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.

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.

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.

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.