Синтез эфира Вильямсона представляет собой органическую реакцию , в которой образуется эфир из галогенорганического соединения и депротонированного спирта ( алкоксида ). Эта реакция была разработана Александром Уильямсоном в 1850 году. [2] Обычно она включает реакцию алкоксид-иона с первичным алкилгалогенидом посредством реакции SN 2 . Эта реакция важна в истории органической химии, поскольку она помогла доказать структуру простых эфиров .
Общий механизм реакции следующий: [3]
Примером может служить реакция этилата натрия с хлорэтаном с образованием диэтилового эфира и хлорида натрия:
Реакция эфира Вильямсона протекает по механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения S N 2 . В механизме реакции S N 2 происходит обратная атака электрофила нуклеофилом, и это происходит по согласованному механизму (происходит все сразу). Для того чтобы произошла реакция S N 2 , необходима хорошая уходящая группа , которая является сильно электроотрицательной, обычно это галогенид. [4]
В реакции эфира Вильямсона присутствует алкоксид-ион (RO - ), который действует как нуклеофил, атакуя электрофильный углерод уходящей группой, которая в большинстве случаев представляет собой алкилтозилат или алкилгалогенид. Местом ухода должен быть первичный углерод, поскольку вторичные и третичные места ухода обычно предпочитают протекать в виде реакции элиминирования . Кроме того, эта реакция не способствует образованию объемных простых эфиров, таких как ди-третбутиловый эфир, из-за стерических затруднений и преимущественного образования вместо этого алкенов. [5]
Реакция Вильямсона имеет широкую область применения, широко используется как в лабораторном, так и в промышленном синтезе и остается самым простым и популярным методом получения простых эфиров. Легко получаются как симметричные, так и асимметричные эфиры. В частности, внутримолекулярная реакция галогенгидринов дает эпоксиды .
В случае асимметричных простых эфиров существует две возможности выбора реагентов, одна из которых обычно предпочтительна либо по доступности, либо по реакционной способности. Реакция Вильямсона также часто используется для получения эфира косвенно из двух спиртов. Один из спиртов сначала преобразуется в уходящую группу (обычно тозилат ), затем они вступают в реакцию друг с другом.
Алкоксид (или арилоксид ) может быть первичным и вторичным. Третичные алкоксиды имеют тенденцию давать реакцию элиминирования из-за стерических затруднений. С другой стороны, алкилирующий агент наиболее предпочтительно является первичным. Вторичные алкилирующие агенты также реагируют, но третичные обычно слишком склонны к побочным реакциям, чтобы их можно было использовать на практике. Уходящая группа чаще всего представляет собой галогенид или сложный сульфонат, синтезированный для реакции. Поскольку условия реакции довольно жесткие, защитные группы часто используют для усмирения других частей реагирующих молекул (например, других спиртов , аминов и т. д.).
Синтез эфира Вильямсона - обычная органическая реакция в промышленном синтезе и в учебных лабораториях студентов. Выходы этих синтезов эфира традиционно низки, когда время реакции сокращается, что может иметь место во время лабораторных занятий на бакалавриате. Если реакции не кипятиться с обратным холодильником в течение нужного времени (от 1 до 8 часов при температуре от 50 до 100 ° C), реакция может не дойти до завершения, что приведет к плохому общему выходу продукта. Чтобы смягчить эту проблему, в настоящее время используется микроволновая технология для ускорения времени реакции таких реакций, как синтез эфира Вильямсона. Эта технология превратила время реакции, которая требовала кипячения с обратным холодильником не менее 1,5 часов, в быструю 10-минутную работу в микроволновой печи при 130 °C, и это увеличило выход синтезированного эфира с диапазона 6-29% до 20-55% (данные был составлен из нескольких различных лабораторных разделов, включивших эту технологию в свой синтез). [6]
Также были достигнуты значительные успехи в синтезе простых эфиров при использовании температур 300 ° C и выше и использовании более слабых алкилирующих агентов для обеспечения более эффективного синтеза. Эта методология помогает оптимизировать процесс синтеза и делает синтез в промышленном масштабе более осуществимым. Гораздо более высокая температура делает слабый алкилирующий агент более реакционноспособным и с меньшей вероятностью образует соли в качестве побочного продукта. Этот метод оказался высокоселективным и особенно полезным при производстве ароматических эфиров, таких как анизол, которые находят все более широкое промышленное применение. [7]
Поскольку алкоксид-ионы обладают высокой реакционной способностью, их обычно готовят непосредственно перед реакцией или генерируют на месте . В лабораторной химии генерация in situ чаще всего осуществляется с использованием карбонатного основания или гидроксида калия , тогда как в промышленном синтезе очень распространен фазовый катализ . Можно использовать широкий спектр растворителей, но протонные растворители и аполярные растворители имеют тенденцию сильно замедлять скорость реакции в результате снижения доступности свободного нуклеофила. По этой причине особенно часто используют ацетонитрил и N , N -диметилформамид .
Типичная реакция Вильямсона проводится при температуре от 50 до 100 °C и завершается за 1–8 часов. Часто полного исчезновения исходного вещества добиться трудно, и нередки побочные реакции. Выходы 50–95% обычно достигаются при лабораторном синтезе, тогда как почти количественная конверсия может быть достигнута в промышленных процедурах.
В лабораторных синтезах катализ обычно не требуется. Однако если используется нереакционноспособный алкилирующий агент (например, алкилхлорид), то скорость реакции можно значительно улучшить добавлением каталитического количества растворимой йодистой соли (которая подвергается галогенидному обмену с хлоридом с получением гораздо более реакционноспособного соединения). йодид, вариант реакции Финкельштейна ). В крайних случаях могут быть добавлены соединения серебра, такие как оксид серебра : [8]
Ион серебра координируется с уходящей группой галогенидов, что делает его уход более легким. Наконец, иногда используются катализаторы межфазного переноса (например, бромид тетрабутиламмония или 18-краун-6 ), чтобы повысить растворимость алкоксида за счет создания более мягкого противоиона . Еще одним примером реакции этерификации в трехфазной системе в условиях фазового каталитического переноса является реакция бензилхлорида и фурфурилового спирта. [9]
Реакция Вильямсона часто конкурирует с катализируемым основанием отщеплением алкилирующего агента [3] , и природа уходящей группы, а также условия реакции (особенно температура и растворитель) могут оказывать сильное влияние на то, какой из них является предпочтительным. В частности, некоторые структуры алкилирующего агента могут быть особенно склонны к элиминированию.
Когда нуклеофил представляет собой арилоксид-ион, реакция Вильямсона также может конкурировать с алкилированием по кольцу, поскольку арилоксид является амбидентным нуклеофилом .
