SN2 (бимолекулярно нуклеофилно заместване) — дефиниция и механизъм

Реакцията най-често протича в алифатен sp³ въглероден център с прикрепена към него електроотрицателна, стабилна оставяща група - "X" - често халогенен атом. Разкъсването на връзката C-X и образуването на новата връзка C-Nu се случват едновременно, за да се образува преходно състояние, в което въглеродът, подложен на нуклеофилна атака, е пентакоординатен и приблизително sp² хибридизиран. Нуклеофилът атакува въглерода на 180° спрямо напускащата група, тъй като това осигурява най-добро припокриване между самотната двойка на нуклеофила и антисвързващата орбитала C-X σ*. След това оставящата група се изтласква от противоположната страна и се образува продуктът.

Ако субстратът, който е подложен на нуклеофилна атака, е хирален, това може да доведе, макар и не задължително, до инверсия на стереохимията, наречена инверсия на Walden.

В един пример за реакция S_N 2 атаката на OH ⁻(нуклеофил) върху бромоетан (електрофил) води до получаване на етанол, като бромидът се изхвърля като напускаща група:

Реакция S_N 2 възниква, ако обратният път на атака не е блокиран от други атоми в молекулата (стерилно възпрепятствани от заместители на субстрата). Така че този механизъм обикновено се проявява при необезпокояван първичен въглероден център. Ако в близост до напускащата група има стерилна преграда върху субстрата, като например при третичен въглероден център, заместването ще използва механизма S_N 1, а не S_N 2 (S_N 1 би бил по-вероятен и при блокирани молекули, тъй като може да се образува достатъчно стабилен карбокатионов междинен продукт).

В координационната химия асоциативното заместване протича по механизъм, подобен на този на S_N 2.

Четири фактора влияят върху скоростта на реакцията:

• Субстрат. Субстратът играе най-важната роля в определянето на скоростта на реакцията. Това е така, тъй като нуклеофилът атакува от задната страна на субстрата, като по този начин разкъсва връзката между въглеродната група и образува връзката въглерод-нуклеофил. Следователно, за да се увеличи максимално скоростта на реакцията S_N 2, гърбът на субстрата трябва да бъде възможно най-безпрепятствен. Като цяло това означава, че най-бързо реагират метиловите и първичните субстрати, следвани от вторичните субстрати. Третичните субстрати не участват в реакциите S_N 2 поради стерични пречки.

• Нуклеофил. Подобно на субстрата, стеричното препятствие влияе върху силата на нуклеофила. Метоксидният анион например е едновременно силна основа и нуклеофил, защото е метилов нуклеофил и по този начин е много безпрепятствен. Терт-бутоксидът, от друга страна, е силна основа, но слаб нуклеофил, тъй като трите му метилови групи възпрепятстват приближаването му към въглерода. Силата на нуклеофила се влияе и от заряда и електроотрицателността: нуклеофилността нараства с увеличаване на отрицателния заряд и намаляване на електроотрицателността. Например OH^- е по-добър нуклеофил от водата, а I^- е по-добър нуклеофил от Br^- (в полярни протични разтворители). В полярни апротични разтворители нуклеофилността се увеличава нагоре по колоната на периодичната таблица, тъй като няма водородна връзка между разтворителя и нуклеофила. В този случай нуклеофилността е огледална на основността. Следователно I^- би бил по-слаб нуклеофил от Br^- , защото е по-слаба основа.

• Разтворител. Разтворителят влияе върху скоростта на реакцията, тъй като разтворителите могат да заобикалят или да не заобикалят нуклеофила, като по този начин възпрепятстват или не възпрепятстват приближаването му към въглеродния атом. Полярните апротични разтворители, като тетрахидрофуран, са по-добри разтворители за тази реакция, отколкото полярните протични разтворители, защото полярните протични разтворители ще бъдат разтворени от водородната връзка на разтворителя с нуклеофила. Това му пречи да атакува въглерода с напускащата група.

• Напускане на групата. Оставящата група влияе върху скоростта на реакцията. Колкото по-стабилна е оставящата група, толкова по-вероятно е тя да вземе двата електрона от връзката на оставящата група с въглерода, когато нуклеофилът атакува въглерода. Следователно колкото по-слаба е оставящата група като конюгирана основа, толкова по-добра е оставящата група. Аналогично, колкото по-силна е съответната ѝ киселина, толкова по-добра е оставящата група. Примери за добри оставящи групи са халогенидите (с изключение на флуорида) и тозилатите. Но HO^- и H₂ N^- не са добри оставящи групи.

Скоростта на реакцията S_N 2 е от втори порядък, тъй като определящата скоростта стъпка зависи от концентрацията на нуклеофила [Nu⁻ ], както и от концентрацията на субстрата [RX].

r = k[RX][Nu⁻ ]

Това е основната разлика между механизмите S_N 1 и S_N 2. При реакцията S_N 1 нуклеофилът атакува след приключване на ограничаващата скоростта стъпка. Но при S_N 2 реакцията нуклеофилът изтласква напускащата група в ограничаващата стъпка. С други думи, скоростта на реакциите S_N 1 зависи само от концентрацията на субстрата, докато скоростта на реакциите S_N 2 зависи от концентрацията както на субстрата, така и на нуклеофила. В случаите, когато са възможни и двата механизма (например при вторичен въглероден център), механизмът зависи от разтворителя, температурата, концентрацията на нуклеофила или от напускащата група.

Реакциите S_N 2 обикновено се предпочитат в първични алкилхалогениди или вторични алкилхалогениди с апротичен разтворител. Те протичат с незначителна скорост в третични алкилхалогениди поради стерични пречки.

S_N 2 и S_N 1 са двете крайности на една подвижна скала на реакциите. Възможно е да се открият много реакции, които проявяват в механизмите си характер както на S_N 2, така и на S_N 1. Например, възможно е да се получи контактна йонна двойка, образувана от алкилхалогенид, при която йоните не са напълно разделени. Когато те се подложат на заместване, стереохимията ще бъде обърната (както при S_N 2) за много от реагиращите молекули, но при няколко от тях може да се наблюдава запазване на конфигурацията. Реакциите S_N 2 са по-често срещани от реакциите S_N 1.

Често срещана странична реакция, протичаща при реакциите S_N 2, е елиминирането на E2: входящият анион може да действа като основа, а не като нуклеофил, като отстранява протон и води до образуване на алкен. Този ефект може да се демонстрира в реакцията в газова фаза между сулфонат и прост алкилбромид, протичаща в масспектрометър:

При етилбромид реакционният продукт е предимно продукт на заместване. С увеличаване на стеричните препятствия около електрофилния център, както е при изобутилбромида, заместването не е благоприятно и преобладаващата реакция е елиминиране. Други фактори, благоприятстващи елиминирането, са силата на основата. С по-слабо базичния субстрат бензоат изопропилбромид реагира с 55 % заместване. Като цяло реакциите в газова фаза и реакциите в разтворна фаза от този тип следват едни и същи тенденции, въпреки че при първата отпадат ефектите на разтворителя.

Разработката, която привлича вниманието през 2008 г., се отнася до S_N 2 кръгов механизъм, наблюдаван при реакция в газова фаза между хлоридни йони и метил йодид със специална техника, наречена кръстосан молекулярен лъч. Когато хлоридните йони имат достатъчна скорост, енергията на получените йодидни йони след сблъсъка е много по-ниска от очакваната и се предполага, че енергията се губи в резултат на пълното завъртане на метиловата група около йодния атом, преди да се осъществи действителното изместване.

• Реакция на заместване
• S_N 1 реакция