Нуклеофільне заміщення в насичених атомах вуглецю
Як випливає з розподілу електронної щільності, в молекулах спиртів, тіолів і амінів одночасно співіснують помітно виражені електрофільні і нуклеофільний
Центри. Така особливість електронної будови, в свою чергу, тягне за собою двоїстий характер їх участі в реакціях нуклеофільного заміщення SN.
В одному випадку це буде заміщення біля sp3-гібрідізоваться атома вуглецю в складі молекул спирту, тіолу або аміну, що виступають у ролі субстратів і надають для участі в реакції “свій” електрофільні центр.
В іншому випадку це буде нуклеофільне заміщення у sp3 – гібрідізоваться атома вуглецю в складі реагенту, який атакується молекулами спиртів, тіолів або амінів за рахунок участі їх нуклеофільних центрів.
Для прогнозування результату реакції важливе значення має якісна оцінка нуклеофильности учасників процесу.
Нуклеофільність можна визначити як здатність до взаємодії з атомом вуглецю, що несе частковий або повний позитивний заряд, т. Е. Як спорідненість до вуглецю.
Оціночними критеріями нуклеофильности служать узагальнення:
– нуклеофільність зарядженого нуклеофілу вище, ніж відповідної нейтральної молекули, наприклад:
HO-> H2O; RO-> ROH; RS-> RSH; RCOO-> RCOOH;
– нуклеофільність зменшується зі збільшенням електронегативності елемента в межах одного періоду Періодичної системи, наприклад, NH3> H2O> HF. У першому наближенні нуклеофільність змінюється паралельно основності (див. 4.2.2); виняток становлять сірковмісні нуклеофіли.
Таким чином, в ряду нейтральних нуклеофілів найбільш сильними є аміни. Спирти, вода і особливо феноли володіють набагато нижчою нуклеофільність і в якості нуклеофілів використовуються зазвичай у вигляді відповідних аніонів.
Загальний опис механізму реакції. Електрофільні центр зумовлює можливість нуклеофільного атаки (див. Схему 4.1).
У ході цих реакцій атакуючий реагент (нуклеофил) надає субстрату свою пару електронів, за рахунок якої утворюється зв’язок між атомом вуглецю субстрату і нуклеофілом. Група Х (нуклеофуг), що також називається групою, що йде, отщепляется з парою електронів. По відношенню до реагенту це перетворення можна розглядати як алкілування нуклеофілу.
У схемі реакції навмисно не позначені заряди: нуклеофил і нуклеофуг можуть бути заряджені негативно або бути нейтральними, а субстрат і продукт – або нейтральними, або зарядженими позитивно.
Реакція нуклеофільного заміщення може бути оборотною, оскільки йде група сама може проявляти нуклеофільниє властивості.
Для успішного протікання реакції нуклеофільного заміщення необхідно, щоб уходящая група була більш стабільною і проявляла більш слабку нуклеофільність в порівнянні з атакуючим нуклеофілом.
Кращі йдуть групи – найбільш слабкі підстави (а відповідні їм зв’язані кислоти – найбільш сильні). До хорошим йдуть груп відносяться галогенид-іони.
На відміну від галогенид-іонів сильні підстави, наприклад гідроксид-іон НО, алкоксид-іон RO і амід-іон NH2, є поганими йдуть групами, тому їх пряме нуклеофільне заміщення здійснити не вдається. У таких випадках використовують перетворення поганий минає групи в гарну відмираючу групу. Для цього зазвичай в субстраті переводять відмираючу групу в Онієву, щоб надалі вона відщепилася у вигляді нейтральної молекули.
Разом з тим спирти, аміни, Меркаптани і сульфіди в реакціях нуклеофільного заміщення самі можуть бути нуклеофільнимі реагентами в результаті або присутності в їх молекулах нуклеофильного центру, або освіти аніонів при розриві зв’язку з гетероатомом-водень.
Спирти як субстрати в реакціях нуклеофільного заміщення. У спиртах перетворення групи ОН в оксоніевую досягається проведенням реакції в умовах кислотного каталізу. Групою, що йде в цій реакції є молекула води, а в якості субстрату виступає протонированная по кисню молекула спирту.
Спирти як реагенти в реакціях нуклеофільного заміщення.
Спирти можуть брати участь у реакціях в ролі нуклеофільних реагентів, наприклад, по відношенню до найбільш активним третинним галогенопроїзводниє вуглеводнів.
З вторинними і особливо з первинними галогенопроїзводниє необхідні більш сильні нуклеофіли – аніони спиртів (алкоксиди).
Аміни як реагенти в реакціях нуклеофільного заміщення. Слід зазначити деякі особливості реакцій, в яких нуклеофільних реагентом є аміак або аміни. Розглянемо це на прикладі алкілування аміаку.
Початковим продуктом реакції повинна бути заміщена амонієва сіль.
Аміак виявляє не тільки нуклеофільниє, а й основні властивості, які полягають у здатності отщеплять протон від утворилася аммониевой солі, яка при цьому перетворюється в первинний амін (етиламін). Цей амін в свою чергу також є нуклеофілом (навіть сильнішим, ніж аміак) і здатний піддаватися алкілування. При цьому спочатку утворюється сіль вторинного аміну, а потім і сам амін (діетиламін) і т. Д. У підсумку реакція галогеноалканов з аміаком або амінами приводить до складної суміші первинних, вторинних і третинних амінів і їх солей.
Групи NH2, NHR, NR2 являють собою надзвичайно погані йдуть групи. Їх заміщення навіть після перетворення на Онієву іони здійснити не вдається. Однак нуклеофільне заміщення групи NH2, наприклад на групу ОН, в первинних аминах можна здійснити шляхом їх взаємодії з азотистої кислотою. Така реакція називається дезамінуванням.
Як видно зі схеми 4.2, в більшості наведених прикладів реакцій нуклеофільного заміщення в якості субстратів беруть участь галогенопроїзводниє вуглеводнів. У класичній органічної хімії цих сполук приділяється досить велика увага. У біоорганічної хімії вони в міру необхідності будуть використовуватися в якості модельних сполук.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)