Войти
Шарико-стержневое представление S N 2 реакция CH3SH с CH3I 
Структура переходного состояния S N 2 Реакция SN2 представляет собой тип механизма реакции , распространенный в органической химии. В этом механизме одна связь разрывается, а одна образуется синхронно, то есть за один шаг. S N 2 представляет собой разновидность механизма реакции нуклеофильного замещения, название которого относится к символу Хьюза-Ингольда механизма. Поскольку в медленном (определяющем скорость ) этапе участвуют два реагирующих вещества, это приводит к термину s ubstitution n нуклеофильный (bi-молекулярный ) или S N 2; другой основной вид - SN1. Многие другие более специализированные механизмы описывают реакции замещения.
Тип реакции настолько распространен, что имеет другие названия, например «бимолекулярное нуклеофильное замещение» или, среди химиков-неоргаников, «ассоциативное замещение » или «механизм обмена».
Реакция чаще всего происходит на алифатическом sp углеродном центре с электроотрицательная, присоединенная к нему стабильная уходящая группа (часто обозначаемая X), которая часто является атомом галогенида. Разрыв связи C – X и образование новой связи (часто обозначаемой C – Y или C – Nu) происходят одновременно через переходное состояние, в котором углерод, подвергающийся нуклеофильной атаке, пентакоординирован и примерно sp гибридизированы. Нуклеофил атакует углерод под углом 180 ° к уходящей группе , поскольку это обеспечивает лучшее перекрытие между неподеленной парой нуклеофила и антисвязывающей орбиталью C – X σ *. Уходящая группа затем отодвигается с противоположной стороны, и продукт образуется с инверсией тетраэдрической геометрии у центрального атома.
Если субстрат, подвергаемый нуклеофильной атаке, хиральный, то это часто приводит к инверсии конфигурации (стереохимии ), называемой Инверсия Уолдена.
В примере реакции S N 2, происходит атака Br (нуклеофил) на этилхлорид (электрофил). в этилбромиде, причем хлорид выбрасывается в качестве уходящей группы.
SN2 Реакция хлорэтана с бромид-иономSN2 Атака происходит, если обратный путь атаки не стерически затруднен из-за заместителей на субстрате. Следовательно, этот механизм обычно возникает на беспрепятственных первичных и вторичных углеродных центрах. Если на субстрате имеется стерическое скопление рядом с уходящей группой, например в третичном углеродном центре, замещение будет включать механизм S N 1, а не S N 2, ( S N 1 также будет более вероятным в этом случае, поскольку может быть образован достаточно стабильный промежуточный карбокатион ).
На скорость реакции влияют четыре фактора:
Субстрат играет наиболее важную роль в определении скорость реакции. Это происходит потому, что нуклеофил атакует с обратной стороны субстрата, тем самым разрывая связь уходящей углеродной группы и образуя связь углерод-нуклеофил. Следовательно, чтобы максимизировать скорость реакции S N 2, обратная сторона субстрата должна быть как можно более беспрепятственной. В целом это означает, что метильный и первичный субстраты реагируют быстрее всего, за ним следуют вторичные субстраты. Третичные субстраты не участвуют в реакциях S N 2 из-за стерических затруднений. Структуры, которые могут образовывать высокостабильные катионы за счет простой потери уходящей группы, например, в виде резонансно-стабилизированного карбокатиона, особенно склонны реагировать по пути S N 1, конкурируя с S N 2.
Подобно субстрату, стерические препятствия влияют на силу нуклеофила. Анион метоксида, например, является как сильным основанием, так и нуклеофилом, потому что он является метилнуклеофилом, и, таким образом, очень беспрепятственно. трет-бутоксид, с другой стороны, является сильным основанием, но плохим нуклеофилом из-за его трех метильных групп, препятствующих его приближению к углероду. На прочность нуклеофилов также влияют заряд и электроотрицательность : нуклеофильность увеличивается с увеличением отрицательного заряда и уменьшением электроотрицательности. Например, ОН - лучший нуклеофил, чем вода, а I - лучший нуклеофил, чем Br (в полярных протонных растворителях). В полярном апротонном растворителе нуклеофильность увеличивается вверх по столбцу периодической таблицы, поскольку нет водородной связи между растворителем и нуклеофилом; в этом случае нуклеофильность отражает основность. Следовательно, я был бы более слабым нуклеофилом, чем Br, потому что это более слабое основание. Вердикт - Сильный / анионный нуклеофил всегда предпочитает S N 2 способ нуклеофильного замещения.
Растворитель влияет на скорость реакции, поскольку растворители могут окружать или не окружать нуклеофил, таким образом препятствуя или не препятствуя его приближению к атому углерода. Полярные апротонные растворители, такие как тетрагидрофуран, являются лучшими растворителями для этой реакции, чем полярные протонные растворители, потому что полярные протонные растворители будут водородными связями с нуклеофилом, препятствуя его атаке. углерод с уходящей группой. Полярный апротонный растворитель с низкой диэлектрической постоянной или с затрудненным дипольным концом будет способствовать S N 2 способу реакции нуклеофильного замещения. Примеры: диметилсульфоксид, диметилформамид, ацетон и т. Д.
Стабильность уходящей группы в виде аниона и прочность ее связи с атомом углерода влияют на скорость реакции. Чем более стабильно сопряженное основание уходящей группы, тем более вероятно, что оно примет два электрона своей связи с углеродом во время реакции. Следовательно, чем слабее уходящая группа в виде конъюгированного основания и, следовательно, чем сильнее ее соответствующая кислота, тем лучше уходящая группа. Поэтому примерами хороших уходящих групп являются галогениды (за исключением фторида из-за его сильной связи с атомом углерода) и тозилат, тогда как HO и H 2 N не являются.
Скорость реакции S N 2 составляет второй порядок, поскольку стадия определения скорости зависит от концентрации нуклеофила [Nu], а также от концентрации субстрата [RX].
Это ключевое различие между S N 1 и механизмы S N 2. В реакции S N 1 нуклеофил атакует после завершения стадии ограничения скорости, тогда как в S N 2 нуклеофил вытесняет уходящую группу на стадии ограничения. Другими словами, скорость реакций S N 1 зависит только от концентрации субстрата, тогда как скорость реакции S N 2 зависит от концентрации как субстрата, так и нуклеофила.
Было показано, что за исключением редких (но предсказуемых случаев) первичные и вторичные субстраты проходят исключительно по механизму S N 2, в то время как третичные субстраты проходят по S N 1 реакция. Есть два фактора, которые усложняют определение механизма реакций нуклеофильного замещения у вторичных углеродов:
1) Многие изученные реакции представляют собой реакции сольволиза, где молекула растворителя - часто спирт - является нуклеофилом. Несмотря на то, что механически все еще протекает реакция второго порядка, реакция кинетически является реакцией первого порядка, поскольку концентрация нуклеофила – молекулы растворителя во время реакции эффективно постоянна. Этот тип реакции часто называют реакцией псевдопервого порядка.
2) В реакциях, в которых уходящая группа также является хорошим нуклеофил-бромидом, например, уходящая группа может выполнять реакцию S N 2 на молекуле субстрата. Если субстрат является хиральным, это меняет конфигурацию субстрата перед сольволизом, приводя к рацемизированному продукту - продукту, которого можно было бы ожидать от механизма S N 1. В случае уходящей группы бромида в спиртовом растворителе Cowdrey et al. показали, что бромид может иметь константу скорости S N 2 в 100-250 раз выше, чем константа скорости для этанола. Таким образом, после сольволиза энантиоспецифического субстрата всего на несколько процентов он становится рацемическим.
Примеры в учебниках вторичных субстратов по механизму S N 1 неизменно включают использование бромида (или другого хорошего нуклеофила) в качестве уходящей группы, что сбивает с толку понимание алкилнуклеофильного замещения. реакции на вторичных углеродах за 80 лет. Работа с 2-адамантильной системой (S N 2 невозможна) Шлейером и его сотрудниками, использование азида (отличный нуклеофил, но очень плохая уходящая группа) Вайнером и Снином, разработка сульфоната уходящие группы (ненуклеофильные хорошие уходящие группы) и демонстрация значительных экспериментальных проблем в первоначальном заявлении о механизме S N 1 в сольволизе оптически активного 2-бромоктана Hughes et al. убедительно продемонстрировали, что вторичные субстраты действуют исключительно (за исключением необычных, но предсказуемых случаев) по механизму S N 2.
Обычная побочная реакция, имеющая место с реакциями S N 2, это отщепление E2 : входящий анион может действовать как основание, а не как нуклеофил, отщепляя протон и приводя к образованию алкена. Этот путь предпочтителен для стерически затрудненных нуклеофилов. Реакции элиминирования обычно протекают при повышенных температурах из-за повышенной энтропии. Этот эффект может быть продемонстрирован в газофазной реакции между сульфонатом и простым алкилбромидом, происходящей внутри масс-спектрометра :
с этилбромидом, продукт реакции является преимущественно продуктом замещения. По мере того как стерические препятствия вокруг электрофильного центра возрастают, как и в случае изобутил бромида, замещение нежелательно, и преобладающей реакцией является элиминирование. Другими факторами, способствующими устранению, являются прочность основы. С менее основным бензоатным субстратом изопропилбромид реагирует с 55% замещением. В общем, газофазные реакции и реакции в фазе раствора этого типа следуют одним и тем же тенденциям, даже несмотря на то, что в первом эффекты растворителя устранены.
Развитие, привлекшее внимание в 2008 году, касается обходного механизма S N2, наблюдаемого в газофазной реакции между ионами хлорида и метилиодидом с помощью специальной техники, называемой визуализацией скрещенных молекулярных пучков. Когда ионы хлора имеют достаточную скорость, их первоначальное взаимодействие с молекулой йодистого метила вызывает однократное вращение йодистого метила до того, как сработает действительный механизм замещения S N 2.
