Нуклеофильное замещение и элиминирование
Четыре механизма, которые решают судьбу галогеналканов и спиртов: как по субстрату, реагенту, растворителю и температуре предсказать продукт, его стереохимию и перегруппировки.
- 13 слайдов
- ≈ 45 мин
- 2 интерактивные схемы
- 4 задачи с решением
- региональный → заключительный
$\ce{C2H5Br}$ + $\ce{KOH}$: спирт или этилен?
Ответ зависит от условий: в воде — замещение, в спирте при нагревании — отщепление. Олимпиадные задачи проверяют, понимаете ли вы, почему. За каждым «условием из учебника» стоит один из четырёх механизмов — и их можно предсказывать, а не заучивать.
Что будет
- SN2 и SN1: кинетика, профиль энергии, стереохимия;
- что делает нуклеофил сильным и группу — хорошей уходящей;
- роль растворителя;
- E2 и E1: Зайцев, Гофман, анти-перипланарность;
- перегруппировки карбокатионов;
- тренажёр выбора механизма и задачи.
SN2 — бимолекулярное замещение
- Нуклеофил атакует атом углерода с тыла, со стороны, противоположной уходящей группе.
- В переходном состоянии углерод пятикоординационный, три заместителя в одной плоскости — как зонтик, вывернутый ветром.
- Вальденовское обращение: конфигурация стереоцентра меняется на противоположную (R ↔ S, если не меняется старшинство заместителей).
- Скорость: $\ce{CH3X}$ > 1° > 2° ≫ 3° (для 3° SN2 практически нет) — всё решают стерические препятствия.
«Обращение конфигурации» не всегда значит смену буквы. Если нуклеофил имеет другое старшинство, чем уходящая группа, буква может сохраниться при реальном обращении пространственного расположения. Проверяйте по правилам Кана — Ингольда — Прелога.
SN1 — мономолекулярное замещение
- Лимитирующая стадия — ионизация. Всё, что стабилизирует катион, ускоряет реакцию: 3° > 2° ≫ 1°; аллильные и бензильные катионы стабилизированы сопряжением.
- Плоский $\ce{R+}$ атакуется с обеих сторон → рацемизация (обычно с небольшим избытком обращения: уходящий анион какое-то время заслоняет одну сторону — ионная пара).
- Типичные условия — слабый нуклеофил в протонном растворителе: сольволиз в воде, спирте, муравьиной кислоте.
$\ce{CH3+}$ < 1° < 2° ≈ аллил ≈ бензил < 3° < трифенилметил $\ce{Ph3C+}$
Причины: гиперконъюгация и индуктивный эффект алкилов; сопряжение с π-системой.
Профили энергии SN2 и SN1
Одно переходное состояние у SN2 против двух и интермедиата у SN1. Из этого следует всё остальное: порядок реакции, стереохимия и возможность перегруппировок — они случаются только там, где есть интермедиат-катион.
Нуклеофил и уходящая группа
Сила нуклеофила
- Заряд усиливает: $\ce{HO-}$ ≫ $\ce{H2O}$, $\ce{RS-}$ ≫ $\ce{RSH}$.
- В протонном растворителе нуклеофильность растёт вниз по группе: $\ce{I-} > \ce{Br-} > \ce{Cl-} > \ce{F-}$ — малые анионы прочно сольватированы водородными связями.
- В апротонном (DMSO, DMF, ацетон) порядок меняется на обратный: «голый» $\ce{F-}$ очень силён.
- Объёмные основания ($\ce{t-BuO-}$, LDA) — плохие нуклеофилы: им трудно подойти к углероду.
Уходящая группа
Хорошая уходящая группа — слабое основание, устойчивый анион.
| Группа | pKₐ сопряжённой кислоты |
|---|---|
| $\ce{TsO-}$, $\ce{CF3SO3-}$ | −3…−14 — отличные |
| $\ce{I-}$, $\ce{Br-}$ | −10, −9 |
| $\ce{Cl-}$ | −7 |
| $\ce{H2O}$ (из $\ce{ROH2+}$) | −1,7 |
| $\ce{HO-}$, $\ce{RO-}$, $\ce{NH2-}$ | 16–38 — не уходят |
Поэтому спирты вступают в замещение только в кислоте (OH превращается в $\ce{OH2+}$) или после превращения в тозилат.
E2 — бимолекулярное элиминирование
- Основание отрывает β-протон одновременно с уходом X.
- Анти-перипланарное расположение H и X (двугранный угол 180°) — обязательное условие. В циклогексанах оба должны быть аксиальными.
- Правило Зайцева: обычно образуется более замещённый (термодинамически устойчивый) алкен.
- Правило Гофмана: объёмное основание ($\ce{t-BuOK}$) или плохая уходящая группа ($\ce{NMe3+}$, $\ce{F}$) дают менее замещённый алкен.
Ментилхлорид и неоментилхлорид (стереоизомеры) при действии $\ce{EtONa}$ дают разные алкены: из неоментила — в основном ментен-3 (по Зайцеву), из ментила — только ментен-2. Почему?
- E2 требует, чтобы Cl и отщепляемый H были аксиальными и анти-перипланарными.
- В неоментилхлориде в устойчивой конформации Cl аксиален, и анти к нему есть аксиальные H на обоих соседних атомах — выбор по Зайцеву, к более замещённому алкену.
- В ментилхлориде Cl аксиален только в невыгодной конформации (все алкилы аксиальны), и тогда аксиальный H есть лишь на одном соседе — у C2.
- Стереохимия E2 (анти-перипланарность) важнее правила Зайцева: из ментилхлорида единственный доступный H даёт ментен-2.
E1 и конкуренция замещения с отщеплением
- E1 идёт через тот же карбокатион, что и SN1: катион теряет β-протон. Продукт — по Зайцеву, стереохимия не контролируется, возможны перегруппировки.
- Нагревание сдвигает баланс к отщеплению: из одной частицы получаются две, $\Delta S > 0$, и член $T\Delta S$ растёт с температурой.
- Дегидратация спиртов в $\ce{H2SO4}$ при нагревании: 3° — легко (E1), 2° — труднее, 1° — через E2 протонированного спирта, при 170 °C.
| Субстрат | Сильный Nu, слабое основание | Сильное основание | Слабый Nu (сольволиз) |
|---|---|---|---|
| $\ce{CH3X}$ | SN2 | SN2 | медленно |
| 1° | SN2 | SN2 (объёмное — E2) | нет |
| 2° | SN2 | E2 | SN1/E1 |
| 3° | SN1/E1 | E2 | SN1 (t° → E1) |
Тренажёр: какой механизм пойдёт
Попробуйте неопентил: первичный, но SN2 почти не идёт (трет-бутил закрывает тыл), а в условиях SN1 первичный катион перестраивается в третичный. Это самый частый сюжет олимпиадных задач на механизмы.
Перегруппировки: катион ищет устойчивость
- 1,2-гидридный сдвиг: атом H с парой электронов переходит к соседнему катионному центру, если так получается более устойчивый катион (2° → 3°).
- 1,2-алкильный сдвиг (перегруппировка Вагнера — Меервейна): переходит метил или другой алкил.
- Расширение цикла: циклобутилкарбинильный катион → циклопентильный: уходит напряжение малого цикла.
- Пинаколиновая перегруппировка: 1,2-диол в кислоте → кетон; движущая сила — образование оксониевого иона $\ce{C=OH+}$.
3-Метилбутан-2-ол нагрели с концентрированной HBr. Главный продукт — не 2-бром-3-метилбутан, а его изомер. Какой и почему?
- Протонирование OH и уход воды дают вторичный катион $\ce{(CH3)2CH-C+H-CH3}$ (SN1: HBr — слабоосновный нуклеофил, катион вторичный).
- 1,2-гидридный сдвиг с соседнего атома делает катион третичным: $\ce{(CH3)2C+-CH2-CH3}$.
- Бромид атакует более устойчивый катион.
- Главный продукт — 2-бром-2-метилбутан $\ce{(CH3)2CBr-CH2CH3}$: продукт перегруппировки.
Растворитель: невидимый участник
Полярные протонные
Вода, спирты, $\ce{HCOOH}$. Сольватируют и катионы, и анионы (водородные связи). Стабилизируют переходное состояние ионизации → ускоряют SN1, тормозят SN2, «связывая» нуклеофил.
Полярные апротонные
DMSO, DMF, ацетон, ацетонитрил. Хорошо сольватируют катионы (через O или N), анионы остаются «голыми» и активными → ускоряют SN2 в сотни и тысячи раз.
Неполярные
Гексан, бензол. Ионные реагенты почти не растворяются. Используют межфазный катализ: соль $\ce{R4N+}$ переносит анион в органическую фазу.
Реакция Финкельштейна $\ce{RCl + NaI -> RI + NaCl v}$ в ацетоне: NaCl нерастворим в ацетоне и выпадает, смещая равновесие; ацетон апротонный — $\ce{I-}$ активен.
Задача: стереохимия SN2
(R)-2-бромбутан ($[\alpha]_D = -23{,}1°$) выдержали в ацетоне с $\ce{NaBr}$, содержащим радиоактивный $\ce{^{82}Br-}$. Оптическое вращение раствора падает, причём скорость рацемизации вдвое больше скорости включения метки. Объясните.
- Идёт SN2 бромида на бромид: каждый акт обмена обращает конфигурацию — (R) превращается в (S).
- Одна молекула (R), превратившаяся в (S), «гасит» вращение ещё одной молекулы (R): вклад −23,1° заменяется на +23,1°, то есть оптическая активность падает на две молекулы.
- Метку при этом получает одна молекула. Отсюда соотношение скоростей 2 : 1.
- Каждый акт замещения идёт с обращением конфигурации (SN2). Так в 1935 году Хьюз с сотрудниками доказал вальденовское обращение — в их опыте был 2-иодоктан и радиоактивный иодид, соотношение скоростей тоже 2 : 1.
Задача: цепочка превращений
Соединение A ($\ce{C4H9Br}$) при нагревании со спиртовым раствором $\ce{KOH}$ даёт один алкен B. При действии на A водного раствора $\ce{NaOH}$ медленно образуется спирт C, который не окисляется подкисленным раствором $\ce{KMnO4}$ на холоду. Установите A, B, C.
- Спирт, который не окисляется $\ce{KMnO4}$ на холоду, — третичный. Из $\ce{C4}$ это $\ce{(CH3)3COH}$ — трет-бутанол.
- Значит, A — трет-бутилбромид $\ce{(CH3)3CBr}$. В воде он медленно даёт спирт по SN1 (сольволиз).
- E2 со спиртовой щёлочью: все три β-атома углерода равноценны, поэтому алкен один — изобутилен $\ce{(CH3)2C=CH2}$.
- A — $\ce{(CH3)3CBr}$, B — $\ce{(CH3)2C=CH2}$, C — $\ce{(CH3)3COH}$.
Шпаргалка
- SN2: $v = k[\ce{RX}][\ce{Nu}]$, атака с тыла, обращение; CH₃ > 1° > 2°, 3° — нет.
- SN1: $v = k[\ce{RX}]$, катион, рацемизация, перегруппировки; 3°, аллил, бензил.
- E2: анти-перипланарность; Зайцев, объёмное основание — Гофман.
- E1: через катион, нагревание, продукт по Зайцеву.
- Апротонный растворитель → SN2; протонный → SN1.
- Уходящая группа — слабое основание: TsO⁻, I⁻, Br⁻; OH уходит только после протонирования.
Откуда материал
- Дж. Клейден, Н. Гривз, С. Уоррен «Органическая химия», т. 1 — нуклеофильное замещение и элиминирование.
- О. А. Реутов, А. Л. Курц, К. П. Бутин «Органическая химия», ч. 2 — механизмы SN и E.
- Н. А. Тюкавкина «Органическая химия» — стереохимия.
- Списки литературы: olimpiada.ru, Химфак МГУ.
Дальше — электрофильное ароматическое замещение.
Все конспекты раздела
Шесть конспектов — по два на неорганику, органику и физическую химию. Новые появляются по мере готовности.
Проверьте себя на задачах
Олимпиадные задачи с полным разбором — от школьного этапа до регионального.