reakcje Sn1 vs. reakcje Sn2

podstawowe pojęcia

w tym samouczku dowiesz się, jak wyraźnie odróżnić różne aspekty reakcji sn1 vs. reakcje sn2 i zidentyfikować czynniki, które sprawiają, że każde z nich jest bardziej prawdopodobne.

Tematy pokrewne

• reakcje Sn1
• reakcje Sn2
• co to jest nukleofil
• co to jest elektrofil
• przeszkoda Steryczna
• kationy i aniony
• polaryzacja
• szybkość reakcji & prawo szybkości

słownictwo

• aprotic (rozpuszczalnik): rozpuszczalnik, który nie zawiera atomów wodoru związanych z tlenem, azotem lub fluorem, a tym samym nie może wiązać się z wodorem. Może zawierać atomy wodoru gdzie indziej, np. związane z węglem.
• Karbokacja: Jon z dodatnio naładowanym węglem.
• Grupa opuszczania: atom lub grupa atomów, które odłączają się od cząsteczki w trakcie reakcji.
• Protic( rozpuszczalnik): rozpuszczalnik zawierający Wodór związany z atomem tlenu, azotu lub fluoru, który może służyć jako źródło atomów H+. Jest to rozpuszczalnik, który ma zdolność wiązania wodorowego.
• Solwacja: proces, w którym cząsteczki rozpuszczalnika otaczają się i wchodzą w interakcje z rozpuszczonymi cząsteczkami rozpuszczonymi.
• : niezwiązujące interakcje między cząsteczkami, wynikające z ich kształtu fizycznego, które wpływają na sposób, w jaki oddziałują.

równania szybkości SN1 vs.Sn2

liczby związane z reakcjami Sn1 i Sn2 mogą początkowo wydawać się sprzeczne z intuicją. Jeśli pomyślisz o liczbie kroków zaangażowanych w te reakcje, wydają się one cofnięte. Jednak liczby odnoszą się do liczby reagentów zaangażowanych w etap określania szybkości, a nie do liczby kroków. Najwolniejszym krokiem reakcji jest ten, który ogranicza szybkość ogólnej reakcji, tak jak szyjka butelki określa, jak szybko można wylać jej zawartość.

w reakcji Sn1 tym najwolniejszym krokiem jest dysocjacja elektrofilu, gdy grupa opuszczająca odchodzi. Proces ten nie jest zależny od stężenia nukleofila, ponieważ nukleofil bierze udział tylko w drugim etapie. W rezultacie możemy zapisać równanie szybkości jako R = k, czyli szybkość reakcji jest związana przez stałą szybkości k ze stężeniem jednego reagenta, elektrofilu. Inaczej mówiąc, reakcja jest “unimolekularna” i dlatego nazywamy ją Sn1: Podstawienie – nukleofilowe – unimolekularne.

podobnie, ponieważ dwa reagenty muszą się łączyć w ustalającym (i jedynym) etapie reakcji Sn2, nazywamy ten typ reakcji “bimolekularną” i zapisujemy jej równanie szybkości jako R = K. prowadzi to do nazwy Sn2: Podstawienie – nukleofilowe – bimolekularne.

Sn1 vs. Elektrofile Sn2

pozycja grupy opuszczającej na elektrofilu jest prawdopodobnie najbardziej znacząca, jeśli chodzi o rozróżnienie reakcji sn1 vs.sn2.

Sn1: jeśli grupa opuszczająca jest przyłączona do trzeciorzędowego węgla, najprawdopodobniej przechodzi reakcję sn1; jeśli przyłączona jest do wtórnego węgla, mniej prawdopodobne, a jeśli przyłączona jest do pierwotnego węgla, bardzo mało prawdopodobne – zasadniczo niemożliwe. Dzieje się tak, ponieważ pierwszym etapem reakcji sn1 jest powstanie karbokacji, ponieważ grupa opuszczająca się odłącza się. Karbokacja trzeciorzędowa jest stosunkowo stabilna, podczas gdy karbokacja pierwotna jest bardzo niestabilna. Tak więc, im bardziej stabilna jest otrzymana karbokacja, tym bardziej prawdopodobna jest reakcja sn1.

podsumowując: trzeciorzędowy > wtórny > pierwotny

Sn2: jeśli grupa opuszczająca jest przyłączona do pierwszorzędowego węgla, najprawdopodobniej przechodzi reakcję sn2; jeśli jest przyłączona do drugorzędowego węgla, mniej prawdopodobne, a jeśli jest przyłączona do trzeciorzędowego węgla, bardzo mało prawdopodobne – zasadniczo niemożliwe. Dzieje się tak dlatego, że w reakcji sn2 nukleofil “atakuje” elektrofil tak, jak jest, więc fizycznie musi być na to miejsce. Pierwszorzędowy węgiel jest jedynym połączonym z innym węglem, dlatego ma najmniej steryczną przeszkodę; trzeciorzędowy węgiel jest jednak połączony z trzema innymi węglami, a zatem będzie wiele innych grup, które staną na drodze nukleofilowi. W ten sposób, im bardziej steryczna przeszkoda, tym mniej jak sn2 ma wystąpić.

podsumowując, trend jest wprost przeciwny do trendu sn1: pierwotny > wtórny > trzeciorzędny

Sn1 vs. SN2 Nucleophiles

Sn1: w reakcjach sn1, nucleophile wydają się być nienasycone i słabsze, ponieważ “atakuje” karbokationę. Oznacza to, że do drugiego etapu, czyli ataku nukleofilowego, nie potrzeba zbyt dużej siły – ładunek elektrofilu już do tego zachęca. Często w reakcji sn1 nukleofilem jest rozpuszczalnik, w którym zachodzi reakcja.

niektóre przykłady nukleofilów wspólnych dla reakcji sn1 to: CH3OH, H2O

Sn2: W reakcjach sn2 nukleofil wypiera grupę opuszczającą, co oznacza, że musi być wystarczająco silny, aby to zrobić. Często oznacza to, że nukleofil jest naładowany – jeśli nie, to musi to być silny neutralny nukleofil. Mając to na uwadze, zwróć również uwagę na stery, ponieważ bardzo nieporęczny nukleofil nie będzie w stanie wykonać reakcji sn2.

niektóre przykłady nukleofili wspólnych dla reakcji sn2 to: KOEt, NaCN
zauważ, że są to rzeczywiście naładowane nukleofile, ponieważ zawierają wiązania jonowe. NaCN, na przykład, w reakcji działa jako Na+ I CN -, czyniąc CN-naładowanym nukleofilem.

SN1 vs. SN2 rozpuszczalniki

Sn1: reakcje Sn1 mają tendencję do występowania w polarnych, protowych rozpuszczalnikach, ponieważ mogą lepiej stabilizować ładunek karbokacyjny dzięki silnej mocy solwatującej. Zasadniczo oznacza to, że protowy rozpuszczalnik może otaczać ładunek i oddziaływać z nim, co stabilizuje ładunek. W przypadku rozpuszczalników protowych mają one zdolność wiązania wodorowego, ale w reakcjach sn1 stabilizują karbokację poprzez oddziaływania dipolowe. Dodatkowo, polarny, protowy rozpuszczalnik może wiązać wodór z grupą opuszczającą, stabilizując ją również.

niektóre przykłady rozpuszczalników wspólnych dla reakcji sn1 to: woda, alkohole, kwasy karboksylowe

Sn2: reakcje Sn2 mają tendencję do występowania w polarnych, aprotycznych rozpuszczalnikach. Dzieje się tak dlatego, że są one wystarczająco polarne, aby rozpuścić nukleofil i umożliwić przebieg reakcji, ale nie mają zdolności wiązania wodorowego ani tak silnej mocy solwatującej, jak rozpuszczalniki dla reakcji sn1. Ma to sens, ponieważ nie muszą stabilizować karbokacji w reakcjach sn2. W rzeczywistości zbyt silna siła solwatująca, taka jak polarne, protowe rozpuszczalniki, utrudnia reakcje sn2, ponieważ solwatuje nukleofil i uniemożliwia mu “atakowanie” elektrofilu.

niektóre przykłady rozpuszczalników wspólnych dla reakcji sn2 to: aceton, DMSO (dimetylosulfotlenek), acetonitryl

Sn1 vs. grupy opuszczające SN2

Sn1 i Sn2: zarówno reakcje sn1, jak i sn2 wymagają dobrych grup opuszczających, więc charakter grupy opuszczającej nie ma dużego wpływu na rodzaj reakcji. Jednak bardzo słaba Grupa opuszczająca może w ogóle zapobiec wystąpieniu obu reakcji.

dobra grupa opuszczająca to taka, która jest wysoce elektroujemna, ponieważ grupa opuszczająca musi być w stanie zabrać elektrony ze swojego wiązania, aby odejść. Im bardziej elektroujemny jest gatunek, tym większa jest jego zdolność do przyciągania elektronów, zwłaszcza tych z wiązanej pary.

niektóre przykłady grup dobrego opuszczania wspólnych zarówno dla reakcji sn1, jak i sn2 to: Cl–, Br–, I -, H2O

podsumowanie

tak więc struktura elektrofilu jest najłatwiejszym sposobem określenia w reakcji przebiegającej przez sn1 vs.sn2. Jeśli grupa opuszczająca jest przyłączona do pierwszorzędowego lub trzeciorzędowego węgla, w większości przypadków można automatycznie założyć odpowiednio reakcję sn1 lub sn2. Jeśli jest przymocowany do wtórnego węgla, sprawa jest nieco bardziej niejednoznaczna. Być może będziesz musiał polegać na innych wskazówkach, aby określić, jaka będzie reakcja. W tych przypadkach, spójrz na nukleofil (czy jest ładunek / uncharged, lub silny/słaby), i na rozpuszczalnik (czy jest protic lub aprotic).