Нуклеофильное замещение. Классификация реакций нуклеофильного замещения по типу механизма реакции

Способность галогеналкаиов вступать в реакции S N обусловлено полярностью связи углерод-галоген. Атом галогена, имея большую электроотрицаггельность, чем атом углерода, смешает на себя электронную плотность связи С-Hal. В результате атом галогена приобретает частичный отрицательный заряд (δ -), а атом углерода – частичный положительный заряд (δ +). Галогеналканы вступают в реакции с нуклеофильными реагентами, и при этом происходит замещение галогена на нуклеофил.

В зависимости от строения галогеналкана, природы нуклеофила и растворителя реакции S N протекают по двум основным направлениям: S N 1 и S N 2.

Механизм S N 2 (бимолекулярное нуклеофильное замещение)

По механизму S N 2 реагируют первичные и несколько труднее вторичные галогеналканы. Реакция протекает в одну стадию через образование переходного состояния. Вначале нуклеофил атакует атом углерода, связанный с галогеном (электрофильный центр), со стороны, противоположной связи С-Hal , т. е. атака идет с тыла, В результате происходит постепенное вытеснение нуклеофилом галогенид-иона (уходящей группы). Этот процесс включает переходное состояние, т. е. момент, когда связь С-Hal еще не разорвалась, а связь C-Nu еще не полностью образовалась.

Образование переходного состояния сопровождается изменением гибридного состояния атома углерода с sр 3 на sp 2 , Одна доля негибридизованной р-атомной орбитали атома углерода в переходном состоянии частично перекрывается с орбиталью атакующего нуклеофила, а вторая – с орбиталью атома галогена.

Возвращение атома углерода в sр 3 -гибридное состояние после отщепления галогенид-иона происходит с обращением конфигурации.

Протеканию реакции по механизму S N 2 способствуют активные нуклеофильные реагенты – они легче образуют переходное состояние – и апротонные растворители. поскольку протонные полярные растворители сольватируют нуклеофил, тем самым снижая его реакционную способность.

По предложению английского химика К. Ингольда описанный механизм получил обозначение S N 2. Буква S указывает на замещение. N – на нукдеофильный тип реакции, а цифра 2 обозначает, что реакция является бимолекулярной, т. е. в стадии, определяющей скорость реакции в целом (в данном случае образование переходного состояния), участвует два реагента (галогеналкан и нуклеофил). Скорость реакций, протекающих по механизму зависит от концентрации обоих реагентов.

Механизм S N 1 (мономолекулярное нуклеофильное замещение)

Поэтому механизму происходит нуклеофильное замещение в третичных и, в определенных условиях, во вторичных галогеналканах. В молекуле третичных галогеналканов объемные заместители при атоме углерода, связанном с галогеном, создают пространственные препятствия для подхода нуклеофила к электрофильному центру, и его атака с тыла становится невозможной. Вместе с тем третичные галоген-алканы способны в сильнополярных средах к ионизации. По механизму S N 1 реакция протекает в две стадии:

На первой стадии происходит диссоциация молекулы галогеналкана при участии молекул протонного полярного растворители. В результате образуются карбкатион и галогенил-ион. Поскольку процесс ионизации протекает медленно, то 1 стадия определеят скорость всей реакции. На второй стадии образовавшийся карбкатион быстро реагируете нуклеофилом.

Протеканию реакции по механизму S N 1 способствуют высокая ионизирующая и сольватирующая способность растворителя, а также стабильность образующегося карбкатиона. Устойчивость алкильных карбкатионов обусловлена делокализацией положительного заряда за счет +I-эффекта алкильных групп и возрастает в ряду:

Поэтому третичные галогенопроиэводные легче всего подвергаются ионизации.

Механизм нуклеофильного замещения, протекающий по рассмотренной схеме, называется мономолекулярным, т. к. на стадии, определяющей скорость всего процесса (стадия 1), принимает участие молекула только одного реагента – галогеналкана. Такой механизм обозначают S N 1.

Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать вывод, что первичные галогеналканы обычно реагируют по механизму S N 2, третичные – по механизму S N l. Вторичные галогеналканы, в зависимости от природы нуклеофила и растворителя, могут реагировать как по механизму S N 2, так и по механизму S N 1.

1. Гидролиз галогеналканов. Галогеналканы гидролизуются до спиртов. Реакцию обычно проводят в присутствии водных растворов щелочей, т. к. с водой она протекает медленно.

2. Реакция Вильямсона. Эта реакция является одним из лучших способов получения простых эфиров. Она заключается во взаимодействии галогеналканов с алкоголятами или фенолятами.

3. Взаимодействие с солями карбоновых кислот (ацетолиз). При действии солей карбоновых кислот на галогеналканы образуются сложные эфиры. Реакцию проводят в среде апротонного полярного растворителя.

4. Взаимодействие с аммиаком, алкил- и ариламинамц (аммонолиз и аминолиз). При взаимодействии с аммиаком и аминами галогеналка-ныадкилируют их с образованием смеси первичных, вторичных и третичных аминов, а также солей – четвертичных аммониевых оснований. Например, первичный амин образуется по схеме:

5. Взаимодействие с солями цианоаодородной кислоты. Первичные и вторичные галогеналканы с цианидом калия или натрия в среде апротонного полярного растворителя образуют нитрилы (S N 2):

6. Взаимодействие с солями азотистой кислоты. Продукты, образующиеся в результате этой реакции, зависят от условий ее проведения, строения галогеналкана и соли.

Основополагающий вклад в изучение реакций замещения у sp3-гибридизованного атома углерода внес Ингольд. Классическим примером реакции нуклеофильного замещения является превращение алкилгалогенида в спирт:

R-Cl + HO- --> R-OH + Cl-

При изучении кинетики реакций такого типа было установлено, что они могут протекать по двум механизмам (мономолекулярное и бимолекулярное замещение), которым отвечают кинетические зависимости:

V 1 =k" (SN1)

V 2 = k (SN2)

Обозначение реакций (SN 1) и (SN 2) было также предложено Ингольдом и расшифровывается, соответственно, как нуклеофильное замещение мономолекулярное и бимолекулярное (от англ. Substitution nucleophilic).

Мономолекулярное нуклеофильное замещение (SN1)

Бимолекулярное нуклеофильное замещение (SN2)

Предполагается, что реакция протекает по следующей схеме:

Если в исходном соединении существовала какая-нибудь оптическая конфигурация (D-, L-), то в результате реакции происходит ее обращение (L-, D-).

В реакции этого типа преимущественно вступают пространственно незатрудненные первичныеалкилгалогениды, при отщеплении уходящей группы от которых не образуется стабилизированного карбкатиона.

Механизм реакции SN 1 или реакции мономолекулярного нуклеофильного замещения (англ. substitution nucleophilic unimolecular) включает следующие стадии:

1. Ионизация субстрата с образованием карбкатиона (медленная стадия):

2. Нуклеофильная атака карбкатиона (быстрая стадия):

или (если в качестве нуклеофила выступает нейтральная частица):

R+ + Y?Z > R?Y+?Z

3. Отщепление катиона (быстрая стадия):

R?Y+?Z > R?Y + Z+

Примером реакции SN1 является гидролиз трет-бутилбромида:

Условный энергетический профиль реакции SN1

Скорость реакции SN 1 (в упрощённом виде) не зависит от концентрации нуклеофила и прямо пропорциональна концентрации субстрата:

Скорость реакции = k Ч

Так как в процессе реакции образуется карбкатион, его атака (в идеальных условиях без учёта фактора влияния заместителей) нуклеофилом может происходить с обеих сторон, что приводит к рацемизации образующегося продукта.

Важно иметь в виду, что SN1 механизм реализуется только в случае относительной устойчивости промежуточного карбкатиона, поэтому по такому пути, обычно, реагируют только третичные ((R)3C-X) и вторичные ((R)2CH-X) алкилпроизводные.

Реакции SN2

Механизм реакции SN 2 или реакции бимолекулярного нуклеофильного замещения происходит в одну стадию, без промежуточного образования интермедиата. При этом атака нуклеофила и отщепление уходящей группы происходит одновременно:

R?X + Y? > ? > R?Y + X?

Примером реакции SN2 является гидролиз этилбромида:

Условный энергетический профиль реакции мономолекулярного нуклеофильного замещения представлен на диаграмме.

Скорость реакции SN2 зависит как от концентрации нуклеофила, так и концентрации субстрата:

Скорость реакции = k Ч Ч [Y]

Так как в процессе реакции атака нуклеофилом может происходить только с одной стороны, результатом реакции является стехиометрическая инверсия образующегося продукта.

Ещё в 1895 году году этот эффект обнаружил латышский химик Пауль Вальден («обращение Вальдена»), однако он не смог его объяснить. В 1935 году Хьюз исследую реакцию оптически активного 2-йодоктана с йодид-ионом обнаружил, что реакция имеет общий второй кинетический порядок и первый по каждому из реагентов, а также что скорость рацемизации в два раза выше скорости внедрения йода в молекулу йодоктана. Так было сформулировано стехиометрическое SN 2 правило:

В реакциях бимолекулярного нуклеофильного замещения атакующий нуклеофил стехиометрически инвертирует молекулу, в которой он замещает уходящую группу.

Сравнение реакций SN1 и SN2

Реакции смешанного типа SN1 - SN2

Не для всех реакций можно чётко определить механизм, по которому они протекают, так как чистый SN 1 или SN 2 являются всего лишь идеальными (предельными) модельными случаями. Следует помнить, что один и тот же субстрат может реагировать с одним и тем же нуклеофилом, в зависимости от условий реакции и растворителя, как по механизму SN 1 , так и SN 2 .

Например, скорость гидролиза 2-бромпропана описывается с учётом смешанного механизма его протекания:

CH3?CHBr?CH3 + HO? > CH3?CHOH?CH3 + Br?

Скорость реакции = k1 Ч + k2 Ч Ч

Часто смешанный механизм провоцирует применение амбидентных нуклеофилов, то есть нуклеофилов, имеющих не менее двух атомов - доноров электронных пар (например: NO2?, CN?, NCO?, SO32? и пр.)

Если в субстрате имеется заместитель, находящийся рядом с атакуемым атомом и несущий свободную электронную пару, он может существенно увеличить скорость реакции нулкеофильного замещения и повлиять на её механизм (сохранение конфигурации). В этом случае говорят об анхимерном содействии соседней группы (например: COO?, COOR, OCOR, O?, OR, NH2, NHR, NR2 и пр.)

Примером анхимерного содействия может служить гидролиз 2-бромпропионата:

Несмотря на формальный (с точки зрения одностадийности) механизм SN2, образующийся в ходе реакции продукт имеет ту же оптическую конфигурацию, что и исходный.

При нуклеофильном замещении атакующий реагент (нуклеофил) отдает субстрату свою электронную пару, с помощью которой образуется новая связь, а уходящая группа (нуклеофуг) отщепляется со своей электронной парой:

R?X + Y > R?Y + X

Нуклеофил может быть нейтральным или отрицательным, субстрат либо нейтрален, либо заряжен положительно. Y должен иметь свободную пару электронов, поэтому все нуклеофилы являются основаниями Льюиса. Если Y это растворитель, тогда реакция называется сольволизом. В реакциях нуклеофильного замещения в зависимости от природы субстрата, нуклеофила, уходящей группы и условий реакции могут реализоваться несколько разных механизмов. Однако в каждом из них атакующий агент имеет электронную пару, поэтому сходства между ними больше чем различий.

Механизм SN2

Механизм является синхронным, без интермедиата и с единственным определяющим скорость реакции переходным состоянием. Согласно этому механизму субстрат атакуется нуклеофилом со стороны, противоположной уходящей группе, причем образование связи с нуклеофилом протекает одновременно с разрывом связи между углеродным атомом и уходящей группой. Переходное состояние представляет собой тригональную бипирамиду с пентакоординированным углеродом. Нуклеофил и уходящая группа связаны с центральным углеродом посредством 2р-орбитали углерода и свободных электронных пар нуклеофила и уходящей группы. Поскольку атакующие частицы непосредственно участвуют в стадии, определяющей скорость реакции, то скорость зависит не только от их концентрации, но и от химической природы нуклеофила. Поскольку в переходном состоянии припрямом замещении заряд более рассредоточен, чем в основном состоянии, увеличение диэлектрической проницаемости среды будет стабилизировать основное состояние больше, чем переходное. Это приводит к увеличению энергии активации и уменьшению скорости реакции. В ходе реакции происходит обращение конфигурации, которое энергетически выгоднее, чем сохранение конфигурации.

Механизм SN1 Ионизационный механизм нуклеофильного замещения включает стадию, определяющую скорость всей реакции, гетеролитической диссоциации субстрата на трехкоординационный карбкатион и уходящую группу. За диссоциацией следует быстрая стадия взаимодействия очень сильного электрофила? карбкатиона с основанием Льюиса, имеющимся в среде. Следствия из такого механизма очевидны. Реакция будет показывать суммарный первый порядок, причем скорость разложения субстрата не зависит от концентрации или природы нуклеофила. Структурные факторы включают электронные и пространственные эффекты. Наиболее очевидным электронным эффектом является стабилизация карбениевого иона за счет подачи электронов и стабилизации уходящей группы путем увеличения ее способности принимать электронную пару. Пространственные эффекты существенны потому, что при переходе от ковалентно построенного субстрата к трехкоординационному карбкатиону происходит изменение конфигурации.

Механизм SNi Кроме тех случаев, о которых шла речь выше, известно несколько реакций, протекающих с сохранением конфигурации, т.е. реакции, при которых как исходное вещество, так и продукт обладают одинаковой конфигурацией. Конкретным случаем является замещение ОН на CL в присутствии тионилхлорида. Эта реакция подчиняется уравнению второго порядка. Однако нельзя считать, что она протекает строго в соответствии с механизмом SN2, поскольку при этом происходит обращение конфигурации, чего в действительности не наблюдается. На стадии (1) изменение конфигурации не происходит, поскольку связь С-О на этой стадии не разрывается. На стадии (2), когда эта связь разрывается, атака атомом CL в соответствии с ориентацией промежуточного соединения происходит с той же стороны углеродного атома. Вторая стадия напоминает реакцию типа SN1, в процессе которой распад промежуточного соединения протекает через ионную пару. Хлорсульфит-анион распадается на SO2 и CL- , причем распад происходит настолько быстро, что CL- может осуществлять фронтальную атаку карбониевого иона до того как этот ион успеет оказаться сплющенным до плоского состояния. В результате образуется продукт, конфигурация которого не отличается от конфигурации исходного соединения.

Аммонолиз галогенкарбоновых кислот

Один из наиболее распространенных методов синтеза Ь- аминокислот заключается в аммонолизе галогензамещенной кислоты, которую обычно получают по реакции Геля-Фольгарда-Зелинского:

ядре, их механизм.

7.1. Замещение атомов водорода.

Нуклеофильная атака незамещенного бензольного ядра протекает гораздо труднее, чем электрофильная, что объясняется следующими причинами:

1) π-электронное облако бензольного ядра отталкивает приближающийся нуклеофил (:Nu: -- );

2) π-электронная система бензольного ядра гораздо менее способна к делокализации, а, следовательно, и к стабилизации двух лишних электронов в отрицательно заряженном комплексе (на 5С приходится 6е), чем в положительно заряженном комплексе Уэланда (на 5С - 4е);

3) в реакциях нуклеофильного замещения водорода в бензольном кольце должен вытесняться гидрид-ион Н: -- , который является сильным основанием и обладает большой энергией, т.е. гидрид-ион является плохой уходящей группой в отличие от гораздо лучшей уходящей группы Н + , при электрофильной атаке:

cигма-комплекс

сигма-комплекс

комплекс Уэланда

Однако, при введении электроноакцепторных заместителей в бензольное ядро электронная плотность в кольце понижается настолько, что реакция с нуклеофильными реагентами становится возможной.

При этом электроноакцепторный заместитель (например, нитрогруппа) направляет нуклеофильную атаку в орто- и пара-положения, тогда как в реакциях электрофильного замещения атака происходит в мета-положение и реакция замедляется:

Другие электроноакцепторные заместители (−CN; −COH; −COR; −COOH; −COOR; −CCl 3 и др.)также повышают реакционную способность, но в меньшей степени, чем нитрогруппа.

Так, например, при сплавлении нитробензола с КОН образуется орто-нитрофенол и небольшое количество пара-нитрофенола:

Более предпочтительной является атака в орто-положение, поскольку индуктивный эффект нитрогруппы, действуя на малом расстоянии, создает большую нехватку электронов в орто-, чем в пара-положении.

Механизм реакции

Можно написать и другие граничные структуры, но наиболее важными являются структуры 1в и Шб, в которых отрицательный заряд находится на атоме углерода, непосредственно связанном с группой NO 2 , так как в этом случае можно написать дополнительные граничные структуры 1г и Шг для орто- и пара-положений, в которых отрицательный заряд накапливается на атоме кислорода нитрогруппы.

Это возможно только в том случае, если атакующая группа ОН занимает орто- или пара-положение по отношению к нитрогруппе.

Присутствие двух и особенно трех нитрогрупп в мета-положении по отношению друг к другу еще более способствует реакциям с нуклеофильными реагентами.

Так, например, при взаимодействии мета-динитробензол со щелочью или с амидом натрия происходит замещение одного из атомов водорода, находящихся в орто- или пара-положениях, на группу OH, или на NH 2 :

Образующийся сопряженный карбанион еще более стабилизируется за счет увеличения числа граничных структур вследствие сопряжения с двумя нитрогруппами:

Симметричный тринитробензол реагирует со щелочью с образованием пикриновой кислоты:

Таким образом, замещение атома водорода в ароматических соединениях на нуклеофильные реагенты удается осуществить только при наличии в этих соединениях сильных электроноакцепторных групп, находящихся в мета-положении по отношению друг к другу и направляющих нуклеофильную атаку в орто- и пара-положение по отношению к ним.

Общая схема реакции:

Нуклеофил отдает субстрату свою пару электронов, за счет которой образуется новая связь, а галоген уходит со своей парой электронов в виде галогенид-аниона. При этом происходит алкилирование нуклеофила.

Для нуклеофильного замещения у атома углерода в состоянии sp 3 -гибридизации установлено два основных механизма: бимолекулярное нуклеофильное замещение (S N 2 ) и мономолекуляное нуклеофильное замещение (S N 1 ).

Бимолекулярное нуклеофильное замещение.
Бимолекулярное нуклеофильное замещение - это синхронный процесс, который протекает в одну стадию. Разрыв старой и образование новой связи происходят одновременно. Нуклеофил атакует субстрат со стороны, противоположной уходящей группе (с тыла), и постепенно вытесняет ее из молекулы:

Y: + R-Hal ® ® Y-R + Hal -

переходное
состояние

S N 2-реакции имеют следующие основные признаки.

1. 1. Кинетический признак

Скорость реакции зависит от концентрации и субстрата, и нуклеофила. Реакция имеет второй общий порядок (первый по субстрату и первый по нуклеофилу) и описывается кинетическим уравнением:

1. v=k[Y]
   1. Стереохимический признак

Если нуклеофильное замещение происходит у асимметрического атома углерода, то имеет место обращение конфигурации, так как в переходном состоянии три нереагирующие группы и центральный атом углерода находятся в одной плоскости, а входящая и уходящая группы расположены на одной прямой, перпендикулярной этой плоскости. В результате структура выворачивается, как зонтик:

Мономолекуляное нуклеофильное замещение.
Мономолекулярное нуклеофильное замещение протекает в две стадии:

На первой стадии под действием растворителя происходит гетеролитический разрыв связи в субстрате, в результате чего образуется карбокатион. Процесс протекает медленно и определяет скорость реакции в целом. На второй стадии карбокатион быстро реагирует с нуклеофилом, давая продукт замещения.

Энергетическая диаграмма процесса имеет вид:

S N 1-реакции имеют следующие основные признаки.

1. 1. Кинетический признак

Скорость реакции зависит только от концентрации субстрата, поскольку нуклеофил не участвует в лимитирующей стадии процесса. Реакция имеет первый порядок и описывается кинетическим уравнением:

v=k

1. 1. Cтереохимический признак

Если нуклеофильное замещение происходит у асимметрического атома углерода, то, как правило, образуется рацемическая смесь, так как атака нуклеофилом плоского карбокатиона с обоих сторон равновероятна:

Факторы, влияющие на ход нуклеофильного замещения

Легкость протекания реакции и ее механизм зависят от многих факторов, среди которых можно выделить следующие:

• • строение углеводородного радикала субстрата;
  • природа уходящей группы;
  • сила нуклеофила;
  • природа растворителя.

Влияние строения углеводородного радикала.

Реакционная способность первичных, вторичных и третичных алкилгалогенидов в реакциях нуклеофильного замещения различна, причем порядок реакционной способности зависит от механизма реакции.

Скорость реакций, протекающих по механизму S N 1, зависит от стабильности карбокатиона, образующегося на первой стадии реакции. Таким образом, реакционная способность алкилгалогенидов в реакциях S N 1 возрастает в ряду:

который соответствует ряду стабильности карбокатионов:

Успех реакции S N 2 определяется эффективностью атаки нуклеофила на положительно заряженный реакционный центр субстрата. Поэтому электронодонорные радикалы R, понижая положительный заряд на реакционном центре, замедляет нуклеофильную атаку. В то же время увеличению объема R затрудняет подход нуклеофила к реакционному центру. Совместное действие индуктивного и объемного эффектов определяет ряд реакционных способностей субстратов в реакциях нуклеофильного замещения:

Высокой реакционной способностью независимо от механизма реакции обладают аллил- и бензилгалогениды. В процессе S N 1 они дают карбокатионы, стабилизированные засчет сопряжения:

Бензил-катион

Легкость, с которой аллил- и бензилгалогениды вступают в S N 2-реакции объясняют участием кратных связей в стабилизации переходного состояния.

Влияние природы уходящей группы.

Реакционная способность алкилгалоненидов зависит от прочности связи углерод - галоген, которая уменьшается в ряду:

C-F > C-Cl > C-Br > C-I.

Не менее важно, чтобы уходящая группа была термодинамически стабильна. (Она должна быть более устойчива, чем атакующий субстрат нуклеофил). Хорошими (относительно устойчивыми) уходящими группами являются слабые основания. Галогенид-анионы - хорошие уходящие группы. Их относительная стабильность возрастает по мере уменьшения их основности в ряду:

F - < Cl - < Br - < I -

Параллельно увеличивается и реакционная способность алкилгалогенидов независимо от того, по какому из двух механизмов протекает реакция:

RF < RCl < RBr < RI

Влияние природы нуклеофила.

Нулеофильность - это способность частицы взаимодействовать с атомом углерода, несущим целый или частичный положительный заряд. Нуклеофильность является кинетической характеристикой и определяется константами скоростей соответствующих реакций.

Нуклеофилы, как и основания, могут быть сильными и слабыми. Единой шкалы нуклеофильности не существует, так как относительная сила нуклеофила может изменяться в зависимости от природы субстрата и растворителя. Однако можно выделить следующие основные закономерности.

1) Отрицательно заряженные нуклеофилы сильнее, чем нейтральные молекулы (сопряженные им кислоты):

OH - > H 2 O; RO - > ROH; NH 2 - > NH 3

2) Для элементов одного периода с ростом электроотрицательности атома нуклеофильность уменьшается:

NH 2 - > OH - > F -

R 3 C - > RNH 2 - > RO - > F -

3) Электронодонорные заместители увеличивают, электроноакцепторные - уменьшают нуклеофильность. Например, для кислородсодержащих нуклеофилов установлен следующий ряд реакционной способности:

RO - > OH - > ArO - > RCOO -

В рассмотренных примерах порядок нуклеофильности реагентов совпадает с порядком их основности и объясняется теми же причинами. Однако сила нуклеофила определяется не только его основностью, но иполяризуемостью .

4) Для элементов одной подгруппы с возрастанием заряда ядра нуклеофильность увеличивается, несмотря на уменьшение основности:

RS --

I - - - -

Рост нуклеофильности связан с увеличением поляризуемости атомов и ионов по мере увеличения их радиуса. Чем выше поляризуемость нуклеофила, тем легче деформируется его электронное облако и тем в большей степени он способен передать электронную плотность на субстрат.

Такой порядок нуклеофильности может быть объяснен также с позиций принципа ЖМКО. Основность по Бренстеду проявляется во взаимодействии с жесткой кислотой Н + , в то время как нуклеофильность проявляется во взаимодействии с более мягким кислотным центром - атомом углерода, для которого предпочтительным будет взаимодействие с мягкими основаниями Льюиса - RS - и I - .

Кроме того, относительная сила нуклеофилов зависит от природы растворителя. Чем меньше размер аниона, тем лучше он сольватируется полярными протонными растворителями (т.е. растворителями, способными образовывать с анионом водородные связи), что снижает его реакционную способность. При замене растворителя порядок реакционной способности нуклеофилов может меняться на противоположный.

В соответствии с механизмами S N 2 и S N 1 природа нуклеофила оказывает влияние на ход S N 2-реакции, так как нуклеофил участвует в лимитирующей (и единственной) стадии процесса, и не влияет на скорость реакций, протекающих по механизму S N 1, лимитирующая стадия которых протекает без участия нуклеофила.

Влияние природы растворителя

Растворитель влияет на скорость и механизм реакций нуклеофильного замещения.

Протеканию реакции по механизму S N 1 способствуют сильноионизирующие растворители. К ним относятся полярные протонные растворители (вода, спирты, карбоновые кислоты), так как они хорошо сольватируют ионные интермедиаты: отрицательно заряженную уходящую группу - за счет водородных связей, карбокатион - за счет свободных пар электронов.

Влияние растворителя на S N 2-реакции проявляется в меньшей степени и зависит от распределения зарядов в исходном и переходном состояниях. Как правило, их скорость уменьшается с ростом полярности растворителя и увеличивается при переходе от протонных растворителей к апротонным (диметилформамид, диметилсульфоксид, ацетонитрил). В апротонных растворителях, которые не способны к образованию водородных связей, нуклеофил (а это, как правило, анион) в меньшей степени сольватирован и, следовательно, обладает большей силой, что важно для S N 2-реакции.

Таким образом, протеканию реакций по механизму S N 2 способствуют:

• субстрат с углеводородным радикалом малого объема (первичным);
• апротонный растворитель;
• сильный нуклеофил.

Реализации механизма S N 1 способствуют:

• субстрат с углеводородным радикалом разветвленного строения (третичным);
• полярный протонный растворитель;
• слабый нуклеофил.

По легкости замещения галогена независимо от механизма реакции галогенпроизводные располагаются в следующий ряд:

аллил- и бензилгалогениды > алкилгалогениды > винил- и арилгалогениды

Галогенпроизводные, содержащие связь (винил- и арилгалогениды), обладают очень низкой реакционной способностью. Реакция протекает по иному механизму. Малую подвижность галогена в винил- и арилгалогенидах объясняют увеличением прочности связи C-Hal за счет сопряжения пары электронов галогена с электронами p -связей:

Примеры реакций нуклеофильного замещения

Реакции нуклеофильного замещения галогена широко используются в органическом синтезе. С их помощью можно заменять галоген на другие функциональные группы или углеводородные радикалы и получать из галогенпроизводных любые классы органических соединений.

Примеры синтетического использования галогенпроизводных алифатических углеводородов приведены в таблице.

Таблица 7. S N -реакции галогенпроизводных

Винил- и арилгалогениды инертны по отношению к нуклеофильным реагентам. Замещения галогена в галогенбензолах возможно только в очень жестких условиях, например:

Введение электроноакцепторных заместителей в орто - и пара -положения к галогену активизируют галогенарены в S N -реакциях:

Аналогично 2,4-динитрофторбензол взаимодействует с аминогруппами аминокислот и пептидов, что используется для установления их аминокислотного состава: