Введение
Реакция замещения, в которой связи разрываются и образуются одновременно. Би́молекулярное нуклеофи́льное замеще́ние (SN2) — это тип реакционного механизма, широко распространённый в органической химии. В реакции SN2 сильный нуклеофил образует новую связь с sp3-гибридизированным атомом углерода посредством атаки с обратной стороны, одновременно с отщеплением уходящей группы от реакционного центра согласованным (то есть одновременным) образом. Обозначение SN2 происходит от символа, предложенного Хьюзом Ингольдом для этого механизма: "SN" указывает на то, что реакция является нуклеофильным замещением, а "2" — на то, что она протекает по бимолекулярному механизму, то есть оба реагирующих вещества участвуют в стадии, определяющей скорость реакции. В отличие от другого основного типа нуклеофильного замещения, реакции SN1, в SN2 отщепление уходящей группы, являющееся стадией, определяющей скорость, происходит одновременно с нуклеофильной атакой. Реакция SN2 может рассматриваться как аналог ассоциативного замещения из области неорганической химии.
DISPLAYTITLE:SN2 reaction
Bimolecular nucleophilic substitution (SN2) is a type of reaction mechanism that is common in organic chemistry. In the SN2 reaction, a strong nucleophile forms a new bond to an sp3 hybridised carbon atom via a backside attack, all while the leaving group detaches from the reaction center in a concerted (i. e. simultaneous) fashion. The name SN2 refers to the Hughes Ingold symbol of the mechanism: "SN" indicates that the reaction is a nucleophilic substitution, and "2" that it proceeds via a bimolecular mechanism, which means both the reacting species are involved in the rate determining step. What distinguishes SN2 from the other major type of nucleophilic substitution, the SN1 reaction, is that the displacement of the leaving group, which is the rate determining step, is separate from the nucleophilic attack in SN1. The SN2 reaction can be considered as an organic chemistry analogue of the associative substitution from the field of inorganic chemistry.
Механизм реакции
Реакция чаще всего происходит в алифатическом sp3-гибридизированном углеродном центре с присоединенной к нему электроотрицательной, стабильной уходящей группой, которая часто является галогеном (обычно обозначается X). Образование связи C–Nu, вследствие атаки нуклеофила (обозначаемого Nu), происходит согласованно с разрывом связи C–X. Реакция протекает через переходное состояние, в котором реакционный центр является пентакоординатным и приблизительно sp2-гибридизированным. Реакцию SN2 можно рассматривать как взаимодействие HOMO–LUMO между нуклеофилом и субстратом. Реакция происходит только тогда, когда занятая неподеленная электронная пара орбитали нуклеофила донирует электроны в незаполненную σ* антисвязывающую орбиталь между центральным углеродом и уходящей группой. В ходе реакции в реакционном центре формируется p-орбиталь в результате перехода от молекулярных орбиталей реагентов к молекулярным орбиталям продуктов. Для достижения оптимального перекрытия орбиталей нуклеофил атакует под углом 180° относительно уходящей группы, в результате чего уходящая группа отталкивается с противоположной стороны, и продукт образуется с инверсией тетраэдрической геометрии вокруг центрального атома. Например, синтез макроцидина А, грибкового метаболита, включает внутримолекулярную стадию замыкания кольца посредством реакции SN2 с феноксидной группой в качестве нуклеофила и галогенидом в качестве уходящей группы, образуя эфир. Реакции такого типа, в которых алкоксид выступает в роли нуклеофила, известны как синтез эфиров Уильямсона. Если субстрат, участвующий в реакции SN2, содержит хиральный центр, то может произойти инверсия конфигурации (стереохимии и оптической активности); это называется инверсией Уолдена. Например, 1-бром-1-фторэтан может подвергаться нуклеофильной атаке с образованием 1-фторэтанола, где нуклеофилом является группа HO−. В этом случае, если реагент является леворотаторным, то продукт будет декстроротаторным, и наоборот.
Подложка
Субстрат играет наиболее важную роль в определении скорости реакции. Для того чтобы реакция SN2 протекала быстрее, нуклеофил должен легко достигать сигма-антисвязывающей орбитали между центральным атомом углерода и уходящей группой. Реакция SN2 протекает быстрее с субстратами, которые более доступны по стерическим причинам у центрального атома углерода, то есть с субстратами, имеющими меньше объемных заместителей вблизи него. Метильные и первичные субстраты реагируют быстрее всего, затем вторичные субстраты. Третичные субстраты не реагируют по механизму SN2, поскольку значительные стерические затруднения между нуклеофилом и близлежащими группами субстрата приводят к тому, что реакция SN1 протекает первой. Субстраты с примыкающими π-системами C=C могут способствовать как реакциям SN1, так и SN2. В SN1 аллильные и бензильные карбокатионы стабилизируются за счет делокализации положительного заряда. Однако в SN2 конъюгация между реакционным центром и соседней π-системой стабилизирует переходное состояние. Поскольку они дестабилизируют положительный заряд в карбокатионном интермедиате, электроноакцепторные группы благоприятствуют реакции SN2. Электронодонорные группы благоприятствуют отщеплению уходящей группы и с большей вероятностью реагируют по механизму SN1. Полярные апротонные растворители, такие как тетрагидрофуран, являются лучшими растворителями для этой реакции, чем полярные протонные растворители, поскольку полярные протонные растворители образуют водородные связи с нуклеофилом, затрудняя его атаку на атом углерода с уходящей группой. Полярный апротонный растворитель с низкой диэлектрической проницаемостью или затрудненным дипольным моментом будет способствовать SN2-механизму нуклеофильного замещения. 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, характерные для полярных протонных растворителей, приводят к образованию более слабого нуклеофила. В отличие от этого, полярные апротонные растворители могут лишь слабо взаимодействовать с нуклеофилом и, следовательно, в меньшей степени способны снижать его силу.
Кинетика реакции
Скорость реакции SN2 является реакцией второго порядка, поскольку стадия, определяющая скорость, зависит от концентрации нуклеофила, [Nu−], а также от концентрации субстрата, [RX]. При этом, за исключением редких (но предсказуемых) случаев, первичные и вторичные субстраты реагируют исключительно по механизму SN2, в то время как третичные субстраты – по механизму SN1. Существует два фактора, которые затрудняют определение механизма реакций нуклеофильного замещения у вторичных углеродов: многие исследуемые реакции являются реакциями сольволиза, в которых молекула растворителя (часто спирт) выступает в роли нуклеофила. Хотя механистически эта реакция является реакцией второго порядка, кинетически она представляет собой реакцию первого порядка, поскольку концентрация нуклеофила – молекулы растворителя – практически постоянна в ходе реакции. Такой тип реакции часто называют реакцией псевдопервого порядка. В реакциях, где уходящая группа также является хорошим нуклеофилом (например, бромид), она может вступать в реакцию SN2 с молекулой субстрата. Если субстрат является хиральным, это приводит к инверсии конфигурации субстрата перед сольволизом, что дает рацемический продукт – продукт, который можно было бы ожидать от механизма SN1. В случае бромидной уходящей группы в спиртосодержащем растворителе, Cowdrey и соавторы показали, что константа скорости SN2 для бромида может быть в 100–250 раз выше, чем константа скорости для этанола. Таким образом, после всего лишь нескольких процентов сольволиза энантиоспецифического субстрата он становится рацемическим. Примеры в учебниках, демонстрирующие протекание реакций по механизму SN1 для вторичных субстратов, неизменно включают использование бромида (или другого хорошего нуклеофила) в качестве уходящей группы, что на протяжении 80 лет приводило к путанице в понимании реакций алкильного нуклеофильного замещения у вторичных углеродов[3]. Работы с системой 2-адамантила (для которой SN2 невозможна) Шлейером и его коллегами, использование азида (отличного нуклеофила, но очень плохой уходящей группы) Вайнером и Сненом, разработка сульфонатных уходящих групп (не нуклеофильных, но хороших уходящих групп) и демонстрация существенных экспериментальных проблем в первоначальном утверждении о механизме SN1 в сольволизе оптически активного 2-бромооктана Хьюзом и др. [3] убедительно доказали, что вторичные субстраты реагируют исключительно (за исключением необычных, но предсказуемых случаев) по механизму SN2.
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.
Конкуренция E2
Общая побочная реакция, протекающая при реакциях SN2, — это элиминирование E2: входящий анион может выступать в качестве основания, а не нуклеофила, отрывая протон и приводя к образованию алкена. Этот путь предпочтителен для стерически затрудненных нуклеофилов. Реакции элиминирования обычно протекают легче при повышенных температурах из-за увеличения энтропии. Этот эффект можно продемонстрировать в реакции газовой фазы между фенолятом и простым алкилбромидом, происходящей внутри масс-спектрометра: с этилбромидом продуктом реакции преимущественно является продукт замещения. По мере увеличения стерических затруднений вокруг электрофильного центра, как в случае с изобутилбромидом, замещение становится менее выгодным, и элиминирование является преобладающей реакцией. Другим фактором, способствующим элиминированию, является основность основания. С менее основным бензоатным субстратом изопропилбромид реагирует с образованием продукта замещения в 55% случаев. В целом, реакции в газовой фазе и в растворе этого типа демонстрируют одинаковые закономерности, хотя в первом случае влияние растворителя исключено.
With ethyl bromide, the reaction product is predominantly the substitution product. As steric hindrance around the electrophilic center increases, as with isobutyl bromide, substitution is disfavored and elimination is the predominant reaction. Other factors favoring elimination are the strength of the base. With the less basic benzoate substrate, isopropyl bromide reacts with 55% substitution. In general, gas phase reactions and solution phase reactions of this type follow the same trends, even though in the first, solvent effects are eliminated.
Механизм круглого хода
Развитие, привлекшее внимание в 2008 году, связано с механизмом SN2, наблюдаемым в реакции в газовой фазе между ионами хлорида и метилиодидом с использованием специальной методики, называемой методом перекрестных молекулярных пучков с визуализацией. Когда ионы хлорида обладают достаточной скоростью, первоначальное столкновение с молекулой метилиодида вызывает однократное вращение последней вокруг своей оси перед началом собственно механизма SN2-замещения.