Substituție nucleofilă

În chimia organică , o reacție de substituție nucleofilă este o reacție de substituție în care un grup nucleofil bogat în electroni , denotat Nu - , atacă o moleculă electrofilă având un siton slab de electroni și înlocuiește un atom sau un grup de atomi , numit grup de ieșire (notat GP ), sau grup de nucleofuge .

Ecuația generală a acestui tip de reacție

Electronii liberi (:) ai nucleofilului Nu - atacă substratul R-GP formând o nouă legătură, provocând astfel plecarea grupului GP părăsit. Uneori solventul singur poate provoca ruperea și lăsa nucleofilul să reacționeze. Nucleofilul poate fi neutru electronic sau încărcat negativ, în timp ce substratul poate fi neutru sau încărcat pozitiv.

Înlocuirea nucleofilă a haloalcanului

Un exemplu de substituție nucleofilă este transformarea unui compus halogen în alcool (hidroliza unei halogenuri de alchil într-un mediu bazic ).

{\ mathrm {R {-} {\ color {Blue} X} + {\ color {Red} OH ^ {-}} \ rightarrow R {-} {\ color {Red} OH} + {\ color {Blue} X ^ {-}}}}

R- X : haloalcan
X : halogen (Cl ( Clor ), Br ( Brom ), I ( Iod )) cu F ( Fluor ), în general, reacția nu are loc.
OH - : grupare hidroxil
X - : ion halogen (Cl - , Br - , I - )

Exemplu de substituție halogenoalcanică

$\ left ({\ mathrm {CH}} _ {3} \ right) _ {3} {\ mathrm {\! C {-} \ color {Red} Cl}} + {\ color {Blue} {\ mathrm { CH}} _ {3} {\ mathrm O}} {\ mathrm {\ color {OliveGreen} H}} \ longrightarrow \ left ({\ mathrm {CH}} _ {3} \ right) _ {3} {\ mathrm {\! C -}} {\ color {Blue} {\ mathrm {OCH}} _ {3}} + {\ mathrm {\ color {OliveGreen} H}} {\ mathrm {\ color {Red} Cl} }$

${\ mathrm {\ color {Blue} I}} ^ {-} + {\ mathrm {CH}} _ {3} {\ mathrm {\ color {Red} Cl}} \ longrightarrow {\ mathrm {CH}} _ {3} {\ mathrm {\ color {blue} I}} + {\ mathrm {\ color {Red} Cl}} ^ {-}$

${\ mathrm {CH}} _ {3} {\ mathrm {\ color {Red} Cl}} + {\ mathrm {\ color {Blue} OH}} ^ {-} \ longrightarrow {\ mathrm {CH}} _ {3} {\ mathrm {\ color {blue} OH}} + {\ mathrm {\ color {Red} Cl}} ^ {-}$

S N 1 (substituție nucleofilă monomoleculară)

S N 2 (substituție nucleofilă bimoleculară)

Caracterul S N 1 sau S N 2 al unei reacții

Reacțiile de substituție nucleofilă trebuie considerate ca un amestec de S N 1 și S N 2, în funcție de natura grupului părăsit și a moleculei luate în considerare. Prin urmare, este foarte posibil ca o substituție nucleofilă să conducă la un amestec de enantiomeri sau diastereomeri în funcție de condițiile de reacție. În exemplul de mai jos, reacția descrisă inversează în mod corespunzător configurația absolută a carbonului din α a grupării carboxil . Cu toate acestea, conform secțiunii „discuții” a aceluiași articol, dacă se încearcă activarea grupării hidroxil prin transformarea acestuia într-un sulfonat sau prin utilizarea unei reacții Mitsunobu , se obține un amestec de enantiomeri, adică - adică caracterul S N 1 al substituției este mărit.

Tabel rezumativ al reacțiilor S N 1 și S N 2

Comparația reacțiilor S N 1 și S N 2

Tipul de reacție	S N 1	S N 2
Mecanism	2 pași o primă etapă monomoleculară, limitativă cinetic (plecarea nucleofugului), un al doilea pas bimolecular , mai rapid (atacul nucleofilului asupra intermediarului de reacție).	1 pas bimolecular: atac al nucleofilului sincron cu plecarea nucleofugului (grupul care iese).
Intermediar	Cation , de obicei un carbocat.	Fără intermediar (mecanism cu un singur pas, putem încerca doar să descriem o „stare de tranziție”)
Stereochimie	Amestec racemic, absența stereoselectivității.	Inversia configurației relative („ inversiunea Walden ”), reacție enantiospecifică
Viteza de reacție	v = k * [R-GP] (ordinul 1)	v = k * [R-GP] [NU:] (ordinul 2)
Influență radicală	R III- GP >> R II- GP> R I- GP (stabilizarea intermediarului (prin efecte inductive ale donatorului ...))	R I -GP> R II -GP >> R III -GP (destabilizarea stării de tranziție prin obstacol steric)
Influența nucleofilului	Viteza nu este influențată de nucleofil.	Viteza crește odată cu creșterea: concentrarea lui nucleofilia sa și scade atunci când este prea mare.
Influența polarității solventului	Solvenții protici (apă, metanol etc.) promovează procesul SN1 facilitând formarea carbocației prin stabilirea de legături de hidrogen	Solvenții polari aprotici (acetonă, DMSO etc.) promovează procesul SN2 prin solvatarea cationului asociat cu nucleofilul
Influența nucleofugului	Cu cât legătura este mai polarizabilă, cu atât se rupe mai ușor, cu atât reacția este mai rapidă. În cazul haloalcanilor, viteza crește de la RF la RI : RI > R-Br > R-Cl >> RF

Observații

Acest tip de reacție se desfășoară sub control cinetic : reactivul este atât o bază Lewis (caracter termodinamic), cât și un nucleofil (caracter cinetic). Aici prevalează acest ultim personaj. Indiferent de puterea reactivului ca bază, puterea acestuia ca nucleofil joacă în acest tip de reacție (este strict invers pentru eliminări ).

Mecanismele substituțiilor nucleofile monomoleculare sau bimoleculare prezentate aici și în articolele lor sunt doar mecanisme limitative : nicio reacție chimică reală nu urmează perfect unul dintre aceste două mecanisme. Este întotdeauna un compromis, mai mult sau mai puțin apropiat de unul sau de celălalt. Adesea atribuim unei reacții un fel de „procent” în mecanismele limită.

Note și referințe

Etil ( R ) -2-azidopropionat
lui Lewis