Реакция нуклеофильного замещения. Нуклеофильное замещение. Механизмы реакций элиминирования

19.09.2023

Способность галогеналкаиов вступать в реакции S N обусловлено полярностью связи углерод-галоген. Атом галогена, имея большую электроотрицаггельность, чем атом углерода, смешает на себя электронную плотность связи С-Hal. В результате атом галогена приобретает частичный отрицательный заряд (δ -), а атом углерода – частичный положительный заряд (δ +). Галогеналканы вступают в реакции с нуклеофильными реагентами, и при этом происходит замещение галогена на нуклеофил.

В зависимости от строения галогеналкана, природы нуклеофила и растворителя реакции S N протекают по двум основным направлениям: S N 1 и S N 2.

Механизм S N 2 (бимолекулярное нуклеофильное замещение)

По механизму S N 2 реагируют первичные и несколько труднее вторичные галогеналканы. Реакция протекает в одну стадию через образование переходного состояния. Вначале нуклеофил атакует атом углерода, связанный с галогеном (электрофильный центр), со стороны, противоположной связи С-Hal , т. е. атака идет с тыла, В результате происходит постепенное вытеснение нуклеофилом галогенид-иона (уходящей группы). Этот процесс включает переходное состояние, т. е. момент, когда связь С-Hal еще не разорвалась, а связь C-Nu еще не полностью образовалась.

Образование переходного состояния сопровождается изменением гибридного состояния атома углерода с sр 3 на sp 2 , Одна доля негибридизованной р-атомной орбитали атома углерода в переходном состоянии частично перекрывается с орбиталью атакующего нуклеофила, а вторая – с орбиталью атома галогена.

Возвращение атома углерода в sр 3 -гибридное состояние после отщепления галогенид-иона происходит с обращением конфигурации.

Протеканию реакции по механизму S N 2 способствуют активные нуклеофильные реагенты – они легче образуют переходное состояние – и апротонные растворители. поскольку протонные полярные растворители сольватируют нуклеофил, тем самым снижая его реакционную способность.

По предложению английского химика К. Ингольда описанный механизм получил обозначение S N 2. Буква S указывает на замещение. N – на нукдеофильный тип реакции, а цифра 2 обозначает, что реакция является бимолекулярной, т. е. в стадии, определяющей скорость реакции в целом (в данном случае образование переходного состояния), участвует два реагента (галогеналкан и нуклеофил). Скорость реакций, протекающих по механизму зависит от концентрации обоих реагентов.

Механизм S N 1 (мономолекулярное нуклеофильное замещение)

Поэтому механизму происходит нуклеофильное замещение в третичных и, в определенных условиях, во вторичных галогеналканах. В молекуле третичных галогеналканов объемные заместители при атоме углерода, связанном с галогеном, создают пространственные препятствия для подхода нуклеофила к электрофильному центру, и его атака с тыла становится невозможной. Вместе с тем третичные галоген-алканы способны в сильнополярных средах к ионизации. По механизму S N 1 реакция протекает в две стадии:

На первой стадии происходит диссоциация молекулы галогеналкана при участии молекул протонного полярного растворители. В результате образуются карбкатион и галогенил-ион. Поскольку процесс ионизации протекает медленно, то 1 стадия определеят скорость всей реакции. На второй стадии образовавшийся карбкатион быстро реагируете нуклеофилом.

Протеканию реакции по механизму S N 1 способствуют высокая ионизирующая и сольватирующая способность растворителя, а также стабильность образующегося карбкатиона. Устойчивость алкильных карбкатионов обусловлена делокализацией положительного заряда за счет +I-эффекта алкильных групп и возрастает в ряду:

Поэтому третичные галогенопроиэводные легче всего подвергаются ионизации.

Механизм нуклеофильного замещения, протекающий по рассмотренной схеме, называется мономолекулярным, т. к. на стадии, определяющей скорость всего процесса (стадия 1), принимает участие молекула только одного реагента – галогеналкана. Такой механизм обозначают S N 1.

Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать вывод, что первичные галогеналканы обычно реагируют по механизму S N 2, третичные – по механизму S N l. Вторичные галогеналканы, в зависимости от природы нуклеофила и растворителя, могут реагировать как по механизму S N 2, так и по механизму S N 1.

1. Гидролиз галогеналканов. Галогеналканы гидролизуются до спиртов. Реакцию обычно проводят в присутствии водных растворов щелочей, т. к. с водой она протекает медленно.

2. Реакция Вильямсона. Эта реакция является одним из лучших способов получения простых эфиров. Она заключается во взаимодействии галогеналканов с алкоголятами или фенолятами.

3. Взаимодействие с солями карбоновых кислот (ацетолиз). При действии солей карбоновых кислот на галогеналканы образуются сложные эфиры. Реакцию проводят в среде апротонного полярного растворителя.

4. Взаимодействие с аммиаком, алкил- и ариламинамц (аммонолиз и аминолиз). При взаимодействии с аммиаком и аминами галогеналка-ныадкилируют их с образованием смеси первичных, вторичных и третичных аминов, а также солей – четвертичных аммониевых оснований. Например, первичный амин образуется по схеме:

5. Взаимодействие с солями цианоаодородной кислоты. Первичные и вторичные галогеналканы с цианидом калия или натрия в среде апротонного полярного растворителя образуют нитрилы (S N 2):

6. Взаимодействие с солями азотистой кислоты. Продукты, образующиеся в результате этой реакции, зависят от условий ее проведения, строения галогеналкана и соли.

Реакции нуклеофильного замещения (англ. nucleophilic substitution reaction ) - реакции замещения , в которых атаку осуществляет нуклеофил - реагент, несущий неподеленную электронную пару. Уходящая группа в реакциях нуклеофильного замещения называется нуклеофуг .

Все нуклеофилы являются основаниями Льюиса.

Общий вид реакций нуклеофильного замещения:

R−X + Y − → R−Y + X − (анионный нуклеофил) R−X + Y−Z → R−Y + X−Z (нейтральный нуклеофил)

Выделяют реакции алифатического (широко распространены) и ароматического (мало распространены) нуклеофильного замещения.

Реакции алифатического нуклеофильного замещения играют крайне важную роль в органическом синтезе и широко используются как в лабораторной практике, так и промышленности.

Стройную теорию, описывающую механизм реакций нуклеофильного замещения, обобщив имеющиеся факты и наблюдения, разработали в 1935 году английские учёные Эдвард Хьюз и Кристофер Ингольд .

Реакции алифатического нуклеофильного замещения

Реакции S N 1

Механизм реакции S N 1 или реакции мономолекулярного нуклеофильного замещения (англ. substitution nucleophilic unimolecular ) включает следующие стадии:

Условный энергетический профиль реакции S N 1

Скорость реакции S N 1 (в упрощённом виде) не зависит от концентрации нуклеофила и прямо пропорциональна концентрации субстрата :

Скорость реакции = k ×

Так как в процессе реакции образуется карбкатион , его атака (в идеальных условиях без учёта фактора влияния заместителей) нуклеофилом может происходить с обеих сторон, что приводит к рацемизации образующегося продукта.

Важно иметь в виду, что S N 1 механизм реализуется только в случае относительной устойчивости промежуточного карбкатиона, поэтому по такому пути, обычно, реагируют только третичные ((R) 3 C-X) и вторичные ((R) 2 CH-X) алкилпроизводные.

Реакции S N 2

Условный энергетический профиль реакции S N 2

Механизм реакции S N 2 или реакции бимолекулярного нуклеофильного замещения (англ. substitution nucleophilic bimolecular ) происходит в одну стадию, без промежуточного образования интермедиата . При этом атака нуклеофила и отщепление уходящей группы происходит одновременно:

R−X + Y − → − → R−Y + X −

Примером реакции S N 2 является гидролиз этилбромида:

Условный энергетический профиль реакции бимолекулярного нуклеофильного замещения представлен на диаграмме .

Скорость реакции S N 2 зависит как от концентрации нуклеофила, так и концентрации субстрата :

Скорость реакции = k × × [Y]

Так как в процессе реакции атака нуклеофилом может происходить только с одной стороны, результатом реакции является стереохимическая инверсия образующегося продукта.

CH 3 −CHBr−CH 3 + HO − → CH 3 −CHOH−CH 3 + Br − Скорость реакции = k 1 × + k 2 × ×

Часто смешанный механизм провоцирует применение амбидентных нуклеофилов , то есть нуклеофилов, имеющих не менее двух атомов - доноров электронных пар (например: NO 2 − , CN − , NCO − , SO 3 2− и пр.)

Если в субстрате имеется заместитель, находящийся рядом с атакуемым атомом и несущий свободную электронную пару, он может существенно увеличить скорость реакции нуклеофильного замещения и повлиять на её механизм (сохранение конфигурации). В этом случае говорят об анхимерном содействии соседней группы (например: COO − , COOR, OCOR, O − , OR, NH 2 , NHR, NR 2 и пр.)

Примером анхимерного содействия может служить гидролиз 2-бромпропионата:

Несмотря на формальный (с точки зрения одностадийности) механизм S N 2 , образующийся в ходе реакции продукт имеет ту же оптическую конфигурацию, что и исходный.

Реакции S N i

Механизм реакции S N i или реакции внутримолекулярного нуклеофильного замещения (англ. substitution nucleophilic internal ) протекает в несколько стадий по аналогии с механизмом S N 1 , однако часть уходящей группы при этом атакует субстрат, отщепляясь от оставшейся части.

Общая схема реакции:
1. Ионизация субстрата:

2. Нуклеофильная атака:

На первом этапе субстрат диссоциирует с образованием т. н. контактной ионной пары . Компоненты такой пары находятся очень близко друг от друга, поэтому атака нуклеофила вынужденно происходит с той же стороны, где до этого находилась уходящая группа.

Реакции, протекающие по механизму S N i , крайне редки. Одним из примеров может служить взаимодействие спирта с SOCl 2 :

Из схемы видно, что в реакций S N i конфигурация реакционного центра остается неизменной.

Факторы, влияющие на реакционную способность

Влияние природы нуклеофила

Природа нуклеофила оказывает существенное влияние на скорость и механизм реакции замещения. Фактором, количественно описывающим это влияние является нуклеофильность - относительная величина, характеризующая способность влияния реагента на скорость химической реакции нуклеофильного замещения.

Нуклеофильность - величина кинетическая , т. е. есть влияет исключительно на скорость реакции. Этим она принципиально отличается от основности , которая является термодинамической величиной , и определяет положение равновесия.

В идеальном случае природа нуклеофила не влияет на скорость реакции S N 1, так как лимитирующая стадия этого процесса от этого не зависит. В то же время, природа реагента может оказать влияние на ход процесса и конечный продукт реакции.

Для реакций S N 2 можно выделить следующие принципы, по которым определяется влияние природы нуклеофила :

Отрицательно заряженный нуклеофил (например, NH 2 -) всегда сильнее, чем его сопряженная кислота (NH 3), при условии, что она также проявляет нуклеофильные свойства.
При сравнении нуклеофилов, атакующие атомы которых находятся в одном периоде периодической системы им. Д. И. Менделеева , изменение их силы соответствует изменению их основности:

Сверху вниз в периодической системе нуклеофильность обычно возрастает:

Исключение из предыдущего пункта:

Чем свободнее нуклеофил, тем он сильнее.

Если в положении, соседствующем с атакуемым атомом имеются свободные электронные пары, нуклеофильность возрастает (α-эффект ):

Следует иметь в виду, что нуклеофильность различных реагентов сравнивают по отношению к некоторому выбранному стандарту при условии соблюдения идентичности условий проведения реакции (термодинамические параметры и растворитель). На практике для реакций S N 2 применяют уравнение Свена-Скотта :

где:
- константы скорости реакции субстрата с данным нуклеофилом и водой (или иным стандартом, например - метанолом);
- параметр чувствительности субстрата к изменению нуклеофила (в качестве стандартного нуклеофила, когда S = 1, выбирают CH 3 Br или CH 3 I);
- параметр нуклеофильности.

Влияние уходящей группы

Фактором, количественно описывающим влияние уходящей группы является нуклеофугность - относительная величина, характеризующая способность влияния нуклеофуга на скорость химической реакции нуклеофильного замещения.

Для описания нуклеофугности, обычно, трудно подобрать один параметр, который исчерпывающе определил бы зависимость скорости реакции от природы уходящей группы. Часто, в качестве меры нуклеофугности для реакций S N 1 служат константы сольволиза .

Эмпирически можно руководствоваться следующим правилом - уходящая группа отщепляется тем легче, тем стабильнее она как самостоятельная частица .

Хорошими нуклеофугами являются следующие группы:

Влияние растворителя

Очевидно, что для реакций S N 1 , чем выше полярность растворителя, тем выше скорость реакции замещения (для нейтральных субстратов). Если же субстрат несёт положительный заряд, наблюдается обратная зависимость - повышение полярности растворителя замедляет реакцию. Сравнивая протонные и апротонные растворители, следует отметить, что если растворитель способен образовывать водородную связь с уходящей группой, он увеличивает скорость для нейтральных субстратов.

Для реакций S N 2 влияние растворителя оценить сложнее. Если в переходном состоянии заряд распределён аналогично исходному состоянию или снижен, апротонные полярные растворители замедляют реакцию. Если такой заряд возникает только в переходном состоянии, полярные растворители реакцию ускоряют . Протонные полярные растворители способны образовывать связь с анионами, что затрудняет протекание реакции .

На скорость реакции в апротонных растворителях также оказывает влияние и размер атакующего атома: малые атомы обладают большей нуклеофильностью.

Обобщая сказанное, можно эмпирически отметить: для большинства субстратов при увеличении полярности растворителя скорость S N 1 реакций растёт, а S N 2 - снижается.

Иногда оценивают влияние растворителя рассматривая его ионизирующую силу (Y ), используя уравнение Уинстейна-Грюнвальда (1948 год) :

где: - константы скорости сольволиза стандартного субстрата (в качестве стандарта используется трет -бутихлорид) в заданном и стандартном растворителе (в качестве стандарта используется 80 % об. этанол).

Параметр чувствительности субстрата к ионизирующей силе растворителя.

Значение Y для некоторых растворителей : вода : 3,493; муравьиная кислота : 2,054; метанол : −1,090; этанол (100 %): −2,033; диметилформамид : −3,500

Существует и альтернативный I -параметр, введённый в 1969 году Другаром и Декрооком. Он аналогичен Y -фактору, но в качестве снандарта была выбрана S N 2 реакция между три-н -пропиламином и йодистым метилом при 20°С .

Типовые реакции алифатического нуклеофильного замещения

Название	Реакция
Нуклеофилы: H 2 O, HO - , ROH, RO -
Гидролиз алкилгалогенидов
Гидролиз ацилгалогенидов
Гидролиз сложных эфиров
Алкилирование алкилгалогенидами
Образование и переэтерификация простых эфиров
Образование и переэтерификация сложных эфиров
Нуклеофилы: RCOOH, RCOO -
Реакции алкилирования
Реакции ацилирования
Нуклеофилы: H 2 S, SH - , SR -

Нуклеофилы: NH 3 , RNH 2 , R 2 NH
Алкилирование аминов
Ацилирование аминов
Нуклеофилы: галогены и галогенпроизводные
Реакция обмена галогенами
Получение алкилгалогенидов из спиртов
Получение алкилгалогенидов из простых и сложных эфиров
Получение ацилгалогенидов
Прочие нуклеофилы
Реакции с металлами и металлорганическими соединениями
Реакции с активной CH 2 -группой
Реакции с участием ацетиленовой группы

Реакции ароматического нуклеофильного замещения

Для ароматических систем более характерны реакции электрофильного замещения . В реакции нуклеофильного замещения они вступают, как правило, только в случае действия сильного нуклеофила или в достаточно жёстких условиях.

Реакции S N Ar (Ареновый механизм)

Механизм реакции S N Ar или реакции ароматического нуклеофильного замещения (англ. substitution nucleophilic aromatic ) является наиболее важным среди реакций нуклеофильного замещения ароматических соединений и состоит из двух стадий. На первом этапе происходит присоединение нуклеофила, на втором - отщепление нуклеофуга. Иначе механизм S N Ar называют механизмом присоединения-отщепления :

Механизм реакции ароматического нуклеофильного замещения

Образующийся в ходе реакции промежуточный комплекс, иногда достаточно устойчивый, носит название комплекса Мейзенгеймера (Майзенхаймера).

Для более эффективного и мягкого проведения реакции по механизму S N Ar необходимо присутствие в ароматическом кольце электроноакцепторных заместителей (NO 2 , CN, COR и др.), стабилизирующих интермедиат .

Реакции S N 1

Реакции с механизмом S N 1 для ароматических соединений встречаются крайне редко и, по сути, характерны только для солей диазония:

При взаимодействии арилгалогенидов, не содержащих заместителей, с сильными основаниями (например: NaNH 2) замещение идёт по ариновому механизму - через стадию образования дегидробензола:

Механизм S N 2 (бимолекулярное нуклеофильное замещение)

Механизм S N 1 (мономолекулярное нуклеофильное замещение)

Поэтому третичные галогенопроиэводные легче всего подвергаются ионизации.

Благодаря доступности галогеналканов и легкости, с которой они вступают в реакции, круг этих реакций очень широк. Наиболее важные из них приведены в таблице 11.1.

Таблица 11.1

Реакции нуклеофильного замещения

Метилгалогениды CH 3 -X, первичные RCH 2 -X, вторичные R 1 R 2 CH-X, третичные R 1 R 2 R 3 С-X алкилгалогениды взаимодействуют с нуклеофильными реагентами по разным механизмам в зависимости от строения алкила.

Бимолекулярное нуклеофильное замещение

Типичный механизм взаимодействия метилгалогенидов и первичных алкилгалогенидов с Nu - бимолекулярное нуклеофильное замещение S N 2 . По такому механизму протекает реакция бромметана с едким натром (гидролиз бромметана).

Стадии процесса. Нуклеофил атакует атом углерода с тыла, со стороны, наиболее удаленной от брома (рис. 11.1, а). Если сталкивающиеся частицы имеют достаточную энергию, то начинает образовываться связь углерод-кислород, а связь углерод-бром растягивается, атом углерода переходит в sp 2 -состояние. В этом состоянии атом углерода связан сразу с пятью атомами. Три атома водорода и углерод лежат в одной плоскости, а группы НО– и Br– располагаются на прямой, перпендикулярной этой плоскости (рис. 11.1, б). Отрицательный заряд на атоме кислорода уменьшился, так как кислород уже подал свою пару электронов на атом углерода, а отрицательный заряд на атоме брома увеличился, поскольку бром в определенной мере оттянул на себя пару электронов от углерода. Реакция заканчивается отщеплением иона брома и образованием ковалентной связи углерод-кислород, атом углерода опять становится тетраэдрическим (рис. 11.1, в).

Рис. 11.1. Бимолекулярное нуклеофильное замещение:

а - исходные соединения: заряд локализован на атоме кислорода; б - переходное состояние (активированный комплекс), отрицательный заряд распределен между атомом кислорода и атомом брома; в - продукты реакции.

Энергетическая диаграмма реакции (рис. 11.2) изображает изменение потенциальной энергии в ходе реакции нуклеофильного замещения.

Рис. 11.2. Диаграмма изменения потенциальной энергии в реакции

бимолекулярного нуклеофильного замещения, S N 2 - процесс

согласованный одностадийный:

а - энергия исходных веществ, б - энергия переходного состояния, в - энергия продуктов реакции

Скорость реакции. Гидролиз бромистого метила является реакцией второго порядка, скорость его зависит от концентрации двух веществ и определяется по формуле v = k · . Термин «бимолекулярное замещение» означает, что в стадии, определяющей скорость реакции, участвуют две частицы. Поскольку разрыв связи углерод-уходящая группа и образование связи нуклеофил-углерод происходят одновременно, бимолекулярное нуклеофильное замещение называют согласованным процессом.

Концентрация нуклеофильного реагента. Увеличение концентрации нуклеофила увеличивает скорость S N 2- реакции.

Растворитель. Выбор растворителя диктуется следующимиусловиями:

а) достаточно хорошая растворимость реагентов,

б) лучшая сольватация переходного состояния по сравнению с исходными соединениями,

в) предотвращение побочных реакций.

Реакции, в которых из нейтральных молекул образуется полярное переходное состояние, значительно ускоряются при увеличении полярности растворителя: более полярный растворитель в большей степени стабилизирует полярное переходное состояние (АК), чем исходную систему (рис. 11.3, а).

Рис. 11.3. Влияние полярности растворителя на скорость S N 2:

а - повышение полярности растворителя стабилизирует АК в большей степени, чем исходное соединение, энергия активации уменьшается, скорость реакции увеличивается,

б - повышение полярности растворителя стабилизирует исходную систему в большей степени, чем АК, энергия активации увеличивается, скорость реакции уменьшается

Если в исходной системе имеется нуклеофил с полным отрицательным зарядом, то в присутствии полярного растворителя этот нуклеофил стабилизируется в результате электростатического притяжения между молекулами полярного растворителя и ионом Nu Ө .

В активированном комплексе заряд распределен между атомом, образующим новую связь, и уходящей группой. Полярный растворитель будет стабилизировать и активированный комплекс и исходное состояние. Однако активированный комплекс будет стабилизироваться в меньшей степени. Увеличение полярности растворителя несколько замедлит реакцию, так как замена менее полярного растворителя на более полярный увеличит в большей степени стабильность исходного соединения (Nu Ө), в меньшей - активированного комплекса (рис. 11.3, б).

Наиболее подходящими для синтеза соединений и изучения механизма S N 2 являются апротонные биполярные растворители, т.е. растворители с высокой диэлектрической проницаемостью, но не способные к образованию водородных связей:

Апротонные растворители хорошо сольватируют катионы. Они не могут сольватировать анионы ни за счёт образования водородных связей с ними, ни за счёт связи с положительным зарядом растворителя, т.к. он находится внутри молекулы растворителя. Поэтому химики называют такие анионы «голыми». Биполярные апротонные растворители особенно необходимы для осуществления реакций S N 2 в случае применения малоактивных нуклеофилов. В реакции бромэтана с гидроксид-анионом (S N 2) лучшим растворителем является водный раствор этанола с массовой долей 80 %. Добавление воды к этанолу необходимо для предотвращения побочной реакции отщепления бромоводорода и улучшения растворимости щелочи.

Сила нуклеофила. Чем сильнее атом удерживает пару электронов, тем меньше его способность выступать в качестве нуклеофила. Активность аниона выше, чем активность нейтральной молекулы.

Нуклеофильный реагент, предоставляющий пару электронов электронодефицитному атому углерода, способен подавать эту пару водороду и отщеплять его, превращаясь в кислоту, т.е. каждый нуклеофильный реагент является основанием. Нуклеофильность и основность изменяются параллельно только для реагентов, у которых пара электронов находится на одном и том же атоме или неподеленная пара электронов находится у атомов элементов, принадлежащих одному периоду.

В апротонных растворителях (ДМФА, ДМСО) реакционная способность нуклеофилов с атомами, находящимися в одной группе, зависит от положения элемента в этой группе: чем меньше размер Иона, тем выше электронная плотность и тем больше его нуклеофильная сила.

Однако в протонных растворителях этот ряд инвертируется: нуклеофильность аниона тем выше, чем больше размер иона.

Такой порядок изменения нуклеофильности в протонном растворителе объясняется тем, что анионы разного размера в протонном растворителе в различной степени сольватированы за счет образования водородных связей: анион малого размера с концентрированным зарядом сольватируется сильнее и стабилизирован в большей степени, чем анион большего размера, в котором отрицательный заряд распределен в большей степени.

Уходящие группы . В субстратах «хорошими» уходящими группами (нуклеофугами) являются те группы, которые, оторвавшись от атома углерода, образуют устойчивые анионы. Сильные основания являются обычно «плохими» уходящими группами, слабые основания - «хорошими» уходящими группами.

В ряду I Ө , Br Ө , Cl Ө , F Ө сила основания увеличивается, а способность быть хорошей уходящей группой уменьшается. Наилучшими уходящими группами являются ионы - сопряженные основания сильных кислот, так как они являются очень слабыми основаниями (отрицательный заряд распределен).

Cтереохимия . Бимолекулярное нуклеофильное замещение у хирального реакционного центра протекает с полным обращением конфигурации (инверсия), т.е. происходит обращение конфигурации каждой реагирующей молекулы.

Конфигурация исходного 2-бромоктана при атаке хирального атома углерода с тыла меняется на противоположную, молекула субстрата «выворачивается». Полное обращение конфигурации хирального углерода может служить доказательством S N 2-механизма.

Реакционная способность. При рассмотрении реакционной способности галогеналканов в реакциях нуклеофильного замещения следует изучать влияние, главным образом, двух факторов: пространственного (стерического) и электронного. В случае бимолекулярного нуклеофильного замещения наиболее важную роль играет стерический фактор. По мере увеличения числа и объема заместителей у атома углерода - реакционного центра - возможность достижения переходного состояния (АК) уменьшается. Это могут быть как алифатические, так и ароматические заместители, или те и другие.

В S N 2-реакциях реакционная способность уменьшается в ряду:

Прежде чем рассмотреть каждый из классов производных кислот в отдельности, полезно дать общую картину их поведения, в рамках которой будет легче рассмотреть довольно многочисленные индивидуальные особенности.

Каждое производное почти всегда получают - непосредственно или косвенным путем - из соответствующей карбоновой кислоты, и его можно превратить вновь в карбоновую кислоту простым гидролизом. Большую роль в химии производных кислот играют превращения их друг в друга и в исходную кислоту. Кроме того, каждый класс имеет свои характерные реакции.

Производные карбоновых кислот, как и сами кислоты, содержат карбонильную группу Эта группа сохраняется в продуктах большинства реакций этих соединений и не претерпевает при этом видимых изменений. Однако само присутствие этой группы в молекуле определяет характерную реакционную способность этих соединений, и этот факт является ключевым для понимания их химии.

Ацильные соединения (карбоновые кислоты и их производные) обычно претерпевают реакции нуклеофильного замещения, в которых группы или замещаются на другие основные группы. Замещение протекает гораздо легче, чем замещение при насыщенном атоме углерода; в действительности многие из этих реакций вообще не происходят в отсутствие карбонильной группы, как, например, замещение на

Для объяснения свойств ацильных соединений необходимо вновь обратиться к строению карбонильной группы. Мы уже встречались с этой группой

при изучении альдегидов и кетонов (разд. 19.1 и 19.9) и знаем, каких реакций можно в общем для нее ожидать.

Углерод карбонильной группы связан с тремя другими атомами -связями; поскольку эти связи используют -орбитали (разд. 2.23), они лежат в плоскости под углом 120° (2,094 рад) друг к другу. Остающаяся -орбиталь атома углерода перекрывается с -орбиталью атома кислорода с образованием -связи; углерод и кислород, таким образом, соединены двойной связью. Часть молекулы, непосредственно примыкающая к атому углерода карбонильной группы, плоская; кислород, углерод карбонильной группы и два связанных с ним атома лежат в одной плоскости

Как электронные, так и пространственные факторы делают карбонильную группу особенно доступной для нуклеофильной атаки по углероду карбонильной группы. Эти факторы следующие: а) тенденция кислорода к получению электронов, даже если при этом на кислороде появляется отрицательный заряд; б) относительная незатрудненность переходного состояния при превращении тригонального реагента в тетраэдрический интер-медиат. Те же факторы делают ацильные соединения доступными для нуклеофильной атаки.

Однако ацильные соединения отличаются от альдегидов и кетонов природой второй стадии реакции. Тетраэдрический интермедиат, получающийся из альдегида или кетона, присоединяет протон, и образуется продукт присоединения. Тетраэдрический интермедиат, образующийся из ацильного соединения, элиминирует группу что приводит снова к тригональному соединению, и результатом реакции является замещение.

Можно понять, почему эти два класса соединений ведут себя различным образом. Легкость, с которой элиминируется группа зависит от ее основности: чем слабее основание, тем легче уходит эта группа. Для хлорангидридов, ангидридов кислот, сложных эфиров и амидов группой являются соответственно следующие: очень слабое основание умеренно слабое основание и сильные основания и Но для того чтобы произошло замещение у альдегидов или кетонов, элиминируемой группой должен быть гидрид-ион или алкил-ион которые, как мы знаем, являются самыми сильными основаниями (отметьте очень низкую кислотность и В результате в реакциях с альдегидами и кетонами вместо элиминирования всегда происходит присоединение.

(см. скан)

Итак, нуклеофильное замещение в ацильной группе происходит в две стадии с промежуточным образованием тетраэдрического интермедиата. Обычно общая скорость определяется скоростью обеих стадий, но первая стадия более важна.

Скорость первой стадии (образование тетраэдрического интермедиата) определяется теми же факторами, что и реакция присоединения к альдегидам и кетонам (разд. 19.9): ей благоприятствует эффект оттягивания электронов, стабилизующий образующийся отрицательный заряд; ей препятствует наличие объемистых групп, создающих пространственные препятствия в переходном состоянии. Легкость второй стадии зависит от основности уходящей группы

просмотров

Сохранить ВКонтакте