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 соединения существенновлияет на механизм замещениягалогена (например,S_N1 илиS_N2;S_NAr(AE) илиS_NEA).

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 условияхмеханизм 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 S_N1, так и по S_N2 механизму. Однако, независимо от разветвленности радикала, они образуют очень устойчивые карбокатионы, поэтому преимущественно реализуетсяS_N1-механизм. При этом из-за возможности существования аллилкатиона в виде двух граничных структур наблюдаетсяаллильная перегруппировка:

Аллильная перегруппировка не имеет места, если дляпервичныхаллилгалогенидов создать условия протекания реакции помеханизму S_N2.

В случае механизма S_N2 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 ворто-,пара-положениях способствуют замещению галогена по механизмуS_NAr(через присоединение-отщепление), аэлектронодонорные— направляют реакцию по механизмуS_NEA(отщепления-присоединения), через дегидробензол.

Структура реагирующего соединения определяет и скорость процессов:

Скорость S_N1 реакции алкилгалогенидоввозрастает 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 S_N2 реакции алкилгалогенидоввозрастаетв прямо противоположном направлении, наблюдаемом приS_N1 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 препятствиямидля атаки нуклеофила, которые играют вS_N2 замещении важную роль.

В ароматических галогенидах электроноакцепторные заместители ворто-,пара-положениях существеннооблегчаютреакциюS_NArзамещения,электронодонорные—затрудняютее. 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- ип-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:

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

В случае алкилгалогенидов наибольшее значение имеет первый фактор, и реакционная способность ихуменьшается 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 рядуArI < 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 анионовHlg^–увеличиваетсяот 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 механизмS_N2, использование слабых нуклеофилов способствует протеканию реакции по механизмуS_N1;

• при повышении активности реагентов скорость реакцийS_N2,S_NArиS_NEAувеличивается, аS_N1 — не меняется;

• при увеличении силы нуклеофила возрастает вероятность побочных реакций (например, реакции элиминирования), особенно в реакциях, реализующих механизм S_N1.

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^– >H₂Sи т.д.

2. Если атомы нуклеофильных центров находятся в одном периоде таблицы Д.И. Менделеева, то для сравнения активности частиц можно использовать величину рК_b(рК_a), 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 растворителяв реакциях нуклеофильного замещения столь велико, что в ряде случаевопределяет механизм реакции.

Полярные протонные растворители (вода, спирты, карбоновые кислоты, аммиак) способствуют протеканию реакций поS_N1 механизму, т.к. они сольватируют иускоряют диссоциациюмолекулы исходного алкилгалогенида, сольватируют и стабилизируют как катионы, так и анионы, а, следовательно, иувеличивают скоростьпроцесса в целом.

С увеличением полярности и кислотности растворителя тенденция к образованию водородных связей растет, и скоростьS_N1 реакции увеличивается. Многие процессы, протекающие в слабо сольватирующих растворителях по бимолекулярному механизму, в среде муравьиной или трифторуксусной кислоты, в растворах минеральных кислот идут поS_N1 механизму.

Апротонные нуклеофильные растворители, которые сольватируют главным образом катион (ацетон, ацетонитрил, нитрометан, диметилформамид, диметилсульфоксид, диглим и др.) способствуют протеканию реакций поS_N2 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 S_N2 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 используютсянеорганические и органические соли, хорошо растворимые в воде и плохо растворимые в органических растворителях. Для проведения таких реакций в гомогенных условиях применяют растворители, которые проявляют одновременнолипофильные и гидрофильные свойства, например, метанол, этанол, ацетон, диоксан. Однако солихужерастворяютсяв этих растворителях, чем в воде, а органические субстраты обычно менее растворимы в них, чем в углеводородах. Указанную проблему можно частично решить, используясмеси упомянутых выше растворителей с водой. Более эффективным оказывается применение такихдиполярных, апротонных, катионсольватирующих растворителей как диметилсульфоксид, диметилформамид, ацетонитрил, которые хорошо растворяют как соли, так и органические субстраты.