Néhány jelentősebb szerves kémiai reakció mechanizmusa

Kotschy András, ELTE Kémiai Intézet

A szerves kémiai reakciókat lefutásuk alapján hat fő csoportba oszthatjuk. Ezek a következők: szubsztitúció, addíció, elimináció, átrendeződés, oxidáció és összetett mechanizmusú reakció. Az egyes típusokat tovább bonthatjuk a reagensek karaktere alapján. Ahhoz, hogy ezt a felosztást megértsük, elsőként néhány alapfogalmat kell bevezetnünk.
A szerves molekulákban, illetve a kovalens kötésekkel összetartott rendszerekben általában igaz, hogy amennyiben két olyan atom között alakul ki kötés, amelynek elektronvonzó képessége (elektronegativitása) eltérő, akkor a kötést kialakító elektronok nem egyenletesen oszlanak meg a kötésben levő atomok között. Több időt töltenek el a nagyobb elektronegativitású atom környezetében, ami kívülről úgy látszik, mintha a kötő elektronpár ráhúzódott volna ezen atomra. Ennek eredményeképpen természetesen a nagyobb elektronegativitású atomon elektronfelesleg, míg a kapcsolódó kisebb elektronegativitású atomon elektronhiány lép fel. Az előbbi negatív, az utóbbi pozitív jelleget mutat. Vigyázat!! Ezek a töltések nem állandó + és – töltést jelentenek, csak elektronfelesleget illetve elektronhiányt.
Amikor két szerves molekula (reagens) közelít egymáshoz, ők még nem tudják, hogy mi lesz ütközésük eredménye, lesz-e belőle átalakulás, vagy „csak“ lepattannak egymásról. Azt azonban mára távolból is érzik, hogy a közeledés során hasonló, vagy különböző jellegű részeik közelítenek-e egymáshoz. Ha a sors úgy hozza, hogy két elektronfelesleggel rendelkező részlet közelít egymáshoz, úgy közöttük taszítás lép fel, ami gátolhatja ütközésüket, míg ha a közeledés olyan szerencsés módon játszódik le, hogy egy elektronfelesleggel rendelkező rész a közelében megérzi egy elektronhiányos molekularészlet jelenlétét, akkor a közöttük fellépő elektrosztatikus vonzás segíthet révbe vinni a reakciót.
Az olyan molekularészletet, amely elektronfelesleget hordoz, nukleofilnek nevezzük, míg az elektronhiányos molekularészlet elnevezése elektrofil. A nukleofil illetve elektrofil jelleg szélsőséges megnyilvánulása az, amikor egy atom egy teljes töltést hordoz (pl. a hidroxidion oxigénatomja), de az esetek nagy részében az elektronfelesleg nem jár töltéssel. Így egy vízmolekula oxigénatomja, vagy egy amin nitrogénatomja szintén jó nukleofil.
A nukleofilek és elektrofilek, mint azt a fenti bevezető is sugallja kéz a kézben járnak, egy nukleofil reagens általában egy elektrofil reagenssel megy kémiai reakcióba. A szerves kémiai reakciók felosztását ezért a szerves molekulát támadó reagens nukleofil, elektrofil illetve gyökös jellege alapján szoktuk megtenni. Az alábbi rövid áttekintésben az alapvető szerves kémiai reakciók tanulmányozása során gyakran előforduló folyamatokat ismertetjük. Az egyszerűség kedvéért a nukleofil reagenseket mindig anionosnak, az elektrofileket pedig kationosnak ábrázoljuk, de fontos észben tartani, hogy egy adott reakció ugyanúgy lejátszódhat és általában le is játszódik poláris molekulák részvételével is.

1, Szubsztitúciós reakcióknak hívjuk mindazon átalakulásokat, ahol az egyik reagens molekula (X) oly módon létesít kötést a másikkal (CY), hogy annak egy részletét lecseréli (Y - távozó csoport). A szubsztitúciós reakciók az X reagens sajátságai alapján lehetnek nukleofilek, elektrofilek vagy gyökösek.

a, Nukleofil szubsztitúcióról beszélünk akkor, ha a belépő reagens nukleofil karakterű. Mi példaként a telített szénatomon lejátszódó reakciót választottuk, mivel ez a nukleofil szubsztitúció egyik leggyakoribb példája. A reakció feltétele az, hogy a központi szén atom elektronban szegény legyen (részlegesen pozitív töltésű), ami akkor teljesül, ha erősen elektronszívó szubsztituenst hordoz (X - például halogén, oxigénen, kénen vagy nitrogénen keresztül kapcsolódó csoport). 

A reakció lefutása alapján két csoportra osztható. Az egyik esetben (bimolekuláris reakció, jele SN2) a szén - nukleofil kötés kialakulása és a szén - távozó csoport (X) kötés felszakadása párhuzamosan játszódik le. A szénatom szubsztituensei a folyamat során mintegy esernyőszerűen átfordulnak, invertálódnak. Ez általában a szénatom abszolút konfigurációjának a megváltozását jelenti (inverzió). A másik esetben (unimolekuláris reakció, jele SN1) a folyamat első lépése a szén - távozó csoport (X) kötés heterolitikus disszociációja, amely nyomán az X anion mellett egy síkalkatú karbokation (III) keletkezik. Ezt a kationt a nukleofil reagens mindkét oldalról egyforma eséllyel támadhatja, így a reakcióban mind a Iia, mind a Iib termék keletkezik, amelyek egymástól a szénatom konfigurációjában különböznek.

Mivel a III karbokationt az alkil és aril szubsztituensek stabilizálják (ezeknek elektronküldő sajátságuk van), így az unimolekulás szubsztitúció elsősorban tercier szénatomokon játszódik le. Ezen esetben a nagy térigényű R1, R2 és R3 csoportok egyébként sem teszik elérhetővé a bimolekulás utat, mivel leárnyékolják a szénatomot a nukleofil hátoldali támadásától. Ezzel összhangban primer szénatomon, ahol R1 és R2 is hidrogén a bimolekulás út kerül előtérbe, mivel a nukleofil hátoldali támadása nem gátolt, az unimolekuláris út pedig kedvezőtlen, mivel a hidrogének nem tudják stabilizálni a karbokationt. Szekunder szénatom esetén egyik út sem kerül előtérbe, így a reakció egyformán lehet unimolekulás és bimolekulás is.

b, Elektrofil szubsztitúcióról beszélünk akkor, ha a belépő reagens elektrofil karakterű. Mi példaként az aromás vegyületeken lejátszódó elektrofil szubsztitúciót választottuk. A folyamat első lépésében az elektrofil reagens és az aromás vegyület (IV) egy kationos átmeneti állapotot - az úgynevezett szigma komplexet (V) adja, amely azután az X kation leszakadásával a végtermékké (VI) alakul. Az ilyen reakciókban X általában hidrogén. Mivel az átmeneti állapot (V) kationos, így azok az aromás vegyületek, amelyek a benzol gyűrű elektronsűrűségét növelő (elektronküldő) szubsztituenseket tartalmaznak - ezáltal V-t stabilizálják - jóval készségesebben reagálnak, mint azok az aromás vegyületek, amelyek elektronszívó szubsztituenseket tartalmaznak és ezáltal V-t destabilizálják.

c, Gyökös szubsztitúciónak az olyan folyamatokat nevezzük, ahol az egyik reagens szabad gyök formájában létesít kötést egy másikkal. Ezeknek a reakcióknak a mechanizmusa általában összetett láncreakció. Az átalakulás különböző fázisait a metán és klór között lejátszódó reakció példáján mutatjuk be.

A folyamat első lépése a láncindító reakció, amely során egy klórmolekula energiaközlés (UV fény) hatására homolitikusan disszociál és két klórgyök (klóratom) keletkezik. A láncvivő lépésekben egy gyök és egy molekula reakciójában egy újabb (eltérő) gyök és molekula keletkezik. Ilyenek a klórgyök és metán reakciója, ahol hidrogén klorid és egy metilgyök keletkezik, valamint a metilgyök és egy klórmolekula reakciója, ahol metil klorid és klórgyök a két termék. A lánczáró reakciókban két gyök kombinálódik egy molekulává. Ilyen a metil klorid képződése egy metilgyökből és egy klóratomból, az etán keletkezése két metilgyök kombinációjával, valamint két klóratom egyesülése klórmolekulává.

2, Addíciós reakcióknak nevezzük mindazon átalakulásokat, ahol két reagens (AB és CC) melléktermék képződése nélkül egy vegyületté egyesülnek. A leggyakoribb addíciós reakciótípusok az elektrofil, nukleofil és a szinkron addíció. 

a, Az elektrofil addíciós reakciókban a folyamat nyitó lépése egy elektrofil addíciója a telítetlen kötésre. Mintapéldaként az olefinek hidrogén halogenid (HX) és bróm addícióját vesszük. Az első esetben a nyitó lépésben a hidrogénion addícionál a szén-szén kettős kötésre és a II karbokation képződik. Ez - amint azt már a nukleofil szubsztitúciónál is láttuk egy síkalkatú molekularészlet, amelyet a folyamat második lépésében a halogenid ion akár felülről, akár alulról támadhat és így III (cisz-addíciós termék) és IV (transz-addíciós termék) egyaránt keletkeznek.

A brómmolekula addíciójának első lépése a brómkation támadása a szén-szén kettős kötésen, ami az V átmeneti állapothoz vezet. Ebben a nemklasszikus karbokationban (bromónium ion) a belépő bróm mindkét szénatommal kapcsolatot létesít egy háromközpontú kötésen keresztül és ezáltal a molekula felső felét leárnyékolja a reakció második lépésében belépő bromid ion elől, így az csak az alsó oldalról támadhat és kizárólag a VI (transz) termék keletkezik

Markovnyikov szabály: a tapasztalati szabály azt mondja ki, hogy sav addíció esetén a hidrogén arra az atomra lép be, amelyen már előzőleg is több hidrogén volt (alacsonyabb rendű).  A szabály megértéséhez tekintsük a 2-metil-propén (VII) hidrogén klorid addícióját. Amint azt már láttuk, a folyamat első lépése a hidrogénion addíciója, amely a VIII primer vagy a IX tercier karbokationok egyikének képződéséhez vezet. Amint azt a monomolekulás nukleofil szubsztitúció tárgyalásánál már említettük, az alkil szubsztituensek a karbokation stabilitását növelik, így a tercier kation (IX) jóval stabilisabb mint a primer kation (VIII). Ennek megfelelően IX képződése lesz az uralkodó reakcióirány, ami a kloridion felvétele után a X-es szerkezetű 2-klór-2-metil-propán keletkezéséhez vezet, míg a XI-es szerkezetű 1-klór-2-metil-propán csak elenyésző mértékben képződik.

b, Nukleofil addícióról beszélünk, ha a reakció első lépése egy nukleofil reagens addíciója a telítetlen kötésre. Ennek az egyik leggyakoribb formája nukleofilek addíciója szén-heteroatom kettős kötésre (Y=O,NR). Első lépésben a nukleofil hozzákapcsolódik a pozitívan polározott szénatomhoz és egy anion keletkezik, ami azután valamilyen elektrofillel (általában protonnal) kapcsolódva eredményezi a végterméket

c, A szinkron addíciós folyamatok lényege az, hogy az addícionáló reagens (példánkon hidrogén) kötésének felszakadása és az új kötések (C-H) kialakulása egyszerre történik. Ennek következtében az ilyen addíció során a két új kötés mindig azonos oldalon képződik (cisz addíció). A példaként bemutatott hidrogénezés esetében a reakció lefutásához szükséges hidrogén-hidrogén kötéslazulás a katalizátor felszínén jön létre.

3, Eliminációs reakcióknak nevezzük mindazon folyamatokat, amelyben egy kiindulási molekula két vagy több összetevőjére esik szét (AB+CC).

Mi példaként olyan eliminációkat tekintünk, amelynek során egy hidrogén és egy nukleofil (anionos) távozócsoport kilépésével kettős kötés keletkezik. A reakció kezdődhet a hidrogén proton formájában történő leszakadásával, melynek eredményeként a II karbanion keletkezik átmeneti termékként. A síkalkatú karbanion nemkötő elektronpárja a második lépésben kettős kötés képződése közben kilöki az anionos X távozócsoportot. Mivel a II anionban a szén-szén kötés körül a molekula szabadon foroghat, így a reakció végterméke a III és IV geometriai izomerek elegye.

A nukleofil szubsztitúció tárgyalásánál már láttuk, hogy I képes lehet az anionos X távozócsoport kilépésével az V karbokationná alakulni, amely továbbalakulhat oly módon is, hogy ez kettős kötés kialakulása közben protont veszít. A termék itt is a III és IV geometriai izomerek elegye az előbbiekben ismertetett okokból  kifolyólag.

A fentiekben bemutatott eliminációs folyamatok előfeltétele, hogy az R1 és R2 szubsztituensek stabilizálják a töltéssel rendelkező átmeneti állapotot. Amennyiben erre nincs mód, akkor egy másfajta, egylépéses reakcióút kerül előtérbe. Itt a szén-hidrogén és a szén-távozócsoport kötés egyidőben szakad fel és alakul ki a kettőskötés. A reakció feltétele, hogy a távozócsoport és a leszakadó hidrogén egymással átellenes térfélen legyenek, mivel a szén-hidrogén kötő elektronpár fogja a távozócsoportot a hátoldalról kiszorítani és a kettőskötést kialakítani. A korábbiakban is jelöltük, de külön nem említettük, hogy a leszakadó protont minden esetben valamilyen általános bázis köti meg (B:). 

4, Átrendeződési reakcióknak hívjuk mindazon folyamatokat, amelyek során a molekula elemi összetétele változatlan marad, de a konstitúciója megváltozik. 

a, Az átrendeződési reakciók egyik általános esete az anionos vándorlás, amelynek során a vándorló csoport anionos formában kerül át az egyik szénatomról a másikra. A anionos vándorlásra példaként két általános esetet mutatunk. Az I szekunder karbokation képes lehet stabilizálódásra, ha formálisan egy hidrid anion a szomszédos szénatomról átvándorol a pozitív töltésű szénre. Ekkor a II tercier karbokation jön létre, amely stabilabb mint I, mivel benne a pozitív töltésű szénhez három elektronküldő (alkil) csoport kapcsolódik, míg I esetén csak kettő. 

A III szekunder karbokation esetén a pozitív töltéssel szomszédos szénatom nem tartalmaz hidrogént, így az előbb említett hidrid vándorlásra nincs mód. III csak úgy tud stabilizálódni, ha a szomszédos szénatom egyik alkil csoportja (lehetőleg metil) kötő elektronpárjával együtt átvándorol a pozitív töltésű szénatomra és ezáltal a IV tercier karbokation jön létre, amelyről az előbbiekben már láttuk, hogy általában stabilisabb, mint egy szekunder karbokation.

5, Oxidációs/redukciós reakcióknak hívjuk mindazon folyamatokat, amelyek során a molekulában levő szénatomok oxidációs szám változásának összege nem nulla (lásd: az elimináció  nem oxidáció). Az oxidációs - redukciós reakciók általában összetett, többlépcsős folyamatok, melyek mechanizmusa nem mindig tisztázott.

6, Komplex mechanizmusú reakciók alatt értjük mindazokat a folyamatokat, melyek a fentiekben ismertetett alaptípusok közül többől állnak össze. Ilyen például a savkloridok és alkoholát ionok alábbiakban bemutatott addíciós - eliminációs reakciója, amely formailag egy nukleofil szubsztitúciónak felelne meg. Az átalakulás első lépésében az alkoholát ion addícionálódik a savklorid pozitívan polározott szénatomjára (lásd nukleofil addíció) és egy anionos köztitermék alakul ki, amelyben azután a negatív töltésű oxigén egyik elektronpárja szén-oxigén kettőskötés kialakítása közben kilöki a halogenid iont (lásd elimináció) és kialakul az észter csoport.