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].

Przypisy

1. Trevor A.T.A. Hamlin Trevor A.T.A. i inni, Nucleophilic Substitution in Solution: Activation Strain Analysis of Weak and Strong Solvent Effects, „Chemistry. A European Journal”, 24 (22), 2018, s. 5927–5938, DOI: 10.1002/chem.201706075, PMID: 29457865, PMCID: PMC5947303 [dostęp 2024-06-09] (ang.).
2. Oleg I.O.I. Kolodiazhnyi Oleg I.O.I., AnastasyA. Kolodiazhna AnastasyA., Nucleophilic substitution at phosphorus: stereochemistry and mechanisms, „Tetrahedron: Asymmetry”, 28 (12), 2017, s. 1651–1674, DOI: 10.1016/j.tetasy.2017.10.022 [dostęp 2024-06-09] (ang.).
3. PhilipP. Hendry PhilipP., Alan M.A.M. Sargeson Alan M.A.M., Metal Ion Promoted Reactions of Phosphate Derivatives, [w:] Stephen J.S.J. Lippard (red.), Progress in Inorganic Chemistry, t. 38, Wiley, 1990, s. 201–258, DOI: 10.1002/9780470166390.ch4, ISBN 978-0-471-50397-2 (ang.).
4. Marc A. vanM.A. Bochove Marc A. vanM.A., MarcelM. Swart MarcelM., F. MatthiasF.M. Bickelhaupt F. MatthiasF.M., Nucleophilic Substitution at Phosphorus Centers (S_N2@P), „ChemPhysChem”, 8 (17), 2007, s. 2452–2463, DOI: 10.1002/cphc.200700488 [dostęp 2024-06-09] (ang.).
5. Alessandro NicolaA.N. Nardi Alessandro NicolaA.N. i inni, Modelling Complex Bimolecular Reactions in a Condensed Phase: The Case of Phosphodiester Hydrolysis, „Molecules”, 28 (5), 2023, s. 2152, DOI: 10.3390/molecules28052152, PMID: 36903398, PMCID: PMC10004441 [dostęp 2024-06-09] (ang.).
6. IvarI. Ugi IvarI. i inni, Berry pseudorotation and turnstile rotation, „Accounts of Chemical Research”, 4 (8), 1971, s. 288–296, DOI: 10.1021/ar50044a004 [dostęp 2024-06-09] (ang.).
7. DorotaD. Krasowska DorotaD. i inni, Chiral Hypervalent, Pentacoordinated Phosphoranes, „Molecules”, 21 (11), 2016, s. 1573, DOI: 10.3390/molecules21111573, PMID: 27879636, PMCID: PMC6274329 [dostęp 2024-06-09] (ang.).
8. R.J. GregoryR.J.G. Thatcher R.J. GregoryR.J.G., RonaldR. Kluger RonaldR., Mechanism and Catalysis of Nucleophilic Substitution in Phosphate Esters, [w:] Advances in Physical Organic Chemistry, t. 25, Elsevier, 1989, s. 99–265, DOI: 10.1016/s0065-3160(08)60019-2, ISBN 978-0-12-033525-1 (ang.).

Bibliografia

• Halogenki alkilowe, [w:] John McMurry, Chemia Organiczna, t. 2, Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2003, s. 340-367, ISBN 83-01-14101-8.
• Substytucja nukleofilowa w grupie karbonylowej (C=O), [w:] Jonathan Clayden(inne języki), Nick Greeves, Stuart Warren, Peters Wothers, Chemia Organiczna, t. 1, Warszawa: WNT, 2009, s. 279–304, ISBN 978-83-204-3506-1.
• Substytucja nukleofilowa na nasyconym atomie węgla, [w:] Jonathan Clayden, Nick Greeves, Stuart Warren, Peters Wothers, Chemia Organiczna, t. 2, Warszawa: WNT, 2010, s. 27–66, ISBN 978-83-204-3613-6.

Kontrola autorytatywna (reakcja podstawienia):

• GND: 4271538-6

Encyklopedie internetowe:

• Britannica: science/nucleophilic-substitution, topic/unimolecular-nucleophilic-substitution-reaction