S_N2 reakce

S_N2 reakce je druh organické reakce, kde S_N označuje nukleofilní substituci a číslo 2 naznačuje, že jde o bimolekulární reakci. Při této reakci dochází k zániku jedné vazby a vzniku jiné v jediném reakčním kroku. Jedná se o protějšek S_N1 reakce.

V anorganické chemii se obdobný mechanismus nazývá asociační substituce.

Mechanismus

S_N2 reakce nejčastěji probíhají na alifatických sp³ hybridizovaných uhlíkových centrech, na která je navázaná stálá elektronegativní skupina (v obecných vzorcích označovaná X), kterou obvykle bývá atom halogenu. Zánik vazby C–X a vznik nové vazby (označované C-Y nebo C-Nu) probíhají současně přes přechodný stav, ve kterém je uhlík, na němž dochází k nukleofilnímu ataku, pentakoordinovaný a sp³ hybridizovaný. Nukleofil atakuje uhlík pod úhlem 180 ° vzhledem k odcházející skupině, protože tak dochází k nejlepšímu možnému překryvu orbitalů volného elektronového páru nukleofilu a protivazebného orbitalu σ* vazby C-X. Následně se odcházející skupina na druhé straně odštěpí a inverzí čtyřstěnné geometrie centrálního atomu vznikne produkt.

Pokud je použitý substrát chirální, tak se často přemění na opačný stereoizomer; tento jev se nazývá Waldenova inverze.

Příkladem S_N2 reakce může být reakce bromidového iontu (Br⁻) s chlorethanem (který je zde elektrofilem), zatímco odcházející skupinou je chloridový anion.

S_N2 reakce chlorethanu s bromidovým aniontem

K S_N2 ataku může dojít pouze tehdy, když není přístup nukleofilu ze zadní strany blokován substituenty substrátu. Pokud k takovémuto blokování dochází, například je-li příslušný uhlík terciární, tak probíhá S_N1 reakce (ta rovněž bude převládat, pokud bude karbokationtový meziprodukt dostatečně stabilní).

Vliv různých faktorů na rychlost reakce

Na rychlost S_N2 reakcí mají vliv čtyři faktory.^[1]

Substrát

Největší vliv na rychlost S_N2 reakce má substrát, což je způsobeno tím, že nukleofilní atak probíhá ze zadní strany nukleofilu, čímž dohází k zániku vazby mezi uhlíkem a odcházející skupinou a vzniku vazby uhlík-nukleofil, aby bylo dosaženo co možná největší rychlosti reakce, tak by tedy substrát měl vytvářet co nejslabší sterické efekty. Z těchto důvodů methylové a primární substráty reagují nejrychleji, sekundární pomaleji a terciární nereagují. Molekuly, které mohou vytvářet při samotném odštěpení odcházející skupiny velmi stabilní, například rezonančně stabilizované, kationty, reagují více S_N1 mechanismem než S_N2.

Nukleofil

Podobně jako u substrátu je i síla nukleofilu ovlivňována sterickými jevy. Methoxidový anion je silnou zásadou i silným nukleofilem, protože methylová skupina nevytváří téměř žádné sterické efekty. Naproti tomu terc-butylová skupina, například v molekule terc-butoxidu draselného, je silně zásaditá, ale kvůli výraznému sterickému působení se jedná pouze o slabý nukleofil, protože tři methylové skupiny jí znesnadňují přístup k uhlíkovému atomu. Sílu nukleofilu také ovlivňuje náboj molekuly a elektronegativita; v protických rozpouštědlech OH⁻ je lepší nukleofil než voda a I⁻ je lepším nukleofilem než Br⁻. V aprotických rozpouštědlech nukleofilicita roste s protonovým číslem, protože zde nedochází k tvorbě vodíkových vazeb mezi rozpouštědlem a nukleofilem a nukleofilicita je tak větší u zásaditějších látek. Díky tomu je v aprotických rozpouštědlech I⁻ silnějším nukleofilem než Br⁻.

Rozpouštědlo

Rozpouštědlo ovlivňuje rychlost S_N2 reakce, protože jeho molekuly mohou obklopovat molekuly nukleofilu a tím mu bránit v přístupu k substrátu.^[2] Aprotická polární rozpouštědla, jako je tetrahydrofuran, jsou vhodnější než protická, jelikož molekuly protických rozpouštědel vytvářejí vodíkové vazby s molekulami nukleofilu a zabraňují jim tak v reakci se substrátem. Aprotické rozpouštědlo s nízkou permitivitou nebo dipólovým koncem vyvolávajícím silné sterické efekty tedy bude způsobovat převládající S_N2 mechanismus. K takovým rozpouštědlům patří mimo jiné dimethylsulfoxid, dimethylformamid a aceton.

Odcházející skupina

Na rychlost S_N2 reakcí mají také vliv stabilita aniontové podoby odcházející skupiny a energie její vazby na uhlík. Čím stabilnější je konjugovaná zásada této skupiny, tím pravděpodobněji přijme dva elektrony účastnící se její vazby s atomem uhlíku. Má-li tedy jedna odcházející skupina oproti jiné slabší konjugovanou zásadu, a tedy silnější konjugovanou kyselinu, tak je lepší odcházející skupinou. Dobrými odcházejícími skupinami jsou halogenidy (kromě fluoridů, kvůli silné vazbě mezi atomy fluoru a uhlíku) a tosyláty, zatímco HO⁻ a H₂N⁻ jsou špatnými odcházejícími skupinami.

Kinetika

S_N2 reakce jsou reakcemi druhého řádu, protože rychlost průběhu kroku určujícího rychlost reakce závisí na koncentraci nukleofilu ([Nu⁻]) i koncentraci substrátu ([RX]).

r = k[RX][Nu⁻]

V S_N1 reakcích dochází k nukĺeofilnímu ataku až po kroku určujícím rychlost, zatímco v S_N2 reakcích dochází k odštěpení nukleofilní skupiny při něm. Rychlost S_N1 reakce tak závisí pouze na koncentraci substrátu, zatímco rychlost S_N2 reakce je také závislá na koncentraci nukleofilu

Bylo zjištěno, že v několika málo (předvídatelných) případech^[3] probíhají reakce primárních a sekundárních substrátů výhradně S_N2 mechanismem, zatímco terciární substráty reagují S_N1 mechanismem. Určení mechanismu nukleofilní substituce na sekundárním uhlíku komplikují tyto dva vlivy:

Mnoho reakcí bylo zkoumáno za použití nukleofilního rozpouštědla (například alkoholu). Takové reakce jsou mechanisticky druhého řádu, ovšem z kinetického hlediska prvního řádu, protože koncentrace nukleofilu, zde tedy rozpouštědla, je v průběhu reakce prakticky konstantní. Takovéto reakce se často označují jako reakce pseudoprvního řádu.
V případech, kdy je odcházející skupina také dobrým nukleofilem (například bromid) může reagovat S_N2 mechanismem se substrátem. Je-li substrát chirální, tak dochází před solvolýzou k obrácení chirality substrátu, což vede k tvorbě racemického produktu, jaký by se dal očekávat u S_N1 reakce. Bromidová odcházející skupina v alkoholovém rozpouštědle potom má rychlostní konstantu 100krát až 250krát vyšší než ethanol.^[4] Poté, co projde několik málo procent enantiospecifického substrátu solvolýzou, se tak produkt stává racemickým.

Reakce bromidu (nebo jiného dobrého nukleofilu) způsobovaly obtíže v porozumění alkylovým nukleofilním substitucím na sekundárních substrátech po více než 80 let. Výzkum reakcí 2-adamantylových systémů (kde S_N2 mechanismus nemůže probíhat) týmem, který vedl Paul von Ragué Schleyer,^[5] použití azidů (což jsou velmi dobré nukleofily, ale špatné odcházející skupiny) Weinerem a Sneenem,^[6]^[7], vývoj sulfonátových odcházejících skupin (nenukleofilní dobré odcházející skupiny) a vznik významných problémů při pokusech o S_N1 mechanismus u solvolýzy opticky aktivních derivátů 2-bromoktanu^[8] vedlo ke zjištění, že sekundární substráty téměř vždy reagují S_N2 mechanismem.

E2 vedlejší reakce

Obvyklou vedlejší reakcí u bimolekulárních nukleofilních substitucí je bimolekulární eliminace (E2 reakce), kdy se anion chová spíše jako zásada než jako nukleofil, odštěpuje proton a vytváří alken. Tato reakce převládá u nukleofilů s výraznými sterickými efekty a často také při vyšších teplotách^[9] kvůli nárůstu entropie. Tento jev lze ukázat na reakci sulfonátu s alkylbromidem v plynné fázi uvnitř hmotnostního spektrometru:^[10]^[11]

Při použití bromethanu vzniká převážně produkt substituce. S růstem intenzity sterických efektů se postupně zvyšuje podíl eliminační reakce, která například u isobutylbromidu již převládá. Výsledek je také ovlivňován zásaditostí substrátu. S méně zásaditým benzoátovým substrátem reaguje isobutylbromid z 55 % substitucí. Obecně platí, že takovéto reakce v plynné fázi a v roztocích probíhají podobně, i když v prvním případě je vyloučen vliv rozpouštědla.

Odkazy

Související články

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématu SN2 reakce na Wikimedia Commons

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku SN2 reaction na anglické Wikipedii.

↑ Trevor A. Hamlin; Marcel Swart; F. Matthias Bickelhaupt. Nucleophilic Substitution (SN2): Dependence on Nucleophile, Leaving Group, Central Atom, Substituents, and Solvent. ChemPhysChem. 2018, s. 1315–1330. ISSN 1439-7641. DOI 10.1002/cphc.201701363. PMID 29542853.
↑ Trevor A. Hamlin; Bas van Beek; Lando P. Wolters; F. Matthias Bickelhaupt. Nucleophilic Substitution in Solution: Activation Strain Analysis of Weak and Strong Solvent Effects. Chemistry – A European Journal. 2018, s. 5927–5938. ISSN 1521-3765. DOI 10.1002/chem.201706075. PMID 29457865.
↑ Absence of S_N1 Involvement in the Solvolysis of Secondary Alkyl Compounds, T. J. Murphy, J. Chem. Educ.; 2009; 86(4) pp 519-24; (Article) doi: 10.1021/ed041p678
↑ Relation of Steric orientation to Mechanism in Substitution Involving Halogen Atoms and Simple or Substituted Hydroxyl Groups, W. A. Cowdrey, E. D. Hughes, C. K. Ingold, S. Masterman, A. D. Scott, J. Chem. Soc.; 1937; 1252–1271. 10.1039/JR9370001252
↑ The 2-Adamantyl System, a Standard for Limiting Solvolysis in a Secondary Substrate J. L. Fry, C. J. Lancelot, L. K. M. Lam, J. M Harris, R. C. Bingham, D. J. Raber, R. E. Hill, P. v. R. Schleyer, J. Am. Chem. Soc.,; 1970; 92, pp 1240-42 (Article); doi: 10.1021/ja00478a031
↑ A Clarification of the Mechanism of Solvolysis of 2-Octyl Sulfonates. Stereochemical Considerations; H. Weiner, R. A. Sneen, J. Am. Chem. Soc.,; 1965; 87 pp 287-91; (Article) doi: 10.1021/ja01080a026
↑ A Clarification of the Mechanism of Solvolysis of 2-Octyl Sulfonates. Kinetic Considerations; H. Weiner, R. A. Sneen, J. Am. Chem. Soc.; 1965; 87 pp 292-96; (Article) doi: 10.1021/ja01080a027
↑ Homogeneous Hydrolysis and Alcoholysis of β-n-Octyl halides, E. D. Hughes, C. K. Ingold, S. Masterman, J. Chem. Soc.; 1937; pp 1196–1201; (Article) doi: 10.1039/JR9370001196
↑ Elimination Reactions Are Favored By Heat — Master Organic Chemistry [online]. [cit. 2018-04-13]. Dostupné online.
↑ Gas Phase Studies of the Competition between Substitution and Elimination Reactions Scott Gronert Acc. Chem. Res.; 2003; 36(11) pp 848 - 857; (Article) DOI:10.1021/ar020042n
↑ Tento postup využívá elektrosprejovou ionizaci a protože pro detekci vyžaduje elektricky nabité produkty reakce, tak se k nukleofilu dostane aniontová sulfonátová skupina, která je nereaktivní a dobře oddělená od ostatních aniontů. Poměr produktů substituce a eliminace lze získat z intenzity příslušných molekulových iontů.

[1] Trevor A. Hamlin; Marcel Swart; F. Matthias Bickelhaupt. Nucleophilic Substitution (SN2): Dependence on Nucleophile, Leaving Group, Central Atom, Substituents, and Solvent. ChemPhysChem. 2018, s. 1315–1330. ISSN 1439-7641. DOI 10.1002/cphc.201701363. PMID 29542853.

[2] Trevor A. Hamlin; Bas van Beek; Lando P. Wolters; F. Matthias Bickelhaupt. Nucleophilic Substitution in Solution: Activation Strain Analysis of Weak and Strong Solvent Effects. Chemistry – A European Journal. 2018, s. 5927–5938. ISSN 1521-3765. DOI 10.1002/chem.201706075. PMID 29457865.

[3] Absence of S_N1 Involvement in the Solvolysis of Secondary Alkyl Compounds, T. J. Murphy, J. Chem. Educ.; 2009; 86(4) pp 519-24; (Article) doi: 10.1021/ed041p678

[4] Relation of Steric orientation to Mechanism in Substitution Involving Halogen Atoms and Simple or Substituted Hydroxyl Groups, W. A. Cowdrey, E. D. Hughes, C. K. Ingold, S. Masterman, A. D. Scott, J. Chem. Soc.; 1937; 1252–1271. 10.1039/JR9370001252

[5] The 2-Adamantyl System, a Standard for Limiting Solvolysis in a Secondary Substrate J. L. Fry, C. J. Lancelot, L. K. M. Lam, J. M Harris, R. C. Bingham, D. J. Raber, R. E. Hill, P. v. R. Schleyer, J. Am. Chem. Soc.,; 1970; 92, pp 1240-42 (Article); doi: 10.1021/ja00478a031

[6] A Clarification of the Mechanism of Solvolysis of 2-Octyl Sulfonates. Stereochemical Considerations; H. Weiner, R. A. Sneen, J. Am. Chem. Soc.,; 1965; 87 pp 287-91; (Article) doi: 10.1021/ja01080a026

[7] A Clarification of the Mechanism of Solvolysis of 2-Octyl Sulfonates. Kinetic Considerations; H. Weiner, R. A. Sneen, J. Am. Chem. Soc.; 1965; 87 pp 292-96; (Article) doi: 10.1021/ja01080a027

[8] Homogeneous Hydrolysis and Alcoholysis of β-n-Octyl halides, E. D. Hughes, C. K. Ingold, S. Masterman, J. Chem. Soc.; 1937; pp 1196–1201; (Article) doi: 10.1039/JR9370001196

[9] Elimination Reactions Are Favored By Heat — Master Organic Chemistry [online]. [cit. 2018-04-13]. Dostupné online.

[10] Gas Phase Studies of the Competition between Substitution and Elimination Reactions Scott Gronert Acc. Chem. Res.; 2003; 36(11) pp 848 - 857; (Article) DOI:10.1021/ar020042n

[11] Tento postup využívá elektrosprejovou ionizaci a protože pro detekci vyžaduje elektricky nabité produkty reakce, tak se k nukleofilu dostane aniontová sulfonátová skupina, která je nereaktivní a dobře oddělená od ostatních aniontů. Poměr produktů substituce a eliminace lze získat z intenzity příslušných molekulových iontů.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]