SN2: субстрат, нуклеофил, уходящая группа, растворитель

8 заданий

Субстрат

linkОпора

Урок 83. Механизм SN2 — рисовать механизм SN2 и объяснять кинетику второго порядка
Урок 25. Факторы силы кислоты: атом, резонанс, индукция, орбиталь — сравнивать кислоты по устойчивости сопряжённого основания

Механизм \(S_N2\) мы уже умеем рисовать (урок 83) и знаем его стереохимию (урок 84). Теперь разберёмся, от чего зависит его скорость. Нуклеофил атакует атом углерода с тыла, и чем больше групп окружает этот атом, тем труднее атака. Поэтому скорость \(S_N2\) определяет прежде всего тип атома углерода (урок 32), а затем нуклеофил, уходящая группа и растворитель.

Как сравнить субстраты в \(S_N2\)

Посчитайте заместители при атоме углерода с галогеном. Скорость падает в ряду: метил > первичный > вторичный ≫ третичный.
Учтите разветвление у соседнего атома углерода. Неопентильные галогениды \(\ce{(CH3)3C-CH2-X}\) почти не реагируют, хотя формально первичные.
Винильные и арильные галогениды в реакцию \(S_N2\) не вступают.

бромметан: 145 — Относительные скорости \(S_N2\) (бромэтан = 1)

бромэтан: 1 — Относительные скорости \(S_N2\) (бромэтан = 1)

Примеры

1. Синтез бензил-трет-бутилового эфира. Этот эфир можно получить из бензилбромида и трет-бутоксида калия: у бензилбромида нет атомов водорода при соседнем атоме, и отщепление невозможно. Обратная пара — трет-бутилбромид и бензилат натрия — не подходит: третичный бромид в реакцию \(S_N2\) не вступает, а с сильным основанием даёт алкен.

2. Неопентилбромид. 1-Бром-2,2-диметилпропан \(\ce{(CH3)3CCH2Br}\) почти не реагирует по механизму \(S_N2\), хотя атом углерода при броме первичный. Три метильные группы соседнего атома закрывают этот атом с тыла.

3. Бромметан. Бромметан \(\ce{CH3Br}\) реагирует в 145 раз быстрее бромэтана: вокруг его атома углерода только атомы водорода.

errorПервичный — ещё не быстрый

Тип галогенида определяют по атому углерода, связанному с галогеном, но атаке мешают и группы при соседнем атоме. У неопентилбромида атом углерода при броме первичный, а скорость \(S_N2\) в сто тысяч раз ниже, чем у бромэтана.

edit_noteПопробуйте сами

Какая пара лучше для синтеза метилпропилового эфира: \(\ce{CH3I + C3H7ONa}\) или \(\ce{CH3ONa + C3H7Br}\)?

expand_moreПоказать решение

Обе пары реальны, но первая надёжнее. Иодметан реагирует по \(S_N2\) быстрее всех галогенидов и не может дать алкен.

Нуклеофил, уходящая группа, растворитель

Кроме строения субстрата, скорость \(S_N2\) задают ещё три фактора: сила нуклеофила, качество уходящей группы и растворитель. Все три связаны с сольватацией ионов (водородные связи, урок 9) и с силой оснований (урок 23).

Как оценить нуклеофил, уходящую группу и растворитель

Нуклеофил. Анион сильнее нейтральной молекулы: \(\ce{HO-} > \ce{H2O}\). В одном периоде сильнее более основная частица: \(\ce{NH2-} > \ce{HO-} > \ce{F-}\). В одной группе в протонных растворителях сильнее крупный анион: \(\ce{I-} > \ce{Br-} > \ce{Cl-} > \ce{F-}\), \(\ce{RS-} > \ce{RO-}\).
Уходящая группа. Хорошо уходит слабое основание (ряд ниже). Ионы \(\ce{HO-}\), \(\ce{RO-}\) и \(\ce{NH2-}\) — сильные основания, и без активации они не уходят.
Растворитель. Протонные растворители (вода, спирты) окружают анион водородными связями и замедляют \(S_N2\). Полярные апротонные растворители (ДМСО, ДМФА, ацетон, ацетонитрил) таких связей не образуют, и несольватированный анион реагирует в тысячи раз быстрее.

\[\ce{TfO-} > \ce{I-} \approx \ce{TsO-} > \ce{Br-} > \ce{Cl-} \gg \ce{F-}\]

вода: протонный — Протонные растворители — с группой O–H, апротонные — без неё

метанол: протонный — Протонные растворители — с группой O–H, апротонные — без неё

Примеры

1. Растворитель. Азид натрия реагирует с 1-бромпентаном \(\ce{C5H11Br}\) в ДМФА в тысячи раз быстрее, чем в метаноле: в ДМФА азид-ион не окружён водородными связями.

2. Фторид-ион. В воде фторид-ион \(\ce{F-}\) прочно связан водородными связями и потому слабый нуклеофил. В ДМСО с краун-эфиром, который связывает катион калия, он становится сильным нуклеофилом.

3. Уходящая группа. Иодэтан \(\ce{C2H5I}\) реагирует с азид-ионом быстрее хлорэтана \(\ce{C2H5Cl}\), потому что иодид-ион уходит легче хлорид-иона. Этанол с азид-ионом не реагирует вовсе: гидроксид-ион — плохая уходящая группа.

errorРяд галогенидов зависит от растворителя

В протонных растворителях лучший нуклеофил среди галогенид-ионов — иодид, а худший — фторид. В полярных апротонных растворителях порядок обратный: фторид-ион не сольватирован и очень основен. Поэтому, сравнивая нуклеофилы, всегда смотрят, в каком растворителе идёт реакция.

edit_noteПопробуйте сами

Какой растворитель выбрать для реакции бромэтана с цианидом калия: воду, этанол или ацетонитрил?

expand_moreПоказать решение

Ацетонитрил. Это полярный апротонный растворитель, и в нём цианид-ион не окружён водородными связями.

push_pinГлавное

Субстрат: метил > первичный > вторичный ≫ третичный (не реагирует); неопентильные и разветвлённые у соседнего атома — очень медленно. Нуклеофил: анион сильнее молекулы, в протонных растворителях крупный сильнее (\(\ce{I-} > \ce{Br-} > \ce{Cl-} > \ce{F-}\)). Уходящая группа — слабое основание: \(\ce{TfO-} > \ce{I-} \approx \ce{TsO-} > \ce{Br-} > \ce{Cl-} \gg \ce{F-}\); \(\ce{HO-}\), \(\ce{RO-}\), \(\ce{NH2-}\) не уходят. Растворитель: полярные апротонные (ДМСО, ДМФА, ацетон, ацетонитрил) ускоряют \(S_N2\) в тысячи раз.

Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.