Задача: Расположите в порядке уменьшения реакционной способности в реакциях \(\text{S}_{\text{N}}1\) следующие спирты:
- 1-пропанол
- трет-бутиловый спирт
- аллиловый спирт
- 2-бутанол
Пояснение:
Реакции нуклеофильного замещения \(\text{S}_{\text{N}}1\) (мономолекулярное нуклеофильное замещение) протекают в две стадии. Лимитирующей стадией является образование карбокатиона. Чем стабильнее образующийся карбокатион, тем легче и быстрее протекает реакция \(\text{S}_{\text{N}}1\).
Стабильность карбокатионов увеличивается в ряду: первичный < вторичный < третичный. Также особую стабильность имеют аллильные и бензильные карбокатионы за счет резонансной стабилизации.
Давайте определим тип каждого спирта и соответствующий ему карбокатион:
1. 1-пропанол: \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}\)
- Это первичный спирт.
- При его протонировании и отщеплении воды образуется первичный карбокатион: \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2^+\).
- Первичные карбокатионы наименее стабильны.
2. трет-бутиловый спирт: \(\text{(CH}_3\text{)}_3\text{COH}\)
- Это третичный спирт.
- При его протонировании и отщеплении воды образуется третичный карбокатион: \(\text{(CH}_3\text{)}_3\text{C}^+\).
- Третичные карбокатионы наиболее стабильны за счет индуктивного эффекта трех алкильных групп.
3. Аллиловый спирт: \(\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}_2\text{OH}\)
- Это первичный спирт, но с двойной связью в аллильном положении.
- При его протонировании и отщеплении воды образуется аллильный карбокатион: \(\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}_2^+\).
- Аллильные карбокатионы стабилизированы за счет резонанса (делокализации положительного заряда по всей системе \(\pi\)-связей). Их стабильность сравнима со стабильностью вторичных или даже третичных карбокатионов.
4. 2-бутанол: \(\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_2\text{CH}_3\)
- Это вторичный спирт.
- При его протонировании и отщеплении воды образуется вторичный карбокатион: \(\text{CH}_3\text{CH}^+\text{CH}_2\text{CH}_3\).
- Вторичные карбокатионы более стабильны, чем первичные, но менее стабильны, чем третичные.
Сравнение стабильности карбокатионов:
Третичный карбокатион (\(\text{(CH}_3\text{)}_3\text{C}^+\)) > Аллильный карбокатион (\(\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}_2^+\)) > Вторичный карбокатион (\(\text{CH}_3\text{CH}^+\text{CH}_2\text{CH}_3\)) > Первичный карбокатион (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2^+\)).
Обычно аллильные карбокатионы по стабильности находятся между вторичными и третичными, иногда даже превосходят третичные, если резонанс очень эффективен. В данном случае, трет-бутиловый карбокатион является наиболее стабильным из-за трех алкильных групп, а аллильный карбокатион очень стабилен за счет резонанса.
Общий порядок стабильности карбокатионов (и, соответственно, реакционной способности в \(\text{S}_{\text{N}}1\) реакциях):
Третичный > Аллильный \(\approx\) Бензильный > Вторичный > Первичный > Метильный.
Примем, что трет-бутиловый карбокатион (третичный) является наиболее стабильным, за ним следует аллильный, затем вторичный, и наименее стабильный — первичный.
Порядок уменьшения реакционной способности в реакциях \(\text{S}_{\text{N}}1\):
- трет-бутиловый спирт (образует наиболее стабильный третичный карбокатион)
- аллиловый спирт (образует резонансно стабилизированный аллильный карбокатион)
- 2-бутанол (образует вторичный карбокатион)
- 1-пропанол (образует наименее стабильный первичный карбокатион)
Соответствие номерам из задачи:
- 1-пропанол: 4-е место
- трет-бутиловый спирт: 1-е место
- аллиловый спирт: 2-е место
- 2-бутанол: 3-е место
Ответы для выбора:
- 1-пропанол: 4
- трет-бутиловый спирт: 1
- аллиловый спирт: 2
- 2-бутанол: 3