جایگزینی آسیل نوکلئوفیلیک (با نوکلئوفیل های دارای بار منفی)

بله، واکنش های زیادی از مشتقات کربوکسیلیک اسید برای یادگیری وجود دارد! در این مقاله، مهم‌ترین مسیر را بررسی خواهیم کرد: جایگزینی آسیل نوکلئوفیلیک.

اما خبرهای خوبی هم هست:

با نوکلئوفیل های دارای بار منفی، جایگزینی آسیل نوکلئوفیل از یک مکانیسم ساده دو مرحله ای (افزودن-حذف) پیروی می کند.
علاوه بر این، برای همه مقاصد، واکنش‌های NAS بسیار شبیه واکنش‌های اسید-باز هستند. اگر به خاطر بیاورید که «اسید قوی‌تر به اضافه باز قوی‌تر، اسید ضعیف‌تر به‌علاوه باز ضعیف‌تر می‌دهد»، به خوبی می‌توانید پیش‌بینی کنید که آیا یک واکنش جایگزینی آسیل نوکلئوفیلیک اتفاق می‌افتد یا خیر.

فهرست مطالب

جایگزینی آسیل نوکلئوفیلیک (NAS)
سه واکنش جایگزینی آسیل نوکلئوفیل (که بسیار خوب کار می کنند)
مکانیسم افزودن-حذف برای جایگزینی آسیل نوکلئوفیل با یک نوکلئوفیل با بار منفی
برخی از جایگزین های آسیل نوکلئوفیل که کار نمی کنند
واکنش‌های NAS هنگامی که گروه ترک پایگاه ضعیف‌تری نسبت به هسته‌دوست باشد، مطلوب است.
چند تمرین سریع
کربوکسیلیک اسیدها… اسید هستند!
صابون سازی
جایگزینی آسیل نوکلئوفیل درون مولکولی
معرف های Grignard و LiAlH4 را دو بار اضافه کنید
هسته دوست های خنثی و کاتالیز اسیدی
خلاصه
یادداشت
خودت امتحان کن
(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر
1. جایگزینی آسیل نوکلئوفیل

جایگزینی آسیل نوکلئوفیل واکنشی است که در آن یک نوکلئوفیل پیوند جدیدی با کربن کربونیل یک گروه آسیل ایجاد می کند که همراه با شکستن پیوند بین کربن کربونیل و گروه ترک همراه است.

این به عنوان یک واکنش جایگزینی طبقه‌بندی می‌شود، زیرا ما در حال تشکیل و شکستن پیوندی روی همان کربن هستیم. یک پیوند کربن-هسته دوست شکل می گیرد و یک پیوند گروهی با ترک کربن می شکند.

اگرچه مکانیسم متفاوت است، جایگزینی آسیل نوکلئوفیل به طور سطحی شبیه واکنش‌های جایگزینی است که قبلاً دیده‌ایم، مانند جایگزینی آلیفاتیک نوکلئوفیل و جایگزینی آروماتیک هسته‌دوست.

برای مشاهده سایر خانواده‌های واکنش‌های جانشینی هسته دوست، شناور را نگه دارید

در این مقاله به طور خاص نمونه‌هایی از واکنش‌های جایگزینی آسیل نوکلئوفیل با نوکلئوفیل‌های با بار منفی را پوشش خواهیم داد. در مقاله بعدی مواردی را پوشش خواهیم داد که از یک کاتالیزور اسیدی برای جایگزینی آسیل نوکلئوفیلیک استفاده می‌شود، مانند استری‌سازی فیشر، هیدرولیز اسیدی استرها و بسیاری نمونه‌های دیگر.

2. سه واکنش جایگزینی آسیل هسته دوست (که بسیار خوب کار می کنند)

در اینجا سه نمونه کلاسیک از واکنش‌های جایگزینی آسیل نوکلئوفیل وجود دارد که به خوبی کار می‌کنند.

در مرحله اول، کلریدهای اسیدی با کربوکسیلات ها (پایه مزدوج اسیدهای کربوکسیلیک که در اینجا به عنوان یک هسته دوست عمل می کند) واکنش می دهند و یک انیدرید می دهند. یک پیوند C-O جدید تشکیل می شود و یک پیوند C-Cl شکسته می شود.

در مثال دوم، یک انیدرید را با یک آلکوکسید درمان می کنیم و یک استر جدید تشکیل می دهیم. یک پیوند C-O تشکیل می شود و یک پیوند C-O شکسته می شود. در این مورد کربوکسیلات گروه خروجی ما است.

مثال سوم شامل استفاده از منبع هیدرید حجیم دی ایزوبوتیل آلومینیوم هیدرید (DIBAL-H) به یک استر در دمای پایین برای تشکیل یک آلدهید است. یک پیوند C-H جدید تشکیل می شود و یک پیوند C-O می شکند.

در دمای پایین (80- درجه یا بیشتر) این به خوبی کار می کند. دمای بالاتر منجر به کاهش بیش از حد می شود. [یادداشت 1]

3. مکانیسم افزودن-حذف برای جایگزینی آسیل نوکلئوفیل با یک نوکلئوفیل با بار منفی

بنابراین چگونه ممکن است این واکنش ها کار کنند؟ آنها واکنش های نوع SN2 نیستند، زیرا SN2 واقعاً فقط روی کربن های هیبرید شده sp3 موثر است. همچنین مشخص نشده است که آنها واکنش‌های نوع SN1 باشند که در آن گروه ترک ابتدا ترک می‌کند و سپس حملات هسته‌دوست (اگرچه این آسیلاسیون Friedel-Crafts را به خوبی توصیف می‌کند!)

در عوض، آزمایش‌ها شواهد قوی برای مکانیسم حذف-افزودن دو مرحله‌ای ارائه می‌دهند که از طریق یک واسطه چهار وجهی پیش می‌رود. [یادداشت 2]

مرحله اول باید از واکنش آلدئیدها و کتون ها بسیار آشنا باشد. [نگاه کنید به – الگوی دو مرحله ای ساده برای 7 واکنش کلیدی آلدئیدها و کتون ها]

کربن یک گروه C=O الکتروفیل است و به آسانی با نوکلئوفیل با بار منفی از طریق مکانیسم افزودن واکنش نشان می دهد [مرحله 1، تشکیل C-Nu، شکستن C-O (pi)]

حالا چی؟ از طریق معکوس کردن مکانیسم افزودن، که به نام حذف نامیده می شود، واسطه چهار وجهی می تواند به مواد اولیه بازگردد و گروه آسیل آغازین را بازسازی کند.

یا اگر یک گروه خروجی به اندازه کافی خوب داشته باشیم، حذف می تواند منجر به تشکیل مجدد پیوند C-O pi با از دست دادن یک گروه ترک شود.

[مرحله 2، فرم C-O (pi)، شکستن C-LG]

نتیجه این است که یک جایگزینی اتفاق افتاده است.

این مکانیسم دو مرحله‌ای به عنوان حذف-افزودن شناخته می‌شود و در شیمی مشتقات کربوکسیلیک اسید (به عنوان مثال گروه‌های آسیل) بسیار رایج است. در مواردی که از یک نوکلئوفیل خنثی استفاده می‌شود یا کاتالیزورهای اسیدی وجود دارند، برخی از مراحل انتقال پروتون می‌توانند مکانیسم را طولانی‌تر کنند (مانند PADPED) اما فرآیند هسته همچنان حذف-افزودن است.

جایگزینی آسیل نوکلئوفیلیک (با نوکلئوفیل های دارای بار منفی)

اما خبرهای خوبی هم هست:

فهرست مطالب

برای مشاهده سایر خانواده‌های واکنش‌های جانشینی هسته دوست، شناور را نگه دارید

2. سه واکنش جایگزینی آسیل هسته دوست (که بسیار خوب کار می کنند)

در اینجا سه نمونه کلاسیک از واکنش‌های جایگزینی آسیل نوکلئوفیل وجود دارد که به خوبی کار می‌کنند.

در دمای پایین (80- درجه یا بیشتر) این به خوبی کار می کند. دمای بالاتر منجر به کاهش بیش از حد می شود. [یادداشت 1]

3. مکانیسم افزودن-حذف برای جایگزینی آسیل نوکلئوفیل با یک نوکلئوفیل با بار منفی

[مرحله 2، فرم C-O (pi)، شکستن C-LG]

نتیجه این است که یک جایگزینی اتفاق افتاده است.

جایگزین های آسیل نوکلئوفیل که کار نمی کنند

تا اینجا خیلی خوبه، درسته؟ ما فقط نوکلئوفیل خود را به گروه آسیل اضافه می کنیم. نوکلئوفیل اضافه می شود، گروه ترک می رود و ما محصول جایگزین جدید خود را دریافت می کنیم. ساده!

در اینجا دو نمونه دیگر از واکنش‌های جایگزینی آسیل نوکلئوفیل وجود دارد.

ممکن است متوجه شده باشید که واکنش‌های نشان‌داده‌شده در اینجا دقیقاً برعکس واکنش‌های جایگزینی هسته‌دوست هستند که در بخش بالا «کار می‌کردند»، با این تفاوت که ما فقط هویت هسته دوست و گروه ترک را تغییر دادیم.

(به یاد بیاورید که یک گروه ترک فقط یک هسته دوست است که برعکس عمل می کند و بالعکس).

مشکل اینجاست، اگرچه می‌توانید این‌ها را «روی کاغذ» به‌عنوان واکنش‌های جانشینی آسیل هسته‌دوست ترسیم کنید، در دنیای واقعی می‌توانید منتظر رانش قاره‌ای برای ساخت Pangea II باشید، اما هنوز هم اتفاق نمی‌افتد.

پس چرا جایگزینی آسیل نوکلئوفیلیک در یک جهت مورد علاقه است و در جهت دیگر خیر؟

5. واکنش‌های NAS زمانی که گروه ترک پایگاه ضعیف‌تری نسبت به هسته‌دوست باشد، مطلوب است.

بیایید یک سفر بسیار کوتاه به Org 1 داشته باشیم، جایی که قانون طلایی واکنش‌های اسید-باز را یاد گرفتیم: جهت مطلوب واکنش اسید-باز، جهتی است که اسید قوی‌تر با باز قوی‌تر واکنش می‌دهد و اسید ضعیف‌تری ایجاد می‌کند. پایه ضعیف تر

ما به طور شهودی از این نقطه می دانیم که افزودن نمک خوراکی به آب منجر به ایجاد ابر خشمگین گاز HCl و هیدروکسید سدیم سوزاننده نمی شود، در حالی که افزودن HCl غلیظ به گلوله های NaOH کاری نیست که یک فرد هوشیار بدون اقدامات احتیاطی زیادی انجام دهد.

بنابراین هنگامی که سعی می کنید در نظر بگیرید که کدام جهت در یک واکنش جانشینی آسیل نوکلئوفیلیک مطلوب است، انتظار داشته باشید که به نفع تشکیل باز ضعیف تر باشد.

درست مانند جریان آب در سراشیبی، واکنش‌های NAS مانند آنیون پایدارتر (پایه ضعیف‌تر) جریان پیدا می‌کنند.

(همچنین ممکن است به «پایه ضعیف‌تر» به‌عنوان راه دیگری برای گفتن «یک جفت الکترون با پایداری بهتر» فکر کنیم.)

همچنین به ما کمک می کند تا بفهمیم چرا واکنش های جایگزینی آسیل نوکلئوفیل با آلدهیدها و کتون ها کار نمی کنند. منجر به یک یون هیدرید (H-) یا کربنیون (R -) می شود که هر دو بازهای بسیار قوی هستند. [نکته 3]

اگر pKa (از اسید مزدوج) را در مقابل گروه نوکلئوفیل/خروج نمودار کنیم، می‌توان آن را در قالب نمودار قرار داد.

واکنش هایی که شامل یک جریان “سرازیری” از هسته دوست به گروه ترک است، مورد علاقه هستند، در حالی که واکنش هایی که نیاز به تبدیل “سربالایی” از یک پایه ضعیف تر به یک پایه قوی تر دارند، نامطلوب خواهند بود.

راه دیگری برای بیان همین ایده، ساختن نموداری مانند شکل زیر است، که در آن ضعیف‌ترین باز (Cl-) قادر به انجام واکنش‌های جایگزینی آسیل هسته دوست نیست که ممکن است منجر به یک باز قوی‌تر شود:

به دلایلی که به زودی مشخص خواهد شد، HO(-) از این نمودار حذف شده است. [یادداشت 4]

برای مشاهده نمودار انرژی واکنش ساده شده، روی این لینک نگه دارید

6. چند تمرین سریع

برای اینکه این مفهوم جا بیفتد، چرا خودتان را با چند تمرین سریع امتحان نکنید؟

اول از همه، تیواسترها.

[یادداشت 5]

دوم، مثالی از تبدیل یک استر به استر دیگر، واکنشی به نام “ترانس استریفیکاسیون”.

ممکن است بپرسید – اگر تفاوت pKa زیادی بین گروه هسته دوست و گروه ترک وجود نداشته باشد، چه؟ اگر مثلاً با اتیل استر شروع کنیم و بخواهیم آن را به متیل استر تبدیل کنیم چه؟

از آنجایی که pKa ها مشابه هستند، یکی از راه های انجام این کار این است که «منطقه را با نوکلئوفیل پر کنید (یعنی استفاده از مقدار زیادی اضافی) برای ایجاد تعادل به سمت محصول مورد نظر.

من نمی گویم این بهترین راه است (تبدیل به اسید هالید یا انیدرید به دنبال درمان با الکل بهتر است) اما هنوز هم قابل اجرا است.

7. کربوکسیلیک اسیدها… اسید هستند!

اکنون که ما به فاکتور کلیدی که بر جایگزینی آسیل نوکلئوفیلیک تأثیر می‌گذارد، رسیدگی می‌کنیم، بیایید به مثالی نگاه کنیم که باید ساده به نظر برسد… اما اینطور نیست.

NaOH پایه مزدوج آب (pKa 14) و NaOCH3 پایه مزدوج CH3OH (pKa 16) است.

بنابراین با توجه به همه چیزهایی که می دانیم، واکنش باید کمی به نفع محصول باشد. درست است؟

قطعا نه!

این به این دلیل است که یک عامل اضافی وجود دارد که باید ابتدا در نظر بگیریم. اسیدهای کربوکسیلیک اسید هستند و واکنش‌های اسید-باز سریع هستند. (نگاه کنید به: واکنش های اسید-باز سریع هستند)

بنابراین اولین چیزی که اتفاق می‌افتد افزودن نیست، بلکه پروتون‌زدایی کربوکسیلیک اسید برای تولید کربوکسیلات است.

اگر قرار بود جانشینی آسیل هسته دوست در این مرحله اتفاق بیفتد، باید به این کربوکسیلات اضافه شود که یک دی آنیون با دو بار منفی روی یک مولکول ایجاد می‌کند (اگر ناپایدار به نظر می‌رسد – همینطور است!!).

علاوه بر این، گروه ترک برای ساخت استر HO (-) نخواهد بود.

این O (2-) خواهد بود!

با یک استثنا قابل توجه [یادداشت 6]، این اتفاق نخواهد افتاد.

توجه داشته باشید که کربوکسیلیک اسیدها را می توان به استر تبدیل کرد، اما واکنش نیاز به اسید دارد (به عنوان مثال استریفیکاسیون فیشر). در این مقاله ما بر هسته‌های با بار منفی تمرکز می‌کنیم.

8. صابونی سازی استرها با پایه

اگر افزودن RO(–) به یک اسید کربوکسیلیک فقط منجر به deprotonation می شود، برعکس آن چه می شود: اضافه کردن hy

یون دروکسید به یک استر؟

این یک فرآیند معروف است که به عنوان صابونی‌سازی (یا فقط «هیدرولیز پایه») شناخته می‌شود و بسیار خوب عمل می‌کند.

بخش جایگزینی واکنش از طریق فرآیند آشنای افزودن-حذف انجام می شود. این منجر به اسید کربوکسیلیک می شود. با این حال، از آنجایی که اسیدهای کربوکسیلیک اسید هستند، و واکنش در شرایط بازی رخ می دهد، اسید حاصل به سرعت توسط هیدروکسید پروتونه می شود و کربوکسیلات می دهد.

بنابراین برای به دست آوردن کربوکسیلیک اسید خنثی در پایان واکنش، باید در مرحله کار به اسید اضافه کرد.

نام «صابون‌سازی» از کاربرد کلاسیک این واکنش در ساخت صابون‌ها (کربوکسیلات‌های اسیدهای چرب با زنجیره بلند) با تصفیه چربی‌ها (که استرهای گلیسرول با اسیدهای بلند زنجیره هستند) با لیمو (اصطلاح عمومی برای هیدروکسیدهای فلزات قلیایی) گرفته شده است. ).

9. NAS درون مولکولی

فکر کردن به نوع درون مولکولی هر واکنش جدیدی که یاد می گیرید همیشه مفید است. جایگزینی آسیل نوکلئوفیلیک از این قاعده مستثنی نیست!

اگر بتوان از طریق جایگزینی آسیل نوکلئوفیلیک یک حلقه پنج یا شش عضوی تشکیل داد، معمولاً این اتفاق می‌افتد. در این مثال، تیمار با پایه قوی هیدرید سدیم (NaH) منجر به ایجاد یک آلکوکسید می شود که یک حلقه جدید تشکیل می دهد و متوکسید را جایگزین می کند [CH3O (-)]

برای مشاهده مکانیسم، روی این لینک نگه دارید

در اینجا یک مثال سرگرم کننده است. اینجا چه خبر است؟

(نکته: پروتون زدایی تنها راه ساخت آلکوکسید نیست)

10. هنگامی که نوکلئوفیل دو بار اضافه می کند – گریگناردز و LiAlH4

معرف های Grignard و عوامل احیا کننده قوی مانند LiAlH4 تمایل دارند دو بار به مشتقات کربوکسیلیک اسید اضافه شوند.

معرف های گریگنارد (و معرف های ارگانولیتیوم) الکل های سوم را از استرها، هالیدهای اسید و انیدریدها می دهند.

عوامل احیا کننده قوی (مانند LiAlH4) الکل های اولیه را از استرها، هالیدهای اسید و انیدریدها می دهند.

پس چگونه این واکنش‌های «افزودن مضاعف» کار می‌کنند؟

افزودن نوکلئوفیل R(-) یا H(-) و به دنبال حذف گروه ترک در ابتدا یک کتون (با Grignards) یا یک آلدئید (با LiAlH4) ایجاد می کند.

اگر فرآیند حذف نسبت به افزودن سریع باشد، آنگاه آلدهید یا کتون در حضور هسته دوست قوی قبل از مصرف تمام استرهای شروع کننده (یا سایر مشتقات اسید کربوکسیلیک) تشکیل می شود.

از آنجایی که کتون‌ها (و آلدئیدها) الکتروفیل‌های بهتری نسبت به استرها هستند (یعنی سریع‌تر با هسته‌دوست‌ها واکنش نشان می‌دهند)، وضعیتی به وجود می‌آید که من گاهی اوقات با محبت آن را واکنش هیولای کوکی می‌نامم: این واکنش محصولی را تشکیل می‌دهد که نسبت به ماده اولیه واکنش بیشتری نسبت به هسته دوست دارد.

از طریق GIPHY

(زیرا هیولای کوکی نمی تواند پس از یک کوکی متوقف شود).

این منجر به یک واکنش افزودنی دوم می شود که پس از افزودن اسید به الکل تبدیل می شود. (حتی اگر یک معادل از Grignard استفاده شود، محصول همچنان یک الکل سوم و استر واکنش نداده است.)

بنابراین توالی نهایی به جمع-حذف-افزودن و به دنبال آن یک کار نهایی (پروتوناسیون) ختم می شود.

در اینجا یک مثال خاص است:

می توان با استفاده از ارگانوکوپرات ها (معرف های گیلمن) که تقریباً به اندازه معرف های گریگنارد یا ارگانولیتیوم نیست، به هالیدهای اسید اضافه کرد تا در مرحله کتون متوقف شود.

11. هسته دوست های خنثی و کاتالیز اسیدی

کل این مقاله به واکنش‌های هسته‌دوست‌های دارای بار منفی مانند گریگناردها، هیدریدها، بازهای آمیدی، آلکوکسیدها، کربوکسیلات‌ها و هالیدها محدود شده است.

ما دیده‌ایم که تحت این شرایط، جهت تعادل تقریباً به طور کامل توسط پایداری گروه ترک تعیین می‌شود. این امر انجام واکنش‌های جایگزینی آمیدها را بسیار دشوار می‌کند، برای مثال، زیرا R2N(-) یک پایه قوی است.

ایا راه دیگری هست؟

آره. ما باید انتظار داشته باشیم که افزودن اسید به انجام جایگزین‌های آسیل نوکلئوفیل کمک کند، زیرا اسید مزدوج همیشه گروه ترک بهتری است.

و واقعاً همینطور است. نگاه کنید به: هیدرولیز آمید با استفاده از آمید یا باز

معامله در اینجا این است که شرایط اسیدی با نوکلئوفیل های بسیار اساسی مانند Grignards و معرف های هیدرید سازگار نیست.

در مقاله بعدی جایگزینی آسیل نوکلئوفیل را در شرایط خنثی و اسیدی بررسی خواهیم کرد.

12. خلاصه

واکنش‌های جایگزینی آسیل نوکلئوفیل با نوکلئوفیل‌های بار منفی از طریق مکانیسم حذف-افزودن انجام می‌شود.

در مرحله اول (اضافه) هسته دوست به کربن کربونیل حمله می کند که منجر به یک واسطه چهار وجهی می شود.
در مرحله دوم (حذف) پیوند کربن- اکسیژن پی دوباره تشکیل شده و یک گروه ترک جابجا می شود.
از آنجایی که ما در حال تشکیل و شکستن پیوندی روی همان کربن هستیم، این به عنوان یک واکنش جانشینی طبقه بندی می شود.
واکنش های رو به جلو و عقب را می توان به عنوان یک تعادل در نظر گرفت. مانند یک واکنش اسید-باز، تعادل به سمتی خواهد رفت که ضعیف ترین باز را تولید می کند.
اسیدهای کربوکسیلیک به طور کلی تحت شرایط بازی جایگزین نوکلئوفیل نمی شوند زیرا آنها به راحتی پروتونه می شوند و گروه خروجی (O2-) بسیار بازی است.
با این حال، استرها تحت هیدرولیز اولیه با هیدروکسید قرار می گیرند

جایگزینی آسیل نوکلئوفیلیک (با نوکلئوفیل های دارای بار منفی)

دیدگاه‌ خود را بنویسید لغو پاسخ

بهترین قیمت مواد شیمیایی را از ما بخواهید

برای خرید انواع مواد شیمیایی با ما تماس بگیرید.

09941413630