SN1反応​

単分子求核置換（SN1）反応は、有機化学における置換反応である。反応機構のヒューズ・インゴールド記号は、 2つの性質を表している_{。 「 SN 」は「}求核置換」を意味し、「1」は律速段階が単分子であることを示している。^{[ 1 ] [ 2 ]}したがって、反応速度式は基質に対して一次依存性、求核剤に対してゼロ次依存性を示すことが多い。この関係は、求核剤の量が中間体の量よりもはるかに多い場合に成り立つ。代わりに、反応速度式は定常状態速度論を用いてより正確に記述できる。この反応はカルボカチオン中間体を含み、強塩基性条件下での第二級または第三級アルキルハライドの反応、または強酸性条件下での第二級または_第三級アルコールの反応でよく見られる。第一級および第二級アルキルハライドでは、別のSN2反応が起こる。無機化学では、SN1_反応は解離置換反応として知られています。この解離経路はシス効果によってよく説明されます。反応機構は1940年にChristopher Ingoldらによって初めて導入されました。 ^{[ 3 ]}_{この反応は、2段階を含むSN2}機構とは異なり、求核剤の強さにはあまり依存しません。

S _N 1 反応の最初のステップは、水性アセトンまたはエチルアルコールの存在下でのアルキルハライドのイオン化です。このステップでは、平面構造のカルボカチオンが中間体として生成します。後のステップでは、求核剤が両側から攻撃してラセミ体を生成する可能性がありますが、実際には完全なラセミ化は起こりません。これは、脱離するハロゲン化物イオンがカルボカチオンから十分に離れる前に、求核種がカルボカチオンを攻撃するためです。負に帯電したハロゲン化物イオンは、カルボカチオンが正面から攻撃されるのを防ぎ、立体配置の反転につながる背面からの攻撃が優先されます。したがって、実際の生成物は間違いなくエナンチオマーの混合物ですが、立体配置が反転したエナンチオマーが優勢となり、完全なラセミ化は起こりません。^{[ 4 ]}

_SN1反応機構で起こる反応の一例として、tert-ブチルブロミドの加水分解によるtert-ブタノールの生成が挙げられる。

この_SN1反応は3つのステップで進行します。

• tert-ブチルカルボカチオンの生成は、脱離基（臭化物アニオン）が炭素原子から分離することによって起こります。この段階は遅いです。 ^{[ 5 ]}

• 求核攻撃：カルボカチオンが求核剤と反応します。求核剤が中性分子（溶媒など）の場合、反応を完了するには3段階目のステップが必要です。溶媒が水の場合、中間体はオキソニウムイオンです。この反応段階は速やかに進行します。

• 脱プロトン化：プロトン化された求核剤から、塩基として作用する水によってプロトンが除去され、アルコールとヒドロニウムイオンが生成される。この反応段階は速い。

_{S N} 1反応の速度式はアルキルハライドに対して一次、求核剤に対してゼロ次であるとみなされることが多いが、これは特定の条件下でのみ成り立つ単純化である。これも近似ではあるが、定常状態近似（SSA）から導出される速度式は、S _N 1反応の速度論的挙動についてより深い洞察を与えてくれる。上記の機構について、以下の反応スキームを考えてみよう。

tert-ブチルカチオンは比較的安定な第三級カルボカチオンではあるものの、高エネルギー種であり、非常に低濃度でしか存在せず、通常の条件下では直接観測することはできない。したがって、SSAをこの種に適用することができる。

（１）定常状態の仮定： ${\displaystyle {\frac {d[{\text{tBu}}^{+}]}{dt}}=0=k_{1}[{\text{tBuBr}}]-k_{-1}[{\text{tBu}}^{+}][{\text{Br}}^{-}]-k_{2}[{\text{tBu}}^{+}][{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}$

（２）定常状態を仮定した場合のt-ブチルカチオンの濃度： ${\displaystyle [{\text{tBu}}^{+}]={\frac {k_{1}[{\text{tBuBr}}]}{k_{-1}[{\text{Br}}^{-}]+k_{2}[{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}}}$

（３）最終段階が速いと仮定した場合の全体反応速度： ${\displaystyle {\frac {d[{\text{tBuOH}}]}{dt}}=k_{2}[{\text{tBu}}^{+}][{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}$

（４）定常状態の速度法則は、（２）を（３）に代入することによって得られる。 ${\displaystyle {\frac {d[{\text{tBuOH}}]}{dt}}={\frac {k_{1}k_{2}[{\text{tBuBr}}][{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}{k_{-1}[{\text{Br}}^{-}]+k_{2}[{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}}}$

通常の合成条件下では、侵入する求核剤は脱離基よりも求核性が高く、過剰に存在します。さらに、速度論的実験は多くの場合、初期速度条件（変換率5～10%）で臭化物を添加しずに実施されるため、${\displaystyle [{\text{Br}}^{-}]}$無視できるほど小さい。これらの理由から、${\displaystyle k_{-1}[{\text{Br}}^{-}]\ll k_{2}[{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}$多くの場合、この法則が成り立つ。これらの条件下では、SSAの料率法は以下のように簡略化される。

${\displaystyle {\text{rate}}={\frac {d[{\text{tBuOH}}]}{dt}}={\frac {k_{1}k_{2}[{\text{tBuBr}}][{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}{k_{2}[{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}}=k_{1}[{\text{tBuBr}}]}$

入門書に記載されているような単純な一次反応速度式。このような条件下では、求核剤の濃度は反応速度に影響を与えず、求核剤の種類（例えばH₂OからMeOHへ）を変えて_も反応速度は変化しないが、生成物は当然異なる。この反応系では、第一段階（アルキルブロミドのイオン化）は遅く、律速段階であり、不可逆的である一方、第二段階（求核付加）は速く、反応速度論的には観察できない。

しかし、特定の条件下では、非一次反応速度論が観察されることがあります。特に、臭化物イオンの濃度が高く、水の濃度が限られている場合、最初のステップの逆反応が速度論的に重要になります。SSA速度法則が示すように、これらの条件下では、[H _{2 O]に対して分数（ゼロ次から一次の間）の依存性があり、[Br} ^– ]に対しては負の分数依存性があります。したがって、反応混合物に脱離基の外因性供給源（この場合は臭化物イオン）を加えると、SN ₁反応が遅くなることがよく観察されます。これは共通イオン効果として知られており、この効果の観察はSN 1機構の証拠となります_（ただし、共通イオン効果がないからといってSN 1機構が否定されるわけではありません）。^{[ 6 ] [ 7 ]}

中心炭素原子が嵩高い基に囲まれている場合、SN1機構が優勢になる傾向がある。これは、嵩高い基が_SN2反応_を立体的に阻害するためである。さらに、中心炭素上の嵩高い置換基は、立体ひずみの緩和によりカルボカチオン生成速度を増加させる。生成したカルボカチオンは、付加したアルキル基による誘導安定化と超共役の両方によって安定化される。ハモンド・レフラーの仮説によれば、これもカルボカチオン生成速度を増加させる。したがって、 _SN1機構は第三級アルキル中心での反応において優勢となる。

_{S N} 1 方式で進行する反応の例として、対応するジオールから濃塩酸を用いて2,5-ジクロロ-2,5-ジメチルヘキサンを合成する反応が挙げられる。^{[ 8 ]}

脱離基に対するα位およびβ位の置換基が増加するにつれて、反応はSN2から_SN1へと変化する。

反応の律速段階（RDS）で形成されるカルボカチオン中間体は、三角平面分子構造を持つsp2混成炭素です^。これにより、求核攻撃には2つの異なる経路、すなわち平面分子の両側からの攻撃が可能になります。どちらの経路も優先されない場合、これら2つの経路は等しく起こり、立体中心で反応が起こると、エナンチオマーのラセミ混合物が生成されます。[ ^{9 ]これ}は、( S )-3-クロロ-3-メチルヘキサンとヨウ化物イオンのSN1反応_で以下に示されており、3-ヨード-3-メチルヘキサンのラセミ混合物が生成されます。

しかしながら、脱離基がカルボカチオン中間体の近傍に短時間留まり、求核攻撃を阻害するため、一方の立体異性体が過剰に生成する可能性がある。これは、求核剤が脱離基の後方から接近するため立体化学が常に反転する立体特異​​的な機構であるSN2機構_{とは対照的である。}

一般的な副反応として、脱離反応とカルボカチオン転位が挙げられます。反応が温暖または高温条件下（エントロピー増加が促進される条件）で行われる場合、E1脱離が優勢となり、アルケンが生成する傾向があります。低温では、_SN1反応とE1反応が競合反応となり、どちらか一方を優先させることは困難になります。低温で反応を行った場合でも、アルケンが生成する可能性があります。水酸化物イオンやメトキシドイオンなどの強塩基性求核剤を用いてSN1反応_{を行おうとすると、今度は}E2脱離を介してアルケンが再び生成します。これは、反応を加熱した場合に特に顕著です。最後に、カルボカチオン中間体がより安定なカルボカチオンに転位できる場合、単純な置換生成物ではなく、より安定なカルボカチオン由来の生成物が得られます。

S _N 1反応では、律速段階（RDS）で不安定なカルボカチオン中間体が形成されるため、この過程を促進できるものはすべて反応速度を速めることになる。一般的に用いられる溶媒は、極性溶媒（一般的にイオン中間体を安定化させるため）とプロトン性溶媒（特に脱離基を溶媒和するため）の両方である。代表的な極性プロトン性溶媒には水やアルコールがあり、これらは求核剤としても作用し、この過程は溶媒分解として知られている。

Yスケールは、任意の溶媒の溶媒分解反応速度（ k）を標準溶媒（80% v/vエタノール/水）の反応速度（k ₀）と相関させ、

${\displaystyle \log {\left({\frac {k}{k_{0}}}\right)}=mY\,}$

ここで、mは反応物定数（tert-ブチルクロリドの場合はm = 1 ）、Yは溶媒パラメータである。^{[ 10 ]}例えば、100%エタノールではY = −2.3、水中の50%エタノールではY = +1.65、15%濃度ではY = +3.2となる。^{[ 11 ]}

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• 求核アシル置換反応
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• SN2反応_​

• 図：フロストバーグ州立大学
• 演習：メイン大学