکانیسم در جانشینی های شامل اتم های هالوژن و گروه های هیدروکسیل ساده یا جایگزین
W. A. ​​Cowdrey، E. D. Hughes، C. K. Ingold، S. Masterman و A. D. Scott
جی. شیمی. Soc. 1937، 1252-1271
DOI: 10.1039/JR9370001252
پروفسور C. K. Ingold و Hughes نام‌گذاری SN/E را که برای توصیف مکانیسم‌های واکنش استفاده می‌شود، توسعه دادند، که اکنون به نام نام‌گذاری هیوز-اینگولد شناخته می‌شود. در بخش C این مقاله، آنها به این مشاهدات توجه می کنند که SOCl2 به تنهایی با الکل های ثانویه با حفظ پیکربندی واکنش می دهد، در حالی که SOCl2 + پیریدین از طریق وارونگی می رود. با این حال، هیچ مکانیسمی پیشنهاد نشده است زیرا آنها سعی می کنند این مشاهدات را در پارادایم محدود کننده SN1 در مقابل SN2 قرار دهند.
تجزیه استرهای کلروسولفینیک
مایکل پی بالف و جوزف کنیون
جی. شیمی. Soc. 1940، 463-464
DOI: 10.1039/JR9400000463
این مقاله اولیه همچنین تلاشی برای منطقی کردن استریوشیمی های مشاهده شده دارد. حفظ پیکربندی به دلیل “یک بازآرایی مولکولی است که مسیر فضایی آن توسط ابعاد مولکول کلروسولفینات کنترل می شود”، در حالی که وارونگی ناشی از اتصال پیریدین به گوگرد است. بازده محصول معکوس را می توان با استفاده از پیریدین اضافی افزایش داد.
بررسی واکنش الکل ها با تیونیل کلرید
ویلیام ای بیسینجر و فردریک ای کونگ
مجله انجمن شیمی آمریکا 1947، 69 (9)، 2158-2163
DOI: 10.1021/ja01201a030
یک مطالعه خوب در مورد واکنش الکل ها با SOCl2، مفید است اگر کسی به دنبال مکانی برای شروع بهینه سازی این واکنش (با توجه به استوکیومتری) باشد.
سینتیک و استریوشیمی تجزیه آلکیل کلروسولفیت های ثانویه
ادوارد اس. لوئیس و چارلز ای. بوزر
مجله انجمن شیمی آمریکا 1952، 74 (2)، 308-311
DOI: 10.1021/ja01122a005
تجزیه آلکیل کلروسولفیت های ثانویه. II. اثرات حلال و مکانیسم ها
E. Boozer و E. S. Lewis
مجله انجمن شیمی آمریکا 1953، 75 (13)، 3182-3186
DOI: 10.1021/ja01109a042
مرجع. 4 مکانیسم‌هایی را برای تجزیه کلروسولفیت‌های آلکیل ثانویه توضیح می‌دهد. ظاهراً مکانیسم‌های مختلفی در هنگام تجزیه در دی اکسان یا تولوئن مؤثر هستند. در دی اکسان، حفظ پیکربندی مشاهده می شود، در حالی که در تولوئن کلریدهای معکوس به دست می آیند. این به توانایی دی اکسان برای هماهنگی با کربن و کمک به برش پیوند C-S نسبت داده می شود.
مطالعات استریوشیمی. شانزدهم واسطه های یونی در تجزیه برخی آلکیل کلروسولفیت ها
دونالد جی کرام
مجله انجمن شیمی آمریکا 1953، 75 (2)، 332-338
DOI: 10.1021/ja01098a024
مقاله اولیه پروفسور D. J. Cram (UCLA) که معاصر پروفسور Saul Winstein بود (کسی که مفاهیم “بازگشت داخلی” و “جفت یون صمیمی” را برای توصیف این مکانیسم SNi ارائه کرد). پروفسور کرام بعداً جایزه نوبل شیمی را در سال 1987 به خاطر کارش در مورد شیمی میزبان – مهمان مولکولی دریافت کرد. این مقاله استریوشیمی متفاوت واکنش الکل‌ها با SOCl2 را در حضور/غیاب باز (مانند پیریدین) توجیه می‌کند و اولین مقاله در ادبیات است که واکنش الکل‌ها + SOCl2 را به عنوان یک فرآیند SNi توصیف می‌کند.
در کتاب درسی شیمی آلی پیشرفته مارس (هفتم) آمده است:
«[…] واکنش الکل‌ها با تیونیل کلرید برای دادن

آلکیل هالیدها معمولاً به این ترتیب پیش می روند، اولین مرحله در این مورد ROH + SOCl2 à ROSOCl است (این آلکیل کلروسولفیت ها را می توان جدا کرد).
شواهد این مکانیسم به شرح زیر است: افزودن پیریدین به مخلوط الکل و تیونیل کلرید منجر به تشکیل آلکیل هالید با پیکربندی معکوس می شود. این وارونگی به این دلیل است که پیریدین با ROSOCl واکنش می دهد و قبل از هر اتفاق دیگری ROSONC5H5 می دهد. Cl– آزاد شده در این فرآیند اکنون از عقب حمله می کند. واکنش بین الکل ها و تیونیل کلرید مرتبه دوم است که با این مکانیسم پیش بینی می شود، اما تجزیه با حرارت دادن ساده ROSOCl مرتبه اول است.
متاسفانه هیچ مرجعی ارائه نشده است.

پروفسور Jih Ru Hwu (اکنون در تایوان) در اوایل کار خود تلاش کرد تا معرف هایی را که از طریق بازگشت داخلی واکنش نشان می دهند (مانند SOCl2) به عنوان “معرف های ضد حمله” رایج کند:

معرف های ضد حمله در واکنش های آلی و در سنتز
Jih Ru Hwu، Bryant A. Gilbert
چهار وجهی 1989، 45 (5)، 1233-1261
DOI: 10.1016/0040-4020(89)80123-1
معرف های سیلیکونی در تبدیلات شیمیایی: مفهوم “معرف ضد حمله”
R. Hwu، S.-C. Tsay، K. Y. King و D.-N. هورنگ
Pure Appl. شیمی. 1999، 71 (3)، 445-451
DOI: 10.1351/pac199971030445