Лекция №31.

Теоретические основы органической
химии
Нуклеофильное замещение у
насыщенного атома углерода
Лекция 31
(электронно-лекционный курс)
Проф. Бородкин Г.И.
Нуклеофильное замещение у
насыщенного атома углерода
Yp + R-Xq
R-Yp+1 + Xq-1
Y = H-Hal, Hal-, H-OH, OH-, ROH, RO-, CN-,
RCOO-, R3N, R3P, RS-H, RS- и др.
X = Hal, OH, OH2+, OR, OR2+, OCOR, OSO2R,
NR3+, SR2+, N=N+ и др.
Реакции, в которых нуклеофил одновременно
является растворителем – реакции сольволиза
Мономолекулярное нуклеофильное
замещение
R3C-X
R3C+ + Y-
k1
k-1
k2
R3C+
+
X-
R3CY
определяет
скорость
определяет
продукт
Метод стационарных концентраций
d[RX]
k1k2 [RX][Y]
= W =
dt
k-1 [X] + k2 [Y]
Уменьшение константы скорости в присутствии
Х- (эффект общего иона)
Схема Уинстейна
s s
s
s
s R+ X- s
R-X
R...X
s R+ s X-s
s s
s
s
тесная ИП разделенная ИП
s s
s s
s R+ s + s X- s
s s
s s
свободные ионы
Обычно ионные пары реагируют с Х(внутренний возврат), а свободный ион
и разделенная ионная пара дают продукт
Доказательство существования ИП
O18
O18
R-O-S-Ar
R+... -O-S-Ar
O
O
O
R+ ... -O18 -S-Ar
O
RO18 -S-Ar
O
O
Meтка 18О на ~20% перераспределена в
непрореагировавшем реагенте
Winstein et al. JACS 1968, 1904
Механизм SN1
2. Проявление свойств карбокатиона (продукты
замещения, отщепления, перегруппировки)
а)скорость реакции увеличивается по мере роста
стабильности образующегося карбокатиона
lgk25o
+ const
+10
Ph3C+
+6
Ph2CH+
+
+2
-2
PhMeCH+
Me3C+
+
+
-6
+
Me2CH
15 20 25 30 35 40 45 50
б) потеря оптической
активности на стадии ИП
в) lg (kX/kH) = rs+,
r (-3  -5)
г) H= велико, S= близко
к нулю
f, êêàë/ì î ëü (â HSO3F-SbF5)
Кинетичекие изотопные эффекты
в сольволизе SN1
Вторичные
kH/kD = 1.1  1.2
H (D)
H (D)
C+....X-
R
R
R
C+
R
Первичные (С14, Сl37)
малы
Уравнение Грюнвальда-Уинстейна
lg(kA/k0)= mY
ko – константа скорости сольволиза t-BuCl
Y – ионизирующая сила растворителя (m = 1, 80%EtOH)
Y
Вода
MeOH
EtOH
MeCOOH
HCOOH
CF3COOH
3.49
-1.09
-2.03
-1.68
2.05
4.5
e
78.5
32.6
24.3
6.19
57.9
39
Расширенное уравнение
Грюнвальда-Уинстейна
lg(kA/k0)= mY + lN
N – мера нуклеофильности растворителя
l – чувствительность субстрата к
нуклеофильности растворителя (l = 1 для
сольволиза MeBr , l = 0 для t-BuCl)
Критерии SN2
R
C
Y + R
R
R
R
sp3
X
Y
R
C
R
X
sp2
Y
C
R + X
R
1. W = k [Y] [RX] нуклеофил участвует на lim стадии
2. Обращение конфигурации
3. H= обычно ниже, чем для SN1,
S= отрицательна (-15 -40 э.е)
4. Акцепторы R несколько ускоряют реакцию
(r невелико, 0.5  1.0 )
Кинетические изотопные эффекты в SN2
H (D)
C-X
R
R
КИЭ (вторичный) мал,
часто kH/kD < 1
Первичные КИЭ С13, С14
1.1 1.15
Стереохимическое течение реакции SN2
R
C
Y + R
R
R
X
R
Y
R
C
X
R
Y
C
R + X
R
переходное
состояние
При Y = X
2kобмена = kрацемизации (1)
Соотношение (1) можно использовать
как доказательство механизма SN2
Стереохимия реакции SN2
Атака с тыла
R
X
Y
R
R
qY qC
E = RYCe
(aCaybCY)2
Y
+ 2
EY - ECX
Атака с фронта невыгодна
Y
R
X
E = - qYqC + qYqX
(aCaybCY+ aXaybXY)2
RYCe RYXe + 2
E -E
Y
R
R
s*
CX
Стереохимия реакции SN1
R
+
C
R
Полная рацемизация только
в случае симметричного катиона
R
YR
R
C+......XR
Y-
В ионной паре уходящая частица Хэкранирует и катион не плоский,
поэтому иногда - преимущественное
обращение
Оптически
активный октанол-2
H2O
MeOH Полное обращение
конфигурации
*
OSO2Me
MeCOMe/H2O
Продукты с
диоксан/H2O меньшей оптич.
чистотой
s
H
s
s
X- s
+
O
s
H
+
O
s
s
s
O
Вода сольватирует и
атакует с тыла, реакция
с инверсией конфигурации
s
Диоксан сольватирует
H2O с тыла, а вода атакует
с фронта, продукт с
s
s сохранением конфигурации
X- s (оптическая чистота меньше)
s
s
Участие соседних групп
Анхимерное содействие – увеличение скорости
сольволиза благодаря взаимодействию соседней
группы с возникающим карбокатионным центром
От греческого «анхи» - близкий, «мерос» - часть
+
R
R
+
Y
Y
-
R
R
H
H
H
OTS
R
Cl
Br
I
NYCOPh
OTS
Kтранс/ kцис
~1
383
2. 106
9100
H