Основные факторы, влияющие на ход процесса

Условия проведения и результаты реакций замены галогена зависят от строения субстрата и реагента, полярности среды и природы уходящего галогена.

Строение реагирующего соединениясущественно влияет на механизм замещения галогена (например, SN1 или SN2; SNAr(AE) или SNEA).

В алифатических галогенидах с увеличением разветвленности радикала создаются стерические препятствия для прямой нуклеофильной атаки и увеличивается стабильность промежуточного карбкатиона, поэтому при переходе от первичного алкилгалогенида к третичному в одних и тех же условиях механизм реакции может измениться от бимолекулярного до мономолекулярного. Этот процесс не является резким и зависит от ряда конкретных условий. Принципиально возможно протекание реакции по двум механизмам одновременно:

Аллил- и бензилгалогениды легко реагируют как по SN1, так и по SN2 механизму. Однако, независимо от разветвленности радикала, они образуют очень устойчивые карбокатионы, поэтому преимущественно реализуется SN1-механизм. При этом из-за возможности существования аллилкатиона в виде двух граничных структур наблюдается аллильная перегруппировка:

Аллильная перегруппировка не имеет места, если для первичных аллилгалогенидов создать условия протекания реакции по механизму SN2.

В случае механизма SN2 перегруппировка наблюдается только в неполярном растворителе при взаимодействии сильного нуклеофила с аллилгалогенидом, у которого подход к атому углерода при галогене стерически затруднен:

В ароматических галогенидах электроноакцепторные заместители в орто-, пара-положениях способствуют замещению галогена по механизму SNAr (через присоединение-отщепление), а электронодонорные — направляют реакцию по механизму SNEA (отщепления-присоединения), через дегидробензол.

Структура реагирующего соединения определяет и скорость процессов:

Скорость SN1 реакции алкилгалогенидов возрастает по мере увеличения устойчивости карбкатиона, т. е. в ряду от метилгалогенида к третичному, аллильному и бензильному:

Находящиеся в α-положении к реакционному центру предельные, фенильные и винильные радикалы, а также атомы, имеющие неподеленную пару электронов, способствуют распределению электронного облака частицы, стабилизируют катион и ускоряют реакцию.

Скорость SN2 реакции алкилгалогенидов возрастает в прямо противоположном направлении, наблюдаемом при SN1 замещении, если не учитывать наибольшую активность первичных аллил- и бензилгалогенидов. Метильные и первичные галогениды реагируют очень гладко, вторичные — значительно хуже, а третичные часто не реагируют вообще, что объясняется, в основном, пространственными препятствиями для атаки нуклеофила, которые играют в SN2 замещении важную роль.

В ароматических галогенидах электроноакцепторные заместители в орто-, пара-положениях существенно облегчают реакцию SNAr замещения, электронодонорные — затрудняют ее. Пространственные факторы при нуклеофильном замещении в ароматическом ряду не являются определяющими, так как атака направлена сбоку к плоскости ароматического ядра.

Так, 2,4,6-тринитрогалогенбензолы реагируют с водой, аммиаком и другими нуклеофилами как хлорангидрид кислоты (очень легко!). Динитрогалогенбензолы взаимодействуют с подобными реагентами медленнее. Замена галогена в о- и п-хлорнитробензоле проходит в щелочном растворе при 130—150 °С, а хлорбензол гидролизуется до фенола лишь при температуре 350—400 °С и давлении выше 30 МПа под действием 5 % раствора щелочи и по другому механизму.

При взаимодействии метилата натрия с галогенбензолами активирующее действие заместителей при одинаковом их размещении относительно галогена изменяется приблизительно в следующем порядке:

Галоген влияет на реакционную способность галогенидов, являясь, с одной стороны уходящей группой, с другой — акцептором электронов. Способность галогена «уходить» уменьшается (снижается стабильность аниона), а электроотрицательность (электроноакцепторные свойства), наоборот, увеличивается в ряду: I , Br , Cl , F.

В случае алкилгалогенидовнаибольшее значение имеет первый фактор, и реакционная способность их уменьшается в ряду: RI > RBr > RCl > RF (уменьшается способность групп уходить).

В активированных галогенаренах величина положительного заряда у реакционного центра зависит не только от количества, расположения и природы других заместителей в ядре, но и от электроотрицательности замещаемого галогена. Поэтому атомы галогена могут быть замещены с возрастающей легкостью в ряду ArI < ArBr < ArCl < ArF.

Реакционная способность нуклеофила (нуклеофильность)величина переменная, зависящая от различных факторов, поэтому невозможно построить некий постоянный ряд их активности. Например, в протонных растворителях нуклеофильность анионов Hlg– увеличивается от фторида к иодиду, а в апротонных — наоборот. Тем не менее, на практике часто приходится сравнивать активность реагирующих частиц, т.к. их влияние на нуклеофильное замещение очень велико. Например, известно, что:

· чем выше нуклеофильность реагента, тем вероятнее механизм SN2, использование слабых нуклеофилов способствует протеканию реакции по механизму SN1;

· при повышении активностиреагентов скорость реакций SN2, SNAr и SNEA увеличивается, а SN1 — не меняется;

· при увеличении силы нуклеофила возрастает вероятность побочных реакций (например, реакции элиминирования), особенно в реакциях, реализующих механизм SN1.

Для сравнения нуклеофильности реагентов при проведении реакций в одинаковых условиях (!) можно использовать следующие правила:

1. Нуклеофил с отрицательным зарядом всегда активнее своей сопряженной кислоты. Так, НО–, активнее Н2О, NH2– > NH3, HS– > H2S и т.д.

2. Если атомы нуклеофильных центров находятся в одном периоде таблицы Д.И. Менделеева, то для сравнения активности частиц можно использовать величину рКb(рКa), т.к. порядок изменения реакционной способности и констант основности приблизительно совпадает. Поэтому нуклеофильность приведенных частиц уменьшается в следующем порядке: NH2– > RО– > НО– > R2NH > ArО– > NH3 > Н2О. Корреляция такого типа в наибольшей степени соблюдается при сравнении нуклеофилов сходной структуры, например, в ряду замещенных ароматических аминов и фенолятов.

3. Если нуклеофильным центром частиц являются атомы одной группы таблицы Д.И. Менделеева, то их активность в протонных растворителях увеличивается сверху вниз по группе. Например, нуклеофильность галогенидов уменьшается: I– > Br– > Cl– > F–. Активность также увеличивается при переходе от спирта и алкоголята к серосодержащим аналогам и т.д.

В то же время в апротонном растворителе или при его отсутствии нуклеофильность может поменяться наоборот, что служит доказательством важной роли сольватации в реакциях нуклеофильного замещения.

4. Чем свободнее нуклеофил от противоиона, тем выше его активность.

Следует, однако, учитывать, что приведенные выше правила не всегда справедливы. На активность частиц могут влиять и другие факторы (например, стерические препятствия).

Влияние растворителя в реакциях нуклеофильного замещения столь велико, что в ряде случаев определяет механизм реакции.

Полярные протонные растворители (вода, спирты, карбоновые кислоты, аммиак) способствуют протеканию реакций по SN1 механизму, т.к. они сольватируют и ускоряют диссоциацию молекулы исходного алкилгалогенида, сольватируют и стабилизируют как катионы, так и анионы, а, следовательно, и увеличивают скорость процесса в целом.

С увеличением полярности и кислотности растворителя тенденция к образованию водородных связей растет, и скорость SN1 реакции увеличивается. Многие процессы, протекающие в слабо сольватирующих растворителях по бимолекулярному механизму, в среде муравьиной или трифторуксусной кислоты, в растворах минеральных кислот идут по SN1 механизму.

Апротонные нуклеофильные растворители, которые сольватируют главным образом катион (ацетон, ацетонитрил, нитрометан, диметилформамид, диметилсульфоксид, диглим и др.) способствуют протеканию реакций по SN2 механизму.

Они не сольватируют уходящие галогенид-ионы, а потому не содействуют их отщеплению. Напротив, отсутствие сольватации нуклеофила увеличивает его активность и способствует прямому взаимодействию нуклеофила с электронодефицитным центром.

При выборе растворителя для SN2 реакции необходимо учитывать

· распределение зарядов в переходном состоянии. Если оно полярнее исходных реагентов, повышение полярности растворителя увеличивает скорость реакции, и наоборот (теория Хьюза и Ингольда):

· специфическую сольватацию нуклеофила, которая уменьшает активность атакующей частицы. Уменьшение или устранение ее является одним из основных способов ускорения реакций типа «анион — молекула» в апротонных растворителях.

· растворяющую способность растворителя по отношению к реагенту и субстрату. Во многих реакциях в качестве реагентов используются неорганические и органические соли, хорошо растворимые в воде и плохо растворимые в органических растворителях. Для проведения таких реакций в гомогенных условиях применяют растворители, которые проявляют одновременно липофильные и гидрофильные свойства, например, метанол, этанол, ацетон, диоксан. Однако соли хуже растворяются в этих растворителях, чем в воде, а органические субстраты обычно менее растворимы в них, чем в углеводородах. Указанную проблему можно частично решить, используя смеси упомянутых выше растворителей с водой. Более эффективным оказывается применение таких диполярных, апротонных, катионсольватирующих растворителей как диметилсульфоксид, диметилформамид, ацетонитрил, которые хорошо растворяют как соли, так и органические субстраты.