Substitution
En substitutionsreaktion indebærer, at et atom eller en atomgruppe i et molekyle udskiftes med et andet atom eller en anden gruppe. Substitution er en central reaktionstype i organisk kemi og kan forløbe på forskellige måder afhængigt af.
Hvad er en substitutionsreaktion?
En substitutionsreaktion indebærer, at et atom eller en atomgruppe i et molekyle udskiftes med et andet atom eller en anden gruppe. Substitution er en central reaktionstype i organisk kemi og kan forløbe på forskellige måder afhængigt af reaktionsbetingelserne.
Radikal substitution og nukleofil substitution er to almindelige typer af substitution.
Radikal substitution
Radikal substitution forløber via frie radikaler. Reaktionen kræver ofte tilførsel af energi, f.eks. UV-lys, for at starte, da frie radikaler dannes ved tilførsel af energi.
Eksempel
Reaktionen mellem methan og dibrom er en klassisk radikal substitutionsreaktion:
CH4 + Br2 → CH3Br + HBr (UV-lys eller varme kan starte radikalkæden; flere substitutioner kan forekomme)
Et H-atom i methan udskiftes med et Br-atom fra dibrom. Reaktionen forløber i flere trin, hvor der først dannes bromradikaler, som derefter reagerer videre med methan.
Nukleofil substitution
Hvad er nukleofil substitution?
En nukleofil kan donere et elektronpar til et elektronfattigt center og danne en binding. Eksempler er OH−, H2O og NH3. Angrebet er en elektronparbevægelse; carbon behøver ikke have en ledig plads eller en brudt binding på forhånd.
OH−, H2O og NH3 kan være nukleofiler: De har et elektronpar, der kan danne en ny binding til et elektronfattigt center. Hvor godt de reagerer, afhænger af molekylet og betingelserne.
Atomgruppen, der udskiftes ved reaktionen, kaldes for en leaving group.
Ved nukleofil substitution doneres et elektronpar til det reagerende carbon. Leaving group forlader med elektronparret fra sin gamle binding. Molekylets opbygning, nukleofilen, leaving group og opløsningsmidlet påvirker forløbet.
SN1- og SN2-reaktioner
Der findes to hovedtyper af nukleofil substitution: SN1 og SN2. Tallene henviser til, hvor mange partikler der indgår i reaktionens hastighedsbestemmende trin.
SN1-reaktion
SN1 har først afgang af leaving group og derefter nukleofilt angreb. Hvis nukleofilen er vand, følger desuden en protonoverførsel, før den neutrale alkohol er dannet.
- Leaving group forlader molekylet, og der dannes en karbokation som mellemprodukt (langsom proces).
- Det nukleofile reagens angriber det positivt ladede kulstofatom i karbokationen (hurtig proces).
Første trin sker langsomt, og andet trin sker hurtigt, lige så snart første trin er sket. Trin 1 kaldes derfor også for reaktionens hastighedsbestemmende trin. SN1 betyder, at reaktionen kun har ét molekyle i det hastighedsbestemmende trin. SN1-reaktioners hastighed afhænger derfor af koncentrationen af molekylet, som omdannes i trin 1. Jo højere koncentration, jo højere reaktionshastighed.
Eksempel
Eksempel på SN1-substitutionsvejen: tert-butylbromid reagerer med vand. Vand er nukleofilen; en efterfølgende protonoverførsel giver alkoholen. Med stærk OH− kan E2-elimination i stedet dominere.
(CH3)3CBr + 2H2O → (CH3)3COH + H3O+ + Br−
Nettoskemaet nedenfor viser stofferne før og efter. Mekanismens trin forklares særskilt; nettoskemaet viser ikke elektronparrenes bevægelse.
(CH3)3CBr + 2H2O → (CH3)3COH + H3O+ + Br− (substitutionsvejen i vand; elimination kan konkurrere)
Br− er leaving group, og vand er nukleofilen i SN1-eksemplet. Det protonerede alkoholprodukt afgiver derpå en proton til vand.
SN2-reaktion
SN2-reaktionsmekanismen har ét trin.
Ved SN2 angriber nukleofilen fra siden modsat leaving group. Bindingen til nukleofilen dannes, mens bindingen til leaving group brydes, i ét trin uden et karbokation-mellemprodukt. Der er en overgangstilstand med delvise bindinger, ikke et stabilt kompleks. Hvis det reagerende carbon er stereogent, sker inversion af geometrien; det betyder ikke automatisk, at R bliver S eller omvendt.
SN2 betyder, at to molekyler indgår i reaktionens hastighedsbestemmende trin. SN2-reaktioners hastighed afhænger derfor af koncentrationen af både det organiske molekyle og det nukleofile reagens.
Eksempel
Her er reaktionsskemaet for en SN2-substitution med hydroxid:
CH2(CH3CH2CH2)-Br + OH⁻ → CH2(CH3CH2CH2)-OH + Br⁻
Nettoskemaet nedenfor viser stofferne før og efter. Mekanismens trin forklares særskilt; nettoskemaet viser ikke elektronparrenes bevægelse.
CH3CH2CH2CH2Br + OH− → CH3CH2CH2CH2OH + Br− (SN2 kan ske ved det primære carbon; opløsningsmiddel og temperatur påvirker konkurrerende reaktioner)
I eksemplet reagerer et primært CH2-carbon med to ens H-atomer. Det er ikke stereogent, så man kan ikke se et par spejlbilledeisomerer her. Inversion ved SN2 beskriver geometrien ved et stereogent reaktionscenter.
SN1 og SN2: Nettoskemaet er ikke mekanismen
Ved SN1 forlader leaving group først, og en karbokation dannes. Vand kan derefter binde til carbonet; en efterfølgende protonoverførsel giver alkoholen. Nettoskemaet i vand er:
(CH3)3CBr + 2H2O → (CH3)3COH + H3O+ + Br−
Det langsomme ioniseringstrin giver i den enkle model v = k[substrat] ved faste betingelser. Stærk OH− ved et tertiært carbon kan i stedet favorisere E2-elimination. Ved SN2 sker angreb og afgang i ét trin med v = k[substrat][nukleofil]. Et primært, mindre hindret carbon kan støtte SN2; opløsningsmiddel og temperatur skal også undersøges.
Radikaler og elektronpar
Et radikal er en partikel med mindst én uparret elektron, fx Br· eller CH3·. Det kan være et atom eller et molekyle. Mange radikaler er meget reaktive, men nogle stabiliseres, og uparrede elektroner er ikke generelt umulige i stabile partikler.
Læs radikalkæden i tre dele
- Initiation: Br2 → 2Br· under passende energi. Bindingens to elektroner deles, én til hvert Br.
- Propagation: Br· + CH4 → HBr + CH3·; derefter CH3· + Br2 → CH3Br + Br·. En radikal gendannes.
- Termination: Fx Br· + Br· → Br2. To radikaler reagerer uden at skabe en ny radikal.
Brug stereokemi på det rigtige carbon
Konstrueret træningsøvelse: CH3CH2CH2CH2Br + OH− → CH3CH2CH2CH2OH + Br−
Har det reagerende CH2-carbon fire forskellige substituenter?
Se forklaringen
Nej, to substituenter er H. Det er ikke stereogent. SN2-angrebets geometri giver derfor ikke et synligt spejlbilledepar i dette eksempel.
Prøv med mindre støtte: Tegn i stedet et carbon med Br, H, CH3 og CH2CH3. Vis, hvad et angreb fra bagsiden gør ved placeringen.