Nukleofilní substituce

Nukleofilní substituce je pojmenování třídy reakcí v organické chemii a biochemii, kde atakující činidlo (nukleofil) vstupující do reakce musí mít volný elektronový pár nebo záporný náboj, protože odstupující skupina (nukleofug) odchází z původní vazby s dvojicí elektronů. Nukleofug musí být také nukleofilní povahy (podle pravidla, že odstupující skupina musí mít stejnou povahu jako přistupující (atakující) činidlo). Nukleofilní substituce může být dobře využitelná na zabrání místa na alifatickém (nasyceném) uhlíku nebo (méně často) na aromatickém nebo na jiných nasycených uhlíkových centrech. Obecný zápis reakce je následující:

Nuc: + R-LG → R-Nuc + LG:

Elektronový pár (:) na nukleofilu atakuje substrát (R-LG), vytvářejíc novou vazbu, zatímco odstupující skupina (LG – z angl. leaving group) odchází s elektronovým párem. Hlavním produktem je v tomto případě R-Nuc.

Příkladem nukleofilní substituce je hydrolýza alkylbromidů (R-Br) v alkalickém prostředí, kde atakující nukleofil je OH⁻ a odcházející skupina je Br⁻.

R-Br + OH⁻ → R-OH + Br⁻

Nukleofilní substituční reakce

V organické chemii existuje velké množství reakcí, které probíhají tímto mechanismem. Běžné reakce jsou

Organická redukce pomocí hydridu

R-X → R-H použitím LiAlH₄ (S_N2)

Hydrolytická reakce jako:

R-Br + OH⁻ → R-OH + Br⁻ (S_N2) nebo

R-Br + H₂O → R-OH + HBr (S_N1)

Williamsova syntéza

R-Br + OR '⁻ → R-OR' + Br⁻ (S_N2)

Wenkerova syntéza, která uzavírá kruh u aminoalkoholů
Finkelsteinova reakce je reakce výměny halogenidu, avšak při Perkovově reakci a Michaelisově-Arbuzově reakci se použije nukleofil s nukleofilním centrem na fosforu.

Nukleofilní substituce na nasyceném uhlíkovém centru

S_N1 a S_N2 reakce

V roce 1953 Edward D. Hughes a Christopher Ingold studovali nukleofilní substituci alkylhalogenidů a příbuzných sloučenin. Zjistili, že existují dva hlavní mechanismy účinku, přičemž navzájem soutěží. Jsou to S_N1 reakce a S_N2 reakce (S jako substituce, n jako nukleofilní a číslo vyjadřuje kinetický řád reakce).

Při reakci typu S_N2 probíhá adice nukleofilu a eliminace odstupující skupiny simultánně. Nastává tam, kde je centrální atom snadno dostupný pro nukleofil. Naproti tomu reakce typu S_N1 probíhá ve dvou stupních. Tento typ mechanismu se více prosazuje tehdy, když je centrální uhlíkový atom substrátu obklopen objemnými skupinami, protože takové skupiny stéricky interferují s S_N2 a protože vysoce substituovaný uhlík vytváří stabilní karbokation. Z počátku bylo určení třídy nukleofilní substituce složité, protože se řídilo posloupností derivátů uhlovodíků: Reakční kinetika se mění postupně od prvního řádu k řádu druhému. Řády jsou ovlivněny odlišnými faktory. S_N1 reaktivita roste v posloupnosti (pro alifatické halogenderiváty) CH₃-X < primárně < sekundární < terciární, zatímco S_N2 roste terciární> sekundární> primární> CH₃-X. Celková reaktivita je určena součtem reaktivity dvou řádů a platí pořadí: CH₃-X> primární> terciární> sekundární.

Tabulka: nukleofilní substituce na R-X (např. Halogenalkyl)
Ovlivňující faktor	S_N1	S_N2	Poznámka
Kinetika	Řád = k [RX]	Řád = k [RX] [Nuc]
Primární alkyl	Neprobíhá, pokud není stabilizovaný další skupinou	Probíhá dobře pokud není bráněna
Sekundární alkyl	Střední	Střední
Terciární alkyl	Výborná	Neprobíhá	Možná eliminace jestliže zahřejeme soustavu nebo použijeme silný nukleofil
Odstupující skupina	Významná	Významná	Pro halogenidy, I> Br> Cl >> F
Nukleofilie	Nepodstatná	Podstatná
Preferované rozpouštědlo	Polární protické	Polární aprotické
Stereochemie	Racemizace (+ možná částečná inverze)	Inverze
Změna uspořádání (karbokationu)	Běžná	Vzácná	Boční reakce
Eliminace	Běžná, hlavně se zásaditými nukleofily	Jen po zahřátí a se zásaditými nukleofily	Boční reakce spec. po zahřátí

Ostatní mechanismy

Vedle S_N1 a S_N2 jsou známé i jiné mechanismy, ale nevyskytují se často. Mechanismus S_Ni byl pozorován v reakci sulfinylchloridů s alkoholy. Je téměř stejný jako S_N1, s rozdílem přístupu nukleofilu ze stejné strany jako odstupující skupina.

Nukleofilní substituce může být spojena s posunem dvojné vazby, což můžeme pozorovat například ve Ferrierově posunu. Tento typ je nazýván jako reakce S_N1 'nebo S_N2', podle kinetiky. Například při reakcí allylhalogenidů nebo sulfonátů nukleofil může atakovat γ-nenasycený uhlík, namísto uhlíku nesoucího odstupující skupinu. Můžeme to pozorovat při reakcí 1-chlor-but-2-enu s hydroxidem sodným, kde vzniká směs 2-buten-1-olu a 3-buten-1-olu.

CH₃CH = CH-CH₂-Cl + NaOH → CH₃CH = CH-CH₂-OH + CH₃CH (OH) -CH = CH₂

V anorganické chemii se ještě vyskytuje S_N1CB mechanismus.

Nukleofilní substituce na nenasyceném uhlíkovém centru

Nukleofilní substituce mechanismem S_n1 a S_n2 obvykle neprobíhá u vinyl- a arylhalogenidů nebo příbuzných sloučenin. Za jistých okolností může proběhnout, ale jinými mechanismy a při specifických podmínkách- obvykle vysoká teplota a tlak. Pokud se má substituovat karbonylová skupina, acylová skupina může podlehnout nukleofilní acylové substituci. Je to obvyklý způsob substituce s deriváty karboxylových kyselin, jako acylchloridů, esterů a amidů.

Odkazy

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Nukleofilná substitúcia na slovenské Wikipedii.

Literatura

Devínsky F. a kol. Organická chemie pro farmaceuty. první vydání. Martin: Vydavatelství Osveta, 2001. 750 stran. ISBN 80-8063-056-9

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématu Nukleofilní substituce na Wikimedia Commons

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.