Нуклеофильное алифатическое замещение у sp³-гибридного углерода

 

Механизм S_N1/E1 может реализоваться тогда и только тогда, когда карбокатион, который должен образоваться, достаточно стабилизирован. В самопроизвольных S_N1 реакциях подавляющем большинстве случаев это или третичный алкильный карбокатион, или карбокатион, стабилизированный соседним мезомерным донором. Обратите на это внимание – вторичные алкильные карбокатионы считаются недостаточно стабилизированными, и самопроизвольно не образуются. Это вполне согласуется с тем, что вторичные алкилгалогениды и похожие на них субстраты не подвергаются сольволизу с измеримой скоростью.

Третичные карбокатионы стабилизированы донорным индуктивным эффектом трех алкильных групп. Это дает неплохую степень стабилизации. При пониженной температуре трет-бутильный катион и некоторые его аналоги были экспериментально обнаружены спектроскопией ЯМР и рядом других методов. Ни в тех же условиях, и ни в каких других ни вторичные, ни первичные катионы никогда и никем не наблюдались несмотря на весьма значительные усилия и очень широкий набор задействованных методов. Это дает дополнительные основания считать, что степень стабилизации третичных алкильных катионов действительно намного выше, и есть принципиальная разница в поведении третичных субстратов и всех остальных.

Если не ограничиваться простыми алкилами и допустить разные заместители, то ассортимент стабилизированных катионов существенно расширяется. Любые мезомерные доноры рядом с катионным центром дают существенно большую степень стабилизации. Самый простой такой заместитель – винильный остаток. В таких случаях образуется мезомерно-стабилизированный аллильный катион. Не забывайте, что в таких катионах положительный заряд делокализован, и после его образования два атома углерода становятся или совсем одинаковыми (если аллил незамещенный или симметрично замещенный), или не совсем (если аллильный катион замещен несимметрично). Поэтому в S_N1 реакциях аллильных субстратов обычно получаются смеси двух продуктов (если аллил симметричный, то, конечно, эти продукты одинаковы, если только там нет изотопных меток):

В пропаргильной системе (то же, что аллил, только с тройной связью) наблюдается нечто похожее, но несколько более сложное, так как резонансные формы сильно различаются. Нарисуйте это сами. Мы не будем рассматривать пропаргильные субстраты в S_N1 реакциях.

Бензильные субстраты также дают стабилизированный карбокатион. Но в отличие от аллильной системы делокализация карбокатиона не приводит к образованию смеси продуктов после реакции с нуклеофилом просто поому, что только в одном случае сохраняется ароматическая система. 

Замещение в ароматическом кольце очень сильно влияет на стабилизацию бензильных катионов. Наличие в орто- и пара-положениях донорных групп дополнительно стабилизирует бензильный катион. Мезомерные доноры, как и положено, сильнее индуктивных. А вот акцепторы, особенно такие мощные как нитро-группа, дестабилизируют бензильные катионы в очень существенной степени, настолько, что в этом случае S_N1 реакции можно считать маловероятными. Обратите внимание, что при наличии мезомерного донора в орто- или пара-положениях в делокализации участвует только структура с участием этого самого донора (цепь сопряжения донор-акцептор), а делокализацией в кольцо можно и нужно пренебречь как несущественной (это значит, что обычные граничные структуры для бензильного катиона, как в схеме выше, нарисовать можно и это корректно, но их роль в делокализации пренебрежимо мала, и если нас интересует суть дела, а не только формальные картинки, такие структуры из мезомерной делокализации лучше убирать):

Еще более стабилизированы катионы с двумя ароматическими кольцами – они называются бензгидрильными.

Такие субстраты наиболее хорошо исследованы в S_N1 реакциях сольволиза. Фактически все, что написано в учебниках про сольволиз и вообще S_N1 реакции было реально сделано на субстратах бензгидрильного типа. Это довольно странная история, но это так – экспериментально механизм S_N1 в сольволизе убедительно изучен только для настолько сильно стабилизированных карбокатионов, а все, что мы говорим про третичные алкилы – просто результат обобщения, не подтвержденный в экспериментах. Именно поэтому на счете существует немало серьезных ученых, которые вообще не признают механизм S_N1 и считают его очень частным случаем для совсем сильно стабилизированных карбокатионов типа бензгидрильных и трифенилметильных, а общим механизмом нуклеофильного замещения считают только S_N2, даже для третичных алкильных, аллильных и бензильных субстратов, и объясняют их особенности так называемым переменным переходным состоянием (эта теория известна, как диаграммы Мор о’Феррала-Дженкса). Я не разделяю эту точку зрения и вам не советую, так как никаких существенных плодов эта теория за прошедшие десятилетия не принесла, а в науке принято орудовать бритвой Оккама, безжалостно отсекая все лишнее и бесплодное, даже если выглядит красиво.

Когда ароматических кольца три, стабилизация становится настолько значительной, что это даже немного мешает. Трифенилметильные катионы очень легко образуются, и настолько стабильны, что нарушают главное правило S_N1: карбокатион не выбирает нуклеофила, реагирует с первым попавшимся, скорости реакции с любыми нуклеофилами одинаковы. Трифенилметильные катионы, наоборот, проявляют немалую избирательность, и даже вообще не реагируют со слабыми нуклеофилами. Совсем сильная стабилизация получается, если в каждом из фенильных колец находятся донорные заместители. Самые сильные мезомерные доноры – фенольные и аминогруппы – делают трифенилметильные катионы настолько стабильными, что они спокойно живут в водных растворах и не проявляют никакого желания реагировать ни с водой, ни с многими другими нуклеофилами. Такие карбокатионы обычно имеют яркий цвет и очень широко применяются как красители (это слово имеет простоватый вид, но это очень мощный научный термин, обозначающий вещества, взаимодействующие с видимым или ультрафиолетовым светом, что совершенно необходимо в десятках и сотнях самых разнообразных областей применения). С одним из таких мы все знакомы с раннего детства – это соединение, имеющее название малахитовый зеленый или просто зелёнка. Этот карбокатион стабилизирован всего двумя амино-группами, но этого уже достаточно для практически неограниченной стабильности. Показана только одна граничная структура, вторая такая же на втором кольце.

Все известные S_N1-реакции можно смело разделить на самопроизвольные и принудительные (осторожно – это терминология моя, вы ее больше, возможно, нигде не встретите, но суть дела вполне очевидна и бесспорна).

Самопроизвольные реакции S_N1 происходят тогда, когда субстрат самопроизвольно и обратимо распадается на карбокатион и уходящую группу. Для того чтобы это было возможно необходимо чтобы

• карбокатион был достаточно стабилизирован, и чем стабильнее, тем лучше;
• уходящая группа была хорошей, и чем лучше, тем еще более лучше;
• растворитель (среда) дополнительно стабилизировали и карбокатион, и уходящую группу.

С карбокатионом разберемся на отдельной вкладке. Хорошие уходящие группы это, прежде всего, атомы галогенов кроме фтора. И это, безусловно, тозилат и другие сульфонаты, но только эти производные очень непросто получить в случае третичных спиртов. Есть еще несколько экзотических групп, которые нам пока не понадобятся. Все остальное – вне закона. В частности, спирты никогда не вступают в самопроизвольные S_N1-реакции. Но отлично вступают в принудительные, и об этом поговорим отдельно.

Обратите внимание, что третье условие не менее важно, чем первые два. Распад ковалентной связи на ионы (гетеролитический распад) невозможен без активного взаимодействия в растворителем (сольватации). Ни в газовой фазе, ни в неполярных растворителях образование ионов не происходит даже в тех случаях, когда образующиеся ионы считаются вполне стабильными (мы уже встречались с этим в очень жесткой форме – даже молекулы галогеноводородов типа HBr не распадаются на ионы ни в газовой фазе, ни в малополярных растворителях, отчего нам и пришлось в теме про присоединение к алкенам изобретать молекулярные механизмы вместо того чтобы просто вешать на двойную связь протон).  Это условие жестко ограничивает круг растворителей, в которых возможен такой процесс. Поскольку речь идет о разрыве ковалентной связи с образованием ионов растворитель должен быть, насколько возможно, полярен. Поскольку речь идет об органических растворителях, в этом отношении приходится предъявлять достаточно скромные требования, но и забывать об этом не стоит. Чтобы дополнительно стабилизировать катион, необходимы атомы с неподеленными парами. Следовательно растворитель должен обладать основностью (по Льюису или Бренстеду-Лоури, в данном контексте это не важно тем более что эти два типа основности вполне совместимы). Чтобы стабилизировать анион нужна водородная связь. Следовательно растворитель должен быть кислотой Бренстеда-Лоури. Такие растворители еще называют протонными. Этот мир устроен так, что протонные растворители всегда обладают еще и атомами с неподеленными парами, и очень часто обладают неплохой полярностью, следовательно определение “протонный растворитель” фактически вбирает в себя все три необходимых свойства. При этом, эти свойства дополняют друг друга, и если не хватает одного, может выручить другое. Например, вода обладает огромной полярностью, но не выдающейся кислотностью, и за счет полярности является превосходным растворителем для S_N1, хотя эту роль не просто реализовать из-за низкой растворимости органических веществ в воде. Чтобы справиться с низкой растворимостью используют смеси воды со смешивающимися с ней органическими растворителями (метанолом, этанолом, ацетоном, ацетонитрилом, диоксаном и т.п.) – полярность среды от такого смешения снижается, но остается достаточно высокой. Трифторуксусная кислота CF₃COOH – малополярная жидкость, но весьма приличная по силе кислота (pK между 1 и 2) и только за счет кислотности является одним из самых выдающихся растворителей для S_N1. По той же причине 2,2,2-трифторэтанол гораздо лучше просто этанола (опять кислотность). Муравьиная кислота намного лучше уксусной – уже по причине более высокой полярности при ненамного большей кислотности.

Самопроизвольные S_N1-реакции делают просто – растворяют субстрат в протонном растворителе и терпеливо ждут установления равновесия. Можно немного нагреть, но при этом всегда увеличивается доля E1-элиминирования. В таких реакциях всегда получается продукт реакции карбокатиона с растворителем просто потому, что любой такой растворитель является нуклеофилом (в нем есть неподеленные пары), карбокатиону все равно с каким нуклеофилом взаимодействовать, а растворитель всегда под боком. Поэтому такие реакции называют сольволизом, то есть буквально расщепление растворителем (расщепление связи в исходном субстрате). Получаем почти что закон (для особо внимательных замечу, что обратное неверно: сольволиз далеко не всегда является S_N1-реакцией, вполне возможен и S_N2-сольволиз, и другие есть важные механизмы сольволиза):

Самопроизвольные S_N1-реакции – это сольволиз.

Сольволиз – общий термин, в частных случаях используют более конкретные: реакцию с водой называют гидролизом, с этанолом – этанолизом, с уксусной кислотой – ацетолизом, с муравьиной – формолизом, с трифторуксусной – трифторацетолизом, и т.п. Вот пара очевидных примеров:

Реакция S_N1-сольволиза – всегда равновесие, кроме продукта сольволиза образуется уходящая группа в форме сопряженной кислоты, а это почти всегда – сильная кислота Бренстеда-Лоури, и ее накопление в реакционной смеси вызывает еще и побочные реакции за счет протонирования субстрата, но добавлять в смесь какое-нибудь основание (типа соды) нельзя – сразу получите больше элиминирования. Вывод из всего этого довольно простой – как правило, реакции сольволиза практически бесполезны: их невозможно довести до конца, сместить равновесие, ускорить. Тем не менее, совсем выбрасывать их не нужно, потому что можно найти случаи, когда эти реакции довольно быстры, а отсутствие возможности для элиминирования делает возможным добавление основания и смещение равновесия в сторону продукта, в том числе и за счет банального избытка сольволизующего растворителя, как например, в реакциях трифенилметилхлорида, где все сходится в пользу S_N1-сольволиза – и очень стабильный трифенилметильный катион, что обеспечивает высокую скорость, и выпадение продукта в осадок, что обеспечивает смещение равновесия, и отсутстие возможности элиминирования. Но это – только частный случай!:

Если бы S_N1-реакции ограничивались бы только самопроизвольным сольволизом, от этой химии было бы совсем мало прока. Но можно попробовать не ждать, когда связь с уходящей группой разорвется самопроизвольно, а попробовать ускорить это и даже, при некотором стечении обстоятельств, сделать необратимым. Получающемуся таким образом катиону можно попробовать подсунуть какой-нибудь конкретный нуклеофил, и тогда можно ожидать получения желаемого продукта замещения (E1 при этом будет продолжать конкурировать, но и здесь тоже есть кое-какие резервы). Но задача это непростая, ведь придется не только придумать способ ускорить образование карбокатиона, но и обеспечить условия образования только одного продукта. Для этого необходимо будет устроить тщательную зачистку реакционной смеси от конкурирующих нуклеофилов, ведь карбокатиону все равно, с чем реагировать, и выбирать он не будет (это фундаментальное свойство почти всех карбокатионов – они не выбирают, с каким нуклеофилом реагировать, и если есть несколько, всегда будут давать смесь с соотношением продуктов, приблизительно равным соотношению концентраций нуклеофилов (это называется неконкурентным связыванием). Придется и растворитель подобрать, и тщательно посмотреть на все анионы – чтобы, если без них нельзя, остались бы только ненуклеофильные типа тетрафторбората. Это очень важно, потому что карбокатионы очень реакционноспособны и находят нуклеофилы в самых неожиданных местах. Например, исследования Н.С. Зефирова и сотр. недвусмысленно показали, что карбокатионы отлично связывают перхлорат-анион, который до этого считался совсем ненуклеофильным и безобидным.

Посмотрим на основные приемы принудительного S_N1. Все они крутятся вокруг одной генеральной идеи – создать прямо в реакции настолько хорошую уходящую группу, чтобы она отвалила от карбокатиона, не помахав даже платочком на прощание. Но из этого следует и один очень полезный вывод – в отличие от самопроизвольных реакций сольволиза, в этих методах мы не ограничены узким набором уходящих групп и можем стартовать с самых разных уходящих групп, даже очень скверных. И в заключение предисловия замечу, что принудительные S_N1-реакции очень хорошо развиваются с современной органической химии в новом тысячелетии. Если заинтересуетесь, найдете немало новых методов синтеза, включающих образование карбокатионов за счет целенаправленной помощи уходу уходящей группы. Интересно, что еще недавно S_N1-реакции считались узкими и малоперспективными.

1. Самый простой и древний – протонирование сильной кислотой. Строго этот способ называется специфическим кислотным катализом. Этот способ работает для спиртов и многих других кислородсодержащих производных, например, простых эфиров. Со спиртами сильная кислота протонирует очень плохую уходящую группу гидроксил, переводя ее в отличную уходящую группу воду. Проблема метода – мы не можем избавиться от воды, и карбокатион будет связывать ее обратно, то есть реакция обратима. В выборе нуклеофила мы поэтому очень сильно ограничены, и потому что вода конкурирует, и потому что в сильнокислой среде большинство нуклеофилов протонируются и перестают быть нуклеофилами. Но – работают галогенид-ионы, которые сохраняются в сильнокислой среде. Реакции дополнительно помогает низкая растворимость галогенпроизводных, которые выпадают в отдельную фазу, смещая равновесие. Так получают галогенпроизводные из третичных спиртов. Собственной кислотности галогеноводородов достаточно.

Нечто очень похожее происходит и в реакции Риттера. В этой реакции карбокатион генерируют сильной кислотой из спирта, и подсовывают ему нитрилы, очень слабые нуклеофилы. Но карбокатиону все равно, а образующийся четвертичный катион присоединяет воду в необратимой реакции. Мы еще вернемся к этой реакции в Аминах.

2. Если уходящая группа галоген, а иногда и в других случаях, используются разнообразные кислоты Льюиса, образующие координационную связь с уходящей группой. И хотя галогены уже хорошие уходящие группы, но самопроизвольный уход их происходит очень медленно. Уход комплексных анионов, образующихся за счет координации галогенида с кислотой Льюиса, ускоряет этот процесс на многие порядки. Подбор кислоты Льюиса весьма широк и приблизительно определяется принципом ЖМКО. Очень приблизительно, на самом деле, но все же это полезно. Так, если у вас легкий галоген – фторид (да, в принудительном S_N1 фтор вполне годится в отличие от самопроизвольного сольволиза) или хлорид, то мы будем выбирать жесткую кислоту –  BF₃, SbF₅, AlCl₃, и т.п. Бром и особенно иодпроизводные чаще стимулируют мягкими кислотами Льюиса типа солей серебра. В совсем современной химии ассортимент кислот Льюиса для стимулирования карбокатионной химии очень широк, и там встречаются многие довольно экзотические металлы. Дальше карбокатиону подсовывают желательный нуклеофил. Опять нужно не забывать контролировать и не допускать конкурирующие нуклеофилы в растворителях, и даже анионах в солях металлов. Главное ограничение этого метода состоит в том, что приходится думать о том, не будет ли планируемый нуклеофил связываться с кислотой Льюиса легче чем галогенид. И это не очень просто.

3. Первичные амины можно отлично сделать субстратами для S_N1 за счет реакции диазотирования. При этом создается самая выдающаяся уходящая группа всех времен и народов – молекулярный азот. Уход азота фактически необратим (есть доказательства обратимости и в этом случае, но не очень убедительные). Такие реакции называются реакциями дезаминирования. Нуклеофилом обычно является вода, потому что диазотирование ведут в водной среде. Но бывают и более сложные варианты без участия воды и с другими нуклеофилами. Подробнее об этой реакции поговорим в теме Амины.

4. Есть и еще один очень необычный метод. Если получить изотопно-замещенный углеводород, содержащий вместо одного из водородов атом трития, то мы получим вроде бы идеальный источник практически любых карбокатионов. Тритий очень быстро распадается за счет варианта β-распада. Атом трития моментально превращается в атом гелия, который вообще не может образовать химическую связь, то есть связь углерода с тритием моментально и полностью исчезает, а на углероде образуется положительный заряд. Вот это уходящая группа! – раз, и нет ее! Прямо исчезающая группа, азот отдыхает! Когда эту штуку придумали, казалось, что все проблемы с карбокатионами и их реакциями можно будет разрешить, хотя и работать с тритием очень непросто. Увы, есть проблема. Когда химическая связь просто исчезает, это ее проблема, но энергия связи исчезнуть не может, она просто целиком переселяется на образующийся карбокатион, а это ситуация, совсем необычная для обычных химических реакций. В любой реакции, с которыми мы имеем дело, каждая молекула или ион всегда, в каждое ничтожное мгновение своей жизни находятся в тепловом равновесии со средой. Это очень важное обстоятельство, которое только и позволяет нам пользоваться обычными понятиями химической кинетики и термодинамики, константами скоростей и равновесий, энергией активации и пр. и др. Мы по-другому не умеем, хотя и не задумываемся об этом. А если какая-то частица откуда-то приобрела избыточную энергию (такие молекулы или ионы называют “горячими”), то именно это для нее и является главной проблемой, и ее поведение очень сильно осложняется. Мы не сможем воспользоваться данными по поведению горячей частицы для того, чтобы разобраться в реакциях обычной. Поэтому если где-то найдете рассуждения о реакционной способности горячих карбокатионов, относитесь к таким данным скептически и критически. А для практических целей это все равно бессмысленно и потому что изотопно чистый тритий чудовищно дорог и требует особых условий работы, и потому что период полураспада составляет около 12 лет, и при желании сделать с ним какую-нибудь практическую химическую реакцию ждать 50% выхода как раз столько лет и пришлось бы, для 75% выхода понадобилось бы 24 года и так далее.

Одним из фундаментальных свойств карбокатионов является склонность к перегруппировкам. Перегруппировки всегда обратимы и очень быстры, а это означает, что всегда будет преобладать наиболее стабильный катион из всех возможных, связанных между собой перегруппировками.

Основной, но не единственный процесс, отвечающий за перегруппировки – сдвиг с соседнего атома углерода водорода или алкила с парой электронов. Это очень важно – перемещающийся атом захватывает пару электронов, поэтому перемещение водорода правильно называть гидридным сдвигом. Но когда перемещается алкил, говорят про алкильный сдвиг. Карбокатионный центр при этом перемещается на тот атом углерода, с которого произошел сдвиг.

Хорошо, а как узнать, какие перегруппировки происходят в каком-то реальном случае? Это очень просто, потому что а) происходят все возможные; б) они идут строго друг за другом, не перепрыгивая через атомы; в) большинство из них нам даром не нужны, а нужны только те, которые ведут к самому стабильному катиону в каждом случае. Если пока ограничиться только алкилами, то перегруппировки будут всегда идти в сторону третичных карбокатионов. В этом месте нормальный человек застынет в полном изумлении – да ведь только такие катионы и получаются в S_N1-реакциях! Откуда там вообще могут взяться не-третичные катионы?? Все верно, но не надо забывать, что S_N1-реакции бывают не только самопроизвольные, то есть сольволиз, и в таких реакциях действительно карбокатион или достаточно стабилизирован, или он не получается, и сольволиз не идет. Но S_N1-реакции бывают и принудительные, когда мы заставляем уходящую группу уйти, и в этом случае в самом начале катион может получится любой, и тут же вступает в действие цепочка перегруппировок, ведущих к более стабильному катиону. Иногда даже говорят так: если в результате ухода очень хорошей уходящей группы должен получиться какой-нибудь совсем гадкий карбокатион, например, первичный, то перегруппировка вступает в действие непосредственно в процессе ухода уходящей группы, и этот мерзкий первичный карбокатион – глаза бы его не видели! – не успевает образоваться, как тут же перегруппировывается, и наша совесть остается чиста. Ведь не велели же писать первичных карбокатионов! На деле это все не так важно, и разрисовывая перегруппировки, мы вынуждены рисовать и первичные катионы тоже, просто успокаивая себя тем, что у них очень малое время жизни, и они перегруппировываются дальше немедленно. Чуть дальше мы еще вернемся к этой проблеме и увидим, что там есть нечто очень важное.

Вот, посмотрим что будет, если мы возьмем первичный алкил неопентил (неопентил – это очень распространенное название для 2,2-диметилпропила) и попробуем посмотреть, что он будет делать в S_N1-реакции. Сольволиза с неопентилбромидом или тозилатом не получится. А вот попытка протонировать неопентиловый спирт вполне возможна. Неопентильные производные и похожие на них субстраты с разветвлением на втором атоме углерода – очень важные молекулы в этом отношении, потому что у них фактически полностью подавлен S_N2-путь превращения (почему – разберем в разделе про S_N2). И они либо вообще не реагируют в обычных реакциях нуклеофильного замещения, либо твердо встают на путь перегруппировки, то есть входят в S_N1-режим. Попробуем, например, взять неопентиловый спирт и попробовать превратить его в неопентилбромид или хлорид так же, как мы делаем с другими первичными и вторичными спиртами – действием хлористого тионила или трехбромистого фосфора. Еще в 1932 году Уитмор и Ротрок попробовали это сделать и увидели, что не получается ничего, кроме немного загадочного частичного осмоления. Эти результаты после много раз пытались опровергнуть, но ничего так и не получилось. Но если взять методику, более подходящую для третичных спиртов, то есть реакцию с концентрированными галоводородными кислотами, то неопентиловый спирт реагирует, правда тяжело и медленно (приходится кипятить смесь несколько дней), и при этом в основном получается третичное галогенпроизводное.

Обратим внимание, что и в этом случае реакция идет “со скрипом” и далеко не полностью. Это понятно – S_N2-путь совсем закрыт, а S_N1 – тоже далек от счастья, потому что приходится преодолевать очень невыгодный первичный карбокатион. Тот самый, который перегруппировывается. В этом случае путь перегрупировки один – рядом есть только метильные группы, и одна из них шагает на место первичного катиона, оставляя за собой дырку, но уже в более подходящем месте. Дальше можно нарисовать следующие перегруппировки, но они все ведут в менее стабильные вторичные или первичные карбоатионы, а следовательно невыгодны и в общей картине занимают небольшое место. Сразу замечу – это не значит, что такие перегрупировки в действительности вообще не идут, – безусловно идут, ведь мы договорились, что идут все возможные последовательные перегруппировки. И третичный катион обратимо перегруппировывается во вторичный (за счет сдвига гидрида), но в меньшей степени. И даже в первичный (тоже за счет сдвига гидрида) – в совсем малой степени. И продукты соответствующие в реакционной смеси есть, но только как побочные, в количествах от нескольких процентов до 10-15%. И особенно хорошо это видно, если использовать изотопные метки, и с любопытством смотреть, как они скачут в продуктах реакции.

Это одна из неприятных особенностей перегруппировок карбокатионов – они всегда дают равновесные смеси, в которых даже самый устойчивый карбокатион не занимает все 100%. Иными словами, такие реакции никогда не имеют высокой селективности. Поэтому и применяют их для синтеза редко, и предпочитают вообще избегать – делить изомерные продукты никому не нравится.

Итак, первый вывод: основной продукт в перегруппировках алкильных карбокатионов соответствует третичным карбокатионам.

Неопентильная система очень часто приводится в пример склонности к перегруппировкам, потому что в ней не работает S_N2-путь, из-за чего приходится использовать жесткие условия реакций, способствующие включению принудительного S_N1. Посмотрим, что нас ожидает, если мы используем не такие специфические первичные или вторичные алкилы. В этом случае (особенно, если алкил первичный) S_N2-путь будет основным, и реакции будут идти в основном или полностью по этому пути. И только если мы по недосмотру или специально решим использовать, например, сильную кислоту и достаточно жесткие условия, мы можем вызвать подключение конкурирующего S_N1-превращения с неизбежными перегруппировками. Возьмем обычный н-бутиловый спирт, например. Этот спирт отлично дает н-бутилбромид при действии трехбромистого фосфора, строго по S_N2-механизму, никаких перегруппировок. Но если мы попробуем погреть его с концентрированной бромистоводородной кислотой, результат будет другим. S_N2-путь при этом сохранится и останется основным, но частично пойдет и по S_N1-маршруту с перегруппировкой. В этом случае путь перегруппировок более сложен: из первичного во вторичный с гидридным сдвигом, из вторичный произойдет сдвиг метила с образованием изо-скелета, но сначала первичного катиона, который наконец с гидридным сдвигом попадет в третичный. Из-за того, что путь от первоначально образующегося н-бутильного карбокатиона в трет-бутильный включает промежуточные вторичные и первичные катионы, этот путь не очень выгоден и не очень вероятен, но он есть, и при анализе продуктов изомеризованные вторичные и третичные продукты будут обнаружены.     

Подведем первый итог: в химии нуклеофильного замещения стоит избегать, насколько это возможно, условий, способствующих образованию карбокатионов (а это, в первую очередь, сильные протонные кислоты и кислоты Льюиса), так как в этом случае можно нарваться на перегруппировки даже в тех случаях, когда этого не ожидаешь. Чем лучше субстрат для чистого S_N2-замещения, тем меньше вероятность и вклад перегруппировки, даже если она спровоцирована условиями реакции. Если перегруппировки избежать не удалось, то всегда образуется наибольшее количество продукта, соответствующего третичным карбокатионам, но чем дальше путь от начального карбокатиона до третичного, тем меньше будет вклад перегруппировки.  

Раз уж перегруппировки почти неизбежны, стоит немного разобраться в том, как они происходят. Есть несколько способов посмотреть на этот процесс. Мы не будем тратить время на все, а посмотрим только один, на мой взгляд, самый наглядный и довольно убедительный. В этом месте человек, не испорченный цинизмом большой науки, может оскорбленно вскричать: “Я не хочу самый наглядный, я хочу единственно верный!!!”. Увы, единственно верный знает только Творец всего сущего (и был еще такой товарищ Ленин, но он уже скоро как сто лет не с нами), а если вы в него не верите, то вообще никто. Нам, смертным людям 21 века, живущим всего менее 200 лет спустя возникновения химии как науки, то есть во времена ее, химии, трогательного младенчества, дано только строить грубые, качественные (не в смысле “очень хорошие”, а в смысле “неколичественные, приблизительные”) модели реальных процессов. В лучшем случае просто наглядные, позволяющие приблизительно понять, как это устроено и делать какие-то очень осторожные гипотезы. Главный критерий того, заслуживает ли внимания то или иное объяснение – полезность. Если гипотезу можно применить, чтобы понять происходящее, обобщить данные по близким реакциям, сделать осторожный прогноз на то, как пойдет реакция, то и хорошо, сойдет, не будем пока беспокоить Творца, выклянчивая что-то абсолютно-верное-ныне-и-присно-и-вовеки-веков, чтоб раз выучить и навсегда. Нет такого. По крайней мере сейчас. Приходите через тысячу или миллион лет, может появится, наука не стоит на месте.

Итак, задача такова. Есть карбокатионный центр, то есть свободная p-орбиталь. Рядом, на соседнем углероде, есть σ-связь, на которой болтается нечто, водород или алкил. Нужно понять, как это нечто переползает на бывший катионный центр, а бывшая σ-связь превращается в свободную p-орбиталь.

Попробуем так. В теме Электрофильные реакции алканов, мы познакомились с гиперкоординированными катионами. Эти катионы возникают тогда, когда сильный электрофил, типа протона или алкильного карбокатиона, нападает на σ-связь, при этом образуется трехцентровая связь, которая быстро распадается по трем различным направлениям. Разве не похоже на наш случай – разница только в том, что электрофил и σ-связь находятся в одной молекуле, рядом. Но это даже хорошо, далеко ходить не надо, а кроме того позволяет понять, отчего это связь, которая в исходной молекуле была отогнута на угол 109°, вдруг начинает пригибаться к катионному атому – вот трехцентровая связь это и обеспечивает. Нарисуем. Напомню, что трехцентровая связь обозначается тремя лучами к каждому из центров.

Трехцентровая связь слаба, но достаточна для того, чтобы объяснить, зачем мигрирующий водород или алкил начинает свой неблизкий путь от одного атома углерода к другому. Сама частица с трехцентровой связью при этом вовсе не обязательно должна быть достаточно стабильна для того, чтобы ее можно было реально обнаружить, она вполне может быть или очень короткоживущей, далеко за пределами современных методов, или даже может вообще существовать только на бумаге, то есть быть просто переходным состоянием. Современная химия не сможет ответить на эти вопросы. Строго говоря, это даже не важно. Это просто модель реакции, гипотетический механизм. Он будет полезен только, если позволит что-то понять или предсказать. В этом виде мы видим три пути распада трехцентровой связи: один – просто обратный к исходному катиону, второй – вперед к перегруппированному катиону. И есть еще третий, который нам дает двойную связь плюс мигрирующую группу, ставшую электрофилом (протоном или алкильным карбокатионом). Очевидно, что этот нижний путь самый маловероятный, потому что приводит к образованию частиц с очень высокими энергиями типа свободного протона или метильного карбокатиона. Но нельзя не заметить, что сам по себе этот путь – просто обратная реакция к электрофильному присоединению к кратной связи. Первые два пути просто связывают исходный катион и перегрупированный. И опять – эти пути не обязательно равновероятны, напротив, должен преобладать тот, который дает более стабильный катион.

Такое представление о том, как идет перегруппировка легко обобщается на случай, если карбокатион и связь находятся не на соседних атомах углерода. В схеме процесса почти ничего не изменится, просто обозначим пружинкой мостик между атомами углерода. Те же три пути, третий так же маловероятен. Но и весь такой процесс крайне редко осуществляется, просто потому, что трехцентровая связь слишком слаба, чтобы обеспечить сближение и взаимодействие находящихся не рядом катиона и связи. Крайне маловероятен, но не совсем невероятен, и может осуществиться, если молекула сразу так устроена, что эти места сближены. Пока не будем пытаться найти такие примеры, но вспомним про это, когда будем изучать алициклы и так называемые трансаннулярные реакции.

Возьмем самый простой случай и распишем все, что происходит с трет-бутанолом в системе, содержащей сильную кислоту типа HCl. Мы увидим систему равновесий, включающих сам трет-бутанол, трет-бутилхлорид, и изо-бутилен. Все эти равновесия будут связаны одним трет-бутильным карбокатионом.

В равновесиях можно легко найти принудительный S_N1  и самопроизвольный S_N1-сольволиз, электрофильное присоединение, и E1-элиминирование. Каждый из путей частично пересекается с другими, поэтому разметка цветом не полностью соответствует отдельным путям.

Из этого следует несколько важных вещей. Единственный способ справиться с равновесиями, который изобрело человечество, это принцип Ле Шателье. Применяя его к этой системе, мы можем, например,

• сделать олефин из спирта: добавим сильную кислоту и немного нагреем – более летучий олефин будет удаляться из смеси и равновесие сдвинется в его сторону;
• сделать спирт из олефина: добавим сильную кислоту, не имеющую нуклеофильного аниона, например, серную, и наоборот снизим температуру и увеличим давление;
• сделать галогенпроизводное из олефина: исключим воду из смеси, которая конкурирует за карбокатион, снизим температуру;
• сделать галогенпроизводное из спирта: используем концентрированную галогенводородную кислоту, равновесие сместится из-за низкой растворимости галогенпроизводного в воде.

Второй интересный вывод – спирт и олефин играют в одну игру, а следовательно фактически взаимозаменимы во многих реакциях, связанных с карбокатионом. B тот и другой при протонировании дают один карбокатион, которому можно подсунуть нуклеофил и получить один и тот же продукт. Только с точки зрения олефина это будет продукт электрофильного присоединения, а с точки зрения спирта – продукт принудительного S_N1-замещения. Но с точки зрения потребителя, который получил нужный продукт, это одно и то же. Так, например, чтобы получить метил-трет-бутиловый эфир, мы берем метанол в хорошем избытке и или трет-бутанол, или изобутилен, и немного концентрированной серной кислоты. Закупориваем сосуд и ставим в прохладное место. Через какое-то время откупориваем и перегоняем. Результат будем почти одинаковый (со спиртом немного хуже, потому что воды немного выделяется, и она конкурирует с метанолом за карбокатион). 

Приблизительно то же самое делают и чтобы получить трет-бутиловые эфиры карбоновых кислот. Реакцию ведут с карбоновой кислотой или чистой, или в ненуклеофильном растворителе. Это единственный надежный метод получения трет-бутиловых эфиров самых разных кислот, даже аминокислот.

И в уже упомянутой выше реакции Риттера точно так же можно взять или спирт, или олефин. И еще много таких реакций можно найти на просторах органического синтеза.

Если немного обобщить и выйти за пределы трет-бутильной системы, то важно заметить еще одну вещь. В реакциях электрофильного присоединения точно так же часто случаются перегруппировки карбокатионов, и забывать про это не нужно. особенно часто они происходят при кислотной гидратации олефинов, которую именно поэтому считают очень плохим методом синтеза спиртов из олефинов. Так, например, при гидратации 3,3-диметилбутена-1 мы получаем типичное поведение катиона неопентильного типа, хотя и вторичного.