Нуклеофильное замещение у sp3-гибридизованного атома углерода

В качестве уходящих групп в процессах, проходящих по схеме (1), чаще всего выступают галогены, фрагменты кислот (-OSO₃H, ‑ONO₂), гидроксильная группа. Галогены по легкости замещения можно расположить в ряд: I > Br > Cl > > F.

В общем случае уходящая группа X замещается тем труднее, чем слабее выражены кислотные свойства HX. В случае спиртов (X = OH) гидроксид-анион – плохая уходящая группа, так как его сопряженной кислотой является вода H-OH – очень слабая кислота. Для осуществления нуклеофильного замещения спиртовой ОН-группы реакцию проводят в среде сильной кислоты (чаще всего – серной). В этих условиях гидроксильная группа спирта протонируется и превращается в хорошую уходящую группу Н₂О⁺ – (H₃O⁺ – сильная кислота):

ROH + H₂SO₄ ROH₂⁺ + HSO₄^- (3)

Спирты с серной кислотой образуют также сложные эфиры (алкилсер­ные кислоты):

(4)

Можно видеть, что как в стадии (3), так и в стадии (4) образуются соединения с хорошими уходящими группами. Они и участвуют в дальнейших реакциях нуклеофильного замещения:

ROH₂⁺ + Br^- RBr + H₂O

ROSO₃H + Br^- RBr + HSO₄^-

Механизмы реакций нуклеофильного замещения разнообразны. При замещении у sp³-гибридизованного атома углерода наиболее характерны мономолекулярный S_N1:

и бимолекулярный S_N2 механизмы:

Цифры 1 и 2 в этих символах обозначают число частиц, взаимодействие которых приводит к переходному состоянию (состояние с максимальной величиной потенциальной энергии системы). Если процесс состоит из нескольких последовательных элементарных стадий, то молекулярность определяется самой медленной реакцией.

Можно видеть, что процесс S_N1 включает две элементарные реакции, причем медленная стадия представляет собой мономолекулярный разрыв связи С-Х. Переходное состояние S_N2-типа достигается при столкновении двух частиц (Y^- и R₃CX) , следовательно, этот процесс бимолекулярный.

Скорости реакций, проходящих по S_N1-механизму, зависят только от концентрации соединения RX:

v = k^.c_RX

(v – скорость реакции, k – константа скорости, c_RX – концентрация субстрата), в то время как скорости S_N2-процессов увеличиваются прямо пропорционально концентрациям и субстрата, и нуклеофильного реагента (с_Y):

v = k^.c_RX^.с_Y

Молекулярность процессов нуклеофильного замещения (S_N1 или S_N2) зависит от многих факторов: природы субстрата, растворителя, активности нуклеофила.

Субстраты, способные образовывать относительно устойчивые карбокатионы в полярных растворителях (вода, серная кислота, муравьиная кислота и т. п.), реагируют по S_N1-механизму. К ним относятся соединения, в которых уходящие группы находятся у третичных углеродных атомов или у атомов в аллильном или бензильном положениях. Ниже представлено несколько примеров таких соединений:

В первичных галогеналканах (например, в CH₃CH₂CH₂Cl) замещение преимущественно проходит по механизму S_N2.

Вторичные алкилгалогениды типа бромистого изопропила CH₃CH(Br)CH₃ реагируют одновременно по обоим механизмам, часть молекул – по S_N1-, а часть – по S_N2- механизму.

Ускорение нуклеофильного замещения OH-группы в спиртах в присутствии сильных кислот обусловлено кислотным катализом. Реакции нуклеофильного замещения, катализируемые кислотами, также могут протекать по мономолекулярному и бимолекулярному механизмам. Мономолекулярный описывается схемой:

Последовательность элементарных реакций бимолекулярного замещения спиртовой гидроксильной группы имеет вид:

Реакции нуклеофильного замещения спиртов обратимы. Для того чтобы сместить равновесие в сторону алкилгалогенида в качестве реагента применяют газообразные галогеноводороды, либо реакцию проводят в среде серной кислоты, связывающей воду, например:

С₂H₅OH + HCl_(газ) С₂H₅Cl + H­₂O