החלפה נוקלאופילית

בתגובת החלפה נוקלופילית, נוקלאופילי מחליף קבוצת עזיבה על אטום פחמן. החלפה נוקלופילית בשלב אחד היא דוגמה למנגנון S_N2. תגובה זו היא תגובה מתואמת שבה הקשרים נשברים ומתגבשים מתרחשים בו זמנית. דבר אחד שיש לזכור הוא כי מסלולית מולקולרית המעורבים בתגובה מצביעים על כך ההתקפה נוקלאופילי חייב לבוא ב 180 ° מקבוצת העזיבה. לכן, יש המכינים את תגובת S_N2 "התקפה אחורית". התקפה אחורית זו מתקנת את הסטריאוטיכימיה על הפחמן המגיב. זוהי דוגמה לתגובה סטריאו-ספקטית שבה הסטריאוטיכימיה בתחילת התגובה מכתיבה את התוצאה של הסטריאוטיכימיה לאחר התגובה.

החלפה נוקלופילית דו-שלבית היא דוגמה למנגנון S_N1. בשלב הראשון, קבוצת העוזבים עוזבת ויוצרת ביניים הנקרא קרבוק. בשלב השני, הנוקלאופילי תוקף את הקרבוט. מאז carbocation הוא achiral (לא כיראלי), כל סטריאוטיפיה בתחילת התגובה הולך לאיבוד. המוצר הוא עדיין כיראלי, אבל עכשיו הוא תערובת שווה של שני enantiomers אשר נקרא תערובת racemic. תגובות S_N1 אינן סטריאו-ספציפיות.

בשני חלקים נבחן את הגורמים המשפיעים על השיעורים היחסיים של תגובות S_N1 ו- S_N2.

בחלק הראשון, נלמד את תגובת S_N1 באמצעות 11 תגובות מבחנה. לכל התגובות יש את אותה ערכת תגובה כללית:

כל שיעורי התגובות הם יחסיים זה לזה. קצב התגובה ייקבע על ידי האינדיקטור החזותי בתגובה. מכיוון שכסף כלוריד יוצא מהפתרון, ברגע שהתגובה עוברת ברורה לעננת נותן אינדיקציה חזותית למהירות התגובה היחסית.

בשלוש מתגובות המבחנה, כיצד מבנה האלקיל הייליד ממלא תפקיד בקצב התגובות ייבדק. שלושה אלקל כלורידים שונים באותם תנאים ייבדקו:

בשתיים מתגובות המבחנה, השפעות הקוטביות הממסית על התגובה ייבחנו. שני ממיסים שונים ייבדקו:

מבחנה	הממס	סוג ממס
1	100% אתנול	פרוטי קוטבי
2	5% אתנול:95% אצטון	בעיקר אפרוטית קוטבית

בשתיים מהתגובות במבחנה, ההשפעות הקבוצתיות העוזבות ייבדקו. שני אלקילים הלידים שונים ישמשו:

לבסוף, ארבע מהמבחנות ישמשו למדידת חוק התעריף של התגובות. קצב התגובה יימדד בריכוזים שונים של פתרון נתרן יודיד ופתרונות ברומבוטניים 1.

מבחנה	טרט-בוטיל כלוריד ריכוז	כסף חנקתי ריכוז	זמן עד המשקעים
1	0.1 מטר	0.1 מטר
2	0.2 מטר	0.1 מטר
3	0.1 מטר	0.1 מטר
4	0.1 מטר	0.05 מטר

בחלק השני, נלמד את תגובת S_N2 באמצעות 11 תגובות מבחנה. לכל התגובות יש את אותה ערכת תגובה כללית:

כל שיעורי התגובות הם יחסיים זה לזה. קצב התגובה ייקבע על ידי האינדיקטור החזותי של נתרן כלורי או נתרן ברומיד מזרז מתוך פתרון. זה יצוין כאשר התגובה עוברת ברורה לענן.

בשלוש מתגובות המבחנה, כיצד מבנה האלקיל הייליד ממלא תפקיד בקצב התגובות ייבדק. זה ישווה את ההשפעות הסטריות של הפחמן כי הוא קשור ברום. שלושה אלקל כלורידים שונים באותם תנאים ייבדקו:

בשתיים מתגובות המבחנה, ההשפעות הסיטריות המשניות של האלקיל הייליד ייבדקו. אלה הם השפעות סטריות על המולקולה לא כולל הפחמן מחויב ברומיד. שני אלקיל ברומידים עיקריים שונים, באותם תנאים, ייבדקו:

בשתיים מהתגובות במבחנה, ההשפעות הקבוצתיות העוזבות ייבדקו. שני אלקילים הלידים שונים ישמשו:

לבסוף, ארבע מבחנה ישמשו למדידת חוק התעריף של התגובות. קצב התגובה יימדד בריכוזים שונים של פתרון נתרן יודיד ופתרונות ברומבוטניים 1.

מבחנה	נתרן יודיד ריכוז	1-ברומובוטן ריכוז	זמן עד המשקעים
1	15%	1.0 מטר
2	15%	2.0 מטר
3	15%	1.0 מטר
4	7.5%	1.0 מטר

חלק 1: לימודתגובות S_N1

מבנה אלקיל האלייד:

השאר אפקטים קבוצתיים:

אפקטי קוטביות ממס:

קביעתחוק התעריפים S_N1:

מבחנה	כסף חנקתי ריכוז	1-ברומובוטן ריכוז	זמן עד המשקעים
1	0.1 מטר	0.1 מטר	שנות ה-20
2	0.1 מטר	0.2 מטר	שנות ה-10
3	0.1 מטר	0.1 מטר	שנות ה-20
4	0.05 מטר	0.1 מטר	שנות ה-20

חלק 2: לימודתגובות S_N2

מבנה אלקיל האלייד:

אפקטים סטריים:

השאר אפקטים קבוצתיים:

קביעתחוק שיעור S_N2:

מבחנה	נתרן יודיד ריכוז	1-ברומובוטן ריכוז	זמן עד המשקעים
1	15%	1.0 מטר	שנות ה-20
2	15%	2.0 מטר	שנות ה-10
3	15%	1.0 מטר	שנות ה-20
4	7.5%	1.0 מטר	שנות ה-40

ניסויים אלה נועדו להראות במהירות מגמות בתגובות החלפה נוקלופילית. בדיקה ניסיונית של מגמות אלה מסייעת להבין טוב יותר את ההבדלים העדינים בין תגובת S_N1 ל- S_N2. כימאים למדו לפתח ולייעל את תנאי התגובה. כל זה נובע מהבנת התגובה הראשונה: מה מאיץ או מאט תגובה ואיך אנחנו יכולים לנצל את זה? בחירת הממס, הטמפרטורה או הריכוז הטובים ביותר של ריאגנטים יכולה להשפיע מאוד על המהירות שבה התגובה תסתיים. עם הזמן, כימאים היו מודאגים לא רק עם מהירות, אבל עם סלקטיביות ותשואות גם כן. תגובות החלפה נוקלופילית הן תגובה חשובה ללמוד כפי שניתן למצוא ברחבי הספרות הסינתטית.

הדגמה זו יכולה לשמש כמשאב לתגובות החלפה נוקלאופיליות; עם זאת, זהו מתאר גס על איך ללמוד כל תגובה אורגנית. כיצד לשנות את תנאי התגובה (שינוי משתנה אחד בכל פעם) והתבוננות בהשפעותיהם היא הבסיס לשימוש בשיטה המדעית. זה יכול להיות מיושם על סוגים אחרים של תגובות מלבד תגובות החלפה, למשל, תגובות החלפה אחרות כגון תגובות החלפה ארומטית ותגובות החלפת אציל.

התגובות מותאמות לתשואות, לסלקטיביות ומהירות (יעילות). האופן שבו הכימאי משנה את פרמטרי התגובה - כגון זרז, טמפרטורה, ממס ויכולת עזיבה- יכול להשפיע במידה רבה על התגובה. ידיעת הקינטיקה של תגובה יכולה להשאיל מידע בעל ערך על התגובה, ובדרך כלל זו תחילתה להבין את מנגנון התגובה.