🗊Презентация Нуклеофильное замещение галогена и других функциональных групп

НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ ГАЛОГЕНА И ДРУГИХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ГРУПП 1.Нуклеофильное замещение галогена в молекуле органического соединения (Механизмы SN1, SN2, SNAr, SNEA ) 2.Нуклеофильное замещение гидроксильной группы (Механизмы SN1, SN2, SNAr, SNi ) 3.Нуклеофильное замещение сульфогруппы в аренах (Механизм SNAr)

Механизм SN1 (мономолекулярный) включает две стадии: диссоциация алкилгалогенида на ионы и взаимодействие катиона с нуклеофилом; во многих случаях, алкилгалогенид диссоциирует с последовательным образованием: - контактной ионной пары (а), - сольватно-разделенной ионной пары (b) сольватированных ионов (с). Каждый из продуктов диссоциации может взаимодействовать с реагентом.

Стереоизомерия SN1 - реакций Нуклеофильная атака ионной пары (а) приводит к обращению конфигурации (асимметрия углерода в значительной мере сохраняется). ионной пары (б) - к преимущественному обращению конфигурации, одна сторона катиона экранируется сольватированным галогенид-ионом, но селективность снижается, и рацемизация увеличивается. свободного катиона (с) - полная рацемизация. Однако полная рацемизация обычно не наблюдается (рацемизация составляет от 5 до 20 %), процесс завершается до появления в реакционной массе значительного количества сольватированного катиона.

Скорость SN1 - реакций Лимитирующая стадия - образование карбокатиона Стабильность катиона определяет реакционную способность галогенида, поэтому Скорость процесса зависит от концентрации алкилгалогенида и не зависит от концентрации нуклеофила. Побочные реакции карбокатиона : изомеризация углеродной цепи, элиминирование (EI) и др.:

Механизм SN2 — одностадийное синхронное (бимолекулярное) замещение : Нуклеофил Nu– атакует субстрат «с тыла» с образованием переходного состояния. При этом атом углерода изменяет sp3-гибридизацию на sp2-. Одна доля р-орбитали перекрывается с нуклеофилом, а вторая — с уходящей группой. Связь С–Nu образуется одновременно с разрывом связи С–Y, поэтому реакция всегда сопровождается обращением конфигурации. Побочная реакция - элиминирования Е2. Скорость реакции зависит: от пространственных факторов, величины положительного заряда на атоме углерода субстрата, силы нуклеофила и в кинетической области от концентрации как нуклеофила, так и алкилгалогенида.

Механизм SNAr (присоединение-отщепление) обычно реализуется в аренах при наличии электроноакцепторных заместителей (А), которые создают частичный положительный заряд (d+) в положениях 2, 4, 6 бензольного цикла и направляют туда нуклеофил, а также стабилизируют s-комплекс.

Особенности механизма SNAr (присоединение-отщепление) В отличие от механизма SN2 в алкилгалогенидах, в аренах новая связь с нуклеофилом образуется раньше, чем отщепляется уходящая группа. Реакция включает 2 стадии: присоединения нуклеофила с образованием s-комплекса и отщепления галогенид-иона с регенерацией ароматичности цикла. Первая стадия, а, следовательно, стабильность -комплекса, обычно определяет скорость всей реакции.

Стабильность -комплекса в реакции SNAr Чем равномернее распределяется электронное облако s-комплекса, тем он устойчивее и тем легче замещается галоген. Нитрогруппа принимает участие в распределении электронного облака -комплекса, при этом структура (г) — наиболее устойчивая и напоминает анион ациформы нитросоединения. Существование таких -комплексов доказано экспериментально.

Механизм SNEA (отщепления-присоединения) Хлор за счет индукционного эффекта создает на атомах водорода в орто- положениях бензольного кольца наибольший заряд d+. Нуклеофил атакует эти положения и отщепляет хорошо уходящую группу – протон. Образовавшийся отрицательный заряд в кольце нуклеофильно вытесняет хлорид-анион, образуя дегидробензол. Нуклеофил присоединяется по тройной связи к обоим атомам углерода в равной степени.

Доказательство механизма SNEA (отщепления-присоединения) Образование дегидробензола доказано как физико-химическими, так и чисто химическими методами. Так, при действии амальгамы лития на 1-фтор-2-бромбензол в присутствии диенофилов (циклопентадиена и фурана) образующийся 1,2-дегидробензол вступает с ними в реакцию Дильса-Альдера:

Влияние строения алифатического субстрата на механизм замещения галогена Увеличение разветвленности радикала создаёт стерические препятствия для прямой нуклеофильной атаки и увеличивает стабильность промежуточного карбкатиона, поэтому при переходе от первичного алкилгалогенида к третичному в одних и тех же условиях механизм реакции изменяется от бимолекулярного до мономолекулярного. Этот процесс не является резким и зависит от ряда конкретных условий. Принципиально возможно протекание реакции по двум механизмам одновременно.

Влияние аллил- и бензилгалогенидов на механизм замещения галогена Первичные аллил- и бензилгалогениды (тем более разветвленные радикалы) образуют очень устойчивые карбокатионы, и легко реагируют как по SN1, так и по SN2 механизму. Однако, преимущественно реализуется SN1-механизм. При этом возможна аллильная перегруппировка. Если для первичных аллилгалогенидов создать условия для SN2 механизма, она не имеет место:

Влияние строения ароматического субстрата на механизм замещения галогена электроноакцепторные заместители в орто-, пара-положениях способствуют замещению галогена по механизму SNAr (через присоединение-отщепление); электронодонорные — направляют реакцию по механизму SNEA (отщепления-присоединения), через дегидробензол.

Влияние строения алифатического субстрата на скорость SN1 реакции - Скорость SN1 реакции алкилгалогенидов возрастает по мере увеличения устойчивости карбкатиона в ряду от метилгалогенида к первичному, вторичному, третичному, аллильному и бензильному - Находящиеся в α-положении к реакционному центру предельные, фенильные и винильные радикалы, а также атомы, имеющие неподеленную пару электронов, способствуют распределению электронного облака частицы, стабилизируют катион и ускоряют реакцию.

Влияние строения алифатического субстрата на скорость SN2 реакции Скорость SN2 реакции алкилгалогенидов возрастает в прямо противоположном направлении, наблюдаемом при SN1 замещении, если не учитывать наибольшую активность первичных аллил- и бензилгалогенидов. Метильные и первичные галогениды реагируют очень гладко, вторичные — значительно хуже, а третичные часто не реагируют вообще, что объясняется, в основном, пространственными препятствиями для атаки нуклеофила, которые играют в SN2 замещении важную роль.

Влияние строения ароматического субстрата на скорость замещения галогена Электроноакцепторные заместители в орто-, пара-положениях существенно облегчают реакцию, электронодонорные — затрудняют. Пространственные факторы не являются определяющими. Тринитрогалогенбензолы реагируют с водой, как хлорангидрид кислоты; хлорнитробензоле со щелочью при 150 °С, а хлорбензол со щелочью лишь при 350 °С и давлении, по другому механизму.

Влияние галогена на реакционную способность галогенидов - Галоген является уходящей группой и акцептором электронов. Способность галогена «уходить» уменьшается (снижается стабильность аниона), а электроноакцепторные свойства, наоборот, увеличивается в ряду:

Влияние нуклеофила на реакцию чем выше нуклеофильность (активность) реагента, тем вероятнее механизм SN2, слабые нуклеофилы способствуют протеканию реакции по механизму SN1; при повышении активности нуклеофила скорость реакций SN2, SNAr и SNEA увеличивается, а SN1 — не меняется; при увеличении силы нуклеофила возрастает вероятность побочных реакций (например, реакции элиминирования), особенно в реакциях, реализующих механизм SN1. На практике часто приходится сравнивать нуклеофильность частиц, но она зависит от многих факторов и невозможно построить некий постоянный ряд их активности. Так, в протонных растворителях нуклеофильность анионов Hlg– увеличивается от фторида к иодиду, а в апротонных — наоборот.

Влияние растворителя на нуклеофильное замещение - столь велико, что часто определяет механизм реакции. Полярные протонные растворители (вода, спирты, аммиак, карбоновые кислоты) способствуют SN1 механизму, т.к. они сольватируют и ускоряют диссоциацию алкилгалогенида и стабилизируют ионы. С увеличением полярности и кислотности растворителя скорость SN1 реакции увеличивается. Многие процессы, протекающие в апротонных растворителях по SN2 механизму, в растворах минеральных кислот идут по SN1 механизму. Апротонные нуклеофильные растворители (ацетон, ацетонитрил, диметилсульфоксид и др.), сольватируют главным образом катион и способствуют SN2 механизму. Они не содействуют диссоциации галогенида, но отсутствие сольватации увеличивает активность нуклеофила.

Выбор растворителя для SN2 реакции Необходимо учитывать: распределение зарядов в переходном состоянии. Если оно полярнее исходных реагентов, повышение полярности растворителя увеличивает скорость реакции, и наоборот (теория Хьюза - Ингольда):

Использование катализаторов Катализаторами SN1 реакций являются кислоты Льюиса и ион серебра, которые стабилизируют анионы. Катион стабилизируется растворителем. Для SN2 реакций используют межфазный катализ. Создают органическую и водную фазы. Для переноса нуклеофилов к субстрату используются межфазные катализаторы. При переходе в органическую фазу, где и происходит реакция, нуклеофил теряет гидратную оболочку и приобретает высокую реакционную способность.

Нуклеофильное замещение гидроксильной группы Замещение гидроксила, так же, как и галогена идет : у sp3-гибридного атома углерода (спиртах) обычно по SN1 и SN2 механизмам, иногда возможен и SNi (в неполярной среде с SOCl2 , в полярной - SN2) у sp2-гибридного (в фенолах) — по механизму SNAr (присоединения-отщепления) и значительно труднее, чем у sp3-гибридного. Гидроксил - очень плохая уходящая группа. Для замещения его на нуклеофил, необходимо превратить в хорошо уходящую группу. Для этого гидроксил протонируют и проводят реакцию в сильно кислой среде, либо превращают в эфиры кислот.

Нуклеофильное замещение сульфогруппы При 200—350 °С щелочные соли аренсульфокислот могут быть превращены в фенолы, амины, гидразины, тиолы, карбоновые кислоты или нитрилы. В промышленности реакция используется для получения фенолов. Механизм реакции нуклеофильное замещение SNAr. Реакционная способность зависит от устойчивости s-комплекса: электронодонорные заместители затрудняют реакцию щелочного плавления, а электроноакцепторные — облегчают.

Самостоятельно Гидролиз галогенидов Получение простых эфиров Получение тиоспиртов, тиоэфиров Получение аминов Получение цианидов Получение сульфокислот

Процессы гидролиза галогенидов используется редко. Механизм - SN1 , SN2 и SNAr. Реагенты: а)вода (для гидролиза активных аллил- и бензилхлоридов галогенидов ); б) водные кислоты (когда кислота активирует субстрат); в) водные растворы щелочей или гидроксид серебра – основной реагент. Продукты: спирты, фенолы (моногалогениды), альдегиды и кетоны (дигалогениды), кислоты и фосген (полигалогениды):

Получение простых эфиров встречается значительно чаще, чем гидролиз. Механизм: SN2 и SNAr. Арилгалогениды – активированные, или катализатор - соли меди (I), Реагенты: алкоголяты (феноляты, лучше ArOCu) или спирт в присутствии щелочи

Синтез тиоспиртов и тиоэфиров Субстраты: алкил и арилгалогениды. Реагенты: гидросульфид-, сульфид- и алкил(арил)тио-ионы; мочевина.

Замена атома галогена на аминогруппы Особенность реакции первичных, вторичных и третичных алкиламинов с аммиаком и аминами (механизм, условия реакции, полиалкилирование, выход, побочные реакции). Селективные методы получения аминов (из сульфамидов, реакция Габриэля, из азометинов). Особенности реакций неактивированных галогенаренов с аммиаком и аминами (механизм, условия реакции, катализаторы) Особенности реакций активированных галогенаренах с аммиаком и аминами (механизм, условия реакции, катализаторы)

Замена атома галогена на цианогруппу Значение реакции, механизм, особенность нуклеофила, выход и побочные реакции. Особенности реакции с арилгалогенидами

Замена атома галогена на группу -SO3Na Реагенты в реакции Штреккера - сульфиты калия и натрия Механизм реакции SN2 или SNAr, поэтому в случае использования первичных алкилгалогенидов выходы сульфокислот составляют 70—90 %, вторичных— 20—25 %. Третичные алкилгалогениды превращаются в олефины.