Реакции нуклеофильного замещения как основа синтеза органических соединений различных классов

Многообразие потенциальных субстратов и реагентов позволяет широко использовать реакции нуклеофильного замещения в органическом синтезе. Нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода галогеналканов фактически приводит к алкилированию нуклеофила поэтому такие реакции в общем виде называют реакциями алкилирования.

В зависимости от природы атома в нуклеофильном центре реагенты подразделяются на кислород-, серо-, азотсодержащие нуклеофилы.

Рис. 18.10. Схема реакций галогеналканов с кислородсодержащими нуклеофилам

Реакция (1) – гидролиз галогеналканов - может быть использована для получения спиртов. Гидролиз галогеналканов осуществляется под действием водного раствора щелочи. В принципе галогеналканы могут быть гидролизованы и водой, однако вода представляет собой слабый нуклеофильный реагент, и реакция осуществляется с очень реакционоспособными субстратами (аллильными, бензильными):

Реакция (2) является одним из лучших общих методов получения простых эфиров симметричного и несимметричного строения (синтез Вильямсона), например:

Реакция (3) является одним из способов получения сложных эфиров. Натриевые соли карбоновых кислот быстро взаимодействуют с первичными или вторичными бромо- и иодоалканами:

Сложные эфиры с высокими выходами получаются при проведении реакции в диполярных апротонных растворителях: диметилсульфоксиде (CH₃)₂SO, диметилформамиде HCON(CH₃)₂, гексаметилфосфортриамиде [(CH₃)₂N]₃PO₄.

Рис. 18.11. Схема реакций галогеналканов с серосодержащими нуклеофилам

Серосодержащие реагенты более сильные нуклеофилы, чем их кислородные аналоги. В большинстве случаев реакции с такими реагентами протекают быстрее и в более мягких условиях.

Реакции (4) и (5) являются способами получения тиолов, при этом гидросульфид натрия является более удобным реагентом, чем сероводород:

Азотосодержащие нуклеофилы

Рис. 18.12. Схема реакций галогеналканов с азотсодержащими нуклеофилам

Реакции (4)-(7) относятся к реакциям алкилирования аммиака - алкилирование по Гофману – служит способами получения аминов. Продуктом реакций (4)-(6) в каждом случае является протонированный амин, который может отщеплять протон, отдавая его другой молекуле аммиака или амина в равновесном процессе, например:

Реакция (8) представляет собой способ получения нитросоединений из галогеналканов. При взаимодействии первичных галогеналканов с нитритом серебра соответствующие нитросоединения образуются с высоким выходом:

Нитрит-ион служит примером амбидентного нуклеофила, т.е. реагента, обладающего не одним, а несколькими реакционными центрами:

При участии амбидентных нуклеофилов в реакциях замещения может образовываться смесь продуктов. При взаимодействии вторичных галогеналканов с нитритом серебра или натрия побочными продуктами являются алкилнитрилы – эфиры азотистой кислоты R-O-N=O: