2 Классификация гетеролитических реакций по типу превращения субстрата.

Гетеролитические реакции подразделяются на реакции присоединения (индекс Ad-от английского Addition), замещения (индекс S- от английского Substitution), элиминирования (индекс E- от английского Elimination) и фрагментации (индекс F- от английского Fragmentation).

Для более точной индексации механизма к осно­в­ному символу добавляется под­строчный индекс N (нуклеофильное) или E (электро­филь­ное), а также цифры 1 (мономолекулярное) или 2 (бимолекулярное).

2.1 Реакции замещения.

Замещение – это реакция, в ходе которой какой-либо атом или функциональная груп­па в органической молекуле замещается на другой атом( функциональную груп­пу). В общем виде это можно записать следующим образом:

В приведенной выше реакции R-X - субстрат (где R-углеводородный радикал, а X - уходящая группа). Атакующий реагент Y называется вступающей группой.

Реакции замещения могут быть моно- и бимолекулярными (S1 и S2), нуклео­филь­ными либо электрофильными (соответственно, S_N и S_E).

В реакции алифатического мономолекулярного замещения лимитирующей стадией является гетероциклическая диссоциация субстрата, и скорость всего про­цесса не зависит от концентрации атакующего реагента. При бимолекулярном заме­щении скорость реакции прямо пропорциональна концентрациям и реагента и субстрата.

Например, трет.-бромистый бутил подвергается спонтанной гетеро­ли­тической диссоциации, лимитирующей скорость процесса (S_N1). Образующийся трет.-бу­тиль­ный катион может либо отщеплять протон (реакция элиминирования), либо присое­диняться к нуклеофилу Y^- (например, цианид-ион CN^- , азид-ион N₃^-) или же гидро­ли­зоваться в содержащем воду растворителе:

Первичные и вторичные алкилгалогениды, в отличие от трет.-бутилгалогенидов, в обыч­ных условиях не подвергаются мономолекулярной диссоциации, и для них ха­рак­терно бимолекулярное нуклеофильное замещение (S_N2), при котором разрыв связи R-X и образование новой связи Y-R происходят синхронно

(знаком ≠ в квадратных скобках обозначено переходное состояние реакции, облада­ю­щее максимумом потенциальной энергии).

Примером может служить реакция В.Мейера:

Реакции нуклеофильного ароматического замещения рассмотрены ниже (см.п.5.2).

Реакции электрофильного замещения (S_E) характерны для металлорганических сое­динений, а также ароматических углеводородов. Они также могут быть как моно -, так и бимолекулярными:

Например, по такому механизму протекает замена атома ртути на ее изотоп (Hg*) в молекуле бензгидрилмеркурбромида:

а также магнийорганические синтезы с участием реактива Гриньяра:

Бимолекулярное электрофильное замещение (S_E2) характерно для ароматических уг­ле­­водородов, например, нитрования бензола солями нитрония, т.е. замещение атома водорода на нитрогруппу

Отличие таких реакций от вышеприведенных процессов электрофильного замещения

в том, что вначале происходит образование новой связи C-NO₂ в так называемом σ-ком­п­лексе, а затем от него отщепляется протон и образуется конечный продукт - нит­ро­бен­зол. Поэтому такие процессы обозначаются символом S_EAr, т.е. электро­фильное заме­щение в ароматических соединениях (аренах) (подробнее механизм рассмотрен ниже, п.6, стр.37).

2.2 Реакции присоединения.

Присоединение - это реакция, в ходе которой реагент присоединяется к субстратам, содержащим кратные связи (C=C, C=O, C=N,C≡N, C≡C и т.д.) или раскрывает малые

(3-и 4-членные) циклы. Это, например, бромирование алкенов:

Такие реакции относятся к процессам электрофильного присоединения (Ad_E), по­сколь­­ку молекула брома поляризуется при образовании π-комплекса с олефином, проявляя свойства электрофильного реагента.

В лимитирующей стадии происходит образование карбениевого иона, который далее в быстрой стадии рекомбинирует с бромид-анионом, давая конечный продукт.

По аналогичному механизму протекает реакция присоединения к алкенам галоген­водородов и сильных OH-, NH- и CH- кислот:

или

Лимитирующей стадией этих реакций является присоединение протона к атому уг­­ле­­­рода кратной связи (через промежуточное образование π-комплекса). Образующийся карбениевый ион быстро рекомбинирует с присутствующими в сис­теме ани­­онами (Cl^-, C(NO₂)₃^- и т.д.), образуя конечный продукт.

Л егче всего протекает присоединение к алкенам, содержащим донорные заместители

, что характерно для реакций типа Ad_E .

Присоединение проходит по правилу Марковникова, т.е. протон присоединяется к наи­­более гидрогенизованному атому углерода, давая более стабильный вторичный, а не первичный карбениевый ион.

Реакции нуклеофильного присоединения (Ad_N) характерны для алкенов, содержащих в α-положении электроноакцепторные группы, проявляющие –М-эф­фект, такие как NO₂, CN, COR, COOR, CONR₂, SO₂R и др. Под действием таких заместителей происходит поляризация кратной связи С=С, например,

Это делает возможной атаку нуклеофилом (аминами, спиртами, анионами CH-, NH-, OH- и SH-кислот) концевой метиленовой группы, несущей дробный положительный заряд, с образованием в лимитирующей стадии промежуточного α-циано­карбаниона, который в последней быстрой стадии отрывает протон от сопряженной кислоты нук­лео­фила или растворителя, давая конечный продукт присоединения:

Эта реакция носит название реакции Михаэля. Продукт такой реакции обычно называют аддуктом.

2.3 Реакции элиминирования.

Элиминирование – это реакция, в ходе которой от субстрата отщепляется в виде двух фрагментов нейтраль­ная молекула или заряженная частица (вода, спирт, амин, га­ло­геноводород и т.д.).

В зависимости от взаимного расположения атомов углерода, от которых проис­ходит отщепление этих фрагментов, различают α-, β-, γ- и т.д. элиминирование. Если оба отщепляющихся фрагмента связаны с одним и тем же атомом углерода, такой процесс называется α-элиминированием. В результате α-элиминирования образуется нейтральная высокореакционная частица с двухвалентным (двухкоординированным) атомом углерода, называемая карбеном:

Например, хлороформ (CHCl₃) проявляет свойства слабой СН-кислоты (рКа 15.5) и под действием сильных оснований (В) отщепляет протон, а образующийся карбанион CCl₃^- подвергается α-элиминированию с выделением дихлоркарбена.

Если два отщепляющихся атома или группы связаны с соседними атомами угле­рода, то такой процесс называется β-элиминированием. В результате β-элимини­ро­вания образу­ются непредельные соединения (алкены):

Известны также реакции γ- ,δ- и т.д. элиминирования, при которых из линейных алифа­тических соединений образуются циклические продукты:

Для реакций β-элиминирования возможны три механизма, различающиеся последо­вательностью отщепления протона и уходящей группы X: E1, E1сВ и E2.

2.3.1 В механизме E1 (мономолекулярное элиминирование) лимитирующей (наи­более мед­ленной) стадией является ионизация субстрата с образованием карбо­ка­ти­она, который в последующей быстрой стадии отщепляет протон от β-углеродного атома, превращаясь в алкен:

Первая стадия этого процесса идентична лимитирующей стадии моно­моле­кулярного нуклеофильного замещения (S_N1). Таким образом, промежуточный карбо­катион участ­вует в двух параллельных конкурирующих реакциях – присоединение нуклео­фила и от­щеп­ление протона.

2.3.2. Мономолекулярное элиминирование в сопряженном основании субстрата (E1cB)также включает две стадии, но в обратной последовательности - отщепление протона пред­шествует отрыву уходящей группы

Поскольку интермедиатом здесь является карбанион, символ E1cB (cB-conjugate base) указывает, что уходящая группа Х отщепляется от сопряженного субстрату основа­ния. Механизм E1cB описывается кинетическим уравнением общего второго порядка с первым частным порядком по субстрату и по основанию В^-_, однако реакция является мономолекулярной, поскольку в лимитирующей скорость стадии участвует одна час­тица (карбанион).

2.3.3 Бимолекулярное элиминирование (E2).

В реакциях бимолекулярного элиминирования от молекулы субстрата одновремен­но отщепляются две группы - обычно это анионоидная уходящая группа Х (нуклео­фуг) и протон, отщепляющийся от соседнего атома углерода:

Примером могут служить реакции дегидрогалогенирования галогеналканов под действием оснований:

Процесс описывается кинетическим уравнением общего второго порядка, первого по субстрату и по основанию В^-, аналогично реакциям S_N2-замещения. По сути, оба эти процесса конкурируют друг с другом, отличаясь лишь направлением атаки нук­лео­­фильного реагента.

Таким образом, механизм Е2 является промежуточным между Е1 и Е1сВ, при этом переходное состояние может варьировать в зависимости от относительной степени рас­щепления связей C-H и C-X , которое не всегда происходит строго синхронно.

Наиболее важной особенностью Е2-элиминирования является его стереоспецифич­ность. При синхронном элиминировании необходимо, чтобы оси p-орбиталей двух атомов углерода, от которых происходит элиминирование, были параллельны. Только в этом случае возможно образование π-связи. Это может быть достигнуто, когда группы Х и Н находятся в транс–положении друг к другу (заторможенная кон­фор­мация А), либо, что менее вероятно, в цис-положении (заслоненная кон­формация В):

Конформация А носит название анти-перипланарной, а элиминирование групп Х и Н из нее называется анти-элиминированием.

Конформация В называется син-перипланарной и элиминирование групп Х и Н из нее носит название син-элиминирование. В общем случае анти-элиминирование пред­поч­ти­тельнее син-элиминирования по пространственным соображениям.

Как отмечено выше, бимолекулярное элиминирование (Е2) конкурирует с бимоле­ку­­­ляр­ным нуклеофильным замещением (S_N2). Сходство этих процессов в том, что ско­­рость как Е2-, так и S_N2 реакций возрастает в ряду алкилгалогенидов

R-F < R-Cl < R-Br < R-I.

Различие же состоит в том, что сильные основания (t-BuO^-, NH₂^-) способствуют Е2- ре­акции, а сильные нуклеофилы, но слабые и средние по силе основания (NH₃, I^-, NH₂OH) способствуют реакции замещения S_N2. Увеличение объема нуклеофила так-

же способствует процессу Е2 вследствие меньших стерических требований этой ре­ак­ции. Более полярные растворители, наоборот, благоприятствуют процессам заме­ще­ния (S_N2), т.к. переходное состояние в этом случае более полярно и лучше сольва­тирова­но, что понижает его энергию. В общем энергия активации процессов Е2 выше, чем для S_N2, поэтому повышение температуры способствует Е2-элиминированию.

2.4 Мономолекулярная фрагментация (F1) представляет собой элиминирование ка­ти­онных и анионных фрагментов субстрата с выделением нейтральной молекулы. Например, бензилазокситозилат (А) при нагревании в полярных растворителях распа­дается на монооксид диазота N₂O, бензильный катион и тозилат (п-метилбензол­суль­фо­нат)-анион. Последние могут рекомбинировать, образуя бензилтозилат, или подвергаться сольволизу с участием растворителя: