Download
1 / 32

9. Механизмы реакций алифатического нуклеофильного замещения - PowerPoint PPT Presentation


  • 536 Views
  • Uploaded on

9. Механизмы реакций алифатического нуклеофильного замещения. S N 1 и S N 2. 9.1. Ионные пары и влияние растворителя 9.2. Карбокатионы и их перегруппировки 9.3. Нуклеофильность 9.4. Уходящие группы (нуклеофуги) 9.5. Стереохимия влияние пространственных факторов и соседних групп

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' 9. Механизмы реакций алифатического нуклеофильного замещения' - roary-diaz


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
9. Механизмы реакций алифатического нуклеофильного замещения

SN1 и SN2

9.1. Ионные пары и влияние растворителя

9.2. Карбокатионы и их перегруппировки

9.3. Нуклеофильность

9.4. Уходящие группы (нуклеофуги)

9.5. Стереохимия влияние пространственных факторов и соседних групп

9.6. Амбидентные нуклеофилы


9.1. Ионные пары и влияние растворителя

Общая схема процесса ионизации и диссоциации субстрата в растворителях

ионизация

диссоциация

тесная ионная

пара

диссоцииированные ионы

сольватно-

разделенная ионная

пара (рыхлая)

обращение конфигурации

обращение конфигурации,

сохранение конфигурации

рацемизация


Goering, H.L.; Levy, J.F. J.Am.Chem.Soc., 1964, 86, 120 растворителя

80%-ный водный ацетон

через тесную ионную пару

через рыхлую ионную пару

Оптически активный

рацемат

При 100оС k/krac = 2.3. Добавки постороннего нуклеофила N3- не влияют на k, но снижают krac.


Влияние увеличения полярности растворителей на скорости SNреакций


9.2. Карбокатионы и их перегруппировки

Количественная мера устойчивости pKR+

R+ + H2O

ROH + H+

pKR+ = log ([R+]/[ROH]) + HR (карбокатион и спирт присутствуют в равных концентрациях) (метод анализа – ЭС)

HR – функция кислотности среды. В разбавленных водных растворах HR ~ рН.


Существуют линейные зависимости между pKR+ и константами скоростей SN1 реакций


Для алкильных карбокатионов методы через определение величин pKR+ не подходят

Наилучший метод наблюдения алкильных катионов – суперкислотные среды, ЯМР и низкие температуры


Установлено, что третичные карбокатионы на ~ 10-15 ккал/моль стабильней вторичных


Перегруппировки карбокатионы на ~ 10-15 ккал/моль стабильней вторичных

1,2-гидридный сдвиг (аналогично алкильный сдвиг)


1,2-гидридный карбокатионы на ~ 10-15 ккал/моль стабильней вторичных

сдвиг

пентокоординационный

углерод


трансаннулярный гидридный сдвиг карбокатионы на ~ 10-15 ккал/моль стабильней вторичных


9.3. Нуклеофильность карбокатионы на ~ 10-15 ккал/моль стабильней вторичных


Количественная оценка нуклеофильности

N+ = lg k – lgk0

(Ritchi, P.O.I., Virtanen, J.Am.Chem.Soc., 1972, 94,4966)

N+ - параметр нуклеофильности; lg k – константа скорости реакции CH3Br или CH3I, или катионов (Ph3C+, ArN2+, тропилиевый катион и др.) с определенным нуклеофилом в данном растворителе; lgk0– константа скорости реакции того же субстрата в стандартной системе анион-растворитель (например HO-в H2O). Параметр N+ является собственной характеристикой системы нуклеофил-растворитель. Результаты похожи на боле старое уравнение Свена-Скотта (1953)


Параметры нуклеофильности различных систем


Уравнение Майра ( различных системMayr, H.; Platz, M. Angew.Chem.Int.Ed., 1994, 33,938)

lg k = s(N + E).

k - константа скорости 2-го порядка при 20оС реакции нуклеофилов с серией Ar2CH+ с различными параметрами электрофильности (Е) (Е = 0 для 4,4’-диметоксидифенил- метильного катиона); s - фактор чувствительности

E ~ 1.241 lg kw – 5.8; kw – конст. псевдопервого порядка для реакции Ar2CH+ с H2O при 20оС.

Объединенное уравнение Майра (Phan, T.B.; Breugst,M.; Mayr, H. Angew.Chem. Int.Ed., 2006, 45,3869)

lg k = sEsN(N + E); sE – параметр чувствительности электрофила; sN – параметр чувствительности нуклеофила. При sE = 1 (для карбокатионов) это ур-е эквивалентно оргигинальному уравнению Майра; при sE = 0.6 (для n-нуклеофилов). При sE = 1 и sN = 0.6 получается lg k = 0.6N + 0.6E, что эквивалентно ур-ю Ритчи.

Самая широкая сводка значений нуклеофильности и электрофильности есть в базе данных Майра (http://www.cup.uni-muenchen.de/oc/mayr/reaktionsdatenbank/)


Закономерности изменения силы нуклеофила (нуклеофильности)

  • Заряд – отрицательно заряженные частицы более сильные нуклеофилы, чем сходные по строению нейтральные молекулы (OH- > H2O, NH2- > NH3)

  • Для нуклеофилов, атакующие атомы которых находятся в одном периоде периодической системы, изменения нуклеофильности примерно совпадают с изменением основности (NH2- > RO- > OH- > R2NH > ArO- > NH3 > пиридин > F- > H2O > ClO4-; R3C- > R2N- > RO- > F-)

  • В группах периодической таблицы нуклеофильность возрастает сверху вниз I- > Br- > Cl- > F- в протонных растворителях, хотя основность в том же ряду падает. В апротонных биполярных растворителях нуклеофильность падает в обратном ряду ряду: Cl- > Br- > I-. В газовой фазе порядок сходный: HO- > F- ~ MeO- > MeS- >> Cl- > CN- > Br-.

  • Объяснения.

  • Сольватация

  • Электроотрицательность

  • Поляризуемость и принцип ЖМКО

4. «a-эффект» : Нуклеофильность выше, если у нуклеофильного центра есть атомы с р-электронами: HOO- > HO-, NH2NH2 > RNH2


Нуклеофильность некоторых распространенных реагентов


Нуклеофильность солей можно увеличить используя краун-эфиры, криптанды, ПЭГ и т.п. агенты, связывающие катионы. «Голые» нуклеофилы наиболее активны

CH3Br + HO- (газ фаза)

CH3Br + HO- (H2O) CH3OH + Br-ksolv = 2.3x10-25cm3/mol

CH3OH + Br- k = 1.0x10-9 cm3/mol

Наиболее сильно нуклеофилы сольватируются в протонных растворителях за счет Н-связей, поэтому реакции SN2 типа обычно идут быстрее в полярных апротонных растворителях

Влияние структурных факторов на нуклеофильность.

Me3CO- более сильное основание, чем MeO- или EtO-, но значительно более слабый нуклеофил из-за стерических препятствий атаки субстрата


9.4. Уходящие группы (нуклеофуги) увеличить используя краун-эфиры, криптанды, ПЭГ и т.п. агенты, связывающие катионы. «Голые» нуклеофилы наиболее активны

Уходящая группа отщепляется тем легче, чем стабильней она как свободная молекула или ион. Обычно это находится в обратной зависимости от основности, поэтому наилучшие уходящие группы – это самые слабые основания.

HO- и RO- не могут отщепляться самостоятельно, но хорошо уходят в форме H2O и ROH (становятся нуклеофугами) после протонирования спиртов и эфиров. Такие реакции классифицируют как SN1cA или SN2cA (cA – сопряженная кислота conjigate acid, иногда сокращают до А1 и А2).

Хорошие уходящие группы (нуклеофуги): N2, O3ClO-, TsO-, FSO3-, CH3SO2O-(MsO), CF3SO2O- (TfO)


Как сделать плохие уходящие группы NH2, NHR хорошими нуклеофугами ?

R-NH2 + TsCl

RNTs2

R-NH2 + HONO

R-N2+

Katrizky, A. 1983


9.5. Стереохимия, влияние пространственных факторов и соседних групп

Аллильная и бензильная группы ускоряют SN2 реакции за счет дополнительной стабилизации переходных состояний через «сопряжение»:


На практике очень часто реальные стереохимические результаты SN1 и особенно SN2 реакций отличаются от идеальной рацемизации и обращения конфигурации

15% обращение

65% обращение

Объяснение: участие различных ионных пар (см. 9.1) и обратимая рацемизация субстратов и (или) продуктов

33% обращение

38% сохранение конфигурации

38% сохранение конфигурации


(1) (2) (3) стереохимические результаты S

kотн сольволиза 1 10-6 10-14

Атака с «тыла» SN2 для соед. (2) и (3) невозможна по стерическим причинам, а карбокатионы из них не могут быть плоскими и потому неусточивы (высокая свободная энергия)


Как правило, электроноакцепторные группы в b-положении к уходящей группе замедляют SN2 реакции. Исключением являются b-карбонильные группы в RCOCH2X и нитрильная группа в NCCH2X, которые сильно ускоряют эти реакции


Сходное ускорение наблюдается и для R2NCH2CH2Cl (анхимерное содействие)


Механизм S для RNi реакций

Обращение конфигурации

ионная пара


9.6. Амбидентные нуклеофилы для R

Региоспецифичная реакция


Правила, позволяющие иногда предсказать направление атаки амбидентными нуклеофилами

1. Если образование продукта R-X + Nu: R-Nu + X: контролируется термодинамикой, то это соответствует обычно атаке атома с большей основностью: C > N > O > S. Однако большинство SN реакций контролируется кинетикой.

2. Применение принципа ЖМКО: более электроотрицательный атом амбидентного нуклеофила – более «жесткое основание».


S предсказать направление атаки амбидентными нуклеофиламиN1 реакции проходят через образование карбокатионов R3C+, а SN2 нейтральных субстратов R3C-X. R3C+ сравнительно с R3C-X более «жесткая кислота». Поэтому в SN1 процессах амбидентный нуклеофил будет преимущественно реагировать по «жесткому», наиболее электроотрицательному атому, а в SN2 - по более «мягкому». Следовательно, переход реакций от условий SN1 к SN2 должен способствовать атаке атома С в CN-, атома N в NO2-, атома С в еноляте C=C-O- и Ph-O-.


3. Ag предсказать направление атаки амбидентными нуклеофилами+ в отличие от Na+, K+ сильнее связывает галогены в алкилгалогенидах, повышает их нуклеофугность и, следовательно, сдвигает реакции в SN1 направлении. Поэтому преимущественно:

R-Hal + AgCN R-NC

R-Hal + NaCN RCN

4. В протонных растворителях степень сольватации более электроотрицательного атома сильнее, чем менее электроотрицательного (O > N > C) (взаимодействие жесткий-жесткий). В полярных апротонных растворителях более электроотрицательная часть нуклеофила свободней как от взаимодействия с растворителем, так и с катионом. Поэтому возрастает роль атаки более электроотрицательным атомом


ad