Страница 5 из 6
Нуклеофильность нельзя рассматривать отдельно от природы растворителя, в котором проводится реакция. В протонодонорных средах (вода, спирты, уксусная кислота и т. п.) анионы сильно сольватированы, что сильно уменьшает их нуклеофильность. При этом в большей степени сольватированы маленькие анионы с точечным или менее диффузным зарядом (H-, F, OH-). Например, анионы с большим радиусом легче сбрасывают сольватную оболочку и, в результате, характеризуются повышенной нуклеофильностью. Например, в ряду галогенид-ионов нуклеофильность уменьшается в ряду: I– > Br– > Cl– > F.
В апротонных диполярных растворителях (ацетон, диметилформамид, диметилсульфоксид и т. п.) картина меняется на обратную и более нуклеофильным оказывается анион меньшего размера и с большей плотностью заряда: F– > Cl– > Br– > I-.
Эти анионы в таких растворителях практически несольватированы, и в то же время они отделены от противоиона (обычно катиона щелочного металла), поскольку последний сам оказывается сольватированным в результате йон-дипольного взаимодействия с молекулой растворителя:
Реакциям нуклеофильного замещения часто благоприятствуют катализаторы, в качестве которых обычно применяются кислоты Льюиса. Все они так или иначе содействуют отщеплению уходящей группы. Выше уже говорилось о каталитической роли серной кислоты при замене спиртового гидроксила на галоген. Помимо протонов, такие кислоты Льюиса, как AlCl3, ZnCl2, BF3, HgCl2, катионы Ag+ и Сu+, координируясь с галогеном в алкилгалогенидах, способствуют его более легкому элиминированию:
Роль катализатора, как и растворителя, проявляется и в связи с более тонкими особенностями механизма реакции. Различают два основных механизма нуклеофильного замещения: мономолекулярный SN1 и бимолекулярный SN2. При мономолекулярном замещении процесс протекает в две стадии. На первой, более медленной, происходит диссоциация связи С-Х в молекуле субстрата, в результате чего образуются карбокатион и анион уходящей группы. На второй, быстрой стадии карбокатион соединяется с нуклеофилом с образованием конечного продукта замещения:
Поскольку на скорость-определяющей (лимитирующей) стадии в реакции занята только одна молекула субстрата, скорость всего процесса зависит лишь от концентрации субстрата и отвечает кинетическому уравнению первого порядка:
В отличие от этого при бимолекулярном замещении реакция протекает фактически в одну стадию: нуклеофил атакует углеродный атом субстрата с тыла, со стороны, противоположной той, где находится уходящая группа. Процесс образования новой связи и разрыв старой происходит синхронно, через рыхлое переходное состояние, в котором углеродный атом из состояния sp3 переходит в уплощенное состояние, близкое к sp2-гибридизации:
Скорость всего процесса, как легко заметить, в этом случае должна зависеть от концентрации как субстрата, так и реагента и отвечать уравнению реакции второго порядка:
Cуществует три основных доказательства реализации SN1 или SN2 механизма:
1) кинетическая зависимость скорости реакции от концентрации либо одного субстрата (SN1-механизм), либо от концентрации и субстрата, и нуклеофила (SN2-механизм);
2) обращение или сохранение стереохимической конфигурации углеродного атома, у которого протекает замещение. В случае SN2-реакции, как видно из приведенной выше схемы, нуклеофил занимает место, противоположное тому, где находилась уходящая группа, а остальные связи углерода как бы выворачиваются подобно зонтику при сильном ветре. Если углеродный атом, несущий уходящую группу, в молекуле субстрата хиральный, т. е. все четыре заместителя в нем разные, продукт реакции изменяет знак вращения на обратный. Это явление, открытое латвийским ученым Вальденом в начале ХХ в., получило название вальденовского обращения. В случае SN1-механизма вальденовского обращения в чистом виде не наблюдается, так как промежуточный плоский карбокатион с одинаковой вероятностью может атаковаться нуклеофилом и с одной и с другой стороны:
Впрочем, и при SN1-механизме возможно частичное обращение конфигурации. Это бывает в тех случаях, когда карбокатион образует с анионом тесную йонную пару, т. е. уходящая группа не уходит от карбокатионного центра слишком далеко, тем самым в некоторой степени мешая нуклеофилу подойти к углеродному атому со своей стороны. Кроме того, нередки случаи, когда реакция замещения протекает параллельно по обоим механизмам, и это также выражается в частичном обращении стереохимической конфигурации;
3) характерная зависимость реакционной способности субстрата от строения углеводородного радикала R. При реализации SN1-механизма, чем разветвленнее радикал R, тем легче протекает реакция. Для SN2-реакций картина прямо противоположная.
В случае SN2-реакций разветвленность алкильного радикала создает трудности для подхода нуклеофила. В случае же SN1-реакций такой проблемы нет, поскольку три заместителя при карбокатионном центре располагаются в одной плоскости и серьезных стерических препятствий для подхода нуклеофила не создают. Но главное же заключается в том, что третичные карбокатионы устойчивее вторичных, а последние в свою очередь устойчивее первичных – следствие делокализации положительного заряда за счет +I-эффекта алкильных групп:
Это обстоятельство существенно снижает активационный барьер для алкилгалогенидов изостроения и направляет для них реакцию по SN1-пути. Практически всегда реагируют по SN1-механизму метоксиметилхлорид CH3OCH2Cl и аллилгалогениды СН2=СН-СН2-Х, которые образуют резонансно-стабилизированные карбокатионы:
То же самое относится к трифенилметилхлориду (тритилхлориду), дифенилметилхлориду (бензгидрилхлориду) и бензилхлориду, реакционная способность которых изменяется в следующей последовательности (бензилхлорид частично реагирует и по SN2-механизму, который для него, однако, не является главным):