Что значит нуклеофильное замещение
Алкилгалогениды. Реакции нуклеофильного замещения.
Реакции элиминирования
Реакции нуклеофильного замещения при насыщенном атоме углерода
Реакции нуклеофильного замещения (примеры)
Примеры реакций нуклеофильного замещения весьма многочисленны, при этом в качестве субстрата может выступать не только галогеналкан, но и соединения других классов. В ряду галогеналканов возможны реакции замещения другим галогеном, гидроксилом, алк(ар)оксилом-, нитро-, циано-, аминогруппой и др.
Для замещения галогена цианогруппой применяют цианиды щелочных металлов, реагентом для замещения нитрогруппой служат нитриты щелочных металлов или серебра.
Цианид- и нитрит-ион относятся к амбидентным анионам, т. е. таким, которые имеют по два нуклеофильных центра. Каждый из них образует два изомерных продукта взаимодействия с галогеналканами – нитрил и изонитрил, нитросоединение и алкилнитрит, соответственно.
Взаимодействие галогеналкана с аммиаком и аминами приводит сначала к образованию соответствующей аммониевой соли. Последняя превращается в амин при действии основания, роль которого часто выполняет сам амин, взятый в избытке.
Нужно обратить внимание, что данная реакция имеет ограниченное препаративное значение и сопровождается побочным образованием большого количества ди- и триалкиламинов, т.к. алифатические заместители, в большинстве случаев обладающие донорным индуктивным эффектом, повышают нуклеофильность аминогруппы.
Реакции нуклеофильного замещения при насыщенном атоме углерода (механизмы)
Галогеналканы, в зависимости от структуры, более или менее легко подвергаются гидролизу при действии воды или щелочей. Эту реакцию можно выразить уравнением
R–X + OH – → R–OH + X – ,
где R – алифатический заместитель, а X – атом галогена или другая уходящая группа.
В уравнении данной реакции представлены практически все участники нуклеофильного замещения. Галогеналкан является субстратом (электрофилом), гидроксид-ион – реагентом (нуклеофилом), галогенид-ион – уходящей группой.
Измерение кинетики реакции, т.е ее скорости изависимости последней от концентрации реагентов и температуры, позволяет судить, в частности, о количестве частиц, участвующих в элементарном акте (молекулярность реакции). До сих пор мы рассматривали энергетический профиль химического превращения без учета количественных параметров. Количественным образом реакцию характеризуют путем расчета уменьшения концентрации исходных соединений или увеличения концентрации продуктов в единицу времени. Эта величина называется скоростью химической реакции. Она зависит от числа столкновений молекул, их энергии и вероятностного фактора. При этом число столкновений пропорционально концентрации в растворе реагентов, участвующих в лимитирующей стадии реакции. Определение скорости реакции при фиксированной температуре, но с изменяемыми концентрациями реагентов дает надежную информацию о влиянии концентрации.
Кинетические измерения гидролиза бромметана в 80%-ном водном спирте при 55 °С показывают, что с увеличением концентрации любого из реагентов в два раза, скорость гидролиза увеличивается вдвое (т.е. зависит от концентрации обоих реагентов). Это означает, что на лимитирующей (наиболее медленной) стадии реакции обязательно участвуют две частицы, в данном случае – молекула бромметана и гидроксид-ион, что выражается уравнением
Процессы такого типа называются бимолекулярными, или реакциями 2-го порядка. В данном случае речь идет о бимолекулярном нуклеофильном замещении, что обозначается SN2. Константа скорости (k) конкретной реакции в одинаковых условиях имеет одно и то же значение, и при размерностях концентраций моль/л для данного превращения она имеет величину 0,0214 (в каждом литре в секунду образуется 0,0214 молей метанола), если концентрация исходных равна 1 моль/л.
Аналогичные измерения для гидролиза трет-бутилхлорида при указанных выше условиях показывают, что скорость превращения зависит только от концентрации галогенида и не зависит от концентрации гидроксид-ионов, т.е. реакция является мономолекулярной. Константа скорости в данном случае равна 0,01 л*моль/с.
Гидролиз трет-бутилбромида, в отличие от метилбромида, представляет собой двухстадийный процесс, причем в лимитирующей стадии реакции гидроксид-ион участия не принимает.
Следовательно, процесс замещения, в зависимости от природы субстрата, может протекать двояким образом:
а) одновременно (синхронно) происходит разрыв связи C-Br и образование связи С-ОН (механизм SN2);
б) последовательно – сначала гетеролитически разрывается связь C-Br и затем образуется связь С-ОН (механизм SN1).
Источник
Нуклеофильное замещение — Nucleophilic substitution
Нуклеофильное замещение представляет собой класс химических реакций , в которых электрон-богатый химические частицы (известные как нуклеофил ) заменяют функциональную группу внутри других электрон-дефицитных молекул (известные как электрофильные ). Молекула, содержащая электрофил и уходящую функциональную группу, называется субстратом .
Самая общая форма реакции может быть следующей:
Пара электронов ( : ) от нуклеофила (КНУ) атакует субстрат (R-LG) и облигации с ним. Одновременно уходящая группа (LG) уходит с электронной парой. Основным продуктом в этом случае является R-Nuc. Нуклеофил может быть электрически нейтральным или отрицательно заряженным, тогда как субстрат обычно нейтрален или положительно заряжен.
Пример нуклеофильного замещения является гидролизом из алкильной метила , R-Br в основных условиях, где атакующий нуклеофил является ОН — и уходящей группой , является Br — .
R-Br + OH — → R-OH + Br —
Реакции нуклеофильного замещения обычны в органической химии . Нуклеофилы часто атакуют насыщенный алифатический углерод. Реже они могут атаковать ароматический или ненасыщенный углерод.
СОДЕРЖАНИЕ
Центры насыщенного углерода
Реакции S N 1 и S N 2
В 1935 году Эдвард Д. Хьюз и сэр Кристофер Инголд изучили реакции нуклеофильного замещения алкилгалогенидов и родственных соединений. Они предположили, что действуют два основных механизма, и оба они конкурируют друг с другом. Две основные механизмы были S Н реакцию 1 и S N реакция 2 , где S обозначает замещения, Н обозначают нуклеофильный, а число представляет собой кинетический порядок реакции.
В реакции S N 2 добавление нуклеофила и отщепление уходящей группы происходят одновременно (т. Е. Согласованная реакция ). S N 2 возникает, когда центральный атом углерода легко доступен для нуклеофила.
| Нуклеофильное замещение у углерода | |
|---|---|
 | |
 | |
| Механизм S N 2 | |
В реакциях S N 2 есть несколько условий, которые влияют на скорость реакции. Прежде всего, 2 в S N 2 означает, что есть две концентрации веществ, которые влияют на скорость реакции: субстрат (Sub) и нуклеофил. Уравнение скорости этой реакции: Rate = k [Sub] [Nuc]. Для реакции S N 2 лучше всего подходит апротонный растворитель , такой как ацетон, ДМФ или ДМСО. Апротонные растворители не добавляют протоны ( ионы H + ) в раствор; если бы протоны присутствовали в реакциях S N 2, они бы реагировали с нуклеофилом и сильно ограничивали бы скорость реакции. Поскольку эта реакция происходит в один этап, стерические эффекты определяют скорость реакции. На промежуточной стадии нуклеофил находится на 185 градусах от уходящей группы, и стереохимия инвертируется как нуклеофильные связи для образования продукта. Кроме того, поскольку промежуточное соединение частично связано с нуклеофилом и уходящей группой, у субстрата нет времени для перегруппировки: нуклеофил будет связываться с тем же атомом углерода, к которому была присоединена уходящая группа. Последним фактором, влияющим на скорость реакции, является нуклеофильность; нуклеофил должен атаковать атом, отличный от водорода.
Напротив, реакция S N 1 включает две стадии. Реакции S N 1 имеют тенденцию быть важными, когда центральный атом углерода субстрата окружен объемными группами, как потому, что такие группы стерически мешают реакции S N 2 (обсужденной выше), так и потому, что сильно замещенный углерод образует стабильный карбокатион .
| Нуклеофильное замещение у углерода | |
|---|---|
 | |
| Механизм S N 1 | |
Как и реакции S N 2, на скорость реакции S N 1 влияет довольно много факторов . Вместо двух концентраций, влияющих на скорость реакции, есть только один субстрат. Уравнение скорости для этого будет: Rate = k [Sub]. Поскольку скорость реакции определяется только ее самой медленной стадией, скорость, с которой уходящая группа «уходит», определяет скорость реакции. Это означает, что чем лучше уходящая группа, тем выше скорость реакции. Общее правило для хорошей уходящей группы — чем слабее сопряженное основание, тем лучше уходящая группа. В этом случае галогены будут лучшими уходящими группами, в то время как соединения, такие как амины, водород и алканы, будут довольно плохими уходящими группами. Поскольку на реакции S N 2 влияют стерические факторы, реакции S N 1 определяются объемными группами, присоединенными к карбокатиону. Поскольку есть промежуточный продукт, который на самом деле содержит положительный заряд, прикрепленные громоздкие группы помогут стабилизировать заряд карбокатиона за счет резонанса и распределения заряда. В этом случае третичный карбокатион будет реагировать быстрее, чем вторичный, который будет реагировать намного быстрее, чем первичный. Также благодаря этому промежуточному продукту карбокатиона продукт не должен иметь инверсию. Нуклеофил может атаковать сверху или снизу и, следовательно, создавать рацемический продукт. Важно использовать протонный растворитель, воду и спирты, поскольку апротонный растворитель может повредить промежуточное соединение и вызвать нежелательный продукт. Не имеет значения, реагируют ли водороды из протонного растворителя с нуклеофилом, поскольку нуклеофил не участвует в стадии определения скорости.
| Таблица 1. Нуклеофильные замены RX (алкилгалогенид или эквивалент) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Фактор | S N 1 | S N 2 | Комментарии | ||||
| Кинетика | Скорость = k [RX] | Скорость = k [RX] [Nuc] | |||||
| Первичный алкил | Никогда без дополнительных стабилизирующих групп | Хорошо, если не используется затрудненный нуклеофил | |||||
| Вторичный алкил | Умеренный | Умеренный | |||||
| Третичный алкил | Отлично | Никогда | Устранение вероятно при нагревании или при использовании прочного основания | ||||
| Выход из группы | Важный | Важный | Для галогенов I> Br> Cl >> F | ||||
| Нуклеофильность | Неважно | Важный | |||||
| Предпочтительный растворитель | Полярный протик | Полярный апротический | |||||
| Стереохимия | Рацемизация (+ возможна частичная инверсия ) | Инверсия | |||||
| Перестановки | Общий | Редкий | Побочная реакция | ||||
| Исключения | Часто встречается, особенно с основными нуклеофилами | Только с теплом и основными нуклеофилами | Побочная реакция, особенно если нагревается | ||||
Реакции
В органической химии существует множество реакций с таким механизмом. Общие примеры включают:
Пограничный механизм
Примером реакции замещения, протекающей по так называемому пограничному механизму, как первоначально исследовали Хьюз и Ингольд, является реакция 1-фенилэтилхлорида с метоксидом натрия в метаноле.
Скорость реакции определяется суммой компонентов S N 1 и S N 2, причем последний приходится на 61% (3,5 M, 70 ° C).
Прочие механизмы
Помимо S N 1 и S N 2 известны другие механизмы, хотя они менее распространены. Механизм S N i наблюдается в реакциях тионилхлорида со спиртами , и он аналогичен S N 1, за исключением того, что нуклеофил доставляется с той же стороны, что и уходящая группа.
Нуклеофильные замены могут сопровождаться аллильной перегруппировкой, как это видно в реакциях, таких как перегруппировка Феррие . Этот тип механизма называется реакцией S N 1 ‘или S N 2′ (в зависимости от кинетики). Например, с аллильными галогенидами или сульфонатами нуклеофил может атаковать γ-ненасыщенный углерод вместо углерода, несущего уходящую группу. Это можно увидеть в реакции 1-хлор-2-бутена с гидроксидом натрия с образованием смеси 2-бутен-1-ола и 1-бутен-3-ола:
Механизм Sn1CB появляется в неорганической химии . Существуют механизмы конкуренции.
В металлоорганической химии нуклеофильного абстракции реакция протекает с нуклеофильного замещения механизма.
Ненасыщенные углеродные центры
Нуклеофильное замещение по механизму S N 1 или S N 2 обычно не происходит с виниловыми или арилгалогенидами или родственными соединениями. При определенных условиях могут происходить нуклеофильные замены с помощью других механизмов, таких как описанные в статье о нуклеофильных ароматических заменах .
Когда замещение происходит в карбонильной группе, ацильная группа может подвергаться нуклеофильному ацильному замещению . Это нормальный способ замещения производными карбоновой кислоты , такими как ацилхлориды , сложные эфиры и амиды .
Источник
