S N 2 реакция
Бимолекулярное нуклеофильное замещение ( SN , 2 ) — тип механизма реакции распространенный в органической химии . В реакции S N 2 сильный нуклеофил образует новую связь с sp 3 -гибридизация атома углерода путем атаки с обратной стороны, в то время как уходящая группа отрывается от реакционного центра согласованным (то есть одновременным) образом.
Название SN 2 относится к символу Хьюза-Ингольда механизма: «SN » указывает, что реакция представляет собой нуклеофильное замещение , а «2» — что она протекает по бимолекулярному механизму, что означает, что в реакции участвуют обе реагирующие частицы. скорость этап, определяющий . Что отличает S N 2 от другого основного типа нуклеофильного замещения, реакции S N 1 , так это то, что замещение уходящей группы, которое является стадией, определяющей скорость, отделено от нуклеофильной атаки в S N 1.
Реакцию S N 2 можно рассматривать как органохимический аналог ассоциативного замещения из области неорганической химии .
Механизм реакции
[ редактировать ]Реакция чаще всего протекает при алифатическом sp 3 углеродный центр с прикрепленной к нему электроотрицательной стабильной уходящей группой, которая часто представляет собой галоген (часто обозначается X). Образование связи C–Nu в результате атаки нуклеофила (обозначенного Nu) происходит синхронно с разрывом связи C–X. Реакция протекает через переходное состояние , в котором реакционный центр является пятикоординационным и примерно sp 2 -гибридизированный.
Реакцию S N 2 можно рассматривать как взаимодействие ВЗМО-НСМО между нуклеофилом и субстратом. Реакция происходит только тогда, когда занятая неподеленная парная орбиталь нуклеофила отдает электроны незаполненной разрыхляющей орбитали σ* между центральным углеродом и уходящей группой . В ходе реакции в реакционном центре образуется ап-орбиталь в результате перехода от молекулярных орбиталей реагентов к молекулярным орбиталям продуктов. [1]
Чтобы достичь оптимального перекрытия орбиталей, нуклеофил атакует под углом 180 ° относительно уходящей группы, в результате чего уходящая группа отталкивается от противоположной стороны и образуется продукт с инверсией тетраэдрической геометрии в центральном атоме.
Например, синтез макроцидина А, грибкового метаболита , включает стадию внутримолекулярного замыкания кольца посредством реакции S N 2 с феноксидной группой в качестве нуклеофила и галогенидом в качестве уходящей группы, образуя простой эфир . [2] Подобные реакции с алкоксидом в качестве нуклеофила известны как синтез эфира Вильямсона .
Если субстрат, подвергающийся реакции S N 2 , имеет хиральный центр , то может произойти инверсия конфигурации ( стереохимии и оптической активности ); это называется инверсией Вальдена . Например, 1-бром-1-фторэтан может подвергаться нуклеофильной атаке с образованием 1-фторэтан-1-ола, причем нуклеофилом является HO. − группа. В этом случае, если реагент левовращающий, то и продукт будет правовращающим, и наоборот. [3]
Факторы, влияющие на скорость реакции
[ редактировать ]Четыре фактора, влияющие на скорость реакции, в порядке убывания важности: [4] [5]
Субстрат
[ редактировать ]Субстрат играет наиболее важную роль в определении скорости реакции. Чтобы реакция S N 2 протекала быстрее, нуклеофил должен легко получить доступ к сигма-разрыхляющей орбитали между центральным углеродом и уходящей группой.
S N 2 происходит быстрее с субстратами, которые более стерически доступны по центральному углероду, т.е. с теми, которые не имеют поблизости стольких стерически затрудненных заместителей. Быстрее всего реагируют метил и первичные субстраты, за ними следуют вторичные субстраты. Третичные субстраты не реагируют по пути S N 2 , поскольку большее стерическое препятствие между нуклеофилом и близлежащими группами субстрата приводит к тому, что реакция S N 1 происходит первой.
Субстраты с соседними системами pi C=C могут благоприятствовать реакциям как S N 1, так и S N 2. В S N 1 аллильные и бензильные карбокатионы стабилизируются за счет делокализации положительного заряда. Однако в S N 2 сопряжение реакционного центра с соседней пи-системой стабилизирует переходное состояние. Поскольку электроноакцепторные группы дестабилизируют положительный заряд промежуточного карбокатиона, они благоприятствуют реакции S N 2 . Электронодонорные группы способствуют смещению уходящей группы и с большей вероятностью будут реагировать по пути S N 1. [1]
Нуклеофил
[ редактировать ]Как и субстрат, стерические препятствия влияют на силу нуклеофила. беспрепятственна . Например, метоксид-анион является одновременно сильным основанием и нуклеофилом, поскольку он является метил-нуклеофилом, и поэтому его реакция практически С другой стороны, трет -бутоксид является сильным основанием, но плохим нуклеофилом, поскольку три его метильные группы препятствуют его приближению к углероду. На силу нуклеофила также влияют заряд и электроотрицательность : нуклеофильность увеличивается с увеличением отрицательного заряда и уменьшением электроотрицательности. Например, ОН − является лучшим нуклеофилом, чем вода, и я − является лучшим нуклеофилом, чем Br − (в полярных протонных растворителях). В полярном апротонном растворителе нуклеофильность увеличивается вверх по столбцу таблицы Менделеева, поскольку между растворителем и нуклеофилом нет водородной связи; в этом случае нуклеофильность отражает основность. я − следовательно, будет более слабым нуклеофилом, чем Br. − потому что это более слабая база. Вердикт: сильный/анионный нуклеофил всегда отдает предпочтение S N типу нуклеофильного замещения 2.
Выход из группы
[ редактировать ]Хорошие уходящие группы на субстрате приводят к более быстрым реакциям S N 2 . Хорошая уходящая группа должна быть способна стабилизировать электронную плотность , возникающую в результате разрыва связи с углеродным центром. Эта тенденция способности уходящей группы хорошо соответствует p K a кислоты, сопряженной с уходящей группой (p K aH ); чем ниже значение p K aH , тем быстрее вытесняется уходящая группа.
Оставляя нейтральные группы, например воду , спирты ( R-OH ) и амины ( R-NH 2 ) являются хорошими примерами из-за их положительного заряда при соединении с углеродным центром до нуклеофильной атаки. Галогениды ( кл. − , Бр − , и я − , за исключением Ф − ), служат хорошими уходящими анионными группами, поскольку электроотрицательность стабилизирует дополнительную электронную плотность; исключение фторида связано с его прочной связью с углеродом.
Реакционную способность спиртов по уходящей группе можно повысить с помощью сульфонатов , таких как тозилат ( − ОЦ ), трифлат ( − OTf ) и мезилат ( − ОМ ). К бедным уходящим группам относятся гидроксиды ( − ОН ), алкоксиды ( − OR ) и амиды ( − № 2 ).
Реакция Финкельштейна — это реакция S N 2, в которой уходящая группа также может действовать как нуклеофил. В этой реакции в субстрате атом галогена заменен на другой галоген. Поскольку отрицательный заряд более или менее стабилизирован на обоих галогенидах, реакция протекает в равновесии.
Растворитель
[ редактировать ]Растворитель влияет на скорость реакции, поскольку растворители могут окружать нуклеофил, а могут и не окружать его, тем самым препятствуя или не препятствуя его приближению к атому углерода. [6] Полярные апротонные растворители, такие как тетрагидрофуран , являются лучшими растворителями для этой реакции, чем полярные протонные растворители , поскольку полярные протонные растворители образуют водородную связь с нуклеофилом, препятствуя ему атаковать углерод уходящей группой. Полярный апротонный растворитель с низкой диэлектрической проницаемостью или затрудненным дипольным концом будет способствовать S N реакции нуклеофильного замещения по типу 2 . Примеры: диметилсульфоксид , диметилформамид , ацетон и т. д. Параллельно сольватация также оказывает значительное влияние на внутреннюю силу нуклеофила, при этом сильные взаимодействия между растворителем и нуклеофилом, обнаруженные для полярных протонных растворителей , приводят к образованию более слабого нуклеофила. Напротив, полярные апротонные растворители могут лишь слабо взаимодействовать с нуклеофилом и, следовательно, в меньшей степени способны снижать силу нуклеофила. [7] [8]
Кинетика реакции
[ редактировать ]Скорость реакции S N 2 имеет второй порядок , так как скорость определяющая стадия зависит от концентрации нуклеофила, [Nu − ], а также концентрацию субстрата [RX]. [1]
- r = k[RX][Нет − ]
В этом 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 реакции S N 2 нуклеофил отталкивает уходящую группу на лимитирующей стадии. Другими словами, скорость реакции S N 1 зависит только от концентрации субстрата, а скорость реакции S N 2 зависит от концентрации как субстрата, так и нуклеофила. [1]
Было показано [9] что, за исключением редких (но предсказуемых случаев), первичные и вторичные субстраты действуют исключительно по механизму S N 2, тогда как третичные субстраты действуют по реакции S N 1. Существуют два фактора, которые затрудняют определение механизма реакций нуклеофильного замещения при вторичном атоме углерода:
- Многие изученные реакции представляют собой реакции сольволиза, в которых нуклеофилом является молекула растворителя (часто спирта). Хотя с механистической точки зрения это все еще реакция второго порядка, кинетически реакция является первым порядком, поскольку концентрация нуклеофила-молекулы растворителя фактически постоянна во время реакции. Этот тип реакции часто называют реакцией псевдопервого порядка.
- В реакциях, где уходящая группа также является хорошим нуклеофилом (например, бромид), уходящая группа может осуществлять реакцию S N 2 с молекулой субстрата. Если субстрат хиральный, это инвертирует конфигурацию субстрата перед сольволизом, что приводит к образованию рацемизированного продукта – продукта, который можно было бы ожидать от механизма S N 1. В случае ухода бромидной группы в спиртовом растворителе Cowdrey et al. [10] показали, что бромид может иметь константу скорости S N 2 в 100-250 раз выше, чем константа скорости этанола. Таким образом, уже после нескольких процентов сольволиза энантиоспецифического субстрата он становится рацемическим.
Примеры в учебниках вторичных субстратов, происходящих по механизму S N 1, неизменно включают использование бромида (или другого хорошего нуклеофила) в качестве уходящей группы, что на 80 лет запутало понимание реакций алкилнуклеофильного замещения у вторичных атомов углерода. [3] . Работа с 2-адамантильной системой (S N 2 невозможна) Шлейером и сотрудниками, [11] использование азида (отличного нуклеофила, но очень плохой уходящей группы) Вейнером и Снином, [12] [13] разработка сульфонатных уходящих групп (ненуклеофильных хороших уходящих групп) и демонстрация значительных экспериментальных проблем в первоначальном заявлении о механизме S N 1 при сольволизе оптически активного 2-бромоктана Хьюзом и др. [14] [3] убедительно продемонстрировали, что вторичные субстраты действуют исключительно (за исключением необычных, но предсказуемых случаев) по механизму S N 2 .
конкурс Е2
[ редактировать ]Обычной побочной реакцией, происходящей в реакциях S N 2 , является отщепление E2 : поступающий анион может действовать как основание, а не как нуклеофил, отрывая протон и приводя к образованию алкена . Этот путь предпочтителен для стерически затрудненных нуклеофилов. Реакции элиминирования обычно протекают при повышенных температурах. [15] из-за увеличения энтропии . Этот эффект можно продемонстрировать в газофазной реакции между фенолятом и простым алкилбромидом, происходящей внутри масс-спектрометра : [16] [17]
Competition experiment between SN2 and E2
В случае бромистого этила продуктом реакции является преимущественно продукт замещения. По мере увеличения стерических затруднений вокруг электрофильного центра, как и в случае с изобутилбромидом , замещение становится невыгодным, и преобладающей реакцией является элиминирование. Другими факторами, способствующими вылету, являются сила базы. С менее основным бензоатным субстратом изопропилбромид реагирует с 55%-ным замещением. В общем, газофазные реакции и реакции в растворенной фазе этого типа следуют одним и тем же тенденциям, хотя в первом случае эффекты растворителя устраняются.
Карусельный механизм
[ редактировать ]S N 2 Развитие, привлекшее внимание в 2008 году, касается обходного механизма , наблюдаемого в газофазной реакции между ионами хлорида и йодидом метила с помощью специального метода, называемого визуализацией скрещенных молекулярных лучей . Когда ионы хлорида имеют достаточную скорость, первоначальное столкновение их с молекулой йодистого метила заставляет йодистый метил совершить один оборот, прежде чем S N 2 . сработает реальный механизм смещения [18] [19] [20]
См. также
[ редактировать ]- Стрелка толкает
- Кристофер Келк Ингольд
- Реакция Финкельштейна
- Участие соседней группы
- Нуклеофильное ацильное замещение
- Нуклеофильное ароматическое замещение
- S N 1 реакция
- С Н я
- Реакция замещения
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Клейден, Джонатан; Гривз, Ник; Уоррен, Стюарт (2012). Органическая химия (2-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. п. 330. ИСБН 978-0-19-927029-3 .
- ^ Хассе, Роберт; Шоберт, Райнер (28 ноября 2016 г.). «Синтез биогербицидного метаболита грибов макроцидина А» . Органические письма . 18 (24): 6352–6355. doi : 10.1021/acs.orglett.6b03240 . Проверено 30 декабря 2023 г.
- ^ КЕРТИС, КЛИФФ. МЕРГАТРОЙД, ДЖЕЙСОН. СКОТТ, ДЭЙВ (2019). Edexcel International, учебник по химии для студентов уровня . [Место публикации не указано]: EDEXCEL Limited. ISBN 978-1-292-24472-3 . OCLC 1084791738 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Смит, Майкл Б.; Марч, Джерри (2007), Продвинутая органическая химия: реакции, механизмы и структура (6-е изд.), Нью-Йорк: Wiley-Interscience, ISBN 978-0-471-72091-1
- ^ Хэмлин, Тревор А.; Сварт, Марсель; Бикельхаупт, Ф. Матиас (2018). «Нуклеофильное замещение (SN2): зависимость от нуклеофила, уходящей группы, центрального атома, заместителей и растворителя» . ХимияФизХим . 19 (11): 1315–1330. дои : 10.1002/cphc.201701363 . ISSN 1439-7641 . ПМК 6001448 . ПМИД 29542853 .
- ^ Хэмлин, Тревор А.; ван Бик, Бас; Уолтерс, Лэндо П.; Бикельхаупт, Ф. Матиас (2018). «Нуклеофильное замещение в растворе: анализ активационного напряжения слабых и сильных эффектов растворителя» . Химия – Европейский журнал . 24 (22): 5927–5938. дои : 10.1002/chem.201706075 . ISSN 1521-3765 . ПМЦ 5947303 . ПМИД 29457865 .
- ^ Хансен, Томас; Рузи, Джаспер С.; Бикельхаупт, Ф. Матиас; Хэмлин, Тревор А. (4 февраля 2022 г.). «Как сольватация влияет на конкуренцию SN 2 и E2» . Журнал органической химии . 87 (3): 1805–1813. дои : 10.1021/acs.joc.1c02354 . ПМЦ 8822482 . ПМИД 34932346 .
- ^ Вермерен, Паскаль; Хансен, Томас; Янсен, Пол; Сварт, Марсель; Хэмлин, Тревор А.; Бикельхаупт, Ф. Матиас (декабрь 2020 г.). «Единая основа для понимания нуклеофильности и протофильности в конкуренции SN 2/E2» . Химия – Европейский журнал . 26 (67): 15538–15548. дои : 10.1002/chem.202003831 . ПМЦ 7756690 . ПМИД 32866336 .
- ^ Отсутствие участия S N 1 в сольволизе вторичных алкильных соединений, TJ Murphy, J. Chem. Образование.; 2009 г.; 86(4), стр. 519–24; (Статья) doi: 10.1021/ed041p678
- ^ В.А. Каудри; ЭД Хьюз; С. К. Ингольд; С. Мастерман; А. Д. Скотт (1937). «Связь стерической ориентации с механизмом замещения с участием атомов галогенов и простых или замещенных гидроксильных групп». Дж. Хим. Соц. : 1252–1271. дои : 10.1039/JR9370001252 .
- ^ 2-адамантильная система, стандарт для ограничения сольволиза во вторичном субстрате Дж. Л. Фрай, С. Дж. Ланселот, Л. К. Лам, Дж. М. Харрис, Р. К. Бингхэм, DJ Рабер, Р. Э. Хилл, П. против Р. Шлейер, Дж. Ам . хим. Соц.,; 1970 год; 92, стр. 1240-42 (статья); дои: 10.1021/ja00478a031
- ^ Разъяснение механизма сольволиза 2-октилсульфонатов. Стереохимические соображения; Х. Вайнер, Р. А. Снин, Дж. Ам. хим. Соц.,; 1965 год; 87 стр. 287–91; (Статья) doi: 10.1021/ja01080a026
- ^ Разъяснение механизма сольволиза 2-октилсульфонатов. Кинетические соображения; Х. Вайнер, Р. А. Снин, Дж. Ам. хим. соц.; 1965 год; 87 стр. 292–96; (Статья) doi: 10.1021/ja01080a027
- ^ Гомогенный гидролиз и алкоголиз β-н-октилгалогенидов, Э.Д. Хьюз, К.К. Ингольд, С. Мастерман, J. Chem. соц.; 1937 год; стр. 1196–1201; (Статья) doi: 10.1039/JR9370001196
- ^ «Реакции элиминирования ускоряются при нагревании — магистр органической химии» . www.masterorganicchemistry.com . Проверено 13 апреля 2018 г.
- ^ Газофазные исследования конкуренции между реакциями замещения и элиминирования Скотт Гронерт Отчеты о химических исследованиях ; 2003 год ; 36(11) стр. 848–857; (Статья) два : 10.1021/ar020042n
- ^ Используемый метод - ионизация электрораспылением , и поскольку для обнаружения требуются заряженные продукты реакции, нуклеофил снабжен дополнительной сульфонатной анионной группой, нереакционноспособной и хорошо отделенной от другого аниона. Соотношение продуктов замещения и продуктов отщепления можно измерить по относительной интенсивности их молекулярных ионов.
- ^ Визуализация динамики нуклеофильного замещения Дж. Микош, С. Триппель, К. Эйххорн, Р. Отто, У. Лурдерай, Дж. К. Чжан, В. Л. Хазе, М. Вайдемюллер и Р. Вестер Science 11 января 2008 г. 319: 183-186 doi : 10.1126/science.1150238 (в отчетах)
- ^ ПЕРСПЕКТИВЫ ХИМИИ: не так просто Джон И. Брауман (11 января 2008 г.) Science 319 (5860), 168. дои : 10.1126/science.1152387
- ^ Сюрприз из снимков SN2 Измерения скорости ионов раскрывают дополнительный непредвиденный механизм. Кармен Драл Новости химии и техники, 14 января 2008 г. , том 86, номер 2, с. 9 http://pubsapp.acs.org/cen/news/86/i02/8602notw1.html , видео включено