НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ ГАЛОГЕНА И ДРУГИХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ГРУПП
Механизм SN1 (мономолекулярный)
Стереоизомерия SN1 - реакций
Скорость SN1 - реакций
Механизм SN2 — одностадийное синхронное (бимолекулярное) замещение :
Механизм SNAr (присоединение-отщепление)
Особенности механизма SNAr (присоединение-отщепление)
Стабильность -комплекса в реакции SNAr
Механизм SNEA (отщепления-присоединения)
Доказательство механизма SNEA (отщепления-присоединения)
Влияние строения алифатического субстрата на механизм замещения галогена
Влияние аллил- и бензилгалогенидов на механизм замещения галогена
Влияние строения ароматического субстрата на механизм замещения галогена
Влияние строения алифатического субстрата на скорость SN1 реакции
Влияние строения алифатического субстрата на скорость SN2 реакции
Влияние строения ароматического субстрата на скорость замещения галогена
Влияние галогена на реакционную способность галогенидов
Влияние нуклеофила на реакцию
Влияние растворителя на нуклеофильное замещение
Выбор растворителя для SN2 реакции
Использование катализаторов
Нуклеофильное замещение гидроксильной группы
Нуклеофильное замещение сульфогруппы
Самостоятельно
Процессы гидролиза галогенидов
Получение простых эфиров
Синтез тиоспиртов и тиоэфиров
Замена атома галогена на аминогруппы
Замена атома галогена на цианогруппу
Замена атома галогена на группу -SO3Na
385.27K
Категория: ХимияХимия

Нуклеофильное замещение галогена и других функциональных групп

1. 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)

2. Механизм SN1 (мономолекулярный)

МЕХАНИЗМ SN1 (мономолекулярный)
C X
a

C+X
b


+
Х

–Х
+
Nu
C Nu + Nu
C
c
• 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.
2

3. Стереоизомерия SN1 - реакций

C X
a
+ –
C X
b


+
Х

–Х
+
Nu
C Nu + Nu
C
c
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.
3

4. Скорость SN1 - реакций

СКОРОСТЬ SN1 - реакций
+ –
C X
C X
a
b


+
Х

+
Nu
C Nu + Nu
–Х
C
c
• 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.:
CH3
CH3
CH3
+
CH3CCH2
CH3
CH3CCH2CH3
+
+
–H
CH3C=CHCH3

5. Механизм SN2 — одностадийное синхронное (бимолекулярное) замещение :

МЕХАНИЗМ SN2 — одностадийное синхронное
(бимолекулярное) замещение :
+

Nu +

C Y


Nu...C...Y
Nu
C

+Y
• 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.
5

6. Механизм SNAr (присоединение-отщепление)

Механизм SNAr (присоединениеотщепление)
• обычно реализуется в аренах при наличии
электроноакцепторных заместителей (А), которые
создают частичный положительный заряд ( +) в
положениях 2, 4, 6 бензольного цикла и направляют туда
нуклеофил, а также стабилизируют s-комплекс.
Hlg
Nu
A
A
Nu
Nu–
стадия нуклеофильного
присоединения (AN)
Hlg
Hlg

Hlg
Nu
_

+ Hlg
стадия отщепления
(E)
A
s-комплекс
A
6

7. Особенности механизма SNAr (присоединение-отщепление)

Hlg
A
Nu
Nu–
стадия нуклеофильного
присоединения (AN)
Hlg
Nu
_

+ Hlg
стадия отщепления
(E)
A
s-комплекс
A
• 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 галогенидиона с регенерацией ароматичности цикла.
• Первая стадия, а, следовательно, стабильность sкомплекса, обычно определяет скорость всей
реакции.
7

8. Стабильность -комплекса в реакции SNAr

Стабильность s-комплекса в реакции SNAr
NO2
NO2
NO2
_
s-комплекс
Cl
Cl
Cl
Nu
Nu
Nu
а
O N O
Cl
б
O N O
Cl
Nu
в
Nu
г
• Чем равномернее распределяется электронное
облако s-комплекса, тем он устойчивее и тем легче
замещается галоген.
• Нитрогруппа принимает участие в распределении
электронного облака s-комплекса, при этом
структура (г) — наиболее устойчивая и напоминает
анион ациформы нитросоединения. Существование
таких s-комплексов доказано экспериментально.
8

9. Механизм SNEA (отщепления-присоединения)

+
+

CH3O
OCH3
CH3OH

– CH3O
Cl
Cl

CH3O
– CH3OH
H+
OCH3



– Cl

CH3O
или
CH3O
CH3OH

– CH3O
OCH3
OCH3
• Хлор за счет индукционного эффекта создает на атомах
водорода в орто- положениях бензольного кольца
наибольший заряд +. 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.
9

10. Доказательство механизма SNEA (отщепления-присоединения)

• Образование дегидробензола доказано как физикохимическими, так и чисто химическими методами.
• Так, при действии амальгамы лития на 1-фтор-2бромбензол
в
присутствии
диенофилов
(циклопентадиена и фурана) образующийся 1,2дегидробензол вступает с ними в реакцию ДильсаАльдера:
F
Li/Hg
– LiF, LiBr
Br
CH2
O
O
10

11. Влияние строения алифатического субстрата на механизм замещения галогена

R
CH3X
SN2
R–CH2X
SN2
R–CHX–R
SN2 и SN1
R–CX–R
SN1
R–CH=CHCH2X и PhCH2X
SN2 и SN1
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.
11

12. 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:
R
CH
CH
R CH
CH2Hlg
– R
– Hlg
CH
R
CH

CH CH2Hlg + Nu
CH
+
CH2

+
R
CH
CH

Nu
Nu
CH
CH2Nu
Nu...CH2...Hlg
CH CHR
R
CHNu

– Hlg
CH2
CH
CH2
Nu CH2
CH
CHR
12

13. Влияние строения ароматического субстрата на механизм замещения галогена

Hlg
Hlg
Hlg
A – электроноакцепторные группы;
D – электронодонорные группы
A
SNAr
SNEA
D
SNEA
• электроноакцепторные заместители в орто-, параположениях способствуют замещению галогена по
механизму SNAr (через присоединение-отщепление);
• электронодонорные — направляют реакцию по
механизму SNEA (отщепления-присоединения), через
дегидробензол.
13

14. Влияние строения алифатического субстрата на скорость SN1 реакции

Увеличение скорости SN1реакции
K
~
1
10
CH3
6
10
CH3
CH2=CHCH2Br CH3Br < CH3CH2Br < CH3CHBr < CH3CBr << CH2=CHCBr Ph
;
>>
>
>
>
и PhCH2Br
CH3
Увеличение скорости SN2реакции
CBr
- 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.
14

15. Влияние строения алифатического субстрата на скорость SN2 реакции

Увеличение скорости SN1реакции
K
~
1
10
CH3
6
10
CH3
CH2=CHCH2Br CH3Br < CH3CH2Br < CH3CHBr < CH3CBr << CH2=CHCBr Ph
;
>>
>
>
>
и PhCH2Br
CH3
Увеличение скорости SN2реакции
CBr
• 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.
15

16. Влияние строения ароматического субстрата на скорость замещения галогена

Cl
Cl
NO2
NO2
SNAr
Cl
NO2
NO2
>>
>>
NO2
SNAr
Cl
>>
NO2
SNAr
Cl
>
SNEA
CH3
SNEA
• Электроноакцепторные заместители в орто-, параположениях
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.
активирующая активность заместителей увеличивается
+
+
N N, > –NO2, –N(CH3)3 > –CN >
C O > –SO3H > –COOH >> –CH2OH
16

17. 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:
способность галогена
"уходить" увеличивается
I,
Br,
Cl,
F
электроноакцепторные свойства
увеличиваются
- В алкилгалогенидах большее значение имеет
способность
группы
уходить,
и
реакционная
способность их уменьшается в ряду: RI > RBr > RCl > RF.
- В галогенаренах величина положительного заряда
реакционного центра зависит не только от заместителей в
ядре, но и от электроотрицательности замещаемого
галогена. Поэтому их реакционная способность
возрастает в ряду ArI < ArBr < ArCl < ArF.
17

18. 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.
18

19. 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.
19

20. 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):
Nu + RHlg

Nu + RHlg
[Nu...R...Hlg]
– увеличение полярности растворителя
увеличивает скорость
[Nu...R...Hlg] – увеличение полярности растворителя
уменьшает скорость
• специфическую сольватацию нуклеофила, которая
уменьшает активность атакующей частицы.
• растворяющую
способность
растворителя
по
отношению к реагенту и субстрату. Применяют растворители,
которые проявляют липофильные и гидрофильные свойства
(метанол, ацетон, диоксан); их смеси с водой; диполярные,
апротонные диметилсульфоксид, диметилформамид.
20

21. 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.
+ –
+

R X + [Q Nu ]
+

+ –
Na Nu + [Q X ]
+ –
+

Na X + [Q Nu ]
+

+ –
R Nu + [Q X ]
органическая
фаза
водная фаза
• Замещение неактивированного галогена в аренах
катализируется медью или солями меди (I). Снижается
температура (~ на 100 °С), увеличивается селективность
процесса и выход продукта.
21

22. 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.
SOCl2
– HCl
не полярный
растворитель
C OH
C

O

S

Cl


O


O

C+
S

Cl


O

C Cl + SO2
22

23. Нуклеофильное замещение сульфогруппы

ArSO3Na + 2 NaOH
ArONa + Na2SO3 + H2O
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 sкомплекса: электронодонорные заместители затрудняют
реакцию щелочного
плавления, а электроноакцепторные



O
SO3
облегчают.



SO3
OH
SO
O
3
HO–
HO–
– H2O
2–
– SO3
Z
Z
ONa
ONa
SO3Na
2NaOH
2NaOH
- NaHSO3
o
230-290 C
- NaHSO3
o
310-340 C
SO3Na
Z
Z
SO3Na
ONa
23

24. Самостоятельно


Гидролиз галогенидов
Получение простых эфиров
Получение тиоспиртов, тиоэфиров
Получение аминов
Получение цианидов
Получение сульфокислот
24

25. 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):
RCH2OH + NaHlg (SN2)
RCH2Hlg + NaOH
O2N
Cl
NaOH
Ph2CCl2 + H2O
O2N
ONa
Ph2C=O + HCl (97-98%)
PhCCl3 + H2O
PhCOOH + HCl
CCl4 + H2O
COCl2 + HCl
25

26. 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
R(Ar)X + NaOR'(Ar')
O2N
R(Ar)-O-R'(Ar') + NaX (р.Вильямсона)
Cl
CH3OH
NaOH O2N
- H2O
KOH (25%)
O2N
Cl + HO
OCH3
ГДТМАХ,
выход 98%
OCH3
O2N
O
OCH3
26

27. Синтез тиоспиртов и тиоэфиров

• Субстраты: алкил и арилгалогениды.
• Реагенты: гидросульфид-, сульфид- и алкил(арил)тиоионы; мочевина.
R(Ar)X + NaSH
R(Ar)SH + NaX
R(Ar)X + NaSR'(Ar')
R(Ar)–S–R'(Ar') + NaX
NH2
PhCH2Cl + S
C
NH2
PhCH2
S C
NH2
NaOH
– NaCl, NH2CN,
H2O
ClCH2COONa + Na2S
+

Cl
NH2
PhCH2SH
S(CH2COONa)2
C2H5SNa
CH2 CHBr
– NaBr
CH2 CH S C2H5
27

28. Замена атома галогена на аминогруппы

RX
RX 2NH3 RNH2 RX, NH3 R2NH RX, NH3 R3N
R4N+XNH4X
NH4X
NH4X
R'X
R
ArNH2
RX
Ar NH R
Ar N
R'
– HX
– HX
• 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)
28

29. Замена атома галогена на цианогруппу

H2O
NaCN, EtOH
PhCH2Cl
– NaCl, 76–80 °C
PhCH2CN
R Hlg + –C N
[H]
PhCH2CONH2
PhCH2CH2NH2
R C N + Hlg– (SN2)
+
R N C– + Hlg– (SN1)
• Значение реакции, механизм, особенность нуклеофила,
выход и побочные реакции.
• Особенности реакции с арилгалогенидами
ClCH2CH2CH2Br
Cl
CH2Cl
C6H5Br
NaCN
выход 70 %
ClCH2CH2CH2CN
NaCN, водн. EtOH, кип.
– NaCl, выход 70 %
Cu2(CN)2
C6H5N, 200 °C
Cl
CH2CN
C6H5CN
29

30. Замена атома галогена на группу -SO3Na

BrCH2CH2Br + 2Na2SO3
O2N
Cl
NaO3SCH2CH2SO3Na + 2NaBr
K2SO3
O2N
KCl
SO3K
• 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.
30
English     Русский Правила