Реакция SN2: субстрат, нуклеофил, растворитель
Субстрат
Нуклеофил подходит к атому углерода с тыла, и всё, что закрывает тыл, замедляет реакцию.
| Субстрат | Относительная скорость реакции с \(\ce{I-}\) |
|---|---|
| \(\ce{CH3Br}\) | 145 |
| \(\ce{C2H5Br}\) | 1 |
| \(\ce{(CH3)2CHBr}\) | 0,008 |
| \(\ce{(CH3)3CBr}\) | реакция не идёт |
| \(\ce{(CH3)3C-CH2Br}\) (неопентилбромид) | \(10^{-5}\) |
Мешает даже разветвление у соседнего атома: неопентилбромид формально первичный, но три метильные группы соседнего четвертичного атома закрывают тыл. Аллильные и бензильные субстраты, наоборот, реагируют быстрее обычных первичных: переходное состояние стабилизировано π-системой (урок 99).
edit_noteРазбор задачи: синтез Вильямсона
Как получить этилизопропиловый эфир \(\ce{C2H5-O-CH(CH3)2}\)? Возможны две пары: бромэтан и изопропилат натрия или 2-бромпропан и этилат натрия. Выбираем первую: субстрат первичный, и \(S_N2\) идёт быстро. Во второй паре субстрат вторичный, а этилат — сильное основание: в значительной части пойдёт отщепление и образуется пропен (урок 95).
boltОбъёмный фрагмент — в алкоголят
В синтезе Вильямсона галогенид должен быть первичным (лучше метильным), а разветвлённую часть молекулы вносят в виде алкоголята.
auto_awesomeНеопентильная ловушка
Неопентильные субстраты — ловушка олимпиадных задач: они первичные, но не реагируют по \(S_N2\) и не образуют устойчивого катиона. При попытке сольволиза они перегруппировываются (урок 94).
Нуклеофил и уходящая группа
Нуклеофил
Нуклеофильность — способность отдавать электронную пару атому углерода (урок 11). В протонных растворителях:
- В пределах периода более сильное основание — и более сильный нуклеофил: \(\ce{NH2-} > \ce{OH-} > \ce{F-}\).
- В пределах группы в протонных растворителях сильнее более крупный, поляризуемый атом: \(\ce{I-} > \ce{Br-} > \ce{Cl-}\), \(\ce{RS-} > \ce{RO-}\).
- Заряженная частица — более сильный нуклеофил, чем нейтральная: \(\ce{OH-} > \ce{H2O}\).
Уходящая группа
Хорошо уходят слабые основания: \(\ce{I-} > \ce{Br-} > \ce{Cl-} \gg \ce{F-}\). Тозилат- и мезилат-ионы — превосходные уходящие группы, поэтому спирты переводят в тозилаты (тема 9). \(\ce{OH-}\), \(\ce{RO-}\) и \(\ce{NH2-}\) уходят плохо: спирты без кислоты в замещение не вступают.
edit_noteРазбор задачи: тиолят или алкоголят
Какой нуклеофил быстрее реагирует с бромметаном в метаноле: \(\ce{CH3S-}\) или \(\ce{CH3O-}\)? Атом серы крупнее и поляризуемее, его электроны удерживаются слабее и легче образуют новую связь; кроме того, метанол слабее связывает водородными связями крупный тиолят-ион. Быстрее реагирует \(\ce{CH3S-}\) — хотя как основание он слабее метоксид-иона.
boltНуклеофил и основание — не одно и то же
Основность — сродство к протону (равновесие), нуклеофильность — скорость атаки на атом углерода. Крупные поляризуемые частицы (\(\ce{I-}\), \(\ce{RS-}\)) — сильные нуклеофилы и слабые основания; объёмный трет-бутилат — сильное основание, но слабый нуклеофил.
auto_awesomeТозилаты
Тозилат — анион пара-толуолсульфокислоты, одной из сильнейших органических кислот. Превращая спирт в тозилат, химики заменяют плохую уходящую группу \(\ce{OH-}\) одной из лучших, не затрагивая стереоцентр при атоме углерода.
Растворитель
Протонные растворители (вода, спирты) окружают анион-нуклеофил водородными связями, и чтобы атаковать атом углерода, ему нужно освободиться от этой «шубы». Полярные апротонные растворители (ДМСО, ДМФА, ацетон, ацетонитрил) хорошо сольватируют катион, но почти не связывают анион: несольватированный нуклеофил намного активнее.
| Растворитель | Тип | Относительная скорость \(\ce{CH3I + Cl-}\) |
|---|---|---|
| метанол | протонный | 1 |
| формамид | протонный | 12,5 |
| N-метилформамид | протонный | 45 |
| ДМФА | апротонный | \(1{,}2\cdot10^6\) |
edit_noteРазбор задачи: фторид и иодид в разных растворителях
Почему в метаноле иодид-ион — более сильный нуклеофил, чем фторид-ион, а в ДМСО наоборот? Маленький фторид-ион с высокой плотностью заряда в метаноле прочно связан водородными связями, и его реакционная способность подавлена. В ДМСО анионы не сольватированы, и нуклеофильность следует основности: \(\ce{F-} > \ce{Cl-} > \ce{Br-} > \ce{I-}\). Ряд нуклеофильности без указания растворителя — неполный ответ.
boltРастворитель выбирает механизм
Полярный апротонный растворитель (ДМСО, ДМФА, ацетон) — для \(S_N2\) с анионом. Полярный протонный (вода, спирты) — для \(S_N1\): он стабилизирует и катион, и уходящий анион.
history_eduКраун-эфиры
Чарльз Педерсен в 1967 году открыл краун-эфиры — циклические полиэфиры, которые охватывают катион калия. Фторид калия с краун-эфиром растворяется даже в бензоле, и «голый» фторид-ион становится сильным нуклеофилом. За это открытие Педерсен получил Нобелевскую премию 1987 года.
push_pinГлавное
Скорость \(S_N2\) резко падает с ростом числа заместителей у реакционного центра и даже у соседнего атома: метильные > первичные > вторичные, третичные и неопентильные почти не реагируют. Нуклеофильность в протонных растворителях растёт с поляризуемостью (\(\ce{RS-} > \ce{I-} > \ce{CN-} > \ce{RO-} > \ce{OH-} > \ce{Br-} > \ce{Cl-}\)), уходящая способность — с уменьшением основности. Полярные апротонные растворители (ДМСО, ДМФА, ацетон) не связывают анион и ускоряют реакцию в тысячи раз.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.