stringtranslate.com

Нуклеофильное замещение

В химии нуклеофильное замещение ( SN ) — это класс химических реакций , в которых химические частицы , богатые электронами (известные как нуклеофилы ), замещают функциональную группу в другой молекуле с дефицитом электронов (известной как электрофилы ). Молекула, содержащая электрофил и уходящую функциональную группу , называется субстратом . [ 1] [2]

Наиболее общую форму реакции можно представить следующим образом:

Электронная пара ( : ) от нуклеофила (Nuc) атакует субстрат ( R−LG ) и связывается с ним. Одновременно уходящая группа (LG) уходит с электронной парой. Основным продуктом в этом случае является R−Nuc . Нуклеофил может быть электрически нейтральным или отрицательно заряженным, тогда как субстрат обычно нейтрален или положительно заряжен.

Примером нуклеофильного замещения является гидролиз алкилбромида R-Br в основных условиях , где атакующим нуклеофилом является гидроксил ( OH− ) , а уходящей группой является бромид ( Br− ).

Реакции нуклеофильного замещения распространены в органической химии . Нуклеофилы часто атакуют насыщенный алифатический углерод. Реже они могут атаковать ароматический или ненасыщенный углерод. [3]

Насыщенные углеродные центры

СН1 и СН2 реакции

График, показывающий относительную реакционную способность различных алкилгалогенидов в реакциях S N 1 и S N 2 (см. также таблицу 1).

В 1935 году Эдвард Д. Хьюз и сэр Кристофер Ингольд изучали реакции нуклеофильного замещения алкилгалогенидов и родственных соединений. Они предположили, что действуют два основных механизма, оба из которых конкурируют друг с другом. Двумя основными механизмами были реакция S N 1 и реакция S N 2 , где S обозначает замещение, N обозначает нуклеофильный, а число представляет кинетический порядок реакции. [4]

В реакции S N 2 присоединение нуклеофила и отщепление уходящей группы происходят одновременно (т.е. согласованная реакция ). S N 2 происходит, когда центральный атом углерода легко доступен нуклеофилу. [5]

В реакциях S N 2 есть несколько условий, которые влияют на скорость реакции. Прежде всего, 2 в S N 2 подразумевает, что есть две концентрации веществ, которые влияют на скорость реакции: субстрат (Sub) и нуклеофил. Уравнение скорости для этой реакции будет Rate=k[Sub][Nuc]. Для реакции S N 2 наилучшим является апротонный растворитель , такой как ацетон, ДМФА или ДМСО. Апротонные растворители не добавляют протоны (ионы H + ) в раствор; если бы протоны присутствовали в реакциях S N 2, они бы реагировали с нуклеофилом и серьезно ограничивали скорость реакции. Поскольку эта реакция происходит в один этап, стерические эффекты управляют скоростью реакции. На промежуточном этапе нуклеофил находится под углом 185 градусов к уходящей группе, и стереохимия инвертируется, поскольку нуклеофильные связи образуют продукт. Кроме того, поскольку промежуточное соединение частично связано с нуклеофилом и уходящей группой, у субстрата нет времени перестроиться: нуклеофил свяжется с тем же углеродом, к которому была присоединена уходящая группа. Последним фактором, влияющим на скорость реакции, является нуклеофильность; нуклеофил должен атаковать атом, отличный от водорода.

Напротив, реакция S N 1 включает два этапа. Реакции S N 1, как правило, важны, когда центральный атом углерода субстрата окружен объемными группами, как потому, что такие группы стерически мешают реакции S N 2 (обсуждавшейся выше), так и потому, что высокозамещенный углерод образует стабильный карбокатион .

Как и в случае реакций S N 2, существует довольно много факторов, которые влияют на скорость реакции реакций S N 1. Вместо двух концентраций, которые влияют на скорость реакции, есть только одна — субстрат. Уравнение скорости для этого будет Rate=k[Sub]. Поскольку скорость реакции определяется только ее самым медленным шагом, скорость, с которой уходящая группа «уходит», определяет скорость реакции. Это означает, что чем лучше уходящая группа, тем выше скорость реакции. Общее правило для того, что делает хорошую уходящую группу, заключается в том, что чем слабее сопряженное основание, тем лучше уходящая группа. В этом случае галогены будут лучшими уходящими группами, в то время как такие соединения, как амины, водород и алканы, будут довольно плохими уходящими группами. Поскольку реакции S N 2 были затронуты стерическими факторами, реакции S N 1 определяются объемными группами, присоединенными к карбокатиону. Поскольку есть промежуточное вещество, которое фактически содержит положительный заряд, присоединенные объемные группы помогут стабилизировать заряд на карбокатионе посредством резонанса и распределения заряда. В этом случае третичный карбокатион будет реагировать быстрее, чем вторичный, который будет реагировать намного быстрее, чем первичный. Также из-за этого промежуточного карбокатиона продукт не должен иметь инверсию. Нуклеофил может атаковать сверху или снизу и, следовательно, создавать рацемический продукт. Важно использовать протонный растворитель, воду и спирты, так как апротонный растворитель может атаковать промежуточный продукт и вызывать нежелательный продукт. Не имеет значения, реагируют ли водороды из протонного растворителя с нуклеофилом, так как нуклеофил не участвует в этапе определения скорости.

Реакции

В органической химии существует множество реакций, включающих этот тип механизма. Распространенные примеры включают:

R−X → R−H с использованием LiAlH 4   (S N 2)
R−Br + OH − → R−OH + Br − (S N 2) или
R−Br + H2O → R−OH + HBr   (S N 1)
Р−Бр + ОР' − → Р−ОР' + Бр −   (С Н 2)

Пограничный механизм

Примером реакции замещения, протекающей по так называемому пограничному механизму , первоначально изученному Хьюзом и Ингольдом [6], является реакция 1-фенилэтилхлорида с метилатом натрия в метаноле.

метанолиз 1-фенилэтилхлорида

Скорость реакции определяется как сумма компонентов S N 1 и S N 2, причем 61% (3,5 М, 70 °C) приходится на последний.

Другие механизмы

Помимо S N 1 и S N 2 известны и другие механизмы, хотя они менее распространены. Механизм S N i наблюдается в реакциях тионилхлорида со спиртами , и он похож на S N 1, за исключением того, что нуклеофил поступает с той же стороны, что и уходящая группа.

Нуклеофильные замещения могут сопровождаться аллильной перегруппировкой , как это видно в таких реакциях, как перегруппировка Ферье . Этот тип механизма называется реакцией S N 1' или S N 2' (в зависимости от кинетики). Например, с аллильными галогенидами или сульфонатами нуклеофил может атаковать γ-ненасыщенный углерод вместо углерода, несущего уходящую группу. Это можно увидеть в реакции 1-хлор-2-бутена с гидроксидом натрия, в результате которой получается смесь 2-бутен-1-ола и 1-бутен-3-ола:

Механизм Sn1CB появляется в неорганической химии . Существуют конкурирующие механизмы. [7] [8]

В металлоорганической химии реакция нуклеофильного отщепления происходит по механизму нуклеофильного замещения.

Ненасыщенные углеродные центры

Нуклеофильное замещение по механизму S N 1 или S N 2 обычно не происходит с винил- или арилгалогенидами или родственными соединениями. При определенных условиях нуклеофильное замещение может происходить по другим механизмам, таким как описанные в статье о нуклеофильном ароматическом замещении .

Замещение может происходить по карбонильной группе, например, в ацилхлоридах и сложных эфирах .

Ссылки

  1. ^ Марч, Дж. (1992). Advanced Organic Chemistry (4-е изд.). Нью-Йорк: Wiley. ISBN 9780471601807.
  2. ^ RA Rossi, RH de Rossi, Ароматическое замещение по механизму S RN 1, Серия монографий ACS № 178, Американское химическое общество, 1983. ISBN 0-8412-0648-1 . 
  3. ^ LG Wade, Органическая химия , 5-е изд., Prentice Hall, Аппер Сэдл Ривер, Нью-Джерси, 2003.
  4. ^ SR Hartshorn, Алифатическое нуклеофильное замещение , Cambridge University Press, Лондон, 1973. ISBN 0-521-09801-7 
  5. ^ Знакомство с алифатическим замещением с помощью эксперимента по открытию с использованием конкурирующих электрофилов Тимоти П. Карран, Амелия Дж. Мостовой, Маргарет Э. Карран и Клара Бергер Журнал химического образования 2016 93 (4), 757-761 doi :10.1021/acs.jchemed.5b00394
  6. ^ 253. Кинетика реакции и инверсия Вальдена. Часть II. Гомогенный гидролиз, алкоголиз и аммонолиз -фенилэтилгалогенидов Эдвард Д. Хьюз, Кристофер К. Ингольд и Алан Д. Скотт, J. Chem. Soc. , 1937 , 1201 doi :10.1039/JR9370001201
  7. ^ Н.С.Имянитов. Электрофильное бимолекулярное замещение как альтернатива нуклеофильному мономолекулярному замещению в неорганической и органической химии . Журн. общей химии СССР (англ. пер.) 1990 ; 60 (3); 417-419.
  8. ^ Мономолекулярного нуклеофильного замещения не существует! / Н.С.Имянитов. SciTecLibrary

Внешние ссылки

В Викицитатнике есть цитаты, связанные с нуклеофильным замещением .