SN1 reakcija: vienmolekulė nukleofilinė pakaita ir karbokationo mechanizmas
Reakcija NS1 yra organinės chemijos pakaitos reakcija, kurioje skilimo ir susidariusio tarpinio produkto savybės lemia reakcijos eigą. „SN“ reiškia nukleofilinį pakeitimą, o „1“ – tai, kad greitį lemiančiame žingsnyje dalyvauja tik viena molekulė (vienmolekulė). Reakcijoje susidaro tarpinis karbokatonas, kuris vėliau reaguoja su nukleofilu.
Mechanizmas — žingsniai ir kinetika
Standartinis NS1 mechanizmas vyksta dviem pagrindiniais etapais:
- 1 žingsnis (lėtas, greitį lemiančiasis): išeinantis grupės (pavyzdžiui, halogenido arba protonuota hidroksigrupė) atsiskyrimas nuo substrato ir teigiamo tarpinis karbokatonas susidarymas. Šis žingsnis yra energijos barjeras ir kontroliuoja reakcijos greitį.
- 2 žingsnis (greitas): nukleofilas prisijungia prie planarinio karbokationo iš bet kurios pusės, sudarydamas galutinį produktą.
Kinetika: reakcijos greitis priklauso tik nuo substrato koncentracijos, taigi greičio išraiška yra rate = k[substratas] – tai atitinka pirmos eilės reakciją.
Stereochemija ir joninė pora
Kadangi tarpinis karbokatonas yra plokščias (sp2 hibridizacija), prisijungimas iš abiejų pusių teoriškai lemia rase-mizaciją (mišinį enantiomerų santykį), kai reaguoja chirališki substratai. Vis dėlto praktikoje dažnai stebima dalinė išsaugojimas arba preferencinė invercija dėl „ioninės poros“ (angl. intimate ion pair) – išeinantis anijonas gali trumpam dengti vieną karbokationo pusę ir nukreipti nukleofilo ataką.
Veiksniai, lemiantys NS1 reakciją
- Substratas: reakcija palankiausia tais atvejais, kai susidaro stabilus karbokationas: tretiniai > antriniai > pirminiai. Stabilumą didina alkilinių grupių izohyperkonjugacija ir rezonansinis delokalizavimas.
- Išeinanti grupė: geros išeinančios grupės (pvz., halogenidai, tos, kurios gali stabiliai palikti kaip anijonai arba protonuotos OH grupės) skatina reakciją.
- Solventas: poliniai protiniai (pvz., etanol, vanduo) tirpikliai gerai stabilizuoja jonus ir skatina NS1 mechanizmą, nes jie mažina karbokationo energiją.
- Nukleofilo stiprumas: skirtingai nei NS2, nukleofilo stiprumas NS1 reakcioje yra mažiau svarbus, nes nukleofilas nedalyvauja greitį lemiančiame žingsnyje.
- Temperatūra ir rūgštinės sąlygos: rūgštinės sąlygos (protonavimas alkoholių) palengvina išeinančios grupės atskilimą; aukštesnė temperatūra dažnai skatina eliminuojančius procesus (E1) konkurencijoje su NS1.
Karbokationo poslinkiai ir šalutiniai procesai
Susidarius karbokationui, gali vykti struktūrinės pertvarkos (pvz., hidridų ar alkilinių perėjimų – hydride arba alkyl shift), jei tai sukuria stabilesnį karbokationą. Tai gali lemti netikėtus produktus arba izomerizaciją. Be to, NS1 dažnai konkuruoja su E1 eliminacija, ypač esant aukštesnei temperatūrai arba silpniems nukleofilams.
Pavyzdžiai ir praktinė reikšmė
- Tert-butilchlorido hidrolizė: typiškas NS1 pavyzdys — tert-butilo halogenidas atsiskaido, susidaro tert-butilo karbokationas, kuris reaguoja su vandeniu.
- Antriniai ir tretiniai alkoholių reakcijos rūgštinėmis sąlygomis: protonavus OH grupę ji tampa geresne išeinančia grupe, todėl vyksta NS1 mechanizmas formuojant karbokationą.
- Organinės sintezės planavimas: žinant, ar procesas vyks per NS1 ar NS2, galima pasirinkti tinkamas sąlygas (tirpiklius, temperatūrą, katalizatorių) bei išvengti nepageidaujamų perėjimų ar poslinkių.
Sutrumpinimai ir nomenklatūra
Neorganinės chemijos specialistų tarpe NS1 reakcija dažnai vadinama disociaciniu mechanizmu. Pirmą kartą reakcijos mechanizmą 1940 m. pasiūlė Christopheris Ingoldas ir kt., o nuo tada mechanizmo principai plačiai taikomi tiek akademinėje, tiek pramoninėje organinėje chemijoje.
Santrauka: NS1 pasižymi vienmolekuliniu greitį lemiančiu žingsniu, kuriame susidaro karbokationas. Reakcijos eiga labai priklauso nuo karbokationo stabilumo, išeinančios grupės kokybės ir tirpiklio savybių; ji dažnai konkuruoja su E1 eliminacija, o poslinkiai gali pakeisti galutinį produktą.
Mechanizmas
Reakcijos, vykstančios pagal NS1 reakcijos mechanizmą, pavyzdys - terc-butilbromido hidrolizė su vandeniu, kai susidaro terc-butilo alkoholis:
Ši NS1 reakcija vyksta trimis etapais:
- Tert-butilo karbokationo susidarymas atskiriant palikimo grupę (bromido anijoną) nuo anglies atomo; šis etapas yra lėtas ir grįžtamas.
- Nukleofilinė ataka: karbokatas reaguoja su nukleofilu. Jei nukleofilas yra neutrali molekulė (t. y. tirpiklis), reakcijai užbaigti reikalingas trečias etapas. Kai tirpiklis yra vanduo, tarpinis produktas yra oksonio jonas. Šis reakcijos etapas yra greitas.
- Deprotonavimas: Vanduo, veikdamas kaip bazė, pašalina protoną iš protonuoto nukleofilo, sudarydamas alkoholį ir vandenilio joną. Šis reakcijos etapas yra greitas.
Kadangi pirmasis etapas yra siaurasis arba greitį lemiantis etapas, chemikai visą reakcijos mechanizmą priskiria prie NS1. Šiam žingsniui reikia tik vienos molekulės.
Reakcijos taikymo sritis
Kartais molekulė gali reaguoti pagal NS1 arba NS2 mechanizmą. Kai centrinį anglies atomą supa stambios grupės, laimi NS1 mechanizmas, nes tokios grupės steriliai trukdo NS2 reakcijai. Be to, stambūs pakaitalai ant centrinės anglies padidina karbokatijonų susidarymo greitį, nes sumažėja sterinė įtampa. Susidaręs karbokatas taip pat stabilizuojamas dėl indukcinės stabilizacijos ir hiperkonjugacijos iš prijungtų alkilo grupių. Hammondo-Lefflerio postulatas teigia, kad tai taip pat didina karbokatijonų susidarymo greitį. Todėl NS1 mechanizmas dominuoja reakcijose, vykstančiose ties tretiniais alkilo centrais, ir toliau stebimas ties antriniais alkilo centrais, esant silpniems nukleofilams.
Reakcijos, vykstančios NS1 būdu, pavyzdys - 2,5-dichlor-2,5-dimetilheksano sintezė iš atitinkamo diolo koncentruota druskos rūgštimi:
Didėjant alfa ir beta pakaitų kiekiui paliekamųjų grupių atžvilgiu, reakcija nukreipiama iš NS2 į NS1.
Stereochemija
Reakcijos greitį ribojančioje stadijoje susidarantis tarpinis karbokatas yra sp 2hibridizuota anglis, kurios molekulinė geometrija yra trigoninė plokštuminė. Dėl to nukleofilinė ataka gali vykti dviem skirtingais keliais, po vieną iš abiejų plokščiosios molekulės pusių. Jei nė vienas iš šių kelių nėra prioritetinis, šie du keliai bus naudojami vienodai, todėl, jei reakcija vyksta stereocentre, gaunamas raceminis enantiomerų mišinys. Tai iliustruoja toliau pateikta S-3-chlor-3-metilheksano NS1 reakcija su jodido jonu, kurios metu gaunamas raceminis 3-jodo-3-metilheksano mišinys:
Tačiau galima pastebėti vieno stereoizomero perteklių, nes paliekančioji grupė gali trumpai išlikti arti tarpinio karbokationo ir blokuoti nukleofilinę ataką. Tai labai skiriasi nuo NS2 mechanizmo, kuris nesumaišo produkto stereochemijos (stereospecifinis mechanizmas). NS2 mechanizmas visada apverčia molekulės stereochemiją.
Šalutinės reakcijos
Dvi dažniausiai pasitaikančios šalutinės reakcijos yra eliminacijos reakcijos ir karbokatijonų persitvarkymas. Jei reakcija atliekama šiltomis arba karštomis sąlygomis (kurios skatina entropijos didėjimą), tikėtina, kad vyraus E1 eliminacija, todėl susidarys alkenas. Žemesnėje temperatūroje NS1 ir E1 reakcijos yra konkurencinės reakcijos. Todėl tampa sunku teikti pirmenybę vienai iš jų. Net jei reakcija atliekama šaltai, gali susidaryti šiek tiek alkeno. Jei bandoma atlikti NS1 reakciją naudojant stipriai bazinį nukleofilą, pavyzdžiui, hidroksido arba metoksido joną, vėl susidarys alkenas, šį kartą per E2 eliminaciją. Tai ypač aktualu, jei reakcija kaitinama. Galiausiai, jei tarpinis karbokationas gali persitvarkyti į stabilesnį karbokationą, jis duos produktą, gautą iš stabilesnio karbokationo, o ne paprastos pakaitos produktą.
Tirpiklio poveikis
Tirpikliai keičia reakcijos greitį. Kadangi NS1 reakcijos greitį lemiančiame etape susidaro nestabilus tarpinis karbokationas, bet kas, kas gali padėti tai padaryti, pagreitins reakciją. Įprastai pasirenkami poliniai (kad stabilizuotų joninius tarpinius produktus apskritai) ir protiniai tirpikliai (kad būtų solvatuojama paliekančioji grupė). Tipiški poliniai protiniai tirpikliai yra vanduo ir alkoholiai, kurie taip pat veikia kaip nukleofilai.
Y skalė koreliuoja bet kurio tirpiklio tirpinimo reakcijos greitį (k) su standartinio tirpiklio (80 % v/v etanolio ir vandens) reakcijos greičiu (k0) per
log ( k k ) 0= m Y {\displaystyle \log {\left({\frac {k}{k_{0}}}\right)}=mY\,} 
kai m - reaguojančios medžiagos konstanta (terc-butilchlorido atveju m = 1),
- Y - tirpiklio parametras, ir
- k0 yra reakcijos greitis, kai tirpiklyje yra 80 % etanolio (matuojant pagal tūrį).
Pavyzdžiui, 100 % etanolio koncentracija Y = -2,3, 50 % etanolio koncentracija vandenyje Y = +1,65, o 15 % koncentracija Y = +3,2.
Klausimai ir atsakymai
Klausimas: Ką reiškia "SN" žodžių junginyje SN1 reakcija?
A: "SN" reiškia nukleofilinį pakeitimą.
K: Ką reiškia "1" SN1 reakcijoje?
A: "1" reiškia, kad greitį lemiančiame etape dalyvauja tik viena molekulė (vienmolekulė).
K: Kokio tipo reakcija yra SN1?
A: SN1 yra pakeitimo reakcija.
K: Koks tarpinis produktas dalyvauja SN1 reakcijoje?
A: SN1 reakcijoje dalyvauja tarpinis junginys karbokatas.
K: Kokiomis sąlygomis vyksta įprastos SN1 reakcijos?
A: Įprastos SN1 reakcijos vyksta su antriniais ar tretiniais alkilhalidais, esant stipriai šarminėms sąlygoms, arba su antriniais ar tretiniais alkoholiais, esant stipriai rūgštinėms sąlygoms.
K: Kokia alternatyvi reakcija vyksta su pirminiais alkilo halogenidais?
A: Su pirminiais alkilhalidais vyksta alternatyvi SN2 reakcija.
K: Kas ir kuriais metais pirmasis pasiūlė SN1 reakcijos mechanizmą?
A: Christopheris Ingoldas ir kiti pirmą kartą pasiūlė SN1 reakcijos mechanizmą 1940 m.
