SN2 (bimolekuláris nukleofil szubsztitúció) — definíció és mechanizmus

A reakció leggyakrabban egy olyan alifás sp³ széncentrumon megy végbe, amelyhez egy elektronegatív, stabil távozó csoport - "X" - kapcsolódik, gyakran egy halogenidatom. A C-X kötés felszakadása és az új C-Nu kötés kialakulása egyidejűleg történik, és egy olyan átmeneti állapot jön létre, amelyben a nukleofil támadásnak kitett szén pentakoordinált és megközelítőleg sp² hibridizált. A nukleofil a kilépő csoporthoz képest 180°-ban támadja a szenet, mivel ez biztosítja a legjobb átfedést a nukleofil magányos párja és a C-X σ* antibonding orbitál között. A kilépő csoport ezután eltolódik az ellentétes oldalról, és a termék keletkezik.

Ha a nukleofil támadás alatt álló szubsztrát királis, ez - bár nem feltétlenül - a sztereokémia inverziójához, az úgynevezett Walden-inverzióhoz vezethet.

Az S_N 2 reakció egyik példájában az OH ⁻(nukleofil) és a brómetán (elektrofil) támadása etanolt eredményez, a bromid pedig távozó csoportként távozik:

S_N 2 reakció akkor következik be, ha a hátsó támadási útvonalat a molekula más atomjai nem akadályozzák (a szubsztituensek a szubsztráton sterikusan akadályozzák). Tehát ez a mechanizmus általában egy akadálymentes primer széncentrumon történik. Ha a szubsztráton a kilépő csoport közelében, például egy tercier széncentrumnál, sztérikus zsúfoltság van, akkor a szubsztitúció S_N 1 helyett S_N 2 mechanizmust fog alkalmazni (blokkolt molekulák esetén az S_N 1 is valószínűbb lenne, mert egy kellően stabil karbokation-középső képződhetne).

A koordinációs kémiában az asszociatív szubsztitúció az S_N 2 -hoz hasonló mechanizmussal történik.

A reakció sebességét négy tényező befolyásolja:

• Alátét. A szubsztrát játssza a legfontosabb szerepet a reakció sebességének meghatározásában. Ennek oka, hogy a nukleofil a szubsztrát hátsó oldaláról támad, így bontja meg a szén-leváló csoport kötését és alakítja ki a szén-nukleofil kötést. Ezért az S_N 2 reakció sebességének maximalizálása érdekében a szubsztrát hátoldalának a lehető legakadálymentesebbnek kell lennie. Összességében ez azt jelenti, hogy a metil és az elsődleges szubsztrátok reagálnak a leggyorsabban, majd a másodlagos szubsztrátok következnek. A tercier szubsztrátok nem vesznek részt az S_N 2 reakcióban a sztérikus akadályok miatt.

• Nukleofil. A szubsztráthoz hasonlóan a sztérikus akadályok is befolyásolják a nukleofil erősségét. A metoxid-anion például egyszerre erős bázis és nukleofil, mivel metil-nukleofil, és így nagyon akadálytalan. A terc-butoxid viszont erős bázis, de gyenge nukleofil, mert három metilcsoportja akadályozza a szénhez való közeledését. A nukleofil erősségét a töltés és az elektronegativitás is befolyásolja: a nukleofilitás a negatív töltés növekedésével és az elektronegativitás csökkenésével nő. Például az OH^- jobb nukleofil, mint a víz, és az I^- jobb nukleofil, mint a Br^- (poláros protikus oldószerekben). A poláros aprotikus oldószerben a nukleofilitás a periódusos rendszer egy oszlopával felfelé növekszik, mivel az oldószer és a nukleofil között nincs hidrogénkötés. Ebben az esetben a nukleofilitás a bázicitás tükörképe. Az I^- tehát gyengébb nukleofil lenne, mint a Br^- , mivel gyengébb bázis.

• Oldószer. Az oldószer befolyásolja a reakció sebességét, mivel az oldószerek körülvehetik vagy nem veszik körül a nukleofilt, és így akadályozzák vagy nem akadályozzák a szénatomhoz való közeledését. A poláros aprotikus oldószerek, mint például a tetrahidrofurán, jobb oldószerek ehhez a reakcióhoz, mint a poláros protikus oldószerek, mert a poláros protikus oldószereket az oldószer hidrogénkötése a nukleofilhoz oldja. Ez megakadályozza, hogy a távozó csoporttal megtámadja a szenet.

• Elhagyja a csoportot. A távozó csoport befolyásolja a reakció sebességét. Minél stabilabb a kilépő csoport, annál valószínűbb, hogy a nukleofil támadásakor a szénnel szemben a nukleofil a szén két elektronját is magával viszi a kilépő csoport kötésébe. Ezért minél gyengébb a kilépő csoport mint konjugált bázis, annál jobb a kilépő csoport. Hasonlóképpen, minél erősebb a megfelelő sav, annál jobb a távozó csoport. A jó távozócsoportokra példák a halogenidek (kivéve a fluoridot) és a toszilát. A HO^- és a H₂ N^- azonban nem jó távozócsoportok.

Az S_N 2 reakció sebessége másodrendű, mivel a sebességet meghatározó lépés függ a nukleofil koncentrációjától, [Nu⁻ ], valamint a szubsztrát koncentrációjától, [RX].

r = k[RX][Nu⁻ ]

Ez az egyik legfontosabb különbség az S_N 1 és az S_N 2 mechanizmusok között. Az S_N 1 reakcióban a nukleofil a sebességkorlátozó lépés után támad. Az S_N 2 reakcióban azonban a nukleofil a sebességkorlátozó lépésben kiszorítja a távozó csoportot. Más szóval, az S_N 1 reakciók sebessége csak a szubsztrát koncentrációjától függ, míg az S_N 2 reakció sebessége a szubsztrát és a nukleofil koncentrációjától is. Azokban az esetekben, ahol mindkét mechanizmus lehetséges (például egy másodlagos széncentrumnál), a mechanizmus függ az oldószertől, a hőmérséklettől, a nukleofil koncentrációjától vagy a távozó csoporttól.

Az S_N 2 reakciókat általában elsődleges alkil-halogenidek vagy másodlagos alkil-halogenidek aprotikus oldószerrel történő reakciói kedveznek. Tercier alkilhalogenidekben a sztérikus akadályok miatt elhanyagolható mértékben játszódnak le.

S_N 2 és S_N 1 a reakciók csúszó skálájának két szélső értéke. Számos olyan reakciót lehet találni, amelyek mechanizmusában mind az S_N 2, mind az S_N 1 karaktert mutatják. Lehetséges például, hogy egy alkil-halogenidből olyan kontaktionpárok keletkeznek, amelyekben az ionok nem válnak el teljesen. Amikor ezek szubsztitúciónak mennek át, a sztereokémia sok reagáló molekula esetében inverz lesz (mint az S_N 2 esetében), de néhány esetben a konfiguráció megtartása is előfordulhat. Az S_N 2 reakciók gyakoribbak, mint az S_N 1 reakciók.

Az S_N 2 reakcióknál gyakran lejátszódó mellékreakció az E2 elimináció: a bejövő anion nukleofil helyett bázisként viselkedhet, eltávolítva egy protont, ami az alkén kialakulásához vezet. Ez a hatás egy szulfonát és egy egyszerű alkil-bromid közötti gázfázisú reakcióban mutatható be, amely egy tömegspektrométerben zajlik:

Etil-bromiddal a reakciótermék túlnyomórészt szubsztitúciós termék. Az elektrofil centrum körüli sztérikus akadályok növekedésével, mint az izobutil-bromid esetében, a szubsztitúciót nem kedvelik, és az elimináció a domináns reakció. Az eliminációt elősegítő egyéb tényezők a bázis erőssége. A kevésbé bázikus benzoát szubsztráttal az izopropil-bromid 55%-os szubsztitúcióval reagál. Általánosságban elmondható, hogy az ilyen típusú gázfázisú reakciók és az oldatfázisú reakciók ugyanazokat a tendenciákat követik, bár az előbbinél az oldószerhatások elmaradnak.

A 2008-ban figyelmet keltő fejlesztés egy S_N 2 körkörös mechanizmussal kapcsolatos, amelyet a kloridionok és a metil-jodid közötti gázfázisú reakcióban figyeltek meg egy speciális technikával, az úgynevezett keresztezett molekulasugaras képalkotással. Ha a kloridionok kellő sebességgel rendelkeznek, a keletkező jodidionok energiája az ütközés után sokkal kisebb a vártnál, és az elmélet szerint a metilcsoportnak a jódatom körüli teljes megkerülésével veszik el az energiát, mielőtt a tényleges elmozdulás megtörténne.

• Helyettesítési reakció
• S_N 1 reakció