Substytucja nukleofilowa - Nucleophilic substitution

Nukleofilowe podstawienie jest klasa reakcji chemicznej , w której stanowi bogate w elektrony związki chemiczne (znane jako nukleofil ) zastępuje się grupy funkcyjnej w inną cząsteczką niedoborem elektronów (znany jako elektrofil ). Cząsteczka zawierająca elektrofil i opuszczającą grupę funkcyjną nazywana jest substratem .

Najbardziej ogólną postać reakcji można podać w następujący sposób:

Nuż : + R-LG → R-Nuc + LG :

Para elektronów ( : ) z nukleofila (Nuc) atakuje substrat (R-LG) i wiąże się z nim. Jednocześnie grupa opuszczająca (LG) odchodzi z parą elektronów. Głównym produktem w tym przypadku jest R-Nuc. Nukleofil może być elektrycznie obojętny lub naładowany ujemnie, podczas gdy substrat jest zazwyczaj obojętny lub naładowany dodatnio.

Przykładem jest podstawienie nukleofilowe hydrolizy o alkilowej bromek , R-Br w warunkach zasadowych, gdzie atakującym nukleofilem jest OH, - oraz grupę opuszczającą, to Br - .

R-Br + OH → R-OH + Br

Reakcje podstawienia nukleofilowego są powszechne w chemii organicznej . Nukleofile często atakują nasycony węgiel alifatyczny . Rzadziej mogą atakować węgiel aromatyczny lub nienasycony.

Centra węgla nasyconego

Reakcje S N 1 i S N 2

Wykres przedstawiający względne reaktywności różnych halogenków alkilowych względem reakcji S N 1 i S N 2 (patrz także Tabela 1).

W 1935 Edward D. Hughes i Sir Christopher Ingold badali reakcje podstawienia nukleofilowego halogenków alkilowych i związków pokrewnych. Zaproponowali, że działają dwa główne mechanizmy, które ze sobą konkurują. Dwa główne mechanizmy to reakcja S N 1 i reakcja S N 2 , gdzie S oznacza podstawienie, N oznacza nukleofil, a liczba reprezentuje porządek kinetyczny reakcji.

W reakcji S N 2 dodanie nukleofila i eliminacja grupy opuszczającej zachodzą jednocześnie (tj. reakcja uzgodniona ). S N 2 występuje wtedy, gdy centralny atom węgla jest łatwo dostępny z nukleofilem.

Substytucja nukleofilowa na węglu
mechanizm
Reakcja SN2 CH3Cl i Cl-
Mechanizm S N 2

W reakcjach S N 2 istnieje kilka warunków, które wpływają na szybkość reakcji. Przede wszystkim 2 w S N 2 oznacza, że ​​istnieją dwa stężenia substancji, które wpływają na szybkość reakcji: substrat (Sub) i nukleofil. Równanie szybkości dla tej reakcji to Szybkość=k[Sub][Nuc]. O S N 2, reakcją rozpuszczalnik aprotonowy jest najlepszy, takich jak aceton, DMF lub DMSO. Rozpuszczalniki aprotonowe nie dodają protonów ( jonów H + ) do roztworu; gdyby protony były obecne w reakcjach S N2 , reagowałyby z nukleofilem i poważnie ograniczałyby szybkość reakcji. Ponieważ ta reakcja zachodzi w jednym etapie, efekty steryczne napędzają szybkość reakcji. W etapie pośrednim nukleofil znajduje się 185 stopni od grupy opuszczającej, a stereochemia jest odwrócona jako wiązania nukleofilowe w celu wytworzenia produktu. Ponadto, ponieważ związek pośredni jest częściowo związany z nukleofilem i grupą opuszczającą, nie ma czasu na przeorganizowanie się substratu: nukleofil zwiąże się z tym samym węglem, do którego była przyłączona grupa opuszczająca. Ostatnim czynnikiem wpływającym na szybkość reakcji jest nukleofilowość; nukleofil musi atakować atom inny niż wodór.

W przeciwieństwie do tego reakcja S N1 obejmuje dwa etapy. S N 1 reakcja jest ważne, gdy centralny atom węgla substratu jest otoczony przez grupy o dużej objętości, zarówno dlatego, że takie grupy kolidować sterycznie z S N 2 reakcji (omówiony powyżej), a także z powodu bardzo podstawionych węgla tworzy stabilny karbokationu .

Substytucja nukleofilowa na węglu
Mechanizm reakcji SN1
Mechanizm S N 1

Podobnie jak reakcje S N 2, istnieje wiele czynników, które wpływają na szybkość reakcji S N 1 . Zamiast dwóch stężeń, które wpływają na szybkość reakcji, istnieje tylko jeden substrat. Równanie szybkości dla tego byłoby następujące: Rate=k[Sub]. Ponieważ szybkość reakcji zależy tylko od jej najwolniejszego etapu, szybkość, z jaką grupa opuszczająca „odchodzi”, określa szybkość reakcji. Oznacza to, że im lepsza grupa opuszczająca, tym większa szybkość reakcji. Ogólna zasada określająca, co czyni dobrą grupę odchodzącą, to im słabsza baza sprzężona, tym lepsza grupa odchodząca. W tym przypadku halogeny będą najlepszymi grupami opuszczającymi, podczas gdy związki takie jak aminy, wodór i alkany będą dość słabymi grupami opuszczającymi. Jako s N 2 reakcje wpływ sterics S N 1 reakcji zależą od grupy o dużej objętości podłączonych do karbokationem. Ponieważ istnieje związek pośredni, który faktycznie zawiera ładunek dodatni, przyłączone masywne grupy pomogą ustabilizować ładunek na karbokation poprzez rezonans i rozkład ładunku. W takim przypadku trzeciorzędowa karbokation zareaguje szybciej niż wtórna, która zareaguje znacznie szybciej niż pierwotna. Również dzięki temu półproduktowi karbokationu produkt nie musi mieć inwersji. Nukleofil może atakować od góry lub od dołu, tworząc w ten sposób produkt racemiczny. Ważne jest, aby używać rozpuszczalnika protonowego, wody i alkoholi, ponieważ rozpuszczalnik aprotonowy może zaatakować półprodukt i spowodować niepożądany produkt. Nie ma znaczenia, czy wodory z rozpuszczalnika protonowego reagują z nukleofilem, ponieważ nukleofil nie bierze udziału w etapie określania szybkości.

Tabela 1. Substytucje nukleofilowe na RX (halogenek alkilu lub odpowiednik)
Czynnik S N 1 S N 2 Uwagi
Kinetyka Szybkość = k[RX] Szybkość = k[RX][Nuc]
Pierwszorzędowy alkil Nigdy, chyba że obecne są dodatkowe grupy stabilizujące Dobrze, chyba że zastosowano utrudniony nukleofil
Drugorzędowy alkil Umiarkowany Umiarkowany
Trzeciorzędowy alkil Doskonały Nigdy Eliminacja prawdopodobna w przypadku podgrzania lub użycia mocnej zasady
Opuszczenie grupy Ważny Ważny Dla halogenów
I > Br > Cl >> F
Nukleofilowość Nieważny Ważny
Preferowany rozpuszczalnik Polarny protic Polarny aprotyczny
Stereochemia Racemizacja (+ możliwa częściowa inwersja ) Inwersja
Rearanżacje Pospolity Rzadko spotykany Reakcja uboczna
Eliminacje Powszechne, zwłaszcza z podstawowymi nukleofilami Tylko z ciepłem i podstawowymi nukleofilami Reakcja
uboczna zwł. jeśli jest podgrzewany

Reakcje

W chemii organicznej istnieje wiele reakcji, które dotyczą tego typu mechanizmu. Typowe przykłady to:

RXRH przy użyciu LiAlH 4   (S N 2)
R-Br + OH R-OH + Br (S N 2) lub
+ R-Br H 2 O → R-OH + HBr   (S N 1)
R-Br + OR' R-OR' + Br   (S N 2)

Mechanizm graniczny

Przykładem reakcji podstawienia przebiegającej według tzw. mechanizmu granicznego, jak pierwotnie badali Hughes i Ingold, jest reakcja chlorku 1-fenyloetylu z metanolanem sodu w metanolu.

Metanoliza chlorku 1-fenyloetylu

Szybkość reakcji określa się jako sumę składników S N 1 i S N 2, przy czym 61% (3,5 M, 70 °C) ma miejsce przez ten ostatni.

Inne mechanizmy

Oprócz S N 1 i S N 2 znane są inne mechanizmy, chociaż są one mniej powszechne. Mechanizm S N i obserwuje się w reakcjach chlorku tionylu z alkoholami i jest podobny do S N 1 z tą różnicą, że nukleofil jest dostarczany z tej samej strony co grupa opuszczająca.

Substytucjom nukleofilowym może towarzyszyć przegrupowanie allilowe, obserwowane w reakcjach takich jak przegrupowanie Ferriera . Ten typ mechanizmu nazywany jest reakcją S N 1' lub S N 2' (w zależności od kinetyki). Na przykład w przypadku halogenków allilowych lub sulfonianów nukleofil może atakować nienasycony węgiel γ zamiast węgla zawierającego grupę opuszczającą. Można to zaobserwować w reakcji 1-chloro-2-butenu z wodorotlenkiem sodu, w wyniku której otrzymuje się mieszaninę 2-buten-1-olu i 1-buten-3-olu:

CH 3 -CH = CH-CH 2 -CI → CH 3 -CH = CH-CH 2 -OH + CH 3 CH (OH) -CH = CH 2

Mechanizm Sn1CB występuje w chemii nieorganicznej . Istnieją mechanizmy konkurencji.

W chemii metaloorganicznej nukleofilowe poboru reakcja zachodzi z mechanizmem nukleofilowego podstawienia.

Centra węgla nienasyconego

Nukleofilowe podstawienie przez S N 1 lub S N 2 mechanizmu generalnie nie występuje winylu lub halogenków arylowych lub związków pokrewnych. W pewnych warunkach mogą wystąpić substytucje nukleofilowe, poprzez inne mechanizmy, takie jak te opisane w artykule o substytucjach nukleofilowych aromatycznych .

Gdy podstawienie występuje na grupie karbonylowej, grupa acylowa może ulegać nukleofilowemu podstawieniu acylowemu . Jest to normalny tryb podstawienia pochodnymi kwasu karboksylowego, takimi jak chlorki , estry i amidy acylu .

Bibliografia

Linki zewnętrzne