GL_09_Нуклеофильное замещение (1125817), страница 5

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

Текст из файла (страница 5)

Примером реакции типа (в) является образование четвертич­ных солей аммония при взаимодействии третичных аминов и алкилгалогенидов (реакция Меншуткина), например пиридина и -бромацетофенона:

С другой стороны, скорость реакции Финкельштейна (тип (г), обмен галогена между метилйодидом и радиоактивным йодид-ионом) очень сильно понижается при переходе от малополяр­ных к полярным протонным растворителям:

В соответствии с предсказаниями S_N2-реакция типа (д) между ионным нитратом триметилсульфония и триметиламином замед­ляется в более полярной среде:

Скорость взаимодействия двух разноименно заряженных ионов также уменьшается при увеличении содержания воды в бинар­ной системе этанол—вода:

Таким образом, электростатическая модель Ингольда—Хьюза качественно правильно предсказывает влияние растворителя на скорость нуклеофильного замещения у насыщенного атома уг­лерода. Однако она учитывает лишь электростатическую ориен­тацию растворителя относительно реагентов и совершенно иг­норирует специфическое донорно-акцепторное взаимодействие или образование водородных связей с молекулами растворителя, которые вместе составляют наиболее важную особенность про­цессов ион-дипольного и диполь-дипольного взаимодействия. Кроме того, эта теория рассматривает только одну составляю­щую свободной энергии активации G^, а именно энтальпию активацииH^, не принимая во внимание изменение энтропии активацииS^, чей вклад может быть очень значителен.

Дальнейшее развитие этой теории было связано с учетом эф­фектов специфической сольватации. Анализ специфической соль­ватации исходных соединений и переходного состояния позво­ляет значительно расширить и уточнить представления о меха­низме нуклеофильного замещения.

Ускорение S_N2-реакций ион-дипольного взаимодействия в диполярных апротонных растворителях

Нуклеофильность аниона в S_N2-реакциях анионного нуклеофильного агента Nu:^- с ковалентным субстратом RZ определя­ется рядом факторов, среди которых одним из важнейших явля­ется сольватация.

Нуклеофильность уменьшается по мере того, как возрастает сольватация аниона. В элементарном акте одностадийного про­цесса бимолекулярного нуклеофильного замещения сольватная оболочка атакующего нуклеофильного агента Nu^- должна час­тично разрушаться. Поэтому энергия активации G^ должна быть тем больше, а скорость реакции тем меньше, чем прочнее сольватная оболочка аниона. Другими словами, чем менее сольватирован анион, тем он более реакционноспособен.

Протонные растворители (вода, спирты, гликоли, карбоновые кислоты, фенол и др.) эффективно сольватируют анионы за счет образования водородной связи. Это взаимодействие, согласно принципу ЖМКО, наиболее эффективно реализуется при соль­ватации жестких оснований Льюиса (гл. 3). Поэтому в протон­ной среде в наибольшей степени сольватированы жесткие анио­ны небольшого размера малой поляризуемости, относящиеся к числу слабых восстановителей — F^-; НO^-; RО^-; RCOO^-; CN^-; NH₂^-; NR₂^-.

Диполярные апротонные растворители — ДМФА, ДМСО, ГМФТА, ацетон, ДМАА и другие не могут образовывать водо­родные связи с анионами. Их взаимодействие с анионами вы­звано главным образом ион-дипольными силами, возникающи­ми при взаимной поляризуемости анионов и молекул раствори­теля. Поэтому диполярные апротонные растворители гораздо слабее сольватируют жесткие анионы небольшого размера, чем протонные растворители. Это способствует понижению свобод­ной энергии активации G^ для нуклеофильного замещения под действием аниона Nu^-: (рис. 9.5,а). Сольватация анионов в растворителе различной природы уменьшается в ряду

Н₂О > СН₃ОН > C₂H₅ОН > НСОNH₂ > СН₃NO₂ > CH₃CN >ДМФА > ДМСО > ГМФТА ~ N-метилпирролидон.

Соответственно нуклеофильность анионов возрастает при пере­ходе от воды или метанола к ДМСО и ГМФТА. Диполярные ап­ротонные растворители играют важную роль в органическом син­тезе. Синтез нитрилов в результате взаимодействия первичных и вторичных алкилгалогенидов с KCN следует проводить в ДМСО или ГМФТА, а не в протонной среде:

Алкилирование фталимид-иона по Габриэлю (гл.21, ч.3) в настоящее время осуществляется в ДМФА, а не в спирте. Карбоксилат-ион RCOO^- представляет собой настолько слабый нуклеофил в протонной среде, а скорость его взаимодействия с алкилгалогенидами так мала, что это практически исключает ис­пользование этой реакции для получения сложных эфиров. Однако та же самая реакция в ГМФТА или N-метилпирролидоне приводит к образованию сложных эфиров с прекрасным вы­ходом:

Соли щелочных металлов, содержащие жесткие анионы (KF, LiF, KCN; NaCN, RCOONa и др.), плохо растворимы в диполярных апротонных растворителях — ДМФА, диметилацетамиде (ДМАА); ДМСО; ГМФТА, ацетонитриле. Для того чтобы обойти это затруднение, следует использовать соли тетраалкиламмония, такие, как (C₄H₉)₄NCN, (C₄H₉)₄NN₃ и др., или же бинарные сме­си растворителей ДМСО-СН₃ОН; ДМСО-Н₂О; ГМФТА-Н₂О, содержащие 5-10% протонного растворителя.

Однако сольватация нуклеофильного реагента Nu^- оказыва­ется не единственным фактором, определяющим резкий рост в диполярных апротонных средах скорости S_N2-реакций аниона Nu^- с ковалентным субстратом RZ. Переходное состояние такого про­цесса менее полярно, но более поляризуемо, чем исходные реа­генты, поэтому диполярные апротонные растворители более эф­фективно сольватируют переходное состояние по сравнению с протонными растворителями (гл. 3).

Это также приводит к понижению величины G^.

Слабая сольватация анионов и эффективная сольватация пере­ходного состояния предопределяют резкий рост скорости ион-дипольных S_N2-реакций в диполярных апротонных растворите­лях. В табл. 9.4 приведены данные по скоростям двух S_N2-реакций в различных растворителях:

Как следует из данных, представленных в табл. 9.4, скорость ион-дипольных S_N2-реакций возрастает в 10³-10⁶ раз при заме­не протонных на диполярные апротонные растворители, среди которых наилучшие результаты достигаются в ГМФТА, N-метилпирролидоне-2 или в более доступных ДМФА или ДМАА. Ана­логичным образом в диполярных апротонных растворителях воз­растает скорость реакций ароматического нуклеофильного заме­щения S_NAr-типа под действием анионов (см. гл. 15). Так, . например, скорость замещения фтора в n-нитрофторбензоле под действием азид-иона возрастает в 10⁵ и 10¹⁷ раз при переходе от метанола к ДМФА и ГМФТА, соответственно.

Активация анионов в диполярных апротонных растворите­лях зависит от размера и плотности заряда иона, т.е. фактически от жесткости аниона. Наибольшее ускорение для ион-диполь­ных S_N2-реакций в диполярной апротонной среде наблюдается для жестких анионов небольшого размера, таких, как F^-; RO^-; НО^-; С_бН₅O^-; RCOO^-; Сl^- и т.д. (табл. 9.5).

Таблица 9.4

Относительные скорости S_N2-реакций (9.2) и (9.3) в протонных и диполярных апротонных растворителях при 25^oС

Таблица 9.5

Сравнение логарифмов констант скоростей реакций метилйодида с различными анионами в метаноле н ДМФА при 0 ^оС

Меньший эффект достигается для мягких поляризуемых анио­нов, таких, как I^-; CNS^-; RS^- и других, хотя и в этом случае скорость S_N2-реакции в диполярных апротонных растворителях выше, чем в протонных растворителях — спиртах, гликолях, карбоновых кислотах и т.д.

Характеристики

Список файлов книги