Sn1-vs. Sn2-Reaktionen

Kernkonzepte

In diesem Tutorial erfahren Sie, wie Sie explizit zwischen den verschiedenen Aspekten von sn1-vs. sn2-Reaktionen unterscheiden und die Faktoren identifizieren, die das Auftreten von sn1-vs. sn2-Reaktionen wahrscheinlicher machen.

Verwandte Themen

• Sn1-Reaktionen
• Sn2-Reaktionen
• Was ist ein Nukleophil
• Was ist ein Elektrophil
• Sterische Behinderung
• Kationen und Anionen
• Polarität
• Reaktionsraten & Ratengesetz

Gesetz

• Aprotisch (Lösungsmittel): Ein Lösungsmittel, das keine Wasserstoffatome enthält, die an Sauerstoff, Stickstoff oder Fluor gebunden sind, und daher keine Wasserstoffbindung kann. Es kann Wasserstoffatome an anderer Stelle enthalten, beispielsweise an Kohlenstoff gebunden.
• Carbokation: ein Ion mit einem positiv geladenen Kohlenstoff.
• Abgangsgruppe: das Atom oder die Gruppe von Atomen, die sich im Verlauf der Reaktion vom Molekül lösen.
• Protisch (Lösungsmittel): Ein Lösungsmittel, das einen Wasserstoff enthält, der an ein Sauerstoff-, Stickstoff- oder Fluoratom gebunden ist und als Quelle für H + -Atome dienen kann. Dies ist ein Lösungsmittel, das die Fähigkeit zur Wasserstoffbindung hat.
• Solvation: Ein Prozess, bei dem Lösungsmittelmoleküle gelöste gelöste Moleküle umgeben und mit ihnen interagieren.
• Sterische Behinderung: nicht bindende Wechselwirkungen zwischen Molekülen, die sich aus ihrer physikalischen Form ergeben und die Art und Weise beeinflussen, in der sie interagieren.

Sn1 vs. Sn2-Ratengleichungen

Die mit Sn1- und Sn2-Reaktionen verbundenen Zahlen können zunächst nicht intuitiv erscheinen. Wenn Sie über die Anzahl der Schritte nachdenken, die an diesen Reaktionen beteiligt sind, scheinen sie rückwärts zu sein. Die Zahlen beziehen sich jedoch auf die Anzahl der am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt beteiligten Reaktanten, nicht auf die Anzahl der Schritte. Der langsamste Schritt in einer Reaktion ist derjenige, der die Geschwindigkeit der Gesamtreaktion begrenzt, genau wie der Flaschenhals bestimmt, wie schnell Sie den Inhalt ausgießen können.

In einer Sn1-Reaktion ist dieser langsamste Schritt die Dissoziation des Elektrophils, wenn die Abgangsgruppe austritt. Dieser Prozess ist nicht von der Konzentration des Nukleophils abhängig, da das Nukleophil nur am zweiten Schritt teilnimmt. Als Ergebnis können wir die Geschwindigkeitsgleichung als R = k schreiben, dh die Reaktionsgeschwindigkeit hängt durch die Geschwindigkeitskonstante k mit der Konzentration EINES Reaktanten, des Elektrophils, zusammen. Eine andere Art, dies zu sagen, ist, dass die Reaktion “unimolekular” ist, und deshalb nennen wir sie Sn1: Substitution – nukleophil – unimolekular.

Da ZWEI Reaktanten im geschwindigkeitsbestimmenden (und einzigen) Schritt einer Sn2–Reaktion zusammenkommen müssen, nennen wir diese Art von Reaktion “bimolekular” und schreiben ihre Geschwindigkeitsgleichung als R = k. Dies führt zu dem Namen Sn2: Substitution – nukleophil – bimolekular.

Sn1 vs. Sn2-Elektrophile

Die Position der Abgangsgruppe auf dem Elektrophilen ist vielleicht die bedeutendste, wenn es darum geht, zwischen sn1- und sn2-Reaktionen zu unterscheiden.

Sn1: Wenn die Abgangsgruppe an einen tertiären Kohlenstoff gebunden ist, ist es am wahrscheinlichsten, dass sie eine sn1–Reaktion durchläuft; wenn an einen sekundären Kohlenstoff gebunden, weniger wahrscheinlich und wenn an einen primären Kohlenstoff gebunden, sehr unwahrscheinlich – im Wesentlichen unmöglich. Dies liegt daran, dass der erste Schritt in einer sn1-Reaktion die Carbokationsbildung ist, da sich die Abgangsgruppe ablöst. Ein tertiäres Carbokation ist relativ stabil, während ein primäres Carbokation sehr instabil ist. Je stabiler also die resultierende Carbokation ist, desto wahrscheinlicher ist eine sn1-Reaktion.

Zusammenfassend: Tertiär > sekundär > primär

Sn2: Wenn die Abgangsgruppe an einen primären Kohlenstoff gebunden ist, ist es am wahrscheinlichsten, dass sie eine sn2–Reaktion durchläuft; wenn an einen sekundären Kohlenstoff gebunden, weniger wahrscheinlich und wenn an einen tertiären Kohlenstoff gebunden, sehr unwahrscheinlich – im Wesentlichen unmöglich. Dies liegt daran, dass in einer sn2-Reaktion das Nukleophil das Elektrophile “angreift”, so dass es physisch Platz dafür geben muss. Ein primärer Kohlenstoff ist der einzige, der mit einem anderen Kohlenstoff verbunden ist, daher hat er die geringste sterische Behinderung; Ein tertiärer Kohlenstoff ist jedoch mit drei anderen Kohlenstoffen verbunden, und somit werden mehrere andere Gruppen dem Nukleophil im Wege stehen. Je mehr sterische Behinderung, desto weniger wie sn2 auftreten soll.

Zusammenfassend ist der Trend dem von sn1 direkt entgegengesetzt: Primär > sekundär > tertiär

Sn1 vs. Sn2-Nukleophile

Sn1: Bei sn1-Reaktionen neigt das Nukleophil dazu, ungeladen und schwächer zu sein, da es ein Carbokation “angreift”. Dies bedeutet, dass es nicht sehr viel Kraft braucht, bis der zweite Schritt, der nukleophile Angriff, stattfindet – die Ladung des Elektrophils fördert ihn bereits. In einer sn1-Reaktion ist das Nukleophil häufig das Lösungsmittel, in dem die Reaktion stattfindet.

Einige Beispiele für Nukleophile, die sn1-Reaktionen gemeinsam sind, sind: CH3OH, H2O

Sn2: Bei sn2-Reaktionen verdrängt das Nukleophil die Abgangsgruppe, was bedeutet, dass es stark genug sein muss, um dies zu tun. Oft bedeutet dies, dass das Nukleophil geladen ist – wenn nicht, muss es ein starkes neutrales Nukleophil sein. Achten Sie jedoch auch auf Sterika, da ein sehr sperriges Nukleophil keine sn2-Reaktion durchführen kann.

Einige Beispiele für Nukleophile, die sn2-Reaktionen gemeinsam sind, sind: KOEt, NaCN
Beachten Sie, dass es sich tatsächlich um geladene Nukleophile handelt, da sie ionische Bindungen enthalten. NaCN zum Beispiel wirkt in einer Reaktion als Na + und CN–, wodurch CN– zum geladenen Nukleophil wird.

Sn1 vs. Sn2 Lösungsmittel

Sn1: Sn1-Reaktionen finden tendenziell in polaren, protischen Lösungsmitteln statt, da sie durch ihr starkes Solvatisierungsvermögen die Carbokationsladung besser stabilisieren können. Dies bedeutet im Wesentlichen, dass das protische Lösungsmittel die Ladung umgeben und mit ihr wechselwirken kann, was die Ladung stabilisiert. Bei protischen Lösungsmitteln haben sie die Fähigkeit zur Wasserstoffbindung, bei sn1-Reaktionen stabilisieren sie jedoch die Carbokation durch Dipolwechselwirkungen. Zusätzlich kann das polare, protische Lösungsmittel eine Wasserstoffbindung mit der Abgangsgruppe eingehen und diese somit ebenfalls stabilisieren.

Einige Beispiele für Lösungsmittel, die für sn1-Reaktionen üblich sind, sind: Wasser, Alkohole, Carbonsäuren

Sn2: Sn2-Reaktionen treten tendenziell in polaren, aprotischen Lösungsmitteln auf. Dies liegt daran, dass sie polar genug sind, um das Nukleophil aufzulösen und die Reaktion fortzusetzen, aber nicht die Fähigkeit zur Wasserstoffbindung oder eine so starke Solvatisierungskraft wie die Lösungsmittel für sn1-Reaktionen haben. Dies ist sinnvoll, da sie bei sn2-Reaktionen kein Carbokat stabilisieren müssen. Tatsächlich wird eine zu starke Solvatisierungskraft, wie die polaren, protischen Lösungsmittel, sn2-Reaktionen behindern, da sie das Nukleophil solvatisiert und verhindert, dass es das Elektrophile “angreift”.

Einige Beispiele für Lösungsmittel, die für sn2-Reaktionen üblich sind, sind: Aceton, DMSO (Dimethylsulfoxid), Acetonitril

Sn1 vs. Sn2-Abgangsgruppen

Sn1 und Sn2: Sowohl sn1- als auch sn2-Reaktionen erfordern gute Abgangsgruppen, so dass die Art der Abgangsgruppe die Art der Reaktion nicht sehr stark beeinflusst. Eine sehr schlechte Abgangsgruppe kann jedoch verhindern, dass eine der beiden Reaktionen überhaupt auftritt.

Eine gute Abgangsgruppe ist eine, die stark elektronegativ ist, weil eine Abgangsgruppe in der Lage sein muss, die Elektronen aus ihrer Bindung zu nehmen, um sie zu verlassen. Je elektronegativer eine Spezies ist, desto größer ist ihre Fähigkeit, Elektronen anzuziehen, insbesondere die eines gebundenen Paares.

Einige Beispiele für gute Abgangsgruppen, die sowohl sn1- als auch sn2-Reaktionen gemeinsam sind, sind: Cl–, Br–, I-, H2O

Zusammenfassung

Somit ist die Struktur des Elektrophils der einfachste Weg, um zu bestimmen, ob eine Reaktion über sn1 vs. sn2 abläuft. Wenn die Abgangsgruppe an einen primären oder tertiären Kohlenstoff gebunden ist, kann man in den meisten Fällen automatisch von einer sn1- bzw. sn2-Reaktion ausgehen. Wenn es an einen Sekundärkohlenstoff gebunden ist, ist der Fall etwas mehrdeutiger. Möglicherweise müssen Sie sich auf andere Hinweise verlassen, um festzustellen, welche Reaktion es sein wird. Betrachten Sie in diesen Fällen das Nukleophil (ob geladen / ungeladen oder stark / schwach) und das Lösungsmittel (ob protisch oder aprotisch).