6.3.2 Влияние уходящей группы

Уходящая группа отщепляется тем легче, чем стабильнее она как свободная частица. Нуклеофильное замещение можно рассматривать как кислотно-основное равновесие. Тогда уходящая группа является сопряженным основанием (осн.2):

осн.1 к-та 1 к-та 2 осн.2

Чем слабее уходящая группа как основание (сильнее как кислота), тем легче она отщепляется. Наличие электроноакцепторного фрагмента в уходящей группе повышает стабильность последней (основность уменьшается). Например, из производных сульфокислот лучшей уходящей группой является анион трифторметилсульфлкислоты CF₃SO₃^– (трифлат), чем анион пара-толуолуолсульфокислоты n-CH₃-C₆H₄SO₃^– (тозилат).

В ряду алкилгалогенидов реакционная способность уменьшается в ряду:

R–I > R–Br > R–Cl > R–F

Анион йода I^– в ряду галоген-анионов является лучшей уходящей группой, так как является самым слабым основанием (кислота H–I самая сильная кислота). Это позволяет использовать анион йода в качестве катализатора (так называемый нуклеофильный катализ). Забегая вперед, отметим, что в ряду галоген-анионов в качестве нуклеофилов I^– тоже является лучшим (благодаря высокой поляризуемости):

медленно

R–Cl + H₂O R–OH + H⁺Cl^–

быстро

R–Cl + I^– R–I + Cl^–

+ H₂O быстро

H⁺ + I ^– + R–OH

Такие уходящие группы как ^–ОН, ^–ОR, ^–NH₂ являются «плохими» – слишком сильные основания. Для этого используют предварительное протонирование. Ведь после протонирования уходящими группами становятся более слабые основания: H-OH (вместо ^–ОН), H-OR (вместо ^–ОR), H-NH₂ (вместо ^–NH₂). Например, из спиртов трудно получить бромид. Поэтому используют предварительное протонирование:

Br ^– + R–OH R–Br + ^– OH

+ H⁺

Br ^– + R–O⁺H₂ R–Br + H– OH

Такой механизм, при котором уходящая группа отщепляется только при протонировании субстрата, обозначают S_N1cA или S_N2cA (сА – сопряженная кислота, conjugate acid, что означает моно- или бимолекулярное нуклеофильное замещение сопряженной кислоты).

Механизмы S_N1 не требуют сильных нуклеофилов, поэтому субстраты должные иметь хорошие уходящие группы а для этого могут быть использованы кислые среды.

Механизмы S_N2, требующие сильные нуклеофилы, (которые в кислых средах сами будут протонироваться), чаще всего проводят в нейстральных и основных средах.

6.4 Влияние нуклеофила

В механизме S_N1 нуклеофил не принимает участия в лимитирующей (скоростьопределяющей) стадии, поэтому не оказывает влияния на скорость реакции. Но в том случае, если при α-углеродном атоме субстрата имеется протон, характер нуклеофила может оказать влияние на состав продукта. Это может быть либо продукт замещения (путь а), либо продукт отщепления (путь в):

Н–С–С–Y (а)

+Y^–

Н–С–С–Х Н–С–С⁺

–Х^–

C = C + H–Y (в)

Путь в – альтернативный путь мономолекулярного нуклеофильного отщепления Е1 (см. раздел 7).

В механизме S_N2 нуклеофил принимает участие в лимитирующей стадии. При этом следует учитывать такое понятие как нуклеофильность. Нуклеофильность – способность предоставлять электронную пару для образования связи с электрофильным (электронодефицитным) центром. Близким (но не идентичным) понятием является понятие основность – способность к образованию связи с протоном.

Например, если рассматривать анионы галогенов то, их основность и нуклеофильность изменяется в противоположных направлениях:

рост основности

F^– Br ^– Cl^– I^–

рост нуклеофильности

Подобную закономерность можно объяснить с точки зрения концепции ЖМКО (см. раздел 4.6). Анион I^– (мягкое основание) предпочтительно взаимодействует с мягкой кислотой – алкильной группой(электронодефициный центр); анион F^– (жесткое основание) предпочтительно взаимодействует с жесткой кислотой – атомом водорода.

Кроме того, чем больше размер нуклеофильного аниона, тем меньше энергия его сольватации. Или энергия десольватации больших анионов меньше. Поэтому объемный анион йода легче теряет свою сольватную оболочку перед взаимодействием с субстратом, чем это происходит с анионом фтора:

Y^{– .} sol + R–X ^. sol Y–R ^. sol + X^{– .} sol

–sol –sol + sol + sol

Y^– + R–X Y–R + X^–

Имеет значение и стерический фактор. Например, трет-бутилат анион Ме₃СО^– более сильное основание, чем анионы НО^– или EtO^– , но менее сильный нуклеофил. Его большой стерический объем затрудняет его подход к субстрату.

Количественную оценку нуклеофильности реагентов в реакциях S_N2 дает уравнение Свейна-Скотта¹⁹:

lg(k/k₀) = s ^. n ,

где n – фактор (константа)тнуклеофильности;

s – чувствительность субстрата к нуклеофильности;

k₀ – константа скорости взаимодействия субстрата с Н₂О (стандарт, для которого n = 0);

k – константа скорости взаимодействия субстрата с испытуемым нуклеофилом.

В качестве стандартного субстрата выбран метилбромид СН₃Br, для которого чувствительность s=1.

Таким образом, определив значения констант скоростей k различных нуклеофилов и воды (k₀) с метилбромидом при 25°С, можно рассчитать фактор нуклеофильности. В Табл. 16. приведены значения для некоторых реагентов.

Таблица 16

Нуклеофильность n наиболее распространенных реагентов

Нуклеофил	n	Нуклеофил	n
HS–	5.1	Br–	3.5
CN–	5.1	PhO–	3.5
I–	5.0	CH3COO–	2.7
PhNH2(анилин)	4.5	Cl–	2.7
HO–	4.2	F–	2.0
N3–	4.0	NO3–	1.0
C5H5N(пиридин)	3.6	H2O	0.0