Нуклеофильное замещение: присоединение — отщепление
Механизм присоединения — отщепления
Хлорбензол не гидролизуется даже кипящей щёлочью, а 2,4-динитрохлорбензол гидролизуется в растворе соды. Нуклеофилу трудно атаковать богатое электронами кольцо, но нитрогруппы в орто- и пара-положениях принимают отрицательный заряд, и замещение становится лёгким.
- Присоединение. Нуклеофил атакует атом кольца, связанный с галогеном. Этот атом переходит в \(sp^3\)-состояние, а отрицательный заряд распределяется по орто- и пара-положениям — и переходит на атомы кислорода нитрогрупп, стоящих в этих положениях. Образуется комплекс Мейзенгеймера. Стадия медленная.
- Отщепление. Галогенид-ион уходит, ароматичность восстанавливается. Стадия быстрая.
| Субстрат | Условия гидролиза щёлочью |
|---|---|
| хлорбензол | 350 °C, 300 атм (урок 85) |
| 4-нитрохлорбензол | 130 °C |
| 2,4-динитрохлорбензол | раствор соды, 100 °C |
| 2,4,6-тринитрохлорбензол | вода при кипячении |
edit_noteРазбор задачи: 4-фторнитробензол и метилат натрия
Метилат-ион атакует атом кольца, связанный с фтором; отрицательный заряд комплекса Мейзенгеймера принимает нитрогруппа в пара-положении. Затем уходит фторид-ион. Продукт — 4-нитроанизол \(\ce{CH3O-C6H4-NO2}\): метоксигруппа встаёт на место атома фтора.
boltКогда идёт SNAr
Нужны уходящая группа (обычно галоген) и сильный акцептор в орто- или пара-положении к ней. Чем больше таких акцепторов, тем мягче условия.
history_eduМейзенгеймер и красные соли
Якоб Мейзенгеймер в 1902 году выделил ярко-красную соль — аддукт тринитроанизола с этилатом калия — и показал, что та же соль образуется из тринитрофенетола и метилата. Интермедиат был выделен задолго до того, как механизм реакции стал понятен.
Уходящая группа и нуклеофил
Фтор — лучшая уходящая группа
Порядок активности галогенов в \(S_NAr\) обратен порядку в \(S_N2\): F > Cl ≈ Br > I. Медленная стадия — присоединение нуклеофила, а связь с галогеном рвётся позже, на быстрой стадии. Самый электроотрицательный фтор сильнее всех оттягивает электроны от атакуемого атома и стабилизирует анионный интермедиат.
Нуклеофилы
Алкоксид- и фенолят-ионы дают простые эфиры, амины — замещённые анилины, тиоляты — сульфиды, гидроксид-ион — фенолы. Уходить может и нитрогруппа: в 1,2,4-тринитробензоле метилат замещает нитрогруппу, активированную двумя другими.
edit_noteРазбор задачи: реактив Сэнгера и глицин
Что образуется из 2,4-динитрофторбензола и аминокислоты глицина \(\ce{H2N-CH2-COOH}\)? Аминогруппа — нуклеофил; она атакует атом кольца, связанный с фтором, и после ухода фторид-иона получается N-(2,4-динитрофенил)глицин \(\ce{(NO2)2C6H3-NH-CH2-COOH}\) — жёлтое вещество, которое легко обнаружить.
boltПорядки противоположны
В \(S_N2\) уходит самый поляризуемый галоген (I > Br > Cl > F), в \(S_NAr\) — самый электроотрицательный (F > Cl > I). Причина — разные медленные стадии.
history_eduСэнгер и инсулин
Фредерик Сэнгер с помощью 2,4-динитрофторбензола отмечал концевую аминокислоту пептидов и определил последовательность аминокислот в инсулине — Нобелевская премия 1958 года. Вторую Нобелевскую премию, 1980 года, он получил за метод чтения последовательности ДНК.
SNAr в синтезе
Комплекс Мейзенгеймера иногда настолько устойчив, что его можно выделить: 1-метокси-2,4,6-тринитробензол с метилатом натрия даёт красную соль, в которой при одном атоме углерода две метоксигруппы.
\(S_NAr\) широко применяют в синтезе.
- 2,4-Динитрохлорбензол с гидразином даёт 2,4-динитрофенилгидразин — реактив для обнаружения альдегидов и кетонов (тема 11).
- 4-Нитрохлорбензол с аммиаком под давлением даёт 4-нитроанилин.
- В гетероциклах (пиридин) нуклеофил замещает атомы в положениях 2 и 4, где заряд принимает атом азота (тема 17).
edit_noteРазбор задачи: 2,4-динитрофенилгидразин
Как получить 2,4-динитрофенилгидразин \(\ce{(NO2)2C6H3-NH-NH2}\)? Нитрогруппы в положениях 2 и 4 активируют атом хлора в 2,4-динитрохлорбензоле. Гидразин — сильный нуклеофил: он атакует атом кольца, связанный с хлором, и после ухода хлорид-иона образуется нужный гидразин. Реакцию ведут в спирте при нагревании.
boltСколько нитрогрупп — такие условия
Три нитрогруппы — замещение идёт даже водой; две — раствором соды; одна — щёлочью при нагревании; ни одной — нужен ариновый механизм (урок 85).
auto_awesomeПикриновая кислота
2,4,6-Тринитрофенол, пикриновая кислота, — ярко-жёлтое вещество. Его применяли как краситель для шёлка и как взрывчатое вещество (мелинит), а в медицине — как антисептик для лечения ожогов.
push_pinГлавное
Нуклеофил присоединяется к атому кольца, несущему уходящую группу, и образуется анионный σ-комплекс — комплекс Мейзенгеймера; затем уходящая группа отщепляется. Медленная стадия — присоединение, поэтому реакцию ускоряют акцепторы в орто- и пара-положениях, принимающие отрицательный заряд, а фтор как уходящая группа лучше хлора. Акцептор в мета-положении почти не помогает.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.