Нуклеофильное замещение представляет собой класс химических реакций , в которых электрон-богатый химические частицы (известные как нуклеофил ) заменяют функциональную группу внутри других электрон-дефицитных молекул (известные как электрофильные ). Молекула, содержащая электрофил и уходящую функциональную группу, называется субстратом . [1] [2]
Самая общая форма реакции может быть следующей:
- Nuc : + R-LG → R-Nuc + LG :
Пара электронов ( : ) от нуклеофила (КНУ) атакует субстрат (R-LG) и облигации 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.
Пример нуклеофильного замещения является гидролизом из алкильной метила , R-Br в основных условиях, где атакующий нуклеофил является ОН - и уходящей группой , является Br - .
- R-Br + OH - → R-OH + Br -
Реакции нуклеофильного замещения обычны в органической химии . Нуклеофилы часто атакуют насыщенный алифатический углерод. Реже они могут атаковать ароматический или ненасыщенный углерод. [3]
Центры насыщенного углерода [ править ]
Реакции S N 1 и S N 2 [ править ]
В 1935 году Эдвард Д. Хьюз и сэр Кристофер Инголд изучили реакции нуклеофильного замещения алкилгалогенидов и родственных соединений. Они предположили, что действуют два основных механизма, и оба они конкурируют друг с другом. Две основные механизмы были S Н реакцию 1 и S N реакция 2 , где S обозначает замещения, Н обозначают нуклеофильный, а число представляет собой кинетический порядок реакции. [4]
В реакции S N 2 добавление нуклеофила и отщепление уходящей группы происходят одновременно (т. Е. Согласованная реакция ). S N 2 возникает, когда центральный атом углерода легко доступен для нуклеофила. [5]
| Нуклеофильное замещение у углерода | |
|---|---|
 | |
 | |
| Механизм S N 2 | |
В реакциях S N 2 есть несколько условий, которые влияют на скорость реакции. Прежде всего, 2 в S N 2 означает, что есть две концентрации веществ, которые влияют на скорость реакции: субстрат (Sub) и нуклеофил. Уравнение скорости этой реакции: Rate = k [Sub] [Nuc]. Для реакции S N 2 лучше всего подходит апротонный растворитель , такой как ацетон, ДМФ 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 сильно ограничивали бы скорость реакции. Поскольку эта реакция происходит в один этап, стерические эффектыуправлять скоростью реакции. На промежуточной стадии нуклеофил находится на 185 градусах от уходящей группы, и стереохимия инвертируется как нуклеофильные связи для образования продукта. Кроме того, поскольку промежуточное соединение частично связано с нуклеофилом и уходящей группой, у субстрата нет времени для перегруппировки: нуклеофил будет связываться с тем же атомом углерода, 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 две стадии. Реакции S N 1 имеют тенденцию быть важными, когда центральный атом углерода субстрата окружен объемными группами, как потому, что такие группы стерически мешают реакции S N 2 (обсужденной выше), так и потому, что сильно замещенный углерод образует стабильный карбокатион .
| Нуклеофильное замещение у углерода | |
|---|---|
 | |
| Механизм S N 1 | |
Как и реакции S N 2, на скорость реакции S N 1 влияет довольно много факторов . Вместо двух концентраций, влияющих на скорость реакции, есть только один субстрат. Уравнение скорости для этого будет Rate = k [Sub]. Поскольку скорость реакции определяется только ее самой медленной стадией, скорость, с которой уходящая группа «уходит», определяет скорость реакции. Это означает, что чем лучше уходящая группа, тем выше скорость реакции. Общее правило для хорошей уходящей группы - чем слабее сопряженное основание, тем лучше уходящая группа. В этом случае галогены будут лучшими уходящими группами, в то время как соединения, такие как амины, водород и алканы, будут довольно плохими уходящими группами. Как S N2 реакции подверглись стерическому воздействию, S N1 реакции определяются объемными группами, присоединенными к карбокатиону. Поскольку есть промежуточный продукт, который на самом деле содержит положительный заряд, прикрепленные громоздкие 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. Также благодаря этому промежуточному продукту карбокатиона продукт не 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 повредить промежуточное соединение и вызвать нежелательный продукт.
| Таблица 1. Нуклеофильные замены RX (алкилгалогенид или эквивалент) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Фактор | S N 1 | S N 2 | Комментарии | ||||
| Кинетика | Скорость = k [RX] | Скорость = k [RX] [Nuc] | |||||
| Первичный алкил | Никогда без дополнительных стабилизирующих групп | Хорошо, если не используется затрудненный нуклеофил | |||||
| Вторичный алкил | Умеренный | Умеренный | |||||
| Третичный алкил | Отлично | Никогда | Устранение вероятно при нагревании или при использовании прочного основания | ||||
| Выход из группы | Важный | Важный | Для галогенов I> Br> Cl >> F | ||||
| Нуклеофильность | Неважно | Важный | |||||
| Предпочтительный растворитель | Полярный протик | Полярный апротический | |||||
| Стереохимия | Рацемизация (+ возможна частичная инверсия ) | Инверсия | |||||
| Перестановки | Общий | Редкий | Побочная реакция | ||||
| Исключения | Часто встречается, особенно с основными нуклеофилами | Только с теплом и основными нуклеофилами | Побочная реакция, особенно если нагревается | ||||
Реакции [ править ]
В органической химии существует множество реакций с таким механизмом. Общие примеры включают:
- Органическое восстановление с помощью гидридов , например
- RX → RH с использованием LiAlH 4 (S N 2
- Реакции гидролиза, такие как
- R-Br + OH - → R-OH + Br - (S N 2) или
- R-Br + H 2 O → R-OH + HBr (S N 1)
- Синтез эфира Вильямсона
- R-Br + OR ' - → R-OR' + Br - (S N 2)
- Синтез Wenker , кольцо-закрытия реакции аминоспиртов.
- Реакция Финкельштейна, реакция обмена галогенидов. Фосфорные нуклеофилами появляются в реакции Perkow и реакции Михаэлиса-Арбузова .
- Синтез нитрила Кольбы , реакция алкилгалогенидов с цианидами.
Пограничный механизм [ править ]
Примером реакции замещения, протекающей по так называемому пограничному механизму, как первоначально исследовали Хьюз и Ингольд [6], является реакция 1-фенилэтилхлорида с метоксидом натрия в метаноле.
Скорость реакции определяется суммой компонентов S N 1 и S N 2, причем последний приходится на 61% (3,5 M, 70 ° C).
Другие механизмы [ править ]
Помимо S N 1 и S N 2 известны другие механизмы, хотя они менее распространены. Механизм S N i наблюдается в реакциях тионилхлорида со спиртами , и он аналогичен S N 1, за исключением того, что нуклеофил доставляется с той же стороны, что и уходящая группа.
Нуклеофильные замены могут сопровождаться аллильной перегруппировкой, как видно в реакциях, таких как перегруппировка Феррие . 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 с образованием смеси 2-бутен-1-ола и 1-бутен-3-ола:
- CH 3 CH = CH-CH 2 -Cl → CH 3 CH = CH-CH 2 -OH + CH 3 CH (OH) -CH = CH 2
Механизм Sn1CB появляется в неорганической химии . Существуют механизмы конкуренции. [7] [8]
В металлоорганической химии нуклеофильного абстракции реакция протекает с нуклеофильного замещения механизма.
Ненасыщенные углеродные центры [ править ]
Нуклеофильное замещение по механизму S N 1 или S N 2 обычно не происходит с виниловыми или арилгалогенидами или родственными соединениями. При определенных условиях могут происходить нуклеофильные замены с помощью других механизмов, таких как описанные в статье о нуклеофильных ароматических заменах .
Когда замещение происходит в карбонильной группе, ацильная группа может подвергаться нуклеофильному ацильному замещению . Это нормальный способ замещения производными карбоновой кислоты , такими как ацилхлориды , сложные эфиры и амиды .
Ссылки [ править ]
- ^ Дж. Марч, Advanced Organic Chemistry , 4-е изд., Wiley, New York, 1992.
- ^ Р. А. Росси, Р. Х. де Росси, Ароматическое замещение с помощью механизма S RN 1, Серия монографий ACS № 178, Американское химическое общество, 1983. ISBN 0-8412-0648-1 .
- ^ LG Wade, Organic Chemistry , 5е изд., Prentice Hall, Верхняя Saddle River, НьюДжерси, 2003.
- ^ SR Hartshorn, Алифатическое нуклеофильное замещение , Cambridge University Press, Лондон, 1973. ISBN 0-521-09801-7
- ^ Введение в алифатическое замещение с помощью эксперимента открытия 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
- ^ 253. Кинетика реакций и обращение 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
- ^ NSImyanitov. Электрофильное бимолекулярное замещение как альтернатива нуклеофильному мономолекулярному замещению в неорганической и органической химии . J. Gen. Chem. СССР (англ. Пер.), 1990 ; 60 (3); 417-419.
- ^ Одномолекулярного нуклеофильного замещения не существует! / Н.С.Имянитов. SciTecLibrary
Внешние ссылки [ править ]
 | В Викицитатнике есть цитаты, связанные с: Нуклеофильное замещение. |
