6.10
في تفاعل SN2، يحدث الهجوم النيوكليوفيلي على الركيزة ومغادرة المجموعة المغادرة في وقت واحد من خلال حالة انتقالية. عندما يقترب النيوكليوفيل من الركيزة م…
تذكر أن تفاعلS N2 يتبع آلية منسقة ، حيث يحدث الهجوم النووي ورحيل المجموعة المغادرة في وقت واحد.
تمنع كثافة الإلكترون العالية حول المجموعة المغادرة الجانب الأمامي من الركيزة ، مما يجبر المحبة للنواة على بدء هجوم مؤخري.
نظرا لأن HOMO الخاص بالنوكليوفيل يتداخل بشكل فعال مع LUMO للمحبة للكهرباء ، تبدأ رابطة جديدة في التكون ، وفي نفس الوقت ، تضعف الرابطة بين المحبة للكهرباء والمجموعة المتركة.
في الوقت نفسه ، تقل الزاوية بين البدائل والمجموعة المغادرة من 109.5 درجة إلى 90 درجة ، وتتغير هندسة ذرة الكربون من رباعي السطوح - في الركيزة - إلى ثنائي الهرم الثلاثي ، في حالة الانتقال الخماسي.
ومع ذلك ، للاحتفاظ برباعي التكافؤ للكربون ، تغادر المجموعة المتبقية الحالة الانتقالية ، وتصبح هندسة الكربون رباعية السطوح مرة أخرى.
في المنتج ، تحولت البدائل الموجودة على الكربون من الداخل إلى الخارج ، مما أدى إلى ارتباعي السطوح المقلوب - على غرار المظلة التي تنقلب في الرياح القوية. أيضا ، يتم وضع النواة مقابل الموضع الأصلي للمجموعة المغادرة.
في الركيزة الخشنة ، بسبب مستوى التماثل ، يكون تكوين المنتج المقلوب مطابقا لتكوين المادة المتفاعلة ، وبالتالي ، لا يلاحظ انعكاس واضح.
على العكس من ذلك ، فإن الركيزة اللولبية مثل (R) -2-bromobutane - مع كربون ألفا غير المتماثل - تخضع لانعكاس واضح في التكوين ، يعرف أيضا باسم انعكاس والدن ، لإعطاء (S) -2-بوتانول مع مركز تجسيمي كربوني معكوس.
وبالمثل ، يخضع (S) -2-chloropentane لتفاعل SN2 لتكوين (R) -2-pentanol.
في الجزيء الدوري ، تعطي الركيزة العابرة منتجا لرابطة الدول المستقلة ، بينما تولد ركيزة رابطة الدول المستقلة منتجا عابر.
وبالتالي ، فإن تفاعلات SN2 محددة بشكل نمطي حيث تعتمد النتيجة الكيميائية التجسيمية للمنتج على تكوين الركيزة.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: Why does the nucleophile attack from the back side in an SN2 reaction?
In SN2 reactions, high electron density around the leaving group blocks the front side of the substrate, forcing the nucleophile to approach from the back side. This backside attack occurs simultaneously with leaving group departure through a concerted mechanism, allowing effective orbital overlap between the nucleophile's HOMO and the electrophile's LUMO to form the new bond.
Q2: What happens to the carbon geometry during an SN2 reaction?
The carbon atom undergoes a dramatic geometric change during the SN2 reaction. It transitions from tetrahedral geometry in the substrate to trigonal bipyramidal in the pentacoordinate transition state, then returns to tetrahedral in the product. This geometry inversion causes the substituents to flip inside out, similar to an umbrella turning in strong wind.
Q3: How does SN2 stereochemistry differ between chiral and achiral substrates?
In achiral substrates, the plane of symmetry means configuration inversion is not evident. However, chiral substrates like (R)-2-bromobutane undergo apparent inversion, called Walden inversion, producing (S)-2-butanol with reversed stereochemistry. This stereospecific outcome depends entirely on the substrate's initial configuration and structure.
Q4: What is Walden inversion in SN2 reactions?
Walden inversion is the reversal of stereochemical configuration that occurs when a chiral substrate undergoes an SN2 reaction. For example, (R)-2-bromobutane converts to (S)-2-butanol, and (S)-2-chloropentane forms (R)-2-pentanol. This inversion results from the backside nucleophilic attack and the geometric rearrangement of the carbon center.
Q5: How does SN2 stereochemistry work in cyclic molecules?
In cyclic substrates, SN2 reactions produce predictable stereochemical inversions. A trans-configured cyclic substrate yields a cis product, while a cis substrate generates a trans product. This stereochemical outcome reflects the backside attack mechanism and the inversion of configuration at the reaction center.
Q6: Why are SN2 reactions considered stereospecific?
SN2 reactions are stereospecific because the product's stereochemical outcome is entirely determined by the substrate's configuration. The concerted backside attack mechanism ensures predictable inversion of configuration in chiral substrates and consistent geometric changes in cyclic molecules, making the stereochemical result reproducible and predictable.
Q7: What role does orbital overlap play in SN2 stereochemistry?
Effective orbital overlap between the nucleophile's HOMO and the electrophile's LUMO is essential for SN2 bond formation. This overlap occurs during backside attack and drives the concerted mechanism, ensuring the nucleophile approaches from the rear and the leaving group departs from the front, resulting in configuration inversion.