Kärnkoncept
I den här handledningen kommer du att lära dig hur du uttryckligen kan skilja mellan de olika aspekterna avSN1 vs. SN2 reaktioner, och för att identifiera de faktorer som gör varje mer sannolikt att inträffa.
Relaterade ämnen
- SN1 reaktioner
- SN2-reaktioner
- Vad är en nukleofil
- Vad är en elektrofil
- Steriskt hinder
- Katjoner och anjoner
- Polaritet
- Elektrofil aromatisk substitution
- Nukleofil substitutionsreaktion
Ordförråd
- Aprotisk (lösningsmedel):ett lösningsmedel som inte innehåller väteatomer bundna till syre, kväve eller fluor och därför inte kanvätebindning. Det kan innehålla väteatomer på andra ställen, såsom bundna till kol.
- Kolsyra:en jon med ett positivt laddat kol.
- Lämnar gruppen:atomen eller gruppen av atomer som lossnar från molekylen under reaktionens gång.
- Protisk (lösningsmedel):ett lösningsmedel som innehåller ett väte bundet till en syre-, kväve- eller fluoratom, som kan fungera som en källa till H+atomer. Detta är ett lösningsmedel som har förmågan att binda väte.
- Lösning:en process där lösningsmedelsmolekyler omger och interagerar med lösta molekyler.
- Steriskt hinder:icke-bindande interaktioner mellan molekyler, till följd av deras fysiska form, som påverkar sätten på vilka de interagerar.
1. SN1 vs. SN2 frekvensekvationer
Siffrorna förknippade med SN1- och SN2-reaktioner kan till en början verka kontraintuitiva. Om du tänker på antalet steg som är involverade i dessa reaktioner, verkar de bakåtvända. Emellertid hänvisar siffrorna till antalet reaktanter involverade i det hastighetsbestämmande steget, inte till antalet steg. Det långsammaste steget i en reaktion är det som begränsar hastigheten på den totala reaktionen, precis som flaskhalsen avgör hur snabbt du kan hälla ut dess innehåll.
I en SN1-reaktion är detta långsammaste steg dissocieringen av elektrofilen, när den lämnande gruppen lämnar. Denna process är inte beroende av koncentrationen av nukleofil, eftersom nukleofilen endast deltar i det andra steget. Som ett resultat kan vi skriva hastighetsekvationen som R = k[elektrofil], det vill säga reaktionshastigheten är relaterad med hastighetskonstanten k till koncentrationen av EN reaktant, elektrofilen. Ett annat sätt att säga detta är att reaktionen är "unimolekylär", och det är därför vi kallar den SN1: Substitution – nukleofil –enmolekylär.
På samma sätt, eftersom TVÅ reaktanter måste mötas i det hastighetsbestämmande (och enda) steget av en SN2-reaktion, kallar vi denna typ av reaktion "bimolekylär" och skriver dess hastighetsekvation som R = k[elektrofil][nukleofil]. Detta leder till namnet SN2: Substitution – nukleofil –bimolekylär.
2. SN1 vs. SN2 elektrofiler
Den lämnande gruppens position på elektrofilen är kanske den mest betydelsefulla när det gäller att skilja mellan SN1- och SN2-reaktioner.
SN1:om den lämnande gruppen är bunden till ett tertiärt kol, är det mest sannolikt att den genomgår en SN1-reaktion; om det är kopplat till ett sekundärt kol är det mindre troligt, och om det är bundet till ett primärt kol är det mycket osannolikt – i princip omöjligt. Detta beror på att det första steget i en SN1-reaktion ärkolsyrabildning, då den lämnande gruppen lösgör sig. En tertiär karbokatförening är relativt stabil, medan en primär karbokation är mycket instabil. Ju mer stabil den resulterande karbokaten är, desto mer sannolikt är en SN1-reaktion.
För att sammanfatta: Tertiär > sekundär > primär
SN2:om den lämnande gruppen är bunden till ett primärt kol, är det mest sannolikt att den genomgår en SN2-reaktion; om det är kopplat till ett sekundärt kol är det mindre troligt, och om det är bundet till ett tertiärt kol är det mycket osannolikt – i princip omöjligt. Detta beror på att i en SN2-reaktion "angriper" nukleofilen elektrofilen som den är, så det måste fysiskt finnas utrymme för det att göra det. Ett primärt kol är det enda som är kopplat till ett annat kol, så det har det minst steriska hindret; ett tertiärt kol är emellertid kopplat till tre andra kol, och därför kommer det att finnas flera andra grupper som kommer i vägen för nukleofilen. Således, ju mer steriskt hinder, desto mindre likt SN2 kommer att inträffa.
För att sammanfatta, trenden är rakt motsatt den för SN1: Primär > sekundär > tertiär
3. SN1 vs. SN2 nukleofiler
SN1: I SN1-reaktioner tenderar nukleofilen att vara oladdad och svagare, eftersom den "angriper" en karbocation. Det betyder att det inte kommer att krävas särskilt mycket styrka för det andra steget, den nukleofila attacken, att inträffa – laddningen av elektrofilen uppmuntrar det redan. Ofta, i en SN1-reaktion, nukleofilenärlösningsmedlet som reaktionen sker i.
Några exempel på nukleofiler som är vanliga för SN1-reaktioner är: CH3Åh, H2O
SN2:I SN2-reaktioner förskjuter nukleofilen den lämnande gruppen, vilket betyder att den måste vara tillräckligt stark för att göra det. Ofta betyder det att nukleofilen är laddad – om inte så måste den vara en stark neutral nukleofil. Som sagt, var uppmärksam på sterics också, eftersom en mycket skrymmande nukleofil inte kommer att kunna göra en SN2-reaktion.
Några exempel på nukleofiler som är vanliga för SN2-reaktioner är: KOEt, NaCN
Observera att dessa faktiskt är laddade nukleofiler, eftersom de innehåller jonbindningar. NaCN, till exempel, i en reaktion fungerar som Na+och CN–, vilket gör CN–den laddade nukleofilen.
4. SN1 vs. SN2 lösningsmedel
SN1:SN1-reaktioner tenderar att inträffa i polära, protiska lösningsmedel, eftersom de kan stabilisera karbokatjonladdningen bättre genom sin starka solvatiseringsförmåga. Detta betyder i huvudsak att det protiska lösningsmedlet kan omge laddningen och interagera med den, vilket stabiliserar laddningen. När det gäller protiska lösningsmedel har de förmågan att vätebinda, men i SN1-reaktioner stabiliserar de karbokaten genom dipolinteraktioner. Dessutom kan det polära, protiska lösningsmedlet vätebindas med den lämnande gruppen, vilket stabiliserar den också.
Några exempel på lösningsmedel som är vanliga för sn1-reaktioner är: vatten, alkoholer, karboxylsyror
SN2:SN2-reaktioner tenderar att inträffa i polära, aprotiska lösningsmedel. Detta beror på att de är tillräckligt polära för att lösa upp nukleofilen och låta reaktionen fortgå, men inte har förmågan att binda till väte eller lika stark solvatiseringsförmåga som lösningsmedlen för SN1-reaktioner. Detta är vettigt, eftersom de inte behöver stabilisera en karbokatjon i SN2-reaktioner. Faktum är att en för stark solvatiseringsförmåga, såsom de polära, protiska lösningsmedlen, hindrar SN2-reaktioner eftersom det kommer att lösa nukleofilen och hindra den från att "attackera" elektrofilen.
Några exempel på lösningsmedel som är vanliga för SN2-reaktioner är: aceton,DMSO(dimetylsulfoxid), acetonitril
5. SN1 vs. SN2 lämnar grupper
SN1 och SN2:Både SN1- och SN2-reaktioner kräver bra lämnande grupper, så karaktären hos den lämnande gruppen påverkar inte typen av reaktion särskilt mycket. Emellertid kan en mycket dålig lämnande grupp förhindra att endera reaktionen inträffar alls.
En bra lämnande grupp är en som är mycket elektronegativ, eftersom en lämnande grupp måste kunna ta elektronerna från sin bindning för att lämna. Ju mer elektronegativ en art är, desto större är dess förmåga att attrahera elektroner, särskilt de i ett förbundet par.
Några exempel på bra lämnande grupper som är gemensamma för både SN1- och SN2-reaktioner är: Cl–, Br–, jag–, H2O
Sammanfattning
Således är strukturen av elektrofilen det enklaste sättet att avgöra i en reaktion kommer att fortsätta via SN1 vs. SN2. Om den lämnande gruppen är bunden till ett primärt eller tertiärt kol kan man i de flesta fall automatiskt anta en SN1- respektive SN2-reaktion. Om det är fäst vid ett sekundärt kol är fallet lite mer tvetydigt. Du kanske måste lita på andra ledtrådar för att avgöra vilken reaktion det kommer att bli. Titta i dessa fall på nukleofilen (oavsett om den är laddad/oladdad eller stark/svag) och på lösningsmedlet (oavsett om den är protisk eller aprotisk).