В химии нуклеофильное замещение — это класс химических реакций , в которых богатая электронами химическая разновидность (известная как нуклеофил ) заменяет функциональную группу внутри другой молекулы с дефицитом электронов (известной как электрофил ). Молекула, содержащая электрофил и уходящую функциональную группу, называется субстратом . [1] [2]
Наиболее общую форму реакции можно представить следующим образом:
Электронная пара ( : ) 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 является нейтральным или положительно заряженным.
Примером нуклеофильного замещения является гидролиз бромистого алкила R-Br в основных условиях, где атакующим нуклеофилом является гидроксил ( OH - ) , а уходящей группой является бромид ( Br - ).
Реакции нуклеофильного замещения широко распространены в органической химии . Нуклеофилы часто атакуют насыщенный алифатический углерод. Реже они могут атаковать ароматический или ненасыщенный углерод. [3]
В 1935 году Эдвард Д. Хьюз и сэр Кристофер Инголд изучали реакции нуклеофильного замещения алкилгалогенидов и родственных соединений. Они предположили, что действуют два основных механизма, конкурирующих друг с другом. Двумя основными механизмами были реакция SN1 и реакция SN2 , где S означает замещение, N означает 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 возникает, когда центральный атом углерода легко доступен нуклеофилу. [5]
В реакциях S N 2 существует несколько условий, влияющих на скорость реакции. Прежде всего, цифра 2 в S N 2 означает, что существуют две концентрации веществ, влияющих на скорость реакции: субстрат (Суб) и нуклеофил. Уравнение скорости этой реакции будет выглядеть так: Скорость=k[Sub][Nuc]. Для реакции S N 2 лучше всего подходит апротонный растворитель , например ацетон, ДМФ или ДМСО. Апротонные растворители не добавляют в раствор протоны (ионы Н + ); если бы в реакциях S N 2 присутствовали протоны , они бы реагировали с нуклеофилом и сильно ограничивали скорость реакции. Поскольку эта реакция происходит в одну стадию, скорость реакции определяется стерическими эффектами . На промежуточном этапе нуклеофил находится на 185 градусов от уходящей группы, и стереохимия инвертируется, поскольку нуклеофильные связи образуют продукт. Кроме того, поскольку промежуточное соединение частично связано с нуклеофилом и уходящей группой, у субстрата нет времени на перегруппировку: нуклеофил связывается с тем же углеродом, к которому была присоединена уходящая группа. Последний фактор, влияющий на скорость реакции, - это нуклеофильность; нуклеофил должен атаковать атом, отличный от водорода.
Напротив, реакция S N 1 включает две стадии. Реакции S N 1 имеют тенденцию быть важными, когда центральный атом углерода субстрата окружен объемистыми группами, как потому, что такие группы стерически мешают реакции S N 2 (обсуждаемой выше), так и потому, что сильно замещенный углерод образует стабильный карбокатион .
Подобно реакциям SN 2 , существует довольно много факторов, влияющих на скорость реакций SN 1 . Вместо двух концентраций, влияющих на скорость реакции, есть только одна — субстрат. Уравнение скорости для этого будет выглядеть так: Скорость=k[Sub]. Поскольку скорость реакции определяется только ее самой медленной стадией, скорость «ухода» уходящей группы определяет скорость реакции. Это означает, что чем лучше уходящая группа, тем выше скорость реакции. Общее правило хорошей уходящей группы заключается в том, что чем слабее сопряженное основание, тем лучше уходящая группа. В этом случае галогены будут лучшими уходящими группами, тогда как такие соединения, как амины, водород и алканы, будут довольно плохими уходящими группами. Поскольку на реакции S N 2 влияют стерики, реакции S N 1 определяются объемными группами, присоединенными к карбокатиону. Поскольку существует промежуточный продукт, который на самом деле содержит положительный заряд, присоединенные объемистые группы помогут стабилизировать заряд карбокатиона за счет резонанса и распределения заряда. В этом случае третичный карбокатион будет реагировать быстрее, чем вторичный, который будет реагировать намного быстрее, чем первичный. Благодаря этому промежуточному карбокатиону продукт не обязательно должен иметь инверсию. Нуклеофил может атаковать сверху или снизу и, следовательно, создавать рацемический продукт. Важно использовать протонный растворитель, воду и спирты, поскольку апротонный растворитель может атаковать промежуточный продукт и вызвать нежелательный продукт. Не имеет значения, реагируют ли атомы водорода из протонного растворителя с нуклеофилом, поскольку нуклеофил не участвует в стадии определения скорости.
В органической химии существует множество реакций с участием этого типа механизма. Общие примеры включают в себя:
Примером реакции замещения, протекающей по так называемому пограничному механизму , первоначально изученному Хьюзом и Ингольдом [6], является реакция 1-фенилэтилхлорида с метоксидом натрия в метаноле.
Скорость реакции найдена по сумме компонентов S N 1 и S N 2, причем 61% (3,5 М, 70 °С) приходится на последний.
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 подобен S N 1 за исключением того, что нуклеофил доставляется с той же стороны, что и уходящая группа.
Нуклеофильные замены могут сопровождаться аллильной перегруппировкой , как это видно в таких реакциях, как перегруппировка Ферье . Этот тип механизма называется реакцией SN 1 ' или SN 2' (в зависимости от кинетики). Например, в случае аллилгалогенидов или сульфонатов нуклеофил может атаковать γ-ненасыщенный углерод вместо углерода, несущего уходящую группу. Это можно увидеть на примере реакции 1-хлор-2-бутена с гидроксидом натрия с образованием смеси 2-бутен-1-ола и 1-бутен-3-ола:
Механизм Sn1CB проявляется в неорганической химии . Конкурирующие механизмы существуют. [7] [8]
В металлоорганической химии реакция нуклеофильного отщепления протекает по механизму нуклеофильного замещения.
Нуклеофильное замещение по механизму SN 1 или SN 2 обычно не происходит с винил- или арилгалогенидами или родственными соединениями. При определенных условиях могут происходить нуклеофильные замещения посредством других механизмов, например, описанных в статье о нуклеофильном ароматическом замещении .
Когда замещение происходит в карбонильной группе, ацильная группа может подвергнуться нуклеофильному ацильному замещению . Это нормальный способ замещения производными карбоновых кислот , такими как ацилхлориды , сложные эфиры и амиды .
