178

Лекции №25-26 Закономерности реакций нуклеофильного замещения

План.

1. Механизм реакций. Катализ. Соотношение между механизмами S_N1 и S_N2.

2. Влияние строения реагентов на реакции нуклеофильного замещения.

3. Конкуренция реакций нуклеофильного замещения. Правило Корнблюма.

Реакции некаталитического нуклеофильного замещения могут протекать в зависимости от условий, характера реакционной среды, структуры субстрата и природы нуклеофильного реагента по одностадийному или двухстадийному механизмам.

О дностадийный процесс представляет собой элементарную реакцию S_N2-замещения, где индекс 2 указывает на бимолекулярность реакции:

или более схематично

:Y^- + RX  ^ RY + X:^-

Можно видеть, что нуклеофил своей неподеленной парой электронов атакует углеродный атом в молекуле субстрата со стороны, противоположной замещаемой группе. При образовании активированного комплекса атакуемый атом углерода переходит из sp³-состояния в sp²-состояние. В результате углеродный атом оказывается в одной плоскости с группами R, R’ и R”, а нуклеофил и замещаемая группа связываются с ним за счет его р-орбитали. Распад активированного комплекса в продукт реакции сопровождается обратным переходом углеродного атома в sp³-состояние и обращением конфигурации исходного соединения, которое вызвано присоединением группы Y со стороны, противоположной разорвавшейся связи С-Х. Поэтому если объектом бимолекулярного нуклеофильного замещения является хиральный атом углерода, то в результате реакции происходит обращение оптической активности соединения. Скорость бимолекулярной реакции S_N2 выражается уравнением

r = k[RX][Y^-] (1)

При двухстадийном нуклеофильном замещении разрыв связи С-Х и образование связи С-Y происходит не одновременно. Первая элементарная стадия этой реакции - мономолекулярный гетеролитический разрыв связи С-Х с образованием карбкатиона

При этом центральный атом углерода переходит в состояние sp²-гибридизации и карбкатион приобретает плоское строение. Поэтому он с равной вероятностью атакуется нуклеофилом как со стороны отщепившейся группы, так и с противоположной стороны.

Поэтому, если объектом нуклеофильной атаки является хиральный атом углерода, то в результате реакции оптически активного субстрата образуется рацемическая смесь.

Первая стадия - мономолекулярная стадия гетеролиза - является скорость-определяющей. В связи с этим двухстадийный процесс нуклеофильного замещения обозначают символом S_N1, где цифра 1 означает мономолекулярность скорость-определяющей стадии.

Скорость реакций S_N1 в соответствии с характером скорость-определяющей стадии выражается уравнением

r = k[RX] (2)

В действительности механизм рассматриваемых реакций нуклеофильного замещения является более сложным.

В настоящее время общепринято, что разрыв связи С-Х существенно облегчается или вообще становится возможным лишь за счет взаимодействия замещаемой группы Х с электрофилами. Образование донорно-акцепторной связи I или водородной связи II

ведет к предварительной поляризации связи С-Х и облегчает ее последующий разрыв. Замещение некоторых групп (-OH, -OR, -SH, -SR, -NH₂, -NHR, - NR₂) вообще невозможно без их сильного взаимодействия с электрофилами. Например, замещение гидроксильной группы спирта при действии только бромид-аниона невозможно, но эту же реакцию легко осуществить в кислой среде. Предварительное протонирование гидроксильной группы меняет ее характер: в качестве уходящей группы выступает стабильная молекула воды, что делает энергетически выгодным гетеролиз связи С-ОН и облегчает атаку аниона брома

ROH + HBr  RO⁺H₂ + Br^–  [Br^- ... R ... O^-H₂]^  Rbr + H₂O

Аналогичным образом осуществляется превращение простых эфиров, меркантанов и аминов.

Кроме сильных протонных кислот (НСl, H₂SO₄) катализаторами реакций нуклеофильного замещения являются кислота Льюиса (Ag⁺, Hg²⁺, HgCl, HgCl₂, SnCl₄, AlCl₃, SbCl₅, Cu₂Cl₂, BF₃ и др.). Их действие зависит от природы отщепляемой группы. Например, протонные кислоты существенно ускоряют замещение О-, S- и N-содержащих групп и мало влияют на скорость замещения галогенов, поскольку последние являются слабыми основаниями и плохо протонируются. Атомы галогенов дают, однако, прочные донорно-акцепторные комплексы с некоторыми кислотами Льюиса, и их образование облегчает разрыв связи С-Hal при последующей реакции замещения. Так, аллилхлорид медленно гидролизуется водой, но в присутствии хлорида меди (I) легко дает аллиловый спирт

C H₂=CH–CH₂  Cl  Cu₂Cl₂ + H₂O  CH₂=CH–CH₂O⁺H₂ + Cu₂Cl₃

 CH₂=CH-CH₂OH + HCl + Cu₂Cl₂

При этом может произойти изменение механизма S_N2 в некаталитической реакции на S_N1 - в каталитической:

медл. _

RCl + Cu₂Cl₂  R⁺ + Cu₂Cl₃

R⁺ + Y^- RY

Cu₂Cl₃^–  Cu₂Cl₂ + Cl^–

Ослабление связи С-Х и уменьшение энергии переходного состояния в реакциях нуклеофильного замещения происходит и при образовании водородных связей между уходящей группой и протонодонорным агентом.

Так, скорость реакции метанолиза трифенилхлорметана

(C₆H₅)₃CCl + CH₃OH  (C₆H₅)₃COCH₃ + HCl

описывается кинетическим уравнение третьего порядка:

r = k[(C₆H₅)CCl][CH₃OH]²

Это согласуется с механизмом, согласно которому замещение хлора происходит только при условии его специфической сольватации другой молекулой спирта:

(C₆H₅)₃C-Cl + CH₃OH  (C₆H₅)₃C–ClHOCH₃

Образующийся ассоциат дает далее продукт замещения под действием второй молекулы нуклеофила - спирта

Противоположный эффект наблюдается при специфической сольватации нуклеофила, поскольку в результате образования водородных связей основность последнего утрачивается, что понижает его нуклеофильное сродство к положительно заряженному реакционному центру. При этом отрицательно заряженные нуклеофилы сольватируются сильнее нейтральных молекул или групп. Так, например, в реакции

CH₃J + Br^–  CH₃Br + J^–

преобладающее влияние имеет сольватация бромид-атома, а не атома иода в молекуле СH₃J. Это связано с большей электроотрицательностью брома по сравнению с иодом, что обусловливает большую прочность водородной связи с Br^– по сравнению с отщепляющимся J^–. В результате скорость этой реакции в метаноле в десятки тысяч раз меньше, чем в апротонных растворителях, где эффект специфической сольватации отсутствует.

Сольватация существенно влияет не только на общую скорость реакции, но и на соотношение механизмов S_N1 и S_N2. При прочих равных условиях первый из них тем более вероятен, чем выше полярность растворителя и его способность к специфической сольватации уходящей группы и чем выше кислотность катализатора. Такая роль катализаторов связана с выделением энергии сольватации, компенсирующей энергетические затраты на гетеролиз С-Х-связи.

В действительности S_N1 и S_N2-реакции не отделены друг от друга резкой гранью, между ними имеется область так называемых пограничных механизмов. При “чистом” S_N2-механизме с отрицательно заряженным нуклеофилом реакционный центр в переходном состоянии имеет частичный отрицательный заряд, поскольку образование новой связи С-Y опережает разрыв старой связи С-Х. Если на эту реакцию начинают действовать факторы, благоприятствующие S_N1-механизму (температура, сильносольватирующая среда, катализаторы –электрофилы) разрыв старой связи начинает опережать образование новой; реакционный центр в переходном состоянии приобретает положительный заряд и в пределе возникает ситуация, когда старая связь практически разорвана, а новая не образовалась, что соответствует чистому механизму S_N1. Переход от механизма S_N2 к механизму S_N1 иллюстрируется следующей схемой: