Реакции замещения ОН - группы спиртов

Гидроксильная группа спиртов может быть замещена на галоген с образованием галогенпроизводных (1,3) или на алкоксильную группу с образованием простых эфиров(2):

Механизмы реакций нуклеофильного замещения.

Указанные выше реакции протекают по механизму реакции нуклеофильного замещения. Реакции нуклеофильного замещения характерны для спиртов, галогенпроизводных, тиолов и аминов алифатического ряда, в которых sp³- гибридизованный атом углерода связан σ – связью с гетероатомом функциональной группы. Во всех этих соединениях за счет полярности связи С sp3 -> X на атоме углерода появляется + d заряд, который подвергается атаке нуклеофилом. Образование новой связи C-Y происходит за счет пары электронов нуклеофильного агента. Такому условию удовлетворяют как анионы, так и нейтральные молекулы, имеющие неподеленную пару электронов у гетероатома (вода,спирты,аммиак,амины и др.)

Общая схема реакции нуклеофильного замещения:

нуклеофил Субстрат продукт уходящая группа

реакции

Нуклеофильное замещение протекает по двум основным механизмам: мономолекулярному(S _N 1) и бимолекулярному(S_N2).

При мономолекулярном механизме реакция идет постадийно: сначала происходит медленная ионизация связи углерод -гетероатом в субстрате до диссоциации этой связи с образованием карбкатиона. Последний подвергается быстрой атаке нуклеофила. Рассмотрим конкретный пример S_N1 реакции на примере получения трет-бутилбромида из трет-бутилового спирта. Трет-бутиловый спирт быстро реагирует с концентрированной бромистоводородной кислотой, образуя трет-бутилбромид по схеме:

Первой стадией реакции является протонирование спирта кислотой, Это кислотно-основная реакция,в которой спирт выступает в качестве основания.

На следующей стадии в протонированном трет-бутиловом спирте происходит разрыв связи углерод-кислород вследствие ионизации. Оксониевый кислород оттягивает на себя пару электронов этой связи, в результате чего образуется достаточно устойчивый трет-бутилкатион и вода. Это медленная стадия реакции.

медленно

трет.бутил.катион

На последней стадии реакции анион брома атакует трет-бутил-катион с образованием трет-бутилбромида. На этой стадии бром-анион является нуклеофилом, поскольку он отдает пару электронов атому углерода.

быстро

В ходе последней стадии атом, несущий положительный заряд, претерпевает изменение гибридизации. В катионе атом углерода находился в состоянии sp² - гибридизации, в конечном продукте - в состоянии sp³- гибридизации. Теперь можно составить полную схему этой реакции

Механизм:

Скорость реакции S_N1 v = k | субстрат| определяется самой медленной стадией, в которой участвует одно соединение (в вышерассмотренной реакции субстратом был трет-бутиловый спирт), изменение концентрации нуклеофильного агента практически не сказывается на суммарной скорости мономолекулярного замещения S_N1. Как уже было сказано выше, лимитирующей стадией в реакции S_N1 является образование карбкатиона. Устойчивость последнего и будет определять направление реакции. На стабильность любой частицы, в том числе и карбкатиона, влияют электронные и стерические факторы. Карбкатион тем устойчивее, чем больше находится при нем заместителей, обладающих + I эффектом, в этом же направлении работают стерические факторы (переход от гибридизации sp³ исходного состояния к sp²гибридизации в карбкатионе). Еще большее влияние на устойчивость карбкатиона оказывает +М эффект заместителей, поэтому бензил-катион - и аллил-катион являются еще более устойчивыми частицами по сравнению с алкил-катионами. Стабильность бензил- и аллилкатионов объяснется возможностью стабилизации их за счет делокализации положительного заряда на карбкатионе взаимодействием с соседней p-системой:

C₆H₅CH₂⁺ > CH₂= C H - CH₂⁺ > (CH₃)₃C⁺ > (CH₃) ₂CH⁺ > CH₃CH₂⁺ > CH₃⁺

Для определения конечного продукта реакции нуклеофильного замещения важное значение имеет знание стереохимического аспекта реакции. Геометрия промежуточного соединения – карбкатиона - такова, что атом углерода имеет плоское строение (sp²-гибридизация) и скорость взаимодействия такого катиона с нуклеофилом не зависит от того, с какой стороны плоскости происходит атака. Следовательно, в результате реакции образуется эквимолекулярная смесь энантиомеров, а исходное оптически активное соединение, подвергаясь реакции S_N1, должно давать рацемический продукт. Одним из характерных примеров образования рацемата из оптически активного исходного соединения является реакция

(+) 3-метил-3-октанола с бромистоводородной кислотой с образованием (+-) 3-бром-3-метилоктанола:

3-метил-3-октанол 3-бром-3-метилоктан

Реакция S_N2 характерна для первичных субстратов, скорость реакции v= k| Nu| |субстрат| пропорциональна концентрации обоих веществ (нуклеофила и субстрата). Рассмотрим реакцию взаимодействия этанола с бромистоводородной кислотой:

C₂H₅- OH + HBr C₂H₅Br + H₂O

В отличие от реакции S_N1 эта реакция осуществляется синхронно с образованием переходного состояния, в котором атака нуклеофила и отщепление уходящей группы происходит одновременно без промежуточного образования карбкатиона. Входящий нуклеофил подходит к молекуле со стороны, противоположной уходящей группе. В переходном состоянии разрыв связи С-Х происходит по мере образования новой связи. Этот процесс можно представить следующей схемой:

переходное состояние

Нуклеофильный агент подходит к реагирующей молекуле с тыла, и, если реакционный центр в субстрате содержит хиральный атом углерода, то реакция происходит с обращением конфигурации, т.е. если молекула была оптически активна, то продукт реакции также оптически активен, но конфигурация хирального центра изменилась на противоположную. Тенденция субстрата вступать в реакции S_N2 зависит от природы субстрата и силы нуклеофила. Обсудим оба эти фактора. Нуклеофил атакует наиболее электроположительный участок поляризованной ковалентной связи субстрата. Поэтому реакционная способность уменьшается в ряду R= метил > вторичный>третичный алкил. В этой же последовательности уменьшается величина положительного заряда на атоме углерода, подвергающегося нуклеофильной атаке:

+δ>+δ’>+δ”>+δ’’’

CH₃^+d-X > CH₃CH₂ ^+d’-X > (CH₃)₂ CH^+d’’-X > (CH₃)₃C^+d”’X

Эта закономерность объясняется влиянием электронных эффектов заместителей. В том же направлении работают и стерические факторы, так как объемные заместители вокруг атома углерода затрудняют подход нуклеофила. На скорость реакции нуклеофильного замещения S_N2 оказывает влияние сила нуклеофила. Чем больше электроотрицательность атакующего атома, тем легче он атакует положительный участок поляризованной связи углерод - уходящая группа. Поэтому анионы являются более сильными нуклеофилами, чем сопряженные им кислоты.

SH^- > H-SH; RO^- > R-OH; Cl ^- > H- Cl

При движении сверху вниз в группе периодической системы элементов размеры атомов увеличиваются. Например относительные размеры атомов галогенов изменяются в следующем порядке:I > Br >Cl >F. В протонном растворителе нуклеофильность аниона обычно тем больше, чем больше размер аниона. Поэтому нуклеофильность атома в группе периодической системы элементов повышается при движении сверху вниз.

Общий порядок реакционной способности нуклеофилов в протонных растворителях следующий:

HS^-, RS^-> I^-> Br^- > RO^-> Cl^- > CH3CОO^-> NO₂- О^-

меркаптид > иодид>бромид>алкоксид>хлорид> ацетат> нитрат

В реакции нуклеофильного замещения фактически один нуклеофил (атакующая частица) заменяет другой, называемый уходящей группой. Наилучшие уходящие группы обычно являются слабыми основаниями. Плохие уходящие группы - сильные основания. К их числу относятся, например, OH^-, NH₂^-, RO^-,CH3^-, H^- и др

Гидроксид-ион является более сильным основанием, чем вода; последняя является лучшей уходящей группой, чем гидроксид-ион. Наилучшие уходящие группы- сульфонаты, производные серной кислоты, обладают слабыми основными свойствами.

Многие процессы замещения протекают в живых организмах. В то время, как в лабораторных условиях в качестве уходящих групп используют галогениды и производные серной кислоты, в организме человека реакции замещения протекают с другими уходящими группами. Среди наиболее часто встречающихся в живых организмах уходящих групп - фосфатная группа

- ОР(О)(OH)₂. Например, гидролиз эфира фосфорной кислоты:

Подводя итоги рассмотрения механизмов реакции нуклеофильного замещения, можно сделать следующие выводы. Первичные соединения алифатического ряда реагируют преимущественно по S_N2 механизму, а третичные - по S_N1 механизму. Вторичные соединения могут реагировать по любому механизму в зависимости от природы нуклеофила, уходящей группы и растворителя. Высокая концентрация сильного нуклеофила способствует S_N2 -механизму, а полярный растворитель - механизму S_N1, поскольку сольватация стабилизирует промежуточные карбкатионы.

Все рассуждения о механизмах реакций нуклеофильного замещения касались соединений с атомом углерода в sp³- гибридизации.

Арильные и винильные соединения вступают в реакции нуклеофильного замещения в очень жестких условиях.

Дата добавления: 2014-12-27