求核置換反応

Organic Chemistry II

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Overview

ソース: Vy 雅洞とダニエル ・ キム、化学、カリフォルニア大学アーバイン校、カリフォルニア州部

求核置換反応は、有機化学における最も基本的なトピックの一つです。求核置換反応は、求核剤 (電子が豊富なルイス ・ ベース) が炭素原子から去るグループを置き換える 1 つです。

SN1 (S = 置換、N = 1 Nucleophilic 最初順序の動力学を =)
SN2 (S = N 置換 Nucleophilic、2 = = 二次速度)

このビデオは SN1 と SN2 の間の微妙な違いを視覚化するのに役立ちます反応と求核置換反応の各タイプを迅速化するため要因。最初のセクションがよりよく理解し、求核置換反応について説明するのに役立ちます反応に焦点を当てます。2 番目のセクションは、置換反応の実世界の例について説明します。

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JoVE Science Education Database. 有機化学 II. 求核置換反応. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

求核置換反応で、求核剤は、炭素原子に残してグループを置き換えます。ワンステップの求核置換が SN2 の例のメカニズム。この反応は協調反応結合破壊と形成が同時に発生しています。留意するべき 1 つの事は、反応に関与する分子軌道が求核攻撃する必要がありますままグループから 180 ° に来ることを示すことです。したがって、いくつかニックネーム SN2 反応「背面攻撃」。この背中側の攻撃は、反応の炭素の立体化学を反転します。これは、反応の発症時立体化学が反応後立体化学の結果を指示立体特異的反応の例です。

Figure 1

2 段階の求核置換が SN1 の例のメカニズム。最初のステップで去るグループは葉し、カルボカチオンと呼ばれる中間体を形成します。2 番目のステップでは、求核基は、カルボカチオンを攻撃します。カルボカチオンはアキラルなので (キラルではない) 反応の先頭に任意の立体化学が失われます。製品がまだキラル今ラセミ混合物とよばれる両方の光学異性体も混合物であります。SN1 反応は立体特異的ではないです。

Figure 2

2 つの部分、SN1 と SN2 の相対速度に影響する要因を検討する反応。

SN1 パート 1 で検討する 11 のテスト チューブ反応を利用した反応。すべての反応は、同じ一般的な反作用スキームを持ってください。

Figure 3

反応のすべての料金は、互いに相対的です。反応速度は反応の視覚的なインジケーターによって決定されます。塩化銀沈殿ソリューション、ので反応がクリアから曇りを与えるに行く瞬間相対反応の視覚的表示の速度します。

テスト チューブ反応の 3 つで、アルキル ハロゲン化物の構造が反応率の役割を果たしている方法が試されます。同じ条件の下で 3 つの異なるアルキルクロライドはテストします。

Figure 4

テスト チューブ反応の 2 つの反応に及ぼす極性溶媒がテストされます。2 つの溶剤がテストされます。

テスト チューブ 溶剤 溶剤の種類
1 100% エタノール 極性プロトン性
2 5% エタノール: 95% アセトン 大抵極性非プロトン性

テスト チューブ反応の 2 つに残してグループ効果がテストされます。2 つの異なるアルキル ハロゲン化物を使用します。

Figure 5

最後に、4 つの試験管が反応速度法を測定する使用されます。反応速度は、ヨウ化ナトリウムと 1 bromobutane ソリューションのさまざまな濃度で測定されます。

テスト チューブ 塩化 tert-ブチル
濃度
銀製硝酸塩
濃度
沈殿するまでの時間
1 0.1 M 0.1 M
2 0.2 M 0.1 M
3 0.1 M 0.1 M
4 0.1 M 0.05 M

2 では一部で SN2 は学習 11 試験管反応を利用した反応。すべての反応は、同じ一般的な反作用スキームを持ってください。

Figure 6

反応のすべての料金は、互いに相対的です。反応速度は、塩化ナトリウムや臭化ナトリウム解決から沈殿の視覚的なインジケーターによって決定されます。クリアから曇りになると反応示されます。

テスト チューブ反応の 3 つで、アルキル ハロゲン化物の構造が反応率の役割を果たしている方法が試されます。これは、臭素にバインドされている炭素の立体効果を比較します。同じ条件の下で 3 つの異なるアルキルクロライドはテストします。

Figure 4

テスト チューブ反応の 2 つのハロゲン化アルキルのセカンダリの立体効果がテストされます。これらはない行きの臭化炭素を含む分子の立体効果です。同じ条件の下で、2 つの異なるプライマリ アルキル ブロマイドがテストされます。

Figure 7

テスト チューブ反応の 2 つに残してグループ効果がテストされます。2 つの異なるアルキル ハロゲン化物を使用します。

Figure 8

最後に、4 つの試験管は反応速度法を測定するために適用されます。反応速度は、ヨウ化ナトリウムと 1 bromobutane ソリューションのさまざまな濃度で測定されます。

テスト チューブ ヨウ化ナトリウム
濃度
1 Bromobutane
濃度
沈殿するまでの時間
1 15% 1.0 M
2 15% 2.0 M
3 15% 1.0 M
4 7.5% 1.0 M

Procedure

パート 1: 勉強 SN1 反応

アルキル ハロゲン化物の構造:

  1. それぞれの 3 つの試験管に無水エタノールで硝酸銀の 0.1 M の溶液 2 mL を測定します。
  2. 最初の試験管に 1 bromobutane の 2 滴を追加します。第 2 の試験管に 2 bromobutane の 2 滴を追加します。
  3. 最終的に 2-ブロモ-2-methylpropane の 2 滴を追加第 3 テスト チューブ。
  4. ストッパー、各試験管を振る。
  5. 曇りまたは沈殿物の最初の兆候が表示されます時間を注意してください。

グループ効果を残してください。

  1. 各 2 つの試験管に 2 mL の無水エタノールに硝酸銀の 0.1 M 溶液を測定します。
  2. 最初の試験管に 2 滴を第 2 の試験管に 2-クロロ-2-methylpropane、2-ブロモ-2-methylpropane 2 滴を追加します。
  3. ストッパー、各試験管を振る。
  4. 曇りまたは沈殿物の最初の兆候が表示されます時間を注意してください。

極性溶媒効果:

  1. 最初のテスト チューブと 2 番目のテスト チューブに 5 %ethanol/95% アセトンで硝酸銀の 0.1 M 溶液 2 mL メジャーに無水エタノールで硝酸銀の 0.1 M 溶液測定 2 mL。
  2. 両方の試験管に 2-ブロモ-2-methylpropane の 2 滴を追加します。
  3. ストッパー、各試験管を振る。
  4. 曇りまたは沈殿物の最初の兆候が表示されます時間を注意してください。

SN1 の率の法律を決定します。

  1. 最初の試験管にエタノール 2-クロロ-2-methylpropane の 0.1 M の溶液 0.5 mL を測定します。
  2. 第 2 の試験管にエタノール 2-クロロ-2-methylpropane の 0.2 M 溶液 0.5 mL を測定します。
  3. 両方の試験管に無水エタノールに硝酸銀の 0.1 M 液 1.0 mL を追加します。
  4. 慎重に混濁や沈殿物を観察するのにかかる時間を測定します。
  5. 3 番目のテスト チューブに 1.0 mL のエタノールで硝酸銀の 0.1 M 溶液を測定します。
  6. 4 試験管にエタノールに硝酸銀の 0.1 M 溶液 0.5 mL を測定し、エタノールの追加 0.5 mL を追加します。
  7. 両方の試験管にエタノール 0.1 M 2-クロロ-2-methylpropane の 1.0 mL を追加し、混濁や沈殿物を観察する時間を慎重に測定します。

パート 2: 勉強 SN2 の反応

アルキル ハロゲン化物の構造:

  1. それぞれの 3 つの試験管にヨウ化ナトリウム 15% アセトン 2 mL を測定します。
  2. 最初の試験管に 1 bromobutane の 2 滴を追加します。
  3. 第 2 の試験管に 2 bromobutane の 2 滴を追加します。
  4. 最後に、最終的に 2-ブロモ-2-methylpropane の 2 滴を追加第 3 テスト チューブ。
  5. ストッパー、各試験管を振る。
  6. 曇りまたは沈殿物の最初の兆候が表示されます時間を注意してください。

立体効果:

  1. 2 つの試験管にヨウ化ナトリウム 15% アセトン溶液の 1 mL を測定します。
  2. 最初の試験管に 1 bromobutane の 2 滴を追加し、2 番目のテスト チューブにネオペンチル ブロマイドの 2 滴を追加します。
  3. ストッパー、各試験管を振る。
  4. 曇りまたは沈殿物の最初の兆候が表示されます時間を注意してください。

グループ効果を残してください。

  1. 2 つの試験管にヨウ化ナトリウム 15% アセトン溶液の 1 mL を測定します。
  2. 最初の試験管に 1 bromobutane の 2 滴を追加し、2 番目のテスト チューブに 1 chlorobutane の 2 滴を追加します。
  3. ストッパー、各試験管を振る。
  4. 曇りまたは沈殿物の最初の兆候が表示されます時間を注意してください。

2 SNを決定する法律を評価します。

  1. 2 つの試験管にヨウ化ナトリウム 15% アセトン溶液中の 1.0 mL を測定します。
  2. 最初のテスト チューブにアセトンで 1 bromobutane の 1.0 M 溶液 0.1 mL を追加します。
  3. 曇りの最初の兆候を観察する時間を慎重に測定します。
  4. 2 番目のテスト チューブにアセトンで 1 bromobutane の 2.0 M 溶液 0.1 mL を追加します。
  5. 曇りの最初の兆候を観察する時間を慎重に測定します。
  6. 3 番目と 4 番目の試験管に 1.0 mL のアセトンで 1.0 M 1 bromobutane を測定します。
  7. アセトン溶液で 3 番目の試験管にヨウ化ナトリウム 7.5% の 0.1 mL を追加します。
  8. 曇りの最初の兆候を観察する時間を慎重に測定します。
  9. 4 試験管にアセトン溶液にヨウ化ナトリウム 15% の 0.1 mL を追加そして曇りの最初の兆候を観察する時間を慎重に測定します。

求核置換反応は、有機合成で用いられる最も基本的な反応のひとつです。

「求」は電子の豊富な種です。求核置換で、求核剤は新しい機能性製品を形成するハロゲン化アルキルと反応します。この反応は、有機合成の広大な配列の出発点です。

このビデオが求核置換の 2 つのカテゴリの原則を示すため、ごとに、異なる反応の反応速度に及ぼす影響を示すし、いくつかのアプリケーションを議論します。

求核置換反応の 2 つが必要です: 機能性アルカンと、求核剤。

官能のアルカン、アルコールまたはスルホン ハロゲン化物がハロゲン化アルキルは、通常。ハロゲン化アルキル、ハロゲンに結合した炭素「アルファ」炭素と呼びますされ sp3 交配求核置換反応を受ける必要があります。アルファに結合した炭素は、「ベータ」炭素です。ハロゲンは発生するアルファ炭素の電子撤回の強力なグループで重要なは、電子不足。したがって、アルファ炭素です「求電子体、」電子の不足があり、以上を受け入れることができることを意味です。

「求核剤「逆ですよ。電子を寄付することができます種。通常、酢酸イオンなどの有機酸塩の陰イオンや塩化物イオンなど負荷電の機能グループです。求核試薬は一般に非共有電子対を含みます。

求核置換で、求核剤が求電子的アルファ炭素を攻撃することによってハロゲン化アルキルと反応します。求核剤はルイス塩基、α 炭素に電子組を寄付として機能します。一方、α 炭素とハロゲンの間の結合を解除します。その絆にもともと電子のグループを残してハロゲン化物を形成するハロゲンで参加します。

求核置換反応は、2 つのメカニズムのいずれかを発生します。最初は去るグループの高速の出発によってハロゲン続いて反対側の炭素、アルファの裏側に遅い求核攻撃で始まります。

ハロゲン化アルキルとの求核剤の両方は、遅いステップに参加、以来このメカニズムと呼ばれる「置換: 求核二分子、」または「SN2」略して。SN2 メカニズムは、その方向を変更して、構成を反転アルファ炭素の他の債券で締めくくります。メカニズムを 1 つだけ生成以来、求核基の α 炭素の裏面のみ攻撃、製品の立体を反転します。

他のメカニズムから始まる残してグループに「カルボカチオン、「ハロゲン化アルキルの遅い解離反応性の高い、正荷電炭素。異なり、SN2 機構で、求核基はどちらの側から攻撃できます。区別は実験測定光学回転によって検出された両方の立体異性体が生成されます。このメカニズムが「求一分子の置換」をいいますので 1 つだけ分子のアルキル ハロゲン化物-かかる一部遅いステップで、または「SN1。」

求核置換反応のメカニズムを見てきた、さまざまな条件下での異なる反応に適用する方法を見てみましょう。

このセクションで SN1 機構上、グループ選択と極性溶媒を残してアルキル ハロゲン化物の構造の効果を検討します。条件は、SN2 反応を抑制するために選択されています。

まず、アルキル ハロゲン化物の構造に及ぼす影響を調べた。3 つの試験管に 2 mL の無水エタノールで 0.1 M の硝酸銀を測定します。

第 3 の試験管に、最初のテスト チューブ、2-bromobutane 2 番目の試験管に 2 滴と 2 滴 2-ブロモ-2-methylpropane に 1 bromobutane 2 滴を追加します。反応が開始する時刻を記録します。

各管にストッパーを適用し、横に振る。

濁りがソリューションまたは不溶性臭化銀の形成を示す沈殿物が表示されます時間を記録します。

次に、我々 は異なる残してグループの効果に向けます。2 つの試験管に 2 mL の無水エタノールで 0.1 M の硝酸銀を測定します。

2-ブロモ-2-methylpropane 最初の試験管に 2 滴と 2 番目に 2-クロロ-2-methylpropane の 2 滴を追加します。反応の開始時刻がストッパーを適用する前に、レコード各管に振ると沈殿物が表示されます時間を記録します。

最後に、各種溶媒効果を研究、試験管に 2 mL の無水エタノールで 0.1 M の硝酸銀を測定します。第 2 の試験管に 2 mL 95% アセトン 0.1 M の硝酸銀を測定します。各試験管に 2-ブロモ-2-methylpropane の 2 滴を追加します。

再び、反応が開始する、ストッパーの時間を記録し各管を振るし、沈殿物が表示されます時間を記録します。

SN1 反応の速度は、ハロゲン化アルキルと溶媒の性質に大きく依存します。

まず、ハロゲン化アルキルの構造を調べてみましょう。このデモでは、2-ブロモ-2-methylpropane は 2-bromobutane、1 bromobutane よりも速く反応する順番よりもはるかに速い速度で反応しました。

これらの結果は、SN1 機構の低速の初期段階で形成されたカルボカチオン中間体の性質から生じます。カルボカチオンは、極性化と超共役 β 炭素でアルファ炭素の正電荷を分散させることによって彼ら自身を安定させます。この安定化効果は第三紀アルキルハライド、いくつかのベータ版の炭素があるし、カルボカチオンが最速で SN1 反応中に形成するために最大であります。セカンダリとプライマリのアルキル ハロゲン化物は漸進的により小さい安定化効果を持っているし、反応速度が徐々 に低くなります。

今去るグループを見てみましょう。このデモでは、2-ブロモ-2-methylpropane は 2-クロロ-2-methylpropane よりも速い速度で反応しました。

臭素は塩素に比較して α 炭素と弱い結合を形成するためです。もっと一般に、ハロゲンに低く見られる見つけられるそれらより弱い結合を形成する周期表に高いテーブル。初期の解離の速度は、接着強さの低下とともに増加するメカニズム、SN1 のステップです。この傾向は、SN1 と SN2 メカニズムに共通です。

我々 は今度溶媒効果を。このデモで 2-ブロモ-2-methylpropane と銀製硝酸塩の反応はアセトンよりもエタノールに溶解したときに速い速度で発生しました。

エタノールは高極性とプロトン性: 陽性ターミナル水素原子があり、そのため水素結合を形成できます。したがって、以下の極性と非プロトン性である、カルボカチオンと残してアセトン、群の安定に効果的です。通常、SN1 反応速度は溶媒の極性の増加します。

我々 は今 SN2 機構のグループ、および極性溶媒を残してアルキル ハロゲン化物の構造の影響を探る。もう一度、SN1 反応を抑制する条件を選択されています。

まずアルファ炭素アルキル構造の効果を勉強しています。3 つの試験管にヨウ化ナトリウム 15% アセトン 2 mL を測定します。3 番目に、最初のテスト チューブ、2-bromobutane、2 番目に 2 滴と 2 滴 2-ブロモ-2-methylpropane に 1 bromobutane 2 滴を追加します。沈殿物、臭化ナトリウム、前として形成するために必要な時間を記録します。

次に、我々 は β 炭素アルキル構造の影響を調べる。2 つの試験管にヨウ化ナトリウム 15% アセトン 1 mL を測定します。1-bromobutane 最初の試験管に 2 滴と 2 番目ネオペンチル ブロマイドの 2 滴を追加します。前とに、の反応時間を記録します。

最後に、我々 は極性溶媒効果に向けます。2 番目に、アセトンでヨウ化ナトリウム 15% 最初の試験管にエタノール 1 mL、ヨウ化ナトリウム 15 %1 mL を追加します。両方に 1 bromobutane の 2 滴を追加し、フォームに沈殿物のために必要な時間を記録します。

まず、アルファ炭素の周りのアルキル基の構造を調べてみましょう。この例では、1 bromobutane の最速レートで、もっとゆっくり反応、2-ブロモ-2-methylpropane 2-bromobutane すべての中で最も遅い反応。これらの結果は、SN1 反応で見つけられるそれらの反対です。

違いは、ジオメトリのためです。アルファ炭素を成功した裏面の求核攻撃が発生することが公開されているエリアを縮小 β 炭素数の増加します。この現象は、「立体障害」と呼ばれる主なアルキル ハロゲン化物は少なくとも立体障害、第三紀アルキルハライド妨げている最も遅い反応を経験し、SN2 反応の速い速度を経験します。

次に、我々 はベータ版炭素周辺アルキル構造に向けます。1 Bromobutane は、ネオペンチル ブロマイドはまったく反応しなかった間に瞬時に反応しました。

これは、立体障害によっても説明されます。Β 炭素でかさばるグループの存在は再びアルファ炭素の求核攻撃にさらされる領域を減少します。

立体障害 β 炭素は、妨害されていない 1 つのより低い反応率を経験します。

最後に、我々 は溶媒効果を見てください。アセトンの 1 bromobutane の反応の速度はエタノールよりもはるかに大きいです。これは SN1 反応の結果に反しています。

これ、SN2 反応でエタノールのような極性プロトン性溶媒に安定求核剤、反応が弱い、したがって反応率を減少させるためです。対照的に、アセトンのような非プロトン性溶媒は、同様に求核剤を安定化できません。

要約するため: アルファとベータ版の両方の炭素上の立体障害通過する SN2 反応速度の減少します。これは β 炭素が、カルボカチオンを安定化し、率を高める、SN1 反応に反しています。両方の反応速度増加残してグループとアルファ炭素付着強度が低下。最後に、極性プロトン性溶媒は、求核剤の安定化による SN2 反応を遅らせるが、中間体の安定化による SN1 反応を加速します。念頭に置いてこれらの結果、いくつかのアプリケーションを調べてみましょう。

求核置換反応は、peptoid 重合における重要なステップです。ペプチド合成モノマー関連ペプチド、高度調整された合成タンパク質の設計への簡単なアプローチを提供します。ポリマーは、代わりに二次アミンの brominating と求核置換反応をアミンと結果ターミナル臭化を交換によって形成されます。このメソッドは、高分子鎖と自己組織化ナノシートを生成する使用できます。

別のアプリケーションは、細胞培養基板の製作中です。金被覆基板上の 10 ミクロン機能とパターンを作成する、高度な自動露光技術を開発されています。ポリマーの機能を印刷し、を通じてアザイドまたは他の配位子をその表面に追加する求核置換反応します。これは、サーフェイスを提供します高度に制御どの細胞を培養、することができ、許可探査、配位子の影響の細胞の成長と行動。

ゼウスの求核置換反応入門を見てきただけ。今、各、およびいくつかのアプリケーションに及ぼすアルキル ハロゲン化物及び溶剤 SN1 と SN2 メカニズムを理解してください。見てくれてありがとう!

Results

その 1: 勉強 SN1 の反応

アルキル ハロゲン化物の構造:

Figure 9

グループ効果を残してください。

Figure 10

極性溶媒効果:

Figure 11

S の決定N1 法:

テスト チューブ 銀製硝酸塩
濃度
1 Bromobutane
濃度
沈殿するまでの時間
1 0.1 M 0.1 M 20 s
2 0.1 M 0.2 M 10 s
3 0.1 M 0.1 M 20 s
4 0.05 M 0.1 M 20 s

Figure 12

その 2: 勉強 SN2 の反応

アルキル ハロゲン化物の構造:

Figure 13

立体効果:

Figure 14

グループ効果を残してください。

Figure 15

S の決定N2 評価法:

テスト チューブ ヨウ化ナトリウム
濃度
1 Bromobutane
濃度
沈殿するまでの時間
1 15% 1.0 M 20 s
2 15% 2.0 M 10 s
3 15% 1.0 M 20 s
4 7.5% 1.0 M 40 s

Figure 16

Applications and Summary

これらの実験はすぐに求核置換反応の傾向を表示する設計されています。SN1 と SN2 の間の微妙な違いを理解することができますこれらの傾向を実験的テスト反応。反応条件の最適化を開発して化学を学んだ。それはすべてが最初の反応を理解することから生じて: スピードアップか反応が遅く、どのように我々 はそれの利点を取ることができますか?最高の溶媒、温度、または試薬の濃度はどれだけ速く反応を左右する選択を終了します。時間をかけて、化学者だけでなくして心配している速度が、選択性と利回りも。求核置換反応は、合成の文献で見つけることができますを学ぶ重要な反応です。

このデモは、求核置換反応のリソースとして使用することができます。ただし、任意の有機化学反応を研究する方法の大まかな概要です。科学的なメソッドを使用しての基礎である反応条件 (一度に変化する変数) とその影響を観察することを変更する方法。これは、置換反応、芳香族置換反応、アシル置換反応など、たとえば、他の置換反応以外の反応の他のタイプに適用できます。

Figure 17

反応は、収率、選択性、速度 (効率) に最適化されています。どのように化学変化反応触媒としてパラメーターなど、温度、溶剤、そして残してグループ機能することができます主は反応に影響を与えます。反応に関する貴重な情報を貸すことができる反応の動態を知ること、通常これは反応のメカニズムを理解する始まり。

パート 1: 勉強 SN1 反応

アルキル ハロゲン化物の構造:

  1. それぞれの 3 つの試験管に無水エタノールで硝酸銀の 0.1 M の溶液 2 mL を測定します。
  2. 最初の試験管に 1 bromobutane の 2 滴を追加します。第 2 の試験管に 2 bromobutane の 2 滴を追加します。
  3. 最終的に 2-ブロモ-2-methylpropane の 2 滴を追加第 3 テスト チューブ。
  4. ストッパー、各試験管を振る。
  5. 曇りまたは沈殿物の最初の兆候が表示されます時間を注意してください。

グループ効果を残してください。

  1. 各 2 つの試験管に 2 mL の無水エタノールに硝酸銀の 0.1 M 溶液を測定します。
  2. 最初の試験管に 2 滴を第 2 の試験管に 2-クロロ-2-methylpropane、2-ブロモ-2-methylpropane 2 滴を追加します。
  3. ストッパー、各試験管を振る。
  4. 曇りまたは沈殿物の最初の兆候が表示されます時間を注意してください。

極性溶媒効果:

  1. 最初のテスト チューブと 2 番目のテスト チューブに 5 %ethanol/95% アセトンで硝酸銀の 0.1 M 溶液 2 mL メジャーに無水エタノールで硝酸銀の 0.1 M 溶液測定 2 mL。
  2. 両方の試験管に 2-ブロモ-2-methylpropane の 2 滴を追加します。
  3. ストッパー、各試験管を振る。
  4. 曇りまたは沈殿物の最初の兆候が表示されます時間を注意してください。

SN1 の率の法律を決定します。

  1. 最初の試験管にエタノール 2-クロロ-2-methylpropane の 0.1 M の溶液 0.5 mL を測定します。
  2. 第 2 の試験管にエタノール 2-クロロ-2-methylpropane の 0.2 M 溶液 0.5 mL を測定します。
  3. 両方の試験管に無水エタノールに硝酸銀の 0.1 M 液 1.0 mL を追加します。
  4. 慎重に混濁や沈殿物を観察するのにかかる時間を測定します。
  5. 3 番目のテスト チューブに 1.0 mL のエタノールで硝酸銀の 0.1 M 溶液を測定します。
  6. 4 試験管にエタノールに硝酸銀の 0.1 M 溶液 0.5 mL を測定し、エタノールの追加 0.5 mL を追加します。
  7. 両方の試験管にエタノール 0.1 M 2-クロロ-2-methylpropane の 1.0 mL を追加し、混濁や沈殿物を観察する時間を慎重に測定します。

パート 2: 勉強 SN2 の反応

アルキル ハロゲン化物の構造:

  1. それぞれの 3 つの試験管にヨウ化ナトリウム 15% アセトン 2 mL を測定します。
  2. 最初の試験管に 1 bromobutane の 2 滴を追加します。
  3. 第 2 の試験管に 2 bromobutane の 2 滴を追加します。
  4. 最後に、最終的に 2-ブロモ-2-methylpropane の 2 滴を追加第 3 テスト チューブ。
  5. ストッパー、各試験管を振る。
  6. 曇りまたは沈殿物の最初の兆候が表示されます時間を注意してください。

立体効果:

  1. 2 つの試験管にヨウ化ナトリウム 15% アセトン溶液の 1 mL を測定します。
  2. 最初の試験管に 1 bromobutane の 2 滴を追加し、2 番目のテスト チューブにネオペンチル ブロマイドの 2 滴を追加します。
  3. ストッパー、各試験管を振る。
  4. 曇りまたは沈殿物の最初の兆候が表示されます時間を注意してください。

グループ効果を残してください。

  1. 2 つの試験管にヨウ化ナトリウム 15% アセトン溶液の 1 mL を測定します。
  2. 最初の試験管に 1 bromobutane の 2 滴を追加し、2 番目のテスト チューブに 1 chlorobutane の 2 滴を追加します。
  3. ストッパー、各試験管を振る。
  4. 曇りまたは沈殿物の最初の兆候が表示されます時間を注意してください。

2 SNを決定する法律を評価します。

  1. 2 つの試験管にヨウ化ナトリウム 15% アセトン溶液中の 1.0 mL を測定します。
  2. 最初のテスト チューブにアセトンで 1 bromobutane の 1.0 M 溶液 0.1 mL を追加します。
  3. 曇りの最初の兆候を観察する時間を慎重に測定します。
  4. 2 番目のテスト チューブにアセトンで 1 bromobutane の 2.0 M 溶液 0.1 mL を追加します。
  5. 曇りの最初の兆候を観察する時間を慎重に測定します。
  6. 3 番目と 4 番目の試験管に 1.0 mL のアセトンで 1.0 M 1 bromobutane を測定します。
  7. アセトン溶液で 3 番目の試験管にヨウ化ナトリウム 7.5% の 0.1 mL を追加します。
  8. 曇りの最初の兆候を観察する時間を慎重に測定します。
  9. 4 試験管にアセトン溶液にヨウ化ナトリウム 15% の 0.1 mL を追加そして曇りの最初の兆候を観察する時間を慎重に測定します。

求核置換反応は、有機合成で用いられる最も基本的な反応のひとつです。

「求」は電子の豊富な種です。求核置換で、求核剤は新しい機能性製品を形成するハロゲン化アルキルと反応します。この反応は、有機合成の広大な配列の出発点です。

このビデオが求核置換の 2 つのカテゴリの原則を示すため、ごとに、異なる反応の反応速度に及ぼす影響を示すし、いくつかのアプリケーションを議論します。

求核置換反応の 2 つが必要です: 機能性アルカンと、求核剤。

官能のアルカン、アルコールまたはスルホン ハロゲン化物がハロゲン化アルキルは、通常。ハロゲン化アルキル、ハロゲンに結合した炭素「アルファ」炭素と呼びますされ sp3 交配求核置換反応を受ける必要があります。アルファに結合した炭素は、「ベータ」炭素です。ハロゲンは発生するアルファ炭素の電子撤回の強力なグループで重要なは、電子不足。したがって、アルファ炭素です「求電子体、」電子の不足があり、以上を受け入れることができることを意味です。

「求核剤「逆ですよ。電子を寄付することができます種。通常、酢酸イオンなどの有機酸塩の陰イオンや塩化物イオンなど負荷電の機能グループです。求核試薬は一般に非共有電子対を含みます。

求核置換で、求核剤が求電子的アルファ炭素を攻撃することによってハロゲン化アルキルと反応します。求核剤はルイス塩基、α 炭素に電子組を寄付として機能します。一方、α 炭素とハロゲンの間の結合を解除します。その絆にもともと電子のグループを残してハロゲン化物を形成するハロゲンで参加します。

求核置換反応は、2 つのメカニズムのいずれかを発生します。最初は去るグループの高速の出発によってハロゲン続いて反対側の炭素、アルファの裏側に遅い求核攻撃で始まります。

ハロゲン化アルキルとの求核剤の両方は、遅いステップに参加、以来このメカニズムと呼ばれる「置換: 求核二分子、」または「SN2」略して。SN2 メカニズムは、その方向を変更して、構成を反転アルファ炭素の他の債券で締めくくります。メカニズムを 1 つだけ生成以来、求核基の α 炭素の裏面のみ攻撃、製品の立体を反転します。

他のメカニズムから始まる残してグループに「カルボカチオン、「ハロゲン化アルキルの遅い解離反応性の高い、正荷電炭素。異なり、SN2 機構で、求核基はどちらの側から攻撃できます。区別は実験測定光学回転によって検出された両方の立体異性体が生成されます。このメカニズムが「求一分子の置換」をいいますので 1 つだけ分子のアルキル ハロゲン化物-かかる一部遅いステップで、または「SN1。」

求核置換反応のメカニズムを見てきた、さまざまな条件下での異なる反応に適用する方法を見てみましょう。

このセクションで SN1 機構上、グループ選択と極性溶媒を残してアルキル ハロゲン化物の構造の効果を検討します。条件は、SN2 反応を抑制するために選択されています。

まず、アルキル ハロゲン化物の構造に及ぼす影響を調べた。3 つの試験管に 2 mL の無水エタノールで 0.1 M の硝酸銀を測定します。

第 3 の試験管に、最初のテスト チューブ、2-bromobutane 2 番目の試験管に 2 滴と 2 滴 2-ブロモ-2-methylpropane に 1 bromobutane 2 滴を追加します。反応が開始する時刻を記録します。

各管にストッパーを適用し、横に振る。

濁りがソリューションまたは不溶性臭化銀の形成を示す沈殿物が表示されます時間を記録します。

次に、我々 は異なる残してグループの効果に向けます。2 つの試験管に 2 mL の無水エタノールで 0.1 M の硝酸銀を測定します。

2-ブロモ-2-methylpropane 最初の試験管に 2 滴と 2 番目に 2-クロロ-2-methylpropane の 2 滴を追加します。反応の開始時刻がストッパーを適用する前に、レコード各管に振ると沈殿物が表示されます時間を記録します。

最後に、各種溶媒効果を研究、試験管に 2 mL の無水エタノールで 0.1 M の硝酸銀を測定します。第 2 の試験管に 2 mL 95% アセトン 0.1 M の硝酸銀を測定します。各試験管に 2-ブロモ-2-methylpropane の 2 滴を追加します。

再び、反応が開始する、ストッパーの時間を記録し各管を振るし、沈殿物が表示されます時間を記録します。

SN1 反応の速度は、ハロゲン化アルキルと溶媒の性質に大きく依存します。

まず、ハロゲン化アルキルの構造を調べてみましょう。このデモでは、2-ブロモ-2-methylpropane は 2-bromobutane、1 bromobutane よりも速く反応する順番よりもはるかに速い速度で反応しました。

これらの結果は、SN1 機構の低速の初期段階で形成されたカルボカチオン中間体の性質から生じます。カルボカチオンは、極性化と超共役 β 炭素でアルファ炭素の正電荷を分散させることによって彼ら自身を安定させます。この安定化効果は第三紀アルキルハライド、いくつかのベータ版の炭素があるし、カルボカチオンが最速で SN1 反応中に形成するために最大であります。セカンダリとプライマリのアルキル ハロゲン化物は漸進的により小さい安定化効果を持っているし、反応速度が徐々 に低くなります。

今去るグループを見てみましょう。このデモでは、2-ブロモ-2-methylpropane は 2-クロロ-2-methylpropane よりも速い速度で反応しました。

臭素は塩素に比較して α 炭素と弱い結合を形成するためです。もっと一般に、ハロゲンに低く見られる見つけられるそれらより弱い結合を形成する周期表に高いテーブル。初期の解離の速度は、接着強さの低下とともに増加するメカニズム、SN1 のステップです。この傾向は、SN1 と SN2 メカニズムに共通です。

我々 は今度溶媒効果を。このデモで 2-ブロモ-2-methylpropane と銀製硝酸塩の反応はアセトンよりもエタノールに溶解したときに速い速度で発生しました。

エタノールは高極性とプロトン性: 陽性ターミナル水素原子があり、そのため水素結合を形成できます。したがって、以下の極性と非プロトン性である、カルボカチオンと残してアセトン、群の安定に効果的です。通常、SN1 反応速度は溶媒の極性の増加します。

我々 は今 SN2 機構のグループ、および極性溶媒を残してアルキル ハロゲン化物の構造の影響を探る。もう一度、SN1 反応を抑制する条件を選択されています。

まずアルファ炭素アルキル構造の効果を勉強しています。3 つの試験管にヨウ化ナトリウム 15% アセトン 2 mL を測定します。3 番目に、最初のテスト チューブ、2-bromobutane、2 番目に 2 滴と 2 滴 2-ブロモ-2-methylpropane に 1 bromobutane 2 滴を追加します。沈殿物、臭化ナトリウム、前として形成するために必要な時間を記録します。

次に、我々 は β 炭素アルキル構造の影響を調べる。2 つの試験管にヨウ化ナトリウム 15% アセトン 1 mL を測定します。1-bromobutane 最初の試験管に 2 滴と 2 番目ネオペンチル ブロマイドの 2 滴を追加します。前とに、の反応時間を記録します。

最後に、我々 は極性溶媒効果に向けます。2 番目に、アセトンでヨウ化ナトリウム 15% 最初の試験管にエタノール 1 mL、ヨウ化ナトリウム 15 %1 mL を追加します。両方に 1 bromobutane の 2 滴を追加し、フォームに沈殿物のために必要な時間を記録します。

まず、アルファ炭素の周りのアルキル基の構造を調べてみましょう。この例では、1 bromobutane の最速レートで、もっとゆっくり反応、2-ブロモ-2-methylpropane 2-bromobutane すべての中で最も遅い反応。これらの結果は、SN1 反応で見つけられるそれらの反対です。

違いは、ジオメトリのためです。アルファ炭素を成功した裏面の求核攻撃が発生することが公開されているエリアを縮小 β 炭素数の増加します。この現象は、「立体障害」と呼ばれる主なアルキル ハロゲン化物は少なくとも立体障害、第三紀アルキルハライド妨げている最も遅い反応を経験し、SN2 反応の速い速度を経験します。

次に、我々 はベータ版炭素周辺アルキル構造に向けます。1 Bromobutane は、ネオペンチル ブロマイドはまったく反応しなかった間に瞬時に反応しました。

これは、立体障害によっても説明されます。Β 炭素でかさばるグループの存在は再びアルファ炭素の求核攻撃にさらされる領域を減少します。

立体障害 β 炭素は、妨害されていない 1 つのより低い反応率を経験します。

最後に、我々 は溶媒効果を見てください。アセトンの 1 bromobutane の反応の速度はエタノールよりもはるかに大きいです。これは SN1 反応の結果に反しています。

これ、SN2 反応でエタノールのような極性プロトン性溶媒に安定求核剤、反応が弱い、したがって反応率を減少させるためです。対照的に、アセトンのような非プロトン性溶媒は、同様に求核剤を安定化できません。

要約するため: アルファとベータ版の両方の炭素上の立体障害通過する SN2 反応速度の減少します。これは β 炭素が、カルボカチオンを安定化し、率を高める、SN1 反応に反しています。両方の反応速度増加残してグループとアルファ炭素付着強度が低下。最後に、極性プロトン性溶媒は、求核剤の安定化による SN2 反応を遅らせるが、中間体の安定化による SN1 反応を加速します。念頭に置いてこれらの結果、いくつかのアプリケーションを調べてみましょう。

求核置換反応は、peptoid 重合における重要なステップです。ペプチド合成モノマー関連ペプチド、高度調整された合成タンパク質の設計への簡単なアプローチを提供します。ポリマーは、代わりに二次アミンの brominating と求核置換反応をアミンと結果ターミナル臭化を交換によって形成されます。このメソッドは、高分子鎖と自己組織化ナノシートを生成する使用できます。

別のアプリケーションは、細胞培養基板の製作中です。金被覆基板上の 10 ミクロン機能とパターンを作成する、高度な自動露光技術を開発されています。ポリマーの機能を印刷し、を通じてアザイドまたは他の配位子をその表面に追加する求核置換反応します。これは、サーフェイスを提供します高度に制御どの細胞を培養、することができ、許可探査、配位子の影響の細胞の成長と行動。

ゼウスの求核置換反応入門を見てきただけ。今、各、およびいくつかのアプリケーションに及ぼすアルキル ハロゲン化物及び溶剤 SN1 と SN2 メカニズムを理解してください。見てくれてありがとう!

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