التفاعلات

الاستبدال النوكليوفيلي الأليفاتي  Reactions. Nucleophilic aliphatic substitution

عند معالجة بروميد المتيل بهيدروكسيد الصوديوم، في مذيب يذيب المتفاعلين كليهما فإننا نحصل على الميتانول وبروميد الصوديوم. إنه تفاعل (استبدال): حلت فيه زمرة (-OH) محل (-Br) في المركب الأصلي. فقد تحول هاليد الألكيل الى كحول.

من الواضح أن التفاعل غير متجانس، فقد أخذت شاردة الهالوجين الراحلة، معها الشفع الألكتروني* الذي كان مشتركاً مع الكربون؛ وقد حلت شاردة الهيدروكسيد معها الشفع الالكتروني اللازم للارتباط مع الكربون. يخسر الكربون شفعاً الكترونياً ثم يكسب شفعاً آخر. إن هذا التفاعل عبارة عن مثال واحد، فقط، لصنف من التفاعلات المسماة (بتفاعلات الاستبدال النوكليوفيلي الأليفاتي).

باستخدام الصيغ التي تمثل فيها الرابطة بقطعة مستقيمة بدلاً من شفع من النقاط، يمكننا استعمال الأسهم المنحنية لإظهار حركة التقاط الكترونات.

يميز الاستبدال النوكليوفيلي هاليدات الألكيل. ولكي نستطيع معرفة لماذا الأمر كذلك يجب علينا الالتفات الى الزمرة الوظيفية لهذه الطائفة أي الهالوجين.

إن أيون الهاليد، أساس ضعيف جداً. ويظهر هذا في استعداده لتحرير بروتون لإعطائه لأسس أخرى، بسبب الحموضة العالية المميزة لهاليدات الهيدروجين. يرتبط الهالوجين في هاليدات الألكيل بذرة كربون وكما أن لدى الهالوجين استعداد لتحرير بروتون، فلديه استعداد لتحرير كربون أيضاً لأسس أخرى. تملك هذه الأسس شفعاً* الكترونياً غير مشترك به لذا فهي تنشد موقعاً موجباً، نسبياً، أي أنها تنشد النوى لتشاركها شفعها الالكتروني.

تسمى الأسس* أو الكواشف الغنية الالكترونات والتي تميل الى مهاجمة نوى الكربون (كواشف نوكليوفيلية)، (من اليونانية: شغوفة بالنوى) أو ببساطة (نوكليوفيلات). وعندما تكون نتيجة هذا الهجوم استبدالاً، يسمى التفاعل بالاستبدال النوكليوفيلي.

يسمى المركب الكربوني الذي يعاني نوعاً معيناً من التفاعل – هنا المركب الذي يحدث عليه الاستبدال – الركيزة substrate. تتصف الركيزة في حالة الاستبدال النوكليوفيلي بامتلاكها زمرة مغادرة leaving group. أي الزمرة التي ستزاح من الكربون، آخذة معها شفعاً الكترونياً وترحل عن الجزيء.

يجب أن يكون مفهوماً أن النوكليوفيل Z: يمكن أن يكون مشحوناً سلباً أو أن يكون معتدلاً؛ ويكون المنتج عندئذ (R:Z) معتدلاً أو مشحوناً إيجاباً؛ وستكون الزمرة المغادرة عندئذ مشحونة سلباً أو معتدلة.

ففي المثال الذي بدأنا معه يكون بروميد المتيل هو الركيزة والبروميد هو الزمرة المغادرة، والهيدروكسيد هو النوكليوفيل.

يكون أيون الهاليد زمرة مغادرة جيدة بسبب كونها أساساً ضعيفاً، وتكون، إذن، هاليدات الألكيل ركائز جيدة للاستبدال النوكليوفيلي. فهي تتفاعل مع عدد كبير من الكواشف النوكليوفيلية، اللاعضوية والعضوية مكونة منتجات هامة وشديدة التنوع. وكما سنرى، لا تشمل هذه الكواشف الأيونات السالبة مثل الهيدروكسيد والسيانيد فقط بل وكذلك، الأسس المعتدلة مثل النشادر والماء؛ حيث يشكل الشفع الالكتروني غير المشترك به خاصيتها المميزة.

يشكل الاستبدال النوكليوفيلي بوصفه أداة من أدوات الاصطناع أحد أفضل ثلاثة أو أربعة من أصناف التفاعلات العضوية المفيدة. الاستبدال النوكليوفيلي عمل شاق من أعمال الاصطناع العضوي، وهو تفاعل علينا توجيهه بمختلف أشكاله لتحقيق هدفه الأساسي في استبدال زمرة وظيفية بأخرى. يبدأ اصطناع المركبات الأليفاتية، أكثر الأحيان بالكحولات عند الزمرة (-OH)، التي سنجدها زمرة مغادرة رديئة جداً، يقوم دورها فقط على تحويل الكحولات الى هاليدات ألكيل – أو مركبات أخرى بزمرة مغادرة جيدة – وهذا يفتح الباب أمام الاستبدال النيوكليوفيلي.

* الاساس= (مادة قاعدية)

*شفع = زوج اليكتروني