stringtranslate.com

реакция SN2

Шаростержневое представление реакции S N 2 CH 3 SH с CH 3 I, дающей диметилсульфоний. Обратите внимание, что атакующая группа атакует с задней стороны уходящей группы

Бимолекулярное нуклеофильное замещение ( S N 2 ) — это тип механизма реакции , распространенный в органической химии . В реакции S N 2 сильный нуклеофил образует новую связь с sp 3 -гибридизованным атомом углерода посредством атаки с обратной стороны, в то время как уходящая группа отсоединяется от реакционного центра согласованным (т.е. одновременным) образом.

Название S N 2 относится к символу Хьюза-Ингольда механизма: «S N » указывает на то, что реакция представляет собой нуклеофильное замещение , а «2» — на то, что она протекает по бимолекулярному механизму, что означает, что оба реагирующих вида участвуют в стадии, определяющей скорость . Что отличает S N 2 от другого основного типа нуклеофильного замещения, реакции S N 1 , так это то, что замещение уходящей группы, которое является стадией, определяющей скорость, отделено от нуклеофильной атаки в S N 1.

Реакцию S N 2 можно рассматривать как органохимический аналог ассоциативного замещения из области неорганической химии .

Механизм реакции

Реакция чаще всего происходит в алифатическом sp 3 углеродном центре с присоединенной к нему электроотрицательной , стабильной уходящей группой, которая часто является галогеном (часто обозначается как X). Образование связи C–Nu из-за атаки нуклеофила (обозначается как Nu) происходит согласованно с разрывом связи C–X. Реакция происходит через переходное состояние , в котором реакционный центр пентакоординирован и приблизительно sp 2 -гибридизован.

Реакцию S N 2 можно рассматривать как взаимодействие HOMO–LUMO между нуклеофилом и субстратом. Реакция происходит только тогда, когда занятая неподеленная парная орбиталь нуклеофила отдает электроны на незаполненную σ*-антисвязывающую орбиталь между центральным углеродом и уходящей группой . В ходе реакции в реакционном центре образуется ap-орбиталь в результате перехода от молекулярных орбиталей реагентов к молекулярным орбиталям продуктов. [1]

Для достижения оптимального перекрытия орбиталей нуклеофил атакует под углом 180° относительно уходящей группы, в результате чего уходящая группа отталкивается от противоположной стороны и образуется продукт с инверсией тетраэдрической геометрии у центрального атома.

Например, синтез макроцидина А, грибкового метаболита , включает стадию замыкания внутримолекулярного кольца посредством реакции S N 2 с феноксидной группой в качестве нуклеофила и галогенидом в качестве уходящей группы, образуя эфир . [ 2] Такие реакции, как эта, с алкоксидом в качестве нуклеофила, известны как синтез эфира Уильямсона .

Синтез макроцидина А посредством этерификации SN2.
Синтез макроцидина А посредством S N 2 этерификации.

Если субстрат, который подвергается реакции S N 2 , имеет хиральный центр , то может произойти инверсия конфигурации ( стереохимия и оптическая активность ); это называется инверсией Вальдена . Например, 1-бром-1-фторэтан может подвергаться нуклеофильной атаке с образованием 1-фторэтан-1-ола, причем нуклеофилом является группа HO − . В этом случае, если реагент является левовращающим, то продукт будет правовращающим, и наоборот. [3]

Механизм SN2 1-бром-1-фторэтана, в котором один из атомов углерода является хиральным центром.
Механизм S N 2 1-бром-1-фторэтана, в котором один из атомов углерода является хиральным центром.

Факторы, влияющие на скорость реакции

Четыре фактора, влияющие на скорость реакции, в порядке убывания важности: [4] [5]

Субстрат

Субстрат играет самую важную роль в определении скорости реакции. Для того, чтобы реакция S N 2 протекала быстрее, нуклеофил должен легко получить доступ к сигма-антисвязывающей орбитали между центральным углеродом и уходящей группой.

S N 2 происходит быстрее с субстратами, которые стерически более доступны у центрального углерода, т. е. с теми, которые не имеют так много стерически затрудняющих заместителей поблизости. Метильные и первичные субстраты реагируют быстрее всего, за ними следуют вторичные субстраты. Третичные субстраты не реагируют по пути S N 2, так как большее стерическое препятствие между нуклеофилом и близлежащими группами субстрата приведет к тому, что реакция S N 1 произойдет первой.

Субстраты с соседними системами pi C=C могут благоприятствовать реакциям как S N 1, так и S N 2. В S N 1 аллильные и бензильные карбокатионы стабилизируются путем делокализации положительного заряда. Однако в S N 2 сопряжение между реакционным центром и соседней системой pi стабилизирует переходное состояние. Поскольку они дестабилизируют положительный заряд в промежуточном карбокатионе, электроноакцепторные группы благоприятствуют реакции S N 2. Электронодонорные группы благоприятствуют замещению уходящей группы и с большей вероятностью будут реагировать по пути S N 1. [1]

Нуклеофил

Как и субстрат, стерические препятствия влияют на силу нуклеофила. Например, метоксид -анион является как сильным основанием, так и нуклеофилом, поскольку он является метильным нуклеофилом, и, таким образом, очень свободен. трет -бутоксид , с другой стороны, является сильным основанием, но плохим нуклеофилом, поскольку его три метильные группы препятствуют его приближению к углероду. Сила нуклеофила также зависит от заряда и электроотрицательности : нуклеофильность увеличивается с увеличением отрицательного заряда и уменьшением электроотрицательности. Например, OH − является лучшим нуклеофилом, чем вода, а I − является лучшим нуклеофилом, чем Br − (в полярных протонных растворителях). В полярном апротонном растворителе нуклеофильность увеличивается вверх по столбцу периодической таблицы, поскольку между растворителем и нуклеофилом нет водородных связей; в этом случае нуклеофильность отражает основность. I − поэтому будет более слабым нуклеофилом, чем Br −, поскольку он является более слабым основанием. Вердикт - Сильный/анионный нуклеофил всегда благоприятствует способу нуклеофильного замещения S N 2.

Выход из группы

Хорошие уходящие группы на субстрате приводят к более быстрым реакциям S N 2. Хорошая уходящая группа должна быть способна стабилизировать электронную плотность , которая возникает при разрыве ее связи с углеродным центром. Эта тенденция способности уходящей группы хорошо соответствует p K a сопряженной кислоты уходящей группы (p K aH ); чем ниже ее значение p K aH , тем быстрее уходящая группа вытесняется.

Уходящие группы, которые являются нейтральными, такие как вода , спирты ( R−OH ) и амины ( R−NH2 ) , являются хорошими примерами из-за их положительного заряда при связывании с углеродным центром до нуклеофильной атаки. Галогениды ( Cl− , Br− и I− , за исключением F− ) , служат хорошими анионными уходящими группами , поскольку электроотрицательность стабилизирует дополнительную электронную плотность; исключение фторида обусловлено его прочной связью с углеродом.

Реакционную способность уходящей группы спиртов можно увеличить с помощью сульфонатов , таких как тозилат ( − OTs ), трифлат ( − OTf ) и мезилат ( − OMs ). К слабым уходящим группам относятся гидроксид ( − OH ), алкоксиды ( − OR ) и амиды ( − NR 2 ).

Реакция Финкельштейна — это одна из реакций S N 2, в которой уходящая группа может также действовать как нуклеофил. В этой реакции субстрат имеет атом галогена, обмененный с другим галогеном. Поскольку отрицательный заряд более или менее стабилизирован на обоих галогенидах, реакция происходит в равновесии.

Растворитель

Растворитель влияет на скорость реакции, поскольку растворители могут или не могут окружать нуклеофил, таким образом, препятствуя или не препятствуя его приближению к атому углерода. [6] Полярные апротонные растворители, такие как тетрагидрофуран , являются лучшими растворителями для этой реакции, чем полярные протонные растворители , поскольку полярные протонные растворители будут образовывать водородные связи с нуклеофилом, препятствуя его атаке углерода с уходящей группой. Полярный апротонный растворитель с низкой диэлектрической проницаемостью или затрудненным дипольным концом будет благоприятствовать способу S N 2 реакции нуклеофильного замещения. Примеры: диметилсульфоксид , диметилформамид , ацетон и т. д. Параллельно сольватация также оказывает значительное влияние на внутреннюю силу нуклеофила, в которой сильные взаимодействия между растворителем и нуклеофилом, обнаруженные для полярных протонных растворителей , дают более слабый нуклеофил. Напротив, полярные апротонные растворители могут лишь слабо взаимодействовать с нуклеофилом и, таким образом, в меньшей степени способны снижать силу нуклеофила. [7] [8]

Кинетика реакции

Скорость реакции S N 2 является реакцией второго порядка , поскольку скоростьопределяющая стадия зависит от концентрации нуклеофила, [Nu − ], а также от концентрации субстрата, [RX]. [1]

r = k[RX][Nu − ]

Это ключевое различие между механизмами S N 1 и S N 2. В реакции S N 1 нуклеофил атакует после того, как заканчивается стадия, ограничивающая скорость, тогда как в реакции S N 2 нуклеофил отталкивает уходящую группу на стадии ограничения. Другими словами, скорость реакции S N 1 зависит только от концентрации субстрата, тогда как скорость реакции S N 2 зависит от концентрации как субстрата, так и нуклеофила. [1]

Было показано [9] , что за исключением редких (но предсказуемых случаев) первичные и вторичные субстраты идут исключительно по механизму S N 2, тогда как третичные субстраты идут по реакции S N 1. Существуют два фактора, которые усложняют определение механизма реакций нуклеофильного замещения у вторичных атомов углерода:

  1. Многие изученные реакции являются реакциями сольволиза, где молекула растворителя (часто спирт) является нуклеофилом. Хотя по-прежнему является реакцией второго порядка с точки зрения механики, кинетически реакция является реакцией первого порядка, поскольку концентрация нуклеофила – молекулы растворителя – фактически постоянна в ходе реакции. Этот тип реакции часто называют реакцией псевдопервого порядка.
  2. В реакциях, где уходящая группа также является хорошим нуклеофилом (например, бромид), уходящая группа может выполнять реакцию S N 2 на молекуле субстрата. Если субстрат хиральный, это инвертирует конфигурацию субстрата перед сольволизом, что приводит к рацемизированному продукту — продукту, который можно было бы ожидать от механизма S N 1. В случае уходящей группы бромида в спиртовом растворителе Коудри и др. [10] показали, что бромид может иметь константу скорости S N 2 в 100-250 раз выше константы скорости для этанола. Таким образом, после всего лишь нескольких процентов сольволиза энантиоспецифического субстрата он становится рацемическим.

Примеры в учебниках вторичных субстратов, идущих по механизму S N 1, неизменно включают использование бромида (или другого хорошего нуклеофила) в качестве уходящей группы, запутали понимание реакций алкильного нуклеофильного замещения у вторичных углеродов на 80 лет [3] . Работа с 2-адамантильной системой (S N 2 невозможен) Шлейера и его коллег [11], использование азида (превосходного нуклеофила, но очень плохой уходящей группы) Вайнера и Снина [12] [13] , разработка сульфонатных уходящих групп (ненуклеофильных хороших уходящих групп) и демонстрация значительных экспериментальных проблем в первоначальном заявлении о механизме S N 1 в сольволизе оптически активного 2-бромоктана Хьюзом и др. [14] [3] убедительно продемонстрировали, что вторичные субстраты идут исключительно (за исключением необычных, но предсказуемых случаев) по механизму S N 2.

Конкурс E2

Распространенной побочной реакцией, происходящей с реакциями S N 2, является элиминирование E2 : входящий анион может действовать как основание, а не как нуклеофил, отрывая протон и приводя к образованию алкена . Этот путь благоприятен для стерически затрудненных нуклеофилов. Реакции элиминирования обычно благоприятствуют при повышенных температурах [15] из-за повышенной энтропии . Этот эффект можно продемонстрировать в газофазной реакции между фенолятом и простым алкилбромидом, происходящей внутри масс-спектрометра : [16] [17]

Конкурентный эксперимент между SN2 и E2
Конкурентный эксперимент между SN2 и E2

С этилбромидом продукт реакции преимущественно является продуктом замещения. По мере увеличения стерических препятствий вокруг электрофильного центра, как и с изобутилбромидом , замещение становится неблагоприятным, и преобладающей реакцией становится элиминирование. Другими факторами, благоприятствующими элиминированию, являются сила основания. С менее основным субстратом бензоата изопропилбромид реагирует с 55% замещением. В целом, газофазные реакции и реакции в фазе раствора этого типа следуют тем же тенденциям, хотя в первом случае устраняются эффекты растворителя .

Механизм кругового движения

Развитие, привлекшее внимание в 2008 году, касается механизма обхода S N 2 , наблюдаемого в газофазной реакции между ионами хлорида и метилйодидом с помощью специальной техники, называемой визуализацией скрещенных молекулярных пучков . Когда ионы хлорида имеют достаточную скорость, первоначальное столкновение его с молекулой метилйодида заставляет метилйодид вращаться один раз, прежде чем произойдет фактический механизм смещения S N 2. [18] [19] [20]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcd Клейден, Джонатан; Гривз, Ник; Уоррен, Стюарт (2012). Органическая химия (2-е изд.). Оксфорд: Oxford University Press. стр. 330. ISBN 978-0-19-927029-3.
  2. ^ Хассе, Роберт; Шоберт, Райнер (28 ноября 2016 г.). «Синтез биогербицидного грибкового метаболита макроцидина А». Organic Letters . 18 (24): 6352–6355. doi :10.1021/acs.orglett.6b03240 . Получено 30 декабря 2023 г. .
  3. ^ КЕРТИС, КЛИФФ. МАРГАТРОЙД, ДЖЕЙСОН. СКОТТ, ДЭЙВ (2019). Edexcel international a level учебник для студентов по химии. [Место издания не указано]: EDEXCEL Limited. ISBN 978-1-292-24472-3. OCLC  1084791738.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  4. ^ Смит, Майкл Б.; Марч, Джерри (2007), Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure (6-е изд.), Нью-Йорк: Wiley-Interscience, ISBN 978-0-471-72091-1
  5. ^ Хэмлин, Тревор А.; Сварт, Марсель; Бикельхаупт, Ф. Маттиас (2018). «Нуклеофильное замещение (SN2): зависимость от нуклеофила, уходящей группы, центрального атома, заместителей и растворителя». ChemPhysChem . 19 (11): 1315–1330. doi :10.1002/cphc.201701363. ISSN  1439-7641. PMC 6001448 . PMID  29542853. 
  6. ^ Хамлин, Тревор А.; ван Бик, Бас; Вольтерс, Ландо П.; Бикельхаупт, Ф. Маттиас (2018). «Нуклеофильное замещение в растворе: анализ деформаций активации слабых и сильных эффектов растворителя». Химия – Европейский журнал . 24 (22): 5927–5938. doi :10.1002/chem.201706075. ISSN  1521-3765. PMC 5947303. PMID 29457865  . 
  7. ^ Хансен, Томас; Рузи, Джаспер К.; Бикельхаупт, Ф. Маттиас; Хэмлин, Тревор А. (4 февраля 2022 г.). «Как сольватация влияет на конкуренцию SN 2 и E2». Журнал органической химии . 87 (3): 1805–1813. doi :10.1021/acs.joc.1c02354. PMC 8822482. PMID  34932346 . 
  8. ^ Вермеерен, Паскаль; Хансен, Томас; Янсен, Пол; Сварт, Марсель; Хэмлин, Тревор А.; Бикельхаупт, Ф. Маттиас (декабрь 2020 г.). «Единая структура для понимания нуклеофильности и протофильности в конкуренции SN 2/E2». Химия – европейский журнал . 26 (67): 15538–15548. doi :10.1002/chem.202003831. PMC 7756690. PMID 32866336  . 
  9. ^ Отсутствие участия S N 1 в сольволизе вторичных алкильных соединений, TJ Murphy, J. Chem. Educ.; 2009; 86(4) стр. 519-24; (Статья) doi: 10.1021/ed041p678
  10. ^ WA Cowdrey; ED Hughes; CK Ingold; S. Masterman; AD Scott (1937). «Связь стерической ориентации с механизмом замещения с участием атомов галогена и простых или замещенных гидроксильных групп». J. Chem. Soc. : 1252–1271. doi :10.1039/JR9370001252.
  11. ^ 2-адамантильная система, стандарт для предельного сольволиза во вторичном субстрате JL Fry, CJ Lancelot, LKM Lam, J. M Harris, RC Bingham, DJ Raber, RE Hill, P. v. R. Schleyer, J. Am. Chem. Soc.,; 1970; 92, стр. 1240-42 (статья); doi: 10.1021/ja00478a031
  12. ^ Разъяснение механизма сольволиза 2-октилсульфонатов. Стереохимические соображения; H. Weiner, RA Sneen, J. Am. Chem. Soc.,; 1965; 87 стр. 287-91; (Статья) doi: 10.1021/ja01080a026
  13. ^ Разъяснение механизма сольволиза 2-октилсульфонатов. Кинетические соображения; H. Weiner, RA Sneen, J. Am. Chem. Soc.; 1965; 87 стр. 292-96; (Статья) doi: 10.1021/ja01080a027
  14. ^ Гомогенный гидролиз и алкоголиз β-н-октилгалогенидов, ED Hughes, CK Ingold, S. Masterman, J. Chem. Soc.; 1937; стр. 1196–1201; (Статья) doi: 10.1039/JR9370001196
  15. ^ «Реакции элиминации облегчаются при нагревании — Мастер органической химии». www.masterorganicchemistry.com . Получено 13 апреля 2018 г. .
  16. ^ Газофазные исследования конкуренции между реакциями замещения и элиминирования Скотт Гронерт Отчеты о химических исследованиях ; 2003 ; 36(11) стр. 848 - 857; (Статья) doi :10.1021/ar020042n
  17. ^ Используемая техника — ионизация электрораспылением , и поскольку для ее обнаружения требуются заряженные продукты реакции, нуклеофил снабжен дополнительной сульфонатной анионной группой, нереакционноспособной и хорошо отделенной от другого аниона. Соотношение продуктов замещения и элиминирования можно измерить по интенсивности их относительных молекулярных ионов.
  18. ^ Визуализация динамики нуклеофильного замещения J. Mikosch, S. Trippel, C. Eichhorn, R. Otto, U. Lourderaj, JX Zhang, WL Hase, M. Weidemüller и R. Wester Science 11 января 2008 г. 319: 183-186 doi :10.1126/science.1150238 (в отчетах)
  19. ^ ПЕРСПЕКТИВЫ ХИМИИ: Не все так просто Джон И. Брауман (11 января 2008 г.) Science 319 (5860), 168. doi :10.1126/science.1152387
  20. ^ Сюрприз из снимков SN2 Измерения скорости ионов раскрывают дополнительный непредвиденный механизм Кармен Драль Новости химии и машиностроения 14 января 2008 г. Том 86, номер 2 стр. 9 http://pubsapp.acs.org/cen/news/86/i02/8602notw1.html, видео включено