1.4.3 Механизм sn2. Бимолекулярное замещение

Реакции нуклеофильного замещения протекают по бимолекулярному механизму придействии на субстраты сильных нуклеофильных реагентов. Например щелочной гидролиз метилбромида:

В этой реакции гидроксид-ион (вступающая группа, нуклеофил) замещает анион брома (уходящая группа или нуклеофуг) в молекуле метилбромида (субстрат).

Скорость реакции бимолекулярного замещения пропорциональна концентрациям субстрата и нуклеофила. Следовательно, в скоростьлимитирующей стадии гидролиза метилбромида участвуют две частицы: метилбромид и гидроксид-ион:

Гидроксид-ион атакует атом углерода, имеющий частичный положительный заряд, со стороны, противоположной атому брома, т.е. «с тыла». Образование связи С-О и разрыв связи С-Br происходят одновременно. Это означает, что реакция протекает как синхронный процесс. Синхронному процессу соответствует следующая энергетическая диаграмма:

Особенности бимолекулярного нуклеофильного замещения

1. Стереохимия реакции

В реакциях с участием оптически активных субстратов происходит 100% обращение конфигурации (инверсия), которая является следствием атаки «с тыла». Так называемое Вальденовское обращение:

2. Влияние природы растворителя на реакции S_N2.

Влияние растворителя на скорость реакции S_N2зависит от природы нуклеофильного реагента (ион или нейтральная молекула), что связано со степенью разделения зарядов в переходном состоянии.

3. Влияние природы нуклеофильного реагента.

Нуклеофильный реагент – нейтральная молекула.

Переходное состояние в этой реакции более полярно, чем исходные соединения. Поэтому увеличение полярности растворителя приведет к лучшей сольватации ПС. Эти реакции ускоряются полярными растворителями как протонными: уксусная кислота, спирты, так и апротонными – ацетон, ДМСО.

Нуклеофильный агент –анион.

ПС в этой реакции менее полярно, чем исходный нуклеофил. Применение протонных растворителей приводит к сольватации нуклеофила и снижению его реакционной способности. Поэтому более эффективны полярные апротонные растворители.

4. Влияние строения субстрата на реакции S_N2.

Атаке с тыла будут препятствовать заместители у реакционного центра. Поэтому при переходе от метилгалогенидов к третичным алкилгалогенидам скорость реакции понижается.

Аллилгалогениды и бензилгалогениды в реакции S_N2. более активны, чем первичные галогениды.

5. Влияние природы уходящей группы.

Скорость реакции S_N2.тем выше, чем выше поляризуемость уходящей группы. Мерой поляризуемости является рефракция.

6. Влияние нуклеофила.

Активность нуклеофила определяется двумя факторами: - нуклеофильностью – способностью отдавать электроны и основностью – способностью присоединять протон. Как правило сильные нуклеофилы являются слабыми основаниями, а слабые нуклеофилы являются сильными основаниями. Благоприятствует протеканию реакции оптимальное сочетание основности и нуклеофильности, что в частности связано с природой растворителя.

1.4.4. Элиминирование

Третичные галогеналканы не способны к реакциям бимолекулярного нуклеофильного замещения. Однако если нуклеофильный реагент является сильным основанием, то под его воздействием протекает реакция отщепления (реакция элиминирования Е). Например при обработке трет-бутилбромида спиртовым раствором щелочи наблюдается реакция дегидробромирования:

Реакции отщепления, в которых уходящие группы – анион галогена и протон – отщепляются от соседних атомов углерода с образованием π-связи между ними, называются β-элиминированием:

Реакции β-элиминирования, приводящие к алкенам, являются наиболее важными реакциями отщепления. Аналогично реакциям нуклеофильного замещения реакции β-элиминирования протекают по двум механизмам; Е1 и Е2.

Механизм реакции Е1 включает две стадии.

На первой стадии, как и в реакциях S_N1происходит ионизация галогенопроизводного с образованием карбкатиона и бромид-иона. Эта стадия является скоростьлимитирующей и характеризуется наиболее высокой энергией активации:

На второй стадии происходит быстрое отщепление протона под действием основного реагента и образование π-связи:

Этой схеме механизма соответствует следующая энергетическая диаграмма:

Особенности мономолекулярного элиминирования

1. Правило Зайцева.

Реакции Е1 соединений, имеющих несколько доступных элиминированию β-атомов водорода, обычно протекают по правилу Зайцева, т.е. с преимущественным образованием более устойчивого алкена.

2 Стереохимия реакции

Термодинамически более устойчивый транс- изомер образуется легче, чем цис-изомер.

3. Протонные растворители, обладающие высокой ионизирующей способностью ускоряют реакции Е1

4. Влияние температуры.

С повышением температуры доля продукта Е1 возрастает.

Бимолекулярное элиминирование также как и мономолекулярное конкурирует с замещением. Кинетика описывается уравнением второго порядка. Это значит, что в скоростьлимитирующей стадии участвуют молекула субстрата и основания. Реакция представляет собой одностадийный согласованный процесс β-элиминирования, протекающий через переходное состояние, в котором разрыв связей С_α-Х и С_β-Р и образование π-связи происходят одновременно:

Особенности бимолекулярногоэлиминирования

1. Региоселективность реакции Е2

Реакции β-элиминирования галогеналканов, имеющих в молекуле две неэквивалентные С-Н связи, способные к разрыву, приводят к образованию смеси двух алкенов в соответствии с правилом Зайцева.

2. реакционная способность галогеналканов в реакциях Е2.

В реакциях Е2 скорость и выхода продуктов возрастают в ряду галогеналканов первичный вторичный третичный.

3. Влияние природы галогена

Реакционная способность возрастает в ряду от фтора к йоду.

4. Свойства нуклеофила.

Рост основности способствует протеканию по механизму Е2. Также протеканию реакции элиминирования способствует рост объема основания.

5. Влияние среды

В переходном состоянии Е2 заряд распределен между пятью атомами. В реакции замещения только по трем атомам. Следовательно, в реакции элиминирования большая степень локализации и соответственно меньшие величины зарядов на атомах. Поэтому при элиминировании целесообразно использовать растворители менее полярные, чем при замещении. Практически элиминировпние проводят в спиртовой среде, а замещение в водной.

6. Влияние температуры.

Рост температуры ведет к увеличению выхода продукта элиминирования.