Нуклеофильное замещение и отщепление: механизмы SN1, SN2, E1 и E2

Галогеналкан — один из самых «отзывчивых» классов органических веществ. Достаточно добавить к нему подходящий реагент, и атом галогена либо заменится другой группой, либо уйдёт вместе с соседним атомом водорода, оставив в молекуле двойную связь. Первое называют замещением, второе — отщеплением (элиминированием). Из одного и того же 2-бромбутана можно получить спирт, простой эфир, нитрил, тиоэфир или один из трёх изомерных бутенов — всё зависит от того, чем и в каких условиях на него подействовать.

Ниже разобраны четыре механизма этих реакций — S_N2, S_N1, E2 и E1: как они идут, почему одни субстраты реагируют по одному пути, а другие по другому, как влияют реагент, растворитель и температура, что происходит со стереохимией и когда углеродный скелет перестраивается. В конце — алгоритм выбора механизма, упражнения и задания с ответами в виде схем и формул. О пространственном строении продуктов — в статьях «R- и S-конфигурация» и «Проекции Ньюмена».

• Два пути: замещение и отщепление
• Как изучали механизмы
• Галогеналканы: строение и классы
• Нуклеофил, основание, уходящая группа
• Механизм S_N2
• Как правильно рисовать стрелки механизма
• От чего зависит скорость S_N2
• Растворитель
• Энергия, скорость и постулат Хэммонда
• Как устанавливают механизм на опыте
• Механизм S_N1
• Устойчивость карбокатионов
• Стереохимия S_N1
• Перегруппировки карбокатионов
• Механизм E2
• Антиперипланарность и стереохимия E2
• Правило Зайцева и продукт Гофмана
• Отщепление в циклах
• Механизм E1
• Замещение или отщепление?
• Алгоритм выбора механизма
• Спирты, тозилаты и другие субстраты
• Аллильные, бензильные, винильные и арильные галогениды
• Разбор по шагам: четыре реакции
• Замещение в живой клетке
• Замещение и отщепление в синтезе
• Практикум
• Типичные ошибки
• Частые вопросы
• Что нужно знать к ЕГЭ
• Для олимпиад
• Задания с разбором

1. Два пути: замещение и отщепление

Возьмём 2-бромбутан и подействуем на него двумя похожими солями: метантиолятом натрия CH₃SNa и этилатом натрия C₂H₅ONa. В обоих случаях реагент — анион с неподелённой парой электронов. Но результат разный. Метантиолят-ион замещает атом брома: получается 2-(метилсульфанил)бутан. Этилат-ион при нагревании отрывает атом водорода от соседнего атома углерода, бром уходит, и образуется бут-2-ен. Почему так — главный вопрос этой статьи.

В реакции замещения одна группа (уходящая) заменяется другой: R–X + Nu⁻ → R–Nu + X⁻. Реагент, который приносит новую группу и отдаёт ей пару электронов для связи с атомом углерода, называют нуклеофилом (от лат. nucleus — ядро и греч. phileo — люблю: «любящий положительный заряд»). Поэтому такое замещение называют нуклеофильным и обозначают S_N (substitution nucleophilic).

В реакции отщепления (элиминирования, обозначение E) от двух соседних атомов углерода уходят уходящая группа и атом водорода, а между этими атомами образуется двойная связь. Реагент здесь работает не как нуклеофил, а как основание: он связывается с протоном. Одна и та же частица может быть и нуклеофилом, и основанием, и то, какую роль она сыграет, зависит от её свойств и от строения субстрата.

У каждого из двух путей есть два варианта механизма. Если разрыв старой связи и образование новой происходят одновременно, в одну стадию, механизм обозначают цифрой 2 (бимолекулярный: в медленной стадии участвуют две частицы). Если сначала уходит уходящая группа и образуется карбокатион, а уже потом присоединяется нуклеофил или отщепляется протон, механизм обозначают цифрой 1 (мономолекулярный). Получаются четыре механизма: S_N2, S_N1, E2 и E1 [1, 2].

2. Как изучали механизмы

Первые закономерности были чисто опытными. В 1851 году Август Вильгельм Гофман заметил, что при разложении гидроксидов тетраалкиламмония образуется наименее замещённый алкен. В 1875 году Александр Михайлович Зайцев в Казани, изучая отщепление иодоводорода от иодалканов, сформулировал противоположное, но не противоречащее правило: из галогеналканов образуется в основном наиболее замещённый алкен [3]. Оба правила верны — каждое для своих условий, и позже стало понятно почему.

В 1896 году рижский химик Пауль Вальден обнаружил, что цепочкой реакций замещения можно превратить один энантиомер хлорянтарной кислоты в другой [4]. Значит, при замещении конфигурация атома углерода может «выворачиваться». Этот эффект назвали вальденовским обращением, но объяснить его тогда не могли.

Объяснение дали Эдвард Хьюз и Кристофер Ингольд в Лондоне в 1930-е годы. Измеряя скорости реакций галогеналканов с разными нуклеофилами, они нашли два типа кинетики. Для метил- и первичных галогенидов скорость пропорциональна концентрациям и субстрата, и нуклеофила; для третичных — только концентрации субстрата. Хьюз и Ингольд связали это с двумя механизмами, ввели обозначения S_N1 и S_N2, а позже E1 и E2, и показали, что S_N2 всегда идёт с обращением конфигурации [5]. Ингольду принадлежат и сами слова «нуклеофил» и «электрофил».

Карбокатионы, которые в схемах Хьюза и Ингольда были гипотетическими частицами, удалось увидеть в 1960-е годы. Джордж Ола получил их в «суперкислотах» (смесях SbF₅ с HF или FSO₃H), где они живут достаточно долго для записи спектров ЯМР [6]. В 1994 году он получил за это Нобелевскую премию по химии.

3. Галогеналканы: строение и классы

Атом галогена электроотрицательнее атома углерода, поэтому связь C–X полярна: на атоме углерода частичный положительный заряд δ+, на галогене δ−. Атом углерода, связанный с галогеном, — электрофильный центр, к нему стремятся частицы с неподелённой парой. Сама связь C–X ослабевает от фтора к иоду: энергии связей C–F, C–Cl, C–Br, C–I около 485, 340, 285 и 215 кДж/моль. Поэтому иодалканы реагируют быстрее всех, а фторалканы почти инертны в реакциях замещения.

метил

первичный

вторичный

третичный

α- и β-атомы 2-бромбутана

Галогеналканы классифицируют по атому углерода, связанному с галогеном. Его называют α-атомом. Если α-атом связан с одним атомом углерода, галогенид первичный, с двумя — вторичный, с тремя — третичный; бромметан CH₃Br — отдельный случай. Атомы углерода рядом с α-атомом — β-атомы, и именно их атомы водорода уходят при отщеплении. Как мы увидим, класс галогенида почти полностью определяет, какой механизм возможен.

Кроме галогеналканов, в эти реакции вступают и другие соединения с хорошими уходящими группами: эфиры сульфокислот (тозилаты, мезилаты), протонированные спирты, соли сульфония и аммония. Рассуждения для них те же; меняется только уходящая группа.

4. Нуклеофил, основание, уходящая группа

Нуклеофильность — способность частицы образовывать связь с атомом углерода, а основность — с протоном. Эти свойства часто идут вместе: обе требуют доступной неподелённой пары. Но совпадают они не всегда. Основность — термодинамическое свойство, его измеряют константой равновесия (pK_a сопряжённой кислоты). Нуклеофильность — кинетическое, её измеряют скоростью реакции.

Из этой разницы вытекают важные следствия. Иодид-ион — очень слабое основание (HI — сильнейшая кислота), но прекрасный нуклеофил: его большое, легко поляризуемое электронное облако хорошо перекрывается с орбиталью атома углерода уже на большом расстоянии. То же относится к тиолят-ионам RS⁻ и к цианид-иону. Наоборот, трет-бутилат-ион (CH₃)₃CO⁻ — сильное основание, но плохой нуклеофил: к атому углерода, окружённому другими группами, громоздкому иону не подобраться, а маленький протон на краю молекулы доступен всегда.

Отсюда грубое, но очень полезное деление реагентов на группы. Хорошие нуклеофилы и слабые основания (I⁻, Br⁻, RS⁻, CN⁻, N₃⁻, RCOO⁻) дают в основном замещение. Сильные основания (OH⁻, RO⁻, особенно объёмные — трет-бутилат, ДБУ, диизопропиламид лития) дают отщепление, если это позволяет субстрат. Слабые нуклеофилы и слабые основания (вода, спирты, карбоновые кислоты) реагируют только с теми субстратами, которые могут сами образовать карбокатион, — по механизмам S_N1 и E1.

Уходящая группа уносит пару электронов связи и становится анионом или нейтральной молекулой. Хорошо уходят те группы, которые устойчивы в виде аниона, — то есть слабые основания. Удобный критерий — сила сопряжённой кислоты: чем она сильнее, тем лучше уходит анион [7].

Иодид, бромид и тозилат — отличные уходящие группы, хлорид — хорошая, фторид — плохая. Гидроксид-, алкоксид- и амид-ионы не уходят вовсе: это сильные основания. Поэтому спирты не реагируют с бромид-ионом в нейтральной среде, но реагируют в кислой: протонированная группа –OH₂⁺ уходит в виде нейтральной молекулы воды, а вода — очень слабое основание.

5. Механизм S_N2

В механизме S_N2 всё происходит в одну стадию. Нуклеофил подходит к атому углерода с тыла — со стороны, противоположной уходящей группе, — и начинает образовывать с ним связь. Одновременно связь углерода с уходящей группой ослабевает и рвётся. Электроны «перетекают» от нуклеофила к уходящей группе через атом углерода.

Почему атака именно с тыла? Нуклеофил отдаёт свою пару электронов на свободную разрыхляющую орбиталь σ*(C–X). Эта орбиталь направлена от атома углерода в сторону, противоположную атому галогена: её большая доля — за атомом углерода. Атака с фронта, со стороны галогена, потребовала бы перекрывания с узловой областью орбитали и столкнулась бы с отталкиванием от электронов самого галогена [7, 1].

В середине пути молекула проходит через переходное состояние: атом углерода связан частичными связями и с нуклеофилом, и с уходящей группой, они лежат на одной прямой, а три остальных заместителя — в плоскости, перпендикулярной этой прямой, как спицы раскрытого зонтика. Это не интермедиат, который можно выделить, а вершина энергетической кривой. Затем «зонтик» выворачивается в другую сторону: три заместителя оказываются по ту сторону от атома углерода, где раньше была уходящая группа. Поэтому S_N2 всегда идёт с обращением конфигурации: из (R)-2-бромбутана получается (S)-бутан-2-ол.

Поскольку в единственной стадии участвуют и субстрат, и нуклеофил, скорость пропорциональна концентрации обоих: v = k[RX][Nu⁻]. Это кинетика второго порядка, отсюда и цифра 2 в названии. Если удвоить концентрацию нуклеофила, реакция пойдёт вдвое быстрее — простой опытный признак механизма S_N2.

6. Как правильно рисовать стрелки механизма

Механизм записывают изогнутыми стрелками, и у этой записи строгие правила. Стрелка показывает движение пары электронов: она начинается там, где электроны есть (неподелённая пара или связь), и заканчивается там, куда они переходят (атом, на котором образуется новая неподелённая пара, или место новой связи между двумя атомами). Стрелка никогда не начинается на положительном заряде или на атоме водорода: у протона нет электронов, «двигается» не он, а пара, которая его захватывает [1].

В S_N2 нужны две стрелки: от неподелённой пары нуклеофила к атому углерода (образуется связь Nu–C) и от связи C–X к атому X (связь рвётся, пара уходит с галогеном). В E2 — три: от пары основания к атому водорода, от связи C–H к связи C–C (образуется π-связь) и от связи C–X к атому X. В S_N1 первая стадия — одна стрелка от связи C–X к X, вторая — от пары нуклеофила к катионному атому углерода.

Полезная проверка: подсчитайте заряды до и после каждой стадии — суммарный заряд не меняется. И проверьте, что ни у одного атома второго периода не оказалось больше восьми электронов: если стрелка «приводит» пятую связь к атому углерода, должна быть и стрелка, которая одну из его связей разрывает. Именно поэтому в S_N2 образование новой связи и разрыв старой происходят одновременно.

7. От чего зависит скорость S_N2

Строение субстрата. Главный фактор — пространственные затруднения у α-атома. Чтобы нуклеофил подошёл с тыла, ему нужен свободный доступ. У бромметана атом углерода окружён только тремя маленькими атомами водорода, у первичного бромида один из них заменён на алкильную группу, у вторичного — два, у третичного — все три. Скорость падает очень резко [8].

Особенно показателен неопентилбромид (CH₃)₃CCH₂Br. Формально он первичный, но объёмная трет-бутильная группа рядом с α-атомом загораживает тыл, и S_N2 идёт в сто тысяч раз медленнее, чем у этилбромида. Третичные галогениды по механизму S_N2 практически не реагируют: тыл закрыт тремя алкильными группами.

Нуклеофил. Отрицательно заряженный нуклеофил сильнее нейтрального того же атома (HO⁻ сильнее H₂O, CH₃O⁻ — CH₃OH). В пределах одного периода нуклеофильность растёт вместе с основностью: NH₂⁻ > HO⁻ > F⁻. В пределах группы в протонных растворителях нуклеофильность растёт сверху вниз: I⁻ > Br⁻ > Cl⁻ > F⁻, HS⁻ > HO⁻. Объёмные заместители у атома-нуклеофила резко снижают его активность.

Уходящая группа. Чем лучше уходящая группа, тем ниже переходное состояние: в нём связь с уходящей группой уже наполовину разорвана. Для бромидов реакция идёт примерно в 50 раз быстрее, чем для хлоридов, и в несколько раз медленнее, чем для иодидов. Фториды в S_N2 почти не реагируют.

Классический пример использования этих закономерностей — реакция Финкельштейна. Хлор- или бромалкан нагревают с иодидом натрия в ацетоне. Иодид-ион — сильный нуклеофил, замещение идёт по S_N2, а образующийся хлорид или бромид натрия в ацетоне не растворяется и выпадает в осадок. Равновесие сдвигается, и иодалкан получается с хорошим выходом. Осадок служит и качественной пробой: по скорости его появления можно судить о скорости S_N2.

8. Растворитель

Растворитель влияет на замещение сильнее, чем кажется на первый взгляд. Различают три типа растворителей.

Полярные протонные растворители (вода, спирты, карбоновые кислоты) имеют атомы водорода, связанные с кислородом или азотом. Они образуют водородные связи с анионами и окружают их плотной «шубой» из молекул растворителя. Нуклеофилу, чтобы атаковать атом углерода, приходится сначала частично сбросить эту шубу, и его активность падает. Сильнее всего сольватированы маленькие анионы с высокой плотностью заряда — F⁻, HO⁻; поэтому в воде и спиртах I⁻ оказывается лучшим нуклеофилом, чем F⁻.

Полярные апротонные растворители (ацетон, диметилсульфоксид ДМСО, диметилформамид ДМФА, ацетонитрил) хорошо растворяют соли благодаря сольватации катионов, но анионы сольватируют слабо — у них нет атомов водорода для водородных связей. Анион остаётся почти «голым» и очень активным. В ДМСО реакции S_N2 идут в сотни и тысячи раз быстрее, чем в метаноле, и порядок нуклеофильности галогенидов может даже обращаться: F⁻ становится сильнее I⁻ [9].

Для S_N1 ситуация обратная. В медленной стадии образуются ионы — карбокатион и анион уходящей группы, и полярный протонный растворитель стабилизирует их обоих: катион — неподелёнными парами кислорода, анион — водородными связями. Поэтому S_N1 лучше всего идёт в воде, спиртах, муравьиной кислоте; там же идёт и сольволиз — реакция, в которой нуклеофилом служит сам растворитель.

9. Энергия, скорость и постулат Хэммонда

Чтобы понимать, почему один механизм выигрывает у другого, полезно мыслить энергетическими профилями. Скорость стадии определяет энергия активации — высота вершины над исходным состоянием. Связь между ними даёт уравнение Эйринга: k = (k_BT/h)·exp(−ΔG^‡/RT), где k_BT/h ≈ 6·10¹² с⁻¹ при 25 °C. Каждые 5,7 кДж/моль энергии активации меняют скорость в десять раз. Поэтому разница в 17 кДж/моль — это уже тысячекратная разница скоростей, и одна из конкурирующих реакций практически «выключается».

Как оценить энергию переходного состояния, если его нельзя выделить? Помогает постулат Хэммонда (1955): переходное состояние похоже по строению и энергии на ту частицу, к которой оно ближе по энергии. Для сильно эндотермической стадии — ионизации в S_N1 — переходное состояние близко к карбокатиону. Значит, всё, что стабилизирует карбокатион (алкильные группы, сопряжение, полярный растворитель), стабилизирует и переходное состояние и ускоряет реакцию. Именно поэтому ряд скоростей S_N1 повторяет ряд устойчивости карбокатионов [7].

Тот же принцип объясняет правило Зайцева. Переходное состояние E2 имеет частичный характер двойной связи, и всё, что делает алкен устойчивее (больше алкильных групп при двойной связи), понижает и вершину. Если же связь C–H в переходном состоянии рвётся сильнее, чем образуется π-связь (плохая уходящая группа, сильное основание), устойчивость алкена значит меньше, а кислотность атома водорода — больше; тогда растёт доля продукта Гофмана.

10. Как устанавливают механизм на опыте

Механизм нельзя увидеть, его выводят из совокупности опытных фактов. Для замещения и отщепления используют несколько независимых признаков [2].

• Кинетика. Второй порядок (зависимость от концентрации нуклеофила или основания) — S_N2 или E2; первый — S_N1 или E1.
• Стереохимия. Полное обращение конфигурации — S_N2; рацемизация — карбокатион. Строгая геометрия алкена, заданная конфигурацией субстрата, — E2.
• Перегруппировки. Изменение углеродного скелета — признак карбокатиона.
• Изотопный эффект. Замена β-атомов водорода на дейтерий заметно замедляет E2 (k_H/k_D = 3–8) и почти не влияет на S_N1/E1.
• Растворитель и соли. Резкое ускорение при переходе к более полярному протонному растворителю и замедление добавкой соли с той же уходящей группой (эффект общего иона) — S_N1.

Обычно хватает двух-трёх признаков, согласующихся между собой. Если признаки противоречат друг другу, механизм, скорее всего, промежуточный: например, у вторичных субстратов в некоторых растворителях наблюдается частичное обращение и смешанная кинетика — реакция идёт одновременно по двум путям.

11. Механизм S_N1

Третичные галогениды не реагируют по S_N2, но в воде или спирте замещаются, иногда очень быстро. 2-Бром-2-метилпропан в водном ацетоне гидролизуется за минуты, а скорость реакции не зависит от концентрации гидроксид-ионов: v = k[RX]. Это кинетика первого порядка, и она означает, что в медленной стадии участвует только сам галогенид [5].

Механизм S_N1 включает две (с учётом отщепления протона — три) стадии. Сначала связь C–Br разрывается гетеролитически: бромид-ион уходит с парой электронов, и остаётся карбокатион — частица с положительно заряженным атомом углерода, у которого всего три связи и шесть внешних электронов. Это медленная стадия, она и определяет скорость. Затем карбокатион быстро соединяется с любым нуклеофилом, который окажется рядом, — чаще всего с молекулой растворителя. Если нуклеофил — вода или спирт, на атоме кислорода остаётся протон, и последняя быстрая стадия — его отрыв.

Энергетический профиль S_N1 имеет две вершины и «ямку» между ними — карбокатион (рисунок в разделе о S_N2). Высокая первая вершина соответствует ионизации, вторая, низкая, — присоединению нуклеофила. Поэтому сила и концентрация нуклеофила на скорость S_N1 не влияют: они важны только для того, какой продукт получится, если в растворе есть несколько нуклеофилов.

12. Устойчивость карбокатионов

Скорость S_N1 определяется тем, насколько легко образуется карбокатион, а это зависит от его устойчивости. Устойчивость растёт в ряду: метильный < первичный < вторичный < третичный. Алкильные группы «подпитывают» электронодефицитный атом углерода двумя способами. Индуктивно — атомы углерода алкильных групп немного менее электроотрицательны, чем sp²-атом катиона, и смещают к нему электронную плотность. И через сверхсопряжение (гиперконъюгацию) — электроны соседних связей C–H и C–C частично перекрываются со свободной p-орбиталью катиона [6, 7].

Разница огромна. Третичный трет-бутил-катион в газовой фазе устойчивее метильного примерно на 330 кДж/моль, вторичный изопропил-катион — примерно на 260 (по сродству к гидрид-иону). Первичные карбокатионы в растворе практически не образуются, метильный — тем более. Поэтому по S_N1 реагируют третичные галогениды, медленнее — вторичные, а первичные и бромметан — никогда (если только катион не стабилизирован сопряжением).

Ещё сильнее стабилизирует карбокатион сопряжение с двойной связью или ароматическим кольцом. Аллильный катион CH₂=CH–CH₂⁺ и бензильный C₆H₅–CH₂⁺ формально первичные, но положительный заряд в них распределён по нескольким атомам, и по устойчивости они сравнимы с вторичными и третичными. Трифенилметил-катион (C₆H₅)₃C⁺ настолько устойчив, что его соли можно хранить в банке. Атом кислорода или азота с неподелённой парой рядом с катионным центром тоже стабилизирует катион — так ведут себя α-галогенэфиры, которые замещаются по S_N1 очень быстро.

13. Стереохимия S_N1

Карбокатион плоский: атом углерода в sp²-гибридизации, три заместителя лежат в одной плоскости под углом 120°, а свободная p-орбиталь перпендикулярна ей. Нуклеофил может подойти к ней с двух сторон одинаково легко. Поэтому, если стереоцентр исходного галогенида становится катионным центром, конфигурация теряется: из одного энантиомера получается смесь двух.

3-хлор-3-метилгексан → плоский карбокатион

вода присоединяется с обеих сторон: S + R

На практике смесь обычно не вполне рацемическая: продукта с обращённой конфигурацией чуть больше. Объяснение предложил Сол Уинстейн: в первый момент после ионизации уходящая группа остаётся рядом с катионом, образуя ионную пару, и прикрывает «свою» сторону [10]. Нуклеофил, который успевает подойти до того, как ионная пара разойдётся, атакует с противоположной стороны. Чем дольше живёт катион (чем он устойчивее), тем ближе продукт к рацемату.

Если в молекуле есть другой стереоцентр, не затронутый реакцией, образуется не рацемат, а смесь диастереомеров, и обычно в неравных количествах: два способа подхода нуклеофила к плоскому катиону уже не равноценны.

14. Перегруппировки карбокатионов

Карбокатион может не дождаться нуклеофила и перестроиться в более устойчивый. Самые частые перегруппировки — 1,2-сдвиги: атом водорода с парой электронов (гидрид-ион) или алкильная группа переходит с соседнего атома углерода на катионный центр. Положительный заряд при этом оказывается на том атоме, откуда ушла мигрирующая группа [2].

вторичный катион → третичный → 2-бром-2-метилбутан

Классический пример — реакция 3-метилбутан-2-ола с бромоводородом. Протонированный спирт теряет воду, образуется вторичный карбокатион. Соседний атом углерода несёт атом водорода и две метильные группы; гидридный сдвиг превращает вторичный катион в третичный, и бромид-ион присоединяется уже к нему. Главный продукт — не 2-бром-3-метилбутан, а 2-бром-2-метилбутан. Перегруппировка идёт, если в результате образуется более устойчивый катион: вторичный → третичный, первичный → вторичный или третичный, вторичный → бензильный.

Если у соседнего атома нет водорода, но есть метильная группа, мигрирует она (метильный сдвиг). Так ведут себя производные неопентила: (CH₃)₃C–CH₂–X при сольволизе даёт продукты с перестроенным скелетом — 2-метилбутильные производные и 2-метилбутены. Перегруппировки — характерная «подпись» механизмов S_N1 и E1: при S_N2 и E2 карбокатиона нет, и скелет не перестраивается. Поэтому, если в задаче продукт имеет другой скелет, механизм почти наверняка идёт через карбокатион.

15. Механизм E2

Механизм E2 — одностадийное отщепление. Основание отрывает протон от β-атома углерода; электроны связи C–H, оставшиеся у атома углерода, образуют π-связь с α-атомом; одновременно уходит уходящая группа. Три процесса — разрыв C–H, образование C=C и разрыв C–X — идут согласованно, в одном переходном состоянии. Скорость пропорциональна концентрациям субстрата и основания: v = k[RX][B⁻] [1, 2].

Для E2 нужно сильное основание: алкоксид-ионы, гидроксид-ион при нагревании, амиды. В отличие от S_N2, E2 не боится пространственных затруднений у α-атома: основание атакует атом водорода на периферии молекулы, а не атом углерода внутри неё. Поэтому третичные галогениды, которые не реагируют по S_N2, с сильными основаниями легко дают алкены. Ряд активности в E2 обратный, чем в S_N2: третичные > вторичные > первичные. Более замещённый алкен, который при этом образуется, ещё и устойчивее, и это тоже ускоряет реакцию.

Опытное доказательство согласованного механизма — кинетический изотопный эффект. Если заменить β-атомы водорода на дейтерий, E2 замедляется в 5–7 раз: связь C–D прочнее связи C–H, и в медленной стадии она рвётся. При E1 такого эффекта почти нет — в медленной стадии рвётся связь C–X, а не C–H.

16. Антиперипланарность и стереохимия E2

В переходном состоянии E2 образуется π-связь, а для этого орбитали разрывающихся связей C–H и C–X должны лежать в одной плоскости. Это возможно в двух конформациях: антиперипланарной (двугранный угол H–C–C–X 180°) и синперипланарной (0°). Почти всегда реакция идёт из антиперипланарной: она заторможенная, а значит, выгоднее, и электроны «уходят» на противоположной от уходящей группы стороне, как в S_N2 [7].

H и Br антиперипланарны: (E)-бут-2-ен

Отсюда стереоспецифичность E2. Посмотрим на 2-бромбутан вдоль связи C2–C3. Чтобы отщепился атом водорода при C3, он должен стоять анти к брому. При C3 два атома водорода, и в двух антиперипланарных конформациях они разные. В одной метильные группы оказываются анти, и из неё образуется (E)-бут-2-ен; в другой метильные группы гош — из неё (Z)-бут-2-ен. Первая конформация выгоднее, поэтому (E)-изомер преобладает.

Если же при β-атоме только один атом водорода, выбора нет: геометрия алкена задана конфигурацией исходного вещества. Например, из мезо-2,3-дибромбутана при отщеплении брома иодид-ионом получается только (E)-бут-2-ен, а из (2R,3R)-изомера — только (Z)-бут-2-ен. В циклогексанах антиперипланарность означает, что и атом водорода, и уходящая группа должны быть аксиальными: экваториальная уходящая группа антиперипланарна связи кольца, а не атому водорода. Подробно об этом — в статье «Кресло циклогексана в проекции Ньюмена».

17. Правило Зайцева и продукт Гофмана

Если у субстрата несколько неравноценных β-атомов с атомами водорода, отщепление может дать несколько изомерных алкенов. Правило Зайцева: преобладает наиболее замещённый алкен — тот, в котором с атомами углерода двойной связи связано больше алкильных групп. Такой алкен термодинамически устойчивее (сверхсопряжение стабилизирует двойную связь), и переходное состояние, частично похожее на алкен, тоже ниже [3].

2-Бром-2-метилбутан с этилатом натрия даёт около 70 % 2-метилбут-2-ена (трёхзамещённый алкен) и 30 % 2-метилбут-1-ена (двухзамещённый). Но если взять объёмное основание — трет-бутилат калия, — соотношение меняется на обратное: 28 и 72 %. Трет-бутилат-иону трудно подойти к атому водорода группы CH₂ в середине молекулы, и он отрывает более доступный протон метильной группы. Менее замещённый алкен называют продуктом Гофмана, по имени химика, впервые наблюдавшего его при разложении солей аммония.

Продукт Гофмана преобладает и в других случаях: при плохих уходящих группах (фторид, триметиламмоний), когда переходное состояние «карбанионоподобное» и важнее кислотность атома водорода, чем устойчивость алкена; и когда нужный для правила Зайцева атом водорода не может занять антиперипланарное положение (как в ментилхлориде).

18. Отщепление в циклах

В циклогексанах требование антиперипланарности для E2 превращается в требование транс-диаксиального расположения атома водорода и уходящей группы. Поэтому скорость и направление отщепления зависят от конформации. Если уходящая группа в выгодном кресле экваториальна, молекула должна сначала перейти в менее выгодное кресло, где она аксиальна, — реакция замедляется. А если подходящий аксиальный атом водорода есть только с одной стороны, образуется только один алкен, даже если он противоречит правилу Зайцева.

В мостиковых бициклических соединениях действует правило Бредта: двойная связь не может возникнуть у узлового атома небольшого бицикла, потому что такой алкен слишком напряжён (p-орбитали не могут стать параллельными). Поэтому 1-бромнорборнан не даёт алкена при действии оснований, а замещение у узлового атома невозможно ни по S_N2 (тыл закрыт каркасом), ни по S_N1 (катион не может стать плоским). Такие галогениды удивительно инертны.

19. Механизм E1

Механизм E1 начинается так же, как S_N1: уходящая группа покидает молекулу, образуется карбокатион (медленная стадия). Затем слабое основание — молекула воды, спирта или противоион — отрывает протон от соседнего с катионом атома углерода, и образуется двойная связь [1].

Поскольку у S_N1 и E1 одна и та же медленная стадия, они почти всегда идут одновременно, и продукт — смесь спирта (или эфира) и алкена. Соотношение зависит от температуры: при нагревании растёт доля алкена. Причина термодинамическая: при отщеплении из одной частицы получаются две (алкен и протон), энтропия растёт, и вклад −TΔS в энергию Гиббса тем больше, чем выше температура.

E1 подчиняется правилу Зайцева (уходит протон, дающий более устойчивый алкен), не требует антиперипланарности (катион плоский и может поворачиваться) и, как S_N1, сопровождается перегруппировками. Типичный пример — кислотная дегидратация спиртов: из трет-бутилового спирта при нагревании с серной кислотой получается 2-метилпропен. О дегидратации спиртов — в статье «Спирты».

20. Замещение или отщепление?

На практике четыре механизма конкурируют, и задача химика — предсказать, какой победит. Решающие факторы — строение субстрата, природа реагента, растворитель и температура [2, 1].

Метил- и первичные галогениды. Карбокатион не образуется, поэтому S_N1 и E1 исключены. С большинством нуклеофилов, включая гидроксид и алкоксиды, идёт S_N2. Только объёмное основание (трет-бутилат калия) даёт в основном E2.

Вторичные галогениды — самый трудный случай. С хорошими нуклеофилами, слабыми основаниями (I⁻, RS⁻, CN⁻, N₃⁻, RCOO⁻) в апротонном растворителе — S_N2. С сильными основаниями (RO⁻, OH⁻) — преимущественно E2, особенно при нагревании; S_N2 идёт как побочный процесс. Со слабыми нуклеофилами в протонных растворителях — медленные S_N1 и E1 со смесью продуктов и возможными перегруппировками.

Третичные галогениды. S_N2 невозможен. С сильными основаниями — E2. В воде и спиртах без сильного основания — S_N1 вместе с E1; при нагревании преобладает E1.

Температура — простой рычаг: нагревание всегда сдвигает конкуренцию в сторону отщепления. У отщепления выше энергия активации и больше рост энтропии, поэтому при повышении температуры его скорость растёт быстрее, чем скорость замещения. Именно поэтому, например, бромэтан со спиртовым раствором щёлочи при нагревании даёт этилен, а с водным раствором при умеренной температуре — этанол.

21. Алгоритм выбора механизма

Все эти правила сводятся к короткому алгоритму. Он не заменяет понимания, но помогает не забыть ни одного фактора.

Пройдём по нему на примерах. Бромэтан + цианид натрия в ДМСО: первичный субстрат, хороший нуклеофил, апротонный растворитель — S_N2, пропаннитрил. 2-Бромпропан + этилат натрия в этаноле при нагревании: вторичный субстрат, сильное основание, нагревание — E2, пропен (с примесью этилизопропилового эфира). 2-Бром-2-метилпропан в метаноле: третичный, слабый нуклеофил, протонный растворитель — S_N1 и E1, 2-метокси-2-метилпропан и 2-метилпропен. 2-Бромбутан + трет-бутилат калия — E2 с преобладанием продукта Гофмана, бут-1-ена. Подробный разбор выбора между S_N1 и S_N2 — в статье «S_N1 или S_N2: как определить механизм».

22. Спирты, тозилаты и другие субстраты

Спирты — самые доступные субстраты, но группа OH уходит плохо. Её «активируют» двумя способами. Первый — протонирование в сильной кислоте: группа –OH₂⁺ уходит в виде воды. Третичные и вторичные спирты с HBr или HCl реагируют по S_N1 (с возможными перегруппировками), первичные — по S_N2, в котором нуклеофил вытесняет молекулу воды. С концентрированной серной кислотой при нагревании, где сильных нуклеофилов нет, идёт E1 — дегидратация.

Второй способ — превращение спирта в сложный эфир сульфокислоты: тозилат (п-толуолсульфонат) или мезилат (метансульфонат). Связь C–O при этом не затрагивается, конфигурация стереоцентра сохраняется, а тозилат-ион — уходящая группа не хуже бромида. Затем тозилат вводят в реакцию S_N2 с нужным нуклеофилом, и конфигурация обращается. Так из (R)-бутан-2-ола можно получить (S)-нитрил или (S)-азид с полным контролем стереохимии.

Похожим образом работают тионилхлорид SOCl₂ и трибромид фосфора PBr₃: они превращают первичные и вторичные спирты в галогениды через промежуточные эфиры, а затем галогенид-ион замещает их по S_N2 (PBr₃ — с обращением). Эти реагенты удобны тем, что не создают карбокатионов и не вызывают перегруппировок.

Простые эфиры, амины и тиолы тоже вступают в замещение — как нуклеофилы. Амины алкилируются галогеналканами до вторичных, третичных аминов и четвертичных солей аммония; тиолят-ионы дают тиоэфиры, алкоголят-ионы — простые эфиры (синтез Вильямсона). А четвертичные соли аммония при нагревании с основанием отщепляют амин по E2, давая продукт Гофмана, — с этой реакции и началась история отщеплений.

23. Аллильные, бензильные, винильные и арильные галогениды

Аллильные (CH₂=CH–CH₂X) и бензильные (C₆H₅–CH₂X) галогениды — самые реакционноспособные. Они быстро реагируют и по S_N2 (π-система соседней двойной связи или кольца стабилизирует переходное состояние), и по S_N1 (образуются сопряжённые катионы). Бензилхлорид гидролизуется водой в сотни раз быстрее, чем пропилхлорид. У аллильных катионов заряд распределён по двум концевым атомам, и нуклеофил может присоединиться к любому из них — получается смесь продуктов с перемещением двойной связи (аллильная перегруппировка).

Винильные (CH₂=CHX) и арильные (C₆H₅X) галогениды, наоборот, в обычных условиях не вступают ни в S_N1, ни в S_N2. Атом галогена связан с sp²-атомом углерода, связь короче и прочнее (неподелённая пара галогена сопряжена с π-системой), тыл закрыт плоскостью молекулы или кольцом, а винильный и фенильный катионы очень неустойчивы. Хлорбензол не гидролизуется кипящей щёлочью; замещение у него идёт только в жёстких условиях (300 °C, давление) или если в кольце есть сильные акцепторы — по механизму присоединения–отщепления (S_NAr), который требует отдельного разговора.

24. Разбор по шагам: четыре реакции

1. Бромэтан и гидроксид натрия в воде. Субстрат первичный — карбокатион не образуется, S_N1 и E1 исключены. Гидроксид-ион — сильный нуклеофил; при умеренной температуре в воде идёт S_N2: этанол. В спиртовом растворе при кипячении заметную долю даст E2 — этилен, но у первичных субстратов замещение всё равно конкурирует успешно.

2. 2-Бромпропан и метилат натрия в метаноле при нагревании. Субстрат вторичный — возможны все механизмы, решает реагент. Метилат — сильное основание, нагревание сдвигает к отщеплению: главный путь — E2, пропен, побочный — S_N2, 2-метоксипропан. Если заменить метилат на ацетат натрия (слабое основание, неплохой нуклеофил) в ДМФА, получится в основном изопропилацетат по S_N2.

3. 1-Хлор-1-фенилэтан в водном ацетоне. Субстрат вторичный, но бензильный: катион стабилизирован сопряжением с кольцом, и в водной среде без сильного нуклеофила идёт S_N1. Если исходный хлорид был оптически активен, получится почти рацемический 1-фенилэтанол.

4. 2-Хлор-2-метилбутан и трет-бутилат калия. Третичный субстрат, сильное объёмное основание — E2, причём основание отрывает доступный протон метильной группы: главный продукт — 2-метилбут-1-ен (продукт Гофмана), меньше — 2-метилбут-2-ен. Замещения нет.

25. Замещение в живой клетке

Реакции S_N2 идут и в живых организмах. Главный «метилирующий агент» клетки — S-аденозилметионин (SAM). Атом серы в нём заряжен положительно, и метильная группа при нём — электрофил с отличной уходящей группой (нейтральным тиоэфиром). Ферменты-метилтрансферазы подставляют под эту метильную группу нуклеофил — атом азота, кислорода или углерода другой молекулы, и метил переходит к нему по механизму S_N2, с обращением конфигурации у атома углерода метильной группы (это доказали опыты с хиральной группой CHDT). Так метилируются ДНК, гормоны (из норадреналина получается адреналин), многие алкалоиды.

На том же механизме основано действие многих ядов и лекарств. Иприт (бис(2-хлорэтил)сульфид) и азотистые иприты — алкилирующие агенты: атом серы или азота внутри молекулы сначала вытесняет хлорид, образуя напряжённый трёхчленный катион (соседнее участие), и тот быстро алкилирует атомы азота оснований ДНК. Азотистые иприты стали первыми противоопухолевыми препаратами: быстро делящиеся клетки особенно чувствительны к повреждению ДНК. Бактериальные ферменты галогеналкандегалогеназы, наоборот, обезвреживают галогенорганические загрязнители: остаток аспарагиновой кислоты в активном центре замещает атом галогена по S_N2, а затем образовавшийся эфир гидролизуется.

26. Замещение и отщепление в синтезе

Замещение — один из главных способов строить связи углерод — гетероатом и углерод — углерод. Синтез Вильямсона (алкоголят + галогеналкан → простой эфир), получение нитрилов из галогеналканов и цианидов (удлинение цепи на один атом углерода), азидов (их затем восстанавливают в амины), тиоэфиров, сложных эфиров из карбоксилатов — всё это реакции S_N2. Алкилирование енолят-ионов и ацетиленидов тоже идёт по S_N2 и позволяет соединять углеродные фрагменты [1].

Знание конкуренции позволяет выбрать правильную пару реагентов. Например, метил-трет-бутиловый эфир нельзя получить из трет-бутилбромида и метилата натрия: третичный галогенид с сильным основанием даст 2-метилпропен по E2. Зато из бромметана и трет-бутилата калия эфир получается хорошо: у бромметана нет β-атомов водорода и S_N2 идёт легко. Правило синтеза Вильямсона: галогенид должен быть метильным или первичным, а «объёмную» часть молекулы приносит алкоголят.

Отщепление — главный способ получать алкены и алкины из насыщенных соединений. Двойное дегидрогалогенирование вицинальных или геминальных дигалогенидов сильным основанием (амидом натрия) даёт алкины. Выбор основания — небольшого или объёмного — позволяет получить нужный изомер алкена, а стереоспецифичность E2 — его нужную геометрию.

27. Практикум

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

Упражнение 1. Механизм и продукт

Определите механизм и нарисуйте главный продукт каждой реакции.

Ответ

S_N2: бутаннитрил

S_N1 (+ E1): 2-метокси-2-метилпропан

E2: циклогексен

а) Первичный бромид, хороший нуклеофил, апротонный растворитель — S_N2; цианид-ион замещает бром, цепь удлиняется: бутаннитрил. б) Третичный бромид в метаноле без сильного основания — сольволиз по S_N1: карбокатион присоединяет молекулу метанола, получается 2-метокси-2-метилпропан (с примесью 2-метилпропена по E1). в) Вторичный бромид с сильным объёмным основанием — E2: циклогексен.

Упражнение 2. Какие алкены?

2-Бромбутан нагрели с этилатом натрия в этаноле. Какие алкены могут образоваться и какой из них главный?

Ответ

β-Атомы — C1 и C3. Отщепление водорода от C3 даёт бут-2-ен (двузамещённый алкен, по правилу Зайцева — главный продукт), от C1 — бут-1-ен. Бут-2-ен образуется в виде двух стереоизомеров; (E)-изомер преобладает, потому что в антиперипланарной конформации, из которой он получается, метильные группы анти, а не гош. Небольшая часть 2-бромбутана даёт по S_N2 2-этоксибутан.

Упражнение 3. Стереохимия S_N2

Нарисуйте продукт реакции (R)-2-бромпентана с азидом натрия в диметилформамиде и определите его конфигурацию.

(R)-2-бромпентан

Ответ

(R)-2-бромпентан → (S)-2-азидопентан

Вторичный бромид, сильный нуклеофил и слабое основание (N₃⁻), апротонный растворитель — S_N2 с обращением конфигурации. Азидная группа занимает в ряду старшинства место брома (№ 1), остальные группы — те же, поэтому буква меняется: (S)-2-азидопентан.

28. Типичные ошибки

Первая группа ошибок — в субстрате. Нельзя предлагать S_N2 у третичного атома углерода: тыл закрыт, и реакция не идёт. Нельзя предлагать S_N1 у первичного галогенида (кроме аллильных и бензильных): первичный карбокатион не образуется. Нельзя забывать о неопентильных субстратах — формально первичных, но не реагирующих по S_N2.

Вторая группа — в реагенте. Отрицательный заряд не делает частицу нуклеофилом «по умолчанию»: алкоголят-ионы со вторичными и третичными галогенидами при нагревании — основания. Правило Зайцева не универсально: с трет-бутилатом калия получается продукт Гофмана. Слабые нуклеофилы (вода, спирты) с первичными галогенидами почти не реагируют.

Третья группа — в стереохимии и скелете. S_N2 всегда обращает конфигурацию, S_N1 — рацемизует; путать их нельзя. В E2 атом водорода и уходящая группа должны быть антиперипланарны — без этого не предсказать геометрию алкена. И если реакция идёт через карбокатион, нужно проверить, не перестроится ли он в более устойчивый.

Частые вопросы

Почему бромметан не реагирует по S_N1? Метильный карбокатион крайне неустойчив: у атома углерода нет алкильных групп, которые бы делились с ним электронной плотностью. Энергия его образования в растворе слишком велика, и реакция идёт по более выгодному пути — S_N2, где катион не образуется.

Почему у бромметана нет E2? Для отщепления нужен атом водорода при β-атоме углерода. В бромметане единственный атом углерода связан с бромом, β-атомов нет, и двойную связь образовать не с чем.

Чем нуклеофил отличается от основания, если это одна и та же частица? Ролью в конкретной реакции. Если пара электронов частицы образует связь с атомом углерода — она нуклеофил; если с протоном — основание. Гидроксид-ион в одной колбе может делать и то и другое: с бромэтаном — в основном замещение, с 2-бром-2-метилпропаном — отщепление.

Почему при нагревании растёт доля алкена? В отщеплении из двух частиц (субстрата и основания) получаются три (алкен, сопряжённая кислота основания, анион уходящей группы), энтропия растёт сильнее, чем при замещении. Член −TΔS в энергии Гиббса тем выгоднее, чем выше температура. Кроме того, энергия активации отщепления обычно выше, и его скорость сильнее растёт при нагревании.

Можно ли по продукту определить механизм? Часто — да. Обращение конфигурации указывает на S_N2, рацемизация и перегруппировка скелета — на карбокатион (S_N1/E1), строгая геометрия алкена, заданная конфигурацией субстрата, — на E2. Окончательно механизм устанавливают по кинетике и изотопным эффектам.

Почему фторалканы почти не вступают в замещение? Связь C–F очень прочная (около 485 кДж/моль), а фторид-ион — сравнительно сильное основание и плохая уходящая группа. Поэтому фторорганические соединения, в том числе тефлон и фреоны, химически устойчивы.

Что такое S_Ni и соседнее участие? Это особые механизмы, при которых замещение идёт с сохранением конфигурации. При S_Ni (например, при реакции спиртов с SOCl₂ без пиридина) уходящая группа сама доставляет нуклеофил с фронтальной стороны. При соседнем участии группа внутри молекулы (атом серы, азота, кислорода, π-система) сначала замещает уходящую группу с обращением, а затем сама замещается нуклеофилом снова с обращением — в итоге конфигурация сохраняется.

Почему трет-бутилхлорид гидролизуется быстрее в воде, чем в ацетоне? Вода сильно стабилизирует оба иона, образующихся в медленной стадии S_N1, — катион и хлорид-ион. Чем полярнее и протоннее растворитель, тем ниже энергия переходного состояния ионизации. При переходе от этанола к воде скорость гидролиза трет-бутилхлорида растёт примерно в 300 000 раз.

Бывает ли E2 из синперипланарной конформации? Бывает, но редко — когда антиперипланарное расположение невозможно, например в жёстких бициклических системах. Скорость при этом значительно ниже.

Почему вода почти не реагирует с бромэтаном, хотя это нуклеофил? Вода — слабый нуклеофил, а первичный бромид не может образовать карбокатион. Для S_N2 с водой нужен сильный нуклеофил; поэтому гидролиз бромэтана ведут водным раствором щёлочи, где нуклеофил — гидроксид-ион.

Что значит «хорошая уходящая группа» в одном слове? Слабое основание. Чем слабее основание, которым становится уходящая группа, тем устойчивее она с парой электронов и тем легче уходит. Удобно смотреть на силу сопряжённой кислоты: сильные кислоты HI, HBr, HCl, TsOH — у их анионов хорошие уходящие свойства.

Почему у вторичных галогенидов столько исключений? Потому что для них не «запрещён» ни один механизм: тыл ещё доступен для S_N2, катион уже может образоваться для S_N1, есть β-атомы водорода для E2 и E1. Результат определяется тонким балансом реагента, растворителя и температуры, и смеси продуктов здесь — правило, а не исключение.

Что нужно знать к ЕГЭ

Механизмы S_N1, S_N2, E1 и E2 в кодификаторе ЕГЭ по химии не названы [11], но реакции галогеналканов со щелочами и правило Зайцева в заданиях встречаются постоянно:

• галогеналканы с водным раствором щёлочи дают спирты (замещение): C₂H₅Br + NaOH (водн.) → C₂H₅OH + NaBr;
• галогеналканы со спиртовым раствором щёлочи при нагревании дают алкены (отщепление, дегидрогалогенирование): C₂H₅Br + KOH (спирт., t) → CH₂=CH₂ + KBr + H₂O;
• по правилу Зайцева атом водорода отщепляется от наименее гидрогенизированного соседнего атома углерода (с наименьшим числом атомов водорода): из 2-бромбутана — бут-2-ен;
• дигалогеналканы со спиртовой щёлочью дают алкины или диены, с цинком (для вицинальных) — алкены;
• реакция Вюрца (галогеналкан + натрий) удлиняет цепь — это отдельный, радикальный по механизму процесс.

Для олимпиад

Кинетика и механизм. Для S_N2 v = k[RX][Nu]; при большом избытке нуклеофила реакция становится псевдопервого порядка, k' = k[Nu]. Для S_N1 v = k[RX], период полураспада t_1/2 = ln 2/k не зависит от начальной концентрации. Добавка соли с той же уходящей группой (например, бромида к бромиду) замедляет S_N1 — «эффект общего иона»: обратная реакция катиона с бромид-ионом конкурирует с нуклеофилом.

Уравнение Грюнвальда — Уинстейна. Скорость сольволиза зависит от «ионизирующей силы» растворителя Y: lg(k/k₀) = mY, где m — чувствительность субстрата (для трет-бутилхлорида m = 1 по определению). Для S_N2-субстратов m мало, для S_N1 — около единицы; по m судят о механизме [12].

Нуклеофильность по Свейну — Скотту. lg(k/k₀) = sn, где n — нуклеофильность реагента относительно воды (n(H₂O) = 0), s — чувствительность субстрата. Для бромметана в воде: n(I⁻) ≈ 5,0, n(HS⁻) ≈ 5,1, n(CN⁻) ≈ 5,1, n(OH⁻) ≈ 4,2, n(Cl⁻) ≈ 3,0.

E1cB. Если β-атом водорода очень кислый (рядом карбонильная группа), а уходящая группа плохая, сначала образуется карбанион (енолят), а затем уходит уходящая группа. Так идёт дегидратация продуктов альдольной конденсации. Признаки — зависимость от кислотности C–H и обмен водорода на дейтерий в исходном веществе.

Стереоэлектронные эффекты в циклах. В циклогексанах E2 требует транс-диаксиального расположения H и X; поэтому цис- и транс-изомеры могут различаться по скорости в сотни раз и давать разные алкены (ментил- и неоментилхлорид). S_N2 у аксиальной уходящей группы идёт быстрее, чем у экваториальной: нуклеофил подходит экваториально, а это менее затруднено.

Амбидентные нуклеофилы. Некоторые анионы могут атаковать двумя разными атомами. Цианид-ион с галогеналканами в S_N2-условиях (NaCN, ДМСО) реагирует атомом углерода и даёт нитрилы, а цианид серебра — в основном атомом азота, давая изонитрилы: ион серебра оттягивает галогенид, реакция смещается к S_N1-характеру, и катион атакуется более электроотрицательным атомом с большей плотностью заряда. Так же нитрит натрия даёт нитроалканы R–NO₂, а нитрит серебра — заметную долю алкилнитритов R–O–N=O. Енолят-ионы алкилируются по атому углерода или кислорода в зависимости от растворителя и противоиона.

Внутримолекулярное замещение. Если нуклеофил и уходящая группа находятся в одной молекуле, замещение идёт как циклизация. Галогенгидрины (2-хлорэтанол и его аналоги) при действии основания дают эпоксиды: алкоголят-ион атакует соседний атом углерода с тыла, поэтому группы O⁻ и Cl должны быть антиперипланарны. Пяти- и шестичленные циклы (тетрагидрофураны, пирролидины) замыкаются особенно легко: энтропийная выгода внутримолекулярной реакции перевешивает, и циклизация идёт в тысячи раз быстрее, чем аналогичная межмолекулярная реакция при обычных концентрациях.

Задания с разбором

Задание 1

Определите класс (метил, первичный, вторичный, третичный) галогенидов: 1-бромпропан, 2-бромпропан, 2-бром-2-метилпропан, 1-бром-2,2-диметилпропан. Какой из первичных практически не вступает в S_N2?

Разбор

1-бромпропан: первичный

2-бромпропан: вторичный

2-бром-2-метилпропан: третичный

неопентилбромид: первичный, тыл закрыт

1-Бромпропан — первичный, 2-бромпропан — вторичный, 2-бром-2-метилпропан — третичный, 1-бром-2,2-диметилпропан (неопентилбромид) — первичный, но рядом с α-атомом трет-бутильная группа загораживает тыл, и S_N2 идёт в сто тысяч раз медленнее, чем у бромэтана.

Задание 2

Расположите бромиды в порядке уменьшения скорости S_N2 с иодидом натрия в ацетоне: 2-бромпропан, бромметан, 2-бром-2-метилпропан, бромэтан.

Разбор

скорость S_N2 падает с ростом числа алкильных групп

Бромметан > бромэтан > 2-бромпропан > 2-бром-2-метилпропан. Чем больше алкильных групп при α-атоме, тем сильнее загорожен тыл и тем выше переходное состояние. Третичный бромид практически не реагирует.

Задание 3

Скорость реакции бромметана с гидроксид-ионом при увеличении концентрации OH⁻ вдвое растёт вдвое, а скорость гидролиза 2-бром-2-метилпропана не меняется. Объясните и напишите продукты обеих реакций.

Разбор

S_N2: v = k[CH₃Br][OH⁻]

S_N1: v = k[RBr]

Бромметан реагирует по S_N2: гидроксид-ион участвует в единственной (медленной) стадии, v = k[CH₃Br][OH⁻]. 2-Бром-2-метилпропан — по S_N1: медленная стадия — ионизация, v = k[RBr], а гидроксид-ион (или вода) присоединяется к уже готовому карбокатиону быстро. Продукты — метанол и 2-метилпропан-2-ол.

Задание 4

Какой галогенид быстрее реагирует с иодидом натрия в ацетоне — 1-хлорбутан или 1-бромбутан? Почему в ацетоне выпадает осадок?

Разбор

реакция Финкельштейна: NaBr выпадает в осадок

1-Бромбутан: бромид — лучшая уходящая группа, чем хлорид (HBr сильнее HCl, связь C–Br слабее). Образующийся NaBr (или NaCl) не растворяется в ацетоне и выпадает, сдвигая равновесие в сторону 1-иодбутана (реакция Финкельштейна).

Задание 5

Реакция 1-бромбутана с цианидом натрия в ДМСО идёт в сотни раз быстрее, чем в этаноле. Объясните. Какой продукт образуется?

Разбор

пентаннитрил

В этаноле цианид-ион окружён молекулами спирта, связанными водородными связями, и его нуклеофильность снижена. ДМСО — апротонный растворитель: он сольватирует катион Na⁺, а анион остаётся «голым» и активным. Продукт S_N2 — пентаннитрил, цепь удлиняется на один атом углерода.

Задание 6

(R)-2-Бромбутан обработали метантиолятом натрия. Нарисуйте продукт и определите его конфигурацию.

Разбор

(R)-2-бромбутан → (S)-2-(метилсульфанил)бутан

Тиолят-ион — сильный нуклеофил и слабое основание, субстрат вторичный: S_N2 с обращением. Группа SCH₃ занимает место брома в ряду старшинства (атом серы старше углерода), поэтому продукт — (S)-2-(метилсульфанил)бутан.

Задание 7

Какие продукты образуются при кипячении 2-бром-2-метилпропана с водой? По каким механизмам?

Разбор

Третичный бромид в воде ионизируется, образуется трет-бутил-катион. Присоединение воды и отрыв протона дают 2-метилпропан-2-ол (S_N1), отрыв протона от метильной группы — 2-метилпропен (E1). При нагревании доля алкена растёт.

Задание 8

(S)-3-Бром-3-метилгексан растворили в водном ацетоне. Будет ли продукт оптически активным?

Разбор

рацемат: оптической активности почти нет

Реакция идёт по S_N1 через плоский карбокатион, вода присоединяется к нему с обеих сторон, и образуется почти рацемическая смесь (R)- и (S)-3-метилгексан-3-ола. Продукт практически не вращает плоскость поляризации; небольшой избыток продукта с обращённой конфигурацией объясняется ионными парами.

Задание 9

2-Бром-2,3-диметилбутан обработали: а) этилатом натрия в этаноле; б) трет-бутилатом калия. Какой алкен преобладает в каждом случае?

Разбор

а) Небольшое основание — продукт Зайцева, четырёхзамещённый 2,3-диметилбут-2-ен. б) Объёмное основание отрывает более доступный протон метильной группы — продукт Гофмана, 2,3-диметилбут-1-ен.

Задание 10

Мезо-2,3-дибромбутан при действии иодида калия в ацетоне отщепляет бром по механизму E2 (анти). Какой стереоизомер бут-2-ена получается? А из (2R,3R)-2,3-дибромбутана?

Разбор

мезо: метилы анти → (E)-бут-2-ен

(2S,3S): метилы гош → (Z)-бут-2-ен

В антиперипланарной конформации мезо-изомера (атомы брома анти) метильные группы тоже анти — получается (E)-бут-2-ен. У (2R,3R)-изомера при атомах брома в анти-положении метильные группы гош — образуется (Z)-бут-2-ен. Реакция стереоспецифична.

Задание 11

При действии бромоводорода на 3,3-диметилбутан-2-ол получается 2-бром-2,3-диметилбутан. Объясните механизм.

Разбор

метильный сдвиг: вторичный катион → третичный

Протонированный спирт теряет воду, образуется вторичный карбокатион. От соседнего четвертичного атома к катионному центру переходит метильная группа с парой электронов (метильный сдвиг), и образуется третичный катион. Бромид-ион присоединяется к нему: 2-бром-2,3-диметилбутан.

Задание 12

Предложите синтез метил-трет-бутилового эфира по Вильямсону. Почему нельзя взять трет-бутилбромид и метилат натрия?

Разбор

верно: S_N2 у метила

неверно: E2 у третичного

Правильно: трет-бутилат калия + бромметан (или иодметан) — S_N2 у метильного атома идёт легко, отщепление невозможно. Трет-бутилбромид с метилатом натрия (сильное основание, третичный субстрат) даст по E2 2-метилпропен.

Задание 13 (олимпиадное)

При нагревании неопентилбромида (1-бром-2,2-диметилпропана) в этаноле медленно образуются 2-этокси-2-метилбутан и 2-метилбут-2-ен. Объясните, почему продукты имеют другой углеродный скелет.

Разбор

через третичный катион после метильного сдвига

S_N2 невозможен из-за трет-бутильной группы, а первичный катион почти не образуется. Ионизация идёт с участием соседней метильной группы, которая переходит к α-атому (метильный сдвиг), и сразу образуется третичный 2-метилбутан-2-ил-катион. Он присоединяет этанол (S_N1) или теряет протон (E1, по Зайцеву — 2-метилбут-2-ен).

Задание 14 (олимпиадное)

цис-1-Бром-4-трет-бутилциклогексан при действии этилата натрия даёт 4-трет-бутилциклогексен примерно в 500 раз быстрее транс-изомера. Объясните.

Разбор

цис: Br аксиален — E2 быстро

транс: Br экваториален — E2 медленно

Трет-бутильная группа всегда экваториальна. В цис-изомере атом брома тогда аксиален, и при обоих соседних атомах есть аксиальные атомы водорода, антиперипланарные брому, — E2 идёт легко. В транс-изомере бром экваториален; чтобы он стал аксиальным, трет-бутил должен стать аксиальным, а это крайне невыгодно.

Задание 15 (олимпиадное)

Период полупревращения 2-хлор-2-метилпропана в водном этаноле при 25 °C — 23 мин. Через сколько времени прореагирует 75 % вещества? Изменится ли ответ, если начальную концентрацию увеличить вдвое?

Разбор

t₁/₂ = 23 мин, 75 % — за 46 мин

Реакция S_N1 — первого порядка: 75 % прореагирует за два периода полупревращения, 46 мин. Период полупревращения реакции первого порядка не зависит от начальной концентрации, поэтому ответ тот же.

Задание 16 (олимпиадное)

Если заменить атомы водорода при β-атоме 2-бромпропана на дейтерий, скорость реакции с этилатом натрия падает примерно в 6,7 раза, а скорость сольволиза 2-бромпропана в воде почти не меняется. Какие механизмы идут в этих случаях?

Разбор

E2: k_H/k_D ≈ 6,7

Большой изотопный эффект (k_H/k_D ≈ 6,7) означает, что связь C–H рвётся в медленной стадии — это E2 с этилатом (продукт — пропен). В сольволизе медленная стадия — ионизация связи C–Br (S_N1/E1), связь C–H в ней не рвётся, и первичного изотопного эффекта нет.

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. Saytzeff A. Zur Kenntniss der Reihenfolge der Anlagerung und Ausscheidung der Jodwasserstoffelemente in organischen Verbindungen // Justus Liebigs Annalen der Chemie. 1875. Bd. 179. S. 296–301.
4. Walden P. Ueber die gegenseitige Umwandlung optischer Antipoden // Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1896. Bd. 29. S. 133–138.
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. 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.
7. Anslyn E. V., Dougherty D. A. Modern Physical Organic Chemistry. Sausalito: University Science Books, 2006.
8. Streitwieser A. Solvolytic displacement reactions at saturated carbon atoms // Chemical Reviews. 1956. Vol. 56. P. 571–752.
9. Reichardt C., Welton T. Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry. 4th ed. Weinheim: Wiley-VCH, 2011.
10. 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.
11. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по химии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.
12. Grunwald E., Winstein S. The correlation of solvolysis rates // Journal of the American Chemical Society. 1948. Vol. 70. P. 846–854.