Влияние строения реагентов на реакции нуклеофильного замещения Влияние структуры радикала r субстрата

У спех реакции S_N2 определяется эффективностью атаки нуклеофила на положительно заряженный реакционный центр субстрата. При этом, чем выше этот положительный заряд, тем эффективнее взаимодействие. Поэтому электронодонорные заместители в радикале R, понижая положительный заряд на реакционном центре, замедляет нуклеофильную атаку. В то же время увеличению объема R затрудняет подход нуклеофила к реакционному центру. Совместное действие индуктивного и объемного эффектов определяет ряд реакционных способностей субстратов в реакциях нуклеофильного замещения:

Введение электроакцепторных заместителей в радикал R приводит к увеличению положительного заряда на реакционном центре субстрата, что делает нуклеофильную атаку более эффективной. Так, аллилхлорид гидролизуется более эффективно, чем хлорпропан из-за активирующего действия отрицательного индуктивного эффекта винильной группы:

CH₂ = CH  CH₂Cl CH₃CH₂  CH₂Cl

В реакциях S_N1 скорость-определяющей стадией является образованием карбкатиона. В соответствии с постулатом Хэммонда высокая эндотермичность этой стадии обусловливает высокую степень разрыва связей в ее переходном состоянии

[ R^+ ............ X^–] ^

Поэтому структура фрагмента R в переходном состоянии приближается к структуре свободного карбкатиона и все факторы, стабилизирующие карбкатионы, будут стабилизировать переходное состояние а, следовательно, приводить к ускорению реакции.

Факторами стабилизации карбкатиона и, соответственно, переходного состояния гетеролиза связи С-Х являются увеличение объема заместителей при реакционном центре и их электронодонорные свойства. Так, ряд реакционной способности соединений R-X в S_N1-реакциях

определяются совместным вкладом в стабилизацию соответствующих этому ряду карбкатионов

положительного индуктивного эффекта алкильных групп и увеличением объема алкильной группы за счет ее удлинения и разветвления.

Активирующее действие +М-эффекта на скорость S_N1-реакций можно проиллюстрировать на примере гидролиза этоксиметилбромида и 2-бромпропана. Первое соединение обладает намного большей реакционной способностью из-за существенной стабилизации карбкатиона

CH₃CH₂OCH₂  CH₃CH₂O=CH₂

Противоположное влияние индуктивного и объемного эффектов на реакции S_N1 и S_N2 может быть проиллюстрировано типичной зависимостью скорости реакций нуклеофильного замещения от числа алкильных заместителей при реакционном центре

Можно видеть, что в области S_N2-механизма электронодонорный и объемный эффект алкильных групп замедляет реакции, в области S_N1 – ускоряет. Между этими предельными случаями находится область пограничных механизмов, когда факторы S_N1 и S_N2 реакций конкурируют между собой.

Влияние уходящей группы

При прочих одинаковых условиях нуклеофильное замещение как по S_N1- так и по S_N2-механизму должно протекать тем быстрее, чем ниже энергия гетеролитического разрыва связи С-Х. Понижение этой энергии во многом связано со стабилизацией образующегося аниона за счет его лучшей поляризуемости (в случае галогенид-анионов) или эффектов сопряжения (для эфиров сульфокислот и диалкилсульфенов)

В то же время у спиртов и эфиров в уходящих группах ^–ОН и ^–OR отсутствуют структурные возможности для стабилизации, поэтому их отщепление эффективно при действии кислотного катализа (см. выше).

Стабилизация уходящей группы гораздо рельефнее влияет на ускорение S_N1-реакций по сравнению с реакциями S_N2. Это связано с большей степенью разрыва связей в скорость-определяющей стадии S_N1-реакции. Поэтому чем больше способность к стабилизации у уходящей группы, тем больше вероятность S_N1-механизма.