NS1 (SN1) reakcija — mehānisms, karbokācijas un piemēri

Reakcija _NS1 ir aizvietošanas reakcija organiskajā ķīmijā. "S_N" apzīmē nukleofīlo aizvietošanu, un "1" norāda, ka ātrumu noteicošajā solī piedalās tikai viena molekula (vienmolekulāra). Reakcijā rodas karbokācijas starpprodukts. Dažas bieži sastopamas _NS1 reakcijas ir sekundāro vai terciāro alkilhalogenīdu reakcijas ar sekundārajiem vai terciārajiem alkoholiem vai ar bāzēm/skatījumiem, kā arī tercīāro alkilhalogenīdu reakcijas skābos vai protiskos šķīdinātājos. Ar primārajiem alkilhalogenīdiem parasti notiek alternatīva <sub>N</sub>S2 reakcija. Neorganiskās ķīmijas speciālistu vidū _NS1 mehānismu bieži dēvē par disociatīvo mehānismu. Kristofers Ingolds un citi pirmo reizi ierosināja šāda mehānisma aprakstu 1940. gados.

Mehānisms — divi soli

_NS1 mehānisms parasti sastāv no diviem pamatsoļiem:

1. solis (ātrumu noteicošais): substrāts (R–LG) disociē, atdalās labais atstājējs (LG–), veidojot karbokāciju (R+). Šis solis ir lēnākais un nosaka reakcijas ātrumu.
2. solis: nukleofīls (Nu) ātri reaģē ar karbokāciju, veidojot aizvietoto produktu (R–Nu).

Reakcijas ātruma likums ir pirmās pakāpes attiecībā pret substrātu: rate = k [substrāts], savukārt reakcijas ātrums gandrīz neatkarīgs no nukleofīla koncentrācijas.

Faktori, kas veicina _NS1

Substrāta struktūra: karbokācijas stabilitāte ir izšķiroša — terciārie > sekundārie > primārie. Resonansi stabilizēti karbokācijas (piem., benzil- vai alil-karbokācijas) arī viegli veidojas.
Atstājējgrupa: laba atstājējgrupa (piem., I–, Br–, TsO–) padara jonizāciju vieglāku un veicina _NS1.
Šķīdinātājs: polāri protiski (piem., ūdens, alkoholi) stabilizē jonu pārus un samazina aktivācijas enerģiju, tādējādi veicinot dissociāciju.
Nukleofīla spēks: pretēji _NS2, spēcīgs nukleofīls nav nepieciešams; vāji nukleofili (ūdens, spirtos) var viegli uzbrukt karbokācijam.
Temperatūra un šķietamās konkurences reakcijas: augstāka temperatūra veicinās elimināciju (E1) no tāda paša karbokācijas starpprodukta, tāpēc nosacījumi ietekmē produktu sadalījumu.

Stereohēmija un joniskie pāri

Karbokācijas ir sp2 hibridizētas un plakanas, tāpēc uzbrukums no divām pusēm parasti noved pie racemizācijas (ja sākotnējā centrs bija kirāls). Taču eksperimentā bieži tiek novērota daļēja racemizācija vai neliels stereokontrols, jo reakcijas laikā var pastāvēt joniskais pāris (t.i., atstājēja anjons tuvu karbokācijam), kas ierobežo piekļuvi vienai pusei un var dot nelielu inversiju vai preferenci.

Karbokāciju pārbīdes (rearrangements)

Karbokācijas var pārkārtoties, ja iespējama stabilāka karbokācija (piem., hidrīda vai metilgrupu pārvietošanās). Šīs pārbīdes bieži izskaidro negaidītus produktus: sākotnējais aizvietojums var būt novērojams uz citā oglekļa atomā nekā tas, kur attiecīgais atstājējs sākotnēji atradās.

Piemēri

Terciārais halogenīds: 2‑metil‑2‑propanilhlorīds (tert‑butilhlorīds) + ūdens → tert‑butilspirts. Šī ir klasiska _NS1 solvolīzes reakcija, kur pirmkārt veidojas tert‑butilkarbokācija, kura pēc tam reaģē ar ūdeni.
Terciārs spirts skābos apstākļos: terc‑butanols + HCl → terc‑butilhlorīds. Proti, protonēts alkohols atstāj kā ūdens molekula, veidojot karbokāciju, kam seko halogēna anjona pievienošanās.
Benzil/Alil sistēmas: benzilhalogenīdi un alilhalogenīdi viegli stabilizē karbokāciju ar rezonansi, tāpēc tos bieži skar _NS1 mehānismi pat tad, ja centrsi nav terciāri.

Konkurence ar _E1 un _NS2

Pie tādām pašām sākotnējām nosacījumiem _NS1 bieži konkurē ar _E1 (elimināciju) — abas izmanto karbokācijas starpproduktu. Augstāka temperatūra, vājāki nukleofili un bāziskāki apstākļi palielina eliminācijas iznākumu. Ar primārajiem substrātiem biežāk notiek _NS2, nevis _NS1.

Eksperimentālie pierādījumi un diagnostika

Kinetika: reakcijas ātruma atkarība no substrāta koncentrācijas (pirmās pakāpes) un neatkarība no nukleofīla koncentrācijas ir spēcīgs _NS1 rādītājs.
Stereokīmija: daļēja vai pilnīga racemizācija liecina par plakanas karbokācijas starpproduktu.
Hammett un citos mehāniskajos pētījumos: pozitīvas attiecības ar substitūciju, kas stabilizē pozitīvo lādiņu, un šķīdinātāju ietekme atbilst jonu veidošanās modelim.

Praktiski padomi laboratorijā

Lai veicinātu _NS1: izmantojiet polāru protisku šķīdinātāju, labu atstājējgrupu un substrātus, kuros var veidoties stabils karbokācijas.
Sagaidāmas pārbīdes un konkurējoša eliminācija — analizējiet produktus ar GC/GC‑MS vai NMR, lai noteiktu, vai notikušas pārstrukturēšanas vai eliminācijas ceļu produkti.

Kopsavilkumā: _NS1 ir disociatīvs mehānisms, kur ātrumu nosaka vienas molekulas jonizācija līdz karbokācijas veidošanās, un tā iznākums spēcīgi atkarīgs no karbokācijas stabilitātes, atstājējgrupas un šķīdinātāja īpašībām. Praktiķiem jāņem vērā arī iespējamās pārbīdes un konkurējošās _E1 reakcijas.

Mehānisms

Piemērs reakcijai, kas notiek ar _NS1 reakcijas mehānismu, ir terc-butilbromīda hidrolīze ar ūdeni, veidojot terc-butilspirtu:

reaction tert-butylbromide water overall

Šī _NS1 reakcija norisinās trīs posmos:

Terc-butilkarbokācijas veidošanās, atdalot atdalīto grupu (bromīda anjonu) no oglekļa atoma; šis solis ir lēns un atgriezenisks.

SN1 mechanism: dissociation to carbocation

Nukleofīlais uzbrukums: karbokāts reaģē ar nukleofilu. Ja nukleofils ir neitrāla molekula (t. i., šķīdinātājs), reakcijas pabeigšanai ir nepieciešams trešais solis. Ja šķīdinātājs ir ūdens, starpprodukts ir oksonija jons. Šis reakcijas posms ir ātrs.

Recombination of carbocation with nucleophile

Deprotonēšana: ūdens, kas darbojas kā bāze, atdalot protonu no protonētā nukleofila, veidojot spirtu un hidronija jonu. Šis reakcijas posms ir ātrs.

Proton transfer forming the alcohol

Tā kā pirmais posms ir sašaurinājums jeb "ātrumu noteicošais posms", ķīmiķi visu reakcijas mehānismu klasificē kā _NS1. Šim solim ir vajadzīga tikai viena molekula.

Reakcijas darbības joma

Dažreiz molekula var reaģēt, izmantojot _NS1 vai _NS2 mehānismu. _NS1 mehānisms uzvar šajā konkurencē, ja centrālo oglekļa atomu ieskauj lielgabarīta grupas, jo šādas grupas sterili kavē _NS2 reakciju. Turklāt lielgabarīta aizvietotāji centrālajā oglekļa atomā palielina karbokācijas veidošanās ātrumu, jo rodas steriskās spriedzes mazināšanās. Radušos karbokāciju stabilizē arī induktīvā stabilizācija un hiperkonjugācija no pievienotajām alkilgrupām. Hammonda un Leflera postulāts nosaka, ka arī tas palielina karbokatjonu veidošanās ātrumu. Tāpēc _NS1 mehānisms dominē reakcijās pie terciārajiem alkilcentriem un ir vērojams arī pie sekundārajiem alkilcentriem vāju nukleofilu klātbūtnē.

Piemērs reakcijai, kas norit _NS1 veidā, ir 2,5-dihlor-2,5-dimetilheksāna sintēze no attiecīgā diola ar koncentrētu sālsskābi:

Synthesis of 2,5-Dichloro-2,5-dimethylhexane by an SN1 Reaction

Palielinoties alfa un beta aizvietojumu skaitam attiecībā pret atstājošajām grupām, reakcija tiek novirzīta no _NS2 uz _NS1.

Stereoķīmija

Reakcijas ātrumu ierobežojošajā reakcijas posmā veidojošais starpprodukts karbokāts ir sp ²hibrīdizēts ogleklis ar trigonāli plakanu molekulāro ģeometriju. Tas ļauj nukleofīlajam uzbrukumam izmantot divus dažādus ceļus, pa vienam no abām planārās molekulas pusēm. Ja neviens no šiem ceļiem nav prioritāri atbalstīts, šie divi ceļi tiks izmantoti vienādi, iegūstot racēmisku enantiomēru maisījumu, ja reakcija notiek pie stereocentra. Tas ir ilustrēts turpmāk dotajā S-3-hlor-3-metilheksāna _NS1 reakcijā ar jodīda jonu, kuras rezultātā rodas 3-jod-3-metilheksāna racēmisks maisījums:

A typical SN1 reaction, showing how racemisation occurs

Tomēr var novērot viena stereoizomēra pārpalikumu, jo atstājgrupa var uz īsu laiku palikt karbokācijas starpprodukta tuvumā un bloķēt nukleofilisko uzbrukumu. Tas ļoti atšķiras no _NS2 mehānisma, kas nesajauc produkta stereohēmiju (stereospecifiskais mehānisms). _NS2 mehānisms vienmēr apvērš molekulas stereohēmiju.

Blakusparādības

Divas bieži sastopamas blakusreakcijas ir eliminācijas reakcijas un karbokācijas pārkārtošanās. Ja reakciju veic siltos vai karstos apstākļos (kas veicina entropijas palielināšanos), visticamāk, dominēs E1 eliminācija, kuras rezultātā veidojas alķēns. Zemākās temperatūrās _NS1 un E1 reakcijas ir konkurējošas reakcijas. Tāpēc ir grūti dot priekšroku vienai no tām. Pat tad, ja reakciju veic aukstā temperatūrā, var veidoties alķēns. Ja mēģina veikt _NS1 reakciju, izmantojot stipri bāzisku nukleofilu, piemēram, hidroksīda vai metoksīda jonu, atkal veidojas alķēns, šoreiz ar E2 eliminācijas palīdzību. Īpaši tas attiecas uz reakciju, ja to karsē. Visbeidzot, ja karbokācijas starpprodukts var pārkārtoties uz stabilāku karbokāciju, tad tas dos produktu, kas iegūts no stabilāka karbokācija, nevis vienkāršās aizvietošanas produktu.

Šķīdinātāja ietekme

Šķīdinātāji maina reakcijas ātrumu. Tā kā _NS1 reakcija ietver nestabilu karbokācijas starpproduktu veidošanos ātrumu noteicošajā posmā, viss, kas to var veicināt, paātrinās reakciju. Parastie šķīdinātāji ir gan polārie (lai stabilizētu jonu starpproduktus kopumā), gan proktiskie šķīdinātāji (jo īpaši, lai šķīdinātu atstājošo grupu). Tipiski polārie proktiskie šķīdinātāji ir ūdens un spirti, kas arī darbojas kā nukleofili.

Y skala korelē jebkura šķīdinātāja (k) solvolīzes reakcijas ātrumu ar standarta šķīdinātāja (80% v/v etanola/ūdens) reakcijas ātrumu (k₀) ar šādu metodi

log ( k k ) 0= m Y {\displaystyle \log {\left({\frac {k}{k_{0}}}}\right)}=mY\,} $\log {\left({\frac {k}{k_{0}}}\right)}=mY\,$

kur m ir reaģenta konstante (m = 1 terc-butilhlorīdam),

Y ir šķīdinātāja parametrs, un
k₀ ir reakcijas ātrums, izmantojot šķīdinātāju 80 % etanolu (mērīts tilpumā).

Piemēram, 100 % etanola koncentrācija ir Y = -2,3, 50 % etanola ūdenī Y = +1,65 un 15 % koncentrācijas Y = +3,2.

Jautājumi un atbildes

Jautājums: Ko nozīmē "SN" SN1 reakcijā?

A: "SN" apzīmē nukleofīlo aizvietošanu.

J: Ko SN1 reakcijā apzīmē "1"?

A: "1" apzīmē to, ka ātrumu noteicošajā solī piedalās tikai viena molekula (vienmolekulāra).

J: Kāda veida reakcija ir SN1?

A: SN1 ir aizvietošanas reakcija.

J: Kāds ir starpprodukts, kas iesaistīts SN1 reakcijā?

A: SN1 reakcijā iesaistīts karbokācijas starpprodukts.

J: Kādos apstākļos parasti notiek SN1 reakcijas?

A: Bieži sastopamās SN1 reakcijas notiek ar sekundārajiem vai terciārajiem alkilhalogenīdiem stipri bāziskos apstākļos vai ar sekundārajiem vai terciārajiem spirtiem stipri skābos apstākļos.

J: Kāda alternatīva reakcija notiek ar primārajiem alkilhalogenīdiem?

A: Ar primārajiem alkilhalogenīdiem notiek alternatīvā SN2 reakcija.

J: Kurš pirmais ierosināja SN1 reakcijas mehānismu un kurā gadā?

A: Kristofers Ingolds un citi pirmo reizi ierosināja SN1 reakcijas mehānismu 1940. gadā.