Глава 20

Электрофильное алифатическое замещение

20.1.Уходящая группа

20.2. Механизм реакций электрофильного замещения

20.2.1. Бимолекулярные и мономолекулярные реакции

20.2.2. Стереохимия электрофильного замещения

20.2.3. Нуклеофильное содействие

20.3. Реакции СН-кислот

20.4. Реакции металлоорганических соединений

20.4.1. Протодеметаллирование

20.4.1.а. Механизм S_E2

20.4.1.б. Механизм S_Ei

20.4.1. Механизм S_E1(N)

20.4.1. г. Механизм S_Е'

20.4.1.д. транс-Эффект

20.4.2. Галогендеметаллирование

20.4.2.а. Влияние алкильной группы

20.4.2.б. Стереохимия

20.4.3.б. Взаимодействие солей ртути с другими металлоорганическими соединениями

20.5. Реакции с гетеролитическим разрывом связи углерод-углерод

20.1.Уходящая группа

Реакции электрофильного алифатического замещения обозначаются символом S_Е и в простейшем варианте описываются следующей схемой:

R-Z + E⁺  R-E + Z⁺

где Е⁺ - электрофильный (электронодефицитный) агент, который не обязательно должен быть положительно заряженной частицей (например, H₃O⁺), но может быть также нейтральным (HgCI₂) или даже отрицательно заряженным (ВF₃^-). Уходящая группа Z при действии Е⁺ отщепляется в виде катиона; следовательно электрофильное замещение характерно для тех субстратов, которые содержат уходящие группы, способные существовать в состоянии с незаполненной валентной оболочкой. К таким группам относятся, прежде всего, протон и различные металл-содержащие фрагменты, например, Z= HgCI, HgR, SnR₃, AuR₂, PPh₃. Таким образом, реакции электро­фильного замещения характерны для СН-кислот и металлоорганических соединений .

Однако в определенных случаях в роли уходящих групп могут выступать и чисто органические остатки, которые при отщеплении переходят в стабильные катионы. Например, п-нитрофенилазо-группа превращается в стабильный катион п-нитробензолдиазония, и поэ­тому имеет место следующее равновесие:

Триметилциклопропенильная группа при отщеплении превращает­ся в ароматический (т.е. стабильный) катион, и поэтому также может играть роль уходящей группы в алифатическом электрофильнoм замещении;

Еще один тип чисто органических уходящих групп представляют группы, которые в исходном субстрате несут отрицательный заряд, но отщепляются в виде стабильных нейтральных молекул, например, кетонов.

Такие реакции носят название анионное расщепление и представляют собой важный тип электрофильного замещения.

20.2. Механизм реакций электрофильного замещения

20.2.1. Бимолекулярные и мономолекулярные реакции

По аналогии с реакциями S_N можно предположить, что электрофильное замещение осуществляется или по одностадийному механизму S_E2 , или по двухстадийному механизму S_El.

На первой, медленной стадии механизма S_Еl происходит ионизация с образованием карбаниона R^-. Следовательно, проблемы S_Еl-ме­ханизма связаны с вопросами строения и стабильности карбанионов, которые уже рассматривались в гл. 3 в связи с кислотностью СН-связей в органических соединена Очевидно, что скорость S_E1-реакций возрастает с увеличением стабильности карбаниона.

Механизм S_E2 характерен для широкого круга металлоорганических субстратов (раздел 20.4), а также для электрофильных реак­ций алканов в суперкислых средах (раздел 4.10). В этом случае ско­рость реакции зависит не только от природы субстрата, но и от при­роды электрофильного реагента, в частности, от его электрофильной силы. Следует указать, что уравнения (20.1) и (20.2) являются лишь очень упрощенными схемами S_E1- и S_E2-реакций; на самом деле эти схемы должны включать не только субстрат и электрофил, но и нуклеофильные частицы, роль. которых в S_Е-реакциях чрезвы­чайно велика. Участие нуклеофильных частиц в электрофильных реак­циях получило название нуклеофильного содействия (см.раздел 20.2.3). Тем не менее, на первой стадии изучения электрофильного алифатического замещения приведенные упрощенные схемы представ­ляются полезными, в частности для первичного анализа стереохимии реакций.

20.2.2. Стереохимия элвктрофильного замещения

Стереохимическим результатом реакций S_Еl, идущих с образо­ванием свободных карбанионов, теоретически в большинстве случаев должна ожидаться рацемизация. Это связано со строением карбанионов. Обычно S_Еl-механизм характерен для субстратов, дающих относительно стабильные карбанионы, а такие карбанионы, как правило, содержат электроноакцепторные группы типа COR, СООH, NO₂, СN, Ph, СН=СН₂ и т.п., способные к сопряжению с неподеленной электронной парой карбанионного центра. Вследствие сопряжения отрицательно заряженный атом углерода приобретает плоскую тригональную конфигу­рацию, и обе стороны плоскости равнодоступны для атаки электро­фила на второй стадии. Примером является бензильный анион:

Если образуется карбанион, не содержащий -связей, напри­мер, алкильный, то как уже говорилось в гл. 3, он имеет не плос­кую, а пирамидальную конфигурацию, однако, пирамида быстро инвертируется (гл. 3, раздел ), что также приводит к рацемизации:

И только в том случае, если карбанион конфигурационно устой­чив (т.е. инверсия пирамиды идет медленно) можно ожидать частич­ное или полное сохранение конфигурации в S_Еl-реакциях. К конфигу­рационно устойчивым относятся циклопропильные и винильные карбанионы, а также мостиковые бициклические структуры с отрицатель­ным зарядом у атома углерода в голове моста. Отметим, что последние легко вступают в S_Еl-реакции, тогда как реакции S_N1 у атома углерода в голове моста идут очень трудно (см.гл.9), поскольку карбокатионы должны быть плоскими, а карбанионы могут быть и не плоскими.

Существует также группа хиральных карбанионов, стабилизиро­ванных соседним атомом фосфора или серы, которые конфигурацион­но устойчивы, например:

S_El-Реакции с участием таких карбанионов происходят с сохранением конфигурации.

Проведенный нами теоретический анализ стереохимии S_El-реак­ций не является достаточно полным, поскольку в нем совершенно игнорировалось влияние растворителя и роль ионных пар, а все внимание было сконцентрировано только на строении карбанионов. Экспериментальные данные показывают, что даже в случае плоских карбанионов рацемизация необязательна. Так, анионное расщепление алкоксидов может происходить с сохранением, рацемизацией или об­ращением конфигурации в зависимости от растворителя (Д.Крам, 1968). В приведенной ниже реакции первого порядка типа S_E1 участвует плоский карбанион бензильного типа:

В зависимости от растворителя продукт реакции, 2-фенилбутан, может образоваться на 99% с сохранением конфигурации (в неполяр­ных средах) на 60% с обращением конфигурации (в протонных раство­рителях) или с полной рацемизацией (в ДМСО). В не ионизирующих неполярных растворителях (бензол, диоксан) алкоксид-ион существует в виде контактной ионной пары, солъватированной молекулой НА:

В ходе расщепления протон молекулы НА солъватирует карбанион и с фронтальной стороны, и поэтому конфигурация сохраняется.

В протонных растворителях (например, диэтиленгликоле НОСH₂СН₂ОСН₂СН₂ОН) карбанион сольватирован с фронтальной стороны уходящей группой (кетоном), и поэтому молекула НА (растворитель) может сольватировать его только с тыльной стороны. В результате в значительной степени происходит инверсия конфигурации:

В полярных апротонных растворителях (ДМСО) карбанион имеет относительно большое время жизни, он симметрично сольватирован и равнодоступен атаке с обеих сторон плоскости, поэтому наблю­дается полная рацемизация.

Подобная картина (в неполярных растворителях - сохранение конфи­гурации, в апротонных - рацемизация, в протонных - сохранение) наблюдалась также и в других реакциях S_E1-гипа, например, в ка­тализируемом основаниями (В^-) изотопном обмене водорода в СН-кислотах (см. раздел 20.3).

Таким образом, стереохимическим результатом S_E1-реакций может быть полная рацемизация, полное сохранение или значительная инверсия, причем этот результат зависит не только от геометрии и конфигурационной устойчивости карбаниона, но и от типа и поляр­ности растворителя.

Теперь перейдем к рассмотрению стереохимии реакций S_Е2, основываясь на простейшей схеме (20.2). Как уже отмечалось в гл. 9, в отличие от S_N2-реакций, которые по орбитальной сим­метрии разрешены при атаке нуклеофила с тыла и запрещены при фронтальной атаке, реакции S_Е2 не запрещены ни при фронтальной, ни при тыловой атаке электрофила. Тем не менее теоретически несколько более предпочтительна фронтальная атака, поскольку электрофил атакует ВЗМО связи С-Z, а плотность этой орбитали концентрируется в основном в межъядерной области.

Фронтальная атака соответствует трехцентровому (I), a тыловая - линейному (П) переходным состояниям; в первом случае стереохимическим результатом будет сохранение, а во втором - инвер­сия конфигурации углеродного центра

Подавляющее большинство реакций электрофильного замещения второго порядка происходит с сохранением конфигурации. Так, электрофильное замещение второго порядка очень легко происходит у атомов углерода в голове моста мостиковых систем. Легко проте­кают также S_E2-реакции в неопентильных субстратах (CH₃)₃CCH₂Z, которые в S_N2-реакциях реагируют исключительно медленно из-за пространственных препятствий тыловой атаке.

Известны, однако, примеры обращения конфигурации, что свиде­тельствует об атаке с тыла. Например, оптически активное втор-бутилтринеопентилолово при обработке бромом дает инвертирован­ный втор-бутилбромид:

Причина инверсии, пo-видимому, состоит в пространственных пре­пятствиях со стороны трех объемистых неопентильных групп. Трехцентровое переходное состояние I в гораздо большей степени чувст­вительно к влиянию заместителей в уходящей группе, чем линейное переходное состояние II, в котором Е и Z удалены друг от друга, и вследствие пространственных препятствий структура II становится энергетически более выгодной по сравнению с I. Обращение кон­фигурации при обработке галогенами наблюдалось также для многих других металлоорганических соединений (см. раздел 20.4.2.б), тогда как ряд соединений реагирует с сохранением конфигурации.

20.2.3. Нуклеофильное содействие

При проведении S_Е-реакций в растворах необходимо учитывать присутствие тех или иных нуклеофильных частиц, которые не входят в простейшие формализованные уравнения (20.1) и (20.2), но, тем не менее, оказывают значительное влияние на скорость и механизм реакций. Такими нуклеофилами могут быть: (I) "внутренний" нуклеофил Nu^-, входящий в состав электрофильного агента Е-Nu (нап­ример, Сl^- в HgCl₂ (Е = HgCl⁺) , Вr^- в Br₂ (E=Bг⁺) , два аниона I^- в I₃^- (Е=I⁺) и т.д.; (2) молекулы нуклеофильного растворителя (диоксан, спирты, ДМФА, ДМСО и т.д.) и (3) "внешний" нуклеофил, специально добавляемый в раствор для ускорения реакции (например, основания для получения карбанионов из СН-кислот или для осуществления анионного расщепления связей С-С). Полностью избежать влияния нуклеофилов удается лишь в редких случаях (раздел 20.4.1.а) и только в таких условиях уравнения (20.1) и (20.2) применимы без каких-либо поправок.