Перейти к слайдам
Конспект 3 из 6Органическая химия

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.

субстрат+ реагент+ растворитель+ t°→ механизм

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

$\ce{Nu- + R-X -> [Nu\cdots R\cdots X]^{-\ddagger} -> Nu-R + X-}$$v = k[\ce{RX}][\ce{Nu-}]$ — второй порядок
  • 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.
Ловушка: R/S

«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

$\ce{R-X ->[\text{медленно}] R+ + X-}$, $\quad \ce{R+ + Nu- ->[\text{быстро}] R-Nu}$$v = k[\ce{RX}]$ — первый порядок, от нуклеофила не зависит
  • 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.
Устойчивость катионов

$\ce{CH3+}$ < 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.

ГруппаpKₐ 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

$\ce{B- + H-C-C-X -> B-H + C=C + X-}$$v = k[\ce{RX}][\ce{B-}]$ — одна стадия
  • 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.
Задача

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?

  1. E2 требует, чтобы Cl и отщепляемый H были аксиальными и анти-перипланарными.
  2. 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.
  3. В ментилхлориде Cl аксиален только в невыгодной конформации (все алкилы аксиальны), и тогда аксиальный H есть лишь на одном соседе — у C2.
  4. 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.
СубстратСильный Nu, слабое основаниеСильное основаниеСлабый Nu (сольволиз)
$\ce{CH3X}$SN2SN2медленно
1°SN2SN2 (объёмное — E2)нет
2°SN2E2SN1/E1
3°SN1/E1E2SN1 (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 $\ce{C=OH+}$.
$\ce{(CH3)2C(OH)-C(OH)(CH3)2 ->[H+] (CH3)3C-CO-CH3 + H2O}$пинакон → пинаколин
Задача

3-Метилбутан-2-ол нагрели с концентрированной HBr. Главный продукт — не 2-бром-3-метилбутан, а его изомер. Какой и почему?

  1. Протонирование OH и уход воды дают вторичный катион $\ce{(CH3)2CH-C+H-CH3}$ (SN1: HBr — слабоосновный нуклеофил, катион вторичный).
  2. 1,2-гидридный сдвиг с соседнего атома делает катион третичным: $\ce{(CH3)2C+-CH2-CH3}$.
  3. Бромид атакует более устойчивый катион.
  4. 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.

Ориентир

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

Региональный этап

(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.

  1. Идёт SN2 бромида на бромид: каждый акт обмена обращает конфигурацию — (R) превращается в (S).
  2. 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.
  3. Метку при этом получает одна молекула. Отсюда соотношение скоростей 2 : 1.
  4. 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

Региональный этап

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.

  1. Спирт, который не окисляется $\ce{KMnO4}$ на холоду, — третичный. Из $\ce{C4}$ это $\ce{(CH3)3COH}$ — трет-бутанол.
  2. Значит, A — трет-бутилбромид $\ce{(CH3)3CBr}$. В воде он медленно даёт спирт по SN1 (сольволиз).
  3. E2 со спиртовой щёлочью: все три β-атома углерода равноценны, поэтому алкен один — изобутилен $\ce{(CH3)2C=CH2}$.
  4. 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.

← → листать · O все слайды · F весь экран · на телефоне — свайп · решения задач открываются по шагам: сначала попробуйте сами
Олимпиадная теория

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.