Nukleofil szubsztitúciós reakciók

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. február 1-jén felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 7 szerkesztést igényelnek .

Nukleofil szubsztitúciós reakciók - szubsztitúciós reakciók , amelyekben a támadást egy nukleofil hajtja végre -  egy nem megosztott elektronpárt  hordozó reagens . [1] A nukleofil szubsztitúciós reakciók kilépő csoportját nukleofugnak nevezik .

Minden nukleofil Lewis bázis .

A nukleofil szubsztitúciós reakciók általános képe:

R−X + Y− → R−Y + X− (ahol Y egy anionos nukleofil ) R−X + Y−Z → R−Y + X−Z (ahol Y−Z semleges nukleofil)

Alifás nukleofil szubsztitúciós reakciók

Reakciók S N 1

Az S N 1 reakció vagy a monomolekuláris nukleofil szubsztitúció reakciója ( angolul  substitution nucleophilic unimolecular ) a következő szakaszokból áll:

1. A szubsztrát ionizálása karbokation képződésével (lassú szakasz):

R−X → R + + X−

2. A karbokáció nukleofil támadása (gyors stádium):

R + + Y − → R − Y

vagy (ha a nukleofil semleges részecske):

R + + Y−Z → R−Y + −Z

3. A kation eltávolítása (gyors szakasz):

R−Y + −Z → R−Y + Z +

Az S N1 reakcióra példa a terc - butil-bromid hidrolízise :

A monomolekuláris nukleofil szubsztitúció reakciójának feltételes energiaprofilja a [2] ábrán látható .

Az S N 1 reakciósebesség (egyszerűsített formában) nem függ a nukleofil koncentrációjától, és egyenesen arányos a szubsztrát koncentrációjával [3] :

Reakciósebesség = k × [RX]

Mivel a reakció során karbokation képződik , ennek (ideális körülmények között, a szubsztituensek befolyásának figyelembe vétele nélkül) történő támadása a nukleofil mindkét oldalról történhet, ami a keletkező termék racemizálódásához vezet.

Fontos szem előtt tartani, hogy az S N 1 mechanizmus csak a közbenső karbokation relatív stabilitása esetén valósul meg, ezért csak tercier ((R) 3 C-X) és szekunder ((R) 2 CH-X) alkil. a származékok általában ezen az úton reagálnak.

Reakciók S N 2

Az S N 2 reakció vagy a bimolekuláris nukleofil szubsztitúció ( angolul  substitution nucleophilic bimolecular ) mechanizmusa egy szakaszban megy végbe, közbenső termék képződése nélkül . Ebben az esetben a nukleofil támadása és a távozó csoport eliminációja egyszerre történik:

R−X + Y − → [Y⋯R⋯X] − → R−Y + X −

Az S N2 reakcióra példa az etil - bromid hidrolízise :

A bimolekuláris nukleofil szubsztitúció reakciójának feltételes energiaprofilja a [2] diagramon látható .

Az S N 2 reakciósebessége mind a nukleofil, mind a szubsztrát koncentrációjától függ [3] :

Reakciósebesség = k × [RX] × [Y]

Mivel a reakció során a nukleofil támadása csak az egyik oldalról történhet, a reakció eredménye a keletkező termék sztereokémiai inverziója.

Ezt a hatást már 1895- ben felfedezte Paul Walden lett kémikus ("Walden megtérése"), de nem tudta megmagyarázni [4] . 1935 -ben Hughes, az optikailag aktív 2-jódoktán és a jodidion reakcióját vizsgálva, megállapította, hogy a reakció általános kinetikai sorrendben másodrendű, és mindegyik reagens esetében az első, és azt is, hogy a racemizációs sebesség kétszerese a sebességnek. a jód beépülése a jodoktán molekulába [5] . Így fogalmazták meg a sztereokémiai S N 2 szabályt :

A bimolekuláris nukleofil szubsztitúciós reakciókban a támadó nukleofil sztereokémiailag megfordítja azt a molekulát, amelyben a távozó csoportot helyettesíti .

S N 1 és S N 2 reakciók összehasonlítása

Összehasonlító tényező S N 1 S N 2
 Sebességreakció k×[RX] k×[RX]×[Y]
 Sztereokémiai eredmény racemizáció inverzió
 Előnyben részesített oldószer poláris proton poláris aprotikus
A szubsztrátum szerkezetének hatása a reakciósebességre [6]
 CH3 - X reakció nem megy végbe nagyon jó
 R-CH2 - X reakció nem megy végbe
 R2 CH- X zajlik a reakció zajlik a reakció
 R 3 C-X nagyon jó reakció nem megy végbe
 R-CH=CH-CH2 - X zajlik a reakció
C6H5  - CH2 - X _ _ zajlik a reakció
 R-CO-CH2 - X reakció nem megy végbe Nagy
 RO-CH 2 - X Nagy
 R2N - CH2 - X Nagy

Vegyes típusú reakciók S N 1 - S N 2

Nem minden reakció képes egyértelműen meghatározni a folyamat mechanizmusát, mivel a tiszta S N 1 vagy S N 2 csak ideális (korlátozó) modellesetek. Emlékeztetni kell arra, hogy ugyanaz a szubsztrát reagálhat ugyanazzal a nukleofillel, a reakciókörülményektől és az oldószertől függően, mind az S N 1 , mind az S N 2 mechanizmus révén .

Például a 2-bróm-propán hidrolízisének sebességét leírják, figyelembe véve előfordulásának vegyes mechanizmusát [7] :

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

Gyakran vegyes mechanizmust váltanak ki ambident nukleofilek , azaz legalább két atommal rendelkező nukleofilek - elektronpárok donorai (például: NO 2 - , CN - , NCO - , SO 3 2- stb.)

Ha a szubsztrát a megtámadt atom közelében elhelyezkedő és szabad elektronpárt hordozó szubsztituenst tartalmaz, az jelentősen megnövelheti a nukleofil szubsztitúciós reakció sebességét, és befolyásolhatja annak mechanizmusát (konfiguráció megtartása). Ebben az esetben a szomszédos csoport ankiméra segítségéről beszélünk (például: COO - , COOR, OCOR, O - , OR, NH 2 , NHR, NR 2 stb.)

Az ankiméra segítségre példa a 2-bróm-propionát hidrolízise:

A formális (egylépcsős) S N 2 mechanizmus ellenére a reakció során keletkező termék optikai konfigurációja megegyezik a kezdeti termékkel.

Reakciók S N i

Az S N i reakció vagy az intramolekuláris nukleofil szubsztitúció ( angolul  substitution nucleophilic internal ) mechanizmusa az S N 1 mechanizmussal analóg módon több lépcsőben megy végbe , azonban a kilépő csoport egy része megtámadja a szubsztrátot, elszakadva a többitől. .

Általános reakcióséma:
1. Szubsztrát ionizáció:

2. Nukleofil támadás:

Az első szakaszban a szubsztrát disszociál az ún. kontakt ionpár . Egy ilyen pár komponensei nagyon közel vannak egymáshoz, így a nukleofil ugyanarról az oldalról kénytelen támadni, ahol korábban a távozó csoport volt.

Az S N i mechanizmus szerint lezajló reakciók rendkívül ritkák. Az egyik példa az alkohol és a SOCl 2 kölcsönhatásának elavult mechanizmusa : [1]

A sémából látható, hogy S N i reakciókban a reakciócentrum konfigurációja változatlan marad. Mára bebizonyosodott, hogy az oldószertől függően előfordulhat inverzió és konfiguráció megtartása is (pl.: inverzió piridinnel, retenció dioxánban). A konfiguráció konzerválását dioxánban két megközelítés magyarázza: az első megközelítés szerint kettős fordulat következik be, a második megközelítés az ionpárok kialakulására kínál modellt.

Reaktivitást befolyásoló tényezők

A nukleofil természetének hatása

A nukleofil természete jelentős hatással van a szubsztitúciós reakció sebességére és mechanizmusára. Ezt a hatást kvantitatívan leíró tényező a nukleofilitás  – egy relatív érték, amely a reagens azon képességét jellemzi, hogy befolyásolja a nukleofil szubsztitúciós kémiai reakció sebességét .

A nukleofilitás kinetikai érték , azaz csak a reakciósebességet befolyásolja. Ebben alapvetően eltér a bázikusságtól , amely egy termodinamikai mennyiség [8] , és meghatározza az egyensúlyi helyzetet.

Ideális esetben a nukleofil természete nem befolyásolja az S N 1 reakció sebességét, mivel ennek a folyamatnak a sebességkorlátozó lépése nem ettől függ. Ugyanakkor a reagens jellege befolyásolhatja a folyamat lefolyását és a reakció végtermékét.

Az S N 2 reakciókra a következő elvek különböztethetők meg, amelyek szerint a nukleofil természetének befolyása meghatározható [3] :

  • A negatív töltésű nukleofil (pl. NH 2 - ) mindig erősebb, mint a konjugált sav (NH 3 ), feltéve, hogy nukleofil tulajdonságokat is mutat.
  • Ha összehasonlítjuk azokat a nukleofileket, amelyek támadó atomjai a periódusos rendszer azonos periódusában vannak. D. I. Mengyelejev , az erejükben bekövetkezett változás megegyezik az alapvetőségük megváltozásával:
  • A periódusos rendszerben alulról felfelé a nukleofilitás általában csökken:
  • Kivétel az előző bekezdéstől:
  • Minél szabadabb a nukleofil, annál erősebb.
  • Ha szabad elektronpárok vannak a megtámadt atom mellett, akkor a nukleofilitás nő ( α-hatás ):

Nem szabad megfeledkezni arról, hogy a különböző reagensek nukleofilitását valamilyen választott standardhoz viszonyítják, feltéve, hogy a reakciókörülmények azonosak (termodinamikai paraméterek és oldószer). A gyakorlatban az S N 2 reakciókhoz a Sven-Scott egyenletet használják [8] :

,

ahol:  - a szubsztrát adott nukleofil és víz (vagy más standard, például metanol ) reakciójának sebességi állandói;  — a szubsztrát érzékenységi paramétere a nukleofil változásaira (a CH 3 Br vagy a CH 3 I a standard nukleofil, ha S = 1);  a nukleofilitás paramétere.



A kilépő csoport hatása

A kilépő csoport hatását kvantitatívan leíró tényező a nukleofuge  , egy relatív érték, amely a nukleofúg azon képességét jellemzi, hogy befolyásolja a nukleofil szubsztitúció kémiai reakciójának sebességét.

A nukleofugitás leírásához általában nehéz olyan paramétert választani, amely kimerítően meghatározná a reakciósebesség függését a távozó csoport természetétől. Gyakran a szolvolízis állandókat használják az S N 1 reakciók nukleofugitásának mérésére .

Empirikusan a következő szabályhoz vezethető vissza: a kilépő csoport minél könnyebben válik le, annál stabilabb független részecskeként [3] .

A jó nukleofúgok a következő csoportok:

Oldószer hatás

Nyilvánvaló, hogy az S N 1 reakcióknál minél nagyobb az oldószer polaritása , annál nagyobb a szubsztitúciós reakció sebessége (semleges szubsztrátok esetén). Ha a szubsztrát pozitív töltést hordoz, fordított összefüggés figyelhető meg - az oldószer polaritásának növekedése lelassítja a reakciót. A protikus és aprotikus oldószerek összehasonlításakor meg kell jegyezni, hogy ha az oldószer képes hidrogénkötést kialakítani a kilépő csoporttal, az növeli a sebességet semleges szubsztrátok esetén.

S N 2 reakciók esetén az oldószer hatása nehezebben értékelhető. Ha átmeneti állapotban a töltés a kiindulási állapothoz hasonlóan oszlik el, vagy csökken, az aprotikus poláris oldószerek lelassítják a reakciót. Ha ilyen töltés csak átmeneti állapotban következik be, a poláris oldószerek felgyorsítják a reakciót [3] . A protikus poláris oldószerek anionokkal képesek kötést kialakítani, ami akadályozza a reakciót [7] .

A támadó atom mérete is befolyásolja a reakció sebességét aprotikus oldószerekben: a kis atomok nukleofilebbek.

A fentieket összefoglalva tapasztalatilag megállapíthatjuk, hogy a legtöbb szubsztrátum esetében az oldószer polaritásának növekedésével az S N 1 reakciók sebessége nő, míg az S N 2  csökken.

Néha egy oldószer hatását úgy becsülik meg, hogy figyelembe veszik az ionizáló erősségét ( Y ) a Winstein-Grunwald egyenlet ( 1948 ) segítségével [9] :

ahol: - standard szubsztrát szolvolízis  sebességi állandói ( standardként terc -butil-kloridot használnak ) adott és standard oldószerben (80 térfogatszázalék etanolt használunk standardként ).

 a szubsztrát oldószer ionizáló erejére való érzékenységének paramétere.

Egyes oldószerek Y értéke [9] : víz : 3,493; hangyasav : 2,054; metanol : -1,090; etanol (100%): -2,033; dimetil -formamid : -3.500

Van egy alternatív I - paraméter is, amelyet 1969-ben Drugar és DeCrook vezetett be. Hasonló az Y -faktorhoz, de standardnak a tri-n-propil-amin és metil-jodid közötti S N 2 reakciót választottuk 20 ° C - on [ 9 ] .

Tipikus alifás nukleofil szubsztitúciós reakciók    
Név Reakció
Nukleofilek: H 2 O, HO - , ROH, RO -
Alkil-halogenidek hidrolízise

Acil-halogenidek hidrolízise
Észterek hidrolízise
Alkilezés alkil-halogenidekkel
Éterek képződése és átészterezése
Észterek képződése és átészterezése

Nukleofilek: RCOOH, RCOO -
Alkilezési reakciók

Acilezési reakciók

Nukleofilek: H 2 S, SH - , SR -

Nukleofilek: NH 3 , RNH 2 , R 2 NH
Aminok alkilezése

Aminok acilezése

Nukleofilek: halogének és halogénszármazékok
Halogéncsere reakció
Alkil-halogenidek kinyerése alkoholokból

Alkil-halogenidek előállítása éterekből és észterekből

Acil-halogenidek előállítása

Egyéb nukleofilek
Reakciók fémekkel és fémorganikus vegyületekkel

Reakciók aktív CH 2 csoporttal
Az acetiléncsoportot érintő reakciók

Aromás nukleofil szubsztitúciós reakciók

Az aromás rendszerekre jellemzőbbek az elektrofil szubsztitúciós reakciók . Nukleofil szubsztitúciós reakciókba általában csak erős nukleofil hatására vagy meglehetősen zord körülmények között lépnek fel.

S N Ar reakciók (Arén mechanizmus)

Az aromás vegyületek nukleofil szubsztitúciós reakciói közül a legfontosabb az S N Ar vagy aromás nukleofil szubsztitúciós reakció ( angolul  substitution nucleophilic aromatic ) és két szakaszból áll. Az első szakaszban a nukleofil hozzáadása következik be, a második szakaszban a nukleofúg hasítása következik be. Egyébként az S N Ar mechanizmust csatolás-hasítási mechanizmusnak nevezzük :

A reakció során képződő, néha meglehetősen stabil intermedier komplexet Meisenheimer (Meisenheimer) komplexnek nevezik.

Vannak olyan tanulmányok, amelyek a Meisenheimer komplexet érintő reakciók alacsony előfordulását és a szubsztitúciós reakció domináns előfordulását mutatják egylépcsős mechanizmus szerint. [tíz]

Reakciók S N 1

Az aromás vegyületek esetében az S N 1 mechanizmussal való reakciók rendkívül ritkák, és valójában csak a diazóniumsókra jellemzőek:

Arine mechanizmus

Amikor szubsztituenst nem tartalmazó aril-halogenidek kölcsönhatásba lépnek erős bázisokkal (például: NaNH 2 ), a szubsztitúció az arin mechanizmus szerint megy végbe  - a dehidrobenzol képződési szakaszán keresztül:

Reakciók S RN 1

A szubsztitúciós gyök-nukleofil egymolekuláris reakciók - SRN 1 - meglehetősen gyakoriak  az aromás rendszerek között .  E reakciók mechanizmusa magában foglal egy lépést, amelyben szabad gyökök vesznek részt:

Az S RN 1 reakciókat szolvatált elektronok indítják be és stimulálják, akár fotokémiai, akár elektrokémiai úton. A gyökös mechanizmus jelenléte nem igényli aktiváló csoportok vagy erős bázis jelenlétét a szubsztrátumban az ilyen reakciók stimulálásához.

Tipikus aromás nukleofil szubsztitúciós reakciók

  • Az aril-halogenidek jellemző reakciói
  • Diazóniumsókat érintő reakciók

Jegyzetek

  1. 1 2 M. B. Smith, J. March, March's Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms and Structure , 6. kiadás, Wiley-Interscience, 2007 , ISBN 978-0-471-72091-1
  2. 1 2 Kerry F, Sandberg R. Szerves kémia haladó tanfolyam: Per. angolból, 2 kötetben. — M.: Kémia, 1981.
  3. 1 2 3 4 5 március J. Szerves kémia, ford. angolból, 2. kötet, - M .: Mir, 1988
  4. Paul Walden - életrajz (elérhetetlen link) . A kémia történetének rövid vázlata . Fizikai Kémia Tanszék, Orosz Állami Egyetem. Letöltve: 2009. július 22. Az eredetiből archiválva : 2012. március 6.. 
  5. Butin K.P. Szerves reakciók mechanizmusai: eredmények és kilátások (pdf). Az Orosz Kémiai Társaság folyóirata. D. I. Mengyelejev, 2001. 2. szám . ChemNet kémiai információs hálózat. Letöltve: 2009. július 20. Az eredetiből archiválva : 2012. április 3..
  6. Nenaidenko V. G. Alifás nukleofil szubsztitúció. 18. számú előadás (pdf). Szemléltető anyag a "Szerves kémia" előadásokhoz . ChemNet Chemical Information Network (2003). Letöltve: 2009. július 20. Az eredetiből archiválva : 2012. április 3..
  7. 1 2 Traven V. F. Organic Chemistry, M .: ICC "Akademkniga", 2004. - ISBN 5-94628-068-6 .
  8. 1 2 Kémiai enciklopédia./ Nukleofil reakciók. // Főszerkesztő I. L. Knunyants. - M .: "Szovjet Enciklopédia", 1988. - T. 3.
  9. 1 2 3 Samuilov Ya. D., Cherezova E. N. Szerves vegyületek reakciókészsége. Oktatóanyag (pdf)  (nem elérhető link) . Multimédiás folyóirat „Kémia és számítógépes modellezés. Butlerov üzenetei. (2003). Letöltve: 2009. július 23. Az eredetiből archiválva : 2012. április 3.
  10. [ E. Kwan, Yuwen Zeng, Harrison A. Besser és Eric N. Jacobsen. ] Összehangolt nukleofil aromás szubsztitúciók  . Nature Chemistry vol. 10., 917–923. oldal (2018) . Kémiai és Kémiai Biológiai Tanszék, Harvard Egyetem, Cambridge, MA, USA (2018. július 16.). Letöltve: 2018. október 15. Az eredetiből archiválva : 2018. október 2..