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

Текст из файла (страница 3)

СН_зСН_зВг (2,2) > СН_зСН₂СН₂Вг (1,0) >> (CH₃)₂CHCH₂Br (0,04) >

> (СН_з)_зССН₂Вг (2,0 • 10^-5).

Такую последовательность легко объяснить при рассмотрении проекционных формул Ньюмена изобутилбромида и неопентилбромида. Наиболее стабильная анти-конформация изобутилбромида невыгодна для атаки нуклеофила Nu: из-за пространствен­ных препятствий, создаваемых метальной группой в -положении. Наилучшие пространственные условия для атаки нуклеофила с тыла создаются в заслоненной (син-) конформации, но она энергетически гораздо менее предпочтительна по сравнению с aнти-конформацией, что приводит к росту энергии активации замещения. В неопентилгалогениде три метильные группы в -положении очень сильно экранируют -атом углерода для нуклеофильной атаки в любой конформации.

При ионизационном S_N1-механизме ряд алкильных групп должен быть полностью обратным: R₃С > R₂CH >> RCH₂.

трет-Алкилгалогениды реагируют только по S_N1-механизму, для вторичных алкилгалогенидов реализуется как S_N1, так и S_N2-механизм, а первичные RCH₂X реагируют только по S_N2-механизму.

Таким образом, между S_N1-и S_N2-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 S_N2-типу. Такие реакции на­зываются процессами псевдопервого порядка. Следовательно, 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:

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 втор-алкилгалогенидов, сульфонатов и бензилгалогенидов, которые ведут себя так, как будто для них механизм являет­ся формально промежуточным между S_N1- и S_N2. В последующих разделах этой главы механизм нуклеофильного замещения у на­сыщенного атома углерода для такого рода субстратов будет рас­смотрен более подробно.

9.2. МЕХАНИЗМ S_N2

9.2.1. ВАЛЬДЕНОВСКОЕ ОБРАЩЕНИЕ

Установить, относится ли данная реакция к S_N2-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 S_N2-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 РС1₅ образу­ется (+)-хлорянтарная кислота; с другой стороны, при действии тионилхлорида на (-)-гидроксиянтарную кислоту получается (-)-хлорянтарная кислота:

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:

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 OTs на ОН^-, OR^-, 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 NaI или LiBr в ацетоне:

Скорость обмена определялась путем измерения интенсив­ности радиоактивного излучения алкилгалогенида или галогенида щелочного металла, скорость рацемизации — с помощью по­ляриметра по изменению угла вращения плоскополяризованно­го света. Во всех случаях скорости обмена и скорости потери оптической активности были равны, следовательно, не может быть сомнений в том, что замещение происходит с инверсией конфи­гурации, и каждый акт нуклеофильной атаки обязательно сопро­вождается инверсией. Отсюда следует, что переходное состоя­ние в S_N2-реакциях имеет структуру (I).

Инверсия (обращение) конфигурации в S_N2-реакциях полу­чила название вальденовского обращения. В настоящее время ус­тановлено, что замещение через переходное состояние типа (I), т.е. с атакой нуклеофила с тыльной стороны по отношению к уходящей группе, является общим правилом для всех S_N2-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 (II), казалось бы, должна быть более предпочти­тельной, реакция все равно происходит с инверсией конфигурации. Это легко проиллюстрировать следующим примером.

Схема 9.1

Таким образом, можно сформулировать следующее общее правило: бимолекулярные реакции нуклеофильного замещения проис­ходят с инверсией конфигурации реакционного центра субстрата.

9.2.2. ПРИЧИНЫ ИНВЕРСИИ КОНФИГУРАЦИИ В S_N2-РЕАКЦИЯХ

Первоначально инверсию конфигурации в S_N2-реакциях объ­ясняли чисто электростатическими факторами. В самом деле, в переходном состоянии типа I несущие отрицательный заряд вхо­дящая и уходящая группы находятся на большем расстоянии друг от друга, чем в переходном состоянии типа II, электростатичес­кое отталкивание между этими группами в структуре I меньше, чем в структуре II. 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 реакциях S_N2 объясняют в рамках теории молекулярных орбиталей. В случае треугольного переходного состояния (рис. 9.2, а) элементом симметрии, при­сущим как связи C—Z, так и нуклеофилу и переходному состоя­нию, является вертикальная зеркальная плоскость, проходящая (в переходном состоянии ПС^) через центр нуклеофила и сере­дину связи C—Z. Относительно этой плоскости орбитали п и  симметричны, а орбиталь * антисимметрична. Следовательно, эффективно взаимодействовать могут лишь две заполненные орбитали — п и , и ВЗМО ПC^ будет иметь высокую энергию. Для линейного переходного состояния (рис. 9.2, б), сохраняющим­ся в ходе реакции элементом орбитальной симметрии является ось С_; относительно этого элемента все граничные орбитали, , * и п симметричны, поэтому реализуется случай трехорби­тального взаимодействия (см. гл.2, ч.1). Возмущение орбиталью повышает энергию n-орбитали, но возмущение орбиталью *, наоборот, понижает ее энергию. Следовательно, энергия ВЗМО ПС^ не будет такой высокой, как в случае, изображенном на рис. 9.2, а. Таким образом, энергия линейного переходного со­стояния (рис. 9.1, б) должна быть меньше энергии треугольного переходного состояния (рис. 9.1, a).

Рис. 9.2. Диаграмма возмущения граничных орбиталей в S_N2-реакции при фрон­тальной (а) и тыловой (б) атаке нуклеофила (Nu) на связь C—Z. ПС^— переход­ное состояние

Квантово-химические расчеты показывают, что различие энергий переходных состояний при тыловой и фронтальной ата­ке Nu достаточно велико (до 20 ккал/моль), чтобы считать абсо­лютно надежным вывод об инверсии конфигурации при S_N2-замещении у насыщенного атома углерода. Реакция S_N2 является согласованным процессом одновременного разрыва связи C—Z и образования связи C—Nu, поэтому аналогично другим согла­сованным реакциям (гл. 25, ч. 3), она контролируется орбиталь­ным взаимодействием, а не электростатическими факторами.

Инверсия конфигурации наблюдается не только для S_N2-реакций в растворе. Экспериментально было установлено, что и в газовой фазе бимолекулярное нуклеофильное замещение происходит с обращением конфигурации, например в реакции хлорид-иона с изомерными цис- и транс-4-бромциклогексанолами.

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

Вопрос о влиянии природы нуклеофильного реагента и уходя­щей группы Z в RZ на скорость S_N2-реакций нельзя рассматри­вать, не принимая во внимание природы растворителя, в котором проводится реакция. «Собственная нуклеофильность» нуклеофиль­ного реагента Nu:, так же как и «собственная нуклеофугность» уходящей группы Z:, проявляется только при проведении реак­ций между Nu: и СН₃Z в газовой фазе. В настоящее время ско­рости газофазных реакций нуклеофильного замещения можно из­мерить, например, методом ионного циклотронного резонанса (ИЦР) или методом послесвечения в потоке. Эти данные пред­ставляют большую ценность для изучения влияния сольватации. В данном разделе мы сначала рассмотрим особенности реак­ций S_N2 в газовой фазе, а затем перейдем к анализу влияния растворителя с целью выработки рекомендаций по выбору рас­творителя для проведения конкретного превращения в оптималь­ных условиях.

9.2.3.а. МЕХАНИЗМ S_N2-РЕАКЦИЙ В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ

В настоящее время общепринято, что простейшие газофаз­ные реакции описываются двухъямной потенциальной кривой. Такая кривая для реакции

изображена на рис. 9.3. Левый минимум соответствует предреакционному комплексу Nu^-...CH₃Z, а правый — послереакционному комплексу NuСН₃...Z^-. Энергия предреакционного ком­плекса ниже, чем энергия реагентов (Nu^- + СН₃Z), а энергия послереакционного комплекса ниже энергии продуктов реакции (CH₃Nu + Z^-). Это связано с тем, что свобод­ные ионы в газовой фазе исключительно не­стабильны (гл.3, ч. 1). Связи, обозначенные в комплексах пунктиром, имеют в основном элек­тростатическую природу, при этом во фрагментах СН₃Z или NuCH₃ свя­зи почти не искажены и имеют в основном ковалентный характер. Превращение предре­акционного комплекса в послереакционный происходит через седловую точку на кривой, которой отвечает переходное состояние [Nu ... СН_з... Z]^{- } с более или менее симметричной структурой (в зависимости от Nu:^- и Z) и делокализованным за­рядом. Образование ион-молекулярных комплексов установлено экспериментально. Например, в газовой фазе получены комплек­сы типа Hal^-...СН_зНаl, энергия электростатической связи в ко­торых составляет от 8,6 до 14,4 ккал/моль. Эти комплексы в прин­ципе аналогичны комплексам с водородной связью В^-....НА, ко­торые образуются при переносе протона между кислотой (НА) и основанием (В^-) Бренстеда (гл. 3, ч. I).

Характеристики

Список файлов книги