Реакции нуклеофильного замещения и элиминирования

Москва
Лаборатория знаний
2024

У Ч Е Б Н И К  Д Л Я  В Ы С Ш Е Й  Ш К О Л Ы

РЕАКЦИИ
НУКЛЕОФИЛЬНОГО
ЗАМЕЩЕНИЯ
И ЭЛИМИНИРОВАНИЯ

Учебное пособие для вузов

Электронное издание

УДК 547
ББК 24.2
Р31

С е р и я
о с н о в а н а
в
2009 г.
А в т о р ы:
Р. С. Алексеев, С. С. Карлов, М. В. Ливанцов,
Л. И. Ливанцова, В. И. Теренин

Р31
Реакции нуклеофильного замещения и элиминирования : учебное пособие для студентов высшей школы /
Р. С. Алексеев,
С. С. Карлов,
М. В. Ливанцов
[и др.]. —
Электрон. изд. — М. : Лаборатория знаний, 2024. — 287 с. —
(Учебник
для
высшей
школы). — Систем.
требования:
Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. —
Текст : электронный.
ISBN 978-5-93208-890-6
Учебное пособие подготовлено коллективом преподавателей
химического
факультета
МГУ
имени
М. В. Ломоносова
и
содержит обобщенную и переработанную информацию по теме,
вызывающей наибольшие трудности у учащихся при изучении
и
освоении
дисциплины
«Органическая
химия».
Подробно
проведен комплексный анализ основных механизмов, наиболее
важных
факторов,
влияющих
на
реакционную
способность
исходных алифатических и ароматических субстратов и определяющих механизм и конечный результат превращений данного
типа. Приведены многочисленные примеры конкретных реакций
алифатического и ароматического нуклеофильного замещения
и элиминирования, иллюстрирующие их широкие синтетические
возможности.
Издание
может
быть
полезно
студентам
и аспирантам как в обучающих целях, так и для подготовки
к промежуточным экзаменам и итоговой аттестации, а также
учителям, преподавателям
высшей
школы
и
всем
читателям,
интересующимся органической химией.
УДК 547
ББК 24.2

Деривативное издание на основе печатного аналога: Реакции
нуклеофильного замещения и элиминирования : учебное пособие для студентов высшей школы / Р. С. Алексеев, С. С. Карлов,
М. В. Ливанцов [и др.]. — М. : Лаборатория знаний, 2024. — 284 с. :
ил. — (Учебник для высшей школы). — ISBN 978-5-93208-370-3.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных
техническими
средствами
защиты
авторских
прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков
или выплаты компенсации

ISBN 978-5-93208-890-6
© Лаборатория знаний, 2024

  

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
5

Список используемых сокращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
7

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
9

Глава 1. 
Нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода . . .  
11

Глава 2. 
Бимолекулярное нуклеофильное замещение  S N 2  . . . . . . . . . . . .  15

2.1. 
Механизм и кинетика  S N 2реакций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
15

2.2. 
Природа (структура) переходного состояния  S N 2процесса   . . .  
22

2.3. 
Стереохимия  S N 2реакций  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
23

2.4. 
Влияние строения субстрата на скорость  S N 2реакций  . . . . . . .  
26

2.5. 
Влияние природы уходящей группы на скорость  S N 2реакций    
31

2.6. 
Влияние природы нуклеофила в  S N 2реакциях   . . . . . . . . . . . . . .  
53

2.7. 
Влияние природы растворителя в  S N 2реакциях  . . . . . . . . . . . . .  
60

2.8. 
Нуклеофильный катализ в  S N 2реакциях  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
66

2.9. 
Межфазный катализ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
67

2.10. 
Участие соседних групп  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
72

2.11. 
Конкуренция  S N 2и  Е  2процессов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
75

Глава 3. 
Мономолекулярное нуклеофильное замещение  S N 1  . . . . . . . . .  77

3.1. 
Механизм и кинетика  S N 1реакций   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
77

3.2. 
Стереохимия  S N 1реакций  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
79

3.3. 
Влияние структуры субстрата на скорость  S N 1реакции  . . . . . .  
81

3.4. 
Влияние природы уходящей группы в  S N 1реакциях  . . . . . . . . .  
83

3.5. 
Влияние природы растворителя и нуклеофила в  S N 1реак циях  
83

3.6. 
Электрофильный катализ в  S N 1реакциях   . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
84

3.7. 
Конкуренция механизмов  S N 1 и  E 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
85

3.8. 
Амбидентные нуклеофилы   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
86

Глава 4. 
Реакции элиминирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  95

4.1. 
Классификация реакций элиминирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
95

4.2. 
Механизм реакций  Е  1элиминирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
96

4.3. 
 Механизм реакций  Е  1 сВ элиминирования  . . . . . . . . . . . . . . . . . .  101

4.4. 
 Механизм реакций  Е   2элиминирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  104

4.5. 
Согласованный механизм синэлиминирования (Еi) . . . . . . . . . .  115

Глава 5. 
Нуклеофильное замещение у  sp 2 гибридизованного атома 
углерода  —  механизм присоединения–отщепления . . . . . . . . . . .  119

Оглавление  

Глава 6. 
Нуклеофильное замещение в активированных ароматических 
субстратах  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  125

6.1. 
Нуклеофильное замещение атомов галогена . Бимолеку лярный 
механизм присоединения–отщепления SNAr . . . . . . . . . . . . . . . . .  125

6.2. 
Нуклеофильное 
 S N   Ar замещение 
атома 
водорода 
(SNArН)  
в активированных ароматических субстратах  . . . . . . . . . . . . . . . .  141

6.3.  Викариозное нуклеофильное замещение  (SNV или VNS)   . . . . .  148
6.4. Представление о кинеи телезамещении атома водорода . . . .  158
6.5.  Представление о  S N (ANRORC)механизме . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  163

Глава 7. 
Нуклеофильное замещение в неактивированных ароматических субстратах. Механизм отщепления– присоединения . . . . .  169

7.1. 
 Общие представления о механизме отщепления—присоединения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  169

7.2. 
Доказательство участия дегидробензола и замещенных аринов  
в качестве интермедиата в ароматическом нуклеофильном замещении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  177

Глава 8. 
Нуклеофильное замещение в неактивированных ароматических субстратах . Механизм SRN1 с участием свободных радикалов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  188

Глава 9. 
  S N 1Механизм нуклеофильного ароматического замещения . .  194

Глава 10. Металлактивированное ароматическое нуклеофильное замещение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  204

10.1. 
Катализ медью и ее соединениями  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  204

10.2. 
Обобщенная схема катализа соединениями меди(I) в присутствии лиганда  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  207

10.3.   Катализ Pd(0), Ni(0) и Cu(I) в реакциях кросссочетания  . . . .  215

Глава 11. Задачи и упражнения по теме «Алифатическое нуклео фильное замещение и элиминирование»  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  229
Задачи и упражнения с ответами  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  229
Задачи и упражнения для самостоятельного решения   . . . . . . . .  237
Ответы к задачам по теме «Алифатическое нуклеофильное замещение и элиминирование» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  255

Глава 12. Задачи и упражнения по теме «Ароматическое нуклео фильное замещение»  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  266
Задачи и упражнения с ответами  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  266
Задачи и упражнения для самостоятельного решения   . . . . . . . .  270
Ответы к задачам по теме «Ароматическое нуклеофильное замещение»  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  277

  

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебное пособие, посвященное подробному рассмотрению особенностей реакций алифатического и ароматического нуклеофильного замещения и элиминирования, будет полезно студентам, 
обучающимся по программам специалитета, бакалавриата и магистратуры направления «Химия», и аспирантам как для детального освоения материала по представленной теме, так и для подготовки к текущим и государственным экзаменам по специальности «Органическая 
химия». 

При написании данного учебного пособия авторы преследовали 
следующие цели:
1. Познакомить учащихся с основными механизмами органических 
реакций алифатического и ароматического нуклеофильного замещения и элиминирования и методами их доказательства.
2. Продемонстрировать возможности использования разнообразных 
процессов алифатического и ароматического нуклеофильного замещения и элиминирования для решения конкретных задач в области тонкого органического синтеза.
3. На основе комплексного анализа различных факторов, влияющих 
на взаимосвязь «структура–активность», научить студентов подбирать подходящие реагенты и оптимальные условия проведения реакций, позволяющие исключить или свести к минимуму нежелательные побочные процессы.

Подробно рассмотрены теоретические аспекты по данной теме 
и приведены многочисленные примеры подобных реакций в виде задач и упражнений, часть из которых рассмотрена с приведением решений, а другая часть представлена для самостоятельного решения. Изложенный в пособии материал содержит много интересных 
и необычных примеров, демонстрирующих современные достижения в данной области органической химии, является оригинальным 
и не имеет аналогов в русскоязычном сегменте учебной литературы. 
Сведения, представленные в современных базовых учебниках по курсу органической химии, не отражают весь прогресс в области нуклео

Предисловие

фильного замещения в алифатических и ароматических системах, достигнутый за последние 10–15 лет. Это издание стремится устранить 
существенный пробел в учебнометодической литературе по данной 
теме. Разделы, которые не входят в обязательную программу для студентов бакалавриата и специалитета, но изучаются студентами в рамках специальных профильных курсов, обозначены звездочкой ().

  

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

AIBN
азобисизобутиронитрил
NCC(CH3)2N=NC(CH3)2CN

BINAP
2,2′бис(дифенилфосфино)1,1′бинафтил
mCPBA
метахлорнадбензойная кислота
3ClC6H4C(O)OOH

dba
ди бензилиден ацетон 
(C6H5CH=CH)2C(O)
DCC
дициклогексилкарбидиимид
( СН2 ) 5СН–N = C = N–CH( CH2 ) 5

DEAD
диэтиловый эфир азоди карбо новой кислоты
H5C2OOC−N=N−COOC2H5

DMA
N,Nдиметилацетамид
СН3С(О)N(CH3)2
DMAP
4(N,Nдиметил амино)
пиридин
4(СН3)2NC5H4N

DME
1,2диметоксиэтан
H3COCH2CH2OCH3
dppf
1,1′бис(дифенилфосфино)фер роцен
LDA
диизопропиламид 
 лития
[(CH3)2CH]2N−Li+

NBS
Nбромсукцинимид
BrN[C(O)CH2]2
NMP
Nметилпирролидон2
(CH2)3C(O)NCH3
TMEDA
N,N,N ′,N ′тетраметилэтилендиамин
(СH3)2NCH2CH2N(CH3)2

Ac
ацетил
СН3С(О)
Alk
алкил
Ar
арил
iAm
изоамил (изопентил)
(СН3)2СНСН2СН2
Bn
бензил
С6Н5СН2
Boc
третбутоксикарбонил
(СН3)3СОС(О)

Bs
брозил
4BrС6Н4SO2
Bz
бензоил
С6Н5С(О)

Предисловие

Cbz
бензилоксикарбонил
С6Н5СН2OC(O)
Cy
циклогексил
(CH2)5CH
Et
этил
С2Н5
Het
гетарильный (гетероциклический) заместитель
Me
метил
СН3
Ms
мезил
СН3SO2
Ns
нозил
4NO2С6Н4SO2
Ph
фенил
С6Н5
Pr
пропил
СH3CH2CH2
Py
пиридин
С5Н5N
Sia2ВH
дисиамилборан (бис(1,2диметилпропил) боран)
Tf
трифторметилсульфонил
CF3SO2

oTol
ортотолил, 2метилфенил
2СН3С6Н4

Ts
тозил (4метил фенил)
суль фонил
4СН3С6Н4SO2

ГМФТА
гексаметилфосфортриамид
[(CH3)2N]3P=O

ДМФА
диметилформамид
HC(O)N(CH3)2
ДМСО
диметилсульфоксид
(СН3)2SO
ДЭГ
диэтиленгликоль
(HOCH2CH2)2O
МФК
межфазный катализ
ТГФ
тетрагидрофуран
(СН2)4О
ТЭБАХ 
триэтилбензиламмоний хлорид
Bn(C2H5)3N+Cl−

sили 
вторвторичный

tили 
треттретичный

[]20
D
угол удельного 
 вращения
ee
энантиомерный  избыток
hv
УФоблучение
μW или 
MW
микроволновая 
 активация
р
давление
, t °
нагревание, кипячение

  

ВВЕДЕНИЕ

К реакциям замещения в органической химии относятся процессы, 
в которых происходит замещение атома водорода, других атомов или 
групп атомов в исходном субстрате на атомы или функциональные 
группы различной природы. При этом в зависимости от природы субстрата и реагента, а также от условий проведения реакции реализуются разные механизмы замещения: гомолитический или гетеролитический. К числу гетеролитических процессов относятся реакции 
нуклеофильного замещения у насыщенного (sp3гибридизованного) 
атома углерода.

R
X
R Nu
+
Nu:+
X:субстрат
нуклеофил
продукт
нуклеофильного
замещения

нуклеофуг
(уходящая
группа)

:
+
 

При этом новая связь С − Nu образуется за счет неподеленной электронной пары нуклеофила, тогда как уходящая группа (нуклеофуг) 
отщепляется вместе со своей электронной парой. В роли нуклеофила 
может выступать отрицательно заряженная частица —  анион или гетероатом с неподеленной парой электронов, поэтому нуклеофил всегда 
является основанием Льюиса.
В настоящее время закономерности реакций нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода достаточно подробно изучены, что делает их мощным и востребованным инструментом в синтетической практике, позволяющим осуществить направленный синтез 
огромного числа органических структур с полезными свойствами.
В то же время многочисленные реакции нуклеофильного ароматического замещения, протекающие по различным механизмам, можно 
представить в виде общей схемы, приведенной ниже.

Nu
–X–

X

Rn

Nu

Rn
+
где X —  уходящая группа (нуклеофуг); Rn —  заместители в ароматическом кольце (n = 1–5);  Nu− —  нуклеофиланион или нейтральная 
молекула, содержащая гетероатом с неподеленной парой электронов.

Введение

В настоящее время наиболее распространенными и убедительно 
доказанными являются следующие механизмы:  1) механизм присоединения–отщепления (SNAr);  2) механизм отщепления–присоединения (ариновый механизм);  3) цепной анионрадикальный механизм 
(SRN1);  4) мономолекулярный механизм (SN1 Ar);  5) викариозное нуклеофильное замещение (VNS).
Особое место в ряду современных методов создания связей 
С − С и С − Х (Х = N, O, P, S и др.) занимают реакции кросссочетания, катализируемые металлокомплексными катализаторами на основе палладия и меди. Введение в практику тонкого органического 
синтеза современных реагентов и катализаторов позволяет использовать реакции нуклеофильного ароматического замещения для создания эффективных синтетических методов, применимых к полифункциональным молекулам.