ТОХТ

Противоположный эффект наблюдается при специфической сольватации нуклеофила, когда образующиеся комплексы из-за рассредоточения их заряда оказываются менее реакционноспособными

Br ROH Br... HOR

Отрицательно заряженные нуклеофилы сольватируются сильнее нейтральных молекул или групп. Поэтому, например, для реакции

преобладающее влияние имеет сольватация бромид-аниона, а не атома йода в молекуле СН3I. В результате скорость этой реакции в метаноле в 58 000 раз меньше, чем в диметилформамиде, где эффект специфической сольватации отсутствует.

Аналогичная реакция с пиридином

при которой нуклеофил нейтрален, в тех же растворителях имеет близкую скорость, так как сольватация замещаемой группы компенсирует сольватацию нуклеофила.

Кроме специфической сольватации в тех случаях, когда она отсутствует или мало меняется при замене растворителя, существенное влияние на нуклеофильные реакции имеет электростатическая сольватация. Относительные полярности исходных веществ и переходного состояния неодинаковы в различных реакциях нуклеофильного замещения (табл. 11.1), вследствие чего изменение полярности растворителя влияет на эти реакции по-разному. При большей полярности переходного состояния (реакции типа 1 и 3) скорость всегда растет из-за более сильной электростатической сольватации переходного состояния по сравнению с исходными веществами, а при обратном соотношении полярностей наблюдается уменьшение скорости (реакции типа 2 и 4).

Таблица 11.1. Влияние полярности растворителей на скорость реакций нуклеофильного замеще-

ния

В качестве примера сильного влияния полярности растворителя можно привести сольволиз трет-бутилхлорида (тип 1) – при замене этанола (ε = 24) водой (ε = 81) скорость реакций возрастает в 850 раз.

На гидролиз изо-С3Н7Вг (тип 2) полярность растворителя влияет мало:

141

скорость гидролиза уменьшается при замене этанола водой только в два раза:

Сольватация существенно влияет не только на общую скорость, но и на соотношение механизмов SN1 и SN2. При прочих равных условиях первый из них тем более вероятен, чем выше полярность растворителя и его способность к специфической сольватации замещаемой группы и чем выше кислотность катализатора.

Это вполне понятно, так как в отсутствие перечисленных условий гетеролитическое расщепление связи С‒X связано с большой затратой энергии (>837 кДж/моль) и имело бы ничтожную скорость.

В действительности SN1 и SN 2 реакции не отделены друг от друга так резко, между ними имеется область так называемых пограничных механизмов. При «чистой» SN 2 реакции с отрицательно заряженным нуклеофилом реакционный центр в переходном состоянии имеет частичный отрицательный заряд. В зависимости от свойств растворителя, наличия катализаторов, а также от строения нуклеофила, алкильной и замещаемой групп этот заряд изменяется и может стать положительным, что сопровождается удлинением связи С‒X в переходном состоянии. Одновременно новая связь завязывается на большем расстоянии от реакционного центра (рис. 11.5). Кинетика такого пограничного механизма еще подчиняется уравнению второго порядка, однако при дальнейшем развитии рассмотренных эффектов происходит переход к чистому SN 1 механизму, когда С–Х-связь разрывается уже без участия нуклеофила.

а б в г

Рис. 11.5. Переходные состояния при механизме SN 2 (а), SN 1 (г) и пограничном механизме (б и в)

11.1. 2. Влияние строения реагентов на нуклеофильное замещение

Влияние алкильной группы в исходной молекуле. В переходном состоянии «чи-

стой» SN 2 реакции углеродный атом, как мы видели несет частичный отрицательный заряд и стабилизируется поэтом электроноакцепторными заместителями, которые способствую рассредоточению этого заряда, уменьшают энергию активированного комплекса и ускоряют реакцию. Наличие объемистых заместителей, наоборот, затрудняет подход нуклеофила и вызывает стерические эффекты, замедляющие реакцию.

142

В реакции SN1 определяющей стадией является образована карбкатиона. По предложению Хэммонда принято считать, что активированный комплекс и образующаяся при его распаде энергетическая нестабильная частица близки по строению и энергетическому состоянию. Отсюда следует, что все факторы, стабилизирующие карбкатион, будут уменьшать и энергию активированного комплекса, ускоряя реакцию SN1. К этим факторам относятся: наличие электронодонорных заместителей, эффекты их сопряжения и сверхсопряжения с реакционным центром. Стерические препятствия при подходе реагента уже не играют роли, а присутствие объемистых заместителей даже ускоряет реакцию SN 1 из-за ослабления связи С‒X.

Таким образом, ни один из рассмотренных эффектов заместителей не действует одинаково на реакции SN 1 и SN 2. Например, накопление метальных групп у реакционного центра в ряду алкилгалогенидов облегчает образование карбкатиона и ускоряет реакцию SN1 из-за сверхсопряжения метильных групп с реакционным центром и их стерического и индуктивного эффекта:

Скорость реакции SN2, наоборот, возрастает с уменьшением числа метильных групп из-за уменьшения стерических препятствий и снижения положительного индуктивного влияния заместителей. В результате первичные алкилгалогениды реагируют по SN 2 механизму, а третичные - по SN1.

фильного замещения.

Аллилгалогениды СН2=СНСН2Х и бензилгалогениды С6Н5СН2Х реагируют по пограничному механизму со скоростью более высокой, чем у первичных алкилгалогенидов. Аллил- и бензилгалогениды иногда показывают повышенную склонность к взаимодействию по SN l-реакции, что обусловлено стабилизацией их карбкатиона за счет сопряжения:

143

Кислородные заместители в алкильной группе имеют разное влияние. Например, α-хлорэфиры ввиду возможности сопряжения с реакционным центром реагируют очень быстро по SN1-механизму

Наоборот, в β-хлорэфирах сопряжение невозможно, и их реакционная способность меньше, чем у незамещенного хлорпроизводного.

На скорость реакций иногда сильно влияет непосредственное взаимодействие одного из атомов заместителя с относительно далеко расположенным от него реакционным центром. При нуклеофильном замещении в галогенкарбоновых кислотах этот эффект соседних групп проявляется очень ярко. Их сольволиз в кислых средах ускоряется, когда галоген и карбоксильная группа расположены таким образом, что образуется внутримолекулярная водородная связь с замещаемой группой, например в α-галогенкарбоновых кислотах:

В щелочной среде, когда кислота превращается в соль, такое электрофильное активирование реакции невозможно, но зато появляется эффект сопряжения, который способствует расщеплению С-Х-связи с внутримолекулярной атакой реакционного центра и образованием нестабильного лактона, быстро переходящего в продукт реакции:

Влияние замещаемой группы. При прочих равных условиях нуклеофильное замещение как по SN1, так и по SN2 механизму должно протекать тем быстрее, чем ниже энергия гетеролитического разрыва связи С‒X. Это во многом связано со стабилизацией образующегося аниона за счет его лучшей поляризуемости (в случае галоген‒анионов) или эффектов сопряжения (для эфиров сульфокислот и диалкилсульфатов):

Кислые эфиры серной кислоты обладают лишь слабой алкилирующей способностью, так как у них легче разрывается связь S‒О. Спирты и простые эфиры, как мы видели выше, реагируют только при кислотном катализе, когда поляризуется связь С-О:

144

При прочих равных условиях, чем больше эта способность, тем выше роль пограничных или SN1 механизмов в реакциях нуклеофильного замещения.

Влияние нуклеофильного реагента. Факторы, влияющие на скорость реак-

ций нуклеофильного замещения и связанные со строением нуклеофильного реагента, объединяют понятием нуклеофильность. К этим факторам относятся основность и поляризуемость нуклеофила.

Связь нуклеофильности с основностью обусловлена аналогией протолитических реакций и реакций нуклеофильного замещения: в протолитической реакции основание за счет своей свободной электронной пары присоединяет протон; в реакции нуклеофильного замещения этой же электронной парой осуществляется атака на углеродный атом, имеющий дефицит электронов. В тех случаях, когда другие факторы, влияющие на нуклеофильность, остаются неизменными, наблюдается корреляция между константой скорости реакции SN 2-замещения (нуклеофильностью) и константой основности нуклеофильного реагента (основностью). Количественно эта зависимость выражается уравнением Бренстеда, которое является частным случаем линейного соотношения свободных энергий:

где k — константа скорости, Кb — константа основности нуклеофила, G и β — эмпирические константы.

Чем больше β, тем быстрее возрастает скорость с увеличением основности нуклеофила, что характерно для типичных SN 2 реакций, в которых нуклеофил Y в большой степени связывается с углеродным атомом уже в переходном

в зависимости oт относительной основности алкоголятов (Кb,i/Kb,0).

145

Рис. 11.7. Зависимость относительной реакционной способности алкоголятов от их основности для реакций с органическими хлоридами:

1– с н-бутилхлоридом;

2– с аллилхлоридом;

3 – с трет-бутилхлоридом

Трет-бутилхлорид реагирует по SN1 механизму, и относительная реакционная способность алкоголятов в этой реакции (кривая 3) не зависит от их основности (β≈ 0).

Кроме основности на нуклеофильность сильно влияет поляризуемость реакционного центра нуклеофила. В объемистых ионах (S–,I–, Вr–) или при наличии в анионе кратных связей (N3–, CN–) электроны легко смещаются в направлении положительно заряженного атома углерода в атакуемой молекуле. Поляризованная молекула нуклеофила завязывает с ним связь на большем расстоянии и реагирует значительно быстрее нуклеофилов той же или даже большей основности, но неспособных к поляризации. Например, усредненная относительная нуклеофильность легко поляризуемых ионов C6HSS– в 470 раз выше, чем для ионов С2Н5О–, тогда как основность иона С2Н5О– (рКb = –2) на много порядков больше, чем для иона C6H5S– (рКb = 4,6). Высокой нуклеофильностью обладают также ионы HS– и CN–, молекулы аммиака и аминов. В результате условия синтеза меркаптанов, сульфидов, аминов, нитрилов нередко оказываются даже более мягкими, чем условия гидролиза алкилхлоридов щелочами.

Эдварде предложил следующее уравнение для количественной оценки нуклеофильности EN:

где R ‒ рефракция (поляризуемость), а рКа ‒ кислотность кислоты, сопряженной нуклеофилу.

Стандартом служит вода, для которой нуклеофильность принята равной нулю. Значения EN для некоторых нуклеофилов приведены в табл. 11.2.

Таблица 11.2. Значение нуклеофильности EN нуклеофилов

Для аминов нуклеофильность изменяется в ряду:

R2NH ≈ RNH2 >> NH3.

При прочих равных условиях чем сильнее нуклеофильность реагента, тем более вероятно протекание реакции по SN2 механизму. Наоборот, со слабыми нуклеофилами более быстрой может оказаться реакция SN1, и тогда процесс пойдет по этому пути. Такая зависимость с обращением механизмов действительно наблюдается, причем в области SN1 механизма скорость реакции не зависит от природы нуклеофила (рис. 11.8).

Ассоциация отрицательно заряженного нуклеофила с катионом с образованием ионной пары уменьшает реакционную способность нуклеофила, как и электрофильная сольватация за счет водородных связей.

В средах с низкой диэлектрической проницаемостью (ε< 40) заряженные нуклеофилы находятся в основном в виде ионных пар. Особенно прочные ионные пары образуются ионами небольшого размера, поэтому увеличение размеров катиона всегда способствует росту нуклеофильности аниона (нуклеофильная реакционная способность LiCl обычно в 10-1000 раз меньше, чем для хлоридов тетраалкиламмония R4N+ Cl–). Диссоциация ионных пар облегчается также в результате специфической сольватации катионов, например,

Такая сольватация оказывает влияние, аналогичное увеличению размеров катиона, и сильно ускоряет нуклеофильную реакцию с участием этой ионной пары.

Анализ кинетических данных по влиянию природы нуклеофила и замещаемой группы на скорость реакций нуклеофильного замещения показывает, что некоторые легко поляризуемые нуклеофилы (например, I– и Вr–) являются в то же время легко замещаемыми группами. Это позволяет использовать их в качестве нуклеофильных катализаторов. Например, анион йода сильно ускоряет относительно медленные реакции гидролиза алкилхлоридов водой. Механизм нуклеофильного катализа в данной реакции состоит в предварительном замещении хлор‒аниона йодом и в последующем гидролизе образовавшегося алкилиодида образованием спирта и регенерацией йод‒аниона:

147

Конкуренция нуклеофилов при замещении. При проведении реакций нук-

леофильного замещения в реакционных смесях обычно присутствуют несколько нуклеофилов, что обусловливает образование побочных веществ. Кроме того, некоторые нуклеофилы обладают двумя реакционными центрами и дают разные продукты замещения. При SN 2 реакции органическое вещество преимущественно реагирует, как мы видели выше, с реагентом, имеющим наибольшую нуклеофильность, зависящую от поляризуемости. В отличие от этого, при SN l замещении карбкатион ввиду его высокой реакционной способности имеет меньшую избирательность, но все же предпочтительно взаимодействует с нуклеофилом, имеющим наибольшую электронную плотность (или электроотрицательность). Это правило Корнблюма имеет болшое значение для предсказания необходимых условий реакции.

Если взять для примера реакции с нуклеофилами, обладающими двойственной реакционной способностью (C=N, О‒N‒О и др.), то они дают обычно смесь продуктов замещения (нитрилы и изонитрилы, нитросоединения и нитриты) в зависимости от электроотрицательности и поляризуемости атомов:

Сходный случай наблюдается при обмене галогенов. Реакция SN2 всегда протекает в сторону замещения более электроотрицательного атома на более нуклеофильный (F и С1 на Вг и I). Однако при SN l замещении образуется продукт с более электроотрицательным заместителем (т. е. RF из RC1). Для изменения механизма используют соли или катализаторы с сильно электро-

фильным катионом (AgF, HgF2, SbF3, SbF5):

11.2. Ионные реакции отщепления

Эти процессы, которые называют еще реакциями элиминирования (англ. elimination), можно классифицировать по взаимному положению отщепляемых групп (1,1‒, 1,2‒, 1,3‒элиминирование и т. д.). Из них наибольшее практическое значение имеют реакции 1,2‒отщепления, ведущие к образованию ненасыщенных веществ (процессы дегидрохлорирования, дегидратации и др.).

148

а также отдельные реакции 1,3‒ и 1,4‒отщепления с образованием гетероциклических соединений:

11.2.1. Механизм реакций отщепления

В зависимости от условий реакции и строения реагирующих веществ 1,2- отщепление может протекать по разным механизмам. По очередности разрыва связей С–X и С–Н они подразделяются на механизмы Е1, Е2 и Е1сb, где цифры 1 и 2 показывают молекулярность определяющей стадии, индекс сb означает сопряженное основание (англ. conjugated base).

При механизме Е1 предварительно происходит медленный мономолекулярный разрыв связи С–X, аналогичный лимитирующей стадии реакции SN1:

k1

H C C X H C C X H C C X

k-1

Образовавшийся карбкатиона взаимодействует далее с каким-либо основанием или растворителем и по быстрой реакции отщепляет протон с образованием олефина:

Выведенное из принципа стационарности общее кинетическое уравнение реакции Е1 имеет вид:

149

от концентрации нуклеофилов:

Протеканию реакции Е1 благоприятствуют те же факторы, что и реакции SN1, поскольку в обоих процессах определяющая стадия одинакова. К этим факторам относятся разветвление алкильной группы, уменьшение энергии связи С–X при взаимодействии с растворителями или катализаторами, способными к электрофильному взаимодействию с X. Типичный пример представляет дегидратация спиртов, протекающая при катализе протонными или апротонными кислотами, которые поляризуют связь С–О:

Поскольку стабильность ионов карбония возрастает в ряду первичный < < вторичный < третичный, то и дегидратация наиболее легко протекает у третичных спиртов, в то время как для первичных требуются более жесткие условия.

С сильными основаниями реакция полностью или частично протекает по механизму Е2. В этом случае разрыв связей С–Н и С–X происходит синхронно в процессе бимолекулярной элементарной реакции

и скорость такого процесса, в отличие от реакции Е1, описывается кинетическим уравнением второго порядка

Реакции E2 ускоряются электроноакцепторными группами, повышающими кислотность отщепляемого атома водорода. К таким группам относятся, например, CF3, NO2, SO2, CN, C=O, наличие которых в β‒положении к отщепляемой группе сильно ускоряет реакцию. Например, дегидратация β‒кетоспиртов происходит без активирования связи С–О и катализируется основаниями:

H

CC C OH B C C C BH HO O H O H

Если отщепление протона чем-то сильно облегчено, а группа X отщепляется трудно, реакция протекает по механизму Е1сb, когда происходит предварительное отщепление протона по быстрой равновесной реакции:

150