
Влияние структуры субстрата на реакции нуклеофильного замещения
Существует много реакций, которые не приводят к 100% инверсии или рацемизации. Обращение конфигураций обычно составляет от 5 до 20%, но иногда происходит частичное сохранение конфигурации.
Во многих реакциях SN1 продукты реакции образуются из ионных пар, а не из свободного карбокатиона. Поведение R+ в составе ионной пары отличается от поведения свободного карбокатиона. Присутствие противоиона (Hal−) препятствует атаке нуклеофила со стороны уходящей группы, что ведет к обращению конфигурации.
Нуклеофильное замещение может одновременно осуществляться как по SN1-механизму, так и по SN2-механизму (у вторичных алкилгалогенидов). Соотношение этих механизмов зависит от
- строения субстрата;
- растворителя;
- природы и концентрации нуклеофила;
- природы уходящей группы.
Например: Влияние структуры алкилбромидов на константы скорости реакций их гидролиза водно-спиртовым раствором гидроксида натрия по SN2- и SN1-механизму отображает рисунок:
Константы скорости SN2-реакции уменьшаются в ряду
бромметан > бромэтан > 2-бромпропан > 2-бром-2-метилпропан.
Влияние электронных и стерических факторов на скорость реакции
На это оказывают влияние:
- Электронные факторы. Их влияние невелико. Увеличение числа метильных заместителей ведет к уменьшению частичного положительного заряда на атоме углерода, связанного с бромом, в результате чего затрудняется его атака нуклеофилом.
- Стерические факторы. При увеличении числа алкильных заместителей у атома углерода, связанного с бромом, гидроксид-аниону все труднее атаковать этот атом. При механизме SN2 в переходном состоянии вокруг атома углерода должны находиться пять групп атомов, в то время как в исходном галогениде – четыре. Чем больше стерическая напряженность переходного состояния по сравнению с исходными соединениями, тем медленнее оно образуется и тем выше его энергия.
Например: С электронными и стерическими факторами связано снижение скорости реакций, проходящих по SN2-механизму, в ряду
2-бром-2-метилпропан > 2-бромпропан > бромэтан > бромметан
В этом ряду стабилизация карбокатиона уменьшается, что обусловлено действием индуктивного эффекта
А также действием эффекта сверхсопряжения, в котором принимают участие атомы водорода, связанные с α-углеродным атомом
В соответствии с этим рядом, карбокатионы имеют по 9, 6, 3, 0 атомов водорода.
При переходе от исходного алкилгалогенида с четырьмя заместителями, тетраэдрически расположенными вокруг атома углерода в sp3-гибридизации к карбокатиону с тремя заместителями с плоским расположением вокруг sp2-гибридизированного атома углерода.
В плоском карбокатионе заместители максимально удалены друг от друга. Поэтому снижение напряженности при переходе от галогенида к карбокатиону, по мере увеличения размеров заместителей, увеличивается.
Если можно осуществить стабилизацию карбокатиона в результате эффекта сопряжения, то замещение по SN1-механизму может легко проходить у первичного атома углерода, например, в хлористом бензиле:
Замещение может быть осложнено аллильной перестановкой карбокатиона, что приводит к образованию двух изомерных спиртов:
Побочные реакции, конкуренция механизмов SN1, SN2 и Е1, Е2
Реакции, протекающие по механизмам SN1 и SN2 могут сопровождаться побочными превращениями, например, реакциями отщепления (элиминирования). Эти реакции осуществляются параллельно с реакциями нуклеофильного замещения.
Реакции нуклеофильного замещения SN1 и реакции отщепления E1 имеют общий карбокатионный интермедиат, который в ходе быстрой нелимитирующей стадии может превращаться или в продукты замещения или в продукты отщепления.
Увеличить долю реакций замещения относительно реакций отщепления можно разными способами:
- Так как для любого субстрата соотношение SN1 / E1 всегда выше, чем соотношение SN2 / E2, то для того, чтобы увеличить значимость процесса замещения, нужно увеличить скорость реакций, проходящих по SN1- , E1-механизмам или, наоборот, снизить скорость реакций SN2 и E2. Для этого используют более полярный растворитель, менее концентрированный и активный нуклеофил. Например: Для гидролиза галогеналкилов применяют разбавленные водные растворы карбонатов, а для элиминирования – концентрированную спиртовую щелочь.
- В ряду углеводородных радикалов первичный – вторичный – третичный будет увеличиваться образование продуктов элиминирования, устойчивость переходного состояния E1- и E2-механизмов, стабильность разветвленных этиленовых углеводородов в результате воздействия эффекта сверхсопряжения.
- Соотношение продуктов реакций SN2 / E2 зависит от природы уходящей группы, так как расщепляющая связь C−X содержится в каждом альтернативном переходном состоянии.
- Доля замещения всегда снижается по отношению к отщеплению при повышении температуры.
