SN1-reaktion: definition, mekanisme, karbokation og eksempler

Et eksempel på en reaktion, der finder sted med en _NS1-reaktionsmekanisme, er hydrolyse af tert-butylbromid med vand til tert-butylalkohol:

Denne _NS1-reaktion foregår i tre trin:

• Dannelse af en tert-butylkarbokation ved adskillelse af en afgangsgruppe (en bromidanion) fra kulstofatomet; dette trin er langsomt og reversibelt.

• Nukleofilt angreb: karbokationen reagerer med nukleofilen. Hvis nukleofilen er et neutralt molekyle (dvs. et opløsningsmiddel), er der behov for et tredje trin for at fuldføre reaktionen. Når opløsningsmidlet er vand, er mellemproduktet en oxoniumion. Dette reaktionstrin er hurtigt.

• Deprotonering: Fjernelse af en proton på den protonerede nukleofil ved hjælp af vand, der fungerer som base og danner alkoholen og en hydroniumion. Dette reaktionstrin er hurtigt.

Fordi det første trin er flaskehalsen eller det "hastighedsbestemmende trin" klassificerer kemikere hele reaktionsmekanismen som _NS1. Der er kun brug for ét molekyle til dette trin.

Nogle gange kan et molekyle reagere ved hjælp af enten en _NS1- eller en _NS2-mekanisme. _NS1-mekanismen vil vinde denne konkurrence, når det centrale kulstofatom er omgivet af voluminøse grupper, fordi sådanne grupper sterisk hindrer _NS2-reaktionen. Desuden øger voluminøse substituenter på det centrale kulstofatom hastigheden af karbokationsdannelsen på grund af den steriske aflastning, der sker. Den resulterende karbokation stabiliseres også af både induktiv stabilisering og hyperkonjugering fra tilknyttede alkylgrupper. Hammond-Leffler-postulatet siger, at dette også vil øge carbocation-dannelseshastigheden. _NS1-mekanismen dominerer derfor i reaktioner ved tertiære alkylcentre og observeres yderligere ved sekundære alkylcentre i tilstedeværelse af svage nukleofile.

Et eksempel på en reaktion, der forløber på _NS1-måden, er syntesen af 2,5-dichlor-2,5-dimethylhexan fra den tilsvarende diol med koncentreret saltsyre:

Efterhånden som alfa- og beta-substitutionerne øges i forhold til de udgående grupper, flyttes reaktionen fra _NS2 til _NS1.

Carbocation-mellemproduktet, der dannes i reaktionens hastighedsbegrænsende trin, er et ²sp-hybridiseret kulstof med trigonal planar molekylær geometri. Dette giver mulighed for to forskellige veje for det nukleofile angreb, en på hver side af det plane molekyle. Hvis ingen af disse to veje er foretrukket, vil de to veje blive brugt lige meget, hvilket giver en racemisk blanding af enantiomerer, hvis reaktionen finder sted ved et stereocenter. Dette er illustreret nedenfor i _NS1-reaktionen af S-3-chlor-3-methylhexan med en jodidion, som giver en racemisk blanding af 3-iod-3-methylhexan:

Der kan dog observeres et overskud af en stereoisomer, da den udgående gruppe kan forblive tæt på carbocation-intermediatet i kort tid og blokere nukleofilt angreb. Dette er meget forskelligt fra _NS2-mekanismen, som ikke blander produktets stereokemi (en stereospecifik mekanisme). _NS2-mekanismen inverterer altid molekylets stereokemi.

To almindelige bivirkninger er eliminationsreaktioner og karbokationsomlægning. Hvis reaktionen udføres under varme eller varme forhold (som begunstiger en stigning i entropien), vil E1-eliminering sandsynligvis være fremherskende, hvilket fører til dannelse af en alken. Ved lavere temperaturer er _NS1- og E1-reaktioner konkurrerende reaktioner. Det bliver derfor vanskeligt at foretrække den ene frem for den anden. Selv hvis reaktionen udføres koldt, kan der dannes noget alken. Hvis man forsøger at udføre en _NS1-reaktion ved hjælp af en stærkt basisk nukleofil som f.eks. hydroxid- eller methoxidion, vil alkenet igen blive dannet, denne gang via en E2-eliminering. Dette vil især være tilfældet, hvis reaktionen opvarmes. Endelig vil der, hvis karbokationsintermediæret kan omarrangere sig til en mere stabil karbokation, blive dannet et produkt, der er afledt af den mere stabile karbokation, snarere end det simple substitutionsprodukt.

Opløsningsmidler vil ændre reaktionshastigheden. Da _NS1-reaktionen indebærer dannelse af et ustabilt karbokationsintermediat i det hastighedsbestemmende trin, vil alt, der kan hjælpe dette, fremskynde reaktionen. De normale opløsningsmidler, der vælges, er både polære (for at stabilisere ioniske mellemprodukter generelt) og protiske (for at solventere den udgående gruppe i særdeleshed). Typiske polære protiske opløsningsmidler omfatter vand og alkoholer, som også vil fungere som nukleofile opløsningsmidler.

Y-skalaen korrelerer solvolysereaktionshastighederne for et hvilket som helst opløsningsmiddel (k) med et standardopløsningsmiddel (80 % v/v ethanol/vand) (k₀) gennem

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

med m en reaktantkonstant (m = 1 for tert-butylchlorid),

• Y en opløsningsmiddelparameter, og
• k₀ er reaktionshastigheden ved anvendelse af et opløsningsmiddel på 80 % ethanol (målt i volumen).

For eksempel giver 100 % ethanol Y = -2,3, 50 % ethanol i vand Y = +1,65 og 15 % koncentration Y = +3,2.