Ose duke zëvendësuar një grup që po largohet, për shembull. nukleof. zëvendësim në sat. atom karboni ose aromatike. unazë, nukleofile
shtim në një grup karbonil ose alkeneve dhe alkineve, nukleof. zëvendësimi në atomin e karbonit karbonil, nukleof. zëvendësimi në atomin e fosforit.
Naib. janë studiuar rrethet e N u k l e o f. ZËVENDËSIMI I SURITETIT atomi i karbonit:
Racionet e këtij lloji zakonisht përdoren edhe për cilësi. dhe sasive. përkufizimet e koncepteve që karakterizojnë reaksionet nukleofile.Në këto situata, nukleofili është grimca X:, e cila siguron org. substrati nja dy elektrone. Për grupin Z që largohet me çiftin e elektroneve të tij: pranohet emri. n u k le o-f u g (nga lat. bërthamë - bërthamë dhe fugio - ik). Mbi shpejtësinë dhe mekanizmin e nukleofit r-tion. Zëvendësimet kanë një ndikim vendimtar në nukleofile. reagimi aftësi (ose nukleofile
ity, "forca nukleofilike") e reagentit X:, rsacc nukleofugale. aftësia (ose nukleofugjia) e grupit largues Z: natyra e substratit dhe kushtet e tretësirës (temperatura, tretësira, presioni etj.). Nukleofiliteti, në ndryshim nga bazueshmëria, është një sasi kinetike, jo termodinamike, d.m.th. masë e nukleofit.
reagimi aftësia shërbehet nga konstanta e shpejtësisë së rrjedhës, dhe jo nga konstanta e ekuilibrit.
Me monomol. Në proces, fillimisht, nën ndikimin e një p-ngurti, ndodh jonizimi i substratit me formimin e tre koordinatave.
karbokacioni dhe nukleofuga (ky hap zakonisht përcakton shpejtësinë e të gjithë procesit), e ndjekur nga një hap i shpejtë i bashkimit të karbokacionit me nukleofile. Në këtë rast, sulmi i nukleofilit është njësoj i mundshëm nga të dyja anët, dhe në rastin e asimetrik. reagimi
qendër, zakonisht vërehet formimi i racemateve. Me bimol. procesi, formohet një strukturë me pesë koordinata. gjendja e tranzicionit, dhe sulmi i nukleofilit kryhet nga ana e kundërt me zëvendësuesin e lënë, gjë që çon në një përmbysje të konfigurimit, për shembull. të ashtuquajturat Inversioni valdenian (shih stereokimia dinamike).
Rendi S N l zakonisht ka një rend total 1; shpejtësia e tij, si rregull, nuk varet nga natyra e nukleofilit dhe përqendrimi i tij, por varet fuqimisht nga natyra e nukleofugut dhe mbetjes p. Kinetika e zgjidhjes S N 2 përshkruhet nga një ekuacion i rendit të dytë - i pari në lidhje me substratin dhe i pari në lidhje me nukleofile. Shpejtësia e tretësirës në këtë rast varet si nga përqendrimi ashtu edhe nga kimikati. natyra e nukleofilit. Disa janë të njohura. qasjet ndaj sasive. vlerësimi i nukleofit. reagimi aftësia e reagentit X: bazuar në korrelacion.
marrëdhëniet në të dy proceset S N 2 dhe S N 1.
Për tretësirat S N 2 në ujë ose metanol max. Regjistri i ekuacionit Sven-Scott (k/k 0) = S përdoret gjerësisht. n, ku k dhe k 0 janë përkatësisht konstantet e shpejtësisë së tretësirës së nënshtresës.
me një nukleofil të caktuar dhe ujë, S është parametri i ndjeshmërisë së substratit ndaj një ndryshimi në nukleofili (S = 1 për substratin standard CH 3 Br) dhe parametri i nukleofilicitetit të reagentit (Tabela 1).
Një masë e nukleofugisë mund të jetë konstantet e shpejtësisë së solvolizës (duke vazhduar sipas mekanizmit S N 1) të të njëjtit lloj substratesh, që ndryshojnë vetëm në natyrën e grupit që largohet (Tabela 2).
Rendi S N l zakonisht ka një rend total 1; shpejtësia e tij, si rregull, nuk varet nga natyra e nukleofilit dhe përqendrimi i tij, por varet fuqimisht nga natyra e nukleofugut dhe mbetjes p. Kinetika e zgjidhjes S N 2 përshkruhet nga një ekuacion i rendit të dytë - i pari në lidhje me substratin dhe i pari në lidhje me nukleofile. Shpejtësia e tretësirës në këtë rast varet si nga përqendrimi ashtu edhe nga kimikati. natyra e nukleofilit. 2. KONSTANTAT RELATIVE TË NORMËS SOLVOLIZËS
(k rel) DISA GRUPE QË LAREN [substrati-Ph(CH 3)CHZ në 80%
etanol ujor, 75°C]
Nukleofugat "të mira" përfshijnë org. sulfonat (tosilat, mezilat, triflat), fluorosulfat (FSO - 3) dhe anionet perklorate (ClO - 4). Org kovalente. derivatet e këtyre anioneve përdoren gjerësisht si reagentë alkilues - substrate jashtëzakonisht aktive në reaksionet nukleofile. Edhe grimcat nukleofugale më të mira janë azoti nga kripërat e alkildiazoniumit (RN + 2), jodi trivalent (p.sh. grupi IСl 2), uji ngaprotonir.alkool dhe trialkil eter
kripëra nia;
sado alifatike. substratet që përmbajnë këto grupe në strukturën e tyre janë zakonisht të paqëndrueshme në temperaturën e dhomës dhe përdoren vetëm si ndërmjetës aktivë të gjeneruar drejtpërdrejt në reaksion. mjedisi.
Ka disa ndryshim.qasjet në teori interpretimi i koncepteve të nukleofilicitetit dhe nukleofugjisë dhe vlerësimi i faktorëve që ndikojnë në vlerën e tyre. bazë faktorët - baziteti (aciditeti), polarizimi, solvacia. efektet, madhësitë e potencialeve jonizuese dhe oksiduese, sterike. dhe elektrostatike efektet, disponueshmëria çift elektronik në atomin ngjitur me nukleofile. qendra, forca e lidhjes me atomin e karbonit. Duhet theksuar se korrelacioni direkt i nukleofilicitetit me c.-l. një nga këta parametra zakonisht nuk është i pranishëm, as nuk ka një korrelacion midis nukleofilicitetit dhe nukleofugisë; për shembull, anioni tiolat RS është një nukleofil i mirë, por një bazë e dobët dhe një grup largues "i keq", anioni hidroksid HO është një bazë e mirë dhe nukleofile, por një grup largues i keq. Anionet e acideve më të forta të klorit dhe trifluorometansulfonike janë nukleofugues të mirë dhe në të njëjtën kohë janë të afta të shfaqin veti nukleofile.
Në rastin e parë, nukleofili fillimisht i shtohet përbërjes aromatike. substrati me formimin e ndërmjetësve.
produkt (nganjëherë i qëndrueshëm - i ashtuquajturi kompleks Meisenheimer), ndarja e bërthamës nga e cila çon në produktin përfundimtar të zëvendësimit. Zëvendësuesit që tërheqin elektron në bërthamë (NO 2, COR, CN, etj.) stabilizohen
Nomenklatura:
1) zëvendësim (sistematik),
2) radikale-funksionale.
Për përfaqësuesit më të ulët dhe më të zakonshëm, emrat e parëndësishëm janë gjithashtu të pranueshëm, për shembull, fluoroform, kloroform, bromoform, jodoform, fluorotan.
Struktura dhe vetitë Në varësi të natyrës së halogjenit nga fluori në jod, polariteti i lidhjes C–Hal
zvogëlohet (meqë elektronegativiteti i halogjenit zvogëlohet), por polarizueshmëria e tij rritet dhe gjatësia e tij rritet (pasi rrezja e atomit të halogjenit rritet), dhe forca e lidhjes zvogëlohet. Që nga polarizueshmëria e lidhjes C–I është më i madhi, atëherë kur jodoalkanet treten në tretës polare, kjo lidhje polarizohet lehtësisht deri në ndarjen heterolitike, pra deri në shpërbërjen heterolitike të jodoalkanit:® R–I R + + I
- . Për më tepër, vetitë kimike të komponimeve varen fuqishëm nga polarizimi i tyre.
Reaksionet e zëvendësimit nukleofilik
Grimcat nukleofile: - HO - , - ,RO - NH2, F - , Cl - , Br - , une - , CN - , - , H
CH2-R¢ H 2 O, ROH, NH 3, RNH 2, RR
NH, H2S, RSH
Mekanizmi i zëvendësimit bimolekular nukleofilik
Mekanizmi i zëvendësimit monomolekular
ku II është një çift jonik i ngushtë
III - çift i lirshëm jon
IV dhe V - jone të disociuar
1. Faktorët që ndikojnë në mekanizmin dhe shkallën e zëvendësimit nukleofilik.
Ndikimi i strukturës së nënshtresës
bromometan bromoetan 2-bromopropan Shpejtësia S N
,
2-reaksionet:
Prandaj, një shkallë e lartë e reaksioneve të zëvendësimit nukleofilik mund të jetë karakteristikë si për halogjenët alkil primar ashtu edhe për atë terciar. Në rastin e parë - për shkak të lehtësisë së ndërveprimit nëpërmjet S N
2-mekanizëm (qasje e lirë në qendrën e reagimit, pa pengesa sterike), Në rastin e parë - për shkak të lehtësisë së ndërveprimit nëpërmjet në të dytën - nga
1-mekanizmi (lehtësia e ndarjes së substratit, qëndrueshmëria e karbokacionit që rezulton).
2. Halidet sekondare të alkileve në shumicën e rasteve duhet të reagojnë me një mekanizëm të përzier, dhe shkalla e reagimit të tyre do të jetë relativisht e ulët, pasi ka pengesa për zëvendësimin monomolekular dhe bimolekular.
3. Ndikimi i natyrës së nukleofilit.
4. Efekti i tretësve dhe i katalizatorëve.
Ndikimi i natyrës së grupit që largohet.
1) Shembuj të reaksioneve të zëvendësimit nukleofilik Hidroliza e haloalkaneve
- ky është shndërrimi i tyre në alkoole sipas skemës:® R-X + H2O
Mekanizmi i reagimit: Shpejtësia 1 ose Në rastin e parë - për shkak të lehtësisë së ndërveprimit nëpërmjet 2 - përcaktohet kryesisht nga struktura e substratit, si dhe faktorë të tjerë. Për shembull, hidroliza alkaline e bromoetanit ( Shpejtësia 2-mekanizmi):
Hidroliza acide e 2-bromo-2-metilpropanit ( Shpejtësia 1-mekanizmi):
2) Alkooliza e haloalkaneve- ky është ndërveprimi i haloalkaneve me alkoolatet metalike ( Reagimi i Williamson), duke çuar në formimin e etereve:
R-Hal + R¢ -O - Na+®R-O-R¢ + NaHal
Grimca nukleofile - anion alkoolat R¢ -O - .
Për më tepër, gjatë sintezës së estereve të përzier (me të ndryshme R Dhe R¢) është e nevojshme të bëhet zgjedhja e saktë e haloalkanit dhe alkoolit ( RHal Dhe R¢ -O- ose R¢ Hal Dhe R-O - - në varësi të strukturës së radikaleve hidrokarbure) në mënyrë që reaksioni të vazhdojë me shpejtësinë më të lartë dhe mundësia e formimit të alkenit (shfaqja e një reaksioni të eliminimit konkurrues) të minimizohet..
3) Amonoliza e haloalkaneve- ky është ndërveprimi i haloalkaneve me amoniakun, duke çuar në prodhimin e amineve (ose kripërave të tyre) - alkilimi i amineve sipas Hoffmann
R-X + NH 3®[ R-NNH 3]+ X - R-NH 2 + NH 4 X
4) Zëvendësimi i një atomi halogjen me një tjetër:
R-Br+I - ® R-I + Br -
Një mjedis acid dhe tretës protikë nxisin zëvendësimin e atomit të fluorit,
dhe tretësit aprotikë shumë polare, përkundrazi, përmbajnë atomin e jodit, pasi nukleofilia e joneve të halidit zvogëlohet në seri I - >Br - >Kl - > F -
5) Ndërveprimi me cianidështë ndërveprimi i haloalkaneve me kripërat e acidit hidrocianik, duke çuar në formimin e cianideve organike (nitrile) ose izocianideve. Joni i cianidit është ambidentë një nukleofile, domethënë është në gjendje të shfaqë vetitë e tij nukleofile, si për shkak të atomit të karbonit ashtu edhe të atomit të azotit:
- : Cº N® : C=N: -
Mekanizmi Në rastin e parë - për shkak të lehtësisë së ndërveprimit nëpërmjet 1 - çon në formimin e izocianideve (izonitrile):
R + +: C=N: - ® R-N=C:
Mekanizmi Në rastin e parë - për shkak të lehtësisë së ndërveprimit nëpërmjet 2:
Kjo prodhon cianide (nitrile).
6) Ndërveprimi me nitritet.
Anioni i nitritit është gjithashtu një nukleofil ambident.
Prandaj, ndërveprimi i tij me haloalkanet mund të çojë në komponime nitro ose estere të acidit azotik.
Në zëvendësimin nukleofilik, nukleofili sulmon molekulën e substratit, duke e siguruar atë me elektronet e tij për të formuar një lidhje të re. Elektronet e lidhjes së thyer largohen së bashku me jonin e çliruar. Reaksione të tilla jonike ndodhin kryesisht në fazën e lëngshme, pasi tretësi stabilizon jonet që rezultojnë përmes tretjes, gjë që është e pamundur në fazën e gazit.
Zëvendësimi nukleofilik lejon futjen në molekulë të një përbërje organike të një numri të madh grupesh funksionale që mund të veprojnë si nukleofile. Për shembull:
Molekulat neutrale mund të veprojnë gjithashtu si nukleofile, për shembull:
Shembuj të reaksioneve që përfshijnë etil bromin si substrat janë dhënë më poshtë:
Një tipar i veçantë i reaksioneve të zëvendësimit nukleofilik është se ato janë një nga më të zakonshmet në kiminë organike, dhe në përputhje me rrethanat një nga më të studiuarit. Në veçanti, studimi i kinetikës së reaksioneve të zëvendësimit nukleofilik. Kinetika kimike është studimi i ndryshimeve në përqendrimin e reaktantëve ose produkteve me kalimin e kohës. Ndryshimi karakterizohet nga derivati i përqendrimit me kalimin e kohës dc/dt. Vendosni marrëdhënien midis derivatit dhe përqendrimeve të reaktantëve ose, nëse është e nevojshme, me përqendrimet e produkteve.
Një studim i ndryshimeve në përqendrimin e reagentëve me kalimin e kohës në kushtet e një reaksioni të zëvendësimit nukleofilik tregoi se dy raste janë të mundshme:
Në rastin e parë, ndryshimi i përqendrimit është proporcional vetëm me përqendrimin e substratit dc/dt = K[alkil halid]
Në rastin e dytë, ndryshimi i përqendrimit është proporcional me përqendrimin e substratit dhe përqendrimin e grimcës nukleofile - dc/dt = K[alkil halide]×[nukleofile]
Mekanizmi që korrespondon me rastin e parë quhet zëvendësim monomolekular nukleofilik dhe përcaktohet S N 1 .
Mekanizmi që i përgjigjet rastit të dytë quhet zëvendësim bimolekular nukleofilik dhe shënohet S N 2
1.4.2. Mekanizmi S N 1. Zëvendësimi monomolekular
Me mekanizëm S N 1 , për shembull, ndodh hidroliza fërkime-butil bromid:
Në mekanizëm S N 1 Dallohen fazat e mëposhtme:
Në fazën e parë, derivati halogjen jonizohet për të formuar një jon karbokation dhe bromid. Kjo fazë është kufizuese e shpejtësisë dhe karakterizohet nga energjia më e lartë e aktivizimit:
Joni i bromit formon lidhje hidrogjeni me molekulat e ujit dhe në këtë mënyrë stabilizohet. Karbokacioni që rezulton stabilizohet gjithashtu me tretësirë me tretës. Por stabiliteti i vetë karbokacionit është i një rëndësie më të madhe. Duhet të stabilizohet nga efektet elektronike intramolekulare, të ashtuquajturat. të jetë terciar ose të jetë në lidhje me një sistem π-elektroni (të jetë i stabilizuar në mënyrë rezonante).
Në fazën e dytë, ndodh një ndërveprim i shpejtë i karbokacionit me një nukleofile, veçanërisht me ujin.
bërthama, mekanizmi i tyre.
7.1. Zëvendësimi i atomeve të hidrogjenit.
Sulmi nukleofilik i unazës së benzenit të pazëvendësuar është shumë më i vështirë se sulmi elektrofilik, i cili shpjegohet me arsyet e mëposhtme:
1) reja π-elektronike e unazës së benzenit zmbraps nukleofilin që afrohet (:Nu: -- );
2) sistemi π-elektroni i unazës së benzenit është shumë më pak i aftë për delokalizimin dhe, rrjedhimisht, për të stabilizuar dy elektrone shtesë në një kompleks të ngarkuar negativisht (5C përbën 6e) sesa në kompleksin Ueland të ngarkuar pozitivisht (5C - 4e) ;
3) në reaksionet e zëvendësimit nukleofilik të hidrogjenit në unazën e benzenit, joni hidrid duhet të zhvendoset. N: -- , e cila është një bazë e fortë dhe ka energji të madhe, d.m.th. Joni hidrid është një grup largues i dobët në krahasim me një grup largues shumë më të mirë N + , gjatë një sulmi elektrofilik:
kompleks sigma
kompleks sigma
Kompleksi Ueland
Sidoqoftë, kur zëvendësuesit që tërheqin elektron futen në unazën e benzenit, dendësia e elektroneve në unazë zvogëlohet aq shumë saqë reaksioni me reagentët nukleofilik bëhet i mundur.
Në këtë rast, zëvendësuesi që tërheq elektron (për shembull, një grup nitro) drejton sulmin nukleofilik në pozicionet ortho dhe para, ndërsa në reaksionet e zëvendësimit elektrofilik sulmi ndodh në pozicionin meta dhe reaksioni ngadalësohet:
Zëvendësues të tjerë që tërheqin elektron ( −CN; −COH; −COR; 3 −COOH; −KOOR; −CCl
etj.) gjithashtu rrisin reaktivitetin, por në një masë më të vogël se grupi nitro.
Për shembull, kur nitrobenzeni shkrihet me KOH, formohet orto-nitrofenol dhe një sasi e vogël para-nitrofenoli:
Preferohet një sulm në pozicionin orto, pasi efekti induktiv i grupit nitro, duke vepruar në një distancë të shkurtër, krijon një mungesë më të madhe të elektroneve në pozicionin orto sesa në pozicionin para.
Mekanizmi i reagimit Struktura të tjera kufitare mund të shkruhen, por më të rëndësishmet janë strukturat 1v dhe Shb, në të cilat ngarkesa negative ndodhet në atomin e karbonit të lidhur drejtpërdrejt me grupin. 2 NR
, pasi në këtë rast është e mundur të shkruhet struktura shtesë kufitare 1r dhe 3r për pozicionet ortho dhe para, në të cilat një ngarkesë negative grumbullohet në atomin e oksigjenit të grupit nitro. Kjo është e mundur vetëm nëse grupi sulmues AI
zë një pozicion orto ose para në lidhje me grupin nitro.
Prania e dy dhe veçanërisht e tre grupeve nitro në një pozicion meta në raport me njëri-tjetrin nxit më tej reaksionet me reagentët nukleofilik. Për shembull, kur meta-dinitrobenzeni reagon me një alkali ose me amid natriumi, një nga atomet e hidrogjenit të vendosur në pozicione orto- ose para-zëvendësohet nga një grup. Oh, ose në 2 :
N.H.
Trinitrobenzeni simetrik reagon me alkalin për të formuar acidin pikrik:
Kështu, Zëvendësimi i një atomi hidrogjeni në përbërjet aromatike me reagentë nukleofilik mund të kryhet vetëm nëse këto përbërje përmbajnë grupe të forta tërheqëse të elektroneve që janë në pozicionin meta në raport me njëri-tjetrin dhe drejtojnë sulmin nukleofilik në pozicionet ortho dhe para në lidhje me to. .
Reaksionet nukleofile janë reaksione heterolitike të përbërjeve organike me reagjentë nukleofilike. Nukleofilet përfshijnë anione dhe molekula (organike dhe inorganike) që, gjatë një reaksioni, shpenzojnë çiftin e tyre të vetëm të elektroneve për të formuar një lidhje të re.
Shpejtësia dhe mekanizmi i reaksionit S N përcaktohen nga:
Nukleofiliteti (nukleofiliteti) i reagentit Y
Natyra e substratit
Aftësia nukleofugike e largimit nga grupi
Kushtet e reagimit
Nukleofiliteti, ndryshe nga baza, është një madhësi kinetike dhe jo termodinamike, d.m.th. Masa sasiore e nukleofilicitetit është konstanta e shpejtësisë së reagimit, jo konstanta e ekuilibrit.
Ekzistojnë 2 raste kufizuese të S N:
Sn. Konceptet kimike kuantike
S N mund të mendohet si ndërveprim midis HOMO-s së nukleofilit dhe LUMO-së së substratit. Energjia e ndërveprimit:
, – ngarkesa në qendrën e reaksionit të nukleofilit Y dhe atomit të karbonit të substratit në të cilin kryhet sulmi.
– distanca ndërmjet qendrave reaguese.
– koeficienti i orbitalës atomike të një atomi që i përket një nukleofili, i cili është një qendër nukleofile, d.m.th. karakterizon kontributin e atomit nukleofile në HOMO Y.
– karakterizon kontributin e atomit të karbonit (qendrës elektrofilike) në LUMO të nënshtresës.
– ndryshim në integralin e rezonancës, duke karakterizuar efikasitetin e mbivendosjes së HOMO Y dhe LUMO të nënshtresës.
, – energjitë e HOMO Y dhe LUMO të substratit.
Në rastin e S N 1, kur ndodh ndërveprimi i një kationi dhe një anioni dhe qendra e reaksionit mbart një ngarkesë pozitive, faktori përcaktues është komponenti Kulomb dhe reaktiviteti relativ i nukleofileve rritet në mënyrë simbike me bazën e tyre. Në këtë rast, reagimi thuhet se ndodh nën kontrollin e ngarkesës.
Situata është më komplekse në S N 2. Në fazën e gazit dhe në tretësit aprotik, ku tretja e anionit është e vogël dhe ngarkesa në nukleofile është më e lokalizuar, vërehet edhe kontrolli i ngarkesës. Sidoqoftë, në tretësit protik (alkoolet), ngarkesa në nukleofile delokalizohet si rezultat i solvacionit. Ngarkesa në qendrën e reagimit është gjithashtu e vogël. Në këtë rast, roli i ndërveprimit të Kulonit është më i ulët dhe kontributin kryesor në energjinë e ndërveprimit e jep komponenti orbital. Ata thonë se reagimi ndodh nën kontrollin e orbitës. Prania e një dhuruesi në nukleofile rrit ngarkesën në qendrën e reagimit, duke rritur kështu kontributin e komponentit të ngarkesës, përveç kësaj, futja e një zëvendësuesi dhurues çon në një rritje të lehtë të energjisë HOMO të nukleofilit dhe, për rrjedhojë, në një rritje të komponentit orbital. Se. futja e ED në molekulën nukleofile çon në një rritje të shpejtësisë së reagimit. Në serinë e halogjeneve si nukleofile, ndërveprimi i Kulombit zvogëlohet nga fluori në jod, që është pasojë e zvogëlimit të lokalizimit të ngarkesës negative dhe rritjes së distancës midis atomeve. Në të njëjtën kohë, ndërveprimi orbital rritet, sepse energjia LUMO e halogjeneve (HOMO) rritet.
Ndryshe nga S E, ku një atom hidrogjeni zakonisht i nënshtrohet zëvendësimit, në S N zëvendësohen grupet funksionale (halogjenet, sulfo-, nitro-, etj.).