[スポンサーリンク]

N

求核置換反応 Nucleophilic Substitution

[スポンサーリンク]

 

概要

各種の電子豊富な化学種(求核種:Nu)は、求電子剤としての基質を攻撃し、脱離基(L)と置換反応を起こす。これを求核置換反応(Nucleophilic Substitution)と総称する。

脂肪族炭素上における反応の場合、sp3炭素に脱離基を有する基質とは反応する。sp2もしくはsp炭素上に脱離基があっても、特別な場合以外には求核置換を起こすことはない。

芳香族化合物も通常求核置換に対して不活性であるが、電子求引性置換基をもつ芳香環や、ピリジンなどの電子不足複素環などを基質とする場合には、求核置換反応を起こしうる(芳香族求核置換反応)。

カルボニル炭素はsp2混成であるが、カルボニル基の電子求引性ゆえに、求核置換反応を考えることができる(求核的アシル置換)。

基本文献

<Walden Inversion>

  • Walden, P. Ber. 1895, 28, 1287, 2766.
  • Bent, H. A. Chem. Rev. 1968, 68, 587. DOI: 10.1021/cr60255a003

 

反応機構

一般に脱離基Lは、脱離した状態が安定である=その共役酸のpKaが高いほど、性能が良いとされる。たとえば脂肪族求核置換反応におけるハロゲン脱離基の性能序列は、I>Br>Cl>>Fとなる。

脂肪族炭素上の求核置換反応は、以下のように大別される。

①単分子求核置換反応(SN1反応)

・まず脱離基が解離して平面状のカルボカチオン中間体を生じ、そこへひき続き求核剤が反応する二段階的機構で進行する場合、これをSN1反応と呼称する。
・ 一般に脱離基の解離が律速段階である。反応速度は基質の濃度のみに依存し、求核剤の濃度には非依存。1次の反応速度式で表される。
・求核攻撃はカルボカチオンの前背面いずれからも起こりうる。このため、攻撃を受ける炭素の立体化学は一部消失する。
・溶媒はカルボカチオンを安定化に十分な双極子モーメントを持ち、かつ脱離基を溶媒和して安定化できるものが反応を加速させる。果たして水やアルコールなどのプロトン性極性溶媒が好んで用いられる。
・求核剤の性能が低く塩基性の強い場合には、カチオン性中間体からの脱離反応(E1脱離)が競合する。またカチオン性転位反応(Wagner-Meerwein転位)も競合反応の一つ。

SN12_3.gif

・基質が生じるカルボカチオンの安定性が高いほど、SN1反応は起こりやすくなる。すなわち、SN1の反応性は3級>2級>>1級>>メチルとなる。ベンジル位やアリル位などもカルボカチオンを安定化する効果があるため、SN1反応を起こしうる。
・ 級数が高いほどカルボカチオンが安定になる理由は、隣接置換基からの超共役(hyperconjugation)で説明される。すなわち、カルボカチオンの空p軌道の隣接位に、電子の充填されたσ軌道が存在する場合、これが同一平面上に並ぶとσ→pへと電子の流れこみ(非局在化)が起こり得る。置換基の数が多いほど、この効果は大きくなるので、カルボカチオンの安定性は3級>2級>1級>メチルとなる。

SN12_6.gif

②二分子求核置換反応(SN2反応)

・求核試薬の結合と、脱離基の解離が同時(協奏的)に起こる場合、これをSN2反応と呼称する。求核剤・脱離基が中心炭素を挟んで反対方向に位置する、三方両錐型の遷移状態を取る。求核攻撃を受ける炭素の立体化学は反転する(Walden反転)。
・反応速度は基質と求核剤の濃度双方に1次ずつ依存する。すなわち、全体で反応速度は2次の速度式で表される。
・背面が立体的に混み合っていない基質ほど反応が早くなる。すなわち、SN2の反応性はメチル>1級>2級>>3級となる。3級炭素上においては、特別な場合を除きSN2は起こらない。
・溶媒としては、DMFやDMSOといった、非プロトン性極性溶媒が好んで用いられる。カウンターカチオンに溶媒和しつつも、求核剤を溶媒和せず裸のアニオンにすることで、反応性を向上させる効能を持つ。
・求核剤の性能が低く塩基として働いてしまう場合には、脱離反応(E2/E1cb脱離)が競合する。

SN12_2.gif

③分子内求核置換反応(SNi反応)

ある特別な場合には、分子内で求核置換反応が起こる。典型例は塩化チオニルによるアルコールの塩素化である。この場合には脱離と求核攻撃が同じ側から起きるため、立体化学は保持される。求核剤担持型脱離基などを用いる系でも、SNi反応を起こすことが可能。

SN12_4.gif

④アリル位求核置換反応(SN1’/SN2’反応)

アリル位に脱離基をもつ基質での置換反応は、反応点が2通り考えられる。脱離基に対してα位での置換反応を起こす場合は、通常のSN1/SN2反応と同様である。しかし脱離基に対してγ位にあるsp2炭素に対する攻撃も許容である。この場合には2重結合の移動を起こしつつ、脱離基を追い出す形式をが取られる。SN1’/SN2’反応と呼ばれる。

SN12_5.gif

芳香族求核置換、求核的アシル置換に関しては別項を参照。

  • 反応例

超脱離基であるヨードニウムイオンをもつアルケンは、sp2炭素上においても反転を伴って求核置換反応を起こすことが知られている。

SN12_7.gif

実験手順

 

実験のコツ・テクニック

 

参考文献

 

関連反応

 

関連書籍

[amazonjs asin=”551131918X” locale=”JP” title=”Substitution Reaction”]

 

外部リンク

Avatar photo

cosine

投稿者の記事一覧

博士(薬学)。Chem-Station副代表。国立大学教員→国研研究員にクラスチェンジ。専門は有機合成化学、触媒化学、医薬化学、ペプチド/タンパク質化学。
関心ある学問領域は三つ。すなわち、世界を創造する化学、世界を拡張させる情報科学、世界を世界たらしめる認知科学。
素晴らしければ何でも良い。どうでも良いことは心底どうでも良い。興味・趣味は様々だが、そのほとんどがメジャー地位を獲得してなさそうなのは仕様。

関連記事

  1. ジョンソン・クライゼン転位 Johnson-Claisen Re…
  2. ガーナーアルデヒド Garner’s Aldehyd…
  3. シモンズ・スミス反応 Simmons-Smith Reactio…
  4. ピナコールカップリング Pinacol Coupling
  5. クライゼン転位 Claisen Rearrangement
  6. ミカエリス・アルブゾフ反応 Michaelis-Arbuzov …
  7. ヒンスバーグ オキシインドール合成 Hinsberg Oxind…
  8. デーヴィス酸化 Davis Oxidation

注目情報

ピックアップ記事

  1. 第15回光学活性シンポジウム
  2. ハラスメントから自分を守るために。他人を守るために【アメリカで Ph.D. を取る –オリエンテーションの巻 その 2-】
  3. マテリアルズ・インフォマティクスの推進成功事例セミナー
  4. 水素社会~アンモニアボラン~
  5. Nrf2とKeap1 〜健康維持と長寿のカギ?〜
  6. マスクをいくつか試してみた
  7. 「自分の意見を言える人」がしている3つのこと
  8. ESI-MSの開発者、John B. Fenn氏 逝去
  9. 有機合成化学協会誌2023年3月号:Cynaropicri・DPAGT1阻害薬・トリフルオロメチル基・イソキサゾール・触媒的イソシアノ化反応
  10. 液クロ虎の巻シリーズ

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2011年1月
 12
3456789
10111213141516
17181920212223
24252627282930
31  

注目情報

最新記事

CIPイノベーション共創プログラム「有機電解合成の今:最新技術動向と化学品製造への応用の可能性」

日本化学会第106春季年会(2026)で開催されるシンポジウムの一つに、CIPセッション「有機電解合…

CIPイノベーション共創プログラム「世界を変えるバイオベンチャーの新たな戦略」

日本化学会第106春季年会(2026)で開催されるシンポジウムの一つに、CIPセッション「世界を変え…

年会特別企画「XAFSと化学:錯体, 触媒からリュウグウまで –放射光ことはじめ」

放射光施設を利用したX線吸収分光法(XAFS)は、物質の電子状態や局所構造を元素選択的に明らかにでき…

超公聴会 2026 で発表します!!【YouTube 配信】

超公聴会は、今年度博士号を取得する大学院生が公聴会の内容を持ち寄ってオンライン上で発表する会です。主…

日本化学会 第104春季年会 付設展示会ケムステキャンペーン Part II

さて、Part Iに引き続きPart II!年会をさらに盛り上げる企画として、2011年より…

凍結乾燥の常識を覆す!マイクロ波導入による乾燥時間短縮と効率化

「凍結乾燥は時間がかかるもの」と諦めていませんか?医薬品や食品、新素材開発において、品質を維…

日本化学会 第104春季年会 付設展示会ケムステキャンペーン Part I

まだ寒い日が続いておりますが、あっという間に3月になりました。今年も日本化学会春季年会の季節です。…

アムホテリシンBのはなし 70年前に開発された奇跡の抗真菌薬

Tshozoです。以前から自身の体調不良を記事にしているのですが、昨今流行りのAIには産み出せな…

反応操作をしなくても、化合物は変化する【プロセス化学者のつぶやき】

前回まで1. 設定温度と系内の実温度のお話2. 温度値をどう判断するか温度を測ること…

ジチオカーバメートラジカル触媒のデザイン〜三重項ビラジカルの新たな触媒機能を発見〜

第698回のスポットライトリサーチは、名古屋大学大学院工学研究科(大井研究室)博士後期課程1年の川口…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP