SN2: definicija, mehanizem in primeri dvomolekularne nukleofilne substitucije

Reakcija najpogosteje poteka na alifatskem sp³ ogljikovem središču, na katerega je vezana elektronegativna, stabilna odhajajoča skupina - "X" - pogosto halidni atom. Prekinitev vezi C-X in nastanek nove vezi C-Nu potekata sočasno, pri čemer nastane prehodno stanje, v katerem je nukleofilno napadeni ogljik pentakoordiniran in približno sp² hibridiziran. Nukleofil napade ogljik pod kotom 180° glede na izstopajočo skupino, saj to zagotavlja najboljše prekrivanje med nukleofilovim osamljenim parom in C-X σ* antivezavno orbitalo. Izstopajoča skupina se nato potisne z nasprotne strani in nastane produkt.

Če je substrat, ki ga nukleofilno napadamo, kiralen, lahko to privede, čeprav ni nujno, do inverzije stereokemije, imenovane Waldenova inverzija.

V primeru reakcije S_N 2 se pri napadu OH ⁻(nukleofil) na bromoetan (elektrofil) tvori etanol, pri čemer se bromid izloči kot izhodna skupina:

Reakcija S_N 2 poteka, če poti napada na hrbtni strani ne blokirajo drugi atomi v molekuli (sterilno ovirajo substituenti na substratu). Ta mehanizem se torej običajno pojavi na neoviranem primarnem ogljikovem središču. Če je na substratu v bližini odhajajoče skupine sterična gneča, na primer na terciarnem ogljikovem središču, bo substitucija potekala po mehanizmu S_N 1 in ne po S_N 2 (S_N 1 bi bil verjetnejši tudi pri blokiranih molekulah, ker bi se lahko tvoril dovolj stabilen karbokationski intermediar).

V koordinacijski kemiji poteka asociativna substitucija po podobnem mehanizmu kot S_N 2.

Na hitrost reakcije vplivajo štirje dejavniki:

• Substrat. Substrat ima najpomembnejšo vlogo pri določanju hitrosti reakcije. Nukleofil namreč napade substrat s hrbtne strani, s čimer pretrga vez med skupino, ki pušča ogljik, in tvori vez med ogljikom in nukleofilom. Zato mora biti hrbtna stran substrata čim manj ovirana, da bi bila hitrost reakcije S_N 2 čim večja. Na splošno to pomeni, da najhitreje reagirajo metilni in primarni substrati, sledijo pa sekundarni substrati. Terciarni substrati zaradi sterične ovire ne sodelujejo v reakcijah S_N 2 .

• Nukleofil. Tako kot substrat tudi sterična ovira vpliva na moč nukleofila. Metoksidni anion je na primer močna baza in nukleofil, ker je metilni nukleofil in je zato zelo neoviran. Tert-butoksid pa je močna baza, vendar slab nukleofil, ker ga tri metilne skupine ovirajo pri dostopu do ogljika. Na moč nukleofila vplivata tudi naboj in elektronegativnost: nukleofilnost se povečuje z večanjem negativnega naboja in zmanjševanjem elektronegativnosti. OH^- je na primer boljši nukleofil kot voda, I^- pa boljši nukleofil kot Br^- (v polarnih protinskih topilih). V polarnem aprotičnem topilu se nukleofilnost poveča za en stolpec periodnega sistema, saj med topilom in nukleofilom ni vodikove vezi. V tem primeru nukleofilnost odraža bazičnost. I^- bi bil torej šibkejši nukleofil kot Br^- , ker je šibkejša baza.

• Topilo. Topilo vpliva na hitrost reakcije, saj topilo lahko obdaja nukleofil ali ne, s čimer ovira ali ne ovira njegovega približevanja ogljikovemu atomu. Polarna aprotična topila, kot je tetrahidrofuran, so boljša topila za to reakcijo kot polarna protična topila, ker se polarna protična topila topijo z vodikovo vezjo topila na nukleofil. To mu preprečuje, da bi napadel ogljik z odhajajočo skupino.

• Odhod skupine. Odstopajoča skupina vpliva na hitrost reakcije. Stabilnejša kot je odhajajoča skupina, večja je verjetnost, da bo ob napadu nukleofila na ogljik prevzela dva elektrona iz vezi svoje odhajajoče skupine. Zato velja, da čim šibkejša je puščajoča skupina kot konjugirana baza, tem boljša je puščajoča skupina. Podobno velja, da močnejša ko je njena ustrezna kislina, boljša je odhajajoča skupina. Primeri dobrih izhodnih skupin so halogenidi (razen fluorida) in tosilat. HO^- in H₂ N^- pa nista dobri puščajoči skupini.

Hitrost reakcije S_N 2 je drugega reda, saj je stopnja, ki določa hitrost, odvisna od koncentracije nukleofila [Nu⁻ ] in koncentracije substrata [RX].

r = k[RX][Nu⁻ ]

To je ključna razlika med mehanizmoma S_N 1 in S_N 2. Pri reakciji S_N 1 nukleofil napade po končani stopnji, ki omejuje hitrost. Pri reakciji S_N 2 pa nukleofil odriva odhajajočo skupino v fazi, ki omejuje hitrost. Z drugimi besedami, hitrost reakcij S_N 1 je odvisna samo od koncentracije substrata, medtem ko je hitrost reakcije S_N 2 odvisna od koncentracije substrata in nukleofila. V primerih, ko sta možna oba mehanizma (na primer na sekundarnem ogljikovem središču), je mehanizem odvisen od topila, temperature, koncentracije nukleofila ali od puščajoče skupine.

S_N 2 reakcije so na splošno ugodnejše v primarnih alkilnih halogenidih ali sekundarnih alkilnih halogenidih z aprotičnim topilom. V terciarnih alkilhalogenidih potekajo v zanemarljivi meri zaradi steričnih ovir.

S_N 2 in S_N 1 sta dve skrajnosti na drsni lestvici reakcij. Mogoče je najti veliko reakcij, ki imajo v svojih mehanizmih značaj S_N 2 in S_N 1. Tako je na primer mogoče dobiti kontaktni ionski par, ki nastane iz alkil halida, pri katerem se ioni ne ločijo v celoti. Pri substituciji se stereokemija obrne (kot pri S_N 2) za mnoge reagirajoče molekule, nekaj pa jih lahko ohrani konfiguracijo. Reakcije S_N 2 so pogostejše kot reakcije S_N 1.

Pogosta stranska reakcija pri reakcijah S_N 2 je eliminacija E2: vhodni anion lahko deluje kot baza in ne kot nukleofil, odstrani proton in povzroči nastanek alkena. Ta učinek je razviden iz reakcije v plinski fazi med sulfonatom in enostavnim alkilbromidom, ki poteka v masnem spektrometru:

Pri etilbromidu je reakcijski produkt pretežno substitucijski produkt. Ko se sterične ovire okoli elektrofilnega centra povečajo, kot pri izobutilbromidu, substitucija ni ugodna in prevladuje reakcija eliminacije. Drugi dejavniki, ki spodbujajo eliminacijo, so moč baze. Izopropilbromid reagira z manj bazičnim benzoatnim substratom s 55-odstotno substitucijo. Na splošno reakcije v plinski fazi in reakcije v raztopini te vrste sledijo enakim trendom, čeprav pri prvi odpadejo učinki topila.

Razvoj, ki je v letu 2008 pritegnil pozornost, se nanaša na S_N 2 krožni mehanizem, opažen v reakciji med kloridnimi ioni in metil jodidom v plinski fazi s posebno tehniko, imenovano slikanje s križanim molekularnim žarkom. Kadar imajo kloridni ioni zadostno hitrost, je energija nastalih jodidnih ionov po trku veliko manjša od pričakovane, pri čemer se domneva, da se energija izgubi zaradi popolnega obrata metilne skupine okoli jodnega atoma, preden pride do dejanskega premika.

• Reakcija substitucije
• S_N 1 reakcija