مهمترین خانواده واکنش هایی که در شیمی آلی مقدماتی مطالعه خواهید کرد عبارتند از واکنش های جایگزینی. تفاوت بین انواع واکنش های SN1 و SN2 یک مفهوم کلیدی است و بر اساس یک سوال کلیدی است: مانع فضایی چیست؟

اگر شما یک دانشجوی شیمی آلی هستید، قطعاً باید دو نوع کلی از واکنش های جایگزینی را درک کنید. و اگر در حال تدریس یک دوره ابتدایی o-chem هستید، باید مطمئن شوید که دانش‌آموزان شما به آنها تسلط دارند. همچنین مطمئن شوید که از دلایل واکنش مولکول ها با یکدیگر آگاه باشید!

اکثر دوره های شیمی آلی (در اینجا بهترین کتاب ها را بررسی کنید) با بررسی واکنش های جایگزینی شروع می شوند.

بنابراین احتمالاً با آنها آشنا هستید. آنها برای پاسخ به سوال کلیدی هستند مانع فضایی در شیمی آلی چیست؟.

در هر صورت، بیایید به درستی آن را برش دهیم و به سرعت توضیح دهیم که واکنش های جایگزینی چیست.

واکنش های جایگزینی چیست؟

واکنش های جایگزینی واکنش های شیمیایی هستند که در آنها یک گروه عاملی روی یک مولکول با یک گروه دیگر جایگزین می شود. یکی از اساسی ترین نمونه های واکنش جانشینی، واکنش فینکلشتاین است.

واکنش فینکلشتاین همچنین به عنوان واکنش “تبادل هالوژن” شناخته می شود، زیرا اساساً این است:

آ پیوند کربن – هالوژن قطبی شده است، اتم کربن متصل به هالوژن است الکتروفیلیک، و می تواند توسط یک مورد حمله قرار گیرد نوکلئوفیل خارجی.

 

در پست قبلی به مفهوم توزیع الکترون پرداختیم. هالوژن ها می توانند به عنوان هسته دوست عمل کنند. این منجر به تبادل یکی با دیگری از طریق مکانیسم SN2 می شود.

این واکنش تبادل هالوژن در واقع یک تعادل است: برگشت پذیر است و می تواند در هر دو جهت انجام شود. با این حال، می توانید این نوع جایگزینی را با استفاده از حلالیت انجام دهید:

در مثال بالا، کلرید سدیم، که به طور قابل توجهی در استون نامحلول است، از مخلوط واکنش رسوب می کند. این تعادل را به سمت راست هدایت می کند. این تجسم خوبی از اصل Le Chatelier است.

این واکنش جایگزینی از طریق چیزی که ما a می نامیم می گذرد مکانیسم SN2.

مکانیسم های SN2 در مقابل SN1

در شیمی آلی، یک مکانیسم واکنش توالی گام به گام است که در آن یک واکنش انجام می شود. روشی که واکنش دهنده ها از طریق حالت های گذار به یکدیگر متصل می شوند و نحوه تبدیل آنها به محصولات واکنش را پوشش می دهد.

یک واکنش جانشینی ساده می تواند از طریق دو نوع توالی اصلی یا مکانیسم واکنش انجام شود: SN2 در مقابل SN1.

اس مخفف جایگزینی (که قبلاً به آن پرداختیم) ن مخفف nucleophilic است (زیرا یک هسته دوست با یک هسته دوست جایگزین می شود).

1 و 2 ایستادن برای تک مولکولی و دو مولکولی، به ترتیب. اینها مفاهیم ساده مکانیکی هستند،

واکنش های SN2 چگونه انجام می شود؟

واکنش های دو مولکولیمانند SN2، از طریق یک حالت گذار انجام می شود که در آن دو واکنش دهنده به یکدیگر متصل می شوند.

در مثال زیر، الکتروفیل (در این مورد اتیل برومید) و نوکلئوفیل (یک گروه هیدروکسیل) از طریق یک حالت گذار پنج هماهنگی که هر دو واکنش دهنده را شامل می شود، واکنش نشان می دهند:

این پیامدهای عملی متفاوتی دارد.

برای مثال، از آنجایی که دو تا از واکنش‌دهنده‌ها در مرحله محدودکننده سرعت فرآیند کلی شرکت دارند، سرعت واکنش به غلظت هر دو واکنش‌دهنده بستگی دارد.

علاوه بر این، واکنش‌های جایگزینی که از طریق مکانیسم SN2 انجام می‌شوند، از طریق وارونگی پیکربندی (R به، یا برعکس) در اتم کربنی که تبادل در آن صورت می گیرد. این به این دلیل است که، همانطور که در طرح بالا می بینید، واکنش های SN2 از طریق یک «حمله پشتی» جایگزین می شوند.

اما برخی از واکنش های جایگزینی نمی تواند از طریق این نوع مکانیسم SN2 عبور کند. این عمدتا به دلیل مانع فضایی.

مانع استریک چیست؟

به نمودار زیر نگاه کنید. این نوع حمله دو مولکولی که واکنش‌های SN2 را تعریف می‌کند، می‌تواند به راحتی در الکتروفیل‌های اولیه یا حتی در الکتروفیل‌های ثانویه رخ دهد.

با این حال، الکتروفیل های درجه سوم مانند ترت– بوتیل بروماید نمی تواند تحت این نوع حمله از پشت قرار گیرد. این به دلیل مانع فضایی.

ما قبلا در این پست به اثرات الکترونیکی و فضایی در شیمی آلی پرداختیم. برای گسترش بیشتر در مورد این موضوع، حتما آن را بررسی کنید.

اما واکنش جایگزینی در واقع می تواند در الکتروفیل های حجیم مانند ترت-بوتیل بروماید، فقط نه از طریق مکانیسم SN2.

به هر حال، یکی از جالب‌ترین راه‌ها برای تجسم جلوه‌های فضایی، و تفاوت SN1 در مقابل SN2، استفاده از یک مدل مولکولی مانند این است! حتما راهنمای تصویری خود را در مورد نحوه استفاده از مدل های مولکولی برای یادگیری شیمی آلی نیز بررسی کنید.

SN2 در مقابل SN1 یک مفهوم کلیدی است که هر کسی که در حال ورود به شیمی است، نه تنها در مواد آلی. در صورتی که شروع به کار کرده اید و امتحانات شیمی AP را آماده می کنید، شاید بخواهید به مواد آماده سازی دست پیدا کنید.

مانع استریک و مکانیسم SN1

SN1 یک مکانیسم واکنش جایگزینی است که در آن هسته دوست به الکتروفیل شروع کننده حمله نمی کند به طور مستقیم.

در عوض، از آنجایی که مانع فضایی مانع از وقوع این امر می‌شود، واکنش در دو مرحله متفاوت انجام می‌شود: اول، گروه ترک از الکتروفیل جدا می‌شود و باعث ایجاد یک کربوکاتیون گذرا می‌شود.

این الکتروفیل جدید برای حمله هسته دوست بسیار قابل دسترس تر است و می تواند توسط یک هسته دوست خارجی مورد حمله قرار گیرد.

از آنجایی که این واسطه گذرا کاتیونی است، بسیار الکتروفیل خواهد بود، به این معنی که ترکیب با هسته دوست بسیار سریع خواهد بود. این باعث می شود که تشکیل واسطه کاتیونی مرحله آهسته یا محدود کننده سرعت فرآیند باشد. این مرحله فقط یکی از واکنش دهنده ها را شامل می شود، به همین دلیل است که به آن “تک مولکولی” (SN) می گویند.1) واکنش.

شایان ذکر است که پایداری بالای کربوکاتیون های ثالثی به دلیل اثرات القایی، عنصری کلیدی است که امکان امکان پذیر شدن این مسیر را فراهم می کند:

این واقعیت که واکنش SN1 از یک واسطه کاتیونی عبور می کند، پیامدهای متضادی نسبت به واکنش SN2 دارد: سرعت واکنش فقط به غلظت الکتروفیل بستگی دارد.

نتیجه استریوشیمیایی واکنش‌های جایگزینی SN1

علاوه بر این، به جای وارونگی پیکربندی در کربن الکتروفیل، چیزی که به دست می آورید مخلوط 50:50 از هر دو انانتیومر R و S است. این به این دلیل اتفاق می افتد که واسطه کاتیونی مسطح مثلثی می تواند به طور مساوی از هر دو طرف مورد حمله قرار گیرد.

این در طرح زیر نشان داده شده است:

شروع از یک تک اس انانتیومر یک الکتروفیل سوم، اگر جایگزینی نوکلئوفیل انجام دهیم، به دلیل مانع فضایی، از طریق مکانیسم SN1 انجام می شود. یک کربوکاتیون مسطح تشکیل می شود که می توان به طور مساوی از هر دو طرف به آن حمله کرد. این منجر به یک مخلوط آماری 50:50 می شود اس و آر انانتیومرها

به طور خلاصه: مکانیسم های SN1 در مقابل SN2 بر اساس اثرات استریک

به طور خلاصه، واکنش های جانشینی تبادل ساده گروه های عاملی مانند هالوژن های مختلف است.

اگر اثرات فضایی اجازه دهد، این واکنش ها از طریق مکانیسم هماهنگ دو مولکولی SN2 انجام می شود که باعث وارونگی پیکربندی می شود.

اگر مانع فضایی بیش از حد زیاد باشد که این اتفاق نیفتد، واکنش های جایگزینی به صورت مرحله ای انجام می شود. ابتدا گروه خروجی از الکتروفیل جدا می شود و یک واسطه کاتیونی مسطح ایجاد می کند. این از نظر فضایی بیشتر در دسترس است و می تواند توسط هسته دوست از هر طرف به طور مساوی مورد حمله قرار گیرد.

راهنمای کلی ما در مورد نحوه یادگیری شیمی را از دست ندهید تا یک مرور کلی از آنچه ما بهترین رویکرد را در نظر می گیریم و همچنین بسیاری از منابع را از دست ندهید.

این تا حد زیادی آن را خلاصه می کند.

امیدواریم همه چیز روشن شده باشد، اما اگر سوال یا پیشنهادی دارید، حتما در بخش نظرات با ما در میان بگذارید.

علاوه بر این، ما شما را تشویق می کنیم که این مقاله را با هر کسی که ممکن است مفید باشد، به خصوص دانشجویان یا اساتید به اشتراک بگذارید!