Бірмолекулалық нуклеофильдік алмасу (SN2) реакциясы

Кіріспе

Байланыстар бір мезгілде үзіліп, бір мезгілде түзілетін алмастыру реакциясы. ДИСПЛЕЙТАЙТЛ: SN2 реакциясы

Бимолекулалық нуклеофильдік алмастыру (SN2) – органикалық химияда кең таралған реакция механизмінің бір түрі. SN2 реакциясында күшті нуклеофиль артқы шабуыл арқылы sp3 гибридтелген көміртек атомымен жаңа байланыс құрайды, сонымен бірге кететін топ реакция орталығынан бірдей (яғни, бір мезгілде) келісімді түрде ажыратылады. SN2 атауы механизмнің Хьюз-Инггольд белгісіне сілтеме жасайды: "SN" реакцияның нуклеофильдік алмастыру екенін, ал "2" – бимолекулалық механизм арқылы жүретінін көрсетеді, яғни екі реакцияға түсетін түр де реакция жылдамдығын шектейтін қадамға қатысады. SN2 реакциясын SN1 реакциясынан – тағы бір маңызды нуклеофильдік алмастыру түрінен ерекшелендіретін нәрсе – SN1 реакциясында кететін топтың орын ауыстыруы нуклеофильдік шабуылдан бөлек, жылдамдық шектеуші қадам болып табылады. SN2 реакциясын бейорганикалық химия саласындағы ассоциативтік алмастырудың органикалық химиядағы аналогы деп қарастыруға болады.

Реакция механизмі

Реакция көбінесе электронегативті, тұрақты шығып кететін тобы бар алифалық sp3 көміртек орталығында жүреді, бұл көбінесе галоген (көбінесе X деп белгіленеді). Нуклеофилдің (Nu деп белгіленеді) шабуылынан C–Nu байланысының қалыптасуы, C–X байланысының үзілуімен бірге жүзеге асырылады. Реакция, реакциялық орталығы пентакоординатты және шамамен sp2 гибридті болатын, өтпелі күйде өтеді. SN2 реакциясын нуклеофил мен субстрат арасындағы HOMO–LUMO өзара әрекеттесуі ретінде қарастыруға болады. Реакция тек нуклеофилдің бос электрон жұп орбиталы, орталық көміртек пен шығып кететін топ арасындағы толтырылмаған σ* антибайланыс орбиталына электрондар берген кезде ғана жүреді. Реакция барысында, реакция орталығында реактивтердің молекулалық орбиталдарынан өнімдерге өту нәтижесінде p орбиталы пайда болады. Оптималды орбиталық жабысуға қол жеткізу үшін нуклеофил шығып кететін топқа қатысты 180° бұрышпен шабуыл жасайды, нәтижесінде шығып кететін топ қарама-қарсы жақтан ығыстырылады және өнім орталық атомдағы тетраэдрлік геометрияның инверсиясымен қалыптасады. Мысалы, саңырауқұлақ метаболиті макроцидин А синтезі, нуклеофил ретінде феноксид тобы және шығып кететін топ ретінде галоидты эфирді құрайтын SN2 реакциясы арқылы молекулаішілік сақина жабылу сатысын қамтиды. Нуклеофил ретінде алкоксид қолданылатын мұндай реакциялар Уильямсон эфир синтезі деп аталады. Егер SN2 реакциясына түсетін субстраттың хиральды орталығы болса, онда конфигурацияның инверсиясы (стереохимия және оптикалық белсенділік) жүруі мүмкін; бұл Уолден инверсиясы деп аталады. Мысалы, 1-бром-1-фторэтан нуклеофилдік шабуылға түсіп, 1-фторэтан-1-ол түзеді, мұнда нуклеофил HO− тобы болып табылады. Бұл жағдайда, егер реактив леворотаторлық болса, онда өнім декстроротаторлық болады, және керісінше.

Субстрат

Реакция жылдамдығын анықтауда субстрат ең маңызды рөл атқарады. SN2 реакциясы жылдамдауы үшін нуклеофил орталық көміртек пен кететін топ арасындағы сигма антибайланыс орбиталына оңай қол жеткізуі керек. SN2 реакциясы орталық көміртекте стерильді жағынан қолжетімді субстраттарда, яғни жақын орналасқан стерильді кедергісі аз топтары бар субстраттарда жылдам жүзеге асады. Метил және біріншілік субстраттар ең жылдам реакцияға түседі, одан кейін екіншілік субстраттар. Үшіншілік субстраттар SN2 механизмі арқылы реакцияға түспейді, себебі нуклеофил мен субстраттың жақын орналасқан топтары арасындағы үлкен стерильді кедергі SN1 реакциясының алдымен жүруіне себеп болады. Пи C=C жүйелері бар субстраттар SN1 және SN2 реакцияларын ынталандыруы мүмкін. SN1 реакциясында аллильді және бензилді карбокатиондар оң зарядты делокализациялау арқылы тұрақтанады. SN2 реакциясында болса, реакциялық орталық пен жақын орналасқан пи жүйесі арасындағы конъюгация өтпелі күйді тұрақтандырады. Электронды тартымды топтар карбокатион аралықтарындағы оң зарядты тұрақсыздандыратындықтан, SN2 реакциясын ынталандырады. Электронды донорлық топтар кететін топтың орын ауыстыруына көмектеседі және SN1 механизмі арқылы реакцияға түсуге бейім. Полярлы протонды емес еріткіштер, мысалы тетрагидрофуран, полярлы протонды еріткіштерге қарағанда бұл реакция үшін жақсы еріткіштер болып табылады, өйткені полярлы протонды еріткіштер нуклеофилмен сутегі байланысын түзетіп, оның кететін топ бар көміртекке шабуыл жасауына кедергі келтіреді. Төмен диэлектрлік тұрақтыға немесе кедергі келтірілген дипольдік ұшы бар полярлы протонды емес еріткіштер нуклеофильдік орын ауыстыру реакциясының SN2 механизмін қолдайды. Мысалдар: диметилсульфоксид, диметилформамид, ацетон және т.б. Сонымен қатар, сольватация нуклеофилдің ішкі күшіне де маңызды әсер етеді, мұнда еріткіш пен нуклеофил арасындағы күшті өзара әрекеттесу, полярлы протонды еріткіштерде байқалады, нәтижесінде әлсіз нуклеофил пайда болады. Керісінше, полярлы протонды емес еріткіштер нуклеофилмен әлсіз ғана өзара әрекеттеседі, сондықтан нуклеофилдің күшін азайтуға олардың мүмкіндігі шектеулі.

The substrate plays the most important part in determining the rate of the reaction. For SN2 reaction to occur more quickly, the nucleophile must easily access the sigma antibonding orbital between the central carbon and leaving group. SN2 occurs more quickly with substrates that are more sterically accessible at the central carbon, i. e. those that do not have as much sterically hindering substituents nearby. Methyl and primary substrates react the fastest, followed by secondary substrates. Tertiary substrates do not react via the SN2 pathway, as the greater steric hindrance between the nucleophile and nearby groups of the substrate will leave the SN1 reaction to occur first. Substrates with adjacent pi C=C systems can favor both SN1 and SN2 reactions. In SN1, allylic and benzylic carbocations are stabilized by delocalizing the positive charge. In SN2, however, the conjugation between the reaction centre and the adjacent pi system stabilizes the transition state. Because they destabilize the positive charge in the carbocation intermediate, electron withdrawing groups favor the SN2 reaction. Electron donating groups favor leaving group displacement and are more likely to react via the SN1 pathway. Polar aprotic solvents, like tetrahydrofuran, are better solvents for this reaction than polar protic solvents because polar protic solvents will hydrogen bond to the nucleophile, hindering it from attacking the carbon with the leaving group. A polar aprotic solvent with low dielectric constant or a hindered dipole end will favour SN2 manner of nucleophilic substitution reaction. Examples: dimethylsulfoxide, dimethylformamide, acetone, etc. In parallel, solvation also has a significant impact on the intrinsic strength of the nucleophile, in which strong interactions between solvent and the nucleophile, found for polar protic solvents, furnish a weaker nucleophile. In contrast, polar aprotic solvents can only weakly interact with the nucleophile, and thus, are to a lesser extent able to reduce the strength of the nucleophile.

Реакция кинетикасы

SN2 реакциясының жылдамдығы екінші реттік, себебі жылдамдық шектеуші қадам нуклеофилдің концентрациясына [Nu−] және субстраттың концентрациясына [RX] байланысты. Сирек кездесетін (бірақ болжауға болатын жағдайларды қоспағанда) біріншілік және екіншілік субстраттар тек SN2 механизмі арқылы өтеді, ал үшіншілік субстраттар SN1 реакциясы арқылы. Екіншілік көміртегілерде нуклеофилдік алмастыру реакцияларының механизмін анықтауды қиындататын екі фактор бар: Көптеген зерттелген реакциялар – еріткіш молекуласы (көбінесе спирт) нуклеофил болатын сольволиз реакциялары. Механизмдік тұрғыдан екінші реттік реакция болғанымен, реакция кинетикалық тұрғыдан бірінші реттік, себебі реакция барысында нуклеофилдің – еріткіш молекуланың – концентрациясы тұрақты болып қалады. Мұндай реакциялар көбінесе псевдо бірінші реттік реакциялар деп аталады. Кетіп бара жатқан топтың жақсы нуклеофил (мысалы, бромид) болатын реакцияларда, кетіп бара жатқан топ субстрат молекуласында SN2 реакциясын жүзеге асыруы мүмкін. Егер субстрат хиралды болса, бұл сольволиз алдында субстраттың конфигурациясын инверттейді, нәтижесінде рацемизацияланған өнім пайда болады – SN1 механизмінен күтілетін өнім. Бромидті кетіп бара жатқан топты алкогольдік еріткіште қолданған жағдайда, Cowdrey және әріптестері бромның SN2 жылдамдық константасы этанолдың жылдамдық константасынан 100-250 есе жоғары болатынын көрсетті. Осылайша, энантиоспецификалық субстраттың тек бірнеше пайызы сольволизденгеннен кейін ол рацемизацияланады. Оқулықтардағы SN1 механизмі арқылы өтетін екіншілік субстраттардың мысалдары әдетте бромидті (немесе басқа жақсы нуклеофилді) кетіп бара жатқан топ ретінде пайдалануды қамтиды, бұл 80 жыл бойы екіншілік көміртегілердегі алкил нуклеофилдік алмастыру реакцияларын түсінуге кедеріл келтірді. Шлейер және оның әріптестері 2-адамантил жүйесімен (SN2 мүмкін емес) жұмыс істеді, Вайнер мен Снин азидті (тамаша нуклеофил, бірақ өте нашар кетіп бара жатқан топ) қолданды, сульфонатты кетіп бара жатқан топтарды (нуклеофилді емес, жақсы кетіп бара жатқан топтар) жасады, ал Хьюз және басқалар SN1 механизміне оптикалық белсенді 2-бромооктаның сольволизіндегі бастапқы талаптардағы маңызды тәжірибелік мәселелерді көрсетті [3]. Бұл жұмыстар екіншілік субстраттардың тек (сирек, бірақ болжауға болатын жағдайларды қоспағанда) SN2 механизмі арқылы өтетінін нақты көрсетті.

The rate of an SN2 reaction is second order, as the rate determining step depends on the nucleophile concentration, [Nu−] as well as the concentration of substrate, [RX]. that except in uncommon (but predictable cases) primary and secondary substrates go exclusively by the SN2 mechanism while tertiary substrates go via the SN1 reaction. There are two factors which complicate determining the mechanism of nucleophilic substitution reactions at secondary carbons:
Many reactions studied are solvolysis reactions where a solvent molecule (often an alcohol) is the nucleophile. While still a second order reaction mechanistically, the reaction is kinetically first order as the concentration of the nucleophile–the solvent molecule, is effectively constant during the reaction. This type of reaction is often called a pseudo first order reaction. In reactions where the leaving group is also a good nucleophile (bromide for instance) the leaving group can perform an SN2 reaction on a substrate molecule. If the substrate is chiral, this inverts the configuration of the substrate before solvolysis, leading to a racemized product–the product that would be expected from an SN1 mechanism. In the case of a bromide leaving group in alcoholic solvent Cowdrey et al. have shown that bromide can have an SN2 rate constant 100 250 times higher than the rate constant for ethanol. Thus, after only a few percent solvolysis of an enantiospecific substrate, it becomes racemic. The examples in textbooks of secondary substrates going by the SN1 mechanism invariably involve the use of bromide (or other good nucleophile) as the leaving group have confused the understanding of alkyl nucleophilic substitution reactions at secondary carbons for 80 years[3]. Work with the 2 adamantyl system (SN2 not possible) by Schleyer and co workers, the use of azide (an excellent nucleophile but very poor leaving group) by Weiner and Sneen, the development of sulfonate leaving groups (non nucleophilic good leaving groups), and the demonstration of significant experimental problems in the initial claim of an SN1 mechanism in the solvolysis of optically active 2 bromooctane by Hughes et al. [3] have demonstrated conclusively that secondary substrates go exclusively (except in unusual but predictable cases) by the SN2 mechanism.

Е2 бәсекелестік

SN2 реакцияларында жиі кездесетін қосымша реакция – E2 жою реакциясы: кіріспе анион нуклеофил ретінде емес, негіз ретінде әрекет ете алады, протонды алып, алкеннің түзілуіне себеп болады. Бұл жол стериялық қиындықтар тудыратын нуклеофилдер үшін қолайлырақ. Жою реакциялары энтропияның жоғарылауына байланысты көтеріңкі температурада жақсы жүзеге асады. Бұл эффект фенолят пен қарапайым алкилбромидтің массалық спектрометрде жүзеге асатын газ фазалық реакциясында көрсетілуі мүмкін: этилбромидпен реакция нәтижесінде негізгі өнім алмастыру өнімі болып табылады. Электрофильді орталықтың айналасындағы стериялық қиындықтар артқан сайын, мысалы, изобутилбромидте, алмастыру реакциясы бәсеңдеп, жою реакциясы басым болады. Жою реакциясын ынталандыратын тағы бір фактор – негіздің күші. Бензоат субстратының негіздік қасиеттері нашар болғанда, изопропилбромид 55% алмасуға қатысады. Жалпы, газ фазасындағы және ерітінді фазасындағы реакциялар осы типтегі бірдей тенденцияларды көрсетеді, тіпті бірінші жағдайда еріткіш әсерлері болмаса да.

Айналмалы механизм

2008 жылы назар аударған жайт – хлорид иондары мен метил йодид арасындағы газ фазалық реакцияда байқалған SN2 айналым механизмі. Хлорид иондары жеткілікті жылдамдыққа ие болғанда, оның метил йодид молекуласымен алғашқы соқтығысуы, SN2 орынбасу механизмі жүзеге аспас бұрын метил йодидті бір рет айналуға себеп болады.