電子対供与体が電子対受容体と反応する場合、その反応は求核置換反応と呼ばれます。電子対供与体は求核試薬と呼ばれます。
原子核に引き寄せられることからこのように名付けられました。求核置換反応では、求核試薬はハロアルカンと反応します。ハロアルカンは、中心の炭素原子に結合したハロゲン原子を持ち、ハロゲン原子は求核剤によって置換されます。このハロゲン原子はハライドイオンとして脱離するため、脱離基と呼ばれます。アルコキシド イオン、水酸化物イオン、ハロゲン化物イオン、およびシアン化物イオンは、求核試薬の一般的な例です。求核置換反応には、SN1 と SN2 の 2 種類があります。
グループからの脱退
求核置換反応では、分子は、核または基質として機能する極性結合だけでなく、良好な脱離基をもたなければなりません。独立して存在する能力を持ち、イオンまたは分子として存在できる原子は、弱塩基性で比較的安定しており、良好な脱離基として機能できます。良好な脱離基は、負電荷に対応できるように電気陰性度が高い必要があります。負電荷は、非局在化によっても対応できます。ハロゲンは比較的安定したイオンを形成し、電気陰性度が高いため、適切な脱離基の例はハロゲンです。
SN1 反応
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この置換反応は、2 段階のプロセスで行われます。
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最初のステップでは、炭素-ハロゲン結合が切断されると、正に帯電した炭素 (カルボカチオン) が形成されます。
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2 番目のステップでは、求核剤がカルボカチオン、つまり正電荷を持つ炭素イオンを攻撃すると、新しい結合が形成されます。
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この反応は単分子反応です。
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一次速度論に従います。
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反応速度は k[R-LG] と書くことができます。
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ハロゲン化アルキル、つまり基質の濃度が反応速度を決定します。
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反転生成物と保持生成物の両方が形成されます。つまり、反応はラセミ化立体化学を持ちます。
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極性プロトン性溶媒を使用することで、反応の反応性を高めることができます。
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この反応は、主に 2 級および 3 級ハロアルカンで行われます。
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脱離基の性質は、反応速度に影響します。
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反応速度は、求核試薬の性質には影響されません。
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簡単に除去でき、弱塩基である脱離基は、良好な脱離基と見なされます。
SN2 反応
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この置換反応は、1 ステップのプロセスで行われます。
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カルバニオンの形成は、求核試薬が中心の炭素原子と結合し、炭素-ハロゲン結合が切断されると同時に発生します。
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この反応は二分子反応です。
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二次動力学に従います。
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反応速度は k[Nu][R-LG] と書くことができます。
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ハロゲン化アルキル、つまり基質と求核試薬の濃度によって、反応速度が決まります。
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反応は反転立体化学を示します。
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極性非プロトン性溶媒を使用すると、反応の反応性を高めることができます。
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反応は主に第一級および第二級ハロアルカンで行われます。
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脱離基の性質は、反応速度に影響します。
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反応は、求核試薬の性質によっても影響を受けます。
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弱塩基である離脱グループは、良い離脱グループと見なすことができます。
求核置換反応例
SN1 反応の例:
最初のステップでは、脱退グループが移動します。ここで脱退グループは「X」で示されます。 C-X 結合が切断されると、炭素原子に正電荷が形成されます (カルボネーション)。最初のステップは次のように説明できます:
2 番目のステップでは、求核試薬が中心の炭素原子を攻撃し、結合を形成します。生成物の立体配置は、求核剤が配向している面に基づいて、反転または保持である可能性があります。 2 番目のステップは次のように説明できます。
以下は、(S)-3-ブロモ-3-メチルヘキサンでの SN1 反応の例です。これは第三級アルキルハライドです。
SN2 反応の例:
SN2 反応では、求核試薬と中心炭素原子の間の結合形成と、炭素と脱離基の間の結合の切断が同時に行われます。 SN2 反応は次のように説明できます:
以下は、塩化メチルの SN2 置換の例です。ここの脱離基は塩素で、求核試薬は臭素です
結論
電子対供与体（求核剤）が電子対受容体と反応する場合、その反応は求核置換反応と呼ばれます。求核剤は、ハロアルカンの中心炭素原子に結合したハロゲン原子を置換します。脱離するハロゲンは脱離基と呼ばれます。この反応は、SN1 と SN2 の 2 つのタイプに分類できます。
SN1 反応は 2 段階の反応であり、その名前が示すように単分子反応です (したがって 1)。最初のステップでは、炭素とハロゲンの間の結合が切断され、2 番目のステップでは、求核試薬が中心の炭素原子と結合します。
SN2 反応は 1 ステップの反応であり、その名前が示すように、2 分子反応です (したがって 2)。この反応では、炭素と求核剤の間の結合形成と、炭素とハロゲンの間の結合の切断が同時に行われます。
