SN1-reaktion – definition och mekanism för nukleofil substitution

Ett exempel på en reaktion som sker med en _NS1-reaktionsmekanism är hydrolysen av tert-butylbromid med vatten för att bilda tert-butylalkohol:

Denna _NS1-reaktion sker i tre steg:

• Bildning av en tert-butylkarbokation genom separation av en avgångsgrupp (en bromidanjon) från kolatomen; detta steg är långsamt och reversibelt.

• Nukleofil attack: karbokationen reagerar med nukleofilen. Om nukleofilen är en neutral molekyl (dvs. ett lösningsmedel) krävs ett tredje steg för att slutföra reaktionen. När lösningsmedlet är vatten är intermediären en oxoniumjon. Detta reaktionssteg är snabbt.

• Deprotonering: Avlägsnande av en proton på den protonerade nukleofilen genom att vatten agerar som en bas och bildar alkoholen och en hydroniumjon. Detta reaktionssteg är snabbt.

Eftersom det första steget är flaskhalsen eller det "hastighetsbestämmande steget" klassificerar kemister hela reaktionsmekanismen som _NS1. Endast en molekyl behövs för detta steg.

Ibland kan en molekyl reagera med antingen en _NS1- eller en _NS2-mekanism. _NS1-mekanismen vinner denna tävling när den centrala kolatomen är omgiven av stora grupper, eftersom sådana grupper steriskt hindrar _NS2-reaktionen. Dessutom ökar bulkiga substituenter på det centrala kolet hastigheten för karbokationsbildningen på grund av att den steriska spänningen avlastas. Den resulterande karbokationen stabiliseras också genom både induktiv stabilisering och hyperkonjugering från knutna alkylgrupper. Hammond-Leffler-postulatet säger att även detta ökar karbokationsbildningshastigheten. _NS1-mekanismen dominerar därför i reaktioner vid tertiära alkylcentra och observeras vidare vid sekundära alkylcentra i närvaro av svaga nukleofiler.

Ett exempel på en reaktion som går till på _NS1-sättet är syntesen av 2,5-diklor-2,5-dimetylhexan från motsvarande diol med koncentrerad saltsyra:

När alfa- och betasubstitutionerna ökar med avseende på avgångsgrupperna, ändras reaktionen från _NS2 till _NS1.

Den karbokationsintermediat som bildas i reaktionens hastighetsbegränsande steg är ett ²sp-hybridiserat kol med trigonal plan molekylär geometri. Detta möjliggör två olika vägar för den nukleofila attacken, en på vardera sidan av den plana molekylen. Om ingen av dessa vägar är gynnad kommer de två vägarna att användas lika mycket, vilket ger en racemisk blandning av enantiomerer om reaktionen äger rum vid ett stereocentrum. Detta illustreras nedan i _NS1-reaktionen av S-3-chlor-3-metylhexan med en jodidjon, som ger en racemisk blandning av 3-jod-3-metylhexan:

Ett överskott av en stereoisomer kan dock observeras, eftersom avgångsgruppen kan förbli nära karbokationsintermediären under en kort tid och blockera nukleofil angrepp. Detta skiljer sig mycket från _NS2-mekanismen, som inte blandar produktens stereokemi (en stereospecifik mekanism). _NS2-mekanismen inverterar alltid molekylens stereokemi.

Två vanliga sidoreaktioner är eliminationsreaktioner och karbokationsomarrangemang. Om reaktionen utförs under varma eller heta förhållanden (som gynnar en ökning av entropin) är det troligt att E1-eliminering dominerar, vilket leder till att en alken bildas. Vid lägre temperaturer är _NS1- och E1-reaktionerna konkurrerande reaktioner. Det blir alltså svårt att gynna den ena reaktionen framför den andra. Även om reaktionen utförs kallt kan en del alken bildas. Om man försöker utföra en _NS1-reaktion med hjälp av en starkt basisk nukleofil, t.ex. hydroxid- eller metoxidjon, kommer alkenet återigen att bildas, denna gång via en E2-eliminering. Detta gäller särskilt om reaktionen värms upp. Slutligen, om karbokationsintermediären kan omorganiseras till en stabilare karbokation, kommer den att ge en produkt som härrör från den stabilare karbokationen snarare än den enkla substitutionsprodukten.

Lösningsmedel ändrar reaktionshastigheten. Eftersom _NS1-reaktionen innebär att en instabil karbokationsintermediat bildas i det hastighetsbestämmande steget, kommer allt som kan bidra till detta att påskynda reaktionen. De normala lösningsmedlen är både polära (för att stabilisera joniska intermediärer i allmänhet) och protiska (för att solvera den avgående gruppen i synnerhet). Typiska polära protiska lösningsmedel är vatten och alkoholer, som också fungerar som nukleofiler.

Y-skalan korrelerar reaktionshastigheten för solvolysreaktioner för alla lösningsmedel (k) med den för ett standardlösningsmedel (80 % v/v etanol/vatten) (k₀) genom att

log ( k k )0 = m Y {\displaystyle \log {\left({\frac {k}{k_{0}}}\right)}=mY\,}

där m är en reaktantkonstant (m = 1 för tert-butylklorid),

• Y en parameter för lösningsmedel, och
• k₀ är reaktionshastigheten med ett lösningsmedel på 80 % etanol (mätt i volym).

Exempelvis ger 100 % etanol Y = -2,3, 50 % etanol i vatten Y = +1,65 och 15 % koncentration Y = +3,2.