1.4.3. Механизм sn2

В отличие от механизма S_N1 механизм S_N2 (символ расшифровывается как замещение нуклеофильное бимолекулярное) является одностадийным, т.е. образование связи Nu–C и разрыв связи С–Hal протекают синхронно.

два уравнения реакции приведены для нейтрального (1) и отрицательно заря-женного нуклеофила (2). Уравнения (1)–(3) (стр.5) соответствуют первой схе-ме, а уравнения – (5)–(10) второй.

1. Уравнение скорости. Реакция имеет общий второй порядок, пер­вый по субстрату и первый по нуклеофилу:

Нуклеофил участвует в образовании переходного состояния, поэ­тому скорость реакции должна зависеть от концентрации нуклеофила.

2. Природа радикала в алкилгалогениде. В переходном состоянии согласован-ной S_N2-реакции сте­пень координации центрального атома углерода увеличи-вается до пяти, а само переходное состояние представляет собой тригональ-ную бипирамиду (плоскость R¹CR²R³ перпендикулярна линии связывающей Nu и Hal). Из этого следует, что скорость реакции должна сильно зависеть от

простран­ственных факторов, в первую очередь от объема заместителей при центральном атоме углерода. Многочисленные экспериментальные данные подтверждают следущий порядок уменьшения скорости S_N2 замещения:

CH₃ > C₂H₅ > н-C₃H₇ > изо-C₃H₇ > трет-C₄H₉. Таким образом, влияние алкильных групп на скорость S_N1 и S_N2 реакций прямо противоположно.

3. Влияния растворителя. В S_N2-peaкциях влияние раст­ворителя зависит от «типа заряда» данной реакции, т. е. от того, образуются ли в реакции ионы из нейтральных молекул (стр.5 урав­нения 1-3) или не происходит изменения общего числа участвующих в реакции ионов (стр.5 урав­нения 5-10). В переходном состоянии реакций первого типа происходит разделение зарядов,

поэтому увеличение полярности растворителя будет приводить к увеличению скорости. В переходном состоянии реакций второго типа происходит распре-деление заряда между нуклеофильным реагентом и субстратом, поэтому уве-

личение полярности растворителя будет приводить к уменьшению скорости.

4. Стереохимия. Стереохимия S_N2 замещения была детально изучена с использованием метода меченых атомов и оптически активных соединений.

В качестве нуклеофила использовался бромид лития, в котором вместо обыч-ного изотопа брома использовался радиоактивный ⁸²Br, который на схеме обозначен звёздочкой, а в качестве субстрата использовался один из энантиомеров 1-фенилэтилбромида; реакция проводилась в ацетоне (ε = 20.9), т.е. в среде с низкой полярностью. По существу, изучаемая реакция представляла собой реакцию изотопного обмена.

В этом эксперименте измерялась скорость накопления радиоактивного брома в 1-фенилэтилбромиде, а также скорость уменьшения оптической активности субстрата. Было показано, что, во-первых, замещение соответствует реакции второго порядка и является S_N2 реакцией, во-вторых, скорость уменьшения оптической активности в два раза превышает скорость изотопного обмена.

Отсюда был сделан вывод, что каждый акт бимолекулярного замещения изменял конфигурацию, проходя, таким образом, через переходное состоя-ние, обозначенное на схеме, и представляющее собой тригональную бипира-миду. Важным следствием этой работы явилось формулирование S_N2-Правила. Замещение по механизму S_N2 происходит с обращением конфигу-рации независимо от каких-либо деталей строения.

5. Влияние уходящей группы. В S_N2-реакциях уходящая группа Hal отщеп­ляется вместе со связывающей электронной парой, точно также как в S_N1 реакциях. Следовательно скорость замещения в зависимости от природы уходящей группы будет возрастать в следующем ряду: F<<Cl < Br < J.

В отличие от алкилгалогенидов винил- и фенилгалогениды весьма

инертны в реакциях нуклеофильного замещения. Повышенная инертность их объясняется более высокой энергией связи С–Hal в этих соединениях по сравнению с алкилгалогенидами. Кроме того, вследствие особенностей геометрии для фенилгалогенидов невозможна атака нуклеофила с тыльной стороны связи C–Hal, а боковой атаке – перпендикулярно плоскости винилгалогенида или бензольного кольца фенилгалогенида препятствует π-система двойной связи или бензольного кольца.

(плоскость HCCHHalH перпендикулярна плоскости бумаги, а оси p-орбита-лей лежат в плоскости бумаги).

Далее будут рассмотрены более подробно некоторые реакции замеще-ния, приведённые на стр.5. Характерной особенностью этих реакций являет-ся введение алкильной группы в молекулы нуклеофилов и поэтому эти реак-ции часто называют реакциями алкилирования. Алкилирование аммиака, первичных и вторичных аминов является методом синтеза первичных, вто-ричных и третичных аминов (реакции 1-3). Неудобством данного метода является образование продуктов с более высокой степенью замещения. Так реакция этилбромида с аммиаком даёт бромид этиламмония, который при действии аммиака даёт бромид аммония и этиламин, который может алкили-роваться далее и образовывать диэтиламин.

EtBr + NH₃ → EtNH₃⁺ + Br¯ ; EtNH₃⁺ + NH₃ → EtNH₂ + NH₄⁺

EtBr + EtNH₂ →(Et)₂NH₂⁺ + Br¯; (Et)₂ NH₂⁺ + NH₃ →(Et)₂NH + NH₄⁺

Простым средством подавления образования нежелательного вторичного амина является использование большого избытка аммиака.

Традиционно реакция 4 (стр.5) рассматривается как гидролиз алкилгало-генида, а не алкилирование воды. Эта реакция обратима, особенно для тре-тичных галогенидов. Щелочной гидролиз (реакция 5) устраняет обратимость, но при этом в качестве побочного процесса возможно образование алкенов в результате протекающей параллельно реакции отщепления.

Алкилирование гидросульфид-иона (реакция 6) даёт тиолы. Выходы тиолов, полученных этим способом, часто невы­соки, поскольку тиолат-ионы очень легко подвергаются дальней­шему алкилированию, приводящему к образованию диалкилсульфидов R₂S. Для подавления этой последующей реакции необходимо использовать большой избыток гидросульфид-иона; в качестве источника гидросульфид-иона обычно используют гидросульфид натрия. Такое сильное отличие аналогичных реакций (реакции 5 и 6) связано с гораздо большей нуклеофильностью тиолов по сравнению со спиртами.

Алкилирование алкоголят ионов даёт простые эфиры. Эта реакция подробно раассматривается в разделе «Спирты».

В реакцих 8-9 помимо нитросоединений RNO₂ и нитрилов RCN в качес-тве побочных продуктов образуются нитриты RONO и изонитрилы RNC. Т.е. алкилирование нитрит-иона может протекать как по атому азота, так и по атому кислорода. В классической структуре нитрит-иона на кислороде присутствует отрицательный заряд, а на атоме азота неподелённая пара электронов, мезомерный эффект приводит к тому,что нитрит-ион становится симметричной молекулой, в которой, тем не менее, отрицательный заряд

в основном локализован на атомах кислорода. Таким образом, в нитрит-ионе имеются два реакционных центра, обладающих нуклеофильными свойства-ми. Ионы подобного типа называются амбидентными ионами. Не останавли-ваясь на детальном обсуждении реакционной способности амбидентных ионов, укажем, что в реакции с алкилгалогенидами алкилирование преиму-щественно протекает по атому азота, а не кислорода. Ситуация полностью аналогична для цианид-иона, но в этом случае алкилирование преимущест-венно протекает по атому углерода, а не азота. Если предыдущие нуклео-фильные реагенты могут рассматриваться как типичные неорганические нуклеофилы, то в реакции 10 в качестве нуклеофила выступает типичный органический анион – анион ацетоуксусного эфира, который также является амбидентным ионом, как это следует из рассмотрения его мезомерных структур

Алкилирование аниона ацетоуксусного эфира при действии алкилгалогени-дов протекает преимущественно по атому углерода (в уравнении 10 приве-дена структура с делокализованным зарядом). В трёх приведённых примерах алкилирование амбидентных ионов алкилгалогенидами происходит по менее электроотрицательному атому. Особую важность алкилирование ацетоуксусного эфира представляет потому, что в этом случае происходит образование новой С-С связи и эта реакция может быть использована в органическом синтезе.