SN1反応

単分子求核置換反応（S _N 1）は、有機化学における置換反応である。この反応機構のヒューズ・インゴールド記号は、2つの特性を表す。「S _{N 」は「}求核置換」を表し、「1」は律速段階が単分子であることを意味する。^{[1] [2]}そのため、反応速度式は、基質に対して一次依存性を持ち、求核剤に対してゼロ次依存性を持つものとして示されることが多い。この関係は、求核剤の量が中間体の量よりはるかに多い場合に当てはまる。代わりに、反応速度式は定常状態速度論を使用してより正確に記述することができる。この反応にはカルボカチオン中間体が関与し、強塩基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と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、代替のS _N 2反応が起こる。無機化学では、S _N 1反応は解離置換反応としてよく知られています。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、S} _N 2機構とは異なり、求核剤の強さにあまり依存しません。このタイプの機構には2つのステップがあります。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ロゲン化物のイオン化です。このステップでは、中間体としてカルボカチオンが得られます。

_{S N} 1 機構の第一段階では、平面状のカルボカチオンが形成されるため、どちらの側からも求核剤の攻撃 (第二段階) が起こり、ラセミ体が得られるが、実際には完全なラセミ化は起こらない。これは、離脱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ある。負に帯電したハロゲン化物イオンは、カルボカチオンが前面から攻撃されるのを防ぎ、配置の反転につながる背面からの攻撃が優先される。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構成されるが、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らない。^[4]

_{S N} 1反応機構で起こる反応の例としては、tert-ブチル臭化物の加水分解によるtert-ブタノールの生成が挙げられます。

この S _N 1 反応は 3 つのステップで起こります。

• 炭素原子から脱離基（臭化物アニオン）を分離してtert-ブチルカルボカチオンを形成する。このステップは遅い。 ^[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 (つまり溶媒) の場合、反応を完了するには 3 番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。この反応ステップは高速です。

• 脱プロトン化:プロトン化された求核剤上のプロトンが塩基として作用する水によって除去され、アルコールとヒドロニウムイオンが形成されます。この反応ステップは高速です。

_{S N} 1 反応の速度法則は、アルキルハライドでは 1 次、求核剤では 0 次であると考えられがちですが、これは特定の条件下でのみ当てはまる単純化です。これも近似値ではありますが、定常状態近似 (SSA) から導かれる速度法則は、S _N 1 反応の運動挙動についてより深い洞察を提供します。上記のメカニズムの次の反応スキームを検討してください。

tert-ブチルカチオンは比較的安定した第三級カルボカチオンですが、非常に低濃度でしか存在せず、通常の条件下では直接観察できない高エネルギー種です。したがって、SSA はこの種に適用できます。

（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）定常状態仮定に基づく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の反応速度： ${\displaystyle {\frac {d[{\text{tBuOH}}]}{dt}}=k_{2}[{\text{tBu}}^{+}][{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}$

（４）定常速度法則は、（２）を（３）に代入すると次のようになる。 ${\displaystyle {\frac {d[{\text{tBuOH}}]}{dt}}={\frac {k_{1}k_{2}[{\text{tBuBr}}][{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}{k_{-1}[{\text{Br}}^{-}]+k_{2}[{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}}}$

通常の合成条件下では、入ってく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 (5 ～ 10% の変換) で臭化物を添加しないで行われるため、は無視できます。これらの理由から、が成立することがよくあります。これらの条件下では、SSA 速度法則は次のように簡略化されます。 ${\displaystyle [{\text{Br}}^{-}]}$${\displaystyle k_{-1}[{\text{Br}}^{-}]\ll k_{2}[{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}$

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

入門書に記載されている単純な一次反応速度法則。これらの条件下では、求核剤の濃度は反応速度に影響を与えず、求核剤を変更しても（たとえば、H ₂ O から MeOH へ）、生成物は当然異なりますが、反応速度には影響しません。この状態では、最初のステップ（アルキル臭化物のイオン化）は遅く、律速的で不可逆ですが、2 番目のステップ（求核付加）は速く、速度論的には目に見えません。

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る。特に、水の濃度が制限されているのに臭化物濃度が高い場合、第一段階の逆反応が速度論的に重要になる。SSA 反応速度法則が示すように、これらの条件下では [H _{2 O] に対する分数依存性（ゼロ次と一次の間）があるのに対し、[Br} ^– ]に対する負の分数依存性がある。したがって、脱離基の外因性源（この場合は臭化物）が反応混合物に添加されると、 S _{N 1 反応が遅くなることがしばしば観察される。これは}共通イオン効果として知られており、この効果が観察されることは S N 1 メカニズムの証拠である_（ただし、共通イオン効果が存在しないからといって S N 1 メカニズムが除外されるわけではない）。^{[6] [7]}

中心炭素原子がかさ高い基に囲まれている場合、そのような基が立体的にS _N 2 反応を妨げるため、 S _{N 1 機構が優勢になる傾向があります。さらに、中心炭素上のかさ高い置換基は、}立体ひずみが緩和されるため、カルボカチオン形成速度を速めます。結果として生じるカルボカチオンは、付加され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も安定化されます。ハモンド-レフラーの定理は、これもカルボカチオン形成速度を速めることを示唆しています。したがって、三級アルキル中心 での反応ではS _N 1 機構が優勢になります。

_{S N} 1方式で進行する反応の例としては、対応するジオールと濃塩酸から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]

脱離基に関してアルファおよびベータ置換が増加すると、反応は S _N 2 から S _N 1 に変わります。

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、三方平面分子構造を持つsp ²混成炭素である。これにより、平面分子の両側で2つの異なる求核攻撃が可能になる。どちらのアプローチも好ましくない場合、これら2つの方法は等しく発生し、反応が立体中心で起こるとエナンチオマーのラセミ混合物が生じる。 ^[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とのS _N 1反応で示されており、3-ヨード-3-メチルヘキサンのラセミ混合物が生じる。

しかし、脱離基が短時間カルボカチオン中間体の近くに留まり、求核攻撃をブロックできるため、一方の立体異性体が過剰になることがあります。これは、求核剤が脱離基の後ろ側から入ってくるため立体化学が常に反転する立体特異​​的メカニズムである S _{N 2 メカニズムとは対照的です。}

よくある副反応は、脱離反応とカルボカチオン転位の 2 つです。反応が温かい条件または熱い条件 (エントロピーの増加に有利) で行われる場合、E1 脱離が優勢になり、アルケンの形成につながる可能性が高くなります。低温では、S _N 1 反応と E1 反応は競合反応であり、一方を他方より優先させることが難しくなります。反応が低温で行われた場合でも、アルケンが生成されることがあります。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使用してS _N 1 反応を実行しようとすると、今度はE2 脱離によってアルケンが再び生成されます。これは、反応が加熱されている場合に特に当てはまります。最後に、カルボカチオン中間体がより安定した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、より安定したカルボカチオンから誘導された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、このプロセスを促進するものはすべて反応を加速します。通常選択される溶媒は、極性溶媒 (一般にイオン中間体を安定化するため) とプロトン性溶媒(特に脱離基を溶媒和するため) の両方です。典型的な極性プロトン性溶媒には水とアルコールがあり、これらは求核剤としても機能し、このプロセスは溶媒分解として知られています。

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

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

ここで、mは反応定数（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、50%エタノール水溶液ではY = +1.65、15%濃度ではY = +3.2となる。^[11]

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• 図表:フロストバーグ州立大学
• 演習：メイン大学