Реакции нуклеофильного замещения

СОДЕРЖАНИЕ Введение Общие представления о механизмах реакций нуклеофильного замещения Стереофимическое течение реакций нуклеофильного замещения. Кинетический характер реакций нуклеофильного замещения. . Кинетика реакций мономолекулярного замещения. Влияние структурных факторов на скорости SN1-реакций Электронные факторы Стерические факторы Участие соседних групп Влияние растворителя в реакциях мономолекулярного нуклеофильного замещения Соотношение скоростей мономолекулярного замещения и отщепления Синхронные нуклеофильные процессы. Бимолекулярное нуклеофильное замещение Влияние строения субстрата на реакционную способность в реакциях SN2 Стерические факторы Электронные эффекты заместителей в субстрате Природа уходящей группы Влияние растворителей на скорость SN2-реакций Конкуренция моно- и бимолекулярного замещения. Литература

ВВЕДЕНИЕ. Вообще нужно признать раз навсегда, что не существует «науки для науки», как еще иногда называют у нас теоретическую науку, и что только на основе ее развития возможен быстрый промышленный прогресс. А. Е. Фаворский. Процессы, сопровождающиеся гетеролитическим разрывом и образованием ковалентных связей, по типу реагента можно подразделить на нуклеофильные и электрофильные. Мы начнем рассмотрение механизмов реакций нуклеофильных процессов. Можно представить три основных типа таких реакций. Диссоциативные процессы. На первой стадии, происходящей без участия нуклеофильного реагента, молекула субстрата превра­щается в малостабильный интермедиат, который на второй стадии взаимодействует с нуклеофилом. Примерами таких реакций могут служить реакции мономолекулярного замещения и отщепления. Ассоциативные процессы. Первоначально происходит взаимодействие молекулы субстрата с нуклеофильным реагентом с обра­зованием интермедиата, который на второй стадии процесса превращается в конечный продукт. К таким реакциям относится большинство реакций замещения в ароматическом ряду, а также реакции нуклеофильного присоединения по кратным связям угле­род - углерод и углерод - гетероатом. Как диссоциативные, так и ассоциативные процессы являются, как минимум, двухстадийными. Синхронные процессы. В этом случае конечный продукт образуется из исходного в одну стадию, т. е. разрыв старой связи и образование новой происходят одновременно. Примерами таких реакций являются бимолекулярное нуклеофильное замещение и отщепление, а также реакции переноса протона. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕХАНИЗМАХ РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬВОГО ЗАМЕЩЕНИЯ. В общем виде реакцию нуклеофильного замещения можно представить следующей схемой: R׃X + Y: → R:Y + X׃ В качестве нуклеофильного агента Y может выступать как анион, так и нейтральная молекула, обладающая хотя бы одной неподеленной парой электронов (т. е. основание Льюиса), например: Y ═ H2O, ROH, H2S, RSH, NH3, OH-, OR-, SH-, SR-, Hal-, CN-, SCN-, NO2-, N3-, RCOO-, RC=CHR и т. д. │ О Замещаемая группа Х (называемая уходящей группой) обычно обладает высокой электроотрицательностью и может уходить как в виде аниона, так и в виде незаряженной молекулы, отщепляясь с электронами нарушающейся связи: Х = Hal, ОН, OR, OSО2R, OCOR, N+R3, S+R2 и т. д. Следует иметь в виду, что в большинстве случаев реакции нук­леофильного замещения сопровождаются конкурирующими с ними реакциями нуклеофильного отщепления, так как нуклеофильный реагент может взаимодействовать не только с положительно заря­женным атомом углерода, но и с атомом водорода, находящимся α-положении, отщепляя его в виде протона. Реакции нуклеофильного замещения обозначаются как SN, а отщепления - EN. (S-substitution, N-nucleophilic). Реакция замещения при Csp3 может осуществ­ляться как диссоциативный или как синхронный процесс. В пер­вом случае реакция начинается с мономолекулярной диссоциации по связи С─Х с образованием карбокатиона, который на второй стадии взаимодействует с нуклеофильным реагентом: Во втором случае образование связи с нуклеофильным реаген­том и разрыв связи с уходящей группой осуществляются одновре­менно, и процесс идет в одну стадию: RX + Y- → [Xδ-…R…Yδ-]≠ → RY + X- Процесс может осуществляться как двухстадийный - за счет первоначальной атаки нуклеофила на молекулу субстрата с образованием пентаковалентного интер­медиата, и затем на второй стадии происходит отщепление уходя­щей группы (хотя имеются указания, что в газовой фазе пентаковалентный анион СХ5 может быть достаточно устойчив, подавляющее большинство исследователей считают, что в реакциях в растворе эта возможность не осуществляется). О том, что реакции нуклеофильного замещения действительно могут осуществляться по двум различным механизмам, свидетель­ствуют как стереохимические, так и кинетические данные. Стереохимическое течение реакций нуклеофильного замещения. При исследовании реакций нуклеофильного замещения у асим­метричного атома углерода было показано, что в зависимости от строения исходных реагентов и условий проведения реакции сте­реохимическое течение реакции может быть различным. Так, при проведении следующего цикла реакций оптическая активность практически полностью сохраняется, но знак вращения изменяется на противоположный: На первой и третьей стадиях реакции связи асимметрического атома углерода не затрагиваются (для третьей стадии реакции это было показано методом меченых атомов) и, следовательно, его конфигу­рация остается неизменной. Отсюда следует, что вторая стадия ­замещение n-толуолсульфонатной группы на ацетат-анион - про­исходит с полным обращением конфигурации у реакционного цен­тра (вальденовское обращение). Аналогичные выводы были сделаны при сравнении скорости ра­цемизации и обмена галогена в оптически активных галогенпроиз­водных (поскольку исходное и конечное соединения идентичны, для изучения скорости процесса использовались радиоактивные галоген-ионы). Если предположить, что каждый акт обмена сопровождается обращением конфигурации, то при прохождении реакции на 50% должен образовываться полностью рацемизованный продукт, т. е. скорость обмена должна быть в два раза меньше скорости рацеми­зации. Экспериментальные данные полностью согласуются с этим предположением. Таким образом, обмен йода в 2-йодоктане идет с полным обращением конфигурации.
В то же время многие реакции нуклеофильного замещения идут с полной потерей оптической активности при каждом акте реакции. Так, реакция сольволиза оптически активного α-хлорэтилбензола в 80%-ном водном растворе ацетона сопровождается 97%-ной рацемизацией: D-С6Н5СНСlСН3 → DL-С6Н5СНОНСН3
Кинетический характер реакций нуклеофильного замещения. Наиболее часто реакции нуклеофильного замещения описываются одним из двух кинетических уравнений. Реакция может описываться уравнением первого порядка. В этом случае скорость процесса не зависит ни от концентрации, ни от природы нуклеофила: υ = k [RX] Такое кинетическое уравнение свидетельствует о том, что ну­клеофил не принимает участия в скоростьопределяющей стадии процесса и предшествующих ей предравновесных стадиях. В то же время изменение соотношения образующихся продуктов при использовании смесей нуклеофилов и при варьировании их концен­траций является доказательством того, что нуклеофил участвует в реакции на быстрой стадии, следующей за скорость определя­ющей. Во втором случае реакция имеет суммарный второй порядок и первый порядок как по субстрату, так и по нуклеофилу: υ = k [RX] [Y-] Для таких реакций характерна высокая зависимость скорости процесса от природы нуклеофила. Так, для реакции C4H9Br + Y-­ в этиловом спирте при 250С, при переходе от Y- = С6Н5О- к Y- = C6H5S- скорость возрастает в 1300 раз. Следует иметь в виду, что первый порядок реакции еще не сви­детельствует об обязательной мономолекулярности процесса. Так, в реакциях сольволиза, когда в качестве реагента выступает рас­творитель, бимолекулярная реакция может описываться уравнением первого порядка (псевдомономолекулярный процесс): υ = k [RX][SOH] Так как [SOH] = const, υ = k' [RX]. Таким образом, реакции нуклеофильного замещения могут раз­личаться как по кинетическому описанию, так и по стереохимиче­ским результатам. При этом в большинстве случаев реакции, со­провождающиеся обращением конфигурации, описываются кинети­ческими уравнениями второго порядка, в то время как, реакции, идущие с рацемизацией, подчиняются кинетическим уравнениям первого порядка. Можно с большой вероятностью предположить, что кинетические и стереохимические критерии изменяются в ре­зультате смены механизма реакции. Из изложенного видно, что реакции нуклеофильного замещения действительно могут происходить, как минимум, по двум различ­ным механизмам. КИНЕТИКА РЕАКЦИЙ МОНОМОЛЕКУЛЯРНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ. При диссоциации органической молекулы R-X, происходящей под влиянием растворителя, вначале образуются ионные пары, а затем - свободные ионы. Рассмотрим простейший случай, когда продукт замещения получается на стадии взаимодействия свобод­ного карбкатиона с нуклеофилом. Тогда процесс замещения мо­жет быть описан следующей схемой: (X-1) Рассмотрим факторы, влияющие на суммарную скорость про­цесса, т. е. на скорость стадии диссоциации. На ранних стадиях реакции концентрация Х- очень мала, и обычно k2 [Y] >>k-1 [Х-]. В этом случае скорость реакции может быть описана следую­щим уравнением: -d[RX] / dt = k1 [RX] в присутствии сильных нуклеофилов k2 > k-l и скорость реак­ции подчиняется тому же уравнению. Таким образом, скорость определяющей стадией является диссоциация на ионы, и для SN1-­процесса природа и концентрация нуклеофила не сказываются на скорости процесса. Исключение составляет случай, когда добавляемый нуклеофил и уходящая группа идентичны. Как видно из уравнения (Х-l), уве­личение концентрации Х- должно приводить к уменьшению скоро­сти процесса (эффект общего иона). Ниже представлены данные Ингольда по влиянию добавок солей (0,1 моль/л) на скорость сольволиза бензгидрилгалогенидов в 80%-ном ацетоне при 250С:
Без соли
LiBr
LiCl Х = Сl k * l05, с-1
7,00
8,16
6,09 изменение скорости, %
-
+17
-13 Х = Вr k * 103, c-1
1,53
1,33
1,94 изменение скорости, %
-
-13
+27 Таким образом, добавление одноименного иона приводит к за­медлению процесса (эффект общего иона). Некоторое увеличение скорости при добавлении соли, не содержащей одноименного иона, объясняется увеличением ионной силы раствора и называется пер­вичным солевым эффектом. Наличие эффекта общего иона является одним из основных признаков течения реакции по SN1-механизму с образованием свободных карбкатиона и аниона Х-. Эффектом общего иона объяс­няется и возможное падение константы скорости при увеличении конверсии субстрата: (H3C─ C6H4)2CHCl → (H3C─C6H4)2CHOH Конверсия, %
8,0
16,2
27,6
37,5
48,9
57,0
69,2 k * 10-5, с-1
8,68
8,30
7,83
7,53
7,33
7,05
6,87 По мере гидролиза в растворе увеличивается концентрация хлорид-ионов, что и приводит к падению суммарной константы скорости реакции, в соответствии с уравнением (Х-l). В тех случаях, когда скорость определяющей стадией процесса является гетеролитический разрыв связи С─Х, активированный комплекс имеет следующий вид Rδ+…Xδ- Связь С─Х в активированном комплексе частично разорвана, а на углеводородной части субстрата и уходящей группе локали­зованы дробные заряды противоположного знака. Ионный разрыв связи С─Х требует значительной затраты энер­гии. Так, в газовой фазе энергии ионной диссоциации RBr по связи С-Вr имеют следующие значения: R
CH3
CH2=CH-CH2
C6H5CH2 Eдион, кДж/моль
895
635
614 При проведении этого процесса в растворе энергетические за­траты частично компенсируются за счет сольватации, так как рас­творитель, значительно лучше сольватирует образую­щиеся ионы, чем исходную молекулу. Однако и в этом случае энергии ионной диссоциации достаточно высоки.
Из изложенного следует, что скоростьопределяющая стадия процесса является сильно эндотермичной и, в соответствии с посту­латом Хэммонда, строение активированного комплекса на этой ста­дии должно быть близким к строению свободных ионов (или, точ­нее, ионной пары), т. е. связь С─Х в переходном состоянии почти полностью разорвана. Так как строение активированного комплекса близко к строению конечного состояния стадии диссоциации, влияние различных фак­торов на энергию активированного комплекса должно быть близ­ким к влиянию тех же факторов на энергию свободных ионов и ионных пар. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ ФАКТОРОВ НА СКОРОСТИ SN1-РЕАКЦИЙ. Электронные факторы. Факторы, стабилизирующие образующийся катион, должны приводить к ускорению реакции SN1-замещения. В связи с этим скорость SNl-реакций должна возрастать при введении в α-положение к реакционному центру заместителей, способных делокали­зовать положительный заряд. Поэтому введение фенильных или аллильных заместителей, увеличивающих делокализацию заряда за счет сопряжения, или алкильных заместителей, способных к сверхсопряжению с реакционным центром, увеличивает скорость SNl-процессов. Введение электронодонорных заместителей должно еще больше стабилизировать образующийся катион и, следовательно, увеличи­вать скорость SNl-реакций. Стабилизация образующегося катиона возможна и в тех слу­чаях, когда в α-положении к реакционному центру находится атом, имеющий неподеленную пару электронов. Было показано, что α-хлорэфиры сольволизируются по SN1-механизму: ROCH2Cl → R─O─C+H2 ↔ R─O+═CH2 Введение электроноакцепторных заместителей в уходящую группу приводит к делокализации возникающего в ней отрицатель­ного заряда и к увеличению скорости SNl-замещения. В ряду галогенпроизводных реакционная способность изменяет­ся в следующем порядке: F Это связано с уменьшением энергии ионной диссоциации связи C-Hal в этом ряду. Так, при сольволизе в 80%-ном этиловом спирте при 250С: (СН3)3СХ Х
Cl
Br
I k * 105, с-1
0,854
37,2
90,1 Увеличения стабилизации уходящей группы можно достигнуть, применяя катализаторы электрофильного характера. Так, в случае галогенпроизводных реакции ускоряются в присутствии ионов сере­бра, способных давать комплекс с галогенид-ионом. Спирты не вступают в реакции мономолекулярного замещения или отщепле­ния из-за малой стабильности уходящей группы - гидроксил-ани­она - и большой энергии диссоциации связи О─С. Однако после протонирования по атому кислорода реакция становится возмож­ной, так как в качестве уходящей группы выступает нейтральная молекула воды: (CH3)3COH ↔ (CH3)3C─O+H2 → (CH3)3C+ → Продукты. В аналогичные реакции могут вступать и простые эфиры. трет-Бутиловый эфир фенола стабилен в нейтральной среде, но легко расщепляется водными растворами кислот: Особо важную роль играет увеличение стабильности уходящей группы за счет ее сольватации. Таким образом, стабилизация как образующегося катиона, так и уходящей группы приводит к увеличению скорости мономолеку­лярного замещения (и соответственно отщепления). Стерические факторы. В карбкатионе цент­ральный атом углерода имеет sр2-гибридизацию и связи С─С находятся под углами около 1200 относительно друг друга, в то время как в исходном соединении углы между связями составляют около 1090. Если увеличивать объем заместителей при центральном атоме углерода, это приведет к стерическому отталкиванию и увеличе­нию энергии системы, причем это увеличение энергии будет больше в исходном состоянии, чем в близком по геометрии к карбкатиону переходном состоянии. Таким образом, увеличение объема замести­телей дестабилизирует исходное состояние в большей степени, чем переходное, что должно приводить к увеличению скорости диссо­циации. Увеличение скорости при росте объема заместителей особенно сильно сказывается в жестких полициклических системах, где сте­рическое отталкивание наиболее велико. Действительно, если при переходе от соединения I к соединению II (сольволиз в 80%-ном ацетоне при 250С) скорость сольволиза увеличивается только в 4,36 раза, то при переходе от соединения III к соединению IV - в 1790 раз, а от V к VI - в 225000 раз: Важную роль играет при этом и стерическое взаимодействие углеводородного радикала с уходящей группой, которое также уменьшается в переходном состоянии. Чем больше объем углево­дородного радикала, тем в большей степени ускоряется реакция при увеличении стерического объема уходящей группы. Этим объ­ясняется сильная зависимость отношения реакционной способности бромидов и соответствующих тозилатов от строения субстрата. Так, если для реакции СН3Х + Cl- → СН3Сl + Х-­ где Х = Вr или OSО2-С6Н4-СН3-n (ОТs), отношение kOTs/kBr равно 0,42, для гидролиза (СН3)3СХ оно превышает 1000. Первоначально считалось, что это отношение зависит только от степени нарушения связи С─Х в переходном состоянии и поэтому может быть использовано в качестве меры полярности переходного состояния (чем в большей степени нарушена связь С─Х в активированном комплексе, тем больше разделение зарядов). В последние годы было по­казано, что увеличение реакционной способности тозилатов относи­тельно бромидов при переходе к третичным системам определяется прежде всего стерическими причинами. Так как тозилатная группировка имеет больший объем, чем атом брома, увеличение стери­ческого отталкивания в исходном состоянии при переходе от пер­вичных систем к третичным больше для тозилатов. В связи с этим отношение kOTs/kBr можно использовать в качестве меры разрыва связи С─Х только для систем, в которых стерические взаимодействия между уходящей группой и остальной частью молекулы приблизительно оди­наковы. Если образование плоского sр2-гибридизованного карбкатиона затруднено, диссоциация замедляется. В полициклических системах образование плоской конфигурации при центральном атоме угле­рода может привести к росту стерических напряжений. Это дестабилизирует образующийся катион и, следовательно, уменьшает скорость SN1-реакции. Реакционная способность полициклических систем с уходящей группой в голове моста падает по мере увели­чения жесткости цикла. Особенно велико уменьшение скорости при переходе к бициклооктановой и бициклогептановой системам:

Соединение
(CH3)3CBr kотн (80%-ной C2H2OH, 250С
1
10-3
10-6
10-13 Из изложенного очевидно, что при увеличе­нии числа углеводородных заместителей при реакционном центре диссоциация должна облегчаться за счет действия как электрон­ных, так и стерических факторов. Поэтому реакции мономолеку­лярного замещения особенно характерны для третичных систем. Участие соседних групп. При рассмотрении факторов, влияющих на стабильность карб­катионов говорилось, что некоторые присутствую­щие в молекуле группировки способны стабилизировать образую­щийся ион за счет взаимодействия с катионным центром и, следовательно, должны увеличивать скорость диссоциации. Такое участие соседних групп называется анхимерным содействием (от греческих слов анхи - близкий и мерос - часть). В результате анхимерного содействия образуется циклическая структура, и на второй стадии процесса нуклеофил атакует карбкатион с той же стороны, где находилась уходящая группа. В результате реак­ции, идущие с анхимерным содействием, как правило, сопровождаются сохранением конфигурации при реакционном центре. На­пример, конфигурация сохраняется при метанолизе солей α-бром­пропионовой кислоты, что, по мнению Грюнвальда и Уинстейна, обусловлено промежуточным образованием α-лактона: Если реакция ведется в спирте, то для образования α-лактона необходима десольватация карбоксилатной анионной группы. По­этому при переходе от спирта к диметилсульфоксиду, где карбок­силатная анионная группа сольватирована слабее, скорость реак­ции увеличивается, что отличает рассматриваемую реакцию от большинства SN1-процессов, которые идут с большими скоростями в протонных растворителях. Анхимерное содействие могут проявлять и другие заместители, обладающие неподеленными парами электронов (атомы галогенов, алкоксигруппы). Эффективность содействия зависит от величины образующегося цикла и максимальна для пяти- и шестичленных циклов. За счет анхимерного содействия катион может быть стабилизи­рован в такой степени, что мономолекулярная реакция идет даже в случае первичных производных. Так, в реакции метка в конечном продукте поровну распределена между двумя атомами углерода, что свидетельствует о промежуточном образовании симметричного оксониевого катиона. Аналогично осуществляется анхимерное содействие за счет ато­ма серы. При этом один и тот же промежуточный сульфониевый катион может быть получен из соединений, различающихся построению, которые, таким образом, будут давать одни и те же ко­нечные продукты: Как и следовало ожидать, скоростьопределяющей стадией яв­ляется образование циклического катиона. Чем менее стабилен образующийся катион, тем больше вклад анхимерного содействия в его стабилизацию, т. е. он должен быть значительно больше в случае первичных систем, чем в случае вто­ричных. У третичного центра, как правило, анхимерное содействие не осуществляется как за счет большей стабильности третичных карбкатионов, так и вследствие стерических затруднений. Только в некоторых наиболее благоприятных случаях удается обнаружить участие соседних группировок в стабилизации третичного карбка­тионного центра. Увеличение стабильности третичного катиона приводит к умень­шению роли анхимерного содействия. Весьма сложным является вопрос о возможности участия арильных заместителей в стабилизации карбкатионного центра. Возмож­ность проявления анхимерного содействия сильно зависит от при­роды субстрата и типа реакции. Наличие анхимерного содействия арильными заместителями мо­жет быть установлено при помощи изучения стереохимии процесса, а также влияния растворителя. В большой серии работ Шлейер показал, что реакция может идти по двум путям: с анхимерным содействием (при этом отсутствует нуклеофильное содействие растворителя) и без него. Оба пути осуществляются одновременно, и их соотношение зависит как от структуры субстрата, так и от условий проведения реакции. Влияние растворителя в реакциях мономолекулярного замещения. Переходное состояние SNl-процесса более полярно, чем исход­ные реагенты. Это приводит к тому, что при увеличении диэлек­трической проницаемости растворителя сольватация переходного состояния увеличивается сильнее, чем сольватация исходного со­стояния. Следовательно, при увеличении полярности среды энергии переходного и исходного состояний будут снижаться, причем для переходного состояния это снижение будет большим. Это должно приводить к росту скорости диссоциации с ростом полярности рас­творителя. Так, для третбутилиодида (250C):
Растворитель
C6H6
C6H5OCH3
C6H5CF3
C6H5NO2
C6H5CN
ξ
2,28
4,33
9,18
35
25,2
k * 106, с-1
0,275
0,424
0,800
3,00
3,69 Так как активированный комплекс можно рассматривать как диполь, следовало ожидать, что между lg k и функцией Кирквуда (ξ - 1) / (2ξ + 1) будет наблюдаться линейная зависимость. Из из рис. Х-l видно, что такая корреляция действительно наблюдается для апротонных растворителей. В то же время протонные растворители ускоряют реакцию сольволиза трет-бутилхлорида значи­тельно сильнее, чем можно было Рис. X-I. Зависимость lgk сольволиза (CH3)3CCl при 1200С от (ξ-1)(2ξ+1) в протонных (О) и апротонных (О) растворителях: 1 – газовая фаза; 2 – гептан; 3 – циклогексан; 4 – бензол; 5 – триэтиламин; 6 – анизол; 7 – пиперидин; 8 – хлорбензол; 9 – этилацетат; 10 – ацетон; 11- нитробензол; 12 – ацетонитрил; 13 – диметилформамид; 14 – изопропиловый спирт; 15 – бутиловый спирт; 16 – этиловый спирт; 17 – метиловый спирт; 18 – трет-бутиловый спирт; 19 – анилин; 20 – уксусная каслота; 21 – формамид; 22 – вода.
бы предполагать, исходя из зна­чений ξ для этих растворителей. Это связано с тем, что наряду с неспецифической сольватацией большую, а во многих случаях и определяющую роль играет специфическая сольватация и, в пер­вую очередь, стабилизация уходящей группы за счет образования водородных связей с растворителем. (Как показано в последние годы специфическая сольватация образующегося третичного карбкатиона практически не имеет места.). Роль специфической сольватации уходящей группы тем выше, чем большими кислотными свойствами обладают молекулы растворителя.
Для учета влияния специфической сольватации растворителя предложены различные методы. Наибольшее распространение для характеристики способности растворителя изменять скорость SN1-реакций получило уравнение Грюнвальда - Уинстейна: lg k/ko = mY, где Y - мера ионизирующей способности растворителя и зависит толь­ко от свойств среды (по определению Y = О для 80 %-ного водного раствора этилового спирта); m характеризует степень чувстви­тельности изучаемой реакции к смене ионизирующей силы раство­рителя и зависит от строения субстрата и условий проведения ре­акции; для стандартной реакции m = 1. Таким образом, при увеличении значения Y для растворителя скорость SNl-процесса увеличивается. Следует отметить, что прямая зависимость между диэлектрической проницаемостью растворителя и его ионизирующей си­лой существует не всегда. Чувствительность к смене ионизирующей силы растворителя за­висит от изменения полярности системы при переходе от исход­ного состояния к активированному комплексу и может быть исполь­зована в качестве характеристики полярности переходного состояния. Чем в большей степени увеличивается разделение зарядов в переходном состоянии, тем больше, в общем случае, значение m. При введении электронодонорных заместителей в ароматиче­ское ядро стабилизируется образующийся катион. Это снижает эндотермичность реакции и, в соответствии с постулатом Хэммон­да, уменьшает степень разделения зарядов в переходном состоя­нии, что и приводит к уменьшению значения m. Уравнение Грюнвальда - Уинстейна не является универсаль­ным и достаточно хорошо описывает только реакции третичных систем, идущие по чистому диссоциативному механизму (т. е. SN1 - Еl). В случае вторичных систем необходимо учитывать воз­можность нуклеофильной сольватации образующегося катиона, ко­торая практически отсутствует в стандартной серии. Кроме того, недостаточная универсальность этого уравнения свя­зана также с тем, что при варьировании структуры растворителя в широких пределах возможно и частичное изменение направления процесса сольволиза трет-бутилхлорида - наряду с чистым SN1-­процессом реакция замещения может идти за счет взаимодействия ионной пары с нуклеофилом. Для достаточно основных растворителей становится заметной и реакция бимолекуляр­ного отщепления, где в роли основания выступает молекула рас­творителя. В связи с этим для характеристики ионизирующей силы растворителя были предложены и другие реакционные серии. Уин­стейн с сотрудниками предложили в качестве стандартной реакции использовать сольволиз n-метоксинеофил-n-толуолсульфоната: Реакция идет с анхимерным содействием, и диссоциативный механизм без нуклеофильной сольватации сохраняется в малопо­лярных нуклеофильных растворителях. Шлейер с сотрудниками предложили в качестве модельной ре­акции сольволиз l-бромадамантана: В этом случае отсутствуют побочные реакции отщепления, воз­можные в растворителях высокой нуклеофильности, и характери­зуется только способность растворителя облегчать ионизацию га­логенида. СООТНОШЕНИЕ СКОРОСТЕЙ МОНОМОЛЕКУЛЯРНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ И ОТЩЕПЛЕНИЯ. Если в карбкатионе в α-положении к катионному центру имеет­ся С─Н-связь, то наряду с реакцией замещения возможен отрыв протона нуклеофилом с образованием продукта отщепления. По­этому реакции отщепления всегда конкурируют с реакциями заме­щения: Механизм отщепления, приведенный на данной схеме, обозна­чается как Еl (elimination - отщепление). Так как скорость определяющей стадией, как и в случае SNl-реакции, является диссоциация субстрата по связи С─Х, влияние всех факторов на скорость процесса Еl то же, что и для реакций мономолекулярного замещения. Образовавшийся на скоростьопределяющей стадии карбкатион может взаимодействовать с нуклеофилом либо за счет отрыва протона (тогда образуются продукты отщепления), либо за счет уже рассмотренного процесса с образованием продукта замещения. Таким образом, соотношение продуктов, соответствующих замещению и отщеплению, а также соотношение образующихся олефинов зависит от отношения скоро­стей быстрых стадий взаимодействия нуклеофила с карбкатионом. Переходное состояние для стадии отрыва протона, приводящее к олефину, можно представить следующим образом: Поскольку оно обладает некоторой двоесвязностью, то факто­ры, стабилизирующие олефин, должны понижать энергию соответ­ствующего переходного состояния и, следовательно, увеличивать скорость процесса. Из термохимических данных следует, что для изомерных олефинов стабильность тем выше, чем больше алкиль­ных заместителей находится при двойной связи. Отсюда можно сделать вывод, что в реакциях Еl преимущественно должен образовываться наиболее замещенный олефин, т.е. реакция идет в со­ответствии с правилом Зайцева: СН3СН2-СВr(СНЗ)2 → СН3-СН=С(СН3)2 + С2Н5-С(СН3)=СН2 79% 21% Реакции бимолекулярного отщепления обычно осуществляются как анти-процесс. Для реакций мономоле­кулярного отщепления такой зависимости строения продуктов от стереохимического строения исходного соединения не наблюдается, так как отщепление уходящей группы с образованием плоского карбкатиона происходит на стадии, предшествующей отщеплению протона. Что же касается стереохимии образующегося олефина, то обычно в большем количестве образуется более термодинамиче­ски стабильный изомер. При увеличении стерических внутри­молекулярных взаимодействий в субстрате скорость мономолекулярного процесса увеличивается за счет снятия стерических напряжений в возникающем sр2-гибридизованном карбкатионе. При присоединении нуклеофила к карбкатиону с образованием продук­та замещения происходит обратное изменение гибридизации атома углерода - от sp2 к sp3, что повышает энергию переходного состоя­ния этой стадии. В то же время при Еl реакции атом углерода остается в состоянии sр2-гибридизации также и в конечном оле­фине и увеличения стерических напряжений не происходит. Следо­вательно, по мере увеличения стерических затруднений в субстрате реакция отщепления становится более выгодной по сравнению с реакцией замещения. Естественно, что природа уходящей группы не должна сказы­ваться на соотношении продуктов замещения и отщепления. Значительное влияние на относительные скорости отщепления и замещения оказывает природа нуклеофила. Чем более основным является нуклеофил, тем в большей степени увеличивается вероят­ность отрыва протона с образованием продуктов отщепления. Из рассмотрения переходных состояний быстрых стадий SNl- и Еl-процессов
видно, что увеличение стерического объема нуклеофила должно в большей степени дестабилизировать переходное состояние для стадии взаимодействия нуклеофила со стерическим малодоступным атомом углерода, в то время как переходное состояние для стадии отрыва протона должно быть мало чувствительно к увеличению стерических препятствий. Поэтому увеличение стерического объема нуклеофила также приводит к росту доли продуктов отщепления. Если нуклеофил по стерическим причинам не способен образовы­вать связь с С-атомом карбкатиона, как например, 2,6-ди-трет-бу­тилпиридин
реакция отщепления может стать единственным процессом. Для предсказания влияния полярности растворителя на соотно­шение процессов отщепления и замещения необходимо рассмотреть, какое из двух переходных состояний - SN1 или Е1 - в большей степени стабилизируется при повышении полярности растворителя. Если увеличивается диэлектрическая проницаемость среды, то ис­ходный карбкатион (а также нуклеофил) стабилизируется за счет сольватации больше, чем оба переходных состояния, так как в ис­ходном состоянии заряды в большей степени локализованы. В свя­зи с этим замедляется взаимодействие карбкатиона с нуклеофилом как для реакции замещения, так и для реакции отщепления. Од­нако это замедление меньше в случае реакции замещения, так как делокализация положительного заряда в переходном состоянии реакции отщепления больше. Следовательно, уменьшение полярности растворителя должно способствовать реакции отщепления. Как правило, взаимодействие нуклеофила с С-атомом карбка­тиона требует малых энергий активации (только для десольвата­ции нуклеофила). В случае отрыва протона энергии активации существенно выше. Поэтому повышение температуры способствует протеканию реакций отщепления. Таким образом, влияние изменения условий реакции на соотно­шение продуктов замещения и отщепления хорошо описывается при сравнении влияния различных факторов на относительные энергии переходных состояний двух быстрых стадий взаимодей­ствия с нуклеофилом. СИНХРОННЫЕ НУКЛЕОФИЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ. БИМОЛЕКУЛЯРНОЕ НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ. К бимолекулярным нуклеофильным замещениям можно отнести процессы в которых предварительно происходит ионная диссоциация субстрата с последующей атакой нуклеофила на положительно заря­женный атом углерода или на протонизированный атом водорода. Это одностадийная реакция, в которой образование связи с нуклеофилом и разрыв связи с уходящей группой осуществляются на одной и той же стадии. Как и в ранее рассмотренных случаях, нуклеофил может взаимо­действовать с одним из двух кислотных центров субстрата - про­тонизированным атомом водорода или атомом углерода, связан­ным с уходящей группой и обладающим дефицитом электронов. При этом соответственно будут протекать реакции отщепления или замещения. В случае взаимодействия галогенпроизводных с очень мягкими нуклеофилами, например трифенилфосфином, возможна атака на наиболее мягкий кислотный центр - атом галогена - с образованием продуктов восстановления: Рассматриваемые реакции имеют второй порядок - первый по субстрату и первый по нуклеофилу. Такое кинетическое описание может соответствовать двум возможным механизмам процесса. Во-первых, можно представить, что реакция протекает в две ста­дии с первоначальным образованием пентакоординированного про­изводного: Так как для образования такого производного необходимо взаимодействие несвязывающей орбитали нуклеофила с разрыхляющей орбиталью С-атома, имеющей очень высокую энергию (или, другими словами, при образовании интермедиата строения СХ5- должно нарушаться правило октета), такого рода промежу­точное соединение должно быть очень мало устойчивым и, как уже говорилось, в настоящее время считается, что пентакоордини­рованные интермедиаты при замещении у атома углерода не образуются. (В то же время их образование весьма вероятно при реакциях нуклеофильного замещения у атомов элементов третьего и последующих периодов, имеющих свободные d-орбитали.) Эта точка зрения оспаривалась на том основании, что в последние годы получены данные по относительной устойчивости систем СХ4 + Х- и СХ5- в газовой фазе, показывающие, что в некоторых случаях последняя из них оказывается более стабильной. Однако необходимо учесть, что при проведении реакции в растворе как исходное состояние, так и переходное состояние вида Хδ-…СХ3…Хδ- должно быть сольватировано значительно лучше, чем пентакоор­динированное производное СХ5- и, следовательно, течение реакции замещения по синхронному механизму должна быть выгоднее. О том, что в SN2-реакциях связь С─Х разрывается на скоростьопределяющей стадии, свидетельствуют значения кинетических и изотопных эффектов в этих реакциях. Так, показано, что в реакции C6H5CH2Cl + Х- → C6H5CH2X где Х- = Сl-, S2O3-, кинетический изотопный эффект хлора составляет 1,0006-1,008. В реакции ­ArCH2S+(CH3)2 + OH- был измерен кинетический изотопный эффект серы; в зависимости от заместителя он составляет 1,0082-1,0096 (максимальное зна­чение равно 1,05). Таким образом, в реакциях бимолекулярного замещения в пе­реходном состоянии происходит только частичный разрыв связи С─Х и частичное образование связи с нуклеофилом: R3CX + Y- → δ-[X…CR3…Y]δ’-≠ → X- + CR3Y Стрейтвизером была предложена следующая молекулярно­орбитальная модель для описания переходного состояния SN2­реакции: В исходном состоянии атом углерода, при котором происходит замещение, находится в состоянии sр3-гибридизации. Подход нуклеофильного реагента осуществляется со стороны, противополож­ной уходящей группе, так как в этом случае минимально электро­статическое и дисперсионное отталкивание между уходящей груп­пой и нуклеофилом. По мере приближения нуклеофильного реагента происходит изменение гибридизации атома углерода и геометрии при реакционном центре, и в активированном комплексе атом углерода находится в состоянии, близком к sp2-гибридизации. Три заместителя при атоме углерода оказываются в одной плоскости, по разные стороны от которой располагаются нуклеофил и уходящая группа. Таким образом, переходное состояние имеет вид тригональной бипирамиды. Разумеется, такое симметричное строение переходное состояние имеет только в том случае, если нуклеофил и уходящая группа идентичны. В других случаях воз­можно как более раннее переходное состояние (связи центрального атома углерода еще не приняли тригональную конфигурацию, порядок связи С .Х больше порядка связи С…….Y), так и более позднее. При дальнейшем движении системы по маршруту реак­ции снова происходит изменение конфигурации углеродного атома, и в конечном состоянии он имеет sр3-гибридизацию. Это приводит к тому, что реакция протекает с полным обращением конфигура­ции при реакционном центре. Как видно из приведенной на предыдущей странице схемы, в переходном состоянии свободная р-орбиталь атома углерода взаимодействует одновременно с занятыми орбиталями нуклеофила и уходящей группы.
Одновременно с движением реакционной системы по маршруту реакции происходит изменение сольватации. Уменьшается сольва­тация нуклеофила, так как уменьшается отрицательный заряд на нем, и увеличивается сольватация уходящей группы. Кроме того, при движении системы к активированному комплексу увеличивает­ся роль дисперсионной сольватации (так как активированный комплекс более поляризуем, чем исходное и конечное состояния).
Трактовка причин обращения конфигурации, основанная на представлениях о электростатическом отталкивании нуклеофила и уходящей группы, не является вполне строгой. Можно было бы ожидать, что в том случае, когда уходящая группа отщепляется в виде нейтральной молекулы, а нуклеофил заряжен отрицательно, реакция с сохранением конфигурации будет более благоприятной вследствие их электростатического притяжения. Однако установ­лено, что и в этом случае реакция сопровождается полным обра­щением конфигурации. Стереохимию процесса более точно можно описать, используя метод возмущений молекулярных орбиталей (ВМО). Реакция осу­ществляется за счет взаимодействия несвязывающей орбитали нук­леофила, несущей пару электронов, с разрыхляющей орбиталью С─Х-связи. Если атака нуклеофила происходит с фронтальной стороны молекулы (а), из-за наличия узла на разрыхляющей орби­тали взаимодействие орбиталей близко к нулю: При взаимодействии несвязывающей орбитали нуклеофила с разрыхляющей орбиталью со стороны, противоположной уходящей группе (б), взаимодействие орбиталей приводит к понижению энергии, что и делает выгодным замещение с обращением конфигурации. Поскольку такая картина наблюдается независимо от заряженности уходящей группы, все SN2-реакции осуществляются с полным обращением конфигурации. Если подход со стороны, противоположной уходящей группе, невозможен вследствие особенностей реагирующей системы, реакция SN2 становится невоз­можной. Действительно, полициклические соединения с уходящей группой в голове моста не способны к реакциям бимолекулярного замещения. Так как реакция бимолекулярного замещения является одно­стадийной и нуклеофил участвует в образовании переходного со­стояния, естественно, что скорость реакции зависит как от при­роды, так и от концентрации нуклеофила, и кинетика процесса описывается уравнением второго порядка: υ = k[RX] [Y] В тех случаях, когда в качестве нуклеофила выступает молекула растворителя (SOH) и концентрация нуклеофила практиче­ски не изменяется в процессе реакции, реакция может описываться и уравнением первого порядка: υ = k [SOH] [RX] = k'[RX] Тем не менее реакция по-прежнему является бимолекулярной, так как молекула растворителя включена в переходное состояние, и происходит образование новой ковалентной связи. ВЛИЯНИЕ СТРОЕНИЯ СУБСТРАТА НА РЕАКЦИОННУЮ СПОСОБНОСТЬ В РЕАКЦИЯХ SN2. Знание строения активированного комплекса в реакциях заме­щения дает возможность предсказать, каким образом варьирова­ние структурных факторов скажется на скорости реакции. Рас­смотрим, как будет влиять на скорость замещения строение субстрата. Стерические факторы. Переходное состояние SN2-реакции близко к тригональной бипирамиде, и у реакционного центра находятся пять заместителей. Увеличение стерического объема заместителей будет приводить к увеличению стерического отталкивания, причем оно будет большим в переходном состоянии. Это приведет к дестаби­лизации переходного состояния относительно исходного и, следо­вательно, к уменьшению скорости замещения. Так, скорость осуществляющегося по SN2-механизму замещения брома на хлор (диметилформамид, 250С) зависит от строения алкильного радикала следующим образом: RBr + Cl- → RCl + Br-
R
CH3
C2H5
CH(CH3)3
C(CH3)3
CH2C(CH3)3
-lg k
0,30
1,87
3,61
4,96
7,07 Как видно из этих данных, стерические препятствия увеличи­ваются не только при переходе от первичных систем к вторичными третичным, но и при увеличении числа разветвлений при угле­родном атоме. Этим объясняется чрезвычайно низкая реакцион­ная способность неопентильных систем: Расчет показывает, что в неопентильных системах стерическое отталкивание приводит к тому, что нуклеофил, уходящая группа и атом углерода, при котором происходит замещение, уже не рас­положены на одной прямой. Однако и в этом случае SN2-замеще­ние происходит с полным обращением конфигурации, что было показано на оптически активных соединениях: Y- = N3, CN-, Сl-, C2H5O-. Замедление реакции за счет стерических эффектов тем больше, чем больше объем нуклеофила. Реакционная способность циклических соединений зависит от их конформации. Поскольку в переходном состоянии атом углерода, у которого осуществляется замещение, находится в состоянии гибридизации, близком к sp2, и, следовательно, происходит увеличение валентных углов, скорость замещения в циклических системах существенно зависит от размера цикла. Это подтверждается данными по реак­ционной способности циклоалкилбромидов CnH2n-lВr и изопропил­бромида по отношению к иодид-иону в ацетоне при 700С: n 3 4 5 6 7 (CH3)2CHBr k * 107, л/(моль*с) 0,01 0,98 208 1,29 127 130 В сильнонапряженных циклопропильной и циклобутильной си­стемах увеличение валентного угла должно еще больше увеличи­вать напряжение в цикле, что и приводит к малой реакционной способности этих соединений. В циклогексильной системе в активированном комплексе появляются невыгодные взаимодействия С─Н-связей, находящихся в заслоненной конформации.
Увеличение стерических затруднений при переходе от первич­ных систем к вторичным и третичным приводит к тому, что, как правило, реакции бимолекулярного нуклеофильного замещения при третичном атоме углерода практически не идут. Только в не­которых специфических случаях, когда используется весьма реак­ционно-способный нуклеофил, а образование карбкатиона (и, сле­довательно, SNl-реакция) затруднено за счет наличия в молекуле сильных электроноакцепторных заместителей вне посредственной близости к реакционному центру, SN2-реакция может осуществ­ляться даже в третичных системах. Так, по SN2-механизму идут реакции замещения галогена на азид-ион в следующих соедине­ниях:
Электронные эффекты заместителей в субстрате. В случае реакций мономолекулярного замещения сделать вывод о влиянии заместителей на скорость процес­са достаточно легко. В случае SN2-реакций картина более сложна. Как и ранее необходимо рассмотреть, как меняется электронная плотность на реакционном центре при переходе от исходных со­единений к активированному комплексу. Возможно такое течение SN2-процесса, при котором на реакционном центре не происходит изменения заряда. Для этого необходимо, чтобы реакция замеще­ния шла строго согласованно, т. е. в переходном состоянии связь с нуклеофилом должна образовываться точно в той же степени, в которой нарушается связь с уходящей группой. (Другими словами, сумма порядков связей с нуклеофилом и уходящей группой в переходном состоянии должна равняться единице). При этом можно ожидать, что электронные эффекты заместителей не будут суще­ственно сказываться на скорости процесса. (Более строго, и в этом случае для реакций анион─молекула заместители, прояв­ляющие электроноакцепторное влияние, должны несколько уско­рять процесс замещения за счет стабилизации отрицательно за­ряженного активированного комплекса.) Однако, хотя реакция бимолекулярного замещения и является синхронной, т. е. процес­сы разрыва старой связи и образования новой происходят на одной и той же стадии реакции, они не являются строго согласованными. Разрыв старой связи может обгонять образование новой (случай А, сумма порядков связей меньше единицы, электронная плотность на реакционном центре ниже в активированном комплексе, чем в исходной молекуле). Такое переходное состояние может быть на­звано «рыхлым» (loose). В других случаях разрыв старой связи может отставать от образования новой (случай Б, сумма порядков связей больше единицы, электронная плотность на реакционном центре больше в активированном комплексе, чем в исходной мо­лекуле). Такое анионоподобное переходное состояние называют «сжатым» (tight). Только в некоторых случаях разрыв старой и образование новой связи осуществляются строго согласованно («центральное» переходное состояние В). Влияние электронных эффектов заместителей на скорость реак­ции будет зависеть от вида переходного состояния. Для реакций с переходным состоянием типа А положительный заряд увеличивает­ся при переходе от исходной молекулы к активированному комп­лексу, и можно ожидать ускоряющего действия электронодонорных заместителей, а для реакций с переходным состоянием типа Б происходит уменьшение положительного заряда, и реакция должна ускоряться электроноакцепторными заместителями. Эксперимент показывает, что для большинства реакций бимо­лекулярного замещения характерно ускорение электроноакцептор­ными заместителями и, таким образом, образование новой связи обгоняет разрыв старой. При обсуждении факторов, влияющих на строение активиро­ванного комплекса в SN2-реакциях, следует иметь в виду, что рас­смотренные ранее принцип Белла - Эванса - Полян и постулат Хэммонда не применимы в простой форме к процессам, в которых порядки рвущейся и образующейся связей не изменяются строго согласованно. Для таких реакций требуются более сложные мо­дели для суждения о влиянии варьирования строения реагентов и условий проведения реакции на положение переходного состояния на координате реакции. Для SN2-реакций плодотворным оказалось использование уже рассмотренных понятий «сжатости» и «рыхлости» переходного состояния. Если строение субстрата таково, что возможна значительная стабилизация ка­тионоидного (рыхлого) переходного состояния, то разрыв старой связи обгоняет образование новой, и реакция ускоряется при введении электронодонорных заместителей. Если возможна стабили­зация сжатого анионоподобного переходного состояния, образова­ние новой связи обгоняет разрыв старой, и реакция ускоряется при введении электроноакцепторных заместителей в субстрат. При изучении зависимости скорости SN2-обмена галогена были получены следующие результаты: ArSCH2Cl + Cl- ρ = -0,92 ArCH2CH2Cl + Cl- ρ = +0,57 ArCH2Cl + Cl- U-образная зависимость В первой из рассматриваемых реакционных серий наличие атома серы в α-положении к реакционному центру способствует стабилизации положительного заряда, сумма порядков связей в симметричном переходном состоянии меньше единицы, и переход­ное состояние является рыхлым (ρ 0). В случае бензилгалогенидов рыхлость - сжатость пере­ходного состояния меняется в пределах одной реакционной серии, и поэтому реакция ускоряется как электроноакцепторными, так и электронодонорными заместителями. Природа уходящей группы. Изменение уходящей группы качественно должно сказываться на скорости реакций SN2-замещения так же, как и на скорости SN1-реакций. Ускорению процесса будут способствовать все фак­торы, уменьшающие энергию диссоциации по связи С─Х и стабилизирующие образующийся анион. Если при этом разрывается одна и та же связь (например, связь С─О), реакционная способ­ность соединения будет тем выше, чем более сильной является кислота, сопряженная аниону Х-). В связи с этим электроноак­цепторные заместители в уходящей группе ускоряют реакцию, так как они стабилизируют частичный отрицательный заряд, возни­кающий в переходном состоянии: СН3ОSО2-С6Н4-Х-n + Н2О → СН3ОН
X
NO2
Br
H
CH3
CH3O
kотн (500С)
5,9
1,7
1
0,69
0,5
ρ = 0,9 Большая роль стабилизации образующегося аниона приводит к тому, что и в SN2-реакциях трифлаты оказываются очень реак­ционноспособными соединениями: k(С2Н5ОSО2СF3)/k(С2Н5ОSО2С6Н4СНЗ)= 30000 (для ацетолиза при 250С). Как и ранее, большую роль играет энергия разрывающейся связи С─Х. Реакционная способность галогенидов изменяется в порядке: F В качестве примера можно привести реакции обмена галогена в метилгалогенидах (ацетон, 250С): СН3Х + Сl- → СН3Сl + Х-­
Х
Cl
Br
I
k * 103, л/(моль*с)
1,4
59,5
4700 В переходном состоянии реакции SN2 у центрального атома углерода находятся пять заместителей. В связи с этим увеличение стерического объема уходящей группы в большей степени деста­билизирует переходное состояние, чем исходное, и скорость реакции должна уменьшаться. По-видимому, по этой причине тозилаты менее реакционноспособны в реакциях SN2, чем бромиды. Следует, однако, отметить, что влияние изменения стерического объема уходящей группы сильно зависит от природы реакции и в неко­торых реакциях проявляется довольно слабо. Очень сильно на реакционной способности сказывается изме­нение сольватации уходящей группы. Таким образом, при рассмотрении влияния уходящей группы на скорость замещения в целом наблюдается аналогия между реак­циями SNl и SN2. Различие между этими типами реакций в основ­ном связано с тем, что в случае бимолеку.лярного замещения связь С─Х в переходном состоянии растянута значительно меньше, чем в мономолекулярных реакциях (например, показано, что кинетиче­ский изотопный эффект хлора значительно меньше в бимолекуляр­ных, чем в мономолекулярных реакциях одних и тех же субстра­тов). Поэтому чувствительность к смене уходящей группы в реак­циях SN2 существенно меньше. Для количественного учета влияния смены уходящей группы на скорость замещения предложено несколько корреляционных уравнений, которые, однако имеют ограниченное применение. ВЛИЯНИЕ РАСТВОРИТЕЛЯ НА СКОРОСТЬ SN2-РЕАКЦИИ. Начиная с работ Н. А. Меншуткина, влияние растворителя на скорость реакций бимолекулярного нуклеофильного замещения изучается очень многими исследователями. Первоначально рас­сматривалось только влияние неспецифической сольватации. Ингольдом и Хьюзом была построена модель, позволяющая учиты­вать влияние изменения диэлектрической проницаемости раствори­теля на скорость реакций замещения. При этом главное внимание обращалось на электростатическое взаимодействие растворителя с исходными соединениями и активированным комп­лексом. Для того чтобы предсказать, как изменится скорость процесса при варьировании диэлектрической проницаемости среды, необхо­димо рассмотреть распределение зарядов в исходном и переход­ном состояниях. Основным предположением теории Хьюза-Ингольда является то, что полярный растворитель лучше сольватирует состояние, в котором заряд более локализован. В зависи­мости от того, являются нуклеофил и уходящая группа нейтраль­ными или заряженными, можно разбить реакции бимолекулярного замещения на четыре типа, причем увеличение диэлектрической проницаемости среды (полярности) будет сказываться на скорости реакций бимолекулярного замещения следующим образом: В первом случае, при взаимодействии незаряженного нуклео­фила с незаряженным субстратом, происходит разделение разно­именных зарядов. Таким образом, переходное состояние является более полярным, чем исходное, и увеличение полярности растворителя приводит к большей сольватации переходного состояния и, следовательно, к росту скорости процесса: (С2Н5)3N + C2H5I → (C2H5)4N+ + I-
Растворитель
C6H6
C6H5F
C6H5Cl
C6H5CN
C6H5 NO2
(CH3)2 SO
ξ
2,2
5,4
5,6
25
35
49
k * 105, л/(моль*с) (1000С)
40,8
91
138
1120
1380
12000 Во втором случае в переходном состоянии по сравнению с исходным делокализуется отрицательный заряд, а в третьем случае - положительный. Это приводит к тому, что полярный растворитель лучше соль­ватирует исходное состояние, чем переходное, и скорость реакции снижается: I*- + CH3I → δ-[I*…CH3…I]δ-≠ → I- + CH3I*
Растворитель
CH3COOH
C2H5OH
CH3OH
(CH2OH)2
H2O
kотн
26900
65
22
21
1
Растворитель
CH3NO2
C2H5OH
CH3OH
H2O
kотн
119
10
6
1 Наконец, в четвертом случае происходит нейтрализация разноименных зарядов, что также при водит к уменьшению скорости реакции при росте полярности растворителя: Содержание воды в водно-спиртовом растворителе, %
0
20
40
100 kотн
20000
480
40
1 Аналогичный подход применяется и при рассмотрении роли полярности растворителя в реакциях SN1. Изложенный подход не учитывает важности специфической сольватации реагентов, а также роли дисперсионной сольватации. Важность специфической сольватации стала особенно ясной при изучении реакций бимолекулярного нуклеофильного замещения в апротонных биполярных растворителях. Как известно, эти растворители, в отличие от гидроксилсодержа­щих и других растворителей, способных образовывать достаточно прочные водородные связи, не способны специфически сольвати­ровать анионы.
Поэтому многие реакции бимолекулярного замеще­ния проходят в таких растворителях со скоростями, на несколько порядков большими, чем в протонных. О том, что основную роль играет именно наличие или отсутствие специфической сольватации нуклеофила, свидетельствуют относительные скорости реакции Cl- + СН3I в различных растворителях:
kотн (250С) CH3OH
1 HCONH2
12,5 HCONHCH3
45,3 HCON(CH3)2
1200000 CH3CON(CH3)2
4400000 Из этих данных следует, что увеличение скорости при исполь­зовании амидов в качестве растворителя связано именно с исчез­новением специфической сольватации хлорид-иона. Если скорость в протонных растворителях - формамиде и N-метилформамиде­ отличается от скорости реакции в метиловом спирте довольно слабо, то при переходе к диметилформамиду и диметилацетамиду, неспособным образовывать водородную связь с анионом, происходит резкое увеличение скорости. Уменьшение специфической сольватации нуклеофила является главной причиной ускорения реакций бимолекулярного замещения типа анион - молекула в апротонных биполярных растворителях. Ниже приведены константы скорости взаимодействия СН3I с анионами в метиловом спирте (kM) и диметилформамиде (kД) при 00С:
kМ * 104, л/(моль*с)
kД * 104,
л/(моль*с)
lg(kД/kМ) Cl-
0,0010
2400
6,38 BR-
0,0183
1170
4,81 N3-
0,030
3100
5,01 C6H5O-
0,020
38*103
6,3 n-NO2C6H4O-
9,6*10-4
14,0
4,17 n-NO2C6H4S-
57
13600
2,38 C6H5COO-
7,76*10-4
220
5,45 CH3COO-
4,47*10-4
740
6,22 ClCH2COO-
1,2*10-4
250
6,3 Из этих данных следует, что увеличение скорости при переходе от метилового спирта к диметилформамиду тем больше, чем более основен и меньше по размерам анион нуклеофила. Это естествен­но, так как чем меньше по размерам аннон, тем сильнее он специ­фически сольватируется протонными растворителями. Кроме того, большие и сильно поляризуемые анионы достаточно хорошо соль­ватируются апротонными растворителями за счет неспецифической (дисперсионной) сольватации. Реакции молекула - молекула, как правило, также ускоряются апротонными биполярными растворителями. В этом случае основ­ную роль играет то, что переходное состояние, обладающее сильно делокализованным зарядом, высоко поляризуемо и хорошо соль­ватируется апротонными биполярными растворителями за счет дисперсионных сил. Этот вывод сделан при сопоставлении разли­чий теплот растворения и энтальпий активации. Ниже приведены термодинамические и кинетические характеристики реакции С6Н5СН2Х + C5H5N в метиловом спирте kмет и диметилформамиде kдмф при 250С:
Cl
Br δ Δ Hсольв
0,03
-0,34 δ Δ H ≠
-5,3
-1,7 δ Δ Hсольв ≠
-5,3
-2,0 kмет * 105
0,346
9,64 kдмф * 105
374
84,60 Примечание: δ Δ Hсольв - разность энтальпий сольва­тации исходных соединений в метиловом спирте и диметилформа­миде; δ Δ H ≠ - разность энтальпий активации в тех же растворителях; δ Δ Hсольв ≠ - разность энтальпий сольватации переходных состояний. Как видно из представленных значений, сольватация исходных соединений очень слабо меняется при переходе от метилового спирта к диметилформамиду. В то же время переходное состояние сольватируется в диметилформамиде значительно сильнее, что и приводит к столь большому увеличению скорости реакции. Из изложенного следует, что сравнительно малая реакционная способность высокоосновных нуклеофилов в протонных раствори­телях связана прежде всего с их сильной специфической сольвата­цией. Поэтому при переходе к апротонным биполярным раствори­телям, где специфическая сольватация анионов отсутствует, про­исходит увеличение их реакционной способности, которое особенно значительно для малых нуклеофилов. В связи с этим относитель­ная нуклеофильность галоген-анионов, которая в протонных растворителях изменяется в следующем порядке F
Изменение реакционной способности нуклеофила может также быть следствием того, что в зависимости от растворителя нуклео­фил может находиться в виде ионов или ионных пар. Связывание нуклеофила в ионную пару уменьшает его реакционную способность. Так как образование ионных пар тем вероятнее, чем меньше размеры катиона и аниона, реакционная способность уменьшается в наибольшей степени именно для солей с малыми анионами. Ниже указана реакционная способность ионов и ионных пар в реакции C4HgOBs + Х- в ацетоне при 250С: M+X-
kотнсумм
kд * 104
kотнсв.ион (C4H9)4N+Cl-
11,3
22,8
18 Li+Cl-
0,16
0,027
18 (C4H9)4N+Br-
3,0
32,9
4 Li+Br-
0,92
5,22
4 (C4H9)4N+I-
0,6
64,8
1 Li+I-
1,0
69
1 kд – константа диссоциации ионных пар Из этих данных видно, что для галогенидов лития, практически полностью находящихся в виде ионных пар, наиболее реакционно­способным оказывается иодид. В то же время образование ионных пар в случае тетрабутиламмонийгалогенидов является значительно менее вероятным. Измерение констант равновесия ионы – ионные пары позволило рассчитать относительные реакционные способно­сти свободных галоген-анионов. Как и следовало ожидать, они изменяются в том же порядке, что и в других апротонных растворителях. В последние годы использование краун-эфиров, которые обра­зуют комплексы с катионами и тем самым разрушают ионные пары, позволило более широко изучить нуклеофильные реакции в апро­тонных растворителях. Таким образом, очевидно, что поляризуемость нуклеофила не играет существенной роли. Успех уравнения Эдвардса, которое мы рассматривали, вероят­но, связан с тем, что поляризуемость и сольватация нуклеофила изменяются в противоположных направлениях: чем больше объем аниона, тем выше его поляризуемость и тем меньше его сольва­тация. Исследование реакций замещения в газовой фазе также проде­монстрировало определяющую роль сольватации для реакционной способности нуклеофилов. Было показано, что в реакциях анион - ­молекула рост основности нуклеофила приводит к увеличению его реакционной способности, а поляризуемость не играет существен­ной роли. Из галоген-анионов наиболее реакционноспособным яв­ляется фторид-ион. В то же время различие между реакционной способностью нуклео­филов в газовой фазе значительно меньше, чем в растворе. Это связано с тем, что реакции в газовой фазе идут с очень большими скоростями. Таким образом, еще раз подтверждается вывод о том, что очень большой вклад в энергию активации реакций бимолекулярного замещения вносит энергия десольватации реагентов. КОНКУРЕНЦИЯ МОНО- И БИМОЛЕКУЛЯРНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ. В предыдущих разделах мы рассмотрели основные факторы, влияющие на скорость реакций бимолекулярного замещения. Рас­смотрим теперь, как можно изменять механизм реакции замеще­ния, т. е. варьируя строение субстрата или растворитель, перехо­дить от SN2-реакций и SNl-реак­циям, рассмотренным в предыдущей главе. Рис. XI-1. Зависимость скорости гидролиза алкилгалогенидов от их строения. Увеличение стерического объема заместителей при реакционном цен­тре субстрата увеличивает скорость реакции SNl и уменьшает скорость реакции SN2. Кроме того, влияние электронных эффектов заместите­лей в субстрате в большинстве слу­чаев значительно сильнее прояв­ляется в реакциях мономолекуляр­ного замещения. Поэтому очевидно, что при переходе от первичных си­стем к вторичным и третичным скорость SNl-замещения должна увеличиваться, а скорость SN2 -замещения - уменьшаться, что может при­вести к смене механизма реакции. На рис. XI-l представлена за­висимость скорости гидролиза алкилгалогенидов от строения ал­кильной группы. Левая часть кривой отвечает преимущественно бимолекулярному процессу, поэтому при увеличении числа ал­кильныx заместителей скорость процесса падает. При переходе к третичному алкилгалогениду происходит резкое увеличение ско­рости процесса, так как реакция начинает преимущественно идти по SN1-механизму. Большое значение имеет природа нуклеофила и растворителя. При использовании высоко реакционноспособных нуклеофилов и апротонных биполярных растворителей (что должно способство­вать реакции бимолекулярного замещения) иногда удается даже для третичных соединений осуществить SN2-механизм. Наиболее сложно решить, по какому механизму протекает реакция в промежуточной области, где скорости процессов SN1 и SN2 соизмеримы. Можно высказать два предположения: 1) реакция одновременно идет по двум путям, и оба механизма конкурируют друг с другом; 2) реакция осуществляется по некоторому промежуточному (borderline) механизму. В литературе имеются примеры того, что возможно одновре­менное течение SN1- и SN2-процессов. Например, было показано, что следующая реакция описывается кинетическим уравнением: υнабл = k1 [RSCN] + k2 [RSCN][SCN-] где k1 не зависит от концентрации нуклеофила. Такая картина согласуется с одновременным образованием конечного продукта за счет как изомеризации в ионной паре или свободных ионах, что характеризуется скоростью υ(SN1) = k1[R-SCN] так и бимолекулярной реакции замещения со скоростью υ(SN2) = k2 [R-SСN][NаSСN] Изучение замещенных соединений показало, что для мономолекулярного вклада ρ = -4,5 (корреляция с σ+), а зависимость бимолекулярной реакции от заместителей в ароматическом ядре очень слаба. Это также согласуется с одновременным течением реакций SN1 и SN2.
Гидролиз RC6H4CH2Cl в 70%-ном ацетоне имеет все характер­ные признаки SNl-реакций. В то же время с сильными нуклеофи­лами реакция идет как SN2-замещение. Естественно, что и в этом случае должен сохраняться вклад SNl-процесса, ско­рость которого не зависит от природы нуклеофила. Существуют и другие примеры одновременного протекания реакций SNl и SN2.
Большой прогресс в понимании так называемого «промежу­точного» механизма был достигнут при изучении реакций сольво­лиза.
ЛИТЕРАТУРА А. Е. Чичибабин: Основные начала органической химии (в двух томах), Москва, «Государственное научно-техническое издательство химической литературы», 1963г. Ф. С. Днепропетровский, Т. И. Темникова: Теоретические основы органической химии, Ленинград, «Химия», 1979г. А. М. Ким: Органическая химия, Новосибирск, «сибирское университетское издательство», 2004г. Методические указания к лабораторным работам по курсу органическая химия, сост. В. Е. Стацюк, Т. Е. Лукьянова. Тольятти: ТГУ, 2004г.