Нуклеофильные реакции

НУКЛЕОФИЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ Нуклеофильной называется реакция, в которой молекула органического вещества подвергается действию нуклеофильного реагента. Нуклеофильные ("любящие ядро") реагенты или нуклеофилы - это частицы (анионы или молекулы), имеющие неподеленную пару электронов на внешнем электронном уровне. К нуклеофилам относятся НО-, Cl-, CN-, вода, спирты, аммиак и амины. Нуклеофильные реакции имеют важное значение в промышленности основного органического и нефтехимического синтеза. К их числу относятся процессы замещения и расщепления галогенпроизводных, спиртов и эфиров сульфокислот (синтез спиртов, простых эфиров, меркаптанов, сульфидов, аминов, ненасыщенных веществ, α-окисей и других гетероциклических соединений), реакции присоединения (синтезы из α-окисей, альдольная конденсация, получение азотсодержащих производных альдегидов и кетонов, некоторые реакции присоединения по двойным и тройным связям), процессы этерификации и другие превращения кислот и их производных. НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ 1. Механизмы и кинетика нуклеофильного замещения Некаталитическое нуклеофильное замещение может происходить в одну или две элементарные стадии. Одностадийный процесс представляет собой элементарную реакцию SN2-замещение, где индекс 2 указывает на бимолекулярность реакции (рис.1). Рис. 1. Схема бимолекулярной реакции замещения SN2 Как видно схемы, из приведенной на рис. 1, нуклеофил своей неподеленной парой р-электронов атакует углеродный атом в молекуле RR'R"CX со стороны, противоположной замещаемой группе. При образовании активированного комплекса электроны σ-связей при атакуемом атоме углерода переходят из состояния sp3- в состояние sр2-гибридизации. В результате углеродный атом оказывается в одной плоскости с группами R, R' и R", а нуклеофил и замещаемая группа связываются с ним за счет его р-орбитали. Распад активированного комплекса в продукт RR'R"CY сопровождается обратным переходом углеродного атома в состояние sp3-гибридизации и обращением конфигурации исходного соединения, которое вызвано присоединением атома Y со стороны, противоположной разорвавшейся связи С‒X. При двухстадийном нуклеофильном замещении разрыв связи С‒X и образование связи С‒Y происходят не одновременно. Первой элементарной реакцией является мономолекулярный гетеролитический разрыв связи С‒X с образованием карбкатиона (рис.2): Рис. 2. Схема образования карбкатиона Заряженный углеродный атом карбкатиона находится в одной плоскости с тремя σ-связями С‒R и с равной вероятностью атакуется нуклеофилом как со стороны отщепившейся группы X, так и с противоположной. В результате последующей бимолекулярной реакции нуклеофила с карбкатионом (вторая стадия) образуется смесь двух продуктов замещения X на Y ‒ с сохранением и с обращением конфигурации (рис. 11.3): 50 % 50 % Рис. 11.3. Схема взаимодействия карбкатиона с нуклеофилом Первая стадия ‒ мономолекулярная реакция гетеролиза ‒ идет значительно медленнее и лимитирует скорость процесса. В связи с этим двухстадийный процесс нуклеофильного замещения принято обозначать символом SN1, где цифра 1 означает мономолекулярность определяющей стадии. Механизмы SN1 и SN2 легко различить кинетически, если нуклеофил не является растворителем. Реакция SN2 𝑌 − + 𝑅 − 𝑋 → 𝑅 − 𝑌 + 𝑋 − является элементарной и всегда описывается кинетическим уравнением второго порядка: 𝑟 = 𝑘[𝑅𝑋][Y − ] ( 2) Двухстадийная реакция SN1 в общем случае описывается более сложным кинетическим уравнением. При его выводе необходимо учитывать, что реакция образования карбкатиона обратимая: R X k1 k-1 R X; R Y k2 R Y Применяя принцип стационарности Семенова-Боденштейна 𝑑[𝑅+ ] = 𝑘1 [RX] − 𝑘−1 [R+ ][X − ] − 𝑘2 [R+ ][Y − ] = 0, 𝑑𝑡 легко найти концентрацию карбкатиона и подставить ее в выражение для скорости накопления продукта, что дает: 𝑘1 𝑘2 [RX][Y − ] + − 𝑟 = 𝑘2 [R ][Y ] = . (2) 𝑘−1 [X − ] + 𝑘2 [Y − ] Из уравнения (2) следует, что скорость рассматриваемой реакции должна уменьшаться по мере накопления аниона Х- или при добавлении его в реакционную массу. Этот эффект получил название эффекта общего иона. Если анион Х– обладает слабой нуклеофильностью или если к действию реагента Y– добавляется реакция с растворителем HY, сопряженным основанием которого является нуклеофил (например, НО- в воде, RO- в спирте), членом 𝑘−1 [X − ] в знаменателе уравнения (2) можно пренебречь и после сокращения 𝑘2 [Y − ] получим уравнение (3) 𝑟 = 𝑘1 [RX] (3) В этом случае k1 является истинной константой скорости гетеролиза по связи С‒X, и эта скорость, в отличие от скорости SN2 реакций, не зависит от концентрации нуклеофила. Такому же кинетическому уравнению соответствует SN2 реакция, когда единственным нуклеофильным реагентом является сам растворитель, концентрация которого входит в выражение для константы скорости. В этом случае механизмы SN l и SN2 можно различить по активационным параметрам: для SN1 характерна положительная энтропия активации, для SN2 ‒ отрицательная. При SN l механизме из-за уменьшения упорядоченности системы при удлинении рвущихся связей и образовании карбкатиона энтропия возрастает. При SN2 механизме, наоборот, образование активированного комплекса из двух частиц или молекул приводит к возрастанию упорядоченности системы и следовательно к уменьшению энтропии по сравнению с исходным состоянием. Кроме того, для реакции с оптически активным соединением при SN l механизме происходит рацемизация, а при механизме SN2 ‒ обращение оптической активности. Механизм рассматриваемых реакций нуклеофильного замещении является в действительности более сложным. В настоящее время общепринято, что разрыв связи С‒X существенно облегчается или вообще становится возможным лишь за счет взаимодействия замещаемой группы X с электрофилами. Образование донорно-акцепторной (а) или водородной (б) связи C а X E X ... HA C б ведет к предварительной поляризации связи С‒X и облегчает ее последующий разрыв. Замещение некоторых групп (–ОН, –OR, –SH, –SR, –NH2 , – NHR, –NR2) вообще невозможно без сильного взаимодействия их с электрофилами. Например, замещение гидроксильной группы спирта при действии только бромид-аниона невозможно, но эту же реакцию легко осуществить в кислой среде. Предварительное протонирование гидроксильной группы поляризует связь С–О и делает возможным замещение этой группы анионом брома: Сходным путем осуществляются превращения простых эфиров, например: Кроме сильных протонных кислот (НС1, H2SO4) катализаторами реакций нуклеофильного замещения являются кислоты Льюиса (Ag+, Hg2+, HgCl+, HgCl2, SnCl4, А1СЦ, SbCl5, Cu2Cl2, BF3). Их действие зависит от природы отщепляемой группы. Например, протонные кислоты сильно ускоряют замещение О‒, S‒ и N‒содержащих групп и мало влияют на скорость замещения галогенов, поскольку последние являются слабыми основаниями и плохо протонируются. Атомы галогенов дают, однако, прочные донорно-акцепторные комплексы с некоторыми кислотами Льюиса, и их образование облегчает разрыв связи С‒Hal при последующей реакции замещения. Так, хлористый аллил медленно гидролизуется водой, но в присутствии однохлористой меди легко дает аллиловый спирт: CH2 CH CH2 Cl : Cu2Cl2 H2O CH2 CH CH2OH HCl Cu2Cl2 При этом может произойти изменение механизма с SN2 в некаталитической реакции на SN1‒ в каталитической: RCl Cu2Cl2 R Cu2Cl3 ; R Y RY Ослабление С‒Х‒связи и уменьшение энергии переходного состояния в реакциях нуклеофильного замещения происходит и при образовании комплекса за счет водородной связи. Так, скорость метанолиза трифенилхлорметана описывается кинетическим уравнением третьего порядка: 𝑟 = 𝑘[(C6 H5 )3 CCl][CH3 OH]2 Это согласуется с механизмом, согласно которому замещение хлора происходит только при условии его специфической электрофильной сольватации другой молекулой спирта: (C6H5)3CCl CH3OH (C6H6)3C Cl ... HOCH3 Образовавшийся комплекс дает далее продукт замещения: H5C6 C6H5 (C6H6)3C Cl ... HOCH3 CH3OH CH3O ... C ... Cl ... HOCH3 H C6H5 (C6H6)3C OCH3 HCl CH3OH Такой тип механизма замещения называют многоцентровым, иногда механизмом push–push из-за того, что нуклеофил выталкивает замещаемую группу, а электрофил оттягивает (англ. pull) ее от реакционного центра. Каталитическая активность соединений, обладающих кислотными свойствами, возрастает с увеличением их кислотности. Это хорошо видно из рис. 4, на котором графически изображены данные по скорости сольволиза трет-бутилбромида в присутствии замещенных фенолов (0,3 моль/л). Вещества с кислотными свойствами (вода, спирты, карбоновые кислоты и др.) часто используются как растворители для нуклеофильных реакций. Очевидно, что специфическая сольватация ими замещаемой группы ведет к ускорению процесса и возможности его проведения в умеренных условиях. Рис. 4. Зависимость скорости реакции сольволиза трет-бутилбромида в присутствии фенолов от их кислотности Ка Противоположный эффект наблюдается при специфической сольватации нуклеофила, когда образующиеся комплексы из-за рассредоточения их заряда оказываются менее реакционноспособными Br NH3 ROH ROH Br ... HOR H N: ... HOR 3 Отрицательно заряженные нуклеофилы сольватируются сильнее нейтральных молекул или групп. Поэтому, например, для реакции CH3Br I CH3I Br 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 C6H5Br N C6H5 N Br 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. 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 изза 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 .1. Влияние полярности растворителей на скорость реакций нуклеофильного замещения Механизм реакции Тип реакции SN 1 SN 2 SN 2 SN 2 Влияние увеличения ε на скорость реакции Очень сильный рост Слабое падение Сильный рост Слабое падение 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: скорость гидролиза уменьшается при замене этанола водой только в два раза: CH3 CH CH3 Br HO CH3 CH CH3 OH Br 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. 2. Влияние строения реагентов на нуклеофильное замещение Влияние алкильной группы в исходной молекуле. В переходном состоянии «чистой» 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. а б в г Рис. 5. Переходные состояния при механизме SN 2 (а), SN 1 (г) и пограничном механизме (б и в) 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 S N 1. 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 изза 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. Между этими предельными случаями находится область пограничных механизмов, когда из-за изменения заряда на реакционном центре влияние заместителей становится обратным и сходным с реакцией SN1. По этой причине в зависимости от донорно-акцепторных свойств заместителей, связанных с реакционным центром, наблюдается понижение или повышение скорости с прохождением ее через минимум (рис. 6). Так, скорости алкоголиза СН3Вг, С 2 Н 5 Вr, изо-С 3 Н 7 Вr и тpeт-C 4 H 9 Br этанолом относятся как 1: 0,40: 0,68: 2900. Очевидно, что структурные влияния являются еще одним способом установления механизма нуклеофильного замещения. Рис. 6. Влияние электронодонорного эффекта заместителей на скорость реакции нуклеофильного замещения Аналогичное, но значительно более быстрое изменение механизма процесса имеет место в ряду СН3‒CI PhCH2‒CI Ph2CH‒CI Ph3C‒С1. Здесь гидролиз по механизму SN l наблюдается уже, начиная со второго соединения. Причиной столь сильного облегчения ионизации и связанного с этим более быстрого перехода к механизму SN l является значительная стабилизация карбкатиона за счет эффекта сопряжения и делокализации положительного заряда с участием π-электронных орбиталей бензольного кольца: В отношении реакционной способности бензилхлорид аналогичен трет-бутилхлориду. При переходе к Ph2CHCl и к Ph3CCl эффект становится все более отчетливо выраженным и атака по механизму SNl облегчается еще сильнее, поскольку возможность делокализации положительного заряда для карбкатионов, образующихся из этих галогенпроизводных, соответственно возрастает. Группа СН2 в бензилхлориде также атакуется значительно легче по механизму SN2, чем группа СН2 в ионном соединении, например в МеСН2С1 (замещение идет приблизительно в 100 раз быстрее), поскольку sp2‒гибридизованный атом углерода в переходном состоянии SN2 может использовать свою негибридизованную р‒орбиталь для взаимодействия не только с нуклеофилом и уходящим ионом С1-, но также с π-орбиталью фенильной группы, которая при этом дополнительно стабилизуется. Аналогичная стабилизация карбкатионов наблюдается и для аллилгалогенидов: В этом случае атака по механизму SN l облегчена и аллилгалогениды подобно бензилгалогенидам обладают обычно значительно большей реакционной способ- ностью по сравнению, например, с СН3СН2СН2С1 и PhCH2CH2CH2Cl, для которых стабилизация карбкатионов за счет делокализации положительного заряда невозможна. Атака по механизму SN 2 сильно ускоряется также в результате взаимодействия атакуемого атома углерода с π-орбиталью двойной связи в переходном состоянии, аналогично тому, как это имеет место в рассмотренном выше случае замещения в бензилхлориде. Что же касается винилхлоридов, таких как, например, СН2 = СНС1, а также галогенбензолов, то они очень устойчивы по отношению к нуклеофилам. Это объясняется тем, что атом галогена в этих соединениях связан с атомом углерода, имеющим sp 2‒гибридизацию, вследствие чего электронная пара связи С‒С1 оттянута ближе к углероду по сравнению со связями, включающими sp3‒ гибридизованиые атомы углерода. Смещение электронной плотности от атома хлора в сторону двойной связи, благодаря эффекту сопряжения (+ M эффект), действует одновременно с сильным электроноакцепторным индуктивным эффектом атома хлора (− I эффект). Однако − I > + M , поэтому галоген несёт на себе небольшой отрицательный заряд, а частичный положительный заряд на атоме углерода уменьшается по сравнению хлорэтаном. В этих соединениях связь С‒С1 более прочная, чем в случае, например, СН3СН2С1, и дипольный момент таких связей меньше (табл.11.2) . Таблица 11.2. Сравнительные значения длин и энергии связей, а также дипольных моментов в молекуле винилхлорида и некоторых хлоралканов Энергия связи C-Cl, Длина связи C-Cl, Дипольный момент, Соединение кДж/моль нм 10−30 Кл·м CH2=CHCl 374,89 0,169 4,80 CH3-CH2Cl 336,39 0,179 6,66 CH3Cl 349,78 0,176 6,19 Вследствие этого тенденция к ионизации (SN l) выражена для винилхлоридов слабее, а положительный заряд на атоме углерода недостаточен для того, чтобы этот атом мог эффективно атаковаться нуклеофилом (SN 2). Кроме того, πэлектроны двойной связи в этих соединениях препятствуют приближению атакующего нуклеофила. Наличие двойной связи в этих условиях не должно способствовать стабилизации ни переходного состояния, возникающего по механизму SN2, ни карбкатиона, образующегося при механизме SN1. Данные выводы справедливы также и для галогенбензолов с sp2‒ гибридизованными углеродами и π-орбитальными системами ароматического кольца. 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: .. H2O X X CH2 COOH CH2 CO CH2 COOH .. CH2 CO HX X... HO H O OH 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: X OOC CH2 X O C CH2 O RO O C CH2 O OR Влияние замещаемой группы. При прочих равных условиях нуклеофильное замещение как по SN 1, так и по SN2 механизму должно протекать тем быстрее, чем ниже энергия гетеролитического разрыва связи С‒X. Усредненная относительная способность к замещению для некоторых замещаемых атомов и групп такова: FClBrIC6H5SO2OH2 O+10-4 1 50 150 300 50 Наиболее легко отщепляемыми группами являются обычно анионы сильных кислот, например С6Н4SO3-. Это во многом связано со стабилизацией образующегося аниона за счет его лучшей поляризуемости или эффектов сопряжения , например, для эфиров сульфокислот и диалкилсульфатов: O ArSO2OR R1NH2 Ar S .. O .. R1NH2R O Кислые эфиры серной кислоты обладают лишь слабой алкилирующей способностью, так как у них легче разрывается связь S‒О. Чем выше основность отщепляемой группы, тем труднее она отщепляется атакуемым нуклеофилом. Такие сильно основные группы, как, например, OR, ОН, связанные с углеродом через небольшие трудно поляризуемые атомы кислорода, в обычных условиях, как правило, не способны к замещению. Однако, в кислой среде они все же могут замещаться вследствие начальной протонизации, приводящей к образованию положительно заряженных ониевых соединений (а не нейтральных молекул), атакуемых нуклеофилом. В результате замещение менее основной группировки может идти легче: ROH H3O H2O ROH2 ROH H2O ROHR H2O ROR H3O Галогенпроизводные характеризуются высокой химической активностью, объясняющейся поляризацией связи С‒Hal. На атоме углерода образуется частичный положительный заряд, на атоме галогена – частичный отрицательный заряд. Таким образом, атомы галогенов проявляют отрицательный индуктивный эффект по отношению к связанному с ним атому углерода. Этот эффект передается по цепи простых связей с сильным затуханием. Реакционная способность галогенпроизводных зависит от природы галогена. На подвижность атома галогена оказывают влияние полярность связи и поляризуемость этой связи. Полярность связи углерод – галоген определяется электроотрицательностью атома галогена и длиной связи. Степень полярности связи можно оценить величиной дипольного момента связи. Для связей С-Hal дипольные моменты (μ) имеют следующие значения: Связь С-F С-Cl С-Br С-I μ, Д 1,83 2,05 2,04 1,8 Как видно из сравнения величины дипольных моментов, полярность связи тем выше, чем больше электроотрицательность галогена. Нарушение закономерности для связей С-F и С-Cl объясняется сильным увеличением длины связи при переходе от элемента второго периода к элементу третьего периода. Таким образом, казалось бы, в реакции замещения должны вступать наиболее легко алкилгалогениды с большей полярностью связи. На самом же деле порядок подвижности галогенов в галогенуглеводородах обратный: I > Br > Cl > F. Такая закономерность объясняется более легкой поляризуемостью связи C-I по сравнению с остальными галогенами. Поляризуемость - это способность к дополнительной поляризации под влиянием внешнего электрического поля. Поляризуемость тем выше, чем дальше от ядра атома находятся электроны, образующие связь. Все вышесказанное находит выражение и в величинах энергии разрыва связей (в кДж/моль): Группа Х F Cl Br I CH3СH2X 460,5 336,6 272,1 221,9 CH2=CHX 489,8 372,6 309,8 При прочих равных условиях, чем больше относительная способность к замещению, тем выше роль пограничных или SN1 механизмов в реакциях нуклеофильного замещения. Влияние нуклеофильного реагента. Факторы, влияющие на скорость реакций 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 Брёнстеда: 𝑘𝑖 𝐾𝑏,𝑖 𝛽 𝑘 = 𝐺𝐾𝑏 или log 𝑘 = log 𝐺 + 𝛽 log 𝐾𝑏 или log = 𝛽 log 𝑘0 𝐾𝑏,0 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 состоянии (Y--C--X). По мере перехода от S N2 к S N 1 механизму завязывание новой связи происходит на все большем расстоянии (Y----С----X), и величина β уменьшается. На рис. 7 эта зависимость показана для изменения относительных скоростей алкоголиза (k1/k0) некоторых хлоридов RCl R1O ROR1 Cl в зависимости oт относительной основности алкоголятов (Кb,i/Kb,0). Трет-бутилхлорид реагирует по SN1 механизму, и относительная реакционРис. 7. Зависимость относительной ная способность алкоголятов в этой реакреакционной способности алкоголятов от ции (кривая 3) не зависит от их основих основности для реакций с органичености (β≈ 0). скими хлоридами: Кроме основности на нуклеофиль1 – с н-бутилхлоридом; ность сильно влияет поляризуемость реак2 – с аллилхлоридом; ционного центра нуклеофила. В объеми3 – с трет-бутилхлоридом стых 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 иона C6H5S– в 470 раз выше, чем для иона 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. Эдвардс предложил следующее уравнение для количественной оценки нуклеофильности EN: 𝑅𝑖 𝐸𝑁 = 3,60 log + 0,0624(𝑝𝐾𝑎 + 1,74) 𝑅𝐻2 𝑂 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..2. Таблица 2. Значение нуклеофильности EN нуклеофилов Нуклеофил EN Нуклеофил F– -0,23 HO– H2O NH3 CH3COO– 0,95 CN– Cl– 1,21 I– – C6H5O 1,46 CH3O– Br– 1,57 C2H5O– EN 1,60 1,84 2,01 2,02 2,74 3,78 Для аминов нуклеофильность изменяется в ряду: R 2 NH ≈ 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 скоРис.. Зависимость скорости реакции заме- рость реакции не зависит от прищения от нуклеофильности реагентов роды нуклеофила (рис.8). 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 электрофильным катионом (AgF, HgF2, SbF3, SbF5). Например, при использовании фторида сурьмы (V) реакция замещения протекает по механизму: .. F Cl CF Cl SbF CCl4 SbF5 Cl3C Cl 3 5 .. SbF5 Ассоциация отрицательно заряженного нуклеофила с катионом с образованием ионной пары уменьшает реакционную способность нуклеофила, как и электрофильная сольватация за счет водородных связей. Y- Me+ Y- Me+ 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 с образованием спирта и регенерацией йод‒аниона: RCl I RI 2H2O ROH H3O I Cl Конкуренция нуклеофилов при замещении. При проведении реакций нуклеофильного 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 основности и 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 большое 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: SN1 RONO ONO RCl SN2 Cl RNO2 SN1 RCl RN C CN Cl SN2 RC N При нуклеофильном замещении нередко происходит изомеризация, наиболее характерная для механизмов SN1. Ее причина состоит в том, что образующийся карбкатион, имеющий только секстет электронов, перед тем как он прореагирует с соответствующим нуклеофилом, способен к внутримолекулярной стабилизации за счет миграции к нему отдельных атомов или групп. В результате получается иной карбкатион (или несколько ионов), который при последующей реакции с нуклеофилом дает смесь продуктов замещения и отщепления: Мигрирующая группировка R перемещается вместе со связующей парой электронов и выполняет роль нуклеофила, внутримолекулярное атакующего реакционный центр. Поэтому ее способность к миграции зависит от нуклеофильности и повышается при наличии в ней электронодонорных заместителей и с ростом их поляризуемости. Большое значение имеют также перегруппировки с миграцией водорода (гибридный перенос). Направление миграции определяется сравнительной стабильностью карбкатионов, часто находящихся в равновесии друг с другом. Поэтому преимущественно образуются третичные или вторичные продукты замещения или более разветвленные олефины. Особенно часто подобные перегруппировки происходят при кислотно-каталитических превращениях спиртов. Так, при замещении гидроксила в н-бутиловом спирте на галоген получается не первичный, а вторичный бутилгалогенид: H CH3 (CH2)2 CH2 CH3 CH2 CH2 CH2 H2O OH X CH3 CH2 CH CH3 CH3 CH2 CH CH3 X Другая причина образования побочных веществ состоит в появлении нескольких реакционных центров при замещении в аллильных соединениях или в соединениях с сопряженными двойными связями. Так, при гидролизе кротилхлорида происходит рассредоточение электронного облака в карбкатионе и образуются два спирта (первичный и вторичный):