[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

 

外部リンク

cosine

cosine

投稿者の記事一覧

博士(薬学)。Chem-Station副代表。現在国立大学教員として勤務中。専門は有機合成化学、主に触媒開発研究。
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. ダニシェフスキー・北原ジエン Danishefsky-Kitah…
  2. ロビンソン環形成反応 Robinson Annulation
  3. 金属水素化物による還元 Reduction with Metal…
  4. チオール-エン反応 Thiol-ene Reaction
  5. 向山縮合試薬 Mukaiyama Condensation Re…
  6. ミカエリス・アルブゾフ反応 Michaelis-Arbuzov …
  7. デヒドロアラニン選択的タンパク質修飾反応 Dha-Selecti…
  8. マクマリーカップリング McMurry Coupling

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. 三菱化学が有機太陽電池事業に参入
  2. ローカル環境でPDFを作成する(Windows版)
  3. 日本コンピュータ化学会2005秋季年会
  4. コーリー・フックス アルキン合成 Corey-Fuchs Alkyne Synthesis
  5. 世界の中心で成果を叫んだもの
  6. 第6回慶應有機化学若手シンポジウム
  7. 「Natureダイジェスト」で化学の見識を広めよう!
  8. 2011年10大化学ニュース【後編】
  9. 三核ホウ素触媒の創製からクリーンなアミド合成を実現
  10. 一流科学者たちの経済的出自とその考察

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

注目情報

注目情報

最新記事

高分子化学をふまえて「神経のような動きをする」電子素子をつくる

第267回のスポットライトリサーチは、東北大学大学院工学研究科 バイオ工学専攻 三ツ石研究室 助教の…

アルケンのエナンチオ選択的ヒドロアリール化反応

パラジウム触媒を用いたアルケンの還元的Heck型ヒドロアリール化反応が開発された。容易に着脱可能なキ…

第109回―「サステイナブルな高分子材料の創製」Andrew Dove教授

第109回の海外化学者インタビューは、アンドリュー・ダヴ教授です。ワーウィック大学化学科に所属(訳注…

蛍光異方性 Fluorescence Anisotropy

蛍光異方性(fluorescence anisotropy)とは溶液中で回転する分子の回転速…

(–)-Spirochensilide Aの不斉全合成

(–)-Spirochensilide Aの初の不斉全合成が達成された。タングステンを用いたシクロプ…

第108回―「Nature Chemistryの編集長として」Stuart Cantrill博士

第108回の海外化学者インタビューは、スチュアート・カントリル博士です。Nature Chemist…

化学工業で活躍する有機電解合成

かつて化学工業は四大公害病をはじめ深刻な外部不経済をもたらしましたが、現代ではその反省を踏まえ、安全…

細胞内の温度をあるがままの状態で測定する新手法の開発 ~「水分子」を温度計に~

第266回のスポットライトリサーチは、東北大学大学院薬学研究科 中林研究室 修士二年生の杉村 俊紀(…

Chem-Station Twitter

PAGE TOP