S_N1-reaksjon

En S_N1-reaksjon (unimolekylær reaksjon) er en substitusjons reaksjon i organisk kjemi. Tallet 1 er brukt til å indikere mekanismen som treg og konsentrasjonsavhengig av substratet, ikke nukleofile reagenset. Det vil si mekanismen inkluderer kun én av de to reaktantene når det gjelder reaksjonsfart.^[1][2] Dette forholdet gjelder situasjoner der mengden nukleofiler er mye større enn mellomproduktet. I stedet kan hastighetsligningen beskrives mer nøyaktig ved bruk av steady-state kinetikk. Reaksjonen involverer et karbonkationmellomprodukt og blir ofte sett i reaksjoner av sekundære eller tertiære alkylhalogenider under sterkt basiske betingelser eller, under sterkt sure betingelser, med sekundære eller tertiære alkoholer. Med primære og sekundære alkylhalogenider oppstår den alternative S_N2-reaksjonen. I uorganisk kjemi er S_N1-reaksjonen ofte kjent som den dissosiative mekanismen. Denne dissosiasjonsveien er godt beskrevet av cis-effekten. En reaksjonsmekanisme ble først foreslått av Christopher Ingold i 1940.^[3] Denne reaksjonen avhenger ikke mye av styrken til nukleofilen i motsetning til S_N2-mekanismen. Denne typen mekanisme innebærer to trinn. Det første trinnet er ionisering av alkylhalogenid i nærvær av vandig aceton eller etylalkohol. Dette trinnet gir et karbonkation som mellomprodukt.

S_N1 foregår over flere prosesser (steg). Første steget er tregt, og her brytes bindingen og substratet ioniseres. I neste steg, som er raskt, danner karbokationet binding med nulkeofile reagenset. Hvis nukleofile reagenset er et nøytralt molekyl, som for eksempel vann og alkohol, vil oksygen-atomet avgi et proton (H⁺) i tredje og siste steg.

Et eksempel på en reaksjon som finner sted med en S_N1-reaksjonsmekanisme er hydrolyse av tert-butylbromid som danner tert-butanol:

Denne S_N1-reaksjonen finner sted i tre trinn:

1. Dannelse av en tert-butyl karbonkationet ved separasjon av en utgående gruppe (et bromidanion) fra karbonatomet: dette trinnet er tregt.^[4]

   

   
   
2. Nukleofilt angrep:

   

   karbonkationet reagerer med nukleofilen. Hvis nukleofilen er et nøytralt molekyl (dvs. et løsningsmiddel), kreves et tredje trinn for å fullføre reaksjonen. Når løsningsmidlet er vann, er mellomproduktet et oksoniumion. Dette reaksjonstrinnet er raskt.

   

   
   
3. Deprotonering: Fjerning av et proton på den protonerte nukleofilen der vann som fungerer som en base som danner alkoholen og et hydroniumion. Dette reaksjonstrinnet er raskt.

   

Selv om hastighetsloven for S_N1-reaksjonen ofte blir ansett som første orden for alkylhalogenid og nulte orden for nukleofil, er dette en forenkling som bare gjelder under visse forhold. Selv om det også er en tilnærming, gir hastighetsloven avledet fra steady state approksimasjonen mer innsikt i den kinetiske oppførselen til S_N1-reaksjonen. Vurder følgende reaksjonsskjema for mekanismen vist ovenfor:

Selv om det er en relativt stabil tertiær karbonkation, er tert-butylkation en høyenergiart som er tilstede i svært lav konsentrasjon og ikke kan observeres direkte under normale forhold. Dermed kan steady state brukes på dette speciet:

1. Steady state forutsetning: ${\displaystyle {\frac {d[tBu^{+}]}{dt}}=0=k_{1}[tBuBr]-k_{-1}[tBu^{+}][Br^{-}]-k_{2}[tBu^{+}][H_{2}O]}$
2. Konsentrasjon av t-butylkation, basert på steady state antagelsen: ${\displaystyle [tBu^{+}]={\frac {k_{1}[tBuBr]}{k_{-1}[Br-]+k_{2}[H_{2}O]}}}$
3. Total reaksjonshastighet, forutsatt rask sluttrinn: ${\displaystyle {\frac {d[tBuOH]}{dt}}=k_{2}[tBu^{+}][H_{2}O]}$
4. Steady state hastighetslov, ved å koble (2) til (3): ${\displaystyle {\frac {d[tBuOH]}{dt}}={\frac {k_{1}k_{2}[tBuBr][H_{2}O]}{_{k-1}[Br^{-}]+k_{2}[H_{2}O]}}}$

Under normale syntetiske forhold er den inngående nukleofilen mer nukleofil enn den utgående gruppen og er til stede i overskudd. Videre blir kinetiske eksperimenter ofte utført under innledende hastighetsbetingelser (5 til 10% konvertering) og uten tilsetning av bromid, så [Br^–] er ubetydelig. Av disse grunner holder ofte k_-1 [Br^–] ≪ k₂ [H₂O]. Under disse forholdene reduserer stady state approksimasjonen hastighetsloven til ${\displaystyle {\frac {d[tBuOH]}{dt}}={\frac {k_{1}k_{2}[tBuBr][H_{2}O]}{k_{2}[H_{2}O]}}=k_{1}[tBuBr]}$. Under disse forholdene påvirker ikke konsentrasjonen av nukleofilen hastigheten på reaksjonen, og endring av nukleofilen (f.eks. Fra H₂O til MeOH) påvirker ikke reaksjonshastigheten, selv om produktet selvfølgelig er annerledes. I dette regimet er det første trinnet (ionisering av alkylbromidet) sakte, hastighetsbestemmende og irreversibelt, mens det andre trinnet (nukleofil tilsetning) er raskt og kinetisk usynlig.

Imidlertid kan ikke første ordens reaksjonskinetikk observeres under visse forhold. Spesielt når det er en stor konsentrasjon av bromid tilstede mens konsentrasjonen av vann er begrenset, blir det motsatte av det første trinnet kinetisk. Som stady state approksimasjonen og hastighetsloven indikerer, er det under disse forholdene en brøk (mellom null og første orden) avhengighet av [H₂O], mens det er en negativ brøkordeavhengighet av [Br^–]. Dermed blir S_N1-reaksjoner ofte observert å bremse når en eksogen kilde fra den utgående gruppen (i dette tilfellet bromid) blir tilsatt til reaksjonsblandingen. Dette er kjent som den vanlige ioneffekten, og observasjonen av denne effekten er bevis for en S_N1-mekanisme (selv om fraværet av en felles ioneffekt ikke utelukker det). ^[5][6]

S_N1-mekanismen har en tendens til å dominere når det sentrale karbonatomet er omgitt av store grupper fordi slike grupper hindrer S_N2-reaksjonen. I tillegg øker store substituenter på det sentrale karbonet hastigheten på dannelsen av karbonkationer på grunn av mindre sterisk belastning som oppstår. Den resulterende karbonkationet er også stabilisert av både induktiv stabilisering og hyperkonjugering fra tilknyttede alkylgrupper. Hammond-Leffler postulatet antyder at også dette vil øke frekvensen av dannelse av karbonkationet. S_N1-mekanismen dominerer derfor i reaksjoner ved tertiære alkylsentre.

Et eksempel på en reaksjon som foregår på en S_N1-måten er syntesen av 2,5-diklor-2,5-dimetylheksan fra dens tilsvarende diol med konsentrert saltsyre: ^[7]

Når alfa- og beta-substitusjonene øker med hensyn til utgående grupper, blir reaksjonen avledet fra S_N2 til S_N1.

Karbonkationmellemproduktet dannes i reaksjonens hastighetsbestemmende trinn er et sp² hybridisert karbon med trigonal plant molekylgeometri. Dette tillater to forskjellige måter for det nukleofile angrepet, en på hver side av det plane molekylet. Hvis ingen av metodene er foretrukket, forekommer disse to måtene likt, og gir en racemisk blanding av enantiomerer hvis reaksjonen finner sted i et stereosenter.^[8] Dette er illustrert nedenfor i S_N1-reaksjonen av S-3-klor-3-metylheksan med et jodidion, som gir en racemisk blanding av 3-jod-3-metylheksan:

Imidlertid kan et overskudd av en stereoisomer observeres, ettersom den utgående gruppen kan forbli i nærheten av karbonkationmellemproduktet i kort tid og blokkere nukleofilt angrep. Dette står i kontrast til S_N2-mekanismen, som er en stereospesifikk mekanisme der stereokjemi alltid er invertert når nukleofilen kommer inn fra baksiden av den utgående gruppen.

• S_N2 reaksjon
• E1 reaksjon
• E2 reaksjon

• Harold Hart, Lesilie E. Craine, David J. Hart, Christopher M. Hadad (2007). Organic Chemistry, A short course. Houghton Mifflin Company. ISBN 0-618-59073-0. CS1-vedlikehold: Flere navn: forfatterliste (link)

• Chemhelper – S_N1 Mechanism