تصمیم گیری SN1/SN2/E1/E2: نقش کلیدی آلکیل هالید (“زیر لایه”)

پس از گذراندن واکنش‌های SN1، SN2، E1 و E2، اکنون می‌توانیم موارد زیر را بگوییم:

• هر دو واکنش جایگزینی و واکنش های حذف رخ می دهد با آلکیل هالیدها (و گونه های مرتبط). آنها با آلکنیل (sp²هالیدهای هیبرید شده) یا آلکینیل (sp-hybridized).
• آیا یک آلکیل هالید است اولیه، ثانویه یا سوم تأثیر فوق‌العاده‌ای در مسیر واکنشی که واکنش دنبال می‌کند دارد. ما دیده‌ایم که چگونه مسیر SN2 توسط مانع فضایی به تاخیر می‌افتد، و تشکیل کربوکاتیون با افزایش جایگزینی توسط کربن (به عنوان مثال سوم > ثانویه > اولیه) مورد علاقه است.
• طیف گسترده ای از نوکلئوفیل ها/بازها را می توان برای انجام واکنش های جایگزینی و حذف استفاده کرد.
• طیف گسترده ای از حلال ها را می توان در واکنش های جایگزینی و حذف استفاده کرد
• همچنین باید اهمیت عواملی مانند گروه خروجی و دما را بسنجیم.

این عوامل مختلفی است که باید در مورد آنها فکر کرد. بیایید به چند نمونه از موقعیت هایی که ممکن است با آنها برخورد کنید نگاهی بیندازیم:

این اغلب یکی از دشوارترین بخش های شیمی آلی برای دانشجویان جدید است: چگونه عوامل متعدد (و اغلب متناقض) را وزن کنیم؟ چگونه بفهمیم کدام عامل مهمتر است؟ آیا به پایه، بستر، دما، حلال توجه می کنیم؟ چگونه می توانیم مشکلی مانند این را مرتب کنیم؟

در این پست و چند پست بعدی، یک روش فکری در مورد چگونگی ارزیابی اینکه آیا واکنش از طریق SN1/SN2/E1/E2 انجام می‌شود را بررسی خواهیم کرد. این 100% ضد خطا نیست، اما چارچوبی مناسب برای اهداف ما است. به آن به عنوان مجموعه ای از دستورالعمل های 80/20 فکر کنید. من اسمش را این می گذارم:

راهنمای Quick N’ Dirty برای تعیین SN1/SN2/E1/E2

با پرسیدن سوال شروع می شود. به ترتیب اهمیت، فکر می کنم آنها عبارتند از:

1. بستر
2. نوکلئوفیل/پایه
3. حلال
4. درجه حرارت

این نیز رویکردی است که من به آن تمایل دارم (حداقل در ابتدا) رد کردن چیزها به جای اینکه چیزها را «در» حکومت کند. به عبارت دیگر، به دنبال تصمیم گیری در مورد گزینه ها باشید نه امکان پذیر است، به جای اینکه تصمیم بگیرید کدام یک ممکن است. این یک تمایز ظریف است، اما یک تمایز ارزشمند. هنگامی که واکنش های خاصی را از لیست خارج کردید، می توانید از خود بپرسید که کدام واکنش ها با شرایط واکنش سازگارتر است.

یاد آوردن: این است “Quick N’ Dirty» راهنمای! چند استثنا وجود خواهد داشت! (بیشتر در مورد موارد پایین)

قبل از مشخص شدن هر یک از این 4 سوال، اجازه دهید با مهم ترین سوالی که می توانید در آن بپرسید شروع کنیم هر وضعیتی مانند موارد بالا

مهمترین مرحله در ارزیابی هر واکنش ابتدا این است که از خود بپرسید «چه نوع گروه(های) عاملی در این مولکول وجود دارد؟ این بخاطر این است که نوع گروه عاملی نوع واکنش(هایی) را که ممکن است رخ دهد را تعیین می کند. توجه داشته باشید که در سوالات بالا، تمامی مواد اولیه هستند آلکیل هالیدها یا الکل ها. واکنش های جایگزینی/حذفی برای این بسترها امکان پذیر است. بسیاری از انواع دیگر واکنش (علاوه بر اینبرای مثال) نیستند.

Quick N’ Dirty Question 1: Substrate

با توجه به اینکه ما به آلکیل هالیدها/الکل ها نگاه می کنیم، انتظار منطقی است که SN1/SN2/E1/E2 را ارزیابی کنیم. مرحله بعدی شناسایی نوع از آلکیل هالید که با آن سروکار داریم.
نگاه کن به کربنی که حاوی بهترین گروه خروجی است. به طور معمول این Cl، Br، I یا گروه دیگری است که می تواند به عنوان یک گروه ترک خوب عمل کند.
از خود بپرسید: آیا این کربن اولیه، ثانویه یا سوم است؟

با توجه به آنچه در مورد واکنش های SN1، SN2، E1 و E2 می دانیم، می توانیم موارد زیر را بیان کنیم:

• “موانع بزرگ” برای واکنش SN2 است مانع فضایی سرعت واکنش های SN2 می رود اولیه > ثانویه > ثالثیه
• “موانع بزرگ” برای واکنش های SN1 و E1 است پایداری کربوکاتیون. سرعت واکنش های SN1 و E1 به ترتیب پیش می رود سوم > ثانویه > اولیه.
• واکنش E2 به خودی خود “موانع بزرگ” ندارد (اگرچه بعداً باید نگران استریوشیمی باشیم)

بنابراین چگونه می توانیم آنچه را که در مورد هر یک از این واکنش ها می دانیم برای ساده سازی تصمیم خود به کار ببریم؟

برای کربن های اولیه، SN1 و E1 را رد کنید

قانون Quick N’ Dirty #1: اگر بستر است اولیه، می توانیم S_ن1 و E1، زیرا کربوکاتیون های اولیه ناپایدار هستند* (برای موارد استثنا به زیر مراجعه کنید). تو نمی توانی به طور قطعی هنوز E2 را رد می‌کنم، هر چند که می‌گویم تقریباً مطمئناً S خواهد بود_ن2 مگر اینکه از یک باز بسیار استریک (“حجم”) مانند یون ترت بوتوکسید (مانند پتاسیم t-butoxide KOtBu) استفاده کنید.

برای کربن های سوم، SN2 را رد کنید

قانون Quick N’ Dirty #2: اگر بستر است درجه سوم، می توانیم S_ن2، زیرا کربن های درجه سوم به طور فضایی بسیار مانع می شوند.

اگر بستر است ثانوی، ما نمی توانیم چیزی را رد کنیم (هنوز).

همانطور که می بینید، بر اساس اطلاعاتی که تاکنون ارزیابی کرده ایم، نمی توانیم تصمیم قطعی در مورد SN1/SN2/E1/E2 بگیریم. قبل از اینکه بتوانیم تصمیم نهایی را بگیریم، باید عوامل دیگری را بررسی کنیم. در مرحله بعد، نقش هسته دوست/پایه را ارزیابی خواهیم کرد.

پست بعدی: نقش هسته دوست

—————-پایان راهنمای سریع و کثیف، قسمت اول ————————–

یادداشت: آخرین کلمه هشدار در مورد زیرلایه: واکنش های SN1/SN2/E1/E2 تمایل دارند روی آلکنیل یا آلکینیل هالیدها رخ ندهد. بنابراین اگر یکی از زیرلایه های زیر را مشاهده کردید، به احتمال زیاد هیچ واکنشی رخ نخواهد داد

چرا آلکنیل و آلکینیل هالیدها بسیار بد هستند؟ خب، مکانیسم‌های SN1، SN2 و E1 همگی شامل ایجاد بار مثبت قابل‌توجه بر روی کربن حامل گروه خروجی و پایداری sp می‌شوند.² و کربوکاتیونهای هیبرید شده sp بسیار کمتر از sp است³ کربوکاتیون های هیبرید شده [for the same reason that sp and sp² anions are more stable than sp³ carbanions!].

واکنش های E2 نیز به دلیل پیوندهای قوی تر CH آلکن ها دشوارتر است. [We’ll see later that there is one example of an E2 that can occur on alkenyl halides, but the point remains that they are very rare!]

—— استثناها —–

* یک سوال که زیاد مطرح می شود این است که آیا استثناهایی وجود دارد؟ با در نظر گرفتن دو موضوع “ممانعت فضایی” و “پایداری کربوکاتیون”، موارد لبه‌ای وجود دارد که می‌توانیم یک آلکیل هالید اولیه با مانع فضایی خاص، یا یک کربوکاتیون اولیه به ویژه پایدار داشته باشیم.

به عنوان مثال، آلکیل هالید زیر (“نئوپنتیل برومید”) در واقع اولیه است، اما آنقدر روی کربن مجاور آلکیل هالید اولیه شلوغ است که اساسا در واکنش های SN2 بی اثر است. در سمت SN1/E1، آلیل هالید زیر، در حالی که اولیه است، می تواند تحت واکنش های SN1/E1 قرار گیرد زیرا کربوکاتیون حاصل از طریق رزونانس تثبیت می شود. تا زمانی که “موانع بزرگ” را برای هر واکنش در نظر داشته باشید، باید خوب باشید.

---

آیا با SN1/SN2/E1/E2 مبارزه می کنید؟ برگه‌های خلاصه Org 1 ما (PDF) حاوی یک فلوچارت تمام صفحه در مورد تصمیم‌گیری SN1/SN2/E1/E2، و همچنین دو صفحه دیگر که خلاصه‌ای از واکنش‌های جایگزینی و حذفی، علاوه بر بسیاری از موضوعات دیگر Org 1 است.

---