Материал: Лекция_25-26

Влияние нуклеофильного реагента

В случае S_N1-реакций нуклеофильный реагент не участвует в скорость-определяющей стадии, поэтому его сила и концентрация не оказывают влияния на скорость этих реакций.

В случае S_N2-механизма нуклеофильный реагент непосредственно участвует в реакции. Влияние его силы и концентрации суммируется в кинетическом уравнении (1)

Можно видеть, что скорость этих реакций линейно зависит от концентрации нуклеофильного реагента. Влияние силы нуклеофильного реагента отражается в значении константы скорости k. Силу нуклеофильного реагента определяется термином нуклеофильность. Нуклеофильность является результатом вклада двух факторов: основности и поляризуемости. Связь нуклеофильности с основностью определяется аналогией нуклеофильных реакций с протолитическими реакциями и фактически отражает сродство нуклеофила к положительно заряженному реакционному центру. В тех случаях, когда другие факторы, влияющие на нуклеофильность, остаются постоянными, наблюдается корреляция между константой скорости реакции S_N2-замещения (нуклеофильностью) и константой основности нуклеофильного реагента (основностью). Количественно эта зависимость выражается уравнением Бренстеда

k = G  K_B^ или lgk = lgG + lgK_B

где k -константа скорости, K_B - константа основности нуклеофила, G и  -эмпирические коэффициенты. Чем больше , тем быстрее возрастает скорость с увеличением основности нуклеофила. По мере перехода от S_N2 к S_N1-механизму завязывание новой связи происходит на все большем расстоянии и величина  уменьшается. В пределе, когда реакция протекает по S_N1-механизму, =0.

Другим фактором нуклеофильности является поляризуемость. В ионах большого размера (HS^–, J^–, Br^–) или при наличии в анионе кратных связей (CN^–, NO₂^–) электроны легко смещаются в направлении положительно заряженного реакционного центра. Благодаря этому поляризованная нуклеофильная частица завязывает с ним связь на большем расстоянии и реагирует значительно быстрее нуклеофилов с близкой или даже большей основностью, но не способных к поляризации. Например, усредненная относительная нуклеофильность легко поляризуемых ионов С₆H₅S^– в 470 раз выше для ионов С₂H₅O^–, тогда как основность последних (рК_В=–2) на много порядков больше, чем для иона С₆H₅S^– (рК_В=–4,6). Высокой нуклеофильностью обладают также ионы НS^– и CN^–, молекулы аммиака и аминов. В результате условия синтеза меркаптанов, сульфидов, аминов, нитрилов нуклеофильным замещением хлоралканов нередко оказываются даже более мягкими, чем условия их гидролиза щелочами.

Эдвардс предложил следующие уравнения для количественной оценки нуклеофильности

Е_N = 3,6 lg + 0,0624(pK_a+1,74)

где R_i - рефракция (поляризуемость) нуклеофила, рК_а -кислотность кислоты, сопряженной основанию-нуклеофилу. Стандартом служит вода, для которой нуклеофильность принята равной нулю.

Для аминов нуклеофильность изменяется в ряду: R₂NHRNH₂>>NH₃ При прочих равных условиях, чем сильнее нуклеофильность реагента, тем более вероятно протекание реакции по S_N2-механизму. Наоборот, со слабыми нуклеофилами более быстрой может оказаться реакция S_N1. Такая зависимость с обращением механизмов может быть продемонстрирована графиком зависимости скорости реакции от нуклеофильности

А нализ влияния природы нуклеофила и уходящей группы на скорость реакций нуклеофильного замещения показывает, что высокая поляризуемость увеличивает нуклеофильность частицы и одновременно делает ее хорошей уходящей группой. Это позволяет использовать такие частицы в качестве нуклеофильных катализаторов. Например, анион иода сильно ускоряет относительно медленные реакции гидролиза хлоралканов водой. Механизм нуклеофильного катализа этой реакции состоит в предварительном замещении хлорид-аниона иодом и последующем гидролизе образовавшегося иодалкана с образованием спирта и регенерацией J^–:

Конкуренция реакций нуклеофильного замещения

П ри проведении реакций нуклеофильного замещения в реакционных смесях могут присутствовать несколько нуклеофилов. В этих случаях имеет место конкуренция нескольких нуклеофильных реакций:

Из схемы конкуренции видно, что увеличение выхода любого из продуктов достигается увеличением избытка нуклеофила, ответственного за его образование. Так, при реализации щелочного гидролиза хлоралканов протекают следующие реакции

RCl + OH^–  ROH + Cl^– (3)

ROH + OH^– K;(( RO^– + H₂O (4)

RCl + RO^–  ROR + Cl^– (5)

Можно видеть, что соотношение скоростей основной реакции (3) и побочной реакции образования простого эфира (5) определяется конкурентным взаимодействием

+OH^- ROH

RCl

+RO^- ROR

и увеличение выхода основного продукта, спирта, может быть обеспечено увеличением избытка гидроксил-аниона. Поскольку соотношение определяется в соответствие с равновесием (4) равенством

факторами увеличения выхода спирта являются увеличение избытка воды и снижение конверсии хлоралкана (что равносильно понижению концентрации спирта).

Некоторые нуклеофилы обладают двумя реакционными центрами и поэтому дают разные продукты замещения. При этом преимущественное образование продукта замещения по тому или иному реакционному центру определяется правилом Корнблюма: Если реакция протекает по S_N2-механизму, то нуклеофил реагирует с субстратом своим более нуклеофильным (поляризуемым) центром. Если реакция протекает по S_N1-механизму, то нуклеофил реагирует с субстратом своим более электроотрицательным основным центром. Примером ионов с двойственной реакционной способностью (амбидентных ионов) являются цианид-анион СN и нитрит-анион

Эти анионы в зависимости от механизма реакции, определяемого условиями их проведения и структурой субстрата, могут давать следующие продукты

Подобная ситуация имеет место при обмене галогенов. Реакция S_N2 всегда протекает в сторону замещения более электроотрицательного атома на более нуклеофильный (поляризуемый) (F и Cl на Br и J). Однако при S_N1-замещении образуется продукт с более электроотрицательным заместителем (например, RF из RСl). Для изменения механизма используют соли или катализаторы с сильно электрофильным катионом (AgF, HgF₂, SbF₃, SbF₅):