Или замещением уходящей группы,
напр. нуклеоф. замещение у насыщ. атома углерода или в ароматич. кольце, нуклеоф.
присоединение к карбонильной группе или алкенам и алкинам , нуклеоф. замещение
у карбонильного атома углерода , нуклеоф. замещение у атома фосфора .
Наиб. изучены р-ции н у
к л е о ф. з а м е щ е н и я у н а с ы щ. а т о м а у г л е р о д а:
Р-ции такого типа обычно
используют также для качеств. и количеств. определения понятий, характеризующих
нуклеофильные реакции .
В этих р-циях нуклеофилом
является частица X:, предоставляющая орг. субстрату пару электронов . Для уходящей
со своей парой электронов группы Z: принято назв. н у к л е о-ф у г (от лат.
nucleus-ядро и fugio-убегаю). На скорость и механизм р-ции нуклеоф. замещения
определяющее влияние оказывают нуклеоф. реакц. способность (или нуклеофиль
ность,
"нуклеофильная сила") реагента X:, нуклеофугная рсакц. способность
(или нуклеофугность) уходящей группы Z:, природа субстрата и условия р-ции (т-ра,
р-ритель, давление и т. д.). Нуклеофильность, в отличие от основности, является
величиной кинетической, а не термодинамической, т. е. количеств. мерой нуклеоф.
реакц. способности служит константа скорости р-ции, а не константа равновесия .
Различают два предельных
случая р-ций нуклеоф. замещения-мономол. процесс S N 1 и
бимолекулярный (синхронный) S N 2:
Механизм нуклеоф. замещения
существенно зависит от природы субстрата и р-рителя. Так, процессы S N 1
реализуются в полярных р-рителях (Н 2 О, СН 3 ОН, АсОН
и др.), способствующих гетеролизу связи С-Z, и в р-циях с субстратами , содержащими
третичный, аллильный или бен-зильный атом С. Процессы S N 2
в меньшей степени зависят от р-рителя и наиб. характерны для субстратов
с первичным атомом С.
При мономол. процессе первоначально
под действием р-рителя происходит ионизация субстрата с образованием трехкоординац.
карбкатиона и нуклеофуга (эта стадия обычно определяет скорость всего процесса),
а затем следует быстрая стадия связывания карбкатиона с нуклеофилом. При этом
атака нуклеофила равновероятна с обеих сторон, и в случае асимметрич. реакц.
центра обычно наблюдается образование рацематов . При бимол. процессе образуется
пятикоординац. переходное состояние, причем атака нуклеофила осуществляется
со стороны, противоположной уходящему заместителю, что приводит к обращению
конфигурации, напр. т. наз. вальденовское обращение (см. Динамическая стереохимия).
Р-ция S N l
обычно имеет суммарный 1-й порядок; скорость ее, как правило, не зависит
от природы нуклеофила и его концентрации , но сильно зависит от природы нуклеофуга
и р-рителя. Кинетика р-ции S N 2 описывается ур-нием
2-го порядка - первого по субстрату и первого по нуклеофилу. Скорость р-ции
в этом случае зависит как от концентрации , так и от хим. природы нуклеофила.
Известно неск. подходов
к количеств. оценке нуклеоф. реакц. способности реагента X: на основе корреляц.
соотношений как в S N 2-, так и S N 1-процессах.
Для р-ций S N 2 в воде или метаноле наиб. широко применяют
ур-ние Свена-Скотта lg (k/k 0) = S . n,
где k и k 0 -константы скорости р-ции субстрата соотв.
с данным нуклеофилом и водой , S- параметр чувствительности субстрата
к изменению нуклеофила (S = 1 для стандартного субстрата-СН 3 Вr),
и-параметр нуклеофильности реагента (табл. 1).
Табл.
1.-ЗНАЧЕНИЕ
ПАРАМЕТРА НУКЛЕОФИЛЬНОСТИ п ДЛЯ НЕКОТОРЫХ РЕАГЕНТОВ (вода , 25 °С)
Для процессов типа S N l
справедливо корреляц. ур-ние Ритчи lg(k/k 0) = N + .
Оно получено измерением скоростей р-ций с использованием в качестве субстратов
карбкатио-нов, стабилизированных арилъными заместителями три-фенилметанового
ряда.
Параметр нуклеофильности
N + характеризует реакц. способность нуклеофила в определенном р-рителе;
в воде величины N + близки к параметрам п.
Величины параметров нуклеофильности
могут заметно меняться в зависимости от конкретной нуклеофильной реакции , однако общая тенденция
изменения нуклеофильности обычно сохраняется. Так, практически во всех нуклеофильных реакциях
ОН - , CN - , RS - , I - и Вr - проявляют
себя как сильные нуклеофилы, а Н 2 О, СН 3 ОН, F - ,
NO - 3 , SО 4 2- -как слабые.
Мерой нуклеофугности могут
служить константы скорости сольволиза (протекающего по механизму S N 1)
однотипных субстратов , отличающихся лишь природой уходящей группы (табл.
2).
Табл.
2. ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ
КОНСТАНТЫ СКОРОСТИ СОЛЬВОЛИЗА
(k отн)
НЕКОТОРЫХ УХОДЯЩИХ ГРУПП [субстрат-Ph(CH 3)CHZ в 80%-ном
водном
этаноле , 75°С]
К "хорошим"
нуклеофугам относят орг. сульфонат-(този-лат, мезилат, трифлат), фторсульфат-(FSО - 3)
и перхлорат-анионы(СlO - 4). Ковалентные орг. производные
этих анионов широко используют в качестве алкилирующих реагентов-чрезвычайно
активных субстратов в нуклеофильных реакциях . Еще более хорошие нуклеофугные частицы-азот из алкилдиазониевых
солей (RN + 2), трехвалентный иод (напр., группа IСl 2),
вода из
протонир.
спирта
и простой эфир из триалкилоксо
ниевых
солей ;
однако алифатич. субстраты , содержащие в своей структуре эти группы, при комнатной
т-ре обычно неустойчивы и используются лишь в качестве активных интермедиатов ,
генерируемых непосредственно в реакц. среде.
Существует неск. разл.
подходов к теоретич. интерпретации понятий нуклеофильности и нуклеофугности
и к оценке факторов, влияющих на их величину. Осн. факторы - основность (кислотность),
поляризуемость , сольватац. эффекты, величины потенциалов ионизации и окисления ,
стерич. и электростатич. эффекты, наличие своб. электронной пары у атома , соседнего
с нуклеоф. центром, прочность связи с атомом углерода . Следует отметить, что
прямой корреляции нуклеофильности с к.-л. одним из этих параметров обычно нет,
как нет и корреляции между нуклеофильностью и нуклеофугностью; напр., тиолят-анион
RS - -хороший нуклеофил, но слабое основание и "плохая"
уходящая группа, гидроксид-анион НО - -хорошее основание и нуклеофил,
но плохая уходящая группа. Анионы самых сильных к-т-хлорной и трифторметансульфоновой
- хорошие нуклеофу-ги и в то же время способны проявлять нуклеофильные свойства.
Нуклеоф. замещение в алифатич.
ряду имеет исключительно важное значение для орг. синтеза, позволяя целенаправленно
заменять функц. группы, а также конструировать углеродный скелет молекулы путем
использования С-нуклеофилов (напр., металлоорг. соединений).
Н у к л е о ф. з а м е
щ е н и е в а р о м а т и ч. р я д у (ароматич. нуклеоф. замещение) обычно сильно
затруднено и может протекать по механизмам "присоединение - отщепление"
или через промежут.
образование дегидробензола (арино-вьш механизм):
В первом случае первоначально происходит присоединение нуклеофила к ароматич. субстрату с образованием промежут. продукта (иногда стабильного - т. наз. комплекс Майзенхаймера), отщепление нуклсофуга от к-рого приводит к конечному продукту замещения. Электроноакцеп-торные заместители в ядре (NO 2 , COR, CN и др.) стабилизируют
Номенклатура:
1) заместительная (систематическая),
2) радикало-функциональная.
Для низших и наиболее распространённых представителей приемлемыми являются и тривиальные названия, например, фтороформ, хлороформ, бромоформ, йодоформ, фторотан.
Строение и свойства
В зависимости от природы галогена от фтора к йоду полярность связи C–Hal уменьшается (так как уменьшается электроотрицательность галогена), но возрастает её поляризуемость и увеличивается длина (так как увеличивается радиус атома галогена), а прочность связи при этом уменьшается.
Так как поляризуемость связи C–I наибольшая, то при растворении йодоалканов в полярных растворителях эта связь легко поляризуется вплоть до гетеролитического разрыва, то есть до гетеролитической диссоциации йодоалкана: R–I ® R + + I - . При этом химические свойства соединений сильно зависят от их поляризуемости.
Реакции нуклеофильного замещения
Нуклеофильные частицы:
HО - , RO - , - NH 2 , F - , Cl - , Br - , I - , CN - , H - , - CH 2 -R
H 2 O, ROH, NH 3 , RNH 2 , RR ¢NH, H 2 S, RSH
Механизм бимолекулярного нуклеофильного замещения
Механизм мономолекулярного замещения
где II - тесная ионная пара
III - рыхлая ионная пара
IV и V - диссоциированные ионы
Факторы, влияющие на механизм и скорость нуклеофильного замещения
1. Влияние структуры субстрата .
бромметан бромэтан 2-бромпропан
Скорость S N 2-реакции:
,
Поэтому высокая скорость реакций нуклеофильного замещения может быть характерна и для первичных, и для третичных алкилгалогенидов .
В первом случае - за счёт лёгкости взаимодействия по S N 2-механизму (свободный доступ реакционного центра, нет стерических препятствий),
во втором - по S N 1-механизму (лёгкость диссоциации субстратов, стабильность образующегося карбокатиона).
Вторичные алкилгалогениды в большинстве случаев должны реагировать по смешанному механизму, причём скорость реакций у них будет относительно небольшой, так как есть препятствия для протекания и мономолекулярного, и бимолекулярного замещения.
2. Влияние природы нуклеофила.
3. Влияние растворителей и катализаторов.
4. Влияние природы уходящей группы.
Примеры реакций нуклеофильного замещения
1) Гидролиз галогеналканов - это превращение их в спирты по схеме:
R-Х + H 2 O ® R-OH + HХ
Механизм реакции: S N 1или S N 2 - определяется, в основном, структурой субстрата, а также другими факторами. Например, щелочной гидролиз бромэтана (S N 2-механизм):
Кислотный гидролиз 2-бром-2-метилпропана (S N 1-механизм):
2) Алкоголиз галогеналканов - это взаимодействие галогеналканов с алкоголятами металлов (реакция Вильямсона ), приводящее к образованию простых эфиров:
R-Hal + R ¢-O - Na + ® R-O-R ¢ + NaHal
Нуклеофильная частица - алкоголят-анион R ¢-O - .
При этом при синтезе смешанных эфиров (с разными R и R ¢) необходимо осуществить правильный выбор галогеналкана и алкоголята (RHal и R ¢-O - или R ¢Hal и R-O - - в зависимости от структуры углеводородных радикалов) для того, чтобы реакция протекала с наибольшей скоростью, а возможность образования алкена (протекание конкурирующей реакции отщепления) была бы сведена к минимуму .
3) Аммонолиз галогеналканов - это взаимодействие галогеналканов с аммиаком, приводящее к получению аминов (или их солей) - алкилирование аминов по Гофману
R-Х + NН 3 ®[R-NН 3 ] + Х - R-NН 2 + NН 4 Х
4) Замена одного атома галогена на другой :
R-Br + I - ® R-I + Br -
Кислая среда и протонные растворители способствуют замещению атома фтора,
а высокополярные апротонные растворители, наоборот, атома йода, так как нуклеофильность галогенид-ионов уменьшается в ряду I - >Br - >Cl - >F -
5) Взаимодействие с цианидами - это взаимодействие галогеналканов с солями синильной кислоты, приводящее к образованию органических цианидов (нитрилов) или изоцианидов. Цианид-ион является амбидентным нуклеофилом, то есть, способен проявлять свои нуклеофильные свойства, как за счёт атома углерода, так и за счёт атома азота:
- : C ºN ®: C=N : -
Механизм S N 1 - приводит к образованию изоцианидов (изонитрилов):
R + + : C=N : - ® R-N=С :
Механизм S N 2:
При этом образуются цианиды (нитрилы).
6) Взаимодействие с нитритами.
Нитрит-анион также является амбидентным нуклеофилом.
Поэтому его взаимодействие с галогеналканами может привести либо к нитросоединениям, либо к эфирам азотистой кислоты.
При нуклеофильном замещении нуклеофил атакует молекулу субстрата, предоставляя ей для образования новой связи свои электроны. Электроны разрывающейся связи уходят вместе с освобождающимся ионом. Такие ионные реакции идут преимущественно в жидкой фазе, поскольку растворитель стабилизирует образующиеся ионы за счет сольватации, что невозможно в газовой фазе.
Нуклеофильное замещение позволяет вводить в молекулу органического соединения большое количество функциональных групп, способных выступать в роли нуклеофилов. Например:
В роли нуклеофилов могут выступать и нейтральные молекулы, например:
Примеры реакций с участием бромистого этила, в качестве субстрата, приведены ниже:
Особенностью реакций нуклеофильного замещения является то, что они одни из самых распространенных в органической химии, а соответственно одни из самых изученных. В частности изучение кинетики реакции нуклеофильного замещения. Химическая кинетика - это изучение изменения концентрации реагентов или продуктов во времени. Изменение характеризуется производной концентрации по времени dc/dt. Устанавливают взаимосвязь производной с концентрациями реагентов или, при необходимости, с концентрациями продуктов.
Изучение изменения концентрации реагентов во времени в условиях реакции нуклеофильного замещения показало, что возможны два случая:
В первом случае изменение концентрации пропорционально только концентрации субстрата dc/dt = К[галоидный алкил]
Во втором случае изменение концентрации пропорционально концентрации субстрата и концентрации нуклеофильной частицы - dc/dt = К[галоидный алкил]×[нуклеофил]
Механизм, соответствующий первому случаю назван мономолекулярным нуклеофильным замещением и обозначается S N 1 .
Механизм, соответствующий второму случаю назван бимолекулярным нуклеофильным замещением и обозначается S N 2
1.4.2. Механизм S N 1 . Мономолекулярное замещение
По механизму S N 1 , например протекает гидролиз трет -бутилбромида:
В механизме S N 1 различают следующие стадии:
На первой стадии происходит ионизация галогенопроизводного с образованием карбкатиона и бромид-иона. Эта стадия является скоростьлимитирующей и характеризуется наиболее высокой энергией активации:
Бромид-ион образует с молекулами воды водородные связи и тем самым стабилизируется. Образующийся карбкатион также стабилизируется сольватацией растворителем. Но большее значение имеет стабильность самого карбкатиона. Он должен быть стабилизирован внутримолекулярными электронными эффектами, т.н. быть третичным или находиться в сопряжении с π-электронной системой (быть резонансно-стабилизированным).
На второй стадии происходит быстрое взаимодействие карбкатиона с нуклеофилом, в частности с водой.
ядре, их механизм.
7.1. Замещение атомов водорода.
Нуклеофильная атака незамещенного бензольного ядра протекает гораздо труднее, чем электрофильная, что объясняется следующими причинами:
1) π-электронное облако бензольного ядра отталкивает приближающийся нуклеофил (:Nu: -- );
2) π-электронная система бензольного ядра гораздо менее способна к делокализации, а, следовательно, и к стабилизации двух лишних электронов в отрицательно заряженном комплексе (на 5С приходится 6е), чем в положительно заряженном комплексе Уэланда (на 5С - 4е);
3) в реакциях нуклеофильного замещения водорода в бензольном кольце должен вытесняться гидрид-ион Н: -- , который является сильным основанием и обладает большой энергией, т.е. гидрид-ион является плохой уходящей группой в отличие от гораздо лучшей уходящей группы Н + , при электрофильной атаке:
cигма-комплекс
сигма-комплекс
комплекс Уэланда
Однако, при введении электроноакцепторных заместителей в бензольное ядро электронная плотность в кольце понижается настолько, что реакция с нуклеофильными реагентами становится возможной.
При этом электроноакцепторный заместитель (например, нитрогруппа) направляет нуклеофильную атаку в орто- и пара-положения, тогда как в реакциях электрофильного замещения атака происходит в мета-положение и реакция замедляется:
Другие электроноакцепторные заместители (−CN; −COH; −COR; −COOH; −COOR; −CCl 3 и др.)также повышают реакционную способность, но в меньшей степени, чем нитрогруппа.
Так, например, при сплавлении нитробензола с КОН образуется орто-нитрофенол и небольшое количество пара-нитрофенола:
Более предпочтительной является атака в орто-положение, поскольку индуктивный эффект нитрогруппы, действуя на малом расстоянии, создает большую нехватку электронов в орто-, чем в пара-положении.
Механизм реакции
Можно написать и другие граничные структуры, но наиболее важными являются структуры 1в и Шб, в которых отрицательный заряд находится на атоме углерода, непосредственно связанном с группой NO 2 , так как в этом случае можно написать дополнительные граничные структуры 1г и Шг для орто- и пара-положений, в которых отрицательный заряд накапливается на атоме кислорода нитрогруппы.
Это возможно только в том случае, если атакующая группа ОН занимает орто- или пара-положение по отношению к нитрогруппе.
Присутствие двух и особенно трех нитрогрупп в мета-положении по отношению друг к другу еще более способствует реакциям с нуклеофильными реагентами.
Так, например, при взаимодействии мета-динитробензол со щелочью или с амидом натрия происходит замещение одного из атомов водорода, находящихся в орто- или пара-положениях, на группу OH, или на NH 2 :
Образующийся сопряженный карбанион еще более стабилизируется за счет увеличения числа граничных структур вследствие сопряжения с двумя нитрогруппами:
Симметричный тринитробензол реагирует со щелочью с образованием пикриновой кислоты:
Таким образом, замещение атома водорода в ароматических соединениях на нуклеофильные реагенты удается осуществить только при наличии в этих соединениях сильных электроноакцепторных групп, находящихся в мета-положении по отношению друг к другу и направляющих нуклеофильную атаку в орто- и пара-положение по отношению к ним.
Нуклеофильные реакции – гетеролитические реакции органических соединений с нуклеофильными реагентами. К нуклеофилам относятся анионы и молекулы (органические и неорганические), которые в ходе реакции расходуют свою неподеленную пару электронов на образование новой связи.
На скорость и механизм реакции S N определяющее влияние оказывают:
Нуклеофильная способность (нуклеофильность) реагента Y
Природа субстрата
Нуклеофугная способность уходящей группы
Условия реакции
Нуклеофильность, в отличии от основности, величина кинетическая, а не термодинамическая, т.е. количественной мерой нуклеофильности является константа скорости реакции, а не константа равновесия.
Есть 2 предельных случая S N:
Sn. Квантово-химические представления
S N можно представить как взаимодействие ВЗМО нуклеофила и НСМО субстрата. Энергия взаимодействия:
,– заряды на реакционном центре нуклеофила Y и атоме углерода субстрата, по которому осуществляется атака.
– расстояние между реагирующими центрами.
– коэффициент атомной орбитали атома, принадлежащего нуклеофилу, который является нуклеофильным центром, т.е. характеризует вклад атома нуклеофила в ВЗМО Y.
– характеризует вклад атома углерода (электрофильный центр) в НСМО субстрата.
– изменение резонансного интеграла, характеризующий эффективность перекрывания ВЗМО Y и НСМО субстрата.
,– энергии ВЗМО Y и НСМО субстрата.
В случае S N 1, когда осуществляется взаимодействие катиона и аниона и реакционный центр несет положительный заряд, определяющая – кулоновская составляющая и относительная реакционная способность нуклеофилов увеличиваться симбатно их основности. В этом случае говорят, что реакция идет при зарядовом контроле.
Более сложная ситуация в S N 2. В газовой фазе и апротонных растворителях, где сольватация аниона мала и заряд на нуклеофиле в большей степени локализован, также наблюдается зарядовый контроль. Однако в протонных растворителях (спирты) заряд на нуклеофиле делокализован в результате сольватации. Заряд на реакционном центре также мал. В этом случае роль кулоновского взаимодействия ниже и основной вклад в энергию взаимодействия вносит орбитальная составляющая. Говорят, что реакция идет при орбитальном контроле. Присутствие донора в нуклеофиле увеличивает заряд на реакционном центре, тем самым увеличивается вклад зарядовой составляющей, кроме того введение донорного заместителя приводит к некоторому увеличению энергии ВЗМО нуклеофила и, следовательно, к увеличению орбитальной составляющей. Т.о. введение ЭД в молекулу нуклеофила приводит к увеличению скорости реакции. В ряду галогенов как нуклеофилов кулоновское взаимодействие уменьшается от фтора к йоду, что является следствием уменьшения локализации отрицательного заряда и увеличении расстояния между атомами. В то же время орбитальное взаимодействие увеличивается, т.к. повышается энергия НСМО галогенов (ВЗМО).
В отличии от S Е, где замещению обычно подвергается атом водорода, в S N замещаются функциональные группы (галогены, сульфо-, нитро- и т.д.).