1. Мономолекулярное нуклеофильное замещение

(механизм S_N1)

Первый механизм соответствует схеме 1 (вначале – уход нуклеофуга, затем – присоединение нуклеофила). Реакция протекает в две стадии; в упрощенном виде это выглядит так:

На первой стадии происходит ионизация субстрата с разрывом связи С-Hal и образованием ионов – карбокатиона и галогенид-аниона. Эта стадия является скоростьопределяющей (лимитирующей); это вполне естественно, т.к. здесь из нейтральной молекулы субстрата образуются заряженные частицы. Именно эта стадия определяет легкость протекания реакции по данному механизму, да и саму возможность такого механизма в том или ином конкретном случае.

На второй стадии происходит соединение карбокатиона и аниона нуклеофила с образованием продукта замещения; эта стадия является быстрой, что вполне понятно. [Для простоты здесь взят вариант, когда нуклеофил представляет собой анион; как уже указывалось, нуклеофил может быть и нейтральным; принципиально это картину не меняет].

Поскольку главная (лимитирующая) стадия реакции является мономолекулярной, данный механизм носит название мономолекулярного нуклеофильного замещения и обозначается индексом S_N1 (от англ. Substitution Nucleophilic monomolecular).

Первая стадия данного механизма (ионизация) выше была дана для наглядности несколько упрощенно – с образованием свободных ионов (т.е. как диссоциация). В действительности схема ионизации выглядит следующим образом:

Вначале образуется контактная или тесная (иногда ее даже называют интимной) ионная пара (267), где карбокатион и анион сближены (0,5-0,6 нм) и заметно взаимодействуют друг с другом; их рекомбинация обратно в молекулу исходного субстрата называется внутренним возвратом. Далее молекулы растворителя внедряются между противоионами; при этом противоионы расходятся на несколько большее расстояние, чем в контактной паре, их взаимодействие друг с другом ослабляется; образуется рыхлая или сольватно разделенная ионная пара (268) (вертикальные черточки обозначают внедрившиеся молекулы растворителя). Наконец, заключительной стадией может стать распад ионной пары с образованием свободных ионов (разумеется, сольватированных). Ионизация отнюдь не в любом случае доходит до образования свободных ионов; во многих случаях она ограничивается образованием контактных или рыхлых ионных пар.

Энергетический профиль реакции – характерный график для двухстадийной реакции с лимитирующей первой стадией:

G

R----X

R----Y

R⁺X^-

R-X R-Y

Координата реакции

Первый, более высокий максимум отвечает переходному состоянию первой стадии (диссоциации), второй – переходному состоянию второй стадии (рекомбинации); локальный минимум отвечает интермедиату.

Реакциям S_N1 соответствуют характерные особенности кинетики и стереохимии.

А. Кинетика. Скорость реакции зависит только от концентрации субстрата и не зависит от концентрации реагента, потому что в лимитирующей стадии участвует только субстрат. Реакция имеет первый порядок: v = k [R-X].

Б. Стереохимия. Если в реакцию S_N1 вводится оптически активный субстрат, то в продукте реакции оптическая активность теряется, т.е. образуется рацемат. Такой процесс называют рацемизацией. Причина в том, что при диссоциации хиральный реакционный центр превращается в карбокатион, который является плоским (атом углерода в карбокатионе имеет sp²-гибридизацию), т.е. ахиральным; присоединение нуклеофила к плоскому карбокатиону как с одной, так и с другой стороны равновероятно, что и приводит к образованию равных количеств двух энантиомеров:

Однако рацемизация не всегда бывает полной. Если диссоциация ограничивается образованием контактной ионной пары, то карбокатион «прикрыт» противоионом со стороны уходящей группы; следовательно, вероятность присоединения нуклеофила с обратной, не прикрытой стороны, будет больше; поэтому в несколько большем количестве образуется энантиомер с конфигурацией, противоположной конфигурации субстрата. Таким образом, стереохимическим результатом здесь будет частичное обращение конфигурации и частичная рацемизация.

Приведем конкретные варианты механизма S_N1 на примере превращений 2-бром-2-метилпропана (трет-бутилбромида):

Первая стадия – диссоциация – одинакова для обеих реакций (для простоты взята схема с образованием свободных ионов):

Вторая стадия для реакции 1 – взаимодействие карбокатиона с заряженным нуклеофилом (анионом):

В реакции 2 на второй стадии карбокатион реагирует с нейтральным нуклеофилом:

Н еподеленная пара нуклеофила образует связь с катионным центром; образуется продукт (269), представляющий собой спирт, протонированный по атому кислорода; после отщепления протона образуется конечный продукт – спирт.