A5.6 Nucleofil substitution

Supplerende stof

Dette afsnit går videre end kernestoffet. Til den skriftlige prøve er det nok at kunne genkende en substitution og at vurdere en mekanisme, som i afsnit A3.3 og afsnit A5.5. Afsnittet her giver forklaringen bag og er nyttigt til den mundtlige prøve og til arbejdet i laboratoriet.

NoteDet skal du kunne

• forklare ordene nucleofil, elektrofil og udgående gruppe
• vise med buede pile, hvordan elektronparrene flytter sig i en substitution
• beskrive mekanismerne S_N2 og S_N1 og knytte hver af dem til et hastighedsudtryk og en energiprofil
• forudsige, hvilken mekanisme et halogenalkan reagerer efter
• forklare, hvad der sker med et asymmetrisk carbonatom ved de to mekanismer

I afsnit A5.5 så du to substitutioner, der ligner hinanden på papiret. Brommethan reagerer med hydroxid i ét trin, mens 2-brom-2-methylpropan reagerer i to trin. Hastighedsudtrykkene afslørede forskellen, men de forklarede den ikke. Det gør dette afsnit, og forklaringen ligger i, hvor elektronerne er, og hvor meget plads der er omkring carbonatomet.

Nucleofil og elektrofil

I et halogenalkan som brommethan, CH₃Br, er bindingen mellem carbon og brom polær. Bromatomet trækker mest i bindingens elektroner, så carbonatomet bliver svagt positivt ladet.

Figur 1: De tre roller i en nucleofil substitution.

• En nucleofil er en partikel med et ledigt elektronpar, som den kan bruge til at danne en ny binding. Ordet betyder “kerneelskende”: nucleofilen søger hen mod noget positivt. Hydroxidionen er en nucleofil.
• Et elektrofilt atom mangler elektroner og tager gerne imod et elektronpar. Carbonatomet i brommethan er elektrofilt.
• Den udgående gruppe er det atom eller den gruppe, der forlader molekylet og tager bindingens to elektroner med sig. Her er det bromatomet, som bliver til en bromidion.

Når en nucleofil sætter sig på et carbonatom og skubber en udgående gruppe ud, kaldes reaktionen en nucleofil substitution.

Nucleofil	Produktet er	Eksempel med bromethan
OH− eller H2O	en alkohol	CH3CH2OH
NH3	en amin	CH3CH2NH2
CN−	et nitril, og carbonkæden bliver ét atom længere	CH3CH2CN
I−	et iodalkan	CH3CH2I

En god udgående gruppe er en ion, der har det godt alene i opløsningen. Iodid er bedst, derefter bromid og chlorid. Fluorid er en dårlig udgående gruppe.

Buede pile

Kemikere viser en mekanisme med buede pile. En buet pil viser ét elektronpar, der flytter sig. Den begynder dér, hvor elektronparret er: ved et ledigt elektronpar eller midt på en binding. Den ender dér, hvor elektronparret havner: ved et atom eller midt imellem to atomer, hvor der dannes en ny binding.

S_N2: ét trin

Brommethan og hydroxid reagerer i en enkelt elementarreaktion:

CH₃Br + OH⁻ → CH₃OH + Br⁻

Figur 2: Mekanismen for en S_N2-reaktion.

Hydroxidionen angriber carbonatomet bagfra, altså fra den side, der vender væk fra bromatomet. Samtidig med at den nye binding bliver dannet, bliver bindingen til brom brudt. Midtvejs er carbonatomet halvt bundet til begge. Det øjeblik kaldes overgangstilstanden. Det er det aktiverede kompleks fra afsnit B1.3, som ligger på toppen af bakken i energiprofilen.

Fordi nucleofilen og halogenalkanet skal støde sammen, indgår begge i hastighedsudtrykket:

\[ v = k \cdot [\mathrm{CH_3Br}] \cdot [\mathrm{OH^-}] \]

Navnet S_N2 står for substitution, nucleofil, og 2, fordi to partikler er med i det hastighedsbestemmende trin.

S_N1: to trin

2-brom-2-methylpropan reagerer anderledes:

(CH₃)₃CBr + OH⁻ → (CH₃)₃COH + Br⁻

Figur 3: Mekanismen for en S_N1-reaktion.

Trin 1 er langsomt. Bindingen mellem carbon og brom går i stykker af sig selv, og bromatomet tager begge elektroner med. Tilbage står en carbokation: et carbonatom med kun tre bindinger og en positiv ladning. Det har tre naboer, så det er sp²-hybridiseret og plant, som du lærte i afsnit A4.2.

Trin 2 er hurtigt. Carbokationen er meget elektrofil, og den første nucleofil, der kommer forbi, sætter sig på.

Kun halogenalkanet er med i det langsomme trin, så nucleofilens koncentration betyder ikke noget for farten:

\[ v = k \cdot [\mathrm{(CH_3)_3CBr}] \]

Navnet S_N1 står for substitution, nucleofil, og 1, fordi kun én partikel er med i det hastighedsbestemmende trin. Carbokationen er et mellemprodukt.

Figur 4: Energiprofilerne for de to mekanismer.

	SN2	SN1
Antal trin	1	2
Mellemprodukt	intet	en carbokation
Hastighedsudtryk	v = k · [halogenalkan] · [nucleofil]	v = k · [halogenalkan]
Samlet orden	2	1
Dobbelt så meget nucleofil	dobbelt så hurtigt	ingen forskel

Hvilken mekanisme?

Det afgørende er, hvor mange carbonatomer der sidder på det elektrofile carbonatom. Halogenalkaner inddeles som alkoholerne i afsnit B4.2 i primære, sekundære og tertiære.

Figur 5: Antallet af carbonatomer på det elektrofile carbonatom bestemmer mekanismen.

To ting trækker hver sin vej:

• Pladsen. Ved S_N2 skal nucleofilen ind bagfra. I brommethan og i et primært halogenalkan er der fri adgang. I et tertiært halogenalkan spærrer de tre methylgrupper vejen.
• Carbokationen. Ved S_N1 skal der dannes en carbokation. Carbongrupper på det positive carbonatom skubber elektroner ind mod det og fordeler ladningen. En tertiær carbokation er derfor langt mere stabil end en primær, og en primær dannes næsten aldrig.

Et sekundært halogenalkan kan gå begge veje. Her afgør nucleofilen og opløsningsmidlet udfaldet: en stærk nucleofil som OH⁻ i høj koncentration trækker mod S_N2, mens en svag nucleofil som vand trækker mod S_N1.

NoteEksempel: forudsig mekanismen

Forudsig mekanismen og produktet, når (a) 1-brombutan reagerer med cyanidioner, og (b) 2-brom-2-methylbutan reagerer med vand.

(a) 1-brombutan og CN⁻

Bromatomet sidder på et carbonatom med ét carbonatom som nabo. Halogenalkanet er primært, så der er fri adgang bagfra, og en primær carbokation dannes ikke. Reaktionen er en S_N2-reaktion:

CH₃CH₂CH₂CH₂Br + CN⁻ → CH₃CH₂CH₂CH₂CN + Br⁻

Hastighedsudtrykket er v = k · [C₄H₉Br] · [CN⁻]. Produktet er pentannitril, og carbonkæden er blevet ét atom længere.

(b) 2-brom-2-methylbutan og H₂O

Bromatomet sidder på et carbonatom med tre carbonatomer som naboer. Halogenalkanet er tertiært, så vejen bagfra er spærret, og carbokationen er stabil. Reaktionen er en S_N1-reaktion:

(CH₃)₂C(Br)CH₂CH₃ + H₂O → (CH₃)₂C(OH)CH₂CH₃ + HBr

Hastighedsudtrykket er v = k · [C₅H₁₁Br]. Produktet er 2-methylbutan-2-ol.

Den rumlige opbygning

De to mekanismer kan også kendes på, hvad der sker med et asymmetrisk carbonatom. Det kan måles med et polarimeter, som du lærte i afsnit A3.5.

Figur 6: Et asymmetrisk carbonatom ved de to mekanismer.

• Ved S_N2 kommer nucleofilen ind fra den modsatte side af den udgående gruppe. De tre andre grupper vipper over, som en paraply, der vender i blæsten. Begynder man med den ene spejlbilledform, får man kun én spejlbilledform af produktet, og opløsningen er stadig optisk aktiv.
• Ved S_N1 er carbokationen plan, og nucleofilen kan lige så godt komme fra den ene side som fra den anden. Man får de to spejlbilledformer i lige store mængder. Det er en racemisk blanding, som ikke drejer lyset.

Substitution eller elimination?

En nucleofil har et ledigt elektronpar, og det har en base også. Hydroxidionen kan derfor også optage en hydron fra carbonatomet ved siden af det elektrofile carbonatom. Så forsvinder den udgående gruppe, og der dannes en dobbeltbinding. Det er en elimination, som du kender fra afsnit A3.3. Substitution og elimination konkurrerer ofte, og en høj temperatur og en stærk base giver mere elimination.

Nucleofil substitution i kroppen

Kroppen bruger S_N2-reaktioner, når den flytter en methylgruppe fra ét molekyle til et andet. Sådan bliver signalstoffet noradrenalin til adrenalin: det ledige elektronpar på nitrogenatomet i noradrenalin er nucleofilen, og methylgruppen kommer fra et hjælpestof, hvor den sidder på et positivt ladet svovlatom, som er en god udgående gruppe. Et enzym holder de to molekyler i den rigtige stilling, så angrebet bagfra kan lykkes. Hvordan et enzym gør det, ser du i kapitel A6.

VigtigtTil den skriftlige prøve

• Afsnittet er supplerende stof. Navnene S_N1 og S_N2 og de buede pile kræves ikke til den skriftlige prøve.
• Det, du kan få brug for, er sammenhængen fra afsnit A5.5: hastighedsudtrykket for det langsomme trin skal passe med det målte hastighedsudtryk.
• Indgår nucleofilen i det målte hastighedsudtryk, er den med i det langsomme trin. Indgår den ikke, sker det langsomme trin uden den.
• Til den mundtlige prøve er det en styrke at kunne tegne mekanismen og forklare valget ud fra halogenalkanets opbygning.

NoteKort sagt

• En nucleofil har et ledigt elektronpar og angriber et elektrofilt carbonatom, og den udgående gruppe tager bindingens elektroner med sig.
• En buet pil viser et elektronpar, der flytter sig.
• S_N2 sker i ét trin med angreb bagfra, og hastighedsudtrykket er v = k · [halogenalkan] · [nucleofil].
• S_N1 sker i to trin over en carbokation, og hastighedsudtrykket er v = k · [halogenalkan].
• Primære halogenalkaner reagerer efter S_N2, tertiære efter S_N1, og sekundære kan gøre begge dele.
• S_N2 vender den rumlige opbygning, og S_N1 giver en racemisk blanding.

Prøv selv: Reaktionshastighed: find ud af, hvilken reaktion der er S_N1.

Se alle opgaver til emnet “Nucleofil substitution” (A5.6)