Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 10)

Схема 9.2

Ион-парные механизмы нуклеофильного замещения

Примечание. КИП — контактная ионная пара, СИП — сольватно-разделенная ионная пара; И — свободные ионы.

Классический S_N2-механизм Ингольда—Хьюза — это реакция k₄, а классический S_N1-механизм означает, что происходит пол­ная диссоциация, и продукты образуются на стадии 7. Стереохимический результат классической S_N2-реакции — полная инвер­сия конфигурации (9.2.1), но, согласно определению Ингольда, стереохимическим результат S_N1-реакции может быть любым: от полной рацемизации до полной инверсии. Как правило, реак­ция, которая не идет дальше тесной ионной пары, приводит к инверсии, что наблюдалось при гидролизе пара-хлорбензидрил-пара-нитробензоата в присутствии NaN₃ (см.выше). Любая реак­ция, идущая через полностью диссоциированные ионы, должна привести к полной рацемизации. Частичная рацемизация харак­терна для реакций с участием сольватно-раэделенных ионных пар.

9.4. СТРОЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО СУБСТРАТА И ТИП МЕХАНИЗМА

Обобщенная схема 9.2 позволяет объяснить широкое разно­образие механизмов нуклеофильного замещения. Однако все-таки остаются сомнения относительно точного механизма реакций, которые не относятся к крайним случаям чистого S_N2- и класси­ческого S_N1 -процесса. В частности, возникает вопрос: если в ре­акции не наблюдается полной инверсии или полной рацемиза­ции, то относится ли эта реакция к одному из ион-парных S_N1-типов, или классические S_N2- и S_N1-механизмы для данного субстрата реализуются одновременно? Это очень серьезная про­блема теории нуклеофильного замещения, поэтому ниже мы рас­смотрим некоторые иллюстрирующие ее примеры.

9.4.1. АЛКИЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Не вызывает сомнения, что первичные алкильные субстраты реагируют по классическому механизму S_N2. Высказанное в 1973 г. предположение, что даже метильные соединения СН₃Z реагиру­ют по ион-парному механизму S_N2 (КИП) с быстрым образова­нием контактной ионной пары и последующей медленной атакой нуклеофила, вызвало острую дискуссию и затем было отвергнуто.

Третичные субстраты даже при самых неблагоприятных об­стоятельствах, например в слабо ионизирующих растворителях, реагируют по одному из типов S_N1-механизма.

Вторичные алкильные субстраты классифицировать по типу механизма чрезвычайно трудно. Обычно даже в таком малонуклеофильном растворителе, как муравьиная кислота, вторичные алкильные соединения часто дают продукт сольволиза с факти­чески полной инверсией. Поэтому механизм можно классифи­цировать как истинный S_N2 или как S_N1 (КИП), идущий через контактную ионную пару. Однако возможно и частичное обра­зование разделенных ионных пар, так как частичная рацемиза­ция все же наблюдается.

Различить классическую реакцию S_N2 от механизма S_N1 (КИП) (см. схему 9.2) экспериментально чрезвычайно трудно, если это вообще возможно.

Рассмотрим один из наиболее интересных, но и спорных под­ходов к решению данного вопроса. Измерение относительной ста­бильности карбокатионов в газовой фазе и суперкислых средах (см. 9.7.2) позволяет сделать вывод, что ионизация третичных суб­стратов должна протекать со скоростью в 10⁹ - 10¹² раз более высокой, чем ионизация вторичных соединений. Оказалось, что к этому результату наиболее близки экспериментальные данные по сольволизу 2-адамантил- и 2-метил-2-адамантилбромидов: как в уксусной кислоте, так и в водном этаноле скорость сольволиза третичного субстрата была в 10⁸ раза выше скорости сольволиза вторичного соединения. На этом основании П. Шлайер предпо­ложил, что вторичная 2-адамантильная система реагирует по S_N1 (КИП)-механизму, т.е. по механизму с определяющей скорость стадией ионизации до ионной пары, включающей 2-адамантильный катион, который не сольватирован нуклеофильным раство­рителем по катионному центру, хотя уходящая группа может сольватироваться через образование водородной связи:

В поддержку этого предположения служит тот факт, что даже азид-ион не вступает в S_N2-реакцию с 2-адамантильными суб­стратами (вероятно, по стерическим причинам), поэтому вряд ли слабо нуклеофильные молекулы растворителя могут участвовать в переходном состоянии образования ионной пары.

Далее сравнивалось влияние нуклеофильности и ионизирую­щей силы растворителя на изменение скорости сольволиза 2-адамантил-сульфонатов, ряда вторичных и некоторых первичных субстратов. Оказалось, что влияние нуклеофильности раствори­теля постепенно уменьшается при переходе от метильных суб­стратов к этильным, изопропильным и другим вторичным со­единениям и далее к 2-адамантильным системам. Эти данные были интерпретированы как постепенный переход сольволитического механизма от классического S_N2 через «нуклеофильно сольватированную ионную пару» к адамантильной ионной паре, в которой растворитель в роли нуклеофила не участвует.

Как показано на схеме 9.3, предположение Шлайера состоит в том, что при переходе от одного субстрата к другому посте­пенно уменьшается нуклеофильное взаимодействие молекул рас­творителя (которые в сольволизе выполняют также функцию нуклеофильного реагента) с электрофильным атомом углерода. По-видимому, решающую роль в этом играют пространственные препятствия, которые особенно велики в случае 2-адамантильных соединений.

(HS — молекула протонного растворителя)

9.4.2. БЕНЗИЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Бензильные соединения типа ArCH₂Z вступают в реакцию нуклеофильного замещения в довольно мягких условиях. Мож­но предположить, что вторичные бензильные субстраты ArCH(Alk)Z будут реагировать через сольватно-разделенные ион­ные пары, тогда как первичные бензильные соединения — по механизму S_N2 или через контактные ионные пары. Таким обра­зом, при определении механизма реакций бензильных производ­ных возникает та же проблема: какой механизм реализуется: S_N2 или S_Nl (КИП)?

Незамещенные в кольце первичные бензильные соединения обычно реагируют быстрее вторичных алкильных субстратов, но это никак не проясняет ситуацию. Дело в том, что фенильный заместитель стабилизирует не только бензильный карбокатион (в составе контактной ионной пары), но и переходное состояние S_N2-типа независимо от того, частичный положительный или час­тичный отрицательный заряд возникает на бензильном атоме уг­лерода в этом переходном состоянии:

Это связано с тем, что фенильная группа может проявлять как (+М)-, так и (-M)-эффект.

Механизм можно прояснить, изучая влияние заместителей в бензольном кольце на скорость сольволиза. Одно из важных на­блюдений состоит в том, что для первичных бензильных соеди­нений характерны нелинейные гамметовские зависимости. Схе­матически такая зависимость представлена на рис. 9.8. Она ха­рактеризуется тем, что донорные заместители (n-СН₃; n-ОСН₃; n-OR; NHAc; SR и т.д.) гораздо сильнее ускоряют сольволиз (или акцепторные заместители гораздо сильнее его замедляют), чем это следует из значений констант заместителей  (см. гл. 3).

Подобные нелинейные гамметовские графики наблюдались, в частности, для следующих реакций:

ArCH₂OTs + СН₃СООН  АгСН₂ОСОСН₃ + TsOH

( = -5,7 для донорных, но только -2,3 для акцепторных групп)

ArCH₂Cl + Ar’NH₂  ArCH₂NHAr’ + HCl

1. При переходе от акцепторных к донорным заместителям механизм изменяется от S_N2 к S_N1, при этом для заместителей со средними значениями  скорости S_N2- и S_N1 -реакций примерно одинаковы, т.е. субстрат реагирует по двум параллельным путям.

2. При переходе от акцепторных к донорным заместителям механизм не меняется, но постепенно изменяется структура пере­ходного состояния. Например, электронодонорные заместители способствуют образованию «рыхлого» переходного состояния (А) с существенным карбокатионным характером, тогда как электроноакцепторные группы, притягивая нуклеофил, способствуют образованию «тесного» переходного состояния (Б):

Такая картина показывает, что для донорных арильных групп влияние заместителей в нуклеофиле будет чувствоваться мень­ше, чем для акцепторных групп, что согласуется с эксперимен­тальными результатами для приведенной выше реакции замещен­ных бензилхлоридов.

Тот факт, что сам нуклеофил может влиять на структуру переходного состояния, иллюстрируется данными табл. 9.7, которые относятся к реакциям различных нуклеофилов с пара-фенокси- и пара-метоксибензилхлоридами в 70%-ном водном ацетоне при 20 ^оС. В отсутствие нуклеофилов идет реакция гидролиза, вероятно, по механизму S_N1 (СИП), для которого отношение констант первого порядка k₁(PhO)/k₁(MeO)=135. При добавке нуклефилов, приведенных в табл. 9.7 (их реакции с данным субстратом являются бимолекулярными), соотношение k₁(PhO)/k₁(MeO) изменяется. Можно полагать, что наиболее сильный из взятых нуклеофилов, N₃^-, дает «тесное» переходное состояние с относительно слабым растяжением связи С-Сl, малым зарядом на бензильном атоме углерода и малой зависимостью скорости реакции от заместителя в арильной группе. Более слабые нуклеофилы NO₃^-, PhSO₃^-) образуют значительно более «рыхлое» переходное состояние со значительным положительным зарядом на атоме углерода, поэтому влияние заместителей на эту реакцию почти такое же, как и при S_N1-гидролизе.

Таблица 9.7

Относительная реакционная способность n-PhOC₆H₄CH₂Cl и n-МеOC₆H₄CH₂Cl в 70%-ном водном ацетоне при 20 _оС

Таким образом, анализ реакционной способности алкилгалогенидов и бензилгалогенидов приводит к выводу, что при изменении структуры субстрата, природы нуклоефила и уходящей группы (см. раздел 9.4.3) происходит постепенное изменение механизма от S_N2 к S_N1 типу. «Тесное» переходное состояние S_N2-типа, характерное для реакций первичных алкильных соединений с сильным нуклеофилом при введении заместителя, стабилизирующего карбокатион, или при уменьшении силы нуклеофила переходит в более «рыхлое», в котором связь нуклеофила с атомом углерода слабая, а связь атома углерода с уходящей группой достаточно сильно растянута. При дальнейшем увеличении стабильности карбокатиона и уменьшении силы нуклеофила происходит переход к механизму S_N1 (КИП) и далее к S_N1 (СИП).

Однако нельзя исключить, что в некоторых случаях реакция может протекать по параллельным каналам, например, по S_N1 (И) и S_N1 (СИП) или S_N2 и S_N1 (КИП). Однако трудно представить, что какая-либо реакция будет идти параллельно по классическому S_N2 и классическому S_N1-механизму, поскольку структурные тре­бования для этих механизмов очень сильно различаются.

9.4.3. ВЛИЯНИЕ УХОДЯЩЕЙ ГРУППЫ

Как в S_N2-, так и в S_N1-реакциях уходящая группа Z отщеп­ляется вместе со связывающей электронной парой, поэтому в обоих случаях следует ожидать определенной корреляции между стабильностью аниона Z^- и скоростью реакций. Действительно, в отдельных случаях существует количественная зависимость меж­ду кислотностью HZ и реакционной способностью, однако та­кие количественные корреляции справедливы только для узких серий родственных уходящих групп, например для Z^-= ХС₆H₄SO₃-.

Характеристики

Список файлов книги