Substitution nucléophile

Organic Chemistry II
 

Overview

Source : Vy M. Dong et Daniel Kim, Department of Chemistry, University of California, Irvine, CA

Réactions de substitutions nucléophiles sont parmi les plus fondamentaux sujets abordés en chimie organique. Une réaction de substitution nucléophile est un où un nucléophile (riches en électrons Lewis base) remplace un groupe partant d’un atome de carbone.

SN1 (S = Substitution, N = Nucleophilic, 1 = cinétique du premier ordre)
SN2 (S = Substitution, N = Nucleophilic, 2 = cinétique du second ordre)

Cette vidéo permettra de visualiser les différences subtiles entre un SN1 et SN2 réaction et quels facteurs contribuent à accélérer à chaque type de réaction de substitution nucléophile. La première section se concentrera sur les réactions qui aideront à mieux comprendre et connaître les réactions de substitutions nucléophiles. La deuxième section se concentrera sur un exemple réel d’une réaction de substitution.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Chimie organique II. Substitution nucléophile. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Dans une réaction de substitution nucléophile, un nucléophile remplace un groupe partant sur un atome de carbone. Une substitution nucléophile en une seule étape est un exemple de la SN2 mécanisme. Cette réaction est une réaction concertée où les liens briser et formant sont produisent en même temps. Une chose à garder à l’esprit est que les orbitales moléculaires impliqués dans la réaction indiquent que l’attaque nucléophile doit provenir à 180 ° nucléofuge. Par conséquent, certains surnom le SN2 réaction « envers l’attaque ». Cette attaque dos inverse la stéréochimie sur le carbone qui réagissent. Il s’agit d’un exemple d’une réaction stéréospécifique où la stéréochimie au début de la réaction dicte le résultat de la stéréochimie après la réaction.

Figure 1

Une substitution nucléophile en deux étapes est un exemple de la SN1 mécanisme. Dans la première étape, le nucléofuge laisse et forme un intermédiaire appelé un carbocation. Dans la deuxième étape, le nucléophile attaque le carbocation. Étant donné que le carbocation est achiral (pas chirale), une stéréochimie au début de la réaction est perdue. Le produit est toujours chiral, mais est maintenant un même mélange des deux énantiomères qui s’appelle un mélange racémique. SN1 réactions ne sont pas stéréospécifique.

Figure 2

En deux parties, nous allons examiner les facteurs qui affectent les vitesses relatives des SN1 SN2 réactions.

Dans la première partie, nous étudierons le SN1 réaction utilisant 11 réactions de tube à essai. Toutes les réactions ont le même schéma de réaction générale :

Figure 3

Toutes les vitesses des réactions sont par rapport à l’autre. La vitesse de réaction sera déterminée par l’indicateur visuel dans la réaction. Étant donné que le chlorure d’argent se précipite hors de la solution, au moment où la réaction va de clair à nuageux donne une indication visuelle de la réaction relative vitesse.

Dans trois des réactions tube à essai, comment la structure de halogénure d’alkyle joue un rôle dans le taux des réactions est testé. Trois chlorures d’alkyle différents dans les mêmes conditions seront testés :

Figure 4

Dans deux des réactions tube à essai, les effets de la polarité du solvant sur la réaction seront testés. Deux solvants différents seront testés :

Tube à essai Solvant Type de solvant
1 100 % d’éthanol Protique polaire
2 5 % d’éthanol : 95 % acétone Pour la plupart polaires aprotiques

Dans deux des réactions tube à essai, les effets de groupe nucléofuge seront testés. Deux halogénures d’alkyle différents seront utilisés :

Figure 5

Enfin, quatre d'entre les tubes à essai servira à mesurer la Loi de vitesse des réactions. On mesurera la vitesse de la réaction avec des concentrations variables de solution d’iodure de sodium et solutions 1-bromobutane.

Tube à essai chlorure de tert-butyle
concentration de
Nitrate d’argent
concentration de
Temps jusqu'à précipitation
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

Dans la deuxième partie, nous étudierons le SN2 réaction utilisant 11 réactions de tube à essai. Toutes les réactions ont le même schéma de réaction générale :

Figure 6

Toutes les vitesses des réactions sont par rapport à l’autre. La vitesse de réaction sera déterminée par l’indicateur visuel de précipiter hors de la solution de bromure de sodium ou de chlorure de sodium. Cela vous est indiqué lorsque la réaction passe de clair à nuageux.

Dans trois des réactions tube à essai, comment la structure de halogénure d’alkyle joue un rôle dans le taux des réactions est testé. Il comparera les effets stériques du carbone auquel est lié le brome. Trois chlorures d’alkyle différents dans les mêmes conditions seront testés :

Figure 4

Dans deux des réactions tube à essai, les effets stériques secondaires de l’halogénure d’alkyle seront testés. Voici les effets stériques sur la molécule non compris le carbone lié au bromure. Deux bromures d’alkyle primaires différentes, dans les mêmes conditions, seront testés :

Figure 7

Dans deux des réactions tube à essai, les effets de groupe nucléofuge seront testés. Deux halogénures d’alkyle différents seront utilisés :

Figure 8

Enfin, quatre tubes à essai servira à mesurer la Loi de vitesse des réactions.On mesurera la vitesse de la réaction avec des concentrations variables de solution d’iodure de sodium et solutions 1-bromobutane.

Tube à essai Iodure de sodium
Concentration de
1-Bromobutane
Concentration de
Temps jusqu'à précipitation
1 15 % 1. 0 M
2 15 % 0 2. M
3 15 % 1. 0 M
4 7,5 % 1. 0 M

Procedure

Partie 1 : Étude SN1 réactions

Alkyle halogénure Structure :

  1. Mesurer 2 mL d’une solution 0,1 M de nitrate d’argent dans l’éthanol absolu dans chacun des trois tubes de test.
  2. Ajouter 2 gouttes de 1-bromobutane dans le premier tube à essai. Ajouter 2 gouttes de 2-bromobutane dans le deuxième tube à essai.
  3. Ajouter 2 gouttes de 2-bromo-2-Méthylpropane dans la finale et troisième tube à essai.
  4. Boucher et agiter chaque tube à essai.
  5. Notez l’heure à laquelle les premiers signes de trouble ou précipité apparaît.

Laissant les effets de groupe :

  1. Mesurer 2 mL d’une solution 0,1 M de nitrate d’argent dans l’éthanol absolu dans chacun des deux tubes de test.
  2. Ajouter 2 gouttes de 2-bromo-2-Méthylpropane dans le premier tube à essai et 2 gouttes de 2-chloro-2-Méthylpropane dans le deuxième tube à essai.
  3. Boucher et agiter chaque tube à essai.
  4. Notez l’heure à laquelle les premiers signes de trouble ou précipité apparaît.

Effets de la polarité du solvant :

  1. Mesure 2 mL d’une solution 0,1 M de nitrate d’argent dans l’éthanol absolu dans le premier tube à essai et mesure 2 mL d’une solution 0,1 M de nitrate d’argent dans l’acétone ethanol/95% 5 % dans le second tube à essai.
  2. Ajouter 2 gouttes de 2-bromo-2-Méthylpropane dans deux tubes à essai.
  3. Boucher et agiter chaque tube à essai.
  4. Notez l’heure à laquelle les premiers signes de trouble ou précipité apparaît.

Détermination de la Loi de vitesse 1 deNS :

  1. Mesure 0,5 mL d’une solution 0,1 M de 2-chloro-2-Méthylpropane dans de l’éthanol dans le premier tube à essai.
  2. Mesurer 0,5 mL d’une solution de 0,2 M du 2-chloro-2-Méthylpropane dans de l’éthanol dans le deuxième tube à essai.
  3. Ajouter 1,0 mL d’une solution 0,1 M de nitrate d’argent dans l’éthanol absolu dans les deux tubes à essai.
  4. Mesurer précisément le temps que nécessaire pour observer la nébulosité et la précipitation.
  5. Mesurer 1,0 mL d’une solution 0,1 M de nitrate d’argent dans l’éthanol dans le troisième tube à essai.
  6. Dans le quatrième tube à essai, mesurer 0,5 mL d’une solution 0,1 M de nitrate d’argent dans l’éthanol et ajouter 0,5 mL d’éthanol supplémentaire.
  7. Dans les deux tubes à essai, ajouter 1,0 mL de 0.1 M 2-chloro-2-Méthylpropane dans l’éthanol et mesurer précisément le temps que nécessaire pour observer la nébulosité et la précipitation.

Partie 2 : Étude SN2 réactions

Alkyle halogénure Structure :

  1. Mesurer 2 mL d’iodure de sodium 15 % dans de l’acétone dans chacun des trois tubes de test.
  2. Ajouter 2 gouttes de 1-bromobutane dans le premier tube à essai.
  3. Ajouter 2 gouttes de 2-bromobutane dans le deuxième tube à essai.
  4. Enfin, ajouter 2 gouttes de 2-bromo-2-Méthylpropane dans la finale et troisième tube à essai.
  5. Boucher et agiter chaque tube à essai.
  6. Notez l’heure à laquelle les premiers signes de trouble ou précipité apparaît.

Effets stériques :

  1. Mesurer 1 mL d’iodure de sodium 15 % dans une solution d’acétone dans chacun des deux tubes de test.
  2. Ajouter 2 gouttes de 1-bromobutane dans le premier tube à essais et ajouter 2 gouttes de néopentyle bromure dans le deuxième tube à essai.
  3. Boucher et agiter chaque tube à essai.
  4. Notez l’heure à laquelle les premiers signes de trouble ou précipité apparaît.

Laissant les effets de groupe :

  1. Mesurer 1 mL d’iodure de sodium 15 % dans une solution d’acétone dans chacun des deux tubes de test.
  2. Ajouter 2 gouttes de 1-bromobutane dans le premier tube à essais et ajouter 2 gouttes de 1-chlorobutane dans le deuxième tube à essai.
  3. Boucher et agiter chaque tube à essai.
  4. Notez l’heure à laquelle les premiers signes de trouble ou précipité apparaît.

Détermination de la SN2 taux de droit :

  1. Mesurer 1,0 mL d’iodure de sodium 15 % dans une solution d’acétone dans deux tubes à essai.
  2. Ajouter 0,1 mL de solution de 1,0 M de 1-bromobutane dans l’acétone dans le premier tube à essai.
  3. Mesurer précisément le temps que nécessaire pour observer les premiers signes de la nébulosité.
  4. Dans le deuxième tube à essai, ajouter 0,1 mL d’une solution de 2,0 M de 1-bromobutane dans l’acétone.
  5. Mesurer précisément le temps que nécessaire pour observer les premiers signes de la nébulosité.
  6. Mesurer 1,0 mL de 1,0 M 1-bromobutane dans l’acétone dans les troisième et quatrième des éprouvettes.
  7. Ajouter 0,1 mL un 7,5 % d’iodure de sodium en solution d’acétone dans le troisième tube à essai.
  8. Mesurer précisément le temps que nécessaire pour observer les premiers signes de la nébulosité.
  9. Dans le quatrième tube à essai, ajouter 0,1 mL un 15 % d’iodure de sodium en solution d’acétone et de mesurer précisément le temps que nécessaire pour observer les premiers signes de la nébulosité.

Substitution nucléophile est une des réactions plus fondamentales utilisées en synthèse organique.

Un « nucléophile » est une espèce riche en électrons. Dans une substitution nucléophile, un nucléophile réagit avec un halogénure d’alkyle pour former un produit avec un nouveau groupe fonctionnel. Cette réaction est le point de départ pour un large éventail de synthèses organiques.

Cette vidéo va illustrer les principes de deux catégories de substitutions nucléophiles, démontrent les effets des différents réactifs sur la vitesse de réaction pour chacun et discuter de certaines applications.

Substitution nucléophile nécessite deux réactifs : un alcane fonctionnalisé et un nucléophile.

L’alcane fonctionnalisé peut être un alcool ou un halogénure sulfonique, mais est généralement un halogénure d’alkyle. Dans un halogénure d’alkyle, le carbone lié à l’halogène est appelé le carbone « alpha » et doit être hybridé sp3 subir une substitution nucléophile. Tout carbone lié à l’alpha sont un carbone « bêta ». Ce qui est important, l’halogène est un puissant groupe électro-attracteur qui provoque le carbone alpha d’être pauvre en électrons. Le carbone alpha est donc un « électrophile, » ce qui signifie qu’il a un manque d’électrons et peut accepter plus.

Un « nucléophile » est le contraire ; une espèce qui peut donner des électrons. C’est généralement un groupe fonctionnel charge négative, comme un ion chlorure ou l’anion d’un sel organique, comme un ion acétate. Nucléophiles contiennent généralement des paires d’électrons non partagés.

Dans une substitution nucléophile, le nucléophile réagit avec les halogénures d’alkyle en attaquant le carbone alpha électrophile. Le nucléophile agit comme une base de Lewis, un don d’une paire d’électrons vers le carbone alpha. Pendant ce temps, la liaison entre le carbone alpha et les sauts de l’halogène. Les électrons initialement dans cette liaison se joignent avec la halogènes pour former un halogénure de quitter le groupe.

Une substitution nucléophile peut se produire par l’intermédiaire de l’un des deux mécanismes. Le premier commence par une lente attaque nucléophile sur l’arrière du alpha carbone-le côté opposé à l’halogène-suivi par le départ rapide du nucléofuge.

Étant donné que tant l’halogénure d’alkyle et le nucléophile prennent part à l’étape lente, ce mécanisme est appelé « Substitution : nucléophile bimoléculaire », ou « SN2, » pour faire court. Le mécanisme SN2 conclut avec les autres liens sur le carbone alpha changer leurs orientations et inversion de la configuration. Étant donné que le nucléophile attaque uniquement au dos du carbone alpha, le mécanisme ne donne qu’un seul, inversé stéréoisomère du produit.

L’autre mécanisme commence par la dissociation lente de l’halogénure d’alkyle en un groupe partant et un carbocation «, » un carbone hautement réactives, chargé positivement. Contrairement au mécanisme SN2, le nucléophile peut attaquer de part et d’autre. Les deux stéréoisomères sont produites, une distinction détectées expérimentalement par mesure de pouvoir rotatoire. Étant donné qu’une seule molécule, l’alkyl halogénure-prend part dans l’étape lente, ce mécanisme est appelé « Substitution nucléophile monomoléculaire, » ou « SN1. »

Maintenant que nous avons vu les mécanismes de substitution nucléophile, nous allons étudier comment elle s’applique à différents réactifs dans des conditions différentes.

Dans cette section, nous allons examiner les effets de la structure de halogénure d’alkyle, laissant la sélection de groupe et la polarité du solvant sur le mécanisme SN1. Les conditions ont été choisies pour supprimer les réactions SN2.

Tout d’abord, nous étudions l’effet de structure de halogénure d’alkyle. Mesurer 2 mL de nitrate d’argent 0,1 M en éthanol absolu dans trois tubes à essai.

Ajouter 2 gouttes de 1-bromobutane au premier tube à essai, 2 gouttes de 2-bromobutane dans le deuxième tube de test et deux gouttes de 2-bromo-2-Méthylpropane dans le troisième tube à essai. Enregistrer l’heure à laquelle commence la réaction.

Appliquer un bouchon dans chaque tube et agiter.

Enregistrer l’heure à laquelle la solution devient trouble ou un précipité apparaît, indiquant la formation de bromure d’argent insoluble.

Ensuite, nous passons aux effets des différents groupes. Mesurer 2 mL de nitrate d’argent 0,1 M en éthanol absolu dans deux tubes à essai.

Ajouter 2 gouttes de 2-bromo-2-Méthylpropane dans le premier tube à essai et 2 gouttes de 2-chloro-2-Méthylpropane dans la seconde. Comme avant, enregistrement du temps au cours de laquelle la réaction commence, appliquer un bouchon dans chaque tube, agiter et enregistrer l’heure à laquelle un précipité apparaît.

Enfin, afin d’étudier l’effet de différents solvants, mesurez 2 mL de nitrate d’argent 0,1 M en éthanol absolu dans un tube à essai. Mesurer 2 mL de nitrate d’argent 0,1 M dans l’acétone à 95 % dans un deuxième tube à essai. Ajouter 2 gouttes de 2-bromo-2-Méthylpropane dans chaque tube à essai.

Encore une fois, enregistrer l’heure à laquelle la réaction commence, bouchon et agiter chaque tube et enregistrer l’heure à laquelle un précipité apparaît.

Le taux d’une réaction SN1 dépend fortement de la nature de l’halogénure d’alkyle et le solvant.

Tout d’abord, examinons la structure de l’halogénure d’alkyle. Dans cette démonstration, 2-bromo-2-Méthylpropane a réagi à un rythme beaucoup plus rapide que le 2-bromobutane, qui à son tour réagi plus vite que 1-bromobutane.

Ces résultats découlent de la nature de l’intermédiaire carbocation formé lors de l’étape initiale lente du mécanisme SN1. Carbocations se stabiliser en distribuant la charge positive du carbone alpha sur les carbones bêta par le biais de polarisation et d’hyperconjugaison. Cet effet stabilisant est particulièrement élevé dans les halogénures d’alkyle tertiaire, ayant plusieurs atomes de carbone de bêta, et qui constituent donc des carbocations au rythme plus rapide lors d’une réaction SN1. Les halogénures d’alkyle primaires et secondaires ont des effets de stabilisation progressivement plus petites et donc progressivement baisser les taux de réaction.

Maintenant nous allons explorer le nucléofuge. Dans cette démonstration, 2-bromo-2-Méthylpropane a réagi à un rythme plus rapide que le 2-chloro-2-Méthylpropane.

C’est parce que le brome forme une liaison plus faible avec le carbone alpha par rapport au chlore. Plus généralement, halogènes trouvent plus bas dans les tableau périodique former des liaisons plus faibles que celles que l'on trouve plus haut sur la table. Le taux de la dissociation initiale étape un SN1 mécanisme augmente avec la diminution d’adhérence. Cette tendance est commune aux mécanismes de la SN1 et SN2.

Nous passons maintenant aux effets de solvant. Dans cette démonstration, la réaction entre le 2-bromo-2-Méthylpropane et de nitrate d’argent s’est produite à un rythme plus rapide quand dissous dans l’éthanol que dans l’acétone.

L’éthanol est fortement polaire et protique : il a un atome d’hydrogène terminal électropositifs et est donc capable de former des liaisons hydrogènes. Il est par conséquent plus efficace pour stabiliser le carbocation tant le nucléofuge que l’acétone, qui est moins polaire et aprotique. En général, les vitesses de réactions SN1 augmentent avec la polarité du solvant.

Nous examinons maintenant les effets de la structure de halogénure d’alkyle, quitte le groupe et la polarité du solvant sur le mécanisme SN2. Encore une fois, les conditions ont été choisies pour réprimer des réactions SN1.

Nous commençons par l’étude de l’effet de structure alkyl autour du carbone alpha. Mesurer 2 mL d’iodure de sodium 15 % dans de l’acétone dans trois tubes à essai. Ajouter 2 gouttes de 1-bromobutane au premier tube à essai, 2 gouttes de 2-bromobutane dans la seconde et 2 gouttes de 2-bromo-2-Méthylpropane dans le troisième. Enregistrer le temps requis pour le précipité, bromure de sodium, à forme comme avant.

Ensuite, nous examinons l’effet de structure alkyl autour du carbone beta. Mesurer 1 mL d’iodure de sodium 15 % dans de l’acétone dans deux tubes à essai. Ajouter 2 gouttes de 1-bromobutane dans le premier tube à essai et 2 gouttes de néopentyle bromure à la seconde. Enregistrer le temps de réaction comme avant.

Enfin, nous passons aux effets de la polarité du solvant. Ajouter 1 mL d’iodure de sodium 15 % dans l’éthanol dans le premier tube à essai et iodure de sodium 15 % 1 mL dans de l’acétone à la seconde. Ajouter 2 gouttes de 1-bromobutane à la fois et d’enregistrer le temps requis pour un précipité au formulaire.

Tout d’abord, examinons la structure d’alkyle autour du carbone alpha. Dans cet exemple, 1-bromobutane réagit au rythme plus rapide, 2-bromobutane réagit plus lentement et 2-bromo-2-Méthylpropane plus lent de tous. Ces résultats sont en face de celles trouvées dans des réactions SN1.

La différence est due à la géométrie. Augmentation du nombre d’atomes de carbone beta réduit la surface exposée sur le carbone alpha sur lequel une attaque nucléophile de l’arrière réussie peut se produire. Ce phénomène est appelé « empêchement stérique. » Halogénures d’alkyle primaire sont les moins stériquement et éprouver les taux les plus rapides de réaction SN2, tandis que les halogénures d’alkyle tertiaire sont plus entravées et éprouvent des réactions plus lentes.

Ensuite, nous passons à la structure d’alkyle autour les carbones de la bêta. 1-Bromobutane réagit instantanément tandis que néopentyle bromure n’a pas réagi du tout.

Cela s’explique aussi par le biais d’encombrement stérique. La présence de groupes encombrants sur le carbone beta réduit à nouveau la zone sur le carbone alpha exposé à l’attaque nucléophile.

Un carbone beta stériquement connaît un taux de réaction inférieur à une autre sans entrave.

Enfin, nous regardons effets de solvant. La vitesse de réaction de 1-bromobutane dans l’acétone est beaucoup plus grande que c’est dans l’éthanol. Il s’agit contrairement aux résultats de la réaction SN1.

C’est parce que dans les réactions SN2, solvants protiques polaires comme l’éthanol stabilisent le nucléophile, rendant moins réactive et donc diminuer la vitesse de réaction. En revanche, les solvants aprotiques comme l’acétone ne peuvent stabiliser le nucléophile dans la même mesure.

Pour résumer : les taux de réactions SN2 diminuent grâce à empêchement stérique sur les carbones fois alpha et bêta. Il s’agit à l’encontre des réactions SN1, où les carbones bêta stabilisent le carbocation et augmenter le taux. Les taux des deux réactions augmentent comme l’adhérence entre le groupe partant et le carbone alpha diminue. Enfin, les solvants protiques polaires retardent réactions SN2 en stabilisant le nucléophile, mais accélèrent des réactions SN1 en stabilisant les intermédiaires. Avec ces résultats à l’esprit, nous allons examiner certaines applications.

Substitution nucléophile est une étape clé dans la polymérisation de le peptoid. Peptoids, synthétiques monomères associés à peptides, fournissent une approche directe à la conception des protéines synthétiques très à l’écoute. Les polymères sont formés par alternance brominating amines secondaires et remplacer le bromure de terminal qui en résulte avec une amine par substitution nucléophile. Cette méthode peut être utilisée pour produire des chaînes polymériques et nanofeuillets auto-assemblés.

Une autre application est dans la fabrication de substrats de culture cellulaire. Techniques de lithographie hautement automatisés ont été développées pour créer des modèles avec des caractéristiques sur les substrats revêtus or 10 microns. Un polymère est ensuite imprimé sur les caractéristiques et ont réagi par le biais de substitution nucléophile d’ajouter azotures ou autres ligands à sa surface. Ceci fournit une surface hautement contrôlée sur quelles cellules peuvent être cultivées et permis d’exploration de l’impact des ligands sur le comportement et la croissance cellulaire.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE de substitution nucléophile. Vous devez maintenant comprendre les mécanismes SN1 et SN2, les effets des solvants et des halogénures d’alkyle différents sur chaque et certaines applications. Merci de regarder !

Results

Partie 1 : étude S N 1 réactions

Alkyle halogénure Structure :

Figure 9

Laissant les effets de groupe :

Figure 10

Effets de la polarité du solvant :

Figure 11

Détermination de la S N Loi de 1 Vitesse :

Tube à essai Nitrate d’argent
Concentration de
1-Bromobutane
Concentration de
Temps jusqu'à précipitation
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

Partie 2 : étude de S N 2 réactions

Alkyle halogénure Structure :

Figure 13

Effets stériques :

Figure 14

Laissant les effets de groupe :

Figure 15

Détermination de la S N 2 taux droit :

Tube à essai Iodure de sodium
Concentration de
1-Bromobutane
Concentration de
Temps jusqu'à précipitation
1 15 % 1. 0 M 20 s
2 15 % 0 2. M 10 s
3 15 % 1. 0 M 20 s
4 7,5 % 1. 0 M 40 s

Figure 16

Applications and Summary

Ces expériences visent à montrer rapidement les tendances dans les réactions de substitutions nucléophiles. Tester expérimentalement ces tendances permet de mieux comprendre les différences subtiles entre un SN1 et SN2 réaction. Chimistes ont appris à développer et optimiser les conditions de la réaction. Tout cela découle de la première compréhension de la réaction : ce qui accélère ou ralentit une réaction et comment nous pouvons en profiter ? Choisir que le meilleur solvant, la température ou la concentration des réactifs peut grandement affecter la rapidité une réaction se terminera. Au fil du temps, chimistes ont été non seulement concernés avec la vitesse, mais avec la sélectivité et de rendements ainsi. Réactions de substitutions nucléophiles sont une réaction importante d’apprendre comme on le trouve dans toute la littérature synthétique.

Cette démonstration peut être utilisée comme une ressource pour les réactions de substitutions nucléophiles ; Cependant, c’est une description approximative sur la façon d’étudier toute réaction de chimie organique. Comment faire pour changer les conditions de réaction (changeant une variable à la fois) et en observant leurs affects est la base de l’utilisation de la méthode scientifique. Ceci peut être appliqué à d’autres types de réactions en dehors des réactions de substitution, par exemple, autres réactions de substitution tels que les réactions de substitutions aromatiques et les réactions de substitutions d’acyle.

Figure 17

Les réactions sont optimisées pour leurs rendements, la sélectivité et la vitesse (efficacité). Comment le chimiste modifie la paramètres tels que le catalyseur de réaction, température, solvant et laissant-groupe capacité-peut largement influer la réaction. Sachant la cinétique d’une réaction peut prêter des informations précieuses sur la réaction, et généralement c’est le début pour comprendre le mécanisme d’une réaction.

Partie 1 : Étude SN1 réactions

Alkyle halogénure Structure :

  1. Mesurer 2 mL d’une solution 0,1 M de nitrate d’argent dans l’éthanol absolu dans chacun des trois tubes de test.
  2. Ajouter 2 gouttes de 1-bromobutane dans le premier tube à essai. Ajouter 2 gouttes de 2-bromobutane dans le deuxième tube à essai.
  3. Ajouter 2 gouttes de 2-bromo-2-Méthylpropane dans la finale et troisième tube à essai.
  4. Boucher et agiter chaque tube à essai.
  5. Notez l’heure à laquelle les premiers signes de trouble ou précipité apparaît.

Laissant les effets de groupe :

  1. Mesurer 2 mL d’une solution 0,1 M de nitrate d’argent dans l’éthanol absolu dans chacun des deux tubes de test.
  2. Ajouter 2 gouttes de 2-bromo-2-Méthylpropane dans le premier tube à essai et 2 gouttes de 2-chloro-2-Méthylpropane dans le deuxième tube à essai.
  3. Boucher et agiter chaque tube à essai.
  4. Notez l’heure à laquelle les premiers signes de trouble ou précipité apparaît.

Effets de la polarité du solvant :

  1. Mesure 2 mL d’une solution 0,1 M de nitrate d’argent dans l’éthanol absolu dans le premier tube à essai et mesure 2 mL d’une solution 0,1 M de nitrate d’argent dans l’acétone ethanol/95% 5 % dans le second tube à essai.
  2. Ajouter 2 gouttes de 2-bromo-2-Méthylpropane dans deux tubes à essai.
  3. Boucher et agiter chaque tube à essai.
  4. Notez l’heure à laquelle les premiers signes de trouble ou précipité apparaît.

Détermination de la Loi de vitesse 1 deNS :

  1. Mesure 0,5 mL d’une solution 0,1 M de 2-chloro-2-Méthylpropane dans de l’éthanol dans le premier tube à essai.
  2. Mesurer 0,5 mL d’une solution de 0,2 M du 2-chloro-2-Méthylpropane dans de l’éthanol dans le deuxième tube à essai.
  3. Ajouter 1,0 mL d’une solution 0,1 M de nitrate d’argent dans l’éthanol absolu dans les deux tubes à essai.
  4. Mesurer précisément le temps que nécessaire pour observer la nébulosité et la précipitation.
  5. Mesurer 1,0 mL d’une solution 0,1 M de nitrate d’argent dans l’éthanol dans le troisième tube à essai.
  6. Dans le quatrième tube à essai, mesurer 0,5 mL d’une solution 0,1 M de nitrate d’argent dans l’éthanol et ajouter 0,5 mL d’éthanol supplémentaire.
  7. Dans les deux tubes à essai, ajouter 1,0 mL de 0.1 M 2-chloro-2-Méthylpropane dans l’éthanol et mesurer précisément le temps que nécessaire pour observer la nébulosité et la précipitation.

Partie 2 : Étude SN2 réactions

Alkyle halogénure Structure :

  1. Mesurer 2 mL d’iodure de sodium 15 % dans de l’acétone dans chacun des trois tubes de test.
  2. Ajouter 2 gouttes de 1-bromobutane dans le premier tube à essai.
  3. Ajouter 2 gouttes de 2-bromobutane dans le deuxième tube à essai.
  4. Enfin, ajouter 2 gouttes de 2-bromo-2-Méthylpropane dans la finale et troisième tube à essai.
  5. Boucher et agiter chaque tube à essai.
  6. Notez l’heure à laquelle les premiers signes de trouble ou précipité apparaît.

Effets stériques :

  1. Mesurer 1 mL d’iodure de sodium 15 % dans une solution d’acétone dans chacun des deux tubes de test.
  2. Ajouter 2 gouttes de 1-bromobutane dans le premier tube à essais et ajouter 2 gouttes de néopentyle bromure dans le deuxième tube à essai.
  3. Boucher et agiter chaque tube à essai.
  4. Notez l’heure à laquelle les premiers signes de trouble ou précipité apparaît.

Laissant les effets de groupe :

  1. Mesurer 1 mL d’iodure de sodium 15 % dans une solution d’acétone dans chacun des deux tubes de test.
  2. Ajouter 2 gouttes de 1-bromobutane dans le premier tube à essais et ajouter 2 gouttes de 1-chlorobutane dans le deuxième tube à essai.
  3. Boucher et agiter chaque tube à essai.
  4. Notez l’heure à laquelle les premiers signes de trouble ou précipité apparaît.

Détermination de la SN2 taux de droit :

  1. Mesurer 1,0 mL d’iodure de sodium 15 % dans une solution d’acétone dans deux tubes à essai.
  2. Ajouter 0,1 mL de solution de 1,0 M de 1-bromobutane dans l’acétone dans le premier tube à essai.
  3. Mesurer précisément le temps que nécessaire pour observer les premiers signes de la nébulosité.
  4. Dans le deuxième tube à essai, ajouter 0,1 mL d’une solution de 2,0 M de 1-bromobutane dans l’acétone.
  5. Mesurer précisément le temps que nécessaire pour observer les premiers signes de la nébulosité.
  6. Mesurer 1,0 mL de 1,0 M 1-bromobutane dans l’acétone dans les troisième et quatrième des éprouvettes.
  7. Ajouter 0,1 mL un 7,5 % d’iodure de sodium en solution d’acétone dans le troisième tube à essai.
  8. Mesurer précisément le temps que nécessaire pour observer les premiers signes de la nébulosité.
  9. Dans le quatrième tube à essai, ajouter 0,1 mL un 15 % d’iodure de sodium en solution d’acétone et de mesurer précisément le temps que nécessaire pour observer les premiers signes de la nébulosité.

Substitution nucléophile est une des réactions plus fondamentales utilisées en synthèse organique.

Un « nucléophile » est une espèce riche en électrons. Dans une substitution nucléophile, un nucléophile réagit avec un halogénure d’alkyle pour former un produit avec un nouveau groupe fonctionnel. Cette réaction est le point de départ pour un large éventail de synthèses organiques.

Cette vidéo va illustrer les principes de deux catégories de substitutions nucléophiles, démontrent les effets des différents réactifs sur la vitesse de réaction pour chacun et discuter de certaines applications.

Substitution nucléophile nécessite deux réactifs : un alcane fonctionnalisé et un nucléophile.

L’alcane fonctionnalisé peut être un alcool ou un halogénure sulfonique, mais est généralement un halogénure d’alkyle. Dans un halogénure d’alkyle, le carbone lié à l’halogène est appelé le carbone « alpha » et doit être hybridé sp3 subir une substitution nucléophile. Tout carbone lié à l’alpha sont un carbone « bêta ». Ce qui est important, l’halogène est un puissant groupe électro-attracteur qui provoque le carbone alpha d’être pauvre en électrons. Le carbone alpha est donc un « électrophile, » ce qui signifie qu’il a un manque d’électrons et peut accepter plus.

Un « nucléophile » est le contraire ; une espèce qui peut donner des électrons. C’est généralement un groupe fonctionnel charge négative, comme un ion chlorure ou l’anion d’un sel organique, comme un ion acétate. Nucléophiles contiennent généralement des paires d’électrons non partagés.

Dans une substitution nucléophile, le nucléophile réagit avec les halogénures d’alkyle en attaquant le carbone alpha électrophile. Le nucléophile agit comme une base de Lewis, un don d’une paire d’électrons vers le carbone alpha. Pendant ce temps, la liaison entre le carbone alpha et les sauts de l’halogène. Les électrons initialement dans cette liaison se joignent avec la halogènes pour former un halogénure de quitter le groupe.

Une substitution nucléophile peut se produire par l’intermédiaire de l’un des deux mécanismes. Le premier commence par une lente attaque nucléophile sur l’arrière du alpha carbone-le côté opposé à l’halogène-suivi par le départ rapide du nucléofuge.

Étant donné que tant l’halogénure d’alkyle et le nucléophile prennent part à l’étape lente, ce mécanisme est appelé « Substitution : nucléophile bimoléculaire », ou « SN2, » pour faire court. Le mécanisme SN2 conclut avec les autres liens sur le carbone alpha changer leurs orientations et inversion de la configuration. Étant donné que le nucléophile attaque uniquement au dos du carbone alpha, le mécanisme ne donne qu’un seul, inversé stéréoisomère du produit.

L’autre mécanisme commence par la dissociation lente de l’halogénure d’alkyle en un groupe partant et un carbocation «, » un carbone hautement réactives, chargé positivement. Contrairement au mécanisme SN2, le nucléophile peut attaquer de part et d’autre. Les deux stéréoisomères sont produites, une distinction détectées expérimentalement par mesure de pouvoir rotatoire. Étant donné qu’une seule molécule, l’alkyl halogénure-prend part dans l’étape lente, ce mécanisme est appelé « Substitution nucléophile monomoléculaire, » ou « SN1. »

Maintenant que nous avons vu les mécanismes de substitution nucléophile, nous allons étudier comment elle s’applique à différents réactifs dans des conditions différentes.

Dans cette section, nous allons examiner les effets de la structure de halogénure d’alkyle, laissant la sélection de groupe et la polarité du solvant sur le mécanisme SN1. Les conditions ont été choisies pour supprimer les réactions SN2.

Tout d’abord, nous étudions l’effet de structure de halogénure d’alkyle. Mesurer 2 mL de nitrate d’argent 0,1 M en éthanol absolu dans trois tubes à essai.

Ajouter 2 gouttes de 1-bromobutane au premier tube à essai, 2 gouttes de 2-bromobutane dans le deuxième tube de test et deux gouttes de 2-bromo-2-Méthylpropane dans le troisième tube à essai. Enregistrer l’heure à laquelle commence la réaction.

Appliquer un bouchon dans chaque tube et agiter.

Enregistrer l’heure à laquelle la solution devient trouble ou un précipité apparaît, indiquant la formation de bromure d’argent insoluble.

Ensuite, nous passons aux effets des différents groupes. Mesurer 2 mL de nitrate d’argent 0,1 M en éthanol absolu dans deux tubes à essai.

Ajouter 2 gouttes de 2-bromo-2-Méthylpropane dans le premier tube à essai et 2 gouttes de 2-chloro-2-Méthylpropane dans la seconde. Comme avant, enregistrement du temps au cours de laquelle la réaction commence, appliquer un bouchon dans chaque tube, agiter et enregistrer l’heure à laquelle un précipité apparaît.

Enfin, afin d’étudier l’effet de différents solvants, mesurez 2 mL de nitrate d’argent 0,1 M en éthanol absolu dans un tube à essai. Mesurer 2 mL de nitrate d’argent 0,1 M dans l’acétone à 95 % dans un deuxième tube à essai. Ajouter 2 gouttes de 2-bromo-2-Méthylpropane dans chaque tube à essai.

Encore une fois, enregistrer l’heure à laquelle la réaction commence, bouchon et agiter chaque tube et enregistrer l’heure à laquelle un précipité apparaît.

Le taux d’une réaction SN1 dépend fortement de la nature de l’halogénure d’alkyle et le solvant.

Tout d’abord, examinons la structure de l’halogénure d’alkyle. Dans cette démonstration, 2-bromo-2-Méthylpropane a réagi à un rythme beaucoup plus rapide que le 2-bromobutane, qui à son tour réagi plus vite que 1-bromobutane.

Ces résultats découlent de la nature de l’intermédiaire carbocation formé lors de l’étape initiale lente du mécanisme SN1. Carbocations se stabiliser en distribuant la charge positive du carbone alpha sur les carbones bêta par le biais de polarisation et d’hyperconjugaison. Cet effet stabilisant est particulièrement élevé dans les halogénures d’alkyle tertiaire, ayant plusieurs atomes de carbone de bêta, et qui constituent donc des carbocations au rythme plus rapide lors d’une réaction SN1. Les halogénures d’alkyle primaires et secondaires ont des effets de stabilisation progressivement plus petites et donc progressivement baisser les taux de réaction.

Maintenant nous allons explorer le nucléofuge. Dans cette démonstration, 2-bromo-2-Méthylpropane a réagi à un rythme plus rapide que le 2-chloro-2-Méthylpropane.

C’est parce que le brome forme une liaison plus faible avec le carbone alpha par rapport au chlore. Plus généralement, halogènes trouvent plus bas dans les tableau périodique former des liaisons plus faibles que celles que l'on trouve plus haut sur la table. Le taux de la dissociation initiale étape un SN1 mécanisme augmente avec la diminution d’adhérence. Cette tendance est commune aux mécanismes de la SN1 et SN2.

Nous passons maintenant aux effets de solvant. Dans cette démonstration, la réaction entre le 2-bromo-2-Méthylpropane et de nitrate d’argent s’est produite à un rythme plus rapide quand dissous dans l’éthanol que dans l’acétone.

L’éthanol est fortement polaire et protique : il a un atome d’hydrogène terminal électropositifs et est donc capable de former des liaisons hydrogènes. Il est par conséquent plus efficace pour stabiliser le carbocation tant le nucléofuge que l’acétone, qui est moins polaire et aprotique. En général, les vitesses de réactions SN1 augmentent avec la polarité du solvant.

Nous examinons maintenant les effets de la structure de halogénure d’alkyle, quitte le groupe et la polarité du solvant sur le mécanisme SN2. Encore une fois, les conditions ont été choisies pour réprimer des réactions SN1.

Nous commençons par l’étude de l’effet de structure alkyl autour du carbone alpha. Mesurer 2 mL d’iodure de sodium 15 % dans de l’acétone dans trois tubes à essai. Ajouter 2 gouttes de 1-bromobutane au premier tube à essai, 2 gouttes de 2-bromobutane dans la seconde et 2 gouttes de 2-bromo-2-Méthylpropane dans le troisième. Enregistrer le temps requis pour le précipité, bromure de sodium, à forme comme avant.

Ensuite, nous examinons l’effet de structure alkyl autour du carbone beta. Mesurer 1 mL d’iodure de sodium 15 % dans de l’acétone dans deux tubes à essai. Ajouter 2 gouttes de 1-bromobutane dans le premier tube à essai et 2 gouttes de néopentyle bromure à la seconde. Enregistrer le temps de réaction comme avant.

Enfin, nous passons aux effets de la polarité du solvant. Ajouter 1 mL d’iodure de sodium 15 % dans l’éthanol dans le premier tube à essai et iodure de sodium 15 % 1 mL dans de l’acétone à la seconde. Ajouter 2 gouttes de 1-bromobutane à la fois et d’enregistrer le temps requis pour un précipité au formulaire.

Tout d’abord, examinons la structure d’alkyle autour du carbone alpha. Dans cet exemple, 1-bromobutane réagit au rythme plus rapide, 2-bromobutane réagit plus lentement et 2-bromo-2-Méthylpropane plus lent de tous. Ces résultats sont en face de celles trouvées dans des réactions SN1.

La différence est due à la géométrie. Augmentation du nombre d’atomes de carbone beta réduit la surface exposée sur le carbone alpha sur lequel une attaque nucléophile de l’arrière réussie peut se produire. Ce phénomène est appelé « empêchement stérique. » Halogénures d’alkyle primaire sont les moins stériquement et éprouver les taux les plus rapides de réaction SN2, tandis que les halogénures d’alkyle tertiaire sont plus entravées et éprouvent des réactions plus lentes.

Ensuite, nous passons à la structure d’alkyle autour les carbones de la bêta. 1-Bromobutane réagit instantanément tandis que néopentyle bromure n’a pas réagi du tout.

Cela s’explique aussi par le biais d’encombrement stérique. La présence de groupes encombrants sur le carbone beta réduit à nouveau la zone sur le carbone alpha exposé à l’attaque nucléophile.

Un carbone beta stériquement connaît un taux de réaction inférieur à une autre sans entrave.

Enfin, nous regardons effets de solvant. La vitesse de réaction de 1-bromobutane dans l’acétone est beaucoup plus grande que c’est dans l’éthanol. Il s’agit contrairement aux résultats de la réaction SN1.

C’est parce que dans les réactions SN2, solvants protiques polaires comme l’éthanol stabilisent le nucléophile, rendant moins réactive et donc diminuer la vitesse de réaction. En revanche, les solvants aprotiques comme l’acétone ne peuvent stabiliser le nucléophile dans la même mesure.

Pour résumer : les taux de réactions SN2 diminuent grâce à empêchement stérique sur les carbones fois alpha et bêta. Il s’agit à l’encontre des réactions SN1, où les carbones bêta stabilisent le carbocation et augmenter le taux. Les taux des deux réactions augmentent comme l’adhérence entre le groupe partant et le carbone alpha diminue. Enfin, les solvants protiques polaires retardent réactions SN2 en stabilisant le nucléophile, mais accélèrent des réactions SN1 en stabilisant les intermédiaires. Avec ces résultats à l’esprit, nous allons examiner certaines applications.

Substitution nucléophile est une étape clé dans la polymérisation de le peptoid. Peptoids, synthétiques monomères associés à peptides, fournissent une approche directe à la conception des protéines synthétiques très à l’écoute. Les polymères sont formés par alternance brominating amines secondaires et remplacer le bromure de terminal qui en résulte avec une amine par substitution nucléophile. Cette méthode peut être utilisée pour produire des chaînes polymériques et nanofeuillets auto-assemblés.

Une autre application est dans la fabrication de substrats de culture cellulaire. Techniques de lithographie hautement automatisés ont été développées pour créer des modèles avec des caractéristiques sur les substrats revêtus or 10 microns. Un polymère est ensuite imprimé sur les caractéristiques et ont réagi par le biais de substitution nucléophile d’ajouter azotures ou autres ligands à sa surface. Ceci fournit une surface hautement contrôlée sur quelles cellules peuvent être cultivées et permis d’exploration de l’impact des ligands sur le comportement et la croissance cellulaire.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE de substitution nucléophile. Vous devez maintenant comprendre les mécanismes SN1 et SN2, les effets des solvants et des halogénures d’alkyle différents sur chaque et certaines applications. Merci de regarder !

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