Вопрос 10. Но ведь в субстрате может быть одинаковый радикал и различные атомы галогенов. Влияет ли каким-либо образом природа уходящей группы на выбор механизма реакции?

Ответ 10. Нет, выбор механизма не зависит от природы атома галогена, он определяется в первую очередь структурой радикала, а также выбором условий осуществления реакции: растворителем, катализатором, температурой и пр. Но вот скорость реакции действительно зависит от природы атома галогена. В некоторых случаях это может оказать влияние и на направление процесса, если в молекуле присутствует два атома галогена. Оказалось, что для реакций, протекающих как по механизму S_N2, так и по механизму S_N1, можно составить одинаковый ряд уменьшения реакционной способности различных галогеналканов (при условии, что природа алкильных радикалов остаётся одинаковой):

R―I > R―Br > R―Cl > R―F.

Принято считать, что легче вытесняется более стабильная группа, например, нейтральная молекула вместо иона (см. «Замещение в спиртах» стр. 20). В случае галогенид-ионов более стабильным считается тот, который имеет максимальный радиус. При этом отрицательный заряд распределён по большей площади, а вы помните, что делокализация заряда стабилизирует частицу. Однако в случае галогенпроизводных более важным фактором, определяющим лёгкость отщепления атома галогена, является энергия связи С―Hal и её поляризуемость. В ряду R―I; R―Br; R―Cl; R―F происходит увеличение энергии связи (см. таблицу 3), в этом же ряду уменьшается длина связи и, следовательно, её поляризуемость.

Таблица 3. Энергия диссоциации связи углерод-галоген в метилгалогенидах.

Соединение (Н3С―Hal)	Энергия диссоциации связи С―Hal, Дж/моль
Н3С―I	226 • 103
Н3С―Br	285 • 103
Н3С―Cl	339 • 103
Н3С―F	452 • 103

Таким образом, все перечисленные факторы способствуют более лёгкому отщеплению атома иода (см таблицу 4).

Таблица 4. Относительная скорость замещения атома галогена в метилгалогенидах.

Заместитель Х	Относительная скорость реакции
―I	150
―Br	50
―Cl	1
―F	0,01

СТОП!

Вопрос 11. Ну теперь-то с субстратом всё стало ясно. А природа нуклеофильной частицы каким-либо образом влияет на выбор механизма реакции?

Ответ 11. Нет. Но скорость реакции может зависеть от активности нуклеофила для одного из предложенных механизмов. А теперь я задам вам вопрос!

Вопрос 12. Для какого?

Ответ 12. Правильно, конечно для механизма S_N2. Поскольку в кинетическом уравнении реакций, протекающих по механизму S_N1, концентрация нуклеофильной частицы отсутствует, то и скорость реакции не должна зависеть от активности нуклеофила. Это подтверждают экспериментальные данные: оказалось, что скорости гидролиза третбутилхлорида водой и водным раствором щёлочи имеют одинаковое значение. А вот в реакциях S_N2 активность нуклеофила очень важна: чем активнее нуклеофил, тем легче он атакует субстрат и легче достигается переходное состояние. Поэтому гидролиз первичных галогеналканов реально ведут только водными растворами щелочей, а реакция с водой практически не протекает. Казалось бы, в случае реакций, протекающих по механизму S_N1, можно использовать любые нуклеофилы, однако на практике стараются применять слабые для того, чтобы избежать образования побочных продуктов отщепления.

Кроме того, для амбидентных частиц от выбора механизма может зависеть характер получаемых продуктов. Поэтому в тех случаях, когда нельзя изменить ни природу субстрата, ни природу нуклеофила очень важно правильно подобрать условия осуществления процесса. Среди них на первое место следует поставить подбор растворителя.

Для реакций, протекающих по механизму S_N1, растворитель является непосредственным участником лимитирующей стадии процесса: именно под влиянием растворителя происходит ионизация связи между алкильным радикалом и уходящей группой. Наилучшие результаты достигаются в том случае, когда растворитель хорошо сольватирует как карбокатион, так и уходящую частицу (анион). Такие растворители должны быть полярными и протонными. За счёт отрицательного конца диполя сольватируется карбокатион, а анион – за счёт сильно протонированного атома водорода; в ряде случаев может образоваться водородная связь между растворителем и анионом (образующимся из уходящей группы). К полярным протонным растворителям относятся вода, спирты и карбоновые кислоты (среди последних, как правило, используют муравьиную кислоту).

В реакциях, протекающих по механизму S_N2, использование протонных растворителей приводит к резкому понижению скорости реакции. Это связано с тем, что растворитель взаимодействует с нуклеофильной частицей, тем самым снижая её реакционную способность. Поэтому в таких реакциях используют полярные апротонные растворители. К таким растворителям относятся простые эфиры, ацетон, диметилформамид (ДМФА) и диметилсульфоксид (ДМСО). В качестве примера можно привести изменение относительной скорости взаимодействия метилиодида с хлорид-ионом в различных растворителях (таблица 5).

Таблица 5. Влияние растворителя на относительную реакционную способность реакций, протекающих по механизму S_N2.

Растворитель		Относительная скорость реакции
Метанол	СН3ОН	1
Формамид	HCONH2	12,5
Метилформамид	HCONHCH3	45,3
Диметидформамид	HCON(CH3)2	1,2 • 106

Переход от метанола к формамиду (оба растворителя являются протонными, но второй – значительно менее кислый) сопровождается некоторым увеличением скорости реакции, но замена этих растворителей на апротонный диметилформамид приводит к качественному (на шесть порядков!) скачку реакционной способности. Эти данные подтверждают, что реакция протекает по механизму S_N2.

Вывод 3. При увеличении полярности и протонности растворителя скорость большинства реакций S_N1 увеличивается, а скорость реакций S_N2, как правило, уменьшается. Таким образом, одна и та же реакция в одном растворителе может протекать по механизму мономолекулярного, а в другом растворителе – по механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения.