02 - (2004) (1125801), страница 16
Текст из файла (страница 16)
9.1. В табл. 9.2 приведены значения констант скоростей для реакции различных алкилхлоридов и алкилбромидов с йодидом калия в ацетоне при 50 'С. Из данных, представленных в табл. 9.2, следует, что скорость олг2-реакции резко уменьшается при замещении водорода при а-углеродном атоме на алкильнузо группу в ряду СНзХ > СНЗСН2Х— - СН3СН2СН2Х» (СН3)2СНХ, т.е.
при переходе от первичных ко вторичным алкильным радикалам. Для третичных алкилгалогенидов гсзСХ из-за стерических препятствий замещение по Ех2-механизму не происходит. Вместо этого происходит замещение по 5~!-механизму, сопровождаемое Е1-элиминированием (гл. 10). Для вторичных алкилгалогенидов и алкилсульфонатов в зависимости от природы субстрата, нуклеофильного агента, уходящей группы и даже растворителя может реализоваться как Х„2-, так и Яч)-механизм замещения Х в КЕ на Хи (подробнее см. 9.4.2).
Уменьшение скорости 5ж2-реакций в ряду СН, > КСНзХ» » КзСНХ обусловлено чисто пространственными причинами для достижения переходного состояния тригональной бипирамиды. Замещение при 0-углеродном атоме в алкилгалогениде также вызывает понижение скорости реакции, хотя и не столь резкое, как замещение при и-углеродном атоме. Скорость взаимодействия алкилбромидов с К1 уменьшается в ряду СН,СНзВг (2,2) > СН,СНзСНзВг (1,0)» (СН,)зСНСНзВг (0,04) > > (СНз)зССНзВг (2~0 ' 10 ). Такую последовательность легко объяснить при рассмотрении проекционных формул Ньюмена изобутилбромида и леопентилбромида.
Наиболее стабильная анти-корформация изобутилбромида невыгодна для атаки нуклеофила Хп: из-за пространственных препятствий, создаваемых метильной группой в ~)-положении. Наилучшие пространственные условия для атаки нуклеофила с тыла создаются в заслоненной (сил-) конформации, но она энергетически гораздо менее предпочтительна по сравнению с анти-конформацией, что приводит к росту энергии активации замещения.
В иеопентилгалогениде три метильные группы в 11-положении очень сильно экранируют а-атом углерода для нуклеофильной атаки в любой конформации. При ионизационном од,1-механизме ряд алкильных групп должен быть полностью обратным: КЭС > КзСН» КСН> трет-Алкилгалогениды реагируют только по Юч!-механизму, для вторичных алкилгалогенидов реализуется как Х,1, так и Яч2-механизм, а первичные КСНзХ реагируют только по Яь2-механизму. Таким образом, между Хд,1-и Яь2-механизмами имеются как кинетические, так и стереохимические различия, на основании которых можно в общем случае достаточно надежно судить о реальном механизме реакции. Тем не менее реакции сольволиза, когда роль нуклеофила играет сам растворитель, концентрация которого в ходе реакции практически не изменяется, подчиняются кинетическому уравнению первого порядка даже в том случае, когда истинный механизм сольволиза относится к 5, 2-типу.
Такие реакции называются процессами псевдопервого порядка. Следовательно, 102 отсутствует кинетический критерий выбора механизма сольволиза. Стереохимия нуклеофильного замещения также не всегда дает однозначный ответ при выборе между ионизационным и согласованным механизмами, в особенности для бензил- и бензгидрилгалогенидов, например: С Н СНСН СН СООК С Н СНСН 5 55% СН3СООН; ! . ~инверсии/ С1 50 'С ОСОСНЗ О+ О С,Н,СНСН, ° 5С,Н,5,НОЛ С,Н,СНСН, ( 65% ацетон; 50 'С ! ~инверсии/ С1 ОСОСН3 СьНЗСНСН3 + Н30 СьНЗСНСН3 33% ! вода — спирт; 50 'С С1 ОН Наблюдаемая частичная инверсия затрудняет отнесение этих реакций к какому-либо из предельных механизмов.
Можно представить даже такой случай, когда реакция проходит со 100%-й инверсией, но другие данные свидетельствуют в пользу ионизационного механизма. Особенно трудно решить вопрос о механизме для вл3ор-алкилгалогенидов, сульфонатов и бензилгалогенидов, которые ведут себя так, как будто для них механизм является формально промежуточным между Яч1- и Хч2.
В последующих разделах этой главы механизм нуклеофнльного замещения у насыщенного атома углерода для такого рода субстратов будет рассмотрен более подробно. 9.2. МЕХАНИЗМ Яу2 Н.зл. ВАЛЬДЕНОВСКОЕ ОБРАЩЕНИЕ Установить, относится ли данная реакция к 5%2-типу, можно совершенно определенно, изучая ее стереохимию.
В органической химии, возможно, нет других реакций, кроме бимолекулярного нуклеофильного замещения, где стереохимия служила бы однозначным критерием механизма. У истоков наших знаний о механизме о~ реакций стоят пионерские исследования П. Вальдена (1895 г.), посвященные стереохимическим циклам реакций. В этих исследованиях Вальден открыл ряд реакций, которые происходили с инверсией (обращением) конфигурации хирального атома углерода (см. гл. 8). Например, при взаимодействии ( — )-гидроксиянтарной (яблочной) кислоты с РС13 образуется (+)-хлорянтарная кислота; с другой стороны, при действии Ю3 тионилхлорида на (-)-гидроксиянтарную кислоту получается ( — )-хлорянтарная кислота ра5 он~ ОН ра5 Ясно„что одна из этих реакций происходит с инверсией, а другая — с сохранением конфигурации, но какая? Как уже отмечалось (см. 8.3), знак вращения не дает ответа на этот вопрос, поскольку он непосредственно не связан с абсолютной конфигурацией.
Полный стереохимический цикл, приведенный выше, включает превращение каждого из энантиомеров хлорянтарной кислоты в обе энантиомерные яблочные кислоты, но вопрос о том, действие какого реагента приводит к сохранению или обращению конфигурации, остается нерешенным. В первом стереохимическом цикле, открытом Вальденом, субстраты были довольно сложными; они содержали несколько функциональных групп, что затрудняло решение проблемы о сохранении или обращении конфигурации на каждой конкретной стадии.
Впоследствии перешли к более простым объектам, а именно к оптически активным спиртам, не содержащим никаких других функциональных групп, кроме ОН-группы. Например, типичным является следующий цикл: 2 К! К К 2 ТНС! КОАс ОН ОТ АО сохранение инверсия Н() Н( ) (+) Н НО Асзо (гидрслиз) ~ ~ сохранение К2 К! К К КОАс ТНС1 ОА Т НО~ инверсия сохранение Н ( †) (+) Н (+) Н !04 СН2СООН СНОН ( — ) СООН 8оа2~~ А8он СН,СООН СНС1 ! ( — ) СООН СН СООН ! СНС1 ! СООН (+) Айон ~~ Воаз СН2СООН ! СНОН ! СООН (+) сохрайение Ц(гидролиз) К' г К 2 С6Ны СьН~3 СьНц Н / 1 С -1 Н Р+ СН3 4',: Н ь5 — 1 +1 СНЗ СН3 (1) инверсия СьНд Н 1ж + (гз сн Скорость обмена определялась путем измерения интенсивности радиоактивного излучения алкилгалогенида или галогенида щелочного металла, скорость рацемизации — с помощью поляриметра по изменению угла вращения плоскополяризованного света.
Скорость рацемизации в 2 раза выше скорости внедрения радиоактивного йода в молекулу йодоктана. (Например, чистый ю5 При внимательном рассмотрении этого цикла можно прийти к выводу, что инверсия конфигурации должна происходить или на одной, или на всех трех стадиях превращения одного из хиральных спиртов в его энантиомер.
По ряду причин считается, что инверсия во время гидролиза сложного эфира (гл. 18, ч. 3) или тозилирования спирта (гл. 11) не происходит. Инверсия должна происходить на стадии замены тозилатной группы на ацетатную, поскольку в ходе этого процесса разрывается связь между хиральным углеродом и кислородом. Изучение подобных циклов для очень большого числа вторичных спиртов и их производных всегда приводило к согласующимся между собой результатам. Во всех случаях можно полагать, что замещение тозилатной группы ОТз на ОН, РК, ОАс происходит с инверсией. Отсюда возникло предположение, что и замещение галогена в алкилгалогенидах при действии галогенид-ионов должно протекать аналогично, т.е.
с инверсией конфигурации. Прямое подтверждение этого предположения было получено Хьюзом и Ингольдом, которые измерили скорость изотопного обмена галогена и скорости рацемизации оптически активных 2-йодоктана, 1-фенилэтилбромида и 2-бромпропионовой кислоты при действии радиоактивного Ха1 или Ь(Вг в ацетоне: С х е м а 9.1 Сбнз Зснз Н ~ь 5 СН СН сн СНзВг сохранение Вг (СНз)3В сохранение Н ~ь 5 СН 3 СН СН сн (Снз)зВ .' еН в — г '~сньк сн Таким образом, можно сформулировать следующее общее правило: бимояекуяярные реакции нуклеофияьного замещения происходят с инверсией конфигурации реакционного центра субстрата.
!Об левовращающий исходный материал будет нацело рацемизирован, если только 50% его превратятся в правовращающий изомер.) Отсюда следует, что переходное состояние в Ян2-реакциях имеет структуру (1). Инверсия (обращение) конфигурации в Гн2-реакциях получила название вольденовского обращения. В настоящее время установлено, что замещение через переходное состояние типа (1), т.е. с атакой нуклеофила с тыльной стороны по отношению к уходящей группе, является общим правилом для всех Хн2-реакций независимо от их зарядного типа.
Даже в тех случаях, когда в исходном субстрате на уходящей группе имеется положительный заряд, а нуклеофил заряжен отрицательно, и из электростатических соображений фронтальная атака через переходное состояние типа (11), казалось бы, должна быть более предпочтительной, реакция все равно происходит с инверсией конфигурации. Это легко проиллюстрировать следующим примером. 9.2.2. ПРИЧИНЫ ИНВЕРСИИ КОНФИГУРАЦИИ В Ля2-РЕАКЦИЯХ Первоначально инверсию конфигурации в Ю, 2-реакциях объясняли чисто электростатическими факторами.
В самом деле, в переходном состоянии типа 1 несущие отрицательный заряд входящая и уходяшая группы находятся на большем расстоянии друг от друга, чем в переходном состоянии типа П, электростатическое отталкивание между этими группами в структуре 1 меньше, чем в структуре П. Однако обращение конфигурации в реакции, приведенной на схеме 9.1, где входящая и уходящие группы заряжены разноименно и между ними должно быть электростатическое притяжение, свидетельствует против простого объяснения, основанного на электростатическом взаимодействии.
В НаСтОящЕЕ ВрЕМя ИНВЕРСИЮ В рЕаКцняХ Олг2 ОбЪяСНявт В рамках теории молекулярных орбиталей. В случае треугольного переходного состояния (рис. 9.2, а) элементом симметрии, присущим как связи С вЂ” У„так и нуклеофилу и переходному состоянию, является вертикальная зеркальная плоскость, проходящая (в переходном состоянии ПС ) через центр нуклеофила и середину связи С вЂ” У.. Относительно этой плоскости орбитали и и о симметричны, а орбиталь о* антисимметрична. Следовательно, эффективно взаимодействовать могут лишь две заполненные орбитали — и и о, и ВЗМО ПС' будет иметь высокую энергию.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
