Unimolekulárna nukleofilná substitúcia (SN1): definícia a mechanizmus
SN1: jasná definícia a podrobný mechanizmus unimolekulárnej nukleofilnej substitúcie — karbokatión, rýchlostný krok, príklady a faktory ovplyvňujúce reakciu.
Reakcia NS1 je substitučná reakcia v organickej chémii. "SN" znamená nukleofilnú substitúciu a "1" predstavuje skutočnosť, že krok určujúci rýchlosť zahŕňa len jednu molekulu (unimolekulárna). Reakcia zahŕňa karbokačný medziprodukt. Niektoré bežnéN reakcie S1 sú reakcie sekundárnych alebo terciárnych alkylhalogenidov za silne zásaditých podmienok alebo za silne kyslých podmienok so sekundárnymi alebo terciárnymi alkoholmi. Pri primárnych alkylhalogenidoch dochádza k alternatívnej reakcii NS2. Medzi anorganickými chemikmi je reakcia NS1 často známa ako disociačný mechanizmus. Christopher Ingold a kol. prvýkrát navrhli tento reakčný mechanizmus v roku 1940.
Mechanizmus
Mechanizmus SN1 prebieha typicky dvoma základnými krokmi:
- Disociácia: Odchod odchádzajúcej skupiny (napr. halogenidu) z tvorby neutrálneho alebo nabitého produktu, ktorý vedie k vzniku karbokationtu (R–L → R+ + L−). Tento krok je pomalší a určuje rýchlosť celej reakcie.
- Útok nukleofilu: Nukleofil napadá planarický karbokation a viaže sa k uhlíku, čím vzniká substitučný produkt (R+ + Nu → R–Nu). Tento krok je rýchlejší a nie je určujúci rýchlosť.
Rýchlosť reakcie SN1 zodpovedá kinetike prvého rádu, t. j. rýchlosť = k[substrát]. Narušenie tejto kinetiky (napr. v prítomnosti silných nukleofilov alebo pri špecifických substrátoch) môže viesť k zložitejšiemu správania, no štandardný model predpokladá, že nukleofil neovplyvňuje počiatočnú rýchlosť.
Stabilita karbokationtu a faktory podporujúce SN1
Karbokationty sú kľúčové pre SN1; ich stabilita rozhoduje o tom, či reakcia prebehne touto cestou. Obecné zásady:
- Terciárne karbokationty sú stabilnejšie než sekundárne, a tie sú stabilnejšie než primárne (terciárne > sekundárne > primárne).
- Resonančne stabilizované karbokationty (napr. benzylické alebo allylické) veľmi ľahko vznikajú a často podstupujú SN1.
- Solvent: polar-poltické (najmä protické) rozpúšťadlá stabilizujú vznikajúci iónový pár (R+ a L−) a teda urýchľujú disociačný krok. Preto sú polar protické rozpúšťadlá (napr. voda, alkoholy) typické pre reakcie SN1.
- Odchádzajúca skupina: lepšie odchádzajúce skupiny (napr. I−, Br−, tosylát) uľahčujú disociáciu a podporujú SN1.
Stereochemické dôsledky a preskupenia
Keďže karbokation je planárny (sp2 hybridizovaný), nukleofil môže zaútočiť z oboch strán, čo často vedie k čiastočnej alebo úplnej racemizácii centra (strata striktného chirálneho usporiadania). V praxi sa však často pozoruje čiastočná retencia konfigurácie kvôli takzvanému ion-pair (solvovanému alebo nesolvovanému) – nukleofil môže zaútočiť ešte pred úplným oddelením aniónu a kationtu.
Karbokačné medzičlánky majú tendenciu podstupovať přesuny (rearrangements), napr. 1,2-hydridový alebo 1,2-alkylový presun, ak to vedie k stabilnejšiemu karbokationtu. Tieto presuny často vysvetľujú neočakávané produkty pri SN1.
Rozdiel oproti SN2 a súvisiace konkurencie
Hlavný rozdiel oproti SN2 je v mechanizme a faktoroch, ktoré reakciu riadia:
- SN1: unimolekulárny, rýchlostne nezávislý od nukleofilu, preferuje stabilné karbokationty a polar protické rozpúšťadlá.
- SN2: bimolekulárny (súbežný odchod a útok), rýchlosť závisí od koncentrácií substrátu aj nukleofilu, preferuje primárne substráty a polárne aprotické rozpúšťadlá.
Okrem SN2 môže na rovnakom substráte konkurovať aj eliminácia E1 (najmä pri zvýšenej teplote alebo pri prítomnosti slabšieho nukleofilu/silnej bázy), preto sa často pozoruje zmes substitučných a eliminačných produktov.
Praktické príklady a experimentálne dôkazy
- Hydrolýza terciárnych alkylhalogenidov (napr. tert-butylchlorid vo vode) je klasický prípad SN1: pozoruje sa kinetika prvého rádu a vznik izopropylového (alebo iného) karbokationtu pred útokom vody.
- Dezaminácia terc-butylamónnych solí alebo dehydratácia terc-alkoholov v kyslom prostredí tiež postupuje cez karbokationt a sú často popisované ako SN1 (alebo súvisiace disociačné mechanizmy).
- Experimentálne dôkazy pre SN1 zahŕňajú: meranie rýchlostnej zákonitosti (prvý rád), vplyv rozpúšťadla na rýchlosť, pozorovanie racemizácie a detekciu/resonancia stabilizovaných karbokationtov v špeciálnych prípadoch.
Faktory ovplyvňujúce priebeh reakcie (zhrnutie)
- Substrát: terciárne a rezonancne stabilizované > sekundárne > primárne.
- Odchádzajúca skupina: čím lepší odchádzač, tým ľahšia SN1.
- Solvent: polar protické rozpúšťadlá podporujú SN1.
- Nukleofil: jeho sila má malý alebo žiadny vplyv na rýchlosť počiatočného kroku; slabé nukleofily sú akceptovateľné.
- Teplota: vyššia teplota môže zvýšiť konkurenciu E1.
SN1 je teda základný mechanizmus nukleofilnej substitúcie v organickej chémii, dôležitý pri porozumení reaktivity terciárnych systémov, pôsobenia rozpúšťadiel, stereochemických dôsledkov a možných preskupení, ktoré ovplyvňujú konečné produkty reakcie.
Mechanizmus
Príkladom reakcie prebiehajúcej s reakčným mechanizmom NS1 je hydrolýza terc-butylbromidu s vodou za vzniku terc-butylalkoholu:
Táto reakcia NS1 prebieha v troch krokoch:
- Tvorba terc-butylového karbokácie oddelením odstupujúcej skupiny (bromidového aniónu) od atómu uhlíka; tento krok je pomalý a reverzibilný.
- Nukleofilný atak: karbokacion reaguje s nukleofilom. Ak je nukleofilom neutrálna molekula (t. j. rozpúšťadlo), na dokončenie reakcie je potrebný tretí krok. Ak je rozpúšťadlom voda, medziproduktom je oxóniový ión. Tento reakčný krok je rýchly.
- Deprotonizácia: Odstránenie protónu z protonovaného nukleofilu vodou, ktorá pôsobí ako zásada, za vzniku alkoholu a hydróniového iónu. Tento reakčný krok je rýchly.
Keďže prvý krok je úzkym miestom alebo "krokom určujúcim rýchlosť", chemici klasifikujú celý reakčný mechanizmus ako NS1. Na tento krok je potrebná len jedna molekula.
Rozsah reakcie
Niekedy môže molekula reagovať buď mechanizmom NS1, alebo NS2. Mechanizmus NS1 vyhrá túto súťaž, keď je centrálny atóm uhlíka obklopený objemnými skupinami, pretože takéto skupiny sterilne bránia reakcii NS2. Okrem toho objemné substituenty na centrálnom uhlíku zvyšujú rýchlosť tvorby karbokacionov, pretože dochádza k uvoľneniu sterického napätia. Výsledný karbokacion je tiež stabilizovaný indukčnou stabilizáciou aj hyperkonjugáciou z pripojených alkylových skupín. Hammondov-Lefflerov postulát hovorí, že aj to zvýši rýchlosť tvorby karbokacionov. Mechanizmus NS1 preto dominuje v reakciách na terciárnych alkylových centrách a ďalej sa pozoruje na sekundárnych alkylových centrách v prítomnosti slabých nukleofilov.
Príkladom reakcie prebiehajúcej spôsobom NS1 je syntéza 2,5-dichlór-2,5-dimetylhexánu z príslušného diolu pomocou koncentrovanej kyseliny chlorovodíkovej:
S nárastom alfa a beta substitúcií vzhľadom na odchádzajúce skupiny sa reakcia presmeruje z NS2 na NS1.
Stereochémia
Medziproduktom karboxylátu, ktorý vzniká v reakčnom kroku limitujúcom rýchlosť, je sp 2hybridizovaný uhlík s trigonálnou planárnou geometriou molekuly. To umožňuje dve rôzne cesty nukleofilného útoku, jednu na oboch stranách planárnej molekuly. Ak nie je žiadna z týchto ciest prednostne uprednostňovaná, tieto dve cesty sa použijú rovnako, čím vznikne racemická zmes enantiomérov, ak reakcia prebieha v stereocentre. Toto je znázornené nižšie na reakcii NS1 S-3-chlór-3-metylhexánu s jodidovým iónom, pri ktorej vzniká racemická zmes 3-jód-3-metylhexánu:
Možno však pozorovať prebytok jedného stereoizoméru, pretože odchádzajúca skupina môže zostať krátky čas v blízkosti karbokačného medziproduktu a blokovať nukleofilný útok. To je veľmi odlišné od mechanizmu NS2, pri ktorom sa nemieša stereochémia produktu (stereošpecifický mechanizmus). Mechanizmus NS2 vždy obracia stereochémiu molekuly.
Vedľajšie reakcie
Dve bežné vedľajšie reakcie sú eliminačné reakcie a preskupenie karbokacionov. Ak reakcia prebieha za teplých alebo horúcich podmienok (ktoré podporujú nárast entropie), pravdepodobne prevládne eliminácia E1, ktorá vedie k vzniku alkénu. Pri nižších teplotách sú reakcie NS1 a E1 konkurenčnými reakciami. Preto je ťažké uprednostniť jednu pred druhou. Dokonca aj keď sa reakcia vykonáva za studena, môže sa vytvoriť nejaký alkén. Ak sa pokúsite vykonať reakciu NS1 s použitím silne zásaditého nukleofilu, ako je hydroxidový alebo metoxidový ión, opäť sa vytvorí alkén, tentoraz prostredníctvom eliminácie E2. To platí najmä vtedy, ak sa reakcia zahrieva. Napokon, ak sa môže medziprodukt karbokacionu preskupiť na stabilnejší karbokacion, vznikne produkt odvodený od stabilnejšieho karbokacionu, a nie produkt jednoduchej substitúcie.
Účinky rozpúšťadla
Rozpúšťadlá menia rýchlosť reakcie. Keďže reakcia NS1 zahŕňa tvorbu nestabilného karbokatiónového medziproduktu v kroku určujúcom rýchlosť, všetko, čo tomu môže pomôcť, reakciu urýchli. Bežné rozpúšťadlá, ktoré sa volia, sú polárne (na stabilizáciu iónových medziproduktov vo všeobecnosti) a protické (najmä na solvatáciu odchádzajúcej skupiny). Medzi typické polárne protické rozpúšťadlá patria voda a alkoholy, ktoré tiež pôsobia ako nukleofily.
Stupnica Y koreluje rýchlosť reakcie solvolýzy akéhokoľvek rozpúšťadla (k) s rýchlosťou reakcie štandardného rozpúšťadla (80 % v/v etanol/voda) (k0) prostredníctvom
log ( k k ) 0= m Y {\displaystyle \log {\left({\frac {k}{k_{0}}}\right)}=mY\,} 
pričom m je konštanta reaktantu (m = 1 pre terc-butylchlorid),
- Y je parameter rozpúšťadla a
- k0 je reakčná rýchlosť pri použití rozpúšťadla 80 % etanolu (meraná objemovo).
Napríklad 100% etanol dáva Y = -2,3, 50% etanol vo vode Y = +1,65 a 15% koncentrácia Y = +3,2.
Otázky a odpovede
Otázka: Čo znamená skratka "SN" v reakcii SN1?
Odpoveď: "SN" znamená nukleofilnú substitúciu.
Otázka: Čo znamená "1" v reakcii SN1?
Odpoveď: "1" predstavuje skutočnosť, že krok určujúci rýchlosť zahŕňa len jednu molekulu (unimolekulárny).
Otázka: Aký typ reakcie je SN1?
Odpoveď: SN1 je substitučná reakcia.
Otázka: Aký medziprodukt je súčasťou reakcie SN1?
Odpoveď: Reakcia SN1 zahŕňa karbokačný medziprodukt.
Otázka: Za akých podmienok prebiehajú bežné reakcie SN1?
Odpoveď: Bežné SN1 reakcie prebiehajú so sekundárnymi alebo terciárnymi alkylhalogenidmi za silne zásaditých podmienok alebo so sekundárnymi alebo terciárnymi alkoholmi za silne kyslých podmienok.
Otázka: K akej alternatívnej reakcii dochádza s primárnymi alkylhalogenidmi?
Odpoveď: S primárnymi alkylhalogenidmi prebieha alternatívna reakcia SN2.
Otázka: Kto prvý navrhol mechanizmus reakcie SN1 a v ktorom roku?
Odpoveď: Christopher Ingold a kol. prvýkrát navrhli reakčný mechanizmus SN1 v roku 1940.
Prehľadať