[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. ペタシス反応 Petasis Reaction
  2. クリーギー グリコール酸化開裂 Criegee Glycol O…
  3. 水素化リチウムアルミニウム Lithium Alminum Hy…
  4. フリース転位 Fries Rearrangment
  5. アリルオキシカルボニル保護基 Alloc Protecting …
  6. エヴァンスアルドール反応 Evans Aldol Reactio…
  7. クラベ アレン合成 Crabbe Allene Synthesi…
  8. tert-ブトキシカルボニル保護基 Boc Protecting…

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. マクコーマック反応 McCormack Reaction
  2. 「医薬品クライシス」を読みました。
  3. 光誘導アシルラジカルのミニスキ型ヒドロキシアルキル化反応
  4. 05年:石油化学は好調、化工全体では利益縮小
  5. 合成化学者のための固体DNP-NMR
  6. 反応探索にDNAナノテクノロジーが挑む
  7. サイエンスアゴラ参加辞退のお知らせ
  8. 令和元年度 のPRTR データが公表~第一種指定化学物質の排出量・移動量の集計結果~
  9. ベンゼン環を壊す“アレノフィル”
  10. 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-】

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月   2月 »
 12
3456789
10111213141516
17181920212223
24252627282930
31  

注目情報

注目情報

最新記事

NIMS WEEK2021-材料研究の最新成果発表週間- 事前登録スタート

時代を先取りした新材料を発信し続けるNIMS。その最新成果を一挙ご紹介する、年に一度の大イベント「N…

元素記号に例えるなら何タイプ? 高校生向け「起業家タイプ診断」

今回は化学の本質とは少し離れますが、元素をモチーフにしたあるコンテンツをご紹介します。実験の合間…

多価不飽和脂肪酸による光合成の不活性化メカニズムの解明:脂肪酸を活用した光合成活性の制御技術開発の可能性

第346回のスポットライトリサーチは、東京大学 大学院総合文化研究科(和田・神保研究…

10手で陥落!(+)-pepluanol Aの全合成

高度な縮環構造をもつ複雑天然物ペプラノールAの全合成が、わずか10工程で達成された。Diels–Al…

吉野彰氏が2021年10月度「私の履歴書」を連載。

今年の10月はノーベル化学賞が有機化学分野から出て、物理学賞を真鍋淑郎先生が受賞して、非常に盛り上が…

ガラス工房にお邪魔してみたー匠の技から試験管制作体験までー

実験器具を試して見たシリーズ第10弾! ついにシリーズ10回目を迎えました。今回は特別編です…

ダイセルよりサステナブルな素材に関する開発成果と包括的連携が発表される

株式会社ダイセルは、環境にやさしい酢酸セルロースを当社独自の技術で加工した真球状微粒子を開発し、20…

市販の化合物からナノグラフェンライブラリを構築 〜新反応によりナノグラフェンの多様性指向型合成が可能に〜

第345回のスポットライトリサーチは、北海道大学大学院理学研究院 理論化学研究室(前田・高橋研究室)…

PCに眠る未採択申請書を活用して、外部資金を狙う新たな手法

みなさんは毎年何本の研究申請書を書きますか?そして、残念ながら日の目を見ずに、アイデアのままパソコン…

フラーレン〜ケージを拡張、時々、内包〜

トリアジン誘導体とN-フェニルマレイミドを用いた、フラーレンのケージを拡張する新規手法が開発された。…

Chem-Station Twitter

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