Нуклеофильное замещение при насыщенном атоме углерода

T Vasilieva
Нуклеофильное замещение при
насыщенном атоме углерода
Лекция 5
T Vasilieva
Классификация органических реакций
1)
По характеру перестройки связей
- гетеролитические (ионные)
Разрыв связей в молекулах происходит без разъединения осуществляющей ковалентную связь
электронной пары
А В
А+ + В-
электрофил
нуклеофил
- гомолитические
Разрыв связей в молекулах происходит с разъединением осуществляющей ковалентную связь
электронной пары
А В
А + В
Свободные радикалы
T Vasilieva
Электрофилы
+
Электрофильные реагенты (Е, Е ) – это частицы, образующие
новые ковалентные связи за счет пары электронов
партнера
- положительно заряженные ионы
H
+
Hal
протон
+
NO2+
галоген-катионы
нитроил-катион
+
NO
нитрозил-катион
C
+
карбокатион
- нейтральные молекулы, имеющие электронодефицитный центр
δ+
C
Х
Х – группа с – I- и/или
– М-эффектом
SO3
BF3, BCl3, FeBr3, AlCl3
Триоксид серы
Кислоты Льюиса
T Vasilieva
Нуклеофилы
-
Нуклеофильные реагенты (:Nu, Nu ) – это частицы, образующие
новые ковалентные связи со своим партнером, предоставляя
для этого электронную пару
- отрицательно заряженные ионы
HГидрид-ион
HalГалогенидионы
HOГидроксидион
ROАлкоксид-ион
NΞC-
HS-
Цианид-ион
C
Тиолят-ион
Карбанинон
- нейтральные молекулы, имеющие неподеленную пару электронов
••
HO
2
••
••
••
R OH
R SH
••
спирты
- доноры π-электронов
••
••
NH
3
амины
тиолы
>С=С<
π-связь
Ароматическое кольцо
T Vasilieva
Карбокатион и карбанион
Карбокатион
2
sp -гибридизация
6 электронов на валентной
оболочке
Карбанион
sp3-гибридизация
8 электронов на валентной
оболочке
T Vasilieva
Реакции замещения
Реакции замещения (S) – один или несколько атомов или групп
атомов в молекуле замещаются на один или несколько иных
атомов или групп атомов; S - substitution
A-Х + Y
A-Y + X
Реакции нуклеофильного замещения (SN)
C-Х + Y
-
нуклеофил
нуклеофуг
C-Y + X
-
T Vasilieva
Механизмы SN-реакций
CH3
Y
C
X
1) Мономолекулярный механизм SN1
2) Бимолекулярный механизм SN2
T Vasilieva
Мономолекулярный механизм SN1
CH3
C
Y
R
R1
C
Двухстадийный процесс
X
..
R
1
X +Y
C
+
R1
R2
R2
sp3
+X
sp2
карбокатион
1- медленно, лимитирующая стадия
2 - быстро
-
..
+Y
2
R
R1
R
C
Y
+
Y
R2
C
R1
R2
рацемат
T Vasilieva
Изменение энергии системы вдоль
координаты реакции при механизме SN1
+
d[ ]
Скорость реакции = − d [ RX ] = R = k[ RX ]
dt
dt
Еа
R+ - карбокатион
Еа2
Еа1
карбокатион
Координата реакции
Скорость реакции SN1 зависит
только от концентрации
субстрата и не зависит от
концентрации нуклеофила
Первый порядок реакции
T Vasilieva
Эффект общего иона
k1
R-X
+
R + X
медленная стадия
R-Y
быстрая стадия
k-1
+
R + Y
-
k2
R+ - карбокатион
[ RX ]
k
[R ] =
[
k X ] + k [Y- ]
+
1
−1
2
[
][
]
+
k
Y
1 k 2 RX
υ = k 2 [ R ][Y ] =
k −1[ X - ] + k 2 [Y -]
При добавлении в систему Х скорость SN1 реакции уменьшается
T Vasilieva
Бимолекулярный механизм SN2
CH3
C
Y
Y:
Одностадийный процесс
X
C
X
δY
C
δ+
δX
sp2
Пентакоординированное
бипирамидальное
Переходное
состояние
-
X + Y
C
T Vasilieva
Изменение энергии системы вдоль
координаты реакции при механизме SN2
Скорость реакции = −
d [ RX ] d [ RNu ]
=
= k[ RX ][ Nu ]
dt
dt
Еа
Скорость реакции SN2 зависит
от концентрации как субстрата,
так и нуклеофила
Второй порядок реакции
Координата реакции
T Vasilieva
Вальденовское обращение
Если замещение протекает при хиральном атоме углерода,
наблюдается инверсия конфигурации
b
Y: +
a
a
C
d
X
Y
b
C
d
b
X
Y
a
C
d
T Vasilieva
Вопрос
Возможна ли ситуация?
CH3
Y
C
X
Почему?
T Vasilieva
Факторы, влияющие на скорость
реакции SN
1)
Строение субстрата
2)
Природа нуклеофила
3)
Природа уходящей группы
4)
Природа растворителя
5)
Пространственные факторы
6)
Катализаторы
T Vasilieva
Влияние строения субстрата на
скорость реакции SN1
R
стабилизация
C
R2
1) +I-эффект
+
R1
Ускорение реакции
SN1
карбокатион
CH3Br < C2H6Br < (CH3)2Br <( CH3)3Br
Увеличение +I-эффекта алкильной группы
2) +М-эффект
CH3Hal < C6H5CH2Hal < (C6H5)2CHHal < (C6H5)3Hal
Увеличение +M-эффекта фенильной группы
C
+
CH
3) Эффект сопряжения
+
T Vasilieva
Влияние строения субстрата на
скорость реакции SN2
Электроноакцепторные
группы
1)
Ускорение реакции SN2
-I-эффект
(СН3)3Х < (СН3)2Х < С2Н2Х < СН3Х
Повышение скорости реакции SN2
2)
-М-эффект
3)
Пространственное строение субстрата (стерический фактор)
4)
Эффект сопряжения
T Vasilieva
Влияние стерического фактора на
скорость реакции SN2
1)
Алкилирование аминов алкилгалогенидами (реакция Меншуткина):
Четвертичное
аммониевое
основание
2) Объемистый заместитель находится в β–положении:
СН3СН2Х > СН3СН2СН2Х > (СН3)2СНСН2Х > (СН3)3ССН2Х
Понижение скорости реакции SN2
Х - галоген
T Vasilieva
Резюме
Заменой заместителя можно изменить механизм реакции
O 2N
..
CH3O
CH2Cl
HOC2H5OH
H2O
-M
O 2N
CH2COH
HOC2H5OH
H2O
CH2Cl
SN2
+M
CH3O
CH2COH
SN1
T Vasilieva
Влияние природы нуклеофила на
скорость реакции SN1
+
d[ ]
Скорость реакции = − d [ RX ] = R = k[ RX ]
dt
dt
Скорость реакции SN1 не зависит от концентрации нуклеофила
(не участвует в лимитирующей стадии)
T Vasilieva
Влияние природы нуклеофила на
скорость реакции SN2
Скорость реакции = −
d [ RX ] d [ RNu ]
=
= k[ RX ][ Nu ]
dt
dt
1) Повышение концентрации нуклеофила приводит к увеличению скорости
реакции
2) Влияние природы нуклеофила (основания Льюиса)
- основность: способность нуклеофила связываться с протоном, т.е.
сродство к протону (влияние на кислотно-основное равновесие)
- нуклеофильность: способность нуклеофила связываться с
углеродом (или другими атомами), т.е. сродство к углероду (или
другим атомам) (влияние на скорость SN2)
Основания Льюиса – доноры пары электронов
T Vasilieva
Нуклеофильность и основность
Nu- + H+
-
Nu +
NuH
δ+
C X
положение равновесия, определяемое основностью
(основность - термодинамическая характеристика)
-X-
C
Nu
нуклеофильность - параметр, определяющий скорость
реакции (кинетическая характеристика)
Сильный нуклеофил не обязательно сильное основание
Сильное основание не обязательно сильный нуклеофил
T Vasilieva
Нуклеофильность и основность
_
_
_
C2H5O > C6H5O > CH3COO > NO2
_
_
_
HO > CH3COO > CCl3COO > C6H5SO3
_
Уменьшение основности
Уменьшение нуклеофильности
Нуклеофил = основание, но основность и нуклеофильность
могут не совпадать!
В протонном растворителе:
_
_
_
_
_
_
HO > СN > HS > F > Cl > Br > I
_
Уменьшение основности
_
_
_
_
_
_
_
HS > СN > I > HO > Br > Cl > F
Уменьшение нуклеофильности
T Vasilieva
Изменение нуклеофильности в
периодах и группах
рост
основность
рост
уменьшение
основность
рост
T Vasilieva
Влияние природы растворителя на
нуклеофильность
Сила нуклеофила в протонном растворителе
(вода, аммиак, карбоновые кислоты, спирты)
_
H-XR
RX-H
RX-H
_
_
Уменьшение нуклеофильности
H-XR
_
Nu
RX-H
RX-H
_
I > Br > Cl > F
H-XR
H-XR
Причина: увеличение эффективности сольватации,
приводящей к делокализации заряда
Сила нуклеофила в апротонном растворителе (углеводороды)
_
_
_
F > Cl > Br > I
_
Уменьшение нуклеофильности
Причина: отсутствие сольватации аниона приводит к увеличению плотности
заряда на анионе
T Vasilieva
Изменение нуклеофильности
Депротонированная форма является более сильным нуклеофилом,
чем протонированная:
_
Н2О более слабый нуклеофил, чем ОН
_
ROH более слабый нуклеофил, чем RO
_
NH3 более слабый нуклеофил, чем NH2
Сила нуклеофила увеличивается с его поляризуемостью (с
увеличением размера атома-нуклеофильного центра):
_
_
RO более слабый нуклеофил, чем RS
T Vasilieva
Резюме
Увеличение нуклеофильности повышает
вероятность протекания реакции по
механизму SN2
T Vasilieva
Влияние природы уходящей группы
на скорость реакции SN
C-Х + Y
-
+
-
C-Y + X
основание
Уходящая группа отщепляется тем легче, чем она лучше поляризуема
и лучше сольватируется, то есть, чем более слабым основанием она
является
ROH
CH3COOR
CF3COOR
C6H5SO3R
Уменьшение основности уходящей группы
Увеличение скорости реакций SN
_
I
Br
_
Cl
_
_
F
Уменьшение основности уходящей группы
Увеличение скорости реакций SN
T Vasilieva
Влияние природы растворителя на
скорость реакции SN: виды
растворителей
Присутствуют доноры
водорода для Н-связи
Растворители
Вода, аммиак, карбоновые
кислоты, спирты
протонные
полярные
апротонные
Отсутствуют доноры
водорода для Н-связи
S
ДМСО
H
Отсутствуют доноры
водорода для Н-связи
•Углеводороды
•Третичные амины
O
O
Неполярные
апротонные
O
N
ДМФА
ацетон
•Простые и сложные
эфиры
•Пиридин
T Vasilieva
Влияние природы растворителя на
скорость реакции SN1
Сольватация карбокатиона молекулами воды:
H
R
:O
:
H
:
:
O: R2
(CH3)3C
Cl
+
C2H5OH
O
H H
растворитель
трет-бутилхлорид
H
R1 :O
:
H H
H
+
:
C
:
H
O
:
O:
H
H
:
H
(CH3)3C
O
C2 H 5
+
HCl
трет-бутилэтиловый эфир
Растворитель
Н2О
С2Н5ОН (20%)
С2Н5ОН
Относительная реакционная способность
100
14
0,01
Полярные протонные растворители благоприятствуют протеканию
реакции по механизму SN1
T Vasilieva
Влияние природы растворителя на
скорость реакции SN2
Замена
растворителя на
более полярный
1)
_
δ_
3)
4)
_
[Y…R…X]
Распределение заряда в
большем пространстве
R-X + Y →
→ RY + X
_
_
RBr + HO → ROH + Br
δ+
2)
δ_
δ_
[Y…R…X]
+
Уменьшение полярности и
сольватации, снижение скорости
реакции
_
R-X + Y: →
→ RY + X
+
_
R-Br + N(CH3)3 → RN(CH3)3 + Br
+
_
δ_
δ+
RX + Y →
→ RY + X:
_
+
RN(CH3)3 + I → RN(CH3)2 + CH3I
+
[Y…R…X]
δ+
δ_
[Y…R…X]
Слабое
замедление
+
Переходное состояние
более полярно и
сольватировано
Сильное
ускорение
Частичная нейтрализация
Уменьшение полярности и
сольватации, снижение
скорости реакции
RX + Y: →
→ RX1 + Y 1
+
+
RS(CH3)2 + N(CH3)3 → RSCH3 + (CH3)4N
Частичная
нейтрализация
Сильное
замедление
Слабое
замедление
T Vasilieva
Основные органические реакции,
относящиеся к типу SN
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
Получение алкилгалогенидов
Получение и расщепление простых эфиров в кислых
условиях
Щелочное омыление
Синтез простых эфиров по Вильямсону
Синтез эфиров карбоновых кислот
Синтез меркаптанов
Алкилирование аммиака и аминов
Синтез нитрилов по Кольбе
Синтез нитроалканов
Реакция Финкельштейна
T Vasilieva
Получение алкилгалогенидов в
реакциях SN
(CH3)3COH
SN1
+
(CH3)3CCl
HCl
трет-бутиловый
спирт
+
H 2O
трет-бутилхлорид
быстро
медленно
H
(CH3)3C
..
OH
+
H
+
(H3C)3C
O
+
(CH3)3C
H
-H2O
+
карбокатион
Cl(H3C)3C
Cl