НУКЛЕОФИЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ

Реакции нуклеофильного замещения — Реакции алифатического нуклеофильного замещения

01 марта 2011

1. Реакции нуклеофильного замещения

2. Реакции алифатического нуклеофильного замещения

3. Реакции ароматического нуклеофильного замещения

Механизм реакции SN1 или реакции мономолекулярного нуклеофильного замещения включает следующие стадии:

1. Ионизация субстрата с образованием карбкатиона:

R−X → R + X

2. Нуклеофильная атака карбкатиона:

R + Y → R−Y

или:

R + Y−Z → R−Y−Z

3. Отщепление катиона:

R−Y−Z → R−Y + Z

Примером реакции SN1 является гидролиз трет-бутилбромида:

Условный энергетический профиль реакции мономолекулярного нуклеофильного замещения представлен на диаграмме.

Условный энергетический профиль реакции SN1

Скорость реакции SN1 не зависит от концентрации нуклеофила и прямо пропорциональна концентрации субстрата:

Скорость реакции = k ×

Так как в процессе реакции образуется карбкатион, его атака нуклеофилом может происходить с обеих сторон, что приводит к рацемизации образующегося продукта.

Важно иметь в виду, что SN1 механизм реализуется только в случае относительной устойчивости промежуточного карбкатиона, поэтому по такому пути, обычно, реагируют только третичные3C-X) и вторичные2CH-X) алкилпроизводные.

Реакции SN2

Условный энергетический профиль реакции SN2

Механизм реакции SN2 или реакции бимолекулярного нуклеофильного замещения 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 SN2 является гидролиз этилбромида:

Условный энергетический профиль реакции мономолекулярного нуклеофильного замещения представлен на диаграмме.

Скорость реакции SN2 зависит как от концентрации нуклеофила, так и концентрации субстрата:

Скорость реакции = k × ×

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

В 1935 году Хьюз исследую реакцию оптически активного 2-йодоктана с йодид-ионом обнаружил, что реакция имеет общий второй кинетический порядок и первый по каждому из реагентов, а также что скорость рацемизации в два раза выше скорости внедрения йода в молекулу йодоктана. Так было сформулировано стехиометрическое SN2 правило:

В реакциях бимолекулярного нуклеофильного замещения атакующий нуклеофил стехиометрически инвертирует молекулу, в которой он замещает уходящую группу.

Сравнение реакций SN1 и SN2

Реакции смешанного типа SN1 — SN2

Не для всех реакций можно чётко определить механизм, по которому они протекают, так как чистый SN1 или SN2 являются всего лишь идеальными модельными случаями. Следует помнить, что один и тот же субстрат может реагировать с одним и тем же нуклеофилом, в зависимости от условий реакции и растворителя, как по механизму SN1, так и SN2.

Например, скорость гидролиза 2-бромпропана описывается с учётом смешанного механизма его протекания:

CH3−CHBr−CH3 + HO → CH3−CHOH−CH3 + BrСкорость реакции = k1 × + k2 × ×

Часто смешанный механизм провоцирует применение амбидентных нуклеофилов, то есть нуклеофилов, имеющих не менее двух атомов — доноров электронных пар

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. В этом случае говорят об анхимерном содействии соседней группы

Примером анхимерного содействия может служить гидролиз 2-бромпропионата:

Несмотря на формальный механизм SN2, образующийся в ходе реакции продукт имеет ту же оптическую конфигурацию, что и исходный.

Реакции SNi

Механизм реакции SNi или реакции внутримолекулярного нуклеофильного замещения протекает в несколько стадий по аналогии с механизмом SN1, 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 SNi, крайне редки. Одним из примеров может служить взаимодействие спирта с SOCl2:

Из схемы видно, что в реакций SNi конфигурация реакционного центра остается неизменной.

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.

Для реакций SN2 можно выделить следующие принципы, по которым определяется влияние природы нуклеофила:

• Отрицательно заряженный нуклеофил всегда сильнее, чем его сопряженная кислота, 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:

Следует иметь в виду, что нуклеофильность различных реагентов сравнивают по отношению к некоторому выбранному стандарту при условии соблюдения идентичности условий проведения реакции. На практике для реакций SN2 применяют уравнение Свена-Скотта:

,

где:
— константы скорости реакции субстрата с данным нуклеофилом и водой;
— параметр чувствительности субстрата к изменению нуклеофила;
— параметр нуклеофильности.

Влияние уходящей группы

Фактором, количественно описывающим влияние уходящей группы является 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 SN1 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 SN1, чем выше полярность растворителя, тем выше скорость реакции замещения.

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 SN2 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 SN1 реакций растёт, а SN2 — снижается.

Иногда оценивают влияние растворителя рассматривая его ионизирующую силу, используя уравнение Уинстейна-Грюнвальда:

где: — константы скорости сольволиза стандартного субстрата в заданном и стандартном растворителе.

— параметр чувствительности субстрата к ионизирующей силе растворителя.

Существует и альтернативный I-параметр, введённый в 1969 году Другаром и Декрооком. Он аналогичен Y-фактору, но в качестве снандарта была выбрана SN2 реакция между три-н-пропиламином и йодистым метилом при 20°С.

5363

Нуклеофильность

Нуклеофильность характеризует реакционную способность нуклеофила, показывает количественную меру его силы в данной химической реакции. Под нуклеофильностью понимают характер влияния на скорость реакции нуклеофильного замещения основания Льюиса.

Нуклеофильность является кинетической характеристикой основания по отношению к электрофильному центру, у которого происходит нуклеофильное замещение ($sp3$-гибридизованный углеродный атом в $RZ$, $sp2$-гибридизованный углеродный атом в $R-C(O)-Z$ и т.д.).

В зависимости от электрофильного центра ($sp3$-, $sp2$-гибридный атом углерода и др.) относительная нуклеофильность разных нуклеофильных реагентов будет меняться.

Например: У атома серы в $RS{δ+} — Z{δ-}$; при обмене лигандов у платины в комплексах платины (II).

Абсолютную шкалу нуклеофильности в реакциях замещения для разных электрофильных центров составить нельзя. Хорошими нуклеофилами могут быть как сильные, так и слабые основания.

Нуклеофильность в реакциях нуклеофильного замещения $SN1$ и $SN2$ не идентична.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Например: Скорость реакции $SN2$ связана со способностью нуклеофила замещать уходящую группу в процессе прямого замещения. Или в случае $SN1$-реакции нуклеофильность реагента влияет на соотношение продуктов реакции, но не влияет на скорость ионизации субстрата. По отношению к нуклеофильным реагентам различной природы карбокатион обладает различной избирательностью.

Факторы, определяющие нуклеофильность реагента для SN-реакций

К основным факторам, определяющим нуклеофильность в реакциях $SN2$-типа, относят:

• основность;
• поляризуемость;
• энергию сольватации основания Льюиса;
• электроотрицательность атакующего атома;
• силу связи основания Льюиса с $2р$-орбиталью углерода;
• эффективный объем нуклеофила.

Поляризуемость нуклеофильного агента зависит от способности его электронной оболочки деформироваться под действием внешнего электромагнитного поля.

В пределах одной группы периодической системы Д.Менделеева поляризуемость возрастает сверху вниз.

Пример 1

Изменение поляризуемости в разных группах (VII, VI, V группы соответственно) указывает на деформируемость внешней электронной оболочки, удаленной от ядра.

$I− > Br− > Cl− > F−;$

$RSe− > RS− > RO−;$

$R_3As~R_3P > R_3N.$

Замечание 1

Чем больше электроотрицательность нуклеофила, тем прочнее он удерживает свою электронную пару.

Неподеленная электронная пара нуклеофила в реакциях $SN2$-типа взаимодействует с разрыхляющей орбиталью связи $C-Z$, поэтому его высокая электроотрицательность нежелательна при замещении по $SN2$-механизму. Высокая энергия сольватации снижает энергию основного состояния нуклеофила относительно переходного состояния, что ведет к снижению скорости реакции.

Десольватация нуклеофила приведет к уменьшению энергии активации, что способствует увеличению скорости замещения $SN2$-реакции. Более прочная связь, в образовании которой принимали участие нуклеофил и углеродный атом в $R-Z$ в переходном состоянии, снижает энергию активации и способствует увеличению скорости реакции.

Замечание 2

Нуклеофилы больших объемов должны быть менее реакционноспособными, чем маленькие нуклеофилы из-за пространственных препятствий, которые возникают в бипирамидальном переходном состоянии $SN2$-реакции.

Методы определения нуклеофильности

Нуклеофильность можно определить по относительным скоростям реакции стандартного субстрата с различными нуклеофильными реагентами.

Свеном и Скоттом введены специальные константы нуклеофильности n для стандартного субстрата метилйодида с разными нуклеофилами в метаноле (для метанола $n =0,0$). Тогда:

$n_{CH_3 I}=log(frac{k_Nu}{k_{CH_3 OH}})$ в $CH_3 OH$ при $250 C.$

В протонной среде нуклеофильность различных реагентов не взаимосвязана с их основностью по отношению к протону. У бромид-, азид-, феноксид-ионов одинаковая нуклеофильность по отношению к метилйодиду в метаноле, но по основности они различаются более, чем на пятнадцать порядков. Те же отношения характерны и для йодид- и ацетат-анионов, $pKa$ сопряженных кислот различаются на 20 единиц.

Если нуклеофилы имеют один донорный атом, то присутствует корреляция констант нуклеофильности и силы кислот. Например:

$CH_3 O- > C_6 H_5 O- > OAc- > NO_3-.$

В Периодической системе при движении по диагонали нуклеофильность уменьшается: $HO- > F-$ и $RS- > Cl-$, что можно объяснить изменением электроотрицательности. В нижней части Периодической системы расположена атомы большого размера с высокой поляризуемостью, поэтому при переходе сверху вниз в каждой группе нуклеофильность будет возрастать.

Нуклеофильность зависит от сольватации. При переходе от метанола к диполярным апротонным растворителям нуклеофильность галогенид-ионов имеет вид $F- > Cl- > Br- > I-.$

Энергии сольватации для меньших по размеру ионов с более концентрированным зарядом больше, чем для ионов большего размера, где заряд диффузен.

При нуклеофильной атаке на углеродный атом ион должен освободиться от части молекул растворителя, которые стабилизируют его в растворе. В противном случае ион не сможет приблизиться к атому углерода для образования связи.

Для ионов небольших размеров этот процесс менее выгоден. Поэтому ион хлора будет менее реакционноспособен, чем ион иода.

Для качественного предположения относительной нуклеофильности реагентов в реакциях $SN2$-типа применяют принцип ЖМКО (принцип жестких и мягких кислот и оснований). $sp3$-гибридизованный атом относится к мягким электрофильным центрам.

).

Замечание 3

Согласно принципу ЖМКО в реакциях нуклеофильного замещения может наблюдаться симбиотический эффект: скорость реакции возрастает, если входящая и уходящая группы являются одновременно или мягкими, или жесткими основаниями Льюиса.

Симбиотический эффект в $SN2$-реакциях проявляется когда нуклеофильный реагент и уходящая группа относятся к мягким основаниям.

Альфа-эффект в нуклеофильном реагенте

Нейтральные молекулы или анионы, в состав которых входит атом с неподеленной электронной парой, непосредственно связанный с нуклеофильным центром, проявляют более сильные нуклеофильные свойства, чем их аналоги без подобного атома.

Повышенная нуклеофильность таких частиц называется α-эффектом.

Пример 2

Гидроксиламин, гидразин являются более сильными нуклеофилами, чем первичные амины и аммиак. Гипохлорид и пероксид-анион проявляют более сильные нуклеофильные свойства, чем гидроксид-ион.

Высокую нуклеофильность этих соединений нельзя объяснить с точки зрения их основности или поляризуемости. Реакционная способность этих нуклеофильных реагентов повышается в результате стабилизации переходного состояния нуклеофильной реакции электронами неподеленной пары соседнего атома:

В результате образуются две новые возмущенные молекулярные орбитали, одна с более низкой, а вторая, с более высокой энергией по сравнению с энергией неподеленных электронных пар изолированных друг от друга атомов.

Нетипично высокая энергия высшей занятой молекулярной орбитали приближает ее к низшей свободной молекулярной орбитали электрофила, что способствует протеканию $SN2$-реакции.