SN2: bimolekulaarne nukleofiilne asendamine – määratlus orgaanilises keemias

Reaktsioon toimub kõige sagedamini alifaatilise sp³ süsiniku keskuse juures, mille külge on seotud elektronegatiivne, stabiilne lahkuv rühm - "X" - sageli halogeniidi aatom. C-X sideme purunemine ja uue C-Nu sideme moodustumine toimuvad samaaegselt, moodustades ülemineku seisundi, kus nukleofiilse rünnaku all olev süsinik on pentakoordinaatne ja ligikaudu sp² hübriidne. Nukleofiil ründab süsinikku 180° nurga all lahkuva rühma suhtes, kuna see tagab parima kattuvuse nukleofiili üksiku paari ja C-X σ*-vastase sideme orbitaali vahel. Seejärel lükatakse lahkuv rühm vastasküljelt ära ja moodustub produkt.

Kui nukleofiilse rünnaku all olev substraat on kiraalne, võib see viia, kuigi mitte tingimata, stereokeemia inversioonini, mida nimetatakse Waldeni inversiooniks.

S_N 2 -reaktsiooni näitel tekib OH ⁻(nukleofiil) ja bromoetaani (elektrofiil) ründamisel etanool, kusjuures bromiid eraldub lahkuva rühmana:

S_N 2 reaktsioon toimub, kui tagumine ründemarsruut ei ole molekuli teiste aatomite poolt blokeeritud (substitutsioonide poolt substraadil steriilselt takistatud). Seega toimub see mehhanism tavaliselt takistusteta primaarse süsiniku keskuse juures. Kui substraat on steriilselt piiratud lahkuvas rühmas, näiteks tertsiaarses süsiniku keskmes, kasutatakse substitutsioonis pigem S_N 1 kui S_N 2 mehhanismi (S_N 1 oleks tõenäolisem ka blokeeritud molekulide puhul, sest võib tekkida piisavalt stabiilne karbokatsioonide vaheühend).

Koordineerimiskemias toimub assotsiatiivne asendamine sarnase mehhanismiga nagu S_N 2.

Reaktsiooni kiirust mõjutavad neli tegurit:

• Substraat. Substraat mängib reaktsiooni kiiruse määramisel kõige olulisemat rolli. See on tingitud sellest, et nukleofiil ründab substraadi tagaküljelt, lõhkudes seelähedase rühma sideme ja moodustades süsiniku-nukleofiili sideme. Seetõttu peab S_N 2 reaktsiooni kiiruse maksimeerimiseks olema substraadi tagakülg võimalikult takistusteta. Üldiselt tähendab see, et kõige kiiremini reageerivad metüül- ja primaarsubstraadid, millele järgnevad sekundaarsubstraadid. Tertsiaarsed substraadid ei osale S_N 2 reaktsioonis, sest nad on steriilselt takistatud.

• Nukleofiil. Sarnaselt substraadiga mõjutab steroiline takistus nukleofiili tugevust. Näiteks metoksiidi anioon on nii tugev alus kui ka nukleofiil, sest see on metüülnukleofiil ja seega väga takistusteta. Tert-butoksiid seevastu on tugev alus, kuid kehv nukleofiil, sest kolm metüülrühma takistavad selle lähenemist süsinikule. Nukleofiili tugevust mõjutavad ka laeng ja elektronegatiivsus: nukleofiilsus suureneb negatiivse laengu suurenemisel ja elektronegatiivsuse vähenemisel. Näiteks OH^- on parem nukleofiil kui vesi ja I^- on parem nukleofiil kui Br^- (polaarsetes protilistes lahustites). Polaarses aprotilises lahustis suureneb nukleofiilsus perioodilisustabelis veeru võrra ülespoole, kuna lahusti ja nukleofiili vahel puudub vesinikside. Sellisel juhul peegeldab nukleofiilsus aluselisust. I^- oleks seega nõrgem nukleofiil kui Br^- , sest see on nõrgem alus.

• Lahusti. Lahusti mõjutab reaktsiooni kiirust, sest lahustid võivad ümbritseda või mitte ümbritseda nukleofiili, takistades või mitte takistades seega selle lähenemist süsinikuaatomile. Polaarsed aprotilised lahustid, nagu tetrahüdrofuraan, on selle reaktsiooni jaoks paremad lahustid kui polaarsed protilised lahustid, sest polaarsed protilised lahustid lahustuvad, kuna lahusti vesiniksidemed seonduvad nukleofiiliga. See takistab selle ründamist süsiniku lahkumisrühmaga.

• Rühmast lahkumine. Lahkuv rühm mõjutab reaktsiooni kiirust. Mida stabiilsem on lahkuv rühm, seda tõenäolisemalt võtab see süsiniku lahkuvale rühmale kaks elektroni sideme, kui nukleofiil ründab süsinikku. Seega, mida nõrgem on lahkuv rühm kui konjugeeritud alus, seda parem on lahkuv rühm. Samamoodi, mida tugevam on selle vastav hape, seda parem on lahkuv rühm. Head lahkuva rühma näited on halogeniidid (v.a fluoriid) ja tosülaat. Kuid HO^- ja H₂ N^- ei ole head lahustuvad rühmad.

S_N 2 reaktsiooni kiirus on teise järjekorra, kuna kiirust määrava sammu kiirus sõltub nii nukleofiili kontsentratsioonist [Nu⁻ ] kui ka substraadi kontsentratsioonist [RX].

r = k[RX][Nu⁻ ]

See on peamine erinevus mehhanismide S_N 1 ja S_N 2 vahel. S_N 1 reaktsioonis ründab nukleofiil pärast kiirust piirava etapi lõppu. Kuid S_N 2 reaktsioonis sunnib nukleofiil lahkuvat rühma ära võtma piiraval etapil. Teisisõnu sõltub S_N 1 reaktsiooni kiirus ainult substraadi kontsentratsioonist, samas kui S_N 2 reaktsiooni kiirus sõltub nii substraadi kui ka nukleofiili kontsentratsioonist. Juhul, kui mõlemad mehhanismid on võimalikud (näiteks sekundaarse süsiniku keskuse juures), sõltub mehhanism lahustist, temperatuurist, nukleofiili kontsentratsioonist või lahkuva rühma kontsentratsioonist.

S_N 2 reaktsioonid on üldiselt soodsad primaarsetes alküülhalogeniidides või sekundaarsetes alküülhalogeniidides koos aprotilise lahustiga. Tertsiaarsetes alküülhalogeniidides toimuvad need steroobse takistuse tõttu väheoluliselt.

S_N 2 ja S_N 1 on kaks äärmuslikku reaktsiooni libisevas skaalas. On võimalik leida palju reaktsioone, mille mehhanismides esineb nii S_N 2 kui ka S_N 1 iseloomu. Näiteks on võimalik, et alküülhalogeniidist moodustuvad kontaktioonipaarid, milles ioonid ei ole täielikult eraldatud. Kui need substitutsiooni läbivad, on stereokeemia paljude reageerivate molekulide puhul inverteeritud (nagu S_N 2), kuid mõnedel võib esineda konfiguratsiooni säilimine. S_N 2 reaktsioonid on sagedasemad kui S_N 1 reaktsioonid.

S_N 2 reaktsioonide puhul toimub sageli kõrvalreaktsioon E2 eliminatsioon: sissetulev anioon võib toimida pigem alusena kui nukleofiilina, eemaldades prootoni ja viies alkeeni moodustumiseni. Seda efekti saab demonstreerida gaasifaasis toimuva reaktsiooni puhul sulfonaadi ja lihtsa alküülbromiidi vahel, mis toimub massispektromeetris:

Etüülbromiidi puhul on reaktsiooniprodukt valdavalt asendusprodukt. Kui elektrofiilse keskuse ümber suureneb steroiline takistus, nagu isobutüülbromiidi puhul, on substitutsioon ebasoodne ja domineerivaks reaktsiooniks on eliminatsioon. Muud eliminatsiooni soodustavad tegurid on aluse tugevus. Vähem aluselise bensoaadi substraadiga reageerib isopropüülbromiid 55%-lise asendusega. Üldiselt järgivad seda tüüpi gaasifaasi reaktsioonid ja lahusfaasi reaktsioonid samu suundumusi, kuigi esimese puhul on lahusti mõju ära langenud.

Üks 2008. aastal tähelepanu äratanud areng puudutab S_N 2 ringmehhanismi, mida täheldati gaasifaasis toimuvas reaktsioonis kloriidioonide ja metüüljodiidi vahel spetsiaalse tehnika abil, mida nimetatakse ristatud molekulaarikiirte kujutamiseks (crossed molecular beam imaging). Kui kloriidioonidel on piisav kiirus, on tekkinud jodiidiioonide energia pärast kokkupõrget oodatust palju väiksem ja teoorias on oletatud, et energia kaob metüülrühma täieliku ringkäigu tõttu ümber joodi aatomi enne tegelikku nihkumist.

• Asendusreaktsioon
• S_N 1 reaktsioon