Select Page

Нуклеофильность и основность

Нуклеофильность и основность – параллельные свойства (так же как и электрофильность и кислотность). Как правило, для того чтобы быть нуклеофилом и основанием в молекуле (ион – это тоже молекула, только заряженная) должен быть атом с неподеленной парой электронов. Тогда этой парой электронов можно более или менее успешно орудовать для того чтобы отрывать от других молекул протоны (проявлять основность по Бренстеду), чтобы образовывать координационные связи с атомами, имеющими пустые орбитали (основность по Льюису), или образовывать ковалентные связи в реакциях замещения или присоединения (нуклеофильность). В каждой из таких реакций способность осуществлять перечисленное может быть высокой или низкой в очень широких пределах. Когда мы обсуждаем реакции нуклеофильного замещения и конкурирующие с ними реакции отщепления нам важна нуклеофильность и основность по Бренстеду-Лоури. Всячески советую освежить эти понятия в памяти.

Вообще и оснований и нуклеофилов на свете очень много, можно без преувеличения сказать, что их миллионы, и органических и неорганических. Хулиганства ради можно даже сформулировать химический аналог любимой всеми математической теоремы Больцано-Коши: Между любыми двумя основаниями или нуклеофилами обязательно найдется хотя бы один/одно, а значит и бесконечно много других нуклеофилов и онований. Ну хорошо, не бесконечно много, а просто много. Ни Больцано, ни Коши нас уже не услышат, так что пойдет. И как же в этой каше разобраться? Как всегда, отбросив всякие надежды на количественный результат и строго приблизительно. Но еще более важный вопрос – зачем в этой каше разбираться? Увы, это необходимо – от этого зависит наша способность оценивать хотя бы на глазок, есть ли шанс у той или другой реакции замещения вообще идти с разумной скоростью, а также предсказывать, как будет реагировать взятый реагент – как нуклеофил с замещением, или как основание с отщеплением, или и так и так.

Итак, у нас миллион молекул. Представим себе, что некто или уполномоченное специальное божество (далее УСБ) знает все об их основности и нуклеофильности. Кажется, что здесь нет и не может быть никаких принципиальных проблем и можно было бы обойтись без божества. Основность по Бренстеду можно измерить в виде констант основности (или кислотности сопряженных кислот). Не забываем, что в обычной жизни мы привыкли к воде, как главному растворителю. Формулы для констант основности и кислотности в водных растворах знают даже малые дети, и все помнят, что там фигурирует концентрация ионов водорода, откуда и берется такая общеизвестная вещь как pH. Но в органической химии реакции почти никогда не проводят в воде, а в органических растворителях нет ионов водорода (в воде их, конечно, тоже нет, но там можно прикинуться простачками и считать, что есть, а в органике этот номер совсем не играет). Поэтому в произвольном растворителе (не воде) не бывает абсолютных констант основности и кислотности, а бывают только пары кислота – основание. Для каждой такой пары можно определить константу равновесия переноса протона. А она в свою очередь будет равна отношению констант основности и кислотности для изучаемой пары. Так это и делают, а чтобы совсем не закопаться, берут некоторый стандарный набор типичных кислот/оснований, для которых уже раньше сделаны надежные оценки относительной кислотности/основности, называют такой набор индикаторами (это почти совсем то же самое, что лакмус или фенолфталеин для водных растворов, но вещества подбирают так, чтобы с ними было удобно работать не в воде), и измеряют относительно них все интересующие вещества. Получают такие длинные таблицы относительных констант (чаще не самих констант, а их логарифмов со знаком минус – pK), из которых мы можем узнать, что является более сильным основанием/кислотой, а что менее сильным. Сложность еще и в том, что все это довольно сильно зависит от растворителя, но если нас не интересуют точные значения pK (а они не интересуют не только нас, но даже и тех, кто их опубликовал), то относительный порядок больше/меньше, слабее/сильнее неплохо сохраняется, по крайней мере в сходных по свойствам растворителях. Самые большие таблицы составлены для констант основности (точнее, констант кислотности сопряженных кислот, а почему именно так – почитайте на страничке про основность) в ДМСО – вот здесь их можно найти. 

В отличие от основности, нуклеофильность это свойство не термодинамическое (то есть связанное с константами равновесия), а кинетическое, – то есть связанное со скоростями реакций. Это делает нуклеофильность совсем трудным свойством для поиска каких-нибудь чисел, которые бы ее характеризовали. Сколько реакций, столько и скоростей. Чтобы хоть что-то получить, поступают так: берут очень простой и беспроблемный субстрат, например метил иодид или метил тозилат, и измеряют скорости реакций с разными нуклеофилами, опять таки в каком-нибудь хорошем растворителе. Относительные скорости и считают количественной мерой нуклеофильности. Это работает, но еще грубее чем шкалы констант основности, но на уровне больше/меньше вполне годится. Это такой милый химический анекдот – “количественно” в органической химии означает просто больше или меньше, а вернее возможность выстроить ряд молекул в ряд по убыванию или возрастанию свойства. А что же тогда означает “качественно”?? Впрочем нам же проще – представьте, что нужно было бы учить величины констант нуклеофильности в десятке основных растворителей.   Итак, предположим, что у нас или у  УСБ есть огромное количество данных по нуклеофильности и основности миллионов молекул. Сами по себе числа в этих таблицах совершенно бесполезны, потому что даже зная эти числа, мы все равно не сможем количественно предсказать скорости интересующих нас реакций. Но вот приблизительно что получится, если нанести эти числа на такой график, на котором по одной оси отложены нуклеофильности, а по другой основности, и так, чтобы они росли слева направо и снизу вверх. Миллионы точек не заполнят все пространство равномерным слоем, а распределятся таким причудливым образом на три вытянутых облака. Это именно то, что нам нужно. Посмотрим повнимательнее.

  • I. Самое большое облако посредине, по условной диагонали (условной – потому что на этом графике нет масштаба, а нет его потому что мы  договорились, что числа нам не нужны, а нужен только общий смысл). Смысл этого множества в том, что более сильные основания соответствуют более сильным нуклеофилам. Если мы можем оценить или узнать относительную основность двух интересующих нас молекул из этого множества, то это нам даст представление и об их относительной нуклеофильности. Никаких чисел! – только больше/меньше, сильнее/слабее. Но это все, что мы можем получить, и это уже неплохо, а большего нам никто не обещает, даже УСБ. Кто живет в этом облаке? Подавляющее большинство молекул (и ионов) с неподеленными парами на элементах 2-го периода – углероде, азоте, кислороде. Это самые важные нуклеофилы – миллионы карбанионов (в том числе реактивы Гриньяра, литийорганические соединения, ацетиленид-ионы и др и пр.), амины и другие азотсодержащие молекулы (еще миллионы), вода, гидроксид-ион, спирты, алкоксиды, карбоновые кислоты и их ионы и др и пр. И еще фторид-ион, но это очень хитрая частица с очень особенным нравом. Здесь конкурируют реакции замещения и отщепления.
  • II. Немаленькое облако, вытянутое по оси нуклеофильность. Это нуклеофилы, от довольно сильных до чрезвычайно, невероятно сильных (так называемых супернуклеофилов). При этом все это слабые и очень слабые основания. Где живут такие замечательные нуклеофилы-неоснования? В основном среди молекул, в которых неподеленные пары сидят на элементах 3-го, 4-го, 5-го периодов, на неметаллах типа серы и других халькогенов, фосфора и его вредных родственников под ним, а также всевозможных металлах, переходных и непереходных (нуклеофилы? на металлах??! как это? – да, бывает, пока оставим). И еще хлорид, бромид, иодид – мы же знаем, что это анионы сильных кислот, а следовательно чрезвычайно слабые основания, но нуклеофилы при этом отменные, особенно иодид. И еще нуклеофилы на элементах 2-го периода, но особых, таких, у которых рядом с нуклеофильным центром второй такой атом с неподеленной парой – это называется альфа-эффект. Сюда же относится один из самых замечательных нуклеофилов – азид-ион. Здесь идет только замещение, а элиминирования можно почти совсем не бояться.
  • III. Небольшое облако, вытянутое вдоль оси основность. Здесь сильные и очень сильные основания, но при этом слабые нуклеофилы. Где же живут такие странные основания-ненуклеофилы? В основном тоже во 2-м периоде, на углероде, азоте, кислороде, но в таких молекулах, в которых атом с неподеленной парой хорошо прикрыт заместителями. Стерические затруднения подавляют нуклеофильность, но почти не влияют на основность. Протон – очень маленький, это просто ядро атома без электронной оболочки, – это частица, способная к квантовому поведению, к туннелированию и прочим фокусам (протон намного тяжелее электрона, поэтому фокусы эти сильно ограничены, но тем не менее вполне достаточны). Здесь мы будем всегда иметь только отщепление, без замещения. Здесь – реагенты для селективного элиминирования.
Распишем эти три подмножества немного подробнее. Разобрав, что где, перейдем к тенденциям изменения основности и нуклеофильности.  Сразу упростим дело.

  • Для молекул второго типа (нуклеофилов-неоснований) нас будет довольно мало интересовать относительная нуклеофильность разных нуклеофилов. Для нас важно, что в этой группе почти всегда (для нас это значит всегда без почти) отлично идет замещение даже не с плохими субстратами типа вторичных и даже бета-замещенных. Относительные скорости нам ничего не дают. Единственная закономерность, которую стоит иметь в виду – для аналогичных молекул вниз по подгруппе нуклеофильность растет. Поэтому иодид лучше бромида лучше хлорида (фторид едет в первом классе и здесь его нет). Теллурид лучше селенида лучше сульфида. И т.п. Насколько лучше? Намного, в разы или даже на порядки, но нам это не так важно – важно то, что все достаточно хороши.
  • Для молекул третьего типа (оснований-ненуклеофилов) нас ничего не будет интересовать. Все они – отличные основания для элиминирования, выбирай любое. Некоторые нюансы, связанные с конкреными величинами pK там есть, и мы иногда будем о них вспоминать в частных случаях.
  • а вот с молекулами первого типа (основаниями-нуклеофилами) мороки гораздо больше, и требуется даже некоторое понимание полуколичественных тенденций, так как в этой области замещение и отщепление реально конкурируют.

Сразу важно понять, что там все очень приблизительно, поэтому, если видите, например, бла-бла-бла pK10 бла-бла-бла, то это не значит, что речь идет именно о десяти, но и восемь, и десять целых шесть сотых, и двенадцать точно так же годятся. Все цифры и числа всегда только грубые оценки. Итак, для молекул первого типа нам нужно уметь оценивать основность. Нуклеофильность будет следовать за ней. Основность оценивать проще, так как это интуитивно более понятное свойство. Мы уже во Вводном концентре тренировались располагать разные анионы по основности. Вспомним основные идеи.

  • Сравнивать легче всего похожие по строению молекулы (ионы) в хорошо понятных рядах. Например, амины сравниваем между собой, а спирты между собой без проблем, а вот сравнивать амины со спиртами не так просто.
  • Каждый ряд производится от некоторой простой молекулы, основность которой (pK) можно найти. Амины производятся от аммиака, спирты от метанола (но не от воды! – вода вообще непростой объект для изучения, она выламывается из всех рядов аналогичных частиц и веществ, но нам это не так важно хотя бы потому, что мы уже договорились, что в органической химии мы в основном рассматриваем свойства и превращения в органических растворителях, а не в воде), Карбанионы – от соответствующего простого карбаниона с похожей структурой (алкильные анионы – от метильного, и т.п.).
  • Внутри каждого ряда рассматриваем влияние эффектов заместителей на стабильность. Чем стабильнее тем меньше основность. Делокализация неподеленной пары стабилизирует, а следовательно уменьшает основность. На делокализацию пары работают акцепторные эффекты. -M эффект гораздо сильнее -I. С другой стороны, локализация пары дестабилизирует, а следовательно увеличивает основность. На локализацию работают донорные эффекты. В отличие от делокализации, на локализацию работает +I-эффект, но не +М-эффект (это совершенно очевидно, потому что суть мезомерии – стабилизация, и дестабилизирующей мезомерии быть не может). Тем не менее, +М-заместители тоже заметно дестабилизируют частицы с неподеленной парой, но не за счет мезомерии, а за счет отталкивания неподеленных пар заместителя и основного центра (это то же самое, что альфа-эффект). Если вы не поняли последнюю фразу, не расстраивайтесь, ничего важного вы не упустили – это довольно тонкий эффект, которым можно пренебречь.

Оценив таким образом основность, мы получим и оценку нуклеофильности (не число, а качественное положение молекулы в ряду других оснований-нуклеофилов). В этой области Чем Больше Основность Тем Больше Нуклеофильность. Это именно то, что нам нужно – для того чтобы со знанием дела рассуждать о конкуренции замещения и отщепления. Сначала посмотрим на ситуацию в общем, взяв широкую шкалу основности от самых слабых оснований до чрезвычайно сильных, использовав величины pK в качестве меры основности. Получим что-то типа, выражаясь математически, упорядоченного множества. Если одновременно найти данные по реакциям этих оснований-нуклеофилов, то получится довольно ясная и полезная картина.

  • Молекулы с малой и умеренной основностью в основном дают продукты нуклеофильного замещения, но реакции идут очень медленно и только с самыми лучшими субстратами (первичными без разветвлений, бензильными, аллилильными). На рисунке специально показан азид-ион – в данной схеме он должен быть плохим нуклеофилом, но он принадлежит к второму типу нуклеофилов, где закономерность Ч-Б-О-Т-Б-Н не работает.
  • По мере увеличения основности увеличивается и нуклеофильность – реакции ускоряются, становятся возможными даже с субстратами похуже (вторичными, бета-разветвленными).
  • Начиная с pK 10-15 появляется отщепление, но только с разветвленными субстратами, не имеющими шансов в замещении,
  • с pK 20-25 замещение активно конкурирует с отщеплением,
  • pK 25-28 замещение идет только для первичных неразветвленных субстратов, а все остальные дают почти только отщепление. Сюда попадает, например, уже нам хорошо знакомые ацетиленид-анионы, нуклеофильное замещение (алкилирование) с участием которых мы уже успели изучить.
  • Наконец после pK 29-30 замещение идет только для лучших субстратов, не имеющих бета-водородов (метил-, бензилгалогениды и тозилаты и т.п.), а отщепление становится практически единственной реакцией. И так до конца, до алкильных анионов, обладающих бессмысленно чудовищной (или чудовищно бессмысленной?) основностью – по косвенным оценкам от pK 55 и даже выше, что буквально означает, что они отрывают протоны от любых, даже самых слабых кислот, а реакции переноса протона становятся фактически необратимыми.

 

Еще одна важная вещь, которая здесь всплывает – растворитель. Нуклеофильность, основность, конкуренция отщепления и замещения очень сильно зависят от растворителя. Сказав слово “растворитель” в реакции, задумаемся, а что это такое. Очевидно, что это жидкое вещество, молекулы которого окружают молекулы реагирующих веществ, осуществляя очень важные, критически важные функции:

  • поддерживают тепловое равновесие – каждая молекула в жидкости находится в равновесном состоянии, у неё нет избыточной энергии, но и недостатка в энергии тоже нет. Когда мы ведём реакцию при нагревании, именно растворитель доставляет энергию нагревателя к молекулам реагирующего вещества, причём делает это исключительно аккуратно и тоже равновесно, так что каждая молекула получает некоторое среднее значение (молекул очень много, и мы имеем дело со статистическим распределением молекул по энергиям) , и у нас нет оснований беспокоится, что кому-то досталось намного больше, а кто-то там вообще замёрз насмерть – теория вероятности говорит нам, что и такие найдутся, но равновесность системы гарантирует, что таких очень немного и они тоже получат своё по мере развития ситуации в жидкости. Когда охлаждает – то же самое, именно растворитель отводит лишнюю энергию и передаёт ее за границы колбы. И когда в реакции молекула получает лишнюю энергию (реакция сильно экзотермична, например, происходит распад какой-то сильно неустойчивой, напряжённой молекулы, или даже что-то, связанное с радиоактивным распадом), растворитель быстро ее забирает, а иначе она бы осталась с этой энергией, не знала бы, куда ее девать, и это драматическим образом сказывается на поведении таких молекул. Такие фокусы часто происходят при проведении реакций в газовой фазе, где нет растворителя, и некому снимать лишнюю энергию с молекул: это одна из причин того, почему в газовой фазе реакции идут не так, как обычно в колбах, а поэтому использовать данные по реакциям в газовой фазе для того, чтобы понять получше, что происходит в обычных реакциях в растворителях, очень трудно, а иногда и вовсе невозможно. Такие рассуждения часто можно найти в литературе, иногда даже и в учебной, – будьте осторожнее, когда встречаете такое. Соблазн такой всегда был, потому что в газовой фазе, на первый взгляд, всё проще именно потому что нет ничего лишнего, только реагирующие молекулы. Не нужно париться с оценкой влияния сольватации и т.п. Но платой за это становится неравновесность, и это страшная плата. Такие исследования и рассуждения были страшно модны лет 20-30 тому назад, и почти любой механизм начинали сопоставлять с тем, а что там у них в газовой фазе. Кое-что интересное узнали, но в целом вся эта громоздкая наука сработала немного вхолостую, и мода понемногу выдохлась. Отголоски споров тех славных времён иногда доходят и до нас. В современной литературе, к счастью, сложилось более трезвое отношение к сравнению реакций в жидкой и газовой фазах – признано, что это два принципиально разных вида химии, и вместе им не сойтись. Возвращаясь из газовой фазы, мне вообще нравится такая, малость пошловатая, метафора: растворитель – это смазка для реагирующих молекул, с ней реакция идёт гладко и приятно – подошли друг к другу нужным образом, вознеслись до переходного состояния, и скользим вниз – к продуктам. Мало кто задумывается о том, что когда мы рисуем все эти потенциальные кривые для изменения энергии вдоль координаты реакции, именно растворитель обслуживает реагенты вдоль этой кривой – подводит энергию, когда едем вверх к переходному состоянию, и отводит энергию, когда едем вниз. В каждой точке этой кривой реагирующие молекулы равновесны по всем своим внутренним степеням свободы, кроме одного – собственно координаты реакции. И эту равновесность и обслуживает тепловое равновесие с растворителем.
  • молекулы растворителя непосредственно влияют на энергии и реагирующих молекул, и всего того, что происходит на пути реакции – на энергию переходного состояния, а также промежуточных частиц (если такие есть) – сольватирует их. Это иногда хорошо – сольватация может снижать энергию переходного состояния, и тогда энергия активации уменьшается, а скорость реакции возрастает; сольватация стабилизирует важные промежуточные частицы, например, карбокатионы, и так “разрешает” механизмы, в которых такие частицы возникают (как в SN1, например, нужен растворитель, сольватирующий карбокатионы); сольватация способствует разрыву связей на анион и катион (в газовой фазе это практически невозможно – там почти все механизмы поэтому свободнорадикальные). А иногда это плохо: сильно сольватированные молекулы и особенно ионы ленивы и неповоротливы, такую молекулу или ион буквально не вытащить из-под сольватной оболочки, не доберешься там до реакционного центра. И если в процессе реакции происходит очень сильное перераспределение зарядов (например, нейтральные молекулы дают заряженные продукты, как в SN2 замещении нейтральными нуклеофилами типа аминов), сольватация в процессе реакции должна очень сильно изменяться, и это добавляет работы при движении реагирующих молекул через перевал переходного состояния – просто представьте себе, что вы попёрлись куда-нибудь из одной долины в другую через горы, как Суворов через Альпы, но по дороге должны не только тяжело дышать и прихлёбывать воду из бутылочки, но и, например, чинить мост через горный ручей, или тащить какого-нибудь обессилевшего случайного попутчика на собственном загривке, или что-то типа этого.
  • растворитель может взаимодействовать с реагирующими молекулами еще серьезнее. У некоторых растворителей есть кислые протоны, которые образуют водородные связи или даже протонируют реагирующие молекулы – это называется кислотным катализом. А у других растворителей есть неподелённые пары и они могут взаимодействовать с реагирующими молекулами как нуклеофилы или основания – это называется основным или нуклеофильным катализом. Такие растворители активно способствуют реакциям, катализируют их.

Вот сколько всего умеет делать растворитель. А теперь зададим себе снова вопрос, а что такое растворитель. Уже выяснили, это жидкость какая-то. Чистая? Зачем обязательно чистая, может быть и смесь двух жидкостей. Или трёх. Смешивая разные жидкости мы просто “губы Никанора Ивановича приставляем к носу Ивана Кузьмича”, потому что нам в очередной реакции нужно, например, чтобы и полярность была повыше, и растворимость получше, а у одной жидкости таких свойств нет, приходится смешивать разные, например, воду с ацетоном. Так, а что если нам кислотность нужна еще повыше, и мы просто возьмём и добавим немного сильной кислоты, например, несколько кристалликов п-толуолсульфоновой. Такой раствор это растворитель или уже нет? Почему нет, кто сказал, сколько компонентов может быть в растворителе, и обязательно ли им быть жидкими самим по себе, если в результате получается жидкость. Каждый компонент выполняет типичные функции растворителя – сольватирует, активирует, и т.п. И мы не ограничены в подборе компонентов таких смесей, если понимаем, что хотим достичь. Придумаете десять компонентов – пожалуйста, если работает, месите. Чтобы избежать двусмысленностей и споров, всё, что окружает реагирующие молекулы принято называть не растворителем, а в более общем смысле средой (environment или media). Говорят тогда не “влияние растворителя”, а “влияние среды”. Если, например, у нас кислота содержится в такой смеси (та же толуолсульфоновая), мы спросим себя, а как нам судить, достаточно кисёл (или кисл?) раствор, скажем, 100 мг толуолсульфоновой кислоты в, скажем, 100 мл 5%-ного водного ацетона. Можем мы ли мы использовать для такой оценки кислотность чистой толуолсульфоновой кислоты? В том-то и дело, что нет, не можем. Мы должны будем или просто пробовать, хватит или нет для той реакции, которую мы изучаем, или, если хотим чего-то более строгого, должны будем выяснить кислотность именно этого раствора с помощью подбора индикаторов (посмотрите на странице про кислоность и основность). И тогда мы скажем, что кислотность такой среды как 0.1%-ный раствор толуолсульфоновой кислоты в 5%-ном водном ацетоне равна такой-то величине (есть разные способы представлять кислотность сред, начиная от pH для разбавленных водных растворов до всяких функций килотности). Реальные исследователи редко занимаются такими количественными вещами, но никто не запрещает это делать (если больше делать нечего). Резюмируем: кислотность (и основность) – это свойство среды.

Влияние растворителя на основность-нуклеофильность: свойства растворителей.

Не забудем и то, что на основность и нуклеофильность сильно влияют растворители. Не забывайте, что это относится только к анионам – для нейтральных оснований-нуклеофилов типа аминов влияние растворителя слабо и не стоит траты пикселей на экране для обсуждения. Основные закономерности влияния растворителей на анионы определяются свойствами растворителей. Растворители делятся на протонные, то есть такие, которые обладают заметной кислотностью и за счет этого образуют водородные связи с молекулами растворенных веществ. И апротонные – то есть все остальные. Грань между протонными и апротонными растворителями нечеткая (как и все в химии). Безусловно протонными растворителями являются вещества, имеющие OH-группы (вода, спирты, фенолы, карбоновые кислоты, и т.п.). Соединения со связями N-H образуют очень слабые водородные связи только с самыми активными акцепторами водородной связи и редко ведут себя как протонные растворители, но в реакциях с участием очень сильных оснований-нуклеофилов становятся таковыми. Например, жидкий аммиак ведет себя как типичный апротонный растворитель во многих реакциях, но не в реакциях с карбанионами, которые он отлично протонирует из-за большой разности в pK. Именно поэтому мы и получаем алкены при восстановлении ацетиленов натрием в жидком аммиаке – протоны берутся из растворителя.  Взаимодействие растворенного вещества с растворителем называется сольватацией. Анионы сильно взаимодействуют с протонными растворителями  за счет образования водородных связей. Катионы взаимодействуют с молекулами, имеющие основные атомы (атомы с неподеленной парой), и такие атомы могут быть как в протонных растворителях (атомы кислорода), так и в апротонных (атомы кислорода, азота, редко серы).  Еще довольно важна полярность растворителя. Осторожно – это не так просто как кажется! О полярности растворителя нельзя судить по полярности молекул растворителя. Кажется бредом, но это так! Полярность растворителя – чисто физическая и очень простая характеристика, которая берется … из уравнения емкости конденсатора. Какого, к черту, конденсатора!? Простого – из двух пластинок, между которыми диэлектрик, тот же растворитель. На уроках физике проходят, а некоторые даже знают, что это такие прикольные кругленькие штучки на системной плате компьютера. Задача любого конденсатора – запасать впрок электроны, запихивая их в немеренных количествах на одну из пластинок (обкладок) конденсатора, тогда другая пластинка выпихивает такое же количество своих собственных электронов в цепь, и это работает тем лучше, чем лучше материал, разделяющий пластинки, компенсирует эту ужасающую разность зарядов, выстраиваясь диполями вдоль силовых линий поля. При разделении молекул на ионы происходит нечто очень похожее. Поэтому неудивительно, что свойства материала одинаковы и там, и здесь. Свойство диэлектрика определяется диэлектрической постоянной ε. Чем она больше, тем больше емкость конденсатора при прочих равных (для настоящего конденсатора, к сожалению, важны и другие параметры диэлектрика, поэтому в конденсаторах никогда не используют воду, а это самый лучший и самый полярный раствоитель для разделения ионов). Переводя на язык химии – тем больше способность диэлектрика разделять заряды, оттаскивать их друг от друга. Это то, что нам нужно и уже можно оставить наконец в покое дурацкий конденсатор – если нам нужны анионы как основания или нуклеофилы, тем дальше их нужно оттащить от своих катионов. Потому что, когда рядом с анионом катион, анион и думать не думает о несении службы основанием или нуклеофилом. А если его оттащить, то от досады и отчаяния он бросается на всех кого найдет рядом, – протоны отрывает или замещает что-нибудь. Самый полярный растворитель из общеизвестных – вода (ε = 81). Все обычные органические растворители делятся на неполярные и почти неполярные (ε < 10) – это все углеводороды (гексан, петролейный эфир, бензол, толуол и т.п.) и все галогенпроизводные (дихлорметан, дихлорэтан, хлороформ, четыреххлористый углерод, фреоны). И малополярные – это все остальное – спирты, эфиры, нитрилы, сложные эфиры, кетоны (эфир, ацетон, этанол, этилацетат, ацетонитрил, ТГФ). Все обычные апротонные органические растворители – неполярные и малополярные – не растворяют соли и в обычном виде почти бесполезны для нуклеофильного замещения  и отщепления. Но – можно воспользоваться межфазным переносом.

Влияние растворителя на основность-нуклеофильность: общие идеи
Разобрались со свойствами растворителей, и теперь применим это к реакциям замещения и отщепления. Говорим о нуклеофилах-основаниях 1-го типа.

  • В протонных растворителях (воде и спиртах) основность и нуклеофильность всегда ниже чем в апротонных.
  • В апротонных растворителях и то, и другое существенно выше, но этим многообещающим эффектом не так просто воспользоваться –
  • Потому что с апротонными растворителями есть знатная засада – в них плохо, а точнее почти совсем никак не растворяются соли, а анионные нуклеофилы и основания всегда входят в состав молекул с ионной связью катион-анион. Кристаллическая решетка у таких веществ очень прочна, и для того, чтобы из твердого кристаллического состояния перейти в раствор, растворитель должен сильно взаимодействовать и с катионом, и с анионом.
  • Поэтому приходится использовать или специальные – апротонные биполярные – растворители типа ДМСО
  • Или самые непритязательные малополярные или неполярные растворители, но с применением одной из методик межфазного переноса.

Итак, в апротонных растворителях и основность, и нуклеофильность сильно повышены. Например, между основностью гидроксид-иона в воде и в ДМСО разница более 16 единиц pK, или, что то же самое, 16 порядков величины константы основности. Это колоссальная разница – гидроксид в апротонных средах – очень сильное основание, почти не уступающее трет-бутилату. Поэтому, возвращаясь к шкале, нарисованной выше, мы увидим, что при таком смещении по шкале основности все эти анионы становятся элиминирующими агентами и замещение проигрывает полностью.   Протоные растворители тоже не все одинаковы. Они отличаются двумя важными свойствами – полярностью (здесь абсолютный чемпион вода, а все остальное рядом с ней малополярно, и нюансы не важны), и способностью образовывать водородные связи, являясь донорами протонов (именно поэтому их и называют протонными). Гидроксид в спиртах – более сильное основание чем гидроксид в воде. Аналогичные тенденции мы будем иметь для алкоксидов и других анионных оснований.   Эта разница определяется склонностью частицы образовывать водородные связи, которые прикрывают ее и эффективно снижают основность и нуклеофильность. И в самих протонных растворителях есть разница – основность того же гидроксида в воде ниже его основности в спиртах, так как вода более сильный донор водородной связи чем спирты. И в ряду спиртов будет разница – чем кислее спирт, тем сильнее водородные связи и тем меньше основность. Отсюда известный эффект большой разницы между основностями алкоксид-ионов в соответствующих спиртах: метилат в метаноле существенно более слабое основание чем трет-бутилат в трет-бутаноле при том что в апротонном растворителе типа ДМСО разница между всеми алкоксидами несущественна и все они от метилата до трет-бутилата являются одинаково очень сильными основаниями.   Точно такое же влияние оказывают апротонные растворители на нуклеофильность. И, как мы уже знаем, это не всегда хорошо, если нашей целью является замещение.

Специальные растворители: апротонные биролярные типа ДМСО и ДМФА, ацетонитрил
Уже понятно, что с обычными органическими растворителями далеко не уедешь – они либо неполярны, либо малополярны, и если апротонные, то не растворяют соли, а если протонные, то растворяют, но сильно понижают реакционную способность (основность, нуклеофильность) анионов. К счастью, годах в 60-х прошлого века были открыты особые свойства ряда известных растворителей, сделавших их знаменитыми именно для реакций с участием анионов. Такие растворители обычно называют довольно странно – апротонные биполярные. Посмотрим на один из таких растворителей – самый знаменитый, наверное, – диметилсульфоксид (ДМСО). Молекула ДМСО с виду почти не отличается от ацетона – один атом только заменен, а результат огромен. Почему? В молекуле ацетона связь C=O полярна и даже очень, но роль (вес) второй граничной структуры невелика – на кислороде есть отрицательный заряд, но относительно небольшой. Связь С=O двойная. Это обычная полярная молекула, а жидкий ацетон – типичный органический малополярный растворитель (ε  = 21), солей он почти не растворяет, так как взаимодействие с катионами за счет неподеленных пар на кислороде довольно слабо – иными словами, ацетон это очень слабое основание Льюиса. Заменяем углерод на серу. Это приводит к очень важному изменению структуры. Сера – элемент 3-го периода, размером побольше углерода и связи у нее длиннее. Двойная связь S=O из-за этого невыгодна (расстояние больше, перекрывание меньше, да и перекрываться дллжны разные по размеру и энергии 2p и 3p орбитали кислорода и серы. Поэтому структура ДМСО ближе – точнее, почти точно выражается не первой (как у ацетона), а второй граничной структурой с полным разделением зарядов. Кислород в ДМСО несет почти полный отрицательный заряд, это практически такой же кислород, как в гидроксид- или алкоксид-ионах. Иными словами, это весьма сильное основание Льюиса (не Бренстеда! – основности по Льюису и Бренстеду имеют общую природу, но не параллельны, это интересный вопрос, но пока нам сильно этим заморачиваться не нужно), а значит оно долно очень хорошо взаимодействовать с катионами металлов, даже щелочных. И оттаскивать их от анионов. К тому же как жидкость ДМСО намного полярнее ацетона (ε  = 48). Осторожнее с этими цифрами – это не значит, что ДМСО в 2.5 раза полярнее ацетона. Полярность – свойство нелинейное, во всяких бесполезных формулах стоит обычно в знаменателе дробей, иногда даже в степени. Нам это не важно, но важно понять, что жидкости с ε  больше 35 можно смело считать просто полярными (вода в этой классификации – жидкость высокополярная), то есть хорошо разделяющими заряды. Иными словами, ДМСО намного полярнее ацетона – это именно качественное, а не количественное различие – это растворители разных категорий. ДМСО – полярный растворитель (полярная жидкость), и как молекула содержит сильно поляризованную связь и разделение зарядов – именно поэтому ее и близкие к ней назвали биполярными. Еще раз: слово биполярный относится к молекуле и подчеркивает наличие отрицательного и основного кислорода, нацеленного на катион металла, поэтому биполярный и просто полярный – это совсем разные понятия. Если быть точным, то ДМСО и компания – это апротонные полярные биполярные растворители, но так не говорят. Итак: ДМСО

  • отлично растворяет соли  так как очень сильно взаимодействует с катионами, взаимодействующими с отрицательным кислородом (фактически это просто лиганд для катиона, если вам ближе не понятия теории растворителей, а понятия химии комплексных соединений);
  • тем более потому что из-за значительной полярности отлично растаскивает в разные стороны катионы и анионы;
  • при этом мало взаимодействует с анионами – просто нечем, ведь это апротонный растворитель и водородных связей нет – анион оказывается почти свободным.

Единственный ли такой растворитель ДМСО? Нет, таких растворителей довольно много. Все они имеют общую структурную особенность – наличие атома кислорода с большим отрицательным зарядом и высокой Льюисовой основностью (биполярностью). Обратим внимание и еще на одну вещь – в ДМСО на сере остается неподеленная пара,  которая, как положено, отталкивает неподеленные пары на кислороде – это уже знакомый нам альфа-эффект, допольнительно усиливающий основность кислорода. Теперь мы без труда поймем, почему сульфоксид лучше чем сульфон (это когда два кислорода на сере). Похожими на ДМСО свойствами (хотя и значительно более слабыми) обладают амиды карбоновых кислот, те из них, которые вляются жидкими. Самый простой амид – формамид, чрезвычайно полярная жидкость, более полярная чем вода (в справочниках приводят два разных значения диэлектрической константы для этого вещества, но оба больше чем у воды). Но – это протонный растворитель из-за весьма высокой кислотности по причине положительного заряда на азоте, а нам нужны апротонные. В амидах смещение электронной плотности к кислороду (биполярность) объясняется донорным мезомерным эффектом амино-группы. Да, здесь нельзя говорить о полном смещении, но оно велико и кислород имеет высокую Льюисову основность, сильно взаимодействует с катионами. Чтобы убрать протонный характер, поступают просто, замещая водороды. Так получают второй важный растворитель этого типа – диметилформамид (ДМФА, DMF). Он менее полярен чем формамид и чем ДМСО, но все еще достаточно полярен, чтобы успешно растворять соли и растаскивать ионы в растворе. Много практически важных растворителей построены на этом принципе. Это ближайший родственник ДМФА диметилацетамид (ДМАА или DMA), тетраметилмочевина (NVV или TMU), N-метилпирролидон (NMP). Вы обязательно встретите их. когда будете читать научные статьи. Если объединить два принципа – взять атом из 3 периода, но еще и подпереть всю конструкцию амидными функциями, получим самый крутой из спецрастворителей – ГМФТА (или HMPA). Он настолько хорошо связывает катионы и настолько хорошо растаскивает ионы, что достаточно небольших добавок этого вещества к обычным растворителям, чтобы творить чудеса. Увы, он канцерогенен, и в приличных странах фактически запрещен. Но в литературе вы его обязательно встретите.   Важно и грустно: все эти растворители, и ДМСО, и ДМФА и все остальное проявляют свои чудесатые свойства только когда тщательно обезвожены и очень чисты. Если в них присутствует вода, они фактически становятся протонными, и анионы покрываются молекулами воды, утрачивая свободу и былую разнузданность. Но все эти растворители дико гигроскопичны, и это знают все, потому что дейтерированное ДМСО (ДМСО – это оно или он?) часто применяют из-за потрясающей способности растворять все на свете как растворитель для ЯМР. И если открыть новую баночку с свежим сухим ДМСО и хоть несколько минут не закрывать (в ампулу нужно налить и вообще, куда торопиться…), то в спектре всех последующих образцов появится широкий сигнал воды при 3.5 мд, и дальше будет расти и расти. Вот то же самое происходит и с ДМСО для реакций. Если у вас много денег, можно купить в каком-нибудь модном реактивном бутике фирменный сухой и чистый ДМСО в красивой бутылке с силиконовой прокладкой под крышкой, и выдавливать оттуда в сухой шприц сухим аргоном, и потом сухим шприцом через силиконовую прокладку в сухую колбу, и все под сухим аргоном (все остальные реактивы тоже должны быть сухими), и если вы сами по дороге не высохнете, то мощный эффект спецрастворителя будет ваш. Но если это делать просто, наливая струей из обычной банки на воздухе в мытую водой и толком не высушенную колбу, защищенную хлоркальциевой трубкой, набитой еще в конце 20 века, то разницы между ДМСО и ацетоном может быть немного. И если у вас нет денег на модный сухой ДМСО, а есть просто растворитель “из бочки”, то вам придется самим его обезводить и очистить. Проще застрелиться сразу (для Роскомчегототам – это не пропаганда суицида!), ибо для этого его придется несколько раз перегнать в небольшом вакууме над разными веществами в очень чистом и сухом приборе (ни в коем случае не годится водоструй для вакуума, или нужно городить колонки для осушки вакуума, и ни в коем случае не признавайтесь, что сушите вакуум, а то сдадут в дурдом коллеги). Теперь понятно, что чудес не бывает, апротонные биполярные спецрастворители (все остальные такие же) – это не подарок, это либо дорого, либо тяжко. В следующем блоке мы узнаем, что есть более удобная и простая альтернатива – межфазный перенос.   И последнее. Нитрилы (ацетонитрил MeCN и другие жидкие нитрилы) обычно не относят к спецрастворителям, но они обладают полярностью, не уступающей ДМФА, и довольно приличной Льюисовой основностью атома азота. Они заметно уступают ДМФА и, тем более, ДМСО, и их никогда не называют биполярными, но все же работают довольно неплохо в простых случаях. К тому же они дешевле, проще в работе, легче чистятся и обезвоживаются. Их тоже можно нередко встретить в реакциях нуклеофильного замещения с анионными нуклеофилами, там где субстраты получше и не нужно ставить рекордов реакционной способности.

Межфазный перенос или межфазный катализ
Как мы выяснили, ДМСО и прочие спецрастворители – это круто, особенно на бумаге, но весьма муторно. Но есть и альтернативный вариант, точнее, варианты. Их часто скопом называют межфазный катализ (МФК), хотя это в принципе неверно, так как никакого катализа там нет. Более корректный вариант термина – межфазный перенос, фактически в современной литературе победил. Смысл этого подхода прост и остроумен. Логика такая. Вы искали растворитель, в котором анионы были бы слабо сольватированы (часто говорят “совсем не сольватированы”, но это перебор – в любом растворителе сольватация присутствует, иначе он не был бы растворителем). И нашли ДМСО. Но самое главное в ДМСО это сильное взаимодействие с катионами, отчего он хорошо растворяет соли, а анионы в ДМСО ничего особенного не получают – их просто оставили в покое и дали заниматься своим делом – отщеплять и замещать. Если взять совсем простой неполярный или малополярный растворитель (углеводород или галогенпроизводное), то анионы в нем будут вести себя почти так же как в ДМСО и других спецрастворителях – будут слабо сольватированы и готовы к подвигам. Дело за малым – затащить анион в малополярную жидкость, то есть, найти такую соль с данным анионом, чтобы она растворялась в малополярной среде (слово среда используют вместо слова растворитель, чтобы описать такие ситуации, когда в жидкости не один компонент влияет на растворимость и поведение растворенного вещества, а несколько – все это скопом и наазывают “среда”). Соль не растворяется в малополярном растворителе, потому что энергия сольватации настолько мала, что не может компенсировать разрушение кристаллической решетки, то есть энергию притяжения катионов и анионов. Чтобы это изменить, нужно уменьшить эту энергию. Если помните закон Кулона, то ясно, что нужно увеличить расстояние между катионом и анионом. Так как анион нам нужен и мы его изменить не можем, возьмемся за катион – будем делать его как можно больше, размажем, например, плюс  по большому шару (теперь понятно, почему растворимость солей щелочных металлов увеличивается от натрия к цезию (литий оставим в стороне, с ним все немного сложнее и интереснее). Соли цезия неплохо растворяются в органических растворителях, и поэтому их часто применяют в современной химии – не удивляйтесь, если полезете в свежие журналы за каким-нибудь синтезом, например, для курсовой, и там будет кругом карбонат цезия вместо банальных соды или поташа. Но мы пока не будем это использовать – цезий очень дорог, да и эффект не так велик, как хотелось бы. Простых катионов мы больше не найдем. Но есть множество органических катионов, например, четвертичные аммонии (или фосфонии, или арсонии – но это экзотика). Вешая различные группы на аммоний, мы можем почти бесконечно увеличивать размер катиона. Более того, собственно заряд в такой молекуле зарыт в середине, на атоме азота, а вокруг нее углеводородные остатки, так что растворитель вообще может не понять, что имеет дело с ионом, а не просто с каким-то углеводородом. Только нужно не переусердствовать. Ион должен быть большим и желательно иметь насыщенные хвосты – они гибкие и лучше других прикрывают центральный заряд. Имеет значение суммарное количество углеродов во всех цепях. Поэтому тетраметил- или тетраэтиламмоний – мало, тетрабутиламмоний (16 углеродов) – уже хорошо, и это и есть самый распространенный катион для этих целей. Но не лучший, просто дешевый и вполне эффективный. Если хотите получше, есть и такие. Весьма популярен гексадецилтриметиламмоний (19 углеродов, причем только один хвост длинный – но такой длинный, что как шарф обматывается вокруг катионного центра и скрывает его от посторонних глаз). А совсем хороши фирменные катионы компании Хенкель (той самой, которая производит клей Момент) – там три хвоста от 8 до 10 атомов и один метил, итого до 31 атома углерода. Такая штука в виде хлорида продается и называется фирменно Aliquat 336. Это предел. Увеличивать хвосты дальше не имеет смысла – с такими веществами уже просто трудно работать. А вот довольно популярный ТЭБА (триэтилбензиламмоний) реально малоэффетивен, так как имеет всего 2+2+2+1=7 алифатических углеродов, а ароматический фенил из бензила на сокрытие катиона работает плохо. Популярность этого катиона объясняется только тем, что его легко получить в бедной лаборатории их дешевых реактивов. Но если есть что-то получше, то к черту ТЭБА! Как это применяют в реакциях? Самый простой вариант – купить (или сделать, но это трудно) готовую соль с таким катионом и нужным вам анионом. В продаже есть соли тетрабутиламмония почти со всеми полезными в качестве нуклеофилов и оснований анионами – все галогениды, включая фторид, цианид, ацетат, гидроксид, азид, и т.п. (полистайте каталоги). Тогда все просто – берем такую соль и самый простой растворитель типа бензола или хлороформа, – и реакция ваша. Скорость будет не хуже чем в ДМСО. Одна проблема – дорого, чертовски дорого. Второй вариант обычно и применяется на практике. Берем двухфазную систему – вода и простой растворитель (они не смешиваются, образя две фазы – водную и органическую, которая может быть или сверху или снизу в зависимости от плотности растворителя), берем простую соль нужного нам катиона – калия или натрия, и доступную соль тетраалкиламмония – это либо хлорид, либо бромид, либо бисульфат. И все это ставим на очень хорошую мешалку. Это важно – перемешивание должно быть очень сильным, так как нам нужно, чтобы ионы перемещались через раздел фаз, и чем больше площадь этого раздела, тем быстрее будут перемещаться ионы. Если вообще не перемешивать, то ионы “прилипнут” к поверхности раздела и реакция просто быстро заглохнет. В такой системе катион тетраалкиламмония переходит в органическую фазу, ему там удобнее, вода его фактически выталкивает, перепутав с каплей углеводорода. Но катион не может перейти один, если бы это случилось, то очень быстро органический слой получил бы большой положительный заряд, а водный – отрицательный, возникла бы разность потенциалов, и ионы в этой разности поехали бы обратно. Так не бывает. Поэтому вслед за катионом аммония в органический слой потянутся и анионы – и собственные анионы соли аммония, и анионы желаемого нами нуклеофила или основания. Это называется межфазный перенос, соль аммония – межфазный переносчик. При этом анион нуклеофила попадет в малополярный растворитель, где мало сольватирован и очень реакционноспособен. Так как скорость реакции будет весьма велика, это явление неправильно назвали межфазным катализом. Это менее эффективно чем тот же анион в ДМСО или из чистой соли тетрабутиламмония прежде всего потому, что в органику пойдет не только нужный анион, но и собственный анион соли аммония, и концентрация нужного аниона (нуклеофила или основания) в органике будет меньше. Но это все равно очень хорошо (скорость реакции большая), и – это очень дешево и просто: вода, простой растворитель (хлороформ, дихлорметан, бензол и т.п.) без необходимости чистить и сушить, простой межфазный переносчик, и только хорошая надежная и шустрая мешалка.
Межфазный перенос - не средство от всех плохо идущих реакций. Ошибки!
Итак, мы применяем межфазный перенос для того, чтобы ускорить медленно идущие реакции в тех случаях, когда

  • субстрат для SN2 не очень хорош – он вторичный, или первичный разветвленный
  • нуклеофил – анион с слабой или умеренной нуклеофильностью – см. выше про типы нуклеофилов, только для нуклеофилов 1-го типа слева шкалы pK. Для цианида – да, ацетата и похожих солей карбоновых кислот – да. Если нуклеофил очень слабый (совсем где-то слева), то и для первичных субстратов межфазная методика не повредит.
  • для элиминирования: только если основание – гидроксид-ион, который в условиях межфазного переноса действует только как элиминирующее основание

Мы не применяем межфазный перенос, если

  • субстрат и так очень хорош – метильный, бензильный и т.п.
  • нуклеофил и так очень силен, например, это нуклеофил 2-го типа. Для азида не нужен межфазный перенос, то же для анионов на сере и т.п.
  • если нуклеофил – сильное основание, несовместимое с водой. Критической и совершенно идиотской ошибкой является межфазный перенос для алкоксидов, амидов щелочных металлов, карбанионов (реактивов Гриньяра или литийорганики).
Краун-эфиры - тоже межфазные переносчики
Есть еще одна методика межфазного переноса. Вместо того, чтобы подменять катион мы можем взять обычный и попробовать спрятать его в органической оболочке, так чтобы органический растворитель и не заметил, что в него протащили катион щелочного металла. Нужно взять большой органический лиганд, подождать, когда он свяжется с катионом щелочного металла, и тогда такой “упакованный” катион пойдет в органику, а за ним и нужный нам анион. Проблема здесь простая и хорошо известная еще из курса неорганической химии – мало есть лигандов, которые хорошо и прочно связывали бы катионы щелочных металлов. Проблему решили с изобретением макроциклических лигандов, самые известные из которых называются краун-эфирами. Идея изящная – если катион, скажем, калия взаимодействует, но слабо с атомами кислорода с неподеленной парой, то дадим сразу несколько таких атомов, да расположим их так, чтобы они одновременно взаимодействовали со всеми координационными возможностями катиона. А у щелочных металлов комплексы слабые, но координационное число при этом не менее 4. Если мы сразу смонтируем вокруг катиона несколько таких центров, то сможем воспользоваться хорошо известным хелатным эффектом. Но этого мало. – если эти центры расположить внутри большого цикла с дырой посредине (такие циклы называются макроциклами), то лучше всего там закомплексуются ионы, подходящие по размеру этой дыре – сработает эффект молекулярного распознавания или гость-хозяин. Вот такой комплекс будет достаточно сильным, чтобы держать катион калия. Ну а дальше мы все знаем. Краун для калия называется 18-краун-6 (18 атомов всего в цикле, 6 – кислородные центры для координации калия). Этот переносчик малоэффективен для переноса из водного раствора, но вполне неплохо работает, если взять твердую исходную соль. Тогда краун фактически способствует растворению соли в плохом малополярном или неполярном растворителе (обычно используют бензол). Иными словами, мы видим перенос между твердой и жидкой фазами, и это тоже межфазный перенос. Для остальных катионов щелочных металлов есть свои макроциклические комплексообразователи, но они очень дороги и редко применяются. !8-краун-6 тоже недешев, но при желании вполне доступен. Лет 30 назад это было очень модно. В современной химии крауны применяются гораздо реже, и мы можем считать все методики межфазного переноса (с помощью четвертичных солей или краунов) эквивалентными и выбирать по вкусу.