SN1反応とは：定義・反応機構とカルボカチオン中間体の解説

SN1反応とは、有機化学における置換反応の一つで、名前の由来は「SがNnucleophilic substitution（求核性置換）の略、1は律速段階に1つの分子が関与する（unimolecular）こと」を示します。この反応は典型的に中間体としてカルボカチオン（カチオン）を経由し、実験的にも理論的にもその存在が支持されています。無機化学者の間ではしばしば解離性機構と呼ばれ、1940年にクリストファー・インゴルドらが初めて体系的に提唱しました（以下で詳述します）。

反応機構（概略）

一般的なSN1の機構は次の3段階に分けられます。

  • 第1段階（律速段階）: 基質（例：R–LG）の脱離により、カルボカチオン（R+）と離脱基（LG–）が生じる。この段階は単分子律速で遅く、反応速度は基質濃度にのみ依存する。
  • 第2段階: 生成したカルボカチオンに求核剤（Nu）が速やかに攻撃して付加生成物を与える。
  • 第3段階（場合による）: 必要ならば脱プロトン化や再配置等が起こり、最終生成物が得られる。

速度論と速度式

SN1反応は第一級（単分子）律速を示します。速度式は次の通りです。

rate = k [基質]

ここで求核剤の濃度は律速段階に関与しないため、速度に直接影響しません（ただし極端に弱い求核剤や溶媒反応などでは影響する場合があります）。

カルボカチオンの安定性と置換基効果

カルボカチオンの安定化がSN1反応の鍵です。一般に次の順で安定になります：第三級（tert） > 第二級 > 第一級。アルキル基による電子供与（+I効果）や共鳴安定（ベンジルカチオン、アリルカチオン）は特に重要です。したがって、ベンジル位やアリル位に位置する第一級基質は、通常の第一級アルキルハライドよりもSN1で反応しやすいです。

溶媒と離脱基の影響

  • 溶媒効果: 極性プロトン性溶媒（例：水、アルコール）はカルボカチオンおよび離脱基を溶媒和して安定化するため、SN1反応を促進します。これに対し、非極性または極性非プロトン性溶媒ではSN1は抑制されがちです。
  • 離脱基（LG）の良さ: 良い離脱基（例：I–, Br–, トシラートなど）は反応速度を高めます。一般にI > Br > Cl > Fの順で良い。

立体化学とイオンペア効果

カルボカチオンは平面構造を持つため、求核剤は両側から等確率で攻撃でき、理想的には立体化学は完全に消失してラセミ化（光学活性中心の場合）が起こります。しかし実際には離脱後に離脱基が近傍に残る「接触イオンペア（intimate ion pair）」などの存在により、部分的な保持や反転が見られることがあります。よって完全なラセミ化が得られない場合もあります。

再配列（再配置）

カルボカチオンの生成に伴い、より安定なカチオンを与えるためのカルボカチオン再配列（例：ハイドリド移動、アルキルシフト）が頻繁に起こります。これにより生成物の構造が予想と異なることがあるため、実験設計時に注意が必要です。

実験的条件と代表例

  • 典型例：第三級ハロゲン化アルキル（例：tert‑ブチルクロリド）の水溶液中での加水分解（solvolysis）。
  • アルコールの変換：強酸触媒下での第二級・第三級アルコールのハロゲン化やエステル化などは、プロトン化によって良好な離脱基（H2O）を作り出し、SN1経路をとることが多いです。
  • 第一級アルキル基質は通常SN2が優勢ですが、ベンジル位やアリル位、あるいは非常に安定化された第一級カチオンを与える置換基がある場合にはSN1が起こり得ます。

比較：SN1とSN2

  • SN1: 速度は基質の構造に依存（第一級律速）、カルボカチオン中間体、極性プロトン性溶媒で促進、第三級基質で有利。
  • SN2: 速度は基質と求核剤の両方に依存（二分子律速）、遷移状態で一段階で置換が起こる、立体化学は反転（Walden反転）、第一級やメチルで有利。詳しくはNS2反応を参照。

まとめ（実践的ポイント）

  • SN1はカルボカチオンの安定化が鍵で、第三級基質・共鳴安定化した基質・極性プロトン性溶媒・良い離脱基が反応を促進する。
  • 速度は基質濃度のみで決まり（第一級律速）、求核剤濃度は基本的に律速に影響しない。
  • 立体化学は理想的にはラセミ化するが、イオンペア効果や溶媒和により完全なラセミ化にならない場合がある。
  • カルボカチオン再配列に注意：生成物の構造が出発物質と直接対応しない場合がある。

以上がSN1反応の基本的な説明です。具体的な基質や溶媒、温度条件により挙動は変わるため、実験設計の際はこれらの因子を総合的に検討してください。

メカニズム

SN1の反応機構で起こる反応の例としては、臭化tert-ブチルが水で加水分解されてtert-ブチルアルコールになることが挙げられる。

reaction tert-butylbromide water overall

このSN1反応は、3つのステップで行われます。

SN1 mechanism: dissociation to carbocation

  • 求核性攻撃：カルボカチオンが求核剤と反応する。求核剤が中性分子（つまり溶媒）の場合は、反応を完了させるために第3段階が必要となる。溶媒が水の場合、中間体はオキソニウムイオンとなる。この反応ステップは高速である。

Recombination of carbocation with nucleophile

  • 脱プロトン化。プロトン化された求核剤のプロトンが、水が塩基として作用することで除去され、アルコールとヒドロニウムイオンが形成されること。この反応ステップは速い。

Proton transfer forming the alcohol

最初のステップがボトルネックとなるため、化学者は反応メカニズム全体をNS1と分類している。そのステップに必要な分子は1つだけである。

反応の範囲

N分子の反応には、S1機構とNS2機構がある。中心の炭素原子が嵩高い基で囲まれていると、NS2反応が立体的に阻害されるため、NS1機構が勝負に出る。さらに、中心の炭素原子に大きな置換基があると、立体的な歪みが緩和されるため、カルボカチオンの生成速度が速くなる。また、生成したカルボカチオンは、アルキル基による誘導安定化とハイパーコンジュゲーションの両方によって安定化される。ハモンド・レフラーの定理によれば、これもカルボカチオンの生成速度を高めることになる。したがって、SN1メカニズムは、第3級アルキルセンターでの反応において支配的であり、弱い求核剤の存在下では第2級アルキルセンターでも観察される。

SN1で進行する反応の例として、濃塩酸を用いて対応するジオールから2,5-ジクロロ-2,5-ジメチルヘキサンを合成する方法があります。

Synthesis of 2,5-Dichloro-2,5-dimethylhexane by an SN1 Reaction

離脱基に対してα、β置換度が高くなると、反応はNS2からNS1へと転換する。

立体化学

この反応の速度制限ステップで生成されるカルボカチオン中間体は、三角錐の平面的な分子構造を持つsp2混成炭素である。このため、求核攻撃の経路は、平面状の分子の両側にある2つの異なる経路が可能である。どちらの経路も優先的に使用されない場合、これらの2つの経路は均等に使用され、反応が立体中心で起こる場合は、エナンチオマーのラセミ混合物が得られることになる。これは、S-3-クロロ-3-メチルヘキサンとヨウ化物イオンとのSN1反応で、3-ヨード-3-メチルヘキサンのラセミ体混合物が得られることを示しています。

A typical SN1 reaction, showing how racemisation occurs

しかし、脱離基がカルボカチオン中間体の近くに短時間留まり、求核攻撃をブロックすることができるため、一方の立体異性体が過剰に観察されることがあります。これは、生成物の立体化学が混ざらないNS2機構（立体特異的機構）とは大きく異なる。SN2機構は常に分子の立体化学を反転させる。

副作用について

一般的な副反応としては、脱離反応とカルボカチオン転位がある。エントロピーが増大するような暖かい環境や熱い環境で反応を行うと、E1脱離反応が優勢となり、アルケンが生成される。低温では、NS1反応とE1反応は競合反応となる。低温では、S1とE1の反応は競合反応となり、どちらか一方を有利にすることは難しくなる。低温で反応させても、何らかのアルケンが生成する可能性がある。水酸化物イオンやメトキシドイオンなどの強塩基性求核剤を用いてNS1反応を行おうとすると、今度はE2脱離を経て再びアルケンが生成する。これは、反応を加熱した場合に特に顕著になります。最後に，カルボカチオン中間体がより安定なカルボカチオンに転位できる場合は，単純置換生成物ではなく，より安定なカルボカチオンに由来する生成物が得られる。

溶剤の影響

溶媒は反応速度を変える。SN1反応では律速段階で不安定なカルボカチオン中間体が形成されるため，これを助けることができれば，反応を速めることができる。通常の溶媒としては、極性溶媒（一般にイオン性中間体を安定化させる）とプロトン性溶媒（特に脱離基を溶媒化させる）が選択される。代表的な極性プロトン性溶媒には、水やアルコールがあり、これらは求核剤としても作用します。

Yスケールは、任意の溶媒のソルボリシス反応速度（k）と標準溶媒（80% v/vエタノール/水）のソルボリシス反応速度（k0）との相関を

log ( k k 0) = m Y {displaystyle ˶‾᷄ -̫ ‾᷅˵}=mY\\,}。 {\displaystyle \log {\left({\frac {k}{k_{0}}}\right)}=mY\,}

で、mは反応物の定数（塩化tert-ブチルの場合はm＝1）です。

  • Y......溶媒パラメータ
  • k0は80％エタノールを溶媒とする反応速度（体積比）。

例えば、100%エタノールではY=-2.3、50%エタノール水溶液ではY=+1.65、15%濃度ではY=+3.2となります。

質問と回答

Q: SN1反応の「SN」とは何の略ですか?


A:「SN」は求核置換の略です。

Q: SN1反応の "1 "は何を表しますか?


A: "1 "は律速段階が1分子（単分子）であることを表します。

Q: SN1 はどのような反応ですか?


A: SN1は置換反応です。

Q: SN1 反応に関与する中間体は何ですか?


A: SN1反応にはカルボカチオン中間体が関与します。

Q: 一般的なSN1反応はどのような条件で起こりますか?


A: 一般的なSN1反応は、強塩基性条件下では2級または3級アルキルハライドで、強酸性条件下では2級または3級アルコールで起こります。

Q: ハロゲン化第一級アルキルではどのような反応が起こりますか?


A: ハロゲン化第一級アルキルでは、SN2反応が起こります。

Q: SN1反応機構を最初に提案したのは誰で、何年のことですか?


A: Christopher Ingoldらが1940年に初めてSN1反応機構を提唱しました。

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