МЕХАНИЗМЫ МЕТОДИЧКА

Аналогично в несимметричных дигалогензамещенных направление отщепления также соответствует правилу Зайцева. Атом водорода отщепляется от наименее гидрированного атома углерода, поскольку электроноакцепторные заместители повышают его кислотность:

Элиминирование червертичных аммониевых и сульфониевых оснований происходит по правилу Гофмана: водород отщепляется от наиболее гидрированного атома углерода с образованием наименее разветвленного алкена:

Такой порядок расщепления связан с близостью механизмов этих реакций к механизму Е1cb. В переходном состоянии связь С–Н ослаблена сильнее, чем связь С–N, и промежуточный карбанион (или близкое к нему по структуре переходное состояние) оказывается менее дестабилизированным алкильными группами при образовании менее разветвленного алкена.

51

2.3.2.Конкуренция реакций нуклеофильного замещения и отщепления

ироль изомеризации

Реакции нуклеофильного расщепления и замещения всегда будут между собой конкурировать, если позволяет структура субстрата. Конечный состав продуктов будет определяться соотношением скоростей этих реакций, определяемых различными факторами. При конкуренции SN1- и Е1-реакций:

состав продуктов не зависит от общей скорости и определяется соотношением констант скоростей быстрых стадий k1/k2 = 73:27. На состав продуктов не влияют ни способ образования карбкатиона, ни природа уходящей группы, что может служить подтверждением мономолекулярности механизмов протекающих реакций.

В случае конкурирования реакций SN2 и Е2:

Удлинение и разветвление алкильного радикала субстрата приводит к увеличению доли продукта отщепления как в случае конкуренции SN1–E1, так и SN2–E2. В первом случае это происходит за счет стабилизации переходного состояния при образовании олефина, в то время как реакция замещения немного тормозится стерическими факторами.

При конкурировании бимолекулярных реакций скорость замещения с увеличением разветвленности уменьшается, как это было показано выше, но промежуточный комплекс в Е2-реакции, наоборот, стабилизируется, и скорость ее

52

возрастает. При этом стерических трудностей при атаке нуклеофилом периферийного атома водорода практически нет. В результате, в случае бимолекулярных реакций может быть достигнут даже более высокий выход олефинов по сравнению с SN1–E1 конкуренцией. Для этого, например, можно изменять температуру. Поскольку энергия активации расщепления несколько выше, чем замещения, то и ускоряться с повышением температуры она будет сильнее.

Большое значение в конкуренции реакций замещения и отщепления имеет природа нуклеофильного реагента. Успех реакций SN2 определяется его сродством к углеродному атому, имеющему частичный положительный заряд, т.е. нуклеофильностью. Для таких сильных оснований, как едкие щелочи и третичные амины, наиболее характерны реакции отщепления, что обусловливает их практическое применение для процессов дегидрохлорирования. Наоборот, для относительно сильных нуклеофилов, но слабых оснований (HS–, RS–, ArO–, NH3, Br–, I–) преобладающим направлением является замещение.

Таким образом, замещению способствует менее разветвленная структура алкильной группы в исходном соединении, высокая нуклеофильность реагента по сравнению с его основностью, большая сольватирующая способность среды (полярность растворителя) и умеренная температура. Очевидно, что отщеплению благоприятствуют противоположные условия.

Рассмотренные конкурирующие процессы замещения и расщепления часто сопровождаются побочными реакциями изомеризации, наиболее характерными для реакций SN1 и E1. Причина этих реакций состоит в том, что промежуточно образующийся карбкатион, прежде чем прореагировать с соответствующими нуклеофилом, способен к внутримолекулярной стабилизации за счет миграции к заряженному атому углерода отдельных атомов или групп, которые могут осуществляться следующими путями:

Миграция алкильных групп. Мигрирующая группа R перемещается вместе с парой электронов и выполняет роль нуклеофила, внутримолекулярно атакующего реакционный центр. Поэтому его способность к миграции зависит от степени нуклеофильности и повышается при наличии в ней электронодонорных заместителей и с ростом их поляризуемости:

(CH3)3C– > (CH3)2CH– > CH3CH2– > CH3–

Миграция атомов водорода (гидридный перенос). Направление миграции атомов водорода определяется относительной стабильностью ионов карбония, часто находящихся в равновесии друг с другом. Поэтому преимущественно

53

образуются третичные или вторичные продукты замещения или более разветвленные алкены. Особенно часто такие перегруппировки происходят при кислотно-каталитических превращениях спиртов. Так, при замещении гидроксила в бутаноле-1 на галоген получается не первичный, а вторичный бутилгалогенид:

Перегруппировки, связанные с наличием в интермедиатах нескольких реакционных центров. Причина образования таких центров обусловлена сопряжением вакантной орбитали карбкатиона с двойной связью или системой сопряженных двойных связей. Так, при гидролизе кротилхлорида образующийся карбкатион имеет два положительно заряженных реакционных центра. Поэтому при нуклеофильной атаке такого карбкатиона образуются два продукта замещения:

Для предотвращения всех типов изомеризации необходимо перевести реакцию из области SN1 – Е1 в область SN2 – Е2. Этому способствуют выбор растворителя, катализатора и другие факторы, рассмотренные ранее.

2.4. Некоторые реакции нуклеофильного присоединения

2.4.1. Нуклеофильное присоединение по ненасыщенным связям углерод–углерод

Механизм нуклеофильного присоединения по -связям олефинов можно представить, как реакцию, обратную Е1сb (карбанионный механизм):

или как реакцию, обратную Е2-отщеплению (синхронный механизм):

54

В зависимости от строения промежуточного комплекса приняты обозначения реакции AdN1 и AdN2 от англ. addition - присоединение.

Очевидно, что реакция нуклеофильного отщепления проходит через те же переходные состояния, так как является обратной для присоединения. Поэтому факторы, влияющие на стабилизацию активированного комплекса, а значит и на скорость реакции нуклеофильного присоединения, будут аналогичны описанным выше для элиминирования. Так, отрицательно заряженные комплексы и анионы стабилизируются электроноакцепторными заместителями (-CN, >C=O, -NO2 и др.), а предварительная поляризация субстрата снижает электронную плотность на β- углеродном атоме, что облегчает его атаку нуклеофилом:

Направление нуклеофильного присоединения всегда является таким, что нуклеофильная часть Y молекулы реагента связывается с углеродным атомом, более удаленным от активирующей группы.

Образование промежуточного комплекса может происходить за счет водородной связи молекулы HY с наиболее электроотрицательным атомом субстрата, а также за счет π-электронов кратных связей (π-комплексы). Образование таких комплексов приводит к дополнительной поляризации кратной связи и облегчению последующего взаимодействия с нуклеофильным реагентом:

Реакции нуклеофильного присоединения по углерод–углеродным связям встречаются довольно редко, причем олефины, не содержащие электроноакцепторных групп, совсем в них не вступают. Большое значение имеет реакция Михаэля – присоединение вещества, содержащего вторичный или

55

третичный атом углерода (нуклеофил) к С–С-ненасыщенному соединению при катализе основаниями:

Реакция широко применяется, в том числе в промышленной практике, для получения полифункциональных соединений.

Другие примеры практически значимых реакций нуклеофильного присоединения: синтез виниловых эфиров спиртов и фенолов,

,

получение N-винилзамещенных азотсодержащих соединений, например, винилкарбазола:

присоединение различных нуклеофилов к акрилонитрилу и другим ненасыщенным соединениям, содержащим электроноакцепторные заместители:

2.4.2. Нуклеофильное присоединение к α-оксидам и другим гетероциклическим соединениям

Эти процессы имеют большое значение в промышленности основного органического и нефтехимического синтеза. На их основе из α-оксидов и их производных получают гликоли, их эфиры, тиогликоли, тиоэфиры, аминоспирты, акрилонитрил, неионогенные поверхностно-активные вещества (алкоксилаты высших спиртов, высших аминов и пр.), глицерин и т.д.

56

В аналогичные реакции могут вступать вещества и с другими гетероатомами, и механизмы реакций очень близки, поэтому будем рассматривать их на примере α- оксидов.

Водород реагента HY связывается с кислородом, а остаток – с углеродным атомом цикла. Раскрытие цикла может произойти при прямой атаке углеродного атома нуклеофилом:

после чего происходит отрыв протона:

57

Такой процесс протекает только в отсутствие протогенных веществ и при высокой нуклеофильности реагента. Примером является некаталитическая реакция α‒ оксидов с алифатическими аминами:

В случае присоединения веществ, обладающих кислотными свойствами, имеет место электрофильная сольватация гетероатома, посредством которой происходит поляризация связи С–О, оттягивание электронной плотности от углерода и усиление на нем положительного заряда. Тем самым облегчается последующая атака нуклеофилом и разрыв связи С–О. Процесс сольватации может осуществляться самим реагентом HY, при этом его сопряженное основание будет выступать в качестве нуклеофила (нуклеофильный катализ) либо кислотным растворителем (H2O, ROH, RCOOH).

Присоединение к α-оксидам также можно ускорить путем применения других нуклеофилов, являющихся легко уходящими группами и обладающими сильной нуклеофильностью. Таким образом, реакция становится последовательной и двухстадийной, где вторая стадия – это замещение. Иногда это позволяет осуществить процесс значительно быстрее, чем напрямую через присоединение в одну стадию. Например, с помощью аниона йода возможно ускорить присоединение кислоты к α-оксидам:

В некоторых случаях используют и некаталитическую реакцию, в которой роль нуклеофила выполняет сам реагент HY (H2O, RSH и др.):

58

Амины также сами выполняют роль нуклеофилов, но для электрофильного активирования α-оксидного цикла обычно требуется присутствие веществ с кислотными свойствами. Образующиеся аминоспирты сами способны активировать молекулу оксида, в связи с чем реакция автоускоряется продуктами и может проводиться и в отсутствие специальных добавок электрофильных веществ.

В реакциях α‒оксидов с водой и некоторыми спиртами возможен кислотный катализ. Здесь также участвует пара основание – сопряженная кислота (Н2О – Н3О+, ROH – RO+H2). Сначала по протолитической реакции к α-оксиду присоединяется протон с образованием оксониевого соединения, которое реагирует далее с нуклеофилом и дает продукт раскрытия цикла:

В малополярных средах чаще используют катализ кислотами Льюиса.

От условий протекания реакций зависит относительная реакционная способность α-оксидов и направление раскрытия цикла в несимметричных субстратах. При нуклеофильном катализе соблюдается правило Красуского о преимущественном образовании продукта с вторичной гидрокси-группой. Наличие электронодонорных заместителей снижает реакционную способность оксидов, поскольку реакционный центр в этом случае имеет частичный отрицательный заряд, дестабилизируемый положительными электронными эффектами соседних групп. Поэтому нуклеофил преимущественно будет атаковать углеродный атом с наименьшим количеством

59

метильных (или других электронодонорных) групп, и переходное состояние будет выглядеть следующим образом:

Однако с усилением кислотного активирования цикла наблюдаются обратные закономерности: образуется все больше продукта с первичной спиртовой группой. Это обусловлено постепенным переходом от чистого AdN2-механизма к пограничному. На реакционном центре появляется уже частичный положительный заряд, стабилизируемый электронодонорными заместителями. При этом старая связь ослабляется сильнее, а новая завязывается на большем расстоянии. В результате стабилизируются оба промежуточных комплекса, влияние заместителя в этом случае противоположное – скорость реакции растет.

В качестве иллюстрации описанных закономерностей можно привести следующие реакции:

60