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Organic Chemistry II

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Substitution nucléophile

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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.

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.

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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