Учебное пособие по органической химии. Часть 1. Алифатические соединения

Модуль 2

Нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода

Комплексная цель модуля

Систематизировать и углубить знания о механизмах нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода и элиминирования. Получить представление об использовании реакций нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода и элиминирования в органическом синтезе.

Программа семинара

Понятие о реакциях нуклеофильного замещения. Механизмы мономолекулярного и бимолекулярного замещения у насыщенного атома углерода (S

1 и S

2). Факторы, оказывающие влияние на протекание реакций нуклеофильного замещения: строение субстрата, природа реагента, полярность растворителя, катализаторы. Перегруппировки карбокатионов. Реакции элиминирования E2 и Е1.

Краткая теория для подготовки к семинару и решения задач

В реакциях нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода атакующая частица с неподеленной парой электронов (нуклеофил) замещает в молекуле субстрата группу Х, связанную с sp

-гибридизованным атомом углерода. В результате электронная пара, принадлежащая связи С-Х, остается у уходящей группы, а новая связь С-Nu образуется за счет электронной пары нуклеофила:

R-X + Nu: ? R-Nu + X:

Легкость реакций нуклеофильного замещения определяется совокупностью структурных и внешних факторов. В частности, реакции благоприятствует повышенная полярность и поляризуемость связи С-Х в субстрате. Полярность этой связи обеспечивает возникновение на атоме углерода значительного положительного заряда, что облегчает его атаку нуклеофилом. Поляризуемость – это дополнительная полярзация связи С-Х, но уже под действием электрического поля приближающегося реагента, т. е. в момент самой реакции.

Влияние поляризуемости лучше всего проявляется в относительной активности алкилйодидов и алкилфторидов. Несмотря на то что связь С-F несравненно сильнее поляризована, чем связь C-I, высоколежащие электроны атома йода более поляризуемы под действием нуклеофила. В результате алкилйодиды несопоставимо активнее алкилфторидов в реакциях алкилирования.

Большую роль играет также стабильность уходящей группы Х: чем она выше, тем легче протекает ее замещение (существует выражение «хорошая уходящая группа»). Например, спирты не реагируют с бромидом калия с образованием бромистых алкилов, поскольку ОН

– плохая уходящая группа. В присутствии же кислот, протонирующих спиртовый гидроксил, реакция протекает легко, поскольку в этом случае уходящей группой является нейтральная и устойчивая молекула воды:

Есть общее правило, которое легко запомнить: сильные основания (ОН

, Н

или СН

) являются плохими уходящими группами, слабые основания – хорошими. Так, по легкости замещения некоторые из распространенных уходящих групп образуют следующий ряд:

Огромное влияние на легкость реакций нуклеофильного замещения оказывает нуклеофильность реагента. Последняя определяется как его способность отдавать электронную пару другим атомам. Нуклеофильность следует отличать от основности – способности отдавать электронную пару протону. Известно немало случаев, когда более слабое основание (например, CH

S

< CH

O

) является вместе с тем более сильным нуклеофилом (CH

S

> CH

O). Чаще всего такие отклонения характерны для нуклеофилов с большим ковалентным радиусом, т. е. хорошо поляризуемых. Другая причина отсутствия корреляции между ну-клеофильностью и основностью – стерические факторы. Например, диизопропиламид-анион [(CH

)

CH]

N

– более сильное основание, чем амид-ион NH

. В то же время, в отличие от последнего, он практически полностью лишен нуклеофильных свойств (например, способности замещать галоген в связях С-Х или присоединяться к карбонильной группе) из-за сильного экранирования атома азота двумя изопропильными группами.

Нуклеофильность нельзя рассматривать отдельно от природы растворителя, в котором проводится реакция. В протонодонорных средах (вода, спирты, уксусная кислота и т. п.) анионы сильно сольватированы, что сильно уменьшает их нуклеофильность. При этом в большей степени сольватированы маленькие анионы с точечным или менее диффузным зарядом (H

, F, OH

). Например, анионы с большим радиусом легче сбрасывают сольватную оболочку и, в результате, характеризуются повышенной нуклеофильностью. Например, в ряду галогенид-ионов нуклеофильность уменьшается в ряду: I

> Br

> Cl

> F.

В апротонных диполярных растворителях (ацетон, диметилформамид, диметилсульфоксид и т. п.) картина меняется на обратную и более нуклеофильным оказывается анион меньшего размера и с большей плотностью заряда: F

> Cl

> Br

> I

.

Эти анионы в таких растворителях практически несольватированы, и в то же время они отделены от противоиона (обычно катиона щелочного металла), поскольку последний сам оказывается сольватированным в результате йон-дипольного взаимодействия с молекулой растворителя:

Реакциям нуклеофильного замещения часто благоприятствуют катализаторы, в качестве которых обычно применяются кислоты Льюиса. Все они так или иначе содействуют отщеплению уходящей группы. Выше уже говорилось о каталитической роли серной кислоты при замене спиртового гидроксила на галоген. Помимо протонов, такие кислоты Льюиса, как AlCl

, ZnCl

, BF

, HgCl

, катионы Ag