SN2 reakcija: apibrėžimas, mechanizmas ir pavyzdžiai

Reakcija dažniausiai vyksta alifatiniame sp³ anglies centre, prie kurio prijungta elektroneigiama, stabili palikimo grupė - "X" - dažnai halogenido atomas. C-X ryšys nutrūksta ir naujas C-Nu ryšys susidaro vienu metu, ir susidaro pereinamoji būsena, kurioje nukleofilo atakuojama anglis yra penkiakoordinatinė ir maždaug sp² hibridizuota. Nukleofilas atakuoja anglį, esančią 180° kampu palikimo grupės atžvilgiu, nes taip nukleofilo vienišoji pora ir C-X σ* antivaržos orbitalė geriausiai sutampa. Tada paliekančioji grupė išstumiama iš priešingos pusės ir susidaro produktas.

Jei nukleofiliniu būdu atakuojamas substratas yra chiralinis, tai gali lemti, nors ir nebūtinai, stereochemijos inversiją, vadinamą Waldeno inversija.

S_N 2 reakcijos pavyzdys: OH ⁻(nukleofilas) atakuoja bromoetaną (elektrofilas), todėl susidaro etanolis, o bromidas išsiskiria kaip išeinanti grupė:

S_N 2 reakcija įvyksta, jei atakos iš galinės pusės kelio neblokuoja kiti molekulės atomai (steriliai trukdo substituentai ant substrato). Taigi, šis mechanizmas paprastai vyksta ties netrukdomu pirminiu anglies centru. Jei substratas yra steriškai užstotas netoli paliekančiosios grupės, pavyzdžiui, ties tretinės anglies centru, substitucija vyks pagal S_N 1, o ne pagal S_N 2 mechanizmą (S_N 1 taip pat būtų labiau tikėtinas, jei molekulės būtų užblokuotos, nes galėtų susidaryti pakankamai stabilus tarpinis karbokatas).

Koordinacinėje chemijoje asociatyvusis pakeitimas vyksta pagal panašų mechanizmą kaip S_N 2.

Reakcijos greičiui įtakos turi keturi veiksniai:

• Substratas. Substratas atlieka svarbiausią vaidmenį nustatant reakcijos greitį. Taip yra todėl, kad nukleofilas atakuoja substratą iš jo galo, taip nutraukdamas anglies ir nukleofilo jungtį ir sudarydamas anglies ir nukleofilo jungtį. Todėl, norint padidinti S_N 2 reakcijos greitį, substrato nugarėlė turi būti kuo mažiau kliudoma. Apskritai tai reiškia, kad greičiausiai reaguoja metilo ir pirminiai substratai, po jų - antriniai substratai. Tretiniai substratai nedalyvauja S_N 2 reakcijose dėl sterinių kliūčių.

• Nukleofilas. Kaip ir substratas, steriniai trukdžiai turi įtakos nukleofilo stiprumui. Pavyzdžiui, metoksido anijonas yra ir stipri bazė, ir nukleofilas, nes jis yra metilo nukleofilas, todėl jam nėra jokių kliūčių. Kita vertus, tert-butoksidas yra stipri bazė, bet silpnas nukleofilas, nes trys metilo grupės trukdo jam priartėti prie anglies. Nukleofilo stiprumui taip pat turi įtakos krūvis ir elektroneigiamumas: nukleofiliškumas didėja didėjant neigiamam krūviui ir mažėjant elektroneigiamumui. Pavyzdžiui, OH^- yra geresnis nukleofilas nei vanduo, o I^- yra geresnis nukleofilas nei Br^- (poliniuose protiniuose tirpikliuose). Poliariniame aprotiniame tirpiklyje nukleofiliškumas didėja periodinės lentelės stulpeliu aukštyn, nes tarp tirpiklio ir nukleofilo nėra vandenilinio ryšio. Šiuo atveju nukleofiliškumas atspindi baziškumą. Todėl I^- būtų silpnesnis nukleofilas nei Br^- , nes jis yra silpnesnė bazė.

• Tirpiklis. Tirpiklis turi įtakos reakcijos greičiui, nes tirpikliai gali supti arba nesupti nukleofilą, taip trukdydami arba netrukdydami jam priartėti prie anglies atomo. Poliniai aprotiniai tirpikliai, pavyzdžiui, tetrahidrofuranas, yra geresni tirpikliai šiai reakcijai nei poliniai protiniai tirpikliai, nes poliniai protiniai tirpikliai bus tirpinami tirpiklio vandeniliniu ryšiu su nukleofilu. Tai trukdo jam atakuoti anglį su paliekamąja grupe.

• Išvykimo grupė. Paliekančioji grupė turi įtakos reakcijos greičiui. Kuo stabilesnė paliekančioji grupė, tuo didesnė tikimybė, kad nukleofilui atakuojant anglį, ji pasiims du elektronus, esančius jos anglies jungtyje. Todėl kuo silpnesnė paliekančioji grupė yra konjuguota bazė, tuo geresnė paliekančioji grupė. Panašiai, kuo stipresnė ją atitinkanti rūgštis, tuo geresnė paliekamoji grupė. Gerų paliekančiųjų grupių pavyzdžiai yra halogenidai (išskyrus fluoridą) ir tozilatas. Tačiau HO^- ir H₂ N^- nėra geros palikimo grupės.

S_N 2 reakcijos greitis yra antros eilės, nes greitį lemiantis etapas priklauso nuo nukleofilo koncentracijos [Nu⁻ ] ir substrato koncentracijos [RX].

r = k[RX][Nu⁻ ]

Tai yra esminis S_N 1 ir S_N 2 mechanizmų skirtumas. S_N 1 reakcijos metu nukleofilas atakuoja jau pasibaigus greitį ribojančiam etapui. Tačiau S_N 2 reakcijos metu nukleofilas išstumia paliekamąją grupę ribojančioje stadijoje. Kitaip tariant, S_N 1 reakcijos greitis priklauso tik nuo substrato koncentracijos, o S_N 2 reakcijos greitis priklauso ir nuo substrato, ir nuo nukleofilo koncentracijos. Tais atvejais, kai galimi abu mechanizmai (pavyzdžiui, antrinio anglies centro), mechanizmas priklauso nuo tirpiklio, temperatūros, nukleofilo koncentracijos arba nuo paliekančiosios grupės.

S_N 2 reakcijoms paprastai pirmenybė teikiama pirminiams alkilo halogenidams arba antriniams alkilo halogenidams su aprotiniu tirpikliu. Tretiniuose alkilhalogeniduose dėl sterinių kliūčių jos vyksta nežymiai.

S_N 2 ir S_N 1 yra du slankiosios reakcijų skalės kraštutinumai. Galima rasti daug reakcijų, kurių mechanizmuose pasireiškia ir S_N 2, ir S_N 1 pobūdis. Pavyzdžiui, galima gauti iš alkilo halogenido susidariusią kontaktinę jonų porą, kurioje jonai nėra visiškai atskirti. Kai jie pakeičiami, daugelio reaguojančių molekulių stereochemija bus apversta (kaip ir S_N 2 atveju), tačiau kelios iš jų gali išlaikyti konfigūraciją. S_N 2 reakcijos yra dažnesnės nei S_N 1 reakcijos.

Dažna šalutinė reakcija, vykstanti su S_N 2 reakcijomis, yra E2 eliminacija: įeinantis anijonas gali veikti kaip bazė, o ne kaip nukleofilas, pašalindamas protoną ir sudarydamas alkeną. Šį efektą galima parodyti dujų fazėje vykstančioje sulfonato ir paprasto alkilbromido reakcijoje, vykstančioje masės spektrometre:

Su etilo bromidu reakcijos produktas yra daugiausia pakaitos produktas. Didėjant steriniams trukdžiams aplink elektrofilinį centrą, kaip izobutilo bromido atveju, substitucija yra nepalanki ir vyraujanti reakcija yra eliminacija. Kiti eliminacijai palankūs veiksniai yra bazės stiprumas. Su mažiau baziniu benzoato substratu izopropilo bromidas reaguoja 55 % pakaitinimo būdu. Apskritai šio tipo dujų fazės reakcijos ir tirpalo fazės reakcijos vyksta pagal tas pačias tendencijas, nors pirmojoje reakcijoje tirpiklio poveikis išnyksta.

2008 m. dėmesio sulaukė naujovė, susijusi su S_N 2 apvaliuoju mechanizmu, pastebėtu dujinės fazės reakcijoje tarp chlorido jonų ir metiljodido, naudojant specialų metodą, vadinamą kryžminio molekulinio pluošto vaizdavimu. Kai chlorido jonų greitis yra pakankamas, po susidūrimo susidariusių jodido jonų energija yra daug mažesnė, nei tikėtasi, ir teoriškai manoma, kad energija prarandama dėl visiško metilo grupės apsisukimo aplink jodo atomą prieš įvykstant tikrajam poslinkiui.

• Pakeitimo reakcija
• S_N 1 reakcija