Реакции нуклеофильного замещения

В реакциях нуклеофильного замещения атакующий реагент (нуклеофил) отдает субстрату свою электронную пару, с помощью которой создается новая химическая связь, а уходящая группа (нуклеофуг) уходит со своей электронной парой. По строению реакционного центра субстрата различают нуклеофильное замещение у алифатического, аллильного, тригонального и ароматического атомов углерода.

Замещение у алифатического атома углерода

Нуклеофил может быть заряженым или нейтральным и субстрат тоже может быть заряженным или нейтральным, поэтому возможны четыре варианта замещения:

R–I + OH ^-  R–OH + I ^-

R–I + N(CH₃)₃  R–N⁺(CH₃)₃I ^-

R–N⁺(CH₃)₃ + OH ^-  R–OH + (CH₃)₃N

R–N⁺(CH₃)₃ + H₂S  R–S⁺H₂ + (CH₃)₃N

Механизмы реакций нуклеофильного замещения у алифатического атома углерода

Различают два крайних механизма реакции.

1. Механизм бимолекулярного нуклеофильного замещения (S_N2).

В этом механизме атака нуклеофилом осуществляется с тыльной стороны к уходящей группе. Реакция представляет собой одностадийный процесс, в ходе которого интермедиат или промежуточная частица не образуется. В переходном состоянии sp³-гибридизация меняется на sp², а р-орбиталь одной долей перекрывается c нуклеофилом, другой долей – с нуклеофугом

Имеется множество доказательств, подтверждающих механизм S_N2:

а) кинетические исследования. Так как лимитирующая стадия включает нуклеофил и субстрат, реакция должна иметь первый порядок по реагенту и первый по субстрату и общий второй порядок, т.е. уравнение скорости должно описываться уравнением

v= k[RX][Y].

Для многих реакций этот закон был экспериментально подтвержден;

б) стереохимические доказательства. Механизм S_N2 предсказывает обращение конфигурации, если замещение происходит у хирального атома углерода. Такое обращение, называемое вальденовским, неоднократно наблюдалось экспериментально;

в) совокупность кинетических и стереохимических доказательств. Изучалась реакция

При установлении равновесия образуется рацемическая смесь. Были установлены:

- скорость рацемизации (k = 2,88+0,03 10^-5);

- скорость обмена на радиоактивный иод (k = 3,00+0,025  10^-5).

Этот результат показывает, что каждый акт обмена представляет собой акт инверсии.

2. Механизм мономолекулярного нуклеофильного замещения (S_N1).

Механизм включает две стадии. Первая стадия – ионизация субстрата. Энергия, необходимая для разрыва связи С–X, в значительной степени компенсируется сольватацией R⁺ и X^- молекулами растворителя, поэтому растворитель всегда оказывает содействие процессу ионизации. Обычно первая стадия определяет скорость реакции, т.е. является лимитирующей. Вторая стадия – быстрое присоединение нуклеофила.

Доказательства механизма S_N1:

а) Кинетические доказательства. Так как лимитирующая стадия включает только субстрат, скорость реакции должна зависеть только от его концентрации, т.е. иметь первый порядок по субстрату и общий первый порядок, что и наблюдается во многих случаях в начале реакции. Однако вследствие того, что первая стадия реакции обратима, уравнение скорости усложняется:

.

Добавление общего иона Х^- снижает скорость реакции и этот эффект называют законом действия масс.

б) Стереохимические доказательства. Образующийся на первой стадии карбокатион должен быть плоским и атака нуклеофила равновероятна с любой стороны. Поэтому в случае замещения у хирального атома углерода должна происходить полная рацемизация. В действительности так и происходит, но в некоторых реакциях наблюдается частичное сохранение конфигиурации. Для обьяснения этого факта предположено, что карбокатионы образуются не в чистом виде, а в виде ионных пар, в связи, с чем с одной из сторон атака нуклеофилом затруднена в большей степени.

Атака нуклеофилом со стороны иона Х^- и молекул растворителя не равноценна.

Рассмотренные два механизма S_N2 и S_N1 являются крайними случаями. Для большинства реакций реализуется так называемый промежуточный механизм. Если лимитирующая стадия первая, механизм близок к S_N1, если вторая – близок к S_N2.

Содействие соседней группы

В случаях, когда в -положении по отношению к нуклеофилу имеется атом с неподеленной электронной парой, нуклеофильное замещение может протекать со скоростью большей, чем ожидаемая, и конфигурация атома углерода в случае хиральных субстратов сохраняется. Механизм таких реакций называется механизмом с участием соседней группы. Механизм представляет собой два последовательных механизма S_N2:

Содействие группы Z называют анхимерным содействием. Часто наблюдается перегруппировка, которая является важным доказательством участия соседней группы.

В анхимерном содействии могут участвовать не только атомы с неподеленной электронной парой, но и - и -связи. Например, для двух веществ А и В скорость реакции ацидолиза различается в 10¹⁰ - 10¹¹ раз.

Причем в первом веществе сохраняется конфигурация. Наблюдаемое явление объясняется анхимерным содействием -связи:

Примером анхимерного содействия -связи служат реакции:

Вторая реакция протекает в 350 раз медленнее, а участие -связи в первой реакции можно показать схемой: