П.8. Реакции нуклеофильного замещения.

Полярность связи углерод‑галоген и реакции нуклеофильного замещения.

Галогенпроизводные можно рассматривать как продукты замещения в углеводородах одного или нескольких атомов водорода атомами галогенов. В соответствии с этим могут существовать предельные и непредельные моно‑ и полигалогенпроизводные. Особенности химических свойств этих соединений рассмотрим на примере предельных моногалогенпроизводных – моногалогеналканов (RHal, где R = алкильный радикал, Hal = галоген).

Рассмотрим в качестве представителя моногалогеналканов молекулу трет‑бутилхлорида (2‑метил‑2‑хлорпропана). Подобно алканам это соединение содержит склонные к гомолитическому разрыву ковалентные малополярные связи С‑Н. Такой разрыв связи ведет к образованию соответствующего радикала ·CH₂C(CH₃)₂Cl и реализуется, к примеру, при взаимодействии трет‑бутилхлорида с хлором в газовой фазе при облучении, приводящему к образованию соответствующего дихлорида.

Трет‑бутилхлорид, равно как и другие моногалогеналканы, вступает также в целый ряд характерных именно для этих соединений химических превращений, протекающих за счет разрыва связи углерод‑галоген. Последняя, в отличие от связи С‑Н, является типичным примером ковалентной полярной связи, поскольку электроотрицательность атома галогена превышает электроотрицательность углерода. Это приводит к частичному смещению электронной пары, образующей связь С‑Hal, в направлении атома галогена и, как следствие, возникновению некоторого частичного положительного заряда δ⁺ на атоме углерода и δ^‑ на атоме галогена.

Существенная полярность связи С‑Hal определяет её повышенную склонность именно к гетеролитическому разрыву, происходящему за счет полного перехода электронной пары связи С‑Hal к атому галогена. В случае трет‑бутилхлорида такой процесс ведет к образованию трет‑бутильного катиона (СН₃)₃С⁺ и хлорид‑аниона.

Следует однако отметить, что энергия гетеролитического разрыва разрыва связи С‑Hal в газовой фазе чрезвычайно велика (для связи С‑Cl, к примеру, она составляет около 200 ккал/моль) за счет образования крайне неустойчивого производного трехвалентного углерода. В то же самое время в растворе подходящего органического растворителя энергия гетеролитического разрыва связи С‑Hal намного ниже (менее 60 ккал/моль для связи С‑Cl), что объясняется существенным выигрышем в энергии за счет выделения теплоты сольватации образующихся ионов. Таким образом, реакции протекающие путем гетеролитического разрыва связи С‑Hal обычно проводят в среде полярного растворителя, обеспечивающего эффективную сольватацию ионов.

Образующийся в процессе гетеролитического разрыва связи С‑Hal алкильный катион R⁺ является типичной электрофильной частицей, поскольку электронодефицитный атом углерода (С⁺) в нем имеет вакантную орбиталь. Поясним это на примере трет‑бутильного катиона. Последний является плоским, что обычно объясняют sp²‑гибридным состоянием центрального углеродного атома в нем. При этом углерод за счет трех sp²‑гибридных орбиталей образует три связи С‑С, лежащие в одной плоскости под углом 120^о. Перпендикулярно этой плоскости располагается пустая р‑орбиталь атома углерода, определяющая его электрофильные свойства.

Образовавшийся в процессе диссоциации трет‑бутилхлорида трет‑бутильный катион является крайне малоустойчивой частицей, поскольку содержит атом трехвалентного углерода, и пытается стабилизироваться за счет быстро протекающего взаимодействия с любой из нуклеофильных частиц, присутствующих в реакционной смеси. В частности, при взаимодействии с хлорид‑анионом образуется исходный трет‑бутилхлорид.

Однако концентрация хлорид‑анионов очень низка, особенно на начальных стадиях процесса. В связи с этим, если в реакционной смеси в заметных количествах присутствует другая нуклеофильная частица :Nu^‑, используемая, к примеру, в качестве реагента, то алкильный катион с большей вероятностью вступает во взаимодействие именно с ней, образуя конечный продукт реакции:

Из схемы реакции следует, что взаимодействие трет‑бутилхлорида с нуклеофилом :Nu^‑приводит к вытеснению из субстрата хлорид‑аниона, также являющегося нуклеофильной частицей. Такого рода процессы, характерные не только для трет‑бутилхлорида, но и для других галогеналканов, принято называть реакциями нуклеофильного замещения.

Отдельно следует подчеркнуть, что описанный механизм нуклеофильного замещения, основанный на первоначальном разрыве связи С‑Hal и лишь последующем образовании связи С‑Nu, реализуется далеко не всегда. К примеру, для галогенметанов и первичных алкилгалогенидов эти два процесса (разрыв связи С‑Hal и образование связи С‑Nu) протекают синхронно. Тонкости механизма, тем не менее, не влияют на продукт реакции нуклеофильного замещения: в общем случае исходя из алкилгалогенида RHal можно получить соединения вида RNu.

Использование реакций нуклеофильного замещения в синтезах спиртов, простых эфиров, нитрилов и других классов органических соединений.

Ниже приведены схемы превращений, относящихся к реакциям нуклеофильного замещения (над стрелкой указан реагент и растворитель, в скобках ‑ нуклеофильная частица). Чаще всего в качестве исходных соединений в таких превращениях используются алкилбромиды и алкилйодиды, проявляющие сравнительно высокую реакционную способность, в то время как хлориды и особенно фториды реагируют намного медленнее. В качестве нуклеофильных реагентов могут использоваться не только анионы, но и нейтральные молекулы (например, аммиак и амины). Как видно, реакции нуклеофильного замещения весьма многочисленны и являются удобным путем перевода легкодоступных алкилгалогенидов в другие классы органических соединений.

Сравнение реакционной способности различных галогенидов.

Обычно реакционная способность галогенидов изменяется следующим образом: йодиды > бромиды > хлориды > фториды, что связывают с монотонным уменьшением в указанном порядке энергии связи C‑Hal, подвергающейся разрыву в реакции нуклеофильного замещения. С фторидами реакция часто вообще не идет.

В ряду алкилгалогенидов наиболее легко в реакции нуклеофильного замещения вступают третичные галогениды и галогенметаны, тогда как первичные и вторичные галогениды реагируют обычно медленнее. Высокая реакционная способность третичных алкилгалогенидов обусловлена повышенной стабильностью образующегося в качестве промежуточной частицы третичного карбокатиона. Реакции нуклеофильного замещения с участием метилгалогенидов протекают не через образование метильного катиона, а путем синхронного разрыва связи С‑Hal и образования связи С‑Nu, т.е. по сути дела в одну стадию. Повышенную реакционную способность этих соединений связывают с простанственной доступностью атакуемого атома углерода ввиду отсутствия при нем объемистых алкильных заместителей. Наличие последних в молекулах первичных и вторичных галогенидов, реагирующих аналогично метилгалогенидам, уменьшает скорость процесса.

Очень высокой реакционной способностью, превышающей таковую для третичных галогенидов и метилгалогенидов, обладают аллил‑ и бензилгалогениды. Интересной особенностью протекания реакций нуклеофильного замещения с участием аллилгалогенидов является образование двух продуктов реакции: так называемого нормального продукта и продукта аллильной изомеризации:

Арилгалогениды в реакциях нуклеофильного замещения малоактивны, эти реакции удается осуществить только в крайне жестких условиях. В этой связи можно упомянуть катализируемое медью и ее соединениями превращение хлорбензола в фенол (точнее первоначально в фенолят натрия) при температуре порядка 250‑350 ^оС. В сходных условиях, при повышенных температурах и давлении в присутствии соединений меди, удаётся перевести хлорбензол в анилин под действием аммиака, бромбензол ‑ в нитрил бензойной кислоты C₆H₅CN действием цианида натрия, а также йодбензол в фенилацетат C₆H₅OCOCH₃ при взаимодействии с ацетатом натрия.

С одной стороны, пониженную реакционную способность арилгалогенидов можно связать с упрочнением связи C‑Hal, затрудняющим её разрыв, вследствие взаимодействия неподеленных электронных пар галогена с π‑электронной системой бензольного кольца.

С другой стороны, неустойчивость фенильного катиона делает невыгодным путь нуклеофильного замещения, проходящий через эту частицу. Аналогичным образом, процесс, предполагающий синхронное образование связи С‑Nu и разрыв связи С‑Hal предполагает атаку нуклеофила на атом углерода, принадлежащий бензольному кольцу арилгалогенида, что также сомнительно ввиду нуклеофильного характера π‑электронной системы бензольного кольца.

Наличие акцепторных заместителей в бензольном кольце, особенно в орто‑ и/или пара‑положениях по отношению к атому галогена существенно облегчает протекание реакций нуклеофильного замещения в ряду арилгалогенидов, что частично можно связать с уменьшением электронной плотности π‑системы бензольного кольца, что облегчает атаку обычно отрицательно заряженного нуклеофила. В действительности реакции нуклеофильного замещения в данном случае протекают по особому пути, предполагающему первоначальное образование связи С‑Nu (путем присоединения по кратной связи С=С) и лишь последующий разрыв связи C‑Hal. Примеры подобных превращений приведены ниже.