slide1 n.
Download
Skip this Video
Download Presentation
9. Механизмы реакций алифатического нуклеофильного замещения

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 32

9. Механизмы реакций алифатического нуклеофильного замещения - PowerPoint PPT Presentation


  • 539 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


Download Now 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
slide1
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

slide2

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

slide3

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

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.

slide4

Влияние увеличения полярности растворителей на скорости SNреакций

slide5

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.

slide6

Существуют линейные зависимости между pKR+ и константами скоростей SN1 реакций

slide7

Для алкильных карбокатионов методы через определение величин pKR+ не подходят

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

slide9

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

slide10

Перегруппировки

1,2-гидридный сдвиг (аналогично алкильный сдвиг)

slide11

1,2-гидридный

сдвиг

пентокоординационный

углерод

slide15

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)

slide17

Уравнение Майра (Mayr, 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/)

slide18

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

slide19

Нуклеофильность некоторых распространенных реагентов

slide20

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

slide21

9.4. Уходящие группы (нуклеофуги)

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)

slide22

Как сделать плохие уходящие группы NH2, NHR хорошими нуклеофугами ?

R-NH2 + TsCl

RNTs2

R-NH2 + HONO

R-N2+

Katrizky, A. 1983

slide23

9.5. Стереохимия, влияние пространственных факторов и соседних групп

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

slide24

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

slide25

(1) (2) (3)

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)

slide26

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

slide27

Сходное ускорение наблюдается и для R2NCH2CH2Cl (анхимерное содействие)

slide28

Механизм SNi реакций

Обращение конфигурации

ионная пара

slide29

9.6. Амбидентные нуклеофилы

Региоспецифичная реакция

slide30

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».

slide31

SN1 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-.

slide32

3. Ag+ 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