Влияние различных факторов на реакционную способность в реакциях нуклеофильного замещения

Влияние структуры субстрата

Влияние структуры субстрата зависит от механизма замещения.

а) Разветвление в - и - положениях. Для реакций, протекающих по механизму S_N2 разветвление в - и -положениях снижает скорость реакции. Третичные субстраты исключительно редко вступают в реакцию по механизму S_N2. Это обусловлено скоре всего стерическими факторами. По аналогичной причине не идут реакции по тетраэдрическому механизму в некоторых стерически затрудненных веществах. Например, эфиры типа R₃CO₂R’ обычно не удается гидролизовать, а кислоты R₃CCO₂H этерифицировать по тетраэдрическому механизму. Для реакций, протекающих по механизму S_N1, разветвление в -положении ускоряет реакцию. Это связано с порядком устойчивости катионов. Скорость реакций, протекающих по механизму S_N1, сильно возрастает при снятии так называемого -напряжения, вызванного заместителями в -положении.

б) Ненасыщенный -атом углерода. Субстраты винильного, ацетиленового, арильного типа характеризуется низкой реакционной способностью. Для таких веществ реакции по механизмам S_N1 и S_N2 не идут. Это обусловлено рядом факторов:

-у атомов углерода с sp²- и sp-гибридизацией электроотрицательность выше и они сильнее удерживают электронную пару;

- стерические затруднения при S_N2;

- нестабильность карбокатионов в случае с S_N1.

В отличие от таких систем, субстраты типа С=Z ( Z: O, N, S) обычно более реакционноспособны.

Это обусловлено следующими факторами:

-атом углерода несет больший положительный заряд;

-на лимитирующей стадии -связь превращается в -связь;

-тригональный атом углерода создает меньше стерических препятствий при тетраэдрическом механизме;

-отрицательный заряд в интермедиате локализован на атоме с высокой электроотрицательностью.

в) Ненасыщенный -атом углерода. Аллильный и бензильный катионы устойчивы вследствие резонанса, поэтому реакции S_N1 ускоряются. Как правило реакции S_N1 ускоряются всегда, когда в -положении имеются группы, стаблизирующие карбкатион. Реакции S_N2 также ускоряются, вероятно, вследствие резонанса в переходном состоянии.

г) -Замещение. Вещества, содержащие группы RO, RS, R₂N в -положении, очень быстро реагируют по механизму S_N1, а группы RCO, HCO, ROCO, NH₂CO, CN, CF₃, уменьшают скорость реакции.

д) -Замещение. Если группы RO, RS, R₂N не проявляют стерического эффекта, они замедляют реакцию S_N1 и не оказывают заметного влияния на реакцию S_N2.

е) Положение реакционного центра субстрата в голове моста. Реакции по S_N2 с такими субстратами невозможны, по S_N1 идут с трудом.

Влияние природы нуклеофила

Любая нейтральная или отрицательно заряженная частица, имеющая неподеленную электронную пару, может быть нуклеофилом. Скорость S_N1 реакции не зависит от природы нуклеофила. Для реакций S_N2 известно четыре основных принципа, определяющих порядок влияния нуклеофильности на скорость:

а) нуклеофил, несущий отрицательный заряд, всегда сильнее своей сопряженной кислоты, ОН^- сильнее Н₂О, а NH₂^- сильнее NH₃, и т. д.;

б) при сравнении нуклеофилов одного периода нуклеофильность совпадает с основностью:

NH₃> H₂O > HF

В группах нуклеофильность возрастает для полярных протонных растворителей. Например, нуклеофильность галогенидов в полярных протонных растворителях уменьшается в ряду I^- > Br^- > Cl^- > F^-. В других растворителях порядок может быть иным;

в) чем свободней нуклеофил, тем он сильнее.

При замещении у карбонильной группы порядок нуклеофильности отличается. Атом углерода в этих соединениях более жесткая кислота, чем в насыщенных системах, поэтому порядок нуклеофильности ближе к порядку основности.

Влияние природы нуклеофуга

У насыщенного атома нуклеофуг отщепляется тем легче, чем она стабильнее как свободная частица. Некоторые группы не могут уходить без предварительного протонирования, то есть без превращения в хорошо уходящую группу. Реакции, в которых уходит только протонированная группа, называются S_N1сА и S_N2сА и иногда сокращенно А1 и А2.

Для реакции S_N1 не требуются сильные нуклеофилы, но необходимы хорошо уходящие группы, поэтому такие реакции хорошо идут в кислых средах.

Реакции S_N2, в противоположность S_N1, требуют сильных нуклеофилов и протекают в нейтральных или основных средах. Свойства нуклеофуга усиливаются стерическими эффектами (-напряжение) и эффектом напряжения цикла. Например, непротонированные эфиры не расщепляются, а протонированные расщепляются только в жестких условиях, в то же время эпоксиды легко вступают в реакцию S_N1 или S_N2 с раскрытием цикла в мягких условиях.

Влияние природы растворителя

Влияние растворителя может быть очень существенно, нередко влияние прочих эффектов может измениться на обратное при смене растворителя.

В общем случае, если растворитель лучше стабилизирует переходное состояние, чем исходные вещества за счет эффектов сольватации, то он ускоряет реакцию, и наоборот. Полярные растворители лучше сольватируют частицы, несущие заряд (табл. 6).

Между протонными и апротонными растворителями примерно одинаковой полярности существуют различия, особенно для реакции S_N2. Переходное состояние лучше сольватируется апротонными растворителями, а заряженные нуклеофилы – наоборот, поэтому замена протонного метанола на апротонный диметилсульфоксид сильно ускоряет реакцию.

При увеличении полярности растворителя скорость большинства реакций S_N2 увеличивается, а скорость реакций S_N1 уменьшается, и возможно, что одна и та же реакция в одном растворителе идет по механизму S_N2, а в другом по S_N1.

Таблица 6 Влияние растворителя на механизм и скорость ренакцийS_N

Механизм реакции.

Строение реагентов и переходного состояния

Заряд в преходных состояниях в сравнении с исходными соединениями

Изменение в скорости реакции при увеличении полярности растворителя

S_N2