Реакция SN1: перегруппировки и выбор механизма
Перегруппировки карбокатионов
Карбокатион в реакции \(S_N1\) ведёт себя так же, как в реакциях алкенов и спиртов (урок 39): если соседний атом водорода или метильная группа может перейти к катионному центру вместе с парой электронов и при этом получится более устойчивый катион, перегруппировка идёт быстрее, чем присоединение нуклеофила.
- Гидридный сдвиг: вторичный катион рядом с третичным атомом C–H превращается в третичный.
- Метильный сдвиг: если у соседнего атома нет водорода, переходит метильная группа.
Неопентилбромид под действием солей серебра не даёт первичного катиона: метильная группа переходит к атому, от которого уходит бромид-ион, одновременно с его уходом. Образуется третичный катион, и продукт — 2-метилбутан-2-ол вместо ожидаемого 2,2-диметилпропан-1-ола.
edit_noteРазбор задачи: гидролиз 2-хлор-3-метилпентана
2-Хлор-3-метилпентан \(\ce{CH3-CHCl-CH(CH3)-CH2-CH3}\) в воде ионизируется с образованием вторичного катиона у атома C2. У соседнего атома C3 есть атом водорода, а сам C3 связан с тремя атомами углерода. Гидридный сдвиг от C3 к C2 даёт третичный катион у C3, и вода присоединяется к нему. Основной продукт — 3-метилпентан-3-ол.
boltПроверьте соседей катиона
Посмотрите на атомы, соседние с катионным центром. Если сдвиг атома водорода или метильной группы сделает катион третичным (или бензильным), ответ — продукт перегруппировки.
history_eduВагнер и Меервейн
Перегруппировки углеродного скелета впервые обнаружил Егор Вагнер в 1899 году, изучая превращения терпенов. Ханс Меервейн в 1922 году объяснил их переходом групп к катионному центру; такие сдвиги называют перегруппировками Вагнера — Меервейна.
SN1 или SN2
Механизм замещения определяют субстрат, нуклеофил и растворитель.
| Признак | \(S_N1\) | \(S_N2\) |
|---|---|---|
| стадии | две (катион) | одна |
| кинетика | \(v = k[\ce{RX}]\) | \(v = k[\ce{RX}][\ce{Nu}]\) |
| субстрат | третичный > вторичный; аллильный, бензильный | метильный > первичный > вторичный |
| нуклеофил | годится слабый (вода, спирт) | нужен сильный |
| растворитель | полярный протонный | полярный апротонный |
| стереохимия | рацемизация | обращение |
| перегруппировки | возможны | нет |
Аллильные и бензильные субстраты легко реагируют по обоим механизмам. Вторичные субстраты — пограничный случай: сильный нуклеофил в апротонном растворителе даёт \(S_N2\), слабый нуклеофил в протонном — \(S_N1\).
edit_noteРазбор задачи: 3-бромгексан в двух условиях
(R)-3-Бромгексан с иодидом натрия в ацетоне даёт (S)-3-иодгексан: сильный нуклеофил, апротонный растворитель, обращение конфигурации — \(S_N2\). Тот же бромид в кипящем метаноле без основания даёт 3-метоксигексан, почти рацемат: слабый нуклеофил, протонный растворитель, карбокатион — \(S_N1\).
boltТри вопроса
Какой субстрат? Какой нуклеофил — сильный или слабый? Какой растворитель? Ответы определяют механизм, а механизм — стереохимию и возможные перегруппировки.
auto_awesomeSN2 в клетке
Живые клетки постоянно проводят \(S_N2\): S-аденозилметионин переносит метильную группу на атомы азота и кислорода — так метилируется ДНК и образуется адреналин из норадреналина. Метильный субстрат и сильный нуклеофил — идеальные условия для \(S_N2\).
Практика: предсказание продуктов
Практикум. Определив механизм, ответьте на вопросы: обращение конфигурации или рацемат, произойдёт ли перегруппировка, не будет ли преобладать отщепление (уроки 95–96). Для проверки служит проба с нитратом серебра: если осадок выпадает на холоду, субстрат склонен к ионизации.
edit_noteРазбор задачи: 2-бромоктан в двух условиях
(S)-2-Бромоктан с азидом натрия в ДМФА — вторичный субстрат, сильный нуклеофил, апротонный растворитель: \(S_N2\), (R)-2-азидооктан. В муравьиной кислоте при нагревании — слабый нуклеофил, сильно ионизирующий растворитель: \(S_N1\) и почти рацемический формиат с примесью октенов.
boltПорядок ответа
- Тип субстрата. 2. Нуклеофил и растворитель — по ним механизм. 3. Стереохимия: обращение (\(S_N2\)) или рацемизация (\(S_N1\)). 4. Для \(S_N1\) — не станет ли катион устойчивее после сдвига.
auto_awesomeСольволиз как мера устойчивости катиона
Скорости сольволиза разных субстратов в одном растворителе — удобная шкала устойчивости карбокатионов: чем быстрее ионизируется субстрат, тем устойчивее катион. Так измеряли стабилизацию катиона соседними группами.
push_pinГлавное
Карбокатион перегруппировывается, если сдвиг соседнего атома водорода или метильной группы делает его устойчивее; при \(S_N2\) перегруппировок не бывает. Третичный субстрат, слабый нуклеофил и протонный растворитель означают \(S_N1\) (рацемизация, возможны перегруппировки); метильный или первичный субстрат, сильный нуклеофил и апротонный растворитель — \(S_N2\) (обращение конфигурации). Вторичные субстраты реагируют по тому механизму, который задают реагент и растворитель.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.