Основные теоретические положения

Электроотрицательные группы, присоединенные к углероду, способны в определенных условиях замещаться на другие атомы и группы. В общем виде такие процессы могут быть представлены схемами (1, 2). На первой показан процесс замещения у sp³-гибридизо­ванного (насыщенного) атома углерода:

(1)

на второй – у карбонильного sp²-гибридизованного:

(2)

Уходящие группы X уносят с собой электронную пару, с помощью которой они были связаны с углеродом, поэтому они отщепляются, как правило, в виде анионов. Однако если в субстрате группа X была заряжена положительно (например, в протонированном спирте Н₂О^Å–R), то она отщепляется в виде нейтральной молекулы (H₂O).

Частицы, обладающие подвижной парой электронов и способные атаковать положительно заряженный атом углерода, замещая находящиеся у него электроотрицательные группы X, называются нуклеофилами.

Нуклеофильная частица Y обязательно должна иметь подвижную, обычно неподеленную, электронную пару, которая необходима для образования новой ковалентной связи C-Y.

Реакции нуклеофильного замещения обозначаются символами S_N (от английского nucleophilic substitution).

Нуклеофилами являются: Н₂О:, НО:^─, RÖH, RO:^─, RCOO:^─, H₂S:, HS:^─, :SHR, :NH₃, :NH₂R, :NHR₂, F:^─, Cl:^─, Br:^─, I:^─, :CN^─, :NO₂^─ и т. д.

Как следует из приведенного списка, нуклеофилы часто (хотя и не всегда) являются отрицательно заряженными частицами. Все нуклеофилы – основания, однако нуклеофильность частицы и ее основность – не одно и то же. Под нуклеофильностью понимается способность взаимодействовать с положительно заряженным атомом углерода, а под основностью – с протоном. Поэтому увеличение нуклеофильности далеко не всегда сопровождается ростом основности. Так, бромид-анион Br^─ по своему нуклеофильному действию почти равноценен OH^─, но является по сравнению с ним несравнимо более слабым основанием.

Нуклеофильное замещение у sp³-гибридизованного атома углерода

В качестве уходящих групп в процессах, проходящих по схеме (1), чаще всего выступают галогены, фрагменты кислот
(-OSO₃H, ‑ONO₂), гидроксильная группа. Галогены по легкости замещения можно расположить в ряд:I > Br > Cl > > F.

В общем случае уходящая группа X замещается тем труднее, чем слабее выражены кислотные свойства HX. В случае спиртов (X = OH) гидроксид-анион – плохая уходящая группа, так как его сопряженной кислотой является вода H-OH – очень слабая кислота. Для осуществления нуклеофильного замещения спиртовой ОН-группы реакцию проводят в среде сильной кислоты (чаще всего – серной). В этих условиях гидроксильная группа спирта протонируется и превращается в хорошую уходящую группу Н₂О⁺ – (H₃O⁺ – сильная кислота):

ROH + H₂SO₄ ROH₂⁺ + HSO₄^- (3)

Спирты с серной кислотой образуют также сложные эфиры (алкилсер­ные кислоты):

(4)

алкилсерные кислоты

Можно видеть, что как в стадии (3), так и в стадии (4) образуются соединения с хорошими уходящими группами. Они и участвуют в дальнейших реакциях нуклеофильного замещения:

ROH₂⁺ + Br^- RBr + H₂O

ROSO₃H + Br^- RBr + HSO₄^-

Механизмы реакций нуклеофильного замещения разнообразны. При замещении у sp³-гибридизованного атома углерода наиболее характерны мономолекулярный S_N1:

и бимолекулярный S_N2 механизмы:

Цифры 1 и 2 в этих символах обозначают число частиц, взаимодействие которых приводит к переходному состоянию (состояние с максимальной величиной потенциальной энергии системы). Если процесс состоит из нескольких последовательных элементарных стадий, то молекулярность определяется самой медленной реакцией.

Можно видеть, что процесс S_N1 включает две элементарные реакции, причем медленная стадия представляет собой мономолекулярный разрыв связи С-Х. Переходное состояние S_N2-типа достигается при столкновении двух частиц (Y^- и R₃CX) , следовательно, этот процесс бимолекулярный.

Скорости реакций, проходящих по S_N1-механизму, зависят только от концентрации соединения RX:

v = k.c_RX

(v – скорость реакции, k – константа скорости, c_RX– концентрация субстрата), в то время как скорости S_N2-процессов увеличиваются прямо пропорционально концентрациям и субстрата, и нуклеофильного реагента (с_Y):

v = k.c_RX.с_Y

Молекулярность процессов нуклеофильного замещения (S_N1 или S_N2) зависит от многих факторов: природы субстрата, растворителя, активности нуклеофила.

Субстраты, способные образовывать относительно устойчивые карбокатионы в полярных растворителях (вода, серная кислота, муравьиная кислота и т. п.), реагируют по S_N1-механизму. К ним относятся соединения, в которых уходящие группы находятся у третичных углеродных атомов или у атомов в аллильном или бензильном положениях. Ниже представлено несколько примеров таких соединений:

	СН2=СН-СН2-Cl
трет-бутилхлорид,	хлористый аллил,	хлористый бензил.

В первичных галогеналканах (например, в CH₃CH₂CH₂Cl) замещение преимущественно проходит по механизму S_N2.

Вторичные алкилгалогениды типа бромистого изопропила CH₃CH(Br)CH₃ реагируют одновременно по обоим механизмам, часть молекул – по S_N1-, а часть – по S_N2- механизму.

Ускорение нуклеофильного замещения OH-группы в спиртах в присутствии сильных кислот обусловлено кислотным катализом. Реакции нуклеофильного замещения, катализируемые кислотами, также могут протекать по мономолекулярному и бимолекулярному механизмам. Мономолекулярный описывается схемой:

Последовательность элементарных реакций бимолекулярного замещения спиртовой гидроксильной группы имеет вид:

Реакции нуклеофильного замещения спиртов обратимы. Для того чтобы сместить равновесие в сторону алкилгалогенида в качестве реагента применяют газообразные галогеноводороды, либо реакцию проводят в среде серной кислоты, связывающей воду, например:

С₂H₅OH + HCl_(газ) С₂H₅Cl + H­₂O

Нуклеофильное замещение у sp²-гибридизованного
карбонильного углерода

Этот вид замещения имеет место при взаимодействиях:

а) карбоновых кислот со спиртами (реакции этерификации),

б) практически всех функциональных производных карбоновых кислот – сложных эфиров, ангидридов, галогенангидридов, амидов и т.п. – с водой (реакции гидролиза производных карбоновых кислот),

в) галогенангидридов и ангидридов карбоновых кислот с аммиаком, фенолами, и т. п. (реакции ацилирования соответствующих классов соединений).

Все эти взаимодействия в общем виде описываются схемой (2). Например, уравнение ацилирования анилина с помощью уксусного ангидрида (см. основную реакцию синтеза ацетанилида по методу А, стр. 63) получается из схемы (2) при R = CH₃, X = OCOCH₃, Y = C₆H₅NH₂.

Реакционная способность перечисленных соединений чрезвычайно сильно зависит от природы заместителя Х: чем выше электронодонорные свойства Х, тем ниже положительный заряд на карбонильном атоме углерода и тем медленнее протекает реакция. Например, хлорангидрид уксусной кислоты СН₃СО-Cl с водой реагирует едва ли не со взрывом, тогда как диметилацетамид СН₃CO-N(CH₃)₂ медленно гидролизуется лишь при кипячении с водными растворами кислот (серной, соляной и т.п.).

Карбоновые кислоты (RCO-OH), их сложные эфиры (RCO-OR¢) и амиды кислот (RCO-NH₂, RCO-NHR¢, RCO-NHR¢₂) характеризуются относительно низкой реакционной способностью, так как группы -OH, -OR, -NH₂, -NHR и -NR₂ сопряжены с соседней двойной связью С=О и проявляют электронодонорные свойства. Поэтому для этих соединений процессы нуклеофильного замещения у sp²-гибридизован­ного атома углерода осуществляют каталитически при содействии сильных кислот.

Роль кислоты и в этом случае заключается в протонировании карбонильного атома кислорода, имеющего следствием рост положительного заряда на соседнем углеродном атоме:

Далее происходит присоединение нуклеофила к карбонильному атому углерода с образованием промежуточного продукта (интермедиата):

интермедиат

Это лимитирующая, самая медленная стадия процесса. Таким образом, реакция замещения в целом классифицируется как бимолекулярная. Атакуемый атом углерода в процессе образования интермедиата изменяет свое валентное состояние от sp²- до sp³-, следовательно углы между s-связями, которые образует этот атом, уменьшаются от 120° до ~109° (заместителям вокруг этого атома становится “теснее”). Поэтому на скорость процессов нуклеофильного замещения у sp²-гибридизован­ного атома углерода значительное влияние оказывают величины объемов групп R, X и Y. Чем они больше, тем медленнее при прочих равных условиях лимитирующая стадия образования интермедиата и, следовательно, медленнее проходит весь процесс замещения.

Интермедиат неустойчив и быстро отщепляет либо HX, превращаясь таким образом в продукт замещения, либо HY, что возвращает его в начальное состояние.

Процесс завершается отщеплением Н⁺ от карбонильной группы:

Реакции нуклеофильного замещения у карбонильного атома, катализируемые сильными кислотами, обратимы. Важно отметить, что прямая и обратная реакции имеют одни и те же промежуточные соединения. Этот частный пример иллюстрирует общий для всех обратимых реакций принцип микроскопической обратимостихимических процессов. Ниже приведен пример, конкретизирующий данную схему и показывающий единый механизм обратимого процесса этерификации и гидролиза сложного эфира.

Гидролиз производных карбоновых кислот (сложных эфиров, амидов, ангидридов, галогенангидридов) проходит не только в кислой, но также и в щелочной среде при участии гидроксид-анионов. Естественно, карбоновые кислоты в щелочной среде образуются в виде карбоксилат-ионов RCOO^-, которые превращают в недиссоциированную форму RCOOH действием сильных кислот. Примером щелочного гидролиза производных карбоновых кислот может служить реакция расщепления ацетанилида:

ацетанилид или фениламид уксусной кислоты

ацетат натрия

анилин

Механизм щелочного гидролиза функциональных производных карбоновых кислот показан на следующей схеме:

Две первые реакции равновесны, однако третья в условиях избытка щелочи оказывается практически необратимой. Причиной этого является высокая устойчивость карбоксилатного иона, обусловленная делокализацией отрицательного заряда, в равной мере принадлежащего обоим атомам кислорода.

Более подробные сведения об особенностях протекания и механизмах нуклеофильных реакций замещения представлены в учебниках по органической химии, например, в [9].

Контрольные вопросы

1. Какие реагенты называются нуклеофильными? Приведите типичные примеры нуклеофильных реагентов.

2. Напишите уравнения типичных реакций нуклеофильного замещения алкилгалогенидов.

3. Изобразите схемы реакций нуклеофильного замещения алкилгалогенидов S_N1- и S_N2-типа.

4. В чем особенность реакций нуклеофильного замещения спиртов? Покажите механизм реакции превращения 1-пропанола в 1-бром­пропан.

5. Напишите уравнения реакций, иллюстрирующих механизм образования трет-бутилхлорида из трет-бутанола.

6. Какие производные карбоновых кислот вступают в реакции нуклеофильного замещения? Какое влияние оказывает природа заместителей на реакционную способность функциональных производных карбоновых кислот?

7. На примере хлористого бензоила С₆Н₅СОCl покажите основные типы нуклеофильных реакций замещения.

8. Изобразите механизм щелочного гидролиза бутилового эфира уксусной кислоты (бутилацетата) СН₃СООС₄Н₉.

9. Изобразите механизм кислотного гидролиза N,N-диметилфор­мамида.

Бромистый изопропил

Собирают установку, изображенную на рис. 10. В приемник наливают столько воды, чтобы конец алонжа касался ее поверхности. В колбу, которая будет служить реакционным сосудом, наливают 18 мл свежеперегнанного изопропилового спирта (см. примечание 1), 12 мл воды, а затем осторожно при размешивании и охлаждении 5 мл концентрированной серной кислоты.

Смесь охлаждают до 10 – 15 °С холодной водой и при перемешивании добавляют 17 г бромистого калия, тонко измельченного в ступке. Реакционную смесь нагревают на сетке. Пары бромистого изопропила вместе с некоторым количеством спирта, воды и диизопропилового эфира, образующегося в качестве побочного продукта, проходят через дефлегматор и конденсируются в холодильнике. При слишком энергичном нагревании в приемник может перейти также и часть НВr. Бромистый изопропил летуч, поэтому его собирают под слоем воды в сосуде, частично заполненном водой.

Нагрев смеси продолжают до тех пор, пока в приемник не перестанут поступать маслянистые капли, опускающиеся на дно. Температура паров на выходе из дефлегматора в конце реакции достигает 90 – 95 °С.

Рис. 9. Установка для получения бромистого изопропила

Содержимое приемника переносят в делительную воронку и как можно тщательнее отделяют нижний слой от воды, собирая его в сухую колбочку или стаканчик (см. примечание 2). Для удаления небольшого остатка воды, захваченного органическим слоем, его “осушают” с помощью безводного хлористого кальция. Через 20 – 30 мин после внесения безводного СаСl₂ жидкость над ним становится прозрачной, что указывает на почти полное связывание воды.

Для перегонки бромистого изопропила используют ту же установку, в которой проводили синтез. Колбу, дефлегматор и приемник перед перегонкой высушивают. Приемник взвешивают. Отделяют бромистый изопропил от твердого осадка СаCl₂ декантацией (сливанием через край) в перегонную колбу. Медленно перегоняют бромистый изопропил, отбирая фракцию с температурой кипения до 60 °С. Снова взвешивают приемник и по разности весов определяют массу полученного продукта. Измеряют его показатель преломления. Для чистого бромистого изопропила n_D²⁰ = 1,4251, Т_кип = 59 °С. Выход – 80 %.

Примечания:

1. Если использовать не свежеперегнанный изопропиловый спирт, то в ряде случаев реакционная смесь при нагревании начинает сильно пениться.

Изопропиловый спирт можно перегнать, используя установку, предназначенную для синтеза (рис. 10), только перегонную колбу следует нагревать не на сетке, а на водяной бане. Для перегонки следует взять 25 мл спирта. Первые 2 мл погона собирают в отдельный сосуд. Фракцию, перегоняющуюся при 80 – 81 °C, далее используют для проведения реакции. В перегонной колбе должно остаться 1 – 2 мл жидкости. Остаток соединяют с первой фракцией и сливают в специально предназначенный для этой цели сосуд. Если эту же колбу, из которой перегоняли спирт, предполагается использовать в качестве реакционного сосуда, то после проведения перегонки ее следует ополоснуть водой.

Следует иметь в виду и учитывать при расчетах то обстоятельство, что обычный изопропиловый спирт представляет собой азеотропную (т.е. нераздельнокипящую) смесь 2-пропанола (88,0 %) и воды (12 %). Температура кипения этого азеотропа (80,4 °C) ниже, чем чистого 2-пропанола (82 °С).

2. Полученный продукт содержит некоторое количество диизопропилового эфира (Т_кип 68 °С, n_D²⁰ 1,368). Его можно удалить путем обработки органического слоя, тщательно отделенного от воды, концентрированной серной кислотой. Для этого органический слой переливают снова в делительную воронку, добавляют 5 мл концентрированной серной кислоты и встряхивают содержимое воронки (не переворачивая ее и убедившись заранее, что кран воронки при встряхивании не вылетит). Диизопропиловый эфир при этом переходит в сернокислотный слой, который отделяют, а оставшийся в делительной воронке бромистый изопропил промывают водой. Продукт тщательно отделяют от воды, высушивают безводным хлористым кальцием и перегоняют.