SN2-reaktion: Definition og mekanisme for bimolekylær nukleofil substitution

Reaktionen finder oftest sted ved et alifatisk sp³ kulstofcenter med en elektronegativ, stabil afgangsgruppe knyttet til det - "X" - ofte et halogenidatom. Bruddet af C-X-bindingen og dannelsen af den nye C-Nu-binding sker samtidig og danner en overgangstilstand, hvor kulstoffet under nukleofilt angreb er pentakoordineret og ca. sp² hybridiseret. Nukleofilen angriber kulstoffet 180° i forhold til den udgående gruppe, da dette giver det bedste overlap mellem nukleofilens ensomme par og C-X σ* antibindingsorbitalet. Den udgående gruppe skubbes derefter væk fra den modsatte side, og produktet dannes.

Hvis substratet under nukleofilt angreb er chiralt, kan dette føre til en inversion af stereokemien, kaldet Walden-inversionen, men ikke nødvendigvis.

I et eksempel på S_N 2-reaktionen resulterer angrebet af OH ⁻(nukleofil) på en bromethan (elektrofil) i ethanol, med bromid udskudt som afgangsgruppe:

En S_N 2-reaktion finder sted, hvis angrebsvejen på bagsiden ikke er blokeret af andre atomer i molekylet (sterisk hindret af substituenter på substratet). Så denne mekanisme forekommer normalt ved et uhindret primært kulstofcenter. Hvis der er sterisk trængsel på substratet i nærheden af den udgående gruppe, f.eks. ved et tertiært kulstofcenter, vil substitutionen anvende en S _N1-mekanisme snarere end en S_N 2-mekanisme (en S_N 1-mekanisme ville også være mere sandsynlig med blokerede molekyler, fordi der kunne dannes et tilstrækkeligt stabilt carbocation-mellemled).

I koordinationskemi foregår associerende substitution efter en lignende mekanisme som S_N 2.

Fire faktorer påvirker reaktionshastigheden:

• Underlag. Substratet spiller den vigtigste rolle i bestemmelsen af reaktionshastigheden. Det skyldes, at nukleofilen angriber fra bagsiden af substratet og dermed bryder bindingen mellem kulstof og den kulstofafgivende gruppe og danner bindingen mellem kulstof og nukleofil. For at maksimere hastigheden af S_N 2-reaktionen skal bagsiden af substratet derfor være så uhindret som muligt. Samlet set betyder dette, at methyl- og primære substrater reagerer hurtigst, efterfulgt af sekundære substrater. Tertiære substrater deltager ikke i S_N 2-reaktioner på grund af sterisk hindring.

• Nukleofil. Ligesom substratet påvirker sterisk hindring nukleofilens styrke. Methoxid-anionen er f.eks. både en stærk base og nukleofil, fordi den er en methyl-nukleofil og dermed meget uhindret. Tert-butoxid er derimod en stærk base, men en dårlig nukleofil, fordi dens tre methylgrupper hindrer dens tilgang til kulstoffet. Nukleofils styrke påvirkes også af ladning og elektronegativitet: nukleofiliteten øges med stigende negativ ladning og faldende elektronegativitet. F.eks. er OH^- en bedre nukleofil end vand, og I^- er en bedre nukleofil end Br^- (i polære protiske opløsningsmidler). I et polært aprotisk opløsningsmiddel stiger nukleofiliteten en kolonne opad i det periodiske system, da der ikke er nogen hydrogenbinding mellem opløsningsmidlet og nukleofilen. I dette tilfælde afspejler nukleofiliciteten basiskheden. I^- ville derfor være en svagere nukleofil end Br^- , fordi det er en svagere base.

• Opløsningsmiddel. Opløsningsmidlet påvirker reaktionshastigheden, fordi opløsningsmidler kan omgive en nukleofil eller ej og dermed hæmme eller ikke hæmme dens tilgang til kulstofatomet. Polære aprotiske opløsningsmidler, som f.eks. tetrahydrofuran, er bedre opløsningsmidler til denne reaktion end polære protiske opløsningsmidler, fordi polære protiske opløsningsmidler opløses af opløsningsmidlets hydrogenbinding til nukleofilet. Dette forhindrer den i at angribe kulstoffet med den udgående gruppe.

• Forlader gruppen. Den afgående gruppe påvirker reaktionshastigheden. Jo mere stabil afgangsgruppen er, jo mere sandsynligt er det, at den vil tage de to elektroner fra sin kulstof-afgangsgruppe-binding med sig, når nukleofilen angriber kulstoffet. Jo svagere den afgående gruppe er som konjugeret base, jo bedre er den afgående gruppe derfor. På samme måde gælder det, at jo stærkere den tilsvarende syre er, jo bedre er den afgående gruppe. Eksempler på gode afgangsgrupper er halogenider (undtagen fluorid) og tosylat. Men HO^- og H₂ N^- er ikke gode afgangsgrupper.

Hastigheden af en S_N 2-reaktion er af anden orden, da det hastighedsbestemmende trin afhænger af nukleofilkoncentrationen [Nu⁻ ] såvel som substratkoncentrationen [RX].

r = k[RX][Nu⁻ ]

Dette er en væsentlig forskel mellem S_N 1 og S_N 2 mekanismerne. I S_N 1-reaktionen angriber nukleofilen, efter at det hastighedsbegrænsende trin er overstået. Men i en S_N 2-reaktion tvinger nukleofilen den afgående gruppe væk i det begrænsende trin. Med andre ord afhænger S_N 1-reaktionens hastighed kun af substratets koncentration, mens S_N 2-reaktionens hastighed afhænger af koncentrationen af både substratet og nukleofilen. I tilfælde, hvor begge mekanismer er mulige (f.eks. ved et sekundært kulstofcenter), afhænger mekanismen af opløsningsmiddel, temperatur, koncentrationen af nukleofil eller af den udgående gruppe.

S_N 2-reaktioner foretrækkes generelt i primære alkylhalogenider eller sekundære alkylhalogenider med et aprotisk opløsningsmiddel. De forekommer med en ubetydelig hastighed i tertiære alkylhalogenider på grund af sterisk hindring.

S_N 2 og S_N 1 er to yderpunkter på en glidende skala af reaktioner. Det er muligt at finde mange reaktioner, som har både S_N 2 og S_N 1 karakter i deres mekanismer. F.eks. er det muligt at få dannet et kontakt ionpar fra et alkylhalogenid, hvor ionerne ikke er helt adskilt. Når disse undergår substitution, vil stereokemien blive omvendt (som i S_N 2) for mange af de reagerende molekyler, men nogle få kan vise bevarelse af konfigurationen. S_N 2-reaktioner er mere almindelige end S_N 1-reaktioner.

En almindelig bivirkningsreaktion, der finder sted ved S_N 2-reaktioner, er E2-eliminering: den indkommende anion kan fungere som base i stedet for nukleofil, fjerne en proton og føre til dannelse af alken. Denne effekt kan demonstreres i gasfasereaktionen mellem en sulfonat og et simpelt alkylbromid, der finder sted i et massespektrometer:

Med ethylbromid er reaktionsproduktet overvejende et substitutionsprodukt. Når den steriske hindring omkring det elektrofiliske center øges, som med isobutylbromid, er substitution ugunstigt stillet, og eliminering er den fremherskende reaktion. Andre faktorer, der begunstiger eliminering, er basens styrke. Med det mindre basiske benzoatsubstrat reagerer isopropylbromid med 55% substitution. Generelt følger gasfasereaktioner og opløsningsfasereaktioner af denne type de samme tendenser, selv om opløsningsmiddelvirkningerne i den første er bortfaldet i den anden.

En udvikling, der tiltrak sig opmærksomhed i 2008, vedrører en S_N 2 rundkredsmekanisme, der er observeret i en gasfase-reaktion mellem kloridioner og methyljodid med en særlig teknik kaldet crossed molecular beam imaging. Når kloridionerne har tilstrækkelig hastighed, er energien af de resulterende jodidioner efter kollisionen meget lavere end forventet, og det er en teori, at der går energi tabt som følge af en fuldstændig rundkørsel af methylgruppen omkring jodatomet, før den egentlige forskydning finder sted.

• Substitutionsreaktion
• S_N 1 reaktion