Jednym z rodzajów reakcji w chemii organicznej są reakcje substytucji nukleofilowejsubstytucja nukleofilowasubstytucji nukleofilowej. Są to reakcje podstawienia polegające na wymianie grupy X związanej z atomem węgla na odczynnik nukleofilowy, oznaczany często jako $:Nu$ (lub $:B$), będący zasadą Lewisazasady Lewisazasadą Lewisa. Podstawnikiem X (najczęściej $-\mathrm{Cl}$, $-\mathrm{Br}$, $-\mathrm{OH}$) jest przeważnie grupa elektronoakceptorowa, która polaryzuje wiązanie C-X. Podstawnik X z niewiążącą parą elektronową opuszcza zatem cząsteczkę. NukleofilemnukleofilNukleofilem jest drobina obdarzona ładunkiem ujemnym i/bądź parą elektronową.

Reakcje substytucji nukleofilowej zachodzą w sposób jedno- lub dwuetapowy. Mechanizm jednoetapowy jest znany jako substytucja typu ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}2$, a mechanizm dwuetapowy jest znany jako substytucja ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}1$. Cyfra „1” lub „2” nie odnosi się zatem do liczby kroków w mechanizmie, ale do kinetyki reakcji. Zatem substytucja typu ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}2$ jest reakcją dwucząsteczkową zachodzącą zgodnie z kinetyką drugiego rzędureakcja drugiego rzędukinetyką drugiego rzędu, podczas gdy substytucja ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}1$ jest reakcją pierwszego rzędureakcja pierwszego rzędureakcją pierwszego rzędu, jednocząsteczkową.

Substytucja nukleofilowa typu ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}2$ to reakcja dwucząsteczkowa. Oznacza to, że w reakcji biorą udział dwie cząsteczkicząsteczkowośćcząsteczki: halogenek alkilowyhalogenki alkilowe halogenek alkilowy oraz nukleofil (drobina mająca nadmiar elektronów), oznaczana jako $Nu{:}^{-}$. Mechanizm substytucji nukleofilowej typu ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}2$ przebiega w sposób ciągły, w jednym etapie, z utworzeniem stanu przejściowego, zgodnie z poniższym schematem:

W pierwszej kolejności następuje atak nukleofila ($Nu{:}^{-}$) na atom węgla od strony przeciwnej niż atom halogenu $X$, który stanowi grupę opuszczającą. Para elektronowa nukleofila atakuje cząsteczkę z jednej strony, przesuwając elektrony wiązania C-$X$ w kierunku grupy opuszczającej $X$. Dochodzi do utworzenia stanu przejściowego, w którym jednocześnie następuje częściowe rozrywanie wiązania C-$X$ i częściowe tworzenie wiązania C-$Nu$. Warto zauważyć, że w stanie przejściowym ładunek ujemny zlokalizowany jest na atomach halogenu oraz nukleofila, co wymusza zmianę hybrydyzacji atomu węgla i w konsekwencji doprowadzenie do powstania płaskiej cząsteczki. Tworzenie stanu przejściowego jest najwolniejszym etapem reakcji. Następnie dochodzi do całkowitego zerwania wiązania atomu węgla z atomem halogenu, który opuszcza cząsteczkę jako anion. Jednocześnie tworzy się obojętna cząsteczka, w której występuje wiązanie węgiel - nukleofil. Substytucja nukleofilowa typu SIndeks dolny N_N2 zachodzi bez powstawania produktów pośrednich.

Ten typ substytucji obserwuje się w przypadku reakcji wszystkich halogenków metylowych, halogenków pierwszorzędowych i niektórych halogenków drugorzędowych z wodnymi roztworami wodorotlenków, jak pokazano na poniższych przykładach.

• Reakcja bromometanu z wodorotlenkiem potasu w temperaturze pokojowej oraz środowisku wodnym prowadzi do powstania metanolu

• Reakcja chloroetanu z wodorotlenkiem sodu w temperaturze pokojowej oraz środowisku wodnym prowadzi do powstania etanolu

• Reakcja 2‑chlorobutanu z wodorotlenkiem potasu w temperaturze pokojowej oraz środowisku wodnym prowadzi do powstania butan‑2-olu

Substytucja nukleofilowa typu ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}1$ to reakcja jednocząsteczkowa, zachodząca w dwóch etapach. W pierwszym etapie następuje rozpad heterolitycznyheterolizarozpad heterolityczny cząsteczki R‑X prowadzący do powstania karbokationu. W drugim etapie karbokation ten zostaje poddany atakowi nukleofila $Nu{:}^{-}$, którym jest najczęściej cząsteczka wody (oznaczana jako $:{\mathrm{OH}}_2$), dając odpowiedni produkt pośredni, a następnie obojętny alkohol.

Mechanizm substytucji nukleofilowej typu ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}1$ przebiega dwuetapowo, zgodnie z kinetyką I rzędu, z utworzeniem produktu pośredniego, co przedstawia poniższy schemat:

W pierwszym etapie reakcji następuje spontaniczna dysocjacja fluorowca $X$ halogenopochodnej węglowodoru, prowadząca do powstania karbokationu. Fluorowiec opuszcza cząsteczkę substratu jako anion $:X^{\mathit{-}}$(1). Jest to najwolniejszy etap reakcji, determinujący szybkość jej zachodzenia. Atom węgla, obdarzony ładunkiem dodatnim, zostaje poddany atakowi nukleofila, czyli pary elektronowej wody. Prowadzi to do powstania kolejnego produktu pośredniego, którym jest protonowany alkohol. Cząsteczka ta traci proton, z którego zostaje utworzony kation oksoniowy (${\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}$) przez związanie z kolejną cząsteczką wody oraz cząsteczka alkoholu (2).

Ten typ reakcji substytucji obserwuje się w przypadku reakcji halogenopochodnych węglowodorów (zwłaszcza trzeciorzędowych) z wodą.

• Reakcja 2‑bromo‑2-metylopropanu z wodą prowadzi do otrzymania 2‑metylopropan‑2-olu.

Reakcja substytucji nukleofilowej typu ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}1$ zachodzi również w warunkach kwasowych, kiedy grupą opuszczającą jest cząsteczka wody. Przykładem mogą być reakcje trzeciorzędowych alkoholi z $\mathrm{HBr}$ lub $\mathrm{HCl}$ (tzw. próba Lucasa, pozwalająca na rozróżnienie alkoholi o różnej rzędowości). W tym przypadku alkohol najpierw ulega protonowaniu za pomocą protonu pochodzącego od kwasu, a następnie traci wodę stając się karbokationem. Karbokation z kolei reaguje z anionem halogenkowym, tworząc halogenek alkilowy jako ostateczny produkt.

• Reakcja 2‑metylopropan‑2-olu z kwasem bromowodorowym prowadzi do otrzymania 2‑bromo‑2-metylopropanu.

Słownik

Bibliografia

Encyklopedia PWN

McMurry J., Chemia organiczna, Warszawa 2000.