Nukleofilná substitúcia

Nukleofilná substitúcia je pomenovanie triedy chemických reakcií v organickej a bioorganickej chémii, kde atakujúce činidlo (nukleofil) vstupujúce do reakcie musí mať voľný elektrónový pár, pretože odstupujúca skupina (nukleofug) odchádza z pôvodnej väzby s dvojicou elektrónov. Nukleofug musí byť tiež nukleofilnej povahy, podľa pravidla, že odstupujúca skupina musí mať rovnakú povahu ako pristupujúce (atakujúce) činidlo. Nukleofilná substitúcia môže byť dobre využiteľná na zabranie miesta na alifatickom (saturovanom) uhlíku alebo (menej často) na aromatickom alebo iných saturovaných uhlíkových centrách. Všeobecný zápis reakcie je nasledovný:

Nuc: + R-LG → R-Nuc + LG:

Graf realatívnej reaktivity alkylhalogenidov k reakciám S_N1 a S_N2. Os X – uhľovodíkový zvyšok (radikál) halogénderivátu, os Y – dekadický logaritmus rýchlosti chemickej reakcie

Elektrónový pár (:) na nukleofile atakuje substrát (R-LG), vytvárajúc novú väzbu, kým odstupujúca skupina (LG – leaving group, angl.) odchádza s elektrónovým párom. Hlavným produktom je v tomto prípade R-Nuc. Nukleofil môže byť elektricky neutrálny alebo negatívne nabitý, kým substrát je typicky neutrálny alebo pozitívne nabitý.

Príkladom nukleofilnej substitúcie je hydrolýza alkylbromidov (R-Br) v alkalickom prostredí, kde atakujúci nukleofil je OH⁻ a odchádzajúca skupina je Br⁻.

R-Br + OH⁻ → R-OH + Br⁻

Nukleofilné substitučné reakcie

V organickej chémii existuje veľké množstvo reakcií, ktoré prebiehajú týmto mechanizmom. Bežné reakcie sú

organická redukcia pomocou hydridu

R-X → R-H použitím LiAlH₄ (S_N2)

hydrolytická reakcia ako:

R-Br + OH⁻ → R-OH + Br⁻ (S_N2) alebo

R-Br + H₂O → R-OH + HBr (S_N1)

Williamsova syntéza

R-Br + OR'⁻ → R-OR' + Br⁻ (S_N2)

Wenkerova syntéza, ktorá uzatvára kruh v aminoalkoholoch
Finkelsteinova reakcia je reakcia výmeny halogenidu, avšak pri Perkovovej reakcii a Michaelisovej-Arbuzovej reakcii sa použije nukleofil s nukleofilným centrom na fosfore.

Nukleofilná substitúcia na saturovanom uhlíkovom centre

S_N1 a S_N2 reakcie

V roku 1953 Edward D. Hughes a sir Christopher Ingold študovali nukleofilnú substitúciu alkylhalogenidov a príbuzných zlúčenín. Zistili, že existujú dva hlavné mechanizmy účinku, pričom navzájom súťažia. Sú to S_N1 reakcia a S_N2 reakcia (S ako substitúcia, n ako nukleofilná a číslo vyjadruje kinetický rád reakcie).

Pri reakcii typu S_N2 prebieha adícia nukleofilu a eliminácia odstupujúcej skupiny simultánne. Nastáva tam, kde je centrálny atóm ľahko dostupný pre nukleofil. Naproti tomu reakcia typu S_N1 prebieha v dvoch stupňoch. Tento typ mechanizmu sa viac presadzuje vtedy, keď je centrálny uhlíkový atóm substrátu obklopený objemnými skupinami, pretože takéto skupiny stéricky interferujú s S_N2 a pretože vysoko substituovaný uhlík vytvára stabilný karbkatión. Z počiatku bolo určenie triedy nukleofilnej substitúcie zložité, pretože sa riadilo postupnosťou derivátov uhľovodíkov: Reakčná kinetika sa mení postupne od prvého rádu k rádu druhému. Rády sú ovplyvnené odlišnými faktormi. S_N1 reaktivita rastie v postupnosti (pre alifatické halogénderiváty) CH₃-X < primárne < sekundárne < terciárne, zatiaľ čo S_N2 rastie terciárne > sekundárne > primárne > CH₃-X. Celková reaktivita je určená súčtom reaktivít dvoch rádov a platí poradie: CH₃-X > primárne > terciárne > sekundárne.

Tabuľka : Nukleofilná substitúcia na R-X (napr. halogénalkyl)
Ovplyvňujúci faktor	S_N1	S_N2	Poznámka
Kinetika	Rád=k[RX]	Rád=k[RX][Nuc]
Primárny alkyl	neprebieha, pokiaľ nie je stabilizovaný ďalšou skupinou	prebieha dobre ak nie je bránená
Sekundárny alkyl	priemerná	priemerná
Terciárny alkyl	výborná	neprebieha	možná eliminácia ak zahrejeme alebo použijeme silný nukleofil
Odstupujúca skupina	významná	významná	pre halogenidy, I > Br > Cl >> F
Nukleofilita	nepodstatná	podstatná
Preferované rozpúšťadlo	polárne protické	polárne aprotické
Stereochémia	racemizácia (+ možná čiastočná inverzia)	inverzia
Zmena usporiadania (karbkatiónu)	bežná	zriedkavá	bočná reakcia
Eliminácia	bežná, hlavne s bázickými nukleofilmi	len po zahriatí a s bázickými nukleofilmi	bočná reakcia špec. po zahriatí

Ostatné mechanizmy

Popri S_N1 a S_N2 sú známe aj iné mechanizmy, ale nevyskytujú sa často. Mechanizmus S_Ni je pozorovaný v reakcií sulfinylchloridov s alkoholmi. Je takmer rovnaký ako S_N1, s rozdielom prístupu nukleofilu z rovnakej strany ako odstupujúca skupina.

Nukleofilná substitúcia môže byť spojená s posunom dvojnej väzby, čo môžeme pozorovať napríklad vo Ferrierovom posune. Tento typ je nazývaný ako reakcie S_N1' alebo S_N2', podľa kinetiky. Napríklad pri reakcií allylhalogenidov alebo sulfonátov nukleofil môže atakovať γ nesaturovaný uhlík, namiesto uhlíka nesúceho odstupujúcu skupinu. Môžeme to pozorovať pri reakcií 1-chlorbut-2-énu s hydroxidom sodným, kde vzniká zmes 2-butén-1-olu a 3-butén-1-olu.

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

V anorganickej chémii sa ešte vyskytuje S_N1CB mechanizmus.

Nukleofilná substitúcia na nesaturovanom uhlíkovom centre

Nukleofilná substiúcia mechanizmom S_n1 a S_n2 zvyčajne neprebieha u vinyl- a arylhalogenidov alebo príbuzných zlúčenín. Za istých okolností môže prebehnúť, ale cestou iných mechanizmov a pri špecifických podmienkach- zvyčajne vysoká teplota, tlak a použitie autoklávu. Ak sa má substituovať karbonylová skupina, acylová skupina môže podľahnúť takzvanej nukleofilnej acylovej substitúcii. Je to normálna cesta substitúcie s derivátmi karboxylových kyselín, ako acylchloridov, esterov a amidov.

Zdroje

Devínsky F. a kol. Organická chémia pre farmaceutov. prvé vydanie. Martin: Vydavateľstvo Osveta, 2001. 750 strán. ISBN 80-8063-056-9
Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Nucleophilic substitution na anglickej Wikipédii.

Chemický portál

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