Reakcja S_N2: mechanizm

Badania kinetyczne reakcji SN2 pokazują, że zarówno nukleofil, jak i substrat uczestniczą w etapie określania szybkości. Nie wyjaśniają jednak dokładnie, w jaki sposób cząsteczki układają się podczas reakcji. Aby wyprowadzić pełny mechanizm reakcji S_N2, rozważ następujące teorie.

Po pierwsze, podłoże zawiera elektroujemny halogen, który tworzy spolaryzowane wiązanie węgiel-halogenek. Prowadzi to do powstania centrum elektrofilowego przy węglu przyciągającym nukleofil swoją samotną parą elektronów.

Jednak obecność dużej gęstości elektronów wokół halogenku skutecznie blokuje atak frontside. W ten sposób nukleofil zbliża się do elektrofila od strony przeciwnej do grupy opuszczającej, co prowadzi do ataku z tyłu.

Gdy nukleofil oddaje swoją samotną parę elektrofilowi, opuszczająca grupa odsuwa się z parą elektronów związaną z węglem. Powoduje to stan przejściowy, w którym tworzenie wiązania między nukleofilem a substratem oraz zerwanie wiązania między substratem a grupą opuszczającą następuje jednocześnie.

Stan przejściowy jest wysoce niestabilny. Aby odzyskać stabilność, opuszczająca grupa odchodzi wraz z parą elektronów w skoordynowany sposób, co prowadzi do odwrócenia konfiguracji substratu.

Teoria orbitali molekularnych dodatkowo wspiera atak z tyłu. Samotna para elektronów nukleofila zajmuje najwyższy orbital molekularny lub HOMO. Aby utworzyć wiązanie, HOMO musi pokrywać się z najniższym niezajętym orbitalem molekularnym lub LUMO elektrofilu.

Kiedy nukleofil zbliża się do elektrofila z tej samej strony, co grupa opuszczająca, staje twarzą w stronę węzła, co powoduje, że HOMO nakłada się na wiążące i antywiążące LUMO. Jednak nie tworzy się żadne wiązanie, ponieważ nakładanie się antywiążące anuluje nakładanie się wiązania.

W przeciwieństwie do tego, podejście tylne nukleofila skutecznie nakłada się na HOMO z LUMO elektrofilu, co prowadzi do powstania wiązania.

Tak więc obie teorie wspierają mechanizm reakcji SN2, w którym nukleofil atakuje od tyłu, jednocześnie przemieszczając grupę opuszczającą i powodując odwrócenie konfiguracji.