6.7: S_N2 Reaksiyonu: Kinetik

Kinetik Çalışmalar ve Önemi

Kimyasal bir reaksiyonda, reaktantların konsantrasyonu ile reaksiyonun ilerleme hızı arasında bir ilişki vardır. Bu ilişkiyi ölçmeye yönelik çalışma, kimyasal reaksiyonun kinetiği olarak bilinir. Kinetik çalışmalar, hız belirleme adımının geçiş durumu sırasında yer alan türler hakkında bilgi sağlayan bir kimyasal reaksiyonun hız yasasını çıkarmak için kullanılır. Böylece kinetik çalışmalar bir reaksiyonun mekanizmasının ortaya çıkarılmasına yardımcı olur.

Kinetik Çalışmalar: Hız Nasıl Ölçülür?

Kimyasal bir reaksiyon, belirli bir sıcaklık, basınç ve çözücüde belirli bir hızda ilerler. Bir reaksiyonun hızı yalnızca deneysel olarak belirlenebilir. Bunu yapmak için reaktanların kaybolma hızı veya reaksiyon karışımında ürünlerin ortaya çıkma hızı ölçülür. Belirli zaman aralıklarında reaksiyon karışımından kısımlar alınır ve reaktantların veya oluşan ürünlerin konsantrasyonu açısından analiz edilir. Ayrıca sıcaklık ve çözücü koşulları aynı tutulurken reaksiyonun başlangıç ​​konsantrasyonu, reaksiyon hızı üzerindeki etkiyi gözlemlemek için değiştirilir.

Nükleofilik Ortanık Reaksiyonları ve Kinetik

1930'larda İngiliz kimyagerler Sir Christopher Ingold ve Edward D. Hughes, nükleofilik ortanık reaksiyonlarının olası mekanizmasını anlamak için çeşitli ortanık reaksiyonlarının hız kinetiğini incelediler. Bir alkil halojenürün nükleofilik ortanık reaksiyonunun iki olası mekanizmayla (tek adımlı veya iki adımlı) ilerlediğini gözlemlediler.

Klorometan ve sodyum hidroksit gibi spesifik reaksiyonlar için reaksiyon hızı, hem nükleofilin hem de alkil halojenürün konsantrasyonuna bağlıydı. Spesifik olarak, reaktantlardan herhangi birinin konsantrasyonu iki katına çıktığında reaksiyon hızının iki katına çıktığını gözlemlediler. Ayrıca her iki reaktantın konsantrasyonu iki katına çıktığında oran Tablo 1'de gösterildiği gibi dört kat arttı.

Table 1. 60 °C'de klormetan ve hidroksit iyonları arasındaki reaksiyonun hız çalışması

Böylece oran denklemi şu şekilde bulundu:

Hız ∝ [CH_3Cl][HO^−]

Bu, hızın her reaktantın konsantrasyonuna göre birinci dereceden ve genel olarak ikinci dereceden olduğunu gösterir.

S_N2 Reaksiyonları ve Kinetik

• Yukarıdaki reaksiyonun kinetiği, ortanığın gerçekleşmesi için nükleofil ve alkil halojenürün tek bir adımda çarpışarak ürünü oluşturduğunu göstermektedir.
• Bu tür reaksiyonların molekülerliğinin, hız sınırlayıcı adımda iki türün yer alması nedeniyle iki moleküllü olduğu söylenir.
• Dolayısıyla, klorometan ile sodyum hidroksit arasındaki reaksiyon bir S_N2 reaksiyonudur; burada S, Sübstitüsyon anlamına gelir, N Nükleofilik anlamına gelir ve 2, bimoleküler bir reaksiyon anlamına gelir.

Bir alkil halojenürün nükleofilik ikame reaksiyonu iki olası mekanizmada ilerleyebilir: ya bağ kırılmasının ve oluşumunun aynı anda meydana geldiği tek bir adımda ya da bir karbokatyon ara maddesinin oluşumu da dahil olmak üzere aşamalı bir süreçte. Ama bu nasıl belirlenir?

1930'ların sonlarında, Sir Christopher Ingold ve Edward D. Hughes, hangi mekanizmanın tercih edildiğini aydınlatmak için çeşitli nükleofilik ikame reaksiyonlarının kinetiğini incelediler.

Reaksiyon hızı, reaktanın ilk kaybolma hızı veya ürünün görünümü ölçülerek deneysel olarak belirlendi. Ayrıca, reaktan konsantrasyonunun hız denklemi üzerindeki etkisi, bir reaktantın konsantrasyonu değiştirilirken diğeri sabit tutularak incelenmiştir.

Ingold ve Hughes, hidroksit iyonları ile klorometan gibi birincil alkil halojenürler için reaksiyon hızının, belirli bir çözücü ve sıcaklık koşulu için her iki reaktanın konsantrasyonuna doğrusal olarak bağlı olduğunu gözlemledi. Her iki reaktantın konsantrasyonunun bir seferde iki katına çıkarılması, hızı iki katına çıkardı. Her iki reaktanın konsantrasyonu iki katına çıktığında, hız dört katına çıktı, bu da birincil alkil halojenür ile nükleofil arasındaki reaksiyonun ikinci dereceden kinetiği takip ettiğini gösterir.

Bu, hem nükleofil hem de alkil halojenürünün, bu ikame reaksiyonu sırasında ürünü oluşturmak için tek bir adımda çarpıştığını, yani bu reaksiyonun molekülerliğinin, iki türün hız sınırlayıcı adıma katılması nedeniyle bimolküler olduğunu göstermektedir.

Bu nedenle, bu mekanizmayı takip eden reaksiyonlar, İkame, Nükleofilik, 2. dereceden veya kısaca S2 reaksiyonları olarak sınıflandırılır.

Her iki reaktan da SN2 reaksiyonlarındakireaksiyon hızını etkilediğinden, daha iyi ayrılma grupları içeren daha güçlü nükleofiller ve karbon elektrofiller seçilerek reaksiyon hızı ve verimi iyileştirilebilir.

Ek olarak, bir SN2 reaksiyonununhızı, reaktanların konsantrasyonlarından, sıcaklığından ve çözücüsünden etkilenir.

• Kinetics of a Chemical Reaction - The study that measures the relationship between reactant concentration and reaction rate.
• Rate Law - A mathematical expression that provides information about the species involved during the transition state of the rate-determining step.
• Nucleophilic Substitution Reactions - A process where a nucleophile reacts with an electrophile to form a new product.
• Alkyl Halide - A compound containing a halogen atom attached to an sp3 hybridized carbon atom.
• Bimolecular Reaction - A reaction involving two molecular entities, characteristic of second-order kinetics.

• Define Organic Chemistry Kinetics - Understand the relationship between reactant concentration and reaction rate (e.g., kinetics of a chemical reaction).
• Contrast SN1 vs SN2 Rate Law - Distinguish the factors affecting SN1 and SN2 reactions and their rate laws (e.g., SN1 reactions and SN2 reactions).
• Explore Bimolecular Reactions - Study the characteristics and requirements of bimolecular reactions, including SN2 reactions (e.g., bimolecular reaction).
• Explain Nucleophilic Substitution Mechanism - Discuss the steps involved in the mechanism of nucleophilic substitution (e.g., nucleophilic substitution reactions).
• Apply Kinetics in Organic Chemistry - Understand how the knowledge of kinetics can help predict and control the rate of chemical reactions.

• What is the role of kinetics in the study of organic chemistry (incorporating organic chemistry kinetics)?
• What are the key differences between SN1 and SN2 rate laws (applying sn1 vs sn2 rate law)?
• How is SN2 reaction characterized by bimolecular reaction?

• Students - Provides a deep understanding of organic chemistry kinetics and reaction mechanisms.
• Educators - Supplies an in-depth framework to assist with teaching organic chemistry, especially related to reaction kinetics.
• Researchers - Highlights the importance of kinetics in predicting and controlling the rate of chemical reactions.
• Science Enthusiasts - Provides valuable insights into organic chemistry kinetics and the fascinating world of molecular interactions.