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)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 − Yvagy (ha a nukleofil semleges részecske):
R + + Y−Z → R−Y + −Z3. 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.
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 .
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 | Jó |
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 | Jó |
C6H5 - CH2 - X _ _ | zajlik a reakció | Jó |
R-CO-CH2 - X | reakció nem megy végbe | Nagy |
RO-CH 2 - X | Nagy | Jó |
R2N - CH2 - X | Nagy | Jó |
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.
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.
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] :
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 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 reakciókNév | 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 |
Az aromás rendszerekre jellemzőbbek az elektrofil szubsztitúciós reakciók . Nukleofil szubsztitúciós reakciókba általában csak erős nukleofil hatására vagy meglehetősen zord körülmények között lépnek fel.
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]
Az aromás vegyületek esetében az S N 1 mechanizmussal való reakciók rendkívül ritkák, és valójában csak a diazóniumsókra jellemzőek:
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:
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.
![]() | |
---|---|
Bibliográfiai katalógusokban |
Kémiai reakciók a szerves kémiában | |
---|---|
Szubsztitúciós reakciók | |
Addíciós reakciók | |
Eliminációs reakciók |
|
átrendeződési reakciók |
|
Oxidációs és redukciós reakciók |
|
Egyéb | Névleges reakciók a szerves kémiában |