Unul dintre cele mai comune și importante mecanisme ale transformărilor organice este substituția nucleofilă la un atom de carbon saturat. Ca urmare a acestui proces, grupurile care părăsesc $Z$ în substraturi organice $RZ$ care conțin legături $C_sp3-Z$ sunt înlocuite cu reactivi nucleofili $Nu$: în așa fel încât perechile neîmpărtășite de nucleofili în $RNu$ Produsele de reacție devin perechi electronice de legături $\sigma$ $C-Nu$, iar perechile de electroni de legături $s$ $C-Z$ devin perechi singure de grupuri părăsitoare separate:

Grupurile care părăsesc $Z$ sunt adesea numite nucleofuge („mobile sub formă de nucleofili”). Un grup bun care părăsește are o nucleofugitate mare, un grup care părăsește slab are o nucleofugitate scăzută. Grupele cu nucleofugitate mare includ gruparea triflat (OTf), care pleacă sub formă de anioni $Z^-=CF_3SO_3^-$, precum și fluorosulfonat $FSO_3^-$, p-toluensulfonat sau tosilat (OTs-), etc. K grupări cu nucleofugitate scăzută includ gruparea acetat, $(RCOO^-)$ ionii carboxilat și $F^-$.

Reacțiile de substituție nucleofilă sunt clasificate în funcție de modificarea sarcinilor din substraturi sau nucleofile și după tipul mecanismelor de substituție.

Clasificarea reacțiilor de substituție nucleofilă după criteriul de încărcare

În funcție de caracteristica de încărcare, astfel de reacții sunt împărțite în patru grupuri.

Interacțiunea substraturilor neutre cu nucleofili neutri

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

De exemplu:

Interacțiunile substraturilor neutre cu nucleofilii anionici

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

De exemplu:

Înlocuirea unui halogen cu altul

Schimburi izotopice și de grup

1. Substraturi cationice - nucleofile neutre

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

   De exemplu:

   Substraturi cationice - nucleofili anionici

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

   De exemplu:

Observație 1

Din lista de reacții de mai sus, rezultă că, cu ajutorul diferitelor reacții de substituție nucleofilă, este posibil să se sintetizeze aproape orice clasă de compuși din seria alifatică.

Clasificarea reacțiilor de substituție nucleofilă în funcție de tipul mecanismului de reacție

În funcție de tipurile de mecanisme ale reacțiilor de substituție nucleofilă, acestea pot fi împărțite în cele bimoleculare, care sunt notate cu $S_N2$. La fel și monomoleculare, care sunt desemnate ca $S_N1$.

În plus, reacțiile organice pot fi împărțite în trei categorii:

1. izomerizare și rearanjare,
2. disociere și recombinare,
3. substituiri.

În această clasificare, reacțiile care au loc prin mecanismul SN2 aparțin celei de-a treia categorii, iar reacțiile care au loc prin mecanismul SN1 aparțin celei de-a doua:

Semnificația substituției nucleofile

Studiul mecanismelor de substituție nucleofilă joacă un rol excepțional în dezvoltarea ideilor despre reacțiile chimiei organice și, în același timp, reprezintă cele mai detaliate tipuri de transformări studiate. Cercetările privind mecanismele substituției alifatice nucleofile au început la mijlocul anilor 1930 de către doi oameni de știință proeminenți, K. K. Ingold și E. D. Hughes. Ei dețin lucrări fundamentale strălucitoare care alcătuiesc fondul de aur al chimiei organice. Ulterior, studiile lui Ingold și Hughes au fost modificate semnificativ, iar teoriile lor au suferit o serie de modificări. Dar propunerea acestor oameni de știință de a clasifica mecanismele de substituție în tipuri $S_N2-$ și $S_N1-$ este încă relevantă și corectă.

Introducere

Reacții nucleofile

O reacție nucleofilă este o reacție în care o moleculă a unei substanțe organice este expusă acțiunii unui reactiv nucleofil.

Reactivii nucleofili („iubind nucleul”), sau nucleofili, sunt particule (anioni sau molecule) care au o pereche de electroni singuratică la nivelul electronic exterior.

Exemple de particule nucleofile:

OH, Cl, Br, CN, H3O, CH3OH, NH3.

Structura unor reactivi nucleofili

Datorită mobilității electronilor π, moleculele care conțin legături π au și proprietăți nucleofile:

CH3=CH3, CH3=CH–CH=CH3, C6H6 aceasta. P.

(Apropo, asta explică de ce etilena CH3=CH3 și benzenul C6H6, având legături nepolare carbon-carbon, intră în reacții ionice cu reactivi electrofili).

1. Exemple de reacții nucleofile

Substituție nucleofilă:

Mecanismul substituției nucleofile este indicat prin simbolul SN (după primele litere ale termenilor englezi: S - substitution [substitution], N - nucleophile [nucleophile]).

Adiție nucleofilă:

Denumirea mecanismului este AdN (Ad - addition [attachment]).

2. Substituția și eliminarea nucleofilă monomoleculară

Substituția nucleofilă la un atom de carbon saturat este tipul de reacție organică ale cărei mecanisme au fost studiate în cel mai detaliu. Posibilitatea de a varia structura reactivilor, studiul simultan al modelelor cinetice și stereochimice, comoditatea măsurării experimentale a constantelor de viteză în diverși solvenți - toate acestea au făcut din reacțiile de substituție nucleofilă un proces model convenabil pentru stabilirea modelelor generale care relaționează structura. a compuşilor organici la reactivitatea lor . Nu întâmplător, în timpul studiului acestor reacții au fost formulate multe concepte generale care au devenit baza chimiei organice teoretice. Trebuie avut în vedere faptul că conceptele care vor fi formulate și analizate în următoarele două capitole au o semnificație generală și pot fi folosite pentru a descrie reactivitatea compușilor organici și în alte tipuri de procese organice. Modele care caracterizează; Reacțiile de substituție nucleofilă pot fi în mare măsură transferate către alte procese nucleofile: reacții de eliminare, substituții în seria aromatică, adăugări la legături multiple și multe altele.

Accentul nostru va fi pus pe două probleme principale. În primul rând, vom încerca să înțelegem modul în care mecanismul de reacție depinde de structura compușilor de reacție și de condițiile de implementare a acestuia. În al doilea rând, trebuie să învățăm să prezicem cum se modifică reactivitatea odată cu modificarea structurii reactivilor și a condițiilor de reacție! După cum vom vedea, aceste dependențe pot fi complet diferite pentru reacțiile care decurg prin mecanisme diferite. Acest lucru poate duce nu numai la un efect calitativ diferit al modificărilor factorilor structurali asupra ratei procesului, ci și la o schimbare completă a direcției acestuia. În continuare, vom arăta cum modelele discutate în acest capitol și în următorul capitol pot fi utilizate pentru a descrie alte procese.

3. CONCEPTE GENERALE PRIVIND MECANISME DE REACȚII DE SUBSTITUȚIE NUCLEOFILĂ

În general, reacția de substituție nucleofilă poate fi reprezentată prin următoarea schemă: R -Xm + Yn → R -Yn +1+ Xm -1

Atât un anion, cât și o moleculă neutră cu cel puțin o pereche de electroni (adică o bază Lewis) pot acționa ca un agent nucleofil Y, de exemplu:

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

Gruparea substituibilă X (numită grupare care pleacă) are de obicei o electronegativitate mare și poate părăsi atât ca anion, cât și ca moleculă neîncărcată, despărțindu-se cu electronii legăturii rupte:

X=Ha1, OH, SAU,

OSO2R, OCOR, NR3, SR2 etc.

Trebuie avut în vedere faptul că, în majoritatea cazurilor, reacțiile de substituție nucleofilă sunt însoțite de reacții de eliminare nucleofilă care concurează cu acestea, deoarece reactivul nucleofil poate interacționa nu numai cu un atom de carbon încărcat pozitiv, ci și cu un atom de hidrogen situat în poziție, divizându-se. se stinge sub formă de proton. În acest sens, multe aspecte ale reacțiilor de substituție și eliminare vor fi luate în considerare în paralel.

Reacțiile de substituție nucleofilă sunt notate cu Sn, iar eliminările cu En.

După cum vom vedea, reacția de substituție la C poate avea loc ca proces disociativ sau sincron. În primul caz, reacția începe cu disocierea monomoleculară la legătura C-X cu formarea unui carbocation, care interacționează cu un reactiv nucleofil în a doua etapă.

În cel de-al doilea caz, formarea unei legături cu un reactiv nucleofil și ruperea unei legături cu gruparea părăsitoare se realizează simultan, iar procesul decurge într-o singură etapă:

RX + Y- sunt structuri, iar substituția trece printr-o stare de tranziție analogă cu cea care are loc în cazul unui proces sincron. În reacțiile în soluție, mecanismul accocativ în două etape nu are loc. Faptul că reacțiile de substituție nucleofilă pot avea loc de fapt prin două mecanisme diferite este evidențiat atât de date stereochimice, cât și de cinetice.

4. Cursul stereochimic al reacțiilor de substituție nucleofilă.

La studierea reacțiilor de substituție nucleofilă a atomului de carbon y asimetric, s-a arătat că, în funcție de structura reactanților inițiali și de condițiile de reacție, cursul stereochimic al reacției poate fi diferit. Astfel, în timpul următorului ciclu de reacții, activitatea optică este aproape complet păstrată, dar semnul rotației este inversat.

În prima și a treia etapă a reacției, legăturile atomului de carbon asimetric nu sunt afectate și, prin urmare, configurația acestuia rămâne neschimbată. De aici rezultă că a doua etapă, înlocuirea grupării p-toluensulfonat cu anionul acetat, are loc cu inversarea completă a configurației la centrul de acțiune (inversarea Walden).

Concluzii similare au fost trase la compararea ratelor de racemizare și schimb de halogen în derivații de halogen optic activi (deoarece compușii inițiali și finali sunt identici, ionii de halogen radioactivi au fost utilizați pentru a studia viteza procesului).

Acest lucru a fost demonstrat prin metoda atomului etichetat.

Dacă presupunem că fiecare eveniment de schimb este însoțit de inversarea configurației, atunci când reacția se desfășoară cu 50%, ar trebui să se formeze un produs complet racemizat, adică cursul de schimb ar trebui să fie de două ori mai mic decât rata de racemizare. Datele experimentale sunt în total acord cu această ipoteză. Astfel, schimbul de iod în 2-iodoctan are loc cu inversarea completă a configurației.

În același timp, multe reacții de substituție nucleofilă au loc cu o pierdere completă a activității optice în timpul fiecărei reacții. Astfel, reacția de solvoliză a a-clorobenzenului optic activ în soluție apoasă de acetonă 80% este însoțită de racemizare de 97%:

Natura cinetică a reacțiilor de substituție nucleofile

Cel mai adesea, reacțiile de substituție nucleofilă sunt descrise de una dintre cele două ecuații cinetice.

Reacția poate fi descrisă printr-o ecuație de ordinul întâi. În acest caz, viteza procesului nu depinde nici de concentrația, nici de natura nucleofilului.

O astfel de ecuație cinetică indică faptul că nucleofilul nu participă la etapa de determinare a vitezei a procesului și a etapelor de preechilibru care îl precedă.etapa rapidă care urmează celei de determinare a vitezei.

În cel de-al doilea caz, reacția are un ordin total al doilea și ordinul întâi în ceea ce privește substratul și nucleofilul.

Aceste reacții sunt caracterizate printr-o dependență ridicată a vitezei procesului de natura nucleofilului.

5. S N 1 șiS N 2 reactii.

Contribuția fundamentală la studiul reacțiilor de substituție la atomul de carbon sp 3 hibridizat a fost făcută de Ingold. Un exemplu clasic de reacție de substituție nucleofilă este conversia unei halogenuri de alchil într-un alcool:

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

La studierea cineticii reacțiilor de acest tip, s-a constatat că acestea pot proceda după două mecanisme (substituție monomoleculară și bimoleculară), care corespund dependențelor cinetice:

V1=k' (S N 1)

V2= k (S N 2)

Denumirea reacțiilor (S N 1) și (S N 2) a fost propusă și de Ingold și reprezintă, respectiv, substituție nucleofilă monomoleculară și bimoleculară (din engleză. Substitution nucleophilic).

SUBSTITUȚIE NUCLEOFILĂ MONOMOLECULARĂ (S N 1)

SUBSTITUȚIE NUCLEOFILĂ BIMOLECULARĂ (S N 2)

Se presupune că reacția se desfășoară conform următoarei scheme:

Dacă în compusul original a existat orice configurație optică (D -, L -), atunci, ca urmare a reacției, aceasta este inversată (L -, D -).

Reacțiile de acest tip implică predominant halogenuri de alchil primare, nestingherite din punct de vedere steric, care nu formează un carbocation stabilizat atunci când gruparea scindabilă este scindată.

6. INFLUENȚA DIVERȚILOR FACTORI ASUPRA SUBSTITUȚIEI NUCLEOFILICE LA UN ATOM DE CARBON SATURAT

	(S N 1)	(S N 2)
Structura substratului	Reactivitatea se încadrează în seria: benzii, alil > terțiar > secundar > primar	Reactivitatea crește în seria: benzii, alil< третичный < вторичный < первичный
Intrarea în grup	Practic, niciun efect	Cu cât nucleofilitatea este mai mare, cu atât reacția va continua.
Părăsirea grupului	Cu cât energia de legare este mai mică, cu atât reacția are loc mai ușor.	Înlocuirea devine mai dificilă pe măsură ce nucleofilitatea (bazicitatea) grupului părăsitor crește
Factori sterici	O creștere a numărului de substituenți alchil și de grupări donatoare de electroni la centrul nucleofil promovează reacția.	Interferează cu atacul centrului nucleofil și împiedică reacția
Efect de solvent	Reacțiile sunt facilitate de solvenți polari protici	Efectul solventului este mult mai puțin pronunțat, dar reacția este împiedicată de solvenți care solvată nucleofilul. În general, procedați mai bine cu solvenți polari aprotici.
Concentrația de nucleofili	Nu afectează viteza de reacție	Viteza de reacție este proporțională cu concentrația de nucleofil

7. Aplicarea reacțiilor de substituție nucleofile

Un număr mare de grupări diferite pot fi substituite prin aceste reacții de substituție nucleofilă. Bannett și Zeiler au dat următoarea ordine aproximativă a ușurinței înlocuirii grupului: _ F > -N02 > -Cl, -Br, - J > -OS02R > - NRt > - OAr > -- OR > - SR, SAr > - S02 R > - NR2 .

O poziție mult mai puțin satisfăcătoare în ceea ce privește substituția radicalilor liberi și nucleofilă. În cazurile de substituție cu radicali liberi, s-a dovedit existența complecșilor n și s, care, aparent, participă la mecanismul de substituție în compușii aromatici. Cu toate acestea, nu există încă date precise cu privire la existența și stabilitatea acestor intermediari și se poate spune relativ puțin despre detaliile mecanismului intim de substituție a radicalilor liberi. În cazurile de substituţie nucleofilă, situaţia este şi mai puţin satisfăcătoare, în ceea ce priveşte substituirea compuşilor aromatici „neactivaţi”. În prezent, este imposibil să se ofere o explicație suficient de fundamentată pentru substituțiile de acest tip.

În prezența halogenurilor sau a substituenților electronegativi similari în inel, devine posibilă întreaga gamă de reacții de substituție nucleofile, care nu se potrivesc cu hidrocarburile originale în sine. Aceste reacții de substituție se încadrează în mod natural în două clase diferite: 1) clasa care implică substituția celor „neactivate” și 2) clasa de reacții în care substituentul „activat” este substituit.

Reacțiile de substituție ale hidrocarburilor aromatice sunt clasificate convenabil în termeni de reprezentări electronice ale tipurilor de substituție. Astfel, de exemplu, compușii intermediari de tip R+ cu deficiențe de electroni tind spre centre cu o densitate mare de electroni c. moleculele cu care reacţionează. Astfel de intermediari sunt numiți electrofili (acceptor de electroni), iar reacțiile de substituție care implică astfel de intermediari sunt denumite reacții de protecție electrofile http://www.anchemistry.ru/ref/8lektrofil5nogo_zame4eni9.html. În mod similar, intermediarii precum R~: tind spre centrele de reacție ale moleculei cu densitate electronică scăzută și sunt numiți nucleofili. Reacțiile de substituție care implică astfel de intermediari sunt cunoscute ca reacții de substituție nucleofile. Compușii intermediari sub formă de radicali liberi, datorită neutralității lor electrice, sunt puțin afectați de centrele de densitate electronică mare și scăzută. Substituțiile care implică participarea compușilor intermediari sub formă de radicali liberi se numesc reacții de substituție a radicalilor liberi.

Dintre reacțiile de substituție nucleofilă se remarcă reacțiile piridinei cu amidă de sodiu și cu KOH uscat la 250-300 ° C (reacții ale lui A.E. Chichibabin):

Reacțiile de substituție în hidrocarburile aromatice cu grupări eloctrofile și radicali liberi au fost luate în considerare în secțiunile anterioare. Această secțiune este dedicată unei imagini de ansamblu asupra substituției nucleofile.

Relevanța cercetării privind studiul thiaindanilor, desfășurată pe scară largă la Institutul de Chimie al Academiei de Științe a SSR Tadya, se datorează prezenței acestora din urmă în uleiurile din depresiunea Tadjik - cel mai sulfuros și rășinos ulei în țară. Principalele rezultate ale acestor lucrări sunt cuprinse în raportul de doctorat. I.I. Nasyrov și membru corespondent al Academiei de Științe a TadkhSSR I. Nuaanov. Ei nu numai că au studiat în detaliu numeroasele perversiuni ale I-tiaindanilor și derivaților acestora, reacțiile de substituție electrofilă, radicală și nucleofilă, dar și au sintetizat substanțe cu proprietăți pesticide, coloranți, monomeri, stabilizatori ai fibrelor sintetice etc.

Norton clasifică substituția hidrogenului de către un metal ca o reacție de substituție electrofilă, pe baza credinței (acum recunoscută ca incorectă) că reactantul atacator este cationul de metal alcalin, în timp ce carbanionul joacă doar un rol minor ca acceptor de protoni. Pe de altă parte, pe baza aranjamentului perechii de electroni a legăturii carbon-hidrogen care este ruptă și a legăturii carbon-metal (ionică) care se formează, reacția de substituție a hidrogenului cu metal poate fi definită ca substituție electrofilă. Din același motiv, hidroliza clorurii de tore/n-butil este definită ca o reacție de substituție nucleofilă a izomerizării hidrocarburilor.Se manifestă un număr mare de regularități asociate cu caracteristicile reacțiilor de substituție nucleofilă la un atom de carbon saturat. Astfel, la viteze de reacție relativ mari, se observă stereospecificitatea și stereodirectivitate a rearanjamentelor, ceea ce indică un mecanism de substituție pseudo-Sn2, care presupune păstrarea structurii tetraedrice a ionului carboniu cu atacul grupului migrator din partea opusă față de gruparea scindabilă (ion hidrură).

Concluzie

Astfel, am examinat reacțiile de substituție nucleofilă în atomul de carbon tetraedric, considerate două mecanisme posibile ale acestui proces, am arătat ce factori îl afectează, și anume: structura substratului, caracteristicile structurale ale grupurilor de intrare și ieșire, natura solvent, diverși factori sterici. Și, în sfârșit, au fost indicate posibile aplicații ale reacțiilor de acest tip.

Bibliografie

1. T. Becker. Mecanisme ale proceselor electronice în compuși organici.-M, 1969.-687 p.

2. Neyland O. Chimie organică: manual. Pentru chimie. universități speciale.- , M .: Superior. şcoală., 1990.-751 p.

3. R. Morrison, R. Boyd. Chimie organică.-M.: Mir, 1974.- 1132 p.

Reacțiile nucleofile sunt reacții heterolitice ale compușilor organici cu reactivi nucleofili. Nucleofilii includ anioni și molecule (organice și anorganice) care își consumă singura pereche de electroni în timpul reacției pentru a forma o nouă legătură.

Viteza și mecanismul reacției S N sunt determinate de:

Capacitatea nucleofilă (nucleofilitatea) a reactivului Y

Natura substratului

Capacitatea de nucleofuge a grupului plecat

Condiții de reacție

Nucleofilitatea, spre deosebire de bazicitate, este o valoare cinetică, nu una termodinamică, adică. măsura cantitativă a nucleofilității este constanta vitezei de reacție, nu constanta de echilibru.

Există 2 cazuri limitative S N:

sn. Reprezentări chimice cuantice

S N poate fi reprezentat ca interacțiunea dintre HOMO al nucleofilului și LUMO al substratului. Energia de interacțiune:

, sunt sarcinile de pe centrul de reacție al nucleofilului Y și de pe atomul de carbon al substratului la care are loc atacul.

este distanța dintre centrii de reacție.

este coeficientul orbitalului atomic al unui atom aparținând unui nucleofil, care este un centru nucleofil, adică. caracterizează contribuția atomului nucleofil la HOMO Y.

– caracterizează aportul atomului de carbon (centrul electrofil) la LUMO al substratului.

este modificarea integralei de rezonanță, care caracterizează eficiența suprapunerii HOMO Y și LUMO a substratului.

, sunt energiile HOMO Y-ului și LUMO-ului substratului.

În cazul S N 1, când interacțiunea dintre cation și anion are loc și centrul de reacție poartă o sarcină pozitivă, factorul determinant este componenta coulombiană și reactivitatea relativă a nucleofililor crește simpatic cu bazicitatea lor. În acest caz, se spune că reacția se desfășoară sub controlul încărcării.

Situația este mai complicată în S N 2. În fază gazoasă și în solvenții aprotici, unde solvatarea anionului este scăzută și sarcina pe nucleofil este mai localizată, se observă și controlul sarcinii. Cu toate acestea, în solvenții protici (alcooli), sarcina de pe nucleofil este delocalizată ca urmare a solvației. Sarcina de pe centrul de reacție este, de asemenea, mică. În acest caz, rolul interacțiunii Coulomb este mai mic și principala contribuție la energia de interacțiune este adusă de componenta orbitală. Se spune că reacția se desfășoară sub control orbital. Prezența unui donor în nucleofil crește sarcina pe centrul de reacție, crescând astfel contribuția componentei de sarcină, în plus, introducerea unui substituent donor duce la o anumită creștere a energiei HOMO a nucleofilului și, în consecință, la o creștere a componentei orbitale. Acea. introducerea ED în molecula nucleofilă duce la o creștere a vitezei de reacție. În seria de halogeni ca nucleofili, interacțiunea Coulomb scade de la fluor la iod, ceea ce este o consecință a scăderii localizării sarcinii negative și a creșterii distanței dintre atomi. În același timp, interacțiunea orbitală crește deoarece energia LUMO de halogeni (HOMO) crește.

Spre deosebire de SE, unde atomul de hidrogen este de obicei substituit, grupările funcționale (halogeni, sulfo-, nitro-, etc.) sunt înlocuite în S N.

Cei mai activi în reacțiile de substituție nucleofilă ar trebui să fie haloalcanii RF, RCl, RBrși R.I., deoarece în moleculele lor, la substituție, grajd anionul de grup părăsind X¯, care este unul dintre ionii de halogenură, adică anionul unui acid puternic. Acest lucru este confirmat de numeroase exemple de substituție a atomilor de halogen în haloalcani, de exemplu, prin grupări hidroxi, alcoxi, amino, ciano și nitro. Dimpotrivă, aminele ar trebui să aibă cea mai mică reactivitate, deoarece amoniacul și aminele sunt acizi foarte slabi și, în consecință, bazele lor conjugate, adică anioni ¯ NH2,¯ NHR,¯ NR 2 foarte reactiv și, prin urmare, nu este stabil (se atașează cu ușurință un proton). Gruparea hidroxil din alcooli poate fi înlocuită și în reacții cu mulți nucleofili, totuși, în condiții mai severe. Gruparea alcoxi este și mai dificil de înlocuit. Grupările hidroxil și alcoxi sunt înlocuite numai într-un mediu acid, în care particula părăsitoare nu este un anion, ci o moleculă (respectiv, apă sau alcool). Gruparea amino este suficient de rezistentă la substituție, cazurile de substituție nucleofilă sunt rare, reacțiile se desfășoară în condiții foarte dure și numai pentru sărurile de amoniu. Din acest motiv, cea mai largă gamă S N-reacţii ale haloalcanilor (cap. 3.2).

Reacții de substituție nucleofilă la sp Atomul de carbon 3-hibridat este cel mai studiat în chimia organică. La fel ca și în cazul substituției radicale, aici se presupune că se rupe legătura - în molecula substanței inițiale, numită și substrat, și se formează o nouă legătură în produsul de reacție. Cu toate acestea, substituția nucleofilă se referă la reacții de tip ionic, deci molecula materiei prime ( RX) trebuie polarizat, iar substituentul X trebuie să aibă o electronegativitate efectivă suficient de mare. Schema generală a reacției poate fi reprezentată după cum urmează:

Agent de atac Y, numit nucleofil, din cauza perechii singure de electroni atacă centrul încărcat pozitiv din molecula substratului. Reacția este însoțită de o scindare heterolitică a legăturii - din molecula de substrat, substituentul X frunze cu o pereche de electroni. O nouă legătură covalentă este formată de o pereche de reactiv nucleofil într-un mod de coordonare.

O mare varietate de particule pot fi reactivi nucleofili, dar trebuie să aibă neapărat o pereche de electroni neîmpărtășită. Aceștia sunt, de exemplu, anioni HO¯ , RO¯ , ¯ NH2, F¯ , Cl¯ , Br¯ , eu¯ , CN¯ , H¯ , ¯ CH2-Rși molecule neutre H20, ROH, NH3, RNH2, RR'NH, H2S, RSH. Proprietăți nucleofile sunt posedate și de compuși precum hidrocarburile nesaturate și aromatice.

Substraturile pot fi molecule polare având un atom de carbon cu o sarcină pozitivă eficientă și o grupare substituibilă X. Aici atomul de carbon se numește centru electrofil. grup X numit si părăsind grupul sau nucleofuge, are o electronegativitate mare și poate pleca atât ca anion, cât și ca moleculă neîncărcată.

În reacțiile de substituție nucleofilă, în funcție de natura substratului, nucleofil, grupul de plecare și condițiile de reacție, pot fi realizate mai multe mecanisme diferite. Pentru astfel de reacții, cel mai comun mecanism este substituția nucleofilă bimoleculară, notat S N 2 și substituția nucleofilă monomoleculară, notate S N 1.

Mecanismul substituției nucleofile bimoleculare

Reacția este bimoleculară, deoarece are loc atunci când două particule se ciocnesc: un nucleofil și o moleculă de substrat. Viteza de reacție în acest caz depinde de concentrația substratului și de concentrația particulelor nucleofile atacante. Nucleofilul atacă centrul încărcat pozitiv al moleculei substratului din partea „spate” mai favorabilă electrostatic, deoarece în acest caz nu este afectat de aceeași sarcină a nucleofugei. Reacția este un proces într-o singură etapă. Conexiune C–Y format concomitent cu ruptura C–X conexiuni.

Energia necesară pentru rupere C–X conexiunea, se livrează datorită procesului sincron de formare a conexiunii C–Y. De îndată ce grupul Y este inclus în starea de tranziție, grupul X trebuie să dispară, deoarece un atom de carbon nu poate avea mai mult de opt electroni la nivelul său exterior. În starea de tranziție, originalul sp 3-hibridarea atomului de carbon se transformă în sp 2 - hibridizare cu aproximativ perpendiculară R- orbital. În starea de tranziție, reactivul nucleofil, atomul de carbon central și nucleofuge sunt în linie dreaptă; prin urmare, dacă apropierea nucleofilului din partea opusă grupului de plecare este imposibilă, de exemplu, datorită caracteristicilor structurale ale substrat, devine imposibilă și reacția bimoleculară. Cele trei grupe de substrat nereactive și atomul de carbon central sunt aproximativ coplanare, adică sunt în același plan. Ele vor fi strict coplanare dacă grupurile de intrare și de ieșire sunt aceleași. În alte cazuri, este posibil ca o stare de tranziție anterioară (legăturile atomului de carbon central nu au adoptat încă o configurație trigonală, ordinea legăturilor S X mai multă ordine de comunicare C...Y) Și mai târziu.

Stereochimia procesului de substituție nucleofilă bimoleculară poate fi observată cu ușurință folosind hidroliza unui substrat optic activ ca exemplu. Trei grupuri care nu reacţionează, atunci când sunt atacate, par să se „întoarcă pe dos în afară”. Prin urmare, uneori se spune despre atomul de carbon că „se dovedește”, dar cel mai adesea folosesc termenul de „inversare a configurației” atomului de carbon, adică o schimbare în aranjarea spațială a grupurilor atașate acestuia. Într-adevăr, dacă grupurile Xși Y a avut aceeași natură chimică (de exemplu, în reacția de schimb de izotopi la substituție 35 cl pe 37 cl), atunci s-ar dovedi că produsul de reacție rotește un fascicul de lumină polarizată plană în direcția opusă față de substanța originală și este imaginea în oglindă a acestuia. Acest proces este comparat cu întoarcerea unei umbrele pe dos în afară în vânt. Această modificare a configurației este cunoscută și sub denumirea de „inversie Walden”. Toate reacțiile de substituție nucleofilă bimoleculară sunt însoțite de inversiunea Walden, indiferent de structura substratului.

Mecanismul substituției monomoleculare

Mecanismul ideal S N 1 include două etape:

Prima etapă este ionizarea lentă a substratului, iar această etapă determină viteza reacției. Disocierea moleculelor în ioni liberi este precedată de o stare de tranziție în care lungimea legăturii crește S Xși mișcarea treptată a perechii de electroni către grupul ieșitor. Apoi se formează o pereche de ioni. Descompunerea sa în ioni are loc aproape întotdeauna cu participarea moleculelor de solvent polar. Mecanism practic S N 1 se realizează cu ușurință numai în solvenți polari. A doua etapă este interacțiunea rapidă a carbocationului intermediar cu nucleofilul.

Astfel, viteza întregii reacții în ansamblu depinde doar de viteza celei mai lente prime etape, la care participă doar moleculele de substrat. Prin urmare, reacția este monomoleculară, iar viteza sa depinde doar de concentrația substratului inițial.

Particula formată ca rezultat al procesului de substituție X¯ poate încetini viteza de reacție datorită reversibilității sale. Prin urmare, în multe cazuri este posibil să se adauge săruri care conțin anioni X¯, încetinește reacția. Această scădere a vitezei de reacție cauzată de adăugare X¯ , numit efect ionic comun.

În general, pentru S N 1-viteza de reacție nu ar trebui să depindă de natura nucleofilului și de concentrația acestuia.

Stereochimia substituției nucleofile monomoleculare este mai puțin clară decât substituția S N 2-tip. În mod ideal, dacă procesul implică formarea unui carbocation liber, atunci acesta din urmă ar trebui să fie plan, adică să aibă o configurație plată corespunzătoare sp 2 hibridizarea orbitalilor. Nucleofilul trebuie să atace carbocationul în aceeași rată de pe ambele părți ale planului, ceea ce va duce la formarea a două noi molecule de substrat care sunt enantiomeri unul față de celălalt. Rezultatul este un amestec racemic.

Pentru multe reacții, este destul de ușor de afirmat că, în condiții date, ele urmează mecanismul fie S N 1 sau S N 2. Cu toate acestea, în unele cazuri mecanismul de reacție este mult mai dificil de caracterizat. Există cazuri intermediare, așa-numita regiune „de frontieră” a mecanismelor, adică mecanismul de reacție nu este nici „pur” S N 1, nici „curat” S N 2, dar aparține tipului intermediar. Aceasta poate fi reprezentată prin următoarea diagramă:

unde II este o pereche de ioni strâns, III este o pereche de ioni liberi, IV și V sunt ioni disociați, fiecare dintre care este înconjurat de molecule de solvent.

Prin urmare, S N 1 și S N 2-reacțiile pot fi explicate prin mecanismul perechii de ioni. Substratul se disociază cu formarea unei perechi de ioni intermediare, care apoi se transformă în produse. Diferența dintre mecanisme S N 1 și S N 2 este că în primul caz, ionii disociați (IV și V) sunt supuși unui atac nucleofil, iar în al doilea caz, nucleofilii atacă sistemele I, II și, eventual, III. Deoarece, în cazul general, un substrat poate fi supus unui atac nucleofil în orice stadiu al transformării conform schemei de mai sus, cel mai adesea se poate argumenta doar că unul sau altul mecanism este aproape de S N 1 sau S N 2.

Factori care afectează mecanismul și viteza de substituție nucleofilă

Aceiași factori pot afecta rata reacțiilor care au loc într-un mediu „pur” în moduri complet diferite. S N 1sau S N 2-mecanism. Prin urmare, unele dintre ele contribuie la fluxul reacțiilor conform unui mecanism monomolecular, iar altele - conform unuia bimolecular.

1. Influența structurii substratului. O creștere a volumului spațial al substituenților la centrul reactiv al substratului reduce rata de substituție bimoleculară, deoarece centrul reactiv devine mai puțin accesibil pentru atac de către nucleofil. În acest caz, în timpul tranziției de la brometan la brometan, rata S N 2-reacția scade de 145 de ori, iar la 2-bromopropan - de 18.000 de ori.

brometan brometan 2-brompropan

Cu toate acestea, viteza S N Reacțiile 1 din această serie vor crește, deoarece influența efectelor electronice ale substituenților în substrat este în majoritatea cazurilor mult mai puternică în reacțiile de substituție monomoleculară. Prin urmare, este evident că în timpul tranziției de la sistemele primare la cele secundare și terțiare, rata prin acest mecanism ar trebui să crească. Acest lucru poate fi explicat prin creșterea stabilității cationilor alchil:

,

în funcție, în special, de numărul de grupări metil din jurul atomului de carbon încărcat pozitiv, care au un efect inductiv donator de electroni și, prin urmare, compensează încărcarea centrului de reacție. În aceeași serie crește și magnitudinea efectului de supraconjugare R- orbitalii unui atom de carbon carbocationic cu electroni S–N conexiuni. Prin urmare, o viteză mare de reacții de substituție nucleofilă poate fi caracteristică atât pentru halogenurile de alchil primare, cât și pentru cele terțiare. În primul caz, datorită ușurinței interacțiunii pe S N 2-mecanism (acces liber al centrului de reacție, fără obstacole sterice), în al doilea - conform S N 1-mecanism (ușurință de disociere a substraturilor, stabilitatea carbocationului rezultat). Halogenurile de alchil secundare, în cele mai multe cazuri, ar trebui să reacționeze conform unui mecanism mixt, iar viteza lor de reacție va fi relativ scăzută, deoarece există obstacole în calea fluxului de substituție atât monomoleculară, cât și bimoleculară.

Introducerea substituenților în molecula substratului va avea un efect diferit asupra vitezei reacțiilor monomoleculare și bimoleculare. Substituenții donatori de electroni ar trebui să stabilizeze în continuare cationul rezultat și, în consecință, să crească rata de substituție monomoleculară.

Influența efectelor electronice ale substituenților asupra vitezei unei reacții bimoleculare nu este atât de clară. Dar cel mai mult S N Reacțiile 2 sunt accelerate de substituenți atrăgătoare de electroni - în aceste cazuri, viteza de reacție este determinată de ușurința de interacțiune a particulei nucleofile cu centrul de reacție încărcat pozitiv al substratului. În alte cazuri, viteza unei reacții bimoleculare depinde de capacitatea grupului nucleofuge de a se separa de centrul de reacție, iar efectul naturii substituenților va fi opus - la fel ca în reacțiile monomoleculare.

2. Influența naturii nucleofilului.În reacțiile de substituție nucleofilă, aproape orice specie neutră sau încărcată negativ cu o pereche de electroni singuratică poate fi un nucleofil. Viteza reacțiilor unimoleculare nu depind de natura nucleofilului, deoarece nu participă la etapa de limitare, prin urmare, nucleofilitatea reactivului, adică capacitatea de a furniza o pereche de electroni pentru formarea unui covalent. legătura atunci când interacționează cu un centru încărcat pozitiv din substrat, afectează doar rata S N 2 reactii. Pentru aceste reacții care au loc în soluție, se pot observa câteva principii de bază care determină efectul nucleofilului asupra vitezei.

În primul rând, nucleofilitatea unui anion este întotdeauna mai mare decât cea a moleculei neutre corespunzătoare. Asa de Oh mai puternic decât H2O; ¯ NH2 mai puternic decât NH3 etc.

În al doilea rând, când se compară nucleofilii ai căror atomi de atac sunt în aceeași perioadă a tabelului periodic, ordinea nucleofilității este aproximativ aceeași cu ordinea bazicității. Asa de

R3C¯> R2N¯> RO¯> F¯.

Substituenții donatori de electroni cresc nucleofilitatea reactivului, deci RO¯nucleofilitatea este mai mare decât cea a HO¯; la RSH- decât H2S etc. Anionii instabili, în special carbanionii, au o nucleofilitate ridicată, deoarece formarea unui anioni pentru un atom de carbon este nefavorabilă din punct de vedere energetic (datorită electronegativității sale scăzute) și, prin urmare, astfel de particule au o energie potențială mare.

În al treilea rând, nucleofilitatea crește de sus în jos în grupuri ale sistemului periodic (cu creșterea razei atomice), deși bazicitatea scade în această serie. Deci, ordinea obișnuită a nucleofilității halogenurilor este următoarea: eu¯ >Br¯ >Cl¯ >F¯. În mod similar, orice nucleofil care conține sulf este mai puternic decât analogul corespunzător care conține oxigen și același lucru este valabil și pentru compușii care conțin fosfor și azot. Acest lucru se datorează ușurinței de polarizare a atomilor și ionilor mai mari și energiei mai mici de solvație a acestor ioni.

În al patrulea rând, cu cât nucleofilii sunt mai liberi, cu atât rata este mai mare; solvatarea încetinește viteza de reacție. Astfel, solvenții protici (vezi mai jos) reduc puterea nucleofilă a reactivului datorită formării legăturilor de hidrogen dacă centrul nucleofil este un element puternic electronegativ ( F, O, N).

Cu toate acestea, aceste reguli nu pot lua în considerare toți factorii care afectează nucleofilitatea reactivului. Astfel, obstacolele sterice joacă adesea un anumit rol. De exemplu, tert-ion ​​butilat (CH3)3CO¯ este o bază mai puternică decât HO sau C2H5O¯, dar un nucleofil mult mai puțin puternic, deoarece volumul său spațial mare face dificilă apropierea de substrat.

Astfel, activitatea celor mai obișnuiți nucleofili scade în serie (pentru S N 2-reacții în solvenți protici):

RS¯ >C2H5S¯ > eu¯ >CN¯ > HO¯ >Br¯ >C2H5O¯ >Cl¯ >CH3COO¯ >H2O.

3. Influența solvenților și a catalizatorilor.În substituția monomoleculară, în prima etapă, ionii se formează dintr-o moleculă de substrat neutră; aceștia sunt ușor solvați de molecule de solvenți polari, în special cei protici. Prin urmare, solvenții protici foarte polari vor promova reacția conform mecanismului S N 1.

O particulă nucleofilă ia parte la etapa de limitare a vitezei de substituție bimoleculară. Prin urmare, utilizarea unui solvent protic va duce la dezactivarea acestuia din cauza formării de legături de hidrogen cu atomii de hidrogen ai solventului și va încetini reacția. În solvenții aprotici, reactivii nucleofili păstrează reactivitate ridicată. În plus, prin solvatarea cationilor, solvenții aprotici promovează disocierea moleculelor de reactiv în ioni și, prin urmare, cresc puterea nucleofilă a reactivului. Astfel, solvenții aprotici polari contribuie la S N 2 reactii. Prin urmare, un mediu acid, de regulă, nu favorizează apariția reacțiilor bimoleculare, iar mediile neutre sau alcaline sunt preferate pentru aceste reacții, deoarece nucleofilii puternici sunt de obicei baze puternice.

Acizii Lewis, adică bor, aluminiu, fier, zinc, cadmiu, mercur, cupru și alte halogenuri, sunt utilizați ca catalizatori în reacțiile de substituție nucleofilă. Aceste substanțe sunt capabile să accepte anioni din soluție datorită orbitalilor de valență ai metalului, iar utilizarea lor nu poate decât să încetinească procesul de substituție bimoleculară, dar favorizează S N 1-proces, deoarece facilitează disocierea substratului, în timp ce catalizatorul nu interacționează cu carbocationii rezultați ai substratului.

4. Influența naturii grupului care părăsește.În timpul reacției, grupul eliberator este separat împreună cu o pereche de electroni.

În reacțiile desfășurate prin mecanismul de substituție monomoleculară, cu cât este mai ușor pentru grupa scindabilă să se despartă, cu atât reacția va merge mai rapid, deoarece este ruperea legăturii. S Xși este etapa de limitare a vitezei a reacției efectuate conform mecanismului S N 1. Ușurința clivajului este afectată nu numai de energia de disociere a legăturii, ci și de stabilitatea grupării nucleofuge ca particule libere. De exemplu, la detașarea ionilor de halogenură, stabilitatea acestor anioni scade în serie eu¯ >Br¯ >Cl¯ >F¯. Cu toate acestea, această ordine este observată într-un mediu aprotic. Dimpotrivă, în solvenții protici sau în prezența catalizatorilor acizi, anionii acizilor slabi sunt cel mai ușor eliminați, prin urmare ordinea de împărțire va fi inversată (HF cel mai slab acid dintre toți acizii halogenați). Aceste reacții nu necesită nucleofili puternici, dar necesită substraturi pentru a avea grupări scindabile bune, astfel încât majoritatea reacțiilor monomoleculare au loc într-un mediu acid.

Pentru S N 2-reacții, natura grupului care pleacă nu are un efect vizibil asupra vitezei, deoarece etapa limitativă aici este formarea unei stări de tranziție, iar eliminarea grupului substituit are loc, de regulă, rapid. Dar grupuri ca Oh,SAU,NH2 sunt greu de îndepărtat, deoarece legătura carbon-oxigen sau carbon-azot este destul de puternică.

Astfel, influența diverșilor factori asupra direcției și vitezei reacțiilor de substituție nucleofilă poate fi redusă la următoarele prevederi principale.

Factori care contribuie la scurgeriS N 1-reacții:

1) formarea unui carbocation stabil,

2) utilizarea unui solvent protic extrem de polar și catalizatori acizi,

3) stabilitatea grupului plecat.

Nucleofilitatea particulei atacatoare nu este esențială.

Factori care contribuie la scurgeri S N 2 reactii:

1) disponibilitatea centrului electrofil al substratului,

2) utilizarea unui solvent aprotic,

3) nucleofilitate mare a reactivului.

Natura grupului care părăsește nu este esențială.

În substituția nucleofilă, nucleofilul atacă molecula substratului, furnizându-i electronii săi pentru a forma o nouă legătură. Electronii legăturii de rupere pleacă împreună cu ionul eliberat. Astfel de reacții ionice au loc predominant în faza lichidă, deoarece solventul stabilizează ionii rezultați prin solvatare, ceea ce este imposibil în faza gazoasă.

Substituția nucleofilă face posibilă introducerea în molecula unui compus organic a unui număr mare de grupări funcționale capabile să acționeze ca nucleofile. De exemplu:

Moleculele neutre pot acționa și ca nucleofili, de exemplu:

Exemple de reacții care implică bromura de etil ca substrat sunt date mai jos:

O caracteristică a reacțiilor de substituție nucleofile este că sunt una dintre cele mai frecvente în chimia organică și, în consecință, una dintre cele mai studiate. În special, studiul cineticii reacției de substituție nucleofilă. Cinetica chimică este studiul modificării concentrației de reactanți sau produși în timp. Modificarea este caracterizată de derivata în timp a concentrației dc/dt. Stabiliți relația derivatului cu concentrațiile reactanților sau, dacă este necesar, cu concentrațiile produselor.

Studiul modificării concentrației de reactivi în timp în condițiile reacției de substituție nucleofilă a arătat că sunt posibile două cazuri:

În primul caz, modificarea concentrației este proporțională doar cu concentrația substratului dc/dt = K[halogenură de alchil]

În al doilea caz, modificarea concentrației este proporțională cu concentrația substratului și concentrația particulei nucleofile - dc/dt = K[halogenură de alchil]×[nucleofil]

Mecanismul corespunzător primului caz se numește substituție nucleofilă monomoleculară și se notează S N 1 .

Mecanismul corespunzător celui de-al doilea caz se numește substituție nucleofilă bimoleculară și se notează S N 2

1.4.2. Mecanism S N 1. Substituția monomoleculară

Prin mecanism S N 1 de exemplu hidroliza tert-bromura de butil:

În mecanism S N 1 distingeți următoarele etape:

În prima etapă, derivatul de halogen este ionizat cu formarea unui carbocation și a unui ion de bromură. Această etapă limitează viteza și se caracterizează prin cea mai mare energie de activare:

Ionul de bromură formează legături de hidrogen cu moleculele de apă și este astfel stabilizat. Carbocationul rezultat este de asemenea stabilizat prin solvatare cu solvent. Dar mai importantă este stabilitatea carbocationului în sine. Trebuie să fie stabilizat prin efecte electronice intramoleculare, așa-numitele. să fie terțiar sau să fie în conjugare cu sistemul de electroni π (să fie stabilizat rezonant).

În a doua etapă, carbocationul interacționează rapid cu nucleofilul, în special cu apa.