Реакция SN2: механизм и стереохимия

9 заданий

Одна стадия

В бимолекулярном замещении (\(S_N2\)) нуклеофил атакует атом углерода, а уходящая группа отщепляется в той же стадии.

Механизм SN2: гидроксид-ион атакует с тыла, бромид-ион уходит, конфигурация обращается

Энергетические профили: SN2 — одна стадия, SN1 — две стадии через карбокатион

В переходном состоянии связь с нуклеофилом наполовину образована, связь с галогеном наполовину разорвана, а три остальных заместителя лежат в одной плоскости с атомом углерода. Нуклеофил, атом углерода и уходящая группа находятся на одной прямой.

Поскольку в единственной стадии участвуют обе частицы, скорость зависит от обеих концентраций: \(v = k[\ce{RX}][\ce{Nu}]\) — кинетика второго порядка. Отсюда название: S — замещение, N — нуклеофильное, 2 — две частицы в медленной стадии.

edit_noteРазбор задачи: скорость при изменении концентраций

Концентрацию бромэтана увеличили в 4 раза, а концентрацию нуклеофила уменьшили вдвое. Как изменится скорость реакции \(S_N2\)? \(v = k[\ce{RX}][\ce{Nu}]\), поэтому множитель \(4 \cdot 0{,}5 = 2\): скорость вырастет в 2 раза.

boltОдин шаг, два участника

\(S_N2\) — одна стадия и две частицы в ней: скорость пропорциональна обеим концентрациям, промежуточных частиц и перегруппировок нет.

history_eduКинетика отличила механизмы

Кристофер Ингольд и Эдуард Хьюз в 1930-х годах разделили нуклеофильное замещение на два механизма по кинетике: у одних реакций скорость зависела от концентрации нуклеофила, у других — нет. Обозначения \(S_N1\) и \(S_N2\) предложили они.

Обращение конфигурации

(R)-2-Бромбутан при действии щёлочи даёт (S)-бутан-2-ол. Нуклеофил подходит с тыла, и три остальных заместителя выворачиваются, как зонт на ветру: конфигурация обращается (обращение Вальдена).

(S)-бутан-2-ол: NaOH, вода — Инверсия конфигурации при SN2

Почему атака идёт с тыла? Нуклеофил отдаёт пару электронов на свободную разрыхляющую орбиталь связи C–X, а её большая доля направлена именно с тыльной стороны. Кроме того, с тыла нуклеофилу не мешает отталкивание от электронов уходящей группы.

Обращается геометрия; обозначение R или S изменяется, только если старшинство заместителей сохранилось. Поэтому после замещения старшинство всегда пересчитывают.

edit_noteРазбор задачи: иодид против иодида

Если оптически активный 2-иодбутан выдерживать с иодид-ионом, он рацемизуется: каждое замещение иодида иодидом обращает конфигурацию. Хьюз в 1935 году с радиоактивным иодом показал, что рацемизация идёт ровно вдвое быстрее изотопного обмена: каждый акт обмена превращает молекулу в её энантиомер. Это прямое доказательство обращения при каждом акте \(S_N2\).

boltКак записать продукт SN2

Поставьте нуклеофил на место уходящей группы, но с противоположной стороны (клин заменяется штрихом); остальные три связи оставьте; пересчитайте R или S по новому старшинству.

history_eduВальден и загадка обращения

Пауль Вальден в 1896 году превратил (−)-яблочную кислоту в хлорянтарную, а затем снова в яблочную, но уже (+): на одной из стадий молекула обратилась. Какая именно стадия шла с обращением, выяснил Ингольд, сопоставив кинетику и стереохимию: бимолекулярное замещение всегда обращает конфигурацию.

Нуклеофилы в синтезе

Реакция \(S_N2\) — один из главных способов ввести функциональную группу.

\(\ce{CH3-CH2-Br + NaN3 ->[\text{ДМФА}] CH3-CH2-N3 + NaBr}\) — азид; его восстанавливают в первичный амин без побочных вторичных аминов.
\(\ce{R-Br + KCN -> R-CN + KBr}\) — нитрил: цепь удлиняется на один атом.
\(\ce{R-Br + NaSH -> R-SH + NaBr}\) — тиол.
\(\ce{CH3-CH2-Br + (CH3)3N -> [(CH3)3N-CH2-CH3]+Br-}\) — реакция Меншуткина: нейтральный нуклеофил даёт четвертичную аммониевую соль.

С аммиаком замещение идёт многократно: образовавшийся первичный амин сам является нуклеофилом и реагирует дальше. Поэтому первичные амины получают через азиды или берут большой избыток аммиака.

edit_noteРазбор задачи: бутан-1-амин без примесей

Как получить бутан-1-амин из 1-бромбутана без смеси вторичного и третичного аминов? 1-Бромбутан с азидом натрия в ДМФА даёт 1-азидобутан \(\ce{C4H9-N3}\) (\(S_N2\)). Азидная группа не является нуклеофилом, повторного алкилирования нет. Восстановление азида (водородом на палладии или \(\ce{LiAlH4}\)) даёт чистый первичный амин.

boltНейтральный или заряженный нуклеофил

Анион-нуклеофил (\(\ce{OH-}\), \(\ce{CN-}\), \(\ce{N3-}\)) даёт нейтральный продукт и соль. Нейтральный нуклеофил (\(\ce{NH3}\), амины, \(\ce{H2O}\)) даёт сначала катион, который затем отдаёт протон или остаётся солью.

history_eduМеншуткин

Николай Меншуткин в 1890 году изучал, как растворитель влияет на скорость реакции третичных аминов с галогеналканами. Он первым показал, что растворитель может ускорить реакцию в сотни раз, — задолго до появления теории переходного состояния.

push_pinГлавное

В реакции \(S_N2\) нуклеофил атакует атом углерода с тыла, со стороны, противоположной уходящей группе; связь с нуклеофилом образуется одновременно с разрывом связи C–X, промежуточной частицы нет. Скорость пропорциональна концентрациям субстрата и нуклеофила: \(v = k[\ce{RX}][\ce{Nu}]\). Три заместителя выворачиваются, и конфигурация обращается (обращение Вальдена).

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.