Нуклеофильные реакции

НУКЛЕОФИЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ, гетеролитич. р-ции орг. соед. с нуклеоф. реагентами (нуклеофилами, от лат. nucleus-ядро и греч. phileo-люблю). К н у к л е о ф и л а м относят анионы и молекулы (орг. и неорг.), к-рые при участии в р-ции отдают свою пару электронов на образование новой связи. Общая черта нуклеофильных реакций-атака нуклеофила по электроно-дефицитному центру, завершающаяся присоединением реагента или замещением уходящей группы, напр. нуклеоф. замещение у насыщ. атома углерода или в ароматич. кольце, нуклеоф. присоединение к карбонильной группе или алкенам и алкинам, нуклеоф. замещение у карбонильного атома углерода, нуклеоф. замещение у атома фосфора.

Наиб. изучены р-ции н у к л е о ф. з а м е щ е н и я у н а с ы щ. а т о м а у г л е р о д а:

Р-ции такого типа обычно используют также для качеств. и количеств. определения понятий, характеризующих нуклеофильные реакции.

В этих р-циях нуклеофилом является частица X:, предоставляющая орг. субстрату пару электронов. Для уходящей со своей парой электронов группы Z: принято назв. н у к л е о-ф у г (от лат. nucleus-ядро и fugio-убегаю). На скорость и механизм р-ции нуклеоф. замещения определяющее влияние оказывают нуклеоф. реакц. способность (или нуклеофильность, "нуклеофильная сила") реагента X:, нуклеофугная рсакц. способность (или нуклеофугность) уходящей группы Z:, природа субстрата и условия р-ции (т-ра, р-ритель, давление и т. д.). Нуклеофильность, в отличие от основности, является величиной кинетической, а не термодинамической, т. е. количеств. мерой нуклеоф. реакц. способности служит константа скорости р-ции, а не константа равновесия.

Различают два предельных случая р-ций нуклеоф. замещения-мономол. процесс S_N1 и бимолекулярный (синхронный) S_N2:

Механизм нуклеоф. замещения существенно зависит от природы субстрата и р-рителя. Так, процессы S_N1 реализуются в полярных р-рителях (Н₂О, СН₃ОН, АсОН и др.), способствующих гетеролизу связи С—Z, и в р-циях с субстратами, содержащими третичный, аллильный или бен-зильный атом С. Процессы S_N2 в меньшей степени зависят от р-рителя и наиб. характерны для субстратов с первичным атомом С.

При мономол. процессе первоначально под действием р-рителя происходит ионизация субстрата с образованием трехкоординац. карбкатиона и нуклеофуга (эта стадия обычно определяет скорость всего процесса), а затем следует быстрая стадия связывания карбкатиона с нуклеофилом. При этом атака нуклеофила равновероятна с обеих сторон, и в случае асимметрич. реакц. центра обычно наблюдается образование рацематов. При бимол. процессе образуется пятикоординац. переходное состояние, причем атака нуклеофила осуществляется со стороны, противоположной уходящему заместителю, что приводит к обращению конфигурации, напр. т. наз. вальденовское обращение (см. Динамическая стереохимия).

Р-ция S_Nl обычно имеет суммарный 1-й порядок; скорость ее, как правило, не зависит от природы нуклеофила и его концентрации, но сильно зависит от природы нуклеофуга и р-рителя. Кинетика р-ции S_N2 описывается ур-нием 2-го порядка - первого по субстрату и первого по нуклеофилу. Скорость р-ции в этом случае зависит как от концентрации, так и от хим. природы нуклеофила.

Известно неск. подходов к количеств. оценке нуклеоф. реакц. способности реагента X: на основе корреляц. соотношений как в S_N2-, так и S_N1-процессах. Для р-ций S_N2 в воде или метаноле наиб. широко применяют ур-ние Свена-Скотта lg (k/k₀) = S^.n, где k и k₀-константы скорости р-ции субстрата соотв. с данным нуклеофилом и водой, S- параметр чувствительности субстрата к изменению нуклеофила (S = 1 для стандартного субстрата-СН₃Вr), и-параметр нуклеофильности реагента (табл. 1).

Табл. 1.-ЗНАЧЕНИЕ ПАРАМЕТРА НУКЛЕОФИЛЬНОСТИ п ДЛЯ НЕКОТОРЫХ РЕАГЕНТОВ (вода, 25 °С)

Для процессов типа S_Nl справедливо корреляц. ур-ние Ритчи lg(k/k₀) = N₊. Оно получено измерением скоростей р-ций с использованием в качестве субстратов карбкатио-нов, стабилизированных арилъными заместителями три-фенилметанового ряда.

Параметр нуклеофильности N₊ характеризует реакц. способность нуклеофила в определенном р-рителе; в воде величины N₊ близки к параметрам п.

Величины параметров нуклеофильности могут заметно меняться в зависимости от конкретной нуклеофильной реакции, однако общая тенденция изменения нуклеофильности обычно сохраняется. Так, практически во всех нуклеофильных реакциях ОН^-, CN^-, RS^-, I^- и Вr^-проявляют себя как сильные нуклеофилы, а Н₂О, СН₃ОН, F^-, NO^-₃, SО₄^2--как слабые.

Мерой нуклеофугности могут служить константы скорости сольволиза (протекающего по механизму S_N1) однотипных субстратов, отличающихся лишь природой уходящей группы (табл. 2).

Табл. 2. ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ КОНСТАНТЫ СКОРОСТИ СОЛЬВОЛИЗА (k_отн) НЕКОТОРЫХ УХОДЯЩИХ ГРУПП [субстрат-Ph(CH₃)CHZ в 80%-ном водном этаноле, 75°С]

К "хорошим" нуклеофугам относят орг. сульфонат-(този-лат, мезилат, трифлат), фторсульфат-(FSО^-₃) и перхлорат-анионы(СlO^-₄). Ковалентные орг. производные этих анионов широко используют в качестве алкилирующих реагентов-чрезвычайно активных субстратов в нуклеофильных реакциях. Еще более хорошие нуклеофугные частицы-азот из алкилдиазониевых солей (RN⁺₂), трехвалентный иод (напр., группа IСl₂), вода из протонир. спирта и простой эфир из триалкилоксониевых солей ; однако алифатич. субстраты, содержащие в своей структуре эти группы, при комнатной т-ре обычно неустойчивы и используются лишь в качестве активных интермедиатов, генерируемых непосредственно в реакц. среде.

Существует неск. разл. подходов к теоретич. интерпретации понятий нуклеофильности и нуклеофугности и к оценке факторов, влияющих на их величину. Осн. факторы - основность (кислотность), поляризуемость, сольватац. эффекты, величины потенциалов ионизации и окисления, стерич. и электростатич. эффекты, наличие своб. электронной пары у атома, соседнего с нуклеоф. центром, прочность связи с атомом углерода. Следует отметить, что прямой корреляции нуклеофильности с к.-л. одним из этих параметров обычно нет, как нет и корреляции между нуклеофильностью и нуклеофугностью; напр., тиолят-анион RS^--хороший нуклеофил, но слабое основание и "плохая" уходящая группа, гидроксид-анион НО^- -хорошее основание и нуклеофил, но плохая уходящая группа. Анионы самых сильных к-т-хлорной и трифторметансульфоновой - хорошие нуклеофу-ги и в то же время способны проявлять нуклеофильные свойства.

Нуклеоф. замещение в алифатич. ряду имеет исключительно важное значение для орг. синтеза, позволяя целенаправленно заменять функц. группы, а также конструировать углеродный скелет молекулы путем использования С-нуклеофилов (напр., металлоорг. соединений).

Н у к л е о ф. з а м е щ е н и е в а р о м а т и ч. р я д у (ароматич. нуклеоф. замещение) обычно сильно затруднено и может протекать по механизмам "присоединение - отщепление" или через промежут. образование дегидробензола (арино-вьш механизм):

В первом случае первоначально происходит присоединение нуклеофила к ароматич. субстрату с образованием промежут. продукта (иногда стабильного - т. наз. комплекс Майзенхаймера), отщепление нуклсофуга от к-рого приводит к конечному продукту замещения. Электроноакцеп-торные заместители в ядре (NO₂, COR, CN и др.) стабилизируют интермедиат и способствуют быстрому протеканию р-ции. Так, если галоген в хлорбензоле можно заместить действием щелочи в очень жестких условиях (400 °С; 4,5 МПа), то 2,4-динитрохлорбензол и 2,4,6-тринитрохлор-бензол реагируют с нуклеоф. реагентами при комнатной т-ре или умеренном нагревании.

Ариновый механизм обычно реализуется в р-циях арил-галогенидов с сильными основаниями, напр. NaNH₂ в NH₃.

Очень важны для орг. синтеза р-ции н у к л е о ф. п р ис о е д и н е н и я и з а м е щ е н и я у к а р б о н и л ь н о г о а т о м а у г л е р о д а:

В нек-рых случаях процесс останавливается на стадии присоединения, напр. в р-циях HCN с альдегидами и кетонами с получением циангидринов. В др. случаях (обычно когда Z: хороший нуклеофуг, напр. галоген или вода) образуются продукты замещения. К этому типу процессов относят практически важные р-ции этерификации (эти р-ции протекают при наличии кислотного катализа): RCOOH + + R'OHRCOOR' + Н₂О, а также р-ции карбонильных производных с С-нуклеофилами, приводящие к возникновению новой связи углерод-углерод.

Н у к л е о ф. п р и с о е д и н е н и е к к р а т н о й с в я з и у г л е р о д-у г л е р о д обычно возможно лишь при наличии в молекуле субстрата электроноакцепторных заместителей. Примером может служить присоединение нуклеоф. реагентов (напр., воды) к a,b-непредсльным к-там: СН₂=СНСООН + Н₂ОНОСН₂СН₂СООН. К частному случаю нуклеоф. присоединения к двойной связи можно отнести очень важную для орг. синтеза Михаэля реакцию.

Лит.: Хадсон Р. Ф., в кн.: Реакционная способность и пути реакций, пер. с апгл., М., 1977, с. 175-261; Кери Ф., Сандберг Р., Углубленный курс органической химии, пер. с англ., М., 1981; Марч Дж., Органическая химия, пер. с англ., М., 1987, т. 2, с. 11-243; там же, т. 3, с. 5-45; Ibne-Rasa K.M., "J. Chem. Educ.", 1967, v. 44, № 2, p. 89-94; Stirling C.J.M., "Ace. Chem. Res.", 1979, v. 12, p. 198-203; Harris J.M., McManusS.P., Nucleophilicity, Wash., 1987.

В. В. Жданкин.