לדלג לתוכן

הבדלים בין גרסאות בדף "התמרה נוקלאופילית"

מ
מ (תמונות - הסבה לעברית, תיקון פרמטרים#)
'''התמרה נוקלאופילית''' (ב[[אנגלית]]: '''Nucleophilic substitution''') היא [[תגובה כימית]] נפוצה ב[[כימיה אורגנית]]. זוהי תגובה מסוג [[תגובת התמרה|התמרה]] - אחת הקבוצות הכימיות הקשורות ל[[מולקולה]] המגיבה מוחלפת בקבוצה כימית אחרת.
 
המולקולה המגיבה קרויה '''[[סובסטרט]]'''. בהתמרה נוקלאופילית הקבוצה החדשה הנקשרת לסובסטרט הינההיא '''[[נוקלאופיל]]''', שהוא מולקולה הנוטה למסור [[אלקטרונים]]. הקבוצה המוחלפת, הקרויה '''קבוצה עוזבת''' היא בעלת אופי [[אלקטרושליליות|אלקטרושלילי]], למשל [[אטום]] [[הלוגן|הלוגני]].
 
[[כתיב כימי|המשוואה הכימית]] הכללית המייצגת התמרה נוקלאופילית היא זו:
 
====הסובסטרט====
קצב התגובה מושפע גם מאופיו ומבנהו של הסובסטרט. מכיוון שעל הנוקלאופיל להידחק יחד עם הקבוצה העוזבת, התגובה איטית יותר ככל שמתקיימת הפרעה מרחבית גדולה יותר. הפרעה מרחבית פירושה הימצאותן של קבוצות גדולות הקשורות לאטום הפחמן המותקף. ההפרעה גדלה ככל שקיימות קבוצות רבות יותר סמוך לאטום הפחמן, וככל שאלה בעלות נפח גדול יותר. סדר פעילותם של [[אלקיל הליד]]ים - מולקולות [[פחמימן|פחמימניות]] הקשורות לאטום [[הלוגן]], ואשר מהוות סובסטרט נפוץ להתמרה נוקלאופילית - מדגים זאת: אלקיל הלידים שלישוניים, שהם אלקיל הלידים שבהם לפחמן הסמוך להלוגן קשורות שלוש קבוצות אלקיליות, הינוהוא בעל הפרעה מרחבית גדולה במיוחד ולכן לא מגיב במנגנון S<sub>N</sub>2. כאשר האלקיל הליד שניוני (לפחמן הסמוך לקבוצה העוזבת קשורות שתי קבוצות אלקיליות), ההפרעה המרחבית פחות גדולה ולכן תגובה במנגנון S<sub>N</sub>2 אפשרית. אלקיל הלידים ראשוניים ו[[מתיל]] הלידים מגיבים במנגנון S<sub>N</sub>2 ביתר קלות, בשל ההפרעה המרחבית הזעומה.
 
גם לאופיה של הקבוצה העוזבת תפקיד בקביעת קצב התגובה. ככלל, קבוצה עוזבת טובה יותר, דהיינו מגיבה במהירות רבה יותר, ככל שהיא מהווה [[בסיס (כימיה)|בסיס]] חלש יותר (או במילים אחרות- [[חומצה]] חזקה יותר). הסיבה לכך היא שככל שבסיסיותו של חומר פחותה, כן הוא נושא ביתר קלות [[מטען חשמלי]] שלילי, כך שנטייתו לעזוב את הסובסטרט ו[[יון|להתיינן]] תהיה גדולה יותר. כך יון ה[[יוד]] (<sup>-</sup>I) הוא בסיס חלש יותר מיון [[פלואור]] (<sup>-</sup>F) ולכן מהווה קבוצה עוזבת טובה יותר. לכן אלקיל יודידים (אלקיל הלידים המכילים יוד, שהוא סוג הלוגן) יהיו ריאקטיביים יותר מאלקיל פלואורידים.
 
====הסביבה====
מלבד המגיבים, גם התנאים השוררים בסביבת התגובה, בדרך כלל [[מסיסות|ממס]] כלשהו, משפיעים רבות על קצב התגובה. על הממס להיות [[קוטביות (כימיה)|קוטבי]], שכן עליו להמס ולייצב את המגיבים, חומר הביניים, והתוצרים, שיש מהם אשר נושאים מטען חשמלי, או בעלי קוטביות. כאשר הממס הינו פרוטי, דהיינו מכיל קבוצת [[הידרוקסיל]] (OH-) הוא יוצר [[קשרי מימן]] חזקים עם המומסים בו. על כן כאשר הנוקלאופיל טעון (שלילית), טרם יצירת הקשר עם הסובסטרט, עליו לפרום את קשרי המימן שלו עם הממס. הדבר מגדיל את ה[[אנרגיה]] הדרושה לקיום התגובה ולכן מאט אותה. נוקלאופיל גדול יותר מקיים קשרים חלשים יותר עם הממס, ולכן פעילותו בממס פרוטי תהיה גדולה יותר. לעומת זאת, בממסים אפרוטיים (שאינם מכילים קבוצת הידרוקסיל) מתקיימים [[קשרי ואן דר ואלס]] בין הממס לנוקלאופיל, אשר חלשים מקשרי המימן. לכן ניתן לומר שתגובה בממס אפרוטי הינה מהירה יותר.
 
מלבד המגיבים, גם התנאים השוררים בסביבת התגובה, בדרך כלל [[מסיסות|ממס]] כלשהו, משפיעים רבות על קצב התגובה. על הממס להיות [[קוטביות (כימיה)|קוטבי]], שכן עליו להמס ולייצב את המגיבים, חומר הביניים, והתוצרים, שיש מהם אשר נושאים מטען חשמלי, או בעלי קוטביות. כאשר הממס הינו פרוטי, דהיינו מכיל קבוצת [[הידרוקסיל]] (OH-) הוא יוצר [[קשרי מימן]] חזקים עם המומסים בו. על כן כאשר הנוקלאופיל טעון (שלילית), טרם יצירת הקשר עם הסובסטרט, עליו לפרום את קשרי המימן שלו עם הממס. הדבר מגדיל את ה[[אנרגיה]] הדרושה לקיום התגובה ולכן מאט אותה. נוקלאופיל גדול יותר מקיים קשרים חלשים יותר עם הממס, ולכן פעילותו בממס פרוטי תהיה גדולה יותר. לעומת זאת, בממסים אפרוטיים (שאינם מכילים קבוצת הידרוקסיל) מתקיימים [[קשרי ואן דר ואלס]] בין הממס לנוקלאופיל, אשר חלשים מקשרי המימן. לכן ניתן לומר שתגובה בממס אפרוטי הינה מהירה יותר.
 
כאשר הנוקלאופיל איננו טעון, השפעתו של הממס זניחה, מכיוון שה[[קשר כימי|קשרים]] הבין-מולקולריים בינו לבין הממס חלשים ביותר.
===מנגנון S<sub>N</sub>1===
 
בניגוד למנגנון S<sub>N</sub>2, מנגנון S<sub>N</sub>1 הינוהוא דו-שלבי: תחילה מפורק הקשר בין הסובסטרט לקבוצה העוזבת. היון הנוצר מכונה [[קרבוקטיון]], שהוא יון אורגני הטעון חיובית. בשלב השני הנוקלאופיל נקשר לקרבוקטיון לקבלת התוצר. הנוסחה הכללית המתארת את המנגנון היא:
 
[[קובץ:Mechanismus der SN1- Reaktion V.3-1.svg|640px|מרכז]]
 
הקרבוקטיון הינוהוא מישורי (בניגוד לסובסטרט ולתוצר בעלי הצורה ה[[טטרהדר|טטרהדרלית]]). לכן כאשר הוא מותקף על ידי הנוקלאופיל, הדבר יכול להעשות מכל אחד מצידיו. כשהסובסטרט [[כיראליות|כיראלי]], יוכלו להתקבל אפוא שני ה[[אננטיומר]]ים שלו: הן הקונפיגורציה הזהה לקונפיגורציית הסובסטרט והן הקונפיגורציה ההפוכה לה. מתקבלת, אם כן, תערובת של שתי הקונפיגורציות, הקרויה [[תערובת רצמית]]. התערובת הרצמית, בניגוד לסובסטרט, חסרת פעילות אופטית כיוון שפעילותו של אננטיומר אחד מבטלת את פעילותו של האחר. ניתן לומר שבמנגנון S<sub>N</sub>1 מתרחש תהליך של [[רצמיזציה]] - יצירת תערובת רצמית מחומר מוצא פעיל אופטית. עובדה זו, היא שהובילה להצעת המנגנון שלעיל (כפי שהיפוך הקונפיגורציה במנגנון S<sub>N</sub>2 הוביל להצעת מנגנון זה).
 
השלב קובע המהירות, היינו השלב האיטי, במנגנון זה הוא יצירת הקרבוקטיון (השלב הראשון). לכן, קצב התגובה לא מושפע מאופי וריכוז הנוקלאופיל, אשר משתתף בשלב השני בלבד. לכן אנו אומרים שמנגנון זה הינוהוא חד-מולקולרי (ומ[[סדר תגובה|סדר ראשון]]), ומכאן הספרה 1 בשם התגובה.
 
====הסובסטרט====
====הסביבה====
 
קרבוקטיון הינו יציב בסביבה קוטבית בלבד, כשהוא מיוצב על ידי קשרים קוטביים בינו לבין הממס. לכן לא תיתכן תגובה מסוג S<sub>N</sub>1 בממס לא קוטבי או בהיעדר ממס. מערכת שיקולים דומה לזו של השפעת הממס על הנוקלאופיל ב-S<sub>N</sub>2 פועלת כאן על הסובסטרט: כשהסובסטרט טעון נוצרים קשרים בין מולקולריים בינו לבין הממס, ולכן כדי שהתגובה תתרחש יש להשקיע אנרגיה בפרימת הקשרים ומהירות התגובה יורדת. לכן ככל שהממס קוטבי כך קצב התגובה נמוך יותר. כשהסובסטרט נייטרלי, המגמה הפוכה כיוון שקוטביות גבוהה מייצבת את הקרבוקטיון ומאיצה את התגובה.
 
===טבלת סיכום===