SN2-reactie

De reactie vindt meestal plaats in een alifatisch sp3-koolstofcentrum waaraan een elektronegatieve, stabiele groep is verbonden - 'X' - vaak een halogenideatoom. Het verbreken van de C-X binding en de vorming van de nieuwe C-Nu binding vinden gelijktijdig plaats om een overgangstoestand te vormen waarin de aangevallen nucleofiele koolstof pentacoordinaat is, en ongeveer sp2 gehybridiseerd. De nucleofiel valt de koolstof aan onder een hoek van 180° ten opzichte van de vertrekkende groep, omdat dit de beste overlap oplevert tussen het lone paar van de nucleofiel en de C-X σ* antibonding orbitaal. De vertrekkende groep wordt dan van de tegenoverliggende zijde geduwd en het product wordt gevormd.

Indien het substraat onder nucleofiele aanval chiraal is, kan dit, hoewel niet noodzakelijk, leiden tot een omkering van de stereochemie, de zogenaamde Walden-inversie.

In een voorbeeld van de SN2-reactie resulteert de aanval van OH- (het nucleofiel) op een broomethaan (het elektrofiel) in ethanol, waarbij bromide wordt uitgestoten als de vertrekkende groep:

Een SN2-reactie treedt op als de aanvalsroute aan de achterkant niet wordt geblokkeerd door andere atomen in het molecuul (sterisch gehinderd door substituenten op het substraat). Dit mechanisme treedt dus meestal op bij een ongehinderd primair koolstofcentrum. Als er sterische verdringing is op het substraat in de buurt van de vertrekkende groep, zoals bij een tertiair koolstofcentrum, zal de substitutie een _SN1- in plaats van een SN2-mechanisme gebruiken, (een _SN1 zou ook waarschijnlijker zijn met geblokkeerde moleculen omdat er dan een voldoende stabiel carbokation-tussenproduct kan worden gevormd).

In de coördinatiechemie verloopt de associatieve substitutie volgens een mechanisme dat vergelijkbaar is met dat van _SN2.

Vier factoren beïnvloeden de snelheid van de reactie:

• Substraat. Het substraat speelt de belangrijkste rol bij het bepalen van de snelheid van de reactie. Dit komt doordat het nucleofiel aan de achterzijde van het substraat aanvalt, waardoor de binding van de koolstof-verliezende groep wordt verbroken en de binding van koolstof-nucleofiel wordt gevormd. Om de SN2-reactiesnelheid te maximaliseren, moet de achterkant van het substraat dus zo ongehinderd mogelijk zijn. In het algemeen betekent dit dat methyl- en primaire substraten het snelst reageren, gevolgd door secundaire substraten. Tertiaire substraten nemen niet deel aan SN2-reacties, vanwege sterische hinder.

• Nucleofiel. Net als het substraat heeft sterische hinder invloed op de sterkte van het nucleofiel. Het methoxide-anion, bijvoorbeeld, is zowel een sterke base als een sterk nucleofiel, omdat het een methylnucleofiel is, en dus zeer weinig gehinderd wordt. Tert-butoxide daarentegen is een sterke base, maar een slecht nucleofiel, omdat zijn drie methylgroepen zijn benadering van de koolstof belemmeren. De sterkte van een nucleofiel wordt ook beïnvloed door de lading en de elektronegativiteit: de nucleofiliciteit neemt toe met toenemende negatieve lading en afnemende elektronegativiteit. Bijvoorbeeld, OH- is een beter nucleofiel dan water, en I- is een beter nucleofiel dan Br- (in polaire protische oplosmiddelen). In een polair aprotisch oplosmiddel stijgt de nucleofiliciteit een kolom hoger in het periodiek systeem, aangezien er geen waterstofbinding is tussen het oplosmiddel en het nucleofiel. In dit geval weerspiegelt de nucleofiliciteit de basischiteit. I- zou daarom een zwakker nucleofiel zijn dan Br- omdat het een zwakkere base is.

• Oplosmiddel. Het oplosmiddel beïnvloedt de reactiesnelheid, omdat oplosmiddelen een nucleofiel al dan niet kunnen omgeven, waardoor de benadering van het koolstofatoom al dan niet wordt belemmerd. Polaire aprotische oplosmiddelen, zoals tetrahydrofuraan, zijn voor deze reactie betere oplosmiddelen dan polaire protische oplosmiddelen, omdat polaire protische oplosmiddelen zullen worden opgelost doordat het oplosmiddel waterstofbinding aan het nucleofiel krijgt. Hierdoor kan het de koolstof met de vertrekkende groep niet aanvallen.

• De uittredende groep. De verlatende groep beïnvloedt de reactiesnelheid. Hoe stabieler de vertrekkende groep is, hoe groter de kans dat deze de twee elektronen van zijn koolstof-verlatende groep meeneemt als het nucleofiel de koolstof aanvalt. Dus hoe zwakker de vertrekkende groep is als een geconjugeerde base, hoe beter de vertrekkende groep is. Evenzo, hoe sterker het corresponderende zuur, hoe beter de vertrekkende groep. Voorbeelden van goede vertrekkende groepen zijn de halogeniden (behalve fluoride) en tosylaten. Maar HO- en _H2N- zijn geen goede vertrekkende groepen.

De snelheid van een SN2-reactie is van de tweede orde, aangezien de snelheidsbepalende stap afhangt van de nucleofielconcentratie, [Nu-], en van de substraatconcentratie, [RX].

r = k[RX][Nu-]

Dit is een belangrijk verschil tussen het SN1- en het SN2-mechanisme. In de SN1-reactie valt het nucleofiel aan nadat de snelheidsbeperkende stap voorbij is. Maar in een SN2-reactie forceert het nucleofiel de vertrekkende groep in de beperkende stap. Met andere woorden, de snelheid van SN1-reacties hangt alleen af van de concentratie van het substraat, terwijl de SN2-reactiesnelheid afhangt van de concentratie van zowel het substraat als het nucleofiel. In gevallen waarin beide mechanismen mogelijk zijn (bijvoorbeeld bij een secundair koolstofcentrum), hangt het mechanisme af van het oplosmiddel, de temperatuur, de concentratie van het nucleofiel of van de vertrekkende groep.

SN2-reacties worden in het algemeen bevorderd in primaire alkylhalogeniden of secundaire alkylhalogeniden met een aprotisch oplosmiddel. Zij treden in te verwaarlozen mate op in tertiaire alkylhalogeniden als gevolg van sterische hinder.

_SN2 en _SN1 zijn twee uitersten van een glijdende schaal van reacties. Het is mogelijk vele reacties te vinden die zowel _SN2 als _SN1 karakter in hun mechanismen vertonen. Zo is het mogelijk om uit een alkylhalogenide een contactionpaar te vormen waarbij de ionen niet volledig gescheiden zijn. Wanneer deze substitutie ondergaan, zal de stereochemie voor veel van de reagerende moleculen omgekeerd zijn (zoals bij _SN2), maar enkele moleculen kunnen behoud van configuratie vertonen. SN2-reacties komen vaker voor dan SN1-reacties.

Een veel voorkomende nevenreactie bij SN2-reacties is E2-eliminatie: het inkomende anion kan fungeren als base in plaats van als nucleofiel, waardoor een proton wordt verwijderd en het alkeen wordt gevormd. Dit effect kan worden aangetoond in de gasfase-reactie tussen een sulfonaat en een eenvoudig alkylbromide, die plaatsvindt in een massaspectrometer:

Met ethylbromide is het reactieproduct overwegend het substitutieproduct. Naarmate de sterische hinder rond het elektrofiele centrum toeneemt, zoals bij isobutylbromide, wordt substitutie niet bevorderd en is eliminatie de overheersende reactie. Andere factoren die eliminatie in de hand werken zijn de sterkte van de base. Met het minder basische benzoaat-substraat reageert isopropylbromide met 55% substitutie. In het algemeen volgen gasfase-reacties en oplossingsfase-reacties van dit type dezelfde trends, hoewel in de eerste de oplosmiddeleffecten wegvallen.

Een ontwikkeling die in 2008 de aandacht trok, betreft een SN2-rotondemechanisme dat is waargenomen in een gasfase-reactie tussen chloride-ionen en methyljodide met een speciale techniek die "crossed molecular beam imaging" wordt genoemd. Wanneer de chloride-ionen voldoende snelheid hebben, is de energie van de resulterende jodide-ionen na de botsing veel lager dan verwacht, en er wordt verondersteld dat energie verloren gaat als gevolg van een volledige omwenteling van de methylgroep rond het jodiumatoom voordat de eigenlijke verplaatsing plaatsvindt.

• Substitutiereactie
• _SN1 reactie