$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
يعد الاستبدال النووي أحد أهم التفاعلات الأساسية المستخدمة في التخليق العضوي.
"النوكليوفيل" هو نوع غني بالإلكترون. في الاستبدال النووي ، يتفاعل المحبة للنواة مع هاليد الألكيل لتشكيل منتج بمجموعة وظيفية جديدة. هذا التفاعل هو نقطة البداية لمجموعة واسعة من التوليفات العضوية.
سيوضح هذا الفيديو مبادئ فئتين من البدائل المحبة للنواة ، ويوضح تأثيرات المواد المتفاعلة المختلفة على معدل التفاعل لكل منهما ، ويناقش بعض التطبيقات.
يتطلب الاستبدال النووي اثنين من المواد المتفاعلة: الألكان الوظيفي والنوكليوفيل.
يمكن أن يكون الألكان الوظيفي كحول أو هاليد سلفونيك ، ولكنه عادة ما يكون هاليد ألكيل. في هاليد الألكيل ، يطلق على الكربون المرتبط بالهالوجين اسم الكربون "ألفا" ، ويجب تهجينه sp3 للخضوع لاستبدال النواة. أي كربون مرتبط بألفا هو كربون "بيتا". الأهم من ذلك ، أن الهالوجين عبارة عن مجموعة قوية لسحب الإلكترون تتسبب في فقير الكربون ألفا. وبالتالي فإن كربون ألفا هو "محبة للكهرباء" ، مما يعني أنه يعاني من نقص في الإلكترونات ويمكنه قبول المزيد.
"المحبة للنواة" هي عكس ذلك. نوع يمكنه التبرع بالإلكترونات. عادة ما تكون مجموعة وظيفية سالبة الشحنة ، مثل أيون الكلوريد ، أو أنيون الملح العضوي ، مثل أيون الأسيتات. تحتوي النواة بشكل عام على أزواج إلكترون غير مشتركة.
في الاستبدال النووي ، يتفاعل النيوكليوفيل مع هاليد الألكيل عن طريق مهاجمة كربون ألفا المحب للكهرباء. يعمل النيوكليوفيل كقاعدة لويس ، حيث يتبرع بزوج إلكترون لكربون ألفا. وفي الوقت نفسه ، تنكسر الرابطة بين كربون ألفا والهالوجين. تنضم الإلكترونات في الأصل في تلك الرابطة مع الهالوجين لتشكيل مجموعة مغادرة هاليد.
يمكن أن يحدث الاستبدال النووي من خلال إحدى آليتين. الأول يبدأ بهجوم بطيء للنواة على الجانب الخلفي من كربون ألفا - الجانب المقابل للهالوجين - متبوعا بالرحيل السريع للمجموعة المغادرة. نظرا لأن كلا من هاليد الألكيل والنواة يشاركان في الخطوة البطيئة ، فإن هذه الآلية تسمى "الاستبدال: ثنائي النواة" أو "SN2" باختصار. تختتم آلية SN2 بالروابط الأخرى على كربون ألفا التي تغير اتجاهاتها وتعكس التكوين. نظرا لأن النيوكليوفيل يهاجم فقط الجانب الخلفي من كربون ألفا ، فإن الآلية تنتج أيزومر فراغي مقلوب واحد فقط للمنتج.
تبدأ الآلية الأخرى بالتفكك البطيء لهاليد الألكيل إلى مجموعة مغادرة و "كربوكاتيون" ، وهو كربون عالي التفاعل وموجب الشحنة. على عكس آلية SN2 ، يمكن أن يهاجم النوكليوفيل من أي جانب. يتم إنتاج كلا الأيزومرات الفراغية ، وهو تمييز تم اكتشافه تجريبيا عن طريق قياس الدوران البصري. نظرا لأن جزيئا واحدا فقط - هاليد الألكيل - يشارك في الخطوة البطيئة ، فإن هذه الآلية تسمى "الاستبدال ، غير الجزيئي النووي" أو "SN1".
والآن بعد أن رأينا آليات الاستبدال النووي، دعونا نستكشف كيفية تطبيقه على المواد المتفاعلة المختلفة في ظل ظروف مختلفة.
في هذا القسم ، سوف ندرس تأثيرات بنية هاليد الألكيل ، وترك اختيار المجموعة ، وقطبية المذيبات على آلية SN1. تم اختيار الظروف لقمع تفاعلات SN2.
أولا ، ندرس تأثير بنية هاليد الألكيل. قم بقياس 2 مل من نترات الفضة 0.1 M في الإيثانول المطلق في ثلاثة أنابيب اختبار.
أضف قطرتين من 1-بروموبوتان إلى أنبوب الاختبار الأول، وقطرتين من 2-بروموبوتان إلى أنبوب الاختبار الثاني، وقطرتين من 2-برومو-2-ميثيل بروبان في أنبوب الاختبار الثالث. سجل الوقت الذي يبدأ فيه التفاعل.
ضع سدادة على كل أنبوب ورجها.
سجل الوقت الذي يصبح فيه المحلول عكرا أو يظهر راسب ، مما يشير إلى تكوين بروميد الفضة غير القابل للذوبان.
بعد ذلك ، ننتقل إلى تأثيرات مجموعات المغادرة المختلفة. قم بقياس 2 مل من نترات الفضة 0.1 متر في الإيثانول المطلق في أنبوبي اختبار.
أضف قطرتين من 2-برومو-2-ميثيل بروبان في أنبوب الاختبار الأول، وقطرتين من 2-كلورو-2-ميثيل بروبان في أنبوب الاختبار الثاني. كما كان من قبل ، سجل الوقت الذي يبدأ فيه التفاعل ، وقم بتطبيق سدادة على كل أنبوب ، ورج ، وسجل الوقت الذي يظهر فيه الراسب.
أخيرا ، لدراسة تأثير المذيبات المختلفة ، قم بقياس 2 مل من نترات الفضة 0.1 M في الإيثانول المطلق في أنبوب اختبار. قم بقياس 2 مل من نترات الفضة 0.1 متر في 95٪ من الأسيتون في أنبوب اختبار ثان. أضف قطرتين من 2-برومو-2-ميثيل بروبان في كل أنبوب اختبار.
مرة أخرى ، سجل الوقت الذي يبدأ فيه التفاعل ، وسدادة وهز كل أنبوب ، وسجل الوقت الذي يظهر فيه الراسب.
يعتمد معدل تفاعل SN1 بشكل كبير على طبيعة هاليد الألكيل والمذيب.
أولا ، دعونا نفحص بنية هاليد الألكيل. في هذا العرض ، تفاعل 2-برومو-2-ميثيل بروبان بمعدل أسرع بكثير من 2-بروموبوتان ، والذي بدوره كان يتفاعل أسرع من 1-بروموبوتان.
تنبع هذه النتائج من طبيعة وسيط الكربوهيدرات الذي تم تكوينه في الخطوة الأولية البطيئة لآلية SN1. تستقر الكربوكاتيون عن طريق تشتيت الشحنة الموجبة لكربون ألفا على كربون بيتا من خلال الاستقطاب وفرط الاقتران. يكون تأثير التثبيت هذا أكبر في هاليدات الألكيل الثلاثية ، التي تحتوي على العديد من كربون بيتا ، وبالتالي تشكل الكربوكاتيون بأسرع معدل أثناء تفاعل SN1. لهاليدات الألكيل الثانوية والأولية تأثيرات استقرار أصغر تدريجيا ، وبالتالي معدلات تفاعل أقل تدريجيا.
الآن دعنا نستكشف مجموعة المغادرة. في هذا العرض التوضيحي ، تفاعل 2-برومو-2-ميثيل بروبان بمعدل أسرع من 2-كلورو-2-ميثيل بروبان.
وذلك لأن البروم يشكل رابطة أضعف مع كربون ألفا مقارنة بالكلور. بشكل عام ، تشكل الهالوجينات الموجودة أقل في الجدول الدوري روابط أضعف من تلك الموجودة أعلى على الجدول. يزداد معدل خطوة التفكك الأولية في آلية SN1 مع تناقص قوة الرابطة. هذا الاتجاه شائع في كل من آليات SN1 و SN2.
ننتقل الآن إلى تأثيرات المذيبات. في هذا العرض التوضيحي ، حدث التفاعل بين 2-برومو-2-ميثيل بروبان ونترات الفضة بمعدل أسرع عند إذابته في الإيثانول منه في الأسيتون.
الإيثانول قطبي للغاية وبروتيني: يحتوي على ذرة هيدروجين طرفية موجبة كهربية وبالتالي فهو قادر على تكوين روابط هيدروجينية. لذلك فهو أكثر فاعلية في تثبيت كل من الكربوكيتاشن والمجموعة المغادرة من الأسيتون ، وهو أقل قطبية وغير جانبية. بشكل عام ، تزداد معدلات تفاعلات SN1 مع قطبية المذيب.
نستكشف الآن تأثيرات بنية هاليد الألكيل ، ومجموعة المغادرة ، وقطبية المذيبات على آلية SN2. مرة أخرى ، تم اختيار الظروف لقمع تفاعلات SN1.
نبدأ بدراسة تأثير بنية الألكيل حول كربون ألفا. قم بقياس 2 مل من يوديد الصوديوم 15٪ في الأسيتون في ثلاثة أنابيب اختبار. أضف قطرتين من 1-بروموبوتان إلى أنبوب الاختبار الأول، وقطرتين من 2-بروموبوتان في الثانية، وقطرتين من 2-برومو-2-ميثيل بروبان في أنبوب الاختبار الثالث. سجل الوقت اللازم لتكوين الراسب ، بروميد الصوديوم ، كما كان من قبل.
بعد ذلك ، ندرس تأثير بنية الألكيل حول كربون بيتا. قم بقياس 1 مل من يوديد الصوديوم 15٪ في الأسيتون في أنبوبين اختباريين. أضف قطرتين من 1-بروموبوتان إلى أنبوب الاختبار الأول ، وقطرتين من بروميد النيوبنتيل إلى الثانية. سجل وقت رد الفعل كما كان من قبل.
أخيرا ، ننتقل إلى تأثيرات قطبية المذيبات. أضف 1 مل من يوديد الصوديوم 15٪ في الإيثانول إلى أنبوب الاختبار الأول ، و 1 مل 15٪ يوديد الصوديوم في الأسيتون إلى الثاني. أضف قطرتين من 1-بروموبوتان إلى كليهما ، وسجل الوقت اللازم لتكوين الرواسب.
أولا ، دعونا نفحص بنية الألكيل حول كربون ألفا. في هذا المثال ، تفاعل 1-بروموبوتان بأسرع معدل ، وتفاعل 2-بروموبوتان بشكل أبطأ ، و 2-برومو-2-ميثيل بروبان أبطأ على الإطلاق. هذه النتائج معاكسة لتلك الموجودة في تفاعلات SN1.
الفرق يرجع إلى الهندسة. تؤدي زيادة عدد كربون بيتا إلى تقليل المساحة المكشوفة على كربون ألفا التي يمكن أن يحدث عليها هجوم نووي ناجح مؤخرة. هذه الظاهرة تسمى "العائق الفراغي". هاليدات الألكيل الأولية هي الأقل إعاقة من الناحية العصبية ، وتختبر أسرع معدلات تفاعل SN2 ، في حين أن هاليدات الألكيل الثلاثية هي الأكثر إعاقة ، وتعاني من أبطأ ردود الفعل.
بعد ذلك ، ننتقل إلى بنية الألكيل حول كربون بيتا. 1-تفاعل البروموبوتان على الفور بينما لم يتفاعل بروميد نيوبنتيل على الإطلاق.
يتم تفسير ذلك أيضا من خلال العائق الفراغي. يؤدي وجود مجموعات ضخمة على كربون بيتا مرة أخرى إلى تقليل المساحة الموجودة على كربون ألفا المعرضة للهجوم النووي. يتعرض كربون بيتا المعوق بشكل استيري لمعدل تفاعل أقل من الكربون دون عوائق.
أخيرا ، ننظر إلى تأثيرات المذيبات. معدل تفاعل 1-بروموبوتان في الأسيتون أكبر بكثير مما هو عليه في الإيثانول. هذا يتعارض مع نتائج تفاعل SN1.
هذا لأنه في تفاعلات SN2 ، تعمل المذيبات البروتينية القطبية مثل الإيثانول على استقرار المحبة للنواة ، مما يجعلها أقل تفاعلا وبالتالي تقلل من معدل التفاعل. على النقيض من ذلك ، لا يمكن للمذيبات البروتيكية مثل الأسيتون تثبيت المحبة للنواة بنفس القدر.
للتلخيص: تنخفض معدلات تفاعلات SN2 من خلال العائق الفراغي على كل من كربون ألفا وبيتا. هذا يتعارض مع تفاعلات SN1 ، حيث تعمل كربون بيتا على استقرار الكربوهيدرات وزيادة المعدل. تزداد معدلات كلا التفاعلين مع انخفاض قوة الرابطة بين المجموعة المتبقية وكربون ألفا. أخيرا ، تعمل المذيبات البروتينية القطبية على تأخير تفاعلات SN2 عن طريق تثبيت المحبة للنواة ، ولكنها تسرع تفاعلات SN1 عن طريق تثبيت المواد الوسيطة. مع وضع هذه النتائج في الاعتبار ، دعنا نفحص بعض التطبيقات.
يعد الاستبدال النووي خطوة أساسية في بلمرة الببتويد. توفر الببتويدات ، المونومرات الاصطناعية المتعلقة بالببتيدات ، نهجا مباشرا لتصميم البروتينات الاصطناعية عالية الضبط. تتشكل البوليمرات عن طريق برومة الأمينات الثانوية بالتناوب واستبدال البروميد الطرفي الناتج بأمين من خلال الاستبدال النووي. يمكن استخدام هذه الطريقة لإنتاج سلاسل بوليمرية وألواح نانوية ذاتية التجميع.
تطبيق آخر هو تصنيع ركائز زراعة الخلايا. تم تطوير تقنيات الطباعة الحجرية المؤتمتة للغاية لإنشاء أنماط ذات ميزات 10 ميكرون على ركائز مطلية بالذهب. ثم تتم طباعة البوليمر في الميزات ويتفاعل من خلال الاستبدال النووي لإضافة الأزيدات أو الروابط الأخرى إلى سطحه. يوفر هذا سطحا يتم التحكم فيه بدرجة عالية يمكن زراعة الخلايا عليه ، ويسمح باستكشاف تأثير الروابط على نمو الخلايا وسلوكها.
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE عن الاستبدال النووي. يجب أن تفهم الآن آليات SN1 و SN2 ، وتأثيرات هاليدات الألكيل والمذيبات المختلفة على كل منها ، وبعض التطبيقات. شكرا للمشاهدة!
