การแทนที่แบบนิวคลีโอฟิลิก

การแทนที่แบบนิวคลีโอฟิลิกเป็นปฏิกิริยาอินทรีย์ที่นิวคลีโอไฟล์เข้าไปแทนที่ leaving group บนอะตอมคาร์บอน ในเคมีระดับเริ่มต้น คุณมักพบปฏิกิริยานี้ในฮาโลอัลเคน โดยมีชนิดอนุภาคอย่าง $OH^-$ หรือ $CN^-$ เข้าไปแทนที่ $Cl$, $Br$ หรือ $I$

วิธีสังเกตที่เร็วที่สุดคือดูว่าในผลิตภัณฑ์มีอะไรเปลี่ยนไป ถ้ามีกลุ่มหนึ่งบนคาร์บอนถูกสลับเป็นอีกกลุ่มหนึ่ง แต่โครงร่างคาร์บอนยังเหมือนเดิม ก็มักจะเป็นปฏิกิริยาการแทนที่แบบนิวคลีโอฟิลิก

การแทนที่แบบนิวคลีโอฟิลิกหมายถึงอะไร

นิวคลีโอไฟล์คือชนิดอนุภาคที่ให้อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวเพื่อสร้างพันธะโควาเลนต์ใหม่ ส่วน leaving group คืออะตอมหรือหมู่ที่สามารถออกไปพร้อมกับคู่อิเล็กตรอนของพันธะจากคาร์บอนเดิมได้

ในตัวอย่างพื้นฐานหลายกรณี สารตั้งต้นคือฮาโลอัลเคน เช่น โบรโมอีเทนหรือคลอโรมีเทน ฮาโลเจนทำหน้าที่เป็น leaving group และนิวคลีโอไฟล์จะสร้างพันธะใหม่กับคาร์บอน

ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างพื้นฐานจึงเขียนได้อย่างง่าย ๆ ว่า

$$\text{R-LG} + \text{Nu}^- \rightarrow \text{R-Nu} + \text{LG}^-$$

สมการนี้เป็นเพียงรูปแบบทั่วไป ไม่ได้ยืนยันว่าจะเกิดการแทนที่เสมอไป การที่การแทนที่จะเป็นปฏิกิริยาหลักหรือไม่ ขึ้นอยู่กับสารตั้งต้น นิวคลีโอไฟล์ ตัวทำละลาย และอุณหภูมิ

จะสังเกตปฏิกิริยาการแทนที่แบบนิวคลีโอฟิลิกได้อย่างไร

ใช้รายการตรวจสอบสั้น ๆ นี้:

1. หาคาร์บอนที่จับกับ leaving group ที่เป็นไปได้ ซึ่งมักเป็น $Cl$, $Br$ หรือ $I$
2. มองหานิวคลีโอไฟล์ที่สามารถให้อิเล็กตรอนคู่ได้
3. ดูว่าผลิตภัณฑ์แสดงให้เห็นว่า leaving group ถูกแทนที่ ไม่ใช่ถูกกำจัดออกไปหรือไม่
4. ตรวจสอบสภาวะของปฏิกิริยาก่อนสรุปว่าการแทนที่เป็นเส้นทางหลัก

ถ้าผลิตภัณฑ์มีพันธะคู่ใหม่เกิดขึ้นแทน คุณน่าจะกำลังดูปฏิกิริยาการกำจัดมากกว่าการแทนที่

ตัวอย่างฮาโลอัลเคนที่ชัดเจนหนึ่งตัวอย่าง

พิจารณาโบรโมอีเทนทำปฏิกิริยากับไฮดรอกไซด์ในสารละลายน้ำ:

$$CH_3CH_2Br + OH^- \rightarrow CH_3CH_2OH + Br^-$$

ในที่นี้ $OH^-$ คือนิวคลีโอไฟล์ และ $Br^-$ คือ leaving group โครงกระดูกคาร์บอนยังคงเดิม การเปลี่ยนแปลงหลักคืออะตอมโบรมีนถูกแทนที่ด้วยหมู่ไฮดรอกซิล ดังนั้นผลิตภัณฑ์จึงเป็นเอทานอล

นี่เป็นตัวอย่างเริ่มต้นที่ดี เพราะแสดงแนวคิดหลักได้โดยไม่มีรายละเอียดอื่นมารบกวน ไม่มีพันธะคู่ใหม่เกิดขึ้น และสายโซ่คาร์บอนไม่ได้จัดเรียงใหม่ มีเพียงหมู่หนึ่งเข้าไปแทนอีกหมู่หนึ่งบนโครงร่างคาร์บอนเดิม

SN1 กับ SN2 แบบเข้าใจง่าย

คุณจะเห็นว่าการแทนที่แบบนิวคลีโอฟิลิกมักแบ่งเป็น $S_N1$ และ $S_N2$ สำหรับผู้เริ่มต้น คำถามที่มีประโยชน์ไม่ใช่ “แบบไหนเกิดเสมอ” แต่คือ “สำหรับสารตั้งต้นนี้ภายใต้สภาวะนี้ แบบไหนมีแนวโน้มเกิดได้มากกว่า”

เมื่อ $S_N2$ มีแนวโน้มมากกว่า

ปฏิกิริยา $S_N2$ เกิดขึ้นเป็นขั้นตอนหลักเพียงขั้นตอนเดียว นิวคลีโอไฟล์สร้างพันธะกับคาร์บอนในขณะที่ leaving group หลุดออกไปพร้อมกัน

เส้นทางนี้มีแนวโน้มมากกว่าสำหรับคาร์บอนที่มีการกีดขวางเชิงสเตอริกน้อย โดยเฉพาะสารตั้งต้นปฐมภูมิ เมื่อมีนิวคลีโอไฟล์ที่ค่อนข้างแรง และการแทนที่ได้เปรียบกว่าการกำจัด

เมื่อ $S_N1$ มีแนวโน้มมากกว่า

ปฏิกิริยา $S_N1$ เกิดขึ้นมากกว่าหนึ่งขั้นตอน โดยคาร์โบแคตไอออนจะเกิดขึ้นก่อน แล้วนิวคลีโอไฟล์จึงเข้าทำปฏิกิริยากับคาร์โบแคตไอออนนั้น

เส้นทางนี้มีแนวโน้มมากขึ้นเมื่อคาร์โบแคตไอออนดังกล่าวถูกทำให้เสถียรได้ ดังนั้นสารตั้งต้นตติยภูมิจึงมักแสดงพฤติกรรมแบบ $S_N1$ ได้ง่ายกว่าสารตั้งต้นปฐมภูมิ ส่วนสารตั้งต้นทุติยภูมิอาจเกิดได้ทั้งสองแบบ ขึ้นอยู่กับสภาวะ

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในการแทนที่แบบนิวคลีโอฟิลิก

สับสนระหว่างการแทนที่กับการกำจัด

ถ้าผลิตภัณฑ์มีพันธะคู่ใหม่ นั่นเป็นสัญญาณสำคัญของการกำจัด ไม่ใช่การแทนที่ การแทนที่คือการเปลี่ยนหมู่หนึ่งเป็นอีกหมู่หนึ่ง โดยที่การเชื่อมต่อหลักของคาร์บอนยังคงเดิม

คิดว่านิวคลีโอไฟล์กับ leaving group ทำหน้าที่เดียวกัน

ทั้งสองทำหน้าที่ตรงกันข้าม นิวคลีโอไฟล์สร้างพันธะใหม่ ส่วน leaving group หลุดออกจากพันธะเดิม

มองข้ามโครงสร้างของสารตั้งต้น

ฮาโลอัลเคนปฐมภูมิมักไม่แสดงพฤติกรรมเหมือนฮาโลอัลเคนตติยภูมิ ความแออัดรอบคาร์บอนที่เกิดปฏิกิริยาส่งผลอย่างมากต่อเส้นทางที่มีแนวโน้มเกิดมากกว่า

คิดว่าสภาวะไม่เคยมีผล

จริง ๆ แล้วมีผลมาก ตัวทำละลาย อุณหภูมิ ความแรงของนิวคลีโอไฟล์ และโครงสร้างของสารตั้งต้น ล้วนเปลี่ยนผลลัพธ์หลักได้ ถ้าข้อสรุปใดขึ้นอยู่กับสภาวะ ก็ต้องระบุสภาวะนั้นให้ชัดเจน

การแทนที่แบบนิวคลีโอฟิลิกถูกนำไปใช้เมื่อใด

การแทนที่แบบนิวคลีโอฟิลิกใช้ในการเปลี่ยนหมู่ฟังก์ชันหนึ่งไปเป็นอีกหมู่หนึ่งในการสังเคราะห์สารอินทรีย์ เป็นเส้นทางที่พบบ่อยในการเตรียมแอลกอฮอล์ ไนไตรล์ เอมีน และสารมัธยันตร์ที่มีประโยชน์อื่น ๆ จากฮาโลอัลเคนหรือสารตั้งต้นที่เกี่ยวข้อง

สำหรับนักเรียน ปฏิกิริยานี้ยังช่วยฝึกทักษะที่กว้างขึ้นด้วย คือให้อ่านการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างก่อน แล้วจึงเลือกตระกูลปฏิกิริยาที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงนั้น

ลองทำปฏิกิริยาที่คล้ายกัน

ลองสร้างตัวอย่างของคุณเองโดยใช้ฮาโลอัลเคน 3 ชนิด: ปฐมภูมิ ทุติยภูมิ และตติยภูมิ สำหรับแต่ละชนิด ให้ระบุ leaving group เลือกนิวคลีโอไฟล์ง่าย ๆ เช่น $OH^-$ หรือ $CN^-$ แล้วพิจารณาว่าการแทนที่มีความเป็นไปได้หรือไม่ และภายใต้สภาวะที่กำหนด เส้นทางใดดูมีแนวโน้มมากกว่า