Sn1 vs. Sn2-reaktioner

kernekoncepter

i denne tutorial lærer du, hvordan du eksplicit skelner mellem de forskellige aspekter af sn1 vs. sn2-reaktioner, og at identificere de faktorer, der gør hver mere tilbøjelige til at forekomme.

relaterede emner

• Sn1-reaktioner
• Sn2-reaktioner
• hvad er en nukleofil
• hvad er en elektrofil
• sterisk hindring
• kationer og anioner
• polaritet
• reaktionshastigheder & Hastighedslov

ordforråd

• aprotisk (opløsningsmiddel): et opløsningsmiddel, der ikke indeholder hydrogenatomer bundet til ilt, nitrogen eller fluor og således ikke kan hydrogenbinding. Det kan indeholde hydrogenatomer andre steder, såsom bundet til kulstof.
• Carbocation: en ion med et positivt ladet kulstof.
• forlader gruppe: atomet eller gruppen af atomer, der løsner sig fra molekylet i løbet af reaktionen.
• Protisk (opløsningsmiddel): et opløsningsmiddel, der indeholder et brint bundet til et ilt -, nitrogen-eller fluoratom, som kan tjene som kilde til H+ – atomer. Dette er et opløsningsmiddel, der har evnen til at hydrogenbinding.
• Solvation: en proces, hvor opløsningsmiddelmolekyler omgiver og interagerer med opløste opløste molekyler.
• Sterisk Hindring: ikke-bindende interaktioner mellem molekyler som følge af deres fysiske form, der påvirker måderne, hvorpå de interagerer.

Sn1 vs Sn2 Rate ligninger

tallene forbundet med Sn1 og Sn2 reaktioner kan virke kontraintuitive i starten. Hvis du tænker på antallet af trin, der er involveret i disse reaktioner, synes de baglæns. Tallene henviser dog til antallet af reaktanter, der er involveret i det hastighedsbestemmende trin, ikke til antallet af trin. Det langsomste trin i en reaktion er det, der begrænser hastigheden af den samlede reaktion, ligesom halsen på en flaske bestemmer, hvor hurtigt du kan hælde dens indhold ud.

i en Sn1-reaktion er dette langsomste trin dissociationen af elektrofilen, når den forlader gruppe forlader. Denne proces er ikke afhængig af koncentrationen af nukleofil, fordi nukleofilen kun deltager i det andet trin. Som et resultat kan vi skrive hastighedsligningen som R = k, det vil sige reaktionshastigheden er relateret af hastighedskonstanten k til koncentrationen af en reaktant, elektrofilen. En anden måde at sige dette på er, at reaktionen er “unimolekylær”, og det er derfor, vi kalder det Sn1: Substitution – nukleofil – unimolekylær.

på samme måde, fordi to reaktanter skal komme sammen i det hastighedsbestemmende (og eneste) trin i en Sn2 – reaktion, kalder vi denne type reaktion “bimolekylær” og skriver dens hastighedsligning som R = k. dette fører til navnet Sn2: Substitution – nukleofil-bimolekylær.

Sn1 vs. Sn2-elektrofiler

placeringen af den forlader gruppe på elektrofilen er måske den mest betydningsfulde, når det kommer til at skelne mellem sn1 vs. sn2-reaktioner.

Sn1: hvis den forlader gruppe er bundet til et tertiært kulstof, er det mest sandsynligt, at det gennemgår en sn1 – reaktion; hvis det er knyttet til et sekundært kulstof, mindre sandsynligt, og hvis det er knyttet til et primært kulstof, meget usandsynligt-i det væsentlige umuligt. Dette skyldes, at det første trin i en sn1-reaktion er carbocation-dannelsen, da den forlader gruppe løsner sig selv. En tertiær carbocation er relativt stabil, mens en primær carbocation er meget ustabil. Jo mere stabil den resulterende carbocation er, desto mere sandsynligt er en sn1-reaktion.

for at opsummere: tertiær > sekundær > primær

Sn2: hvis den forlader gruppe er bundet til et primært kulstof, er det mest sandsynligt, at det gennemgår en sn2 – reaktion; hvis det er knyttet til et sekundært kulstof, mindre sandsynligt, og hvis det er knyttet til et tertiært kulstof, meget usandsynligt-i det væsentlige umuligt. Dette skyldes, at nukleofilen i en sn2-reaktion “angriber” elektrofilen som den er, så der skal fysisk være plads til, at den kan gøre det. Et primært kulstof er det eneste, der er forbundet med et andet kulstof, og det har således den mindst steriske hindring; et tertiært kulstof er imidlertid forbundet med tre andre carbonatomer, og der vil således være flere andre grupper, der kommer i vejen for nukleofilen. Således, jo mere sterisk hindring, jo mindre som sn2 er at forekomme.

for at opsummere er tendensen direkte modsat den for sn1: primær > sekundær > tertiær

Sn1 vs. Sn2 nukleofiler

Sn1: i sn1-reaktioner har nukleofilen tendens til at være uladet og svagere, da den “angriber” en carbocation. Dette betyder, at det ikke vil tage meget styrke for det andet trin, det nukleofile angreb, at forekomme – elektrofilens ladning tilskynder det allerede. I en sn1-reaktion er nukleofilen ofte det opløsningsmiddel, som reaktionen forekommer i.

nogle eksempler på nukleofiler, der er fælles for sn1-reaktioner, er: CH3OH, H2O

Sn2: I sn2-reaktioner fortrænger nukleofilen den forlader gruppe, hvilket betyder, at den skal være stærk nok til at gøre det. Ofte betyder det, at nukleofilen er opladet – hvis ikke, så skal den være en stærk neutral nukleofil. Når det er sagt, skal du også være opmærksom på sterics, da en meget voluminøs nukleofil ikke vil være i stand til at foretage en sn2-reaktion.

nogle eksempler på nukleofiler, der er fælles for sn2-reaktioner, er: KOEt, NaCN
Bemærk, at disse faktisk er ladede nukleofiler, da de indeholder ionbindinger. NaCN fungerer for eksempel i en reaktion som Na+ og CN–, hvilket gør CN– den ladede nukleofil.

Sn1 vs. Sn2 opløsningsmidler

Sn1: Sn1-reaktioner har tendens til at ske i polære, protiske opløsningsmidler, fordi de kan stabilisere carbocation-ladningen bedre gennem deres stærke opløsningsevne. Dette betyder i det væsentlige, at det protiske opløsningsmiddel kan omringe ladningen og interagere med den, hvilket stabiliserer ladningen. I tilfælde af protiske opløsningsmidler har de evnen til at hydrogenbinde, men i sn1-reaktioner stabiliserer de carbokationen gennem dipolinteraktioner. Derudover kan det polære, protiske opløsningsmiddel hydrogenbinding med den forlader gruppe og således stabilisere det også.

nogle eksempler på opløsningsmidler, der er fælles for sn1-reaktioner, er: vand, alkoholer, carboksyl syrer

Sn2: Sn2-reaktioner har tendens til at forekomme i polære, aprotiske opløsningsmidler. Dette skyldes, at de er polære nok til at opløse nukleofilen og tillade reaktionen at fortsætte, men ikke har evnen til hydrogenbinding eller så stærk opløsningsevne som opløsningsmidlerne til sn1-reaktioner. Dette giver mening, da de ikke behøver at stabilisere en carbocation i sn2-reaktioner. Faktisk vil en for stærk opløsningskraft, såsom de polære, protiske opløsningsmidler, hindre sn2-reaktioner, fordi den vil solvere nukleofilen og forhindre den i at “angribe” elektrofilen.

nogle eksempler på opløsningsmidler, der er fælles for sn2-reaktioner, er: acetone, DMSO, acetonitril

Sn1 vs. Sn2 forlader grupper

Sn1 og Sn2: både sn1 og sn2 reaktioner kræver gode forlader grupper, så arten af den forlader gruppe påvirker ikke typen af reaktion meget. Imidlertid, en meget dårlig forlader gruppe kan forhindre enten reaktion forekommer overhovedet.

en god forlader gruppe er en, der er meget elektronegativ, fordi en forlader gruppe skal kunne tage elektronerne fra sin binding for at forlade. Jo mere elektronegativ en art er, jo større er dens evne til at tiltrække elektroner, især dem fra et bundet par.

nogle eksempler på gode forladelsesgrupper, der er fælles for både sn1– og sn2– reaktioner, er: Cl–, Br -, I -, H2O

Resume

således er elektrofilens struktur den nemmeste måde at bestemme i en reaktion vil fortsætte via sn1 vs. sn2. Hvis den forlader gruppe er knyttet til et primært eller tertiært kulstof, kan du i de fleste tilfælde automatisk antage henholdsvis en sn1-eller sn2-reaktion. Hvis det er fastgjort til et sekundært kulstof, er sagen lidt mere tvetydig. Du bliver muligvis nødt til at stole på andre spor for at bestemme, hvilken reaktion det vil være. I disse tilfælde skal du se på nukleofilen (uanset om den er ladet/uladet eller stærk/svag) og på opløsningsmidlet (uanset om det er protisk eller aprotisk).