置換反応

置換反応（一置換反応または一置換反応とも呼ばれる）は、化合物中の1つの官能基が別の官能基に置き換えられる化学反応である。 ^{[1]置換反応は}有機化学において最も重要である。有機化学における置換反応は、関与する試薬、反応に関与する反応中間体がカルボカチオン、カルボアニオン、またはフリーラジカルのいずれであるか、および基質が脂肪族であるか芳香族であるかに応じて、求電子性または求核性に分類される。反応タイプを詳しく理解することは、反応における生成物の結果を予測するのに役立ちます。また、温度や溶媒の選択などの変数に関して反応を最適化するのにも役立ちます。

置換反応の良い例はハロゲン化です。塩素ガス (Cl ₂ ) に放射線を照射すると、分子の一部が 2 つの塩素ラジカル(Cl•) に分割され、その自由電子は強い求核性を持ちます。そのうちの 1 つはCH _4のC–H 共有結合を切断し、水素原子を捕らえて電気的に中性の HCl を形成します。もう 1 つのラジカルは CH ₃ • と共有結合を再形成して CH ₃ Cl (塩化メチル) を形成します。

有機化学（および無機化学）において、求核置換反応は、求核剤が原子または原子群の正電荷または部分的に正電荷を選択的に結合または攻撃する基本的な反応の1つである。この反応により、より弱い求核剤が置換され、これが脱離基となる。残った正電荷または部分的に正電荷の原子は求電子剤となる。求電子剤と脱離基を含む分子全体は、通常、基質と呼ばれる。^[1]

この反応の最も一般的な形は次のように表される。

${\displaystyle {\ce {Nuc{\mathbf {:}}- + R-LG -> R-Nuc{}+ LG{\mathbf {:}}-}}}$

ここで、R−LG は基質を示します。求核剤 (Nuc:) からの電子対( :) が基質 ( R−LG ) を攻撃し、新しい共有結合Nuc−R−LGを形成します。脱離基(LG) が電子対を残して離脱すると、以前の電荷状態が復元されます。この場合の主な生成物はR−Nucです。このような反応では、求核剤は通常電気的に中性または負に帯電し、一方基質は通常中性または正に帯電します。

求核置換反応の一例としては、塩基性条件下でのアルキル臭化物R−Brの加水分解が挙げられる。ここで、攻撃する求核剤は塩基OH ⁻で、脱離基はBr ⁻である。

${\displaystyle {\ce {R-Br + OH- -> R-OH + Br-}}}$

求核置換反応は有機化学では一般的であり、飽和脂肪族化合物の炭素で起こるか、（それほど頻繁ではないが）芳香族またはその他の不飽和炭素中心で起こるかに大別できます。 ^[1]

求核置換反応は、単分子求核置換反応（S _N 1）と二分子求核置換反応（S _N 2 ）という2つの異なるメカニズムで進行します。この2つの反応は、反応速度法則に従って命名されており、S _N 1は一次反応速度法則を持ち、S _N 2は二次反応速度法則を持ちます。^[2]

S _N 1 機構には 2 つのステップがあります。最初のステップでは、脱離基が離脱してカルボカチオン(C ⁺ ) を形成します。2 番目のステップでは、求核試薬 (Nuc:) がカルボカチオンに結合し、共有シグマ結合を形成します。基質にキラル炭素がある場合、この機構により立体化学の反転または配置の保持のいずれかが起こります。通常、どちらも優先なく発生します。その結果、ラセミ化が起こります。

カルボカチオン（C ⁺）の安定性は、それに結合している他の炭素原子の数に依存します。このため、SN ₁反応は通常、少なくとも2つの炭素が結合している原子で発生します。^{[2]これについてのより詳細な説明は、} SN1反応のメインページにあります。

S _N 2 機構には 1 つのステップしかありません。試薬の攻撃と脱離基の排除は同時に起こります。この機構では常に配置の反転が起こります。求核攻撃を受けている基質がキラルである場合、反応はWalden 反転と呼ばれる立体化学の反転につながります。

S _N 2 攻撃は、攻撃の裏側経路が基質上の置換基によって立体的に妨げられていない場合に発生する可能性がある。したがって、このメカニズムは通常、妨げられていない第一級炭素中心で発生する。脱離基の近くの基質に立体的な混雑がある場合、例えば第三級炭素中心では、置換はS _N 2ではなくS _{N 1 を伴う}^。[2]

その他の求核置換反応には、求核アシル置換反応や求核芳香族置換反応があります。アシル置換反応は、求核剤が、1 つの酸素に二重結合し、別の酸素 (N または S またはハロゲン) に単結合している炭素 (アシル基と呼ばれる)を攻撃すると発生します。求核剤が炭素を攻撃すると、二重結合が単結合に分解されます。その後、二重結合が再形成され、その過程で脱離基が放出されます。

芳香族置換は、環でつながった二重結合のシステムを持つ化合物で起こります。詳細については、芳香族化合物を参照してください。

求電子剤は求電子置換反応、特に求電子芳香族置換反応に関与します。

この例では、ベンゼン環の電子共鳴構造が求電子剤 E ⁺によって攻撃されます。共鳴結合が切断され、カルボカチオン共鳴構造が生じます。最終的にプロトンが追い出され、新しい芳香族化合物が形成されます。

アレーン 以外の不飽和化合物に対する求電子反応は、通常、置換反応ではなく求電子付加反応を引き起こします。

ラジカル置換反応にはラジカルが関与します。一例として、フンスディーカー反応が挙げられます。

カップリング反応は、有機金属化合物RMと有機ハロゲン化物R′Xが反応してRR′型の化合物を形成し、新しい炭素-炭素結合を形成する金属触媒反応の一種です。例としては、ヘック反応、ウルマン反応、ウルツ・フィッティヒ反応などがあります。多くのバリエーションが存在します。^[3]

置換化合物とは、1 つ以上の水素原子がアルキル、ヒドロキシ、ハロゲンなどの他の原子に置き換えられた化合物です。詳細については、置換化合物のページをご覧ください。

有機化学の文脈では置換反応について議論するのが一般的ですが、この反応は一般的なものであり、幅広い化合物に適用されます。配位錯体の配位子は置換の影響を受けやすいです。会合メカニズムと解離メカニズムの両方が観察されています。^{[4] [5]}

例えば、会合性置換反応は、典型的には有機金属錯体や錯体に適用されますが、有機化学におけるSn2 機構に似ています。反対の経路は解離性置換反応で、 Sn1 経路に類似しています。

会合機構の例は、バスカ錯体やテトラクロロ白金酸などの 16e平面四角形金属錯体の化学でよく見られます。反応速度法則は、アイゲン・ウィルキンス機構によって規定されています。

解離置換は、有機化学のS _N 1 機構に似ています。この経路は、シス効果、つまりシス位置の CO リガントの不安定化によってうまく説明できます。解離置換を受ける錯体は、配位飽和していることが多く、八面体分子構造を持つことがよくあります。これらの反応では、活性化エントロピーが特徴的に正であり、これは反応システムの無秩序性が律速段階で増加することを示しています。解離経路は、置換を受ける金属の配位圏からリガンドが放出される律速段階によって特徴付けられます。置換する求核剤の濃度はこの速度に影響を与えず、配位数が減少する中間体が検出されます。反応は、対応する中間反応段階の 速度定数であるk ₁、 k ₋₁、および k _{2で説明できます。}

${\displaystyle {\ce {L_{\mathit {n}}M-L<=>[-\mathrm {L} ,k_{1}][+\mathrm {L} ,k_{-1}]L_{\mathit {n}}M-\Box ->[+\mathrm {L} ',k_{2}]L_{\mathit {n}}M-L'}}}$

通常、反応速度を決定する段階は複合体からのLの解離であり、[L']は反応速度に影響を与えないため、単純な反応速度式が得られます。

${\displaystyle {\ce {Rate={{\mathit {k}}_{1}[L_{\mathit {n}}M-L]}}}}$

• Imyanitov, Naum S. (1993). 「この反応は置換、酸化還元、または転移か?」J. Chem. Educ . 70 (1): 14–16. Bibcode :1993JChEd..70...14I. doi :10.1021/ed070p14.