Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основные типы органических реакций и их механизмы. Учебное пособие.pdf
Факторы, влияющие на соотношение изомеров в реакциях
электрофильного замещения
На результат электрофильного замещения кроме электронных эффектов заместителей оказывают влияние размеры заместителя и атакующей
частицы, а также активность частицы. Рассмотрим каждый фактор.
1. Размеры заместителя на реакционную способность субстрата: при
увеличении размеров заместителя в ряду от –CH3 до –C(CH3)3 наблюдается снижение общей реакционной способности соединений за счет эффекта
экранирования реакционных центров. В то же время происходит относительное уменьшение количества образующегося о-изомера и соответственно увеличение содержания п-изомера.
2. Размеры атакующей частицы: чем больше размер атакующей ча-
стицы, тем меньше образуется о-изомера.
Независимо от природы заместителя в молекуле субстрата (замещенного бензола) по мере увеличения размеров электрофильной частицы происходит относительное уменьшение количества образующегося о-изомера
и увеличение содержания п-изомера. Это объясняется возрастанием стерических взаимодействий между заместителем и атакующими частицами
в результате увеличения размера последних.
3. Активность электрофильного агента: чем более активен электро-
фильный агент, тем меньшее влияние оказывает электронодонорность заместителя, присутствующего в молекуле субстрата.
3.2. НУКЛЕОФИЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ
Нуклеофильные реакции – гетеролитические реакции органических
соединений с нуклеофильными реагентами. К нуклеофилам относятся
анионы и молекулы (органические и неорганические), которые в ходе ре-
51
акции предоставляют свою неподеленную пару электронов на образова-
O
CN-
O
CN
ние новой связи.
При этом атака нуклеофила по электронодефицитному (электрофильному) центру может завершаться присоединением реагента (AdN) или замещением уходящей группы (SN). Например: нуклеофильное присоединение к карбонильной группе или алкенам и алкинам, нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода или в ароматическом кольце, нуклеофильное замещение у карбонильного атома углерода. Реакции нуклеофильного замещения находят широчайшее применение в промышленном
органическом синтезе: реакции гидролиза, аминирования, щелочного
плавления и т. д.
3.2.1. Нуклеофильное присоединение
Пример реакции нуклеофильного присоединения (AdN) – присоединение нуклеофильных реагентов к кратной связи (в основном к связям
C=X, где X – O, N):
Механизм рассмотрим на примере реакции гидратации ацетилена
в присутствии катализатора (соль двухвалентной ртути):
52
Катализатор Hg2+ активирует тройную связь, образуя электронодефи-
R–X Nu : R–Nu X
+→ +
цитный π-комплекс (быстрая стадия). На медленной (лимитирующей) стадии к π-комплексу присоединяется нуклеофил – молекула воды, являющаяся донором пары электронов.
Именно поэтому реакция классифицируется как нуклеофильное при-
соединение.
3.2.2. Нуклеофильное замещение
В общем виде нуклеофильное замещение можно представить как
.
В отличие от реакций SE, реакции нуклеофильного замещения SN более разнообразны и могут протекать по различным механизмам как в алифатических, так и в ароматических соединениях.
На скорость и механизм реакций SN определяющее влияние оказывают:
1) нуклеофильная способность (нуклеофильность) реагента Y. При
этом количественной мерой нуклеофильности является константа скорости реакции, поэтому она является кинетической величиной;
2) нуклеофугная способность уходящей группы;
3) условия проведения реакции;
4) природа вещества.
Нуклеофильное замещение может проходить по механизмам SN1, SN2,
SNAr, SNI.
Рассмотрим нуклеофильное замещение на примере свойств галогено-
производных.
Реакционная способность галогенопроизводных определяется харак-
тером связи углерод – галоген (C–X) и структурой молекулы. Природа га-
53
логена обусловливает полярность, поляризуемость и прочность связи углерод – галоген, что в конечном счете определяет реакционную способность конкретного галогеноуглеводорода. Прочность связи углерод–
галоген уменьшается при переходе от фтора к хлору, брому и йоду; в этом
же ряду увеличивается и поляризуемость связи (легкость смещения электронного облака к галогену под внешним воздействием). Следовательно,
наименее реакционноспособными являются фторопроизводные, а наиболее реакционноспособными – иодопроизводные углеводородов. Кроме того, необходимо отметить, что прочность связи углерод – галоген увеличивается со снижением ее полярности в ряду
Сsp3–X < Csp2–X < Csp–X.
В целом наличие электроотрицательного атома галогена, проявляющего –I-эффект, приводит к перераспределению электронной плотности в
молекуле и возникновению двух реакционных центров:
Из этого следует, что галогеноуглеводороды способны к реакциям
нуклеофильного замещения SN по электрофильному центру под действием нуклеофильных реагентов и элиминирования Е с участием СН-кислотного центра.
Кроме того, по полярной связи С–Х возможны реакции с активными
металлами, а повышенная степень окисления атома углерода при галогене
допускает реакции восстановления.
54
Рассмотрим пример нуклеофильного замещения в галогеналканах.
Реакции замещения атома галогена протекают под действием нуклеофила (Nu:). Происходит гетеролитический разрыв связи С–Х с отщеплением в виде аниона:
Реакция нуклеофильного замещения обратима и возможна, если уходящий анион устойчивее вступающего в реакцию нуклеофила. При этом
выделяют «хорошую» и «плохую» уходящие группы. «Хорошая» группа –
слабое основание. Соединения с «хорошей» уходящей группой будут легче вступать в реакцию SN, чем соединения с «плохой» уходящей группой.
А «плохая» группа – сильное основание.
Все уходящие группы располагают в ряд по увеличению основности:
При сравнении стабильности галогенид-ионов обнаруживают следующую закономерность: стабильность галогенид-ионов увеличивается от
55
фтора к йоду, т. е. наиболее стабилен из галогенов иодид-ион, наименее
( )
3
3
k CH СBrν=
стабилен фторид-ион. При этом реакционная способность галогеналканов
снижается в ряду
.
Представим реакции нуклеофильного замещения SN1 и SN2 как моно-
и бимолекулярные механизмы соответственно.
Мономолекулярное нуклеофильное замещение характерно для третич-
ных алкилгалогенидов:
Данная реакция нуклеофильного замещения SN1 характерна для тре-
тичного третбутил-радикала в молекуле галогенпроизводного. Приведенная реакция – гидролиз галогеналканов, в результате которого образуется
третичный спирт.
Кинетика реакции. Скорость реакции нуклеофильного замещения SN1
зависит от концентрации галогеналкана и не зависит от концентрации щелочи. Следовательно, это реакция первого порядка.
Кинетическое уравнение выглядит так:
.
На лимитирующей стадии, определяющей скорость реакции замещения, участвует только одна частица – третбутилбромид.
56
Реакция состоит из двух стадий, уравнения которых можно предста-
вить следующим образом:
На рис. 3 показан энергетический профиль реакции нуклеофильного
замещения SN1.
Рис. 3. Энергетический профиль реакции нуклеофильного замещения S
1
N
На рисунке видно, что лимитирующей стадией является первая реак-
ция – реакция ионизации третбутилбромида с образованием карбкатиона.
57
Образующийся карбкатион (интермедиат) нестабилен и на второй стадии
реагирует с нуклеофилом, образуя конечный продукт реакции.
Энергия активации второй стадии меньше, чем первой, поэтому скорость первой реакции медленнее второй.
Стехиометрия процесса. В исходном третбутилбромиде реакционным центром является sp3-гибридный атом углерода. В процессе реакции
образуется плоский карбокатион с sp2-гибридным атомом углерода. Схема
реакции:
.
Образующийся нуклеофил воздействует на карбокатион с любой стороны, и образуются два продукта с сохраненной или обращенной конфигурацией. Схема реакции:
В результате реакции образуется смесь двух энантиомеров.
В общем виде реакция нуклеофильного замещения SN1 выглядит следующим образом:
58
Бимолекулярное нуклеофильное замещение характерно для первичных
[ ]
[ ]
3
k CH Br OH
ν= −
алкилгалогенидов:
.
Данная реакция нуклеофильного замещения SN2 характерна для пер-
вичного метильного радикала в молекуле галогенпроизводного. Приведенная реакция – гидролиз галогеналканов, в результате которого образуется первичный спирт.
Кинетика реакции. Скорость реакции нуклеофильного замещения SN2
зависит как от концентрации галогеналкана, так и от концентрации щелочи. Следовательно, это реакция второго порядка.
Кинетическое уравнение выглядит так:
.
На лимитирующей стадии, определяющей скорость реакции замещения, участвуют две частицы – метилбромид и гидроксид-ион.
Реакция состоит из одной стадии, уравнение которой можно представить следующим образом:
Реакция нуклеофильного замещения SN2 протекает без образования
промежуточных частиц (переходный комплекс частицей не является).
На рис. 4 представлен энергетический профиль реакции нуклеофиль-
ного замещения SN2.
На рисунке виден один максимум, соответствующий переходному состоянию.
59
Рис. 4. Энергетический профиль реакции
нуклеофильного замещения S
2
N
Стехиометрия процесса. На метилбромиде имеется положительный
заряд, который может атаковать нуклеофил – гидроксильная группа. В реакции одновременно происходит разрыв одних связей (С–Х) и образование новой связи с нуклеофилом. В переходном комплексе три связи атома
углерода располагаются в одной плоскости, а связь с гидроксилом направлена перпендикулярно данной плоскости.
По мере отрыва бромид-иона происходит возврат в тетраэдрическое
состояние реагирующего атома углерода с иной конфигурацией заместителей относительно реакционного центра, то есть происходит обращение
конфигурации (Вальденовское обращение). Это особенно важно, когда
реакционным центром в субстрате служит асимметрический атом углерода (например, в результате гидролиза (S)-2-бромооктана образуется (R)октанол-2).
Вторичные галогенпроизводные могут вступать в реакции и SN1,
и SN2, в зависимости от условий проведения реакции.
В общем виде реакция нуклеофильного замещения SN2 выглядит следующим образом:
60