脂肪族求核置換反応
sp
3炭素はどのような反応を起こすか
C R 1
R 3 R 4
R 2
C R 1
R 3 R 4
X δ +
δ –
分極なし
→ 反応性低い
分極した共有結合
→ 極性反応が起きる?
脂肪族求核置換反応
sp3 炭素上
電気的陰性な置換基 脱離基
C X + Y
–C Y + X
–X と Y が置き換わる
脂肪族求核置換反応
求核剤
ハロゲン置換基を一つ持つアルカンの命名法
ハロゲン置換化合物の命名法
CH
3Br
bromomethaneブロモメタン臭化メチル methyl bromide
置換基+アルカン名 官能基名+アルキル基名
置換命名法 官能種類命名法
F Cl Br I
置換命名法
官能種類命名法
フルオロ fluoro フッ化 fluoride
クロロ chloro
ブロモ bromo
ヨード iodo 塩化
chloride
臭化 bromide
ヨウ化 iodide
(英語ではアルキル基名 +官能基名)
CH3CH2Br
Cl 2-
s-
F
2- -2-
t-
I
3- -1-
ハロゲン化アルキルの名称の例
脂肪族求核置換反応はどのように進むのか?
脂肪族求核置換反応の反応機構は?
C X + Y– C Y + X– 切断される結合:C‒X
生成する結合:C‒Y
[機構1]先に C‒X が切断、あとから C‒Y が生成
[機構2]C‒X の切断と C‒Y の生成が同時
[機構3]先に C‒Y が生成、あとから C‒X が切断
脂肪族求核置換反応:二種類の反応機構
C X + Y–
C + Y– X– +
X– + C Y C
X Y
今回は: [機構2]を通って進行する反応
(代表的な例として、「メチル基・一級アルキル基・二級アルキル 基のハロゲン化物」と「強い求核剤」の反応)
S
N2 反応
臭化メチル・臭化エチルと
‒OH の反応
【実験事実】
(1) 反応速度は CH3Br と ‒OH の濃度の積に比例する
(2) CH3Br の H を一つずつメチル基に置き換えると、反応速度は 遅くなる
CH3 Br CH3CH2 Br CH3CH Br CH3
CH3C Br CH3 CH3
> > >>
(3) 臭素が不斉炭素に結合している場合、不斉炭素の立体配置が反 転する(Walden 反転)
CH
3Br +
–OH CH
3OH +
–Br
CH
3CH
2Br +
–OH CH
3CH
2OH +
–Br
C
CH2CH3 Br CH3
H C
CH2CH3 CH3 OH
H
(R)-2- (S)-2-
+ Br– + –OH
Hughes, Ingold の提案
C H HH
Br + –OH C
H HH Br– + OH
・脱離基が離れると同時に求核剤が結合する
・求核剤は脱離基の反対側から炭素原子に結合する
C H HH Br δ+ δ–
C H HH Br– + OH
–OH +
S
N2 反応:エネルギー図
C H HH Br– OH C
H HH
Br –OH
遷移状態
反応座標
エネルギー
C H HH
Br OH
!– !–
S
N2 反応
S: 置換反応 (substitution)
N: 求核的
(nucleophilic) 2: 二分子反応
(律速段階に二分子が関与)
※ N は下付き文字!
S
N2 反応:実験事実の説明 (1)
(1) 反応速度
反応は一段階 → 反応速度=遷移状態の生成速度
反応速度=2つの反応物の衝突確率に比例
=2つの反応物の濃度に比例
C H HH
Br + –OH C
H HH
Br OH
δ– δ–
濃度が高い方が出会いやすい
S
N2 反応:実験事実の説明 (2)
(2) 立体効果:背面攻撃の時の立体障害
C H HH
–OH Br C
R HH
–OH Br
C R RH
–OH Br C
R RR
–OH Br
(3) Walden 反転:背面攻撃
C R1
R2 H
Br + –OH C
R1 R2 H Br– + OH
(S)体 (R)体
【練習問題】次の SN2 反応の生成物を示しなさい。反応機構 を巻き矢印で示すこと。
(1) 2-ブロモブタンとメトキシドイオン (‒OCH3) (2) (R)-2-クロロペンタンと水酸化物イオン
(3) cis-1-ブロモ-4-メチルシクロヘキサンと水酸化物イオン
・求核剤の種類
・脱離基の種類
・溶媒効果
・立体効果
S
N2 反応の特徴
脱離基
C H HH Br δ+
δ– –
+ OH C
H HH Br– + OH
この状態が安定であるほど 脱離しやすい
(脱離能が高い)
SN2 反応の脱離基:電気陰性度の高い原子で sp3 炭素に 結合しているもの
脱離したあとの状態が安定であるほど、脱離しやすい
脱離能と塩基性
塩基性が低いほど脱離能は高い
F‒ I‒
塩基性 高い 低い
H+との結合 作りやすい 作りにくい
ローンペアの エネルギー
高い 低い
Cδ+との結合 作りやすい 作りにくい
脱離能 低い 高い CH3–F + HO– CH3–I + HO–
<
求核剤の種類
求核剤:ローンペアを持つ化学種は(原理的には)
すべて求核剤になり得る
ローンペアを持つ原子 負電荷を持つもの 電荷を持たないもの 酸素 ‒OH, ‒OR, RCOO‒ H2O, ROH(※)
イオウ ‒SH, ‒SR H2S, RSH(※)
窒素 ‒NH2, RNH‒, R2N‒ NH3, RNH2, R2NH, R3N
炭素 ‒C N, RC C‒ (なし)
ハロゲン Cl‒, Br‒, I‒ (なし)
(※)の求核剤はハロゲン化アルキルとの SN2 を通常起こさない
求核剤の反応性:塩基性の影響
塩基性が高いほど求核性も高い
CH3–Br + HO– CH3–Br + CH3COO–
>
HO‒ CH3COO‒
塩基性 高い 低い
H+との結合 作りやすい 作りにくい
ローンペアの エネルギー
高い 低い
Cδ+との結合 作りやすい 作りにくい
求核性 高い 低い
(同じ周期の元素の場合)
求核剤の反応性:分極率の影響
求核剤の原子が異なる周期の場合
=分極率が影響する
C H H H
F X C
H H H
I X
F‒ は分極率が小さい
=電子が動きにくい
I‒ は分極率が大きい
=電子が動きやすい
求核剤の反応性:溶媒効果
分極率: I‒ > F‒
塩基性: F‒ > I‒ どっちが優先する?
答:「溶媒に依存する」
F O
H CH2CH3
I O
H CH2CH3 プロトン性極性溶媒 (=OH, NH を持つ溶媒)
F‒ を安定化
=反応性を下げる
I‒ を安定化できない
=反応性は下がらない 非プロトン性極性溶媒
水素結合による安定化なし
→ 塩基性の順位が優先する
I‒ > F‒
F‒ > I‒
非プロトン性極性溶媒
CH3 C O
CH3 CH3CN H
C N CH3
CH3
O CH3 S
O
CH3 N,N-
(DMF) (DMSO)
特にこの2つはよく出てくる
立体効果
C H HH
–OH Br C
R HH
–OH Br
C R RH
–OH Br
反応点の立体障害
求核剤の立体障害
CH3CH2O– CH3C O– CH3 CH3
t–
>
C H HH O– Br
C H H
CH3 C
H HH O– Br
C CH3 CH3
CH3
C R RR
–OH Br
SN2の反応性 高い 低い 反応しない
【練習問題】次のそれぞれの組み合わせにおいて、どちらの反 応が速く進行するか。理由をつけて答えなさい。
CH3CH2Br + H2O CH3CH2Br + –OH (a)
CH3CHCH2Br CH3
+ –OH CH3CH2CHBr + –OH CH3
(b)
CH3CH2Cl + –OCH3 CH3CH2Cl + –SCH3 (c)
CH3CH2Br + I– CH3CH2Cl + I– (d)
さまざまな求核剤による S
N2 反応
さまざまな求核剤による S
N2 反応
CH3CH2Cl + HO– CH3CH2OH + Cl–
CH3CH2Br + HS– CH3CH2SH + Br–
CH3CH2I + RO– CH3CH2OR + I– CH3CH2Br + RS– CH3CH2SR + Br–
CH3CH2I + C N CH3CH2C N + I–
CH3CH2Br + C CR CH3CH2C CR + Br–
アンモニア・アミンによる S
N2 反応
CH3CH2 Br + NH3 CH3CH2 NH3 + Br–
CH3CH2 NH2 + Base H
CH3CH2 NH2 + H–Base エチルアンモニウムイオン
エチルアミン
(塩基)
CH3CH2 NH2 CH3CH2 Br
Base CH3CH2 NH CH3CH2
CH3CH2 NH CH3CH2
CH3CH2 Br Base
CH3CH2 N CH3CH2
CH2CH3
ジエチルアミン トリエチルアミン
CH3CH2 N CH3CH2
CH2CH3
CH3CH2 Br
CH3CH2 N CH3CH2
CH2CH3 CH3CH2
Br–
臭化テトラエチルアンモニウム
【練習問題】次の化合物を SN2 反応で得るには、臭化エチルに 何を反応させればよいか。反応機構も巻き矢印で示しなさい。
CH3
C O
O CH2CH3 CH3CH2 N CH3
CH3 CH3 Br–
CH3C CCH2CH3
(1) (2) (3)