Реакции нуклеофильного замещения

Общая схема реакции:

R - НаI +:N^- → R - N +:НаI^-

Нуклеофил отдает субстрату свою пару электронов, за счет которой образуется новая связь, а галоген уходит со своей парой электронов в виде галогенид-аниона. При этом происходит алкилирование нуклеофила.

Для нуклеофильного замещения у атома углерода в состоянии sp³-гибридизации установлено два основных механизма: бимолекулярное нуклеофильное замещение (S_N2) и мономолекуляное нуклеофильное замещение (S_N1).

Бимолекулярное нуклеофильное замещение – это синхронный процесс, который протекает в одну стадию. Разрыв старой и образование новой связи происходят одновременно. Нуклеофил атакует субстрат со стороны, противоположной уходящей группе (с тыла), и постепенно вытесняет ее из молекулы:

N: + R-Hal → [N^….R^….Hal] → N-R + Hal^-

переходное
состояние

S_N2-реакции имеют следующие основные признаки:

1. Кинетический

Скорость реакции зависит от концентрации и субстрата, и нуклеофила. Реакция имеет второй общий порядок (первый по субстрату и первый по нуклеофилу) и описывается кинетическим уравнением:

v=k[RHal][N]

 

2. Стереохимический

Если нуклеофильное замещение происходит у асимметрического атома углерода, то имеет место обращение конфигурации, так как в переходном состоянии три нереагирующие группы и центральный атом углерода находятся в одной плоскости, а входящая и уходящая группы расположены на одной прямой, перпендикулярной этой плоскости. В результате структура выворачивается, как зонтик.

Мономолекулярное нуклеофильное замещение протекает в две стадии.

На первой стадии под действием растворителя происходит гетеролитический разрыв связи в субстрате, в результате чего образуется карбокатион. Процесс протекает медленно и определяет скорость реакции в целом. На второй стадии карбокатион быстро реагирует с нуклеофилом, давая продукт замещения.

S_N1-реакции имеют следующие основные признаки.

1. Кинетический

Скорость реакции зависит только от концентрации субстрата, поскольку нуклеофил не участвует в лимитирующей стадии процесса. Реакция имеет первый порядок и описывается кинетическим уравнением:

v=k[RHal]

2. Cтереохимический признак

Если нуклеофильное замещение происходит у асимметрического атома углерода, то, как правило, образуется рацемическая смесь, так как атака нуклеофилом плоского карбокатиона с обоих сторон равновероятна.

Факторы, влияющие на ход нуклеофильного замещения

Легкость протекания реакции и ее механизм зависят от многих факторов, среди которых можно выделить следующие:

• строение углеводородного радикала субстрата;
• природа уходящей группы;
• сила нуклеофила;
• природа растворителя.

Влияние строения углеводородного радикала.

Реакционная способность первичных, вторичных и третичных алкилгалогенидов в реакциях нуклеофильного замещения различна, причем порядок реакционной способности зависит от механизма реакции.

Скорость реакций, протекающих по механизму S_N1, зависит от стабильности карбокатиона, образующегося на первой стадии реакции. Таким образом, реакционная способность алкилгалогенидов в реакциях S_N1 возрастает в ряду: перв <вторич< третич

который соответствует ряду стабильности карбокатионов.

Успех реакции S_N2 определяется эффективностью атаки нуклеофила на положительно заряженный реакционный центр субстрата. Поэтому электронодонорные радикалы R, понижая положительный заряд на реакционном центре, замедляют нуклеофильную атаку. Увеличение объема R затрудняет подход нуклеофила к реакционному центру. Совместное действие индуктивного и объемного эффектов определяет ряд реакционных особностей субстратов в реакциях нуклеофильного замещения: перв >вторич> третич.

Высокой реакционной способностью, независимо от механизма реакции, обладают аллил- и бензилгалогениды. В процессе S_N1 они образуют карбокатионы, стабилизированные засчет р, π-сопряжения:

Легкость, с которой аллил- и бензилгалогениды вступают в S_N2-реакции, объясняют участием кратных связей в стабилизации переходного состояния.

Влияние природы уходящей группы.

Реакционная способность алкилгалоненидов зависит от прочности связи углерод – галоген, которая уменьшается в ряду:

C-F > C-Cl > C-Br > C-I.

Не менее важно, чтобы уходящая группа была термодинамически стабильна. (Она должна быть более устойчива, чем атакующий субстрат нуклеофил). Хорошими (относительно устойчивыми) уходящими группами являются слабые основания. Галогенид-анионы – хорошие уходящие группы. Относительная стабильность возрастает по мере уменьшения их основности в ряду:

F^- < Cl^- < Br^- < I^-

Параллельно увеличивается и реакционная способность алкилгалогенидов:

RF < RCl < RBr < RI

Влияние природы нуклеофила.

Нулеофильность – это способность частицы взаимодействовать с атомом углерода, несущим целый или частичный положительный заряд. Нуклеофильность является кинетической характеристикой и определяется константами скоростей соответствующих реакций.

Нуклеофилы, как и основания, могут быть сильными и слабыми. Единой шкалы нуклеофильности не существует, так как относительная сила нуклеофила может изменяться в зависимости от природы субстрата и растворителя. Однако можно выделить следующие основные закономерности:

1) отрицательно заряженные нуклеофилы сильнее, чем нейтральные молекулы (сопряженные им кислоты):

OH^- > H₂O; RO^- > ROH; NH₂^- > NH₃

2) для элементов одного периода с ростом электроотрицательности атома нуклеофильность уменьшается:

NH₂^- > OH^- > F^-

R₃C^- > RNH₂^- > RO^- > F^-

3) электронодонорные заместители увеличивают, электроноакцепторные – уменьшают нуклеофильность. Например, для кислородсодержащих нуклеофилов установлен следующий ряд реакционной способности:

RO^- > OH^- > ArO^- > RCOO^-

В рассмотренных примерах порядок нуклеофильности реагентов совпадает с порядком их основности и объясняется теми же причинами. Однако сила нуклеофила определяется не только его основностью, но и поляризуемостью.

4) Для элементов одной подгруппы с возрастанием заряда ядра нуклеофильность увеличивается, несмотря на уменьшение основности:

RS- >RO-

I- > Вr- > Cl- > F-

Рост нуклеофильности связан с увеличением поляризуемости атомов и ионов по мере увеличения их радиуса. Чем выше поляризуемость нуклеофила, тем легче деформируется его электронное облако и тем в большей степени он способен передать электронную плотность субстрату.

Такой порядок нуклеофильности может быть объяснен также с позиций принципа ЖМКО. Основность по Бренстеду проявляется во взаимодействии с жесткой кислотой Н+, в то время как нуклеофильность проявляется во взаимодействии с более мягким кислотным центром – атомом углерода, для которого предпочтительным будет взаимодействие с мягкими основаниями Льюиса – RS- и I-.

Относительная сила нуклеофилов зависит от природы растворителя. Чем меньше размер аниона, тем лучше он сольватируется полярными протонными растворителями (т.е. растворителями, способными образовывать с анионом водородные связи), что снижает его реакционную способность. При замене растворителя порядок реакционной способности нуклеофилов может меняться на противоположный.

В соответствии с механизмами S_N2 и S_N1 природа нуклеофила оказывает влияние на ход S_N2-реакции, так как нуклеофил участвует в лимитирующей (и единственной) стадии процесса, и не влияет на скорость реакций, протекающих по механизму S_N1, лимитирующая стадия которых протекает без участия нуклеофила.

Влияние природы растворителя

Растворитель влияет на скорость и механизм реакций нуклеофильного замещения.

Протеканию реакции по механизму S_N1 способствуют сильноионизирующие растворители. К ним относятся полярные протонные растворители (вода, спирты, карбоновые кислоты), так как они хорошо сольватируют ионные интермедиаты: отрицательно заряженную уходящую группу – за счет водородных связей, карбокатион – за счет свободных пар электронов.

Влияние растворителя на SN2-реакции проявляется в меньшей степени и зависит от распределения зарядов в исходном и переходном состояниях. Как правило, их скорость уменьшается с ростом полярности растворителя и увеличивается при переходе от протонных растворителей к апротонным (диметилформамид, диметилсульфоксид, ацетонитрил). В апротонных растворителях, которые не способны к образованию водородных связей, нуклеофил (а это, как правило, анион) в меньшей степени сольватирован и, следовательно, обладает большей силой, что важно для S_N2-реакции.

Таким образом, протеканию реакций по механизму S_N2 способствуют:

• субстрат с углеводородным радикалом малого объема (первичным);
• апротонный растворитель;
• сильный нуклеофил.

Реализации механизма S_N1 способствуют:

• субстрат с углеводородным радикалом разветвленного строения (третичным);
• полярный протонный растворитель;
• слабый нуклеофил.

По легкости замещения галогена независимо от механизма реакции галогенпроизводные располагаются в следующий ряд:

аллил- и бензилгалогениды > алкилгалогениды > винил- и арилгалогениды

Галогенпроизводные, содержащие связь (винил- и арилгалогениды), обладают очень низкой реакционной способностью. Реакция протекает по иному механизму. Малую подвижность галогена в винил- и арилгалогенидах объясняют увеличением прочности связи C-Hal за счет сопряжения пары электронов галогена с электронами π -связей:

Реакции нуклеофильного замещения галогена широко используются в органическом синтезе. С их помощью можно заменять галоген на другие функциональные группы или углеводородные радикалы и получать из галогенпроизводных любые классы органических соединений.

Примеры синтетического использования галогенпроизводных алифатических углеводородов приведены в таблице.

Таблица. S_N-реакции галогенпроизводных

Субстрат	+	нуклефил	→	продукт + уходящая группа
Получение спиртов
R-Hal	+	OH^- (H2O)	→	R-OH + Hal^- (HHal)
CH3Br	+	NaOH		CH3OH + NaBr
(CH3)3CCl	+	H2O	→	(CH3)3COH + HCl
CH2=CH-CH2Cl	+	H2O	→	CH2=CHCH2OH+HCl
Получение простых эфиров
R-Hal	+	R^/O^-	→	R-OR^/+ Hal^-
СH3I	+	CH3CH2O^-Na^+	→	CH3OCH2CH3 + NaI
Получение сложных эфиров
R-Hal	+	R^/COO^-	→	R^/COOR + Hal^-
CH3CH2I	+	CH3COO^-Na^+	→	CH3COOCH2CH3 + NaI
Получение тиолов
R-Hal	+	SH^-	→	R-SH + Hal^-
CH3СH2Br	+	NaHS	→	CH3СH2SH + NaBr
Получение сульфидов
R-Hal	+	R^/S^-	→	R-SR^/+ Hal^-
CH3СH2Br		CH3СH2S^-Na^+	→	(CH3СH2)2S + NaBr
Получение аминов и аммониевых солей
R-Hal	+	NH2^-	→	RNH2 + Hal^-
R-Hal	+	R^/3N	→	R R^/3N^+Hal^-
Получение нитрилов
R-Hal	+	С N^-	→	R- С N + Hal^- (SN2)
CH3СH2Br	+	NaCN	→	CH3СH2CN + NaBr
Получение нитросоединений
R-Hal		NO2^-	→	R-NO2+ Hal^- (SN2)
CH3CH2I		AgNO2	→	CH3CH2NO2 + AgI
Получение галогенпроизводных
R-Hal	+	I^-	→	R-I + Hal^- (SN2)
CH3Cl	+	NaI	→	СH3I + NaCl

Винил- и арилгалогениды инертны по отношению к нуклеофильным реагентам. Замещение галогена в галогенбензолах возможно только в очень жестких условиях.

Введение электроноакцепторных заместителей в орто - и пара -положения к галогену активизируют галогенарены в S_N-реакциях.

Реакции элиминирования

В процессе отщепления (дегидрогалогенирования) от молекулы галогеноводорода отщепляется HHal и образуется алкен.

Отщепление протекает под действием сильных оснований – концентрированных растворов гидроксидов щелочных металлов в спирте, алкоголятов или амидов щелочных металлов. Основания отщепляют протон в ß -положении, одновременно из молекулы уходит галоген в виде галогенид-аниона.

Если возможно образование двух разных продуктов отщепления, то преимущественно образуется наиболее замещенный у двойной связи алкен, который является термодинамически более стабильным (правило Зайцева):

Реакции элиминирования могут протекать, по мономолекулярному (Е1) или бимолекулярному (Е2) механизмам.

Е1-реакции протекают параллельно с реакциями S_N1 и включают две стадии. Сначала образуется карбокатион, от которого затем отщепляется под действием основания протон.

Реакции Е2 протекают параллельно с реакциями S_N2 и включают одну стадию, в ходе которой одновременно происходит разрыв старых и образование новых связей.

Механизм отщепления (Е1 или Е2) определяется теми же факторами, что и соответствующие процессы нуклеофильного замещения (SN1 и SN2).

Конкуренция реакций нуклеофильного замещения и элиминирования

Процессы отщепления и нуклеофильного замещения всегда протекают параллельно, так как все нуклеофилы одновременно являются и основаниями.

Соотношение продуктов отщепления и замещения зависит от природы реагентов и условий проведения реакции. Подбирая условия реакции и реагент, можно добиться преимущественного протекания реакции в нужном направлении.

Факторы, способствующие протеканию отщепления:

1) Высокая основность реагента.

Сильные основания будут атаковать в первую очередь атом водорода в ß -положении, а не углерод. Так, под действием алкоголят-анионов, которые являются сильными основаниями, протекает в основном отщепление, в то время как менее основные тиолят-анионы реагируют по атому углерода и дают продукты замещения:

CH₃-CHI-CH₃ + C₂H₅O^-Na⁺→ CH₃-CH=CH₂ + C₂H₅OH + NaI

CH₃-CHI-CH₃ + C₂H₅S^-Na⁺→ (CH₃)₂CH-S-C₂H₅ +NaI

Протеканию отщепления способствует не только высокая основность, но и большой объем реагента, что затрудняет его атаку по атому углерода. Поэтому третичные алкоголят-анионы дают, основном, продукты отщепления.

2) Малополярные растворители.

Один и тот же реагент – гидроксид калия, в водном растворе реагирует как нуклеофил с образованием продуктов замещения, а в менее полярном растворителе – спирте дает в основном продукты отщепления.

3) Высокая температура.

Реакции отщепления имеют большую энергию активации, чем реакции замещения, и поэтому их скорость возрастает в большей степени при увеличении температуры.

4) Протеканию отщепления способствует большой объем углеводородного радикала субстрата, что затрудняет атаку реагента по атому углерода. Склонность галогенпроизводных к реакциям отщепления возрастает в ряду:

первичные < вторичные < третичные

Взаимодействие оснований с третичные алкилгалогениды приводит в основном к отщеплению.

Лекция № 11

АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ

Альдегиды и кетоны содержат карбонильную группу С=О. Общая формула:

Методы получения.

1. Окисление и дегидрирование спиртов (см. лек. № 10).
   
   
2. Гидратация алкинов (см. лек. № 7):
   
3. Ацилирование аренов (см. лек. № 8):
   
4. Восстановление хлорангидридов карбоновых кислот по Розенмунду.
   
   
5. Гидролиз гем-дигалогенидов:

Химические свойства.

Альдегиды и кетоны – один из наиболее реакционноспособных классов органических соединений. Их химические свойства определяются присутствием карбонильной группы. Вследствие большого различия в электроотрицательностях углерода и кислорода и высокой поляризуемости π -связи связь С=О обладает значительной полярностью (µ_С=О=2,5-2,8 D). Атом углерода карбонильной группы несет эффективный положительный заряд и является объектом для атаки нуклеофилов. Основной тип реакций альдегидов и кетонов – реакции нуклеофильного присоединения A _N. Кроме того, карбонильная группа оказывает влияние на реакционную способность связи С-Н в α -положении, повышая ее кислотность.

Таким образом, молекулы альдегидов и кетонов содержат два основных реакционных центра – связь С=О и связь С-Н в α -положении:

 

2.1. Реакции нуклеофильного присоединения.

Альдегиды и кетоны легко присоединяют нуклеофильные реагенты по С=О связи. Процесс начинается с атаки нуклеофила по карбонильному атому углерода. Затем образующийся на первой стадии тетраэдрический интермедиат присоединяет протон и дает продукт присоединения:

Активность карбонильных соединений в A_N–реакциях зависит от величины эффективного положительного заряда на карбонильном атоме углерода и объема заместителей у карбонильной группы. Электронодонорные и объемистые заместители затрудняют реакцию, электроноакцепторные заместители повышают реакционную способность карбонильного соединения. Поэтому альдегиды в A_N–реакциях активнее, чем кетоны:

Активность карбонильных соединений повышается в присутствии кислотных катализаторов, которые увеличивают положительный заряд на карбонильном атоме углерода:

Альдегиды и кетоны присоединяют воду, спирты, тиолы, синильную кислоту, гидросульфит натрия, соединения типа NH₂X. Все реакции присоединения идут быстро, в мягких условиях, однако образующиеся продукты, как правило, термодинамически не устойчивы. Поэтому реакции протекают обратимо, и содержание продуктов присоединения в равновесной смеси может быть низким.

Присоединение воды.

Альдегиды и кетоны присоединяют воду с образованием гидратов. Реакция протекает обратимо. Образующиеся гидраты термодинамически не стабильны. Равновесие смещено в сторону продуктов присоединения только в случае активных карбонильных соединений.

Продукт гидратации трихлоруксусного альдегида хлоральгидрат – устойчивое кристаллическое соединение, которое используется в медицине как успокаивающее и снотворное средство.

Присоединение спиртов и тиолов.

Альдегиды присоединяют спирты с образованием полуацеталей. При избытке спирта и в присутствии кислотного катализатора реакция идет дальше – до образования ацеталей

Реакция образования полуацеталя протекает как нуклеофильное присоединение и ускоряется в присутствии кислот или оснований.

Процесс образования ацеталя идет как нуклеофильное замещение ОН группы в полуацетале и возможен только в условиях кислотного катализа, когда группа ОН превращается в хорошую уходящую группу (H₂O).

Образование ацеталей – обратимый процесс. В кислой среде полуацетали и ацетали легко гидролизуются. В щелочной среде гидролиз не идет. Реакции образования и гидролиза ацеталей играют важную роль в химии углеводов.

Кетоны в аналогичных условиях кеталей не дают.

Тиолы как более сильные нуклеофилы, чем спирты, образуют продукты присоединения и с альдегидами, и с кетонами.

Присоединение синильной кислоты

Синильная кислота присоединяется к карбонильным соединением в условиях основного катализа с образованием циангидринов.

Реакция имеет препаративное значение и используется в синтезе α-гидрокси- и α -аминокислот (см. лек. № 14). Плоды некоторых растений (например, горький миндаль) содержат циангидрины. Выделяющаяся при их расщеплении синильная кислота оказывает отравляющее действие.

Присоединение бисульфита натрия.

Альдегиды и метилкетоны присоединяют бисульфит натрия NaHSO₃ c образованием бисульфитных производных.

Бисульфитные производные карбонильных соединений – кристаллические вещества, не растворимые в избытке раствора бисульфита натрия. Реакция используется для выделения карбонильных соединений из смесей. Карбонильное соединение может быть легко регенерировано обработкой бисульфитного производного кислотой или щелочью:

Взаимодействие с соединениями общей формулы NH₂X.

Реакции протекают по общей схеме как процесс присоединения-отщепления. Образующийся на первой стадии продукт присоединения не устойчив и легко отщепляет воду:

По приведенной схеме с карбонильными соединениями реагируют аммиак, первичные амины, гидразин, замещенные гидразины, гидроксиламин:

Образующиеся производные представляют собой кристаллические вещества, которые используют для выделения и идентификации карбонильных соединений.

2.2. Реакции по α -углеродному атому.

Кето-енольная таутомерия.

Водород в α -положении к карбонильной группе обладает кислотными свойствами, так как образующийся при его отщеплении анион стабилизируется за счет резонанса:

Результатом протонной подвижности атома водорода в α -положении является способность карбонильных соединений к образованию енольных форм за счет миграции протона из α -положения к атому кислорода карбонильной группы:

Кетон и енол являются таутомерами. Таутомеры – это изомеры, способные быстро и обратимо превращаться друг в друга за счет миграции какой-либо группы (в данном случае – протона). Равновесие между кетоном и енолом называют кето-енольной таутомерией.

Большинство карбонильных соединений существуют преимущественно в кетонной форме. Содержание енольной формы возрастает с увеличением кислотности карбонильного соединения, а также в случае дополнительной стабилизации енольной формы за счет водородной связи или за счет сопряжения.

Таблица 8. Содержание енольных форм и кислотность карбонильных соединений

Соединение	рКа	Содержание енола, %
Ацетон CH3COCH3		6 10^-7
Ацетоуксусный эфир CH3COCH2COOC2H5		8,0
Ацетилацетон CH3COCH2COCH3		76,4

Например, в 1,3-дикарбонильных соединениях подвижность протонов метиленовой группы резко увеличивается за счет электроноакцепторного влияния двух карбонильных групп. Кроме того, енольная форма стабилизируется за счет наличия в ней системы сопряженных α -связей и внутримолекулярной водородной связи:

Енолизация и образование енолят-анионов являются первыми стадиями реакций карбонильных соединений, протекающих по α -углеродному атому. Важнейшими из них являются галогенирование и альдольно-кротоновая конденсация.

Галогенирование

Альдегиды и кетоны легко вступают в реакцию с галогенами (Cl₂, Br₂, I₂) с образованием α –галогенпроизводных:

Реакция катализируется кислотами или основаниями. Скорость реакции не зависит от концентрации и природы галогена. Процесс протекает через образование енольной формы (медленная стадия), которая затем реагирует с галогеном (быстрая стадия). Таким образом, галоген не участвует в скорость-определяющей стадии процесса.

Если карбонильное соединение содержит несколько α -водородных атомов, то замещение каждого последующего происходит быстрее, чем предыдущего, вследствие увеличения их кислотности под действием электроноакцепторного влияния галогена. В щелочной среде ацетальдегид и метилкетоны дают тригалогенпроизводные, которые затем расщеплятся под действием избытка щелочи с образованием тригалогенметанов (галоформная реакция):

Реакции конденсации

В присутствии каталитических количеств кислот или щелочей карбонильные соединения, содержащие α -водородные атомы, претерпевают конденсацию с образованием α-гидроксикарбонильных соединений.

В образовании связи С-С участвуют карбонильный атом углерода одной молекулы (карбонильной компоненты) и α -углеродный атом другой молекулы (метиленовой компоненты). Эта реакция носит название альдольной конденсации (по названию продукта конденсации ацетальдегида – альдоля).

При нагревании реакционной смеси продукт легко дегидратируется с образованием α,ß -непредельного карбонильного соединения:

Такой тип конденсации носит название кротоновой (по названию продукта конденсации ацетальдегида – кротонового альдегида).

В качестве метиленовой компоненты в реакциях конденсации могут выступать не только карбонильные соединения, но и другие С-Н-кислоты. Реакции конденсации имеют препаративное значение, так как позволяют наращивать цепь углеродных атомов. По типу альдольной конденсации и ретроальдольного распада (обратный процесс) протекают многие биохимические процессы: гликолиз, синтез лимонной кислоты в цикле Кребса, синтез нейраминовой кислоты.