Материал: Лекция_25-26

178

Лекции №25-26 Закономерности реакций нуклеофильного замещения

План.

1. Механизм реакций. Катализ. Соотношение между механизмами S_N1 и S_N2.

2. Влияние строения реагентов на реакции нуклеофильного замещения.

3. Конкуренция реакций нуклеофильного замещения. Правило Корнблюма.

Реакции некаталитического нуклеофильного замещения могут протекать в зависимости от условий, характера реакционной среды, структуры субстрата и природы нуклеофильного реагента по одностадийному или двухстадийному механизмам.

О дностадийный процесс представляет собой элементарную реакцию S_N2-замещения, где индекс 2 указывает на бимолекулярность реакции:

или более схематично

:Y^- + RX  ^ RY + X:^-

Можно видеть, что нуклеофил своей неподеленной парой электронов атакует углеродный атом в молекуле субстрата со стороны, противоположной замещаемой группе. При образовании активированного комплекса атакуемый атом углерода переходит из sp³-состояния в sp²-состояние. В результате углеродный атом оказывается в одной плоскости с группами R, R’ и R”, а нуклеофил и замещаемая группа связываются с ним за счет его р-орбитали. Распад активированного комплекса в продукт реакции сопровождается обратным переходом углеродного атома в sp³-состояние и обращением конфигурации исходного соединения, которое вызвано присоединением группы Y со стороны, противоположной разорвавшейся связи С-Х. Поэтому если объектом бимолекулярного нуклеофильного замещения является хиральный атом углерода, то в результате реакции происходит обращение оптической активности соединения. Скорость бимолекулярной реакции S_N2 выражается уравнением

r = k[RX][Y^-] (1)

При двухстадийном нуклеофильном замещении разрыв связи С-Х и образование связи С-Y происходит не одновременно. Первая элементарная стадия этой реакции - мономолекулярный гетеролитический разрыв связи С-Х с образованием карбкатиона

При этом центральный атом углерода переходит в состояние sp²-гибридизации и карбкатион приобретает плоское строение. Поэтому он с равной вероятностью атакуется нуклеофилом как со стороны отщепившейся группы, так и с противоположной стороны.

Поэтому, если объектом нуклеофильной атаки является хиральный атом углерода, то в результате реакции оптически активного субстрата образуется рацемическая смесь.

Первая стадия - мономолекулярная стадия гетеролиза - является скорость-определяющей. В связи с этим двухстадийный процесс нуклеофильного замещения обозначают символом S_N1, где цифра 1 означает мономолекулярность скорость-определяющей стадии.

Скорость реакций S_N1 в соответствии с характером скорость-определяющей стадии выражается уравнением

r = k[RX] (2)

В действительности механизм рассматриваемых реакций нуклеофильного замещения является более сложным.

В настоящее время общепринято, что разрыв связи С-Х существенно облегчается или вообще становится возможным лишь за счет взаимодействия замещаемой группы Х с электрофилами. Образование донорно-акцепторной связи I или водородной связи II

ведет к предварительной поляризации связи С-Х и облегчает ее последующий разрыв. Замещение некоторых групп (-OH, -OR, -SH, -SR, -NH₂, -NHR, - NR₂) вообще невозможно без их сильного взаимодействия с электрофилами. Например, замещение гидроксильной группы спирта при действии только бромид-аниона невозможно, но эту же реакцию легко осуществить в кислой среде. Предварительное протонирование гидроксильной группы меняет ее характер: в качестве уходящей группы выступает стабильная молекула воды, что делает энергетически выгодным гетеролиз связи С-ОН и облегчает атаку аниона брома

ROH + HBr  RO⁺H₂ + Br^–  [Br^- ... R ... O^-H₂]^  Rbr + H₂O

Аналогичным образом осуществляется превращение простых эфиров, меркантанов и аминов.

Кроме сильных протонных кислот (НСl, H₂SO₄) катализаторами реакций нуклеофильного замещения являются кислота Льюиса (Ag⁺, Hg²⁺, HgCl, HgCl₂, SnCl₄, AlCl₃, SbCl₅, Cu₂Cl₂, BF₃ и др.). Их действие зависит от природы отщепляемой группы. Например, протонные кислоты существенно ускоряют замещение О-, S- и N-содержащих групп и мало влияют на скорость замещения галогенов, поскольку последние являются слабыми основаниями и плохо протонируются. Атомы галогенов дают, однако, прочные донорно-акцепторные комплексы с некоторыми кислотами Льюиса, и их образование облегчает разрыв связи С-Hal при последующей реакции замещения. Так, аллилхлорид медленно гидролизуется водой, но в присутствии хлорида меди (I) легко дает аллиловый спирт

C H₂=CH–CH₂  Cl  Cu₂Cl₂ + H₂O  CH₂=CH–CH₂O⁺H₂ + Cu₂Cl₃

 CH₂=CH-CH₂OH + HCl + Cu₂Cl₂

При этом может произойти изменение механизма S_N2 в некаталитической реакции на S_N1 - в каталитической:

медл. _

RCl + Cu₂Cl₂  R⁺ + Cu₂Cl₃

R⁺ + Y^- RY

Cu₂Cl₃^–  Cu₂Cl₂ + Cl^–

Ослабление связи С-Х и уменьшение энергии переходного состояния в реакциях нуклеофильного замещения происходит и при образовании водородных связей между уходящей группой и протонодонорным агентом.

Так, скорость реакции метанолиза трифенилхлорметана

(C₆H₅)₃CCl + CH₃OH  (C₆H₅)₃COCH₃ + HCl

описывается кинетическим уравнение третьего порядка:

r = k[(C₆H₅)CCl][CH₃OH]²

Это согласуется с механизмом, согласно которому замещение хлора происходит только при условии его специфической сольватации другой молекулой спирта:

(C₆H₅)₃C-Cl + CH₃OH  (C₆H₅)₃C–ClHOCH₃

Образующийся ассоциат дает далее продукт замещения под действием второй молекулы нуклеофила - спирта

Противоположный эффект наблюдается при специфической сольватации нуклеофила, поскольку в результате образования водородных связей основность последнего утрачивается, что понижает его нуклеофильное сродство к положительно заряженному реакционному центру. При этом отрицательно заряженные нуклеофилы сольватируются сильнее нейтральных молекул или групп. Так, например, в реакции

CH₃J + Br^–  CH₃Br + J^–

преобладающее влияние имеет сольватация бромид-атома, а не атома иода в молекуле СH₃J. Это связано с большей электроотрицательностью брома по сравнению с иодом, что обусловливает большую прочность водородной связи с Br^– по сравнению с отщепляющимся J^–. В результате скорость этой реакции в метаноле в десятки тысяч раз меньше, чем в апротонных растворителях, где эффект специфической сольватации отсутствует.

Сольватация существенно влияет не только на общую скорость реакции, но и на соотношение механизмов S_N1 и S_N2. При прочих равных условиях первый из них тем более вероятен, чем выше полярность растворителя и его способность к специфической сольватации уходящей группы и чем выше кислотность катализатора. Такая роль катализаторов связана с выделением энергии сольватации, компенсирующей энергетические затраты на гетеролиз С-Х-связи.

В действительности S_N1 и S_N2-реакции не отделены друг от друга резкой гранью, между ними имеется область так называемых пограничных механизмов. При “чистом” S_N2-механизме с отрицательно заряженным нуклеофилом реакционный центр в переходном состоянии имеет частичный отрицательный заряд, поскольку образование новой связи С-Y опережает разрыв старой связи С-Х. Если на эту реакцию начинают действовать факторы, благоприятствующие S_N1-механизму (температура, сильносольватирующая среда, катализаторы –электрофилы) разрыв старой связи начинает опережать образование новой; реакционный центр в переходном состоянии приобретает положительный заряд и в пределе возникает ситуация, когда старая связь практически разорвана, а новая не образовалась, что соответствует чистому механизму S_N1. Переход от механизма S_N2 к механизму S_N1 иллюстрируется следующей схемой:

Влияние строения реагентов на реакции нуклеофильного замещения Влияние структуры радикала r субстрата

У спех реакции S_N2 определяется эффективностью атаки нуклеофила на положительно заряженный реакционный центр субстрата. При этом, чем выше этот положительный заряд, тем эффективнее взаимодействие. Поэтому электронодонорные заместители в радикале R, понижая положительный заряд на реакционном центре, замедляет нуклеофильную атаку. В то же время увеличению объема R затрудняет подход нуклеофила к реакционному центру. Совместное действие индуктивного и объемного эффектов определяет ряд реакционных способностей субстратов в реакциях нуклеофильного замещения:

Введение электроакцепторных заместителей в радикал R приводит к увеличению положительного заряда на реакционном центре субстрата, что делает нуклеофильную атаку более эффективной. Так, аллилхлорид гидролизуется более эффективно, чем хлорпропан из-за активирующего действия отрицательного индуктивного эффекта винильной группы:

CH₂ = CH  CH₂Cl CH₃CH₂  CH₂Cl

В реакциях S_N1 скорость-определяющей стадией является образованием карбкатиона. В соответствии с постулатом Хэммонда высокая эндотермичность этой стадии обусловливает высокую степень разрыва связей в ее переходном состоянии

[ R^+ ............ X^–] ^

Поэтому структура фрагмента R в переходном состоянии приближается к структуре свободного карбкатиона и все факторы, стабилизирующие карбкатионы, будут стабилизировать переходное состояние а, следовательно, приводить к ускорению реакции.

Факторами стабилизации карбкатиона и, соответственно, переходного состояния гетеролиза связи С-Х являются увеличение объема заместителей при реакционном центре и их электронодонорные свойства. Так, ряд реакционной способности соединений R-X в S_N1-реакциях

определяются совместным вкладом в стабилизацию соответствующих этому ряду карбкатионов

положительного индуктивного эффекта алкильных групп и увеличением объема алкильной группы за счет ее удлинения и разветвления.

Активирующее действие +М-эффекта на скорость S_N1-реакций можно проиллюстрировать на примере гидролиза этоксиметилбромида и 2-бромпропана. Первое соединение обладает намного большей реакционной способностью из-за существенной стабилизации карбкатиона

CH₃CH₂OCH₂  CH₃CH₂O=CH₂

Противоположное влияние индуктивного и объемного эффектов на реакции S_N1 и S_N2 может быть проиллюстрировано типичной зависимостью скорости реакций нуклеофильного замещения от числа алкильных заместителей при реакционном центре

Можно видеть, что в области S_N2-механизма электронодонорный и объемный эффект алкильных групп замедляет реакции, в области S_N1 – ускоряет. Между этими предельными случаями находится область пограничных механизмов, когда факторы S_N1 и S_N2 реакций конкурируют между собой.

Влияние уходящей группы

При прочих одинаковых условиях нуклеофильное замещение как по S_N1- так и по S_N2-механизму должно протекать тем быстрее, чем ниже энергия гетеролитического разрыва связи С-Х. Понижение этой энергии во многом связано со стабилизацией образующегося аниона за счет его лучшей поляризуемости (в случае галогенид-анионов) или эффектов сопряжения (для эфиров сульфокислот и диалкилсульфенов)

В то же время у спиртов и эфиров в уходящих группах ^–ОН и ^–OR отсутствуют структурные возможности для стабилизации, поэтому их отщепление эффективно при действии кислотного катализа (см. выше).

Стабилизация уходящей группы гораздо рельефнее влияет на ускорение S_N1-реакций по сравнению с реакциями S_N2. Это связано с большей степенью разрыва связей в скорость-определяющей стадии S_N1-реакции. Поэтому чем больше способность к стабилизации у уходящей группы, тем больше вероятность S_N1-механизма.