Αντίδραση πυρηνόφιλης υποκατάστασης

Όταν ένας δότης ζεύγους ηλεκτρονίων αντιδρά με έναν δέκτη ζεύγους ηλεκτρονίων, η αντίδραση ονομάζεται αντίδραση πυρηνόφιλης υποκατάστασης. Ο δότης ζεύγους ηλεκτρονίων ονομάζεται πυρηνόφιλος.

Ονομάζονται έτσι επειδή έλκονται από τον πυρήνα ενός ατόμου. Σε μια πυρηνόφιλη αντίδραση υποκατάστασης, το πυρηνόφιλο αντιδρά με ένα αλογονοαλκάνιο. Το αλογονοαλκάνιο έχει ένα άτομο αλογόνου συνδεδεμένο με το κεντρικό άτομο άνθρακα και το άτομο αλογόνου εκτοπίζεται από το πυρηνόφιλο. Αυτό το άτομο αλογόνου φεύγει ως ιόν αλογονιδίου και επομένως ονομάζεται αποχωρούσα ομάδα. Το ιόν αλκοξειδίου, το ιόν υδροξειδίου, το ιόν αλογονιδίου και το ιόν κυανιδίου είναι κοινά παραδείγματα πυρηνόφιλων. Οι αντιδράσεις πυρηνόφιλης υποκατάστασης είναι δύο τύπων – SN1 και SN2.

Αποχώρηση από την ομάδα

Σε μια πυρηνόφιλη αντίδραση υποκατάστασης, ένα μόριο πρέπει να έχει μια καλή αποχωρούσα ομάδα καθώς και έναν πολικό δεσμό για να λειτουργεί ως πυρήνας ή υπόστρωμα. Ένα άτομο που έχει την ικανότητα ανεξάρτητης ύπαρξης και μπορεί να υπάρχει ως ιόν ή μόριο, το οποίο είναι ασθενώς βασικό και σχετικά σταθερό, μπορεί να λειτουργήσει ως καλή αποχωρούσα ομάδα. Μια καλή αποχωρούσα ομάδα θα πρέπει να έχει υψηλή ηλεκτραρνητικότητα ώστε να μπορεί να φιλοξενήσει ένα αρνητικό φορτίο. Το αρνητικό φορτίο μπορεί επίσης να προσαρμοστεί μέσω της μετεγκατάστασης. Ένα παράδειγμα καλής αποχωρούσας ομάδας είναι τα αλογόνα καθώς σχηματίζουν σχετικά σταθερά ιόντα και έχουν υψηλή ηλεκτραρνητικότητα.

αντίδραση SN1

• Αυτή η αντίδραση αντικατάστασης λαμβάνει χώρα σε μια διαδικασία δύο σταδίων.

• Στο πρώτο βήμα, ένας θετικά φορτισμένος άνθρακας (καρβοκατιόν) σχηματίζεται όταν ο δεσμός άνθρακα-αλογόνου σπάσει.

• Στο δεύτερο βήμα, σχηματίζεται ένας νέος δεσμός όταν το πυρηνόφιλο επιτίθεται στο καρβοκατιόν, δηλαδή στο ιόν άνθρακα με θετικό φορτίο.

• Αυτή η αντίδραση είναι μια μονομοριακή αντίδραση.

• Ακολουθεί κινητικές πρώτης τάξης.

• Ο ρυθμός της αντίδρασης μπορεί να γραφτεί ως k[R-LG].

• Η συγκέντρωση του αλκυλαλογονιδίου, δηλαδή του υποστρώματος καθορίζει τον ρυθμό της αντίδρασης.

• Τόσο τα προϊόντα αναστροφής όσο και τα προϊόντα κατακράτησης σχηματίζονται, δηλαδή, η αντίδραση έχει στερεοχημεία ρακεμοποίησης.

• Η αντιδραστικότητα της αντίδρασης μπορεί να αυξηθεί χρησιμοποιώντας έναν πολικό πρωτικό διαλύτη.

• Η αντίδραση λαμβάνει χώρα κυρίως σε δευτεροταγές και τριτοταγές αλογονοαλκάνιο.

• Η φύση της αποχωρούσας ομάδας επηρεάζει τον ρυθμό της αντίδρασης.

• Ο ρυθμός της αντίδρασης δεν επηρεάζεται από τη φύση του πυρηνόφιλου.

• Μια ομάδα αποχώρησης που μπορεί εύκολα να αφαιρεθεί και είναι αδύναμη βάση θεωρείται καλή ομάδα αποχώρησης.

αντίδραση SN2

• Αυτή η αντίδραση αντικατάστασης λαμβάνει χώρα σε μια διαδικασία ενός σταδίου.

• Ο σχηματισμός ενός καρβανιόν συμβαίνει ταυτόχρονα όταν το πυρηνόφιλο δεσμεύεται με το κεντρικό άτομο άνθρακα και το σπάσιμο του δεσμού άνθρακα-αλογόνου.

• Αυτή η αντίδραση είναι μια διμοριακή αντίδραση.

• Ακολουθεί κινητικές δεύτερης τάξης.

• Ο ρυθμός της αντίδρασης μπορεί να γραφτεί ως k[Nu][R-LG].

• Η συγκέντρωση του αλκυλαλογονιδίου, δηλαδή του υποστρώματος καθώς και του πυρηνόφιλου καθορίζει τον ρυθμό της αντίδρασης.

• Η αντίδραση δείχνει μια στερεοχημεία αναστροφής.

• Η αντιδραστικότητα της αντίδρασης μπορεί να αυξηθεί χρησιμοποιώντας έναν πολικό απρωτικό διαλύτη.

• Η αντίδραση λαμβάνει χώρα κυρίως σε πρωτογενή και δευτερογενή αλογονοαλκάνια.

• Η φύση της αποχωρούσας ομάδας επηρεάζει τον ρυθμό της αντίδρασης.

• Η αντίδραση επηρεάζεται επίσης από τη φύση του πυρηνόφιλου.

• Μια αποχωρούσα ομάδα που είναι αδύναμη βάση μπορεί να θεωρηθεί ως καλή ομάδα αποχώρησης.

Παράδειγμα αντίδρασης πυρηνόφιλης υποκατάστασης

Παράδειγμα αντίδρασης SN1:

Στο πρώτο βήμα, η αποχωρούσα ομάδα απομακρύνεται. Εδώ η αποχωρούσα ομάδα συμβολίζεται με «Χ». Όταν ο δεσμός C-X σπάσει, σχηματίζεται το θετικό φορτίο στο άτομο άνθρακα (καρβοκατιόν). Το πρώτο βήμα μπορεί να απεικονιστεί ως εξής:

Στο δεύτερο βήμα, ένα πυρηνόφιλο επιτίθεται στο κεντρικό άτομο άνθρακα και σχηματίζει δεσμό. Η διαμόρφωση του προϊόντος μπορεί να είναι μια αναστροφή ή συγκράτηση με βάση το πρόσωπο όπου είναι προσανατολισμένο το πυρηνόφιλο. Το δεύτερο βήμα μπορεί να απεικονιστεί ως εξής:

Το ακόλουθο είναι ένα παράδειγμα αντίδρασης SN1 σε (S)-3-Βρωμο-3-μεθυλεξάνιο. Αυτό είναι ένα τριτοταγές αλκυλαλογονίδιο.

Παράδειγμα αντίδρασης SN2:

Σε μια αντίδραση SN2, υπάρχει ένας ταυτόχρονος σχηματισμός δεσμού μεταξύ ενός πυρηνόφιλου και κεντρικού ατόμου άνθρακα και η διάσπαση του δεσμού μεταξύ του άνθρακα και της αποχωρούσας ομάδας. Η αντίδραση SN2 μπορεί να απεικονιστεί ως εξής:

Το ακόλουθο είναι ένα παράδειγμα υποκατάστασης SN2 σε μεθυλοχλωρίδιο. Η αποχωρούσα ομάδα εδώ είναι το χλώριο και το πυρηνόφιλο είναι το βρώμιο

Συμπέρασμα 

Όταν ένας δότης ζεύγους ηλεκτρονίων (πυρηνόφιλος) αντιδρά με έναν δέκτη ζεύγους ηλεκτρονίων, η αντίδραση ονομάζεται αντίδραση πυρηνόφιλης υποκατάστασης. Το πυρηνόφιλο εκτοπίζει το άτομο αλογόνου που είναι συνδεδεμένο με το κεντρικό άτομο άνθρακα του αλογονοαλκανίου. Το αλογόνο που φεύγει ονομάζεται αποχωρούσα ομάδα. Αυτή η αντίδραση μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σε δύο τύπους – SN1 και SN2.

Η αντίδραση SN1 είναι μια αντίδραση δύο σταδίων, και όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι μια μονομοριακή αντίδραση (εξ ου και 1). Στο πρώτο βήμα, ο δεσμός μεταξύ του άνθρακα και του αλογόνου σπάει και στο δεύτερο βήμα, ο πυρηνόφιλος δεσμός με το κεντρικό άτομο άνθρακα.

Η αντίδραση SN2 είναι μια αντίδραση ενός σταδίου, και όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι μια διμοριακή αντίδραση (εξ ου και 2). Σε αυτήν την αντίδραση, υπάρχει ένας ταυτόχρονος σχηματισμός δεσμού μεταξύ του άνθρακα και του πυρηνόφιλου και η διάσπαση του δεσμού μεταξύ άνθρακα και αλογόνου.