Реакции нуклеофильного замещения

(нуклеофильность) реагента Y;
- природа субстрата;
- нуклеофугная способность уходящей группы;
- условия реакции.
Нуклеофильность, в отличии от основности, величина кинетическая, а не термодинамическая, т.к. количественной мерой нуклеофильности является константа скорости реакции, а не константа равновесия.

Рассмотрим 2 предельных случая SN:

Мономолекулярный процесс SN1.
Реализуется как диссоциативный процесс, протекающий с образованием трехкоординированного комплекса:

Его можно рассматривать как совокупность двух реакций: отщепления и присоединения.

нуклеофильным отщеплением водорода, который находится в α-положении к нуклеофильному центру, в результате чего образуется непредельные соединения.

Бимолекулярный процесс (синхронный) SN2:

Протекает с образованием пентакоординированного переходного состояния.

SN в ароматических соединениях является замена диазогруппы различными нуклеофилами. Это связано с низкой устойчивостью образующихся в данных условиях фенильного катиона, причем орбиталь, несущая положительный заряд, локализована в плоскости фенильного фрагмента и не стабилизируется его π-системой. В случае диазосоединений на первом этапе выделяется молекула азота, образование которой термодинамически очень выгодно, благодаря этому реакция становится термодинамически разрешенной.

замедляет скорость реакции. Это происходит из-за того, что ЭА заместители дестабилизируют промежуточно образующийся продукт (катион), а ЭД – в большей степени стабилизируют исходное диазосоединение, нежели карбокатион.

превращения, в которых новая связь формируется по донорно-акцепторному типу, где в качестве акцептора выступает атом углерода ароматического соединения, а в качестве донора – нуклеофил.

π-Электронное облако ароматической системы препятствует присоединению нуклеофила, поэтому реакции SN идут труднее, чем реакция SЕ.
Обычно реакциям SN подвергаются атомы галогенов и сульфогруппы, нитрогруппы и реже другие. В частности, превращение хлорбензола в фенол или анилин требует очень жестких условий даже при использовании катализатора. Активация этих реакций может достигаться различными методами, что влияет на механизм SN. Так активация галогенов достигается введением в ароматическое ядро сильных ЭА заместителей в о- и п- положения. При этом на фоне общего уменьшения электронной плотности на ядре наблюдается появление положительного заряда на атоме углерода, связанного с нуклеофугом.

стадии идет обратимое присоединение нуклеофила к атому углерода. Это взаимодействие протекает через переходное состояние ТS1:

субстрата предоставляет вакантную атомную орбиталь. При этом нарушается ароматичность молекулы, π-электронная система сокращается до пяти атомов углерода (σ-комплекс) и вмещает в себя 6 электронов. На второй стадии от σ-комплекса отщепляется анион галогена, уносящий отрицательный заряд и пару электронов. Высвобождается вакантная орбиталь, атом углерода возвращается в π-систему кольца и ароматичность восстанавливается. Поэтому отщепление галогена от σ-комплекса происходит легче, чем присоединение нуклеофила к субстрату.
Строение анионных σ-комплексов было доказано экспериментально, так были выделены и идентифицированы σ-комплексы (комплексы Мейзенгеймера) в виде солей со специально подобранными анионами.

стадиях образуются переходные состояния, имеющие значительный отрицательный заряд.

Поэтому сильные ЭА заместители в ароматическом ядре будут значительно ускорять реакцию SN2. ЭА за счет отрицательного индуктивного эффекта и отрицательного эффекта сопряжения уменьшают электронную плотность на ароматическом кольце и, в первую очередь, на реакционном центре. Причем, чем выше положительный заряд на атоме углерода, который связан с замещаемой группой, тем легче протекает его взаимодействие с нуклеофилом. С другой стороны ЭА заместители эффективно участвуют в делокализации отрицательного заряда в ТS1, что приводит к его стабилизации.

SNАr может лимитироваться как первой стадией присоединения нуклеофила, так и второй стадией отщепления нуклеофуга. Если первая стадия является скорость лимитирующей, то переходное состояние имеет вид ТS1, т.е. на этой элементарной стадии не происходит разрыва связи с уходящей группой. Роль нуклеофуга Х в этом случае будет сводится к стабилизации возникающего аниона за счет индуктивного эффекта. Так для галогенов, обладающих выраженным –I-эффектом, скорость активированного ароматического замещения изменяется в ряду: F >> Cl ≥ Br ≥ I

На этой стадии происходит разрыв связи С–Х, причем, чем больше прочность этой связи, тем меньше скорость отщепления. В этом случае наблюдается обратный порядок зависимости от природы галогена. Изменение скорость лимитирующих стадий можно наблюдать при переходе от протонного растворителя (СН3ОН) к апротонному (С6Н5NО2).

Для близких по строению нуклеофильных реагентов увеличение их основности приводит к увеличению скорости SN2, иначе говоря, присутствие ЭД заместителя в составе нуклеофила, увеличивает скорость реакции.

т.е. отсутствуют ЭА заместители в молекуле субстрата, при проведении SN2 прибегают к различным методам внешней активации, а также к электрохимическим методам.
Координация с катионом металла.
Эффективный способ внешней активации галогензамещенных субстратов. В результате координации металла с галогеном происходит разрыхление связи С–Х с одновременным понижением электронной плотности на реакционном центре.

Причина уменьшения электронной плотности на электрофильном центре состоит в том, что за счет координации происходит смещение неподеленной пары электронов заместителя к катиону металла, электронная плотность на галогене уменьшается. В результате связь С–Х разрыхляется и на атоме углерода увеличивается положительный заряд. Скорость реакции SN увеличивается.

возрастает в 7-9 раз. Если в молекулу субстрата входят два и более галогена и присутствует другой заместитель, способный к координации с катионом меди, то возможно селективное замещение галогена, находящегося в о-положении к данной группе.
Пример

Координация ароматических соединений с металлокомплексами. Некоторые металлокомплексы способны воздействовать непосредственно на π-электронную систему молекулы. Это приводит к усилению ЭА свойств субстрата, а также облегчает разрыв связи С–Наl. В результате такой внешней активации скорость реакции значительно увеличивается. Установлено, что ЭА влияние металлокомплекса определяется природой металла и связанных с ним лигандов (МLn).
π-Координационная активация может быть осуществлена в виде катализа. Для этого комплекс должен сочетать два свойства: 1) проявлять сильный активирующий эффект, для максимального облегчения замещения галогенов.
2) обеспечить легкость выделения продукта замещения из реакционной массы (по завершению процесса).
Оказалось, что многие металлокомплексные соединения активны в этих реакциях, однако наиболее эффективными оказались дикатионы родия и рутения. Благодаря этим комплексам удается заместить атом фтора под действием слабых нуклеофилов, как спирты, в мягких условиях:

катоде, либо при использовании химического окисления (такой механизм – катион-радикальный).

Наблюдается образование нейтрального переходного состояния и реакция протекает очень легко уже при комнатной температуре. Одним из требований при проведении этого процесса – устойчивость нуклеофила к действию окислителей.

В этом случае в качестве реагента могут выступать и слабые нуклеофилы: As, Р, Sn, Рb …

отсутствует ЭА заместители, то реакция SN галогена требует очень сильных нуклеофилов и жестких условий. В этих случаях наблюдается образование смесей изомеров.

меченных атомов

Если R – ЭД, находящийся в о- или п- положении к замещаемому галогену, то в продуктах реакции обнаруживается соответствующий мета-изомер. Установлено, что в данных случаях реализуется так называемый аринный (кине-) механизм.

в виде продуктов присоединения с такими диенофилами, как фуран и антрацен. Кроме того, арины могут быть генерированы из других соединений. Например, диазотированная антраниловая кислота при нагревании дает дегидробензол, который обладает двумя вакантными орбиталями на соседних атомах углерода, очень активно реагирует с нуклеофилами.

Существует мнение, что дегидробензол имеет строение бирадикала.