книги / Органическая химия. Т

Обратите внимание! Устойчивость уходящей группы (или, как часто го­ ворят, ее «качество» - хорошая или плохая2) повышается в ряду: Fe < С1е < < Br© < Iе , т. е. в соответствии с ростом силы соответствующей кислоты НХ, а не в соответствии с полярностью связи С-Х, которая снижается от C-F-связи к C-1-связи (сравни данные табл. 13.2).

Выше уже отмечалось, что перечень субстратов в реакциях SN2 не огра­ ничивается галогеналканами. В качестве реакционноспособных субстратов в них выступают, в частности, эфиры сульфокислот.

При этом группы RS02Oe оказываются лучшими уходящими группами, поскольку являются сопряженными основаниями очень сильных алкилили арилсульфоновых кислот.

По аналогичным причинам наиболее плохие уходящие группы - гидро­ ксид-ион ©ОН и амид-ион eNH2. Будучи сопряженными основаниями очень слабых кислот, эти ионы отличаются высокими энергиями образования и крайне редко выступают в качестве уходящих групп.

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

CH3S03s , CH3C6H4 S0 3s > I s > Br®> Н20 > С1е > F®> ®OR >

> °ОН > SNH2, ®NR2 > ®CH3 , H®

Рассмотрим примеры.

Спирты не реагируют с галогенид-ионами, так как гидроксид-ион ©ОН - плохая уходящая группа.

R—ОН + Вг® -—К—► реакция не идет.

алканол

Однако реакция протекает гладко в присутствии минеральной кислоты. В этих условиях гидроксигруппа протонируется и легко замещается с от­ щеплением молекулы Н20 - хорошей уходящей группы.

г Хорошая уходящая группа способствует высокой скорости реакции SN2 субстрата, плохая уходящая группа служит причиной малой скорости реакции.

Хлоралканы малоэффективны при получении сложных эфиров, по­

скольку хлорид-ион - плохая уходящая группа.

Реакция получения сложных эфиров с применением алкилтозилатов протекает бы стро, поскольку сульфонат-ион является очень хорош ей ухо­ дящей группой.

CH3COÔNa® + н-С3Н 7^ 0 —S0 2 - C 6H4CH3-n б-ыс^°>

н-пропилтозилат

----------- СН3СООС3Н7-н + Na0 S 0 2C6H4CH3-n.

Влияние нуклеофила в реакциях S N2

Как уже отмечалось, н ук л ео ф и л ьн о ст ь нейтральной молекулы или от­ рицательно заряженной частицы определяется способностью отдавать пару электронов при образовании связи с лю бы м атомом, кроме водорода.

Н уклеофильность органических реагентов следует отличать от их ос­ новности. О сн о вн о ст ь нейтральной молекулы или отрицательно заряжен­ ной частицы определяется способностью присоединять протон. В се нукле­ офилы являются основаниями, но не каждое основание м ож ет выступать в роли нуклеофила. Как следует из определения, нуклеофилы должны бы ть значительно более чувствительны к стерическим затруднениям реакции. Способность нуклеофила участвовать в нуклеофильной атаке зависит и от характера его В ЗМ О . Наибольш ая нуклеофильность характерна для ато­ мов и частиц, имеющ их электроны на несвязывающих орбиталях.

Анионы являются значительно более сильными нуклеофилами, чем со ­

Таким образом , нуклеофильность и основность не всегда изменяются па­ раллельно. В общ ем, нуклеофильность зависит от электроотрицательности атома, а основность - от заряда на атоме. К роме того, нуклеофильность и основность по-разному зависят от растворителя.

П о периоду слева направо нуклеофильность и основность уменьшаются:

М олекула NH 3 является сильным нуклеофилом, но основанием средней

силы. М олекула Н 20 является слабым нуклеофилом и слабым основанием. В протонных растворителях по группе сверху вниз нуклеофильность воз­

растает:

С1е < Вг®< I®, НО®< HS®.

О сновность этих анионов изменяется в обратном порядке.

Если нуклеофильным центром в ряду частиц выступает один и тот ж е атом, нуклеофильность этих частиц изменяется параллельно изменению их основности

В соответствии с этим рядом метоксид-ион является наиболее сильным нуклеофилом . Он гладко реагирует с первичными галогеналканами даж е в протонных растворителях.

Бутилмет иловый эфир. н-Бутилбромид кипятят с метоксидом натрия в метаноле в

течение 30 мин. Добавляют воду, органический слой отделяют и сушат. Продукт выделя­ ют перегонкой (т.кип. 70,5-71 °С) с высоким выходом.

Оценки степени нуклеофильности различных нуклеофильны х реагентов обобщ ены в табл. 13.3.

Как видно из этой таблицы, очень сильными нуклеофилами являются частицы, в которы х нуклеофильным центром выступают атомы третьего

или более высоких периодов (сера, ф осф ор, иод). Например, тиоцианат-ион гладко реагирует даж е со вторичными галогеналканами, с хорош им вы хо­ дом образуя алкилтиоцианаты.

13.4.2. Мономолекулярное нуклеофильное замещение

Реакции мономолекулярного нуклеофильного замещ ения (SN1) принци­ пиально отличаются от реакций SN2.

Реакции SNl часто протекаю т при действии на соответствую щ ие субст­ раты слабыми нуклеофильными реагентами, но в растворителях, обладаю ­ щих вы сокой ионизирую щ ей способност ью . Такие растворители, как пра­

вило, и выступают в качестве нуклеофилов. Например, при использовании в качестве растворителя воды или спиртов протекаю т реакции гидролиза или алкоголиза соответственно.

Механизм реакции 5V1

Реакции SNl следую т кинетическому уравнению первого порядка:

w = Л1[(С Н 3)3С В г].

Скорость реакции не зависит от концентрации воды . О днако реакция SN1 м ож ет рассматриваться как м о н о м о л ек ул я р н а я только формально. В самом деле нуклеофильный реагент не участвует в скоростьлимитирующей стадии. Вм есте с тем скорость реакции в значительной м ере определяется ионизирующ ей способностью растворителя, молекулы которого участвуют таким образом в скоростьлимитирующ ей стадии.

В механизме реакции SN\ различают следующ ие стадии.

Стадия 1 - ионизация галогенпроизводного с образованием карбкатиона и бромид-иона:

трет-бутилбромид

Бромид-ион образует с молекулами воды водородные связи и тем самым стабилизируется. Образующийся карбкатион также стабилизируется сольва­ тацией растворителем, однако прежде всего этот карбкатион должен быть стабилизирован внутримолекулярными электронными эффектами, т. е. быть третичным или резонансно-стабилизированным.

Стадия 2 - взаимодействие карбкатиона с нуклеофилом:

Быстрое присоединение молекулы воды к карбкатиону приводит к катио­ ну mpem-бутилгидроксония, который затем с участием воды как основания отщепляет протон с образованием спирта. Этой схеме механизма соответству­ ет энергетическая диаграмма, показанная на рис. 13.3.

Стадия 1 является скоростьлимитирующ ей, она характеризуется более высокой энергией активации.

Рис. 13.3. Энергетическая диаграмма реакции SNl - гидролиза трет-бутилбромида

Стереохимия реакций S N1

Реакции SNl оптически активных галогенпроизводных, как правило, протекаю т с рацемизацией. В медленной стадии реакции SNl образуется карбкатион, которы й имеет плоскость симметрии (т. е. ахирален, если не имеет других хиральных центров). Карбкатион атакуется поэтом у нуклео­ филом равновероятно с обеи х сторон, что приводит к образованию

эквимолъной смеси энантиомеров (рацемическая модификация).

Однако нередко энантиомер с обращ енной конфигурацией образуется в несколько больш ем количестве. Э то имеет место в тех случаях, когда ухо­ дящий галогенид-ион не полностью отходит от карбкатиона и несколько за­ трудняет фронтальную атаку нуклеофила по сравнению с атакой «с тыла».

СН3

н2о

Влияние строения субстрата в реакциях S Nl

В реакциях SN\ скоростьлимитирующ ей стадией является стадия образо­ вания карбкатиона. Энергия образую щ егося карбкатиона близка к энергии переходного состояния лимитирующ ей стадии. П оэтом у в соответствии с постулатом Х эмм онда реакционная способность галогенпроизводных в ре­ акциях SN1 возрастает в том ж е порядке, что и устойчивость карбкатионов, образую щ ихся в скоростьлимитирующ ей стадии.

< CH2= C H -C H 2- X « А г- С Н 2- Х .

П о аналогичной причине алкоголиз бензилхлорида протекает очень бы стро с образованием соответствую щ их простых эфиров.

Реакция протекает по аналогичному механизму.

Стадия 1 —ионизация субстрата под действием растворителя:

^Ъ -СН2-О С 2Н5 + НС1.

бензилэтиловый эфир

Реакции 5^1 вторичных и третичных галогенидов аллильного типа про­ текаю т с ещ е больш ей скоростью , однако часто приводят к образованию

смеси продуктов в результате аллилъной перегруппировки .