SN2 reakcija — bimolekulāra nukleofīlā aizvietošana: definīcija un mehānisms

Reakcija visbiežāk notiek pie alifātiskā sp³ oglekļa centra, kuram pievienota elektronegatīva, stabila atstājošā grupa - "X" - bieži halīda atoms. C-X saites pārrāvums un jaunas C-Nu saites veidošanās notiek vienlaicīgi, veidojot pārejas stāvokli, kurā nukleofilais ogleklis ir pentakorordinēts un aptuveni sp² hibridizēts. Nukleofils uzbrūk ogleklim 180° leņķī attiecībā pret atstāto grupu, jo tas nodrošina vislabāko pārklāšanos starp nukleofila vientuļo pāri un C-X σ* antisavienojuma orbitāliju. Pēc tam atstājošā grupa tiek izstumta no pretējās puses, un veidojas produkts.

Ja substrāts, kuram tiek veikts nukleofīlais uzbrukums, ir hirāls, tas var novest, lai gan ne vienmēr, pie stereohēmijas inversijas, ko sauc par Valdena inversiju.

S_N 2 reakcijas piemērā OH ⁻(nukleofila) uzbrukums brometānam (elektrofilam) rada etanolu, un bromīds tiek izvadīts kā atstājošā grupa:

S_N 2 reakcija notiek, ja uzbrukuma atpakaļvirzienu nebloķē citi molekulas atomi (sterili traucē substrāta aizvietotāji). Tātad šis mehānisms parasti notiek pie neapgrūtināta primārā oglekļa centra. Ja substrāts ir steriski nospiests pie atstājošās grupas, piemēram, pie terciārā oglekļa centra, aizvietošanā tiks izmantots S_N 1, nevis S_N 2 mehānisms (S_N 1 arī būtu ticamāks bloķētās molekulās, jo varētu veidoties pietiekami stabils karbokācijas starpposma reakcija).

Koordinācijas ķīmijā asociatīvā aizvietošana notiek pēc līdzīga mehānisma kā S_N 2.

Reakcijas ātrumu ietekmē četri faktori:

• Substrāts. Substrātam ir vissvarīgākā loma reakcijas ātruma noteikšanā. Tas ir tāpēc, ka nukleofils uzbrūk no substrāta mugurpuses, tādējādi pārraujot oglekļa atstājošās grupas saiti un veidojot oglekļa-nukleofila saiti. Tāpēc, lai maksimāli palielinātu S_N 2 reakcijas ātrumu, substrāta aizmugurei jābūt pēc iespējas netraucētai. Kopumā tas nozīmē, ka visātrāk reaģē metilsubstrāti un primārie substrāti, tiem seko sekundārie substrāti. Trešie substrāti nepiedalās S_N 2reakcijās, jo tiem traucē stēriskie šķēršļi.

• Nukleofils. Tāpat kā substrāts, arī nukleofila spēku ietekmē steriskā kavēšana. Piemēram, metoksīda anjons ir gan spēcīga bāze, gan nukleofils, jo tas ir metila nukleofils, un tādējādi tas ir ļoti netraucēts. Tert-butoksīds, no otras puses, ir spēcīga bāze, bet vājš nukleofils, jo tā trīs metilgrupas kavē tā pietuvošanos ogleklim. Nukleofila stiprumu ietekmē arī lādiņš un elektronegativitāte: nukleofilitāte palielinās, palielinoties negatīvajam lādiņam un samazinoties elektronegativitātei. Piemēram, OH^- ir labāks nukleofils nekā ūdens, un I^- ir labāks nukleofils nekā Br^- (polārajos protiskajos šķīdinātājos). Polārā aprotiskā šķīdinātājā nukleofilitāte palielinās periodiskās tabulas slejā, jo starp šķīdinātāju un nukleofilu nav ūdeņraža saites. Šajā gadījumā nukleofilitāte atspoguļo bāziskumu. Tāpēc I^- būtu vājāks nukleofils nekā Br^- , jo tas ir vājāka bāze.

• Šķīdinātājs. Šķīdinātājs ietekmē reakcijas ātrumu, jo šķīdinātāji var ieskauj vai neskauj nukleofilu, tādējādi traucējot vai netraucējot tā tuvošanos oglekļa atomam. Polārie aprotiskie šķīdinātāji, piemēram, tetrahidrofurāns, ir labāki šķīdinātāji šai reakcijai nekā polārie proktiskie šķīdinātāji, jo polārie proktiskie šķīdinātāji tiks šķīdināti, šķīdinātājam veidojot ūdeņraža saites ar nukleofilu. Tas traucē tam uzbrukt ogleklim ar atstāto grupu.

• Izbraukšana no grupas. Atstājošā grupa ietekmē reakcijas ātrumu. Jo stabilāka ir atstājošā grupa, jo lielāka ir iespēja, ka, nukleofilam uzbrūkot ogleklim, tā paņems divus elektronus no oglekļa atstājošās grupas saites. Tāpēc, jo vājāka ir atstājošā grupa kā konjugētā bāze, jo labāka ir atstājošā grupa. Līdzīgi, jo spēcīgāka ir atbilstošā skābe, jo labāka ir atdalītā grupa. Labu atdalītāju grupu piemēri ir halogenīdi (izņemot fluorīdu) un tosilāti. Taču HO^- un H₂ N^- nav labas atstājošās grupas.

S_N 2 reakcijas ātrums ir otrās kārtas, jo ātrumu noteicošais posms ir atkarīgs no nukleofila koncentrācijas [Nu⁻ ], kā arī no substrāta koncentrācijas [RX].

r = k[RX][Nu⁻ ]

Tā ir galvenā atšķirība starp S_N 1 un S_N 2 mehānismiem. S_N 1 reakcijā nukleofils uzbrūk pēc ātrumu ierobežojošā posma beigām. Bet S_N 2 reakcijā nukleofils ierobežojošajā reakcijas posmā izspiež atdalīto grupu. Citiem vārdiem sakot, S_N 1 reakcijas ātrums ir atkarīgs tikai no substrāta koncentrācijas, bet S_N 2 reakcijas ātrums ir atkarīgs gan no substrāta, gan nukleofila koncentrācijas. Gadījumos, kad iespējami abi mehānismi (piemēram, pie sekundārā oglekļa centra), mehānisms ir atkarīgs no šķīdinātāja, temperatūras, nukleofila koncentrācijas vai atdalītās grupas.

S_N 2 reakcijas parasti ir labvēlīgākas primārajiem alkilhalogenīdiem vai sekundārajiem alkilhalogenīdiem ar aprotisko šķīdinātāju. Sterisko šķēršļu dēļ terciārajos alkilhalogenīdos tās notiek ar niecīgu ātrumu.

S_N 2 un S_N 1 ir divas reakciju skalas galējības. Ir iespējams atrast daudzas reakcijas, kuru mehānismiem piemīt gan S_N 2, gan S_N 1 raksturs. Piemēram, no alkilhalogenīda ir iespējams iegūt kontaktjonu pārus, kuros joni nav pilnībā atdalīti. Kad tajos notiek aizvietošana, daudzām reaģējošām molekulām stereohēmija būs apgriezta (kā S_N 2), bet dažām var saglabāties konfigurācija. S_N 2 reakcijas ir biežāk sastopamas nekā S_N 1 reakcijas.

Bieži sastopama blakusreakcija, kas notiek S_N 2 reakcijās, ir E2 eliminācija: ienākošais anjons var darboties kā bāze, nevis kā nukleofils, atdalot protonu un izraisot alķēna veidošanos. Šo efektu var demonstrēt gāzu fāzes reakcijā starp sulfonātu un vienkāršu alkilbromīdu, kas notiek masas spektrometrā:

Ar etilbromīdu reakcijas produkts ir galvenokārt aizvietošanas produkts. Palielinoties steriskajai barjerai ap elektrofīlo centru, kā tas ir izobutilbromīda gadījumā, aizvietošanai nav labvēlīga ietekme, un dominējošā reakcija ir eliminācija. Citi faktori, kas veicina elimināciju, ir bāzes stiprums. Ar mazāk bāzisku benzoāta substrātu izopropilbromīds reaģē ar 55 % aizvietošanu. Kopumā šāda veida reakcijām gāzes fāzē un šķīduma fāzē ir vienādas tendences, lai gan pirmajā gadījumā šķīdinātāja ietekme ir mazāka.

2008. gadā uzmanība tika pievērsta S_N 2 apļveida mehānismam, kas novērots gāzu fāzes reakcijā starp hlorīda joniem un metiljodīdu, izmantojot īpašu metodi, ko sauc par krustotu molekulāro staru attēlu. Ja hlorīda joniem ir pietiekams ātrums, pēc sadursmes radušos jodīda jonu enerģija ir daudz zemāka, nekā gaidīts, un tiek izvirzīta teorija, ka enerģija tiek zaudēta metilgrupas pilnīgas apļveida aprites rezultātā ap joda atomu, pirms notiek faktiskā pārvietošana.

• Aizstāšanas reakcija
• S_N 1 reakcija