Механизмы замещения атомов галогена в ароматическом кольце

Нуклеофильное замещение в ряду галогеналканов может осуществляться как по SN1, так и по SN2 механизмам. В первом случае лимитирующей скорость процесса стадией является диссоциация галогеналкана по связи С - Hal с образованием карбкатиона:

(1)

Таким образом, скорость процесса в этом случае не должна зависеть от концентрации нуклеофила. При достаточно большом времени существования иона карбения для оптически активных галогеналканов должна наблюдаться рацемизация. При соизмеримых величинах констант скоростей последовательных стадий процесса одна сторона катиона будет экранирована сольватированным галогенид-анионом и атака нуклеофила будет более вероятна с другой стороны, что приведет к преимущественному обращению конфигурации. Однако основной причиной отсутствия полной рацемизации является то, что во многих случаях продукты реакции образуются не из свободных карбкатионов, а из ионных пар.

(2)

Молекула исходного соединения может диссоциировать с образованием контактной ионной пары (а), сольватно – разделённой ионной пары (b) и диссоциированных сольватирорванных ионов (с). В контактной ионной паре ассиметрия в значительной мере сохраняется, а потому нуклеофильная атака приводит к обращению конфигурации. При атаке сольватно – разделённой ионной пары селективность снижается, что приводит к общей рецемизации. Если образуется свободный радикал, то рецемизация должна быть полной. Обычно обращение конфигурации при механизме SN1 составляет от 5 до 20%.

В случае молекулярного замещения может протекать ряд побочных процессов, протекающих через стадию образования иона карбения, в частности элиминирование (Е1):

(3)

Бимолекулярное замещение SN2 обычно происходит как синхронный процесс:

(4)

При этом механизме нуклеофил Y приближается к субстрату со стороны, противоположной проходящей группе. Реакция представляет собой одностадийный процесс, в котором промежуточное соединение не образуется. Связь С-Y образуется одновременно с разрывом связи С-Х. В переходном состоянии исходная sp3-гибридизацию с примерно перпендикулярной р-орбиталью. Одна доля этой р-орбитали перекрывается с нуклеофилом, а вторая с уходящей группой. Поэтому механизм SN2, В котором происходила бы фронтальная атака, иногда не наблюдается.

При таком механизме скорость процесса существенно зависит как от природы, так и от концентрации нуклеофила. Реакция всегда сопровождается обращением конфигурации. Побочной может быть реакция Е2. [2]



Необходимо помнить о том, что термины SN1 и SN2 указвают лишь на молекулярность, но не на порядок реакции. Поэтому скорость реакции, протекающей по механизму SN2, будет отвечать уравнению второго порядка лишь в случае, когда оба компонента находятся в малых контролируемых концентрациях. При большом избытке нуклеофильного агента реакция может протекать по первому или дробному. Аналогичное положение может создаться, когда оба компонента не являются кинетически независимыми (например, при образовании ионных пар при неполярных растворителях). Ингольд отмечает, что и для реакции SN1 не всегда характерен первый порядок.

Очевидно, что влияние полярности среды на скорость и механизм процесса будет достаточно сильным.

Тип механизма (SN1 или SN2) зависит от структуры реагирующих соединений. Природа галогена обычно мало влияет на механизм реакции, но значительно изменяет ее скорость. С увеличением разветвленности R начинает преобладать механизм SN1, так как при этом создаются стерические препятствия для прохождения реакции по механизму SN2 и увеличивается стабильность промежуточного карбкатиона. Чем выше нуклеофильность реагента, тем вероятнее механизм SN2. [1]

Обычно нуклеофильная замена галогена в ароматическом ядре протекает по биомолекулярному механизму SNAr. В отличие от описанного для алкилгалогенидов реакция идёт не по синхронному механизму, так как атакующий нуклеофил способен образовывать новую связь раньше, чем порвётся старая, и первая стадия обычно определяет скорость всей реакции:

(9)

Существование таких отрицательно заряженных σ-комплексов было доказано экспериментально:



(10)

Подобные интермедиаты представляют собой устойчивые соли, называемые солями Мейзенгеймера, со времени обнаружения их в 1902 г было выделено большое число таких солей, строение нескольких интермедиантов такого типа было подтверждено данными ЯМР и pентгеноструктурного анализа. Однако описанный механизм не является единственно возможным. С помощью меченого атома углерода было показано что в арилгалогенидах, не содержащих активирующих групп, замещающая группа становится не только к тому атому углерода, где был галоген, но в равной степени и к соседнему атому:

(11)

Идентичность соседних положений при отсутствии других заместителей в ядре объясняется тем, что реакция идет по механизму отщепления-присоединения (кинезамещения) через стадию образования 1,2-дегидродензола:

(12)

Промежуточное образование дегидробензола было доказано как физико-химическими, так и чисто химическими методами. Так, при действии амальгамы лития на l-фтор-2-бромбензол в присутствии диенофилов промежуточно образующийся 1 ,2-дегидробензол вступает с ними в реакцию Дильса-Альдера:


1315723562234743.html
1315749921981947.html
    PR.RU™