Nukleofilní substituce - Nucleophilic substitution
v organická chemie a anorganická chemie, nukleofilní substituce je základní třída reakcí, ve kterých je odstupující skupina nahrazena sloučeninou bohatou na elektrony (nukleofil). Celá molekulární entita, jejíž součástí je elektrofil a odstupující skupina, se obvykle nazývá Podklad.[1][2] Nukleofil se v podstatě pokouší nahradit odstupující skupinu jako primární substituent v samotné reakci, jako součást jiné molekuly.
Nejobecnější formu reakce lze uvést následovně:
- Nuc: + R-LG → R-Nuc + LG:
Elektronový pár (:) z nukleofilu (Nuc) napadá substrát (R-LG) a vytváří novou vazbu, zatímco odstupující skupina (LG) odchází s elektronovým párem. Hlavním produktem je v tomto případě R-Nuc. Nukleofil může být elektricky neutrální nebo záporně nabitý, zatímco substrát je obvykle neutrální nebo kladně nabitý.
Příkladem nukleofilní substituce je hydrolýza z alkyl bromid, R -Br, za základních podmínek, kde útočící nukleofil je ACH− a opouštějící skupina je Br−.
- R-Br + OH− → R-OH + Br−
Nukleofilní substituční reakce jsou v organické chemii běžnou záležitostí a lze je obecně klasifikovat jako probíhající při nasycený alifatický uhlík nebo na (méně často) an aromatický nebo jiné centrum nenasyceného uhlíku.[3]
Centra s nasyceným uhlíkem
SN1 a SN2 reakce
V roce 1935 Edward D. Hughes a Sir Christopher Ingold studoval nukleofilní substituční reakce alkylhalogenidy a příbuzné sloučeniny. Navrhli, aby fungovaly dva hlavní mechanismy, oba navzájem konkurující. Dva hlavní mechanismy jsou: SN1 reakce a SN2 reakce. S znamená chemickou substituci, N znamená nukleofilní a číslo představuje kinetický řád reakce.[4]
V SN2 reakce, přidání nukleofilu a eliminace odstupující skupiny probíhají současně (tj. společná reakce ). SN2 nastává tam, kde je centrální atom uhlíku snadno přístupný pro nukleofil.[5]
| Nukleofilní substituce na uhlíku | |
|---|---|
 | |
 | |
| SN2 mechanismus | |
V S.N2 reakce, existuje několik podmínek, které ovlivňují rychlost reakce. Za prvé, 2 v SN2 znamená, že existují dvě koncentrace látek, které ovlivňují rychlost reakce: substrát (Sub) a nukleofil. Rychlostní rovnice pro tuto reakci by byla Rate = k [Sub] [Nuc]. Pro S.N2 reakce, an aprotické rozpouštědlo nejlepší, jako je aceton, DMF nebo DMSO. Aprotická rozpouštědla nepřidávají protony (H+ ionty) do roztoku; kdyby byly na S přítomny protonyN2 reakce, reagovaly by s nukleofilem a vážně omezily rychlost reakce. Protože k této reakci dochází v jednom kroku, sterické účinky řídit rychlost reakce. V mezikroku je nukleofil o 180 stupňů od odstupující skupiny a stereochemie je invertována jako nukleofilní vazby za vzniku produktu. Protože je meziprodukt částečně vázán na nukleofilní a odstupující skupinu, není čas, aby se substrát sám přeskupil: nukleofil se naváže na stejný uhlík, ke kterému byla odstupující skupina připojena. Posledním faktorem, který ovlivňuje rychlost reakce, je nukleofilita; nukleofil musí napadnout jiný atom než vodík.
Naproti tomu S.N1 reakce zahrnuje dva kroky. SN1 reakce bývají důležité, když je centrální atom uhlíku substrátu obklopen objemnými skupinami, protože tyto skupiny stericky interferují s SN2 reakce (diskutována výše) a protože vysoce substituovaný uhlík tvoří stabilní karbokace.
| Nukleofilní substituce na uhlíku | |
|---|---|
 | |
| SN1 mechanismus | |
Jako SN2 reakce, existuje poměrně málo faktorů, které ovlivňují rychlost reakce SN1 reakce. Místo dvou koncentrací, které ovlivňují rychlost reakce, existuje pouze jedna, substrát. Rychlostní rovnice pro toto by byla Rate = k [Sub]. Protože rychlost reakce je určena pouze jejím nejpomalejším krokem, rychlost, kterou odstupující skupina „opouští“, určuje rychlost reakce. To znamená, že čím lepší je odstupující skupina, tím rychlejší je reakční rychlost. Obecným pravidlem pro to, co dělá dobrou odstupující skupinu, je čím slabší konjugovaná báze, tím lepší odstupující skupina. V tomto případě budou halogeny nejlépe odstupujícími skupinami, zatímco sloučeniny jako aminy, vodík a alkany budou poměrně špatně odstupujícími skupinami. Jako SN2 reakce byly ovlivněny steriky, SN1 reakce je určena objemnými skupinami navázanými na karbokaci. Jelikož existuje meziprodukt, který ve skutečnosti obsahuje kladný náboj, připojené objemné skupiny pomohou stabilizovat náboj na karbokationtu prostřednictvím rezonance a distribuce náboje. V tomto případě bude terciární karbokation reagovat rychleji než sekundární, což bude reagovat mnohem rychleji než primární. Je také způsobeno tímto karbokationtovým meziproduktem, že produkt nemusí mít inverzi. Nukleofil může útočit shora nebo zdola, a proto vytvářet racemický produkt. Je důležité používat protické rozpouštědlo, vodu a alkoholy, protože aprotické rozpouštědlo by mohlo intermediát napadnout a způsobit nežádoucí produkt. Nezáleží na tom, zda vodíky z protického rozpouštědla reagují s nukleofilem, protože nukleofil není zapojen do kroku určujícího rychlost.
| Tabulka 1. Nukleofilní substituce na RX (alkylhalogenid nebo ekvivalent) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Faktor | SN1 | SN2 | Komentáře | ||||
| Kinetika | Míra = k [RX] | Míra = k [RX] [Nuc] | |||||
| Primární alkyl | Nikdy, pokud nejsou přítomny další stabilizační skupiny | Dobré, pokud není použit bráněný nukleofil | |||||
| Sekundární alkyl | Mírný | Mírný | |||||
| Terciární alkyl | Vynikající | Nikdy | Odstranění pravděpodobně při zahřátí nebo při použití silné základny | ||||
| Opouštíme skupinu | Důležité | Důležité | U halogenů I> Br> Cl >> F | ||||
| Nukleofilita | Nedůležité | Důležité | |||||
| Upřednostňováno solventní | Polární protický | Polární aprotický | |||||
| Stereochemie | Racemizace (+ částečné inverze možný) | Inverze | |||||
| Přeskupení | Běžný | Vzácný | Vedlejší reakce | ||||
| Eliminace | Běžné, zejména u základních nukleofilů | Pouze s teplem a základními nukleofily | Vedlejší reakce zejm. při zahřátí | ||||
Reakce
Existuje mnoho reakcí v organické chemii, které zahrnují tento typ mechanismu. Mezi běžné příklady patří:
- Organické redukce s hydridy, například
- Hydrolýza reakce jako
- The Wenkerova syntéza, reakce uzavření kruhu aminoalkoholů.
- The Finkelsteinova reakce, výměna halogenidů. Fosforové nukleofily se objevují v Perkowova reakce a Reakce Michaelis – Arbuzov.
- The Kolbe nitrilová syntéza, reakce alkylhalogenidů s kyanidy.
Hraniční mechanismus
Příklad substituční reakce probíhající tzv hraniční mechanismus jak původně studovali Hughes a Ingold[6] je reakce 1-fenylethylchlorid s methoxid sodný v methanolu.
The rychlost reakce se nachází k součtu SN1 a SNDruhá složka se 61% (3,5 M, 70 ° C) probíhá u druhé složky.
Další mechanismy
Kromě SN1 a SN2 jsou známy další mechanismy, i když jsou méně časté. The SNi mechanismus je pozorován u reakcí thionylchlorid s alkoholy, a je to podobné jako u S.N1 kromě toho, že nukleofil je dodáván ze stejné strany jako odstupující skupina.
Nukleofilní substituce mohou být doprovázeny allylický přesmyk jak je vidět na reakcích, jako je Přeuspořádání Ferrier. Tento typ mechanismu se nazývá SN1 'nebo S.N2 'reakce (v závislosti na kinetice). S allylický halogenidy nebo sulfonáty, například, nukleofil může napadat y nenasycený uhlík místo uhlíku nesoucího odstupující skupinu. To lze pozorovat při reakci 1-chlor-2-butenu s hydroxid sodný za vzniku směsi 2-buten-1-olu a 1-buten-3-olu:
- CH3CH = CH-CH2-Cl → CH3CH = CH-CH2-OH + CH3CH (OH) -CH = CH2
The Mechanismus Sn1CB se objeví v anorganická chemie. Existují konkurenční mechanismy.[7][8]
v organokovová chemie the nukleofilní abstrakce reakce probíhá s mechanismem nukleofilní substituce.
Nenasycená uhlíková centra
Nukleofilní substituce prostřednictvím S.N1 nebo S.NMechanismus 2 se obecně nevyskytuje u vinylových nebo arylhalogenidů nebo podobných sloučenin. Za určitých podmínek mohou nastat nukleofilní substituce jinými mechanismy, jako jsou mechanismy popsané v nukleofilní aromatická substituce článek.
Když dojde k substituci na karbonyl skupina, acyl skupina může podstoupit nukleofilní acylová substituce. Toto je normální způsob substituce karboxylová kyselina deriváty jako např acylchloridy, estery a amidy.
Reference
- ^ J. March, Pokročilá organická chemie, 4. vydání, Wiley, New York, 1992.
- ^ R. A. Rossi, R. H. de Rossi, Aromatická substituce S.RN1 Mechanism, ACS Monograph Series No. 178, American Chemical Society, 1983. ISBN 0-8412-0648-1.
- ^ L. G. Wade, Organická chemie, 5. vydání, Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, 2003.
- ^ S. R. Hartshorn, Alifatická nukleofilní substituce, Cambridge University Press, Londýn, 1973. ISBN 0-521-09801-7
- ^ Představujeme alifatickou substituci s experimentem objevu s využitím konkurenčních elektrofilů Timothy P. Curran, Amelia J. Mostovoy, Margaret E. Curran a Clara Berger Journal of Chemical Education 2016 93 (4), 757-761 doi:10.1021 / acs.jchemed.5b00394
- ^ 253. Kinetika reakce a Waldenova inverze. Část II. Homogenní hydrolýza, alkoholýza a amonolýza -fenylethylhalogenidů Edward D. Hughes, Christopher K. Ingold a Alan D. Scott, J. Chem. Soc., 1937, 1201 doi:10.1039 / JR9370001201
- ^ NS Imyanitov. Elektrofilní bimolekulární substituce jako alternativa k nukleofilní monomolekulární substituci v anorganické a organické chemii. J. Gen. Chem. SSSR (angl. Překlad) 1990; 60 (3); 417-419.
- ^ Unimolekulární nukleofilní substituce neexistuje! / N.S.Imyanitov. SciTecLibrary
