6.2 Стереохимия процесса (пространственный ход реакции)

В случае оптически активных хиральных¹⁸субстратов в реакциях нуклеофильного замещения, как правило, происходит:

- в механизме S_N1 утрата оптической активности и образование рацематов;

- в механизме S_N2 сохранение оптической активности с обращением конфигурации.

В механизме S_N1 атом углерода в исходном состоянии находится в тетраэдрическом состоянии sp³-гибридизации.

На первой стадии после отщепления уходящей группы (Х) образуется карбкатион, в котором центральный атом углерода находится в состоянии sp²-гибридизации. Все заместители (R, R’, R’’) при этом располагаются в одной плоскости (копланарно).

На второй стадии нуклеофильный реагент (Y) с равной вероятностью может атаковать эту плоскость с любой стороны. В результате чего образуется примерно равное количество продукта с сохраненной и обращенной конфигурациями (рацемат не обладающий оптической активностью).

На рис.5 показана стереохимия реакций S_N1.

+ Х ^–

+

Y ^–

Y ^–

cохранение конфигурации

обращение конфигурации

рацематная смесь

+

Рис.5 Стереохимия реакций S_N1(рацемизация)

Исключением из данной схемы являются случаи стабилизации образующегося карбкатиона за счет участия соседних групп. Такое участие соседних групп называется анхимерным содействием (от греческих слов анхи – близкий и мерос – часть). В результате анхимерного содействия соседняя группа, имеющая неподеленную пару, взаимодействует с предполагаемым карбкатионным центром («выталкивает» уходящую группу). А нуклеофил может атаковать субстрат только со стороны уходящей группы. В результате анхимерного содействия, как правило, образуются продукты с сохранением конфигурации (см.рис.6).

Рис.6 Схема анхимерного содействия

На рис.6 анхимерное содействия оказывает групп -СОО^–. Другими группами способными к анхимерному содействию являются: -OCOR, -COOR, -COAr, -OR, -OH, -O^–, -NH₂, -NHR, -NHCOR, -SH, -S^–, -I, Br, Cl.

В механизме S_N2 нуклеофил из-за электростатических и пространственных препятствий атакует центральный атом углерода «с тыла» - со стороны противоположной уходящей группе. В переходном состоянии реагент Y, центральный атом углерода C и уходящая группа Х располагаются на одной прямой, а заместители R, R’ и R’’ лежат в одной плоскости. По мере того как уходящая группа покидает переходное состояние связи С–R поворачиваются в ту же сторону, подобно зонтику, выворачиваемому ветром. На рисунке 7 показана стереохимия реакции S_N2.

Y^δ– X^δ–

Y^–

X ^–

Рис.7 Стереохимия реакций S_N2 (обращение конфигурации)

В результате образуется оптически активный продукт с обращенной конфигурацией.

Исключением из этого правила является превращение спирта в алкилгалогенид под действием хлористого тионила. При этом, как правило, образуется продукт с сохранением конфигурации. Это объясняется тем, что реакция спирта с тионилхлоридом протекает через промежуточное образование хлорсульфита, который превращается в конечный продукт путем внутримолекулярного нуклеофильного замещения. Исходная конфигурация при этом сохраняется. На рисунке 8 показан механизм взаимодействие спирта с хлористым тионилом. Такой механизм получил обозначение S_Ni. (Substitution Nucleophilic internal – внутримолекулярное нуклеофильное замещение).

+ SOCl₂

– HCl – SO₂

Рис.8 Взаимодействие спирта с тионилхлоридом (сохранение кофигурации)

Таким образом, и в механизме S_N2 для оптически активных субстратов возможно сохранение конфигурации.