97

Глава 9

НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ У НАСЫЩЕННОГО АТОМА УГЛЕРОДА

9.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕХАНИЗМОВ S_N1 И S_N2

9.2. МЕХАНИЗМ S_N2

9.2.1. ВАЛЬДЕНОВСКОЕ ОБРАЩЕНИЕ

9.2.2. ПРИЧИНЫ ИНВЕРСИИ КОНФИГУРАЦИИ В S_N2-РЕАКЦИЯХ

9.2.3. ВЛИЯНИЕ РАСТВОРИТЕЛЯ, ПРИРОДЫ НУКЛЕОФИЛА И УХОДЯЩЕЙ ГРУППЫ НА СКОРОСТЬ S_N2-РЕАКЦИИ

9.2.3.а. МЕХАНИЗМ S_N2-РЕАКЦИЙ В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ

9.2.3.б. ПЕРЕХОД ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ В РАСТВОР

9.2.3.в. ВЛИЯНИЕ ПРИРОДЫ РАСТВОРИТЕЛЯ

9.2.3.г. МЕЖФАЗНЫЙ КАТАЛИЗ

9.2.4. ОДНОЭЛЕКТРОННЫЙ СДВИГ

9.3. МЕХАНИЗМ S_N1

9.3.1. ИОННЫЕ ПАРЫ В ПРОЦЕССАХ МОНОМОЛЕКУЛЯРНОГО НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ

9.3.2. ОБОБЩЕННАЯ СХЕМА НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ

9.4. СТРОЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО СУБСТРАТА И ТИП МЕХАНИЗМА

9.4.1. АЛКИЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

9.4.2. БЕНЗИЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

9.4.3. ВЛИЯНИЕ УХОДЯЩЕЙ ГРУППЫ

9.5. НУКЛЕОФИЛЬНЫЙ РЕАГЕНТ

9.5.1. НУКЛЕОФИЛЬНОСТЬ

9.5.2. a-ЭФФЕКТ В НУКЛЕОФИЛЬНОМ РЕАГЕНТЕ

9.6. ДРУГИЕ S_N-МЕХАНИЗМЫ

9.6.1. МЕХАНИЗМ S_Ni

9.6.2. АЛЛИЛЬНАЯ ПЕРЕГРУППИРОВКА (S_N’)

9.6.3. УЧАСТИЕ СОСЕДНИХ ГРУПП

9.7. КАРБОКАТИОНЫ

9.7.1. ТИПЫ КАРБОКАТИОНОВ

9.7.2. СТАБИЛЬНОСТЬ КАРБОКАТИОНОВ И ЕЕ КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА

9.7.2.а. КАРБОКАТИОНЫ В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ

9.7.2.б. КАРБОКАТИОНЫ В РАСТВОРАХ

9.7.3. СТРУКТУРНЫЕ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СТАБИЛЬНОСТЬ КАРБОКАТИОНОВ

9.7.3.а. АЛКИЛЬНЫЕ И ЦИКЛОАЛКИЛЬНЫЕ КАТИОНЫ

9.7.3.б. АЛЛИЛЬНЫЙ, БЕНЗИЛЬНЫЙ И ПОЛИАРИЛМЕТИЛЬНЫЕ КАТИОНЫ

9.7.3.в. ЦИКЛОПРОПИЛМЕТИЛЬНЫЕ КАТИОНЫ

9.7.3.г. ВИНИЛЬНЫЙ И ФЕНИЛЬНЫЙ КАТИОНЫ

9.7.4. НЕКЛАССИЧЕСКИЕ КАРБОКАТИОНЫ

Один из наиболее обширных и важных классов органичес­ких реакций носит название нуклеофильное замещение у насыщен­ного атома углерода. В результате таких процессов уходящая группа Z в органическом субстрате RZ, содержащем связь C_sp3—Z, за­мещается нуклеофильным реагентом Nu: таким образом, что не­поделенная пара нуклеофила в продукте реакции RNu становит­ся электронной парой -связи C—Nu, а электронная пара s-связи C—Z становится неподеленной парой отщепившейся уходящей группы:

Уходящую группу Z часто называют нуклеофугом («подвиж­ный в виде нуклеофила»). Хорошие уходящие группы имеют вы­сокую нуклеофугность, плохие уходящие группы — низкую нуклеофугность. К хорошим нуклеофугам относятся, в частности, трифлатная (OTf), уходящая в виде аниона Z^-=СF_зSO_з^-, фторсульфонатная FSO₃^-, пара-толуолсульфонатная или тозилатная (OTs^-) и др. К слабым нуклеофугам можно отнести ацетатную группу, карбоксилат-ион (RCOО^-), а также F^-.

Реакции нуклеофильного замещения удобно классифициро­вать в соответствии с изменением заряда в субстрате или нуклеофиле и по типу механизма замещения. По зарядному признаку эти реакции целесообразно разделить на четыре большие группы.

1. Взаимодействие нейтрального субстрата с нейтральным нуклеофилом

Nu: + RZ  Nu⁺-R + Z^-.

Например:

2. Взаимодействие нейтрального субстрата с анионным нуклеофилом

Nu:^- + RZ  NuR + Z:^-

Например:

(замена одного галогена на другой или изотопный обмен галогенов, например

3. Катионный субстрат - нейтральный нуклеофил

Nu: + RZ⁺  Nu⁺-R + Z:^-

Например:

4. Катионный субстрат — анионный нуклеофил

Nu:^- + RZ⁺  NuR + Z:

Например:

Из этого далеко не полного перечня можно сделать вывод, что с помощью реакций нуклеофильного замещения у насыщен­ного атома углерода можно осуществить синтез практически лю­бого класса соединений алифатического ряда.

По типу механизма реакции нуклеофильного замещения под­разделяются на бимолекулярные, обозначаемые символом S_N2 (substitution nucleophilic bimolecular) и мономолекулярные S_N1 (sub­stitution nucleophilic monomolecular). В главе 3 (3.1) органические реакции были разделены на три категории: 1) изомеризации и перегруппировки, 2) диссоциация и рекомбинация, 3) бимолеку­лярное замещение. В соответствии с этой классификацией реак­ции S_N2 относятся к третьей, a S_Nl — ко второй категории:

Изучение нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода сыграло исключительно важную роль в становлении и развитии фундаментальных представлений о механизме реакций и вместе с тем представляет собой наиболее детально изученный тип органических реакций. Исследование механизма нуклео­фильного алифатического замещения было начато в середине 1930-х годов двумя выдающимися учеными К.К. Ингольдом и Э.Д. Хьюзом, которым принадлежит серия блестящих осново­полагающих и пионерских работ, составляющих золотой фонд физической органической химии. Впоследствии идеи Ингольда и Хьюза получили дальнейшее развитие и были значительно мо­дифицированы. Тем не менее предложенная ими классифика­ция механизмов нуклеофильного алифатического замещения на S_N2- и S_N1-типы до сих пор остается самой удобной основой, с которой следует начинать обсуждение механизма нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода.

9.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕХАНИЗМОВ S_N1 И S_N2

При реализации классического ионизационного механизма S_N1 Ингольда—Хьюза определяющей скорость реакции стадией является гетеролитическая диссоциация, ведущая к образованию свободного трехкоординированного карбокатиона и уходящей группы. Далее следует вторая стадия — быстрая рекомбинация электрофильного карбокатиона с любым основанием Льюиса (нуклеофилом), имеющимся в растворе, включая и сам раство­ритель. Этому процессу соответствует энергетическая диаграм­ма, представленная на рис. 9.1, а.

Рис. 9.1. Энергетические диаграммы для предельного случая механизмов S_N1 (a) и S_N2 (б). Переходное состояние S_N2-механизма (в)

Такой диссоциативный механизм имеет следующие характер­ные следствия.

1. Поскольку определяет скорость всей реакции стадия ио­низации, реакция подчиняется кинетическому уравнению пер­вого порядка:

скорость = - .

Таким образом, скорость ионизации субстрата не должна зави­сеть ни от природы, ни от концентрации нуклеофильного реа­гента Nu:.

2. Из энергетической диаграммы следует, что энергия пере­ходного состояния стадии ионизации R—Z близка к энергии про­дукта первой стадии, карбокатиона. Следовательно, переходное состояние «похоже» на карбокатион и в структурном смысле, тогда структурные факторы, понижающие энергию карбокатиона, долж­ны понижать и энергию переходного состояния. Это является следствием постулата Хэммонда, подробнее рассмотренного в гл.13. Другими словами, чем стабильнее R⁺, тем выше скорость S_N1-реакции субстрата RZ.

3. Ионизация должна зависеть как от ионизирующей силы растворителя, так и от присутствия в растворе солей с общим ионом Z^-, влияющих на диссоциацию вследствие закона дейст­вия масс, или без общего иона, способствующих ионизации вслед­ствие увеличения ионной силы раствора.

4. Если карбокатион, образующийся при ионизации, доста­точно стабилен, он примет наиболее выгодную плоскую конфи­гурацию, которая ахиральна. Следовательно, стереохимическим результатом классического (предельного) S_N1 -механизма должна быть рацемизация.

Классический бимолекулярный механизм замещения S_N2 опи­сывает синхронную одностадийную реакцию, в которой переход­ное состояние представляет собой тригональную бипирамиду с пентакоординированным атомом углерода (рис. 9.1). Важнейшей особенностью S_N2-механизма является отсутствие какого-либо интермедиата в процессе согласованного замещения группы Z на Nu (см. рис. 9.1).

В таких реакциях главным энергетическим фактором являет­ся взаимодействие несвязывающей орбитали нуклеофила (ВЗМО) с разрыхляющей *-орбиталью связи C-Z (НСМО).

Согласованный механизм нуклеофильного замещения имеет кинетические и стереохимические следствия.

1. Реакция имеет общий второй кинетический порядок, пер­вый по субстрату и первый по нуклеофилу:

скорость = .

Нуклеофил участвует в образовании переходного состояния, поэ­тому скорость должна зависеть как от концентрации, так и от природы нуклеофила, что резко отличает согласованную S_N2-peакцию от ионизационного механизма S_N1.

2. Другой принципиально важной характеристикой S_N2-ме­ханизма является стереохимия реакции. Синхронная S_N2-реакция должна быть стереоспецифической, молекулярно-орбитальное описание структуры переходного состояния этого процесса (см. 9.2.2) показывает, что атака нуклеофила наблюдается с тыла. Нуклеофильный агент Nu: атакует субстрат RZ со стороны, про­тивоположной уходящей группе Z, таким образом, чтобы обра­зование связи C—Nu сопровождалось синхронным расщеплени­ем связи C—Z в тригональном бипирамидальном переходном со­стоянии с пентакоординированным атомом углерода (рис. 9.1,в). Стереохимическим следствием такого процесса должно быть так называемое вальденовское обращение конфигурации при хиральном атоме углерода, связанном с уходящей группой. Это явле­ние будет подробно рассмотрено в разделе 9.2.1. Обращение кон­фигурации неукоснительно выполняется в S_N2-реакциях.

В этом разделе будет приведен только один, но, вероятно, самый наглядный и убедительный пример, в котором происходит изотопное замещение йода в (+)-2-йодоктане под действием ра­диоактивного йодид-иона (Ингольд, Хьюз, 1935):