книги из ГПНТБ / Пальм, В. А. Введение в теоретическую органическую химию учеб. пособие

R

В качестве заместителя R может выступать также входящее в сос­ тав цикла или боковой цепи звено циклического иона карбония

Если ион карбония успевает перегруппироваться до нуклеофиль­ ной атаки, конечный продукт реакции соответствует перегруппиро­ вавшемуся углеродному скелету и нуклеофильное замещение типа SnI или реакция другого типа, свойственная ионам карбония, сопровож­ дается внутримолекулярной перегруппировкой. Генерируя ионыкар­ бония в условиях, когда единственный присутствующий в системе активный нуклеофил возникает за счет электроотрицательной уходя­ щей группы исходного субстрата, можно получить внутримолекуляр­ ную перегруппировку, имеющую характер изомеризации исходного субстрата.

5. ФОРМАЛЬНЫЕ а - И fi-МИГРАЦИИ АТОМОВ

ВОДОРОДА И МЕХАНИЗМ ИЗОТОПНОГО ОБМЕНА ВОДОРОДА

При превращении иона карбония по схеме Е1 возникает алкен, принадлежащий к классу я-оснований и, следовательно, способный вновь присоединить протон. При этом протон может присоединиться к любому из двух sp2-aTOMOB углерода, стоящих у двойной связи. Из этих двух путей преобладает тот, который приводит к возникнове­ нию более стабильного иона карбония. В более простых и с практиче­ ской точки зрения более важных случаях стабильность иона карбония определяется в первую очередь гиперконъюгацией.

Благодаря последовательным отщеплению и присоединению про­ тона исходный, менее стабильный ион карбония может превратиться в более стабильный. Так, в достаточно кислой среде (например, в сред­ ней концентрации водных растворах серной кислоты) происходит превращение менее стабильных алкенов в более стабильные:

302

сн,

Цифры в скобках под формулами указывают число а-С—Н-свя- зей, участвующих в гиперконъюгации, стабилизирующей соответст­ вующую структуру. Из них видно, что наиболее стабильным ионом карбония является соединение III, а наиболее стабильным алке-

ном —VI.

Ион карбония IV и алкен VII могут существовать в виде двух иден­ тичных структур:

Вследствие такого двукратного вырождения их равновесные концент­ рации больше, чем следует из критерия стабильности. Однако этот статистический фактор имеет все же второстепенное значение.

Следовательно, в кислой среде существует тенденция к изомери­ зации ионов карбония I, II и IV в структуру III, а алкенов V и VII — в VI. При этом равновесие между двумя соседними на схеме ионами карбония формально связано с перескоком атома водорода к соседне­ му атому углерода (а-миграция). Аналогично, равновесие между двумя соседними алкенами формально сопряжено с ^-миграцией атома во­ дорода. Эти миграции, как конечный результат двух последователь­ ных элементарных стадий, следует отличать от «истинной» мономолекулярной миграции, рассмотренной в предыдущем разделе.

Аналогичен рассмотренному и механизм изотопного обмена атомов водорода для ионов карбония и алкенов в кислой среде. Если среда обогащена дейтерием, то происходят, например, следующие превра-

303

щения:

При достаточном содержании дейтерия в реакционной среде таким образом можно обменять на дейтерий все атомы водорода в трет-бу- тилкарбониевом ионе I или изобутилене II.

Так же - происходит изотопный обмен атомов водорода в случае других ионов карбония и алкенов.

Глава XVII

БИМОЛЕКУЛЯРНОЕ НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ И ОТЩЕПЛЕНИЕ

1. АТАКА ТИПА Sn2 НА АТОМ 5/>3-УГЛЕРОДА

Как уже отмечалось, в субстратах типа Е—Y на первом атоме элек­ троположительной уходящей группы Е— расположен центр электрофильности (остаточной). Если этот атом представляет собой др3-углерод, то единственной причиной такой электрофильности служит частично свободная орбиталь с дробным положительным зарядом, обусловлен­ ным эффективной электроотрицательностью (индукционным влиянием) электроотрицательной уходящей группы

Нуклеофильная атака этого атома углерода приводит к возник­ новению новой ковалентной связи за счет неподеленной электронной пары нуклеофила и частично свободной о-орбитали углерода. Появле­ ние этой связи возможно при условии, что одновременно (синхронно) разрывается связь между рассматриваемым атомом углерода и электро­ отрицательной уходящей группой —Y. Или, другими словами, элек-

304

тронная пара, связанная с уходящей группой, вытесняется с орби­ тали углеродного атома электронной парой атакую'щего нуклеофила.

Из сказанного следует, что в активированном состоянии с электро­ фильным атомом углерода связаны как атакующий нуклеофил, так и уходящая группа —Y. Это невозможно для углерода в состоянии sp3, поскольку ст-орбиталь не способна одновременно перекрываться с двумя другими орбиталями. Однако такая возможность существует для р-орбитали sp2-углерода (рис. 28).

в электрофильном центре орбиталями атакующего нукле­ офила и электроотрицательной уходящей группы

Отсюда следует вывод, что в активированном комплексе углерод­ ный атом находится в s/?2-c o c t o h h h h , а образующаяся и разрывающая­ ся связи расположены на одной прямой.

В целом рассматриваемый механизм реакции может быть представ­ лен следующей схемой:

У : ' д - + — С — Y дщ г /Д- . ■:Y- ; = i Y ' — С ------J- Y : -

Проиессы, описываемые этой схемой, называются реакциями нук­ леофильного замещения второго порядка и обозначаются символом Sn2 в отличие от реакций первого порядка, обозначаемых SN1.

ма углерода, выступающего В качестве реакционного центра. Если этот атом углерода асимметричен, то в результате SN2-процесса кон­ фигурация D переходит в L, и наоборот. Такое обращение конфигу­ раций (вальденовское обращение) служит одним из наиболее сущест­ венных критериев при доказательстве Б^-характера изучаемого про­ цесса, поскольку реакции типа Sn I приводят к рацемизации.

2. ВОЗМОЖНЫЕ ВАРИАНТЫ РЕАКЦИИ ТИПА Sn2

Атом я/Я-углерода, связанный с электроотрицательной уходящей группой —Y, может быть атакован любым из нуклеофилов. При этом образуются те же конечные продукты, что и в результате взаимодей­ ствия соответствующих ионов карбония с теми же нуклеофилами. Поэтому реакции типа SN2 и SN1 для одного и того же субстрата при­ водят к идентичному результату, если в них принимает участие один и тот же нуклеофил. Это видно из следующего примера для щелочного

305

гидролиза:

в которых как электроотрицательная уходящая группа, так и атаку­

Н

В то же время в качестве центра электрофильности в реакциях типа Sn2 могут выступать также sp3-aTOMbi углерода, входящие в состав гетероциклов и связанные непосредственно с гетероатомом. Такие ре­ акции приводят к раскрытию гетероцикла, например:

О,

Н О :--|-С Н 2— СН2 или НО — С.Н2— СН2— 0:~

Первый атом электроположительной уходящей группы Е— в субстрате типа Е—Y может быть не только атомом углерода. Поэто­ му возможно нуклеофильное замещение (чаще всего типа Sn2) у ато­ мов серы, фосфора, галогенов (С1, Вг и I) и т. д. Нуклеофильная атака на эти атомы облегчается наличием у них вакантных d-oрбиталей. Приведем несколько примеров таких реакций:

а) замещение у атома серы: S n 2(S)

306

б) замещение у атома фосфора: Sn2(P)

R — NH — Br + :OH- — ■Br — OH + R— N H -

RNH2

3. ВЛИЯНИЕ СТРОЕНИЯ СУБСТРАТА, ПРИРОДЫ НУКЛЕОФИЛА И РАСТВОРИТЕЛЯ НА СКОРОСТЬ

И РАВНОВЕСИЕ РЕАКЦИИ ТИПА Sn2

Зависимость равновесия от строения субстрата и нуклеофила для реакций типов SN1 и SN2 — одна и та же, поскольку константа рав­ новесия не зависит от пути реакции. В то же время она равна отно­ шению констант скоростей прямой и обратной реакций. В данном слу- ' чае единственное различие между прямой и обратной реакциями SnI и Sn2 сводится к характеру электроотрицательной уходящей группы —Y. Влияние природы этой группы на скорость гетеролиза уже было разобрано выше: скорость возрастает по мере увеличения силы соответствующей кислоты Н—Y. Следовательно, равновесие

Е — У + У:'д - ^ЩЕ — Y '-|-Y :a -

сдвинуто вправо тем больше, чем сильнее кислота Н—Y по сравнению с Н—Y', и наоборот.

Влияние уходящей группы —Y на скорость реакций SN2 анало­ гично ее влиянию на скорость гетеролиза: чем сильнее кислота Н—Y, тем больше скорость.

Поскольку центр электрофильности в реакциях типа SN2 доста­ точно мягок, то влияние природы центра нуклеофильности атакующего нуклеофила определяется в основном его поляризуемостью (см. стр. 283). При одном и том же центре нуклеофильности можно пользо­ ваться критерием относительной основности — чем выше основность, тем больше нуклеофильность.

Электроотрицательные заместители X в субстратах типа ХХ'Х"С—Y увеличивают положительный заряд на электрофильном углероде в активированном состоянии, стабилизируя его и увеличи­ вая скорость реакции. Поскольку в активированном состоянии элек­

307

ускоряющее действие электроотрицательных заместителей. Или, дру­ гими словами, реакционный центр в активированном состоянии не обладает характером иона карбония. Из этого следует также, что наличие у заместителей ЯЯ- или —/?-характера несущественно сказывается на скорости Б^-процесса.

В ходе активации координационное число атома углерода в центре электрофильности возрастает от четырех до пяти, поэтому реакции типа Sn2 характеризуются наличием стерических препятствий: объе­ мистые заместители как в субстрате, так и в атакующем нуклеофиле замедляют скорость замещения.

Истинное влияние растворителя на скорость реакций типа SN2 относительно мало и неопределенно. Изменение степени разделенности зарядов в процессе активации, по-видимому, несущественно. Более сильная специфическая сольватация электроотрицательной уходящей группы должна бы привести к возрастанию скорости, однако при этом увеличивается и специфическая сольватация центра нуклеофильности атакующего основания в исходном состоянии. В активированном состо­ янии специфическая сольватация резко ослабевает вследствие вытес­ нения молекулы электрофильного (за счет кислотного водорода) раст­ ворителя центром электрофильности субстрата. Это приводит к паде­ нию скорости — величина е в уравнении (17) (стр. 234) отрицательна.

В качестве нуклеофильного реагента могут выступать также один или несколько компонентов растворителя, присутствующих в большом избытке по отношению к субстрату. Это имеет место, например, в водных или спиртовых растворах, в спирто-водных или ацетоно-вод­ ных смесях и т. д. При таких условиях реакции типа Sn2 псевдомономолекулярны и наблюдаемая константа скорости первого порядка k x равна истинной константе второго порядка к ъ умноженной на эф­ фективную концентрацию нуклеофильного агента (например, воды):

[Y:A~ ].

При уменьшении эффективной концентрации соответственно падает и скорость реакции. Благодаря этому может создаться иллюзия зави­ симости скорости от состава растворителя, а не от концентрации од­ ного из реагентов.

4. РЕАКЦИИ ТИПА Е2

Аналогично параллельному протеканию процессов S n I и Е1 с реакциями типа SN2 конкурирует нуклеофильное отщепление второго порядка — процесс Е2.

Если нейтральная электроотрицательная уходящая группа.—Y, связанная с 5/?3-углеродом, не обладает—/^-характером, то такие соеди­ нения не принадлежат к числу типичных карбокислот. Тем более они не проявляют карбокислотности за счет равновесной диссоциации Р-С—Н-связи независимо от характера —Y. Однако водородные ато-

308

мы этих связей могут подвергнуться нуклеофильной атаке, если одно­ временно.с переходом протона к атакующему нуклеофилу отщеп­ ляется уходящая группа —Y:

Y' — Н - f С= С + Y .:Д -

Вследствие одновременного гетеролитического разрыва двух свя­ зей активированное состояние не обладает карбанионным характером, так как освобождающаяся в результате передачи протона электронная пара полностью используется при формировании образующейся двой­ ной связи. Поэтому в реакциях Е2, как и в Е1, активированное состоя­ ние стабилизируется гиперконъюгацией заместителей с образующейся двойной связью и предпочтительное направление отщепления для реакции Е2 остается тем же, что и для реакций типа ЕЕ

Это не относится к соединениям с уходящей группой —Y, первый атом которой несет положительный ионный заряд (например, четвер­ тичные аммониевые и фосфониевые, а также третичные сульфониевые

зей, поскольку соответствующие сопряженные основания представ­ ляют собой электронейтральные цвиттер-ионы, стабилизированные за счет сильного индукционного (или электростатического) взаимодей­

Н — С— С— NR3 —t -:С —С— N R 3 + H +

Карбанионный центр, присутствующий в таких цвиттер-ионах, вы­ ступает в роли очень активной выталкивающей группы, обусловли­ вая их легкую гетеролитическую диссоциацию:

характерен не только для субстратов с положительно заряженной ухо­ дящей группой, но и для всех случаев, когда образующийся карбанион достаточно стабилен. Это относится, например, ко всем системам типа

I (

Н—С—С—Y, в которых заместитель X обладает —R-характером,

X

так как все такие соединения относятся к числу типичных карбокислот.

309

Например:

Если для реакции, идущей по этой схеме, вторая стадия (гетеролитическая диссоциация цвиттер-иона) характеризуется намного боль­ шей скоростью, чем первая стадия (отщепление протона), то эффектив­ ная константа скорости всего процесса равна константе скорости этой лимитирующей стадии. В таком случае эффективная константа скоро­ сти зависит от природы атакующего основания и карбанионный меха­ низм кинетически неотличим от истинных Е2-процессов.

Если первая стадия характеризуется быстро устанавливающимся равновесием, в то время как диссоциация цвиттер-иона происходит медленно, то скорость реакции не зависит от природы атакующего нук­ леофила и пропорциональна степени диссоциации исходного'субстрата, определяемой кислотностью среды.

Направление элиминирования в любом случае определяется иной закономерностью, чем в случае типичных Е Ь и Е2-процессов. Отщеп­ ление протона происходит преимущественно из положения, соответ­ ствующего наибольшей кислотности исходного субстрата в качестве карбокислоты, т. е. от атома углерода, связанного с более электроотри­ цательными заместителями. Зависимость преимущественного направ­ ления отщепления от наличия ионного заряда на первом атоме уходя­ щей группы видна из следующего примера:

СН, —СН—СН —С1 + :ОН- —>- СН, — С= СН— СН, + Н„0 + С1:-

СН3 — СН—СН —N(CH3)3+ :ОН- —+ СН.2 — СН— СН = CH,-f Н20 + (CH3)3N:

кильные группы. Кроме того, статистический фактор для —СН 3 ра­ вен 3, что само по себе обеспечивает в 3 раза большую скорость, чем в

I

случае —СН.

До возникновения современных электронных представлений хими­ ки-органики вынуждены были довольствоваться формальными эмпи­ рическими правилами относительно преимущественности того или ино­ го направления реакций. Важную роль играли правила Зайцева и Гофмана, устанавливающие преимущественное направление реакций

310

элиминирования. Согласно правилу Зайцева, отщепление атома во­ дорода происходит преимущественно от наименее гидрогенизированного углерода (соединенного с наименьшим количеством атомов водорода). Это правило в общем соблюдается в случае электронейтральных электроотрицательных уходящих групп. Для соединений с поло­ жительно заряженными уходящими группами —У в основном верно правило Гофмана, согласно которому атом водорода отщепляется от наиболее гидрогенизированного атома водорода.

Поскольку нет никакой непосредственной причинно-следственной связи между степенью гидрогенизированности и направлением реак­ ций элиминирования, то правила Зайцева и Гофмана следует отнести к числу формальных феноменологических закономерностей. Дело в том, что число атомов водорода у возможного реакционного центра изменяется антибатно гиперконъюгационной стабилизации возникаю­ щей двойной связи и симбатно карбокислотности, определяемой стати­ стическим фактором и относительной электроотрицательностью атомов водорода, и алкильных групп. Поэтому, если на результат элими­ нирования влияют, кроме отмеченных, еще другие факторы, преимуще­ ственное направление отщепления не соответствует правилам Зайцева

( О )

(согласно пра­ вилу Гофмана)

В первом случае направление элиминирования определяется ре­ зонансной стабилизацией двойной связи, сопряженной с фенильной я-электронной системой. Во втором случае преимущественно возни­ кает карбанионный центр, стабилизированный полярным резонансом с л-электронными системами фенильных заместителей.

311