реакция SN1

Реакция замещения с промежуточным карбокатионом

Общая схема реакции S _N 1. Уходящая группа обозначается «X», а нуклеофил обозначается «Nu–H».

Реакция мономолекулярного нуклеофильного замещения ( S _N 1 ) является реакцией замещения в органической химии . Символ Хьюза-Ингольда механизма выражает два свойства: «S _N » означает « нуклеофильное замещение », а «1» говорит о том, что стадия, определяющая скорость, является мономолекулярной . ^{[1] [2]} Таким образом, уравнение скорости часто показывают как имеющее зависимость первого порядка от субстрата и зависимость нулевого порядка от нуклеофила . Это соотношение справедливо для ситуаций, когда количество нуклеофила намного больше, чем количество промежуточного продукта. Вместо этого уравнение скорости можно более точно описать с помощью стационарной кинетики . Реакция включает промежуточный карбокатион и обычно наблюдается в реакциях вторичных или третичных алкилгалогенидов в сильно основных условиях или, в сильнокислых условиях, со вторичными или третичными спиртами . С первичными и вторичными алкилгалогенидами происходит альтернативная реакция S _N 2 . В неорганической химии реакция S _N 1 часто известна как диссоциативное замещение . Этот путь диссоциации хорошо описывается цис-эффектом . Механизм реакции был впервые представлен Кристофером Ингольдом и др. в 1940 году. ^[3] Эта реакция не сильно зависит от силы нуклеофила, в отличие от механизма S _N 2. Этот тип механизма включает два этапа. Первый этап — ионизация алкилгалогенида в присутствии водного ацетона или этилового спирта. Этот этап обеспечивает получение карбокатиона в качестве промежуточного продукта.

На первом этапе механизма S _N 1 образуется карбкатион, который является плоским, и, следовательно, атака нуклеофила (второй этап) может происходить с любой стороны, давая рацемический продукт, но на самом деле полной рацемизации не происходит. Это происходит потому, что нуклеофильные виды атакуют карбкатион еще до того, как отходящий ион галогенидов достаточно отойдет от карбкатиона. Отрицательно заряженный ион галогенида защищает карбкатион от атаки с передней стороны, и предпочтительна атака с задней стороны, которая приводит к инверсии конфигурации. Таким образом, фактический продукт, несомненно, состоит из смеси энантиомеров, но энантиомеры с инвертированной конфигурацией будут преобладать, и полной рацемизации не происходит. ^[4]

Механизм

Примером реакции, протекающей по механизму S _N 1, является гидролиз трет-бутилбромида с образованием трет -бутанола :

Эта реакция S _N 1 происходит в три этапа:

• Образование трет -бутильного карбокатиона путем отделения уходящей группы ( бромид- аниона) от атома углерода: этот этап медленный. ^[5]

Рекомбинация карбокатиона с нуклеофилом

• Нуклеофильная атака: карбокатион реагирует с нуклеофилом. Если нуклеофил — нейтральная молекула (т. е. растворитель ), для завершения реакции требуется третий шаг. Если растворителем является вода, промежуточным продуктом является ион оксония. Этот шаг реакции быстрый.

• Депротонирование : удаление протона на протонированном нуклеофиле водой, действующей как основание, с образованием спирта и иона гидроксония . Эта стадия реакции быстрая.

Закон о ставке

Хотя закон скорости реакции S _N 1 часто рассматривается как первый порядок в алкилгалогениде и нулевой порядок в нуклеофиле, это упрощение, которое справедливо только при определенных условиях. Хотя это также является приближением, закон скорости, полученный из приближения стационарного состояния (SSA), дает больше информации о кинетическом поведении реакции S _N 1. Рассмотрим следующую схему реакции для механизма, показанного выше:

Хотя третичный карбокатион относительно стабилен , катион трет -бутила является высокоэнергетическим видом, который присутствует только в очень низкой концентрации и не может быть непосредственно обнаружен в нормальных условиях. Таким образом, SSA может быть применен к этому виду:

(1) Предположение о стационарном состоянии: ${\displaystyle {\frac {d[{\text{tBu}}^{+}]}{dt}}=0=k_{1}[{\text{tBuBr}}]-k_{-1}[{\text{tBu}}^{+}][{\text{Br}}^{-}]-k_{2}[{\text{tBu}}^{+}][{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}$

(2) Концентрация трет-бутилового катиона, исходя из предположения о стационарном состоянии: ${\displaystyle [{\text{tBu}}^{+}]={\frac {k_{1}[{\text{tBuBr}}]}{k_{-1}[{\text{Br}}^{-}]+k_{2}[{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}}}$

(3) Общая скорость реакции, предполагая быструю конечную стадию: ${\displaystyle {\frac {d[{\text{tBuOH}}]}{dt}}=k_{2}[{\text{tBu}}^{+}][{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}$

(4) Закон установившейся скорости, путем подстановки (2) в (3): ${\displaystyle {\frac {d[{\text{tBuOH}}]}{dt}}={\frac {k_{1}k_{2}[{\text{tBuBr}}][{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}{k_{-1}[{\text{Br}}^{-}]+k_{2}[{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}}}$

При нормальных условиях синтеза входящий нуклеофил более нуклеофилен, чем уходящая группа, и присутствует в избытке. Более того, кинетические эксперименты часто проводятся при начальных условиях скорости (конверсия от 5 до 10%) и без добавления бромида, поэтому пренебрежимо мал. По этим причинам часто выполняется. При этих условиях закон скорости SSA сводится к: ${\displaystyle [{\text{Br}}^{-}]}$ ${\displaystyle k_{-1}[{\text{Br}}^{-}]\ll k_{2}[{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}$

${\displaystyle {\text{rate}}={\frac {d[{\text{tBuOH}}]}{dt}}={\frac {k_{1}k_{2}[{\text{tBuBr}}][{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}{k_{2}[{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}}=k_{1}[{\text{tBuBr}}]}$

простой закон скорости первого порядка, описанный во вводных учебниках. В этих условиях концентрация нуклеофила не влияет на скорость реакции, а изменение нуклеофила (например, с H ₂ O на MeOH) не влияет на скорость реакции, хотя продукт, конечно, другой. В этом режиме первый шаг (ионизация алкилбромида) медленный, определяющий скорость и необратимый, тогда как второй шаг (нуклеофильное присоединение) быстрый и кинетически невидимый.

Однако при определенных условиях можно наблюдать кинетику реакции не первого порядка. В частности, когда присутствует большая концентрация бромида, а концентрация воды ограничена, кинетически важным становится обратный процесс первого шага. Как показывает закон скорости SSA, при этих условиях существует дробная (между нулевым и первым порядком) зависимость от [H ₂ O], в то время как существует отрицательная дробная зависимость от [Br ^– ]. Таким образом, реакции S _N 1 часто замедляются, когда к реакционной смеси добавляется экзогенный источник уходящей группы (в данном случае бромид). Это известно как эффект общего иона , и наблюдение этого эффекта является доказательством механизма S _N 1 (хотя отсутствие эффекта общего иона не исключает его). ^{[6] [7]}

Объем

Механизм S _N 1 имеет тенденцию доминировать, когда центральный атом углерода окружен объемными группами, поскольку такие группы стерически затрудняют реакцию S _N 2. Кроме того, объемные заместители на центральном углероде увеличивают скорость образования карбокатиона из-за снятия стерического напряжения , которое возникает. Полученный карбокатион также стабилизируется как индуктивной стабилизацией, так и гиперконъюгацией от присоединенных алкильных групп. Постулат Хаммонда-Леффлера предполагает, что это также увеличит скорость образования карбокатиона. Поэтому механизм S _N 1 доминирует в реакциях в третичных алкильных центрах.

Примером реакции, протекающей по схеме S _N 1, является синтез 2,5-дихлор-2,5-диметилгексана из соответствующего диола с концентрированной соляной кислотой : ^[8]

По мере увеличения альфа- и бета-замещений по отношению к уходящим группам реакция отклоняется от S _N 2 к S _N 1.

Стереохимия

Промежуточный карбокатион, образующийся на этапе определения скорости реакции (RDS), представляет собой sp2 ^- гибридизованный углерод с тригональной плоской молекулярной геометрией. Это допускает два различных способа нуклеофильной атаки, по одному с каждой стороны плоской молекулы. Если ни один из подходов не является предпочтительным, то эти два способа происходят одинаково, давая рацемическую смесь энантиомеров, если реакция происходит в стереоцентре. ^[9] Это проиллюстрировано ниже в реакции S _N 1 S-3-хлор-3-метилгексана с иодид-ионом, которая дает рацемическую смесь 3-йод-3-метилгексана:

Типичная реакция S _N 1, показывающая, как происходит рацемизация

Однако можно наблюдать избыток одного стереоизомера, поскольку уходящая группа может оставаться вблизи промежуточного карбокатиона в течение короткого времени и блокировать нуклеофильную атаку. Это контрастирует с механизмом S _N 2, который является стереоспецифическим механизмом, где стереохимия всегда инвертируется, поскольку нуклеофил поступает с задней стороны уходящей группы.

Побочные реакции

Две распространенные побочные реакции — это реакции элиминирования и перегруппировка карбокатиона . Если реакция проводится в теплых или горячих условиях (которые способствуют увеличению энтропии), элиминирование E1, скорее всего, будет преобладать, 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. Даже если реакция проводится в холодном состоянии, может образоваться некоторое количество алкена. Если попытаться провести реакцию S _N 1 с использованием сильноосновного нуклеофила, такого как гидроксид- или метоксид -ион, алкен снова будет образован, на этот раз посредством элиминирования 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 простой продукт замещения.

Эффекты растворителя

Поскольку реакция S _N 1 включает образование нестабильного промежуточного карбокатиона на этапе определения скорости (RDS), все, что может облегчить этот процесс, ускорит реакцию. Обычные растворители выбора — это как полярные (для стабилизации ионных промежуточных соединений в целом), так и протонные растворители (для сольватации уходящей группы в частности). Типичные полярные протонные растворители включают воду и спирты, которые также будут действовать как нуклеофилы, и этот процесс известен как сольволиз.

Шкала Y соотносит скорости реакции сольволиза любого растворителя ( k ) _со скоростью стандартного растворителя (80% об./об. этанола / воды ) ( k0 ) через

${\displaystyle \log {\left({\frac {k}{k_{0}}}\right)}=mY\,}$

где m — константа реагента (m = 1 для трет -бутилхлорида ), а Y — параметр растворителя. ^[10] Например, 100% этанол дает Y = −2,3, 50% этанол в воде Y = +1,65 и 15% концентрация Y = +3,2. ^[11]

Смотрите также

• Стрелка толкает
• Нуклеофильное ацильное замещение
• Участие соседней группы
• реакция S _{N 2}

Ссылки

1. LG Wade, Jr., Органическая химия , 6-е изд., Pearson/Prentice Hall, Аппер Сэдл Ривер, Нью-Джерси, США, 2005 г.
2. Марч, Дж. (1992). Advanced Organic Chemistry (4-е изд.). Нью-Йорк: Wiley. ISBN 0-471-60180-2.
3. Bateman LC, Church MG, Hughes ED, Ingold CK, Taher NA (1940). "188. Механизм замещения у насыщенного атома углерода. Часть XXIII. Кинетическая демонстрация мономолекулярного сольволиза алкилгалогенидов. (Раздел E) общее обсуждение". Журнал химического общества (резюме) : 979. doi :10.1039/JR9400000979.
4. Доктор Хуссейн | Лекция в классе | Архивировано 17/08/2024
5. Питерс, К. С. (2007). «Природа динамических процессов, связанных с механизмом реакции SN1». Chem. Rev. 107 (3): 859–873. doi :10.1021/cr068021k. PMID  17319730.
6. Anslyn, Eric V., 1960- (2006). Современная физическая органическая химия. Dougherty, Dennis A., 1952-. Mill Valley, California: University Science Books. стр. 638–639. ISBN 1-891389-31-9. OCLC  55600610.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
7. Лоури, Томас Х. (1987). Механизм и теория в органической химии. Ричардсон, Кэтлин Шуэллер. (3-е изд.). Нью-Йорк: Harper & Row. С. 330–331. ISBN 0-06-044084-8. OCLC  14214254.
8. Вагнер, Карл Э.; Маршалл, Памела А. (2010). «Синтез 2,5-дихлор-2,5-диметилгексана с помощью реакции SN1». J. Chem. Educ. 87 (1): 81–83. Bibcode :2010JChEd..87...81W. doi :10.1021/ed8000057.
9. Соррелл, Томас Н. «Органическая химия, 2-е издание» University Science Books, 2006
10. Эрнест Грюнвальд и С. Винстейн (1948). «Корреляция скоростей сольволиза». J. Am. Chem. Soc. 70 (2): 846. doi :10.1021/ja01182a117.
11. Арнольд Х. Файнберг и С. Винстейн (1956). «Корреляция скоростей сольволиза. III.1 t-бутилхлорид в широком диапазоне смесей растворителей». J. Am. Chem. Soc . 78 (12): 2770. doi :10.1021/ja01593a033.

Внешние ссылки

• Диаграммы: Государственный университет Фростбурга
• Упражнение: Университет штата Мэн