Или смяна на напускащата група например. нуклеоф. заместване при сб. въглероден атом или ароматен. пръстен, нуклеоф. добавяне към карбонилна група или алкени и алкини, нуклеоф. заместване при карбонилния въглероден атом, нуклеоф. заместване при фосфорния атом.
Наиб. изучаван район n при kleo f. заместване въглероден атом:
R-ции от този тип обикновено се използват и за качества. и количества. дефиниции на понятия, характеризиращи нуклеофилни реакции.
В тези р-ции нуклеофилът е частицата X:, която осигурява орг. двойка електрони към субстрата. За групата Z, напускаща своята двойка електрони, името е прието. n u k l e o-f u g (от лат. nucleus-ядро и fugio-бягам). Относно скоростта и механизма на р-цията на ядрото. заместванията имат решаващо влияние върху нуклеоф. реакция способност (или нуклеофилity, "нуклеофилна сила") на реагент X:, nucleofuge rsakts. способността (или нуклеофугалността) на напускащата група Z:, естеството на субстрата и условията на р-ция (t-ra, p-разтворител, налягане и др.). Нуклеофилността, за разлика от основността, е кинетична стойност, а не термодинамична, т.е. количества. мярка на нуклеоф. реакция способността е константата на скоростта p-tion, а не константата на равновесието.
Има два ограничаващи случая на p-tions nucleof. заместване-мономол. процес S N 1 и бимолекулен (синхронен) S N 2:
Механизмът на нуклеоф. заместването значително зависи от природата на субстрата и p-разтворителя. По този начин процесите S N 1 се реализират в полярни p-разтворители (H 2 O, CH 3 OH, AsOH и др.), Които насърчават хетеролизата на C-Z връзката и в p-ции със субстрати, съдържащи третичен, алил или бензил атом C. S N 2 процесите са по-малко зависими от p-разтворител и Naib. характерни за субстрати с първичен С атом.
При мономол. процес първоначално под действието на р-разтворителя йонизацията на субстрата става с образуването на трикоординация. карбокатион и нуклеофуга (тази стъпка обикновено определя скоростта на целия процес), а след това следва бързата стъпка на свързване на карбокатиона с нуклеофила. В този случай атаката на нуклеофила е еднакво вероятна от двете страни и в случай на асиметрия. реакция център, обикновено се наблюдава образуването на рацемати. С бимол. процесът се формира петкоординатно. преходно състояние, а атаката на нуклеофила се извършва от страната, противоположна на изходящия заместител, което води до инверсия на конфигурацията, напр. T. Валденово преобразуване (виж Динамична стереохимия).
R-tion S N l обикновено има общ 1-ви ред; неговата скорост, като правило, не зависи от естеството на нуклеофила и неговата концентрация, но силно зависи от естеството на нуклеофуга и р-разтворителя. Кинетиката на p-tion S N 2 се описва от уравнението от 2-ри ред - първото по отношение на субстрата и първото по отношение на нуклеофила. Скоростта на p-tion в този случай зависи както от концентрацията, така и от химикала. природата на нуклеофила.
Известни са няколко. подходи към количествата. оценка на нуклеоф. реакция способност на реагент X: въз основа на корелация. отношения както в S N 2-, така и в S N 1-процеси. За р-ции S N 2 във вода или метанол макс. уравнението на Свен-Скот е широко използвано lg (k / k 0) \u003d S. n, където k и k 0 са съответно константите на скоростта на р-цията на субстрата. с дадения нуклеофил и вода, S е параметърът на чувствителността на субстрата към промените в нуклеофила (S = 1 за стандартния субстрат CH 3 Br) и е параметърът на нуклеофилността на реагента (Таблица 1).
Раздел. 1.-СТОЙНОСТ НА ПАРАМЕТЪРА НА НУКЛЕОФИЛНОСТ n ЗА НЯКОИ РЕАКТИВИ (вода, 25 °C)
За процеси от тип S N l корелацията е вярна. Уравнението на Ричи lg(k/k 0) = N + . Получава се чрез измерване на скоростите на р-ции, като се използват карбокатиони, стабилизирани от арилни заместители от трифенилметановата серия като субстрати.
Параметърът на нуклеофилност N + характеризира реакцията. способността на нуклеофила в определен p-разтворител; във вода стойностите на N + са близки до параметрите n.
Стойностите на параметрите на нуклеофилността могат да варират значително в зависимост от конкретната нуклеофилна реакция, но общата тенденция в нуклеофилността обикновено остава. И така, в почти всички нуклеофилни реакции OH - , CN - , RS - , I - и Br - се проявяват като силни нуклеофили, а H 2 O, CH 3 OH, F - , NO - 3 , SO 4 2- - като слаб .
Константите на скоростта на солволиза (според механизма S N 1) на един и същи тип субстрати, които се различават само по естеството на напускащата група, могат да служат като мярка за нуклеофугитност (Таблица 2).
Раздел. 2. ОТНОСИТЕЛНИ СКОРОСТИ НА СОЛВОЛИЗА
(k rel) НЯКОИ НАПУСКАЩИ ГРУПИ [субстрат-Ph(CH 3)CHZ в 80%
воден етанол, 75°C]
„Добрите“ нуклеофуги включват орг. сулфонат-(тозилат, мезилат, трифлат), флуоросулфат-(FSO - 3) и перхлоратни аниони (ClO - 4). Ковалентен орг. производните на тези аниони се използват широко като алкилиращи реагенти - изключително активни субстрати в нуклеофилни реакции. Още по-добри нуклеофуги са азотът от алкилдиазониевите соли (RN + 2), тривалентен йод (напр. група ICl 2), вода отпротонир. алкохол и етер от триалкилоксониеви соли; обаче алифатни субстратите, съдържащи тези групи в тяхната структура, обикновено са нестабилни при стайна температура и се използват само като активни междинни съединения, генерирани директно в реакцията. заобикаляща среда.
Има няколко дек. подходи към теоретичните тълкуване на понятията нуклеофилност и нуклеофугитност и оценка на факторите, влияещи върху тяхната величина. Основен фактори - основност (киселинност), поляризуемост, солватност. ефекти, величини на йонизационен и окислителен потенциал, стерични. и електростатични. ефекти, наличието на електронна двойка в атом, съседен на нуклеофа. център, силата на връзката с въглеродния атом. Трябва да се отбележи, че пряката корелация на нуклеофилността с к.-л. един от тези параметри обикновено отсъства, точно както няма корелация между нуклеофилност и нуклеофугитност; например, тиолатният анион RS е добър нуклеофил, но слаба основа и "лоша" напускаща група, хидроксидният анион HO е добра основа и нуклеофил, но лоша напускаща група. Анионите на най-силните k-t-хлорни и трифлуорометансулфонови киселини са добри нуклеофуги и в същото време са способни да проявяват нуклеофилни свойства.
Nucleof. заместване в алифатни редица от е изключително важно за орг. синтез, позволяващ целенасочено заместване на функ. групи, както и за конструиране на въглеродния скелет на молекулата чрез използване на С-нуклеофили (напр. органометални съединения).
N u k l e o f. заместването на ароматната серия (ароматно нуклеоф. заместване) обикновено е много трудно и може да протече според механизмите на "прикрепване-разцепване"или през интервала. образуване на дехидробензен (арино-виш механизъм):
В първия случай нуклеофилът първоначално е прикрепен към ароматния. субстрат с образуване на междинни. продукт (понякога стабилен - т.нар. комплекс на Майзенхаймер), разцепването на нуклезофуга от to-rogo води до крайния продукт на заместване. Електрон-оттеглящите заместители в ядрото (NO 2, COR, CN и др.) Стабилизират
Номенклатура:
1) заместване (систематично),
2) радикално-функционален.
За най-ниските и най-често срещаните представители са приемливи и тривиални имена, например флуороформ, хлороформ, бромоформ, йодоформ, халотан.
Структура и свойства
В зависимост от природата на халогена, от флуор до йод, полярността на връзката C–Halнамалява (тъй като електроотрицателността на халогена намалява), но поляризуемостта му се увеличава и дължината се увеличава (тъй като радиусът на халогенния атом се увеличава), докато силата на връзката намалява.
Тъй като поляризуемостта на връзката C–Iнай-големият, тогава когато йодалканите се разтварят в полярни разтворители, тази връзка лесно се поляризира до хетеролитично разкъсване, т.е. до хетеролитичното разпадане на йодалкана: Р–И® R++I- . В този случай химичните свойства на съединенията силно зависят от тяхната поляризуемост.
Реакции на нуклеофилно заместване
Нуклеофилни частици:
HO - , RO - , - NH2, F - , Кл - , бр - , аз - , CN - , Х - , - CH2-R
H2O, ROH, NH3, RNH2, RR¢ NH, H2S, RSH
Механизъм на бимолекулярно нуклеофилно заместване
Механизъм на мономолекулно заместване
където II е близка йонна двойка
III - свободна йонна двойка
IV и V - дисоциирани йони
Фактори, влияещи върху механизма и скоростта на нуклеофилното заместване
1. Влияние на структурата на субстрата.
бромометан бромоетан 2-бромопропан
Скорост S N 2 реакции:
,
Следователно високата скорост на реакциите на нуклеофилно заместване може да бъде характерна както за първичните, така и за третичните алкилхалиди.
В първия случай, поради лекотата на взаимодействие на S N 2-механизъм (свободен достъп до реакционния център, без пространствена пречка),
във втория - от S N 1-механизъм (лекота на дисоциация на субстрати, стабилност на получения карбокатион).
Вторичните алкилхалогениди в повечето случаи трябва да реагират по смесен механизъм и скоростта на реакцията им ще бъде сравнително ниска, тъй като има пречки пред протичането както на мономолекулно, така и на бимолекулно заместване.
2. Влияние на природата на нуклеофила.
3. Влияние на разтворители и катализатори.
4. Влияние на природата на напускащата група.
Примери за реакции на нуклеофилно заместване
1) Хидролиза на халоалкание превръщането им в алкохоли по схемата:
R-X + H 2 O® R-OH + HX
Механизъм на реакция: S N 1или S N 2 - определя се главно от структурата на субстрата, както и от други фактори. Например, алкална хидролиза на бромоетан ( S N 2-механизъм):
Киселинна хидролиза на 2-бромо-2-метилпропан ( S N 1-механизъм):
2) Алкохолиза на халоалкание взаимодействието на халоалкани с метални алкохолати ( Реакция на Уилямсън), което води до образуването на етери:
R Hal + R¢ -О - Na + ® R-O-R¢ + NaHal
Нуклеофилна частица - алкохолатен анион Р¢ -О - .
В същото време при синтеза на смесени естери (с различни РИ Р¢) необходимо е да се направи правилният избор на халоалкан и алкохолат ( RHalИ Р¢ -О- или Р¢ ХалИ R-O - - в зависимост от структурата на въглеводородните радикали), за да може реакцията да протече с най-висока скорост и възможността за образуване на алкен (появата на конкурентна реакция на елиминиране) ще бъде сведена до минимум.
3) Амонолиза на халоалкани- това е взаимодействието на халоалкани с амоняк, което води до производството на амини (или техни соли) - Хофманово алкилиране на амини
R-X + NH 3®[ R-NH 3]+ X - R-NH 2 + NH 4 X
4) Замяна на един халогенен атом с друг:
R-Br + I - ® R-I + Br -
Киселинната среда и протонните разтворители допринасят за заместването на флуорния атом,
и силно полярните апротонни разтворители, напротив, имат йодни атоми, тъй като нуклеофилността на халидните йони намалява в серията аз - >Бр - >Cl - >Ф -
5) Взаимодействие с цианиди- това е взаимодействието на халоалкани със соли на циановодородна киселина, което води до образуването на органични цианиди (нитрили) или изоцианиди. Цианидният йон е амбидентнуклеофил, тоест той е в състояние да покаже своите нуклеофилни свойства, както поради въглеродния атом, така и поради азотния атом:
- : ° Сº н® : C=N: -
Механизъм S N 1 - води до образуване на изоцианиди (изонитрили):
R++: C=N: - ® R-N=C:
Механизъм S N 2:
Това произвежда цианиди (нитрили).
6) Взаимодействие с нитрити.
Нитритният анион също е амбидентен нуклеофил.
Следователно реакцията му с халоалкани може да доведе или до нитросъединения, или до естери на азотиста киселина.
При нуклеофилно заместване нуклеофилът атакува субстратната молекула, осигурявайки й своите електрони за образуване на нова връзка. Електроните на разкъсаната връзка напускат заедно с освободения йон. Такива йонни реакции протичат предимно в течната фаза, тъй като разтворителят стабилизира получените йони чрез солватация, което е невъзможно в газовата фаза.
Нуклеофилното заместване позволява да се въведат в молекулата на органично съединение голям брой функционални групи, способни да действат като нуклеофили. Например:
Неутралните молекули също могат да действат като нуклеофили, например:
Примери за реакции, включващи етилбромид като субстрат, са дадени по-долу:
Характеристика на реакциите на нуклеофилно заместване е, че те са едни от най-разпространените в органичната химия и съответно едни от най-изследваните. По-специално, изследването на кинетиката на реакцията на нуклеофилно заместване. Химическата кинетика е изследване на промяната в концентрацията на реагенти или продукти във времето. Промяната се характеризира с времевата производна на концентрацията dc/dt. Установете връзката на производното с концентрациите на реагентите или, ако е необходимо, с концентрациите на продуктите.
Изследването на промяната в концентрацията на реагентите във времето при условията на реакцията на нуклеофилно заместване показа, че са възможни два случая:
В първия случай промяната в концентрацията е пропорционална само на концентрацията на субстрата dc/dt = K[алкил халид]
Във втория случай промяната в концентрацията е пропорционална на концентрацията на субстрата и концентрацията на нуклеофилната частица - dc/dt = K[алкилхалид]×[нуклеофил]
Механизмът, съответстващ на първия случай, се нарича мономолекулно нуклеофилно заместване и се означава S N 1 .
Механизмът, съответстващ на втория случай, се нарича бимолекулно нуклеофилно заместване и се обозначава S N 2
1.4.2. Механизъм S N 1. Мономолекулно заместване
По механизъм S N 1 например хидролиза трет-бутилбромид:
В механизма S N 1 разграничават следните етапи:
На първия етап халогенното производно се йонизира с образуването на карбокатион и бромиден йон. Този етап е ограничаващ скоростта и се характеризира с най-висока енергия на активиране:
Бромидният йон образува водородни връзки с водните молекули и по този начин се стабилизира. Полученият карбокатион също се стабилизира чрез разтворител. Но по-важна е стабилността на самия карбокатион. Той трябва да бъде стабилизиран чрез вътрешномолекулни електронни ефекти, т.нар. да бъде третичен или да е в конюгация с π-електронната система (да бъде резонансно стабилизиран).
На втория етап карбокатионът бързо взаимодейства с нуклеофила, по-специално с водата.
ядро, техният механизъм.
7.1. Заместване на водородни атоми.
Нуклеофилната атака на незаместения бензенов пръстен е много по-трудна от електрофилната, което се обяснява със следните причини:
1) π-електронният облак на бензеновото ядро отблъсква приближаващия нуклеофил (:Ну: -- );
2) π-електронната система на бензеновото ядро е много по-малко способна на делокализация и, следователно, на стабилизиране на два допълнителни електрона в отрицателно зареден комплекс (5C представлява 6e), отколкото в положително зареден Weland комплекс (5C - 4e) ;
3) в реакциите на нуклеофилно заместване на водород в бензеновия пръстен хидридният йон трябва да бъде изместен З: -- , който е силна основа и има голяма енергия, т.е. хидридният йон е слаба напускаща група за разлика от много по-добра напускаща група з + , по време на електрофилна атака:
сигма комплекс
сигма комплекс
Комплекс Юланд
Въпреки това, когато в бензеновото ядро се въвеждат заместители, привличащи електрони, електронната плътност в пръстена намалява до такава степен, че реакцията с нуклеофилни реагенти става възможна.
В този случай електрон-оттеглящ заместител (например нитро група) насочва нуклеофилната атака към орто и пара позициите, докато при реакциите на електрофилно заместване атаката настъпва към мета позицията и реакцията се забавя:
Други електрон-оттеглящи заместители ( −CN; -COH; −COR; -СООН; −COOR; −CCl 3 и др.) също повишават реактивността, но в по-малка степен от нитрогрупата.
Така например, когато нитробензенът се слее с КОН, се образуват орто-нитрофенол и малко количество пара-нитрофенол:
Атаката към орто позицията е по-предпочитана, тъй като индуктивният ефект на нитрогрупата, действаща на кратко разстояние, създава по-голям недостиг на електрони в орто позиция, отколкото в пара позиция.
механизъм на реакция
Могат да бъдат записани и други гранични структури, но най-важните са структурите 1c и 16, в които отрицателният заряд е върху въглеродния атом, директно свързан с групата НЕ 2 , тъй като в този случай е възможно да се напишат допълнителни гранични структури 1r и 3r за орто- и пара-позициите, в които отрицателният заряд се натрупва върху кислородния атом на нитрогрупата.
Това е възможно само ако атакуващата група ТОЙзаема орто или пара позиция по отношение на нитро групата.
Наличието на две и особено три нитро групи в мета позиция една спрямо друга допълнително насърчава реакциите с нуклеофилни реагенти.
Така например, когато мета-динитробензенът взаимодейства с алкали или с натриев амид, един от водородните атоми в орто или пара позиции се замества от групата оили при NH 2 :
Полученият конюгиран карбанион се стабилизира допълнително чрез увеличаване на броя на граничните структури поради конюгация с две нитро групи:
Симетричният тринитробензен реагира с алкали, за да образува пикринова киселина:
По този начин, заместването на водородния атом в ароматни съединения с нуклеофилни реагенти може да се извърши само ако тези съединения съдържат силни електрон-оттеглящи групи, които са в мета позиция една спрямо друга и насочват нуклеофилната атака към орто и пара позиции по отношение на тях.
Нуклеофилните реакции са хетеролитични реакции на органични съединения с нуклеофилни реагенти. Нуклеофилите включват аниони и молекули (органични и неорганични), които изразходват своята несподелена двойка електрони по време на реакцията, за да образуват нова връзка.
Скоростта и механизмът на S N реакцията се определят от:
Нуклеофилна способност (нуклеофилност) на реактив Y
Естество на субстрата
Нуклеофужен капацитет на напускащата група
Условия на реакцията
Нуклеофилността, за разлика от основността, е кинетична величина, а не термодинамична, т.е. количествената мярка за нуклеофилност е константата на скоростта на реакцията, а не константата на равновесието.
Има 2 ограничаващи случая S N:
сн. Квантово-химични представи
S N може да бъде представено като взаимодействие на HOMO на нуклеофила и LUMO на субстрата. Енергия на взаимодействие:
, са зарядите на реакционния център на нуклеофила Y и на въглеродния атом на субстрата, при който възниква атаката.
е разстоянието между реагиращите центрове.
е коефициентът на атомната орбитала на атом, принадлежащ към нуклеофил, който е нуклеофилен център, т.е. характеризира приноса на нуклеофилния атом към HOMO Y.
– характеризира приноса на въглеродния атом (електрофилен център) към LUMO на субстрата.
е промяната в резонансния интеграл, който характеризира ефективността на припокриване на HOMO Y и LUMO на субстрата.
, са енергиите на HOMO Y и LUMO на субстрата.
В случая на S N 1, когато катионът и анионът взаимодействат и реакционният център носи положителен заряд, кулоновият компонент и относителната реактивност на нуклеофилите се увеличават симбатно с тяхната основност. В този случай се казва, че реакцията протича под контрол на заряда.
Ситуацията е по-сложна в S N 2. В газовата фаза и апротонните разтворители, където солватацията на аниона е ниска и зарядът на нуклеофила е по-локализиран, също се наблюдава контрол на заряда. Въпреки това, в протонни разтворители (алкохоли), зарядът на нуклеофила е делокализиран в резултат на солватация. Зарядът в реакционния център също е малък. В този случай ролята на взаимодействието на Кулон е по-ниска и основният принос за енергията на взаимодействието се прави от орбиталния компонент. Твърди се, че реакцията протича под орбитален контрол. Наличието на донор в нуклеофила увеличава заряда на реакционния център, като по този начин увеличава приноса на компонента на заряда, в допълнение, въвеждането на донорен заместител води до известно увеличение на HOMO енергията на нуклеофила и, следователно, до увеличаване на орбиталния компонент. Че. въвеждането на ED в нуклеофилната молекула води до увеличаване на скоростта на реакцията. В поредицата от халогени като нуклеофили взаимодействието на Кулон намалява от флуор към йод, което е следствие от намаляване на локализацията на отрицателния заряд и увеличаване на разстоянието между атомите. В същото време орбиталното взаимодействие се увеличава, защото енергията на LUMO на халогените (HOMO) се увеличава.
За разлика от SE, където водородният атом обикновено е заместен, функционалните групи (халогени, сулфо-, нитро- и т.н.) се заместват в S N.