NÜKLEOFİLİK SÜBSTİTÜSYON TEPKİMELERİ MURAT IŞIK 200520105039

Nükleofilik Sübstitüsyon Reaksiyonları, nükleofil ile başlangıç maddesinin etkileşme şekillerine ve oluşabilecek ara ürüne bağlı olarak SN1, SN2 ve SNi olmak üzere üç türlü olabilir. Reaksiyonun hangi mekanizma üzerinden yürüyeceği, çıkış maddesinin yapısına, nükleofile, ayrılan gruba ve reaksiyon şartlarına bağlıdır

 Nükleofilik substitüsyon ( Nükleofilik yer değiştirme) reaksiyonları Alkil halojenürler  nükleofiller ile yer değiştirme tepkimeleri verirler. Örnek olarak,  etil bromür OH- iyonu ile tepkimesi sonucu etil alkolü verir.

Bu reaksiyonda, reaksiyon verecek madde etil bromür substrat,  reaksiyonu başlatan kısım OH- nükleofil, -Br ayrılan grup  ve etil alkol ise ürün  olarak adlandırılır. Reaksiyonda nükleofil ayrılan grup ile yer değiştirmiş olduğundan genel olarak bu reaksiyonlar Nükleofilik Sübstitüsyon (SN-)  reaksiyonu olarak adlandırılır.

  Reaksiyona dikkatlice bakıldığında  bir kovalent bağın kırıldığını (C-Br ) bir yeni kovalent bağın  ise oluştuğunu (C-O) görürüz. Bu durum kısaca aşağıdaki gibi formülize edilir.

Nükleofil negatif yüklü olabileceği gibi, yüksüz ama elektron çifti bulunduran maddeler de olabilir. Eğer nükleofil yüksüz ise, ürün pozitif yüklü, nükleofil negatif yüklü ise ürünün yüksüz olur. Bunun sebebi ayrılan grubun bağ elektronlarını alarak ayrılması ve substratta bir pozitif yük bırakmasıdır. Bu yük olduğu gibi kalır yada negatif yükle nötrleştirilir.   Yer değiştirme reaksiyonuna dikkatlice bakılırsa, ayrılan grubun üzerinde de elektron çifti bulunduğu ve kendisinin de aslında bir nükleofil görevi görebileceği açıktır. Bu durum aslında reaksiyonun çift yönlü olabileceğini göstermektedir. Tepkimenin daima sağa doğru (ürün yönünde) gitmesinin tek yolu nükleofilin ayrılan gruptan oldukça güçlü olmasıdır. Örnek olarak alkilbromur ve hidroksil yer değiştirmesinde hidroksil grubu brom iyonuna göre daha güçlü nükleofildir ve yerdegiştirme kolayca ve hızlıca alkol tarafına yürür.

Nükleofiller  genelde, oksijen, azot, kükürt, halojen ve karbon nükleofilleri olarak karşımıza çıkar. S / Sodyum etoksit ve etil bromürün vereceği yer değiştirme tepkimesi aşağdaki gibidir. Reaksiyonda etoksit  nükleofil, etilbromür substrat ve dietileter üründür

  Alkil halojenürlerin nükleofiller ile yer değiştirme reaksiyonları her zaman aynı mekanizma üzerinden yürümez. Alkil grubuna, özellikle de halojenin bağlı olduğu karbon atomundaki alkil grupları ve sayıları, özellikleri tepkimenin şeklini değişmektedir.

  n-Butil klorürün siyanür nükleofili ile reaksiyonu sonucu butil siyanür  oluşur. Aynı reaksiyon t-bütil bromür ile denenir ise yer değiştirme ürünü yerine ayrılma ürünü oluşur.

SN2: Mekanizmasında hetero grubun büyük molekülden ayrılması ve nükleofilin bağlanması aynı anda olur ve mekanizma bir geçiş kompleksi üzerinden yürür. Reaksiyon bir basamakta yürür ve reaksiyon hızı ikinci derecedendir

  SN2mekanizmasında izlenen yol kısaca şöyle özetlenebilir. Nükleofil, üzerinde bulunan elektron çiftleri veya negatif yükle (ki aynı anlama gelir), C-L bağına arka taraftan saldırır, böylece bir tek orbitalinde bulunan iki elektronunu kısmen pozitif yüklü karbon atomu ile ortaklaşa kullanma çabasındadır. Karbon atomunun orbital yapısı beşli bağ yapmaya müsait olmadığından, nükleofilin verdiği elektron çifti ve ayrılacak olan grubun elektron çiftini kabul etmede tereddüt eder ki bu an �geçiş durumu� olarak adlandırılır. Bu noktada C-atomu her ne kadar 5 bağ yapmış gibi gözükse de, aslında tercih yapma anında tereddüt halindedir ve daha güçlü elektron verici olanı tercih edecektir. Nü� nükleofil adı gereği (çekirdek seven) elektron vermede daha güçlü davranacak ve karbon atomuna bağlanacak, ayrılan grup ise daha önce karbon atomu ile paylaştığı elektronlarını alarak (negatif) uzaklaşacaktır

Mekanizmada, substrat ve ürünün stereo kimyasına dikkatlice bakıldığında, konformasyonun ters çevrildiğini (R den S veya S ten R) anlamak kolay olacaktır. SN2deki 2 rakamı reaksiyonun bimoleküler  (Nükleofil ve substratın aynı anda reaksiyon vermesi) olduğunu gösterir. Buda reaksiyonun hızının hem nükleofile hem de substrata (başlangıç maddesi) bağlı olarak ikinci dereceden bir reaksiyon olduğunu anlamına gelir.   SN2 tepkimesi için bazı özellikler  aşağıdaki örnekle açıklanmaya çalışılmıştır

Reaksiyonun ikinci dereceden olması nükleofil ( HO-) yada başlangıç maddesi ( CH3CH2Br) nin konsantrasyonunun iki katına çıkartılması ile reaksiyon hızının iki katına çıkacağının ifadesidir.   Bu tepkimede de başlangıç maddesinde halojenin bağlı olduğu karbon atomunun iki hidrojen atomu içermesinden dolayı  konfigürasyondan bahsedemeyiz R)-2-bromobutanın sodyum hidroksitle reaksiyonun sonucu konfügrasyon devrilmesi gözlenir.

SNi : Bu tür reaksiyonlarda mekanizma ara ürün üzerinden yürümesine rağmen konfigürasyonun tamamı ile korunması nedeni ile SN2 mekanizması olarak degerlendirilmez, SNi olarak adlandırılırlar. Örnek olarak S-2 butanol ile tiyonil klorürün reaksiyonu verilebilir

SN1: Bu tür reaksiyonlarda önce hetero grup ayrılır ve karbokatyon oluşur. Sonra bu karbo katyona nükleofilin bağlanması ile reaksiyon tamamlanır. Örnek olarak t-bütil klorür’den t-bütil alkol eldesini inceleyelim.

İki basamaklı yürüyen bir tepkime mekanizmasıdır İki basamaklı yürüyen bir tepkime mekanizmasıdır. Birinci basamağında  SN2 de olmayan, C-L bağının kırılması ve bir karbokatyon oluşumu vardır ki, bu basamak oldukça yavaş yürür.   Karbokatyon oluşumu ayrılan grubun bağ elektronlarını beraberinde alması anlamına gelir ve bundan dolayı da ayrılan grup genelde negatif yüklüdür. Tepkimenin ikinci basamağında,  üzerinde elektron çifti bulunduran nükleofil oluşan karbokatyona atak yapar ki bu basamak oldukça hızlı yürüyen bir basamaktır

Nükleofil negatif yüklü ise direk ürün oluşur Nükleofil negatif yüklü ise direk ürün oluşur. Eğer nükleofil yüksüz bir molekülün, elektron çiftleri olarak atak yapmışsa,   genelde bir proton kaybı ile nötr molekül ( ürün ) elde edilir.   Örnek olarak, t-butilbromürün sodyum hidroksitle reaksiyonunu ele alacak olursak; Birinci basamak sonucu oluşan tersiyer butil karbokatyonu, elektron verici olan üç alkil tarafından kısmen kararlı hale getirilmiştir. (hiper konjugasyon etkisi)

İkinci basamakta, oluşan karbokatyon düzlemsel olduğu için , nükleofilin her iki tarafından da saldırması mümkündür. Bu durumun iki tür ürün vermeye sebep olabileceğini göz ardı etmemek gerekir. Eğer bir stereojenik ( optikçe aktif ) karbon atomu ile başlanırsa oluşan ürün SN2�nin tersine bir karışım olacak ve optikçe aktiflik kaybolacaktır (Rasemik karışım). Nükleofil yüksüz bir molekül olan su molekülünün elektron çifti olduğundan bir ara ürün oluşacaktır. Üçüncü basamakta, ikinci basamaktan oluşan pozitif yüklü ara ürün kararsız olduğu için bir proton kaybederek en kararlı hali olan t-butil alkole dönüşmüş olur.

SN1 mekanizmasında  rasemleşmeye bir örnek verecek olursak SN1 mekanizması ise SN2�nin tersine tersiyer >sekonder >primer şeklinde yürür

DİNLEDİĞİNİZ İÇİN TEŞEKKÜR EDERİM