Реакция мономолекулярного нуклеофильного замещения ( SN 1 ) — реакция замещения в органической химии . Символ Хьюза-Ингольда в механизме выражает два свойства: «SN » означает « нуклеофильное замещение », а «1» говорит, что определяющая скорость стадия является мономолекулярной . [1] [2] Таким образом, уравнение скорости часто изображается как имеющее зависимость первого порядка от субстрата и зависимость нулевого порядка от нуклеофила . Эта зависимость справедлива для ситуаций, когда количество нуклеофила намного больше, чем количество промежуточного продукта. Вместо этого уравнение скорости может быть более точно описано с использованием стационарной кинетики . В реакции участвует промежуточный карбокатион , и она обычно наблюдается в реакциях вторичных или третичных алкилгалогенидов в сильноосновных условиях или, в сильнокислых условиях, с вторичными или третичными спиртами . С первичными и вторичными алкилгалогенидами протекает альтернативная реакция S N 2 . В неорганической химии реакцию S N 1 часто называют диссоциативным замещением . Этот путь диссоциации хорошо описывается цис-эффектом . Механизм реакции был впервые предложен Кристофером Ингольдом и др. в 1940 г. [3] Эта реакция мало зависит от силы нуклеофила, в отличие от механизма S N 2 . Этот тип механизма включает в себя два этапа. Первым этапом является ионизация алкилгалогенида в присутствии водного ацетона или этилового спирта. На этом этапе в качестве промежуточного продукта используется карбокатион.
На первом этапе механизма S N 1 образуется карбокатион, который является плоским, и, следовательно, атака нуклеофила (второй этап) может происходить с любой стороны с образованием рацемического продукта, но фактически полной рацемизации не происходит. Это связано с тем, что нуклеофильные частицы атакуют карбокатион еще до того, как уходящий ион галогенида отошел достаточно далеко от карбокатиона. Отрицательно заряженный галогенид-ион защищает карбокатион от атаки с передней стороны, а атака с обратной стороны, которая приводит к инверсии конфигурации, является предпочтительной. Таким образом, реальный продукт, несомненно, состоит из смеси энантиомеров, но энантиомеры с инвертированной конфигурацией будут преобладать, и полной рацемизации не происходит.
Примером реакции, протекающей по механизму реакции S N 1 , является гидролиз трет -бутилбромида с образованием трет -бутанола :
Эта реакция S N 1 протекает в три стадии:
Хотя закон скорости реакции S N 1 часто рассматривается как имеющий первый порядок по алкилгалогениду и нулевой порядок по нуклеофилу, это упрощение справедливо только при определенных условиях. Хотя это тоже является приближением, закон скорости, полученный на основе приближения устойчивого состояния (SSA), позволяет лучше понять кинетическое поведение реакции S N 1. Рассмотрим следующую схему реакции по механизму, показанному выше:
Несмотря на то, что трет -бутил-катион является относительно стабильным третичным карбокатионом , он представляет собой высокоэнергетическую разновидность, которая присутствует только в очень низкой концентрации и не может наблюдаться непосредственно в нормальных условиях. Таким образом, SSA можно применить к этому виду:
В обычных условиях синтеза входящий нуклеофил более нуклеофильен, чем уходящая группа, и присутствует в избытке. Более того, кинетические эксперименты часто проводятся в условиях начальной скорости (конверсия от 5 до 10%) и без добавления бромида, поэтому [Br – ] пренебрежимо мал. По этим причинам часто выполняется соотношение k – 1 [Br – ] ≪ k 2 [H 2 O]. В этих условиях закон ставок SSA сводится к
скорость = d [ t BuOH]/ dt = k 1 k 2 [ t BuBr][H 2 O]/( k 2 [H 2 O]) = k 1 [ t BuBr],
простой закон скорости первого порядка, описанный во вводных учебниках. В этих условиях концентрация нуклеофила не влияет на скорость реакции, а смена нуклеофила (например, с H 2 O на MeOH) не влияет на скорость реакции, хотя продукт, конечно, другой. В этом режиме первая стадия (ионизация алкилбромида) протекает медленно, определяет скорость и необратима, тогда как вторая стадия (нуклеофильное присоединение) протекает быстро и кинетически незаметно.
Однако при определенных условиях может наблюдаться кинетика реакции не первого порядка. В частности, когда присутствует большая концентрация бромида, а концентрация воды ограничена, обратный этап первой стадии становится важным кинетически. Как указывает закон скорости ССА, в этих условиях существует дробная (между нулевым и первым порядком) зависимость от [H 2 O], а от [Br – ] – отрицательная зависимость дробного порядка . Так, часто наблюдается замедление реакции S N 1 при добавлении к реакционной смеси экзогенного источника уходящей группы (в данном случае бромида). Это известно как эффект общего иона , и наблюдение этого эффекта свидетельствует о механизме S N 1 (хотя отсутствие эффекта общего иона не исключает этого). [5] [6]
Механизм S N 1 имеет тенденцию доминировать, когда центральный атом углерода окружен объемистыми группами, поскольку такие группы стерически препятствуют реакции S N 2. Кроме того, объемные заместители центрального углерода увеличивают скорость образования карбокатионов из-за снятия возникающей стерической деформации . Полученный карбокатион также стабилизируется как за счет индуктивной стабилизации, так и за счет гиперконъюгации присоединенных алкильных групп. Постулат Хаммонда -Леффлера предполагает, что это также увеличит скорость образования карбокатионов. Поэтому механизм S N 1 доминирует в реакциях на третичных алкильных центрах.
Примером реакции, протекающей по типу S N 1, является синтез 2,5-дихлор-2,5-диметилгексана из соответствующего диола с концентрированной соляной кислотой : [7]
По мере увеличения количества альфа- и бета-замен по отношению к уходящим группам реакция переключается с S N 2 на S N 1.
Промежуточный карбокатион, образующийся на стадии определения скорости реакции (RDS), представляет собой sp 2- гибридизированный углерод с тригональной планарной молекулярной геометрией. Это допускает два разных способа нуклеофильной атаки: по одному с каждой стороны плоской молекулы. Если ни один из подходов не является предпочтительным, то эти два пути происходят одинаково, образуя рацемическую смесь энантиомеров, если реакция происходит в стереоцентре. [8] Это проиллюстрировано ниже на реакции SN 1 S-3-хлор-3-метилгексана с иодид-ионом, которая дает рацемическую смесь 3-йод-3-метилгексана:
Однако может наблюдаться избыток одного стереоизомера, поскольку уходящая группа может оставаться вблизи карбокатионного интермедиата в течение короткого времени и блокировать нуклеофильную атаку. Это контрастирует с механизмом S N 2 , который представляет собой стереоспецифический механизм, в котором стереохимия всегда инвертируется, когда нуклеофил входит с задней стороны уходящей группы.
Двумя распространенными побочными реакциями являются реакции элиминирования и перегруппировка карбокатионов . Если реакция проводится в теплых или горячих условиях (которые способствуют увеличению энтропии), вероятно, будет преобладать отщепление E1 , что приведет к образованию алкена . При более низких температурах реакции S N 1 и E1 являются конкурирующими реакциями, и становится трудно отдать предпочтение одной из них перед другой. Даже если реакцию проводить в холодном состоянии, может образоваться некоторое количество алкена. Если попытаться провести реакцию S N 1 с использованием сильноосновного нуклеофила, такого как ион гидроксида или метоксида , алкен снова образуется, на этот раз посредством отщепления E2 . Это будет особенно верно, если реакция нагревается. Наконец, если промежуточный карбокатион может перегруппироваться в более стабильный карбокатион, это даст продукт, полученный из более стабильного карбокатиона, а не продукт простого замещения.
Поскольку реакция S N 1 включает образование нестабильного промежуточного карбокатиона на стадии определения скорости (RDS), все, что может облегчить этот процесс, ускорит реакцию. Предпочтительными нормальными растворителями являются как полярные (для стабилизации ионных промежуточных продуктов в целом), так и протонные растворители (в частности, для сольватации уходящей группы). Типичные полярные протонные растворители включают воду и спирты, которые также действуют как нуклеофилы, и этот процесс известен как сольволиз.
Шкала Y коррелирует скорости реакции сольволиза любого растворителя ( k ) со скоростью реакции стандартного растворителя (80% об/об этанол / вода ) ( k0 ) через
где m - константа реагента (m = 1 для трет -бутилхлорида ) и Y - параметр растворителя. [9] Например, 100% этанол дает Y = -2,3, 50% этанол в воде Y = +1,65 и 15% концентрация Y = +3,2. [10]
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )