книги / Механизмы органических реакций

ды, менее пространственно доступен, чем реакционный центр в карбокатионе, образующемся при SN1-реакции.

Легкость предоставления электронной пары для образования новой связи непосредственно связана с электроотрицательностью нуклеофильного центра. Более электроотрицательный атом удерживает свои электроны прочнее, чем менее электроотрицательный, и требует большей затраты энергии для достижения переходного состояния. Следовательно, чем ниже электроотрицательность атома, тем выше его нуклеофильность.

Чем выше электронная плотность у нуклеофильного центра, тем легче происходит сближение и атака электрофильного центра субстрата. Поэтому анионы являются более сильными нуклеофилами, чем нейтральные молекулы. Например:

ОН− > Н2О; S2− >HS− > H–SH;

RO− > R–OH;

Cl− > H–Cl.

В протонном растворителе (типа этанола) нуклеофильность аниона обычно тем больше, чем больше размер аниона. Поэтому нуклеофильность атомов в группе периодической системы элементов повышается при движении сверху вниз. Например, ряд нуклеофильности галогенов имеет вид:

I− > Br− > Cl− > F−

По этим же причинам RSH является лучшим нуклеофилом, чем ROH, RS−– лучшим нуклеофилом, чем RO−, и РН2− – лучшим нуклеофилом, чем NH2−.

Влияние размера атома на нуклеофильность частично связано с поляризуемостью атома, являющегося нуклеофильным центром. Чем больше поляризуемость атома, тем быстрее его электронное облако реагирует на небольшой положительный заряд, локализованный на атакуемом атоме углерода. Бόльшей поляризуемостью обладают атомы, имеющие большой радиус, так как

91

в них внешние электроны расположены на бόльшем расстоянии от положительно заряженного ядра. Именно этим можно объяснить тот факт, что в протонных растворителях I− является более сильным нуклеофилом, чем Br−, потому что I− в 10 больше по размеру, чем Вr−, и, как следствие, легче поляризуется.

Нуклеофильность аниона сильно зависит от степени его сольватации. В протонных растворителях, которые могут образовывать водородные связи, анион эффективно сольватирован, что снижает его реакционную способность в качестве нуклеофила.

Общий порядок реакционной способности нуклеофилов в протонных растворителях следующий:

HS−, RS− > I− > Br− > RO− > Cl− > H3C–COO− > NO3−

Такое влияние протонного растворителя на нуклеофильность можно объяснить следующим образом. Анион в протонном растворителе стабилизирован за счет образования водородных связей. В маленьких по размеру анионах отрицательный заряд распределен в сравнительно небольшом объеме. Поскольку заряженные частицы стабилизируются за счет делокализации заряда, анионы небольшого размера образуют водородную связь с растворителем, что способствует делокализации заряда и тем самым понижению их энергии. В анионах большого размера отрицательный заряд и так распределен в большом объеме, что означает, что образование водородных связей гораздо важнее для стабилизации анионов малого размера. С другой стороны, эффективная сольватация аниона малого размера растворителем подавляет его нуклеофильность, поскольку прежде, чем приобрести свойства нуклеофила, анион должен затратить энергию для того, чтобы освободиться от растворителя. Больший анион освобождается от растворителя с меньшей затратой энергии, и потому в протонных растворителях он будет обладать свойствами более сильного нуклеофила.

Апротонные растворители не могут сольватировать анионы за счет образования водородных связей с ними. Поэтому в апротонных растворителях анионы сольватированы в меньшей степе-

92

ни, чем в протонных. Вследствие этого небольшой анион богаче энергией, чем большой, и является поэтому более сильным нуклеофилом. Таким образом, в полярном апротонном растворителе F−, который меньше по размеру, чем Вr− или I−, будет более сильным нуклеофилом, чем Вr− или I−.

Применение апротонных растворителей приводит к повышению нуклеофильности анионов по сравнению с растворением в протонных средах. Применение макроциклических полиэфиров (краун-эфиров) позволило увеличить растворимость неорганических солей в органических растворителях и добиться эффекта относительно слабой сольватации анионов. Анионы в этих условиях ведут себя как очень реакционноспособные частицы.

Природа растворителя. Роль растворителя заключается во взаимодействии его с веществами, имеющимися в реакционной среде, которое называется сольватацией. Растворитель сольватирует исходные вещества, активированный комплекс и продукты реакции. Сольватация продуктов реакции не влияет на скорость реакции. Если растворитель лучше сольватирует активированный комплекс, чем исходные вещества, то энергия такого переходного состояния понижается, и скорость реакции становится выше. Если, напротив, растворитель лучше сольватирует исходные вещества, то их энергия понижается, а значит, возрастает активационный барьер и скорость реакции снижается.

При использовании протонных растворителей, в которых протон гидроксильной или амидной группы слабо экранирован (например, серная кислота, вода, метанол и формамид), происходит эффективная специфическая сольватация. За счет образования водородных связей такие растворители сольватируют в основном анионы. Поэтому протонные растворители сильно понижают реакционную способность нуклеофилов.

Новые возможности в области синтеза и изучения механизмов реакций открылись при использовании полярных апротонных растворителей, которые обладают высокой диэлектрической проницаемостью, но не способны к образованию водородных

93

связей. Для сравнения в табл. 6 представлены значения диэлектрической проницаемости и температуры кипения наиболее часто используемых растворителей.

Таблица 6

Диэлектрическая проницаемость и температура кипения растворителей

Ранее этанол, диоксан, водный спирт и ацетон являлись наиболее часто используемыми растворителями для SN2-реакций, сейчас доминирующее значение в использовании имеют диметилсульфоксид (ДМСО), гексаметилфосфотриамид (ГМФТА) и диметилформамид (ДМФА):

Примером преимущества апротонных растворителей может служить превращение 1,3-дихлорпропана в 1,3-дицианпропан,

94

протекающее по SN2-мexaнизму. Скорость этой реакции в ДМСО примерно в 1000 раз больше, чем в водном этаноле.

7.2. Мономолекулярное нуклеофильное замещение (SN1)

Изучение кинетики реакции щелочного гидролиза трет- бутилбромида:

(CH3)3CBr + OH− → (CH3)3COH + Br−

показало, что это реакция первого порядка, и скорость реакции v не зависит от концентрации нуклеофила, т.е. v = k[RBr].

Если скорость реакции не зависит от концентрации гидро- ксид-анионов, то это означает, что OH– не принимает участия в лимитирующей стадии реакции.

Исходя из этих наблюдений был предложен следующий механизм такой реакции, который состоит из двух стадий.

На первой стадии субстрат медленно диссоциирует на трет- бутильный карбокатион и анион брома:

(CH3)3CBr → (CH3)3C+ + Br− (медленно).

На второй стадии образовавшийся карбокатион быстро реагирует с гидроксид-анионом, образуя конечное вещество:

(CH3)3C+ + OH− → (CH3)3C–ОН (быстро).

Этот механизм называется мономолекулярным нуклеофильным замещением (SN1). Реакции, протекающие по такому механизму, являются мономолекулярными, так как в стадии, определяющей скорость реакции, участвует только одна молекула.

Скорость общей реакции определяется стадией ионизации субстрата, которая требует затраты энергии. Эта энергия выделяется в результате ион-дипольного взаимодействия между образующимися ионами и растворителем.

Реакцию SN1 в общем виде можно представить следующим образом:

95

Например, рассмотрим диссоциацию замещенных трифенилметилбензоатов:

В зависимости от заместителя X в образующемся бензоатанионе константа диссоциации будет изменяться следующим образом:

«Плохими» уходящими группами обычно являются сильные основания, например: ОН–, RO–, NH–, R2N–, СН3– и Н–. Слабые же основания, напротив, обычно являются «хорошими» уходящими группами. Таким образом, можно сказать, что существует обратное соотношение между основностью частицы и ее способностью быть уходящей группой. Самые лучшие уходящие группы – сульфонаты, которые обладают очень слабыми основными свойствами.

Рассматривая галогены в качестве уходящих групп, можно предложить следующий ряд уменьшения легкости отщепления галогенид-анионов:

I– > Br– > Cl– >> F–.

Этот ряд можно объяснить увеличением энергии ионной диссоциации связи С–Hal, а также уменьшением эффекта поляризуемости в этом ряду.

«Плохую» уходящую группу можно сделать более мобильной, применяя катализаторы электрофильного характера. Иногда в реакциях SN1, где в качестве субстратов используются галогенопроизводные, применяются ионы серебра, которые образуют

98

комплексы с галогенид-анионами. Еще одним примером может служить протонирование спиртовой гидроксильной группы:

7.3. Стереохимия реакций нуклеофильного замещения

Рассматривая в качестве субстратов оптически активные соединения, необходимо отметить влияние механизма реакции на оптическую активность продукта реакции. В случае протекания бимолекулярного нуклеофильного замещения атака нуклеофилом реакционного центра возможна исключительно с тыльной стороны. Вследствие этого происходит стереохимическая инверсия образующегося продукта:

Еще в 1895 г. этот эффект обнаружил латвийский химик Пауль Вальден (отсюда появился термин «обращение Вальдена»), однако не смог его объяснить. Этот эффект был объяснен

в1935 г. Хьюзом.

Вслучае же протекания процесса по механизму мономолекулярного нуклеофильного замещения происходит полная потеря оптической активности вследствие образования рацемической смеси продукта реакции. Это связано с тем, что в процессе SN1-реакции

вкачестве промежуточной частицы образуется карбокатион.

Вкарбокатионе все три связи положительно заряженного sp2-гибридизованного атома углерода лежат в одной плоскости. Нуклеофил с одинаковой вероятностью может атаковать плоский карбокатион с любой стороны: или с фронта, или с тыла. Поэтому могут образовываться продукты либо с сохраненной, либо с об-

99

ращенной конфигурацией, и в результате реакции образуется эквимолярная смесь энантиомеров. Таким образом, исходное оптически активное соединение, подвергаясь реакции SN1, дает рацемический продукт.

7.4. Сравнение SN1- и SN2-реакций

Мономолекулярное нуклеофильное замещение сопровождается рацемизацией и перегруппировкой, и реакционная способность субстрата уменьшается в следующем порядке: третичный > вторичный > первичный > СН3Х. Для бимолекулярного нуклеофильного замещения характерны полное обращение конфигурации и отсутствие перегруппировок; реакционная способность субстрата уменьшается в следующем порядке: СН3Х > первичный > вторичный> третичный. Сравнение по другим параметрам приведено в табл. 7.

к определенному механизму, можно в некоторой степени контролировать механизм реакции, изменяя экспериментальные условия.

Высокая концентрация нуклеофильного реагента благоприятствует SN2-реакции, а низкая концентрация, наоборот, способствует SN1-реакции.

Природа нуклеофильного реагента также играет важную роль: например, неопентилбромид реагирует с этилат-ионом по SN2-механизму, а с этиловым спиртом – по SN1-механизму. Сильный нуклеофил (сильное основание) этилат-ион выталкивает ион галогена из молекулы, тогда как слабый нуклеофил этиловый спирт «ждет», пока ион галогена отойдет от реакционного центра.

100