Механизмы органических реакций – основные понятия и определения

Химическая реакция между двумя веществами всегда представляет собой взаимное действие этих веществ друг на друга. Так, не только хлор действует на метан, но и метан на хлор, т. е. хлор не просто агрессивный газ, но он становится агрессивным под действием метана. Однако в органической химии предпочтительно считают, что хлор воздействует на метан. Исходя из этих позиций хлор называют реагентом, а метан – субстратом. Под субстратами обычно понимают вещества с большими молекулами, а под реагентами – вещества с малыми молекулами, т. е. реагент – это вещество с более простым составом, часто неорганического происхождения. Таким образом, в органических реакциях данный субстрат атакуется некоторым реагентом.

Различие между субстратом и реагентом удается провести далеко не всегда и часто устанавливается произвольно. Так, в реакциях этерификации карбоновую кислоту независимо от ее состава принимают за субстрат, а спирт, который может оказаться более сложным по составу, чем кислота, – за реагент.

В ходе реакции одни химические связи разрываются, а другие – образуются. Разрыв ковалентных связей может быть гомолитическим и гетеролитическим.

При гомолитическом разрыве (гомолиз) связывающая электронная пара разъединяется на неспаренные электроны

A : B → A⋅ + ⋅B

в результате образуются свободные радикалы – нейтральные частицы.

При гетеролитическом разрыве (гетеролиз) связывающая электронная пара остается у одного из ранее связанных атомов

A : B → A⁺ + :B^–

и образуются ионы – противоположно заряженные частицы.

Атомы, молекулы, ионы, а также отдельные участки молекул могут обладать электрофильностью и нуклеофильностью.

Нуклеофил способен предоставить электронную пару для образования новой ковалентной связи вследствие избытка собственных электронов.

Электрофил способен использовать электронную пару партнера для образования новой ковалентной связи вследствие недостатка собственных электронов.

Таким образом, электронная пара нуклеофильного агента образует связь с электрофильным партнером. В качестве нуклеофильных реагентов могут выступать молекулы со свободной неподеленной электронной парой, такие как H₂O, NH₃; отрицательные ионы, например OH^–, Br^–; атомы C с частичным отрицательным зарядом C^δ--Me (где Me – атом металла); соединения с кратными связями. К электрофильным реагентам относятся молекулы, содержащие атомы с незаполненной внешней электронной оболочкой, такие как AlCl₃, BF₃; положительные ионы H₊, катионы металлов и др.; атомы C с частичным положительным зарядом C-X (где X – атом неметалла).

В зависимости от механизма реакции, т.е. от вида разрыва ковалентной связи, и от того, является при данной реакции (в случае гетерогенного разрыва химической связи) реагент нуклеофилом или электрофилом, органические реакции классифицируют на радикальные, нуклеофильные и электрофильные. К основным типам химических органических процессов отнесены реакции замещения (обозначение S), присоединения (A) и отщепления (E), каждая из которых может быть радикальной (обозначение R), нуклеофильной (N) и электрофильной (E).

Таким образом, в органической химии выделяют девять типовых реакций, обозначаемых символами S, A и E с индексами R, N и E: 

Реакция	Радикальная	Нуклеофильная	Электрофильная
Замещения	SR	SN	SE
Присоединения	AR	AN	AE
Отщепления	ER	EN	EE

Некоторые из этих типов могут быть еще разделены на подтипы по виду механизма реакции, например различают S_N1 и E_N1 – реакции нуклеофильного замещения и отщепления, имеющие ступенчатый механизм; S_N2 и E_N2 – реакции нуклеофильного замещения и отщепления, имеющие одностадийный механизм.

Приведенные типы органических реакций не всегда реализуются в чистом виде, их можно считать модельными типами. Так, уже между гомолитическим и гетеролитическим разрывом химической связи имеются переходные формы (реагируют не радикалы или ионы, а полярные молекулы). Известно много реакций, при которых нуклеофильная и электрофильная атака направлена одновременно на два разных участка молекулы. Часто подобные реакции приводят к циклическому переходному состоянию, когда две, три или (редко) большее число молекул образуют общий цикл (так называемое “циклоприсоединение”), такое циклическое переходное состояние при смещении электронов либо стабилизируется, либо разрушается.

Радикальные реакции

Радикальное замещение (S_R). В реакциях этого типа реагент является радикалом. Например, таким реагентом может быть радикал Cl•, который образуется из молекулы Cl₂ при гомолитическом разрыве связи под действием инициатора – солнечного света:

Cl₂ → Cl• + •Cl

Возникновение радикалов – это стадия инициирования, с которой начинается развитие цепной реакции. Полученные радикалы Cl• при соударении с молекулами субстрата порождают новые радикалы (развитие цепи), и так процесс продолжается до тех пор, пока два радикала соединятся друг с другом и цепная реакция прекратится (стадия обрыва цепи).

Пример. Процесс хлорирования метана CH₄ протекает следующим образом:

инициирование

Cl₂ → Cl• + •Cl

развитие цепи

H₃C-H + •Cl → H₃C• + HCl

H₃C• + Cl₂ → H₃C-Cl + •Cl … 

обрыв цепи

H₃C• + •Cl → H₃C-Cl

H₃C• + •CH₃ → H₃C-CH₃

Последний продукт – этан С₂Н₆ называется побочным продуктом этой реакции, поскольку он получен как бы без участия реагента (хлор не входит в его состав).

Радикальное присоединение (A_R). В реакциях этого типа реагент является радикалом, который образуется в S_R-реакции. Этот радикал присоединяется к непредельному соединению с образованием нового радикала и т.д., таким образом возникает реакционная цепь.

Пример. Хлорирование этилена осуществляется следующим образом:

Продуктом этой реакции является 1,2-дихлорэтан.

Радикальное отщепление (E_R). В реакциях этого типа образуются радикалы в виде первичных фрагментов соединений углерода.

Пример. При крекинге (пиролитическом расщеплении) высших алканов происходит гомолитический разрыв связи C-C:

R-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-R’ → R-CH₂-C•H₂ + •CH₂-CH₂-R’

Возникающие короткоживущие радикалы спонтанно распадаются, давая молекулы алкенов и новые радикалы:

R-CH₂-C•H₂ → R• + CH2=CH2

•CH₂-CH₂-R’ → R’• + CH₂=CH₂

Дальнейшее протекание реакции может проходить различными путями.

Нуклеофильные реакции

При нуклеофильных реакциях нуклеофильный реагент атакует электрофильный субстрат (или электрофильный участок субстрата):

Субстрат (электрофил) + Реагент (нуклеофил) → 

Нуклеофильное замещение (S_N). В реакциях этого типа нуклеофильный реагент вытесняет атом или группу атомов из субстрата. При этом разрыв связи между вытесненным атомом и атомом углерода происходит гетеролитически, и отщепляемая группа уносит электронную пару, а реагент со своей электронной парой образует новую химическую связь:

Пример. Нуклеофильное замещение осуществляется в реакции между монохлорэтаном и гидроксид-ионами (вводятся с щелочью):

CH₃-C^δ+H₂-Cl^δ- → CH₃-CH₂-OH + Cl^–

По механизму S_N-реакции делятся на два вида: S_N1 – реакции с двухстадийным механизмом (удаление одного заместителя и присоединение другого происходят поочередно); S_N2 – реакции с одностадийным механизмом (удаление одного заместителя и присоединение другого происходят одновременно).

Механизм S_N1 реакций.

На первой стадии происходит гетеролитический распад субстрата с образованием иона карбения

на второй стадии к иону карбения присоединяется нуклеофильная частица

Для осуществления первой стадии требуется энергия активации. Ион карбения может также вступать в другие реакции (отщепление катиона H⁺, перегруппировка), что приводит к образованию непредельных и изомерных побочных продуктов. Отщепление H⁺ – это конкурирующая E_N1-реакция

Механизм S_N2 реакций.

Реакции с механизмом S_N2 протекают при одновременном приближении реагента к субстрату и удалении старого заместителя:

В результате реакции S_N2 происходит инверсия конфигурации (обращение). Первоначально отклоненные от заместителя X атомы H и углеводородные остатки R (в рамках тетраэдрической модели) в переходном состоянии оказываются сначала перпендикулярными, а затем и прогибающимися в сторону X, по мере того как формируется связь C-Y (процесс можно сравнить с выворачиванием зонтика на ветру):

Таким образом, оптически активные D-соединения переходят в антиподные L-соединения (и наоборот). В отличие от реакции по механизму S_N1, в реакции S_N2 побочных изомерных продуктов не образуется, однако может также происходить отщепление H в качестве конкурирующей реакции E_N2.

Нуклеофильное присоединение (A_N). В реакциях этого типа присоединение нуклеофильного реагента может происходить, если атом углерода приобретает положительный заряд, что реализуется редко. Почти всегда присоединение по двойной связи C=C протекает или по радикальному механизму (A_R) или по механизму электрофильного присоединения (A_E), поскольку двойная связь обладает относительно высокой электронной плотностью. Однако присоединение по двойной связи C=O альдегидов и кетонов протекает как нуклеофильная реакция (A_N) благодаря тому, что высокая электроотрицательность кислорода обеспечивает создание положительного заряда на атоме C и делает его доступным для нуклеофильной атаки.

Пример. По механизму нуклеофильного присоединения происходит взаимодействие циановодорода с альдегидами. Молекула HCN полярна, приближение ее к также полярной группе C=O альдегида вызывает увеличение полярности молекулы HCN до такой степени, что в переходном состоянии ион CN^– действует как нуклеофильный реагент и атакует положительно заряженный атом C:

Неподеленная электронная пара на атоме C иона CN^– становится связывающей; одновременно кратная связь C=O альдегида превращается в одинарную, и к атому кислорода в образовавшемся анионе присоединяется катион водорода исходного реагента HCN.

Нуклеофильное отщепление (E_N). В реакциях этого типа, как и в нуклеофильном замещении S_N, происходит образование иона карбения (двухстадийный механизм) или образование переходного состояния (одностадийный механизм). В соответствии с этим различают механизмы E_N1 и E_N2. Таким образом, реакция E_N конкурирует с реакцией S_N какая из них будет преобладать, зависит от условий процесса. Так, при более высоких температурах преимущественно протекает реакция отщепления.

Если в S_N-реакции на второй стадии происходит связывание нуклеофильного реагента, то в E_N-реакции вследствие притяжения электронов (-I-эффект), которое вызывает атом C, отщепляется катион H₊, причем главным образом от соседнего атома C; одновременно формируется кратная связь между атомами углерода.

Пример. По двухстадийному механизму E_N1 осуществляется дегидрогалогенирование под действием щелочи:

CH₃-CH₂Cl → CH₃-C⁺H₂ + Cl^–

CH₃-C⁺H₂ → H⁺ + CH₂=CH₂

Ионы OH^– и H⁺ объединяются в молекулы H₂O.

Электрофильные реакции

При электрофильных реакциях электрофильный реагент атакует нуклеофильный субстрат (или нуклеофильный участок субстрата):

Реагент (электрофил) + Субстрат (нуклеофил) →

Электрофильное замещение (S_E). В реакциях этого типа электрофильный реагент вытесняет атом или группу атомов из субстрата, причем уходящий заместитель оставляет связывающую электронную пару атому углерода, и с ее помощью формируется связь электрофильного реагента с субстратом:

Электрофильное замещение имеет особое значение в химии ароматических соединений. Процесс протекает через две стадии: сначала образуется π-комплекс ароматического кольца с электрофильной частицей, который превращается в катион арения; реакция заканчивается отщеплением катиона водорода (или другого заместителя). Положительный заряд катиона арения не относится к определенному атому углерода, а делокализован по всей мезомерной системе связей. При образовании катиона арения ароматическая система легко деформируется, а при отщеплении иона H+ снова стабилизируется.

Пример. По механизму электрофильного замещения протекает каталитическое хлорирование бензола.

Сначала катализатор (AlCl₃, FeCl₃) ослабляет или разрывает связь в молекуле Cl₂:

Cl-Cl + AlCl₃ → Cl⁺-Cl^–AlCl₃

Cl-Cl + AlCl₃ → Cl⁺ + AlCl₄^–

Затем происходит образование π-комплекса (первая стадия), переход π-комплекса в катион арения (вторая стадия) и отщепление иона H⁺ (третья стадия):

По окончании реакции катализатор высвобождается

H⁺ + AlCl₄– = HCl + AlCl₃

и снова вступает в реакцию со следующими молекулами реагента.

Электрофильное присоединение (A_E). В реакциях этого типа присоединение с участием электрофильного реагента проходит через стадии образования π-комплекса и иона карбения, как и при электрофильном замещении, и заканчивается с участием нуклеофилыюго реагента. Обычно присоединение по двойной связи C=C протекает именно электрофильно, т.к. у двойной связи высокая электронная плотность, а π-электроны связи достаточно подвижны.

Пример. По механизму электрофильного присоединения происходит реакция хлороводорода с этиленом. На первой стадии атом водорода в молекуле HCl, несущий эффективный положительный заряд, при взаимодействии с субстратом отщепляется гетеролитически (в виде нона H⁺) и образует с двойной связью π-комплекс. На второй стадии π-комплекс при поглощении энергии активации преобразуется в ион карбения, при этом оба электрона π-связи полностью перемещаются к одному из атомов C, и на нем образуется новая σ-связь C-H, а другой атом C получает положительный заряд. На третьей стадии положительный ион карбения присоединяет нуклеофильный ион Cl^–, образующийся на первой стадии.

В реакции присоединения галогена (вместо галогеноводорода) по двойной связи C=C поляризация молекулы реагента достигается действием растворителя или катализатора (такой пример приведен выше при рассмотрении S_E-реакций); в ряде случаев поляризация может осуществляться достаточно просто при сближении реагента к двойной связи субстрата. Так, молекула Br₂ гетеролитически распадается на ионы Br⁺ и Br^–; ион Br⁺ электрофильно начинает реакцию присоединения, а ион Br^– нуклеофильно заканчивает ее.

Электрофильное отщепление (E_E). В реакциях этого типа отщепление проводится с помощью электрофильного реагента. Для практики электрофильное отщепление имеет весьма малое значение.

---