SN1-reaktsioon: nukleofiilne unimolekulaarne asendus — mehhanism ja näited

Näide _NS1-reaktsioonimehhanismiga toimuva reaktsiooni kohta on tert-butüülbromiidi hüdrolüüs veega tert-butüülalkoholi moodustamiseks:

See _NS1-reaktsioon toimub kolmes etapis:

• tert-butüülkarbokatsiooni moodustumine lahkumisrühma (bromiidi anioon) eraldamise teel süsiniku aatomist; see etapp on aeglane ja pöörduv.

• Nukleofiilne rünnak: karbokatioon reageerib nukleofiiliga. Kui nukleofiil on neutraalne molekul (st lahusti), on reaktsiooni lõpuleviimiseks vaja kolmandat sammu. Kui lahusti on vesi, on vaheproduktiks oksooniumioon. See reaktsioonietapp on kiire.

• Deprotoneerimine: Prootoniseeritud nukleofiili prootoni eemaldamine vee poolt, mis toimib alusena, moodustades alkoholi ja hüdroniumiooni. See reaktsioonietapp on kiire.

Kuna esimene samm on kitsaskoht või "kiirust määrav samm", liigitavad keemikud kogu reaktsioonimehhanismi _NS1-ks. Selleks etapiks on vaja ainult ühte molekuli.

Mõnikord võib molekul reageerida kas _NS1- või _NS2-mehhanismi abil. _NS1-mehhanism võidab selle võistluse, kui keskne süsinikuaatom on ümbritsetud mahukate rühmadega, sest sellised rühmad takistavad steriilselt _NS2-reaktsiooni. Lisaks suurendavad mahukad substituendid keskse süsiniku aatomi juures karbokatsiooni moodustumise kiirust, sest see vähendab steriilset pinget. Saadud karbokatiooni stabiliseerib ka nii induktiivne stabiliseerimine kui ka lisatud alküülrühmadest tulenev hüperkonjugatsioon. Hammond-Leffleri postulaat ütleb, et ka see suurendab karbokatsiooni moodustumise kiirust. _NS1-mehhanism domineerib seega tertsiaarsete alküülkeskuste juures toimuvates reaktsioonides ja seda täheldatakse ka sekundaarsete alküülkeskuste juures nõrkade nukleofiilide juuresolekul.

Näide _NS1-meetodil kulgeva reaktsiooni kohta on 2,5-dikloro-2,5-dimetüülheksaani süntees vastavast dioolist kontsentreeritud soolhappega:

Kuna alfa- ja beetasubstitutsioonid suurenevad lahkuvate rühmade suhtes, suunatakse reaktsioon _NS2-lt _NS1-le.

Reaktsiooni kiirust piiravas etapis moodustuv karbokatioonivaheline produkt on trigonaalse planaarse molekulaargeomeetriaga sp-hübriidne² süsinik. See võimaldab nukleofiilse rünnaku jaoks kaks erinevat teed, üks mõlemal pool planaarset molekuli. Kui kumbki tee ei ole eelistatud, kasutatakse neid kahte teed võrdselt, saades enantiomeeride raseemilise segu, kui reaktsioon toimub stereotsentris. Seda illustreerib allpool S-3-kloro-3-metüülheksaani _NS1-reaktsioon jodiidiooniga, mille tulemuseks on 3-jodo-3-metüülheksaani raseemiline segu:

Siiski võib täheldada ühe stereoisomeeri ülejääki, kuna lahkuv rühm võib jääda lühikeseks ajaks karbokatsiooni vaheühendi lähedusse ja blokeerida nukleofiilset rünnakut. See on väga erinev _NS2-mehhanismist, mis ei sega produkti stereokeemiat (stereospetsiifiline mehhanism). _NS2-mehhanism inverteerib alati molekuli stereokeemiat.

Kaks tavalist kõrvalreaktsiooni on eliminatsioonireaktsioonid ja karbokatsioonide ümberpaiknemine. Kui reaktsioon viiakse läbi soojades või kuumades tingimustes (mis soodustavad entroopia suurenemist), on tõenäoline, et E1 eliminatsioon domineerib, mis viib alkeeni moodustumiseni. Madalamatel temperatuuridel on _NS1- ja E1-reaktsioonid konkureerivad reaktsioonid. Seega on raske eelistada ühte neist teise suhtes. Isegi kui reaktsioon viiakse läbi külmalt, võib tekkida mõni alkeen. Kui _NS1-reaktsiooni püütakse läbi viia, kasutades tugevalt aluselist nukleofiili, näiteks hüdroksiid- või metoksiidiooni, moodustub alkeen jälle, seekord E2 eliminatsiooni kaudu. See kehtib eriti siis, kui reaktsiooni kuumutatakse. Lõpuks, kui karbokatiooni vaheprodukt võib ümber korraldada stabiilsemaks karbokatiooniks, siis tekib pigem stabiilsemast karbokatioonist saadud toode kui lihtne asendusprodukt.

Lahustid muudavad reaktsioonikiirust. Kuna _NS1-reaktsioon hõlmab ebastabiilse karbokatsiooni vaheühendi moodustumist kiirust määravas etapis, kiirendab reaktsiooni kõik, mis seda aitab. Tavapärased lahustid on nii polaarsed (et stabiliseerida ioonseid vaheühendeid üldiselt) kui ka protilised (et lahustuv rühm solvateeruks). Tüüpilised polaarsed protilised lahustid on vesi ja alkoholid, mis toimivad ka nukleofiilidena.

Y-skaala korreleerib mis tahes lahusti (k) ja standardlahusti (80% v/v etanool/vesi) solvolüüsi reaktsioonikiirused (k₀) läbi

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

kusjuures m on reaktiivikonstant (m = 1 tert-butüülkloriidi puhul),

• Y lahusti parameeter ja
• k₀ on reaktsioonikiirus, kasutades lahustina 80% etanooli (mõõdetuna mahu järgi).

Näiteks 100% etanool annab Y = -2,3, 50% etanool vees Y = +1,65 ja 15% kontsentratsioon Y = +3,2.