Номер 324, страница 76 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.324. Приведите механизм взаимодействия mpem-бутилхлорида с водой. Какая стадия данного механизма является лимитирующей?

Решение

Взаимодействие трет-бутилхлорида с водой представляет собой реакцию нуклеофильного замещения, которая протекает по мономолекулярному механизму $S_N1$. Этот механизм характерен для третичных алкилгалогенидов (каким является трет-бутилхлорид), особенно в полярных протонных растворителях (каким является вода), которые также выступают в роли слабых нуклеофилов.

Механизм реакции включает три основные стадии:

1. Ионизация (образование карбокатиона)

На первой, медленной стадии происходит гетеролитический разрыв полярной связи $C-Cl$. Уходящая группа (атом хлора) забирает электронную пару, образуя стабильный третичный карбокатион (трет-бутилкатион) и хлорид-ион. Стабильность трет-бутилкатиона объясняется положительным индуктивным эффектом и гиперконъюгацией от трех метильных групп, которые помогают делокализовать положительный заряд.

$(CH_3)_3C-Cl \xrightarrow{медленно} (CH_3)_3C^+ + Cl^-$

Эта стадия требует наибольшей энергии активации, так как включает разрыв прочной ковалентной связи, и поэтому она является самой медленной, то есть лимитирующей (скорость-определяющей) стадией всего процесса.

2. Нуклеофильная атака

На второй, быстрой стадии, молекула воды, обладающая неподеленной электронной парой на атоме кислорода, выступает в роли нуклеофила и атакует электрофильный центр – положительно заряженный атом углерода в карбокатионе. В результате образуется протонированный спирт (ион алкилоксония).

$(CH_3)_3C^+ + H_2O \xrightarrow{быстро} (CH_3)_3C-\stackrel{+}{O}H_2$

3. Депротонирование

На третьей, также быстрой стадии, другая молекула воды (которая в избытке как растворитель) действует как основание и отщепляет протон от иона алкилоксония. В результате образуются конечные продукты: трет-бутиловый спирт (2-метилпропанол-2) и ион гидроксония $H_3O^+$.

$(CH_3)_3C-\stackrel{+}{O}H_2 + H_2O \rightleftharpoons (CH_3)_3C-OH + H_3O^+$

Таким образом, лимитирующей стадией данного механизма является первая стадия, так как ее скорость определяет общую скорость реакции. Кинетика реакции описывается уравнением $v = k \cdot [(CH_3)_3CCl]$, что подтверждает мономолекулярный характер механизма.

Ответ: Взаимодействие трет-бутилхлорида с водой протекает по механизму нуклеофильного замещения $S_N1$ через образование трет-бутильного карбокатиона. Лимитирующей стадией данного механизма является первая стадия — гетеролитический разрыв связи $C-Cl$ в молекуле трет-бутилхлорида с образованием карбокатиона и хлорид-иона.