$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Nükleofilik ikame, organik sentezde kullanılan en temel reaksiyonlardan biridir.
"Nükleofil", elektron bakımından zengin bir türdür. Bir nükleofilik ikamede, bir nükleofil, yeni bir fonksiyonel gruba sahip bir ürün oluşturmak için bir alkil halojenür ile reaksiyona girer. Bu reaksiyon, çok çeşitli organik sentezler için başlangıç noktasıdır.
Bu video, iki nükleofilik ikame kategorisinin ilkelerini gösterecek, farklı reaktanların her biri için reaksiyon hızı üzerindeki etkilerini gösterecek ve bazı uygulamaları tartışacaktır.
Nükleofilik ikame iki reaktan gerektirir: işlevselleştirilmiş bir alkan ve bir nükleofil.
İşlevselleştirilmiş alkan, bir alkol veya sülfonik halojenür olabilir, ancak genellikle bir alkil halojenürdür. Bir alkil halojenürde, halojene bağlı karbona "alfa" karbon denir ve nükleofilik ikameye uğraması için sp3-hibritleştirilmesi gerekir. Alfaya bağlı herhangi bir karbon bir "beta" karbondur. Daha da önemlisi, halojen, alfa karbonun elektron bakımından fakir olmasına neden olan güçlü bir elektron çeken gruptur. Alfa karbon bu nedenle bir "elektrofil"dir, bu da elektron kıtlığı olduğu ve daha fazlasını kabul edebileceği anlamına gelir.
Bir "nükleofil" tam tersidir; elektron bağışlayabilen bir tür. Genellikle bir klorür iyonu veya bir asetat iyonu gibi bir organik tuzun anyonu gibi negatif yüklü bir fonksiyonel gruptur. Nükleofiller genellikle paylaşılmamış elektron çiftleri içerir.
Nükleofilik bir ikamede, nükleofil, elektrofilik alfa karbona saldırarak alkil halojenür ile reaksiyona girer. Nükleofil, alfa karbona bir elektron çifti bağışlayan bir Lewis bazı görevi görür. Bu sırada alfa karbon ile halojen arasındaki bağ kopar. Başlangıçta bu bağdaki elektronlar, halojenür bırakan bir grup oluşturmak için halojen ile birleşir.
Nükleofilik bir ikame, iki mekanizmadan biri yoluyla gerçekleşebilir. Birincisi, alfa karbonun arka tarafında - halojenin karşısındaki tarafta - yavaş bir nükleofilik saldırı ile başlar - ardından ayrılan grubun hızlı bir şekilde ayrılması gelir. Hem alkil halojenür hem de nükleofil yavaş adımda yer aldığından, bu mekanizmaya kısaca "İkame: Nükleofilik Bimoleküler" veya "SN2" denir. SN2 mekanizması, alfa karbon üzerindeki diğer bağların yönlerini değiştirmesi ve konfigürasyonu tersine çevirmesiyle sona erer. Nükleofil sadece alfa karbonun arka tarafına saldırdığından, mekanizma ürünün yalnızca bir tane ters çevrilmiş stereoizomerini verir.
Diğer mekanizma, alkil halojenürün bir ayrılma grubuna ve yüksek derecede reaktif, pozitif yüklü bir karbon olan bir "karbokatyona" yavaşça ayrışması ile başlar. SN2 mekanizmasından farklı olarak, nükleofil her iki taraftan da saldırabilir. Her iki stereoizomer de üretilir, optik rotasyonun ölçülmesiyle deneysel olarak tespit edilen bir ayrım. Yavaş adımda sadece bir molekül - alkil halojenür - yer aldığından, bu mekanizmaya "İkame, Nükleofilik Unimoleküler" veya "SN1" denir.
Artık nükleofilik ikame mekanizmalarını gördüğümüze göre, bunun farklı koşullar altında farklı reaktanlara nasıl uygulandığını inceleyelim.
Bu bölümde, alkil halojenür yapısının, ayrılma grubu seçiminin ve çözücü polaritesinin SN1 mekanizması üzerindeki etkilerini inceleyeceğiz. Koşullar, SN2 reaksiyonlarını bastırmak için seçilmiştir.
İlk olarak, alkil halojenür yapısının etkisini inceliyoruz. Mutlak etanol içinde 2 mL 0.1 M gümüş nitratı üç test tüpüne ölçün.
İlk test tüpüne 2 damla 1-bromobütan, ikinci test tüpüne 2 damla 2-bromobütan ve üçüncü test tüpüne iki damla 2-bromo-2-metilpropan ekleyin. Reaksiyonun başladığı zamanı kaydedin.
Her tüpe bir tıpa uygulayın ve sallayın.
Çözeltinin bulanıklaştığı veya çözünmeyen gümüş bromür oluşumunu gösteren bir çökeltinin ortaya çıktığı zamanı kaydedin.
Daha sonra, farklı ayrılma gruplarının etkilerine dönüyoruz. Mutlak etanol içinde 2 mL 0.1 M gümüş nitratı iki test tüpüne ölçün.
İlk test tüpüne 2 damla 2-bromo-2-metilpropan ve ikincisine 2 damla 2-kloro-2-metilpropan ekleyin. Daha önce olduğu gibi, reaksiyonun başladığı zamanı kaydedin, her tüpe bir durdurucu uygulayın, sallayın ve bir çökeltinin ortaya çıktığı zamanı kaydedin.
Son olarak, farklı çözücülerin etkisini incelemek için, mutlak etanol içinde 2 mL 0.1 M gümüş nitratı bir test tüpüne ölçün. % 95 asetonda 2 mL 0.1 M gümüş nitratı ikinci bir test tüpüne ölçün. Her test tüpüne 2 damla 2-bromo-2-metilpropan ekleyin.
Yine, reaksiyonun başladığı zamanı kaydedin, her bir tüpü durdurun ve sallayın ve bir çökeltinin ortaya çıktığı zamanı kaydedin.
Bir SN1 reaksiyonunun hızı, büyük ölçüde alkil halojenürün ve çözücünün doğasına bağlıdır.
İlk olarak, alkil halojenürün yapısını inceleyelim. Bu gösteride, 2-bromo-2-metilpropan, 2-bromobütandan çok daha hızlı reaksiyona girdi ve bu da 1-bromobütandan daha hızlı reaksiyona girdi.
Bu sonuçlar, SN1 mekanizmasının yavaş ilk adımında oluşan karbokatyon ara maddesinin doğasından kaynaklanmaktadır. Karbokatyonlar, alfa karbonun pozitif yükünü polarizasyon ve hiperkonjugasyon yoluyla beta karbonlar üzerine dağıtarak kendilerini stabilize ederler. Bu stabilize edici etki, birkaç beta karbona sahip olan ve bu nedenle bir SN1 reaksiyonu sırasında en hızlı oranda karbokatyonlar oluşturan üçüncül alkil halojenürlerde en yüksektir. İkincil ve birincil alkil halojenürler, giderek daha küçük stabilizasyon etkilerine ve dolayısıyla giderek daha düşük reaksiyon hızlarına sahiptir.
Şimdi ayrılan grubu inceleyelim. Bu gösteride, 2-bromo-2-metilpropan, 2-kloro-2-metilpropandan daha hızlı reaksiyona girdi.
Bunun nedeni, bromun klora kıyasla alfa karbon ile daha zayıf bir bağ oluşturmasıdır. Daha genel olarak, periyodik tabloda daha düşük bulunan halojenler, tabloda daha yüksek bulunanlardan daha zayıf bağlar oluşturur. Bir SN1 mekanizmasındaki ilk ayrışma adımının hızı, azalan bağ kuvveti ile artar. Bu eğilim hem SN1 hem de SN2 mekanizmaları için ortaktır.
Şimdi çözücü etkilerine dönüyoruz. Bu gösteride, 2-bromo-2-metilpropan ve gümüş nitrat arasındaki reaksiyon, etanol içinde çözündüğünde asetondan daha hızlı bir oranda meydana geldi.
Etanol oldukça polar ve protiktir: elektropozitif bir terminal hidrojen atomuna sahiptir ve bu nedenle hidrojen bağları oluşturabilir. Bu nedenle, hem karbokatyonu hem de ayrılan grubu stabilize etmede, daha az polar ve aprotik olan asetondan daha etkilidir. Genel olarak, SN1 reaksiyonlarının hızları, çözücünün polaritesi ile artar.
Şimdi alkil halojenür yapısının, ayrılma grubunun ve çözücü polaritesinin SN2 mekanizması üzerindeki etkilerini araştırıyoruz. Yine, SN1 reaksiyonlarını bastırmak için koşullar seçilmiştir.
Alfa karbon etrafındaki alkil yapının etkisini inceleyerek başlıyoruz. Aseton içinde 2 mL %15 sodyum iyodürü üç test tüpüne ölçün. İlk test tüpüne 2 damla 1-bromobütan, ikinciye 2 damla 2-bromobütan ve üçüncüye 2 damla 2-bromo-2-metilpropan ekleyin. Çökelti, sodyum bromürün daha önce olduğu gibi oluşması için gereken süreyi kaydedin.
Daha sonra, beta karbon etrafındaki alkil yapısının etkisini inceliyoruz. Aseton içinde 1 mL %15 sodyum iyodürü iki test tüpüne ölçün. İlk test tüpüne 2 damla 1-bromobütan ve ikinciye 2 damla neopentil bromür ekleyin. Reaksiyon zamanını daha önce olduğu gibi kaydedin.
Son olarak, çözücü polarite etkilerine dönüyoruz. İlk test tüpüne etanol içinde 1 mL %15 sodyum iyodür ve ikincisine aseton içinde 1 mL %15 sodyum iyodür ekleyin. Her ikisine de 2 damla 1-bromobütan ekleyin ve bir çökeltinin oluşması için gereken süreyi kaydedin.
İlk olarak, alfa karbonun etrafındaki alkil yapıyı inceleyelim. Bu örnekte, 1-bromobütan en hızlı şekilde reaksiyona girdi, 2-bromobütan daha yavaş reaksiyona girdi ve 2-bromo-2-metilpropan en yavaş reaksiyona girdi. Bu sonuçlar SN1 reaksiyonlarında bulunanların tersidir.
Aradaki fark geometriden kaynaklanmaktadır. Beta karbonların sayısının arttırılması, alfa karbon üzerindeki açıkta kalan alanı azaltır ve bunun üzerinde başarılı bir arka taraf nükleofilik saldırı meydana gelebilir. Bu fenomene "sterik engel" denir. Birincil alkil halojenürler sterik olarak en az engellenenlerdir ve en hızlı SN2 reaksiyon oranlarını yaşarken, üçüncül alkil halojenürler en çok engellenir ve en yavaş reaksiyonları yaşarlar.
Daha sonra, beta karbonların etrafındaki alkil yapıya dönüyoruz. 1-Bromobütan anında reaksiyona girerken, neopentil bromür hiç reaksiyona girmedi.
Bu aynı zamanda sterik engelleme ile de açıklanmaktadır. Beta karbon üzerinde hacimli grupların varlığı, alfa karbon üzerinde nükleofilik saldırıya maruz kalan alanı tekrar azaltır. Sterik olarak engellenmiş bir beta karbon, engellenmemiş olandan daha düşük bir reaksiyon hızına sahiptir.
Son olarak, çözücü etkilerine bakıyoruz. Aseton içindeki 1-bromobütanın reaksiyon hızı, etanoldekinden çok daha fazladır. Bu, SN1 reaksiyonunun sonuçlarına aykırıdır.
Bunun nedeni, SN2 reaksiyonlarında, etanol gibi polar protik çözücülerin nükleofili stabilize etmesi, onu daha az reaktif hale getirmesi ve dolayısıyla reaksiyon hızını azaltmasıdır. Buna karşılık, aseton gibi aprotik çözücüler nükleofili aynı ölçüde stabilize edemez.
Özetlemek gerekirse: SN2 reaksiyonlarının hızları, hem alfa hem de beta karbonlar üzerindeki sterik engelleme yoluyla azalır. Bu, beta karbonların karbokatyonu stabilize ettiği ve hızı arttırdığı SN1 reaksiyonlarına aykırıdır. Ayrılan grup ile alfa karbon arasındaki bağ kuvveti azaldıkça her iki reaksiyonun hızları da artar. Son olarak, polar protik çözücüler, nükleofili stabilize ederek SN2 reaksiyonlarını geciktirir, ancak ara ürünleri stabilize ederek SN1 reaksiyonlarını hızlandırır. Bu sonuçları göz önünde bulundurarak bazı uygulamaları inceleyelim.
Nükleofilik sübstitüsyon, peptoid polimerizasyonunda önemli bir adımdır. Peptitlerle ilgili sentetik monomerler olan peptoidler, yüksek düzeyde ayarlanmış sentetik proteinlerin tasarımına basit bir yaklaşım sağlar. Polimerler, ikincil aminlerin dönüşümlü olarak bromlanması ve elde edilen terminal bromürün nükleofilik ikame yoluyla bir amin ile değiştirilmesiyle oluşturulur. Bu yöntem, polimerik zincirler ve kendi kendine monte edilmiş nano tabakalar üretmek için kullanılabilir.
Diğer bir uygulama, hücre kültürü substratlarının imalatıdır. Altın kaplı yüzeyler üzerinde 10 mikron özelliklerine sahip desenler oluşturmak için yüksek düzeyde otomatikleştirilmiş litografi teknikleri geliştirilmiştir. Daha sonra özelliklere bir polimer basılır ve yüzeyine azidler veya diğer ligandlar eklemek için nükleofilik ikame yoluyla reaksiyona sokulur. Bu, hücrelerin kültürlenebileceği oldukça kontrollü bir yüzey sağlar ve ligandların hücre büyümesi ve davranışı üzerindeki etkisinin araştırılmasına izin verir.
Az önce JoVE'nin nükleofilik ikame ile tanışmasını izlediniz. Artık SN1 ve SN2 mekanizmalarını, farklı alkil halojenürlerin ve çözücülerin her biri üzerindeki etkilerini ve bazı uygulamaları anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler!