Галогеналканы: реакции замещения и отщепления

Галогеналканы - рабочая лошадка органического синтеза: связь углерод-галоген достаточно прочна, чтобы вещество спокойно хранилось в склянке, и достаточно полярна, чтобы её разорвал почти любой нуклеофил. Через галогеналканы проходят пути к спиртам, простым и сложным эфирам, аминам, нитрилам, алкенам и магнийорганике, поэтому в задачах их превращения спрашивают чаще, чем реакции любого другого класса. Разберём, как устроены замещение и отщепление, почему один и тот же субстрат с одним реагентом даёт разные продукты, и как по условию предсказать результат. Форма ниже соберёт параметры вашей реакции и вернёт разбор с механизмом.

Полярность связи углерод-галоген: откуда берётся реакционная способность

Галоген электроотрицательнее углерода, поэтому электронная плотность связи смещена к нему, и на атоме углерода возникает частичный положительный заряд $\delta^+$. Этот углерод и есть мишень для нуклеофила - частицы с неподелённой парой или отрицательным зарядом.

Второй фактор - прочность связи. Энергии связей падают вниз по группе:

$$E(\text{C}{-}\text{F}) \approx 485 \;>\; E(\text{C}{-}\text{Cl}) \approx 339 \;>\; E(\text{C}{-}\text{Br}) \approx 285 \;>\; E(\text{C}{-}\text{I}) \approx 213 \text{ кДж/моль}$$

Хотя связь $\text{C}-\text{F}$ самая полярная, разорвать её труднее всего, и в реакционной способности решает именно прочность. Отсюда ряд, который стоит помнить наизусть:

$$R{-}\text{I} \;>\; R{-}\text{Br} \;>\; R{-}\text{Cl} \;\gg\; R{-}\text{F}$$

Иодид - лучшая уходящая группа, фторалканы в стандартных условиях практически инертны. Сами галогеналканы чаще всего получают из алканов по радикальному механизму галогенирования или из спиртов действием галогеноводородов.

Нуклеофильное замещение: SN2 и SN1

Общая схема замещения выглядит так:

$$R{-}X + \text{Nu}^- \rightarrow R{-}\text{Nu} + X^-$$

Но за одной строчкой скрываются два принципиально разных пути.

SN2 - бимолекулярное замещение. Нуклеофил атакует углерод с противоположной стороны от галогена, а уходящая группа отрывается в том же элементарном акте. Промежуточного соединения нет, есть переходное состояние с пятью частичными связями у атакуемого углерода. Скорость зависит от концентрации обоих участников:

$$v = k\,[R{-}X]\,[\text{Nu}^-]$$

Атака с тыла разворачивает конфигурацию, как зонтик под ветром, - это обращение Вальдена. Чем меньше заместителей у реакционного центра, тем свободнее подход, поэтому ряд активности здесь обратный привычному: первичные $>$ вторичные $\gg$ третичные.

SN1 - мономолекулярное замещение. Сначала связь с галогеном рвётся сама, давая карбокатион, и только потом нуклеофил присоединяется к плоскому катиону с любой стороны. Медленная стадия - первая, поэтому нуклеофил в кинетическое уравнение не входит:

$$v = k\,[R{-}X]$$

Ряд активности прямо противоположен SN2: третичные $>$ вторичные $\gg$ первичные, потому что устойчивость карбокатиона растёт с числом алкильных групп. Плоский катион атакуется с обеих сторон, и оптически активный субстрат даёт рацемат.

Рассчитать для своей задачи

Что получают из галогеналканов замещением

Меняя нуклеофил, из одного и того же галогеналкана получают разные классы соединений - именно на этом строятся цепочки превращений в задачах:

• Спирт: водный раствор щёлочи, $\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NaOH}_{(водн.)} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + \text{NaBr}$.
• Простой эфир: алкоголят натрия, синтез Вильямсона, $R{-}X + R'\text{ONa} \rightarrow R{-}\text{O}{-}R' + \text{NaX}$.
• Нитрил: цианид натрия, углеродная цепь удлиняется на один атом: $R{-}X + \text{NaCN} \rightarrow R{-}\text{CN} + \text{NaX}$.
• Амин: избыток аммиака, $R{-}X + 2\text{NH}_3 \rightarrow R{-}\text{NH}_2 + \text{NH}_4X$; при недостатке аммиака алкилирование идёт дальше, до вторичного и третичного амина.
• Сложный эфир: соль карбоновой кислоты, $R{-}X + \text{CH}_3\text{COONa} \rightarrow \text{CH}_3\text{COO}R + \text{NaX}$.
• Тиол: гидросульфид натрия $\text{NaSH}$; нитроалкан или нитрит - соли азотистой кислоты, соотношение продуктов зависит от катиона.

Отдельно стоит обмен галогена по Финкельштейну: $R{-}\text{Cl} + \text{NaI} \rightarrow R{-}\text{I} + \text{NaCl}$ в ацетоне. Реакция идёт до конца потому, что $\text{NaCl}$ в ацетоне нерастворим и выпадает в осадок, смещая равновесие.

Отщепление: E2, E1 и правило Зайцева

Тот же гидроксид-ион может вести себя не как нуклеофил, а как основание: вместо атаки на углерод он отрывает протон от соседнего атома, и образуется двойная связь.

$$\text{CH}_3{-}\text{CHBr}{-}\text{CH}_2{-}\text{CH}_3 \xrightarrow[t^{\circ}]{\text{KOH, спирт}} \text{CH}_3{-}\text{CH}{=}\text{CH}{-}\text{CH}_3 + \text{KBr} + \text{H}_2\text{O}$$

E2 - согласованный процесс: основание забирает протон, двойная связь образуется, галогенид уходит одновременно. Для этого водород и галоген должны находиться в анти-перипланарном положении, то есть в одной плоскости по разные стороны от связи $\text{C}-\text{C}$. E1 идёт через тот же карбокатион, что и SN1, и поэтому всегда сопровождает SN1 у третичных субстратов.

Если атомов водорода у соседних углеродов несколько, работает правило Зайцева: преимущественно отщепляется водород от наименее гидрогенизированного соседнего атома, то есть образуется наиболее замещённый и потому более устойчивый алкен. Для 2-бромбутана бут-2-ен получается в заметном избытке над бут-1-еном. Логика та же, что при дегидратации спиртов, только уходит не вода, а галогенид.

Рассчитать для своей задачи

Исключение - объёмные основания вроде трет-бутилата калия: им неудобно подойти к внутреннему водороду, и они забирают крайний, давая менее замещённый алкен по правилу Гофмана.

Замещение или отщепление: как выбрать путь

Это главный вопрос экзаменационных задач, и решается он условиями, а не самим субстратом:

• Водный раствор щёлочи - замещение, продукт спирт. Спиртовой раствор щёлочи и нагревание - отщепление, продукт алкен. Формулировка «спиртовой раствор» в условии почти всегда означает элиминирование.
• Сильный нуклеофил и слабое основание ($\text{CN}^-$, $\text{I}^-$, $\text{RS}^-$) на первичном субстрате - чистый SN2.
• Сильное затруднённое основание и высокая температура - E2 в любом случае.
• Третичный субстрат в протонном растворителе без сильного основания - SN1, часто вместе с E1: в продуктах и спирт, и алкен.
• Рост температуры всегда сдвигает баланс в сторону отщепления: в элиминировании из одной молекулы получаются две, и энтропийный вклад $-T\Delta S$ работает на алкен.

Рассчитать для своей задачи

Реакции с металлами

Галогеналканы легко отдают галоген металлам, и это открывает дорогу к образованию связей углерод-углерод.

С магнием в абсолютном эфире получается реактив Гриньяра:

$$R{-}X + \text{Mg} \xrightarrow{\text{абс. эфир}} R{-}\text{MgX}$$

Атом углерода в нём заряжен отрицательно, то есть из электрофила субстрат превращается в нуклеофил, - подробности и типовые задачи в разборе механизма реакции Гриньяра. С металлическим натрием идёт реакция Вюрца, сшивающая два радикала:

$$2R{-}X + 2\text{Na} \rightarrow R{-}R + 2\text{NaX}$$

Она даёт симметричный алкан с удвоенной цепью; из смеси двух разных галогеналканов получается три продукта, поэтому препаративно её применяют только к одинаковым молекулам.

Частые ошибки

• Путают ряды активности SN1 и SN2. В SN2 лучший субстрат первичный (нет стерических помех), в SN1 - третичный (устойчивый карбокатион). Написать «третичный реагирует быстрее» без указания механизма - уже ошибка.
• Не различают водный и спиртовой раствор щёлочи. Это разные реакции с разными продуктами, и в условии задачи растворитель указан не для красоты.
• Считают, что фторалканы реагируют лучше всех, раз связь самая полярная. Решает прочность связи: активность растёт от фтора к иоду.
• Забывают про перегруппировки в SN1. Карбокатион может перестроиться в более устойчивый гидридным или алкильным сдвигом, и продукт окажется не там, где был галоген.
• Применяют правило Зайцева к объёмному основанию. С трет-бутилатом калия работает противоположная ориентация - правило Гофмана.

FAQ

Как отличить SN1 от SN2 в задаче, если механизм не назван? Смотрите на три признака: строение субстрата (первичный или третичный), силу нуклеофила и растворитель. Первичный субстрат с сильным нуклеофилом в апротонном растворителе - SN2. Третичный субстрат в воде или спирте без сильного нуклеофила - SN1. Дополнительная подсказка - оптическая активность: обращение конфигурации указывает на SN2, рацемизация на SN1.

Почему аммиак с галогеналканом даёт смесь аминов? Полученный первичный амин - более сильный нуклеофил, чем сам аммиак, поэтому он тут же вступает в новое замещение и превращается во вторичный, затем в третичный амин и в соль тетраалкиламмония. Чтобы получить преимущественно первичный амин, берут большой избыток аммиака.

Можно ли из галогеналкана получить алкан обратно? Да, тремя способами: восстановлением водородом на катализаторе, гидролизом реактива Гриньяра водой или кислотой (тогда цепь сохраняется) и реакцией Вюрца (цепь удваивается). Выбор зависит от того, нужно ли менять число атомов углерода.

Коротко

Реакции галогеналканов держатся на полярной связи углерод-галоген и на способности галогенид-иона уходить: активность растёт в ряду от фтора к иоду. Нуклеофил даёт замещение по SN2 у первичных субстратов и по SN1 через карбокатион у третичных; то же основание при нагревании в спиртовом растворе даёт отщепление по E2 или E1 с образованием наиболее замещённого алкена по правилу Зайцева. Направление реакции определяют реагент, растворитель и температура, а магний и натрий превращают галогеналкан в нуклеофильный реагент для сборки новых связей углерод-углерод.