9. Механизмы реакций алифатического нуклеофильного замещения

1. 9. Механизмы реакций алифатического нуклеофильного замещения SN1 и SN2 9.1. Ионные пары и влияние растворителя 9.2. Карбокатионы и их перегруппировки 9.3. Нуклеофильность 9.4. Уходящие группы (нуклеофуги) 9.5. Стереохимия влияние пространственных факторов и соседних групп 9.6. Амбидентные нуклеофилы

2. 9.1. Ионные пары и влияние растворителя Общая схема процесса ионизации и диссоциации субстрата в растворителях ионизация диссоциация тесная ионная пара диссоцииированные ионы сольватно- разделенная ионная пара (рыхлая) обращение конфигурации обращение конфигурации, сохранение конфигурации рацемизация

3. Goering, H.L.; Levy, J.F. J.Am.Chem.Soc., 1964, 86, 120 80%-ный водный ацетон через тесную ионную пару через рыхлую ионную пару Оптически активный рацемат При 100оС k/krac = 2.3. Добавки постороннего нуклеофила N3- не влияют на k, но снижают krac.

4. Влияние увеличения полярности растворителей на скорости SNреакций

5. 9.2. Карбокатионы и их перегруппировки Количественная мера устойчивости pKR+ R+ + H2O ROH + H+ pKR+ = log ([R+]/[ROH]) + HR (карбокатион и спирт присутствуют в равных концентрациях) (метод анализа – ЭС) HR – функция кислотности среды. В разбавленных водных растворах HR ~ рН.

6. Существуют линейные зависимости между pKR+ и константами скоростей SN1 реакций

7. Для алкильных карбокатионов методы через определение величин pKR+ не подходят Наилучший метод наблюдения алкильных катионов – суперкислотные среды, ЯМР и низкие температуры

9. Установлено, что третичные карбокатионы на ~ 10-15 ккал/моль стабильней вторичных

10. Перегруппировки 1,2-гидридный сдвиг (аналогично алкильный сдвиг)

11. 1,2-гидридный сдвиг пентокоординационный углерод

13. трансаннулярный гидридный сдвиг

14. 9.3. Нуклеофильность

15. Количественная оценка нуклеофильности N+ = lg k – lgk0 (Ritchi, P.O.I., Virtanen, J.Am.Chem.Soc., 1972, 94,4966) N+ - параметр нуклеофильности; lg k – константа скорости реакции CH3Br или CH3I, или катионов (Ph3C+, ArN2+, тропилиевый катион и др.) с определенным нуклеофилом в данном растворителе; lgk0– константа скорости реакции того же субстрата в стандартной системе анион-растворитель (например HO-в H2O). Параметр N+ является собственной характеристикой системы нуклеофил-растворитель. Результаты похожи на боле старое уравнение Свена-Скотта (1953)

16. Параметры нуклеофильности различных систем

17. Уравнение Майра (Mayr, H.; Platz, M. Angew.Chem.Int.Ed., 1994, 33,938) lg k = s(N + E). k - константа скорости 2-го порядка при 20оС реакции нуклеофилов с серией Ar2CH+ с различными параметрами электрофильности (Е) (Е = 0 для 4,4’-диметоксидифенил- метильного катиона); s - фактор чувствительности E ~ 1.241 lg kw – 5.8; kw – конст. псевдопервого порядка для реакции Ar2CH+ с H2O при 20оС. Объединенное уравнение Майра (Phan, T.B.; Breugst,M.; Mayr, H. Angew.Chem. Int.Ed., 2006, 45,3869) lg k = sEsN(N + E); sE – параметр чувствительности электрофила; sN – параметр чувствительности нуклеофила. При sE = 1 (для карбокатионов) это ур-е эквивалентно оргигинальному уравнению Майра; при sE = 0.6 (для n-нуклеофилов). При sE = 1 и sN = 0.6 получается lg k = 0.6N + 0.6E, что эквивалентно ур-ю Ритчи. Самая широкая сводка значений нуклеофильности и электрофильности есть в базе данных Майра (http://www.cup.uni-muenchen.de/oc/mayr/reaktionsdatenbank/)

18. Закономерности изменения силы нуклеофила (нуклеофильности) • Заряд – отрицательно заряженные частицы более сильные нуклеофилы, чем сходные по строению нейтральные молекулы (OH- > H2O, NH2- > NH3) • Для нуклеофилов, атакующие атомы которых находятся в одном периоде периодической системы, изменения нуклеофильности примерно совпадают с изменением основности (NH2- > RO- > OH- > R2NH > ArO- > NH3 > пиридин > F- > H2O > ClO4-; R3C- > R2N- > RO- > F-) • В группах периодической таблицы нуклеофильность возрастает сверху вниз I- > Br- > Cl- > F- в протонных растворителях, хотя основность в том же ряду падает. В апротонных биполярных растворителях нуклеофильность падает в обратном ряду ряду: Cl- > Br- > I-. В газовой фазе порядок сходный: HO- > F- ~ MeO- > MeS- >> Cl- > CN- > Br-. • Объяснения. • Сольватация • Электроотрицательность • Поляризуемость и принцип ЖМКО 4. «a-эффект» : Нуклеофильность выше, если у нуклеофильного центра есть атомы с р-электронами: HOO- > HO-, NH2NH2 > RNH2

19. Нуклеофильность некоторых распространенных реагентов

20. Нуклеофильность солей можно увеличить используя краун-эфиры, криптанды, ПЭГ и т.п. агенты, связывающие катионы. «Голые» нуклеофилы наиболее активны CH3Br + HO- (газ фаза) CH3Br + HO- (H2O) CH3OH + Br-ksolv = 2.3x10-25cm3/mol CH3OH + Br- k = 1.0x10-9 cm3/mol Наиболее сильно нуклеофилы сольватируются в протонных растворителях за счет Н-связей, поэтому реакции SN2 типа обычно идут быстрее в полярных апротонных растворителях Влияние структурных факторов на нуклеофильность. Me3CO- более сильное основание, чем MeO- или EtO-, но значительно более слабый нуклеофил из-за стерических препятствий атаки субстрата

21. 9.4. Уходящие группы (нуклеофуги) Уходящая группа отщепляется тем легче, чем стабильней она как свободная молекула или ион. Обычно это находится в обратной зависимости от основности, поэтому наилучшие уходящие группы – это самые слабые основания. HO- и RO- не могут отщепляться самостоятельно, но хорошо уходят в форме H2O и ROH (становятся нуклеофугами) после протонирования спиртов и эфиров. Такие реакции классифицируют как SN1cA или SN2cA (cA – сопряженная кислота conjigate acid, иногда сокращают до А1 и А2). Хорошие уходящие группы (нуклеофуги): N2, O3ClO-, TsO-, FSO3-, CH3SO2O-(MsO), CF3SO2O- (TfO)

22. Как сделать плохие уходящие группы NH2, NHR хорошими нуклеофугами ? R-NH2 + TsCl RNTs2 R-NH2 + HONO R-N2+ Katrizky, A. 1983

23. 9.5. Стереохимия, влияние пространственных факторов и соседних групп Аллильная и бензильная группы ускоряют SN2 реакции за счет дополнительной стабилизации переходных состояний через «сопряжение»:

24. На практике очень часто реальные стереохимические результаты SN1 и особенно SN2 реакций отличаются от идеальной рацемизации и обращения конфигурации 15% обращение 65% обращение Объяснение: участие различных ионных пар (см. 9.1) и обратимая рацемизация субстратов и (или) продуктов 33% обращение 38% сохранение конфигурации 38% сохранение конфигурации

25. (1) (2) (3) kотн сольволиза 1 10-6 10-14 Атака с «тыла» SN2 для соед. (2) и (3) невозможна по стерическим причинам, а карбокатионы из них не могут быть плоскими и потому неусточивы (высокая свободная энергия)

26. Как правило, электроноакцепторные группы в b-положении к уходящей группе замедляют SN2 реакции. Исключением являются b-карбонильные группы в RCOCH2X и нитрильная группа в NCCH2X, которые сильно ускоряют эти реакции

27. Сходное ускорение наблюдается и для R2NCH2CH2Cl (анхимерное содействие)

28. Механизм SNi реакций Обращение конфигурации ионная пара

29. 9.6. Амбидентные нуклеофилы Региоспецифичная реакция

30. Правила, позволяющие иногда предсказать направление атаки амбидентными нуклеофилами 1. Если образование продукта R-X + Nu: R-Nu + X: контролируется термодинамикой, то это соответствует обычно атаке атома с большей основностью: C > N > O > S. Однако большинство SN реакций контролируется кинетикой. 2. Применение принципа ЖМКО: более электроотрицательный атом амбидентного нуклеофила – более «жесткое основание».

31. SN1 реакции проходят через образование карбокатионов R3C+, а SN2 нейтральных субстратов R3C-X. R3C+ сравнительно с R3C-X более «жесткая кислота». Поэтому в SN1 процессах амбидентный нуклеофил будет преимущественно реагировать по «жесткому», наиболее электроотрицательному атому, а в SN2 - по более «мягкому». Следовательно, переход реакций от условий SN1 к SN2 должен способствовать атаке атома С в CN-, атома N в NO2-, атома С в еноляте C=C-O- и Ph-O-.

32. 3. Ag+ в отличие от Na+, K+ сильнее связывает галогены в алкилгалогенидах, повышает их нуклеофугность и, следовательно, сдвигает реакции в SN1 направлении. Поэтому преимущественно: R-Hal + AgCN R-NC R-Hal + NaCN RCN 4. В протонных растворителях степень сольватации более электроотрицательного атома сильнее, чем менее электроотрицательного (O > N > C) (взаимодействие жесткий-жесткий). В полярных апротонных растворителях более электроотрицательная часть нуклеофила свободней как от взаимодействия с растворителем, так и с катионом. Поэтому возрастает роль атаки более электроотрицательным атомом