Eller ved å erstatte en avreisende gruppe, for eksempel. nukleof. utskifting kl. karbonatom eller aromatisk. ring, nukleofil tillegg til en karbonylgruppe eller alkener og alkyner, nukleof. substitusjon ved karbonylkarbonatomet, nukleof. substitusjon ved fosforatomet.
Naib. distriktene N u k l e o f er undersøkt. ERSTATNING AV METNING karbonatom:
Rasjoner av denne typen brukes vanligvis også for kvaliteter. og mengder. definisjoner av begreper som karakteriserer nukleofile reaksjoner.
I disse situasjonene er nukleofilen partikkel X:, som gir org. substrat et par elektroner. For gruppen Z som forlater med sitt elektronpar: navnet er akseptert. n u k le o-f u g (fra lat. kjerne - kjerne og fugio - løpe bort). Om hastigheten og mekanismen til nukleof r-sjonen. Substitusjoner har en avgjørende innflytelse på nukleofiler. reaksjon evne (eller nukleofility, "nukleofil kraft") av reagens X:, nukleofugal rsacc. evnen (eller nukleofugi) til den utgående gruppen Z:, substratets natur og forholdene til løsningen (temperatur, løsning, trykk, etc.). Nukleofilisitet, i motsetning til basicitet, er en kinetisk, ikke termodynamisk, mengde, dvs. mengde. mål på nukleof. reaksjon evne er tjent med hastighetskonstanten til strømmen, og ikke av likevektskonstanten.
Det er to begrensende tilfeller av nukleofile p-sjoner. substitusjon-monomol. prosess S N 1 og bimolekylær (synkron) S N 2:
Nukleofe mekanisme. substitusjon avhenger vesentlig av substratets og substratets natur. Således realiseres SN 1-prosesser i polare løsninger (H 2 O, CH 3 OH, AcOH, etc.), som fremmer heterolyse av C-Z-bindingen, og i løsninger med substrater som inneholder et tertiært, allylisk eller benzylatom C. S N 2-prosesser er mindre avhengig av p-reagenset og mest. karakteristisk for substrater med et primært C-atom.
Med monomol. I prosessen, i utgangspunktet, under påvirkning av et p-fast stoff, skjer ionisering av substratet med dannelse av tre-koordinater. karbokasjon og nukleofuge (dette trinnet bestemmer vanligvis hastigheten for hele prosessen), etterfulgt av et hurtigkoblingstrinn av karbokasjonen med nukleofilen. I dette tilfellet er angrepet av nukleofilen like sannsynlig på begge sider, og i tilfellet asymmetrisk. reaksjon senter, er dannelsen av racemater vanligvis observert. På bimol. prosess dannes en fem-koordinatstruktur. overgangstilstand, og angrepet av nukleofilen utføres fra siden motsatt av den utgående substituenten, noe som fører til en reversering av konfigurasjonen, for eksempel. såkalte Waldensk inversjon (se Dynamisk stereokjemi ).
Ordren S N l har vanligvis en total 1. ordre; dens hastighet avhenger som regel ikke av nukleofilens natur og dens konsentrasjon, men avhenger sterkt av kjernestoffets og p-restens natur. Kinetikken til S N 2-løsningen er beskrevet av en 2. ordens ligning - den første med hensyn til substratet og den første med hensyn til nukleofilen. Løsningens hastighet i dette tilfellet avhenger av både konsentrasjonen og kjemikaliet. nukleofilens natur.
Flere er kjent. tilnærminger til mengder. vurdering av nukleof. reaksjon evne til reagens X: basert på korrelasjon. relasjoner i både S N 2 og S N 1 prosesser. For løsninger S N 2 i vann eller metanol maks. Sven-Scott-ligningsloggen (k/k 0) = S er mye brukt. n, hvor k og k 0 er henholdsvis hastighetskonstantene til substratløsningen. med en gitt nukleofil og vann, er S sensitivitetsparameteren til substratet for en endring i nukleofilen (S = 1 for standardsubstratet CH 3 Br), og nukleofilisitetsparameteren til reagenset (tabell 1).
Bord 1.-VERDI AV NUKLEOFILISITETSPARAMETER n FOR NOEN REAGENSER (vann, 25 °C)
For prosesser av type S N l er korrelasjonen gyldig. Ritchie ligning log(k/k 0) = N + . Den ble oppnådd ved å måle reaksjonshastigheter ved å bruke karbokationer stabilisert av arylsubstituenter fra trifenylmetanserien som substrater.
Nukleofilisitetsparameteren N+ karakteriserer reaksjonen. evnen til en nukleofil i en bestemt løsning; i vann er verdiene til N + nær parametrene til p.
Verdiene av nukleofilisitetsparametrene kan variere markant avhengig av den spesifikke nukleofile reaksjonen, men den generelle trenden med endringer i nukleofilisitet forblir vanligvis den samme. I nesten alle nukleofile reaksjoner manifesterer OH - , CN - , RS - , I - og Br - seg som sterke nukleofiler, og H 2 O, CH 3 OH, F - , NO - 3, SO 4 2- - som svake .
Et mål på nukleofugi kan være hastighetskonstantene for solvolyse (fortsetter i henhold til S N 1-mekanismen) av substrater av samme type, som bare skiller seg i naturen til den avgående gruppen (tabell 2).
Bord 2. RELATIVE RATE KONSTANTER FOR SOLVOLYSE
(k rel) NOEN FORLAENDE GRUPPER [substrat-Ph(CH 3)CHZ i 80 %
vandig etanol, 75°C]
"Gode" nukleofuger inkluderer org. sulfonat (tosylat, mesylat, triflat), fluorsulfat (FSO - 3) og perkloratanioner (ClO - 4). Kovalent org. derivater av disse anionene er mye brukt som alkyleringsreagenser - ekstremt aktive substrater i nukleofile reaksjoner. Enda bedre nukleofugale partikler er nitrogen fra alkyldiazoniumsalter (RN + 2), treverdig jod (f.eks. IСl 2 gruppe), vann fraprotonir. alkohol og trialkyleternia-salter; dog alifatisk. substrater som inneholder disse gruppene i deres struktur er vanligvis ustabile ved romtemperatur og brukes bare som aktive mellomprodukter generert direkte i reaksjonen. miljø.
Det er flere diff. tilnærminger til teoretiske tolkning av begrepene nukleofilisitet og nukleofugi og vurdering av faktorer som påvirker deres verdi. Grunnleggende faktorer - basicitet (surhet), polariserbarhet, solvabilitet. effekter, størrelser på ionisering og oksidasjonspotensialer, steriske. og elektrostatisk effekter, tilgjengelighet elektronpar på atomet ved siden av nukleofilen. sentrum, styrken til bindingen med karbonatomet. Det skal bemerkes at den direkte korrelasjonen av nukleofilisitet med c.-l. en av disse parameterne er vanligvis ikke tilstede, og det er heller ingen sammenheng mellom nukleofilisitet og nukleofugi; for eksempel er tiolatanionet RS en god nukleofil, men en svak base og en "dårlig" utgående gruppe, hydroksydanionet HO er en god base og nukleofil, men en dårlig utgående gruppe. Anionene av de sterkeste klor- og trifluormetansulfonsyrene er gode nukleofuger og er samtidig i stand til å utvise nukleofile egenskaper.
Nucleof. substitusjon i alifatisk serie er ekstremt viktig for organisasjonen. syntese, som tillater målrettet utskifting av funksjoner. grupper, samt konstruere karbonskjelettet til molekylet ved å bruke C-nukleofiler (for eksempel organometalliske forbindelser).
N u c l e o f. Substitusjon av aromatiske serier (aromatisk nukleofil substitusjon) er vanligvis svært vanskelig og kan skje via "addisjons-eliminerings"-mekanismereller gjennom intervaller. dannelse av dehydrobenzen (arino-bush-mekanisme):
I det første tilfellet tilsettes nukleofilen først til den aromatiske forbindelsen. substrat med dannelse av mellomprodukter. produkt (noen ganger stabilt - det såkalte Meisenheimer-komplekset), spaltningen av nuclesofugen som fører til det endelige substitusjonsproduktet. Elektrontiltrekkende substituenter i kjernen (NO 2, COR, CN, etc.) stabiliserer seg
Nomenklatur:
1) erstatning (systematisk),
2) radikal-funksjonell.
For de lavere og vanligste representantene er trivielle navn også akseptable, for eksempel fluoroform, kloroform, bromoform, jodoform, fluorotan.
Struktur og egenskaper
Avhengig av arten av halogenet fra fluor til jod, polariteten til bindingen C–Hal avtar (siden elektronegativiteten til halogenet avtar), men polariserbarheten øker og lengden øker (siden radiusen til halogenatomet øker), og bindingsstyrken avtar.
Siden polariserbarheten til bindingen C–I er størst, så når jodalkaner er oppløst i polare løsningsmidler, polariseres denne bindingen lett opp til heterolytisk spaltning, det vil si til heterolytisk dissosiasjon av jodalkanen: R–I® R++I-. Dessuten avhenger de kjemiske egenskapene til forbindelser sterkt av deres polariserbarhet.
Nukleofile substitusjonsreaksjoner
Nukleofile partikler:
HO - ,RO - , - NH2, F - Cl - , Br - ,JEG - ,CN - , H - , - CH2-R
H20, ROH, NH3, RNH2, RR¢ NH, H2S, RSH
Mekanisme for bimolekylær nukleofil substitusjon
Mekanisme for monomolekylær substitusjon
hvor II er et nært ionepar
III - løst ionepar
IV og V - dissosierte ioner
Faktorer som påvirker mekanismen og hastigheten på nukleofil substitusjon
1. Påvirkning av substratstruktur.
brommetan brometan 2-brompropan
Hastighet S N 2-reaksjoner:
,
Derfor kan en høy grad av nukleofile substitusjonsreaksjoner være karakteristisk for både primære og tertiære alkylhalogenider.
I det første tilfellet - på grunn av den enkle interaksjonen via S N 2-mekanisme (fri tilgang til reaksjonssenteret, ingen sterisk hindring),
i den andre - av S N 1-mekanisme (lett substratdissosiasjon, stabilitet av den resulterende karbokasjonen).
Sekundære alkylhalogenider må i de fleste tilfeller reagere med en blandet mekanisme, og deres reaksjonshastighet vil være relativt lav, siden det er hindringer for både monomolekylær og bimolekylær substitusjon.
2. Påvirkning av nukleofilens natur.
3. Effekt av løsemidler og katalysatorer.
4. Påvirkning av den utgående gruppens natur.
Eksempler på nukleofile substitusjonsreaksjoner
1) Hydrolyse av haloalkaner- dette er deres transformasjon til alkoholer i henhold til ordningen:
R-X + H2O® R-OH + HX
Reaksjonsmekanisme: S N 1eller S N 2 - bestemmes hovedsakelig av strukturen til underlaget, så vel som andre faktorer. For eksempel alkalisk hydrolyse av brometan ( S N 2-mekanisme):
Syrehydrolyse av 2-brom-2-metylpropan ( S N 1-mekanisme):
2) Alkohollyse av haloalkaner- dette er interaksjonen mellom haloalkaner og metallalkoholater ( Williamson reaksjon), som fører til dannelsen av etere:
R-Hal + R¢ -O - Na+®R-O-R¢ + NaHal
Nukleofil partikkel - alkoholat anion R¢ -O - .
Dessuten, under syntesen av blandede estere (med forskjellige R Og R¢) det er nødvendig å gjøre det riktige valget av haloalkan og alkoholat ( RHal Og R¢ -O- eller R¢ Hal Og R-O - - avhengig av strukturen til hydrokarbonradikaler), slik at reaksjonen fortsetter med høyeste hastighet, og muligheten for alkendannelse (forekomsten av en konkurrerende eliminasjonsreaksjon) minimeres.
3) Ammonolyse av haloalkaner- dette er interaksjonen mellom haloalkaner og ammoniakk, som fører til produksjon av aminer (eller deres salter) - alkylering av aminer ifølge Hoffmann
R-X + NH 3®[ R-NNH 3]+ X - R-NH 2 + NH 4 X
4) Bytte ut ett halogenatom med et annet:
R-Br+I - ® R-I + Br -
Et surt miljø og protiske løsningsmidler fremmer erstatningen av fluoratomet,
og svært polare aprotiske løsningsmidler har tvert imot et jodatom, siden nukleofilisiteten til halogenidioner avtar i serien Jeg - >Br - >Cl - >F -
5) Interaksjon med cyanid er samspillet mellom haloalkaner og blåsyresalter, som fører til dannelsen av organiske cyanider (nitriler) eller isocyanider. Cyanidion er ambiente en nukleofil, det vil si at den er i stand til å vise sine nukleofile egenskaper, både på grunn av karbonatomet og nitrogenatomet:
- : Cº N® : C=N: -
Mekanisme S N 1 - fører til dannelse av isocyanider (isonitriler):
R++: C=N: - ® R-N=C:
Mekanisme S N 2:
Dette produserer cyanider (nitriler).
6) Interaksjon med nitritter.
Nitrittanionet er også en omgivende nukleofil.
Derfor kan dets interaksjon med haloalkaner føre til enten nitroforbindelser eller salpetersyreestere.
Ved nukleofil substitusjon angriper nukleofilen substratmolekylet og gir det elektronene for å danne en ny binding. Elektronene i den brytende bindingen forlater sammen med det frigjorte ionet. Slike ioniske reaksjoner skjer hovedsakelig i væskefasen, siden løsningsmidlet stabiliserer de resulterende ionene gjennom solvatisering, noe som er umulig i gassfasen.
Nukleofil substitusjon tillater innføring i molekylet av en organisk forbindelse av et stort antall funksjonelle grupper som kan fungere som nukleofiler. For eksempel:
Nøytrale molekyler kan også fungere som nukleofiler, for eksempel:
Eksempler på reaksjoner som involverer etylbromid som et substrat er gitt nedenfor:
Et spesielt trekk ved nukleofile substitusjonsreaksjoner er at de er en av de vanligste i organisk kjemi, og følgelig en av de mest studerte. Spesielt studiet av kinetikken til nukleofile substitusjonsreaksjoner. Kjemisk kinetikk er studiet av endringer i konsentrasjonen av reaktanter eller produkter over tid. Endringen er karakterisert ved den deriverte av konsentrasjon over tid dc/dt. Etabler forholdet mellom derivatet og konsentrasjonene av reaktantene eller, om nødvendig, med konsentrasjonene av produktene.
En studie av endringer i konsentrasjonen av reagenser over tid under betingelsene for en nukleofil substitusjonsreaksjon viste at to tilfeller er mulige:
I det første tilfellet er endringen i konsentrasjon kun proporsjonal med konsentrasjonen av substratet dc/dt = K[alkylhalogenid]
I det andre tilfellet er endringen i konsentrasjon proporsjonal med konsentrasjonen av substratet og konsentrasjonen av den nukleofile partikkelen - dc/dt = K[alkylhalogenid]×[nukleofil]
Mekanismen som tilsvarer det første tilfellet kalles monomolekylær nukleofil substitusjon og er betegnet S N 1 .
Mekanismen som tilsvarer det andre tilfellet kalles bimolekylær nukleofil substitusjon og er utpekt S N 2
1.4.2. Mekanisme S N 1. Monomolekylær substitusjon
Etter mekanisme S N 1 for eksempel forekommer hydrolyse gnir-butylbromid:
I mekanismen S N 1 Følgende stadier skilles ut:
I det første trinnet ioniseres halogenderivatet for å danne et karbokation- og bromidion. Dette stadiet er hastighetsbegrensende og er preget av den høyeste aktiveringsenergien:
Bromidionet danner hydrogenbindinger med vannmolekyler og stabiliseres derved. Det resulterende karbokatet stabiliseres også ved løsningsmiddelløsning. Men stabiliteten til selve karbokasjonen er av større betydning. Det må stabiliseres av intramolekylære elektroniske effekter, den såkalte. være tertiær eller være i forbindelse med et π-elektronsystem (være resonansstabilisert).
I det andre trinnet oppstår en rask interaksjon av karbokatet med en nukleofil, spesielt med vann.
kjernen, deres mekanisme.
7.1. Substitusjon av hydrogenatomer.
Det nukleofile angrepet av den usubstituerte benzenringen er mye vanskeligere enn det elektrofile angrepet, som forklares av følgende grunner:
1) π-elektronskyen til benzenringen frastøter den nærmer seg nukleofilen (:Nu: -- );
2) π-elektronsystemet til benzenringen er mye mindre i stand til å delokalisere, og følgelig stabilisere to ekstra elektroner i et negativt ladet kompleks (5C står for 6e) enn i det positivt ladede Ueland-komplekset (5C - 4e) ;
3) i reaksjoner med nukleofil substitusjon av hydrogen i benzenringen, må hydridionet fortrenges N: -- , som er en sterk base og har stor energi, dvs. Hydridionet er en dårlig utgående gruppe i motsetning til en mye bedre utgående gruppe N + , under et elektrofilt angrep:
sigma kompleks
sigma kompleks
Ueland kompleks
Men når elektrontiltrekkende substituenter introduseres i benzenringen, reduseres elektrontettheten i ringen så mye at reaksjon med nukleofile reagenser blir mulig.
I dette tilfellet dirigerer den elektrontiltrekkende substituenten (for eksempel en nitrogruppe) det nukleofile angrepet til orto- og paraposisjonene, mens i elektrofile substitusjonsreaksjoner skjer angrepet til metaposisjonen og reaksjonen bremses ned:
Andre elektrontiltrekkende substituenter ( −CN; −COH; −COR; −COOH; −COOR; −CCl 3 etc.) øker også reaktiviteten, men i mindre grad enn nitrogruppen.
For eksempel, når nitrobenzen er smeltet sammen med KOH, dannes orto-nitrofenol og en liten mengde para-nitrofenol:
Et angrep i ortoposisjonen er å foretrekke, siden den induktive effekten av nitrogruppen, som virker på kort avstand, skaper større mangel på elektroner i orto enn i paraposisjon.
Reaksjonsmekanisme
Andre grensestrukturer kan skrives, men de viktigste er strukturene 1v og Shb, der den negative ladningen ligger på karbonatomet direkte bundet til gruppen NEI 2 , siden det i dette tilfellet er mulig å skrive ytterligere grensestrukturer 1r og 3r for orto- og paraposisjonene, der en negativ ladning akkumuleres på oksygenatomet til nitrogruppen.
Dette er bare mulig hvis den angripende gruppen HAN inntar en orto- eller paraposisjon i forhold til nitrogruppen.
Tilstedeværelsen av to og spesielt tre nitrogrupper i en metaposisjon i forhold til hverandre fremmer ytterligere reaksjoner med nukleofile reagenser.
For eksempel, når meta-dinitrobenzen reagerer med et alkali eller med natriumamid, erstattes et av hydrogenatomene i orto- eller para-posisjoner med en gruppe ÅH, eller på N.H. 2 :
Det resulterende konjugerte karbanionen stabiliseres ytterligere på grunn av en økning i antall grensestrukturer på grunn av konjugering med to nitrogrupper:
Symmetrisk trinitrobenzen reagerer med alkali for å danne pikrinsyre:
Dermed, Utskifting av et hydrogenatom i aromatiske forbindelser med nukleofile reagenser kan bare utføres hvis disse forbindelsene inneholder sterke elektrontiltrekkende grupper som er i en metaposisjon i forhold til hverandre og retter det nukleofile angrepet til orto- og paraposisjonene i forhold til dem. .
Nukleofile reaksjoner er heterolytiske reaksjoner av organiske forbindelser med nukleofile reagenser. Nukleofiler inkluderer anioner og molekyler (organiske og uorganiske) som under en reaksjon bruker sitt ensomme elektronpar for å danne en ny binding.
Hastigheten og mekanismen til S N-reaksjonen bestemmes av:
Nukleofilisitet (nukleofilisitet) til reagens Y
Underlagets natur
Nukleofugisk evne til å forlate gruppen
Reaksjonsforhold
Nukleofilisitet, i motsetning til basicitet, er en kinetisk og ikke termodynamisk størrelse, dvs. Det kvantitative målet på nukleofilisitet er reaksjonshastighetskonstanten, ikke likevektskonstanten.
Det er 2 begrensende tilfeller av S N:
Sn. Kvantekjemiske konsepter
S N kan betraktes som interaksjonen mellom HOMO av nukleofilen og LUMO av substratet. Interaksjonsenergi:
, – ladninger på reaksjonssenteret til nukleofil Y og karbonatomet til substratet der angrepet utføres.
– avstand mellom reagerende sentre.
– koeffisient for atombanen til et atom som tilhører en nukleofil, som er et nukleofilt senter, dvs. karakteriserer bidraget til det nukleofile atomet til HOMO Y.
– karakteriserer bidraget fra karbonatomet (elektrofilt senter) til LUMO av substratet.
– endring i resonansintegralet, som karakteriserer effektiviteten av overlapping av HOMO Y og LUMO til underlaget.
, – energiene til HOMO Y og LUMO til underlaget.
Når det gjelder S N 1, når interaksjonen mellom et kation og et anion oppstår og reaksjonssenteret har en positiv ladning, er den avgjørende faktoren Coulomb-komponenten og den relative reaktiviteten til nukleofiler øker symbatisk med deres basicitet. I dette tilfellet sies reaksjonen å skje under ladningskontroll.
Situasjonen er mer kompleks i S N 2. I gassfasen og aprotiske løsningsmidler, hvor solvatiseringen av anionet er liten og ladningen på nukleofilen er mer lokalisert, observeres også ladningskontroll. Men i protiske løsningsmidler (alkoholer) blir ladningen på nukleofilen delokalisert som et resultat av solvatisering. Ladningen på reaksjonssenteret er også liten. I dette tilfellet er rollen til Coulomb-interaksjonen lavere og hovedbidraget til interaksjonsenergien er laget av orbitalkomponenten. De sier at reaksjonen skjer under orbital kontroll. Tilstedeværelsen av en donor i nukleofilen øker ladningen på reaksjonssenteret, og øker derved bidraget til ladningskomponenten; i tillegg fører introduksjonen av en donorsubstituent til en liten økning i HOMO-energien til nukleofilen, og følgelig, til en økning i orbitalkomponenten. At. introduksjonen av ED i det nukleofile molekylet fører til en økning i reaksjonshastigheten. I rekken av halogener som nukleofiler avtar Coulomb-interaksjonen fra fluor til jod, som er en konsekvens av en reduksjon i lokaliseringen av den negative ladningen og en økning i avstanden mellom atomene. Samtidig øker orbital interaksjon, pga LUMO-energien til halogener (HOMO) øker.
I motsetning til SE, hvor et hydrogenatom vanligvis er gjenstand for substitusjon, erstattes i S N funksjonelle grupper (halogener, sulfo-, nitro-, etc.).