Post on 26-Jul-2020
Лекция 18Алифатическое нуклеофильное
замещение
Errando discimusМы учимся на ошибках
Реакции нуклеофильного замещения у насыщенного атома углеродав алкилгалогенидах, как метод создания связи углерод-углерод, углерод-азот, углерод-кислород, углерод-сера, углерод-фосфор(получение алкилгалогенидов, спиртов, тиолов, простых эфиров, нитросоединений, аминов, нитрилов, сложных эфиров и др.). Классификация механизмов реакций нуклеофильного замещения. Основные характеристики SN1, SN2 реакций. Энергетическийпрофиль реакций. Реакции SN2-типа. Кинетика, стереохимия, вальденовское обращение.Реакции SN1-типа. Кинетика, стереохимия, зависимость SN1 процесса от природы радикала, уходящей группы, растворителя. Карбокатионы, факторы, определяющие их устойчивость.Понятие о нуклеофильности. Факторы влияющие нануклеофильность, нуклеофильность и основность. α-Эффект. Влияние природы радикала и уходящей группы субстрата, природынуклеофильного агента и растворителя на скорость SN2 реакций. Принцип ЖМКО.Метод межфазного переноса и его использование в органическомсинтезе.
RO + R1Hal ROR + Hal
RS + R1Hal RSR + Hal
CN + R1Hal RCN + Hal
Hal + R1Hal' RHal + Hal'
ROH + RHal ROR + HHal
HOH + RHal ROH + HHal
Два механизма алифатического нуклеофильного замещения
PhS
Ph Cl
H H
Ph Cl
H H
PhSH Ph
H
Cl
PhS Ph
H H
PhS Ph
H H
Присоединение нуклеофила и отрывуходящей группы происходит одновременно
SN2 механизм бимолекулярный
SN1 механизм мономолекулярный
Сначала отщепляетсяуходящая группа
Далее присоединяетсянуклеофил
Nu: + Z Nu + Z
R
R
нуклеофуг -уходящая группа
Энергетический профиль SN1 замещения
Энергетический профиль SN2 замещения
К.Ингольд Э. Хьюз
Br
MeS IMe
OH
MeS Me + I
OH
v = k2[MeSNa][MeI]
скорость
концентрация MeI
v = k1[t-BuBr]
скорость
концентрация MeSNa
скорость
концентрация tBuBr
скорость
концентрация NaOH
скорость реакции не зависит от концентрации нуклеофила
медленно быстро
стадия 1: образование карбокатиона стадия 2: реакция карбокатиона
метил первичный вторичный третичный
Me XH H
XR
R
R X
HR
R X
Rструктура
тип
SN1 реакция ? не идёт не идёт да хорошо
SN2 реакция ? хорошо хорошо да не идёт
HO-
RCO2-
H2O
RSO2O- -7 (RSO2OH)
F
Cl
Br
I
O-нуклеофил pKa сопряжённой кислоты Скорость SN2 реакции
15.7 (H2O) быстро
приемлемо
медленно
медленно
~ 5 (RCO2H)
- 1.7 (H3O+)
Галоген X в MeX pKa сопряжённой кислоты HX Скорость реакции c NaOH
+ 3 очень медленно
средне
быстро
очень быстро
- 7
- 9
- 10
MeX + Nu- MeNu + X-
AcO- Cl- PhO- HO- PhS-
AcO- Cl- PhO- HO- PhS-
Скорость реакции (105k, s-1) нуклеофилов с PhCH2SPh2
Нуклеофил
Скорость 3.9 4.0 3.8 74 107
Относительные скорости реакции (H2O = 1) нуклеофилов с MeBr
Нуклеофил
Скорость 900 1100 2000 1.2*104 5*107
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
ClPh
0.07
0.12
2100
1.0
130000
7700
Скорость сольволиза в 50% водном этаноле
SN1, но плохо
SN1 прекрасно
SN1
SN1 аллильныйтретичный
SN1 бензильный
SN2
OH Br
OH Br
OH BrH
H
H Br
Br
Br
OH OH2
BrBr
H
H2O
Стадия 2: присоединение нуклеофила к карбокатиону
Стадия 1: образование карбокатиона
стабильные карбокатионы
бензиловыеспирты
аллиловыеспирты
третичныеспирты
Устойчивые карбокатионы
OH
+
OH
+
H
рассеченная конформация
Получение тритиловых эфиров
N
OPh
Ph Ph
R
HHO
R
OPh
Ph Ph
RRCH2OH
Ph
Ph PhCl
+Py
TrCl
Ph
Ph PhCl
CCl4
AlCl3Ph
Ph PhCl
Me3C =
MeOH
HMeO
H
H
MeMe
Me
H
H
Me2NH
H
Me2CH =
H
H
HMe
Me
Me2NH
H
Стабильные карбокатионы как интермедиаты в SN1 реакциях
Тип катиона
алкильныйпростой
третичный (хорошо)t-Bu катион
вторичный (не так хорошо)i-Pr катион
сопряжённый аллильный бензильный
стабилизированныйгетероатомом
кислородом(ион оксония)
азотом
Разные стереохимические результаты SN1 и SN2
OHH
SbF5
SO2ClF
H2O:
H2O:
H
HO H
HO H
H2O
HO H
HO H
S
R
OHH
(+)-(S)-втор-бутанол втор-бутил катион рацемическийвтор-бутанол
50%
50%
=
=
(+)-(S)-втор-бутанол
(-)-(R)-втор-бутанол
50%
50%
Вальденовское обращение конфигурации при SN2
O
O
OHH
SO O
OH
SO Cl
O N
Bu4N CH3CO2
DMF
H2O
SO O
OH
O
O H
HO H
(+)-(S)-втор-бутанолTsClпара-толуолсульфонилхлорид
пиридин
(+)-(S)-втор-бутилпара-толуол сульфонат
[(+)-(S)-втор-бутил тозилат]
оптически активныйвтор-бутил ацетат
SN2 реакция
(-)-(R)-втор-бутанол
SN1
OHH
OTsH
SbF5
SO2ClF
Bu4N AcO
DMF
SN2
H
HAcO
H2O
H2ONaOH
OHH
HHO
(+)-(S)-втор-бутанол втор-бутилкатион
рацемический(-+)-втор-бутанол
TsClпиридин
(-)-(R)-втор-бутанол
РАЦЕМИЗАЦИЯ
ИНВЕРСИЯ
XH
H
H
Nu Nu X(-) (-)
NuH
H+ X
H
реагенты переходное состояние продукты
П. Вальден (1895г.)
MeCl
Cl
Cl
Cl
OMe
Cl
O
Cl
Относительные скорости SN2 реакции алкил хлоридов с иодид ионом
Алкил хлорид Относительная скорость
200
0.02
79
200
920
100 000
наименее затруднённый алкил хлорид
вторичный алкил хлорид; медленно из-за стерических затруднений
аллил хлорид; π-сопряжение в переходном состоянии
бензил хлорид; π-сопряжение в переходном состоянии лучше чем в случае аллил хлорида
сопряжение со свободной электронной парой кислорода ускоряет реакцию
сопряжение с карбонильной группой более эффективно, α-карбонил галогениды наиболее реакционноспособные
RO
RO
Br
Br
O
Br SN2
OR
HN
ON
H
OR
ON
OR
Br
HH
OR
Br
HH
(-)
(-)
SN2 реакция аллил бромида
с π-аллильными электронами
стабилизацияпереходного состояниявследствие сопряжения
SN2 реакция бензил бромида
стабилизацияпереходного состояниявследствие сопряженияс бензольным кольцом
(-)
(-)
α-аминокетон
Cl
MeO
Cl
NO
O
SN2
MeO
Nu
NO
O
Nu
MeO
Nu
Бензил хлорид для которого характерен SN1 механизм
Бензил хлорид для которого характерен SN2 механизм
Nu
Структурные вариации для SN1 и SN2 реакций
Тип электрофильного атома углерода
метил (CH3-X)
SN2 реакцияSN1 реакция
первичный алкил (RCH2-X)
вторичный алкил (R2CH-X)
третичный алкил (R3С-X)
аллильный (CH2=CH-CH2-X)
бензильный (ArCH2-X)
α-карбонил (RCO-CH2-X)
α-алкокси (RO-CH2-X)
α-амино (R2N-CH2-X) отлично
отлично
отлично
хорошо
хорошо
не идёт
идёт
идёт
хорошо
хорошо
не идёт очень хорошо
хорошоне идёт
очень хорошо
идёт
не идёт
идёт
X
Br Br Br
1 107 1010
скорость нуклеофильного замещения
Влияние нуклеофила на протекание реакции
Нуклеофил X pKa HX Относительная скорость
I-
Br-
Cl-
F-
-10
-9-7+3
1.2*105
5.0*103
1.1*103
0
Относительные скорости (H2O = 1) реакции с MeBr в EtOH
Нуклеофильность - кинетическое понятие,Основность - термодинамическое понятие.
Нуклеофильность возрастает при переходе к аниону HO->H2Oвозрастает для нуклеофилов одной природы с увеличением основности HO->PhO->AcO->TsO-
возрастает в периоде CH3->NH2
->OH->F-
возрастает в группе I- >Br- >Cl- >F-
возрастает при уменьшении сольватацииα-эффект (NH2NH2, NH2OH, HOO-)
Уравнение Свена-Скотта n=lg(knu/kMeOH)
15,76,5НО -
15,76,3СН3O -
10,7C6H5Se --85,8Вr -
6,69,9C6H5S-9,95,8C6H5O -8,78,7(CH3CH2)3P4,725,8N3
-
11,67,8HOO -9,245,5NH3
-107,4I --5.25,3(CH3)2S-64,4Сl -
9,36,7CN -4,744,3СН3СОО-10,756,7(CH3CH2)3N3,452,7F -
7,96,6NH2NH2-1,61,5NO3-
5,86,6NH2OH-1,70,0СН3ОН
рKa сопряженной кислоты
nНуклеофилрKa
сопряженной кислоты
nНуклеофил