6.8
SN2 Reaksiyonu: Mekanizma
SN2 reaksiyonlarının kinetik çalışmaları, mekanizmasının temel bir özelliğini ortaya koymaktadır: ara maddeler içermeyen, tek adımlı bir işlemdir. Bur…
SN2reaksiyonlarının kinetik çalışmaları, hem nükleofilin hem de substratın hız belirleme adımına katıldığını göstermektedir. Bununla birlikte, moleküllerin reaksiyon sırasında nasıl düzenlendiğini kesin olarak açıklamazlar. Bir SN2 reaksiyonunun tam mekanizmasını türetmekiçin aşağıdaki teorileri göz önünde bulundurun.
İlk olarak, substrat, polarize bir karbon-halojenür bağı oluşturan bir elektronegatif halojen içerir. Bu, karbonda elektrofilik bir merkeze yol açar ve yalnız elektron çifti ile nükleofili çeker.
Bununla birlikte, halojenür çevresinde yüksek elektron yoğunluğunun varlığı, ön taraftaki saldırıyı etkili bir şekilde engeller. Böylece, nükleofil, elektrofile ayrılan grubun karşısındaki taraftan yaklaşır ve bu da arkadan bir saldırıya yol açar.
Nükleofil yalnız çiftini elektrofile bağışlarken, ayrılan grup karbona bağlı elektron çifti ile uzaklaşır. Bu, nükleofil ve substrat arasındaki bağ oluşumunun ve substrat ile ayrılan grup arasındaki bağ kırılmasının aynı anda meydana geldiği bir geçiş durumu ile sonuçlanır.
Geçiş durumu oldukça kararsızdır. Kararlılığı yeniden kazanmak için, ayrılan grup elektron çifti ile uyumlu bir şekilde ayrılır ve bu da substrat konfigürasyonunun tersine çevrilmesine yol açar.
Moleküler orbital teori, arka taraf saldırısını daha da destekler. Nükleofilin yalnız elektron çifti, en yüksek moleküler orbitali veya HOMO'yu kaplar. Bir bağ oluşturmak için, HOMO'nun elektrofilin en düşük boş moleküler orbitali veya LUMO ile örtüşmesi gerekir.
Bir nükleofil, ayrılan grupla aynı taraftan elektrofile yaklaştığında, bir düğümle karşı karşıya kalır, bu da HOMO'nun bağlanma ve bağlanma önleyici LUMO ile örtüşmesine neden olur. Yine de, bağlanma karşıtı örtüşme, bağlanma örtüşmesini iptal ettiği için hiçbir bağ oluşmaz.
Buna karşılık, nükleofilin arka taraf yaklaşımı, HOMO ile elektrofilin LUMO ile verimli bir şekilde örtüşür ve bu da bağ oluşumuna yol açar.
Bu nedenle, her iki teori deSn 2reaksiyon mekanizmasının, nükleofilin arkadan saldırdığı ve aynı anda ayrılan grubun yerini aldığı ve konfigürasyonun tersine çevrilmesine neden olduğu yerde uyumlu olduğunu desteklemektedir.
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.