При проведении реакций электрофильного алифатического замещения в жидкой фазе необходимо учитывать наличие тех или иных нуклеофилов, которые оказывают значительное влияние как на скорость, так и на механизм реакций, т.е. в данном случае реализуется эффект нуклеофильного содействия (нуклеофильного катализа).
Особенности нуклеофильного катализа
Эффект нуклеофильного катализа проявляется в огромном количестве органических реакций. В частности, он проявляется в реакциях гидролиза сложных эфиров, в случаях, когда один из реагентов являеется более нуклеофильным, чем растворитель (вода) или гидроксид-ионы, а образующиеся интермедиаты атакуются водой или гидроксид-ионами быстрее, чем этот исходный эфир.
Рисунок 1.
Статья: Нуклеофильное содействие
В качестве нуклеофильных катализаторов могут выступать, например, карбоксилат-ионы:
Рисунок 2.
поскольку промежуточно образующийся ангидрид гидролизуется значительно легче, чем исходный эфир.
Рисунок 3.
Необходимым условием для эффекта нуклеофильного катализа в указанных выше примерах является то, что анионы, образующиеся по ходу реакции не должны сильно различаться по своим оснОвным свойствам. Иначе карбоксилат-ионы оказывается значительно лучшей уходящей группой и тетраэдрический интермедиат быстрее распадается до исходных реагентов, нежели до конечных продуктов.
Нуклеофильный катализ в реакциях с фениловыми эфирами карбоновых кислот
Исходя из этого условия эффект нуклеофильного катализа чаще наблюдается в реакциях происходящих с фениловыми эфирами карбоновых кислот. При выполнении всех условий в этих реакциях эффективными нуклеофильными катализаторами становятся амины или азотистые гетероциклы с оснОвными свойствами (пиридин, имидазол).
Рисунок 4.
Эффект нуклеофильного катализа проявляется и в других реакциях с производными карбоновых кислот. Например, в реакциях ацилирования хлорангидридами карбоновых кислот гидрокси- производных добавка в реакционную среду пиридина или третичных аминов будет оказывать нуклеофильный катализ:
Рисунок 5.
Внутримолекулярный нуклеофильный катализ
Особым случаем этого вида катализа является внутримолекулярный нуклеофильный катализ. Такой вид нуклеофильного катализа особо важен для различных биохимических процессах прежде всего ферментативных реакциях. Так например, за счет внутримолекулярного нуклеофильного катализа фенильные моноэфиры фталевой кислоты в биосистемах гидролизуются значительно быстрее, чем соответствующие им бензоаты.
Рисунок 6.
Аналогичным примером, в котором за счет эффекта внутримолекулярного нуклеофильного катализа одно соединение реагирует быстрее своего аналога, не проявляющего такого эффекта является гидролиз моноанилидов янтарной кислоты, их аналогов- замещенных янтарных кислот и ацетанилида при $pH$ 5. Сравнение реакций гидролиза моноанилида янтарной кислоты (А) и моноанилида тетраметилянтарной кислоты (Б):
А:
Рисунок 7.
Б:
Рисунок 8.
Ниже показан еще один пример внутримолекулярного катализа: этиловый эфир $o$-формилбензойной кислоты гидролизуется в 2,5* 105 раз быстрее пара-изомера.
Рисунок 9.
Гидроксид-ионы присоединяются к $o$-формильной группе и создают внутримолекулярные нуклеофильные центры. Располагаясь в орто-изомере по соседству со сложноэфирными группами, эти центры активируют их по механизму анхимерного содействия.
Рисунок 10.
Промежуточно образующийся лабильный $\alpha$-гидроксилактон быстро гидролизуется водой с образованием конечного продукта.
