S N 2 реакция -SN2 reaction

Шаровидное изображение реакции S N 2 CH 3 SH с CH 3 I с образованием диметилсульфония. Обратите внимание, что атакующая группа атакует с тыла уходящей группы.
Структура переходного состояния S N 2

Реакция S N 2 - это 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 - это своего рода механизм реакции нуклеофильного замещения , название которого относится к символу Хьюза-Ингольда этого механизма. Так как два реагирующих частиц участвуют в медленной ( лимитирующей ) стадии, это приводит к термину сек ubstitution н ucleophilic ( би -molecular ) или S N 2 ; другой основной вид - S N 1 . 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».

Механизм реакции

Реакция чаще всего происходит в алифатическом углеродном центре sp 3 с присоединенной к нему электроотрицательной стабильной уходящей группой (часто обозначаемой 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, является пентакоординированным и приблизительно sp 2 гибридизован. Нуклеофил атакует углерод под углом 180 ° к уходящей группе , так как это обеспечивает лучшее перекрытие неподеленной пары нуклеофила и антисвязывающей орбитали C – X σ *. Уходящая группа затем отталкивается с противоположной стороны, и продукт образуется с инверсией тетраэдрической геометрии у центрального атома.

Если субстрат, подвергаемый нуклеофильной атаке, является хиральным , это часто приводит к инверсии конфигурации ( стереохимии ), называемой инверсией Вальдена .

В примере реакции S N 2 атака Br - (нуклеофила) на этилхлорид (электрофил) приводит к получению бромистого этила с выбросом хлорида в качестве уходящей группы.

S N 2 реакция хлорэтана с бромид-ионом

С Н 2 приступ происходит , если задняя сторона путь атаки не стерически затрудненные от заместителей на подложке (хлористый этил является субстратом выше). Следовательно, этот механизм обычно происходит 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 в себя механизм S N 1, а не S N 2 ( в этом случае более вероятен S N 1. потому что может образоваться достаточно стабильный карбокатион- интермедиат).

Факторы, влияющие на скорость реакции

На скорость реакции влияют четыре фактора:

Субстрат

Субстрат играет наиболее важную роль в определении скорости реакции. Это связано с тем, 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 вероятно, будут реагировать по пути S N 1, конкурируя с S N 2.

Нуклеофил

Как и субстрат, стерические препятствия влияют на силу нуклеофила. Метилат - анион, например, является одновременно сильным основанием и нуклеофилом , поскольку она представляет собой метильную нуклеофил, и, таким образом , очень беспрепятственно. С другой стороны, трет- бутоксид 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. I - следовательно, 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

Растворитель влияет на скорость реакции, поскольку растворители могут окружать или не окружать нуклеофил, таким образом затрудняя 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 связывать водород с нуклеофилом, препятствуя тому, чтобы он атаковал углерод с уходящей группой. Полярный апротонный растворитель с низкой диэлектрической проницаемостью или с затрудненным дипольным концом будет способствовать S N 2 способу реакции нуклеофильного замещения. Примеры: диметилсульфоксид , диметилформамид , ацетон и т. Д.

Выход из группы

Стабильность уходящей группы как аниона и прочность ее связи с атомом углерода влияют на скорость реакции. Чем более стабильно сопряженное основание уходящей группы, тем больше вероятность того, 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 - нет.

Кинетика реакции

Скорость реакции S N 2 является вторым порядком , так как стадия, определяющая скорость, зависит от концентрации нуклеофила [Nu - ], а также от концентрации субстрата [RX].

r = k [RX] [Nu - ]

Это ключевое различие между механизмами S N 1 и S N 2. В реакции S N 1 нуклеофил атакует после завершения лимитирующей стадии, тогда как в S N 2 нуклеофил отталкивает уходящую группу на лимитирующей стадии. Другими словами, скорость реакции S N 1 зависит только от концентрации субстрата, в то время 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 реакции S N 1. Есть два фактора, которые затрудняют определение механизма реакций нуклеофильного замещения у вторичных атомов углерода:

  1. Многие изученные реакции представляют собой реакции сольволиза, в которых молекула растворителя (часто спирта) является нуклеофилом. Хотя с механической точки зрения 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, где уходящая группа также является хорошим нуклеофилом (например, бромидом), уходящая группа может выполнять реакцию S N 2 на молекуле субстрата. Если субстрат хиральный, 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, идущих по механизму S N 1, неизменно включают использование бромида (или другого хорошего нуклеофила) в качестве уходящей группы, запутали понимание реакций алкильного нуклеофильного замещения у вторичных углеродов в течение 80 лет [3] . Работа с 2-адамантильной системой (S N 2 невозможна) Шлейером и соавторами, использование азида (отличный нуклеофил, но очень плохая уходящая группа) Вайнером и Снином, развитие уходящих сульфонатных групп (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. [3] убедительно продемонстрировали, что вторичные субстраты действуют исключительно (за исключением необычных, но предсказуемых случаев) по механизму S N 2.

E2 соревнование

Обычной побочной реакцией , происходящей с реакциями S N 2, является отщепление E2 : поступающий 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 :

Конкурсный эксперимент между SN2 и E2

В случае бромистого этила продуктом реакции является преимущественно продукт замещения. По мере увеличения стерических препятствий вокруг электрофильного центра, как и в случае с изобутилбромидом , замещение оказывается неблагоприятным, и преобладающей реакцией является элиминирование. Другими факторами, способствующими устранению, являются прочность основы. С менее основным бензоатным субстратом изопропилбромид реагирует с замещением 55%. В общем, газофазные реакции и реакции в фазе раствора этого типа следуют одним и тем же тенденциям, хотя в первом случае устраняются эффекты растворителя .

Карусельный механизм

Развитие, привлекшее внимание в 2008 году, касается обходного механизма S N 2, наблюдаемого в газофазной реакции между хлорид-ионами и метилиодидом с помощью специальной техники, называемой визуализацией с перекрестным молекулярным пучком . Когда ионы хлорида имеют достаточную скорость, их первоначальное столкновение с молекулой йодистого метила заставляет йодистый метил один раз вращаться до того, как имеет место действительный механизм замещения S N 2.

Смотрите также

использованная литература