התמרה נוקלאופילית

התמרה נוקלאופילית (באנגלית: Nucleophilic substitution) היא תגובה כימית נפוצה בכימיה אורגנית. זוהי תגובה מסוג התמרה - אחת הקבוצות הכימיות הקשורות למולקולה המגיבה מוחלפת בקבוצה כימית אחרת.

המולקולה המגיבה קרויה סובסטרט. בהתמרה נוקלאופילית הקבוצה החדשה הנקשרת לסובסטרט היא נוקלאופיל, שהוא מולקולה הנוטה למסור אלקטרונים. הקבוצה המוחלפת, הקרויה קבוצה עוזבת היא בעלת אופי אלקטרושלילי, למשל אטום הלוגני.

המשוואה הכימית הכללית המייצגת התמרה נוקלאופילית היא זו:

כאשר R מייצגת קבוצה אלקילית, X - קבוצה עוזבת אלקטרושלילית (הקשורה לאטום פחמן מ-R), ו-Nu נוקלאופיל. הנוקלאופיל עשוי להיות טעון שלילית (מסומן ב[-]), או בעל זוג אלקטרונים לא קושר (מסומן ב[:]). הקבוצה העוזבת, עוזבת עם אלקטרוני הקשר C—X (פחמן—קבוצה עוזבת), ולכן טעונה שלילית בסוף התהליך.

לתגובת ההתמרה הנוקלאופילית תגובה מתחרה, המתרחשת פעמים רבות במקביל לה, והיא תגובת האלימינציה. נוסחתה הכללית של התגובה:
 

בתגובה זו נקשר הנוקלאופיל (Nu) לאטום מימן ונוצר קשר כפול בסובסטרט, בנוסף הX שהוא בסיס משתחרר מהRCH2CH2. היחס בין ריכוזיהם של תוצרי התגובות במערכת תגובה נתונה, תלויה בתנאים השוררים במערכת ובמגיבים עצמם.

מנגנוני התגובה

לתגובת התמרה נוקלאופילית שני מנגנוני תגובה עיקריים - מנגנון SN1 ומנגנון SN2. סימוני המנגנונים נובעים משם התגובה - S=substitution, N=nucleophile. המספר (ובמנגנונים אחרים - האות) בסוף השם קשור למנגנון התגובה עצמו. המנגנון בו תתרחש התגובה נקבע בעיקר על פי אופי הסובסטרט.

קיימים מנגנונים נוספים, אשר נפוצים פחות.

מנגנון SN2

מנגנון SN2 הוא תהליך חד שלבי, בו מתחיל להיקשר הנוקלאופיל לצידו האחד של הסובסטרט ובו-בזמן מתחילה להינתק הקבוצה העוזבת מצידו האחר. נוצר אפוא חומר ביניים בו הן הנוקלאופיל והן הקבוצה העוזבת קשורים אל הסובסטרט בקשרים חלשים. לאחר מכן ממשיך ניתוקה של הקבוצה העוזבת, וכן התרכבות הנוקלאופיל עד ליצירת התוצר. הנוסחה הכללית למנגנון זה היא, אם כן:

מנגנון התגובה הוסק על ידי תצפית בתגובת התמרה נוקלאופילית של סובסטרטים כיראליים. אלו מולקולות שבהן לפחמן אליו נקשר הנוקלאופיל (הפחמן המותקף) קשורות ארבע קבוצות שונות זו מזו. כאשר מולקולה כזו עוברת התמרה נוקלאופילית במנגנון SN2 חל היפוך בקונפיגורציה שלה (היערכות הקבוצות במולקולה) כך שהתוצר הוא תמונת ראי של המגיב (מלבד החלפת הקבוצה העוזבת בנוקלאופיל). היפוך כזה משפיע על הפעילות האופטית של המולקולה: אם יוקרן התוצר באור מקוטב, האור יוסט לכיוון הפוך מהכיוון שאליו הוסט במגיב. כשנתון זה נמדד, הוסק כי מנגנון התגובה מגביל את מקום היקשרות הנוקלאופיל לפחמן, כך שתתאפשר היקשרות רק בעמדה ההופכת את הקונפיגורציה. המנגנון המוצע אכן עונה על דרישה זו - הנוקלאופיל יקשר רק בעמדה שמול הקבוצה עוזבת, מה שיהפוך את הקונפיגורציה.

מכיוון שבשלב קובע המהירות של מנגנון SN2 משתתפים הן הנוקלאופיל והן הסובסטרט, קצב התגובה מושפע מריכוזי שני המגיבים. זוהי משמעותה של הספרה 2 בשם המנגנון: השלב קובע המהירות, מצב המעבר, הוא דו-מולקולרי.

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 הלידים - מולקולות 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, הוא בעל הפרעה מרחבית גדולה במיוחד ולכן לא מגיב במנגנון SN2. כאשר האלקיל הליד שניוני (לפחמן הסמוך לקבוצה העוזבת קשורות שתי קבוצות אלקיליות), ההפרעה המרחבית פחות גדולה ולכן תגובה במנגנון SN2 אפשרית. אלקיל הלידים ראשוניים ומתיל הלידים מגיבים במנגנון SN2 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 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 ולהתיינן תהיה גדולה יותר. כך יון היוד (-I) הוא בסיס חלש יותר מיון פלואור (-F) ולכן מהווה קבוצה עוזבת טובה יותר. לכן אלקיל יודידים (אלקיל הלידים המכילים יוד, שהוא סוג הלוגן) יהיו ריאקטיביים יותר מאלקיל פלואורידים.

הנוקלאופיל

מערכת שיקולים הפוכה לזו הפועלת לגבי הקבוצה העוזבת מובילה למסקנה שככל שחומר הוא בסיס חזק יותר, כן יהיה נוקלאופיל טוב יותר, ויגיב במהירות גבוהה יותר. מסקנה זו נכונה כאשר משווים בין בסיס וחומצה מצומדים (לדוגמה, -OH הוא נוקלאופיל חזק יותר מ- H2O), וכן כאשר משווים בין מולקולות בעלות גודל דומה (-OH הוא נוקלאופיל טוב יותר מ- -F). כאשר משווים בין מולקולות בעלות גודל שונה, דהיינו המכילים אטומים ממחזורים שונים בטבלה המחזורית, המולקולה הגדולה יותר היא הנוקלאופיל החזק יותר. כיוון שיש מתאם בין הבסיסיות וגודל האטום, דווקא הבסיס החלש במקרה זה יהיה נוקלאופיל טוב יותר.

הסביבה
מלבד המגיבים, גם התנאים השוררים בסביבת התגובה, בדרך כלל ממס כלשהו, משפיעים רבות על קצב התגובה. על הממס להיות קוטבי, שכן עליו להמס ולייצב את המגיבים, חומר הביניים, והתוצרים, שיש מהם אשר נושאים מטען חשמלי, או בעלי קוטביות. כאשר הממס 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 האנרגיה 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 מהירה יותר. 

כאשר הנוקלאופיל איננו טעון, השפעתו של הממס זניחה, מכיוון שהקשרים הבין-מולקולריים בינו לבין הממס חלשים ביותר.

אפשרות לזרז את התגובה כשהקבוצה עוזבת היא הלוגן, היא נוכחות יון כסף. יון זה שוקע עם הלידים, וכך לפי עקרון לה שטלייה התגובה חוזרת למגיבים.

מנגנון SN1

בניגוד למנגנון SN2, מנגנון SN1 הוא 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:

הקרבוקטיון הוא מישורי (בניגוד לסובסטרט ולתוצר בעלי הצורה הטטרהדרלית). לכן כאשר הוא מותקף על ידי הנוקלאופיל, הדבר יכול להעשות מכל אחד מצידיו. כשהסובסטרט כיראלי, יוכלו להתקבל אפוא שני האננטיומרים 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 SN1 מתרחש תהליך של רצמיזציה - יצירת תערובת רצמית מחומר מוצא פעיל אופטית. עובדה זו, היא שהובילה להצעת המנגנון שלעיל (כפי שהיפוך הקונפיגורציה במנגנון SN2 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 הוא חד-מולקולרי (ומסדר ראשון), ומכאן הספרה 1 בשם התגובה.

הסובסטרט

הגורם המשפיע ביותר באופיו של הסובסטרט הוא יציבותו כקרבוקטיון. ככל שהקרבוקטיון יהיה יציב יותר כן יתפרק הסובסטרט ביתר קלות ובמהירות רבה יותר. יציבותו של הקרבוקטיון עולה ככל שקשורות לפחמן הטעון יותר קבוצות אלקיליות. כך קרבוקטיון שלישוני, המכיל שלוש קבוצות אלקיליות (כל העמדות), הוא היציב ביותר ולכן יגיב במנגנון SN1 במהירות הרבה ביותר. קרבוקטיון מתילי (נטול קבוצות אלקיליות) וקרבוקטיון ראשוני (קבוצה אלקילית אחת) מאוד לא יציבים עד שאינם נוצרים כלל וכלל. לכן מתיל הלידים ואלקיל הלידים ראשוניים (היוצרים קרבוקטיונים מתיליים וראשוניים בהתאמה) לא מגיבים במנגנון SN1 לעולם.

הקבוצה העוזבת משפיעה על קצב התגובה כפי שהיא משפיעה על תגובות SN2: ככל שהיא מהווה בסיס חלש יותר, היא תגיב במהירות הרבה ביותר.

הסביבה

קרבוקטיון יציב בסביבה קוטבית בלבד, כשהוא מיוצב על ידי קשרים קוטביים בינו לבין הממס. לכן לא תיתכן תגובה מסוג SN1 בממס לא קוטבי או בהיעדר ממס. מערכת שיקולים דומה לזו של השפעת הממס על הנוקלאופיל ב-SN2 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

מנגנונים נוספים

נוסף על שני המנגנונים העיקריים ישנם, כאמור, מספר מנגנוני תגובה נוספים להתמרה נוקלאופילית. למשל, מנגנון SNi, הקרוי גם "התמרה נוקלאופילית פנימית" (i=internal, פנימי), מתרחש כאשר כוהל מגיב עם תיוניל כלורידים. המנגנון דומה ל- SN1, אך הקונפיגורציה של הסובסטרט נשמרת בתוצר (הנוקלאופיל נקשר לעמדת הקבוצה העוזבת). מנגנונים נוספים, 'SN2 ו- 'SN1, פועלים כחלק מתגובות שחלוף, ודומים מבחינת הקינטיקה שלהם לתגובות SN2 ו- SN1 בהתאמה.

קישורים חיצוניים

ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
תגובות כימיות