Атомом вуглецю

Нуклеофільність реагенту залежить від низки факторів:електронегативності та поляризовності нуклеофільного центру (атома з неподіленою парою електронів або з негативним зарядом), характеру замісників, зв'язаних з нуклеофільним центром, та природи розчинника. При рівних інших факторах зі збільшенням електронегативності атома нуклеофільного центру в межах одного і того самого періоду Періодичної системи елементів Д. І. Мен­делєєва неподілені пари електронів утримуються міцніше і відпо­відно нуклеофільність реагенту знижується. Так, нуклеофільність таких сполук і відповідних їм аніонів знижується в рядах:

Слід відмітити, що нуклеофільність іона значно вище нуклео­фільності відповідної нейтральної молекули:

У межах групи Періодичної системи нуклеофільність збіль­шується згори вниз відповідно до зростання поляризовності нук­леофільного центру. Так, у галогенід-іонів нуклеофільність збіль­шується в ряді:

Аналогічно нуклеофільність сірковмісних нуклеофілів вища, ніж у кисневмісних аналогів:

На нуклеофільність реагенту впливають замісники, зв'язані з нуклеофільним центром. Електронодонорні замісники підвищують електронну густину в нуклеофільному центрі та приводять до збільшення нуклеофільності, а електроноакцепторні, навпаки, зни­жують нуклеофільність, наприклад:

Вплив розчинника на нуклеофільність визначається ефектом соль­ватації. Протонні полярні розчинники — вода, спирти, мурашина кислота, оцтова кислота та інші — добре сольватують як катіони, так і аніони. Сольватуючи нуклеофіл, вони знижують його реакційну здатність і відповідно уповільнюють реакції, що йдуть за меха­нізмом S_N2. Апротонні полярні розчинники (диметилформамід НСON(СН₃)₂, диметилсульфоксид (СН₃)₂SО, ацетон СН₃СОСН₃, ацетонітрил СН₃—С≡N та ін.) сольватують тільки катіони, через це швидкість реакцій S_N2 у них істотно підвищується.

Механізм S_N1 (мономолекулярне нуклеофільне заміщення). На відміну від механізму S_N2, де розрив зв'язку С—Наl та утворення зв'язку С—Nu відбувається синхронно, у механізмі S_N1 розрив зв'язку С—Наl передує утворенню зв'язку С—Nu.

За механізмом S_N1 реакція проходить у дві стадії:

На стадії І відбувається іонізація молекули галогеналкану з утворенням карбкатіона та галогенід-іона. Процес іонізації про­ходить повільно, а через це він визначає швидкість усієї реакції. В іонізації галогеналкану надає допомогу розчинник.

На стадії II катіон, що утворився, швидко взаємодіє з нуклеофільним реагентом, утворюючи кінцевий продукт реакції.

Механізм нуклеофільного заміщення, який здійснюється за розглянутою схемою, називається мономолекулярним, оскільки на стадії, що визначає швидкість усього процесу (стадія І), бере участь молекула тільки одного реагенту (галогеналкану). Такий механізм позначають S_N1.

Швидкість реакцій, які проходять за механізмом S_N1, залежить тільки від концентрації галогеналкану, що описується кінетичним рівнянням першого порядку:

Оптично активні третинні галогеналкани, у котрих атом галоге­ну зв'язаний з асиметричним атомом вуглецю, у реакціях S_N1, як правило, утворюють рацемічні форми. Це пов'язане з тим, що карбкатіон, який утворюється на стадії І реакції, має площинну конфі­гурацію (катіонний центр знаходиться в sр²-гібридизації) та може бути атакований нуклеофільним реагентом з рівною ймовірністю з обох боків площини. А це приводить до утворення рівних кілько­стей двох стереоізомерів, тобто до рацемізації:

Вказані експериментальні дані підтверджують механізм S_N1.

Фактори, що сприяють перебігу реакцій за механізмом S_N1. Проходженню реакцій за механізмом S_N1 сприяють такі фактори:

1. Просторові перешкоди для атаки нуклеофілом електронодефіщіфюго атома вуглецю галогеналкану.

2. Здатність сполук утворювати досить стійкі карбкатіони.

3. Висока іонізуюча та сольватуюча здатність розчинника. За механізмом S_N1 відбувається нуклеофільне заміщення в тре­тинних і за певних умов — у вторинних галогеналканів.

У молекулі третинного галогеналкану, наприклад трет -бутилброміду ((CH₃)₃CBr. три метильні групи утворюють просторову перешкоду для підходу нуклеофілу до електрофільного центру і, відповідно, його атака з тилу стає неможливою. Разом з тим третинні галогеналкани в сильнополярних середовищах здатні до іонізації:

Як відомо, іонізація сполуки тим легша, чим стабільніші іони, що утворюються. Стійкість алкільних карбкатіонів зумовлена делокалізаціею позитивного заряду за рахунок +І- ефекту алкільних груп і зростає в ряді:

Тому утворення третинного карбкатіона для молекули енерге­тично вигідніше, ніж вторинного та тим більше — первинного. Че­рез це третинні галогеналкани легше піддаються іонізації, ніж вто­ринні та первинні, та тим самим найбільш реакційноздатні у реак­ціях, що ідуть за механізмом S_N1.

Вплив розчинника на перебіг реакцій за механізмом S_N1 зумов­лений ефектом сольватації. Протонні полярні розчинники, такі, як вода, спирти, мурашина кислота, оцтова кислота, сприяють іоніза­ції галогеналкану та добре сольватують карбкатіони і аніони, що утворюються, підвищуючи їх стійкість. Ці розчинники приско­рюють реакції, які ідуть за механізмом S_N1.

Таким чином, на підставі вищевикладеного можна зробити вис­новок, що первинні галогеналкани звичайно реагують за механіз­мом S_N2, третинні — за механізмом S_N1. Вторинні галогеналкани в залежності від природи нуклеофілу та розчинника можуть реагу­вати як за механізмом S_N2, так і за механізмом S_N1. Сильні нуклеофільні реагенти і апротонні полярні розчинники, (нітробензол, диметилформамід, ацетонітрил та ін.) сприяють проходженню реакції за механізмом S_N2, а протонні полярні розчинники (вода, метиловий спирт, етиловий спирт, мурашина кислота, оцтова кис­лота та ін.), котрі мають високу сольватуючу здатність, сприяють.взаємодії за механізмом S_N1.

Деякі нуклеофільні реагенти містять аніони, що мають у своєму складі два або більше нуклеофільних центрів, наприклад нітрит-іон ціанід-іон Такі іони виявляють двояку реакційну здатність та називаються амбідентними.

В реакціях, які проходять за механізмом S_N2, амбідентні іони атакують електрофільний реагент реакційним центром з більшою нуклеофільністю, тобто атомом азоту в нітрит-іоні й атомом вуглецю в ціанід-іоні. В реакціях, які проходять за механізмом S_N1, карбкатіон, який проміжно утворюється, активніше взаємодіє з реакційним центром з більшою електронною густиною, а саме з атомом кисню в нітрит-іоні й атомом азоту в ніанід-іоні Іосить часто заміщення в галогеналканах здійснюється паралельно як за механізмом S_N2, так і за S_N1-механізмом.

Галогеналкани вступають у численні реакції нуклеофільного заміщення. Важливе синтетичне значення мають:

Гідроліз галогеналканів. При гідролізі галогеналкани утво­рюють спирти. Реакція з водою проходить повільно і є оборотною:

Тому звичайно гідроліз проводять у присутності водних розчинів лугів або карбонатів лужних металів:

Взаємодія з алкоголятами та фенолятами (реакція Вільямсона). При дії на галогеналкани алкоголятів і фенолятів утворюються прості ефіри. Третинні галогеналкани утворюють як побічні про­дукти алкени.

Реакцію було відкрито у 1851 р. англійським хіміком А. У. Вільямсоном, і до цього часу вона використовується як один з кращих методів одержання простих ефірів.

Взаємодія з солями карбонових кислот. При дії на галоген­алкани солей карбонових кислот у середовищі апротонного поляр­ного розчинника (диметилформамід, диметилсульфоксид) з високими виходами утворюються складні ефіри. Реакція проходить за механізмом S_N2:

Взаємодія з аміаком, алкіл- і ариламінами. При взаємодії гало­геналканів з надлишком аміаку утворюється суміш первинних, вторинних і третинних амінів, а також солі четвертинних амонієвих основ. Докладніший опис реакції дано на с. 199. Утворення первин­ного аміну відбувається за схемою

Аналогічно реагують галогеналкани з алкіл- і ариламінами (див.с. 204, 208).

Взаємодія з солями ціановодневої кислоти. Оскільки ціанід-іон є амбідентним нуклеофілом, при взаємодії галогеналканів з солями ціановодневої кислоти, у залежності від умов проведення реакції, утворюються нітрили або ізоціаніди (ізонітрили).

Первинні та вторинні галогеналкани з солями лужних металів ціановодневої кислоти (КСN, NaСN) в середовищі апротонного полярного розчинника з високими виходами утворюють нітрили (механізм S_N2):

Основними продуктами реакції вторинних і третинних галоген­алканів з ціанідом срібла в середовищі протонного полярного розчинника є ізоціаніди (ізонітрили) (механізм S_N1):

Взаємодія з солями азотистої кислоти. Взаємодія галогеналка­нів з солями азотистої кислоти, що містять амбідентний нітрит-іон, проходить у залежності від умов проведення реакції з утворенням нітросполук або ефірів азотистої кислоти.

Первинні та вторинні галогеналкани з нітритом натрію за умов реакції S_N2 утворюють переважно нітросполуки:

Вторинні та третинні галогеналкани з AgNO₂ за умов реакції S_N1 утворюють з високими виходами ефіри азотистої кислоти:

Взаємодія з солями галогеноводневих кислот (реакція Фінкельштейна). За допомогою цієї реакції в молекулі галогеналкану можна замінити один галоген на інший. Взаємодія галогеналканів з солями галогеноводневих кислот є оборотним процесом. Для зміщення рівноваги праворуч використовують різну розчинність вихідних речовин і продуктів реакції. Реакція має практичне значення для одержання первинних фтор і йодалканів з більш до­ступних хлор- і бромпохідних. Для добування йодидів реакцію проводять в ацетоні, тому що йодид натрію розчинний в ацетоні, а NaCl або NaВr, які утворюються у процесі взаємодії, випадають в осад:

Взаємодія з гідросульфідами та сульфідами лужних металів.

При дії на первинні та вторинні галогеналкани гідросульфідів лужних металів утворюються тіоспирти (меркаптани), при дії сульфідів — тіоефіри:

Б. Р е а к ц і ї е л і м і н у в а н н я (E)

Кожний реагент, що містить атом з неподіленою парою елект­ронів або з негативним зарядом, поряд з нуклеофільними власти­востями виявляє також основні властивості (див. кн. 1, с. 98). Отже, він здатний не тільки надавати пару електронів для утво­рення зв'язку з електрофільним атомом вуглецю, але і відщеплю­вати від молекули, яка має рухливі атоми водню, протон. У молекулі галогеналкану внаслідок —I- ефекту атома галогену атоми водню в р -вуглецевого атома набувають, рухливості:

Тому в більшості випадків паралельно з реакцією нуклеофільного заміщення атома галогену проходить реакція відщеплення галогеноводню (β-елімінування) з утворенням алкену, наприклад:

Реакції нуклеофільного заміщення та елімінування конкурують одні з одними і за певних умов кожна з них може стати доміную­чою. Відщеплення галогеноводню від галогеналкану стає головним процесом у присутності нуклеофільних реагентів, що виявляють високу основність. До них відносяться спиртові розчини гідроксидів лужних металів (наприклад, спиртовий розчин NaОН, КОН) або алкоголяти лужних металів (наприклад, C₂Н₅ONa). Еліміну­ванню сприяє також підвищення температури реакційної суміші та концентрації реагентів. Сприятливий вплив справляє збільшення числа замісників при електрофільному атомі вуглецю. Тому особ­ливо легко елімінування проходить у третинних галогеналканів.

Якщо в молекулі галогеналкану є альтернативні шляхи

відщеплення галогеноводню, то реалізується з них переважно

той, при якому подвійний зв'язок утворюється при найбільш

заміщеному атомі вуглецю. Тобто разом з галогеном відходить

водень від найменш гідрогенізованого сусіднього атома