Substytucja nukleofilowa

Substytucja nukleofilowa, podstawienie nukleofilowe – reakcja chemiczna podstawienia, w której czynnikiem atakującym jest nukleofil.

Substytucja nukleofilowa na atomie węgla

Pod względem substratu reagującego z nukleofilem, reakcje substytucji nukleofilowej na atomie węgla można podzielić na trzy główne grupy:

• substytucja nukleofilowa w grupie karbonylowej estrów, a także innych pochodnych kwasów karboksylowych
• substytucja nukleofilowa na nasyconym atomie węgla
• aromatyczna substytucja nukleofilowa

Dodatkowo dla substytucji nukleofilowej na nasyconym atomie węgla, w zależności od mechanizmu przebiegu tej reakcji, wyróżnia się dwa zasadnicze jej rodzaje:

• substytucję jednocząsteczkową (S_N1), zachodzącą według mechanizmu eliminacji‒addycji — w pierwszym etapie (jest to etap limitujący szybkość reakcji) reaguje jedna cząsteczka: następuje oderwanie grupy odchodzącej(inne języki) i powstaje nietrwały produkt przejściowy — karbokation; w następnym etapie (znacznie szybszym niż poprzedni) produkt przejściowy łączy się z nukleofilem
• substytucję dwucząsteczkową (S_N2) – w etapie limitującym szybkość reakcji (jedynym etapie tej reakcji) następuje jednoczesne przyłączenie nukleofila i odszczepienie grupy opuszczającej.

Reakcje substytucji nukleofilowej są bardzo rozpowszechnione w chemii organicznej. Są to wszystkie reakcje podstawienia, w których czynnikiem atakującym są woda, amoniak, alkohole, aldehydy, ketony, aminy i wiele innych związków.

Reakcje, w których kluczowy etap jest substytucją nukleofilową, to między innymi:

• estryfikacja
• reakcja Grignarda
• reakcja Maillarda
• hydroksylowanie
• kondensacja aldolowa.

Substytucja nukleofilowa na innych atomach

Substytucja nukleofilowa nie ogranicza się do reakcji na elektrofilowym atomie węgla, lecz zachodzi także na innych atomach, np. fosforu, arsenu, krzemu itd.^[1] Taką sytuacją oznacza się, dodając po symbolu substytucji symbol atomu, którego ona dotyczy. Np. substytucje typu S_N1/2 na atomie fosforu to S_N1/2(P)^[2][3] lub S_N1/2@P^[4].

Reakcje typu S_N1(X) określa się czasem jako D_N + A_N (dysocjacja–addycja), a S_N2(X) jako uzgodnioną addycję–dysocjację A_ND_N lub uzgodnioną dysocjację–addycję D_NA_N (w zależności od tego, czy długości wiązań w stanie przejściowym są zbliżone bardziej do substratu czy produktu)^[5].

Jeżeli atom, na którym zachodzi substytucja nukleofilowa, jest zdolny do tworzenia związków pentakoordynacyjnych, jak np. fosfor, wówczas reakcja może przebiegać nie poprzez stan przejściowy, a związek pośredni z pięcioma ligandami. W pierwszym etapie reakcji następuje addycja nukleofila z wytworzeniem niestabilnego związku pośredniego, który szybko ulega eliminacji (dysocjacji) do produktów. Taki mechanizm reakcji określa się mianem addycja–dysocjacja (A_N + D_N)^[5]. W niektórych przypadkach może dochodzić wtedy do rearanżacji ligandów (np. tzw. pseudorotacja Berry'ego(inne języki)), co prowadzić może do retencji konfiguracji (przeciwnie do typowej reakcji S_N2, zachodzącej z inwersją konfiguracji)^[6][7][8].