Документ: Травень В.Ф. - Органическая химия. В 3 т. Т. 2, страницы 221-225

13.4. Реакции

221

Влияние растворителя на скорость реакций SN2 зависит от характера нуклеофильного реагента (нейтральная молекула или анион), который определяет тип переходного состояния и, в частности, степень разделения зарядов в нем по сравнению с исходными реагентами.

Задача 13.2. При замене этанола на диметилсульфоксид в качестве растворителя скорость реакции 1,3-дихлорпропана с цианид-ионом изменяется в 1000 раз. В каком растворителе скорость реакции выше и почему?

Нуклеофильный реагент — нейтральная молекула

δ δ	δ δ	≠
NH3 + R X	H3N R X	R NH3 X

Переходное состояние в такой реакции более полярно, чем исходные соединения. Увеличение полярности растворителя приводит к лучшей сольватации переходного состояния и, следовательно, к росту скорости реакции. Эти реакции ускоряются полярными растворителями, как протонными (спирты, карбоновые кислоты), так и апротонными (ацетон, диметилсульфоксид).

Реакции алкилирования аминов представляют собой типичный пример реакций SN2, в которых в качестве нуклеофила выступают нейтральные молекулы. Такие реакции гладко протекают и в спиртах.

CH3CH2

Br + NH3

CH3CH2

NH3

Br

(спирт)

бромэтан

CH3CH2

Br + CH3NH2

Br

CH3CH2

NH2CH3

(спирт)

метиламин

CH3CH2

Br + (CH3)2NH

CH CH

NH(CH )

Br

диметиламин (спирт)

3

2

3 2

CH3CH2

Br + (CH3)3N

CH3CH2

N(CH3)3

Br

(спирт)

триметиламин

Реакции приводят к образованию солей алкиламинов, из которых соответствующее основание можно выделить действием более сильного основания, например:

CH CH NH CH				Br	NaOH	CH CH NHCH + NaBr + H O
CH CH NH CH				Br		CH CH NHCH + NaBr + H O
3	2	2	3		H2O	3	2	3	2
метилэтиламмоний-					H2O	метилэтиламин
метилэтиламмоний-						метилэтиламин

бромид

На практике алкилированием амина, как правило, получают смеси аминов разной степени замещения.

222

Глава 13. Галогенпроизводные алканов

Нуклеофильный реагент — анион

δ δ

δ

≠

Nu + R

X

Nu R X

R

Nu + X

Переходное состояние этой реакции менее полярно, чем исходные реагенты, поскольку в нем отрицательный заряд распределяется между входящим нуклеофилом и уходящим галогеном. Изменения в сольватирующих свойствах растворителей в таких реакциях сказываются прежде всего на активности нуклеофила.

Полярные апротонные растворители, как правило, хорошо растворяющие и соли, и органические соединения, наиболее часто применяют в реакциях SN2. Молекулы полярных апротонных растворителей способны специфически сольватировать катионы и не могут сольватировать анионы. Многие реакции SN2 проходят в таких растворителях (кривая 1) на несколько порядков быстрее, чем в неполярных (кривая 2 ). Эти закономерности влияния растворителя с участием заряженного нуклеофила иллюстрируются энергетической диаграммой, представленной на рис. 13.2.

Полярные протонные растворители за счет водородных связей сольватируют нуклеофил-анион и понижают тем самым его энергию и реакционную способность. Это приводит к росту свободной энергии активации G и к снижению скорости реакции.

					R
R	O	H		O
		H		O
		OH

	H						R
			H			O	R

В качестве примера нуклеофильного замещения с участием заряженного нуклеофила можно указать на реакции гидролиза и алкоголиза галогеналканов.

#

Рис. 13.2. Энергетическая диаграмма реакции SN 2 с участием заряженного нуклеофила: 1 — в полярном апротонном, 2 — в неполярном, 3 — в полярном протонном растворителе

13.4. Реакции

223

Щелочной гидролиз галогеналканов ведет к получению спиртов:

CH3CH2CH2Br	NaOH	CH3CH2CH2OH + NaBr
CH3CH2CH2Br	H2O + ацетон	CH3CH2CH2OH + NaBr
1-бромпропан		1-пропанол

Для реакции применяют только полярные растворители. При этом скорость реакции резко увеличивается при переходе от протонных растворителей к полярным апротонным:

спирт < ацетон < диметилсульфоксид.

Взаимодействие галогеналканов с алкоголятами и фенолятами натрия ведет к получению простых эфиров (реакция Вильямсона). В качестве растворителя возможно применение спирта и ацетона. Однако лучшими растворителями для этой реакции являются ДМФА и ДМСО.

CH3CH2Br + R

O Nа

CH3CH2

O

R + NaBr

этилбромид алкоксид-ион

простой эфир

CH3CH2CH2Br +

O Nа

O

CH2CH2CH3 + NaBr

1-бромпропан

феноксид-ион

фенилпропиловый эфир

Влияние строения субстрата в реакциях SN 2

В реакциях SN2 нуклеофил атакует атом углерода, связанный с галогеном, с пространственно наиболее доступной стороны, т. е. «с тыла». Наличие двух, а тем более трех алкильных групп у атома углерода создает пространственные затруднения атаке нуклеофила.

CH3

Nu

C X

CH3

Этот фактор приводит к тому, что реакционная способность галогеналканов в реакциях SN2 уменьшается в ряду:

галогенметаны > первичные галогеналканы > вторичные галогеналканы >> >> третичные галогеналканы.

Аллилгалогениды реагируют в реакциях SN2 несколько легче, чем первичные галогениды. Аналогично проявляют себя и бензилгалогениды.

224	Глава 13. Галогенпроизводные алканов

Реакции SN2 с участием аллил- и бензилгалогенидов ускоряются вследствие стабилизации переходного состояния, достигаемой сопряжением π-связи (или π-электронного облака бензольного кольца) с р-орбиталью, формирующейся на атоме углерода в переходном состоянии. Этот эффект сопряжения понижает энергию активации реакции SN2 и тем самым увеличивает ее скорость:

CH2

δ

CH2

OH

CH

H

CH

HO

Cδ

Br δ

HO

+ Br

C

H

δ Br

H

Однако наиболее активными субстратами в реакциях SN2 являются

α-галогенкарбонильные соединения:

O

X

R

RO

Ph

α-галогенкетоны

сложные эфиры α-галоген-

фенацил-

карбоновых кислот

галогениды

Ниже приводятся относительные скорости реакций ряда алкилхлоридов с KI в ацетоне при 50 °С

Алкил-хлорид

kотн.

Алкил-хлорид

kотн.

			Cl
CH3Cl		200
				200
	Cl	1
	Cl
		O	Cl	920
		O	Cl
		0,02	O
	Cl		O
	Cl
				Cl
				100 000

Cl 79

В α-галогенкарбонильных соединениях соседними являются две электроноакцепторные группы. Каждая из них имеет вакантную орбиталь с низкой энергией — π*(С=О) — и σ*(C—Х)-орбитали. Смешивание этих орбиталей формирует молекулярную НСМО (π* + σ*) с еще более низкой

13.4. Реакции

225

энергией. Нуклеофил стремится атаковать именно эту область, при этом приближение к карбонильной группе оказывается обратимым, а приближение к C—Х-связи — необратимым, т. е. ведет к замещению атома галогена.

Задача 13.3. Скорость реакции изопропилбромида с иодид-ионом условно принята за 1. Относительные скорости реакций циклоалкилбромидов имеют следующие значения: 1 • 10–4; 1,6; 1 • 10–2. Отнесите эти значения к циклобутил-, циклопентил- и циклопропилбромидам.

Влияние природы уходящей группы в реакциях SN 2

В ряду связей: C–F, C–Cl, C–Br, C–I реакционная способность в реакциях SN 2 возрастает, поскольку в этом ряду увеличиваются длина связи С– Х, ее поляризуемость, а также устойчивость уходящей группы — галоге- нид-иона.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ!

Устойчивость уходящей группы (или, как часто говорят, ее «качество» — хорошая или плохая*) повышается в ряду: F < Cl < Br < I , т. е. в соответствии с ростом силы соответствующей кислоты HX, а не в соответствии с полярностью связи C– X, которая снижается от C–F-связи к С–I-cвязи (сравни данные табл. 13.2).

Кислота HX	HF	HCl	HBr	HI
рKa	3,0	–7,0	–8,0	–10,0

Качество уходящей группы выражают и понятием нуклеофугность: хорошая уходящая группа отличается высокой нуклеофугностью, плохая — низкой нуклеофугностью.

Выше уже отмечалось, что перечень субстратов в реакциях SN2 не ограничивается галогеналканами. В качестве реакционноспособных субстратов в них выступают, в частности, эфиры сульфокислот.

CH3COONa + CH3 O О2S СH3 CH3COOCН3 + CH3SO2ONa

При этом группы RSO2O оказываются лучшими уходящими группами, поскольку являются сопряженными основаниями очень сильных алкилили арилсульфоновых кислот.

По аналогичным причинам наиболее плохие уходящие группы — гидро- ксид-ион ОН и амид-ион NH2. Будучи сопряженными основаниями очень слабых кислот, эти ионы отличаются высокими энергиями образования и крайне редко выступают в качестве уходящих групп.

* Хорошая уходящая группа способствует высокой скорости реакции SN2 субстрата, плохая уходящая группа служит причиной малой скорости реакции.

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

Смотрите также: