求核置換反応Edit
求核置換反応（SN1、SN2）は、後述のE1、E2脱離反応と非常に関係が深く、反応機構、好ましい基質、時には反応が競合するなどの類似性があり、一般的には一緒に学ぶと良いだろう。
置換反応と脱離反応は、特定の化合物や混合物に関連したものではなく、ある種の反応がどのように起こるかを表したものであることを理解することが重要です。 時には、これらのメカニズムの組み合わせが同じ反応で一緒に起こることもあれば、溶媒や求核剤の選択などの影響を受けて互いに競合することもあり、どの反応が優位に立つかを決定する要因になります。
注
SN1、SN2という表記において、
Sはsubstitution（何かが他の何かの代わりになる）
Nはnucleophilic（求核剤が他の求核剤を置換する）
1はunimolecular（1種類の分子のみの濃度が反応の速度を決める）
2.はnextimum（1種類の分子の濃度が反応の速度は決まると）であり、3はnextimumであり、4はnextimum（1種類の分子のみの濃度は決まると）である。 は二分子（二種類の分子の濃度が反応速度を決める）
求核置換では、求核剤が分子を攻撃して別の求核剤の身代わりとなり、その求核剤は去っていく。
求核置換反応には、
- ルイス塩基などの求核剤
- 離脱基を持つ求電子剤
離脱基は自由になる帯電または中性部分（グループ）であり、この部分から反応することで反応速度が向上します。
SN1 vs SN2Edit
SN1とSN2の大きな違いは、SN1反応は2段階の反応であり、脱離基の解離により開始されることです。 一方、SN2反応は1段階の反応であり、攻撃側の求核剤が炭素に対してより高い親和性と強い結合力を持っているため、離脱基を強制的に離脱させることができます。
この2つの異なるメカニズムが、SN1反応とSN2反応の反応速度の違いを説明する。 SN1反応は、脱離基が炭素から解離することに依存している。 これは律速段階であり、したがって反応速度はその段階のみに依存する一次反応である。
R a t e = k {displaystyle Rate=k}。
あるいは、SN2反応では、求核剤が脱離基の反対側から反応物と一緒になる一段階が、その速度を決定する鍵となります。 このため、反応速度は求核剤の濃度と反応物の濃度の両方に依存する。 この2つの濃度が高いほど、衝突の頻度は高くなる。 したがって反応速度は2次反応となる：
R a t e = k {displaystyle Rate=k}. (ここでNu:は攻撃する求核剤)
SN2反応編集
SN2反応が起こるかどうかに影響を与えるものは、主に3つあります。 最も重要なのは構造です。 つまり、ハロゲン化アルキルがメチル、1級、2級、3級のどの炭素の上にあるかということです。 9808>
Reactive Due to Structure of SN2
CH3X > RCH2X > R2CHX >> R3CX
アルキルハライドは構造が機構に大きく影響している。 CH3X & RCH2XはSN2には好ましい構造である。 R2CHXは適切な条件下でSN2を起こすことができ（下記参照）、R3CXがSN2反応に関与することはほとんどない。
反応は求核剤が臭素原子の反対側から攻撃を行うことによって行われます。 他の3つの結合はすべて臭素から離れ、攻撃する求核剤の方に向いていることに注意してください。 この3つの結合が水素結合の場合、接近してくる求核剤の立体障害はほとんどない。 しかし、R基の数が増えると立体障害も大きくなり、求核剤がα炭素に接近して臭素原子を追い出すことが難しくなる。 実際、3級炭素（R3CX）は立体障害により、SN2機構が全く起こらない。
この例の場合、2級α-炭素はまだ多くの立体障害があり、SN2機構が起こるかどうかは、求核剤と溶媒が何であるかによって全く違ってくる。 SN2反応はハロゲン化メチルやハロゲン化第一級化合物に好んで用いられます。
もう一つ重要なことは、上の例ではっきりわかりますが、SN2反応のとき、分子は反転を起こすということです。 親核剤が近づくと、α炭素に付いていた結合は押しのけられます。 遷移状態では、これらの結合は炭素に対して平面的になり、臭素が離れて求核剤がα炭素に結合すると、他の結合は求核剤から離れるように折り返される。 これはキラル分子やプロキラル分子では特に重要で、R配位がS配位に変換されたり、その逆が起こったりする。
例：
OH- + CH3-Cl → HO-CH3 + Cl-
OH- は求核剤、Clは求電子剤、HOCH3は生成物、Cl-は脱離基です。
または、
Na+I- + CH3-Br → I-CH3 + Na+Br-
上記の反応は、溶媒としてアセトン中で行われ、ナトリウムとヨウ化物はアセトン中でほぼ完全に解離して、ヨウ化物イオンがCH-Br分子に自由に攻撃できる状態になります。 負電荷を持つヨウ化物イオンは求核剤として臭化メチル分子を攻撃し、負電荷を持つ臭化物イオンを押し退け、その座を奪う。
求核性編集
求核性とは、反応において求核剤が脱離基を置換する速度のことである。 一般に、求核剤が大きいほど、分極しやすいほど、また安定でないほど、求核力は強い。 特定の数値や単位は用いない。 他の条件がすべて同じであれば、求核剤は一般に相対的な反応性の観点から互いに比較される。 例えば、ある強い求核剤の反応性は、ある弱い求核剤の反応性の10,000分の1である。 溶媒や基質が相対反応速度に影響を与えるので、これらの関係は一般論であるが、一般にどの種が最良の求核剤となるかの良いガイドラインとなる。 SN2反応では、好ましい求核剤は弱塩基である強い求核剤である。 その例としては、N3-、RS-、I-、Br-、CN-などがある。
あるいは、強塩基でもある強い求核剤も機能することがある。 しかし、本文で述べたように、時には反応機構が競合し、強塩基である強い求核剤の場合、SN2機構はE2機構と競合することになる。 強塩基でもある強い求核剤の例としては、RO-やOH-などがあります。
List of descending nucleophilities
I- > Br- > Cl- >> F- > -SeH > – -。OH > H2O
離脱基編集
離脱基とは、基質上の離脱する基のことである。 ハロゲン化アルキルの場合、求核剤が攻撃したときに炭素原子から離れるハロゲン化物イオンのことです。 求核剤が離れる傾向は
Relative Reactivity of Leaving Groups
I- > Br- > Cl- >> F-
フッ化物イオンが非常に強く結合するので出発基にはならないし、アルキルハライド置換反応で使うことは非常にまれである。
SolventEdit
溶媒はSN2反応、特にハロゲン化アルキル二次基を含むSN2において重要な役割を果たすことがあり、機構上の決定要因になることがある。 また、溶媒はSN2反応の反応速度に大きな影響を与えることがある。
SN2反応の機構は、溶媒が非プロトン性極性溶媒である場合に好ましい。 つまり、極性を持つが、極性水素を持たない溶媒である。 極性のあるプロトン性溶媒には、水、アルコール、そして一般に極性のあるNHまたはOH結合を持つ溶媒が含まれるであろう。
極性溶媒は、アルキル基からのハロゲン化物の解離をより良くするため、好まれる。 しかし、極性水素を持つプロトン性溶媒は、求核剤の周りに水素結合溶媒の「かご」を形成し、基質への接近を阻害する。
溶媒の相対反応性
HMPA > CH3CN > DMF > DMSO >> H2O
SN1反応編集
SN1メカニズムはSN2メカニズムと非常に異なるものです。 その好みは全く逆で、場合によっては反応の結果が大きく異なることもあります。
SN2機構と同様に、SN1機構でも構造が重要な役割を果たします。 しかし、SN1機構における構造の役割はかなり異なっており、このため、構造の反応性は多かれ少なかれ逆転している。
SN1
の構造による反応性
CH3X < RCH2X << R2CHX < R3CX
SN1機構は3級のアルキルハライドでは好ましく、2級のアルキルハライドでは溶剤によって好ましい場合がある。 SN1機構は、1級アルキルハライドやメチルハライドでは作動しない。 その理由を理解するために、SN1機構の働きを見てみましょう。
図の上部で、まずハロゲン化アルキルから自発的に解離が起こる。 攻撃側の求核剤がハロゲン化物を離脱させるSN2機構とは異なり、SN1機構はハロゲン化物が自ら離脱する能力に依存する。 そのためには、ある種の条件が必要である。 特に、カルボカチオンの安定性は、ハロゲン化物が離脱するために非常に重要である。 3級カルボカチオンは最も安定であることが分かっているので、SN1機構の最有力候補となる。 また、適切な条件下では、2級カルボカチオンもSN1機構で動作する。
ハロゲン化物が解離すると、水が求核剤としてカルボカチオンに結合する。 SN2反応では、ハロゲン化物が炭素に結合したまま、求核剤が反対側から攻撃することによる逆転現象が起こる。 SN1反応では、ハロゲン化物が去り、α-炭素の結合が平面的になっているので、水分子はどちらから攻めてもよい。 この結果、主としてラセミ混合物が得られる。
注：ラセミ混合物は完全に等量の混合物を意味するが、SN1ではそのようなことは稀である。 ハロゲン化物の反対側から攻撃される傾向が少しある。
SolventEdit
SN2機構と同様に、SN1も溶媒の影響を受ける。 しかし、構造と同様、理由は異なる。 SN1機構では、極性溶媒、プロトン性溶媒が使われる。 溶媒の極性は溶媒の誘電率と関連しており、誘電率の高い溶液は分離したイオンを溶液中で支持しやすくなる。 SN2反応では、極性水素原子が求核剤を「籠絡」することを懸念していた。 SN1反応でも極性プロトン性溶媒を用いると、このようなことが起こりますが、なぜ心配しないのでしょうか？ それは、反応機構を念頭に置く必要があるからです。 SN1反応の最初のステップ、そしてより重要な律速段階は、ハロゲン化物アニオンを引き離して安定なカルボカチオンを作ることです。 極性プロトン性溶媒では、極性非プロトン性溶媒と同じように、安定なカチオンを作るが、極性水素がハロゲン化物アニオンを安定化させ、離脱しやすくしている。 律速段階を改善することは、常に目標である。 また、「ケージ」状態であっても、第二段階である求核剤の攻撃は第一段階よりもはるかに速いので、「ケージ」は単に無視できます。
SummaryEdit
SN1, SN2, E1, E2はすべて反応機構であって反応そのものではありません。 それらは多くの異なる反応によって使用されるメカニズムである。 通常、有機化学では、生成物を合成することが目的です。 特にSN1反応とE1反応が競合している場合、支配的なメカニズムが生成物を決定することになります。
ですから、ある製品の合成を設計する際には、「私は製品Yを得たいのだが、Yに到達するための選択肢は何か」を考える必要があります。
Elimination ReactionsEdit
求核置換反応と脱離反応は多くの共通点があり、その上、E1とSN1、E2とSN2反応は時に競合し、生成物が異なるため、両方を理解することが重要である。 両者のメカニズムを理解しないと、反応から望む生成物を得ることは難しいでしょう。
なお、SN1反応とSN2反応は比較対照の意味でかなり言及されるので、まずその項を読んでからここに続くとよいだろう。
消去反応はハロアルカン反応物からアルケン生成物を作るための機構である。 E1、E2脱離は、SN1、SN2置換と異なり、2つの炭素原子間に二重結合を作る反応であり、ハロゲン化メチルは炭素が1つしかないため、その機構はハロゲン化メチルでは起こりません。
注
E1、E2の表記で、
Eは脱離
1：単分子（1種類の分子だけの濃度で反応速度が決まる）
2：単分子（1種類の分子の濃度で反応速度が決まる）を表し、
3：単分子（1種類の分子の濃度で反応速度が決まる）を表します。 2分子（2種類の分子の濃度が反応速度を決める）
E1 vs E2編集
反応速度編集
E1 と E2 はハロアルカンからアルケンを作る二つの異なる道筋である。 SN1反応とSN2反応と同様に、反応速度がメカニズムを知る上で重要な違いの1つです。
E1反応はSN1反応と同様に2段階反応です。 SN1反応のように、ハロゲン化物とアルカンの解離が律速段階となり、ハロゲン化物の濃度にもよりますが、1次反応となり、反応率は
R a t e = k {Thinkdisplaystyle Rate=k} となる。
一方、E2反応は、SN2反応と同じく1ステップの反応です。 SN2反応と同様、求核剤がアルカンに結合し、ハロゲン化物を置換することが反応速度律速となる。 したがって、求核剤とハロアルカンの濃度に依存する2次反応であり、その反応速度は次のようになる：
R a t e = k {Chitedisplaystyle Rate=k} (ここでNu: は攻撃側求核剤)
Zaitsevの法則Edit
Zaitsev の法則(Saytzeffと表記することもある)は、消去反応において、複数の生成物が考えられる場合、最も安定なアルケンが主要生成物となることを示すものです。
E1反応、E2反応とも可能であれば混合物を生成しますが、一般的にはZaitsevの法則に従います。 E1 反応がより確実に Zaitsev の法則に従い、より純粋な生成物を生成する傾向がある理由は後述します。
上の図は (S)-2-bromo-3-methylbutane の脱ハロゲン化の 2 通りの可能性を表しています。 2つの潜在的な生成物は、2-メチルブット-2-エンおよび3-メチルブット-1-エンです。 右の図は中央の図の分子生成物の簡略図です。
左の図のように、臭素は2番目の炭素にあり、E1またはE2反応では、水素は1番目か3番目の炭素から除去される可能性があることがわかります。 ザイツェフの法則では、水素は主に3番目の炭素から除去されることになっています。 実際には混合物になるが、E1機構では生成物のほとんどが2-メチルブタ-2-エンである。 E2反応では、後で見るように、必ずしもそうではないかもしれません。
E2Edit
E2の構造による反応性
RCH2X > R2CHX >> R3CX
E2メカニズムはHと出発基Xが反共平面位置にないと起こらないので協調的かつ高い立体特異性で反応することになります。 すなわち、Newmanの投影において、HとXは180°、すなわち反配置でなければならない。 この挙動は、π結合を形成しなければならないときに、隣接する炭素の2p軌道が最もよく重なることに由来している。 分子の構造上、Hと脱離基をこの位置に持ってこられないと、E2機構は起こらない。
したがって、アクセス可能なH-X反共平面コンフォメーションを持つ分子のみがこのルートで反応することができます。 さらに、E2機構は、脱離基からの唯一の反共平面水素が最も安定性の低いアルケンをもたらす場合、Zaitsevの規則に反して動作することになる。
上の例を見てみましょう。 使う反応物は1-chloro-2-isopropylcyclohexaneです。 左上の図は1つのコンフォメーションで、下の図はリングフリップ後のものです。
1-chloro-2-isopropylcyclohexaneをCH3CH2O-（エタノール酸塩）のような強塩基で処理するとすると、支配的な機構はE2であると考えられます。 塩素化炭素に隣接する炭素には3つの水素が存在します。 赤と緑がそのうちの2つです。 3つ目の水素は、わかりにくいですが、赤い水素と同じ炭素に、平面から少し斜め下、見る人に向かってくっついています。 赤い水素は、塩素原子から180°離れている唯一の水素なので、E2機構の対象となる唯一の水素です。 このため、生成物は3-イソプロピルシルコヘキサン-1-エンのみになります。 これは、最も置換度の高いアルケンが好ましいというZaitsevの法則に反していることに注目しよう。 ザイツェフの法則では、最も置換度の高いアルケンを残すために、1-イソプロピルシクロヘキセンを第一生成物とするはずです。
下の画像はリングフリップした後の分子である。 このコンフォメーションでは、生成物を得ることは不可能である。 Newmanの投影図からわかるように、塩素原子から180°離れたところに水素がありません。
ですから、E2機構を考えるとき、分子の形状を理解することが重要です。 E2機構を考える上で、分子の形状を理解することは重要です。形状をうまく利用することで、単一の生成物を優先的に得ることができる場合もあります。
注：しばしば coplanar の代わりに periplanar という単語が使われます。 Coplanarは正確に180度離れていることを意味し、ギリシャ語で「近く」を意味する「peri」は180度近くを意味する。 実際にはペリプラナーの方がより正確かもしれない。 1-chloro-3-isopropylcyclohexaneの例では、分子力の関係で、塩素原子は水素とイソプロピル基の両方から180度より少し離れているので、この場合はperiplanarと呼ぶ方が正しいかもしれません。
E1Edit
E1機構はアルキルから脱離基が解離してアルキル基上にカルボケーションと脱離アニオンが生成することから始まります。 これはSN1反応の始まりと同じで、SN1反応のステップを開始させるのと同じものが、E1反応のステップを開始させるのに役立つのです。 具体的には、1級カルボカチオンよりも2級カルボカチオンや3級カルボカチオンが安定であるため、好ましい。 溶媒の選択もSN1と同様で、極性プロトン性溶媒が好ましい。極性がカルボカチオンを、プロトン性がアニオンを安定化させるからだ。
では、反応がSN1経路かE1経路かの違いは、第二段階である求核剤の作用に依存するはずである。 SN1反応では、弱い塩基である強い求核剤が好まれる。 求核剤は、カルボカチオンを攻撃し、結合させる。 E1反応では、やはり強い求核剤が好まれる。 違いは、強塩基でもある強い求核剤が、α-カルボケーションの代わりにβ-炭素の水素を攻撃させることである。
水素と脱離基が2つの別々のステップで失われることと、幾何学的な要件がないことから、E1機構はより確実にZaitsevの法則に従った生成物を生成することができるのです。