Nukleofilní substituce

Nukleofilní substituce je pojmenování třídy reakcí v organické chemii a biochemii, kde atakující činidlo (nukleofil) vstupující do reakce musí mít volný elektronový pár nebo záporný náboj, protože odstupující skupina (nukleofug) odchází z původní vazby s dvojicí elektronů. Nukleofug musí být také nukleofilní povahy (podle pravidla, že odstupující skupina musí mít stejnou povahu jako přistupující (atakující) činidlo). Nukleofilní substituce může být dobře využitelná na zabrání místa na alifatickém (nasyceném) uhlíku nebo (méně často) na aromatickém nebo na jiných nasycených uhlíkových centrech. Obecný zápis reakce je následující:

Nuc: + R-LG → R-Nuc + LG:

Elektronový pár (:) na nukleofilu atakuje substrát (R-LG), vytvářejíc novou vazbu, zatímco odstupující skupina (LG – z angl. leaving group) odchází s elektronovým párem. Hlavním produktem je v tomto případě R-Nuc.

Příkladem nukleofilní substituce je hydrolýza alkylbromidů (R-Br) v alkalickém prostředí, kde atakující nukleofil je OH⁻ a odcházející skupina je Br⁻.

R-Br + OH⁻ → R-OH + Br⁻

V organické chemii existuje velké množství reakcí, které probíhají tímto mechanismem. Běžné reakce jsou

• Organická redukce pomocí hydridu

R-X → R-H použitím LiAlH₄ (S_N2)

• Hydrolytická reakce jako:

R-Br + OH⁻ → R-OH + Br⁻ (S_N2) nebo

R-Br + H₂O → R-OH + HBr (S_N1)

• Williamsova syntéza

R-Br + OR '⁻ → R-OR' + Br⁻ (S_N2)

• Wenkerova syntéza, která uzavírá kruh u aminoalkoholů
• Finkelsteinova reakce je reakce výměny halogenidu, avšak při Perkovově reakci a Michaelisově-Arbuzově reakci se použije nukleofil s nukleofilním centrem na fosforu.

V roce 1953 Edward D. Hughes a Christopher Ingold studovali nukleofilní substituci alkylhalogenidů a příbuzných sloučenin. Zjistili, že existují dva hlavní mechanismy účinku, přičemž navzájem soutěží. Jsou to S_N1 reakce a S_N2 reakce (S jako substituce, n jako nukleofilní a číslo vyjadřuje kinetický řád reakce).

Při reakci typu S_N2 probíhá adice nukleofilu a eliminace odstupující skupiny simultánně. Nastává tam, kde je centrální atom snadno dostupný pro nukleofil. Naproti tomu reakce typu S_N1 probíhá ve dvou stupních. Tento typ mechanismu se více prosazuje tehdy, když je centrální uhlíkový atom substrátu obklopen objemnými skupinami, protože takové skupiny stéricky interferují s S_N2 a protože vysoce substituovaný uhlík vytváří stabilní karbokation. Z počátku bylo určení třídy nukleofilní substituce složité, protože se řídilo posloupností derivátů uhlovodíků: Reakční kinetika se mění postupně od prvního řádu k řádu druhému. Řády jsou ovlivněny odlišnými faktory. S_N1 reaktivita roste v posloupnosti (pro alifatické halogenderiváty) CH₃-X < primárně < sekundární < terciární, zatímco S_N2 roste terciární> sekundární> primární> CH₃-X. Celková reaktivita je určena součtem reaktivity dvou řádů a platí pořadí: CH₃-X> primární> terciární> sekundární.

Vedle S_N1 a S_N2 jsou známé i jiné mechanismy, ale nevyskytují se často. Mechanismus S_Ni byl pozorován v reakci sulfinylchloridů s alkoholy. Je téměř stejný jako S_N1, s rozdílem přístupu nukleofilu ze stejné strany jako odstupující skupina.

Nukleofilní substituce může být spojena s posunem dvojné vazby, což můžeme pozorovat například ve Ferrierově posunu. Tento typ je nazýván jako reakce S_N1 'nebo S_N2', podle kinetiky. Například při reakcí allylhalogenidů nebo sulfonátů nukleofil může atakovat γ-nenasycený uhlík, namísto uhlíku nesoucího odstupující skupinu. Můžeme to pozorovat při reakcí 1-chlor-but-2-enu s hydroxidem sodným, kde vzniká směs 2-buten-1-olu a 3-buten-1-olu.

CH₃CH = CH-CH₂-Cl + NaOH → CH₃CH = CH-CH₂-OH + CH₃CH (OH) -CH = CH₂

V anorganické chemii se ještě vyskytuje S_N1CB mechanismus.

Nukleofilní substituce mechanismem S_n1 a S_n2 obvykle neprobíhá u vinyl- a arylhalogenidů nebo příbuzných sloučenin. Za jistých okolností může proběhnout, ale jinými mechanismy a při specifických podmínkách- obvykle vysoká teplota a tlak. Pokud se má substituovat karbonylová skupina, acylová skupina může podlehnout nukleofilní acylové substituci. Je to obvyklý způsob substituce s deriváty karboxylových kyselin, jako acylchloridů, esterů a amidů.

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Nukleofilná substitúcia na slovenské Wikipedii.

• Devínsky F. a kol. Organická chemie pro farmaceuty. první vydání. Martin: Vydavatelství Osveta, 2001. 750 stran. ISBN 80-8063-056-9

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Nukleofilní substituce na Wikimedia Commons