Материал: Травень В.Ф. - Органическая химия. В 3 т. Т. 2

CH3CH2Br + P(CH3)3 CH3CH2P(CH3)3Br

триметилфосфин триметилэтилфосфонийбромид

CH3CH2Br + S(C2H5)2 (C2H5)3SBr

диэтилсульфид триэтилсульфонийбромид

Все перечисленные реакции идут по типу нуклеофильного замещения у алифатического атома углерода. Кроме атомов галогена в галогеналканах, замещению в различных субстратах под действием нуклеофильных реагентов могут подвергаться и другие функциональные группы.

В самом общем виде реакции нуклеофильного замещения у sp3-гибриди- зованного атома углерода представляют следующей схемой:

δ δ

Nu + C XC Nu + X

Согласно этой схеме, нуклеофил Nu: со своей электронной парой замещает в субстрате группу Х, уходящую с электронной парой в виде аниона. К нуклеофильным реагентам относят все атомы или молекулы, которые являются донорами электронной пары при образовании связи с любым элементом, кроме водорода. Нуклеофильные реагенты различаются по признаку наличия или отсутствия у них отрицательного заряда (показаны лишь отдельные представители соответствующих нуклеофилов):

• нуклеофилы — отрицательно заряженные ионы

O

OH, I, CN, CH3 O, CH3C , Br, Cl, O

SH, NO3, SCN, N3 , NO2;

Реакции нуклеофильного замещения у алифатического атома углерода являются не только одними из самых распространенных в органической химии. Эти реакции также и наиболее изучены с точки зрения механизма. Чаще всего они протекают по одной из двух схем:

1)бимолекулярное нуклеофильное замещение (SN2);

2)мономолекулярное нуклеофильное замещение (SN1).

13.4.1.Бимолекулярное нуклеофильное замещение

Реакции SN2 протекают при действии на субстраты сильных нуклеофильных реагентов. Одним из характерных примеров реакции SN2 является щелочной гидролиз метилбромида:

В этой реакции гидроксид-ион (вступающая группа, нуклеофил) замещает анион брома (уходящая группа, нуклеофуг) в молекуле метилбромида (субстрат).

Механизм реакции SN 2

Скорость реакции SN2 описывается кинетическим уравнением второго порядка:

w = k2[CH3Br][ OH],

т.е. пропорциональна концентрации субстрата и нуклеофила.

Впереходном состоянии скоростьлимитирующей стадии гидролиза метилбромида участвуют две частицы: гидроксид-ион и метилбромид.

H

HO C + Br

H

H

HOCBr

H H

Рис. 13.1. Энергетическая диаграмма реакции SN2

Гидроксид-ион атакует атом углерода, имеющий частичный положительный заряд, со стороны, противоположной атому брома, т. е. «с тыла». Образование связи C–O и разрыв связи C–Br в переходном состоянии происходят одновременно.

Переходное состояние можно представить как активированный комплекс, в котором атом углерода частично связан со вступающей группой, а связь С–Br с уходящей группой еще не вполне разорвалась. Отрицательный заряд распределен между вступающей и уходящей группами. При этом

атом углерода остается незаряженным. Таким образом, реакция протекает как одностадийный синхронный процесс. Этот механизм объективно отража-

ется энергетической диаграммой, представленной на рис. 13.1.

Молекулярно-орбитальная модель реакции SN 2

Нуклеофил своей несвязывающей электронной парой атакует меньшую долю связывающей молекулярной орбитали, локализованной на связи С–Br.

≠

В активированном комплексе атом углерода переходит в состояние sp2- гибридизации, причем его негибридизованная р-орбиталь перекрывается как с ВЗМО нуклеофила, так и с ВЗМО уходящей группы — бромид-иона. После полного отрыва бромид-иона и образования связи с нуклеофилом атом углерода снова переходит в sp3-гибридное состояние.

Стереохимия реакций SN 2

Cтереохимический результат реакции SN2 иллюстрируется применением оптически активных субстратов, в которых галоген связан с хиральным атомом углерода. Как правило, реакции SN2 таких соединений протекают стереоспецифично со 100%-м обращением конфигурации (инверсия)*. Например, (R)-2-хлорбутан в ходе щелочного гидролиза дает (S)-2-бутанол:

Взаимодействие цис-3-метил-1-хлорциклопентана с гидроксид-ионом в условиях реакции SN2 дает еще один аргумент в пользу подхода нуклеофила с «тыла» по отношению к разрывающейся связи С–Cl. Это взаимодействие также сопровождается обращением конфигурации у атома C1 субстрата.

Задача 13.1. Завершите следующие реакции и укажите стереохимию продуктов.

ацетон

а) (R)-2-бромбутан + Р(CH3)3

HH

* Такой стереохимический результат называют вальденовским обращением. Это явление впервые обнаружил П. Вальден в 1895 г., однако только в 1930-е годы Э. Хьюз и К. Ингольд объяснили его.

Влияние природы растворителя на реакции SN 2

Общие сведения о влиянии растворителей на органические реакции приведены в разд. 1.11.4 (т. I). Для реакций SN2 наиболее важными свойствами являются полярность растворителя и его способность к образованию водо-

родных связей с реагирующими субстратами.

Неполярные растворители не растворяют основания и соли, которые часто выступают в роли нуклеофильных реагентов. Эти растворители (см. ниже) в реакциях нуклеофильного замещения применяют редко.

Солеобразные нуклеофильные реагенты лучше всего растворяются в воде, которая является полярным протонным растворителем. Однако в воде

плохо растворяется большинство органических соединений, в том числе галогенпроизводные. Поэтому часто применяют смеси растворителей (водный этанол, водный диоксан, водный ацетон).

Эффективными являются также полярные апротонные растворители, как правило, имеющие умеренную диэлектрическую проницаемость, но не способные к образованию водородных связей.