Sn1 vs. Sn2 reakciók

alapfogalmak

ebben az oktatóanyagban megtudhatja, hogyan lehet kifejezetten megkülönböztetni az sn1 vs.sn2 reakciók különböző aspektusait, és azonosítani azokat a tényezőket, amelyek mindegyik nagyobb valószínűséggel fordul elő.

kapcsolódó témák

• Sn1 reakciók
• Sn2 reakciók
• mi a nukleofil
• mi az elektrofil
• Szterikus akadály
• kationok és anionok
• polaritás
• Reakciósebességek & Sebességtörvény

szókincs

• aprotikus (oldószer): olyan oldószer, amely nem tartalmaz oxigénhez, nitrogénhez vagy fluor-hoz kötött hidrogénatomokat, és így nem képes hidrogénkötésre. Máshol hidrogénatomokat tartalmazhat, például szénhez kötve.
• Karbokáció: pozitív töltésű szénnel rendelkező ion.
• kilépő csoport: az atom vagy atomcsoport, amely a reakció során leválik a molekuláról.
• Protikus (oldószer): olyan oldószer, amely oxigén -, nitrogén-vagy fluor-atomhoz kötött hidrogént tartalmaz, amely H+ atomok forrásaként szolgálhat. Ez egy oldószer, amely képes hidrogénkötésre.
• Szolvatálás: olyan folyamat, amelyben az oldószermolekulák körülveszik és kölcsönhatásba lépnek az oldott oldott anyagmolekulákkal.
• Szterikus Akadály: a molekulák közötti, fizikai alakjukból eredő nem kötő kölcsönhatások, amelyek befolyásolják a kölcsönhatás módját.

Sn1 vs.Sn2 Arányegyenletek

az Sn1 és Sn2 reakciókhoz kapcsolódó számok először ellentmondásosnak tűnhetnek. Ha belegondolunk, hogy hány lépés van ezekben a reakciókban, hátrafelé tűnnek. A számok azonban a sebességmeghatározó lépésben részt vevő reagensek számára vonatkoznak, nem pedig a lépések számára. A reakció leglassabb lépése az, amely korlátozza a teljes reakció sebességét, csakúgy, mint egy üveg nyaka határozza meg, hogy milyen gyorsan öntheti ki a tartalmát.

Sn1 reakcióban ez a leglassabb lépés az elektrofil disszociációja, amikor a távozó csoport távozik. Ez a folyamat nem függ a nukleofil koncentrációjától, mivel a nukleofil csak a második lépésben vesz részt. Ennek eredményeként a sebességegyenletet r = k-ként írhatjuk, vagyis a reakció sebességét a K sebességállandó egy reagens, az elektrofil koncentrációjához kapcsolja. Ennek egy másik módja az, hogy a reakció “unimolekuláris”, ezért hívjuk Sn1 – nek: szubsztitúció – nukleofil-unimolekuláris.

hasonlóképpen, mivel két reagensnek össze kell jönnie az Sn2 reakció sebességmeghatározó (és csak) lépésében, ezt a reakciótípust “bimolekulárisnak” nevezzük, és a sebességegyenletet R = k – ként írjuk le. ez az Sn2 névhez vezet: szubsztitúció – nukleofil-bimolekuláris.

Sn1 vs. Sn2 elektrofilek

a távozó csoport helyzete az elektrofilen talán a legjelentősebb az sn1 vs. sn2 reakciók megkülönböztetésében.

Sn1: ha a távozó csoport harmadlagos szénhez kapcsolódik, akkor nagy valószínűséggel sn1 reakción megy keresztül; ha másodlagos szénhez kapcsolódik, kevésbé valószínű, és ha primer szénhez kapcsolódik, nagyon valószínűtlen – lényegében lehetetlen. Az sn1 reakció első lépése ugyanis a karbokáció kialakulása,mivel a távozó csoport leválik. A harmadlagos karbokáció viszonylag stabil, míg az elsődleges karbokáció nagyon instabil. Így minél stabilabb a kapott karbokáció, annál valószínűbb az sn1 reakció.

összefoglalva: tercier > másodlagos > elsődleges

Sn2: ha a távozó csoport egy primer szénhez kapcsolódik, akkor valószínűleg sn2 reakción megy keresztül; ha másodlagos szénhez kapcsolódik, kevésbé valószínű, és ha tercier szénhez kapcsolódik, nagyon valószínűtlen – lényegében lehetetlen. Ennek oka az, hogy egy sn2 reakcióban a nukleofil “megtámadja” az elektrofilt úgy, ahogy van, ezért fizikailag helynek kell lennie ehhez. Az elsődleges szén az egyetlen, amely egy másik szénhez kapcsolódik, így a legkevésbé szterikus akadálya van; a tercier szén azonban három másik szénatomhoz kapcsolódik, így több más csoport is útban lesz a nukleofilnek. Így minél nagyobb a szterikus akadály, annál kevésbé hasonlít az sn2-re.

összefoglalva, a tendencia közvetlenül ellentétes az sn1 tendenciájával: elsődleges > másodlagos > harmadlagos

Sn1 vs. Sn2 nukleofilek

Sn1: sn1 reakciókban a nukleofil általában töltetlen és gyengébb, mivel” megtámad ” egy karbokációt. Ez azt jelenti, hogy a második lépés, a nukleofil támadás bekövetkezéséhez nem lesz sok erő – az elektrofil töltése már ösztönzi. Gyakran egy sn1 reakcióban a nukleofil az oldószer, amelyben a reakció bekövetkezik.

néhány példa az sn1 reakciókra jellemző nukleofilekre: CH3OH, H2O

Sn2: Ban ben sn2 reakciók, a nukleofil kiszorítja a távozó csoportot, vagyis elég erősnek kell lennie ehhez. Gyakran ez azt jelenti, hogy a nukleofil töltődik – ha nem, akkor erős semleges nukleofilnek kell lennie. Ennek ellenére figyeljen a szterikusokra is, mivel egy nagyon terjedelmes nukleofil nem lesz képes sn2 reakciót végrehajtani.

néhány példa az sn2 reakciókra jellemző nukleofilekre: KOEt, NaCN
vegye figyelembe, hogy ezek valójában töltött nukleofilek, mivel ionos kötéseket tartalmaznak. A NaCN például egy reakcióban Na+ – ként és CN-ként viselkedik, így a CN– a töltött nukleofil.

Sn1 vs.Sn2 oldószerek

Sn1: az Sn1 reakciók általában poláris, protikus oldószerekben fordulnak elő, mert erős szolvatáló erejükkel jobban stabilizálhatják a karbokációs töltést. Ez lényegében azt jelenti, hogy a protikus oldószer körülveszi a töltést és kölcsönhatásba léphet vele, ami stabilizálja a töltést. A protikus oldószerek esetében képesek hidrogénkötésre, de sn1 reakciókban dipól kölcsönhatások révén stabilizálják a karbokációt. Ezenkívül a poláris, protikus oldószer hidrogénkötést képes kötni a távozó csoporttal, ezáltal stabilizálva azt is.

néhány példa az sn1 reakciókra jellemző oldószerekre: víz, alkoholok, karbonsavak

Sn2: az Sn2 reakciók általában poláris, aprotikus oldószerekben fordulnak elő. Ez azért van, mert elég polárisak ahhoz, hogy feloldják a nukleofilt, és lehetővé tegyék a reakció folytatását, de nem képesek hidrogénkötésre vagy olyan erős szolvatáló erővel, mint az SN1 reakciók oldószerei. Ennek van értelme, mivel nem kell stabilizálniuk a karbokációt az sn2 reakciókban. Valójában a túl erős szolvatáló erő, mint például a poláris, protikus oldószerek, gátolják az sn2 reakciókat, mert szolvatálják a nukleofilt, és megakadályozzák, hogy “megtámadja” az elektrofilt.

néhány példa az sn2 reakciókra jellemző oldószerekre: aceton, DMSO (dimetil-szulfoxid), acetonitril

Sn1 vs.Sn2 kilépő csoportok

Sn1 és Sn2: mind az sn1, mind az sn2 reakciók jó távozó csoportokat igényelnek, így a távozó csoport jellege nem befolyásolja Nagyon a reakció típusát. Egy nagyon gyenge távozó csoport azonban megakadályozhatja bármelyik reakció bekövetkezését.

a jó távozó csoport az, amely erősen elektronegatív, mert a távozó csoportnak képesnek kell lennie arra, hogy az elektronokat a kötéséből elhagyja. Minél elektronegatívabb egy faj, annál nagyobb a képessége, hogy vonzza az elektronokat, különösen a kötött párokét.

néhány példa a jó távozó csoportokra, amelyek mind az sn1, mind az sn2 reakciókban közösek: Cl–, Br–, I–, H2O

Összegzés

így az elektrofil szerkezete a legegyszerűbb módja annak, hogy meghatározzuk a reakció során az sn1 vs.sn2. Ha a távozó csoport primer vagy tercier szénhez kapcsolódik, a legtöbb esetben automatikusan feltételezhet sn1 vagy sn2 reakciót. Ha másodlagos szénhez van csatlakoztatva, az eset kissé kétértelműbb. Lehet, hogy más nyomokra kell támaszkodnia annak meghatározásához, hogy melyik reakció lesz. Ezekben az esetekben nézzük meg a nukleofilt (akár töltés/töltés nélküli, akár erős/gyenge), mind az oldószert (akár protikus, akár aprotikus).