CC BY
377
УДК 547.220
Е. А. Буйлова, И. Ш. Мазитова, Д. У. Рысаев, А. К. Мазитова
Закономерности протекания реакций нуклеофильного замещения
Уфимский государственный нефтяной технический университет 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел.(347) 228-25-11, факс 242-07-34 Стерлитамакский филиал Уфимского государственного нефтяного технического университета
453118, г. Стерлитамак, ул. Пр. Октября, 2
Рассмотрены основные факторы, определяющие скорость реакций нуклеофильного замещения, такие как строение субстрата и нуклеофи-ла, природа растворителя. Статья может использоваться как методическое руководство для студентов и аспирантов, изучающих курс органической химии.
Ключевые слова: реакции нуклеофильного замещения, субстрат и реагент, протонные и ап-ротонные растворители.
Реакции нуклеофильного замещения, к которым относятся реакции аминирования, циклоконденсации, занимают одну из главных позиций препаративной органической химии.
Реакции нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода считаются в большей степени изученными по сравнению с другими типами реакций. Данные вопросы рассматривались в трудах К. Ингольда, О. А. Реутова, П. Сайкса, но и современные авторы уделяют немало внимания особенностям протекания реакций нуклеофильного замещения, т. к. в этой области все еще остаются нерешенные проблемы.
В данной статье мы рассматриваем такие важнейшие факторы, определяющие механизм реакций нуклеофильного замещения, как строение субстрата и реагента, природа растворителя.
Реакции нуклеофильного замещения — это взаимодействие органического соединения с частицей, несущей отрицательный заряд или неподеленную электронную пару. Обозначение реакций такого типа — SN (S — substitution, N — nucleophilic). Выделяют два механизма нуклеофильного замещения: SN1 (мономолекулярный), SN2 (бимолекулярный).
При мономолекулярном замещении реакция начинается с диссоциации связи C-X, при этом образуется карбкатион, который на второй стадии взаимодействует с нуклео-фильным реагентом. При этом карбкатион может равноценно вступать в реакцию с нукле-офилами по различным направлениям и образовывать новые связи. Если продукт реакции
характеризуется асимметричным атомом углерода, то он состоит из эквивалентных количеств оптических изомеров.
--^е-х I ' '
'I
\ +
C—X "
-Nu
-V
Nu:
Скорость данного процесса не зависит от концентрации и природы нуклеофила, кинетическое уравнение реакции будет соответствовать первому порядку (И — алкильный радикал):
V = к^Х ]
Исходя из кинетического уравнения, можно сказать, что нуклеофильная частица не принимает участия в скоростьопределяю-щей стадии мономолекулярного замещения (стадии ионизации).
В случае бимолекулярного замещения, субстрат реагирует с нуклеофилом посредством электронодефицитного атома углерода, поэтому разрыв связи в субстрате и образование связи с нуклеофилом происходят одновременно, в одну стадию. Промежуточное соединение этой реакции характеризуется высоким значением энергии активации, следовательно, реакция в целом будет протекать медленно. В результате образуется только один продукт, конфигурация которого обратна строению исходного соединения.
-с—X
I
;;.сч-х
В том случае, когда скорость замещения зависит от концентрации и природы нуклео-фильного реагента, реакции соответствует суммарный второй порядок и первый порядок, как по субстрату, так и по нуклеофилу. Кинетическое уравнение бимолекулярного замещения имеет следующий вид:
V = k[RX ][#к:]
Nu
Nu
с
Nu
Дата поступления 27.09.06 12 Башкирский химический журнал. 2006. Том 13. Жо№5
Однако в реакциях, где растворитель выступает в качестве атакующего агента (процессы сольволиза), реакция бимолекулярного замещения описывается уравнением первого порядка 1-3:
V = k[RX]{_Sol], [Sol] = const, V = k[RX]
Строение субстрата существенно влияет на направление протекания нуклеофильного замещения. Электронодонорные заместители в молекуле субстрата в реакциях мономолекулярного замещения увеличивают скорость таких процессов, так как они стабилизируют образующийся катион за счет переноса электрона от алкильной группы к отщепляющейся группе без обратного эффекта.
Бимолекулярное нуклеофильное замещение является результатом одновременного перемещения электронов от замещающегося агента к алкильной группе и от последней к отщепляющейся группе. Эти перемещения электронов не полностью стабилизированы в переходном состоянии, поэтому следует ожидать влияния строения радикала на скорость реакции. Однако роль такого эффекта невелика, так как он зависит только от неполного перемещения электрона в молекуле субстрата.
Влияние электронных эффектов заместителей на скорость реакции замещения атомов в молекуле субстрата зависит от вида переходного состояния, (разрыв старой связи может обгонять образование новой; в других случаях разрыв старой связи может отставать от образования новой и т. д.) но экспериментальные данные показывают, что большинство реакций бимолекулярного замещения ускоряются элек-троноакцепторными заместителями 4 5.
Способность алкильных групп отдавать электроны, проявляя положительный индукционный эффект, зависит от места в гомологическом ряду и от разветвления алкильных радикалов, легкость отдачи электронов увеличивается в следующем ряду:
СНз < C2H5 < H-C3H7 и высшие нормальные радикалы
СН3 < С2Н5 < г-С3Н7 < t-C4H9
Данный ряд является универсальным, на его основе выявляется сходство с другими радикалами. Высшие вторичные алкильные группы (2-н-бутильная, 2-н-амильная, 2-н-ок-тильная) ведут себя в реакциях замещения,
как изопропильная группа. Высшие третичные алкильные группы ведут себя аналогично третичной бутильной, проявляя тенденцию к реакциям мономолекулярного замещения.
Например, реакции замещения атома галогена в алкилгалогенидах, имеющие в качестве заместителя метильную группу, которая обладает незначительным положительным индукционным эффектом, будут проходить по бимолекулярному механизму. По мере увеличения количества радикалов и изменения их природы в молекулах субстратов органических соединений происходит повышение легкости отдачи электрона за счет большего положительного индукционного влияния заместителей, что влияет на скорость стадии ионизации галогеналканов, поэтому преобладающими становятся реакции мономолекулярного замещения 6.
При рассмотрении влияния строения реагента (нуклеофила) на скорость нуклеофиль-ного замещения необходимо остановиться на понятиях «нуклеофильность» и «основность».
В качестве нуклеофилов могут выступать разнообразные соединения, несущие неподе-ленную электронную пару, отрицательный заряд либо активированную ароматическую систему. Во многих случаях нуклеофильность тесно соседствует с основностью — сродством к протону, которое может осложнять проведение нуклеофильного замещения за счет побочных процессов элиминирования. Нуклеофиль-ные реагенты — основания Льюиса, а электро-фильные — кислоты Льюиса. Между шкалами нуклеофильности — электрофильности и кислотности — основности нет полного соответствия, хотя эти шкалы отражают общее свойство — способность принимать или предоставлять пару электронов при образовании новой ковалентной связи. Они относят это свойство к разным партнерам: нуклеофильность и электрофильность к атому углерода, а кислотность и основность характеризуют сродство к протону.
Для характеристики кислотно-основного взаимодействия каждой кислоте и каждому основанию необходимо приписать параметр, названый Пирсоном параметром «мягкости». Пирсоном была создана БИАВ-концепция (Soft-Haгd-Acid-Base) для характеристики относительной реакционной способности соединений с тем или иным нуклеофилом 7.
Те кислоты и основания, у которых параметр «мягкости» велик, получили название «мягких», а те, у которых он мал — «жестких».
Смысл названий «жесткие» и «мягкие» отражает способность атомов кислот и оснований удерживать электроны.
Согласно этой концепции, электрофиль-ные реакционные центры, обладающие выраженной способностью к поляризации, малой электроотрицательностью, легко окисляющиеся и легко отдающие электроны на незаполненные орбитали акцептора («мягкие» реагенты) предпочтительно реагируют с «мягкими» нуклеофилами. Признаками «мягкости» являются высокая поляризуемость и малая электроотрицательность, т. е. малый положительный заряд, большой радиус, заполненные внешние орбитали. Наоборот, «жесткие» электро-фильные С-центры предпочтительно реагируют с «жесткими» нуклеофилами. Чем больше переходное состояние похоже на конечные продукты реакции, тем легче идет замещение.
Нуклеофилы можно расположить в ряд по увеличению «жесткости»:
И- < I- < БН- < СЫ- < Вг- - мягкие С1- < ОН- < Н20 < Р- - жесткие
Первичные алкилгалогениды отнесены к умеренно «мягким» реагентам. По концепции Пирсона растворители можно разделить на «жесткие» и «мягкие». «Жесткие» растворители (жидкий фтороводород, вода, спирты) сильно сольватируют «жесткие» анионы Р-, ОН-, С1- и уменьшают их нуклеофильную активность. «Мягкие» растворители - диме-тилсульфоксид, диметилформамид, нитропа-рафины, ацетон лучше сольватируют «мягкие» нуклеофилы, реакционная способность «жестких» нуклеофилов ОН-, С1-, ЫН3 в этих растворителях увеличивается.
В свете концепции Пирсона становится понятны несовпадения шкал кислотности -основности и электрофильности - нуклео-фильности, поскольку первая отражает сродство к «жестким» кислоте или основанию, а вторая - к значительно более «мягким» кислотам и основаниям.
В некоторых пределах основность и нук-леофильность изменяются согласованно, они увеличиваются с переходом от нейтральных молекул к ионам и с уменьшением электроотрицательности ионов. Например, нуклеофильность и основность гидроксид-иона и амид-иона гораздо больше, чем эти значения у молекул воды и аммиака.
При сравнении реагентов с реакционными центрами, различающимися по «жесткости»
(«мягкости»), согласованности в изменении основности и нуклеофильности не наблюдается. Когда в молекуле нуклеофила возможно взаимодействие с орбиталями неподеленной пары электронов соседнего атома, мягкость реагента и его нуклеофильность увеличиваются, хотя основность под влиянием отрицательного индукционного эффекта снижается. Так, реагенты ROO-, RSS-, RNHNH2 более нуклеофильны и менее основны, чем RO-, RS-, RNH2 соответственно.
В реакциях бимолекулярного замещения в апротонных растворителях и реакций, проводимых в газовой фазе, относительная реакционная способность нуклеофилов существенно изменяется, независимо от природы нуклео-фила, главную роль играет его основность. Поэтому в таких реакциях поляризуемость нуклеофила выполняет подчиненную роль, а изменение реакционной способности в очень большой степени связано с изменением сольватации реагента 8.
Растворители оказывают значительное влияние на характер органических процессов. Природа растворителя может влиять на тип реакции, селективность реакции, ее стереохимию и скорость.
Влияние растворителей обусловлено физическими и химическими свойствами растворителя.
К физическим константам растворителя относят: температуру кипения (применение растворителя с высокой температурой кипения позволяет проводить реакцию без использования автоклавов или запаянных ампул); дипольный момент (с его значением связана сольватирующая способность растворителя по отношению к ионам); диэлектрическую проницаемость (способность молекул растворителя дополнительно поляризоваться под действием внешнего электрического поля); электродонорную способность (способность растворителей частично отдавать свободные электронные пары).
Химические свойства растворителей лучше рассматривать в их классификации. Растворители (типа бензола, циклогексана, хлорбензола, ацетона), молекулы которых не способны ни отдавать, ни присоединять протоны, называют апротонными. Среди них наибольшее значение имеют полярные (биполярные) апротонные растворители (аце-тонитрил, нитрометан, диметилсульфоксид, диметилформамид). Другую группу растворителей — протонные можно разделить на три группы: 1) протогенные — растворители кис-
лого типа, молекулы которых легко отдают протоны (безводная муравьиная кислота, безводная серная кислота, уксусная кислота, жидкий фтористый водород); 2) амфотерные или амфипротонные растворители, молекулы которых могут, как поставлять протоны, так и принимать их (вода, метиловый спирт, этиловый спит); 3) растворители основного характера, молекулы которых обладают большим сродством к протону (амины, пиридин, формамид, жидкий аммиак) 9-11.
Сольватирующая способность растворителей, связана с их полярностью, т. е. способностью к сольватации ионов растворенного вещества, которая увеличивается с увеличением диполь-ного момента растворителя и уменьшается с увеличением толщины экранирующего слоя дипольных зарядов.
Из всех эффектов, входящих в понятие сольватации, наиболее важными оказываются слабые специфические взаимодействия — водородные связи между растворителем и реагентом. При сольватации вокруг каждой находящейся в растворе молекулы или иона образуется оболочка из прочно связанных молекул растворителя, выделяют понятия первичной и вторичной сольватации. Первичная сольват-ная оболочка состоит из молекул растворителя, настолько прочно связанных с частицей растворенного вещества («прилипшей» к ней), что они совместно совершает движения в растворителе. Вторичная сольватная оболочка обусловлена электростатическими взаимодействиями молекул растворителя с первичной сольватированной частицей. Эта оболочка в движении частиц не участвует.
Исходя из этого, протонные растворители, в которых протон гидроксильной или амидной групп слабо экранирован (серная кислота, вода, метанол, формамид) составляют класс наиболее сольватирующих раствори-
телей. Полярные апротонные растворители (диметилсульфоксид, тетраметиленсульфон, диметилформамид, нитрометан и ацетонирил) относятся к умеренно и менее специфически сольватирующим растворителям. В ряду ацетон, уксусная кислота (в основном ее димер), бензол, гептан постепенно уменьшается полярность и сольватирующая способность.
При мономолекулярном замещении скорость реакции контролируется процессом ани-оноидного отрыва. Эта ионизация протекает легко в случае сольватации образующих ионов, поэтому ей благоприятствуют растворители с высокой диэлектрической проницаемостью, при этом наибольшее влияние оказывают растворители кислотного характера.
При бимолекулярном нуклеофильном замещении электрон перемещается от замещающегося агента к зоне замещения, а оттуда к отщепляемой группе. Для того чтобы предсказать, как изменится скорость процесса при варьировании диэлектрической проницаемости среды, необходимо рассмотреть распределение зарядов в исходном и переходных состояниях. В зависимости от того, являются нуклеофил и уходящая группа нейтральными или заряженными, можно разбить реакции бимолекулярного и мономолекулярного замещения на 4 типа, в случае мономолекулярного механизма особое значение имеют исходное и переходное состояния в стадии, определяющей скорость реакции, табл. 1.
В последней колонке приводится кинетический эффект. Термины «большой» и «небольшой» имеют относительное значение 12.
Примеры реакций нуклеофильного замещения по типам заряда приведены в табл. 2 13' 14.
В реакциях первого типа происходит делокализация отрицательного заряда в переходном состоянии по сравнению с исходным, поэтому такие реакции быстрее идут в диполяр-
Таблица 1
Типы реакций нуклеофильного замещения
Тип Расположение заряда Влияние актива- Влияние увеличения поляр-
заряда Первоначальное Переходное ции на заряды ности растворителя на ско-
состояние состояние рость
Бимолекулярное замещение
1 ИХ + У- Х8-.... И ....У8- Рассеивание Небольшое уменьшение
2 ИХ + У Х8+.... И ....У8- Увеличение Большое увеличение
3 ИХ+ + У- Х8-.... И ...,У? + Уменьшение Большое уменьшение
4 ИХ+ + У Х8+.... И ....У8- Рассеивание Небольшое уменьшение
Мономолекулярное замещение (стадия, определяющая скорость процесса)
1 и 2 ИХ И8+ .... Х8- Увеличение Большое увеличение
3 и 4 ИХ+ И8+ .... Х8+ Рассеивание Небольшое уменьшение
ных апротонных растворителях, не являющихся донорами водородных связей. К таким реакциям относятся реакции замещения алкилгалоге-нидов, где X — хлорид, бромид или иодид-ионы.
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. Реакции молекула — молекула, как правило, ускоряются апротонными биполярными растворителями. В этом случае основную роль играет то, что переходное состояние, обладающее сильно делокализованным зарядом, высоко поляризуемо и хорошо сольватируется этими растворителями за счет дисперсионных сил. Это реакции взаимодействия алкилгалоденидов с ами-
нами, аммиаком, водой и другими полярными молекулами. К данному типу бимолекулярного замещения относятся и реакции получения четвертичных аммониевых (фосфониевых) катализаторов межфазного переноса.
В третьем случае реакций бимолекулярного нуклеофильного замещения в переходном состоянии происходит нейтрализация разноименных зарядов. Поэтому наблюдается увеличение скорости реакций при уменьшении полярности растворителя.
Реакции бимолекулярного нуклеофильно-го замещения между катионами и полярными молекулами характеризуются тем, что переходное состояние делокализованно положительным зарядом. Экспериментальные данные показывают, что процессы четвертого зарядного типа мало зависят от природы и полярности растворителя 15-17.
При рассмотрении вопроса влияния растворителя на скорость бимолекулярного за-
Таблица 2
Примеры реакции нуклеофильного замещения
Тип заряда Примеры
1 тип Бимолекулярное нуклеофильное замещение Первоначально субстрат нейтрален, реагент отрицателен RX + OH- ^ ROH + X- RX + I- ^ RI + X- RX + N3- ^ RN3 + X- RX + C-N ^ RCN + X- R'X + R3C- ^ R3CR' + X- R-OH + X- ^ RX + OH- RX + SCN- ^ RSCN + X-
2 тип Первоначально субстрат нейтрален, реагент нейтрален RX + R'3N ^ RN R'3 + X- RX + NH3 ^ RN+H3 + X- RNH2) RX + H2O ^ ROH2 + X- (^ ROH) RX + R'SH ^ RSR' + X- RX + R'OH ^ ROR' + X- RX + R'NH2 ^ RNHR' + X-
3 тип Первоначально субстрат положителен, реагент отрицателен RN+R'3 + OH- ^ ROH + R3N RN+R'3 + I- ^ RI + R'3N RS+R'2 + Br- ^ RBr + R'2S
4 тип Первоначально субстрат положителен, реагент нейтрален RS+R''2 + R'3N ^ RNR'3 + SR''2 RS+R''2 + NH3 ^ RNH3 + SR''2 (^ RNH2) RS+R''2 + H2O ^ RO+H2 + SR''2 (^ ROH)
1 и 2 тип Мономолекулярное нуклеофильное замещение R3X + H2O ^ R3OH + X-R3X + ROH ^ R3OR + X-R3X + RCOOH ^ R3COOCR +X-
мещения необходимо обратить внимание на значение специфической и неспецифической сольватации.
Неспецифическая сольватация обусловлена силами электростатического взаимодействия (ориентационные, индукционные и дисперсионные). В данном случае растворитель рассматривается как однородная изотропная среда с макроскопическими постоянными (диэлектрическая проницаемость, показатель преломления).
Химическое взаимодействие, в результате которого образуются комплексы различной степени прочности: донорно-акцепторные с переносом заряда или водородной связью, называют специфической сольватацией. Эти взаимодействия относятся к типу кислотно-основных и подчиняются общим закономерностям, характерным для них. Из выше сказанного можно сделать вывод, 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. Обычный для протонных растворителей ряд нуклеофильости: I- > БСЫ- > Вг- > С1- > Б- в биполярных апротонных растворителях полностью инерти-руется Б- > С1- > Вг- > БСЫ- > I-, данный ряд правильнее отражает «истинную» нуклео-фильность анионов, обусловленную их электронным строением. Реакции бимолекулярного замещения в таких растворителях проходят со скоростью на несколько порядков выше, чем в протонных. Например, для реакции СН31 + С1- относительная константа скорости в метаноле равна единице, а в диметилформа-миде - 1200000, при 25 оС.
Увеличение скорости при использовании амидов в качестве растворителей связано именно со специфической сольватацией хлорид-иона. Уменьшение специфической сольватации нуклеофилов является главной причиной ускорения реакций типа анион-молекула в бимолекулярных апротонных растворителях 12' 18.
Теоретические представления реакций нуклеофильного замещения, скорость и меха-
низм которых зависят от множества различных факторов, дают возможность получать азотсодержащие, кислородсодержащие и серосодержащие соединения с высокими выходами, находящие применение, как в качестве сырья так и практически ценных продуктов.
Литература
1. Хаускрофт К., Констебл Э. Современный курс органической химии. В 2-х т. Т. 2: Пер. с англ.-М.: Мир, 2002.- 528 с.
2. Сайкс П. Механизмы реакций в органической химии. 3-е изд.. Пер. с англ., под ред. проф. Я. М. Варшавского.- М.: Химия, 1977.- 320 с.
3. Марч Дж. Органическая химия. Реакции, механизм и структура. Т 2. Пер. с англ.- М.: Мир, 1987.- 504 с.
4. Реутов О. А. Органическая химия в 4-х частях. Ч.1.- М.: Изд-во МГУ, 2005.- 567 с.
5. Имянитов Н. С. // ЖОХ.- 1990.- Т 60, Вып. 3.- С. 481.
6. Kondo Yasuhiko, Urade Miyuki, Yamanishi Yukari, Chen Xinyu // J. Chem. Soc. Perkin Trans. 2.- 2002, №8.- P. 1449.
7. Pearson R. G., Sobel H., Songstad J. // J. Am. Chem. Soc.- 1965.- V90.- P. 319.
8. Pearson R. G. // Am. Chem. Soc.- 1963.-V85.- P. 3533.
9. Кукушкин Ю. Н. // СОЖ.- 1997, №9.- С. 54.
10. Райхард К. Н. растворители и эффекты среды в органической химии. Пер. с англ. А. А. Ки-рюшнина, под ред. проф. В. С. Петросяна.-М.: Мир, 1991.- 763 с.
11. Норман А. // Успехи химии.- 1970. -Т XXXIX, Вып. 6.- С. 990.
12. Ингольд К. К. Теоретические основы органической химии. Пер. с англ. канд. хим. наук К. П. Бутина, под ред. проф. И. П. Белецкой.-М.: Мир, 1973.- 1055 с.
13. Днепровский А. С., Темникова Т. М. Теоретические основы органической химии. Учебник для вузов. 2-е изд., пер.- Л.: Химия, 1991.560 с.
14. Паркер А. Д. // Успехи химии.- 1971.- Т. XL, Вып. 12.- С. 2203.
15. Паркер А. Д. Применение полярных апротон-ных растворителей в органической химии, в кн. «Успехи органической химии».- М.: Мир, 1968.- Т. 5.- С. 5.
16. Мазитова А. К., Хамаев В. Х., Улямаева Э. Ш., Сухарева И. А. // Баш. хим. ж.- 1999.- Т. 6, вып. 4.- С. 4.
17. Хамаев В. Х., Сэйнт-Клэр Э. Ш., Сухарева И. А., Лазина Е. В., Мазитова А. К. // Баш. хим. ж.- 2002.- Т. 9, вып. 1.- С. 29.
18. William M. Weaver J. // J. of Am. Chem. Soc.-1964.- V 86.- P. 261.
