Влияние замещаемой группы

При прочих равных условиях нуклеофильное замещение как по SN1, так и по SN2 механизму должно протекать тем быстрее, чем ниже энергия гетеролитического разрыва связи С? X. Это во многом связано со стабилизацией образующегося аниона за счет его лучшей поляризуемости (в случае галоген? анионов) или эффектов сопряжения (для эфиров сульфокислот и диалкилсульфатов):

Кислые эфиры серной кислоты обладают лишь слабой алкилирующей способностью, так как у них легче разрывается связь S? О. Спирты и простые эфиры, как мы видели выше, реагируют только при кислотном катализе, когда поляризуется связь С-О:

При прочих равных условиях, чем больше эта способность, тем выше роль пограничных или SN1 механизмов в реакциях нуклеофильного замещения.

Влияние нуклеофильного реагента

Факторы, влияющие на скорость реакций нуклеофильного замещения и связанные со строением нуклеофильного реагента, объединяют понятием нуклеофильность. К этим факторам относятся основность и поляризуемость нуклеофила. Связь нуклеофильности с основностью обусловлена аналогией протолитических реакций и реакций нуклеофильного замещения: в протолитической реакции основание за счет своей свободной электронной пары присоединяет протон; в реакции нуклеофильного замещения этой же электронной парой осуществляется атака на углеродный атом, имеющий дефицит электронов. В тех случаях, когда другие факторы, влияющие на нуклеофильность, остаются неизменными, наблюдается корреляция между константой скорости реакции SN 2-замещения (нуклеофильностью) и константой основности нуклеофильного реагента (основностью). Количественно эта зависимость выражается уравнением Бренстеда, которое является частным случаем линейного соотношения свободных энергий:

где k — константа скорости, Кb — константа основности нуклеофила, G и в — эмпирические константы.

Чем больше в, тем быстрее возрастает скорость с увеличением основности нуклеофила, что характерно для типичных SN 2 реакций, в которых нуклеофил Y в большой степени связывается с углеродным атомом уже в переходном состоянии (Y—C—X). По мере перехода от SN2 к SN1 механизму завязывание новой связи происходит на все большем расстоянии (Y——С——X), и величина в уменьшается.

На рис. 2 эта зависимость показана, для изменения относительных скоростей алкоголиза (k1/k0) некоторых хлоридов в зависимости oт относительной основности алкоголятов (Кb, i/Kb, 0).

Рис. 2 Зависимость относительной реакционной способности алкоголятов от их основности для реакций с органическими хлоридами: 1 — с н-бутилхлоридом; 2 — с аллилхлоридом; 3 — с трет-бутилхлоридом

Трет-бутилхлорид реагирует по SN1 механизму, и относительная реакционная способность алкоголятов в этой реакции (кривая 3) не зависит от их основности (в? 0).

Кроме основности на нуклеофильность сильно влияет поляризуемость реакционного центра нуклеофила. В объемистых ионах (S-, I-, Вr-) или при наличии в анионе кратных связей (N3-, CN-) электроны легко смещаются в направлении положительно заряженного атома углерода в атакуемой молекуле. Поляризованная молекула нуклеофила завязывает с ним связь на большем расстоянии и реагирует значительно быстрее нуклеофилов той же или даже большей основности, но неспособных к поляризации. Например, усредненная относительная нуклеофильность легко поляризуемых ионов C6HSSв 470 раз выше, чем для ионов С2Н5О-, тогда как основность иона С2Н5О- (рКb = -2) на много порядков больше, чем для иона C6H5S- (рКb = 4,6). Высокой нуклеофильностью обладают также ионы HSи CN-, молекулы аммиака и аминов. В результате условия синтеза меркаптанов, сульфидов, аминов, нитрилов нередко оказываются даже более мягкими, чем условия гидролиза алкилхлоридов щелочами.

Эдварде предложил следующее уравнение для количественной оценки нуклеофильности EN:

где R? рефракция (поляризуемость), а рКа? кислотность кислоты, сопряженной нуклеофилу.

Стандартом служит вода, для которой нуклеофильность принята равной нулю. Значения EN для некоторых нуклеофилов приведены в табл. 11.2.

Рис. 3.

Для аминов нуклеофильность изменяется в ряду:

R2NH? RNH2 >> NH3.

При прочих равных условиях чем сильнее нуклеофильность реагента, тем более вероятно протекание реакции по SN2 механизму. Наоборот, со слабыми нуклеофилами более быстрой может оказаться реакция SN1, и тогда процесс пойдет по этому пути. Такая зависимость с обращением механизмов действительно наблюдается, причем в области SN1 механизма скорость реакции не зависит от природы нуклеофила (рис. 4).

Ассоциация отрицательно заряженного нуклеофила с катионом с образованием ионной пары уменьшает реакционную способность нуклеофила, как и электрофильная сольватация за счет водородных связей.

Рис. 4.

В средах с низкой диэлектрической проницаемостью (е< 40) заряженные нуклеофилы находятся в основном в виде ионных пар. Особенно прочные ионные пары образуются ионами небольшого размера, поэтому увеличение размеров катиона всегда способствует росту нуклеофильности аниона (нуклеофильная реакционная способность LiCl обычно в 10−1000 раз меньше, чем для хлоридов тетраалкиламмония R4N+ Cl-). Диссоциация ионных пар облегчается также в результате специфической сольватации катионов, например,.

Такая сольватация оказывает влияние, аналогичное увеличению размеров катиона, и сильно ускоряет нуклеофильную реакцию с участием этой ионной пары.

Анализ кинетических данных по влиянию природы нуклеофила и замещаемой группы на скорость реакций нуклеофильного замещения показывает, что некоторые легко поляризуемые нуклеофилы (например, Iи Вr-) являются в то же время легко замещаемыми группами. Это позволяет использовать их в качестве нуклеофильных катализаторов. Например, анион йода сильно ускоряет относительно медленные реакции гидролиза алкилхлоридов водой. Механизм нуклеофильного катализа в данной реакции состоит в предварительном замещении хлор? аниона йодом и в последующем гидролизе образовавшегося алкилиодида образованием спирта и регенерацией йод? аниона: