Salah satu mekanisme yang paling umum dan penting dari transformasi organik adalah substitusi nukleofilik pada atom karbon jenuh. Sebagai hasil dari proses ini, gugus lepas $Z$ dalam substrat organik $RZ$ yang mengandung ikatan $C_sp3-Z$ digantikan oleh reagen nukleofilik $Nu$: sedemikian rupa sehingga pasangan nukleofil yang tidak terbagi dalam $RNu$ produk reaksi menjadi pasangan elektronik $\sigma$-bonds $C-Nu$, dan pasangan elektron $s$-bonds $C-Z$ menjadi pasangan mandiri dari gugus pergi yang terpisah:
Gugus lepas $Z$ sering disebut nukleofugal ("bergerak dalam bentuk nukleofil"). Gugus pergi yang baik memiliki nukleofugitas yang tinggi, sedangkan gugus pergi yang buruk memiliki nukleofugitas yang rendah. Gugus dengan nukleofugitas tinggi termasuk gugus triflat (OTf), yang keluar dalam bentuk anion $Z^-=CF_3SO_3^-$, serta fluorosulfonat $FSO_3^-$, p-toluenesulfonate atau tosylate (OTs-), dll. gugus nukleofugitas rendah termasuk gugus asetat, ion karboksilat $(RCOO^-)$, dan $F^-$.
Reaksi substitusi nukleofilik diklasifikasikan menurut perubahan muatan dalam substrat atau nukleofil dan menurut jenis mekanisme substitusi.
Klasifikasi reaksi substitusi nukleofilik menurut kriteria muatan
Menurut karakteristik pengisian, reaksi tersebut dibagi menjadi empat kelompok.
Substrat kationik - nukleofil netral
$Nu: + RZ^+ \ke Nu^+-R + Z:^-$
Sebagai contoh:
Substrat kationik - nukleofil anionik
$Nu:^- + RZ^+ \ke NuR + Z:$
Sebagai contoh:
Interaksi substrat netral dengan nukleofil netral
$Nu: + RZ \ke Nu^+-R + Z^-$
Sebagai contoh:
Interaksi substrat netral dengan nukleofil anionik
$Nu:^- + RZ \ke NuR + Z:^-$
Sebagai contoh:
Mengganti satu halogen dengan yang lain
Pertukaran isotop dan grup
Catatan 1
Dari daftar reaksi di atas, dapat disimpulkan bahwa dengan bantuan berbagai reaksi substitusi nukleofilik, dimungkinkan untuk mensintesis hampir semua kelas senyawa deret alifatik.
Klasifikasi reaksi substitusi nukleofilik menurut jenis mekanisme reaksinya
Tergantung pada jenis mekanisme reaksi substitusi nukleofilik, reaksi tersebut dapat dibagi menjadi reaksi bimolekuler, yang dilambangkan sebagai $S_N2$. Serta monomolekul, yang ditunjuk sebagai $S_N1$.
Selain itu, reaksi organik dapat dibagi menjadi tiga kategori:
- isomerisasi dan penataan ulang,
- disosiasi dan rekombinasi,
- substitusi.
Dalam klasifikasi ini, reaksi yang berlangsung melalui mekanisme SN2 termasuk dalam kategori ketiga, dan reaksi yang berlangsung melalui mekanisme SNl termasuk dalam kategori kedua:
Signifikansi substitusi nukleofilik
Studi tentang mekanisme substitusi nukleofilik memainkan peran luar biasa dalam pengembangan gagasan tentang reaksi kimia organik, dan pada saat yang sama mereka mewakili jenis transformasi paling rinci yang dipelajari. Penelitian mekanisme substitusi nukleofilik alifatik dimulai pada pertengahan tahun 1930-an oleh dua ilmuwan terkemuka, K. K. Ingold dan E. D. Hughes. Mereka memiliki karya fundamental brilian yang membentuk dana emas kimia organik. Selanjutnya, studi Ingold dan Hughes dimodifikasi secara signifikan dan teori mereka mengalami sejumlah perubahan. Namun usulan para ilmuwan ini untuk mengklasifikasikan mekanisme substitusi ke dalam tipe $S_N2-$ dan $S_N1-$ masih relevan dan adil.
pengantar
Reaksi nukleofilik
Reaksi nukleofilik adalah reaksi di mana molekul zat organik terkena aksi reagen nukleofilik.
Reagen nukleofilik ("mencintai inti"), atau nukleofil, adalah partikel (anion atau molekul) yang memiliki pasangan elektron bebas di tingkat elektron terluar.
Contoh partikel nukleofilik:
OH, Cl, Br, CN, H3O, CH3OH, NH3.
Struktur beberapa reagen nukleofilik
Karena mobilitas elektron , molekul yang mengandung ikatan juga memiliki sifat nukleofilik:
CH3=CH3, CH3=CH–CH=CH3, C6H6 dia. P.
(Omong-omong, ini menjelaskan mengapa etilena CH3=CH3 dan benzena C6H6, yang memiliki ikatan karbon-karbon non-polar, masuk ke dalam reaksi ionik dengan reagen elektrofilik).
1. Contoh reaksi nukleofilik
Substitusi nukleofilik:
Mekanisme substitusi nukleofilik ditunjukkan oleh simbol SN (menurut huruf pertama istilah bahasa Inggris: S - substitusi [substitusi], N - nukleofil [nukleofil]).
Adisi nukleofilik:
Penunjukan mekanismenya adalah AdN (Ad - penambahan [lampiran]).
2. Substitusi dan eliminasi nukleofilik monomolekul
Substitusi nukleofilik pada atom karbon jenuh adalah jenis reaksi organik yang mekanismenya telah dipelajari secara paling rinci. Kemungkinan luas, memvariasikan struktur reagen, studi simultan pola kinetik dan stereokimia, kenyamanan pengukuran eksperimental konstanta laju dalam berbagai pelarut - semua ini membuat reaksi substitusi nukleofilik proses model yang nyaman untuk membangun pola umum yang berhubungan dengan struktur senyawa organik terhadap reaktivitasnya. Bukan kebetulan bahwa selama studi reaksi inilah banyak konsep umum dirumuskan yang menjadi dasar kimia organik teoretis. Harus diingat bahwa konsep-konsep yang akan dirumuskan dan dianalisis dalam dua bab berikutnya memiliki arti umum dan dapat digunakan untuk menggambarkan reaktivitas senyawa organik dan jenis proses organik lainnya. Karakterisasi pola; reaksi substitusi nukleofilik sebagian besar dapat ditransfer ke proses nukleofilik lainnya: reaksi eliminasi, substitusi dalam seri aromatik, penambahan ikatan ganda, dan banyak lainnya.
Fokus kami akan berada pada dua isu utama. Pertama, kita akan mencoba memahami bagaimana mekanisme reaksi bergantung pada struktur senyawa yang bereaksi dan kondisi penerapannya. Kedua, kita harus belajar untuk memprediksi bagaimana reaktivitas berubah dengan perubahan struktur reagen dan kondisi reaksi Seperti yang akan kita lihat, ketergantungan ini bisa sangat berbeda untuk reaksi yang berlangsung dengan mekanisme yang berbeda. Ini dapat menyebabkan tidak hanya efek yang berbeda secara kualitatif dari perubahan faktor struktural pada laju proses, tetapi juga pada perubahan total dalam arahnya. Selanjutnya, kami akan menunjukkan bagaimana pola yang dibahas dalam bab ini dan bab berikutnya dapat digunakan untuk menggambarkan proses lainnya.
3. KONSEP UMUM MEKANISME REAKSI SUBSTITUSI NUKLEOFILIK
Secara umum, reaksi substitusi nukleofilik dapat diwakili oleh skema berikut: R -Xm + Yn → R -Yn +1+ Xm -1
Anion dan molekul netral dengan setidaknya satu pasangan elektron bebas (yaitu, basa Lewis) dapat bertindak sebagai agen nukleofilik Y, misalnya:
Y = H3O, ROH, H3S, RSH, NH3, NR., OH", OR", SH~, SIT, Hal", CN~, SCN-, NO2, RCOCT. RC=-CHR dll.
Gugus X yang dapat disubstitusikan (disebut gugus pergi) biasanya memiliki keelektronegatifan yang tinggi dan dapat meninggalkan keduanya sebagai anion dan sebagai molekul tidak bermuatan, berpisah dengan elektron dari ikatan yang terputus:
X=Ha1, OH, OR,
OSO2R, OCOR, NR3, SR2, dll.
Harus diingat bahwa dalam kebanyakan kasus, reaksi substitusi nukleofilik disertai dengan reaksi eliminasi nukleofilik yang bersaing dengan mereka, karena reagen nukleofilik dapat berinteraksi tidak hanya dengan atom karbon bermuatan positif, tetapi juga dengan atom hidrogen yang terletak di posisinya, membelah itu dalam bentuk proton. Dalam hal ini, banyak aspek reaksi substitusi dan eliminasi akan dipertimbangkan secara paralel.
Reaksi substitusi nukleofilik dilambangkan sebagai Sn, dan eliminasi sebagai En.
Seperti yang akan kita lihat, reaksi substitusi di C dapat berlangsung sebagai proses disosiatif atau sinkron. Dalam kasus pertama, reaksi dimulai dengan disosiasi monomolekul pada ikatan C-X dengan pembentukan karbokation, yang berinteraksi dengan reagen nukleofilik pada tahap kedua.
Dalam kasus kedua, pembentukan ikatan dengan pereaksi nukleofilik dan pemutusan ikatan dengan gugus pergi dilakukan secara bersamaan, dan proses berlangsung dalam satu tahap:
RX + Y- adalah struktur, dan substitusi melewati keadaan transisi yang analog dengan yang terjadi dalam kasus proses sinkron. Dalam reaksi dalam larutan, mekanisme accocative dua tahap tidak terjadi. Fakta bahwa reaksi substitusi nukleofilik sebenarnya dapat terjadi melalui dua mekanisme yang berbeda dibuktikan oleh data stereokimia dan kinetik.
4. Perjalanan stereokimia reaksi substitusi nukleofilik.
Ketika mempelajari reaksi substitusi nukleofilik atom karbon asimetris y, ditunjukkan bahwa, tergantung pada struktur reagen awal dan kondisi reaksi, arah stereokimia reaksi dapat berbeda. Jadi, selama siklus reaksi berikutnya, aktivitas optik hampir sepenuhnya dipertahankan, tetapi tanda rotasi dibalik.
Pada tahap pertama dan ketiga reaksi, ikatan atom karbon asimetris tidak terpengaruh dan, oleh karena itu, konfigurasinya tetap tidak berubah. Oleh karena itu, tahap kedua, penggantian gugus p-toluenasulfonat oleh anion asetat, terjadi dengan pembalikan lengkap konfigurasi di pusat aksi (pembalikan Walden).
Kesimpulan serupa ditarik ketika membandingkan laju rasemisasi dan pertukaran halogen dalam turunan halogen yang aktif secara optik (karena senyawa awal dan akhir identik, ion halogen radioaktif digunakan untuk mempelajari laju proses).
Ini telah ditunjukkan oleh metode atom berlabel.
Jika kita berasumsi bahwa setiap peristiwa pertukaran disertai dengan pembalikan konfigurasi, maka ketika reaksi berlangsung sebesar 50%, produk rasemat lengkap harus terbentuk, yaitu, nilai tukar harus dua kali lebih kecil dari laju rasemisasi. Data eksperimen sepenuhnya sesuai dengan asumsi ini. Dengan demikian, pertukaran yodium dalam 2-iodoktana berlangsung dengan pembalikan lengkap konfigurasi.
Pada saat yang sama, banyak reaksi substitusi nukleofilik berlanjut dengan hilangnya aktivitas optik selama setiap reaksi. Jadi, reaksi solvolisis a-klorobenzena yang aktif secara optik dalam larutan aseton berair 80% disertai dengan rasemisasi 97%:
Sifat kinetik dari reaksi substitusi nukleofilik
Paling sering, reaksi substitusi nukleofilik dijelaskan oleh salah satu dari dua persamaan kinetik.
Reaksi tersebut dapat digambarkan dengan persamaan orde pertama. Dalam hal ini, laju proses tidak bergantung pada konsentrasi atau sifat nukleofil.
Persamaan kinetik seperti itu menunjukkan bahwa nukleofil tidak mengambil bagian dalam tahap penentu laju dari proses dan tahap pra-kesetimbangan sebelumnya, tahap cepat setelah yang menentukan laju.
Dalam kasus kedua, reaksi memiliki orde kedua total dan orde pertama dalam hal substrat dan nukleofil.
Reaksi-reaksi ini dicirikan oleh ketergantungan yang tinggi dari laju proses pada sifat nukleofil.
5. S N 1 danS N 2 reaksi.
Kontribusi mendasar untuk mempelajari reaksi substitusi pada atom karbon hibridisasi sp 3- dibuat oleh Ingold. Contoh klasik dari reaksi substitusi nukleofilik adalah konversi alkil halida menjadi alkohol:
R-Cl + H2O- --> R-OH + Cl-
Saat mempelajari kinetika reaksi jenis ini, ditemukan bahwa reaksi tersebut dapat berlangsung menurut dua mekanisme (substitusi monomolekuler dan bimolekuler), yang sesuai dengan ketergantungan kinetik:
V1=k' (S N 1)
V2= k (S N 2)
Penunjukan reaksi (S N 1) dan (S N 2) juga diusulkan oleh Ingold dan masing-masing merupakan singkatan dari substitusi nukleofilik monomolekuler dan bimolekuler (dari bahasa Inggris Substitusi nukleofilik).
SUBSTITUSI NUKLEOFIL MONOMOLEKULER (S N 1)
SUBSTITUSI NUKLEOFIL BIMOLEKULER (S N 2)
Diasumsikan bahwa reaksi berlangsung sesuai dengan skema berikut:
Jika ada konfigurasi optik (D -, L -) yang ada dalam senyawa aslinya, maka sebagai akibat dari reaksi, itu adalah kebalikannya (L -, D -).
Reaksi jenis ini terutama melibatkan alkil halida primer tanpa hambatan sterik, yang tidak membentuk karbokation stabil ketika gugus pergi diputus.
6. PENGARUH BERBAGAI FAKTOR TERHADAP SUBSTITUSI NUKLEOFILIK PADA ATOM KARBON JENUH
|
(S N 1) |
(S N 2) |
|
|
Struktur substrat |
Reaktivitas jatuh dalam seri: benzil, alil > tersier > sekunder > primer |
Reaktivitas tumbuh dalam seri: benzil, alil< третичный < вторичный < первичный |
|
Memasuki grup |
Hampir tidak ada efek |
Semakin besar nukleofilisitas, semakin besar kemungkinan reaksi akan berlangsung. |
|
Keluar dari grup |
Semakin rendah energi ikat, semakin mudah reaksi berlangsung. |
Substitusi menjadi lebih sulit karena nukleofilisitas (kebasaan) gugus pergi meningkat |
|
Faktor sterik |
Peningkatan jumlah substituen alkil dan gugus pendonor elektron di pusat nukleofilik mendorong reaksi. |
Mengganggu serangan pusat nukleofilik dan menghambat reaksi |
|
Efek pelarut |
Reaksi difasilitasi oleh pelarut polar protik |
Pengaruh pelarut jauh lebih kecil, tetapi reaksi dihambat oleh pelarut yang melarutkan nukleofil. Secara umum, lanjutkan lebih baik dengan pelarut polar aprotik. |
|
Konsentrasi nukleofil |
Tidak mempengaruhi laju reaksi |
Laju reaksi sebanding dengan konsentrasi nukleofil |
7. Penerapan reaksi substitusi nukleofilik
Sejumlah besar gugus yang berbeda dapat disubstitusi oleh reaksi substitusi nukleofilik ini. Bannett dan Zeiler memberikan perkiraan urutan kemudahan substitusi gugus berikut: _ F > -N02 > -Cl, -Br, - J > -OS02R > - NRt > - OAr > -- OR > - SR, SAr > - S02 R > - NR2 .
Posisi yang kurang memuaskan mengenai radikal bebas dan substitusi nukleofilik. Dalam kasus substitusi radikal bebas, keberadaan n- dan s-kompleks telah terbukti, mereka tampaknya berpartisipasi dalam mekanisme substitusi dalam senyawa aromatik. Namun, belum ada data pasti tentang keberadaan dan stabilitas zat antara ini, dan relatif sedikit yang dapat dikatakan tentang detail mekanisme substitusi radikal bebas yang dekat. Dalam kasus substitusi nukleofilik, situasinya bahkan kurang memuaskan, sejauh menyangkut substitusi senyawa aromatik "non-aktif". Saat ini, tidak mungkin memberikan penjelasan yang cukup kuat untuk substitusi jenis ini.
Dengan adanya halida atau substituen elektronegatif serupa di dalam cincin, seluruh rangkaian reaksi substitusi nukleofilik menjadi mungkin, yang tidak sesuai dengan hidrokarbon asli itu sendiri. Reaksi substitusi ini secara alami terbagi dalam dua kelas yang berbeda: 1) kelas yang melibatkan substitusi dari yang "tidak diaktifkan", dan 2) kelas reaksi di mana substituen yang "diaktifkan" diganti.
Reaksi substitusi hidrokarbon aromatik dengan mudah diklasifikasikan dalam representasi elektronik dari jenis substitusi. Jadi, misalnya, senyawa antara tipe R+ dengan kekurangan elektron cenderung ke pusat dengan kerapatan elektron tinggi c. molekul yang dengannya mereka bereaksi. Zat antara tersebut disebut elektrofilik (penerima elektron), dan reaksi substitusi yang melibatkan zat antara tersebut disebut sebagai reaksi proteksi elektrofilik http://www.anchemistry.ru/ref/8lektrofil5nogo_zame4eni9.html. Demikian pula, zat antara seperti R~: cenderung ke pusat reaksi molekul dengan kerapatan elektron rendah dan disebut nukleofilik. Reaksi substitusi yang melibatkan zat antara tersebut dikenal sebagai reaksi substitusi nukleofilik. Senyawa antara dalam bentuk radikal bebas, karena netralitas listriknya, sedikit dipengaruhi oleh pusat kerapatan elektron yang tinggi dan rendah. Substitusi yang melibatkan partisipasi senyawa antara dalam bentuk radikal bebas disebut reaksi substitusi radikal bebas.
Dari reaksi substitusi nukleofilik, dapat dicatat reaksi piridin dengan natrium amida dan dengan KOH kering pada 250-300 ° C (reaksi A.E. Chichibabin):
Reaksi substitusi dalam hidrokarbon aromatik oleh gugus eloktrofilik dan radikal bebas telah dibahas pada bagian sebelumnya. Bagian ini dikhususkan untuk tinjauan substitusi nukleofilik.
Relevansi penelitian tentang studi thiaindans, yang dilakukan secara luas di Institut Kimia Akademi Ilmu Pengetahuan Tadya SSR, disebabkan oleh keberadaan yang terakhir dalam minyak depresi Tajik - minyak yang paling belerang dan resin. di negara. Hasil utama dari karya-karya tersebut tertuang dalam laporan Ph.D. I.I. Nasyrov dan Anggota Koresponden dari Akademi Ilmu Pengetahuan TadkhSSR I. Nuaanov. Mereka tidak hanya mempelajari secara rinci berbagai penyimpangan I-thiaindanes dan turunannya, reaksi substitusi elektrofilik, radikal dan nukleofilik, tetapi juga mensintesis zat dengan sifat pestisida, pewarna, monomer, penstabil serat sintetis, dll.
Norton mengklasifikasikan substitusi hidrogen oleh logam sebagai reaksi substitusi elektrofilik, berdasarkan keyakinan (sekarang diakui sebagai salah) bahwa reaktan yang menyerang adalah kation logam alkali, sedangkan karbanion hanya memainkan peran kecil sebagai akseptor proton. Sebaliknya, berdasarkan susunan pasangan elektron ikatan karbon-hidrogen yang putus dan ikatan karbon-logam (ionik) yang terbentuk, reaksi substitusi hidrogen oleh logam dapat didefinisikan sebagai substitusi elektrofilik. Untuk alasan yang sama, hidrolisis sobek/n-butil klorida didefinisikan sebagai reaksi substitusi nukleofilik dari isomerisasi hidrokarbon Sejumlah besar keteraturan dimanifestasikan terkait dengan ciri-ciri reaksi substitusi nukleofilik pada atom karbon jenuh. Dengan demikian, pada laju reaksi yang relatif tinggi, stereospesifisitas dan stereodirektifitas penataan ulang diamati, yang menunjukkan mekanisme substitusi pseudo-Sn2, yang menyiratkan pelestarian struktur tetrahedral ion karbonium dengan serangan gugus yang bermigrasi dari sisi yang berlawanan dengan gugus pergi (ion hidrida).
Kesimpulan
Jadi, kami memeriksa reaksi substitusi nukleofilik dalam atom karbon tetrahedral, mempertimbangkan dua kemungkinan mekanisme proses ini, menunjukkan faktor-faktor apa yang mempengaruhinya, yaitu: struktur substrat, fitur struktural dari kelompok masuk dan keluar, sifat dari pelarut, berbagai faktor sterik. Dan, akhirnya, kemungkinan penerapan reaksi jenis ini ditunjukkan.
Bibliografi
1. T. Becker. Mekanisme proses elektronik dalam senyawa organik.-M, 1969.-687 hal.
2. Neyland O. Kimia organik: buku teks. Untuk kimia. universitas khusus.- , M .: Higher. sekolah., 1990.-751 hal.
3. R. Morrison, R. Boyd. Kimia organik.-M.: Mir, 1974.- 1132 hal.
Reaksi nukleofilik adalah reaksi heterolitik senyawa organik dengan pereaksi nukleofilik. Nukleofil termasuk anion dan molekul (organik dan anorganik) yang menghabiskan pasangan elektron bebasnya selama reaksi untuk membentuk ikatan baru.
Laju dan mekanisme reaksi S N ditentukan oleh:
Kemampuan nukleofilik (nukleofilisitas) reagen Y
alam substrat
Kapasitas nukleofuge dari gugus pergi
Kondisi reaksi
Nukleofilisitas, tidak seperti kebasaan, adalah nilai kinetik, bukan termodinamika, yaitu. ukuran kuantitatif nukleofilisitas adalah konstanta laju reaksi, bukan konstanta kesetimbangan.
Ada 2 kasus pembatas S N:
tn. Representasi kimia kuantum
S N dapat direpresentasikan sebagai interaksi HOMO nukleofil dan LUMO substrat. Energi interaksi:
, adalah muatan pada pusat reaksi nukleofil Y dan pada atom karbon substrat tempat serangan terjadi.
adalah jarak antara pusat-pusat reaksi.
adalah koefisien orbital atom suatu atom yang termasuk dalam nukleofil, yang merupakan pusat nukleofilik, yaitu mencirikan kontribusi atom nukleofil ke HOMO Y.
– mencirikan kontribusi atom karbon (pusat elektrofilik) ke LUMO substrat.
adalah perubahan integral resonansi, yang mencirikan efisiensi tumpang tindih HOMO Y dan LUMO substrat.
, adalah energi HOMO Y dan LUMO substrat.
Dalam kasus S N 1, ketika kation dan anion berinteraksi dan pusat reaksi membawa muatan positif, faktor penentunya adalah komponen Coulomb dan reaktivitas relatif nukleofil meningkat secara bersimbiosis dengan kebasaannya. Dalam hal ini, reaksi dikatakan berlangsung di bawah kendali muatan.
Situasi lebih rumit dalam S N 2. Dalam fase gas dan pelarut aprotik, di mana solvasi anion rendah dan muatan pada nukleofil lebih terlokalisasi, kontrol muatan juga diamati. Namun, dalam pelarut protik (alkohol), muatan pada nukleofil terdelokalisasi sebagai akibat dari solvasi. Muatan pada pusat reaksi juga kecil. Dalam hal ini, peran interaksi Coulomb lebih rendah dan kontribusi utama energi interaksi dilakukan oleh komponen orbital. Reaksi dikatakan berlangsung di bawah kendali orbital. Kehadiran donor dalam nukleofil meningkatkan muatan pada pusat reaksi, sehingga meningkatkan kontribusi komponen muatan, selain itu, pengenalan substituen donor menyebabkan beberapa peningkatan energi HOMO nukleofil dan, akibatnya, untuk peningkatan komponen orbital. Itu. pengenalan ED ke dalam molekul nukleofil menyebabkan peningkatan laju reaksi. Dalam rangkaian halogen sebagai nukleofil, interaksi Coulomb menurun dari fluor menjadi yodium, yang merupakan konsekuensi dari penurunan lokalisasi muatan negatif dan peningkatan jarak antar atom. Pada saat yang sama, interaksi orbital meningkat karena energi LUMO halogen (HOMO) meningkat.
Tidak seperti S E, di mana atom hidrogen biasanya tersubstitusi, gugus fungsi (halogen, sulfo-, nitro-, dll.) diganti dalam S N.
Reaksi substitusi nukleofilik yang paling aktif adalah haloalkana RF, RCl, RBr dan R.I., karena dalam molekulnya, setelah substitusi, stabil meninggalkan grup anion X, yang merupakan salah satu ion halida, yaitu anion dari asam kuat. Hal ini dikonfirmasi oleh banyak contoh substitusi atom halogen dalam haloalkana, misalnya, oleh gugus hidroksi, alkoksi, amino, siano, dan nitro. Sebaliknya, amina harus memiliki reaktivitas paling sedikit, karena amonia dan amina adalah asam yang sangat lemah dan, karenanya, basa konjugasinya, yaitu anion NH2,¯ NHR,¯ NR 2 sangat reaktif dan karena itu tidak stabil (mudah menempelkan proton). Gugus hidroksil dalam alkohol juga dapat diganti dalam reaksi dengan banyak nukleofil, namun dalam kondisi yang lebih parah. Gugus alkoksi bahkan lebih sulit untuk diganti. Gugus hidroksil dan alkoksi diganti hanya dalam media asam, di mana partikel yang keluar bukanlah anion, tetapi molekul (masing-masing, air atau alkohol). Gugus amino cukup tahan terhadap substitusi, kasus substitusi nukleofiliknya jarang terjadi, reaksi berlangsung dalam kondisi yang sangat keras dan hanya untuk garam amonium. Untuk alasan ini, jangkauan terluas S N-reaksi haloalkana (bab 3.2).
Reaksi substitusi nukleofilik pada sp Atom karbon 3-hibridisasi adalah yang paling banyak dipelajari dalam kimia organik. Sama seperti dalam kasus substitusi radikal, di sini seharusnya memutuskan ikatan - dalam molekul zat asli, juga disebut substrat, dan pembentukan ikatan - baru dalam produk reaksi. Namun, substitusi nukleofilik mengacu pada reaksi tipe ionik, sehingga molekul bahan awal ( RX) harus terpolarisasi, dan substituennya X harus memiliki keelektronegatifan efektif yang cukup tinggi. Skema umum reaksi dapat direpresentasikan sebagai berikut:
Agen penyerang kamu, disebut nukleofil, karena pasangan elektron bebas menyerang pusat bermuatan positif dalam molekul substrat. Reaksi disertai dengan pembelahan heterolitik dari ikatan - dalam molekul substrat, substituen X pergi dengan sepasang elektron. Ikatan kovalen baru dibentuk oleh sepasang reagen nukleofilik dengan cara koordinasi.
Berbagai macam partikel dapat menjadi reagen nukleofilik, tetapi mereka harus memiliki pasangan elektron yang tidak digunakan bersama. Ini adalah, misalnya, anion HO¯ , RO¯ , ¯ NH2, F¯ , Cl¯ , Br¯ , SAYA¯ , CN¯ , H¯ , ¯ CH2-R dan molekul netral H 2 O, ROH, NH 3, RNH 2, RR'NH, H 2 S, RSH. Sifat nukleofilik juga dimiliki oleh senyawa seperti hidrokarbon tak jenuh dan aromatik.
Substrat dapat berupa molekul polar yang memiliki atom karbon dengan muatan positif efektif dan gugus yang dapat disubstitusikan X. Atom karbon di sini disebut pusat elektrofilik. Kelompok X disebut juga meninggalkan grup atau inti atom, memiliki keelektronegatifan tinggi dan dapat meninggalkan keduanya sebagai anion dan sebagai molekul tak bermuatan.
Dalam reaksi substitusi nukleofilik, tergantung pada sifat substrat, nukleofil, gugus pergi, dan kondisi reaksi, beberapa mekanisme berbeda dapat diwujudkan. Untuk reaksi seperti itu, mekanisme yang paling umum adalah substitusi nukleofilik bimolekuler, dilambangkan S N 2, dan substitusi nukleofilik monomolekul, dilambangkan S N 1.
Mekanisme substitusi nukleofilik bimolekuler
Reaksi bimolekular, karena terjadi ketika dua partikel bertabrakan: nukleofil dan molekul substrat. Laju reaksi dalam hal ini tergantung pada konsentrasi substrat dan konsentrasi partikel nukleofilik yang menyerang. Nukleofil menyerang pusat molekul substrat bermuatan positif dari sisi "belakang" yang lebih disukai secara elektrostatis, karena dalam hal ini tidak terpengaruh oleh muatan nukleofuge yang sama. Reaksi adalah proses satu langkah. Koneksi C–Y terbentuk bersamaan dengan pecahnya C–X koneksi.
Energi yang dibutuhkan untuk istirahat C–X koneksi, dikirim karena proses pembentukan koneksi yang sinkron C–Y. Begitu grup kamu termasuk dalam keadaan transisi, grup X harus pergi, karena atom karbon tidak dapat memiliki lebih dari delapan elektron di tingkat terluarnya. Dalam keadaan transisi, yang asli sp 3-hibridisasi atom karbon berubah menjadi sp 2 - hibridisasi dengan kira-kira tegak lurus R- orbit. Dalam keadaan transisi, reagen nukleofilik, atom karbon pusat, dan nukleofuge berada dalam garis lurus; oleh karena itu, jika pendekatan nukleofil dari sisi yang berlawanan dengan gugus pergi tidak mungkin, misalnya, karena fitur struktural dari substrat, reaksi bimolekuler juga menjadi tidak mungkin. Tiga kelompok substrat non-reaktif dan atom karbon pusat kira-kira coplanar, yaitu, mereka berada di bidang yang sama. Mereka akan benar-benar coplanar jika kelompok yang masuk dan yang keluar sama. Dalam kasus lain, dimungkinkan sebagai keadaan transisi sebelumnya (ikatan atom karbon pusat belum mengadopsi konfigurasi trigonal, orde ikatan S...X lebih banyak pesanan komunikasi C...Y) dan nanti.
Stereokimia dari proses substitusi nukleofilik bimolekul dapat dengan mudah diamati dengan menggunakan hidrolisis substrat optik aktif sebagai contoh. Tiga kelompok yang tidak bereaksi, ketika diserang, tampak "berbalik". Oleh karena itu, kadang-kadang mereka mengatakan tentang atom karbon yang "ternyata", tetapi paling sering mereka menggunakan istilah "pembalikan konfigurasi" atom karbon, yang berarti perubahan susunan spasial kelompok yang melekat padanya. Memang, jika kelompok X dan kamu memiliki sifat kimia yang sama (misalnya, dalam reaksi pertukaran isotop pada substitusi 35 Cl pada 37 Cl), maka ternyata hasil reaksi memutar berkas cahaya terpolarisasi bidang dengan arah yang berlawanan dengan zat asalnya dan merupakan bayangan cerminnya. Proses ini diibaratkan seperti membalikkan payung ke dalam tertiup angin. Perubahan konfigurasi ini juga dikenal sebagai "inversi Walden". Semua reaksi substitusi nukleofilik bimolekul disertai dengan inversi Walden, terlepas dari struktur substratnya.
Mekanisme substitusi monomolekul
Mekanisme yang ideal S N 1 mencakup dua tahap:
Tahap pertama adalah ionisasi lambat substrat, dan tahap inilah yang menentukan laju reaksi. Disosiasi molekul menjadi ion bebas didahului oleh keadaan transisi di mana panjang ikatan meningkat S–X dan pergerakan bertahap pasangan elektron ke gugus pergi. Kemudian terbentuk pasangan ion. Penguraiannya menjadi ion hampir selalu terjadi dengan partisipasi molekul pelarut polar. Mekanisme praktis S N 1 dilakukan dengan mudah hanya dalam pelarut polar. Tahap kedua adalah interaksi cepat antara karbokation dengan nukleofil.
Jadi, laju seluruh reaksi secara keseluruhan hanya bergantung pada laju tahap pertama yang paling lambat, di mana hanya molekul substrat yang ambil bagian. Oleh karena itu, reaksinya monomolekuler, dan lajunya hanya bergantung pada konsentrasi substrat awal.
Partikel yang terbentuk sebagai hasil dari proses substitusi X dapat memperlambat laju reaksi karena reversibilitasnya. Oleh karena itu, dalam banyak kasus dimungkinkan untuk menambahkan garam yang mengandung anion X, memperlambat reaksi. Penurunan laju reaksi ini disebabkan oleh penambahan X¯ , ditelepon efek ion umum.
Secara umum, untuk S N Laju 1-reaksi tidak boleh bergantung pada sifat nukleofil dan konsentrasinya.
Stereokimia substitusi nukleofilik monomolekul kurang ambigu daripada substitusi S N 2-tipe. Idealnya, jika proses melibatkan pembentukan karbokation bebas, maka yang terakhir harus planar, yaitu memiliki konfigurasi datar yang sesuai dengan sp 2 hibridisasi orbital. Nukleofil harus menyerang karbokation dengan kecepatan yang sama dari kedua sisi bidang, yang akan mengarah pada pembentukan dua molekul substrat baru yang merupakan enansiomer terhadap satu sama lain. Hasilnya adalah campuran rasemat.
Untuk banyak reaksi, cukup mudah untuk menyatakan bahwa, dalam kondisi tertentu, mereka mengikuti mekanisme baik S N 1 atau S N 2. Namun, dalam beberapa kasus mekanisme reaksi jauh lebih sulit untuk dikarakterisasi. Ada kasus perantara, yang disebut wilayah mekanisme "perbatasan", yaitu, mekanisme reaksi tidak "murni" S N 1, atau "bersih" S N 2, tetapi termasuk dalam tipe menengah. Hal ini dapat diwakili oleh diagram berikut:
di mana II adalah pasangan ion rapat, III adalah pasangan ion lepas, IV dan V adalah ion terdisosiasi, yang masing-masing dikelilingi oleh molekul pelarut.
Dengan demikian, S N 1 dan S N 2-reaksi dapat dijelaskan dengan mekanisme pasangan ion. Substrat berdisosiasi dengan pembentukan pasangan ion antara, yang kemudian berubah menjadi produk. Perbedaan antara mekanisme S N 1 dan S N 2 adalah bahwa dalam kasus pertama, ion terdisosiasi (IV dan V) menjadi sasaran serangan nukleofilik, dan dalam kasus kedua, nukleofil menyerang sistem I, II, dan, mungkin, III. Karena, dalam kasus umum, suatu substrat dapat dikenai serangan nukleofilik pada setiap tahap transformasi sesuai dengan skema di atas, paling sering hanya dapat dikatakan bahwa satu atau mekanisme lain dekat dengan S N 1 atau S N 2.
Faktor-faktor yang mempengaruhi mekanisme dan laju substitusi nukleofilik
Faktor yang sama dapat mempengaruhi laju reaksi yang berlangsung dalam lingkungan "murni" dengan cara yang sama sekali berbeda. S N 1atau S N 2-mekanisme. Oleh karena itu, beberapa dari mereka berkontribusi pada aliran reaksi menurut mekanisme monomolekul, dan beberapa - menurut mekanisme bimolekuler.
1. Pengaruh struktur substrat. Peningkatan volume spasial substituen di pusat reaktif substrat mengurangi laju substitusi bimolekuler, karena pusat reaktif menjadi kurang dapat diakses untuk diserang oleh nukleofil. Dalam hal ini, selama transisi dari bromometana ke bromoetana, laju S N 2-reaksi berkurang 145 kali, dan menjadi 2-bromopropana - 18.000 kali.
bromometana bromoetana 2-bromopropana
Namun, kecepatan S N 1-reaksi dalam seri ini akan meningkat, karena pengaruh efek elektronik dari substituen dalam substrat dalam banyak kasus jauh lebih kuat dalam reaksi substitusi monomolekul. Oleh karena itu, jelas bahwa selama transisi dari sistem primer ke sistem sekunder dan tersier, laju dengan mekanisme ini harus meningkat. Hal ini dapat dijelaskan dengan peningkatan stabilitas kation alkil:
,
tergantung, khususnya, pada jumlah gugus metil di sekitar atom karbon bermuatan positif, yang memiliki efek induktif penyumbang elektron dan oleh karena itu mengimbangi muatan pusat reaksi. Dalam deret yang sama, besarnya efek superkonjugasi juga meningkat R- orbital atom karbon karbokationik dengan elektron S–N koneksi. Oleh karena itu, laju reaksi substitusi nukleofilik yang tinggi dapat menjadi karakteristik alkil halida primer dan tersier. Dalam kasus pertama, karena kemudahan interaksi di S N 2-mekanisme (akses gratis ke pusat reaksi, tidak ada hambatan sterik), yang kedua - menurut S N 1-mekanisme (kemudahan disosiasi substrat, stabilitas karbokation yang dihasilkan). Alkil halida sekunder dalam banyak kasus harus bereaksi menurut mekanisme campuran, dan laju reaksinya akan relatif rendah, karena ada hambatan untuk aliran substitusi monomolekul dan bimolekuler.
Masuknya substituen ke dalam molekul substrat akan memberikan pengaruh yang berbeda terhadap laju reaksi monomolekuler dan bimolekuler. Substituen donor elektron selanjutnya harus menstabilkan kation yang dihasilkan dan, akibatnya, meningkatkan laju substitusi monomolekul.
Pengaruh efek elektronik dari substituen pada laju reaksi bimolekuler tidak begitu jelas. Tapi kebanyakan S N 2-reaksi dipercepat oleh substituen penarik elektron - dalam kasus ini, laju reaksi ditentukan oleh kemudahan interaksi partikel nukleofilik dengan pusat reaksi bermuatan positif dari substrat. Dalam kasus lain, laju reaksi bimolekuler tergantung pada kemampuan gugus nukleofuge untuk memisahkan diri dari pusat reaksi, dan efek sifat substituen akan berlawanan - sama seperti pada reaksi monomolekul.
2. Pengaruh sifat nukleofil. Dalam reaksi substitusi nukleofilik, hampir semua spesies netral atau bermuatan negatif dengan pasangan elektron bebas dapat menjadi nukleofil. Laju reaksi unimolekuler tidak bergantung pada sifat nukleofil, karena ia tidak mengambil bagian dalam langkah pembatas, oleh karena itu, nukleofilisitas reagen, yaitu, kemampuan untuk menyediakan pasangan elektron untuk pembentukan kovalen ikatan ketika berinteraksi dengan pusat bermuatan positif di substrat, hanya mempengaruhi laju S N 2 reaksi. Untuk reaksi yang terjadi dalam larutan, beberapa prinsip dasar dapat dicatat yang menentukan efek nukleofil pada laju.
Pertama, nukleofilisitas anion selalu lebih tinggi daripada molekul netral yang sesuai. Jadi Oh lebih kuat dari H2O; ¯ NH2 lebih kuat dari NH3 dll.
Kedua, ketika membandingkan nukleofil yang atom penyerangnya berada dalam periode yang sama dalam tabel periodik, urutan nukleofilisitasnya kira-kira sama dengan urutan kebasaan. Jadi
R 3 C¯> R2N¯> RO¯> F¯.
Substituen donor elektron meningkatkan nukleofilisitas reagen, jadi RO nukleofilisitas lebih tinggi dari HO; pada RSH- dibandingkan H 2 S dll. Anion yang tidak stabil, khususnya karbanion, memiliki nukleofilisitas yang tinggi, karena pembentukan anion untuk atom karbon secara energetik tidak menguntungkan (karena elektronegativitasnya yang rendah), dan oleh karena itu partikel tersebut memiliki energi potensial yang tinggi.
Ketiga, nukleofilisitas meningkat dari atas ke bawah dalam kelompok sistem periodik (dengan meningkatnya jari-jari atom), meskipun kebasaan dalam deret ini berkurang. Jadi, urutan nukleofilisitas halida yang biasa adalah sebagai berikut: Saya¯ >Br¯ >Cl¯ >F. Demikian pula, setiap nukleofil yang mengandung sulfur lebih kuat daripada analog yang mengandung oksigen yang sesuai, dan hal yang sama berlaku untuk senyawa yang mengandung fosfor dan nitrogen. Ini karena kemudahan polarisasi atom dan ion yang lebih besar dan energi solvasi yang lebih rendah dari ion-ion ini.
Keempat, semakin bebas nukleofil, semakin besar kecepatannya; pelarutan memperlambat laju reaksi. Jadi, pelarut protik (lihat di bawah) mengurangi kekuatan nukleofilik reagen karena pembentukan ikatan hidrogen jika pusat nukleofilik adalah elemen elektronegatif kuat ( F, O, N).
Namun, aturan ini tidak dapat memperhitungkan semua faktor yang mempengaruhi nukleofilisitas reagen. Dengan demikian, rintangan sterik sering memainkan peran tertentu. Sebagai contoh, tert-ion butilat (CH 3) 3 CO adalah basis yang lebih kuat dari HO atau C2H5O, tetapi nukleofilnya jauh lebih kuat, karena volume spasialnya yang besar membuat sulit untuk mendekati substrat secara dekat.
Dengan demikian, aktivitas nukleofil yang paling umum menurun dalam seri (untuk S N 2-reaksi dalam pelarut protik):
RS¯ >C2H5S¯ > aku¯ >CN¯ >HO¯ >Br¯ >C2H5O¯ >Cl¯ >CH3COO¯ >H2O.
3. Pengaruh pelarut dan katalis. Dalam substitusi monomolekul, pada tahap pertama, ion terbentuk dari molekul substrat netral; mereka mudah dilarutkan oleh molekul pelarut polar, terutama yang protik. Oleh karena itu, pelarut protik yang sangat polar akan mendorong reaksi sesuai dengan mekanisme S N 1.
Partikel nukleofilik mengambil bagian dalam langkah pembatas laju dari substitusi bimolekuler. Oleh karena itu, penggunaan pelarut protik akan menyebabkan penonaktifannya karena pembentukan ikatan hidrogen dengan atom hidrogen pelarut dan memperlambat reaksi. Dalam pelarut aprotik, reagen nukleofilik mempertahankan reaktivitas tinggi. Selain itu, dengan melarutkan kation, pelarut aprotik meningkatkan disosiasi molekul reagen menjadi ion dan, oleh karena itu, meningkatkan kekuatan nukleofilik reagen. Dengan demikian, pelarut aprotik polar berkontribusi S N 2 reaksi. Oleh karena itu, lingkungan asam, sebagai suatu peraturan, tidak mendukung terjadinya reaksi bimolekuler, dan lingkungan netral atau basa lebih disukai untuk reaksi ini, karena nukleofil kuat biasanya merupakan basa kuat.
Asam Lewis, yaitu boron, aluminium, besi, seng, kadmium, merkuri, tembaga, dan halida lainnya, digunakan sebagai katalis dalam reaksi substitusi nukleofilik. Zat-zat ini mampu menerima anion dari larutan karena orbital valensi logam, dan penggunaannya hanya dapat memperlambat proses substitusi bimolekuler, tetapi meningkatkan S N 1-proses, karena memfasilitasi disosiasi substrat, sedangkan katalis tidak berinteraksi dengan karbokation substrat yang dihasilkan.
4. Pengaruh sifat kelompok pergi. Selama reaksi, gugus pergi dipecah bersama dengan sepasang elektron.
Dalam reaksi yang dilakukan dengan mekanisme substitusi monomolekul, semakin mudah gugus pergi untuk berpisah, semakin cepat reaksi berlangsung, karena merupakan pemutusan ikatan. S–X dan merupakan langkah pembatas laju reaksi yang dilakukan menurut mekanisme S N 1. Kemudahan pembelahan tidak hanya dipengaruhi oleh energi disosiasi ikatan, tetapi juga oleh stabilitas gugus inti atom sebagai partikel bebas. Misalnya, pada pelepasan ion halida, stabilitas anion ini menurun secara seri Saya¯ >Br¯ >Cl¯ >F. Namun, urutan ini diamati dalam media aprotik. Sebaliknya, dalam pelarut protik atau dengan adanya katalis asam, anion asam lemah paling mudah dihilangkan, oleh karena itu urutan pemisahan akan dibalik (HF asam terlemah dari semua asam halogenasi). Reaksi ini tidak memerlukan nukleofil yang kuat, tetapi substrat membutuhkan gugus pergi yang baik, sehingga sebagian besar reaksi monomolekuler berlangsung dalam lingkungan asam.
Untuk S N 2-reaksi, sifat gugus pergi tidak memiliki efek nyata pada laju, karena tahap pembatas di sini adalah pembentukan keadaan transisi, dan eliminasi kelompok tersubstitusi terjadi, sebagai suatu peraturan, dengan cepat. Tapi kelompok seperti Oh,ATAU,NH2 sulit untuk dihilangkan, karena ikatan karbon-oksigen atau karbon-nitrogen cukup kuat.
Dengan demikian, pengaruh berbagai faktor terhadap arah dan laju reaksi substitusi nukleofilik dapat direduksi menjadi ketentuan utama berikut.
Faktor-faktor yang menyebabkan kebocoranS N 1-reaksi:
1) pembentukan karbokation yang stabil,
2) penggunaan pelarut protik yang sangat polar dan katalis asam,
3) stabilitas gugus pergi.
Nukleofilisitas partikel penyerang tidak penting.
Faktor-faktor yang menyebabkan kebocoran S N 2 reaksi:
1) ketersediaan pusat elektrofilik substrat,
2) penggunaan pelarut aprotik,
3) nukleofilisitas reagen yang tinggi.
Sifat kelompok pergi tidak esensial.
Dalam substitusi nukleofilik, nukleofil menyerang molekul substrat, menyediakan elektronnya untuk membentuk ikatan baru. Elektron dari ikatan yang putus pergi bersama dengan ion yang dilepaskan. Reaksi ionik tersebut berlangsung terutama dalam fase cair, karena pelarut menstabilkan ion yang dihasilkan melalui solvasi, yang tidak mungkin terjadi dalam fase gas.
Substitusi nukleofilik memungkinkan untuk memasukkan ke dalam molekul senyawa organik sejumlah besar gugus fungsi yang mampu bertindak sebagai nukleofil. Sebagai contoh:
Molekul netral juga dapat bertindak sebagai nukleofil, misalnya:
Contoh reaksi yang melibatkan etil bromida sebagai substrat diberikan di bawah ini:
Fitur reaksi substitusi nukleofilik adalah bahwa mereka adalah salah satu yang paling umum dalam kimia organik, dan, karenanya, salah satu yang paling banyak dipelajari. Secara khusus, studi tentang kinetika reaksi substitusi nukleofilik. Kinetika kimia adalah studi tentang perubahan konsentrasi reaktan atau produk dari waktu ke waktu. Perubahan tersebut ditandai dengan turunan waktu dari konsentrasi dc/dt. Tetapkan hubungan turunan dengan konsentrasi reaktan atau, jika perlu, dengan konsentrasi produk.
Studi tentang perubahan konsentrasi reagen dari waktu ke waktu di bawah kondisi reaksi substitusi nukleofilik menunjukkan bahwa dua kasus mungkin terjadi:
Dalam kasus pertama, perubahan konsentrasi hanya sebanding dengan konsentrasi substrat dc/dt = K[alkil halida]
Dalam kasus kedua, perubahan konsentrasi sebanding dengan konsentrasi substrat dan konsentrasi partikel nukleofilik - dc/dt = K[alkil halida]×[nukleofil]
Mekanisme yang sesuai dengan kasus pertama disebut substitusi nukleofilik monomolekul dan dilambangkan S N 1 .
Mekanisme yang sesuai dengan kasus kedua disebut substitusi nukleofilik bimolekuler dan dilambangkan S N 2
1.4.2. Mekanisme S N 1. Substitusi monomolekul
Dengan mekanisme S N 1 misalnya hidrolisis tert-butil bromida:
Dalam mekanisme S N 1 membedakan tahapan berikut:
Pada tahap pertama, turunan halogen terionisasi dengan pembentukan karbokation dan ion bromida. Tahap ini membatasi kecepatan dan dicirikan oleh energi aktivasi tertinggi:
Ion bromida membentuk ikatan hidrogen dengan molekul air dan dengan demikian menjadi stabil. Karbokation yang dihasilkan juga distabilkan dengan solvasi pelarut. Tetapi yang lebih penting adalah stabilitas karbokation itu sendiri. Itu harus distabilkan oleh efek elektronik intramolekul, yang disebut. tersier atau berkonjugasi dengan sistem elektron-π (distabilkan secara resonansi).
Pada tahap kedua, karbokation dengan cepat berinteraksi dengan nukleofil, khususnya dengan air.
