Сведения о механизме реакции

Замещение галогена у sp³-гибридного атома углерода обычно осуществляется по S_N1 или по S_N2 механизмам, а у sp²-гибридного (в арил- и винилгалогенидах) — по механизму присоединения-отщепления либо отщепления-присоединения и значительно труднее, чем у sp³-гибридного.

Механизм S_N1 включает две стадии: диссоциация алкилгалогенида на ионы и взаимодействие катиона с нуклеофилом:

Во многих случаях, молекула алкилгалогенида диссоциирует с последовательным образованием контактной ионной пары (а), сольватно-разделенной ионной пары (b) и сольватированных ионов (с). Каждый из продуктов диссоциации может взаимодействовать с реагентом.

Нуклеофильная атака контактной ионной пары, в которой асимметрия в значительной мере сохраняется, приводит к обращению конфигурации. В сольватно-разделенной ионной паре одна сторона катиона экранируется сольватированным галогенид-ионом и атака нуклеофила также более вероятна с другой стороны, что приводит к преимущественному обращению конфигурации, но селективность снижается, и рацемизация увеличивается. Полная рацемизация возможна лишь при взаимодействии реагента со свободным катионом (с). Однако для оптически активных галогенидов при механизме S_N1 полная рацемизация обычно не наблюдается (рацемизация составляет от 5 до 20 %). Это, вероятно, можно объяснить завершением процесса до появления в реакционной массе значительного количества сольватированного катиона.

Стадия образования карбокатиона является лимитирующей, а, следовательно, стабильность катиона определяет реакционную способность галогенида. Поэтому скорость процесса зависит от концентрации алкилгалогенида и не зависит от концентрации нуклеофила.

Образование карбокатиона может являться причиной ряда побочных процессов: изомеризация углеродной цепи, элиминирование (EI) и др.:

Бимолекулярное замещение S_N2 — одностадийный синхронный процесс:

Нуклеофил Nu^– атакует субстрат со стороны, противоположной уходящей группе. При этом реакция идет в одну стадию с образованием переходного состояния, в котором sp³-гибридизация центрального атома углерода изменяется на sp²- с р-орбиталью, перпендикулярной плоскости расположения гибридных орбиталей. Одна доля р-орбитали перекрывается с нуклеофилом, а вторая — с уходящей группой. Связь С–Nu образуется одновременно с разрывом связи С–Y, поэтому реакция всегда сопровождается обращением конфигурации. Побочной может быть реакция элиминирования Е2.

Скорость превращения исходных веществ в продукты реакции зависит: от пространственных факторов, величины положительного заряда на атоме углерода субстрата, силы нуклеофила и в кинетической области от концентрации как нуклеофила, так и алкилгалогенида. При большом избытке нуклеофила реакция может протекать по первому или дробному порядку. (Термины S_N1 и S_N2 указывают лишь на молекулярность, но не на порядок реакции.)

Механизм S_NAr (присоединение-отщепление) — обычно реализуется в аренах при наличии электроноакцепторных заместителей (А), которые создают частичный положительный заряд (d+) относительно себя в положениях 2, 4, 6 бензольного цикла и направляют туда нуклеофил, а также стабилизируют s-комплекс. В гетероциклах эту роль выполняет «пиридиновый» азот, активирующий α-и g- положения.

В отличие от механизма S_N2 в алкилгалогенидах, в аренах новая связь с нуклеофилом образуется раньше, чем отщепляется уходящая группа. При этом реакция включает стадии присоединения нуклеофила с образованием s-комплекса и отщепления галогенид-иона с регенерацией ароматичности цикла.

Первая стадия, а, следовательно, стабильность s-комплекса, обычно определяет скорость всей реакции. Чем равномернее распределяется электронное облако s-комплекса, тем он устойчивее и тем легче замещается галоген.

Нитрогруппа принимает участие в распределении электронного облака s-комплекса, при этом структура (г) — наиболее устойчивая и напоминает анион ациформы нитросоединения. Существование таких s-комплексов (соли Мейзенгеймера, 1902 г.) доказано экспериментально.

Механизм отщепления-присоединения (S_NEA) реализуется при замене галогена в арилгалогенидах, не содержащих электроноакцепторных групп.

С помощью меченого атома углерода, а также с использованием галогенбензолов, имеющих еще один заместитель, было показано, что нуклеофил присоединяется не только к атому углерода, с которым был связан галоген, но и в равной степени к соседнему атому. Это объясняется тем, что реакция идет через стадию образования 1,2-дегидробензола.

Образование дегидробензола было доказано как физико-химическими, так и чисто химическими методами. Так, при действии амальгамы лития на 1-фтор-2-бромбензол в присутствии диенофилов (циклопентадиена и фурана) образующийся 1,2-дегидробензол вступает с ними в реакцию Дильса-Альдера: