SN1-reactie: Uitleg, mechanismen en voorbeelden van nucleofiele substitutie
SN1-reactie: duidelijke uitleg van het unimoleculaire mechanisme, carbokation‑tussenproduct, reactievarianten en voorbeelden van nucleofiele substitutie.
De SN1-reactie is een substitutiereactie in de organische chemie. "SN" staat voor nucleofiele substitutie en de "1" staat voor het feit dat bij de snelheidsbepalende stap slechts één molecuul betrokken is (unimoleculair). Bij de reactie is een carbokation-tussenproduct betrokken. Enkele veel voorkomende SN1-reacties zijn van secundaire of tertiaire alkylhalogeniden onder sterk basische omstandigheden of, onder sterk zure omstandigheden, met secundaire of tertiaire alcoholen. Met primaire alkylhalogeniden treedt de alternatieve SN2-reactie op. Onder anorganische scheikundigen staat de SN1-reactie vaak bekend als het dissociatieve mechanisme. Christopher Ingold et al. stelden het reactiemechanisme voor het eerst voor in 1940.
Mechanisme
De typische SN1-reactie verloopt via twee hoofdstappen:
- Stap 1 (snelheidsbepalend): heterolytische afsplitsing van de leaving group (LG) van het substraat R–LG, waardoor een carbokation (R+) en de leaving group anion (LG–) ontstaan. Deze stap is unimoleculair en bepaalt de reactiesnelheid.
- Stap 2: het gevormde carbokation wordt door een nucleofiel (Nu) aangevallen, waardoor het substitutieproduct R–Nu ontstaat.
Samengevat: R–LG → R+ + LG– (traag), gevolgd door R+ + Nu → R–Nu (snel).
Kenmerken en kinetiek
- Reactiesnelheid: eerste-orde kinetiek: v = k [substraat]. De snelheid hangt alleen af van de concentratie van het uitgangsmolecuul (unimoleculair).
- Hammond-principe: bij endotherme ionisatie heeft de overgangstoestand veel carbokation-karakter; stabilisatie van het carbokation verlaagt de activeringsenergie en versnelt de reactie.
- Rol van het nucleofiel: een sterk nucleofiel versnelt SN2, maar bij SN1 speelt het nucleofiel in de snelheidsbepalende stap nauwelijks een rol; zwakkere nucleofielen zijn bij SN1 vaak voldoende.
Factoren die SN1 bevorderen
- Substraatstructuur: stabilisatie van het carbokation is cruciaal. Tertiaire > secundaire > primaire; stabiliserende substituenten (alkylgroepen, resonantie zoals bij benzyl- of allylcarbokationen) bevorderen SN1.
- Leaving group: goede leaving groups (bijv. I–, Br–, tosylaat, water na protonering) vergemakkelijken de ionisatie.
- Oplosmiddel: polar protische oplosmiddelen (water, alcoholen) solvaseren en stabiliseren zowel het carbokation als het leaving-group anion, en bevorderen SN1.
- Zuurgraad: protonering van alcoholen zet een slechte leaving group (OH) om in water, een goede leaving group, waardoor SN1 mogelijk wordt onder zure omstandigheden.
- Temperatuur en concurrerende processen: hogere temperatuur kan eliminatie (E1) bevorderen; bij afwezigheid van sterke nucleofielen of bij verwarmde omstandigheden is E1 vaak concurrerend.
Stereochemie en ion pairs
Het carbokation is plannair (sp2) en kan vanaf beide zijden aangevallen worden, wat vaak leidt tot racemisatie wanneer het uitgangsmateriaal chirale centra bevat. Volledige racemisatie wordt niet altijd bereikt: soms ontstaat een ion pair (intimate ion pair) waarbij het anion tijdelijk dicht bij het carbokation blijft en de aanval van het nucleofiel gedeeltelijk van één zijde voorkomt, wat leidt tot gedeeltelijke retentie of inversie.
Rearrangementen
Carbokationen kunnen ondergaan tot verschuivingen (hydride- of alkylverschuivingen) naar een meer gestabiliseerd carbokation. Dit verklaart waarom soms onverwachte producten optreden: het gevormde carbokation kan eerst herstructureren en daarna door een nucleofiel worden gevangen.
Voorbeelden
- Hydrolyse van tert-butylchloride in water: (CH3)3C–Cl + H2O → (CH3)3C–OH + HCl. Ionisatie geeft het tert-butylcarbokation dat door water wordt aangevallen.
- Solvolyse van 2-bromo-2-methylpropaan (tert-butylbromide) in ethanol geeft tert-butylethanol en bromide: (CH3)3C–Br + EtOH → (CH3)3C–OEt + HBr (via SN1 / solvolyse).
- Benzyl- en allylhalogeniden: ondanks dat ze primair kunnen zijn, geven ze SN1-achtige reacties door resonantiestabilisatie van het carbokation (bijv. benzylchloride → benzylalcohol in waterige omstandigheden).
- Protonering van tertiaire alcoholen onder zure condities leidt tot vertrek van water en vorming van een tertiair carbokation dat door nucleofielen kan worden opgevangen.
Concurrentie met andere mechanismen
SN1 concurreert vaak met E1 (unimoleculaire eliminatie). Beide verlopen via hetzelfde carbokation tussenproduct; welke reactie dominant is hangt af van temperatuur, nucleofiel/basis, en concentraties. SN2 daarentegen is bimoleculair en wordt bevorderd door sterke nucleofielen, polaire aprotische oplosmiddelen en minder gehinderde (primaire) substraten.
Praktische overwegingen
- Bij synthetische toepassingen: kies een substraat en oplosmiddel die carbokationstabilisatie ondersteunen wanneer SN1 gewenst is (bijv. tertiaire halogeniden in water of alcoholen).
- Let op mogelijke rearrangementen die tot bijproducten kunnen leiden.
- Controleer of eliminatie (E1) ongewenst is; lagere temperatuur en aanwezigheid van nucleofiel kunnen SN1-producten bevorderen, maar soms is selectiviteit moeilijk te krijgen.
Samengevat: de SN1-reactie is een unimoleculair substitutiemechanisme via een carbokation tussenproduct. Het wordt vooral gefaciliteerd door stabiele carbokationen, goede leaving groups en polar protische oplosmiddelen. Begrip van factoren als stereochemie, rearrangementen en competitie met E1 is essentieel voor het voorspellen en sturen van het reactie-uitkomst in de praktijk.
Mechanisme
Een voorbeeld van een reactie die plaatsvindt met een SN1-reactiemechanisme is de hydrolyse van tert-butylbromide met water om tert-butylalcohol te vormen:
Deze SN1-reactie verloopt in drie stappen:
- Vorming van een tert-butylcarbokation door afscheiding van een vertrekkende groep (een bromide-anion) van het koolstofatoom; deze stap is langzaam en omkeerbaar.
- Nucleofiele aanval: het carbokation reageert met het nucleofiel. Als het nucleofiel een neutraal molecuul is (dat wil zeggen een oplosmiddel), is een derde stap nodig om de reactie te voltooien. Als het oplosmiddel water is, is het tussenproduct een oxoniumion. Deze reactiestap verloopt snel.
- Deprotonatie: Verwijdering van een proton op het geprotoneerde nucleofiel door water dat als base fungeert, waarbij de alcohol en een hydroniumion worden gevormd. Deze reactiestap verloopt snel.
Omdat de eerste stap de bottleneck of "snelheidsbepalende stap" is, classificeren chemici het hele reactiemechanisme als SN1. Voor die stap is slechts één molecuul nodig.
Reikwijdte van de reactie
Soms kan een molecuul reageren via zowel een SN1- als een SN2-mechanisme. Het SN1-mechanisme zal deze competitie winnen wanneer het centrale koolstofatoom omgeven is door volumineuze groepen, omdat dergelijke groepen de SN2-reactie sterisch belemmeren. Bovendien verhogen volumineuze substituenten op het centrale koolstofatoom de snelheid van de vorming van carbokationen door de sterische spanning die wordt weggenomen. Het resulterende carbokation wordt ook gestabiliseerd door zowel inductieve stabilisatie als hyperconjugatie van aanhangende alkylgroepen. Het Hammond-Leffler postulaat zegt dat ook dit de snelheid van carbokationvorming zal verhogen. Het SN1-mechanisme domineert derhalve in reacties op tertiaire alkylcentra en wordt verder waargenomen bij secundaire alkylcentra in aanwezigheid van zwakke nucleofielen.
Een voorbeeld van een reactie die verloopt op een SN1-wijze is de synthese van 2,5-dichloor-2,5-dimethylhexaan uit het overeenkomstige diol met geconcentreerd zoutzuur:
Naarmate de alfa- en betasubstituties toenemen ten opzichte van de vertrekkende groepen, wordt de reactie omgebogen van SN2 naar SN1.
Stereochemie
Het carbokation intermediair gevormd in de snelheidsbeperkende stap van de reactie is een sp2 gehybridiseerde koolstof met trigonale planaire moleculaire geometrie. Dit maakt twee verschillende paden voor de nucleofiele aanval mogelijk, één aan elke kant van het vlakke molecuul. Als geen van beide paden de voorkeur heeft, zullen deze twee paden gelijkelijk worden gebruikt, wat een racemisch mengsel van enantiomeren oplevert als de reactie in een stereocentrum plaatsvindt. Dit wordt hieronder geïllustreerd in de SN1-reactie van S-3-chloor-3-methylhexaan met een jodide-ion, waarbij een racemisch mengsel van 3-iodo-3-methylhexaan ontstaat:
Er kan echter een overmaat aan één stereoisomeer worden waargenomen, omdat de vertrekkende groep korte tijd dicht bij het carbokation-tussenproduct kan blijven en de nucleofiele aanval kan blokkeren. Dit is iets heel anders dan het SN2-mechanisme, waarbij de stereochemie van het product niet wordt omgekeerd (een stereospecifiek mechanisme). Het SN2-mechanisme keert altijd de stereochemie van het molecuul om.
Bijwerkingen
Twee veel voorkomende nevenreacties zijn eliminatiereacties en carbocatie-herschikking. Als de reactie wordt uitgevoerd onder warme of hete omstandigheden (die een toename van entropie bevorderen), zal E1-eliminatie waarschijnlijk overheersen, wat leidt tot vorming van een alkeen. Bij lagere temperaturen zijn SN1- en E1-reacties concurrerende reacties. Het wordt dus moeilijk om de ene reactie te verkiezen boven de andere. Zelfs als de reactie koud wordt uitgevoerd, kan er enig alkeen worden gevormd. Als wordt geprobeerd een SN1-reactie uit te voeren met een sterk basisch nucleofiel zoals een hydroxide- of methoxide-ion, zal het alkeen opnieuw worden gevormd, ditmaal via een E2-eliminatie. Dit zal vooral het geval zijn als de reactie wordt verwarmd. Tenslotte, als het carbokation-tussenproduct kan herschikken tot een stabieler carbokation, zal het een product geven dat is afgeleid van het stabielere carbokation in plaats van het eenvoudige substitutieproduct.
Oplosmiddel effecten
Oplosmiddelen veranderen de reactiesnelheid. Aangezien bij de SN1-reactie in de snelheidsbepalende stap een onstabiel carbokation-tussenproduct wordt gevormd, zal alles wat daarbij kan helpen de reactie versnellen. De normale oplosmiddelen zijn zowel polair (om ionische tussenproducten in het algemeen te stabiliseren) als protisch (om de vertrekkende groep in het bijzonder op te lossen). Typische polaire protische oplosmiddelen zijn water en alcoholen, die ook als nucleofielen fungeren.
De Y-schaal correleert de reactiesnelheid van een oplosmiddel (k) met die van een standaard oplosmiddel (80% v/v ethanol/water) (k0) door
log ( k k 0 ) = m Y {\loog {{k}{k_{0}}}rechts}=mY,} 
met m een reactantconstante (m = 1 voor tert-butylchloride),
- Y een oplosmiddelparameter, en
- k0 is de reactiesnelheid bij gebruik van een oplosmiddel van 80% ethanol (gemeten in volume).
Bijvoorbeeld 100% ethanol geeft Y = -2,3, 50% ethanol in water Y = +1,65 en 15% concentratie Y = +3,2.
Vragen en antwoorden
V: Waar staat "SN" voor in SN1 reactie?
A: "SN" staat voor nucleofiele substitutie.
V: Wat betekent "1" in een SN1-reactie?
A: "1" staat voor het feit dat bij de snelheidsbepalende stap slechts één molecuul betrokken is (unimoleculair).
V: Welk type reactie is SN1?
A: SN1 is een substitutiereactie.
V: Wat is het tussenproduct dat bij een SN1 reactie betrokken is?
A: Bij een SN1 reactie is een carbokation tussenproduct betrokken.
V: Onder welke omstandigheden treden SN1-reacties op?
A: Veel voorkomende SN1-reacties treden op met secundaire of tertiaire alkylhalogeniden onder sterk basische omstandigheden, of met secundaire of tertiaire alcoholen onder sterk zure omstandigheden.
V: Welke alternatieve reactie treedt op met primaire alkylhalogeniden?
A: Met primaire alkylhalogeniden treedt de alternatieve SN2-reactie op.
V: Wie stelde als eerste het SN1-reactiemechanisme voor en in welk jaar?
A: Christopher Ingold et al. stelden het SN1-reactiemechanisme voor het eerst voor in 1940.
Zoek in de encyclopedie