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 существенно влияет на механизм замещения галогена (например, S_N1 или S_N2; S_NAr(AE) или S_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 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 S_N1, так и по S_N2 механизму. Однако, независимо от разветвленности радикала, они образуют очень устойчивые карбокатионы, поэтому преимущественно реализуется S_N1-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 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 в орто -, пара -положениях способствуют замещению галогена по механизму S_NAr (через присоединение-отщепление), а электронодонорные — направляют реакцию по механизму S_NEA (отщепления-присоединения), через дегидробензол.

Структура реагирующего соединения определяет и скорость процессов:

Скорость S_N1 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 S_N2 реакции алкилгалогенидов возрастает в прямо противоположном направлении, наблюдаемом при S_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 препятствиями для атаки нуклеофила, которые играют в S_N2 замещении важную роль.

В ароматических галогенидах электроноакцепторные заместители в орто -, пара -положениях существенно облегчают реакцию S_NAr 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 алкилгалогенидов наибольшее 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 Ar I < Ar Br < Ar Cl < Ar F.

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 S_N2, использование слабых нуклеофилов способствует протеканию реакции по механизму S_N1;

· при повышении активности реагентов скорость реакций S_N2, S_NAr и S_NEA увеличивается, а S_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^– > 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 р К _b(р К _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 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 S_N1 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 S_N1 реакции увеличивается. Многие процессы, протекающие в слабо сольватирующих растворителях по бимолекулярному механизму, в среде муравьиной или трифторуксусной кислоты, в растворах минеральных кислот идут по S_N1 механизму.

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