Нуклеофильная замещение
В химии нуклеофильная замещение ( S N ) представляет собой класс химических реакций , в которых электронно -элитные химические виды (известные как нуклеофил ) заменяют функциональную группу в другой электроно -дефицитной молекуле (известной как электрофил ). Молекула, которая содержит электрофил, и уходящая функциональная группа называется подложкой . [ 1 ] [ 2 ]
Наиболее общая форма реакции может быть дана в качестве следующего:
Электронная пара ( :) из нуклеофилов (NUC) атакует субстрат ( R -lg ) и связывается с ним. Одновременно уходная группа (LG) отходит с парой электронов. Основной продукт в этом случае R - nuc . Нуклеофил может быть электрически нейтральным или отрицательно заряженным, тогда как субстрат обычно нейтральный или положительно заряжен.
Примером нуклеофильной замены является бромида , гидролиз алкильного R -Br в основных условиях, где атакующий нуклеофил является гидроксилом ( ОЙ − и уходная группа - бромид ( Бренд − ).
Реакции нуклеофильной замещения распространены в органической химии . Нуклеофилы часто атакуют насыщенный алифатический углерод. Реже они могут атаковать ароматический или ненасыщенный углерод. [ 3 ]
Насыщенные углеродные центры
[ редактировать ]S N 1 и S N 2 реакции
[ редактировать ]
В 1935 году Эдвард Д. Хьюз и сэр Кристофер Ингольд изучали реакции нуклеофильной замещения алкилгалогенидов и связанных с ними соединений. Они предположили, что на работе были два основных механизма, они конкурируют друг с другом. Двумя основными механизмами были реакция S N 1 и реакция S N 2 , где S означает замену, N означает нуклеофильный, а число представляет кинетический порядок реакции. [ 4 ]
В реакции S N 2 добавление нуклеофила и элиминация ухода группы происходит одновременно (то есть согласованная реакция ). S N 2 происходит, когда центральный атом углерода легко доступен для нуклеофила. [ 5 ]
| Нуклеофильная замещение на углерод | |
|---|---|
| |
| |
| S N 2 Механизм | |
В реакциях S N 2 существует несколько условий, которые влияют на скорость реакции. Прежде всего, 2 в S N 2 подразумевает, что существуют две концентрации веществ, которые влияют на скорость реакции: субстрат (Sub) и нуклеофил. Уравнение скорости для этой реакции будет скорость = k [sub] [NUC]. Для реакции S N 2 лучше всего лучше, например, ацетон, DMF или DMSO. Апротонные растворители не добавляют протоны (h + ионы) в решение; Если бы протоны присутствовали в реакциях S N 2, они реагировали бы с нуклеофилом и серьезно ограничивали скорость реакции. Поскольку эта реакция возникает на одном этапе, стерические эффекты способствуют скорости реакции. На промежуточном этапе нуклеофил находится в 185 градусах от уходной группы, а стереохимия инвертируется в качестве связей нуклеофилов для изготовления продукта. Кроме того, поскольку промежуточное соединение частично связано с группой нуклеофилов и уходу, у субстрата нет времени, чтобы субстрат переставил себя: нуклеофил будет связываться с тем же углеродом, к которому была прикреплена уходная группа. Окончательным фактором, который влияет на скорость реакции, является нуклеофильность; Нуклеофил должен атаковать атом, отличный от водорода.
Напротив, реакция S N 1 включает в себя два этапа. Реакции S N 1 имеют тенденцию быть важными, когда центральный атом углерода субстрата окружен громоздкими группами, как потому, что такие группы стерически влияют на реакцию S N 2 (обсуждается выше), так и из -за сильно замещенного углерода образует стабильный карбоказ .
| Нуклеофильная замещение на углерод | |
|---|---|
| |
| S N 1 Механизм | |
Как и реакции S N 2, существует довольно много факторов, которые влияют на скорость реакции реакций S N 1. Вместо двух концентраций, которые влияют на скорость реакции, существует только один, субстрат. Уравнение скорости для этого будет rate = k [sub]. Поскольку скорость реакции определяется только его самой медленной стадией, скорость, с которой уходящая группа «листья» определяет скорость реакции. Это означает, что чем лучше оставлять группу, тем быстрее частота реакции. Общее правило того, что делает хорошую уходную группу, - это более слабая сопряженная база, тем лучше уходная группа. В этом случае галогены будут лучшими группами, в то время как такие соединения, как амины, водород и алканы, будут довольно плохими, оставляя группы. Поскольку реакции S N 2 были затронуты стериками, реакции S N 1 определяются громоздкими группами, прикрепленными к карбоказу. Поскольку существует промежуточное соединение, которое на самом деле содержит положительный заряд, прикрепленные громоздкие группы помогут стабилизировать заряд при карбокате посредством резонанса и распределения заряда. В этом случае третичный карбокат будет реагировать быстрее, чем среднее, которое будет реагировать намного быстрее, чем первичный. Также связано с этим промежуточным звеном, что продукт не должен иметь инверсию. Нуклеофил может атаковать сверху или дно и, следовательно, создавать ракет -продукт. Важно использовать протетический растворитель, воду и спирты, так как апротечный растворитель может атаковать промежуточный и нежелательный продукт. Не имеет значения, реагируют ли гидрогины из протека растворителя с нуклеофилом, поскольку нуклеофил не участвует на стадии определения скорости.
| Таблица 1. Нуклеофильные замены на Rx (алкилгалогенид или эквивалент) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Фактор | n С 1 | S n 2 | Комментарии | ||||
| Кинетика | Скорость = k [rx] | Скорость = K [RX] [NUC] | |||||
| Первичный алкил | Никогда, если не присутствуют дополнительные стабилизирующие группы | Хорошо, если не используется затрудненная нуклеофил | |||||
| Вторичный алкил | Умеренный | Умеренный | |||||
| Третичный алкил | Отличный | Никогда | Устранение , вероятно, при нагревании или при использовании сильной основы | ||||
| Уход группы | Важный | Важный | Для галогенов, Я> br> cl >> f | ||||
| Нуклеофильность | Неважно | Важный | |||||
| Предпочтительный растворитель | Полярная профик | Полярная апроятная | |||||
| Стереохимия | Раковина (+ возможна частичная инверсия ) | Инверсия | |||||
| Перестройки | Общий | Редкий | Боковая реакция | ||||
| Устранения | Общий, особенно с основными нуклеофилами | Только с теплом и основными нуклеофилами | Боковая реакция особенно Если нагреть | ||||
Реакция
[ редактировать ]Есть много реакций в органической химии с участием этого типа механизма. Общие примеры включают:
- Органические сокращения с гидридами , например,
- Реакции гидролиза, такие как
- Синтез Венкера , реакция с кольцом аминоалкохол.
- Реакция Финкельштейна , реакция обмена галайда. Фосфоры нуклеофилы появляются в реакции Перкоу и реакции Михаэлиса -Арбузова .
- , Нитрил -синтез Колбе реакция алкилгалогенидов с цианидами.
Пограничный механизм
[ редактировать ]Пример реакции замены, происходящую с помощью так называемого пограничного механизма , как первоначально изучалось Хьюз и Ингольдом [ 6 ] является реакцией 1-фенилэтилхлорида с метоксидом натрия в метаноле.
Скорость реакции обнаружена на сумму компонентов S N 1 и S N 2 с 61% (3,5 м, 70 ° C), проходящими последним.
Другие механизмы
[ редактировать ]Помимо S N 1 и S N 2, другие механизмы известны, хотя они реже. Механизм S N I наблюдается в реакциях тионилхлорида с спиртами , и он похож на S N 1, за исключением того, что нуклеофил доставляется с той же стороны, что и уходная группа.
Нуклеофильные замены могут сопровождаться аллильной перестановкой , как видно, в реакциях, таких как перегруппировка Ferier . Этот тип механизма называется реакцией S N 1 'или S N 2' (в зависимости от кинетики). Например, с аллиловыми галогенидами или сульфонатами нуклеофил может атаковать на ненасыщенном углероде γ вместо углерода, несущей усадку. Это можно увидеть в реакции 1-хлор-2-бутена с гидроксидом натрия, чтобы получить смесь 2-бутен-1-ол и 1-бутен-3-ол:
Механизм SN1CB появляется в неорганической химии . Конкурирующие механизмы существуют. [ 7 ] [ 8 ]
В органометаллической химии реакция нуклеофильной абстракции возникает с механизмом нуклеофильной замещения.
Ненасыщенные углеродные центры
[ редактировать ]Нуклеофильная замещение через механизм S N 1 или S N 2 обычно не встречается с виниловыми или арилгалогенками или родственными соединениями. При определенных условиях могут возникать нуклеофильные замены посредством других механизмов, таких как описанные в статье нуклеофильной ароматической замещения .
Замена может происходить в карбонильной группе, такой как ацилхлориды и эфиры .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Март, J. (1992). Усовершенствованная органическая химия (4 -е изд.). Нью -Йорк: Уайли. ISBN 9780471601807 .
- ^ Ra Rossi, Rh de Rossi, Ароматическая замена механизмом S RN 1, Серия ACS Monograph Series № 178, Американское химическое общество, 1983. ISBN 0-8412-0648-1 .
- ^ LG WADE, Органическая химия , 5 -е изд., Прентис Холл, Верхняя Седл -Ривер, Нью -Джерси, 2003.
- ^ SR Hartshorn, Алифатическая нуклеофильная замещение , издательство Кембриджского университета, Лондон, 1973. ISBN 0-521-09801-7
- ^ Представление алифатической замены экспериментом по обнаружению с использованием конкурирующих электрофилов Тимоти П. Курран, Амелия Дж. Мостовоя, Маргарет Э. Керран и Клара Бергер Журнал химического образования 2016 93 (4), 757-761 doi : 10.1021/acs.jchemed.5b00394
- ^ 253. Реакционная кинетика и инверсия Уолдена. Часть II. Гомогенный гидролиз, алкоголь и аммонолиз -фенилэтилгалогенидов Эдвард Д. Хьюз, Кристофер К. Ингольд и Алан Д. Скотт, Дж. Хим. Соц , 1937 , 1201 Два : 10.1039/jr9370001201
- ^ Nsimyanitov. Электрофильная бимолекулярная замещение как альтернатива нуклеофильной мономолекулярной замещении при неорганической и органической химии . J. Gen. Chem. СССР (Энгл. Перевод.) 1990 ; 60 (3); 417-419.
- ^ Унимолекулярной нуклеофильной замены не существует! / Nsimyanitov. Sciteclibrary
Внешние ссылки
[ редактировать ]
| Базы данных управления авторитетом : национальный |
|---|
