Reakcja S_N2: kinetyka

Reakcja substytucji nukleofilowej halogenku alkilu może przebiegać w dwóch możliwych mechanizmach: albo w jednym etapie, w którym zerwanie i tworzenie wiązania następuje jednocześnie, albo w procesie krokowym, w tym w tworzeniu pośredniego karbokationu. Ale jak to ustalić?

Pod koniec lat trzydziestych XX wieku Sir Christopher Ingold i Edward D. Hughes badali kinetykę różnych reakcji substytucji nukleofilowej, aby wyjaśnić, który mechanizm jest faworyzowany.

Szybkość reakcji określono eksperymentalnie, mierząc początkową szybkość znikania reagenta lub pojawiania się produktu. Ponadto badano wpływ stężenia reagenta na równanie szybkości poprzez zmianę stężenia jednego reagenta przy jednoczesnym utrzymaniu drugiego na stałym poziomie.

Ingold i Hughes zaobserwowali, że szybkość reakcji pierwszorzędowych halogenków alkilowych, takich jak chlorometan z jonami wodorotlenkowymi, jest liniowo zależna od stężenia obu reagentów dla danego rozpuszczalnika i warunków temperaturowych. Podwojenie stężenia któregokolwiek z reagentów na raz podwoiło szybkość. Gdy stężenie obu reagentów zostało podwojone, szybkość wzrosła czterokrotnie, co wskazuje, że reakcja między pierwszorzędowym halogenkiem alkilu a nukleofilem przebiega zgodnie z kinetyką drugiego rzędu.

Sugeruje to, że zarówno nukleofil, jak i halogenek alkilu zderzają się w jednym kroku, tworząc produkt podczas tej reakcji substytucji, co oznacza, że molekularność tej reakcji jest dwucząsteczkowa, ponieważ dwa gatunki uczestniczą w etapie ograniczania szybkości.

Tak więc reakcje zachodzące po tym mechanizmie są klasyfikowane jako substytucyjne, nukleofilowe, 2. rzędu lub, w skrócie, jako reakcje S_N2.

Ponieważ oba reagenty wpływają na szybkość reakcji w reakcjach SN2, szybkość reakcji i wydajność można poprawić, wybierając silniejsze nukleofile i elektrofile węglowe zawierające lepsze grupy opuszczające.

Ponadto na szybkość reakcji S_N2 mają wpływ stężenia reagentów, temperatura i rozpuszczalnik.