Phản ứng thế thân hạch (Nucleophilic Substitution)

Phản ứng thế thân hạch thay thế một nhóm rời trên một carbon bão hòa bằng một tác nhân thân hạch, diễn ra theo cơ chế một bước (SN2) hoặc hai bước (SN1).

Definition

Phản ứng thế thân hạch là một phản ứng trong đó một tác nhân thân hạch thế chỗ một nhóm rời khỏi một nguyên tử carbon, tạo thành một liên kết sigma mới với tác nhân thân hạch.

Scope

Chủ đề này bao gồm các cơ chế SN1 và SN2, định luật tốc độ và hệ quả lập thể của chúng, ảnh hưởng của cấu trúc cơ chất, tác nhân thân hạch, nhóm rời và dung môi, cũng như sự cạnh tranh giữa phản ứng thế và phản ứng tách.

Core questions

• Điều gì phân biệt cơ chế SN1 với SN2 về mặt động học và hóa học lập thể?
• Cấu trúc cơ chất, dung môi và khả năng của nhóm rời ảnh hưởng như thế nào đến sự cân bằng giữa hai cơ chế?
• Tại sao phản ứng SN2 diễn ra với sự đảo cấu hình trong khi SN1 tạo ra sự racemic hóa?

Key theories

SN2 (phản ứng thế lưỡng phân tử)

Một phản ứng thế đồng thời, một bước, trong đó tác nhân thân hạch tấn công carbon từ phía sau nhóm rời; dẫn đến động học bậc hai và sự đảo cấu hình Walden.

SN1 (phản ứng thế đơn phân tử)

Một cơ chế từng bước thông qua một chất trung gian carbocation phẳng; dẫn đến động học bậc một và sự racemic hóa một phần đến hoàn toàn vì tác nhân thân hạch tấn công từ cả hai mặt.

Mechanisms

Trong phản ứng SN2, bước quyết định tốc độ liên quan đến cả cơ chất và tác nhân thân hạch; trạng thái chuyển tiếp lưỡng chóp tam giác buộc tác nhân thân hạch tấn công từ phía sau và dẫn đến sự đảo cấu hình. Trong phản ứng SN1, bước quyết định tốc độ là sự ion hóa tạo thành carbocation, mà độ bền của nó (bậc ba > bậc hai > bậc một) và sự ổn định bởi dung môi kiểm soát tốc độ; sự bắt giữ tác nhân thân hạch sau đó diễn ra nhanh chóng và không đặc hiệu lập thể.

Clinical relevance

Phản ứng thế thân hạch là cơ sở của nhiều phản ứng alkyl hóa được sử dụng trong tổng hợp dược phẩm và là nền tảng cơ chế cho hoạt động của một số tác nhân hóa trị liệu alkyl hóa, chúng thế vào các vị trí thân hạch trong DNA.

History

Hughes và Ingold đã hệ thống hóa động học phản ứng thế vào những năm 1930, đặt ra các nhãn SN1 và SN2 và liên kết định luật tốc độ, hóa học lập thể và hiệu ứng dung môi thành một bức tranh thống nhất, trở thành một nền tảng của hóa học hữu cơ vật lý.

Key figures

• Christopher Kelk Ingold
• Edward D. Hughes
• Paul Walden

Seminal works

• ingold1969

Frequently asked questions

Những cơ chất nào ưu tiên phản ứng SN2 hơn SN1?

Các cơ chất bậc một và không bị cản trở ưu tiên SN2 vì sự tấn công từ phía sau không bị cản trở, trong khi các cơ chất bậc ba ưu tiên SN1 vì chúng tạo thành các carbocation bền vững và quá cồng kềnh để tấn công từ phía sau.

Tại sao độ phân cực của dung môi lại quan trọng?

Các dung môi phân cực protic ổn định carbocation và nhóm rời của SN1, làm tăng tốc độ phản ứng, trong khi các dung môi phân cực aprotic làm cho các tác nhân thân hạch 'trần trụi' và phản ứng mạnh hơn, làm tăng tốc độ phản ứng SN2.