2.5 Нуклеофильные реакции

Реакции нуклеофильного замещения у sp³- гибридизованного атома углерода: гетеролитические реакции, обусловленные поляризацией - связи углерод – гетероатом (галогенопроизводные, спирты).

Эти реакции протекают по механизму нуклеофильного замещения.

Для первичных соединений предполагается механизм нуклеофильного замещения второго порядка (S_N2), для третичных веществ — нуклеофильного замещения первого порядка (S_N1). Вторичные соединения могут реагировать и по одному, и по другому механизму в зависимости от условий реакции.

Рисунок 5 – Механизм реакции нуклеофильного замещения S_N2

В случае протекания реакции по механизму S_N2 отрицательно заряженный нуклеофил (например, гидроксильная группа) атакует положительно заряженный атом углерода со стороны, противоположной отрицательно заряженному атому брома. При наличии достаточной энергии гидроксил приближается настолько, что между ним и атомом углерода начинает образовываться связь, а связь между атомами углерода и брома начинает разрываться. В этом переходном состоянии атом углерода и все три водородных атома находятся в одной плоскости (молекула «уплощена»). Затем анион брома выталкивается и образуется молекула метилового спирта. Такой процесс носит название реакции нуклеофильного замещения второго порядка (S_N2): нуклеофильного потому, что атакующая частица заряжена отрицательно; второго порядка — т.к. скорость реакции зависит от концентрации и бромистого метила, и гидроксила. Если исходное соединение было оптическим активным, то в процессе реакции произойдёт обращение конфигурации (инверсия): например, при гидролизе D-2-бромбутана образуется L-2-бутанол.

У третичных алкилгалогенидов подход отрицательно заряженной частицы затруднен имеющимися объемными заместителями и процесс идет по другому механизму. Хотя и в очень малой степени, но все же происходит процесс диссоциации третичного бромистого бутила:

(CH₃)₃C – Br  (CH₃)₃C⁺ + Br^– (очень медленно)

Образующийся третичный бутилкатион мгновенно реагирует с находящимися в растворе нуклеофильными частицами:

(CH₃)₃C⁺ + HO^–  (CH₃)₃C – OH (очень быстро)

В этом случае скорость реакции зависит только от процесса диссоциации и, следовательно, от концентрации в реакционной смеси третичного бромистого бутила и реакция в целом называется реакцией нуклеофильного замещения первого порядка — s_n1. Если в реакцию вступает оптически активное соединение, то в результате образуется оптически неактивная рацемическая смесь.

Реакции нуклеофильного замещения с участием sр²-гибридизованного атома углерода.

Механизм реакций этого типа рассмотрим на примере взаимодействия карбоновых кислот со спиртами (реакция этерификации). В карбоксильной группе кислоты реализуется р,- сопряжение, поскольку пара электронов атома кислорода гидроксильной группы ОН вступает в сопряжение с двойной углерод–кислородной связью (-связью):

Такое сопряжение является причиной, с одной стороны, повышенной кислотности карбоксильных соединений, а с другой уменьшения частичного положительного заряда (+) на атоме углерода карбоксильной группы (sр²-гибридизованном атоме) что значительно затрудняет непосредственную атаку нуклеофила.

С целью увеличения заряда на атоме углерода используют дополнительное протонирование — кислотный катализ (стадия I):

Рисунок 6 – Механизм реакции этерификации (кислотный катализ)

На стадии II происходит атака нуклеофила (молекулы спирта R'OH), протонирование гидроксильной группы с образованием хорошо уходящей группы Н₂О, на стадии III — отщепление воды и на стадии IV — регенерация протона — возврат катализатора с образованием конечного продукта — сложного эфира.

Реакции нуклеофильного присоединения. Наиболее характерны реакции нуклеофильного присоединения (A_N) для оксосоединений — альдегидов и кетонов. Механизм этих реакций имеет общие черты, это двухстадийный ионный процесс. Первая стадия (лимитирующая) представляет собой обратимую атаку нуклеофилом Nu с образованием так называемого тетраэдрического интермедиата. Вторая стадия — быстрая атака электрофилом:

Д ругой пример биологически важной реакции этого типа — присоединение аминов и некоторых других азотсодержащих соединений к карбонильным соединениям — альдегидам и кетонам. Реакция идет по механизму нуклеофильного присоединения — элиминирования (A_N—E):

Другие азотсодержащие соединения, выступающие в этих реакциях в роли нуклеофила: гидразин NH₂–NH₂, фенилгидразин, С₆Н₅–NH–NH₂, гидроксиламин NH₂–ОН. Продуктами реакций A_N–E этих случаях являются гидразон, фенилгидразон и оксим сответственно.

Реакции конденсации. Протекают в присутствии катализаторов, чаще щелочной природы. Приводят к усложнению углеродного скелета. Характерным примером являются альдольная и кротоновая конденсации:

Реакции конденсации, в основе которых лежит способность одного карбонильного соединения присоединяться к карбонильной группе этого же или другого карбонильного вбединения, характерны и для производных карбоновых кислот, в частности сложных эфиров и тиоэфиров. Такие реакции имеют большое биологическое значение. С их помощью в организме происходит образование новых связей углерод—углерод. Непременными участниками реакций по типу альдольного присоединения in vivo являются тиоэфиры карбоновых кислот — производные кофермента А. При конденсации ацетилкофермента А по типу альдольного присоединения из двух молекул ацетилкофермента А образуются ацетоацетилкофермент А и кофермент А.