• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

НУКЛЕОФІЛЬНЕ ЗАМІЩЕННЯ В АЛІФАТИЧНОМУ РЯДІ.

Реакцію нуклеофільного заміщення біля насиченого атому вуглецю можна вважати найбільш вивченою. Класичним прикладом реакції заміщення є перетворення алкілгалогеніду в спирт під дією лугу:

OH^– + R–Hal → HO–R + Hal^– (тип 1)

Іншими прикладами реакції аліфатичного нуклеофільного заміщення є реакція:

R–Hal + N₃Me → R–⁺N₃Me + Hal^– (тип 2)

R–⁺N₃Me + HO^– → R–OH + N₃Me (тип 3)

R–⁺N₃Me + H₂S → R–⁺SH₂ + N₃Me (тип 4)

У всіх випадках реагент повинен мати вільну пару електронів, тому всі нуклеофіли є основами Льюїса. Якщо реагент одночасно розчинник, тоді реакцію називають сольволізом.

Дослідження кінетики реакції цього типу показало, що вони можуть протікати по двох різних механізмах, які можуть бути представлені залежностями:

швидкість = [RHal]ּ[HO^–] (1)

швидкість = [RHal] (2)

В більшості випадків реакція протікає по змішаному механізму, коли кінетичні залежності обох типів діють одночасно. Але відомі і реакції, які протікають по одному з механізмів.

Як видно з реакції бромистого етилу у водних розчинах лугів, вона протікає по рівнянню (1). Це свідчить про те, що у стадії, яка лімітує швидкість реакції, приймають участь як алкілгалогенід, так, і іон гідроксилу. Було зроблено припущення, що реакція протікає через такий проміжний стан, в якому часткове утворення зв’язку між іоном гідроксилу і атомом вуглецю проходить швидше, ніж повністю завершується відщеплення іону брому. При цьому частина енергії, яка необхідна для розриву зв’язку C–Br, компенсується за рахунок енергії утворення зв’язку HO–C. Розрахунки показали, що найменші затрати енергії необхідні у тому випадку, коли наближення гідроксилу до молекули алкілгалогеніду проходить по напрямку лінії, що сполучає центри атома вуглецю і брому, з протилежного боку від брому:

R R R R

| \ / |

HO^– + R–C–Br → HO∙∙∙C∙∙∙Br → HO–C–R + Br ^–

| | |

R R R

Від’ємний заряд розподіляється в перехідному стані в напрямку від гідроксилу до брому, а атому водню розташований в одній площині, яка перпендикулярна до лінії HO–C– –Br. Механізм такої реакції названо бімолекулярним нуклеофільним заміщенням і позначається символом Sn₂.

З іншого боку кінетика лужного гідролізу трет-бутилхлориду відповідає рівнянню (2), тобто швидкість реакції не залежить від концентрації іонів гідроксилу і, як наслідок, ці іони не повинні приймати участь у лімітуючій стадії реакції. Цей факт можна розглядати як вказівку на те, що алкілгалогенід іонізується (поляризується зв’язок R–Hal з відривом Hal), що є лімітуючою стадією реакції. А на наступній нелімітуючій стадії має місце атака іоном гідроксилу (або молекулою розчинника з утворенням кінцевого продукту.

R R R R R

| \ / | |

R–C–Br → C⁺ → HO–C–R і/або R–C–OH

| | | |

R R R R

Механізм такої реакції названо мономолекулярним заміщенням і присвоєно символ Sn₁. Початкова іонізація алкілгалогеніду здійснюється головним чином за рахунок енергії сольватації іонів, що утворилися. Катіон, в якому атом вуглецю несе позитивний заряд, являє собою карбонієвий іон і має планарну структуру, в якій три метильні групи розташовані під кутом 120˚. Тоді наступна атака гідроксилом або молекулою розчинника може проходити з будь-якої сторони.

Природа розчинника, в якому проходить реакція, може суттєво впливати на її механізм. Ймовірність протікання реакції по механізму Sn₁ тим більша, чим більша полярність розчинника. Тому заміна розчинника може привести до суттєвої зміни механізму процесу. Це зумовлено тим, що іонізація ліпше протікає в розчиннику, який має високу діелектричну проникливість, і більш ефективно проходить сольватація катіону. Процес сольватації супроводжується виділенням значної кількості енергії, яка може використовуватися на іонізацію нових молекул і т.д. Підтвердженням цього може бути те, що реакції по механізму Sn₁ в газовій фазі зустрічаються дуже рідко.

Якщо реакцію гідролізу алкілгалогеніду, що протікає по механізму Sn₁ проводити в різних розчинниках, тоді швидкість гідролізу буде тим вища, чим більш полярний розчинник. Швидкість реакції зростає і у тому випадку, коли розчинник є хорошим середовищем для сольватуючих іонів. Так, при переході від етанолу до 50%-ного водного етанолу швидкість гідролізу трет-бутилхлориду збільшується у 30000 разів. У випадку гідролізу алкілгалогенідів, який протікає по механізму Sn₂, заміна розчинника значно менше впливає на швидкість реакції і характер впливу на швидкість реакції залежить від характеру розподілу заряду в реагентах і перехідному стані. Тому порівняння швидкості реакцій у різних розчинниках допомагає вияснити питання про механізм реакції.

При порівнянні літературних даних по швидкостях гідролізу в ряді: бромистий метил, бромистий етил, ізопропілбромід, трет-бутилбромід; швидкість гідролізу найбільша для першого і останнього продукту, а два середні більш стабільні. Для першого продукту гідроліз протікає по механізму Sn₂, для останнього по Sn₁ і має проміжний характер для інших продуктів. Для того щоб вияснити можливість переходу від одного механізму реакції до іншого, необхідно розглянути вплив як електронних так, і стеричних факторів на перехідний стан. У випадку реакції Sn₂ можна очікувати, що зростання індукційного ефекту по мірі збільшення числа метильних груп повинно привести до поступового зменшення позитивного заряду на атомі вуглецю, який зв’язаний з бромом і, як наслідок, до затруднення атаки цього атома гідроксил-іоном.

Стабільність карбонієвого іона, що утворюється по механізму Sn₁ зумовлена впливом індукційних ефектів замісників і ефектом надспряження, який забезпечується атомами водню α-вуглеців. Такий вплив підтверджується дослідами з речовинами, в яких водень замінено на дейтерій. Як показують вимірювання швидкості утворення катіону після такого заміщення зменшується на 10%, в розрахунку на кожний атом дейтерію. Зрозуміло, що плоска структура катіону стерично найбільш вигідна, оскільки три замісники розташовуються при цьому на найбільших віддалях один від другого. Переваги такого розміщення будуть зростати по мірі збільшення об’єму замісників.

Таким чином, як електронні, так, і стеричні фактори повинні послідовно затруднювати атаку при переході від бромистого етилу до трет-бутилброміду, якщо ця атака здійснюється по механізму Sn₂, і, навпаки, полегшувати, якщо вона протікає по механізму Sn₁.

Аналогічна, але більш яскрава, картина спостерігається в ряді: хлористий метил, хлористий бензил, хлористий дифенілметан, хлористий трифенілметан. Тут гідроліз по механізму Sn₁ спостерігається починаючи з другого продукту, а іонізація хлористого трифенілметану виражена настільки сильно, що розчин цього продукту в SO₂ володіє електропровідністю. Причиною настільки легкого гідролізу є значна стабілізація карбонієвого іону, яка зумовлена делокалізацією позитивного заряду. Такий катіон є класичним прикладом іону, який стабілізовано внаслідок делокалізації заряду за участю π-електронних орбіталей бензольного кільця.

Аналогічна картина спостерігається і для алілгалогенідів (СН₂=СН–СНCl). В цьому випадку атака по механізму Sn₁ полегшена за рахунок стабілізації карбонієвих іонів делокалізацією позитивного заряду. Атака по механізму Sn₂ прискорюється в результаті взаємодії атома вуглецю реагента з π-орбіталями подвійного зв’язку в перехідному стані. У випадку вінілхлоридів або галогенбензолів, то вони досить стабільні по відношенню до нуклеофілів. Це пояснюється тим, що атом галогену зв’язаний з атомом вуглецю, який має sp² гібридизацію, через що електронна густина зміщена до вуглецю.

При гідролізі алкілгалогенідів має місце зміна оптичної активності продуктів заміщення, тобто для визначення механізму реакції необхідно враховувати і стеричні фактори. При атаці по механізму Sn₂ молекула ніби вивертається в іншу сторону і в такому випадку говорять про обертання конфігурації атома вуглецю, маючи на увазі зміну просторового розміщення замісників:

Дійсно, якщо б продуктом реакції був бромід, тоді він повинен обертати площину поляризації світла в протилежному напрямку до вихідного продукту, тобто, бути його дзеркальним зображенням. Але так, як продуктом реакції є спирт ми не можемо, спостерігаючи площину поляризації світла, встановити пряму чи обернену конфігурацію ми спостерігаємо. Таким чином виникає необхідність незалежного співставлення конфігурації галогенпохідного і спирту. Таке визначення базується на тому, що якщо асиметрична сполука вступає в реакцію, в процесі якої має місце розрив зв’язку між одною з груп і асиметричним центром, тоді може мати місце обертання конфігурації. Якщо ж має місце реакція без розриву такого зв’язку, то конфігурація асиметричного не повинна змінюватися. Так, відомо, що реакція тозилювання спиртів п-толуолсульфохлоридом не супроводжується розривом зв’язку С–О спирту, то тозилат буде мати таку ж конфігурацію як вихідний спирт. Такий сульфоефір при взаємодії з ацетат-іоном або хлор-аніоном розщеплюється по С–О зв’язку і тому можливе обертання конфігурації. В свою чергу ацетильне похідне гідролізується до спирту зі збереженням конфігурації:

R R R

| | |

R–C–OH → R–C–OSO₂C₆H₄CH₃ → Cl–C–R

| | |

R R R

R R

| |

HO–C–R ← CH₃COO–C–R

| |

R R

Той факт, що кінцевий спирт є дзеркальним зображенням вихідного спирту, вказує тільки на те, що вся серія перетворень приводить до обертання конфігурації. Але чітко видно, що обертання конфігурації має місце на стадії перетворення тозилату в ацетат.

На даний час вважається, що реакція Sn₂ звичайно проходить з обертанням конфігурації і, навпаки, якщо має місце обертання конфігурації, то це вказує на можливий механізм реакції Sn₂.

У випадку, коли карбонієвий катіон, що утворюється на лімітуючій стадії реакції, має плоску будову, можна очікувати, що атака гідроксид-аніоном рівноймовірна з будь-якої сторони плоского катіона. Тоді 50% кінцевого продукту будуть мати ту ж конфігурацію, а 50% – дзеркальним зображенням. Така рацемізація приведе до оптично неактивного продукту:

R

|

→ HO–C–R (–)

|

R R R

| |

R–C–Br → C⁺–R→

| |

R R R

(+) |

→ R–C–OH (+)

|

R

Дійсний хід реакції залежить від того, наскільки швидко після первинної іонізації має місце атака нуклеофілом. Якщо друга стадія відбувається достатньо швидко, коли ще має місце деякий вплив галогенід-аніона, можна очікувати більшої ймовірності атаки "ззаду". Тому буде мати місце часткова рацемізація. Аналогічний результат може бути зумовлений і сольватацією іонної пари.

Практично, в умовах реакції Sn₁ може мати місце як повна рацемізація, так, і майже повне обертання конфігурації в залежності від моменту атаки нуклеофілом. В тому випадку, коли розчинник відіграє роль нуклеофілу, через високу його концентрацію, більш ймовірною є швидка атака і, як наслідок, обертання конфігурації в більшій мірі.

Дещо окремо стоять реакції, які протікають зі збереженням конфігурації. Конкретним випадком такої реакції є заміщення ОН групи на хлор в присутності тіонілхлориду. Ця реакція підпорядкована кінетичному рівнянню другого порядку і пропорційна [RHal]ּ[SO₂Cl₂]. Але так, як не має місце обертання конфігурації, то таку реакцію не можна віднести до реакцій Sn₂. Механізм цієї реакції інтерпретують наступним чином:

R R O R

| | / \ |

R–C–OH + SO₂Cl₂ → R–C S=O → R–C–Cl + SO₂

| | | |

R R Cl R

На першій стадії зміна конфігурації не відбувається, а на другій стадії атака хлором проходить з тієї ж сторони. Причому така реакція нагадує механізм Sn₁, коли розпад проходить через іонну пару зі швидкою атакою атомом галогену. В результаті реакції утворюється продукт, конфігурація якого аналогічна конфігурації вихідного спирту. Механізм такої реакції прийнято позначати Sn_і – внутрішнє нуклеофільне заміщення. Коли ж реакцію проводити в присутності піридину, то хлористий водень, який виділяється на першій стадії дає хлор-аніон, що легко атакує алкілсульфохлорид з "заду" і витісняє –OSOCl. Тоді це буде класична реакція Sn₂.

Відома значна кількість інших реакцій заміщення, при яких спостерігається збереження конфігурації. Можна показати, що для всіх цих реакцій характерним є те, що поряд з реакційним атомом вуглецю розташований атом, який несе деякий негативний заряд або володіє неподіленою парою електронів. Тому такий атом може виступати "внутрішнім" нуклеофілом. Так, при гідролізі β-хлоргідрину на першій стадії має місце утворення алкоксид-аніону, який діючи як нуклеофіл, атакує активний атом вуглецю з іншого боку від хлору по механізму внутрішньої реакції Sn₂. В результаті такої реакції проходить обертання конфігурації і утворення циклічного проміжного продукту.

R CR₂OH R CR₂O^– R CR₂ R CR₂O^– R CR₂OH

\ / OH^– \ / \ /\ OH^– \ / H₂O \ /

C → C → C–O → C → C

/ \ / \ / / \ / \

Cl H Cl H H HO H HO H

Під дією гідроксилу кільце знову розкривається, причому атака проходить по менш заміщеному атомі вуглецю, оскільки він більш позитивний. Атака гідроксилу проходить по механізму Sn₂. Кінцевий продукт має ту ж конфігурацію, що і вихідне хлорпохідне, хоч це і досягається як результат двох обертань. Правильність такого механізму підтверджується тим, що епоксиди, які є проміжними продуктами, можуть бути виділені.

При заміщенні по механізму Sn₁ заміна нуклеофіла не приводить до зміни швидкості реакції. Якщо ж реакція протікає по механізму Sn₂, то чим більш нуклеофільним є реагент, тим більшою повинна бути швидкість реакції. Існує приблизна кореляція між нуклеофільністю реагента і його основністю. І тоді чим більша нуклеофільність реагента тим більша ймовірність протікання реакції по механізму Sn₂. Так, реакційна здатність падає при переході від йодид-аніону до фтор-аніону.

Відносно групи, яка відщеплюється в реакції Sn₂, можна сказати що зв’язок цієї групи з вуглецем розривається тим легше, чим легше утворюється відповідний перехідний стан. Прикладом може служити добре відоме зменшення реакційної здатності при переході від алкілйодидів до алкілфториду. Той факт, що йодид-аніон може слугувати ефективним атакуючим агентом і, одночасно, легко заміщується, пояснює ефективність використання йоду як каталізатор в реакціях нуклеофільного заміщення. Бажана реакція полягає в ефективній атаці активного центру йодид-аніоном і його заміщенням під дією іншого нуклеофіла.

_{повільно}

R–Cl + H₂O R–OH + H⁺ + Cl^–

_{швидко швидко}

R–Cl + I₂ R–I + Cl^– R–OH + H⁺ + I^–

Швидкість реакції, яка протікає по механізму Sn₁, залежить від природи групи, що відщеплюється. Чим нижча енергія зв’язку цієї групи з активованим атомом вуглецю, тим вища здатність групи давати аніон і тим легше проходить реакція по механізму Sn₁.

Крім реакції гідролізу алкілгалогенідів під дією гідроксилу мають місце реакції заміщення галогену на алкоксигрупу з утворенням простих ефірів, триалкіламіногрупу – тетраалкіламоній, алкільну групу – нових алканів і т.д.

Реакції по механізму Sn₁ і Sn₂, які обговорювалися, відносилися до насиченого атому вуглецю. Не менш важливим є нуклеофільне заміщення біля тригонального атома вуглецю, особливо у тих випадках коли атом водню зв’язаний подвійним зв’язком з атомом кисню, азоту або сірки. Заміщення біля карбонільної групи частіше всього йде по механізму, який має другий порядок. Хоча кінетичне рівняння цього механізму має другий порядок, він відрізняється від механізму Sn₂, і йому дано назву тетраедричного механізму. В тетраедричному механізмі спочатку проходить атака Y, що приводить до інтермедіату, який одночасно містить X і Y, і тільки потім відщеплюється X. Така послідовність перетворень неможлива для насиченого атома вуглецю, але реалізується при ненасиченому атомі, оскільки такий центральний атом може віддавати пару електронів кисню і таким чином зберегти навколо себе октет електронів:

Y

|

Стадія 1 R–C–X + Y^– → R–C–X

|| |

O O^–

Y Y

| |

Стадія 2 R–C–X → R–C + X^–

| ||

O^– O

Доказами існування тетраедричного механізму є:

– цей процес першого порядку як по субстрату, так, і по нуклеофілу;

– кінетична крива складається з двох ділянок, які відрізняються по швидкості процесу;

– кінетичні дослідження основного гідролізу складних ефірів, в яких атом кисню карбонільної групи помічено ізотопом О¹⁸. Класичний механізм Sn₂ привів би до того, що мітка залишилася б в карбонільній групі. При тетраедричному механізмі інтермедіат симетричний по групах ОН, і на кінцевій стадії реакції регенерується як мічений, так, і не мічений гідроксил.

По тетраедричному механізму протікають реакції гідролізу і алкоголізу складних ефірів, хлорангідридів і ангідридів кислот.

Читайте також:

1. АЦИЛЮВАННЯ ПО АЛІФАТИЧНОМУ АТОМІ ВУГЛЕЦЮ.
2. Взаємне заміщення аміно- і гідроксисполук
3. Вимірювання опорів методом заміщення
4. Дія ефектів доходу та заміщення
5. ЕЛЕКТРОФІЛЬНЕ ЗАМІЩЕННЯ В АЛІФАТИЧНОМУ РЯДІ.
6. ЕЛЕКТРОФІЛЬНЕ ЗАМІЩЕННЯ В АРОМАТИЧНИХ СИСТЕМАХ.
7. Ефект доходу та ефект заміщення
8. Ефект доходу та ефект заміщення.
9. Ефект доходу та ефект заміщення. Парадокс Гіффена
10. Ефект заміщення й ефект доходу
11. Заміщення атому галогену іншими замісниками.
12. Заміщення сульфогрупи гідроксильною групою і іншими замісниками

Переглядів: 1994