Reakcje substytucji nukleofilowejsubstytucja nukleofilowasubstytucji nukleofilowej polegają na podstawieniu grupy $\text{X}$ (np.: $—\text{Cl}$, $—\text{Br}$, $—\text{OH}$), związanej z atomem węgla, w miejsce odczynnika nukleofilowego (np.: $—\text{OH}$, ${\text{H}}_2\text{O}$). W efekcie otrzymuje się najczęściej alkohole lub halogenopochodne węglowodorów. Wyróżnia się dwa typy substytucji nukleofilowej: ${\text{S}}_{\text{N}}2$ i ${\text{S}}_{\text{N}}1$, charakteryzujące się różnym przebiegiem oraz inną kinetyką.

Co oznacza litera oraz cyfra w danym typie reakcji substytucji?

• ${\text{S}}_{\text{N}}$ – substytucja nukleofilowa;

• $2$ – dwucząsteczkowa II rzędureakcja drugiego rzęduII rzędu.

• ${\text{S}}_{\text{N}}$ – substytucja nukleofilowa;

• $1$ – jednocząsteczkowa I rzędureakcja pierwszego rzęduI rzędu.

Rzędowość reakcji to suma wykładników potęg w danym równaniu kinetycznym wyznaczanym doświadczalnie. CząsteczkowośćcząsteczkowośćCząsteczkowość natomiast to ilość substratów (jonów, atomów lub cząsteczek), które biorą udział w reakcji chemicznej. Oba typy mechanizmów – ${\text{S}}_{\text{N}}2$ oraz ${\text{S}}_{\text{N}}1$ różnią się rzędowością reakcji oraz cząsteczkowością. O szybkości całego procesu decyduje zawsze najwolniejszy etap reakcji.

Reakcja substytucji nukleofilowej typu ${\text{S}}_{\text{N}}2$ zachodzi zgodnie z następującym mechanizmem:

Z pomiarów kinetyki wynika, że reakcje substytucji nukleofilowej typu ${\text{S}}_{\text{N}}2$ zachodzą zgodnie z kinetyką $\text{II}$ rzędu i są opisane wzorem:

gdzie:

• $v$ – oznacza szybkość reakcji chemicznej $\frac{\text{mol}}{{\text{dm}}^3·\text{s}}$;

• $\left[\text{R}—\text{X}\right]$ – oznacza stężenie molowe halogenku alkilowego;

• $\left[\text{Nu}{:}^{-}\right]$ – stężenie molowe nukleofila (zasady Lewisa, donoru pary elektronowej) jako drugiego substratu w reakcji;

• $k$ – stała szybkości reakcji dla reakcji $\text{II}$ rzędu posiada jednostkę $\frac{{\text{dm}}^3}{\text{mol}·\text{s}}$.

Substytucja nukleofilowa typu ${\text{S}}_{\text{N}}2$ jest reakcją dwucząsteczkową, gdyż obie cząsteczki: halogenek alkilowy oraz nukleofil, są substratami reakcji. Szybkość reakcji zależy więc od stężenia dwóch reagujących substancji.

Reakcja typu ${\text{S}}_{\text{N}}2$ zachodzi jednoetapowo z wytworzeniem stanu przejściowego, a moment jego powstawania jest najwolniejszym w całej reakcji, dlatego to szybkość jego utworzenia determinuje szybkość całej reakcji chemicznej.

Inne czynniki wpływające na kinetykę substytucji nukleofilowej typu ${\text{S}}_{\text{N}}2$:

Struktura substratu

Najwolniejszym etapem substytucji nukleofilowej typu ${\text{S}}_{\text{N}}2$ jest tworzenie karbokationu w wyniku działania nukleofila na halogenek alkilowy. Proces ten zachodzi znacznie szybciej, jeżeli halogen nie jest otoczony podstawnikami o dużej objętości, ponieważ grupy te utrudniają dojście nukleofila do atomu węgla związanego z halogenem i utworzenie wiązania.

Utworzenie wiązania z nukleofilem jest wyżej energetyczne w przypadku sterycznego osłaniania atomu węgla, czyli występowania podstawników, które utrudniają atak nukleofila. Dlatego też substytucji typu ${\text{S}}_{\text{N}}2$ najchętniej ulegają halogenki metylowe oraz pierwszorzędowe, ponieważ nie występuje tam tzw. zawada steryczna.

Reaktywność nukleofila

Im bardziej reaktywny jest nukleofil, tym szybciej zachodzi reakcja chemiczna. Jednak na reaktywność nukleofila w danej reakcji chemicznej wpływa bardzo wiele innych czynników, dlatego trudno jest precyzyjnie stwierdzić, które z czynników nukleofilowych są bardziej, a które mniej reaktywne. Ogólnie rzecz ujmując, można stwierdzić, że grupa ${\text{OH}}^{-}$ jest bardziej nukleofilowa niż woda oraz że reaktywność halogenków rośnie w szeregu: $—\text{Cl}$, $—\text{Br}$, $—\text{I}$. Należy jednak pamiętać, że zależności te mogą się zmienić na tle zastosowanych różnych rozpuszczalników.

Reaktywność grupy opuszczającej

Im chętniej grupa opuszczająca odchodzi od cząsteczki, zrywając wiązanie z atomem węgla, tym szybciej zachodzi reakcja chemiczna. Najlepszymi grupami opuszczającymi są te, które stabilizują ładunek ujemny. W stanie przejściowym ładunek ten rozproszony jest pomiędzy nukleofilem, atomem węgla i grupą opuszczającą. Jeżeli grupa opuszczająca tworzy stabilny anion, to chętnie odchodzi od cząsteczki i reakcja chemiczna zachodzi szybciej.

Ponadto im słabszą zasadą Lewisa jest grupa opuszczająca, tym reakcja chemiczna zachodzi szybciej. Najsłabsze zasady to aniony najmocniejszych kwasów, dlatego lepszymi grupami opuszczającymi są aniony: jodkowy i bromkowy, niż chlorkowy i fluorkowy. Dodatkowo, takie podstawniki jak $—\text{F}$, $—\text{OH}$, $—\text{OR}$, $—{\text{NH}}_2$ nie ulegają substytucji przez nukleofile. Innymi słowy, oznacza to, że fluorki, alkohole, etery oraz aminy w warunkach normalnych nie ulegają reakcji ${\text{S}}_{\text{N}}2$.

Reaktywność rozpuszczalnika

Substytucja nukleofilowa typu ${\text{S}}_{\text{N}}2$ zachodzi znacznie szybciej, gdy rozpuszczalnik jest polarny i jednocześnie aprotyczny. Takie rozpuszczalniki charakteryzują się dużym momentem dipolowym (polarność), ale nie zawierają grup, które związane są z atomem wodoru mogącym tworzyć wiązania wodorowe z nukleofilem (aprotyczność). Kiedy rozpuszczalnik nie tworzy wiązań wodorowych z nukleofilem, to wówczas szybciej atakuje cząsteczkę substratu. Dlatego wszystkie rozpuszczalniki, które zawierają w swojej budowie grupę $—\text{OH}$, np. woda czy alkohole, nie sprzyjają szybkiemu zachodzeniu reakcji ${\text{S}}_{\text{N}}2$. Do rozpuszczalników polarnych, aprotycznych zalicza się m.in. acetonitryl czy dimetyloformamid.

RtZ1Kq1Xk7czw

Ilustracja przedstawia cząsteczkę acetonitrylu: grupa ${\text{CH}}_{\text{3}}$ połączona z atomem węgla, który łączy się wiązaniem potrójnym z atomem azotu.

R1F0MDkMbZrGG

Ilustracja przedstawia cząsteczkę dimetyloformamidu: atom azotu łączy się z dwiema grupami ${\text{CH}}_{\text{3}}$ i z atomem węgla, połączonym wiązaniem podwójnym z atomem tlenu i wiązaniem pojedynczym z atomem wodoru.

Reakcja substytucji nukleofilowej typu ${\text{S}}_{\text{N}}1$ zachodzi zgodnie z następującym mechanizmem:

Z pomiarów kinetyki wynika, że reakcje substytucji nukleofilowej typu ${\text{S}}_{\text{N}}1$ zachodzą zgodnie z kinetyką $\text{I}$ rzędu i są opisane wzorem:

gdzie:

• $v$ – oznacza szybkość reakcji chemicznej $\frac{\text{mol}}{{\text{dm}}^3·\text{s}}$;

• $\left[\text{R}—\text{X}\right]$ – oznacza stężenie molowe halogenku alkilowego;

• $k$ – stała szybkości reakcji, dla reakcji $\text{I}$ rzędu posiada jednostkę $\frac{1}{\text{s}}$.

Reakcja ${\text{S}}_{\text{N}}1$ jest reakcją pierwszego rzędu, gdyż produkt pośredni tworzy się wyłącznie z cząsteczki substratu. Oznacza to, że jej szybkość zależy jedynie od stężenia substratu, a nie stężenia nukleofila.

Pierwszym etapem reakcji ${\text{S}}_{\text{N}}1$ jest dysocjacja substratu i powstanie karbokationu. Jest to najwolniejszy etap reakcji, determinujący jej szybkość. Następnie karbokation jest natychmiast atakowany przez nukleofil, najczęściej cząsteczkę wody. Woda jednak nie bierze udziału w najwolniejszym etapie reakcji, więc nie ma wpływu na jej szybkość.

Inne czynniki, wpływające na kinetykę substytucji nukleofilowejsubstytucja nukleofilowasubstytucji nukleofilowej typu ${\text{S}}_{\text{N}}1$, są analogiczne jak dla reakcji typu ${\text{S}}_{\text{N}}2$. Są to:

Struktura substratu

W pierwszym etapie reakcji ${\text{S}}_{\text{N}}1$ następuje spontaniczna dysocjacja substratu. Zostaje wówczas utworzony karbokation. Im tworzony karbokation jest trwalszy i stabilniejszy, tym reakcja zachodzi szybciej.

Najbardziej trwałe są karbokationy trzeciorzędowe, benzylowe oraz allilowe. Trwałość i reaktywność karbokationów zależy od ich rzędowości, co pokazano na poniższym schemacie:

Reaktywność nukleofila

Atak nukleofilowy następuje po najwolniejszym etapie reakcji, determinującym jej szybkość. Nukleofil nie bierze więc udziału w etapie limitującym, nie ma on wpływu na szybkość reakcjiszybkość reakcji chemicznejszybkość reakcji, w przeciwieństwie do tego, jak to miało miejsce w przypadku substytucji nukleofilowej typu ${\text{S}}_{\text{N}}2$.

Reaktywność grupy opuszczającej

Zależność szybkości reakcji od reaktywności grupy opuszczającej dla reakcji ${\text{S}}_{\text{N}}1$ jest taka sama jak dla reakcji ${\text{S}}_{\text{N}}2$. Im bardziej trwały anion tworzy grupa opuszczająca, tym szybciej zachodzi reakcja, ponieważ następuje obniżenie energii stanu przejściowego, prowadzącego do utworzenia karbokationu. Wobec tego, analogicznie jak w przypadku reakcji typu ${\text{S}}_{\text{N}}2$, aniony: jodkowy i bromkowy, stanowią lepsze grupy opuszczające niż anion chlorkowy, fluorkowy czy cząsteczka wody.

Reaktywność rozpuszczalnika

Każdy rozpuszczalnik, który stabilizuje powstający w najwolniejszym etapie reakcji karbokation, przyspiesza reakcję, gdyż wpływa na szybsze jego tworzenie. Karbokationy charakteryzują się ładunkiem dodatnim, dlatego rozpuszczalnik, który posiada ładunek ujemny lub/i wolne pary elektronowe i otacza karbokation – stabilizuje go. Dlatego polarne rozpuszczalniki, takie jak woda czy metanol, są stosowane w reakcji typu ${\text{S}}_{\text{N}}1$.

Słownik

Bibliografia

Dudek‑Różycki K., Płotek  M., Wichur T., Węglowodory. Repetytorium i zadania, Kraków 2020.

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Kompendium terminologii oraz nazewnictwa związków organicznych. Poradnik dla nauczycieli i uczniów, Kraków 2020.

McMurry J., Chemia Organiczna, Warszawa 2007.