Травень В.Ф. - Органическая химия. В 3 т. Т. 2

Переходное состояние этой реакции менее полярно, чем исходные реагенты, поскольку в нем отрицательный заряд распределяется между входящим нуклеофилом и уходящим галогеном. Изменения в сольватирующих свойствах растворителей в таких реакциях сказываются прежде всего на активности нуклеофила.

Полярные апротонные растворители, как правило, хорошо растворяющие и соли, и органические соединения, наиболее часто применяют в реакциях SN2. Молекулы полярных апротонных растворителей способны специфически сольватировать катионы и не могут сольватировать анионы. Многие реакции SN2 проходят в таких растворителях (кривая 1) на несколько порядков быстрее, чем в неполярных (кривая 2 ). Эти закономерности влияния растворителя с участием заряженного нуклеофила иллюстрируются энергетической диаграммой, представленной на рис. 13.2.

Полярные протонные растворители за счет водородных связей сольватируют нуклеофил-анион и понижают тем самым его энергию и реакционную способность. Это приводит к росту свободной энергии активации G и к снижению скорости реакции.

В качестве примера нуклеофильного замещения с участием заряженного нуклеофила можно указать на реакции гидролиза и алкоголиза галогеналканов.

Рис. 13.2. Энергетическая диаграмма реакции SN 2 с участием заряженного нуклеофила: 1 — в полярном апротонном, 2 — в неполярном, 3 — в полярном протонном растворителе

Реакции SN2 с участием аллил- и бензилгалогенидов ускоряются вследствие стабилизации переходного состояния, достигаемой сопряжением π-связи (или π-электронного облака бензольного кольца) с р-орбиталью, формирующейся на атоме углерода в переходном состоянии. Этот эффект сопряжения понижает энергию активации реакции SN2 и тем самым увеличивает ее скорость:

Ниже приводятся относительные скорости реакций ряда алкилхлоридов с KI в ацетоне при 50 °С

Cl 79

В α-галогенкарбонильных соединениях соседними являются две электроноакцепторные группы. Каждая из них имеет вакантную орбиталь с низкой энергией — π*(С=О) — и σ*(C—Х)-орбитали. Смешивание этих орбиталей формирует молекулярную НСМО (π* + σ*) с еще более низкой

Ниже перечислены различные уходящие группы в ряду снижения легкости их отщепления (или снижения их «качества»):

CH3SO3 , CH3C6H4SO3 > I > Br > Н2O > Cl> F> OR >

> OH > NН2, NR2 > CH3, H

Рассмотрим примеры.

Спирты не реагируют с галогенид-ионами, так как гидроксид-ион OH — плохая уходящая группа:

R OH + Br реакция не идет

алканол

Однако реакция протекает гладко в присутствии минеральной кислоты. В этих условиях гидроксигруппа протонируется и легко замещается с отщеплением молекулы Н2О — хорошей уходящей группы:

H

R OH + H ROH Br R Br + H2O

алканол

Хлоралканы малоэффективны при получении сложных эфиров, поскольку хлорид-ион — плохая уходящая группа:

Реакция получения сложных эфиров с применением алкилтозилатов протекает быстро, поскольку сульфонат-ион является очень хорошей уходящей группой:

CH3COONa + н-С3H7 O SO2 C6H4CH3-n быстро

н-пропилтозилат

CH3COOC3H7-н + NaOSO2C6H4CH3-n

Задача 13.4. Анизол не реагирует с иодид-ионом, однако быстро реагирует с иодистоводородной кислотой.

C6H5OCH3 + HI

Почему? Какие продукты при этом образуются?

Задача 13.5. Многие реакции SN2 хлоралканов катализируются добавлением иодидионов. Почему гидролиз хлорметана быстрее протекает в присутствии NaI?

Бутилметиловый эфир. н-Бутилбромид кипятят с метоксидом натрия в метаноле в течение 30 мин. Добавляют воду, органический слой отделяют и сушат. Продукт выделяют перегонкой (т. кип. 70,5–71 °С) с высоким выходом.

Оценки степени нуклеофильности различных нуклеофильных реагентов обобщены в табл. 13.3 на основе сравнения скоростей реакций следующего ряда нуклеофилов с CH3—Br в этаноле:

Как видно из табл. 13.3, очень сильными нуклеофилами являются частицы, в которых нуклеофильным центром выступают атомы третьего или более высоких периодов (сера, фосфор, иод). Например, тиоцианат-ион гладко реагирует даже со вторичными галогеналканами, с хорошим выходом образуя алкилтиоцианаты:

Изопропилтиоцианат. Эквимольную смесь изопропилбромида и тиоцианата натрия кипятят в 90%-м этаноле в течение 6 ч. Осадок бромида натрия отфильтровывают, фильтрат смешивают с водой. Продукт экстрагируют эфиром и выделяют перегонкой, т. кип. 149–151 °С. Выход 76–79%.

Влияние растворителя на силу нуклеофила в реакциях SN 2

В протонных растворителях анионы образуют водородные связи с молекулами растворителя, что приводит к уменьшению их нуклеофильности. При этом анионы малого размера образуют более прочные водородные связи, чем анионы большого размера.

Ниже показан порядок уменьшения нуклеофильности анионов в протонных растворителях.

HS > I > Br > R O > HO > Cl > CH3COO >> F

Этот ряд относительной активности нуклеофилов получен при применении метанола в качестве растворителя и метанола как стандарта.

Апротонные полярные растворители не способны сольватировать анионы, так как не образуют с ними водородных связей. Вместе с тем молекулы этих растворителей за счет ион-дипольных взаимодействий связывают катионы. Высвобождающиеся при этом анионы малого размера оказываются более сильными нуклеофилами. По этой причине в диметилформамиде, например, нуклеофильность и активность анионов в реакциях SN2 изменяется иначе, чем в протонных растворителях.

Cl > Br > I.

13.4.2.Мономолекулярное нуклеофильное замещение

Реакции мономолекулярного нуклеофильного замещения (SN1) принципиально отличаются от реакций SN2.

Реакции SN1 часто протекают при действии на соответствующие субстраты слабыми нуклеофильными реагентами, но в растворителях, обладающих высокой ионизирующей способностью. Такие растворители, как правило, и выступают в качестве нуклеофилов. Например, при использовании в качестве растворителя воды или спиртов протекают реакции гидролиза или алкоголиза соответственно.

По механизму SN1, в частности, протекает гидролиз трет-бутилбромида. Эта реакция обратима. Сдвигу равновесия вправо способствует избыток воды.

Механизм реакции SN1

Реакции SN1 описываются кинетическим уравнением первого порядка: w = k1[(CH3)3CBr].

Скорость реакции не зависит от концентрации нуклеофила. Однако реакция SN1 может рассматриваться как мономолекулярная только формально.

Рис. 13.3. Энергетическая диаграмма реакции SN1 — гидролиза трет-бутилбромида

На самом деле нуклеофильный реагент не участвует в скоростьлимитирующей стадии. Вместе с тем скорость реакции в значительной мере определяется ионизирующей способностью растворителя, и таким образом его молекулы участвуют в скоростьлимитирующей стадии.

В механизме реакции SN1 различают следующие стадии.

Стадия 1 — ионизация галогенпроизводного с образованием карбокатиона и бромид-иона:

Бромид-ион образует с молекулами воды водородные связи и тем самым стабилизируется. Образующийся карбокатион также стабилизируется сольватацией растворителем. Однако прежде всего промежуточный карбокатион должен быть стабилизирован внутримолекулярными электронными эффектами, т. е. быть третичным или резонансно-стабилизированным.