Sn2 механизъм: кинетика и субстрат

Да разгледаме механизма на една SN2-реакция Отляво имаме алкилхалогенид, като знаем, че този бром е малко по-електроотрицателен от този въглерод. Ето защо бромът притегля електронна плътност от този въглерод, което прави този въглерод малко по-положителен, частично положителен. Това е електрофилен център, значи тук отляво е нашият електрофил. Отдясно, знаем, че хидроксидният йон, който може да произлиза от нещо като натриев хидроксид например, има формален заряд –1 при кислорода, което го прави добър нуклеофил. Нека да го запиша. Това е нашият нуклеофил отдясно, а отляво е нашият електрофил, когото ще наричам субстрат в това видео. Значи този алкилхалогенид е нашият субстрат. Знаем от предишно видео, че нуклеофилът ще атакува електрофила, защото противоположните заряди се привличат. Отрицателният заряд се привлича от частичния положителен заряд. Несподелената двойка електрони при кислорода ще атакува този частично положителен въглерод. Същевременно двата електрона от тази връзка отиват при брома. Ще направя тук бром. Бромът има три несподелени двойки електрони, и той ще си вземе още една несподелена електронна двойка. Ще оцветя тези електрони в цикламено. Тази връзка се къса и тези два електрона отиват при брома, който получава формален заряд –1. Това е бромиден анион. И също така се образува връзка между кислорода и този въглерод, като тази връзка идва от тази несподелена електронна двойка, която тощу-що направих синя. Тези два електрона в синьо образуват тази връзка и получаваме нашия продукт, който е алкохол. SN2-механизма е паралелен механизъм, защото нуклеофилът атакува електрофила, като в същото време се отделят напускащите групи. Този механизъм има само една стъпка. Да кажем, че сме направили серия от експерименти, за да определим кинетиката на тази реакция. Спомни си от общата химия, че кинетичните уравнения се определят експериментално. Главно R е скоростта на реакцията, която е равна на скоростната константа k по концентрацията на алкилхалогенида. Определя се експериментално, това е на първа степен по концентрацията на хидроксидния йон, също на първа степен. Какво означава това? Това означава, че ако увеличим концентрацията на нашия алкилхалогенид с коефициент две, какво ще се случи със скоростта на реакцията? Скоростта на реакцията е пропорционална на концентрацията на алкилхалогенида на първа степен. Две на първа е равно на две, което означава, че общата скорост на реакцията ще се увеличи с коефициент две. Удвояването на концентрацията на алкилхалогенида, когато тази концентрацията не се променя, концентрацията на хидроксидния йон е същата, това ще удвои скоростта на реакцията. Ако запазим концентрацията на алкилхалогенида, а удвоим концентрацията на хидроксида, това също ще увеличи скоростта с коефициент две. И тази експериментално определена кинетика е логична при нашия механизъм. Ако увеличим концентрацията на нуклеофила, или ако увеличим концентрацията на електрофила, ще увеличим честотата на сблъсъци между двете, което увеличава общата скорост на реакцията. Фактът, че скоростта на реакцията е пропорционална на концентрацията и на субстрата, и на нуклеофила, се съгласува с идеята за едностъпков механизъм. Накрая да видим откъде идва това SN2. Използваме често SN2 механизъм и SN2 реакция. S идва от заместване = Substitution, ще го запиша тук... заместване, защото нуклеофилът замества напускащата група. Тук ще видим в крайните продукти, нуклеофилът е заместил напускащата група. N идва от nucleophilic = нуклеофил, защото нашият нуклеофил извършва заместването. И накрая имаме две, което отразява факта, че имаме бимолекулярен процес, т.е. скоростта зависи от концентрацията на две неща. От субстрата и нуклеофила. Това е различно от SN1, където скоростта зависеше от концентрацията само на едно нещо. Скоростта на реакцията също така зависи от структурата на алкилхалогенида, от структурата на субстрата. Отляво имаме метил халогенид, после имаме първичен алкилхалогенид. Въглеродът, свързан с брома, е директно свързан с една алкилова група. Следва вторичен алкил халогенид, въглеродът е свързан с брома и с две алкилови групи. Следва третичен алкил халогенид. Този въглерод е свързан с три алкилови групи. Метил халогенидите и първичните алкилхалогениди реагират най-бързо в SN2 реакциите. Вторичните алкилхалогениди реагират много бавно, а третичните алкилхаголениди реагират толкова бавно, че казваме, че те не участват в реакции тип SN2. И това изглежда логично, когато разгледаме механизма, защото, спомни си, нуклеофилът трябва да атакува електрофила. Нуклеофилът трябва да се приближи достатъчно до електрофилния въглерод, за да се образува връзка, а стеричното засенчване би попречило това да се случи. Един третичен алкил халогенид има тези обемисти метилови групи, които пречат нуклеофилът да го атакува. Сега да видим модела, така че да го разберем още по-ясно. Това е нашият метил халогенид, където въглеродът е свързан директно с халогена, тук е представен в жълто. Това е нашият нуклеофил, който може да е хидроксиден йон. Нуклеофилът приближава електрофила от противоположната страна на напускащата група, и можем да видим, че при метил халогенида няма стерично засенчване. При първичния алкилхалогенид, въглеродът, свързан с халогенния атом, е свързан само с една алкилова група, така че за нуклеофила все още е лесно да го атакува. При вторичния алкилхалогенид въглеродът, който е свързан с халогена, е свързан и с две метилови групи. Тук вече става по-трудно за нуклеофила да се приближи от подходяща позиция. Тези обемисти метилови групи правят по-трудно за нуклеофила да се приближи до този електрофилен въглерод. При третичния алкихалогенид има три алкилови групи. Тук има една, две, три. Тук има много повече стерично засенчване, и тук е даже по-трудно за нуклеофила да се приближи. Както видяхме във видеото, за една реакция SN2 е необходимо по-малко стерично засенчване. Да видим този алкилхалогенид, въглеродът е свързан директно към нашия халоген, той е свързан само с една алкилова група. Това е първичен алкилхалогенид, който е активен в реакции тип SN2. По-малкото стерично засенчване позволява на нуклеофила да атакува електрофила.