Механизм нуклеофильного замещения нуждается в пересмотре?

Курамшин А.И.
(«ХиЖ», 2018, №9)

pic_2018_09_16-2.jpg

Предсказанные на основании квантово-химических расчетов значения кинетического изотопного эффекта реакции замещения. Координата реакции, протекающей по наиболее выгодному с точки зрения энергии согласованному механизму, отмечена черным пунктиром. Предсказанные значения КИЭ согласуются с измеренными в ходе эксперимента значениями.

Результаты, полученные исследователями из США, позволяют предположить, что классический механизм нуклеофильного ароматического замещения (SNAr), который приводится в вузовских учебниках по органической химии, нельзя применять для большинства реакций. Интермедиат процесса замещения, описываемый в учебниках, — скорее исключение, чем правило («Nature Chemistry», 2018, doi: 10.1038/s41557-018-0079-7).

Нуклеофильное ароматическое замещение SNAr — процесс, часто применяемый для синтеза фармакологически активных соединений. В учебниках об этом замещении говорится как о двухстадийном процессе, в ходе которого образуется отрицательно заряженный интермедиат — комплекс Мейзенгеймера. Как отмечает руководитель исследования Эрик Якобсен из Гарварда, хотя в последнее время накапливаются свидетельства в пользу того, что представления о «пошаговом» двухстадийном замещении не всегда соответствуют данным эксперимента, большинство преподавателей и исследователей эти свидетельства игнорируют. По мнению Якобсена, такой консерватизм может объясняться как тем, что «механизм из учебника» проще понять, так и тем, что не всегда удается соотнести основанные на результатах квантово-химических расчетов предсказания и результаты эксперимента.

Исследователи из группы Якобсена провели и экспериментальное, и теоретическое исследование нуклеофильного ароматического замещения. Для экспериментов отобрали три соединения, заместители которых должны были стабилизировать или дестабилизировать комплекс Мейзенгеймера. Экспериментально образование такого комплекса было подтверждено только в случае, предельно подходящем для его стабилизации, — в реакции динитрофтормензола с метилат-анионом (в ароматическом соединении две нитрогруппы способствуют понижению электронной плотности на бензольном кольце, а метилат-анион — очень сильный нуклеофил). Компьютерное же исследование 120 реакций SNAr говорит о том, что в 83% случаев замещение протекает в одну стадию в результате согласованного процесса.

Ключом для изучения механизма и сравнения результатов теоретического и экспериментального исследования были измерения кинетического изотопного эффекта (КИЭ). Суть его, если говорить схематично в применении к обсуждаемому исследованию, заключается в том, что скорости реакции с участием связей 12С–F и 13С–F должны различаться, только если разрыв этих химических связей происходит на определяющей скорость (то есть самой медленной) стадии механизма реакции. Якобсен с коллегами определил величины КИЭ нескольких реакций квантово-химически, измерил эти величины экспериментально с помощью спектроскопии ЯМР на ядрах фтора, и оказалось, что измеренные величины близки предсказанным для согласованного механизма замещения, а не для процесса, протекающего с образованием комплекса Мейзенгеймера.

Критики работы Якобсена говорят о том, что эксперимент проводили в метаноле либо в диметилформамиде, проигнорировав более полярные и протонодонорные растворители, которые, по логике вещей, могли бы стабилизировать комплекс Мейзенгеймера. Однако Якобсен отвечает, что смоделированный квантово-химически учет влияния даже такого полярного растворителя, как вода, не меняет координату реакции, и фактически двухстадийное замещение остается выгодным лишь в 17% случаев, которые определяются не условиями среды реакции, а только реагентами.

У кого-то может возникнуть вопрос: зачем изучать механизмы реакций? Конечно же не для того, чтобы опровергать учебники. Чем больше мы знаем о механизме реакции, тем больше шансов, что мы будем ею «правильно» управлять, осуществив важные превращения в наиболее подходящих условиях.



Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 9/2018) на с. 16 — 17.

Разные разности

01.10.2018 12:00:00

…разновидность северного сияния под названием STEVE на самом деле вообще не северное сияние...

…найдены прямые и окончательные доказательства присутствия поверхностного водного льда в полярных областях Луны...

…чип, содержащий живые клетки дрожжей, поможет отслеживать суточные дозы облучения у сотрудников больниц, исследовательских лабораторий и АЭС…


>>
29.09.2018 10:00:00

У блокчейн-технологии есть существенный недостаток: ее защищенность базируется на том, что процедура проверки данных в цепочках блоков требует большого расхода энергии. При своем нынешнем объеме система потребляет энергии как целая страна.

>>
28.09.2018 17:30:00

Уже сегодня более двух миллиардов человек во всем мире регулярно употребляют в пищу насекомых. Все знают, что это ценный источник белка, витаминов, минералов и полезных жиров — самое время выяснить, есть ли в них что-то вредное.

>>
12.09.2018 18:00:00

Сотрудники геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова провели исследования арктического кратера на полуострове Ямал, выяснили причину его образования и открыли новое геологическое явление, ранее известное только для ледяных планет и планетоидов.

>>
07.09.2018 10:00:00

Сотрудник кафедры зоологии позвоночных МГУ имени М.В. Ломоносова в ходе международной экспедиции нашёл и описал новый вид тонконогих чесночниц. Вид назвали Leptobrachium tenasserimense.

>>