Nukleofiiliset substituutioreaktiot

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 1. helmikuuta 2021 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 7 muokkausta .

Nukleofiiliset substituutioreaktiot - substituutioreaktiot , joissa hyökkäyksen suorittaa nukleofiili - reagenssi, jossa  on  jakamaton elektronipari . [1] Nukleofiilisten substituutioreaktioiden poistuvaa ryhmää kutsutaan nukleofugiksi .

Kaikki nukleofiilit ovat Lewisin emäksiä .

Yleiskuva nukleofiilisistä substituutioreaktioista:

R−X + Y− → R − Y + X− (jossa Y on anioninen nukleofiili) R−X + Y−Z → R−Y + X−Z (jossa Y−Z on neutraali nukleofiili)

Alifaattiset nukleofiiliset substituutioreaktiot

Reaktiot S N 1

Reaktion S N1 tai monomolecular nukleofiilisen substituution ( englanniksi  substituution nucleophilic unimolecular ) mekanismi sisältää seuraavat vaiheet:

1. Substraatin ionisointi karbokationin muodostuksella (hidas vaihe):

R−X → R + + X−

2. Karbokationin nukleofiilinen hyökkäys (nopea vaihe):

R + + Y − → R − Y

tai (jos nukleofiili on neutraali hiukkanen):

R + + Y−Z → R−Y + −Z

3. Kationin eliminointi (nopea vaihe):

R−Y + −Z → R−Y + Z +

Esimerkki SN1 - reaktiosta on tert - butyylibromidin hydrolyysi :

Monomolekyylisen nukleofiilisen substituution reaktion ehdollinen energiaprofiili on esitetty kaaviossa [2] .

Reaktionopeus S N 1 (yksinkertaistetussa muodossa) ei riipu nukleofiilin pitoisuudesta ja on suoraan verrannollinen substraatin pitoisuuteen [3] :

Reaktionopeus = k × [RX]

Koska karbokationi muodostuu reaktion aikana , sen hyökkäys (ihanteellisissa olosuhteissa ottamatta huomioon substituenttien vaikutusta) nukleofiilin toimesta voi tapahtua molemmilta puolilta, mikä johtaa tuloksena olevan tuotteen rasemisoitumiseen .

On tärkeää pitää mielessä, että SN 1 -mekanismi toteutuu vain välikarbokationin suhteellisen stabiiliuden tapauksessa, joten vain tertiäärinen ((R) 3 C -X) ja sekundaarinen ((R) 2 CH-X) alkyyli johdannaiset reagoivat yleensä tätä polkua pitkin.

Reaktiot S N 2

S N 2 -reaktion tai bimolekulaarisen nukleofiilisen substituution ( englanniksi  substituution nucleophilic bimolecular ) mekanismi tapahtuu yhdessä vaiheessa ilman välituotteen muodostumista . Tässä tapauksessa nukleofiilin hyökkäys ja poistuvan ryhmän eliminaatio tapahtuvat samanaikaisesti:

R−X + Y − → [Y⋯R⋯X] − → R−Y + X −

Esimerkki SN2 - reaktiosta on etyylibromidin hydrolyysi :

Bimolekylaarisen nukleofiilisen substituution reaktion ehdollinen energiaprofiili on esitetty kaaviossa [2] .

S N 2 : n reaktionopeus riippuu sekä nukleofiilin pitoisuudesta että substraatin pitoisuudesta [3] :

Reaktionopeus = k × [RX] × [Y]

Koska reaktion aikana nukleofiilin hyökkäys voi tapahtua vain yhdeltä puolelta, on reaktion tuloksena saadun tuotteen stereokemiallinen inversio.

Jo vuonna 1895 latvialainen kemisti Paul Walden ("Waldenin kääntyminen") havaitsi tämän vaikutuksen , mutta hän ei osannut selittää sitä [4] . Vuonna 1935 Hughes, tutkiessaan optisesti aktiivisen 2-jodoktaanin reaktiota jodidi-ionin kanssa, havaitsi, että reaktiolla on yleinen toinen kineettinen kertaluokka ja ensimmäinen kunkin reagenssin osalta ja että rasemisaationopeus on kaksi kertaa suurempi kuin nopeus. jodin liittymisestä jodoktaanimolekyyliin [5] . Näin stereokemiallinen S N 2 -sääntö muotoiltiin :

Bimolekulaarisissa nukleofiilisissä substituutioreaktioissa hyökkäävä nukleofiili kääntää stereokemiallisesti molekyylin, jossa se korvaa poistuvan ryhmän .

S N 1 - ja S N 2 -reaktioiden vertailu

Vertailutekijä S N 1 S N 2
 Nopeusreaktio k×[RX] k×[RX]×[Y]
 Stereokemiallinen tulos rasemisoituminen inversio
 Suositeltu liuotin polaarinen protoni polaarinen aproottinen
Substraattirakenteen vaikutus reaktionopeuteen [6]
 CH3 - X reaktio ei tapahdu Oikein hyvä
 R-CH2 - X reaktio ei tapahdu Hyvä
 R2CH - X reaktio on käynnissä reaktio on käynnissä
 R3 C - X Oikein hyvä reaktio ei tapahdu
 R-CH=CH-CH2 - X reaktio on käynnissä Hyvä
 C6H5 - CH2 - X _ _ reaktio on käynnissä Hyvä
 R-CO-CH2 - X reaktio ei tapahdu Loistava
 RO-CH 2 - X Loistava Hyvä
 R2N - CH2 - X Loistava Hyvä

Sekatyyppiset reaktiot S N 1 - S N 2

Kaikki reaktiot eivät pysty selkeästi määrittelemään mekanismia, jolla ne etenevät, koska puhtaat S N 1 tai S N 2 ovat vain ihanteellisia (rajoittavia) mallitapauksia. On muistettava, että sama substraatti voi reagoida saman nukleofiilin kanssa, riippuen reaktio-olosuhteista ja liuottimesta , sekä SN1- että SN2 - mekanismilla .

Esimerkiksi 2-bromipropaanin hydrolyysinopeus kuvataan ottaen huomioon sen esiintymisen sekamekanismi [7] :

CH3 - CHBr-CH3 + HO- → CH3 - CHOH - CH3 + Br- Reaktionopeus = k 1 × [CH 3 CHBrCH 3 ] + k 2 × [ CH 3 CHBrCH 3 ] × [HO - ]

Usein sekamekanismi saadaan aikaan käyttämällä ympäristön nukleofiilejä eli nukleofiilejä, joissa on vähintään kaksi atomia - elektroniparien luovuttajat (esimerkiksi: NO 2 - , CN - , NCO - , SO 3 2- jne.)

Jos substraatti sisältää substituentin, joka sijaitsee lähellä hyökkäävää atomia ja sisältää vapaan elektroniparin, se voi merkittävästi lisätä nukleofiilisen substituutioreaktion nopeutta ja vaikuttaa sen mekanismiin (konfiguraation säilyttämiseen). Tässä tapauksessa puhutaan naapuriryhmän ankimeerisestä avusta (esimerkiksi: COO - , COOR, OCOR, O - , OR, NH 2 , NHR, NR 2 jne.)

Esimerkki ankimeerisestä avusta on 2-bromipropionaatin hydrolyysi:

Huolimatta muodollisesta (yksivaiheisesta) mekanismista S N2 , reaktion aikana muodostuneella tuotteella on sama optinen konfiguraatio kuin alkuperäisellä .

Reaktiot S N i

S N i -reaktion mekanismi eli molekyylinsisäisen nukleofiilisen substituution reaktio ( englanniksi  substituutio nukleofiilinen sisäinen ) etenee useissa vaiheissa analogisesti S N 1 -mekanismin kanssa, mutta osa lähtevästä ryhmästä hyökkää substraatin kimppuun ja irtoaa muista .

Yleinen reaktiokaavio:
1. Substraatin ionisaatio:

2. Nukleofiilinen hyökkäys:

Ensimmäisessä vaiheessa substraatti dissosioituu ns. kontakti-ionipari . Tällaisen parin komponentit ovat hyvin lähellä toisiaan, joten nukleofiili pakotetaan hyökkäämään samalta puolelta, jossa poistuva ryhmä oli aiemmin.

S N i -mekanismin mukaan etenevät reaktiot ovat erittäin harvinaisia. Yksi esimerkki on vanhentunut mekanismi alkoholin vuorovaikutuksesta SOCl 2 :n kanssa : [1]

Kaaviosta voidaan nähdä, että S N i -reaktioissa reaktiokeskuksen konfiguraatio pysyy muuttumattomana. Nyt on todistettu, että liuottimesta riippuen voi esiintyä sekä inversiota että konfiguraation säilymistä (esim. inversio pyridiinillä, retentio dioksaanissa). Konfiguraation säilyminen dioksaanissa selittyy kahdella lähestymistavalla: ensimmäinen lähestymistapa on kaksinkertainen kääntyminen, toinen lähestymistapa tarjoaa mallin ioniparien muodostumiselle.

Reaktiivisuuteen vaikuttavat tekijät

Nukleofiilin luonteen vaikutus

Nukleofiilin luonteella on merkittävä vaikutus substituutioreaktion nopeuteen ja mekanismiin. Tätä vaikutusta kvantitatiivisesti kuvaava tekijä on nukleofiilisyys  – suhteellinen arvo, joka kuvaa reagenssin kykyä vaikuttaa nukleofiilisen substituution kemiallisen reaktion nopeuteen .

Nukleofiilisyys on kineettinen arvo , eli se vaikuttaa vain reaktionopeuteen. Tässä se eroaa olennaisesti emäksisyydestä , joka on termodynaaminen suure [8] ja määrittää tasapainoaseman.

Ihannetapauksessa nukleofiilin luonne ei vaikuta SN1 - reaktion nopeuteen , koska tämän prosessin nopeutta rajoittava vaihe ei riipu tästä. Samalla reagenssin luonne voi vaikuttaa prosessin kulkuun ja reaktion lopputuotteeseen.

S N 2 -reaktioiden osalta voidaan erottaa seuraavat periaatteet, joiden mukaan nukleofiilin luonteen vaikutus määritetään [3] :

  • Negatiivisesti varautunut nukleofiili (esim. NH 2 - ) on aina vahvempi kuin sen konjugaattihappo (NH 3 ), mikäli sillä on myös nukleofiilisiä ominaisuuksia.
  • Kun verrataan nukleofiilejä, joiden hyökkäävät atomit ovat samassa jaksollisen järjestelmän jaksossa. D. I. Mendeleev , muutos heidän vahvuudessaan vastaa muutosta niiden emäksisyydessä:
  • Jaksollisen taulukon alhaalta ylöspäin nukleofiilisyys yleensä laskee:
  • Poikkeus edellisestä kappaleesta:
  • Mitä vapaampi nukleofiili, sitä vahvempi se on.
  • Jos hyökkäyksen kohteena olevan atomin vieressä on vapaita elektronipareja, nukleofiilisyys kasvaa ( α-vaikutus ):

On pidettävä mielessä, että eri reagenssien nukleofiilisyyttä verrataan johonkin valittuun standardiin, edellyttäen, että reaktio-olosuhteet ovat identtiset (termodynaamiset parametrit ja liuotin). Käytännössä S N 2 -reaktioissa käytetään Sven-Scottin yhtälöä [8] :

,

jossa:  - substraatin reaktion nopeusvakiot tietyn nukleofiilin ja veden (tai muun standardin, esimerkiksi metanolin ) kanssa;  -substraatin herkkyysparametri nukleofiilin muutoksille (CH 3 Br tai CH 3 I valitaan standardinukleofiiliksi, kun S = 1);  on nukleofiilisyysparametri.



Poistuvan ryhmän vaikutus

Tekijä, joka kvantitatiivisesti kuvaa lähtevän ryhmän vaikutusta, on nukleofugi  , suhteellinen arvo, joka kuvaa nukleofugin kykyä vaikuttaa nukleofiilisen substituution kemiallisen reaktion nopeuteen.

Nukleofugia kuvaamiseksi on yleensä vaikeaa valita yhtä parametria, joka määrittäisi tyhjentävästi reaktionopeuden riippuvuuden poistuvan ryhmän luonteesta. Usein solvolyysivakioita käytetään nukleofugiteetin mittana SN1 - reaktioissa .

Empiirisesti voidaan ohjata seuraavaa sääntöä - lähtevä ryhmä irtoaa sitä helpommin, mitä stabiilimpi se on itsenäisenä partikkelina [3] .

Hyviä nukleofugeja ovat seuraavat ryhmät:

Liuotinvaikutus

On selvää, että SN1 - reaktioissa mitä korkeampi liuottimen polaarisuus on, sitä suurempi on substituutioreaktion nopeus (neutraaleille substraateille) . Jos substraatilla on positiivinen varaus, havaitaan käänteinen suhde - liuottimen polariteetin lisääntyminen hidastaa reaktiota. Proottisia ja aproottisia liuottimia verrattaessa on huomattava, että jos liuotin pystyy muodostamaan vetysidoksen poistuvan ryhmän kanssa, se lisää neutraalien substraattien nopeutta.

S N 2 -reaktioissa liuottimen vaikutusta on vaikeampi arvioida. Jos siirtymätilassa varaus jakautuu samalla tavalla kuin alkutilassa tai vähenee, aproottiset polaariset liuottimet hidastavat reaktiota. Jos tällainen varaus tapahtuu vain siirtymätilassa, polaariset liuottimet kiihdyttävät reaktiota [3] . Proottiset polaariset liuottimet pystyvät muodostamaan sidoksen anionien kanssa, mikä estää reaktion [7] .

Hyökkäävän atomin koko vaikuttaa myös reaktionopeuteen aproottisissa liuottimissa: pienet atomit ovat nukleofiilisempiä.

Yhteenvetona edellä esitetystä voimme empiirisesti todeta, että useimmilla substraateilla, kun liuottimen polaarisuus kasvaa, SN1-reaktioiden nopeus kasvaa , kun taas S N2 pienenee  .

Joskus liuottimen vaikutus arvioidaan ottamalla huomioon sen ionisointivoimakkuus ( Y ) käyttämällä Winstein-Grunwald-yhtälöä ( 1948 ) [9] :

jossa: - standardisubstraatin solvolyysinopeusvakiot  ( standardina käytetään tert -butyylikloridia ) tietyssä ja standardiliuottimessa (standardina käytetään 80 tilavuusprosenttia etanolia ).

 on substraatin herkkyyden parametri liuottimen ionisoivalle teholle.

Y - arvo joillekin liuottimille [9] : vesi : 3,493; muurahaishappo : 2,054; metanoli : -1,090; etanoli (100 %): -2,033; dimetyyliformamidi : -3.500

On myös vaihtoehtoinen I - parametri, jonka Drugar ja DeCrook esittelivät vuonna 1969. Se on samanlainen kuin Y -tekijä, mutta standardiksi valittiin tri-n-propyyliamiinin ja metyylijodidin välinen S N 2 -reaktio 20 ° C : ssa [ 9 ] .

Tyypillisiä alifaattisia nukleofiilisiä substituutioreaktioita    
Nimi Reaktio
Nukleofiilit: H 2 O, HO - , ROH, RO -
Alkyylihalogenidien hydrolyysi

Asyylihalogenidien hydrolyysi
Esterien hydrolyysi
Alkylointi alkyylihalogenideilla
Eetterien muodostuminen ja transesteröinti
Esterien muodostuminen ja transesteröinti

Nukleofiilit: RCOOH, RCOO -
Alkylointireaktiot

Asylaatioreaktiot

Nukleofiilit: H 2 S, SH - , SR -

Nukleofiilit : NH3 , RNH2 , R2NH
Amiinien alkylointi

Amiinien asylointi

Nukleofiilit: halogeenit ja halogeenijohdannaiset
Halogeeninvaihtoreaktio
Alkyylihalogenidien saaminen alkoholeista

Alkyylihalogenidien valmistus eettereistä ja estereistä

Asyylihalogenidien valmistus

Muut nukleofiilit
Reaktiot metallien ja organometallisten yhdisteiden kanssa

Reaktiot aktiivisen CH2- ryhmän kanssa
Reaktiot, joihin liittyy asetyleeniryhmä

Aromaattiset nukleofiiliset substituutioreaktiot

Aromaattisille systeemeille elektrofiiliset substituutioreaktiot ovat tyypillisempiä . Yleensä ne tulevat nukleofiilisiin substituutioreaktioihin vain vahvan nukleofiilin vaikutuksesta tai melko ankarissa olosuhteissa.

S N Ar -reaktiot (Areenimekanismi)

Reaktiomekanismi S N Ar eli aromaattinen nukleofiilinen substituutioreaktio ( englanniksi  substituution nucleophilic aromatic ) on tärkein aromaattisten yhdisteiden nukleofiilisen substituution reaktioista ja koostuu kahdesta vaiheesta. Ensimmäisessä vaiheessa tapahtuu nukleofiilin lisäys, toisessa vaiheessa tapahtuu nukleofugin pilkkoutuminen. Muuten S N Ar -mekanismia kutsutaan kiinnitys-katkaisumekanismiksi :

Reaktion aikana muodostunutta välikompleksia, joka on joskus melko stabiili, kutsutaan Meisenheimer (Meisenheimer) -kompleksiksi.

On olemassa tutkimuksia, jotka osoittavat Meisenheimer-kompleksiin liittyvien reaktioiden vähäisen esiintyvyyden ja yksivaiheisen mekanismin mukaisen substituutioreaktion vallitsevan esiintymisen. [kymmenen]

Reaktiot S N 1

Reaktiot aromaattisten yhdisteiden S N 1 -mekanismin kanssa ovat erittäin harvinaisia ​​ja ovat itse asiassa tyypillisiä vain diatsoniumsuoloille:

Arine-mekanismi

Kun aryylihalogenidit, jotka eivät sisällä substituentteja, ovat vuorovaikutuksessa vahvojen emästen kanssa (esimerkiksi: NaNH 2 ), substituutio etenee areenimekanismin mukaisesti  - dehydrobentseenin muodostumisvaiheen kautta:

Reaktiot S RN 1

Substituutioradikaali - nukleofiiliset yksimolekyyliset reaktiot - SRN 1 -  ovat melko yleisiä aromaattisissa järjestelmissä .  Näiden reaktioiden mekanismi sisältää vaiheen, joka sisältää vapaita radikaaleja:

Solvatoituneet elektronit käynnistävät ja stimuloivat SRN 1 -reaktiot joko fotokemiallisesti tai sähkökemiallisesti. Radikaalimekanismin läsnäolo ei edellytä aktivoivien ryhmien tai vahvan emäksen läsnäoloa substraatissa tällaisten reaktioiden stimuloimiseksi.

Tyypillisiä aromaattisia nukleofiilisiä substituutioreaktioita

  • Aryylihalogenidien tyypillisiä reaktioita
  • Reaktiot, joihin liittyy diatsoniumsuoloja

Muistiinpanot

  1. 1 2 M. B. Smith, J. March, March's Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms and Structure , 6. painos, Wiley-Interscience, 2007 , ISBN 978-0-471-72091-1
  2. 1 2 Kerry F, Sandberg R. Orgaanisen kemian jatkokurssi: Per. englannista, 2 osaa. - M.: Kemia, 1981.
  3. 1 2 3 4 5 maaliskuu J. Orgaaninen kemia, käänn. englannista, osa 2, - M .: Mir, 1988
  4. Paul Walden - elämäkerta (pääsemätön linkki) . Lyhyt katsaus kemian historiaan . Fysikaalisen kemian laitos, Venäjän valtionyliopisto. Haettu 22. heinäkuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 6. maaliskuuta 2012. 
  5. Butin K.P. Orgaanisten reaktioiden mekanismit: saavutukset ja näkymät (pdf). Venäjän kemian seuran lehti. D. I. Mendelejev, nro 2, 2001 . Kemian tietoverkko ChemNet. Haettu 20. heinäkuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 3. huhtikuuta 2012.
  6. Nenaidenko V. G. Alifaattinen nukleofiilinen substituutio. Luento nro 18 (pdf). Havainnollistava materiaali luentokurssille "Orgaaninen kemia" . Chemical Information Network ChemNet (2003). Haettu 20. heinäkuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 3. huhtikuuta 2012.
  7. 1 2 Traven V. F. Organic Chemistry, M .: ICC "Akademkniga", 2004. - ISBN 5-94628-068-6 .
  8. 1 2 Kemiallinen tietosanakirja./ Nukleofiiliset reaktiot. // Päätoimittaja I. L. Knunyants. - M .: "Neuvostoliiton tietosanakirja", 1988. - T. 3.
  9. 1 2 3 Samuilov Ya. D., Cherezova E. N. Orgaanisten yhdisteiden reaktiivisuus. Opetusohjelma (pdf)  (linkki ei saatavilla) . Multimedialehti “Kemia ja tietokonemallinnus. Butlerovin viestit. (2003). Haettu 23. heinäkuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 3. huhtikuuta 2012.
  10. [ E. Kwan, Yuwen Zeng, Harrison A. Besser & Eric N. Jacobsen. ] Sovitetut nukleofiiliset aromaattiset substituutiot  . Nature Chemistry voi. 10, sivut 917–923 (2018) . Chemistry & Chemical Biology, Harvard University, Cambridge, MA, USA (16. heinäkuuta 2018). Haettu 15. lokakuuta 2018. Arkistoitu alkuperäisestä 2. lokakuuta 2018.