Стереохимия нуклеофильного замещения

Наиболее полно изучена стереохимия реакций нуклеофильного замещения. При нуклеофильном замещении галоида, гидроксила, аминогруппы у асимметрического атома углерода чатсо наблюдается изменение пространственной конфигурации, которое сопровождается изменением оптической активности вещества. Характер этих изменений зависит от механизма реакции. При замещении по механизму S_N2 исходное вещество не диссоциирует на ионы, а образует промежуточный комплекс (“переходное состояние”), в котором атака нуклеофильного реагента происходит.

 

Фиксирующая группа, имея отрицательный заряд или неподеленную пару электронов, взаимодействует с положительным углеродом иона карбония. Это взаимодействие осуществляется всегда со стороны, противоположной уходящему аниону, и поэтому присоединение нуклеофильного реагента происходит с той стороны, где прежде был анион, например,

HO-C=O O-C=O O-C=O O-C=O

H-C-Cl H⁺ + H-C-Cl H-C⁺ H-C-OH

CH₃ CH₃ CH₃ CH₃

D-изомер D-изомер

-хлорпропионовая кислота -оксипропионовая

D (+) молочная кислота

Однако роль этой реакции по сравнению с основной невелика вследствие малой степени диссоциации карбоновых кислот. Чем сильнее кислота, тем больше наблюдается сохранение конфигурации.

 

Стереохимия электрофильного присоединения

Стереохимия присоединения к двойной связи была первоначально изучена на примере реакции окисления олефинов по Вагнеру до гликолей. Было установлено, что эта реакция всегда идет по типу цис-присоединения. Так, малеиновая кислота под действием водного раствора KMnO₄ превращается в мезовинную.

H-C-COOH COOH COOH

H-C-COOH + O H-C H-C-OH

(KMnO₄) O H-C-OH

H-C COOH

COOH

Малеиновая кислота мезовинная кислота

Однако более поздние исследования показали, что большинство реакций электрофильного присоединения по двойной связи идут по типу транс-присоединения. Так, при действии поляризованной молекулы брома присоединение аниона брома идет со стороны, противоположной уже присоединившемуся катиону брома, например,

H-C-CH H H CH₃

H-C-CH₃ Br-C-CH₃ Br-C-CH₃ Br-C-H

Цис-2-бутен H-C^*-CH₃ H-C⁺-CH₃ H-C-Br

CH₃

L-изомер

Стереохимия отщепления

Реакции отщепления Нгал (элиминирование) обычно конкурируют с реакциями нуклеофильного замещения и, подобно последним, могут протекать по мономолекулярному механизму (Е₁) и биомолекулярному механизму (Е₂).

Как и в реакциях присоединения, легче протекает транс-отщепление, однако быват и наоборот. Это зависит от механизма реакции.

При биомолекулярном отщеплении Е₂ , как правило, происходит транс-отщепление.

CH₃ HO^- CH₃

H-C-H H-C-H CH₃-C-H

H-C-Cl H-C---Cl -Cl^- H-C-COOH

COOH COOH -H₂O

-хлормасляная кислота транс-кротоновая кислота

При мономолекулярном механизме Е₁ пространственная направленность зависит от продолжительности существования образующегося иона карбония. Если ион устойчив и существует значительный промежуток времени, он успевает принять плоскую конфигурацию, и результат отщепления не зависит от исходной конформации. H-C^--CH₃ CH₃-C-H

CH₃ H-C-Hal H-C-COOH

H-C-H COOH Цис-отщепление

H-C-Hal -H₂O

COOH CH₃-C^-H CH₃-C-H

H-C-Hal HOOC-C-H

COOH Транс-отщепление

Если ион существует очень малый промежуток времени, предпочтительнее происходит транс-отщепление, а в присутствии фиксирующих групп, в основном, цис-отщепление.