Реакция SN1: механизм, карбокатионы и стереохимия

Если растворить 2-бром-2-метилпропан в смеси воды и ацетона, через несколько минут раствор станет кислым: образуются 2-метилпропан-2-ол и бромоводород. Ни щёлочи, ни другого сильного нуклеофила здесь нет — вода сама замещает атом брома. При этом скорость реакции не зависит от того, сколько воды или гидроксид-ионов в растворе: удвоим их концентрацию — ничего не изменится. Это признак механизма S_N1, в котором молекула сначала распадается на ионы, и только потом к образовавшемуся карбокатиону присоединяется нуклеофил.

Ниже по шагам разобрано, как идёт S_N1, почему его скорость описывается уравнением первого порядка, как выглядит энергетический профиль, от чего зависит устойчивость карбокатионов и почему третичные галогениды реагируют в сто миллионов раз быстрее бромметана, как влияют растворитель и уходящая группа, что происходит со стереохимией и почему углеродный скелет может перестроиться. В конце — упражнения и задания с ответами в виде схем. О выборе между S_N1 и S_N2 — в статье «S_N1 или S_N2», о конкуренции с отщеплением — в статье «Нуклеофильное замещение и отщепление».

• Что такое реакция S_N1
• Как открыли механизм и карбокатионы
• Механизм по стадиям
• Как рисовать механизм стрелками
• Кинетика: первый порядок
• Энергетический профиль
• Постулат Хэммонда и переходное состояние
• Строение карбокатиона
• Устойчивость карбокатионов
• Аллильные, бензильные и оксокарбениевые катионы
• Какие субстраты реагируют по S_N1
• Заместители в кольце: уравнение Брауна
• Уходящая группа
• Растворитель и сольволиз
• Нуклеофил: на скорость не влияет, на продукт — да
• Стереохимия
• Ионные пары
• Перегруппировки
• Как доказывают механизм S_N1
• Тот же катион в других реакциях
• Устойчивые карбокатионы
• Соседнее участие
• Спирты и простые эфиры в S_N1
• Разбор по шагам: четыре реакции
• S_N1 и S_N2: главное различие
• Карбокатионы в масс-спектрометрии
• S_N1 в лаборатории: практические советы
• Конкуренция с E1
• S_N1 в природе и в промышленности
• Практикум
• Типичные ошибки
• Частые вопросы
• Что нужно знать к ЕГЭ
• Для олимпиад
• Задания с разбором

1. Что такое реакция S_N1

S_N1 — это нуклеофильное замещение мономолекулярное. Буква S означает substitution (замещение), N — nucleophilic (реагент — нуклеофил, частица с парой электронов), а цифра 1 — то, что в медленной стадии участвует одна частица: молекула субстрата. Общая схема та же, что у любого нуклеофильного замещения: R–X + Nu → R–Nu + X⁻. Разница — в пути.

В S_N1 связь между атомом углерода и уходящей группой рвётся первой, сама по себе. Уходящая группа уносит пару электронов связи, и на атоме углерода остаются три связи и пустая орбиталь — образуется карбокатион. Только после этого к нему присоединяется нуклеофил. Поскольку карбокатион — частица очень реакционноспособная и «не разборчивая», нуклеофилом обычно служит то, чего в растворе больше всего, — сам растворитель. Такую реакцию называют сольволизом: гидролизом в воде, метанолизом в метаноле, этанолизом в этаноле [1, 2].

Отсюда главные черты S_N1, которые мы разберём по очереди: скорость зависит только от концентрации субстрата; реагируют те вещества, которые дают устойчивые карбокатионы (третичные, аллильные, бензильные); реакцию ускоряют полярные протонные растворители; стереоцентр теряет конфигурацию; скелет может перестроиться; рядом всегда идёт отщепление по E1.

2. Как открыли механизм и карбокатионы

Карбокатионы впервые «увидели» задолго до того, как поняли их роль. В 1901 году Джеймс Норрис в США и Фридрих Керман с Фрицем Венцелем в Германии независимо заметили, что бесцветный трифенилхлорметан в концентрированной серной кислоте или с хлоридом алюминия даёт ярко-жёлтые растворы, проводящие ток. Это были соли трифенилметил-катиона (C₆H₅)₃C⁺ — первого известного карбокатиона [3].

В 1922 году Ханс Меервейн, изучая превращение камфенгидрохлорида в изоборнилхлорид, предположил, что перестройка углеродного скелета идёт через положительно заряженную промежуточную частицу [4]. Так появилась идея, что карбокатионы — не экзотика, а обычные интермедиаты органических реакций. В 1935 году Эдвард Хьюз и Кристофер Ингольд на основании кинетических опытов разделили нуклеофильное замещение на два механизма и назвали один из них S_N1: для третичных галогенидов скорость гидролиза не зависела от концентрации щёлочи [5].

Дальше механизм уточняли. Эрнест Грюнвальд и Сол Уинстейн в 1948 году построили шкалу «ионизирующей силы» растворителей [6], Уинстейн в 1950-е годы открыл ионные пары [7], Герберт Браун и Ёсиро Окамото в 1958 году нашли количественную связь скорости с заместителями в кольце [8]. А в 1962–1964 годах Джордж Ола получил трет-бутил-катион и другие простые карбокатионы в растворах «суперкислот» (SbF₅ в SO₂ClF или FSO₃H) и записал их спектры ЯМР: оказалось, что они действительно плоские и живут достаточно долго, чтобы их изучать. В 1994 году Ола получил Нобелевскую премию по химии [3].

3. Механизм по стадиям

Разберём механизм на классическом примере — гидролизе 2-бром-2-метилпропана в водном ацетоне [1].

стадия 1 — ионизация (медленно)

стадии 2 и 3 — нуклеофил и отрыв протона (быстро)

Стадия 1 — ионизация. Связь C–Br разрывается гетеролитически: оба электрона связи уходят к атому брома, и образуются бромид-ион и трет-бутил-катион. Это медленная, определяющая скорость стадия. Она энергетически невыгодна: рвётся прочная σ-связь и образуются два иона с противоположными зарядами. Помогают растворитель, который окружает и стабилизирует оба иона, и строение субстрата: три метильные группы стабилизируют катион.

Стадия 2 — присоединение нуклеофила. Неподелённая пара атома кислорода молекулы воды образует связь с катионным атомом углерода. Получается протонированный спирт — оксониевый ион (CH₃)₃C–OH₂⁺. Стадия идёт очень быстро: катион и нуклеофил с неподелённой парой притягиваются, барьер мал.

Стадия 3 — отрыв протона. Вторая молекула воды забирает протон от оксониевого иона, и получаются нейтральный спирт и ион гидроксония H₃O⁺. Если нуклеофил был анионом (например, иодид-ионом), этой стадии нет.

Если нуклеофил — этанол, механизм тот же, а продукт — простой эфир. Протонированный эфир (оксониевый ион) теряет протон, который забирает вторая молекула спирта.

Почему реакция вообще идёт до конца, если первая стадия невыгодна? Ионизация обратима, но карбокатион, едва образовавшись, почти мгновенно перехватывается растворителем, которого в растворе огромный избыток. Обратная реакция с бромид-ионом конкурирует с этим плохо. Продукты замещения устойчивее исходных веществ, и равновесие в целом сдвинуто к ним — по принципу Ле Шателье быстрая вторая стадия «вытягивает» первую.

4. Как рисовать механизм стрелками

Механизм S_N1 записывают изогнутыми стрелками, и у этой записи строгие правила. Каждая стрелка показывает движение пары электронов: от того места, где электроны есть (связь или неподелённая пара), к тому месту, куда они переходят [1].

В стадии ионизации нужна одна стрелка: от середины связи C–X к атому X. Нельзя рисовать стрелку «от атома углерода к галогену» — электроны принадлежат связи, а не атому. В стадии присоединения нуклеофила — одна стрелка от неподелённой пары атома кислорода (или аниона) к катионному атому углерода. В стадии отрыва протона — две: от неподелённой пары второй молекулы растворителя к атому водорода и от связи O–H к атому кислорода.

Проверяйте себя по зарядам: суммарный заряд частиц до и после каждой стадии одинаков. Нейтральный RBr → R⁺ + Br⁻ (сумма 0); R⁺ + H₂O → ROH₂⁺ (сумма +1); ROH₂⁺ + H₂O → ROH + H₃O⁺ (сумма +1). И никогда не рисуйте стрелку, начинающуюся на положительном заряде или на протоне: у них нет электронов, которые могли бы двигаться.

5. Кинетика: первый порядок

Скорость многостадийной реакции определяет самая медленная стадия. В S_N1 это ионизация, и в ней участвует только молекула субстрата. Поэтому уравнение скорости: v = k[RX]. Реакция имеет первый порядок по субстрату и нулевой — по нуклеофилу [5].

Отсюда простые опытные следствия. Если удвоить концентрацию субстрата, скорость удвоится. Если удвоить концентрацию нуклеофила, скорость не изменится. Если заменить воду на более сильный нуклеофил — например, добавить азид натрия, — скорость тоже почти не изменится, но изменится продукт: катион «перехватит» более сильный нуклеофил, и получится азид вместо спирта. Именно так Хьюз и Ингольд отличали S_N1 от S_N2.

Для реакции первого порядка концентрация субстрата убывает по экспоненте: [RX] = [RX]₀·e^−kt, а период полупревращения t_1/2 = ln 2 / k = 0,693/k не зависит от начальной концентрации. Для гидролиза 2-хлор-2-метилпропана в 80 % этаноле при 25 °C k ≈ 9·10⁻⁶ с⁻¹, t_1/2 около 21 часа; в воде реакция идёт в тысячи раз быстрее. Обычно сольволиз ведут при большом избытке растворителя, и его концентрация практически не меняется.

Температура влияет на S_N1 сильно: энергия активации ионизации велика (около 80–100 кДж/моль), и по уравнению Аррениуса нагревание на 10 °C ускоряет реакцию в три-четыре раза. Поэтому сольволиз вторичных субстратов, медленный при комнатной температуре, ведут при нагревании — но тогда растёт и доля алкена по E1.

Полезно отличать молекулярность и порядок. Молекулярность — число частиц, участвующих в одной элементарной стадии (в ионизации — одна). Порядок — показатель степени в опытном уравнении скорости. Для S_N1 они совпадают с цифрой в названии, но в общем случае это разные понятия: порядок определяют на опыте, а молекулярность — из механизма.

6. Энергетический профиль

На энергетическом профиле S_N1 две вершины и ямка между ними. Каждая вершина — переходное состояние: мгновенная конфигурация атомов с наибольшей энергией на пути стадии. Ямка — интермедиат, карбокатион: настоящая частица, которая живёт короткое, но конечное время (в воде трет-бутил-катион живёт порядка 10⁻¹²–10⁻¹⁰ с) [9].

Первая вершина — ионизация — заметно выше второй. Это и делает первую стадию медленной: энергия активации ΔG^‡ отсчитывается от исходного вещества до самой высокой точки на пути. Вторая вершина — присоединение нуклеофила — низкая, барьер почти отсутствует. В конце энергия продуктов обычно ниже исходной: реакция в целом выгодна (экзергонична).

Энергетический профиль помогает отличать интермедиаты от переходных состояний. Интермедиат лежит в минимуме, его можно (в особых условиях) наблюдать спектрами — так Ола «увидел» карбокатионы. Переходное состояние лежит на вершине, его нельзя выделить; о его строении судят по косвенным данным — влиянию заместителей, растворителя, изотопов.

7. Постулат Хэммонда и переходное состояние

Как связать скорость ионизации с устойчивостью карбокатиона, если медленная стадия — не сам катион, а переходное состояние? Помогает постулат Хэммонда (1955): переходное состояние похоже по строению и энергии на ту соседнюю частицу, к которой оно ближе по энергии [9].

Ионизация — сильно эндотермическая стадия: катион намного выше по энергии, чем исходный галогенид. Значит, переходное состояние ионизации близко к карбокатиону: связь C–X в нём почти разорвана, на атоме углерода уже большой положительный заряд. Всё, что стабилизирует катион — алкильные группы, сопряжение, неподелённая пара соседнего атома кислорода, полярный растворитель, — почти так же стабилизирует и переходное состояние. Поэтому ряд скоростей S_N1 повторяет ряд устойчивости карбокатионов, и рассуждать о скорости можно, сравнивая сами катионы.

8. Строение карбокатиона

В карбокатионе положительно заряженный атом углерода связан с тремя группами и имеет шесть внешних электронов вместо восьми. Он находится в sp²-гибридизации: три связи лежат в одной плоскости под углами около 120°, а свободная, пустая p-орбиталь перпендикулярна этой плоскости [3].

Плоское строение карбокатиона подтверждено спектрами ЯМР, рентгеноструктурным анализом солей устойчивых катионов и расчётами. У него два важных следствия. Первое — нуклеофил может подойти к пустой p-орбитали с любой из двух сторон плоскости, поэтому стереоцентр теряет конфигурацию. Второе — катионы, которые не могут стать плоскими, образуются с огромным трудом. Классический пример — 1-бромбицикло[2.2.1]гептан: атом брома стоит у узлового атома, каркас не даёт этому атому стать плоским, и сольволиз идёт в 10¹³ раз медленнее, чем у трет-бутилбромида.

Карбокатион — сильная кислота Льюиса: он жадно принимает пару электронов от любого донора. Поэтому в растворе он живёт очень недолго и реагирует с первым подходящим нуклеофилом. Лишь в суперкислотах, где нуклеофилов практически нет (анион SbF₆⁻ крайне слаб как донор), простые карбокатионы удаётся сохранить часами.

9. Устойчивость карбокатионов

Устойчивость карбокатионов растёт в ряду: метильный < первичный < вторичный < третичный. Положительный заряд стабилизируют два эффекта алкильных групп [3, 9].

метил

первичный

вторичный

третичный

аллильный

бензильный

оксокарбениевый

трифенилметильный

Индуктивный эффект. sp³-гибридизованные атомы углерода алкильных групп немного менее электроотрицательны, чем sp²-атом катиона, и смещают к нему электронную плотность по σ-связям. Чем больше алкильных групп, тем сильнее этот сдвиг.

Сверхсопряжение (гиперконъюгация). Связи C–H и C–C соседних атомов, лежащие в одной плоскости с пустой p-орбиталью, частично перекрываются с ней, и электронная плотность этих связей «растекается» на катионный центр. У трет-бутил-катиона девять связей C–H могут участвовать в сверхсопряжении, у изопропил-катиона — шесть, у этил-катиона — три, у метил-катиона — ни одной. Сверхсопряжение — главный эффект; его следы видны в спектрах ЯМР и в укорочении связей C–C рядом с катионным центром.

Количественно устойчивость оценивают энергией отрыва гидрид-иона в газовой фазе (сродством катиона к гидрид-иону): для CH₃⁺ около 1310 кДж/моль, для C₂H₅⁺ около 1130, для (CH₃)₂CH⁺ около 1050, для (CH₃)₃C⁺ около 980. Каждая метильная группа даёт выигрыш порядка 60–100 кДж/моль. В растворе разница меньше (растворитель сглаживает её), но и её достаточно, чтобы скорости сольволиза различались на много порядков.

Таблица скоростей сольволиза бромидов в муравьиной кислоте показывает это наглядно: от бромметана к трет-бутилбромиду скорость растёт в сто миллионов раз [10]. Муравьиная кислота выбрана не случайно: она сильно ионизирует, но слабый нуклеофил, поэтому вклад S_N2 у метил- и этилбромида в ней мал, и числа отражают именно S_N1.

10. Аллильные, бензильные и оксокарбениевые катионы

Ещё сильнее алкильных групп катион стабилизирует сопряжение с π-системой или с неподелённой парой соседнего атома. Тогда положительный заряд распределяется по нескольким атомам, и это видно по резонансным структурам [1].

бензильный катион: заряд на атоме CH₂ и в орто- и пара-положениях кольца

аллильный катион

оксокарбениевый ион

Аллильный катион CH₂=CH–CH₂⁺ описывается двумя равноценными резонансными структурами: заряд поровну распределён между двумя концевыми атомами. По устойчивости первичный аллильный катион сравним со вторичным алкильным. Бензильный катион C₆H₅–CH₂⁺ имеет четыре резонансные структуры: заряд находится на атоме CH₂ и на орто- и пара-атомах кольца. Каждое дополнительное кольцо усиливает эффект: дифенилметильный катион устойчивее третичного алкильного, а трифенилметильный образует окрашенные соли, которые можно хранить.

Оксокарбениевые ионы R–O–CH₂⁺ ↔ R–O⁺=CH₂ стабилизированы неподелённой парой атома кислорода, которая образует с катионным атомом почти двойную связь. Поэтому хлорметилметиловый эфир и другие α-галогенэфиры сольволизуются по S_N1 мгновенно, а ацетали и гликозиды гидролизуются в кислой среде через такие ионы. Аналогично атом азота стабилизирует иминиевые ионы.

А вот группы-акцепторы рядом с катионным центром — карбонильная, нитрильная, нитро-, трифторметильная — его дестабилизируют. Поэтому α-галогенкетоны и α-галогенэфиры кислот по S_N1 не реагируют вообще.

11. Какие субстраты реагируют по S_N1

Из сказанного о катионах прямо следует, какие вещества вступают в S_N1 [2].

• Третичные галогениды, сульфонаты и протонированные спирты — главные субстраты S_N1. В воде, спиртах, кислотах они реагируют быстро.
• Вторичные — медленно и не всегда «чисто»: часто идёт смешанный механизм с частичным обращением; характерны перегруппировки.
• Аллильные и бензильные, даже первичные, — легко: катион стабилизирован сопряжением.
• α-Галогенэфиры и α-галогенамины — очень быстро: катион стабилизирован неподелённой парой гетероатома.
• Метильные и первичные алкильные — нет: катион слишком неустойчив; если они и реагируют с водой, то по S_N2.
• Винильные и арильные — нет: соответствующие катионы крайне невыгодны, связь C–X прочная.
• Узловые атомы малых бициклов — нет: катион не может стать плоским.

расщепление трет-бутилового эфира

Тот же подход работает для простых эфиров и сложных эфиров с третичной группой. трет-Бутилметиловый эфир расщепляется иодоводородной кислотой по S_N1: после протонирования атома кислорода уходит молекула метанола, а трет-бутил-катион присоединяет иодид-ион. Защитную трет-бутоксикарбонильную группу (Boc) снимают трифторуксусной кислотой тем же путём — через трет-бутил-катион, который затем теряет протон и превращается в 2-метилпропен.

12. Заместители в кольце: уравнение Брауна

Самый наглядный способ «измерить» положительный заряд в переходном состоянии S_N1 — менять заместители в бензольном кольце и смотреть, как меняется скорость. Герберт Браун и Ёсиро Окамото изучали сольволиз 2-арил-2-хлорпропанов (кумилхлоридов) ArC(CH₃)₂Cl в 90 % водном ацетоне [8].

Логарифмы относительных констант скорости легли на прямую lg(k/k₀) = ρσ⁺, где σ⁺ — константа заместителя, а ρ ≈ −4,5 — чувствительность реакции. Донорная метоксигруппа в пара-положении (σ⁺ = −0,78) ускоряет реакцию примерно в 3000 раз: её неподелённая пара сопрягается с катионным центром через кольцо. Нитрогруппа (σ⁺ = +0,79) замедляет примерно во столько же раз. Знак и величина ρ говорят о многом: большое отрицательное значение означает, что в переходном состоянии на атоме углерода сосредоточен большой положительный заряд — то есть переходное состояние действительно похоже на карбокатион, как и предсказывает постулат Хэммонда.

Константы σ⁺ отличаются от обычных констант Гаммета σ тем, что учитывают прямое сопряжение заместителя с катионным центром. Для мета-заместителей, которые не могут сопрягаться с ним, σ⁺ почти равны σ; для пара-доноров σ⁺ намного отрицательнее σ.

13. Уходящая группа

В медленной стадии S_N1 связь C–X рвётся без всякой помощи нуклеофила, поэтому от уходящей группы зависит очень многое. Хорошая уходящая группа — частица, устойчивая с парой электронов: слабое основание, сопряжённое сильной кислоте [9].

Для трет-бутильных производных скорость сольволиза растёт в ряду F ≪ Cl < Br < I ≪ OTs < OTf — на тринадцать порядков от фторида до трифлата. Фториды по S_N1 практически не реагируют. Сульфонаты (тозилаты, мезилаты, трифлаты) — лучшие уходящие группы: их анион стабилизирован тремя атомами кислорода и сопряжением. Поэтому механистические исследования S_N1 часто ведут именно на тозилатах.

Гидроксид-ион и алкоксид-ионы не уходят вообще: это сильные основания. Но в кислой среде группа OH протонируется, и уходит нейтральная молекула воды — очень хорошая уходящая группа. На этом основаны реакции спиртов с галогеноводородами и кислотная дегидратация. Похожим образом действуют кислоты Льюиса: хлорид цинка или ион серебра координирует атом галогена или кислорода и помогает ему уйти.

14. Растворитель и сольволиз

В переходном состоянии ионизации уже есть заметное разделение зарядов, а продукт стадии — два иона. Растворитель, который хорошо сольватирует ионы, сильно понижает эту вершину. Лучше всего с этим справляются полярные протонные растворители: вода, муравьиная кислота, спирты. Они стабилизируют катион неподелёнными парами атомов кислорода, а анион — водородными связями [11].

Грюнвальд и Уинстейн описали это количественно. За стандарт приняли сольволиз трет-бутилхлорида и определили ионизирующую силу растворителя Y: lg(k/k₀) = Y, где k₀ — константа скорости в 80 % этаноле (там Y = 0). Для воды Y = 3,49, для этанола −2,03: при переходе от чистого этанола к воде трет-бутилхлорид гидролизуется в 300 000 раз быстрее. Для других субстратов lg(k/k₀) = mY, и чувствительность m близка к 1 у типичных S_N1-субстратов [6].

Полярные апротонные растворители (ДМСО, ДМФА, ацетонитрил) хорошо сольватируют катионы, но плохо — анионы, поэтому для S_N1 подходят хуже, чем протонные растворители той же полярности. А неполярные растворители (гексан, бензол) ионизацию практически не допускают.

В смешанных растворителях (вода с ацетоном, вода с этанолом) состав продуктов определяется тем, какой нуклеофил окажется рядом с катионом. В 80 % этаноле трет-бутилхлорид даёт смесь трет-бутилового спирта и трет-бутилэтилового эфира — оба нуклеофила работают одновременно — и примесь 2-метилпропена.

15. Нуклеофил: на скорость не влияет, на продукт — да

Нуклеофил в S_N1 подходит к уже готовому катиону, поэтому его сила на скорость реакции не влияет. Сильный нуклеофил даже вреден: он начинает реагировать по S_N2 (у вторичных субстратов) или, будучи основанием, вызывает E2 (у третичных). Поэтому для S_N1 характерны слабые нуклеофилы — вода, спирты, карбоновые кислоты, галогенид-ионы в кислой среде [1].

Но на состав продуктов нуклеофил влияет сильно. Если в водном растворе 2-хлор-2-метилпропана есть азид натрия, катион присоединяет и воду, и азид-ион, и получается смесь спирта и азида, хотя скорость исчезновения хлорида та же. Если добавить соль с той же уходящей группой (хлорид лития), часть катионов возвращается в исходный хлорид, и реакция замедляется — это эффект общего иона, один из признаков S_N1. Он особенно заметен у долгоживущих катионов, например у дифенилметильного.

Любая инертная соль (перхлорат лития, тетрафторборат натрия) ускоряет S_N1 — это солевой эффект: ионная атмосфера стабилизирует переходное состояние ионизации, в котором уже разделены заряды.

16. Стереохимия

Если уходящая группа стоит у стереоцентра, стереоцентр в ходе S_N1 превращается в плоский катионный атом. Плоский катион ахирален: у него есть плоскость симметрии (если нет других стереоцентров). Нуклеофил подходит к пустой p-орбитали с любой стороны, и из одного энантиомера получается смесь двух — рацемизация [1].

стереоцентр становится плоским катионом

атака с двух сторон: S и R

Рассмотрим (S)-3-хлор-3-метилгексан в водном ацетоне. После ионизации образуется плоский 3-метилгексан-3-ил-катион. Вода присоединяется к нему сверху и снизу с почти равной вероятностью, получаются (R)- и (S)-3-метилгексан-3-олы. Если в молекуле есть другой стереоцентр, не затронутый реакцией, две стороны катиона уже неравноценны, и получается смесь диастереомеров, обычно в неравных количествах. Говорят, что произошла рацемизация (эпимеризация) по одному центру.

Пример с двумя стереоцентрами — сольволиз третичного галогенида, у которого рядом есть ещё один стереоцентр. Катион образуется у атома, связанного с галогеном, а соседний стереоцентр сохраняет конфигурацию. Две стороны плоского катиона теперь неравноценны: одну из них частично загораживает заместитель соседнего стереоцентра. Нуклеофил чаще подходит с менее загороженной стороны, и получаются два диастереомера в неравных количествах — не рацемат. Поэтому в задачах важно смотреть, сколько стереоцентров в молекуле и какой из них превращается в катионный атом: «рацемизация» относится только к нему.

На практике рацемизация почти никогда не бывает полной. Продукта с обращённой конфигурацией обычно на 5–20 % больше, а у вторичных субстратов избыток может быть и больше. Причина — ионные пары.

17. Ионные пары

Сол Уинстейн показал, что ионизация проходит через несколько ступеней [7]. Сначала образуется контактная ионная пара R⁺X⁻: катион и анион вплотную, общая сольватная оболочка. Затем между ними проникает молекула растворителя — сольватно-разделённая ионная пара R⁺‖X⁻. И только потом ионы расходятся и становятся свободными.

Нуклеофил может атаковать на любой ступени. В контактной ионной паре уходящая группа закрывает «свою» сторону катиона, и нуклеофил атакует с противоположной — с обращением. Свободный катион атакуется с обеих сторон — рацемизация. Чем устойчивее катион и чем дольше он живёт, тем больше молекул доходит до стадии свободных ионов и тем ближе продукт к рацемату. Поэтому у третичных бензильных субстратов рацемизация почти полная, а у вторичных алкильных избыток обращения велик, и реакция сближается с S_N2.

Ионные пары объясняют и другие наблюдения. Например, оптически активные тозилаты при сольволизе в уксусной кислоте рацемизуются быстрее, чем образуется продукт: контактная ионная пара успевает «перевернуться» и снова соединиться в исходный тозилат с обращённой конфигурацией (внутренний возврат). Это доказывает, что ионизация обратима ещё до встречи с нуклеофилом.

18. Перегруппировки

Карбокатион может не дождаться нуклеофила и перестроиться в более устойчивый. Чаще всего это 1,2-сдвиги: атом водорода с парой электронов связи (гидридный сдвиг) или алкильная группа (алкильный сдвиг) переходит с соседнего атома на катионный центр. Положительный заряд оказывается на атоме, от которого ушла мигрирующая группа [2].

гидридный сдвиг: вторичный катион → третичный

метильный сдвиг

расширение цикла: циклобутилметил → циклопентил

Перегруппировка идёт, если новый катион устойчивее: вторичный → третичный, первичный → вторичный или третичный, вторичный → бензильный или аллильный. Она очень быстрая — обычно быстрее, чем присоединение растворителя, — поэтому продукт перестроенного скелета часто главный. Так, 2-хлор-3-метилбутан в воде даёт в основном 2-метилбутан-2-ол: вторичный катион превращается в третичный гидридным сдвигом. А 2-бром-3,3-диметилбутан в этаноле — 2-этокси-2,3-диметилбутан через метильный сдвиг.

Особый вид перегруппировок — расширение и сужение цикла. Циклобутилметил-катион перестраивается в циклопентил-катион: связь кольца переходит к катионному центру, и четырёхчленный цикл превращается в пятичленный, менее напряжённый. На таких перегруппировках основаны многие превращения терпенов: камфен, борнеол, пинены связаны друг с другом катионными перегруппировками Вагнера — Меервейна.

Практическое правило: прежде чем записать продукт S_N1, посмотрите на соседние с катионным центром атомы. Есть ли у них атомы водорода или алкильные группы, переход которых даст более устойчивый катион? Если да — рисуйте перегруппировку. Если нужно её избежать, выбирайте условия S_N2.

19. Как доказывают механизм S_N1

Механизм нельзя увидеть напрямую, его выводят из согласующихся опытных фактов. Для S_N1 их пять [2, 9].

• Кинетика первого порядка. Скорость пропорциональна концентрации субстрата и не зависит от концентрации и природы нуклеофила.
• Перехват катиона. Добавка сильного нуклеофила (азида, тиоцианата) меняет состав продуктов, но не скорость. Если бы нуклеофил участвовал в медленной стадии, скорость выросла бы.
• Стереохимия. Оптически активный субстрат даёт продукт с потерей оптической активности — рацемизация через плоский катион.
• Перегруппировки. Скелет продукта отличается от скелета субстрата — признак катионного интермедиата.
• Зависимость от строения и среды. Ускорение донорными заместителями (большое отрицательное ρ), ионизирующими растворителями (m ≈ 1), солями; замедление общим ионом.

Есть и тонкий признак — вторичный кинетический изотопный эффект. Если заменить атом водорода при самом α-атоме на дейтерий, S_N1 замедляется на 10–25 % (k_H/k_D = 1,1–1,25): при переходе атома углерода из sp³ в sp² колебания связи C–H становятся «мягче», и связь C–H выигрывает от этого больше, чем C–D. Для S_N2 эффект близок к единице. Дейтерий в β-положении тоже замедляет S_N1 — на 5–10 % на атом: связи C–H соседних атомов участвуют в сверхсопряжении с катионом, а связь C–D делает это хуже.

Обычно хватает двух-трёх признаков. Если они противоречат друг другу — например, первый порядок, но частичное обращение конфигурации, — механизм промежуточный: реакция идёт через ионные пары, и нуклеофил атакует раньше, чем катион станет свободным.

20. Тот же катион в других реакциях

Карбокатионы — общие интермедиаты многих реакций, и знание S_N1 помогает понимать их все. При присоединении галогеноводорода к алкену протон присоединяется так, чтобы образовался более устойчивый карбокатион, и затем к нему присоединяется галогенид-ион — это правило Марковникова. Кислотная гидратация алкенов идёт через тот же катион, что и S_N1 соответствующих спиртов, только в обратном направлении [1].

Дегидратация спиртов, реакция Фриделя — Крафтса (алкилирование бензола галогеналканами в присутствии хлорида алюминия), пинаколиновая перегруппировка, катионная полимеризация изобутилена — всё это реакции через карбокатионы. И везде действуют одни правила: катион плоский, устойчивость растёт от первичного к третичному и с сопряжением, возможны сдвиги атома водорода и алкильных групп. Поэтому, например, при алкилировании бензола 1-хлорпропаном получается в основном изопропилбензол, а не пропилбензол: первичный катион (или его комплекс с AlCl₄⁻) перестраивается во вторичный.

21. Устойчивые карбокатионы

Большинство карбокатионов живут доли наносекунды, но есть и такие, которые можно поставить на полку. Трифенилметил-катион образует соли с перхлоратом и тетрафторборатом — жёлтые кристаллы, устойчивые в сухом воздухе. Тропилий-катион C₇H₇⁺ (циклогептатриенил) ароматичен: шесть π-электронов распределены по семи атомам плоского кольца, и его бромид растворяется в воде как обычная соль. Красители кристаллический фиолетовый, малахитовый зелёный, фуксин — тоже карбокатионы, стабилизированные сопряжением с кольцами и неподелёнными парами атомов азота.

Устойчивость таких катионов измеряют величиной pK_R+ — показателем константы равновесия R⁺ + H₂O ⇄ ROH + H⁺. Чем она больше, тем устойчивее катион к воде. Для трифенилметил-катиона pK_R+ = −6,6 (он существует только в сильнокислой среде), для тропилия +4,7, для кристаллического фиолетового +9,4 — этот катион устойчив даже в нейтральной воде. Для сравнения, трет-бутил-катион в воде вообще не существует как равновесная частица: оценки дают pK_R+ около −15.

22. Соседнее участие: когда группа помогает уйти

Иногда ионизация идёт намного быстрее, чем можно ожидать по устойчивости катиона. Это бывает, когда рядом с уходящей группой в молекуле есть атом с неподелённой парой (серы, азота, кислорода, галогена) или π-система. Такая группа «подталкивает» уходящую группу изнутри молекулы: атакует атом углерода с тыла одновременно с ионизацией и образует циклический катион. Явление называют соседним участием или анхимерным содействием [2].

Самый известный пример — иприт, бис(2-хлорэтил)сульфид. Атом серы замещает соседний хлорид и образует трёхчленный сульфониевый катион; сольволиз ускоряется в тысячи раз по сравнению с обычным первичным хлоридом. Затем вода или другой нуклеофил раскрывают трёхчленный цикл. Поскольку здесь два последовательных обращения конфигурации, итоговое замещение идёт с сохранением конфигурации — ещё один признак соседнего участия. Похоже ведут себя 2-галогенэфиры, β-аминогалогениды (азотистые иприты), транс-2-ацетоксициклогексилтозилат, у которого карбонильный атом кислорода ацетата атакует соседний атом углерода.

Предельный случай соседнего участия — неклассические катионы, в которых «помогает» связь C–C или C–H. Самый знаменитый — 2-норборнил-катион: связь C1–C6 участвует в ионизации экзо-изомера, и образуется мостиковая частица с трёхцентровой двухэлектронной связью. Полвека химики спорили, существует ли такой катион или это быстро перескакивающие классические катионы; рентгеноструктурный анализ его соли в 2013 году подтвердил мостиковое строение [3].

23. Спирты и простые эфиры в S_N1

Спирты — важнейшие субстраты S_N1 в синтезе, но группа OH сама по себе не уходит. Её сначала протонируют сильной кислотой [1].

Механизм реакции трет-бутилового спирта с бромоводородом — три стадии. Сначала атом кислорода спирта присоединяет протон кислоты (быстрое равновесие). Затем протонированный спирт теряет молекулу воды и образуется карбокатион (медленная стадия). Наконец, бромид-ион присоединяется к катиону. Третичные спирты реагируют уже с концентрированной соляной кислотой при комнатной температуре, вторичные — медленнее и с перегруппировками, первичные — по S_N2 и только при нагревании.

Простые эфиры расщепляются галогеноводородами по тому же принципу: протонирование, затем уход спирта. Если одна из групп третичная, бензильная или аллильная, расщепление идёт по S_N1, и галоген оказывается у этой группы. Если обе группы первичные или метильные — по S_N2, и галогенид-ион атакует менее загороженную группу.

24. Разбор по шагам: четыре реакции

1. 2-Бром-2-метилбутан в этаноле при 25 °C. Третичный бромид, слабый нуклеофил, протонный растворитель — S_N1. Ионизация даёт 2-метилбутан-2-ил-катион; перегруппировка не нужна — катион уже третичный. Этанол присоединяется, протон уходит: 2-этокси-2-метилбутан. Побочно по E1 — 2-метилбут-2-ен (главный алкен по Зайцеву) и 2-метилбут-1-ен.

2. (S)-1-Хлор-1-фенилэтан в водном ацетоне. Вторичный бензильный хлорид: катион стабилизирован кольцом. Вода присоединяется к плоскому катиону с обеих сторон — получается 1-фенилэтанол с почти полной рацемизацией. Если в раствор добавить азид натрия, часть катионов перехватит азид-ион, и появится 1-азидо-1-фенилэтан, также почти рацемический.

3. 3-Метилбутан-2-ол и концентрированная соляная кислота. Протонирование, уход воды — вторичный катион. Гидридный сдвиг от соседнего атома даёт третичный катион, хлорид-ион присоединяется к нему: главный продукт — 2-хлор-2-метилбутан. Без перегруппировки (2-хлор-3-метилбутан) образуется лишь немного.

4. 1-Хлорбут-2-ен в воде. Аллильный хлорид ионизируется до аллильного катиона, заряд которого распределён между атомами C1 и C3. Вода присоединяется к обоим: бут-2-ен-1-ол и бут-3-ен-2-ол. Из 3-хлорбут-1-ена получается та же смесь — оба хлорида проходят через один катион.

25. S_N1 и S_N2: главное различие

S_N1 и S_N2 — два предельных пути одного и того же замещения. В S_N2 нуклеофил «выталкивает» уходящую группу в одной стадии, атакуя с тыла; скорость v = k[RX][Nu], конфигурация обращается, скелет не меняется, лучше всего реагируют метильные и первичные субстраты в апротонных растворителях. В S_N1 уходящая группа уходит сама, нуклеофил приходит потом; v = k[RX], конфигурация теряется, возможны перегруппировки, лучше всего реагируют третичные, аллильные и бензильные субстраты в протонных растворителях [1].

Почти всё, что ускоряет один механизм, замедляет другой. Поэтому для большинства субстратов ответ однозначен, а «спорными» остаются вторичные алкильные производные, для которых решают нуклеофил и растворитель. Подробный алгоритм выбора — в статье «S_N1 или S_N2: как определить механизм».

26. Карбокатионы в масс-спектрометрии

Где карбокатионы видны лучше всего, так это в масс-спектрах. При ионизации электронным ударом молекула теряет электрон и распадается на осколки, и положительно заряженные осколки — в основном карбокатионы — регистрирует прибор. Какие осколки получаются чаще, определяется той же устойчивостью катионов, что и в S_N1 [2].

В масс-спектре 2,2-диметилпропана почти нет пика молекулярного иона (m/z 72), зато самый сильный пик — m/z 57, трет-бутил-катион (CH₃)₃C⁺: молекула охотно теряет метильный радикал и превращается в устойчивый третичный катион. У алканов с разветвлённой цепью цепь рвётся преимущественно у разветвления — там, где образуется более замещённый катион. В спектрах алкилбензолов почти всегда есть пик m/z 91 — это перестроенный бензил-катион, тропилий C₇H₇⁺, ароматический и потому очень устойчивый. А сильный пик m/z 43 в спектрах кетонов и многих других веществ — ацетил-катион CH₃C≡O⁺, стабилизированный неподелённой парой атома кислорода.

Так масс-спектрометрия даёт независимое подтверждение ряда устойчивости карбокатионов и заодно помогает устанавливать строение веществ: по осколкам можно понять, где у молекулы разветвление.

27. S_N1 в лаборатории: практические советы

Если нужно провести замещение по S_N1 — например, получить третичный эфир, спирт или галогенид, — полезно помнить несколько правил [1].

• Растворитель — он же нуклеофил. Для третичного эфира берут соответствующий спирт, для спирта — водный ацетон или водный диоксан, для галогенида — концентрированную галогеноводородную кислоту.
• Температура — пониже. Нагревание ускоряет и S_N1, и E1, но E1 сильнее. Для продукта замещения реакцию ведут при комнатной температуре или чуть выше.
• Без сильных оснований. Алкоголят или щёлочь с третичным субстратом дадут в основном алкен по E2. Образующуюся кислоту при необходимости связывают слабым основанием (карбонатом кальция, пиридином в небольшом количестве).
• Хорошая уходящая группа. Если реакция идёт слишком медленно, хлорид заменяют бромидом или тозилатом, а спирт активируют кислотой; ион серебра помогает уйти галогенид-иону.
• Проверить продукт на перегруппировку. Если в субстрате возможен сдвиг к более устойчивому катиону, ожидайте перестроенный продукт и, если он не нужен, выбирайте условия S_N2.

Ход реакции удобно контролировать по образующейся кислоте: при гидролизе галогеналкана выделяется HX, и pH раствора или его электропроводность меняются пропорционально степени превращения. Так в лабораторных практикумах измеряют константу скорости гидролиза трет-бутилхлорида.

28. Конкуренция с E1

Карбокатион — общий интермедиат двух реакций. Он может присоединить нуклеофил (S_N1) или потерять протон соседнего атома углерода (E1) — тогда образуется алкен. Молекула растворителя в этом случае работает как основание. Поскольку медленная стадия у обоих путей одна и та же, их скорости связаны, и S_N1 почти всегда сопровождается E1 [2].

Соотношение продуктов зависит прежде всего от температуры. При отщеплении из одной частицы образуются две, энтропия растёт, и при нагревании отщепление выигрывает. Сольволиз трет-бутилхлорида в 80 % этаноле при 25 °C даёт около 80 % продуктов замещения и около 20 % 2-метилпропена; при кипячении доля алкена заметно больше. Слабонуклеофильная среда (концентрированная серная или фосфорная кислота) тоже благоприятствует E1 — так получают алкены дегидратацией спиртов. При E1 образуется в основном более замещённый алкен (по правилу Зайцева).

Чтобы получить именно продукт замещения, реакцию ведут при невысокой температуре и в среде с достаточно сильным, но неосновным нуклеофилом (вода, спирт, галогенид-ион в кислоте). Подробно об отщеплении — в статье «Нуклеофильное замещение и отщепление».

29. S_N1 в природе и в промышленности

Карбокатионная химия лежит в основе биосинтеза терпенов — самого большого класса природных веществ (более 80 000 соединений). Все они начинаются с ионизации аллильных дифосфатов: геранилдифосфата (для монотерпенов), фарнезилдифосфата (для сесквитерпенов), геранилгеранилдифосфата (для дитерпенов). Дифосфат — отличная уходящая группа, а аллильный катион устойчив [1].

геранилдифосфат

геранил-катион (аллильный)

Ферменты-терпенсинтазы ионизуют дифосфат и затем «ведут» катион по цепочке циклизаций и перегруппировок, удерживая его в нужной форме внутри активного центра. Из одного геранил-катиона разные ферменты получают лимонен апельсиновой кожуры, α-пинен скипидара, ментол мяты, камфору. Холестерин и стероидные гормоны образуются похожим путём — каскадной катионной циклизацией сквалена.

В промышленности S_N1 используют реже, чем S_N2, но карбокатионы — основа многих крупных процессов. Алкилирование изобутана бутенами на серной кислоте даёт изооктан для бензина через трет-бутил-катион. Каталитический крекинг и изомеризация алканов на кислотных цеолитах идут через карбокатионы. Метил-трет-бутиловый эфир (добавка к бензину) получают присоединением метанола к 2-метилпропену на кислотном катализаторе — через тот же трет-бутил-катион.

В лабораторном синтезе S_N1 полезен там, где S_N2 невозможен: для получения третичных эфиров, спиртов и галогенидов, для снятия защитных групп (трет-бутоксикарбонильной, тритильной, трет-бутиловых эфиров) кислотами. Тритильную группу (C₆H₅)₃C– в химии нуклеотидов снимают слабой кислотой именно потому, что трифенилметил-катион очень устойчив и образуется легко.

30. Практикум

Прежде чем перейти к заданиям, выполните три упражнения. Ответы — в раскрывающихся блоках.

Упражнение 1. Нарисуйте механизм

Нарисуйте механизм метанолиза 2-хлор-2-метилпропана со всеми стрелками и промежуточными частицами.

Ответ

Стадия 1 (медленно): связь C–Cl разрывается, образуются трет-бутил-катион и хлорид-ион. Стадия 2: неподелённая пара атома кислорода метанола образует связь с катионом, получается протонированный эфир. Стадия 3: протон уходит (его забирает вторая молекула метанола). Продукт — 2-метокси-2-метилпропан; побочно по E1 — 2-метилпропен.

Упражнение 2. Будет ли перегруппировка?

2-Хлор-3-метилбутан нагрели в воде. Какой спирт получится главным?

2-хлор-3-метилбутан в воде

Ответ

гидридный сдвиг → 2-метилбутан-2-ол (главный продукт)

После ионизации образуется вторичный катион. У соседнего атома C3 есть атом водорода, и его переход к катионному центру (гидридный сдвиг) даёт третичный катион. Вода присоединяется в основном к нему: главный продукт — 2-метилбутан-2-ол, а не 3-метилбутан-2-ол.

Упражнение 3. Расположите катионы по устойчивости

Расположите по устойчивости катионы: этил, изопропил, трет-бутил, аллил, трифенилметил.

Ответ

1

2

3–4

3–4

5

Трифенилметил (заряд распределён по трём кольцам) > трет-бутил (три алкильные группы) > аллил ≈ изопропил (сопряжение с двойной связью или две алкильные группы) > этил (одна алкильная группа).

31. Типичные ошибки

Самая частая ошибка в механизме — изображать атаку нуклеофила на исходный галогенид, как в S_N2. В S_N1 сначала уходит уходящая группа, и только потом нуклеофил атакует катион. Вторая — включать концентрацию нуклеофила в уравнение скорости: v = k[RX], нуклеофил в медленной стадии не участвует. Третья — забывать отрыв протона, когда нуклеофил — вода или спирт: продукт присоединения воды к катиону — оксониевый ион, а не спирт.

В продукте ошибаются, рисуя один стереоизомер вместо смеси, и забывая проверить перегруппировку. В реакциях спиртов ошибочно изображают уход гидроксид-иона: уходит молекула воды из протонированного спирта. И наконец, забывают о конкурирующем отщеплении: при нагревании E1 может дать главный продукт.

Частые вопросы

Почему первичные галогениды не реагируют по S_N1? Первичный карбокатион слишком неустойчив: у него только одна алкильная группа для сверхсопряжения. Энергия его образования в растворе так велика, что реакция идёт быстрее по другому пути — S_N2. Исключения — первичные аллильные, бензильные и α-алкоксиалкильные субстраты, катионы которых стабилизированы сопряжением.

Почему скорость S_N1 не зависит от нуклеофила? Потому что медленная стадия — ионизация — проходит без нуклеофила. Он присоединяется потом, к уже готовому катиону, и эта стадия очень быстрая. Ускорить её бесполезно: «пробка» — в первой стадии.

Почему продукт S_N1 не полностью рацемичен? Из-за ионных пар: сразу после ионизации уходящая группа ещё рядом с катионом и закрывает одну его сторону. Нуклеофил, подошедший в этот момент, атакует с противоположной стороны, и продукта с обращением получается немного больше.

Чем интермедиат отличается от переходного состояния? Интермедиат (карбокатион) — частица в энергетической ямке, она живёт конечное время и в принципе наблюдаема. Переходное состояние — вершина энергетической кривой, «мгновенная» конфигурация, выделить или наблюдать её нельзя. У S_N1 два переходных состояния и один интермедиат, у S_N2 — одно переходное состояние и ни одного интермедиата.

Почему сольволиз идёт лучше в воде, чем в этаноле? Вода полярнее и лучше сольватирует ионы: и катион (неподелёнными парами), и анион (водородными связями). Переходное состояние ионизации, в котором уже разделены заряды, стабилизировано сильнее, и барьер ниже.

Может ли карбокатион перестроиться несколько раз? Может, если каждая перегруппировка даёт более устойчивый катион. В терпенах и стероидах цепочки из нескольких сдвигов и циклизаций — обычное дело. Но в простых субстратах катион обычно перестраивается один раз — до третичного — и затем перехватывается нуклеофилом.

Почему трифенилметил-катион окрашен? Положительный заряд распределён по трём кольцам, и π-система катиона большая, поэтому он поглощает видимый свет. Растворы его солей ярко-жёлтые. Похожая сопряжённая система есть в красителях трифенилметанового ряда — кристаллическом фиолетовом, малахитовом зелёном.

Можно ли остановить реакцию на стадии карбокатиона? В обычных растворителях — нет: нуклеофилов слишком много. В суперкислотах (SbF₅ в SO₂ClF при −78 °C) простые катионы живут долго, и их изучают спектрами ЯМР; так Ола показал, что трет-бутил-катион плоский. А очень устойчивые катионы — трифенилметильный, тропилиевый — образуют соли, которые можно выделить и хранить.

Почему у S_N1 такой большой разброс скоростей? Потому что энергия переходного состояния почти целиком определяется устойчивостью катиона, а она меняется на сотни кДж/моль от метильного к третичному и сопряжённым катионам. Каждые 5,7 кДж/моль меняют скорость в десять раз, и разница в 45 кДж/моль — это уже восемь порядков.

Бывает ли S_N1 в газовой фазе? Нет: без растворителя ионы не стабилизированы, и разделение зарядов требует огромной энергии. Все реакции S_N1 — реакции в растворе, и растворитель в них — полноправный участник.

Можно ли по скорости отличить S_N1 от соседнего участия? Да: при соседнем участии скорость намного выше ожидаемой для данного катиона, а конфигурация продукта сохраняется (два обращения), а не теряется. Кроме того, вместо перегруппированного продукта получается продукт, в котором нуклеофил занял место уходящей группы или соседнего атома — в зависимости от того, какой атом цикла он атакует.

Что нужно знать к ЕГЭ

Механизм S_N1 в кодификаторе ЕГЭ по химии не назван [12], но реакции, которые по нему идут, встречаются в заданиях:

• третичные спирты реагируют с галогеноводородами легче первичных и вторичных: (CH₃)₃COH + HCl → (CH₃)₃CCl + H₂O;
• галогеналканы гидролизуются водой и водными растворами щелочей с образованием спиртов;
• при нагревании спиртов с концентрированной серной кислотой образуются алкены (внутримолекулярная дегидратация) — это родственный механизм E1;
• продукты присоединения к алкенам по правилу Марковникова объясняются устойчивостью более замещённого карбокатиона — того же интермедиата, что и в S_N1.

Для олимпиад

Кинетика первого порядка. ln([RX]₀/[RX]) = kt; t_1/2 = ln 2/k. Если реакцию ведут кондуктометрически (растёт концентрация ионов H⁺ и X⁻), удобно измерять долю превращения по электропроводности. Энергию активации находят из зависимости k от температуры (уравнение Аррениуса): у сольволиза трет-бутилхлорида в воде E_a около 100 кДж/моль.

Уравнение Грюнвальда — Уинстейна. lg(k/k₀) = mY. Для трет-бутилхлорида m = 1 по определению, для типичных S_N1-субстратов m = 0,8–1,2, для S_N2-субстратов — 0,2–0,4. С учётом нуклеофильности растворителя N уравнение расширяют: lg(k/k₀) = lN + mY [6].

Уравнение Брауна — Окамото. lg(k/k₀) = ρσ⁺. Большое отрицательное ρ (для кумилхлоридов около −4,5) указывает на развитый положительный заряд в переходном состоянии, ρ около −1 — на S_N2 с «рыхлым» переходным состоянием [8].

Эффект общего иона и закон действия масс. Если катион R⁺ может вернуться в RX (константа k₋₁) или перехватиться растворителем (k₂), наблюдаемая константа k = k₁k₂/(k₋₁[X⁻] + k₂). При малых [X⁻] k ≈ k₁; добавка X⁻ уменьшает k. По зависимости 1/k от [X⁻] находят отношение k₋₁/k₂ — меру избирательности катиона.

Неклассические катионы. 2-Норборнил-катион, по данным ЯМР и рентгеноструктурного анализа (Шольц и др., 2013), имеет мостиковое строение: положительный заряд распределён между тремя атомами углерода через трёхцентровую двухэлектронную связь. Многолетний спор Брауна и Уинстейна о его природе закончился в пользу мостиковой структуры. Экзо-2-норборнилтозилат сольволизуется в 350 раз быстрее эндо-изомера — признак участия связи C1–C6 в ионизации.

Задания с разбором

Задание 1

Напишите механизм гидролиза 2-бром-2-метилпропана в водном ацетоне. Какая стадия определяет скорость?

Разбор

ионизация определяет скорость

Ионизация (медленно) → трет-бутил-катион + Br⁻; присоединение воды → (CH₃)₃C–OH₂⁺; отрыв протона второй молекулой воды → 2-метилпропан-2-ол + H₃O⁺. Скорость определяет первая стадия.

Задание 2

Как изменится скорость сольволиза 2-хлор-2-метилпропана в этаноле, если: а) удвоить концентрацию субстрата; б) добавить этилат натрия (0,1 моль/л); в) разбавить этанол водой?

Разбор

а) Удвоится (первый порядок по субстрату). б) Скорость S_N1 почти не изменится, но появится E2 — образуется больше 2-метилпропена. в) Вырастет: вода лучше сольватирует ионы (выше Y).

Задание 3

Расположите в порядке уменьшения скорости сольволиза в водном этаноле: 2-бромпропан, 2-бром-2-метилпропан, бромэтан, 3-бромпроп-1-ен (аллилбромид).

Разбор

по устойчивости катионов

2-Бром-2-метилпропан > 3-бромпроп-1-ен ≈ 2-бромпропан > бромэтан — по устойчивости катионов: третичный > аллильный ≈ вторичный > первичный.

Задание 4

Какой из двух хлоридов быстрее гидролизуется в воде: 2-хлор-2-метилпропан или 1-хлор-1-метоксиметан (хлорметилметиловый эфир)? Объясните.

Разбор

катион стабилизирован неподелённой парой кислорода

Хлорметилметиловый эфир, хотя формально первичный: его катион CH₃O–CH₂⁺ ↔ CH₃O⁺=CH₂ стабилизирован неподелённой парой атома кислорода сильнее, чем трет-бутил-катион — метильными группами.

Задание 5

(R)-3-Бром-3-метилгексан растворили в метаноле. Какие продукты образуются? Будет ли смесь оптически активной?

Разбор

(S) → смесь (R) и (S)

Через плоский катион образуется почти рацемическая смесь (R)- и (S)-3-метокси-3-метилгексана, оптическая активность почти исчезает (небольшой избыток (S) — продукта обращения — из-за ионных пар). Побочно по E1 — 3-метилгекс-2-ен и 3-метилгекс-3-ен.

Задание 6

Почему 1-бромбицикло[2.2.1]гептан практически не реагирует в условиях сольволиза, хотя его атом брома связан с третичным атомом углерода?

Разбор

узловой атом не может стать плоским

Узловой атом не может стать плоским: каркас удерживает его связи в пирамидальном положении, и пустая p-орбиталь не образуется. Катион крайне неустойчив, S_N1 замедлен примерно в 10¹³ раз; S_N2 тоже невозможен — тыл закрыт каркасом.

Задание 7

Какой спирт главным образуется при гидролизе 2-бром-3,3-диметилбутана в водном ацетоне?

Разбор

метильный сдвиг → 2,3-диметилбутан-2-ол

Вторичный катион перестраивается метильным сдвигом в третичный, вода присоединяется к нему: 2,3-диметилбутан-2-ол.

Задание 8

При нагревании (хлорметил)циклобутана в воде образуется циклопентанол. Предложите механизм.

Разбор

расширение цикла

Ионизация даёт первичный циклобутилметил-катион (или идёт с участием связи кольца). Связь кольца переходит к катионному центру — цикл расширяется до пятичленного, образуется вторичный циклопентил-катион, к которому присоединяется вода. Выигрыш — и устойчивость вторичного катиона, и снятие напряжения цикла.

Задание 9

Объясните, почему трет-бутиловый спирт реагирует с концентрированной соляной кислотой при комнатной температуре, а бутан-1-ол — нет.

Разбор

третичный катион

первичный катион не образуется

Протонированный трет-бутиловый спирт теряет воду и даёт устойчивый третичный катион (S_N1). Протонированный бутан-1-ол дал бы первичный катион, что невыгодно; S_N2 с хлорид-ионом в воде идёт очень медленно — нужны нагревание и ZnCl₂.

Задание 10

Сольволиз дифенилметилхлорида в водном ацетоне замедляется при добавлении хлорида лития, но ускоряется при добавлении перхлората лития. Объясните оба эффекта.

Разбор

Cl⁻ возвращает катион назад; ClO₄⁻ — нет

Хлорид лития — эффект общего иона: хлорид-ионы возвращают часть долгоживущих дифенилметил-катионов в исходный хлорид. Перхлорат лития — солевой эффект: ионная среда стабилизирует переходное состояние ионизации, в котором разделены заряды; перхлорат-ион к катиону почти не присоединяется.

Задание 11

Предложите механизм расщепления трет-бутилметилового эфира иодоводородной кислотой. Какие продукты образуются?

Разбор

S_N1 через трет-бутил-катион

Протонирование атома кислорода, уход метанола (медленно) с образованием трет-бутил-катиона, присоединение иодид-иона. Продукты: 2-иод-2-метилпропан и метанол (при избытке HI метанол далее превращается в иодметан по S_N2).

Задание 12

Константа скорости гидролиза 2-хлор-2-метилпропана в 80 % этаноле при 25 °C равна 9,1·10⁻⁶ с⁻¹. Найдите период полупревращения и время превращения 90 % вещества.

Разбор

t₁/₂ ≈ 21 ч, 90 % — за 70 ч

t_1/2 = 0,693 / 9,1·10⁻⁶ ≈ 7,6·10⁴ с ≈ 21 ч. Время 90 %: t = ln 10 / k = 2,303 / 9,1·10⁻⁶ ≈ 2,5·10⁵ с ≈ 70 ч.

Задание 13 (олимпиадное)

Ионизирующая сила воды Y = 3,49, этанола Y = −2,03. Во сколько раз быстрее гидролизуется трет-бутилхлорид в воде, чем в этаноле? Для субстрата с m = 0,3 какова была бы та же разница?

Разбор

lg(k_вода/k_EtOH) = 1 · (3,49 + 2,03) = 5,52 — примерно в 3,3·10⁵ раз. При m = 0,3: 0,3 · 5,52 = 1,66 — примерно в 45 раз. Малая чувствительность к ионизирующей силе — признак S_N2.

Задание 14 (олимпиадное)

Сольволиз кумилхлорида с пара-метоксигруппой (σ⁺ = −0,78) при ρ = −4,54 идёт быстрее, чем у незамещённого кумилхлорида. Во сколько раз? А с мета-нитрогруппой (σ⁺ = 0,67)?

Разбор

p-CH₃O

m-NO₂

lg(k/k₀) = −4,54 · (−0,78) = 3,54 — быстрее примерно в 3500 раз. Для m-NO₂: −4,54 · 0,67 = −3,04 — медленнее примерно в 1100 раз.

Задание 15 (олимпиадное)

Оптически активный 2-октилтозилат сольволизуется в уксусной кислоте, и при этом исходный тозилат, выделенный до окончания реакции, оказывается частично рацемизованным. Объясните.

Разбор

обратимая ионизация — внутренний возврат

Ионизация обратима: контактная ионная пара R⁺ TsO⁻ может снова соединиться — в том числе тозилат-ион присоединяется с другой стороны катиона. Так образуется исходный тозилат с обращённой конфигурацией (внутренний возврат), и он рацемизуется быстрее, чем расходуется на продукт.

Задание 16 (олимпиадное)

Сольволиз экзо-2-норборнилтозилата в уксусной кислоте идёт в 350 раз быстрее, чем эндо-изомера, и из оптически активного экзо-изомера получается рацемический экзо-ацетат. Как это объясняет мостиковое (неклассическое) строение 2-норборнил-катиона?

Разбор

через мостиковый катион — рацемический экзо-ацетат

У экзо-изомера связь C1–C6 антиперипланарна уходящей группе и участвует в ионизации, образуя мостиковый катион, в котором заряд распределён по C1, C2 и C6; это ускоряет реакцию. Мостиковый катион симметричен (имеет плоскость симметрии), атака уксусной кислоты по C1 и C2 равновероятна и идёт с экзо-стороны — получается рацемический экзо-ацетат.

Литература

1. Clayden J., Greeves N., Warren S. Organic Chemistry. 2nd ed. Oxford: Oxford University Press, 2012.
2. Smith M. B. March's Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure. 8th ed. Hoboken: Wiley, 2020.
3. Olah G. A. My search for carbocations and their role in chemistry (Nobel lecture) // Angewandte Chemie International Edition in English. 1995. Vol. 34. P. 1393–1405.
4. Meerwein H., van Emster K. Über die Gleichgewichtsisomerie zwischen Bornylchlorid, Isobornylchlorid und Camphenchlorhydrat // Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1922. Bd. 55. S. 2500–2528.
5. Hughes E. D., Ingold C. K. Mechanism of substitution at a saturated carbon atom. Part IV. A discussion of constitutional and solvent effects on the mechanism, kinetics, velocity, and orientation of substitution // Journal of the Chemical Society. 1935. P. 244–255.
6. Grunwald E., Winstein S. The correlation of solvolysis rates // Journal of the American Chemical Society. 1948. Vol. 70. P. 846–854.
7. Winstein S., Clippinger E., Fainberg A. H., Robinson G. C. Salt effects and ion-pairs in solvolysis // Journal of the American Chemical Society. 1954. Vol. 76. P. 2597–2598.
8. Brown H. C., Okamoto Y. Electrophilic substituent constants // Journal of the American Chemical Society. 1958. Vol. 80. P. 4979–4987.
9. Anslyn E. V., Dougherty D. A. Modern Physical Organic Chemistry. Sausalito: University Science Books, 2006.
10. Streitwieser A. Solvolytic displacement reactions at saturated carbon atoms // Chemical Reviews. 1956. Vol. 56. P. 571–752.
11. Reichardt C., Welton T. Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry. 4th ed. Weinheim: Wiley-VCH, 2011.
12. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по химии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.