Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основные типы органических реакций и их механизмы. Учебное пособие.pdf
:
Для бимолекулярного замещения скорость реакции прямо пропорциональна концентрациям нуклеофила и субстрата. Реакция проходит через
пятикоординированный углерод.
Факторы, влияющие на механизм изученной реакции
1. Строение субстрата. Реакции SN2 наиболее легко протекают у первичного sp3-гибридизованного атома углерода. Наличие объёмных алкильных групп, связанных с электрофильным центром, приводит к стерическим затруднениям как для атаки нуклеофила, так и для образования
пентакоординированного переходного комплекса. Таким образом, скорость реакций SN2 зависит от строения радикала и уменьшается в ряду
СН3 > первичный > вторичный > третичный.
С другой стороны, увеличение степени замещенности реакционного
центра алкильными радикалами повышает устойчивость карбокатиона
и облегчает протекание реакции по механизму SN1. Скорость реакций SN1
также зависит от алкильных производных по схеме
третичный > вторичный > первичный > СН3.
2. Растворитель. Растворитель облегчает поляризацию связи угле-
род-галоген, стабилизирует переходное состояние и сольватирует уходящий анион. Использование сильноионизирующего растворителя способ-
ствует протеканию реакции по механизму SN1 за счет сольватации и стабилизации как анионов, так и катионов. Молекулы таких растворителей
обычно содержат атомы водорода, способные образовывать водородные
61
связи, и одновременно атомы с неподеленными парами электронов
(например, вода, спирты, карбоновые кислоты, аммиак).
Протеканию реакции по механизму SN2 способствуют неполярные
и диполярные апротонные растворители. Сильноионизирующие раство-
рители, в частности содержащие гидроксильные группы, будут замедлять
такие реакции, поскольку они в большей степени стабилизируют исходные анионы, чем переходный комплекс. Теоретически в данном случае
лучше всего было бы использовать растворитель, который был бы неполярным, например гексан. Однако в последнем, как правило, нерастворима соль – источник нуклеофила, то есть растворитель должен обладать
еще и достаточной растворяющей силой, как, например, ацетон (полярный
апротонный растворитель). В настоящее время широко используют такие
растворители для реакции SN2, как N,N-диметилформамид (ДМФА), диметилсульфоксид (ДМСО), гексаметилфосфотриамид (ГМФТ), т. е. диполярные апротонные растворители с высокой диэлектрической проницаемостью, но не способные к образованию водородных связей.
3. Нуклеофильность реагента. Использование сильного нуклеофила
способствует реакции SN2. Анионы являются более сильными нуклеофилами, чем нейтральные молекулы. Например, гидроксид- и этоксид-анионы – более сильные нуклеофилы, чем вода и этанол. При сравнении нуклеофильности анионов необходимо учитывать их поляризуемость. Легкополяризуемые ионы обладают высокой нуклеофильностью и в ионизирующих протонных, и в апротонных растворителях. Нуклеофильность слабополяризуемых, но более основных анионов, сильно возрастает при переходе от ионизирующих протонных к апротонным растворителям.
В апротонных растворителях такие ионы слабо сольватированы, а в протонных образуют водородные связи с молекулами растворителя и оказываются как бы блокированными.
Примером может служить нуклеофильная активность галогенид-
ионов.
62
Так, по нуклеофильности в ионизирующих про- тонных растворите-
– – ––
I Br Cl F>>>
– – ––
I Br Cl F< <<
лях они располагаются в следующий ряд:
.
В полярных апротонных растворителях их порядок оказывается об
ратным:
.
Нуклеофильность реагента практически не влияет на реакцию SN1,
так как образующийся на лимитирующей стадии карбокатион обладает
большой электрофильной активностью. Использование слабого нуклеофила может направить реакцию по механизму SN1.
Таким образом, на протекание реакции нуклеофильного замещения
по механизму SN2 влияют три фактора:
1) строение радикала;
2) проведение реакции в неполярном и полярном апротонном раство-
рителях;
3) применение сильного нуклеофила.
Протеканию реакции нуклеофильного замещения по механизму SN1
также способствуют три фактора:
1) увеличение степени замещенности реакционного центра алкиль-
ными радикалами: первичными, вторичными, третичными;
2) применение сильноионизирующего растворителя;
3) применение слабого нуклеофила.
Сравнивая механизмы реакций SN1 и SN2, можно сделать следующие
выводы:
– SN2 приводит к полному обращению конфигурации, SN1 – к полной
(частичной) рацемизации;
– SN2 не проходит для субстратов, содержащих объемные группы при
атакуемом атоме углерода (например, (CH3)3CCI);
63
– Оптимальный растворитель для SN1 – достаточно кислый протон-
ный (CH3COOH), а для SN2 – биполярный апротонный (ДМФА, ацетон).
Реакции нуклеофильного замещения могут конкурировать с реакция-
ми элиминирования (Е) – отщепления галогеноводорода.
3.2.3. Нуклеофильные реакции в ароматических соединениях
Реакции нуклеофильного замещения в ароматических соединениях
(SNAr) могут протекать по различным механизмам: через комплекс
Мейзенгеймера, арины, по диссоциативному механизму SN1, механизму
ANRORC и др.
1. Нуклеофильное замещение через комплекс Мейзенгеймера
Реакции протекают с электроноакцепторными группами, а для неактивированных субстратов – при очень тяжелых условиях. Например, реакция
хлорбензола с гидроксидом натрия проходит при температуре 350 °С и под
давлением.
Механизм протекания реакции:
64
2. Нуклеофильное замещение по диссоциативному механизму SN1Ar
Примером диссоциативного механизма SN1 в ароматическом ряду соединений является замена диазогруппы на различные нуклеофильные
группы:
3. Нуклеофильное замещение через образование аринов
Данные реакции характерны для ароматических соединений, в составе галогенсодержащих которых отсутствуют электроноакцепторные заместители. В этом случае раекция SN галогена требует применения очень
сильных нуклеофилов и жестких условий, при этом наблюдается смесь
изомеров.
Механизм протекания реакции:
65
4. Нуклеофильное замещение по механизму ANRORC – Addition of Nu-
cleofile, Ring Opening, Ring Cloisure.
При этом происходит присоединение нуклеофила, раскрытие цикла,
закрытие цикла.
Механизм протекания реакции:
66
3.3. РЕАКЦИИ ЭЛИМИНИРОВАНИЯ
Cl
Cl
Cl
KOBu
CCl
2
:
t
X
Y
X Y
+
В наиболее общем случае элиминирование (отщепление) соединения
X–Y происходит по схеме
Элиминирование классифицируют как α-, β- или γ-элиминирование.
α-элиминирование:
β-элиминирование:
67
γ-элиминирование:
25 2 25
C H OH
КOH H O C H O К
−+
+ →+ +
Br
Br
Zn
Наиболее распространенным типом реакций отщепления является
β-элиминирование. Так как в процессе реакции от молекулы галогеналкана отщепляются атом водорода и атом галогена, такие реакции называются дегидрогалогенированием.
Если в исходном субстрате имеется альтернативная возможность отщепления протонов от β- и β′-атомов углерода, то может образоваться
смесь алкенов. Для предсказания преобладающего продукта реакции
дегидрогалогенирования используют правило Зайцева: в реакциях дегид-
рогалогенирования атом водорода отщепляется преимущественно от со-
седнего наименее гидрогенизированного атома углерода.
В результате образуются наиболее замещенные (термодинамически
более стабильные) алкены. Это правило соблюдается независимо от механизма реакции.
При проведении реакции элиминирования необходимы сильные основания (спиртовой раствор щелочи):
.
Если использовать водный раствор КОН как более слабое основание,
то преимущественно протекает реакция замещения, а не отщепления.
β-элиминирование может протекать по двум механизмам: Е1 и Е2.
68
Реакция мономолекулярного элиминирования Е1. Данная реакция харак-
OH
H
+
OH
2
+
+
терна для третичных и вторичных галогеналканов с объемными растворителями у реакционного центра. Основанием может быть и растворитель.
Реакция протекает в кислых средах через образование карбокатиона:
Механизм реакции мономолекулярного элиминирования протекает
в две стадии:
– отщепление галогена и образование карбокатиона:
– отщепление протона от атома углерода, соседнего с катионным
центром:
Стадия ионизации может сопровождаться перегруппировкой карбока-
тионов, при этом образуется наиболее стабильный интермедиат.
Механизм протекания реакции:
69
Реакция бимолекулярного элиминирования Е2. Данная реакция харак-
Cl
H
B
терна для первичных и вторичных галогеналканов с небольшими по объему заместителями у реакционного центра.
Необходимо антиперипланарное расположение Н и Х:
Реакция Е2 часто конкурирует с SN2 и представляет собой одностадийный согласованный процесс β-элиминирования, протекающий через
переходное состояние, в котором разрыв связей Сα–Х и Сβ–Н и образование π-связи происходят одновременно.
.
Реакция бимолекулярного элиминирования протекает по правилу
Зайцева: протон преимущественно отщепляется от наименее гидрогени-
зированного атома углерода Сβ-атома:
70