Reakce nukleofilní substituceEdit

Reakce nukleofilní substituce (SN1 a SN2) jsou velmi úzce spjaty s eliminačními reakcemi E1 a E2, o kterých je pojednáno dále v této části, a obecně je dobré se tyto reakce učit společně, protože existují paralely v reakčním mechanismu, preferovaných substrátech a reakce si někdy vzájemně konkurují.

Důležité je pochopit, že substituční a eliminační reakce nejsou ani tak spojeny s konkrétní sloučeninou nebo směsí, jako spíše představují, jak určité reakce probíhají. Někdy se kombinace těchto mechanismů mohou vyskytovat společně ve stejné reakci nebo si mohou navzájem konkurovat, přičemž vlivy, jako je volba rozpouštědla nebo nukleofilu, jsou určujícím faktorem pro to, která reakce bude převládat.

Poznámka

V zápisu SN1 a SN2,

S znamená substituci (něco zaujme místo něčeho jiného)
N: znamená nukleofilní (nukleofil vytěsňuje jiný nukleofil)
1: znamená unimolekulární (koncentrace pouze jednoho druhu molekuly určuje rychlost reakce)
2:

Při nukleofilní substituci nukleofil napadá molekulu a zaujímá místo jiného nukleofilu, který pak reakci opouští. Nukleofil, který odchází, se nazývá odcházející skupina.

Nukleofilní substituce vyžadují

1. nukleofil (například Lewisovu zásadu)
2. elektrofil s odcházející skupinou

Odcházející skupina je nabitá nebo neutrální část (skupina), která se uvolní.

SN1 vs SN2Edit

Jeden z hlavních rozdílů mezi SN1 a SN2 spočívá v tom, že reakce SN1 je dvoustupňová a je zahájena disociací odcházející skupiny. Naproti tomu reakce SN2 je jednokroková reakce, při níž útočící nukleofil díky své vyšší afinitě k uhlíku a silnější vazbě s ním donutí odcházející skupinu k odchodu. Tyto dvě věci se odehrávají v jednom kroku.

Tyto dva různé mechanismy vysvětlují rozdíl v reakčních rychlostech mezi reakcemi SN1 a SN2. Reakce SN1 jsou závislé na disociaci odcházející skupiny od uhlíku. Je to krok omezující rychlost, a proto je reakce reakcí prvního řádu, jejíž rychlost závisí pouze na tomto kroku.

R a t e = k {\displaystyle Rate=k}

U reakcí SN2 je naopak pro její rychlost klíčový jediný krok, kdy se nukleofil spojí s reaktantem z opačné strany odcházející skupiny. Z tohoto důvodu je rychlost závislá jak na koncentraci nukleofilu, tak na koncentraci reaktantu. Čím vyšší jsou tyto dvě koncentrace, tím častější jsou srážky. Rychlost reakce je tedy reakcí druhého řádu:

R a t e = k {\displaystyle Rate=k} (kde Nu: je útočící nukleofil)

Reakce SN2Edit

Na to, zda reakce SN2 proběhne, mají vliv především tři věci. Nejdůležitější je struktura. To znamená, zda je alkylhalogenid na methylovém, primárním, sekundárním nebo terciárním uhlíku. Další dvě složky, které určují, zda reakce SN2 proběhne, nebo ne, jsou nukleofilita nukleofilu a rozpouštědlo použité při reakci.

Reaktivita v důsledku struktury SN2

CH3X > RCH2X > R2CHX >> R3CX

Struktura alkylhalogenidu má velký vliv na mechanismus. CH3X & RCH2X jsou preferované struktury pro SN2. R2CHX může za vhodných podmínek (viz níže) podléhat SN2 a R3CX se SN2 reakcí účastní zřídka, pokud vůbec.

Reakce probíhá tak, že nukleofil útočí z opačné strany atomu bromu. Všimněte si, že všechny ostatní 3 vazby směřují od bromu k útočícímu nukleofilu. Pokud jsou tyto 3 vazby vodíkové, je zde velmi malá sterická překážka blížícího se nukleofilu. S rostoucím počtem skupin R však roste i sterická překážka, takže pro nukleofila je obtížnější dostat se dostatečně blízko k α-uhlíku, aby vytlačil atom bromu. Ve skutečnosti jsou terciární uhlíky (R3CX) natolik stericky brzděny, že zabrání mechanismu SN2 vůbec proběhnout.

V případě tohoto příkladu, sekundárního α-uhlíku, je zde stále velká sterická brzda a to, zda dojde k mechanismu SN2, bude zcela záviset na tom, jaký je nukleofil a rozpouštědlo. Reakce SN2 jsou preferovány pro methylhalogenidy a primární halogenidy.

Dalším důležitým bodem, který je třeba mít na paměti, a který je jasně vidět na výše uvedeném příkladu, je, že během reakce SN2 dochází k inverzi molekuly. Vazby navázané na α-uhlík jsou při přiblížení nukleofilu odsunuty. Během přechodného stavu se tyto vazby stávají rovinnými s uhlíkem, a jak brom odchází a nukleofil se váže na α-uhlík, ostatní vazby se od nukleofilu odklánějí. To je důležité zejména u chirálních nebo prochirálních molekul, kde se konfigurace R změní na konfiguraci S a naopak. Jak uvidíte níže, je to na rozdíl od výsledků SN1 reakcí.

Příklady:

OH- + CH3-Cl → HO-CH3 + Cl-

OH- je nukleofil, Cl je elektrofil, HOCH3 je produkt a Cl- je odcházející skupina.

nebo,

Na+I- + CH3-Br → I-CH3 + Na+Br-

Ve výše uvedené reakci, která probíhá v acetonu jako rozpouštědle, se sodík a jodid v acetonu téměř úplně disociují, takže jodidové ionty mohou volně atakovat molekuly CH-Br. Záporně nabitý jodidový ion, nukleofil, napadne molekulu methylbromidu, vytlačí záporně nabitý bromidový ion a zaujme jeho místo. Bromidový ion je odcházející skupinou.

NukleofilitaEdit

Nukleofilita je rychlost, s jakou nukleofil vytěsňuje odcházející skupinu v reakci. Obecně platí, že nukleofilita je tím silnější, čím je nukleofil větší, polarizovanější a/nebo méně stabilní. Nepoužívá se žádné konkrétní číslo ani měrná jednotka. Při zachování všech ostatních podmínek se nukleofily obecně porovnávají z hlediska relativní reaktivity. Například určitý silný nukleofil může mít relativní reaktivitu 10 000 oproti určitému slabému nukleofilu. Tyto vztahy jsou obecné, protože věci jako rozpouštědlo a substrát mohou ovlivnit relativní rychlosti, ale obecně jsou dobrým vodítkem pro to, které druhy jsou nejlepšími nukleofily.

Všechny nukleofily jsou Lewisovy báze. V SN2 reakcích je preferovaným nukleofilem silný nukleofil, který je slabou bází. Příkladem jsou N3-, RS-, I-, Br- a CN-.

Alternativně může fungovat i silný nukleofil, který je zároveň silnou bází. Jak však bylo uvedeno dříve v textu, někdy si reakční mechanismy konkurují a v případě silného nukleofilu, který je silnou bází, bude SN2 mechanismus konkurovat E2 mechanismu. Příklady silných nukleofilů, které jsou zároveň silnými bázemi, zahrnují RO- a OH-.

Seznam klesajících nukleofilů

I- > Br- > Cl- >> F- > -SeH > -.OH > H2O

Odchozí skupinaEdit

Odchozí skupina je skupina na substrátu, která odchází. V případě alkylhalogenidu je to halogenidový ion, který opouští atom uhlíku při útoku nukleofilu. Tendence nukleofilu k odchodu je

Relativní reaktivita odcházejících skupin

I- > Br- > Cl- >> F-

Fluoridové ionty jsou velmi špatné odcházející skupiny, protože se vážou velmi silně a v substitučních reakcích s alkylhalogenidy se používají velmi zřídka. Reaktivita ponechávající skupiny souvisí s její bazicitou, přičemž silnější báze jsou horšími ponechávajícími skupinami.

SolventEdit

Rozpouštědlo může hrát důležitou roli v SN2 reakcích, zejména v SN2 zahrnujících sekundární alkylhalogenidové substráty, kde může být určujícím faktorem mechanismu. Rozpouštědlo může mít také velký vliv na reakční rychlost SN2 reakcí.

Mechanismus SN2 je preferován, pokud je rozpouštědlem aprotické, polární rozpouštědlo. To znamená rozpouštědlo, které je polární, ale bez polárního vodíku. Mezi polární, protická rozpouštědla by patřila voda, alkoholy a obecně rozpouštědla s polárními vazbami NH nebo OH. Dobrá aprotická, polární rozpouštědla jsou HMPA, CH3CN, DMSO a DMF.

Polární rozpouštědlo je výhodné, protože lépe umožňuje disociaci halogenidu z alkylové skupiny. Protické rozpouštědlo s polárním vodíkem však vytváří kolem nukleofilu „klec“ rozpouštědla s vodíkovou vazbou, což brání jeho přístupu k substrátu.

Relativní reaktivita rozpouštědel

HMPA > CH3CN > DMF > DMSO >> H2O

Reakce SN1Upravit

Mechanismus SN1 se velmi liší od mechanismu SN2. V některých svých preferencích je přesně opačný a v některých případech mohou být výsledky reakce výrazně odlišné.

Stejně jako u mechanismu SN2 hraje i u mechanismu SN1 důležitou roli struktura. Úloha struktury v mechanismu SN1 je však zcela odlišná a z tohoto důvodu je reaktivita struktur víceméně obrácená.

Reaktivita v důsledku struktury SN1

CH3X < RCH2X << R2CHX < R3CX

Mechanismus SN1 je výhodný pro terciární alkylhalogenidy a v závislosti na rozpouštědle může být výhodný u sekundárních alkylhalogenidů. Mechanismus SN1 nepůsobí na primární alkylhalogenidy nebo methylhalogenidy. Abychom pochopili, proč tomu tak je, podívejme se, jak mechanismus SN1 funguje.

V horní části diagramu je prvním krokem spontánní disociace halogenidu z alkylhalogenidu. Na rozdíl od mechanismu SN2, kdy útočící nukleofil způsobí odchod halogenidu, závisí mechanismus SN1 na schopnosti halogenidu odejít sám. To vyžaduje určité podmínky. Zejména stabilita karbokationu je pro schopnost halogenidu odejít klíčová. Jelikož víme, že terciární karbokationty jsou nejstabilnější, jsou nejlepšími kandidáty pro mechanismus SN1. A za vhodných podmínek budou sekundární karbokationty rovněž fungovat mechanismem SN1. Primární a methylové karbokationty však nejsou dostatečně stabilní, aby tento mechanismus mohl proběhnout.

Po disociaci halogenidu působí voda jako nukleofil, který se váže na karbokationt. V reakcíchSN2 dochází k inverzi způsobené tím, že nukleofil útočí z opačné strany, zatímco halogenid je stále vázán na uhlík. V mechanismu SN1, protože halogenid odešel a vazby mimo α-uhlík se staly planárními, může molekula vody volně útočit z obou stran. Výsledkem je především racemická směs. V posledním kroku je jeden z vodíků vázané molekuly vody atakován jinou molekulou vody, čímž vzniká alkohol.

Poznámka: Racemické směsi znamenají zcela stejné množství směsi, to však v případě SN1 nastává jen zřídka. Existuje mírná tendence k útoku z opačné strany halogenidu. Je to důsledek určité sterické překážky ze strany opouštějícího halogenidu, který je někdy dostatečně blízko opouštěné straně, aby blokoval přístup nukleofilu z této strany.

SolventEdit

Stejně jako mechanismus SN2 je i SN1 ovlivněn rozpouštědlem. Stejně jako u struktury se však důvody liší. V mechanismu SN1 se používá polární, protické rozpouštědlo. Polarita rozpouštědla souvisí s dielektrickou konstantou rozpouštědla a roztoky s vysokou dielektrickou konstantou jsou schopny lépe udržet separované ionty v roztoku. U reakcí SN2 jsme se obávali, že polární atomy vodíku „zaklapnou“ náš nukleofil. K tomu dochází i v případě polárního protického rozpouštědla v reakcích SN1, tak proč si s tím neděláme starosti? Musíte mít na paměti mechanismus reakce. Prvním krokem, a co je důležitější, krokem omezujícím rychlost SN1 reakce, je schopnost vytvořit stabilní karbokation tím, že se přiměje halogenidový aniont k odchodu. S polárním protickým rozpouštědlem, stejně jako s polárním aprotickým rozpouštědlem, vytváříme stabilní kationt, avšak jsou to polární hydrogeny, které stabilizují halogenidový aniont a umožňují mu lépe odejít. Zlepšení kroku omezujícího rychlost je vždy cílem. „Klecování“ nukleofilu nesouvisí s krokem omezujícím rychlost a i v jeho „klecovaném“ stavu je druhý krok, útok nukleofilu, o tolik rychlejší než první krok, že „klecování“ můžeme jednoduše ignorovat.

ShrnutíUpravit

SN1, SN2, E1 a E2, to vše jsou reakční mechanismy, nikoli reakce samotné. Jsou to mechanismy používané řadou různých reakcí. V organické chemii je obvykle cílem syntetizovat produkt. V případech, kdy máte možná konkurenční mechanismy, a to je zejména případ, kdy si konkurují reakce SN1 a E1, dominantní mechanismus rozhodne o tom, jaký bude váš produkt, takže znalost mechanismů a to, které podmínky upřednostňují jeden před druhým, určí váš produkt.

V jiných případech vám znalost mechanismu umožní nastavit prostředí příznivé pro tento mechanismus. To může znamenat rozdíl mezi tím, zda budete mít svůj produkt za pár minut, nebo až někdy v příští době ledové.

Když tedy navrhujete syntézu produktu, musíte zvážit: Chci získat produkt Y, jaké jsou tedy mé možnosti, jak se k Y dostat? Jakmile znáte své možnosti a rozhodli jste se pro reakci, musíte zvážit mechanismus reakce a položit si otázku: „Jak vytvořím podmínky, aby to proběhlo správně a rychle?“

Eliminační reakceEdit

Nukleofilní substituční reakce a eliminační reakce mají mnoho společných vlastností, navíc si reakce E1 a SN1 i E2 a SN2 mohou někdy konkurovat, a protože se jejich produkty liší, je důležité jim oběma porozumět. Bez pochopení obou druhů mechanismů by bylo obtížné získat z reakce požadovaný produkt.

Na reakce SN1 a SN2 se navíc budeme odkazovat poměrně často pro srovnání a kontrast, takže bude asi nejlepší přečíst si nejprve tuto část a pak pokračovat zde.

Eliminační reakce jsou mechanismy vzniku alkenových produktů z haloalkanových reaktantů. E1 a E2 eliminační mechanismy se na rozdíl od SN1 a SN2 substitučních mechanismů nevyskytují u methylhalogenidů, protože reakce vytváří dvojnou vazbu mezi dvěma atomy uhlíku a methylhalidy mají pouze jeden uhlík.

Poznámka

V zápisu E1 a E2,

E znamená eliminaci
1: znamená unimolekulární (koncentrace pouze jednoho druhu molekuly určuje rychlost reakce)
2: znamená bimolekulární (rychlost reakce určuje koncentrace dvou druhů molekul)

E1 vs E2Edit

Reakční rychlostiEdit

E1 a E2 jsou dvě různé cesty k vytvoření alkenů z haloalkanů. Stejně jako u reakcí SN1 a SN2 je jedním z klíčových rozdílů reakční rychlost, protože poskytuje velký přehled o mechanismech.

Reakce E1, stejně jako reakce SN1, jsou dvoukrokové reakce. Stejně jako u reakcí SN1 je krokem omezujícím rychlost disociace halogenidu od jeho alkanu, takže se jedná o reakci prvního řádu v závislosti na koncentraci haloalkanu s reakční rychlostí:

R a t e = k {\displaystyle Rate=k}

Na druhé straně jsou reakce E2, stejně jako reakce SN2, reakcemi 1. řádu. A opět, stejně jako u reakcí SN2, je rychlost limitujícím krokem schopnost nukleofilu navázat se na alkan a vytěsnit halogenid. Jedná se tedy o reakci druhého řádu, která závisí na koncentraci nukleofilu i halogenalkanu, přičemž rychlost reakce je:

R a t e = k {\displaystyle Rate=k} (kde Nu: je útočící nukleofil)

Zaitsevovo pravidloEdit

Zaitsevovo pravidlo (někdy psáno „Saytzeff“) říká, že při eliminační reakci, kdy je možných více produktů, je hlavním produktem nejstabilnější alken. To znamená, že nejsilněji substituovaný alken (alken s nejvíce nevodíkovými substituenty) je hlavním produktem.

Při reakcích E1 i E2 vzniká směs produktů, pokud je to možné, ale obecně se postupuje podle Zaitsevova pravidla. Níže uvidíme, proč se reakce E1 řídí Zaitsevovým pravidlem spolehlivěji a mají tendenci produkovat čistší produkt.

Výše uvedený obrázek představuje dvě možné cesty pro dehydrohalogenaci (S)-2-bromo-3-methylbutanu. Dva potenciální produkty jsou 2-methylbut-2-en a 3-methylbut-1-en. Obrázky vpravo jsou zjednodušené nákresy molekulárního produktu zobrazeného na obrázcích uprostřed.

Jak vidíte vlevo, brom je na druhém uhlíku a při reakci E1 nebo E2 by mohl být vodík odstraněn buď z 1., nebo 3. uhlíku. Zaitsevovo pravidlo říká, že vodík bude odstraněn převážně ze 3. uhlíku. Ve skutečnosti vznikne směs, ale většina produktu bude 2-methylbut-2-en podle mechanismu E1. U reakce E2, jak uvidíme později, tomu tak nutně být nemusí.

E2Edit

Reaktivita vzhledem ke struktuře E2

RCH2X > R2CHX >> R3CX

Mechanismus E2 je sladěný a vysoce stereospecifický, protože k němu může dojít pouze tehdy, když jsou H a odcházející skupina X v antikoplanární poloze. To znamená, že v Newmanově projekci musí být H a X v úhlu 180° nebo v antikonfiguraci. Toto chování vyplývá z nejlepšího překrytí orbitalů 2p sousedních uhlíků, když je třeba vytvořit vazbu pi. Pokud se H a odcházející skupina nemohou dostat do této polohy kvůli struktuře molekuly, mechanismus E2 neproběhne.

Tímto způsobem proto mohou reagovat pouze molekuly, které mají přístupné antikoplanární konformace H-X. Mechanismus E2 bude navíc fungovat v rozporu se Zaitsevovým pravidlem, pokud jediný antikoplanární vodík z odcházející skupiny vede k nejméně stabilnímu alkenu. Dobrým příkladem, jak k tomu může dojít, je pohled na to, jak mohou fungovat deriváty cyklohexanu a cyklohexenu v podmínkách E2.

Podívejme se na výše uvedený příklad. Reaktant, který používáme, je 1-chlor-2-isopropylcyklohexan. Na obrázku vlevo nahoře je jedna konformace a na obrázku níže je po převrácení kruhu. Uprostřed jsou Newmanovy projekce obou konformací a na kresbách vpravo jsou produkty.

Předpokládáme-li, že 1-chlor-2-isopropylcyklohexan zpracováváme silnou bází, například CH3CH2O- (ethanolát), dominuje mechanismus E2. Z uhlíků sousedících s naším chlorovaným uhlíkem jsou 3 vodíky. Červený a zelený jsou dva z nich. Třetí by se špatně ukazoval, ale je připojen ke stejnému uhlíku jako červený vodík, nakloněný trochu dolů od roviny a směrem k divákovi. Červený vodík je jediný vodík, který je vzdálen 180° od atomu chloru, takže je jediný způsobilý pro mechanismus E2. Z tohoto důvodu bude produktem pouze 3-isopropylcylkohex-1-en. Všimněte si, že je to v rozporu se Zaitsevovým pravidlem, které říká, že přednost má nejvíce substituovaný alken. Podle jeho pravidla by měl být naším primárním produktem 1-isopropylcyklohexen, protože by nám zbyl nejvíce substituovaný alken. Ten však jednoduše nemůže vzniknout kvůli sterickým překážkám.

Níže uvedené obrázky ukazují molekulu po překlopení kruhu. V této konformaci není možný žádný produkt. Jak je vidět z Newmanovy projekce, ve vzdálenosti 180° od atomu chloru nejsou žádné vodíky.

Při zvažování mechanismu E2 je tedy důležité pochopit geometrii molekuly. Někdy lze geometrii využít ve svůj prospěch a přednostně získat jediný produkt. Jindy vám zabrání získat požadovaný produkt a budete muset zvážit jiný mechanismus, abyste získali svůj produkt.

Poznámka: Často se místo slova koplanární používá slovo periplanární. Koplanární znamená přesně 180stupňovou vzdálenost a „peri-„, z řeckého „blízko“, znamená blízko 180 stupňů. Periplanární může být ve skutečnosti přesnější. V případě příkladu 1-chlor-3-isopropylcyklohexanu je atom chloru kvůli molekulárním silám ve skutečnosti od vodíku i izopropylové skupiny vzdálen o něco méně než 180 stupňů, takže v tomto případě by mohl být správnější termín periplanární.

E1Edit

Mechanismus E1 začíná disociací odcházející skupiny z alkylu za vzniku karbokationtu na alkylové skupině a odcházejícího aniontu. Tímto způsobem začíná reakce SN1, takže stejná věc, která pomáhá iniciovat tento krok v reakcích SN1, pomáhá iniciovat krok v reakcích E1. Přesněji řečeno, sekundární a terciární karbokationty jsou preferovány, protože jsou stabilnější než primární karbokationty. Volba rozpouštědla je stejná jako u SN1; upřednostňuje se polární protické rozpouštědlo, protože polární aspekt stabilizuje karbocation a protický aspekt stabilizuje aniont.

Co tedy dělá rozdíl mezi tím, zda reakce probíhá cestou SN1 nebo E1, musí záviset na druhém kroku; na působení nukleofilu. V reakcích SN1 se dává přednost silnému nukleofilu, který je slabou bází. Nukleofil pak zaútočí a naváže se na karbokation. V reakcích E1 je stále preferován silný nukleofil. Rozdíl spočívá v tom, že silný nukleofil, který je zároveň silnou bází, způsobí, že nukleofil zaútočí na vodík na β-uhlíku místo na α-karbocation. Nukleofil/základna pak extrahuje vodík, což způsobí, že vazebné elektrony spadnou dovnitř a vytvoří vazbu pí s karbokationtem.

Protože se vodík a odcházející skupina ztrácejí ve dvou oddělených krocích a protože nemá žádné požadavky na geometrii, mechanismus E1 spolehlivěji vytváří produkty, které se řídí Zaitsevovým pravidlem.