6.8
Реакция SN2: Механизм
Кинетические исследования реакций SN2 позволяют предположить существенную особенность ее механизма: это одностадийный процесс без промежуточных продук…
Кинетические исследования реакций SN2 показывают, что в стадии, определяющей скорость, участвуют как нуклеофил, так и субстрат. Однако они не объясняют точно, как молекулы располагаются во время реакции. Чтобы получить полный механизм реакции SN2, рассмотрим следующие теории.
Во-первых, подложка содержит электроотрицательный галоген, который создает поляризованную углерод-галогенидную связь. Это приводит к тому, что электрофильный центр в углероде притягивает нуклеофил своей единственной парой электронов.
Тем не менее, наличие высокой электронной плотности вокруг галогенида эффективно блокирует фронтальную атаку. Таким образом, нуклеофил приближается к электрофилу со стороны, противоположной уходящей группе, что приводит к атаке на спину.
Когда нуклеофил отдает свою единственную пару электрофилу, уходящая группа отстраняется вместе с электронной парой, связанной с углеродом. Это приводит к переходному состоянию, в котором образование связи между нуклеофилом и субстратом и разрыв связи между субстратом и уходящей группой происходят одновременно.
Переходное состояние крайне нестабильно. Чтобы восстановить стабильность, уходящая группа отправляется вместе с электронной парой согласованным образом, что приводит к инверсии конфигурации подложки.
Молекулярная орбитальная теория также поддерживает атаку сзади. Единственная пара электронов нуклеофила занимает самую высокую молекулярную орбиталь, или HOMO. Чтобы образовать связь, HOMO должен перекрываться с самой низкой незанятой молекулярной орбиталью, или LUMO, электрофила.
Когда нуклеофил приближается к электрофилу с той же стороны, что и уходящая группа, он сталкивается с узлом, что приводит к перекрытию HOMO с связывающим и антисвязывающим LUMO. Тем не менее, связующее покрытие не образуется, так как антисвязывающее перекрытие отменяет связывающее перекрытие.
В противоположность этому, обратный подход нуклеофила эффективно перекрывает HOMO с LUMO электрофила, что приводит к образованию связи.
Таким образом, обе теории поддерживают механизм реакцииS-N2, когда нуклеофил атакует с тыльной стороны, одновременно вытесняя уходящую группу и вызывая инверсию конфигурации.
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?
The electronegative halogen in the substrate creates a polarized carbon-halide bond, with high electron density around the halide blocking frontside attack. The nucleophile approaches from the opposite side, where the carbon is electron-poor, allowing its lone pair to overlap effectively with the electrophilic carbon and form a bond.
Q2: What happens to the substrate configuration during an SN2 reaction?
The SN2 reaction causes inversion of the substrate configuration. As the nucleophile attacks from the backside and simultaneously displaces the leaving group, the carbon's stereochemistry inverts. This concerted mechanism, where bond formation and bond breakage occur simultaneously, results in the predictable stereochemical outcome.
Q3: How does molecular orbital theory explain the backside attack in SN2 reactions?
The nucleophile's highest occupied molecular orbital (HOMO) must overlap with the substrate's lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) to form a bond. Frontside approach creates a node that cancels bonding and antibonding overlap. Backside attack efficiently overlaps the HOMO with the LUMO, enabling bond formation.
Q4: What is the transition state in an SN2 reaction?
The SN2 transition state is a highly unstable intermediate where the nucleophile-carbon bond is partially formed and the substrate-leaving group bond is partially broken. The carbon temporarily has three solid bonds and two partial bonds, creating significant strain that drives the reaction forward to completion.
Q5: Why is the SN2 reaction considered a single-step mechanism?
Kinetic studies show that both the nucleophile and substrate participate in the rate-determining step with no intermediates formed. The nucleophile attacks while the leaving group simultaneously departs in a concerted manner, making it a single-step process rather than a multi-step pathway.
Q6: How does the polarized carbon-halide bond facilitate an SN2 reaction?
The electronegative halogen pulls electron density away from the carbon, creating a partial positive charge that makes the carbon electrophilic. This electrophilic center strongly attracts the nucleophile's lone pair electrons, initiating the nucleophilic attack from the backside of the molecule.
Q7: What role does the leaving group play in the SN2 mechanism?
The leaving group departs with its electron pair bonded to the carbon as the nucleophile simultaneously attacks from the backside. This concerted displacement occurs in a single step, with the leaving group's departure helping to stabilize the transition state and complete the reaction.