Вопрос 14. До сих пор мы говорили только о скорости реакции («лучше» – «хуже»). А есть ли примеры того, что смена механизма реакции может привести к образованию разных продуктов?

Ответ 14. Конечно, такое возможно. В первую очередь следует помнить о том, что в реакциях S_N1 велика доля побочных продуктов, в которых в качестве нуклеофильной частицы выступают молекулы растворителя. В частности, в рассмотренном выше примере взаимодействия алкилхлорида с водным раствором фторида серебра (или фторида калия) в качестве побочного продукта образуется спирт (нуклеофил – вода).

Но гораздо больший интерес вызывают амбидентные нуклеофилы.

ВНИМАНИЕ! Направление реакций нуклеофильного замещения.

Среди нуклеофильных частиц встречаются такие, которые содержат по паре электронов на двух различных атомах. Такие нуклеофилы называются амбидентными. Они могут атаковать субстрат двумя различными путями, давая при этом неодинаковые продукты. В большинстве случаев при реакции субстрата с амбидентным нуклеофилом образуется смесь продуктов, однако подбирая соответствующие условия можно добиться высокого выхода одного из образующихся веществ. Добиться селективности можно в том случае, если реакционная способность двух различных центров нуклеофильной частицы неодинакова. Это может быть связано с неравномерным распределением электронной плотности. Она смещается в сторону того из атомов, который обладает большей электроотрицательностью, на нём возникает больший отрицательный заряд, такой атом легче атакует положительно заряженный центр в карбокатионе, если реакция протекает по механизму S_N1. В то же время атом с меньшей электроотрицательностью легче отдаёт свою пару электронов, т.е. является более сильным нуклеофилом, поэтому именно этот атом амбидентной частицы атакует субстрат, если реакция протекает по механизму S_N2.

Если реакция протекает по механизму S_N2, то амбидентная частица атакует субстрат тем атомом, у которого сильнее выражены нуклеофильные свойства (нуклеофильный центр); для реакций, протекающих по механизму S_N1, предпочтительней атака тем атомом, на котором сосредоточен больший отрицательный заряд (основный центр).

Правило Корнблюма.

Следует помнить, что из правила Корнблюма, как впрочем и из любого другого правила, имеются исключения.

Рассмотрим строение двух важнейших амбидентных нуклеофилов, известных вам из курса неорганической химии: цианид- и нитрит-ионов. Помимо этих частиц существует большое число органических амбидентных нуклеофилов (анионы малонового и ацетоуксусного эфиров и др.), с которыми вы познакомитесь позже.

Строение цианид-иона и нитрит-иона.

С инильная кислота может существовать в двух таутомерных формах, при диссоциации каждой из них образуется единая частица – цианид-ион:

Н ─С≡N H + [:С≡N:]

Нуклеофильным центром является атом углерода, а основным – атом азота, поскольку он обладает большей электроотрицательностью и электронная плотность смещена к нему.

В нитрит-ионе пара электронов есть и у атома азота, и у атома кислорода. В этом случае центр нуклеофильности находится на азоте, а центр основности – на кислороде.

Задание 6. Напишите граничные структуры и мезоформулу для цианид- и нитрит-ионов, отметьте в них центры основности и нуклеофильности.

Д ля вторичных галогеналканов выбор механизма реакции (S_N1 или S_N2) можно осуществить подбором соответствующих растворителей и реагентов. Так, если обработать изопропилхлорид водным раствором нитрита натрия, то главным продуктом будет 2-нитропропан (S_N2–тип); при использовании водного раствора нитрита серебра реакция протекает по механизму S_N1, а главным продуктом будет изопропилнитрит (эфир азотистой кислоты):

Аналогичные результаты наблюдаются и в случае цианид-иона: в реакции с цианидом натрия образуется углерод – углеродная связь и продуктом является нормальный нитрил (реакция идёт по механизму S_N2); использование цианида серебра приводит к образованию изонитрила (S_N1):

В опрос 15. Использование амбидентных нуклеофилов действительно даёт разные продукты. А может ли направление реакции зависеть от структуры субстрата? Может быть существуют амбидентные субстраты?

Ответ 15. Этот термин – амбидентный субстрат – используется крайне редко, но действительно есть такие вещества. В первую очередь к ним следует отнести молекулы, содержащие два атома галогена. Если атомы галогенов разные или они связаны с различными атомами углерода, то, проводя реакцию по определённому механизму, можно добиться замещения только одного из атомов галогена; смена механизма может привести к другому продукту.

Задание 7. Какой из атомов галогена легче замещается в следующих соединениях:

а) 1,2- дихлор-2-метилбутан г) 1,4-дихлорбутен-1

б) 1,3-дибромпентан д) 3,4-дибромпентен-1

в) 4-хлор-1-иодбутан е) 2,3-дихлорпентадиен-1,4

ВНИМАНИЕ!

Замещение атома галогена в непредельных галогенпроизводных.

Из всех соединений, содержащих непредельный радикал, особенности в реакциях нуклеофильного замещения наблюдаются у соединений винильного и аллильного типа. Рассмотрим их подробнее.

Винильная структура.

К соединениям винильного типа относятся те галогенпроизводные, в которых атом галогена связан непосредственно с sp²-гибридным атомом углерода. Строение винилхлорида мы подробно изучали на спецкурсе «Теория химического строения» и при рассмотрении реакций электрофильного присоединения к молекулам с кратными связями. Вспоминайте!

Задание 8. Изобразите строение винилхлорида, приведите граничные структуры и мезоформулу молекулы, укажите, какими электронными эффектами обладает атом галогена в данной молекуле.

Отметим ещё один принципиальный момент. Наличие сопряжённой системы между атомом галогена и π-связью углеродного скелета приводит не только к изменению длин связей и дипольного момента молекулы. Самое главное заключается в том, что резко увеличивается энергия связи углерод-галоген. Поэтому для винильных структур реакции нуклеофильного замещения нехарактерны. Это связано не только с тем, что «уходящая группа» не желает уходить. Просто два известных нам механизма вряд ли могут быть реализованы для подобных субстратов. В механизме S_N2 принципиальным моментом является атака с тылу, однако в случае тригонального атома углерода подобная атака намного менее эффективна с точки зрения стерического фактора, чем в случае тетраэдрического атома. При этом следует учитывать отталкивание, которое возникает между электронной парой нуклеофильной частицы и электронами негибридной р-орбитали, которые участвуют в образовании π-связи.

В случае механизма S_N1 на первой (лимитирующей) стадии процесса должен под влиянием растворителя произойти разрыв связи С─Hal, что само по себе маловероятно ввиду её прочности. Однако, если такой разрыв всё же произойдёт, то в системе появится очень нестабильный винильный карбокатион, в котором положительный заряд сконцентрирован на конкретном атоме углерода и практически не делокализован.

Вывод 4. Замещение винильного атома галогена в обычных условиях не происходит.

Примечание 3. В этом случае более вероятным представляется механизм «присоединения-отщепления», с которым мы познакомимся в теме «Альдегиды и кетоны». Здесь мы его изучать не будем.

Аллильная структура.

В частицах аллильного типа атом галогена легко замещается по механизму S_N1. Это связано с тем, что после отщепления галогенид-иона образуется сопряжённый карбокатион, обладающий повышенной устойчивостью:

В том случае, если граничные структуры карбокатиона не являются идентичными, возможно образование двух различных продуктов! Это второй случай (после амбидентных нуклеофилов), когда смена механизма реакции приводит к смене продуктов.

Задание 9. Какие соединения могут получиться при действии водного раствора едкого кали на 4-хлор-2-метилпентен-2? Каков механизм этой реакции?

В то же время с первичными аллильными галогенпроизводными можно осуществить реакцию и по механизму S_N2, при этом винильный радикал создаёт не больше стерических затруднений, чем этильный.

С хема щелочного гидролиза аллилхлорида по механизму S_N2 приведена ниже:

Замещение гидроксильной группы в спиртах.

О собенностью подобных реакций является тот факт, который мы уже отмечали ранее: вытеснить из молекулы субстрата гидроксид-ион, который сам является сильнейшим нуклеофилом, практически невозможно. Реакция типа:

Br + CH₃OH → CH₃Br + OH

практически не протекает в указанном направлении. То есть, если она всё-таки и идёт, то в обратную сторону!