Органические галогениды Алкилгалогениды Арилгалогениды Типичные реакции c участием галогена: SN E Механизмы: SN1, SN2E1, E2 Типичные реакции c участием галогена: SN Механизмы: Ареновый Ариновый Органические галогениды. Механизмы реакций нуклеофильного замещения и элиминирования

Типовые реакции алифатического нуклеофильного замещения с участием алкилгалогенидов Название Реакция Гидролиз алкилгалогенидов Алкилирование алкилгалогенидами Алкилирование аминов Реакции с участием ацетиленовой группы

Механизм реакции S N 1 ( реакции мономолекулярного нуклеофильного замещения) (substitution nucleophilic monomolecular) Стадия 1: Ионизация субстрата, с образованием карбкатиона (медленная стадия): Стадия 2: Нуклеофильная атака карбкатиона (быстрая стадия): Стадия 1: RX R + + X Стадия 2:R + + Y RY Скорость реакции = k × [RX]

4

Реакции S N 1 характерны для субстратов, образующих относительно стабильные карбкатионы: Alk 3 C-X ArCH 2 -X CH 2 =CH-CH 2 X, X= Hal, OCOR, OSO 2 Ar, OSO 2 CF 3

Механизм реакции S N 2 реакции бимолекулярного нуклеофильного замещения (substitution nucleophilic bimolecular) Одна стадия: Атака нуклеофила и отщепление уходящей группы происходят синхронно, карбкатион не образуется RX + Y [Y R X] RY + X Скорость реакции = k [RX] [Y] В реакциях S N 2 оптически активных субстратов происходит «обращение конфигурации» и образуется продукт противоположной конфигурации. Т.е. (+) субстрат дает (-)-продукт и наоборот.

Реакции S N 2 характерны для субстратов с первичными алкильными группами AlkCH 2 -X и особенно для метильных производных CH 3 -X, т.к. в этих случаях минимальны стерические препятствия в переходных состояниях при атаке нуклеофилами: R=H R= Alk Кроме того, для AlkCH 2 -X и CH 3 -X невыгоден S N 1 маршрут реакции, т.к. нестабильные карбкатионы AlkCH 2 + и особенно CH 3 +

Влияния растворителей на протекание органических реакций Свойства атомов, молекул, ионов в растворах сильно отличаются от свойств в твердом состоянии или газовой фазе ! Растворитель может менять направление реакции, а скорости одной и той же реакции в в различных растворителях могут отличаться в миллионы раз. Основная причина - СОЛЬВАТАЦИЯ Сольватация снижает свободную энергию молекул и ионов ( G solv ) за счет выделения энергии при межмолекулярном взаимодействии Межмолекулярные взаимодействия

Модель сольватации Сольватация – выделение энергии G solv = G растворения - G крист.решетки Сольватное число: число мол-л ра-теля, приходящееся на один ион, которые остаются связанными с ионом настольно долго, что могут двигаться вместе с ионом Как правило, сольватация возрастает с увеличением полярности растворителя. Полярность измеряют через диэлектрическую проницаемость ( ) и дипольный момент ( )

Диэлектрическая проницаемость ( ) и дипольный момент ( ) растворителей Ра-тель При 25 о С вода этиленгликоль метанол этанол AcOH пропанол MeNO MeCN ДМСО сульфолан Трет-бутанол ДМФА ацетон PhNO PhCN дихлорэтан

В реальных процессах сольватированы все участники реакции. Вопрос в том, кто из них сольватирован в большей степени ? Ответ может дать качественная теория влияния растворителей (теория Хьюза- Ингольда). Реакции, при которых в переходном состоянии возникают заряды или уже имеющиеся в реагентах заряды концентрируются в меньшем объеме, ускоряются с повышением полярности растворителя. Если ионные заряды реагентов нейтрализуются в переходном состоянии или распределяются в большем объеме, то такие реакции замедляются с увеличением полярности растворителя. Постулат: энергия сольватации выше для ионов, чем для нейтральных молекул; энергия сольватации возрастает с уменьшением размеров молекул и ионов.

Влияние увеличения полярности растворителей на скорости S N реакций Механизм РеагентыПереходное состояние Изменение заряда в переходном состоянии Изменение скорости с возрастанием полярности а) S N 1 R-XR + ……X - Разделение зарядов увеличение б) S N 1 R-X+R-X+ R + ……X + Распределение заряда в большем объеме уменьшение в) S N 2 Y: + R-XY - …….R…..X - Разделение зарядов увеличение г) S N 2 Y: - + R-XY - …….R…..X - Распределение заряда в большем объеме уменьшение д) S N 2 Y: + R-X + Y + …….R…..X + Распределение заряда в большем объеме уменьшение е) S N 2 Y: - + R-X + Y - …….R…..X + Нейтрализация зарядов уменьшение

Сравнительный факторSN1SN1SN2SN2 Кинетикаk × [RX]k × [RX] × [Y] Стереохимический результат рацемизацияинверсия Влияние структуры субстрата на скорость реакции CH 3 -Хреакция не идёт очень хорошо R-CH 2 -Xреакция не идёт хорошо R 2 CH-Xреакция идёт R 3 C-Xочень хорошо реакция не идёт R-CH=CH-CH 2 -Xреакция идёт хорошо С 6 H 5 -CH 2 -Xреакция идёт хорошо R-CO-CH 2 -Xреакция не идёт отлично R-O-CH 2 -Xотличнохорошо R 2 N-CH 2 -Xотличнохорошо

1,2-Элиминирование (Механизмы Е1 и Е2) Если XY: HOH дегидратация HHal дегидрогалогенирование Н Нейтральная молекула расщепление ониевых солей Уходящая группа 12

Механизм Е1 (мономолекулярное элиминирование) Лимитирующая стадия – образование карбкатиона Возможны перегруппировки карбкатиона Скорость реакции = k [RX]

Механизм Е2 (бимолекулярное элиминирование) Скорость реакции = k [RX] [В] Стереоэлектронные ограничения Е2: Связи, разрывающиеся в активированном комплексе Е2 должны быть в транс-положении по отношению друг к другу

Реакции замещения и элиминирования являются конкурирующими (SN1/E1 и SN2/E2), поскольку протекают через одно и то же переходное состояние

«Хорошие» и «плохие» уходящие группы X – уходящие группы. Зависят ли скорости этих реакций от природы X ?

Уходящая группа отщепляется тем легче, чем стабильней она как свободная молекула или ион. Обычно это находится в обратной зависимости от основности, поэтому наилучшие уходящие группы – это самые слабые основания (сильная кислот – слабое основание). Хорошие уходящие группы называют «нуклеофугами» Хорошие уходящие группы (Нуклеофуги) Слабые основания Плохие уходящие группы Сильные основания R-Hal Hal - Hal = I -, Br - R-Hal Hal - Hal = F - (Сила кислот: HI > HBr > HCl > HF) R-O + H 2 H 2 OR-OH HO - R'-OCOR RCOO - R-N + R 3 ' NR 3 'R-NH 2 NH 2 - R-H H: - - гидрид ион, самая плохая уходящая группа. Очень неустойчив и в свободном виде не существует. Какая кислота отвечает этому основанию ?

Лучшие из уходящих групп (хорошие нуклеофуги): CH 3 SO 2 O - (OMs), CF 3 SO 2 O - (TfO), p-CH 3 C 6 H 4 SO 2 O - (TsO), ClO 4 -, N 2 k2 >> k1

Реакции нуклеофильного замещения в ароматическом ряду Типичные реакции нуклеофильного замещения арилгалогенидов Получение фенолов Получение ароматических простых эфиров Получение замещенных аминов Получение ароматических сульфидов X= F, Cl, Br, I X H

Механизмы нуклеофильного ароматического замещения Реакции нуклеофильного ароматического замещения ускоряются электроноакцепторными заместителями !

S N Ar механизм Промежуточный комплекс (комплекс Мейзенгеймера) (стабилизируется электроноакцепторными группами) В каких положениях должна находиться нитро-группа (о-, м-, п-), чтобы стабилизировать промежуточный комплекс и ускорять S N Ar реакции ?

Ариновый (бензиновый) механизм Как доказать ? Этот механизм характерен для галиодаренов, не имеющих электроноакцепторных заместителей