Одним из наиболее распространенных и важных механизмов органических превращений является нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода. В результате такого процесса уходящие группы $Z$ в органических субстратах $RZ$, содержащих связи $C_sp3-Z$, за-мещаются нуклеофильными реагентами $Nu$: таким образом, что не-поделенные пары нуклеофилов в продуктах реакций $RNu$ становятся электронными парами $\sigma$-связей $C-Nu$, а электронные пары $s$-связей $C-Z$ становятся неподеленными парами отщепившихся уходящих групп:

Уходящие группы $Z$ часто называют нуклеофугами («подвижные в виде нуклеофилов»). Хорошая уходящая группа имеет высокую нуклеофугность, плохая уходящая группа - низкую нуклеофугность. К группам с высокой нуклеофугностью относится, трифлатная (OTf) группа, которая уходит в виде анионов $Z^-=CF_3SO_3^-$, а также фторсульфонатные $FSO_3^-$, пара-толуолсульфонатные или тозилатные (OTs-) и др. К группам с низкой нуклеофугностью относятся ацетатная группа, карбоксилат-ионы $(RCOO^-)$, а также $F^-$.

Реакции нуклеофильного замещения классифицируют в соответствии с изменением заряд ов в субстратах или нуклеофилах и по типу механизмов замещения.

Классификация реакций нуклеофильного замещения по зарядному признаку

По зарядному признаку такие реакции разделяют на четыре группы.

Взаимодействие нейтральных субстратов с нейтральными нуклеофилами

$Nu: + RZ \to Nu^+-R + Z^-$

Например:

Взаимодействия нейтральных субстратов с анионными нуклеофилами

$Nu:^- + RZ \to NuR + Z:^-$

Например:

Замена одних галогенов на другие

Изотопные и групповые обмены

1. Катионные субстраты - нейтральные нуклеофилы

   $Nu: + RZ^+ \to Nu^+-R + Z:^-$

   Например:

   Катионные субстраты - анионные нуклеофилы

   $Nu:^- + RZ^+ \to NuR + Z:$

   Например:

Замечание 1

Из приведенного перечня реакций следует, что при помощи различных реакций нуклеофильного замещения можно осуществлять синтезы практически любых класов соединений алифатического ряда.

Классификация реакций нуклеофильного замещения по типу механизма реакции

В зависимости от типов механизмов реакций нуклеофильного замещения их можно разделить на бимолекулярные, которые обозначаются как $S_N2$. А также мономолекулярные, которые обозначаются как $S_N1$.

Кроме того, органические реакции можно разделит на три категории:

1. изомеризации и перегруппировки,
2. диссоциации и рекомбинации,
3. замещений.

В такой классификации реакции идущие по механизму SN2 относятся к третьей категории, a реакции идущие по механизму SNl - ко второй:

Значимость нуклеофильного замещения

Изучение механизмов нуклеофильного замещения имеет исключительную роль в развитии представлений об реакций органической химии и одновременно с этим они представляют собой наиболее детально изученные типы превращений. Исследования механизмов нуклеофильного алифатического замещения были начаты в середине 1930-х годов двумя выдающимися учеными К. К. Ингольдом и Э. Д. Хьюзом. Им принадлежат блестящие основополагающие работы, составляющие золотой фонд органической химии. Впоследствии исследования Ингольда и Хьюза были значительно модифицированы и их теории претерпели ряд изменений. Но предложенние этими учеными классифицировать механизмы замещения на $S_N2-$ и $S_N1-$типы до сих пор остается актуальным и справедливым.

Введение

Нуклеофильные реакции

Нуклеофильной называется реакция, в которой молекула органического вещества подвергается действию нуклеофильного реагента.

Нуклеофильные ("любящие ядро") реагенты, или нуклеофилы - это частицы (анионы или молекулы), имеющие неподеленную пару электронов на внешнем электронном уровне.

Примеры нуклеофильных частиц:

OH, Cl, Br, CN, H3O, CH3OH, NH3.

Строение некоторых нуклеофильных реагентов

Благодаря подвижности π-электронов, нуклеофильными свойствами обладают также молекулы, содержащие π-связи:

CH3=CH3, CH3=CH–CH=CH3, C6H6 ит. п.

(Между прочим, это объясняет, почему этилен CH3=CH3 и бензол C6H6, имея неполярные углерод-углеродные связи, вступают в ионные реакции с электрофильными реагентами).

1. Примеры нуклеофильных реакций

Нуклеофильное замещение:

Механизм нуклеофильного замещения обозначается символом SN (по первым буквам английских терминов: S – substitution [замещение], N – nucleophile [нуклеофил]).

Нуклеофильное присоединение:

Обозначение механизма - AdN (Ad – addition [присоединение]).

2. Мономолекулярное нуклеофильное замещение и отщепление

Нуклеофильное замещение при насыщенном атоме углерода - это тот тип органических реакций, механизмы которого изучались наиболее подробно. Возможность широкого, варьирования структуры реагентов, одновременного исследования кинетических и стереохимических закономерностей, удобство экспе риментального измерения констант скорости в разнообразных-растворителях - все это сделало реакции нуклеофильного замещения удобным модельным процессом для установления общих закономерностей, связывающих строение органических соеди-: нений с их реакционной способностью. Не случайно, что именно при изучении этих реакций были сформулированы многие общие концепции, ставшие основой теоретической органической химии. Следует иметь в виду, что понятия, которые будут формулиро ваться и анализироваться в последующих двух главах, имеют общее значение и могут быть использованы для описания реакционной способности органических соединений и в других типах органических процессов. Закономерности, характеризующие; реакции нуклеофильного замещения, в значительной степени могут быть перенесены и на другие нуклеофильные процессы:реакции отщепления, замещения в ароматическом ряду, присоединения по кратным связям и многие другие.

Наше внимание будет сосредоточено на двух основных проблемах. Во-первых, мы постараемся понять, каким образом механизм реакции зависит от строения реагирующих соединений и условий ее проведения. Во-вторых, мы должны научиться предсказывать, каким образом изменяется реакционная способность при изменении строения реагентов и условий проведения реакции!Как мы увидим, эти зависимости могут быть совершенно различными для реакций, идущих по разным механизмам. Это может приводить не только к качественно различному влиянию изменения структурных факторов на скорость процесса, но и к полному изменению его направления. Далее нами будет показано, как можно закономерности, рассмотренные в этой и следующей главах, использовать для описания других процессов.

3.ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕХАНИЗМАХ РЕАКЦИЙ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ

В общем виде реакцию нуклеофильного замещения можно представить следующей схемой: R -Xm + Yn → R -Yn +1+ Xm -1

В качестве нуклеофильного агента Y может выступать как анион, так и нейтральная молекула, обладающая хотя бы одной неподеленной парой электронов (т. е. основание Льюиса), например:

Y = H3O, ROH, H3S, RSH, NH3, NR., OH", OR", SH~, SIT, Hal", CN~, SCN-, NO2, RCOCT. RC=-CHR и т д.

Замещаемая группа X (называемая уходящей группой) обычно обладает высокой электроотрицательностыо и может уходить как в виде аниона, так и в виде незаряженной молекулы, отщепляясь с электронами нарушающейся связи:

Х=На1, ОН, OR,

OSO2R, OCOR, NR3, SR2 и т. д.

Следует иметь в виду, что в большинстве случаев реакции нуклеофильного замещения сопровождаются конкурирующими с ними реакциями нуклеофильного отщепления, так как нуклео-фильиый реагент может взаимодействовать не только с положительно заряженным атомом углерода, но и с атомом водорода, находящимся в положении, отщепляя его в виде протона. В связи с этим многие аспекты реакций замещения и отщепления будут рассматриваться параллельно.

Реакции нуклеофильного замещения обозначаются как Sn , а отщепления - En .

Как мы увидим, реакция замещения при С может осуществляться как диссоциативный или как синхронный процесс. В первом случае реакция начинается с мономолекулярной диссоциации по связи С-X с образованием карбкатиона, который на второй стадии взаимодействует с нуклеофильным реагентом.

Во втором случае образование связи с нуклеофильным реагентом и разрыв связи с уходящей группой осуществляются одновременно, и процесс идет в одну стадию:

RX + Y- -- строения, и замещение идет через переходное состояние, анало-i гичное имеющему место в случае синхронного процесса. В реакциях в растворе двухстадийиый accoциативный механизм не осуществляется. О том, что реакции нуклеофильного замещения действительно могут осуществляться по двум различным механизмам, свидетельствуют как стереохимические, так и кинетические данные.

4.Стереохимическое течение реакций нуклеофильного замещения.

При исследовании реакций нуклеофильного замещения y асимметрического атома углерода было показано, что в зависимости от строения исходных реагентов и условий проведения реакции стереохимическое течение реакции может быть различным. Так, при проведении следующего цикла реакций оптическая активность практически полностью сохраняется, но знак вращения изменяется на противоположный.

На первой и третьей стадиях реакции связи асимметрического атома углерода не затрагиваются и, следовательно, eго конфигурация остается неизменной. Отсюда следует, что вторая стадия - замещение п-толуолсульфонатной группы на ацетат- анион - происходит с полным обращением конфигурации у акционного центра (вальденовское обращение).

Аналогичные выводы были сделаны при сравнении скоростей рацемизации и обмена галогена в оптически активных галогенпроизводных (поскольку исходное и конечное соединение идентичны, для изучения скорости процесса использовали радиоактивные галоген-ионы).

Это было показано методом меченых атомов.

Если предположить, что каждый акт обмена сопровождается обращением конфигурации, то при прохождении реакции на 50 % должен образовываться полностью рацемизованный продукт, т. е. скорость обмена должна быть в два раза меньше скорости рацемизации. Экспериментальные данные полностью согласуются с этим предположением. Таким образом, обмен иода в 2-иодоктане идет с полным обращением конфигурации.

В то же время многие реакции нуклеофильного замещения идут с полной потерей оптической активности при каждом акте реакции. Так, реакция сольволиза оптически активного а-хлорбензола в 80%-м водном растворе ацетона сопровождается 97%-й рацемизацией:

Кинетический характер реакций нуклеофильного замещения

Наиболее часто реакции нуклеофильного замещения описываются одним из двух кинетических уравнений.

Реакция может описываться уравнением первого порядка. этом случае скорость процесса не зависит ни от концентрации, ни от природы нуклеофила.

Такое кинетическое уравнение свидетельствует о том, что" нуклеофил не принимает участия в скоростьопределяющей стадии процесса и предшествующих ей предравновесных стадиях. В то же время изменение соотношения образующихся продуктов при использовании смесей нуклеофилов и при варьировании их концентраций является доказательством того, что нуклеофил участвует в реакции на быстрой стадии, следующей за скорость-определяющей.

Во втором случае реакция имеет суммарный второй порядок и первый порядок по субстрату, так и по нуклеофилу.

Для этих реакций характерна высокая зависимость скорости процесса от природы нуклеофила.

5. S N 1 и S N 2 реакции.

Основополагающий вклад в изучение реакций замещения у sp 3-гибридизованного атома углерода внес Ингольд. Классическим примером реакции нуклеофильного замещения является превращение алкилгалогенида в спирт:

R-Cl + HO- --> R-OH + Cl-

При изучении кинетики реакций такого типа было установлено, что они могут протекать по двум механизмам (мономолекулярное и бимолекулярное замещение), которым отвечают кинетические зависимости:

V1=k’ (S N 1)

V2= k (S N 2)

Обозначение реакций (S N 1) и (S N 2) было также предложено Ингольдом и расшифровывается, соответственно, как нуклеофильное замещение мономолекулярное и бимолекулярное (от англ. Substitution nucleophilic ).

МОНОМОЛЕКУЛЯРНОЕ НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ (S N 1)

БИМОЛЕКУЛЯРНОЕ НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ (S N 2)

Предполагается, что реакция протекает по следующей схеме:

Если в исходном соединении существовала какая-нибудь оптическая конфигурация (D -, L -), то в результате реакции происходит ее обращение (L -, D -).

В реакции этого типа преимущественно вступают пространственно незатрудненные первичныеалкилгалогениды, при отщеплении уходящей группы от которых не образуется стабилизированного карбкатиона.

6. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ У НАСЫЩЕННОГО АТОМА УГЛЕРОДА

	(S N 1)	(S N 2)
Строение субстрата	Реакционная способность падает в ряду: Бензильный, аллильный > третичный > вторичный > первичный	Реакционная способность растет в ряду: Бензильный, аллильный < третичный < вторичный < первичный
Вступающая группа	Практически нет влияния	Чем больше нуклеофильность, тем вероятнее протекание реакции
Уходящая группа	Чем ниже энергия связи, тем легче протекает реакция	Замещение затрудняется с увеличением нуклеофильности (основности) уходящей группы
Стерические факторы	Увеличение числа алкильных заместителей и электронодонорных групп у нуклеофильного центра способствует протеканию реакции.	Препятствуют атаке нуклеофильного центра и затрудняют реакцию
Влияние растворителя	Реакции способствуют протонные полярные растворители	Влияние растворителя сказывается значительно меньше, но реакцию затрудняют растворители, сольватирующие нуклеофил. В целом, лучше протекают с апротонными полярными растворителя.
Концентрация нуклеофила	На скорость реакции не влияет	Скорость реакции пропорциональна концентрации нуклеофила

7.Применение реакций нуклеофильного замещения

При помощи этих реакций нуклеофильного замещения может быть замещено большое количество различных групп. Баннетт и Цейлер дали следующий приблизительный порядок легкости замещения групп: _ F> -N02 > -Cl, -Br, - J > -OS02R > - NRt> - OAr > -- OR > - SR, SAr > - S02 R > - NR2.

Значительно менее удовлетворительное положение в отношении свободно-радикального и нуклеофильного замещения. В случаях свободно-радикального замещения доказано существование п- и сг-комплексов, они, по-видимому, участвуют в механизме замещения в ароматических соединениях. Однако отсутствуют пока определенные данные о существовании и стойкости этих промежуточных соединений и сравнительно мало можно сказать о деталях интимного механизма свободно-радикального замещения. В случаях нуклеофильного замещения положение еще менее удовлетворительно, поскольку дело касается замещения «неактивированных» ароматических соединений. В, настоящее время невозможно дать достаточно обоснованного объяснения замещениям этого типа.

В присутствии галоидов или подобных им электроотрицательных заместителей в кольце становится возможной вся область реакций нуклеофильного замещения, которые не идут с самими исходными углеводородами. Эти реакции замещения распадаются, естественно, на два различных класса: 1) класс, включающий замещение «иеактивированных», и 2) класс реакций, в которых замещению подвергается «активированный» заместитель.

Реакции замещения ароматических углеводородов удобно классифицировать с точки зрения электронных представлений о типах замещения. Так, например, промежуточные соединения типа R+ с недостатками электронов стремятся к центрам с высокой плотностью электронов в. молекулах, с которыми они реагируют. Такие промежуточные соединения называются электрофильными (электронно-акцептерными), и реакции замещения, в которых участвуют такие промежуточные соединения, обозначаются как реакции электрофильного заещенияhttp://www.anchemistry.ru/ref/8lektrofil5nogo_zame4eni9.html. Подобным же образом промежуточные соединения типа R~: стремятся к реакционным центрам молекулы с низкой плотностью электронов и называются нуклеофильными. Реакции замещения, включающие участие таких промежуточных соединений, известны как реакции нуклеофильного замещения. Промежуточные соединения в виде свободных радикалов вследствие их электронейтральности мало подвержены влиянию центров большой и малой плотности электронов. Замещения, включающие участие промежуточных соединений в виде свободных радикалов, называются реакциями свободно-радикального замещения.

Из реакций нуклеофильного замещения можно отметить реакции пиридина с амидом натрия и с сухим КОН при 250-300°С (реакции А.Е. Чичибабина):

Реакции замещения в ароматических углеводородах элоктрофиль-ными группами и свободными радикалами рассматривались в предыдущих разделах. Настоящий раздел посвящен обзору нуклеофильного замещения.

Актуальность широко проводимых в Институте химии АН ТадяССР исследований по изучению тиаинданов обусловлена наличием последних в нефтях таджикской депрессии - самой сернистой и смолистой нефти страны. Основные результаты этих работ содержатся в докладе к.х.н. И.И.Насырова и члена-корреспондента АН ТадхССР И.Нуаанова. Ими не только подробно изучены многочисленные извращения I-тиаинданов и их производных, реакции электрофильного, радикального и нуклеофильного замещения, во также синтезированы вещества, обладающие пестицид-шши свойствами, красители, мономеры, стабилизаторы синтетических волокон и т.д.

Нортон относит реакцию замещения водорода металлом к реакциямэлектрофильного замещения, основываясь на убеждении (признанном в настоящее время неправильным), что атакующим реагентом является катион щелочного металла, а карбанион играет только второстепенную роль акцептора протонов. С другой стороны, основываясь на расположении пары электронов углерод-водородной связи, которая разрывается, и связи углерод - металл (ионной), которая образуется, реакция замещения водорода металлом может быть определена как электрофильное замещение. По той же причине гидролиз торе/я-бутилхлорида определяют как реакцию нуклеофильного замещения изомеризации углеводородов проявляется большое число закономерностей, связанных с особенностями реакций нуклеофильного замещения у насыщенного углеродного атома. Так, при относительно высоких скоростях реакции наблюдается стереоспецифичность и стереонаправленность перегруппировок, что указывает на механизм псевдо-5л2-замещения, предполагающий сохранение тетраэдрической структуры карбоний-иона с атакой мигрирующей группы со стороны, противоположной уходящей группе (гидрид-ион).

Заключение

Итак, мы рассмотрели реакции нуклеофильного замещения в тетраэдрическом атоме углерода, рассмотрели два возможных механизма данного процесса, показали, какие факторы влияют на него, а именно: строение субстрата, особенности строения встпающей и уходящей групп, природа растворителя, различные стерические факторы. И, наконец, указали возможные варианты применения реакций данного типа.

Список литературы

1. Т.Беккер. Механизмы электронных процессов в органических соединениях.-М,1969.-687 с.

2. Нейланд О. Органическая химия: учеб. Для хим. спец вузов.- ,М.: Высш. шк., 1990.-751 с.

3. Р. Моррисон, Р. Бойд. Органическая химия.-М.: Мир, 1974.- 1132 с.

Нуклеофильные реакции – гетеролитические реакции органических соединений с нуклеофильными реагентами. К нуклеофилам относятся анионы и молекулы (органические и неорганические), которые в ходе реакции расходуют свою неподеленную пару электронов на образование новой связи.

На скорость и механизм реакции S N определяющее влияние оказывают:

Нуклеофильная способность (нуклеофильность) реагента Y

Природа субстрата

Нуклеофугная способность уходящей группы

Условия реакции

Нуклеофильность, в отличии от основности, величина кинетическая, а не термодинамическая, т.е. количественной мерой нуклеофильности является константа скорости реакции, а не константа равновесия.

Есть 2 предельных случая S N:

Sn. Квантово-химические представления

S N можно представить как взаимодействие ВЗМО нуклеофила и НСМО субстрата. Энергия взаимодействия:

,– заряды на реакционном центре нуклеофила Y и атоме углерода субстрата, по которому осуществляется атака.

– расстояние между реагирующими центрами.

– коэффициент атомной орбитали атома, принадлежащего нуклеофилу, который является нуклеофильным центром, т.е. характеризует вклад атома нуклеофила в ВЗМО Y.

– характеризует вклад атома углерода (электрофильный центр) в НСМО субстрата.

– изменение резонансного интеграла, характеризующий эффективность перекрывания ВЗМО Y и НСМО субстрата.

,– энергии ВЗМО Y и НСМО субстрата.

В случае S N 1, когда осуществляется взаимодействие катиона и аниона и реакционный центр несет положительный заряд, определяющая – кулоновская составляющая и относительная реакционная способность нуклеофилов увеличиваться симбатно их основности. В этом случае говорят, что реакция идет при зарядовом контроле.

Более сложная ситуация в S N 2. В газовой фазе и апротонных растворителях, где сольватация аниона мала и заряд на нуклеофиле в большей степени локализован, также наблюдается зарядовый контроль. Однако в протонных растворителях (спирты) заряд на нуклеофиле делокализован в результате сольватации. Заряд на реакционном центре также мал. В этом случае роль кулоновского взаимодействия ниже и основной вклад в энергию взаимодействия вносит орбитальная составляющая. Говорят, что реакция идет при орбитальном контроле. Присутствие донора в нуклеофиле увеличивает заряд на реакционном центре, тем самым увеличивается вклад зарядовой составляющей, кроме того введение донорного заместителя приводит к некоторому увеличению энергии ВЗМО нуклеофила и, следовательно, к увеличению орбитальной составляющей. Т.о. введение ЭД в молекулу нуклеофила приводит к увеличению скорости реакции. В ряду галогенов как нуклеофилов кулоновское взаимодействие уменьшается от фтора к йоду, что является следствием уменьшения локализации отрицательного заряда и увеличении расстояния между атомами. В то же время орбитальное взаимодействие увеличивается, т.к. повышается энергия НСМО галогенов (ВЗМО).

В отличии от S Е, где замещению обычно подвергается атом водорода, в S N замещаются функциональные группы (галогены, сульфо-, нитро- и т.д.).

Наиболее активны в реакциях нуклеофильного замещениядолжны быть галогеналканы RF , RCl , RBr и RI , так как в их молекулах при замещении образуется стабильный анион уходящей группы Х ¯, представляющий собой один из галогенид-ионов, то есть анион сильной кислоты. Это подтверждается многочисленными примерами замещения атомов галогена в галогеналканах, например, на гидрокси-, алкокси-, амино-, циано-, нитрогруппу. Напротив, амины должны обладать наименьшей реакционной способностью, так как аммиак и амины - очень слабые кислоты и, соответственно, сопряженные им основания, то есть анионы ¯NH 2 , ¯NHR, ¯NR 2 высокореакционноспособны и потому не устойчивы (легко присоединяют протон). Гидроксильная группа в спиртах также может замещаться в реакциях со многими нуклеофилами, однако, в более жестких условиях. Ещё труднее замещается алкоксильная группа. Гидроксильная и алкоксильная группы замещаются только в кислой среде, в которой уходящей частицей является не анион, а молекула (соответственно воды или спирта). Аминогруппа достаточно устойчива к замещению, случаи её нуклеофильного замещения редки, реакции протекают в очень жестких условиях и только для аммониевых солей. В связи с этим наиболее широк спектр S N -реакций галогеналканов (гл. 3.2).

Реакции нуклеофильного замещения у sp 3 -гибридизованного атома углерода наиболее изучены в органической химии. Так же, как и в случае радикального замещения, здесь предполагается разрыв -связи в молекуле исходного вещества, называемом еще субстратом, и образование новой -связи в продукте реакции. Однако нуклеофильное замещение относится к реакциям ионного типа, поэтому молекула исходного вещества (RX ) должна быть поляризована, причем у заместителя X должна быть достаточно высокая эффективная электроотрицательность. Общая схема реакции может быть представлена в следующем виде:

Атакующий агент Y , называемый нуклеофилом, за счет неподелённой пары электронов атакует в молекуле субстрата положительно заряженный центр. Реакция сопровождается гетеролитическим разрывом -связи в молекуле субстрата, заместитель X уходит вместе с парой электронов. Новая ковалентная связь образуется за счет пары нуклеофильного реагента координационным путем.

Нуклеофильными реагентами могут быть самые разнообразные частицы, но они должны обязательно иметь неподеленную электронную пару. Это, например, анионы HО ¯, RO ¯, ¯NH 2 , F ¯, Cl ¯, Br ¯, I ¯, CN ¯, H ¯, ¯CH 2 -R и нейтральные молекулы H 2 O, ROH, NH 3 , RNH 2 , RR’NH, H 2 S, RSH. Нуклеофильными свойствами обладают и такие соединения, как непредельные и ароматические углеводороды.

Субстратами могут быть полярные молекулы, имеющие атом углерода с эффективным положительным зарядом и замещаемую группу X . Атом углерода здесь называется электрофильным центром. Группа X , называемая также уходящей группой или нуклеофугом , обладает высокой электроотрицательностью и может уходить как в виде аниона, так и в виде незаряженной молекулы.

В реакциях нуклеофильного замещения в зависимости от природы субстрата, нуклеофила, уходящей группы и от условий реакции могут реализоваться несколько различных механизмов. Для таких реакций наиболее распространёнными являются механизм бимолекулярного нуклеофильного замещения, обозначаемый S N 2, и мономолекулярного нуклеофильного замещения, обозначаемый S N 1.

Механизм бимолекулярного нуклеофильного замещения

Реакция бимолекулярна, потому что протекает при столкновении двух частиц: нуклеофила и молекулы субстрата. Скорость реакции при этом зависит от концентрации субстрата и от концентрации атакующих нуклеофильных частиц. Нуклеофил атакует положительно заряженный центр молекулы субстрата с электростатически более выгодной «тыльной» стороны, так как в этом случае на него не действует одноимённый заряд нуклеофуга. Реакция представляет собой одностадийный процесс. Связь C–Y образуется одновременно с разрывом C–X связи.

Энергия, необходимая для разрыва C–X связи, поставляется за счёт синхронного процесса образования связи C–Y . Как только группа Y включается в переходное состояние, группа Х должна уйти, поскольку атом углерода не может иметь более восьми электронов на внешнем уровне. В переходном состоянии исходная sp 3 -гибридизация атома углерода изменяется на sp 2 -гибридизацию с примерно перпендикулярной р- орбиталью. В переходном состоянии нуклеофильный реагент, центральный атом углерода и нуклеофуг находятся на прямой линии, поэтому, если подход нуклеофила со стороны, противоположной уходящей группе, невозможен, например, вследствие особенностей строения субстрата, бимолекулярная реакция также становится невозможной. Три нереагирующие группы субстрата и центральный атом углерода примерно компланарны, то есть находятся в одной плоскости. Они будут строго компланарны, если входящая и уходящая группы одинаковы. В других случаях возможно как более раннее переходное состояние (связи центрального атома углерода еще не приняли тригональную конфигурацию, порядок связи С...Х больше порядка связи C...Y ), так и более позднее.

Стереохимию процесса бимолекулярного нуклеофильного замещения легко наблюдать на примере гидролиза оптически активного субстрата. Три нереагирующие группы при атаке как бы «выворачиваются» внутрь. Поэтому иногда говорят и про атом углерода, что он «выворачивается», но чаще всего пользуются термином «обращение конфигурации» атома углерода, имея в виду изменение пространственного расположения присоединённых к нему групп. Действительно, если бы группы Х и Y имели одинаковую химическую природу (например, в реакции изотопного обмена при замещении 35 Сl на 37 Сl ), то оказалось бы, что продукт реакции вращает луч плоскополяризованного света в противоположном направлении по сравнению с исходным веществом и является его зеркальным отражением. Этот процесс сравнивают с выворачиванием зонтика на ветру. Такое изменение конфигурации известно еще под названием «вальденовское обращение». Все реакции бимолекулярного нуклеофильного замещения сопровождаются вальденовским обращением независимо от строения субстрата.

Механизм мономолекулярного замещения

Идеальный вариант механизма S N 1 включает две стадии:

Первая стадия - это медленная ионизация субстрата, и именно она определяет скорость реакции. Диссоциации молекул на свободные ионы предшествует переходное состояние, в котором происходит увеличение длины связи С–Х и постепенное перемещение электронной пары к уходящей группе. Затем образуется ионная пара. Распад её на ионы происходит почти всегда при участии молекул полярного растворителя. Практически механизм S N 1 осуществляется легко только в полярных растворителях. Вторая стадия - это быстрое взаимодействие промежуточного карбокатиона с нуклеофилом.

Таким образом, скорость всей реакции в целом зависит только от скорости наиболее медленной первой стадии, в которой принимают участие только молекулы субстрата. Поэтому реакция мономолекулярна, а её скорость зависит только от концентрации исходного субстрата.

Образующаяся в результате протекания процесса замещения частица Х ¯ может снижать скорость реакции из-за её обратимости. Поэтому во многих случаях можно добавками солей, содержащих анионы Х ¯, замедлить реакцию. Такое понижение скорости реакции, вызванное добавлением Х ¯, называется эффектом общего иона .

В общем случае для S N 1-реакций скорость не должна зависеть от природы нуклеофила и его концентрации.

Стереохимия мономолекулярного нуклеофильного замещения менее однозначна, чем замещения S N 2-типа. В идеальном случае, если процесс включает образование свободного карбокатиона, то последний должен быть планарен, то есть иметь плоскую конфигурацию, соответствующую sp 2 -гибридизации орбиталей. Нуклеофил должен с одинаковой скоростью атаковать карбокатион с обеих сторон плоскости, что приведет к образованию двух новых молекул субстрата, являющихся энантиомерами по отношению друг к другу. В результате образуется рацемическая смесь.

Для многих реакций довольно легко утверждать, что при данных условиях они следуют по механизму либо S N 1, либо S N 2. Однако в некоторых случаях механизм реакции охарактеризовать значительно труднее. Существуют промежуточные случаи, так называемая «пограничная» область механизмов, то есть механизм реакции не является ни «чистым» S N 1, ни «чистым» S N 2, а относится к промежуточному типу. Это можно представить следующей схемой:

где II - тесная ионная пара, III - рыхлая ионная пара, IV и V - диссоциированные ионы, каждый из которых окружен молекулами растворителя.

Таким образом, S N 1 и S N 2-реакции могут быть объяснены ион-парным механизмом. Субстрат диссоциирует с образованием промежуточной ионной пары, которая затем превращается в продукты. Различие между механизмами S N 1 и S N 2 заключается в том, что в первом случае нуклеофильной атаке подвергаются диссоциированные ионы (IV и V), а во втором случае нуклеофил атакует системы I ,II и, возможно, III. Так как в общем случае нуклеофильной атаке субстрат может подвергаться на любой стадии превращения по приведенной схеме, то чаще всего можно лишь утверждать, что тот или иной механизм близок к S N 1 или S N 2.

Факторы, влияющие на механизм и скорость нуклеофильного замещения

Одни и те же факторы могут совершенно различным образом влиять на скорость реакций, протекающих по «чистому» S N 1или S N 2-механизму. Поэтому какие-то из них способствуют протеканию реакций по мономолекулярному механизму, а какие-то - по бимолекулярному.

1. Влияние структуры субстрата . Увеличение пространственного объёма заместителей при реакционном центре субстрата уменьшает скорость бимолекулярного замещения, так как реакционный центр становится менее доступным атаке нуклеофила. При этом при переходе от бромметана к бромэтану скорость S N 2-реакции уменьшается в 145 раз, а к 2-бромпропану - в 18000 раз.

бромметан бромэтан 2-бромпропан

Однако скорость S N 1-реакции в этом ряду будет возрастать, так как влияние электронных эффектов заместителей в субстрате в большинстве случаев значительно сильнее проявляется в реакциях мономолекулярного замещения. Поэтому очевидно, что при переходе от первичных систем к вторичным и третичным скорость по этому механизму должна увеличиваться. Это можно объяснить увеличением стабильности алкильных катионов:

,

зависящим, в частности, от количества метильных групп вокруг положительно заряженного атома углерода, которые обладают электронодонорным индуктивным эффектом и поэтому компенсируют заряд реакционного центра. В этом же ряду возрастает и величина эффекта сверхсопряжения р- орбитали карбокатионного атома углерода с электронами С–Н связей. Поэтому высокая скорость реакций нуклеофильного замещения может быть характерна и для первичных, и для третичных алкилгалогенидов. В первом случае - за счёт лёгкости взаимодействия по S N 2-механизму (свободный доступ реакционного центра, нет стерических препятствий), во втором - по S N 1-механизму (лёгкость диссоциации субстратов, стабильность образующегося карбокатиона). Вторичные алкилгалогениды в большинстве случаев должны реагировать по смешанному механизму, причём скорость реакций у них будет относительно небольшой, так как есть препятствия для протекания и мономолекулярного, и бимолекулярного замещения.

Введение заместителей в молекулу субстрата по-разному будет влиять на скорость мономолекулярной и бимолекулярной реакций. Электронодонорные заместители должны ещё более стабилизировать образующийся катион и, следовательно, увеличивать скорость мономолекулярного замещения.

Влияние электронных эффектов заместителей на скорость бимолекулярной реакции не столь однозначно. Но большинство S N 2-реакций ускоряется электроноакцепторными заместителями - в этих случаях скорость реакции определяется лёгкостью взаимодействия нуклеофильной частицы с положительно заряженным реакционным центром субстрата. В других случаях скорость бимолекулярной реакции зависит от способности нуклеофугной группы отщепляться от реакционного центра, и влияние природы заместителей будет противоположным - таким же, как и в мономолекулярных реакциях.

2. Влияние природы нуклеофила. В реакциях нуклеофильного замещения практически любая нейтральная или отрицательно заряженная частица, имеющая неподелённую пару электронов, может быть нуклеофилом. Скорости мономолекулярных реакций не зависят от природы нуклеофила, так как он не принимает участия в лимитирующей стадии, поэтому нуклеофильность реагента, то есть способность предоставлять электронную пару для образования ковалентной связи при взаимодействии с положительно заряженным центром в субстрате, влияет только на скорость S N 2-реакций. Для этих реакций, протекающих в растворе, можно отметить несколько основных принципов, которые определяют влияние нуклеофила на скорость.

Во-первых, нуклеофильность аниона всегда выше, чем у соответствующей нейтральной молекулы. Так, ¯OH сильнее, чем H 2 O ; ¯NH 2 сильнее, чем NH 3 и т.д.

Во-вторых, при сравнении нуклеофилов, атакующие атомы которых находятся в одном периоде периодической системы, порядок нуклеофильности приблизительно совпадает с порядком основности. Поэтому

R 3 C ¯>R 2 N ¯>RO ¯>F ¯.

Электронодонорные заместители увеличивают нуклеофильность реагента, так, у RO ¯нуклеофильность выше, чем у HO ¯; у RSH - чем у H 2 S и т.д. Высокой нуклеофильностью обладают неустойчивые анионы, в частности карбанионы, так как образование аниона для атома углерода энергетически невыгодно (из-за его низкой электроотрицательности), и потому такие частицы обладают большой потенциальной энергией.

В-третьих, нуклеофильность возрастает сверху вниз в группах периодической системы (с увеличением радиуса атома), хотя основность в этом ряду падает. Так, обычный порядок нуклеофильности галогенидов выглядит следующим образом: I ¯>Br ¯>Cl ¯>F ¯. Аналогично любой серосодержащий нуклеофил сильнее соответствующего кислородсодержащего аналога, и то же справедливо для соединений, содержащих фосфор и азот. Это объясняется лёгкостью поляризации атомов и ионов большего размера и меньшей энергией сольватации этих ионов.

В-четвёртых, чем свободнее нуклеофилы, тем больше скорость; сольватация снижает скорость реакции. Так, протонные растворители (см. ниже) снижают нуклеофильную силу реагента за счет образования водородных связей, если нуклеофильным центром является сильно электроотрицательный элемент (F, O, N ).

Однако эти правила не могут учесть всех факторов, влияющих на нуклеофильность реагента. Так, часто определённую роль играют стерические препятствия. Например, трет -бутилат-ион (CH 3) 3 CO ¯- более сильное основание, чем HO ¯или C 2 H 5 O ¯, но значительно менее сильный нуклеофил, так как его большой пространственный объём затрудняет близкий подход к субстрату.

Таким образом, активность наиболее распространённых нуклеофилов уменьшается в ряду (для S N 2-реакций в протонных растворителях):

RS ¯>C 2 H 5 S ¯>I ¯>CN ¯>HO ¯>Br ¯>C 2 H 5 O ¯>Cl ¯>CH 3 COO ¯>H 2 O.

3. Влияние растворителей и катализаторов. В мономолекулярном замещении на первой стадии из нейтральной молекулы субстрата образуются ионы, они легко сольватируются молекулами полярных растворителей, особенно протонных. Поэтому протонные высокополярные растворители будут способствовать протеканию реакции по механизму S N 1.

В лимитирующей стадии бимолекулярного замещения принимает участие нуклеофильная частица. Поэтому применение протонного растворителя приведет к её дезактивации за счёт образования водородных связей с атомами водорода растворителя и замедлению реакции. В апротонных растворителях нуклеофильные реагенты сохраняют высокую реакционную способность. Кроме того, сольватируя катионы, апротонные растворители способствуют диссоциации молекул реагента на ионы и, следовательно, увеличивают нуклеофильную силу реагента. Таким образом, полярные апротонные растворители способствуют S N 2-реакции. Поэтому кислая среда, как правило, не способствует протеканию бимолекулярных реакций, и для этих реакций предпочтительна нейтральная или щелочная среда, так как сильные нуклеофилы - это обычно сильные основания.

В качестве катализаторов в реакциях нуклеофильного замещения используются кислоты Льюиса, то есть галогениды бора, алюминия, железа, цинка, кадмия, ртути, меди и другие. Эти вещества способны акцептировать анионы из раствора за счёт валентных орбиталей металла, и их применение может лишь замедлить процесс бимолекулярного замещения, но способствует протеканию S N 1-процесса, так как облегчает диссоциацию субстрата, при этом катализатор не взаимодействует с образующимися карбокатионами субстрата.

4. Влияние природы уходящей группы. В ходе реакции уходящая группа отщепляется вместе с парой электронов.

В реакциях, осуществляемых по механизму мономолекулярного замещения, чем легче будет уходящая группа отщепляться, тем быстрее пойдет реакция, так как именно разрыв связи С–Х и является лимитирующей стадией реакции, осуществляемой по механизму S N 1. На лёгкость же отщепления влияет не только энергия диссоциации связи, но и стабильность нуклеофугной группы как свободной частицы. Так, при отрыве галогенид-ионов стабильность этих анионов уменьшается в ряду I ¯>Br ¯>Cl ¯>F ¯. Однако этот порядок соблюдается в апротонной среде. Напротив, в протонных растворителях или в присутствии кислотных катализаторов легче всего отщепляются анионы слабых кислот, поэтому порядок отщепления будет обратный (HF самая слабая кислота из всех галогеноводоводных кислот). Для этих реакций не требуются сильные нуклеофилы, но необходимо, чтобы субстраты имели хорошие уходящие группы, поэтому большинство мономолекулярных реакций протекает в кислой среде.

Для S N 2-реакций природа уходящей группы заметного влияния на скорость не оказывает, так как лимитирующая стадия здесь - образование переходного состояния, а отщепление замещаемой группы происходит, как правило, быстро. Но такие группы, как OH , OR , NH 2 удаляются с трудом, так как связь углерод–кислород или углерод–азот достаточно прочная.

Таким образом, влияние различных факторов на направление и скорость реакций нуклеофильного замещения можно свести к следующим основным положениям.

Факторы, способствующие протеканию S N 1-реакции:

1) образование стабильного карбокатиона,

2) применение высокополярного протонного растворителя и кислотных катализаторов,

3) стабильность уходящей группы.

Нуклеофильность атакующей частицы существенного значения не имеет.

Факторы, способствующие протеканию S N 2-реакции:

1) доступность электрофильного центра субстрата,

2) применение апротонного растворителя,

3) высокая нуклеофильность реагента.

Природа уходящей группы существенного значения не имеет.

При нуклеофильном замещении нуклеофил атакует молекулу субстрата, предоставляя ей для образования новой связи свои электроны. Электроны разрывающейся связи уходят вместе с освобождающимся ионом. Такие ионные реакции идут преимущественно в жидкой фазе, поскольку растворитель стабилизирует образующиеся ионы за счет сольватации, что невозможно в газовой фазе.

Нуклеофильное замещение позволяет вводить в молекулу органического соединения большое количество функциональных групп, способных выступать в роли нуклеофилов. Например:

В роли нуклеофилов могут выступать и нейтральные молекулы, например:

Примеры реакций с участием бромистого этила, в качестве субстрата, приведены ниже:

Особенностью реакций нуклеофильного замещения является то, что они одни из самых распространенных в органической химии, а соответственно одни из самых изученных. В частности изучение кинетики реакции нуклеофильного замещения. Химическая кинетика - это изучение изменения концентрации реагентов или продуктов во времени. Изменение характеризуется производной концентрации по времени dc/dt. Устанавливают взаимосвязь производной с концентрациями реагентов или, при необходимости, с концентрациями продуктов.

Изучение изменения концентрации реагентов во времени в условиях реакции нуклеофильного замещения показало, что возможны два случая:

В первом случае изменение концентрации пропорционально только концентрации субстрата dc/dt = К[галоидный алкил]

Во втором случае изменение концентрации пропорционально концентрации субстрата и концентрации нуклеофильной частицы - dc/dt = К[галоидный алкил]×[нуклеофил]

Механизм, соответствующий первому случаю назван мономолекулярным нуклеофильным замещением и обозначается S N 1 .

Механизм, соответствующий второму случаю назван бимолекулярным нуклеофильным замещением и обозначается S N 2

1.4.2. Механизм S N 1 . Мономолекулярное замещение

По механизму S N 1 , например протекает гидролиз трет -бутилбромида:

В механизме S N 1 различают следующие стадии:

На первой стадии происходит ионизация галогенопроизводного с образованием карбкатиона и бромид-иона. Эта стадия является скоростьлимитирующей и характеризуется наиболее высокой энергией активации:

Бромид-ион образует с молекулами воды водородные связи и тем самым стабилизируется. Образующийся карбкатион также стабилизируется сольватацией растворителем. Но большее значение имеет стабильность самого карбкатиона. Он должен быть стабилизирован внутримолекулярными электронными эффектами, т.н. быть третичным или находиться в сопряжении с π-электронной системой (быть резонансно-стабилизированным).

На второй стадии происходит быстрое взаимодействие карбкатиона с нуклеофилом, в частности с водой.