Nukleofil substitusjon

En nukleofil substitusjon er en klasse av kjemiske reaksjoner der elektronrike kjemiske stoffer (kjent som en nukleofil) erstatter en funksjonell gruppe i et elektronfattig molekyl (kjent som elektrofil). Molekylet som inneholder elektrofilen og den forlatende funksjonelle gruppen kalles substratet.[1][2]

Den mest generelle reaksjonsformen kan gis som:

Elektronparet (:) fra nukleofilen (Nuc) angriper substratet (R-LG) og binder seg til det. Samtidig forlater den utgående gruppen (LG) med et elektronpar. Hovedproduktet i dette tilfellet er R-Nuc. Nukleofilen kan være elektrisk nøytral eller negativt ladet, mens substratet vanligvis er nøytralt eller positivt ladet.

Et eksempel på nukleofil substitusjon er hydrolysen av et alkylbromid, R-Br under basiske forhold, der den angripende nukleofilen er OH- og den forlate gruppen er Br-.

Nukleofile substitusjonsreaksjoner er vanlige i organisk kjemi. Nukleofiler angriper ofte et mettet alifatisk karbon. Noen ganger kan de angripe et aromatisk eller umettet karbon.[3]

Mettet karbon sentreRediger

SN1 og SN2 reaksjonerRediger

 
En graf som viser de relative reaktivitetene til de forskjellige alkylhalogenidene mot SN1- og SN2-reaksjoner.

I 1935 studerte Edward D. Hughes og Sir Christopher Ingold nukleofile substitusjonsreaksjoner av alkylhalogenider og beslektede forbindelser. De foreslo at det var to hovedmekanismer på jobb, begge konkurrerte med hverandre. De to hovedmekanismene var SN1-reaksjonen og SN2-reaksjonen, hvor S står for erstatning, N står for nukleofil, og tallet representerer den kinetiske rekkefølgen av reaksjonen.[4]

I SN2-reaksjonen skjer tilsetningen av nukleofilen og eliminering av den forlate gruppen samtidig (dvs. en samordnet reaksjon). SN2 oppstår når det sentrale karbonatomet er lett tilgjengelig for nukleofilen.

Nukleofil substitusjon ved karbon
 
 
SN2 mekanisme

I SN2-reaksjoner er det noen få forhold som påvirker reaksjonshastigheten. Først og fremst antyder 2 i SN2 at det er to konsentrasjoner av stoffer som påvirker reaksjonshastigheten: substrat (Sub) og nukleofil. Hastighetsligningen for denne reaksjonen vil være  . For en SN2-reaksjon er et aprotisk løsningsmiddel best, slik som aceton, DMF eller DMSO. Aprotiske løsemidler tilfører ikke protoner (H+ -ioner) i løsningen; hvis protoner var til stede i SN2-reaksjoner, ville de reagere med nukleofilen og begrense reaksjonshastigheten sterkt. Siden denne reaksjonen skjer i ett trinn, driver steriske effekter reaksjonshastigheten. I mellomtrinnet er nukleofilen 185 grader fra den utgående gruppen, og stereokjemien blir invertert som nukleofile bindinger for å lage produktet. Dessuten, fordi mellomproduktet er delvis bundet til nukleofilen og den utgående gruppen, er det ikke tid for substratet å omorganisere seg selv: Nukleofilen vil binde seg til det samme karbonet som den utgående gruppen var festet til. En siste faktor som påvirker reaksjonshastigheten er nukleofilisitet; nukleofilen må angripe et annet atom enn et hydrogen.

Derimot involverer SN1-reaksjonen to trinn. SN1-reaksjoner har en tendens til å være viktige når det sentrale karbonatomet i substratet er omgitt av store grupper, både fordi slike grupper forstyrrer sterisk med SN2-reaksjonen (diskutert ovenfor) og fordi et høyt substituert karbon danner en stabil karbonkation.

Nukleofil substitusjon ved karbon
 
SN1 mekanisme

I likhet med SN2-reaksjoner er det ganske mange faktorer som påvirker reaksjonshastigheten til SN1-reaksjoner. I stedet for å ha to konsentrasjoner som påvirker reaksjonshastigheten, er det bare ett substrat. Hastighetsligningen for dette vil være  . Siden hastigheten til en reaksjon bare bestemmes av sitt tregeste trinn, bestemmer hastigheten med hvilken den forlater gruppen "forlater" reaksjonshastigheten. Dette betyr at jo lettere den forlate gruppen, jo raskere reaksjonshastighet. En generell regel for hva som gjør en god forlatende gruppe er jo svakere den konjugerte basen er, jo bedre er den forlater gruppen. I dette tilfellet vil halogener være de best utgående gruppene, mens forbindelser som aminer, hydrogen og alkaner vil være ganske dårlige utgående grupper. Siden SN2-reaksjoner ble påvirket av steriske stoffer, bestemmes SN1-reaksjoner av store grupper festet til karbonkationet. Siden det er et mellomprodukt som faktisk inneholder en positiv ladning, vil store grupper som er festet, bidra til å stabilisere ladningen på karboknkationet gjennom resonans og distribusjon av ladning. I dette tilfellet vil tertiær karbonkationer reagere raskere enn en sekundær som vil reagere mye raskere enn en primær. Det er også på grunn av dette karboknkationmellemproduktet at produktet ikke trenger å ha invertering. Nukleofilen kan angripe fra toppen eller bunnen og derfor skape et rasemisk produkt. Det er viktig å bruke et protisk løsningsmiddel, vann og alkoholer, siden et aprotisk løsemiddel kan angripe mellomproduktet og forårsake uønskede produkter. Det spiller ingen rolle om hydrogenene fra det protiske løsningsmiddel reagerer med nukleofilen, siden nukleofilen ikke er involvert i det hastighetsbestemmende trinnet.

Nukleofile substitusjoner på RX (et alkylhalogenid eller tilsvarende)
Faktor SN1 SN2 Kommentarer
Kinetikk Rate = k[RX] Rate = k[RX][Nuc]
Primær alkyl Aldri med mindre flere stabiliserende grupper er til stede Bra med mindre det brukes en hindret nukleofil
Sekundær alkyl Moderat Moderat
Tertiær alkyl Utmerket Aldri Eliminering sannsynlig ved oppvarming eller hvis sterk base brukes
Utgående gruppe Viktig Viktig For halogener,
I > Br > Cl >> F
Nukleofilisitet Uviktig Viktig
Foretrukket løsningsmiddel Polar protisk Polar aprotisk
Stereokjemi Racemisering (+ delvis inversjon mulig) Inversjon
Omlegginger Vanlig Sjelden Side reaksjon
Eliminasjoner Vanlig, spesielt med grunnleggende nukleofiler Bare med varme og basiske nukleofiler Side reaksjon spesielt ved oppvarming

ReaksjonerRediger

Det er mange reaksjoner i organisk kjemi som involverer denne typen mekanismer. Vanlige eksempler inkluderer:

  • Organiske reduksjoner med hydrider:
    • R-X → R-H med bruk av LiAlH4   (SN2)
  • Hydrolysereaksjoner:
    • R-Br + OH → R-OH + Br (SN2) eller
    • R-Br + H2O → R-OH + HBr   (SN1)
  • Williamson etersyntese
    • R-Br + OR' → R-OR' + Br   (SN2)
  • Wenker-syntesen, en ringlukkende reaksjon av aminoalkoholer.
  • Finkelstein-reaksjonen, en halide-utvekslingsreaksjon. Fosfornukleofiler vises i Perkow-reaksjonen og Michaelis – Arbuzov-reaksjonen.
  • Kolbe-nitrilsyntesen, reaksjonen av alkylhalogenider med cyanider.

Borderline mekanismenRediger

Et eksempel på en substitusjonsreaksjon som finner sted ved en såkalt borderline-mekanisme som opprinnelig studert av Hughes og Ingold[5] er reaksjonen av 1-fenyletylklorid med natriummetoksid i metanol.

 

Reaksjonshastigheten er funnet til summen av SN1 og SN2 komponenter med 61% (3,5 M, 70 °C).

ReferanserRediger

  1. ^ Norcross, Bruce E. (Februar 1993). «Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure, 4th ed. (March, Jerry)». Journal of Chemical Education. 2 (engelsk). 70: A51. ISSN 0021-9584. doi:10.1021/ed070pA51.1. Besøkt 19. april 2021. 
  2. ^ Rossi, Roberto A. (1983). Aromatic substitution by the S[Subscript RN]1 mechanism. Washington, D.C.: American Chemical Society. ISBN 0-8412-0648-1. OCLC 9084253. 
  3. ^ Wade, L. G. (1987). Organic chemistry. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall. ISBN 0-13-640301-8. OCLC 14377287. 
  4. ^ Hartshorn, S. R. (1973). Aliphatic nucleophilic substitution. Cambridge [England]: University Press. ISBN 0-521-20177-2. OCLC 722890. 
  5. ^ Hughes, Edward D.; Ingold, Christopher K.; Scott, Alan D. (1. januar 1937). «253. Reaction kinetics and the Walden inversion. Part II. Homogeneous hydrolysis, alcoholysis, and ammonolysis of α-phenylethyl halides». Journal of the Chemical Society (Resumed). 0 (engelsk): 1201–1208. ISSN 0368-1769. doi:10.1039/JR9370001201. Besøkt 19. april 2021.