14. Реакции нуклеофильного замещения у: а) аллил– и бензилгалогенидов; б) винил– и арилгалогенидов. Причины различной реакционной способности.

Реакционная способность аллил- и бензилгалогенидов.

Аллил- и бензилгалогениды чрезвычайно легко вступают в реакции нуклео­фильного замещения. Например, гидролиз аллил- и бензилбромидов осуще­ствляется кипячением с водой, а при использовании вместо слабого нуклео­фила — воды — более сильного нуклеофила — водного раствора гидроксида натрия — реакция происходит уже при комнатной температуре:

Гидролиз З-хлоробутена-1 и 1-хлоробутена-2 протекает с одной и той же скоростью, хотя первое из этих соединений относится ко вторичным, а другое — к первичным галогенопроизводным. В результате каждой из этих ре­акций образуются одни и те же продукты:

Эти экспериментальные данные легко укладываются в рамки механизма мономолекулярного нуклеофильного замещения S_N1. Каждый из рассматри­ваемых субстратов на стадии диссоциации образует катион аллильного типа. Аллильный карбокатион стабилизирован вследствие сопряжения вакантной р-орбитали с соседней π-связью и делокализации заряда по сопряженной сис­теме. Для каждого из исходных субстратов карбокатион аллильного типа мо­жет быть представлен граничными каноническими структурами с различным распределением положительного заряда. Взаимодействие аллильно­го карбокатиона на второй стадии с нуклеофилом (водой) приводит к образо­ванию смеси двух спиртов.

Значительная реакционная способность аллилгалогенидов в реакциях нуклеофильного замещения обусловлена стабильностью интермедиата (ал­лильного карбокатиона), что уменьшает энергию активации, необходимую для его образования:

Аналогично для бензилгалогенидов характерна склонность к реакциям мономолекулярного нуклеофильного замещения. Подтверждением этого явля­ется взаимодействие 1-фенил-1-хлороэтана с нуклеофильными реагентами — фторид-ионом и триэтиламином. Несмотря на то что в этих реакциях участву­ют различные по силе нуклеофилы, обе реакции осуществляются с прибли­зительно одной и той же скоростью, так как лимитирующей стадией реакции является образование одного и того же карбокатиона бензильного типа:

Во многих случаях и кинетика, и стереохимия реакций бензилгалогенидов соответствует мономолекулярному механизму. Скорость реакции гидролиза фенил-1-хлороэтана в водном ацетоне зависит только от концентрации суб­страта и не зависит от концентрации воды. При использовании оптически ак­тивного (S)-1-фенил-1-хлороэтана в результате реакции образуется 51% продукта с R-конфигурацией и 49% продукта с S-конфигурацией, т. е. реакция протекает с рацемизацией на 98%:

Образующийся в результате диссоциации субстрата на медленной стадии бензильный карбокатион стабилизирован вследствие делокализации положи­тельного заряда по сопряженной системе ароматического кольца. Очевидно, что заместители, которые могут дополнительно стабилизировать интермедиат, будут повышать реакционную способность бензилгалогенидов. Так, скорость реакции 4-метоксибензилхлорида с этанолом значительно выше, чем для не­замещенного бензилхлорида, что объясняется дополнительным влиянием электронодонорной метоксигруппы на стабилизацию карбокатиона:

Нуклеофильное замещение в ряду аллил- и бензилгалогенидов может про­исходить и по механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения S_n2, если для этого созданы соответствующие условия (высокая концентрация нук­леофила, малополярная слабоионизирующая среда). И в этом случае замещение уходящего иона происходит легче, чем для алкилгалогенидов. Аллилхлорид в реакции с иодид-ионом в ацетоне в 33 раза реакционноспособнее этилхлорида, бензилхлорид — в 93 раза.

Полагают, что увеличение скорости обусловлено стабилизацией переходного состояния за счет сопряжения орбитали р-типа, возникающей у атакуемого атома углерода в переходном состоянии, с π-орбиталью соседней двойной связи:

Реакционная способность винил- и арилгалогенидов.

В этих соединениях галоген непосредственно связан с атомом углерода кратной связи или бензольного кольца. В отличие от аллил- и бензилгалогени­дов винил- и арилгалогениды обладают низкой реакционной способностью в обычных реакциях нуклеофильного замещения и элиминирования. Так, на­гревая винилхлорид или бромид, равно как и хлоро- или бромобензол, с ни­тратом серебра в этаноле в течение нескольких дней не удается обнаружить да­же следов хлорида или бромида серебра, тогда как данная реакция для аллильных, бензильных и третичных галогенопроизводных происходит практически мгновенно, а для первичных и вторичных галогенидов в течение нескольких минут.

Винилгалогениды не удается превратить при действии обычных нуклео­фильных реагентов в соответствующие спирты, простые эфиры, амины, ни­трилы. В реакции элиминирования винилхлорид при действии спиртовым раствором гидроксида натрия очень медленно и с небольшим выходом образу­ет ацетилен. Гидролиз хлоробензола можно осуществить лишь при температу­рах выше 300 °С и высоком давлении:

Инертность винил- и арилгалогенидов в перечисленных реакциях обус­ловлена их строением. Неподеленная пара электронов атома галогена вступает в p,π-сопряжение с двойной связью или π-электронной системой кольца. Де­локализацию n-электронов гетероатома можно проиллюстрировать предель­ными мезомерными структурами, которые вносят вклад в реальную структуру. Реальная структура молекулы при данном способе описания представляет со­бой гибрид предельных структур. Вклад структур с разделенными зарядами со­общает связи углерод—галоген некоторый двоесвязанный характер.

Описанное строение винил- и арилгалогенидов подтверждается физиче­скими свойствами данного типа галогенопроизводных. Cвязь углерод—галоген в винил- и арилгалогенидах короче, а следовательно, и прочнее, чем в алкилгалогенидах. Дипольные моменты винил- и арилгалогенидов гораздо меньше, чем у галоге­ноалканов, что согласуется с проявлением в этих соединениях +М-эффектов атомов хлора и брома, а также с меньшим различием в электроотрицательнос­ти между атомами углерода в sp²-гибридном состоянии и галогеном.

Арилгалогениды не реагируют с нуклеофильными реагентами ни по меха­низму бимолекулярного, ни по механизму мономолекулярного замещения. В первом случае ароматическое кольцо затрудняет атаку с тыла и достижение переходного состояния в реакциях по механизму S_N2. Реакция, идущая по ме­ханизму S_N1, должна была бы приводить к образованию интермедиата, кото­рым в данном случае являлся бы нестабильный фенил-катион. В фенил-кати­оне вакантной является sp²-гибридная орбиталь, расположенная в перпенди­кулярной плоскости по отношению к p-орбиталям кольца, в связи с чем ста­новится невозможной делокализация положительного заряда с участием π-системы кольца:

Выше уже отмечалось, что хлоробензол превращается в фенол под дейст­вием гидроксида натрия только в очень жестких условиях. Однако известен и целый ряд факторов, когда замещение галогена в арилгалогенидах осуществ­ляется удивительно легко. Элекгроноакцепторные заместители (обычно нитро- или нитрозогруппы) в орто- и пара-положениях кольца по отношению к га­логену значительно облегчают протекание реакции замещения. Одна нитро­группа, введенная в кольцо, увеличивает скорость реакции в 10⁶ раз, две — в 10¹⁵ раз. Примеры таких реакций представлены ниже:

Аналогично протекают реакции замещения хлора в 1-хлоро-2,4-динитробензоле на диметиламиногруппу или метоксигруппу (в растворе метанола), которые осуществляются со значительной скоростью уже при комнатной температуре:

Известны примеры иного рода, когда сравнительно легко происходит замещение галогена в арилгалогенидах, не содержащих электроноакцепторных групп, активирующих данные субстраты в реакциях замещения. В этом случае для осуществления реакции используется сильное основание и неводная среда, как, например, в реакции превращения хлоробензола в анилин под действием амида калия в жидком аммиаке:

Очевидно, что в том и другом случае реакции осуществляются по механизмам, отличным от классических механизмов S_N2 и S_N2.